受光素子および光配線ＬＳＩ
【課題】ＬＳＩチップ上のような限られたスペースでも、波長多重光伝送を実現可能とする受光素子および光配線ＬＳＩを提供する。
【解決手段】導電性薄膜３の表面に設けられ入射光を表面プラズモンに変換するための同心円型結合周期構造５ａ、５ｂと、同心円型結合周期構造５ａ、５ｂの中心に配置され導電性薄膜３を貫通する開口４ａ、４ｂと、開口４ａ、４ｂにおける同心円型結合周期構造５ａ、５ｂが設けられた面とは反対側の面の開口端に配置された受光部との組合せが同一基板上に複数組設けられ、複数の同心円型結合周期構造５ａ、５ｂは、それぞれ周期が異なり、且つ互いに重ね合わされ、複数の開口４ａ、４ｂは複数の同心円型結合周期構造５ａ、５ｂが重ね合わされた領域内に配置され、複数の受光部は電気的に分離されている。
【解決手段】導電性薄膜３の表面に設けられ入射光を表面プラズモンに変換するための同心円型結合周期構造５ａ、５ｂと、同心円型結合周期構造５ａ、５ｂの中心に配置され導電性薄膜３を貫通する開口４ａ、４ｂと、開口４ａ、４ｂにおける同心円型結合周期構造５ａ、５ｂが設けられた面とは反対側の面の開口端に配置された受光部との組合せが同一基板上に複数組設けられ、複数の同心円型結合周期構造５ａ、５ｂは、それぞれ周期が異なり、且つ互いに重ね合わされ、複数の開口４ａ、４ｂは複数の同心円型結合周期構造５ａ、５ｂが重ね合わされた領域内に配置され、複数の受光部は電気的に分離されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子およびそれを用いた光配線ＬＳＩに関する。
【背景技術】
【０００２】
バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等の電子デバイスの性能向上により、大規模集積回路（ＬＳＩ:large scale integrated circuit）の飛躍的な動作速度向上が図られてきている。しかしながら、トランジスタの微細化による性能向上の一方で、それを接続する電気配線は微細化により配線抵抗や配線間容量の増大が深刻な問題となり、ＬＳＩ性能向上のボトルネックになりつつある。
【０００３】
このような電気配線の問題を鑑み、ＬＳＩ内を光で接続する光配線ＬＳＩが幾つか提案されている。光配線は、直流から１００ＧＨｚ以上の周波数で損失の周波数依存性が殆ど無く、配線路の電磁障害なども無いため数１０Ｇｂｐｓ以上の配線が容易に実現できる。
【０００４】
この種のＬＳＩ内光配線には、ＬＳＩの基板材料であるシリコン（Ｓｉ）からなる高速受光素子が必要である。一般に、Ｓｉは間接遷移半導体であるため光吸収効率が低く、光受光効率と高速性を両立するのが難しい。これを解決するため、金属などの導電性材料の表面を伝わる表面プラズモンを利用した集光アンテナ型受光素子が知られている（非特許文献１）。一方、微小開口の光伝達効率を改善するため、非対称の開口を用いる手法が知られている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００１−１８９５１９号公報
【非特許文献１】"Japanese Journal of Applied Physics"、2005年、Vol.44、No.12、p.L364
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、ＬＳＩチップ上のような限られたスペースでも、波長多重光伝送を実現可能とする受光素子および光配線ＬＳＩを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、導電性薄膜表面に設けられ入射光を表面プラズモンに変換するための同心円型結合周期構造と、前記同心円型結合周期構造の中心に配置され前記導電性薄膜を貫通する開口と、前記開口における前記同心円型結合周期構造が設けられた面とは反対側の面の開口端に配置された受光部との組合せが同一基板上に複数組設けられ、前記複数の同心円型結合周期構造は、それぞれ周期が異なり、且つ互いに重ね合わされ、前記複数の開口は前記複数の同心円型結合周期構造が重ね合わされた領域内に配置され、前記複数の受光部は電気的に分離されていることを特徴とする受光素子が提供される。
【０００７】
