特許 6296602 光検出器、電気光学装置および光検出器の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6296602

(24)【登録日】2018年3月2日

(45)【発行日】2018年3月20日

(54)【発明の名称】光検出器、電気光学装置および光検出器の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/10 20060101AFI20180312BHJP

   H01L 31/0232 20140101ALI20180312BHJP

   G02B 6/12 20060101ALI20180312BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/10 Z

   H01L31/02 C

   G02B6/12 301

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-39325(P2014-39325)

(22)【出願日】2014年2月28日

(65)【公開番号】特開2015-164147(P2015-164147A)

(43)【公開日】2015年9月10日

【審査請求日】2017年2月8日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２５年度、総務省、戦略的情報通信研究開発推進事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】301022471

【氏名又は名称】国立研究開発法人情報通信研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】石井 智

(72)【発明者】

【氏名】井上 振一郎

【審査官】 吉岡 一也

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０１１６４２０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−１７０１６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／１１９０１２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平１０−０１２９１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１５６２８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−１２５１１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−２２２６７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２８２３５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１７８３２５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３１／０２−３１／０３９２

Ｈ０１Ｌ ３１／０８−３１／１１９

Ｇ０２Ｂ ６／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光導波路から染み出した光を検出する光検出器であって、
前記光導波路に近接して配置された第１電極層と、
前記第１電極層上に配置された誘電体層と、
前記誘電体層上に配置された第２電極層とを備え、
前記第１電極層は、前記光導波路の側壁に接するとともに、前記光導波路の延びる方向に交差する方向に延在する、光検出器。

【請求項2】

前記第１電極層は前記光導波路に接するように形成され、
前記第１電極層の厚みは、前記光導波路から染み出した光の振幅が１／ｅになる長さである侵入長の２倍の長さ以下である、請求項１に記載の光検出器。

【請求項3】

前記第１電極層および前記第２電極層を構成する材料は、前記光導波路から染み出した光を吸収し光励起キャリアを発生させる材料を含む、請求項１または請求項２に記載の光検出器。

【請求項4】

基板と、
前記基板上に配置された光導波路と、
前記光導波路に隣接して配置された、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光検出器と、
前記基板上に配置された配線層とを備え、
前記配線層は、前記光検出器の前記第１電極層および前記第２電極層の少なくともいずれか一方と同一レイヤによって構成されている、電気光学装置。

【請求項5】

光導波路を準備する工程と、
前記光導波路に隣接して第１電極層を形成する工程と、
前記第１電極層上に誘電体層を形成する工程と、
前記誘電体層上に第２電極層を配置する工程とを備え、
前記第１電極層は、前記光導波路の側壁に接するとともに、前記光導波路の延びる方向に交差する方向に延在する、光検出器の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、光検出器、光検出器を含む電気光学装置および光検出器の製造方法に関し、より特定的には、導波路からの光を検出する光検出器、当該光検出器を利用した電気光学装置および光検出器の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

現代の情報通信において、情報の伝達には光信号と電気信号の両方が使われる。そのため、電気信号から光信号へまたは光信号から電気信号へ変換されて情報が処理され伝搬していく。光信号で伝搬している情報を電気信号へ変換する場合、光デバイス中の光導波路を伝搬する光を検出する受光素子が必要である。

【0003】

これまで広く用いられてきた受光素子は、代表的には２種類の異なる元素を半導体にドープすることで形成されたｐｎ接合を持つ半導体素子（フォトダイオード）である（たとえば、特開平０５−０８７６３５号公報参照）。フォトダイオードに使われる半導体は、たとえば可視光に対してはシリコン、近赤外光に対してはゲルマニウムやインジウムガリウムヒ素等が挙げられる。

【0004】

しかし、単一元素半導体であるシリコンやゲルマニウム等を基板（プラットホーム）にして光導波路とフォトダイオードを作製することは、半導体の光学特性と光導波路の作製工程を考えると難しい。すなわち、フォトダイオードとして半導体を使う際はバンドギャップより大きなエネルギーを持つ波長の光を対象としなければならないのに対して、光導波路として半導体を使う場合はバンドギャップより小さいエネルギーを持つ波長を使わなければならないため、単一の半導体を用いてフォトダイオードと光導波路とを作製することは不可能である。また、光導波路と光検出器を結合したものとして、ショットキー接合を利用した光導波路用光検出器も提案されているが（特開平１０−１４４９５０号公報、Goykhman, I., B. Desiatov, J. Khurgin, J. Shappir, and U. Levy, "Locally oxidized silicon surface-plasmon Schottky detector for telecom regime". Nano Letters, 2011. 11(6): p. 2219-2224.参照）、このような構造においてはショットキー接合を形成するために、光導波路自体が半導体でなければならないという制約がある。