また、本発明の他の一態様によれば、半導体基板上に集積されたトランジスタ素子と、前記トランジスタ素子上に設けられた多層配線と、前記多層配線上に設けられ入射光を表面プラズモンに変換するための同心円型結合周期構造を有する導電性薄膜と、前記同心円型結合周期構造の中心に配置され前記導電性薄膜を貫通する開口と、前記開口に接続されて前記多層配線中に連続して設けられた導体を貫く導波開口と、前記導波開口の開口端に設けられた半導体受光部とを備えた光配線ＬＳＩであって、前記開口、前記導波開口、前記同心円型結合周期構造および前記半導体受光部の組合せが同一の前記半導体基板上に複数組設けられ、前記複数の同心円型結合周期構造は、それぞれ周期が異なり、且つ１つの入射光ビームの照射範囲内に収まるように互いに重ね合わされ、前記複数の開口は前記複数の同心円型結合周期構造が重ね合わされた領域内に配置され、前記複数の半導体受光部は電気的に分離されていることを特徴とする光配線ＬＳＩが提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ＬＳＩチップ上のような限られたスペースでも、波長多重光伝送を実現可能とする受光素子および光配線ＬＳＩが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
光配線の配線容量を大きくするには、配線速度の向上や配線本数を増設すれば良いが、波長多重を用いると配線速度や配線本数を変えずに容量の向上が可能になる。ところが、ＬＳＩ内部の配線など、限られたスペース内で光配線を行う場合には、波長多重のための合波器や分波器を設置することが難しく、実質的に波長多重が適用困難になる。
【００１０】
波長多重光配線を行う場合、光送信側は半導体レーザの発光部が小さいため、波長の異なる半導体レーザを近接配置して１つの光線路（光ファイバ、光導波路など）に導入するといった簡易構成が可能である。しかしながら、光受信側は受光素子の受光部に光導波路程度の大きさが必要となるため、一旦、波長分波してから受光する構成が一般的である。
【００１１】
これに対して、本発明の実施形態では、以下に説明するように、実質的に受光素子１つ分の面積で波長分波器機能を有する受光素子が実現され、ＬＳＩチップ上のような限られたスペースでも、波長多重光伝送が可能となる。
【００１２】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。本実施形態では受光部の具体的材料としてシリコン（Ｓｉ）を用いて説明するが、これは例えば、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓなど、光受信可能（光電変換可能）な材料が受光部にあれば同様に実施可能であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、以下の説明では１つの光配線路に対応する受光素子（光配線受信部）を抽出した形で示していくが、これは勿論、多数の光配線路を集積すること、ＬＳＩチップ上に集積することを意図しており、集積する受光素子や光配線の数は任意である。
【００１３】
図１に平面構造を例示する本実施形態に係る受光素子は、２つの開口４ａ、４ｂと、２つの同心円型結合周期構造（以下、単に結合周期構造とも称する）５ａ、５ｂと、２つの同心円型反射周期構造（以下、単に反射周期構造とも称する）６ａ、６ｂとを同一半導体基板上に設けた具体例である。
【００１４】
開口４ａ、４ｂのそれぞれに対して１対１で対応する２つの結合周期構造５ａ、５ｂは互いに重ね合わされ、同様に開口４ａ、４ｂのそれぞれに対して１対１で対応する２つの反射周期構造６ａ、６ｂも互いに重ね合わされている。各開口４ａ、４ｂは、結合周期構造５ａ、５ｂのそれぞれの中心に位置し、結合周期構造５ａ、５ｂが重なり合う領域内に配置されている。外側の反射周期構造６ａ、６ｂも含めたすべての周期構造の重なり範囲は、１つの入射光ビームの照射範囲とほぼ同じサイズであり、波長選択受光に必要な構成部分である２つの結合周期構造５ａ、５ｂの重なり合う領域および２つの開口４ａ、４ｂは、入射光ビームの照射範囲内にある。
【００１５】
ここで、説明をわかりやすくするため、図２〜５においては、開口４ａ及びこれに対して１対１で対応する周期構造５ａ、６ａを有する要素、または開口４ｂ及びこれに対して１対１で対応する周期構造５ｂ、６ｂを有する要素のみを抽出して図示している。図２はその要素の概略斜視図であり、図３はその断面図、図４はその要部拡大図、図５はその平面図を示す。すなわち、図２〜５における開口４は図１における開口４ａまたは４ｂに対応し、図２〜５における結合周期構造５は図１における結合周期構造５ａまたは５ｂに対応し、図２〜５における反射周期構造６は図１における結合周期構造６ａまたは６ｂに対応する。
【００１６】
半導体基板（例えばｎ型シリコン基板）１上にパッシベーション膜（例えばＳｉＯ２膜）２が形成され、そのパッシベーション膜２上に導電性薄膜３が形成されている。導電性薄膜３表面には、入射光を表面プラズモンに変換する（結合させる）ための結合周期構造５と、その結合周期構造５の中心に配置された十字形の開口４と、結合周期構造５の外側に形成され、入射光と結合された表面プラズモンのうち外側（結合周期構造５の径外方）に発散する成分をブラッグ反射して内側（開口４側）へ戻す反射周期構造６が設けられている。半導体基板１の裏面（導電性薄膜３が形成された面の反対面）には、例えばアルミニウムからなる裏面電極７が設けられている。結合周期構造５及び反射周期構造６は、例えば導電性薄膜３表面を加工して得られる凹凸パターンとして形成されている。
【００１７】
導電性薄膜３としては、例えば、スパッタ、加熱蒸着などの方法で形成されるＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏなどの金属を用いることができる。ここでは、導電性薄膜３の一例としてＡｇ膜を用いることとし、その厚さを例えば１００（ｎｍ）とする。
【００１８】
図３に示すように、開口４は導電性薄膜３の裏面まで貫通し、周期構造５、６が設けられた面とは反対面側の開口端には、例えばｎ−型シリコンからなる受光部（光電変換部）８が設けられている。すなわち、半導体基板１において、開口４の下の表面には他の部分より低濃度なｎ型領域が受光部８として形成されている。受光部８は、図１に示す２つの開口４ａ、４ｂのそれぞれに１対１で対応して２つ設けられ、これら２つの受光部８は電気的に分離されている。
【００１９】
波長以下の微小な穴（開口）を持つ金属膜に入射した光はほとんど透過することができないが、微小な穴の周囲に周期的な凹凸を設けて入射光と金属膜の表面プラズモンとを結合させて共鳴状態をつくることにより、透過光強度を大幅に増強できることが知られている。
【００２０】
そのためには、結合周期構造５及び反射周期構造６は、受光する光の波長に合わせた周期（ピッチ）で形成する必要があり、図５に示すように、開口４を中心とした同心円状に形成されている。ここで、受光波長をλ、導電性薄膜３の誘電率をε１、導電性薄膜３に接する物質の誘電率をε２とすると、結合周期構造５の周期Ｐｃは、Ｐｃ〜λ（１／ε１＋１／ε２）１／２という値で近似される。また、反射周期構造６の周期Ｐｂは、Ｐｂ＝Ｐｃ／２とすれば良い。
【００２１】
例えば、導電性薄膜（厚さ１００（ｎｍ）のＡｇ膜）３表面に集束イオンビーム（ＦＩＢ:Focused-Ion Beam）装置を用いて５０（ｎｍ）の深さで同心円状の周期構造５、６を形成し、導電性薄膜３の表面が空気に接している場合に結合周期構造５の周期Ｐｃを８４０（ｎｍ）（反射周期構造６の周期Ｐｂは４２０（ｎｍ））とし、導電性薄膜３の表面に厚さ１（μｍ）程度のＳｉＯ２パッシベーション膜を形成した場合に、Ｐｃを５６０（ｎｍ）（Ｐｂ＝２８０（ｎｍ））とすると、受光可能な中心波長λが８５０（ｎｍ）近傍になる。
【００２２】
開口４の平面サイズは、光を光電変換する受光部８が十分小さな領域に限定されるよう最小限の大きさとする。その基準として、十字形開口４の頂点間距離（頂部長さ）をプラズモン波長の１／２より大きくし、十字形の溝幅（線幅）はプラズモン波長の１／２より狭くする。プラズモン波長λｐは、厳密には開口４内部でのプラズモン波長であるが、前述した結合周期構造５の周期Ｐｃ（プラズモン集光アンテナ表面でのプラズモン波長に相当）とほぼ同程度の大きさとなるため、開口４は長辺長さをＰｃ／２以上とすれば、短辺長さはＰｃ／２よりかなり小さな値でも構わない。