【0005】

なお、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体などに代表される化合物半導体をプラットフォームにすると、当該化合物半導体の組成比を変えることで、実質的に同じ材料から光導波路と光検出器とを作り出すことは可能である。しかし、現状では化合物半導体を使うと価格が他の材料を使った場合に比べて割高となり、また大型の基板が得られにくいなどの改善すべき点が残っているため、当該化合物半導体を用いた光デバイスについてはハイエンド向けの製品となっている。またシリコンフォトニクスにおいては、シリコンとゲルマニウムの組合せからなる受光素子が実現されている。

【0006】

ここで、一般的な単一元素を基板として用いた半導体受光素子であるフォトダイオード（光検出器）は、上述のように光導波路と同じ材料で作られることはなく、別部材として準備され光導波路に組み込まれることになる。とくにポリマーをベースとする光デバイスの場合、フォトダイオードを光導波路を含む光デバイス内に設置するためのスペースを設けなければならない。さらに、光導波路における伝搬光をフォトダイオードに入射するためにカップラーやミラー等の光学構造が必要になる。

【0007】

たとえば、Shiraishi, T. Yagisawa, T. Ikeuchi, S. Ide, and K. Tanaka, "Cost-effective on-board optical interconnection using waveguide sheet with flexible printed circuit optical engine" in Optical Fiber Communication Conference and Exposition (OFC/NFOEC), 2011（非特許文献１）の図１には、ポリマーからなる光導波路を用いた光デバイスが開示されている。非特許文献１に開示された光デバイスでは、光導波路中の光をフォトダイオードに入射させるため、光導波路中に光学部材としてのミラーを設置している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平０５−０８７６３５号公報

【特許文献2】特開平１０−１４４９５０号公報

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】Shiraishi, T. Yagisawa, T. Ikeuchi, S. Ide, and K. Tanaka, "Cost-effective on-board optical interconnection using waveguide sheet with flexible printed circuit optical engine" in Optical Fiber Communication Conference and Exposition (OFC/NFOEC), 2011

【非特許文献2】Goykhman, I., B. Desiatov, J. Khurgin, J. Shappir, and U. Levy, "Locally oxidized silicon surface-plasmon Schottky detector for telecom regime". Nano Letters, 2011. 11(6): p. 2219-2224.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

光デバイスのさらなる小型化と高集積化が一段と求められている中で、上記のように光デバイスの内部に光学部材を配置することは、光デバイスの小型化や高集積化を阻害する要因となり、また作製プロセスも複雑なものとなっていた。

【0011】

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、省スペース化、低コスト化が可能であり作製プロセスの容易な光検出器およびその製造方法、さらに当該光検出器を用いた電気光学装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

発明者は、光導波路からの光検出の方法について鋭意研究を進めた結果、本発明を完成するに至った。すなわち、すべての金属や金属間化合物、あるいは導電性酸化物などは可視光と近赤外光を吸収する。そして、当該光を吸収した金属などでは光励起キャリアが発生する。光導波路に隣接して配置された金属などの導電体（第１電極層）において、光導波路からの染み出した光（たとえば、エバネッセント光や導波路の表面を透過した光）が吸収されることにより光励起キャリアが発生した場合に、当該光励起キャリアが誘電体層によるエネルギー障壁をトンネルして第２電極層に達すると光誘起電流となる。この光誘起電流により、光導波路を伝搬する光を検出できることを発明者は見出した。

【0013】

このような知見に基づいた本発明に従った光検出器は、光導波路から染み出した光を検出する光検出器であって、光導波路に近接して配置された第１電極層と、第１電極層上に配置された誘電体層と、誘電体層上に配置された第２電極層とを備える。なお、ここで光導波路に近接して配置されるとは、光導波路に接触した状態で配置される場合のみならず、光導波路と所定の間隔を隔てて対向するように配置される場合も含まれる。

【0014】

この発明に従った電気光学装置は、基板と、当該基板上に配置された光導波路と、上記光検出器と、配線層とを備える。光検出器は、光導波路に隣接して配置される。配線層は、基板上に配置される。配線層は、光検出器の第１電極層および第２電極層の少なくともいずれか一方と同一レイヤによって構成されている。

【0015】

この発明に従った光検出器の製造方法であって、光導波路を準備する工程と、光導波路に隣接して第１電極層を形成する工程と、第１電極層上に誘電体層を形成する工程と、誘電体層上に第２電極層を配置する工程とを備える。

【発明の効果】

【0016】

省スペース化、低コスト化が可能であり作製プロセスの容易な光検出器およびその製造方法、さらに当該光検出器を用いた電気光学装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本実施形態に係る光検出器の斜視模式図である。

【図2】図１に示した光検出器の断面模式図である。

【図3】図１に示した光検出器の平面模式図である。

【図4】図１に示した光検出器の製造工程を説明するためのフローチャートである。

【図5】図４に示した光検出器作製工程を説明するための模式図である。

【図6】図４に示した光検出器作製工程を説明するための模式図である。

【図7】図４に示した光検出器作製工程を説明するための模式図である。

【図8】図１に示した光検出器の動作を説明するための模式図である。

【図9】図１に示した光検出器を用いた電気光学装置の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

【0019】

＜光検出器の構成＞
図１〜図３を参照して、本発明の実施形態に係る光検出器１０を説明する。図１〜図３を参照して、光検出器１０は、基板１と、光７を伝搬させる光導波路２と、第１電極層３と、誘電体層４と、第２電極層５とを備える。光導波路２は基板１の主表面上に形成されている。光導波路２は任意の材料により構成できるが、たとえばポリマーなどの樹脂により構成してもよい。光導波路２の断面形状（光の進行方向に対して垂直な方向における断面形状）は図２に示すように四角形状であってもよいが、他の形状（たとえば丸型、楕円形状、台形状などの多角形状）など、任意の形状であってもよい。

【0020】

第１電極層３は基板１の主表面上から光導波路２の表面上にまで延在するように形成されている。図３に示すように、第１電極層３の延在方向は、光導波路２の延在方向と交差する。誘電体層４は、第１電極層３上に形成されている。具体的には、誘電体層４は平面視において光導波路２と重なる領域に少なくとも形成されている。誘電体層４は、光導波路２に隣接する領域における第１電極層３の端面を覆うとともに基板１の主表面に到達するように形成されている。また、光導波路２から見て上記第１電極層３の端面が位置する側（第１の側）と反対側（第２の側）において、誘電体層４の端部の位置より光導波路２から遠い領域では、第１電極層３の上部表面が露出している。

【0021】

第２電極層５は、誘電体層４上に形成されている。第２の側において、誘電体層４の端面の位置と第２電極層５の端面の位置とは重なっている。一方、第１の側では第２電極層５は誘電体層４上から基板１の主表面上にまで延在している。第１電極層３、誘電体層４および第２電極層５から光検出部６が構成される。

【0022】

−材料について−
第１電極層３および第２電極層５の材料としては任意の金属を用いることができるが、たとえば第１電極層３の材料として金（Ａｕ）を用い、第２電極層５の材料としてチタン（Ｔｉ）を用いることができる。誘電体層４の材料としても任意の誘電体材料を用いることができるが、たとえばシリカ（二酸化珪素、ＳｉＯ_２）を用いることができる。

【0023】

上述したように、可視光、すべての金属は近赤外光および赤外光を吸収できる。そのため、貴金属を含む遷移金属、アルミニウムなどの典型金属、窒化チタンなどの金属間化合物や黄銅などの合金を含めた数多くの物質を第１電極層３および第２電極層５の材料として使用することができる。たとえば、第２電極層５（上側）の金属の仕事関数と第１電極層３（下側）の金属の仕事関数との差が大きいと、赤外光のように相対的に長い波長の光に対しては本光検出器１０の感度が小さくなり、逆に上記仕事関数の差が小さいと相対的に長波長の光に対しても高い感度を持たせることができる。

【0024】

また、中間層である誘電体層４を構成する材料の電子親和力が小さいと、一方の電極層において励起されたキャリア（光励起キャリア）は誘電体層４をトンネルして反対側の電極層に到達するため、得られる光誘起電流は相対的に小さくなる。一方、誘電体層４を構成する材料の電子親和力が大きいと、一方の電極層において励起されたキャリアは電極層−誘電体層間のエネルギーバリアを超えて反対側の電極層に到達できるため、得られる光誘起電流は相対的に大きくなる。電子親和力が小さい誘電体としてはシリカやアルミナ(酸化アルミニウム)などがあり、電子親和力が大きい誘電体としてはチタニア(酸化チタン)や酸化タンタルなどが挙げられる。