【００２３】
例えば、前述した受光可能な中心波長λ〜８５０（ｎｍ）の場合で、導電性薄膜３表面に厚さ１（μｍ）程度のＳｉＯ２パッシベーション膜を形成した場合に、開口４の長辺長さを２８０（ｎｍ）以上（例えば４００（ｎｍ））、短辺長さを２８０（ｎｍ）以下（例えば５０（ｎｍ））とする。勿論、開口４は導電性薄膜３を貫通する穴であり、前述の例（厚１００（ｎｍ）のＡｇ膜）では集束イオンビームを用いて頂部長さが４００（ｎｍ）、溝幅が５０（ｎｍ）の十字形の溝として深さ１００（ｎｍ）以上の掘り込み加工を行えばよい。このように構成することで、開口４における伝播損失を低減でき、開口４の部分だけ厚く形成しても開口４の中でのプラズモン減衰を大幅に低減可能になる。
【００２４】
例えば、開口４の厚さ（開口長）を１００（ｎｍ）とし、十字形の頂部長さを４００（ｎｍ）、十字形の溝幅を５０（ｎｍ）とした場合の透過率を見積もると約９７％となる。この十字形開口４と同じ面積の円形開口（直径約２２０（ｎｍ））で透過率を見積もると１６％とかなり小さくなってしまう。円形開口の場合は、開口の厚さを非常に薄くするか、開口径を大きくする必要がある。例えば、上記の円形開口で開口の厚さを１（μｍ）とすると透過率は２×１０−９と極端に小さくなるが、十字形開口４の場合透過率が７５％に低下するだけで済む。開口の厚さが１（μｍ）の場合、円形開口では開口径を４００（ｎｍ）以上とする必要がある。この場合の透過率は９０％程度が可能であるが、その開口面積が十字形開口の３倍以上に大きくなってしまい、受光素子の応答速度が低下する問題が生じる。
【００２５】
十字形開口４の場合、いずれの方向の偏光が入ってきても、それぞれ十字形（直交スリットと同等）の透過率が高い方向のスリットに偏光成分が分割され、２つスリットを各成分が透過することで偏光方向に関係なく開口４を透過する。これは円形開口と同様な偏光無依存性を持つことに相当し、開口面積が小さい分、十字形開口４の方が高速に応答可能である。
【００２６】
例えば、低濃度ｎ型シリコンからなる受光部８に対するショットキー電極およびパッシベーション膜（ＳｉＯ２膜）２との密着用金属としてＴｉを１０（ｎｍ）の厚さで形成した上に、導電性薄膜３としてＡｇ膜を１００（ｎｍ）の厚さで形成し、十字形開口４の頂部長さを４００（ｎｍ）、溝幅を５０（ｎｍ）とし、結合周期構造５を深さ５０（ｎｍ）で１０周期配置し、その外側に反射結合構造６を深さ５０（ｎｍ）で５周期配置した構造を考える。
【００２７】
この時、受光波長を８５０（ｎｍ）とすると、ＳｉＯ２パッシベーション型素子（Ｐｃ＝５６０（ｎｍ））で約１４（μｍ）径の周期構造径となる。また、入射光の受光径は約１１（μｍ）となり、単一モード光ファイバで伝送された光をバットジョイント結合で受光することが可能になる。受光部（低濃度ｎ型シリコン領域）８の厚さは例えば２（μｍ）とし、受光領域を規定するパッシベーション膜２を例えば熱酸化法により形成する。このような構成とすることにより、受光効率約１０％（光電変換係数０．０８（Ａ／Ｗ））、応答速度１５（ＧＨｚ）以上といった特性の受光素子が得られるようになる。
【００２８】
再び図１を参照すると、本実施形態では、第１の開口４ａを中心とする周期構造５ａ、６ａの受光可能波長と、第２の開口４ｂを中心とする周期構造５ｂ、６ｂの受光可能波長とが異なるように構成している。即ち、それぞれの周期構造５ａ、６ａ、５ｂ、６ｂの周期が異なっており、その受光波長間隔をある程度離すことにより、２つのプラズモン集光アンテナ間の干渉を防ぐことができる。
【００２９】
例えば、導電性薄膜３の表面上に厚さ１（μｍ）程度のパッシベーション膜（ＳｉＯ２膜）を形成しているものとして、第１の開口４ａを中心とする結合周期構造５ａの周期を５６０（ｎｍ）、第１の開口４ａを中心とする反射周期構造６ａの周期を２８０（ｎｍ）、第２の開口４ｂを中心とする結合周期構造５ｂの周期を５４０（ｎｍ）、第２の開口４ｂを中心とする反射周期構造６ｂの周期を２７０（ｎｍ）とすると、第１の開口４ａは波長８５０（ｎｍ）、第２の開口４ｂは波長８２０（ｎｍ）の光をそれぞれ受光可能になる。
【００３０】