【0025】

−各層の膜厚について−
光導波路２に近い側にある第１電極層３（下側の金属薄膜）の膜厚は、光導波路２に伝播する光（つまり検出対象である光）の波長における、第１電極層３を構成する金属での光の侵入長以下であることが望ましい。なお、第２電極層５（上側の金属薄膜）の膜厚については特に制限はない。また、誘電体層４の膜厚は、薄いほど得られる光誘起電流が大きくなるため、光誘起電流を大きくする観点からは極力薄くすることが好ましい。一方、誘電体層４が緻密でない薄い誘電体膜となった場合には暗電流の原因になるため、誘電体層４に使用する誘電体膜については極力緻密な膜であることが好ましい。

【0026】

たとえば、第１電極層３の厚みとしては１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下とすることができる。また、誘電体層４の厚みとしては、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることができる。ただしこれらの数値は目安であり、最適値は検出光の波長と使用する金属と誘電体によって大きく変わる可能性がある。

【0027】

−光導波路に対しての光検出器の設置位置について−
図１に示した光検出器１０では光検出部６が光導波路２に接しているが、光検出部６を設置する位置は１／ｅで定義される光導波路２のモード分布の内側であればよく、そのため光導波路２と光検出部６との間に間隙が配置されていてもよい。この場合も光検出部６での光検出は可能であるが、光検出部６が光導波路２に近いほど光誘起電流を大きくすることができる。

【0028】

また、上記光検出器１０の第１電極層３および第２電極層５を構成するために必要な金属の薄膜、および誘電体層４を構成するために必要な誘電体の薄膜は、いずれも多結晶体でも良く、またドーピングやエッチング等の後処理も行なわなくても良い。そのため、光検出部６は公知のフォトリソグラフィー技術と薄膜作製技術とを用いて作製できる。この結果、必ずしもＣＭＯＳプロセスを使用しないポリマーなどの樹脂からなる光導波路２を含む光デバイスなどの電気光学装置の作製行程において、上述した光検出器１０を容易に組み込むことが可能である。

【0029】

また、光検出器１０を構成する金属（たとえば光検出部６の第１電極層３および第２電極層５を構成する、金やチタンといった金属）は、それぞれ基板１の主表面上に延在するように形成することで、そのまま電気配線として利用できる。このため、当該電気配線を介して外部電気回路と光検出器１０とを接続でき、当該光検出器１０を備える光デバイスなどの電気光学装置の作製プロセスを簡略化できる。

【0030】

また、上記光検出器１０では、ショットキー接合を利用していないため、ポリマーやガラス等の絶縁体でできた光導波路２に対しても光検出器１０を適用できる。このため、半導体導波路にしか使用できないショットキー接合型光検出器と比べて汎用性が高い。

【0031】

さらに、上記光検出器１０の構造は、応答速度の遅延に繋がるＲＣ遅延が小さい。そのため、光検出器１０では原理上数十ギガヘルツの応答速度を実現でき、高速光通信デバイスへの適用にも対応できる。

【0032】

＜光検出器の製造方法＞
次に、図４〜図７を参照して、図１に示した光検出器１０の製造方法を説明する。

【0033】

図４に示すように、まず導波路作製工程（Ｓ１０）を実施する。具体的には、まず２μｍの厚みを有するシリコン酸化膜が表面に形成されたシリコン基板を準備する（工程Ｓ１１）。当該シリコン基板を洗浄した後、シリコン酸化膜上に、光導波路２を構成する材料を塗布する（工程Ｓ１２）。たとえば、当該材料としては樹脂材料（たとえばポリマー（フォトレジスト）を用い、当該樹脂材料をスピンコートするといった方法を用いることができる。たとえば、フォトレジストとしてＳＵ−８（MicroChem社製）を用いる場合、基板の回転数を３０００ｒｐｍとし、３０秒スピンコートする。

【0034】

次に、塗布した樹脂を熱処理する（工程Ｓ１３）。たとえば、上述したフォトレジストを塗布した場合には、加熱温度を摂氏１００度とし、加熱時間を２分間とする（ベーク処理）。

【0035】

次に、樹脂をパターニングする（工程Ｓ１４）。たとえば、上述したフォトレジストを用いる場合、当該フォトレジストにフォトマスクを介して紫外線を１０秒露光し、パターンを形成する。

【0036】

次に、パターニングされた樹脂を再度熱処理する（工程Ｓ１５）。具体的には、上述したフォトレジストを用いる場合、加熱温度を摂氏１５０度とし、加熱時間を２分間とする（ハードベーク）。

【0037】

次に、現像処理を行なう（工程Ｓ１６）。具体的には、上述したフォトレジストを用いる場合、現像液にフォトレジストを１分浸して現像する。この結果、図１に示すように基板１の主表面上（シリコン基板の表面に形成されたシリコン酸化膜上）に、樹脂からなる光導波路２(ポリマー導波路）を形成できる。当該光導波路２のサイズは任意に設定できるが、たとえば光導波路２の断面における高さを１．５μｍ、幅を平均６μｍとすることができる。

【0038】

次に、図４に示すように、光検出器作製工程（Ｓ２０）を実施する。具体的には、まず樹脂（たとえばポジ型のフォトレジスト）を、作製した光導波路２の上に塗布する（工程Ｓ２１）。当該樹脂としてのフォトレジストは、たとえばShipley社製のＳ１８１８（登録商標）を用いることができる。上記フォトレジストを光導波路２の上に２００μｌ程度滴下し、基板の回転数を３０００ｒｐｍとして３０秒スピンコートする。

【0039】

次に、塗布した樹脂を熱処理する（Ｓ２２）。たとえば、上記フォトレジストを塗布した場合、加熱温度を摂氏１００度とし、加熱時間を２分間とする（ベーク処理）。

【0040】

次に、樹脂をパターニングする（工程Ｓ２３）。たとえば、上述したフォトレジストを用いる場合、当該フォトレジストにフォトマスクを介して紫外線を１０秒露光し、パターンを形成する。

【0041】

次に、現像処理を行なう（工程Ｓ２４）。具体的には、上述したフォトレジストを用いる場合、現像液にフォトレジストを１分浸して現像する。この結果、図５に示すように、光導波路２と交差する方向に延びる溝１２が形成されたフォトレジスト１１を得ることができる。当該溝１２は、後述するように光検出部６が形成される領域となる。溝１２の幅（光導波路２の延在方向における第１電極層３、誘電体層４、第２電極層５の幅）は任意に設定できるが、たとえば５μｍである。

【0042】

次に、第１電極層を形成する（工程Ｓ２５）。具体的には、図６に示した光導波路２の右側をシャドーマスク（図示せず）で覆い、マグネトロンスパッタ装置を用いて第１電極層３となるべき金属膜を形成する。この金属膜としては、たとえば厚みが２０ｎｍの金薄膜を形成する。この結果、図６に示すように第１電極層３が形成される。

【0043】

次に、誘電体層を形成する（工程Ｓ２６）。具体的には、上記工程Ｓ２５で用いたシャドーマスクはそのままにして、図７における光導波路２の左側も別のシャドーマスク（図示せず）で覆い、マグネトロンスパッタ装置を用いて誘電体層４となるべき誘電体薄膜を形成する。誘電体薄膜としては、たとえば厚みが１０ｎｍのシリカ薄膜を形成する。この結果、図７に示すように誘電体層４が形成される。

【0044】

次に、第２電極層を形成する（工程Ｓ２７）。具体的には、図７における光導波路２の右側のシャドーマスクを外し、マグネトロンスパッタ装置を用いて第２電極層となるべき金属膜を形成する。この金属膜としては、たとえば厚み２５ｎｍのチタン薄膜を形成する。この結果、図１および図２に示すように第２電極層５が形成される。

【0045】

次に、後処理を実施する（工程Ｓ２８）。具体的には、残っている左側の別のシャドーマスクを外して、アセトン中でフォトレジスト１１を溶解する。この結果、図１および図２に示すような光検出部６を備える光検出器１０を得ることができる。

【0046】

＜光検出器の動作＞
本実施形態に係る光検出器１０では、光検出部６が金属-誘電体-金属という三層の薄膜が積層した構造になっている。そして、この三層構造の光検出部６が、光導波路２を覆うように光導波路２の両側面と上部表面とに直接触れている。また、異なる観点から言えば、光検出部を構成する第１電極層３が、光導波路２と接触するように形成されている。

【0047】

ここで、光導波路２を全反射しながら進む光は、全反射している光のうち染み出した光(たとえばエバネッセント光）が第１電極層３において金属に吸収され、図８に示すように内部光子放出によって光励起キャリアを発生する。そして、第１電極層３において発生した光励起キャリアが誘電体層４を構成する誘電体によるエネルギー障壁をトンネルして、反対側の第２電極層５に達すると光誘起電流となる。この光誘起電流を検出することで、光導波路２を伝搬する光を検出することができる。

【0048】

なお、第１電極層３および誘電体層４の厚みを十分薄くしておくことで、染み出した光は第２電極層５にも到達し得る。この場合、第１電極層３と第２電極層５との両方で光吸収が起きる。このような場合には、光検出器１０により外部検出される光誘起電流は、第２電極層５から第１電極層３に進んだキャリアと、その逆向きに（第１電極層３から第２電極層５に）進んだキャリアとの差になる。