第１の開口４ａと第２の開口４ｂとの間隔（離間距離）は、例えば８００（ｎｍ）とする。結合周期構造５ａ、５ｂの直径は約１０（μｍ）とする。これにより、２つの受光素子はほとんど同じ位置に近接配置され、集光アンテナ（周期構造部）の重なり部分が多いため、１つの入射光ビーム（例えばビーム径約１０（μｍ）のシングルモード光ファイバ出力）をそのまま集光アンテナにあてるだけで、入射光の波長に応じて、受光開口４ａ、４ｂが自動的に切り替わるようにできる。即ち、２つの波長多重光を１つの光入力部（２つの開口４ａ、４ｂを含み且つ２つの結合周期構造５ａ、５ｂが重なっている領域）に照射するだけで波長分離受信できることになり、１つの受光素子スペースでの波長選択受光素子アレイの構築が実現する。
【００３１】
次に、図６は、３つの異なる波長の光を選択受信可能な構成を示し、３つの開口４ａ、４ｂ、４ｃと、３つの結合周期構造５ａ、５ｂ、５ｃと、３つの反射周期構造６ａ、６ｂ、６ｃとを同一半導体基板上に設けた具体例を示す。
【００３２】
開口４ａ、４ｂ、４ｃのそれぞれに対して１対１で対応する３つの結合周期構造５ａ、５ｂ、５ｃは互いに重ね合わされ、同様に開口４ａ、４ｂ、４ｃのそれぞれに対して１対１で対応する３つの反射周期構造６ａ、６ｂ、６ｃも互いに重ね合わされている。結合周期構造５ａ、５ｂ、５ｃのそれぞれの中心に位置する開口４ａ、４ｂ、４ｃは、結合周期構造５ａ、５ｂ、５ｃが重なり合う領域内に配置されている。外側の反射周期構造６ａ、６ｂ、６ｃも含めたすべての周期構造の重なり範囲は、１つの入射光ビームの照射範囲とほぼ同じサイズであり、波長選択受光に必要な構成部分である結合周期構造５ａ、５ｂ、５ｃの重なり合う領域および開口４ａ、４ｂ、４ｃは、入射光ビームの照射範囲内にある。受光部８（図３）は、３つの開口４ａ、４ｂ、４ｃのそれぞれに１対１で対応して３つ設けられ、これら３つの受光部８は電気的に分離されている。
【００３３】
第１〜第３の開口４ａ、４ｂ、４ｃにそれぞれ対応する各結合周期構造５ａ、５ｂ、５ｃの各周期を例えば５６０（ｎｍ）、５５０（ｎｍ）、５４０（ｎｍ）とし、第１〜第３の開口４ａ、４ｂ、４ｃにそれぞれ対応する各反射周期構造６ａ、６ｂ、６ｃの各周期を対応する各結合周期構造５ａ、５ｂ、５ｃの半分とする。これにより、第１〜第３の開口４ａ、４ｂ、４ｃそれぞれの受信波長は８５０（ｎｍ）、８３５（ｎｍ）、８２０（ｎｍ）というようになり、３つの異なる波長の選択受信が可能になる。なお、４つ以上の開口、これら開口のそれぞれに対応する、４つ以上の結合周期構造、４つ以上の反射周期構造および４つ以上の受光部を同一半導体基板上に設けて、さらに多くの異波長の選択受信も可能である。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態によれば、光を受光するための開口を複数近接配置して受光素子アレイを構成し、それに付随するプラズモン集光アンテナを互いに重ね合わせて形成し、且つ、各プラズモン集光アンテナの共鳴波長（周期構造の周期）を異ならせることでプラズモン集光アンテナ間の干渉を抑え、しかも波長ごとに受光する開口を異ならせて波長多重光受信を行わせるものである。
【００３５】
これにより、一般的な受光素子１つ分の面積に複数の受光素子を配置することができ、しかも、各受光素子が異なる波長を選択的に受光するため、受光素子１つ分の面積で波長分波器と受光素子アレイの機能が実現される。即ち、本実施形態に係る受光素子では、実質的に１つのデバイスで波長選択受光素子アレイが実現し、特別な追加スペースの不要な波長多重光配線を実現することができる。従って、ＬＳＩチップ内の高速光配線が効果的に構築可能になり、ＬＳＩの高速化、高性能化を促進して情報通信機器などの高度化に大きく貢献可能である。
【００３６】
１つの入射光ビームで波長選択受信を可能にするには、複数の結合周期構造５が互いに重なり合う領域であって且つ複数の開口４を含む領域に、入射光ビームが照射されればよい。その領域のすべてが入射光ビームの照射範囲内になくても、複数の結合周期構造５が互いに重なり合う領域において複数の開口４を含む一部領域が入射光ビームの照射範囲に重なる構成でも１つの入射光ビームで波長選択受信が可能となる。ただし、この場合、複数の結合周期構造５が重なり合う領域に当たらない入射光は受光されず無駄になってしまうので、受光効率を高くする観点からは、複数の結合周期構造５が、１つの入射光ビームの照射範囲内に収まるように重ね合わされる構成が望ましい。