【0049】

＜光検出器を用いた電気光学装置の構成＞
本実施形態に係る光検出器１０を用いた電気光学装置の一例を、図９を参照して説明する。

【0050】

ここで、上記光検出器１０は第１電極層３および第２電極層５が金属でできているため、当該電気光学装置の他の素子などとの接続において、ワイヤーボンディング等のプロセスを必要とせず、上記第１電極層３または第２電極層５を延長して配線として利用することができる。このように第１電極層３または第２電極層５を延長して配線として利用し、当該配線を電気光学装置の他の素子や電気回路に直接接続することが可能である。このような構成とすることで、光検出器１０を実装する場合に省スペース化を容易に行なうことができるとともに、製造プロセスも簡略化できる。このような利点は、光導波路で結ばれた光モジュールなどにおいて、特に有効である。

【0051】

図９を参照して、電気光学装置２０は、基板１と、当該基板１の主表面上に実装されているレーザダイオード２１、光変調器２２ａ〜２２ｄ、光導波路２ａ〜２ｄ、および光検出部６ａ〜６ｄとを主に備える。レーザダイオード２１と光変調器２２ａ〜２２ｄとは、光導波路２ａ〜２ｄにより接続されている。光変調器２２ａ〜２２ｄから出力される光は光変調器２２ａ〜２２ｄの出側に接続された光導波路中を伝搬する。そして、光変調器２２ａ〜２２ｄの出側において、各光導波路に光検出部６ａ〜６ｄが設置されている。光検出部６ａ〜６ｄは、図１および図２に示した光検出器１０における光検出部６と同様の構成を備える。

【0052】

レーザダイオード２１には制御用の電極２３、２４が接続されている。また、光変調器２２ａ〜２２ｄのそれぞれにも制御用の電極２５、２６が接続されている。また、光検出部６ａ〜６ｄのそれぞれにも、電極２７、２８が接続されている。光検出部６ａ〜６ｄと電極２７、２８とを接続する配線は、光検出部６ａ〜６ｄを構成する第１電極層３および第２電極層５と同一レイヤにより構成されている。たとえば、電極２７に接続された配線は、第１電極層３と同一レイヤにより構成され、電極２８に接続された配線は第２電極層５と同一レイヤにより構成される。

【0053】

図９に示した電気光学装置では、光変調器２２ａ〜２２ｄによって変調された光信号を本光検出部６ａ〜６ｄによってモニターすることができる。そして、各光導波路に設置された光検出部６ａ〜６ｄは、上述のように第１電極層３および第２電極層５と同一レイヤの電極層によって、その他の光学素子と共に容易に外部電源などに接続することができる。

【0054】

図９に示した電気光学装置２０では、光検出部６ａ〜６ｄが光導波路２ａ〜２ｄの外周部に直接設置されているため、ミラー等の光学素子を必要とせず、また光導波路２ａ〜２ｄを遮ることなく光検出できる。そのため、本実施形態による光検出器１０の構造を用いることにより、多数の素子や光導波路が設置される光モジュールなどの電気光学装置の小型化を図ることができる。

【0055】

なお、図１に示した光検出器１０は、上述のような光変調器だけでなく光スイッチ、光センサーや増幅器等その他の光デバイスを含む光モジュールにおいても適用することができる。

【0056】

＜光検出器の実施例＞
光検出器の構成：
発明者は、図１および図２に示した構造の光検出器を試作した。試作した光検出器では、第１電極層３の材料を金（厚み２０ｎｍ）、誘電体層４の材料をシリカ（厚み１０ｎｍ）、第２電極層５の材料をチタン（厚み２５ｎｍ）とした。光検出部６の幅（光導波路２の延在方向に沿った方向における幅）は約５μｍとした。

【0057】

上記構成の光検出器では、光導波路２を光が伝搬して、金属コンタクト部分（光検出部６）で吸収が起こる際、金薄膜からなる第１電極層３の厚みが薄いために第２電極層５（チタン薄膜）でも光吸収が起きる。ここで、第１電極層３の金で励起された電子が第２電極層５に達するために超えなければならないエネルギー障壁のほうが、第２電極層５のチタンで励起された電子が第１電極層３に達するために超えなければならないエネルギー障壁より小さい。そのため、第１電極層３と第２電極層５との間でバイアスがかかっていない場合は、第１電極層３（金薄膜）から誘電体層４（シリカ）を超えて第２電極層５（チタン）に電子が達する確率のほうが、第２電極層５から第１電極層３に電子が達する確立より高い。そのため、光誘起電流は第１電極層３から第２電極層５へ流れる。