【００３７】
次に、図７は、本発明の実施形態に係る光配線ＬＳＩの要部を示す断面斜視図であり、前述した偏光依存のない十字形開口を有する受光素子を用いて光配線ＬＳＩを構成した例を示している。なお、説明をわかりやすくするため、図７では図２〜５と同様、１つの開口４、これに対応する１つの結合周期構造５、１つの反射周期構造６および１つの受光部９を抽出して示しているが、これらは図１、６を参照して前述したように複数設けられる。
【００３８】
半導体基板１の表面には、トランジスタ素子（例えばＣＭＯＳ）１０が集積化されて形成されており、さらに半導体基板１の表面には受光部（光電変換部）９も形成されている。半導体基板１の表面上には多層配線１１が形成されている。多層配線１１は、トランジスタ素子１０や受光部９と接続された例えば銅からなる配線１２と、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜１３とを有する。
【００３９】
多層配線１１（の層間絶縁膜１３）上には導電性薄膜３が形成され、その表面には前述した集光アンテナ（結合周期構造５、反射周期構造６）が形成されている。結合周期構造５及び反射周期構造６の中心には、導電性薄膜３を貫通する十字形の開口４が形成されている。
【００４０】
開口４は、多層配線１１中を厚さ方向に連続して設けられた導体１５を貫いて形成された導波開口１６と接続されている（連通している）。すなわち、開口４の下には、集光アンテナ部分より厚い導体１５が、導電性薄膜３から半導体基板１表面の受光部９にまで延長されて設けられている。導波開口１６の開口端（開口４が設けられた側とは反対側の開口端）に受光部（光電変換部）９が設けられている。プラズモン集光アンテナからの表面プラズモンは、開口４及び導波開口１６を通じて多層配線１１中を貫いて受光部９にまで伝播される。
【００４１】
開口４は前述した実施形態と同様十字形であり、その開口４に接続して多層配線１１を貫く導波開口１６の形も十字形とすることで、円筒金属柱のように大きなレイアウト面積を占有することなく、多層配線１１およびトランジスタレイアウトのセクション間境界の隙間などに表面プラズモンの導波路を形成する導体１５を埋め込むことが可能になる。十字形導波開口１６を形成した金属柱（導体１５）は、多層配線１１の配線１２と同じ例えば銅（Ｃｕ）を用いても良いがプラズモンの吸収損失がやや大きいため、可能であれば銀（Ａｇ）を用いることが望ましい。その場合、例えば、多層配線１１の工程終了後、多層配線１１の層間絶縁膜１３および一部配線（受光素子のバイアスラインなど）を貫く十字溝を設け、メッキによりその十字溝内にＡｇを充填して十字形金属柱を形成する。その後、プラズモン集光アンテナの形成と、ドライエッチングによる十字形開口４及び導波開口１６の形成を行えばよい。
【００４２】
ＬＳＩの多層配線は、一般的に１０（μｍ）程度の厚さを有しており、十字形開口４及び導波開口１６におけるプラズモン伝送距離は１０（μｍ）前後となる。これは、前述した実施形態における導電性薄膜３を貫くだけの伝送とは異なり、やや余裕を持ったサイズで開口４及び導波開口１６を用意することが伝送損失低減のため望ましい。例えば、Ａｇ金属柱に、頂部長さ４５０（ｎｍ）、溝幅２００（ｎｍ）の十字形開口４及び導波開口１６を形成したＡｇ導波路を、プラズモンが１０（μｍ）伝送すると、波長８５０（ｎｍ）の入射光で約２０％の伝送効率を得ることができる。このときの開口面積（受光面積）は直径４２０（ｎｍ）の円形開口程度の面積であり、受光素子の応答速度を１５（ＧＨｚ）程度から低下させる程の面積にはならない。
【００４３】
従って、本実施形態例では、ＬＳＩ多層配線の上部からシリコン基板表面まで表面プラズモンのまま伝送しても−７（ｄＢ）程度の損失で、わずか１〜２個のトランジスタを用いた利得で十分回復可能であり、逆に光配線による高速動作（例えば１０（ＧＨｚ）クロック）が波形の劣化や過剰ジッタの増加がない状態で実現できるという効果が得られる。勿論、本実施形態に係る光配線ＬＳＩにおいても、図１、６を参照して前述したように複数の開口、これに１対１で対応する周期構造及び受光部を有し、波長選択多重受信が可能となっている。