【0058】

また、上述した光検出器１０では、光導波路２を光が伝搬している状態で正のバイアスを印加すると光誘起電流が増大し、負のバイアスを印加していくと光誘起電流が減少して更に負のバイアスを印加していくと当該光誘起電流が負の値を示すようになる。

【0059】

測定結果：
上述した光検出器１０について、光導波路を伝搬する光の波長を変えて、検出可能な光の波長について調べたところ、可視光から波長１０６４ｎｍの光に対してまで光検出器１０では感度があった。なお、第１電極層３および第２電極層５を構成する金属と、誘電体層４を構成する誘電体（絶縁体）との組合せを変えることによって、光検出器１０において検出可能な光の波長範囲をより長波長側にまで広げることができる。

【0060】

また、今回作製した光検出器１０はその表面積（光検出部６の専有面積）が小さいこと、第１電極層３の材料として仕事関数の大きな金を用いたこと、及びバンドギャップの大きなシリカを誘電体層４の材料として使用したこと、といった理由により、１Ｖのバイアスがかかった状態での感度は数十ｍＡ／Ｗ程度であった。ただし、第１電極層３または第２電極層５の材料として仕事関数の小さな金属を選択し、誘電体層４の材料としてバンドギャップの小さな絶縁体を選ぶことで、今回の試料と比べて少なくとも１桁以上の感度向上を図ることができると考えられる。

【0061】

上記のように、実施例に係る光検出器はデバイス自体を極めて小さくできる。さらに、本光検出器は光導波路２に直接接触するように（あるいは光導波路２と極めて小さな間隔を介して対向するように）設置して、光導波路２から染み出した光（たとえばエバネッセント光）を検出するため、従来のようにカップラー等の追加の光学構造は不要である。したがって、特にモノリシックでない光デバイス（光検出部６と光導波路２とが異なる材料によって構成される光デバイス）において、本実施形態に係る光検出器を適用することで、当該光デバイスの大幅な小型化や集積化を図ることができる。

【0062】

以下、上述した実施の形態と重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を列挙する。

【0063】

本発明に従った光検出器１０は、光導波路２から染み出した光を検出する光検出器であって、光導波路２に近接して配置された第１電極層３と、第１電極層３上に配置された誘電体層４と、誘電体層４上に配置された第２電極層５とを備える。

【0064】

このようにすれば、光導波路２から染み出した光（たとえばエバネッセント光や光導波路２の表面を透過した光など）を第１電極層３、誘電体層４、第２電極層５という積層構造を有する光検出部６で光誘起電流として検出できる。そのため、従来のように光導波路２中にミラーなどの光学部材を配置するといった構造が不要になるため、光検出器１０の小型化（省スペース化）を図ることができる。また、光検出部６の構造自体も非常に単純であるため、容易な製造プロセスによって上記光検出器１０を実現できる。なお、ここで光導波路２に隣接して配置された第１電極層３とは、光導波路２に接触して配置された第１電極層３のみではなく、光導波路２の表面から所定の間隔を隔てて配置された第１電極層３をも意味する。第１電極層３と光導波路２との間の距離は、光導波路２から染み出した光が第１電極層３に到達できる範囲であれば任意に設定できる。

【0065】

また、上記光検出器１０を電気光学装置の一例である光デバイス（たとえば図９に示す電気光学装置２０）上に作製する場合、光検出器１０は外部の電気回路と金属配線で繋がれる。そのため、光検出器１０の構成部材自体が金属でできていると、光検出器１０に使う金属（第１電極層３または第２電極層５）と配線に使う金属とを共用にすることでデバイス構造が単純になり、電気光学装置２０の小型化および集積化を図ることができる。なお、すべての金属は可視光と近赤外光を吸収するため、半導体のようにバンドギャップによって使用波長の制限を受けることがない。すなわち、金属はブロードバンドな光検出用材料になるため、上記光検出器１０は、第１電極層３および第２電極層５の材料を適宜選択することにより任意の波長範囲の光を検出することができる。

【0066】

上記光検出器１０では、第１電極層３、誘電体層４および第２電極層５という、金属−誘電体−金属の三層の薄膜が積層した構造になっている。そして、この三層構造が光導波路２を覆うように、たとえば断面が四角形状の光導波路２の両側面と上部表面とに第１電極層３が直接触れるように構成してもよい。