【００４４】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、それらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。例えば、上記説明で挙げた周期、波長等の具体的数値、材料は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜設定、選択できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施形態に係る受光素子において２つの開口及びこれに１対１で対応する周期構造を有する具体例を示す平面図。
【図２】図１における複数の開口及び周期構造のうち、１つの開口及びこれに対応する１つの周期構造を抽出して示した概略斜視図。
【図３】図２に示す構造の断面図。
【図４】図２に示す構造の要部拡大図。
【図５】図２に示す構造の平面図。
【図６】実施形態に係る受光素子において３つの開口及びこれに１対１で対応する周期構造を有する具体例を示す平面図。
【図７】実施形態に係る光配線ＬＳＩの要部を示す断面斜視図。
【符号の説明】
【００４６】
１…半導体基板、３…導電性薄膜、４，４ａ，４ｂ，４ｃ…開口、５，５ａ，５ｂ，５ｃ…結合周期構造、６，６ａ，６ｂ，６ｃ…反射周期構造、７…裏面電極、８，９…受光部、１０…トランジスタ素子、１１…多層配線、１６…導波開口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子およびそれを用いた光配線ＬＳＩに関する。
【背景技術】
【０００２】
バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等の電子デバイスの性能向上により、大規模集積回路（ＬＳＩ:large scale integrated circuit）の飛躍的な動作速度向上が図られてきている。しかしながら、トランジスタの微細化による性能向上の一方で、それを接続する電気配線は微細化により配線抵抗や配線間容量の増大が深刻な問題となり、ＬＳＩ性能向上のボトルネックになりつつある。
【０００３】
このような電気配線の問題を鑑み、ＬＳＩ内を光で接続する光配線ＬＳＩが幾つか提案されている。光配線は、直流から１００ＧＨｚ以上の周波数で損失の周波数依存性が殆ど無く、配線路の電磁障害なども無いため数１０Ｇｂｐｓ以上の配線が容易に実現できる。
【０００４】
この種のＬＳＩ内光配線には、ＬＳＩの基板材料であるシリコン（Ｓｉ）からなる高速受光素子が必要である。一般に、Ｓｉは間接遷移半導体であるため光吸収効率が低く、光受光効率と高速性を両立するのが難しい。これを解決するため、金属などの導電性材料の表面を伝わる表面プラズモンを利用した集光アンテナ型受光素子が知られている（非特許文献１）。一方、微小開口の光伝達効率を改善するため、非対称の開口を用いる手法が知られている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００１−１８９５１９号公報
【非特許文献１】"Japanese Journal of Applied Physics"、2005年、Vol.44、No.12、p.L364
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、ＬＳＩチップ上のような限られたスペースでも、波長多重光伝送を実現可能とする受光素子および光配線ＬＳＩを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、導電性薄膜表面に設けられ入射光を表面プラズモンに変換するための同心円型結合周期構造と、前記同心円型結合周期構造の中心に配置され前記導電性薄膜を貫通する開口と、前記開口における前記同心円型結合周期構造が設けられた面とは反対側の面の開口端に配置された受光部との組合せが同一基板上に複数組設けられ、前記複数の同心円型結合周期構造は、それぞれ周期が異なり、且つ互いに重ね合わされ、前記複数の開口は前記複数の同心円型結合周期構造が重ね合わされた領域内に配置され、前記複数の受光部は電気的に分離されていることを特徴とする受光素子が提供される。
【０００７】