【0067】

ここで、光導波路２を全反射しながら進む光は、全反射している光のうち染み出した光（たとえばエバネッセント光）が第１電極層３と光導波路２との接合部（たとえば第１電極層３が金属により構成される場合は金属コンタクトの部分）近傍で第１電極層３または第２電極層５を構成する金属層などの導電体に吸収され、内部光子放出によって光励起キャリアを発生する。そして、第１電極層３または第２電極層５のいずれか一方で発生した光励起キャリアが誘電体層４によるエネルギー障壁をトンネルして反対側の電極層（第１電極層３または第２電極層５のいずれか他方）に達すると光誘起電流となる。また、上側の第２電極層５と下側の第１電極層３との両方で光吸収が起きると、外部検出される光誘起電流は、第２電極層５から第１電極層３に到達したキャリアと、第１電極層３から第２電極層５へ逆向きに到達したキャリアとの差になる。

【0068】

上記光検出器１０において、第１電極層３は光導波路２に接するように形成されていてもよい。第１電極層３の厚みは、光導波路２から染み出した光（たとえばエバネッセント光）の振幅が１／ｅになる長さである侵入長の２倍の長さ以下であることが好ましい。この場合、光導波路２から染み出した光によって第１電極層３中に励起されたキャリアが確実に誘電体層４まで到達させることができる。

【0069】

上記光検出器１０において、第１電極層３および第２電極層５を構成する材料は、光導波路から染み出した光を吸収し光励起キャリアを発生させる導電性材料であればよい。この場合、光検出器１０において当該光誘起キャリアに起因する光誘起電流を検出することで、光導波路から染み出した光を確実に検出できる。また、第１電極層３および第２電極層５を構成する材料は、金、アルミニウム、銅からなる群から選択される１種を含んでいてもよい。これらの材料は、回路基板などでの配線層の材料として一般的なものである。このため、上記第１電極層３または第２電極層５を構成する材料を、光検出器１０が配置される電気光学装置２０の配線層の材料として容易に利用することができる。そのため、光検出器１０と配線層とを別工程で形成する場合より、光検出器１０を備える装置の製造プロセスを簡略化できる。

【0070】

なお、第１電極層３および第２電極層５を構成する材料としては、他にも導電性酸化物や導電性有機ポリマーを用いることができる。また、誘電体層４を構成する材料としては、たとえば絶縁性のポリマー等の有機物を用いることができる。

【0071】

上記光検出器１０において、第１電極層３は、光導波路２の側壁（光導波路２の延在方向に沿って延びる表面部分）に接するとともに、光導波路２の延びる方向に交差する方向に延在してもよい。また、光導波路２の上記側壁が互いに交差する方向に延びるように複数存在する場合、複数の側壁のそれぞれに接するように第１電極層３を形成してもよい。このようにすれば、光導波路２から染み出した光をより確実に第１電極層３に侵入させることができる。

【0072】

この発明に従った電気光学装置２０は、図９に示すように、基板１と、当該基板１上に配置された光導波路２と、上記光検出器（光検出部６ａ〜６ｄ）と、配線層（光検出部６ａ〜６ｄと電極２７、２８とを接続する配線層）とを備える。光検出部６ａ〜６ｄは、光導波路２に隣接して配置される。配線層（たとえば図９の光検出部６ａ〜６ｄと電極２７、２８とを接続する配線層）は、基板１上に配置される。配線層は、光検出部６ａ〜６ｄの第１電極層３および第２電極層５の少なくともいずれか一方と同一レイヤによって構成されている。この場合、配線層と第１電極層３および第２電極層５のいずれか一方とを同一工程により形成することができるので、配線層と第１電極層３または第２電極層５とを別工程で形成する場合より、電気光学装置２０の製造プロセスを簡略化することができる。したがって、電気光学装置２０の製造コストを低減できる。

【0073】

この発明に従った光検出器１０の製造方法は、光導波路２を準備する工程（導波路作製工程（Ｓ１０））と、光導波路２に隣接して第１電極層３を形成する工程と、第１電極層３上に誘電体層４を形成する工程と、誘電体層４上に第２電極層５を配置する工程とを備える。このようにすれば、上記光検出器１０を容易に得ることができる。

【0074】

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【産業上の利用可能性】

【0075】

本発明は特にモノリシックな構成でない光デバイスの作製と小型化、低コスト化に特に有利である。

【符号の説明】

【0076】

１ 基板、２，２ａ〜２ｄ 光導波路、３ 第１電極層、４ 誘電体層、５ 第２電極層、６，６ａ〜６ｄ 光検出部、７ 光、１０ 光検出器、１１ フォトレジスト、１２ 溝、２０ 電気光学装置、２１ レーザダイオード、２２ａ〜２２ｄ 光変調器、２３，２５，２７，２８ 電極。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】