また、本発明の他の一態様によれば、半導体基板上に集積されたトランジスタ素子と、前記トランジスタ素子上に設けられた多層配線と、前記多層配線上に設けられ入射光を表面プラズモンに変換するための同心円型結合周期構造を有する導電性薄膜と、前記同心円型結合周期構造の中心に配置され前記導電性薄膜を貫通する開口と、前記開口に接続されて前記多層配線中に連続して設けられた導体を貫く導波開口と、前記導波開口の開口端に設けられた半導体受光部とを備えた光配線ＬＳＩであって、前記開口、前記導波開口、前記同心円型結合周期構造および前記半導体受光部の組合せが同一の前記半導体基板上に複数組設けられ、前記複数の同心円型結合周期構造は、それぞれ周期が異なり、且つ１つの入射光ビームの照射範囲内に収まるように互いに重ね合わされ、前記複数の開口は前記複数の同心円型結合周期構造が重ね合わされた領域内に配置され、前記複数の半導体受光部は電気的に分離されていることを特徴とする光配線ＬＳＩが提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ＬＳＩチップ上のような限られたスペースでも、波長多重光伝送を実現可能とする受光素子および光配線ＬＳＩが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
光配線の配線容量を大きくするには、配線速度の向上や配線本数を増設すれば良いが、波長多重を用いると配線速度や配線本数を変えずに容量の向上が可能になる。ところが、ＬＳＩ内部の配線など、限られたスペース内で光配線を行う場合には、波長多重のための合波器や分波器を設置することが難しく、実質的に波長多重が適用困難になる。
【００１０】
波長多重光配線を行う場合、光送信側は半導体レーザの発光部が小さいため、波長の異なる半導体レーザを近接配置して１つの光線路（光ファイバ、光導波路など）に導入するといった簡易構成が可能である。しかしながら、光受信側は受光素子の受光部に光導波路程度の大きさが必要となるため、一旦、波長分波してから受光する構成が一般的である。
【００１１】
これに対して、本発明の実施形態では、以下に説明するように、実質的に受光素子１つ分の面積で波長分波器機能を有する受光素子が実現され、ＬＳＩチップ上のような限られたスペースでも、波長多重光伝送が可能となる。
【００１２】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。本実施形態では受光部の具体的材料としてシリコン（Ｓｉ）を用いて説明するが、これは例えば、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓなど、光受信可能（光電変換可能）な材料が受光部にあれば同様に実施可能であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、以下の説明では１つの光配線路に対応する受光素子（光配線受信部）を抽出した形で示していくが、これは勿論、多数の光配線路を集積すること、ＬＳＩチップ上に集積することを意図しており、集積する受光素子や光配線の数は任意である。
【００１３】
図１に平面構造を例示する本実施形態に係る受光素子は、２つの開口４ａ、４ｂと、２つの同心円型結合周期構造（以下、単に結合周期構造とも称する）５ａ、５ｂと、２つの同心円型反射周期構造（以下、単に反射周期構造とも称する）６ａ、６ｂとを同一半導体基板上に設けた具体例である。
【００１４】
開口４ａ、４ｂのそれぞれに対して１対１で対応する２つの結合周期構造５ａ、５ｂは互いに重ね合わされ、同様に開口４ａ、４ｂのそれぞれに対して１対１で対応する２つの反射周期構造６ａ、６ｂも互いに重ね合わされている。各開口４ａ、４ｂは、結合周期構造５ａ、５ｂのそれぞれの中心に位置し、結合周期構造５ａ、５ｂが重なり合う領域内に配置されている。外側の反射周期構造６ａ、６ｂも含めたすべての周期構造の重なり範囲は、１つの入射光ビームの照射範囲とほぼ同じサイズであり、波長選択受光に必要な構成部分である２つの結合周期構造５ａ、５ｂの重なり合う領域および２つの開口４ａ、４ｂは、入射光ビームの照射範囲内にある。
【００１５】
ここで、説明をわかりやすくするため、図２〜５においては、開口４ａ及びこれに対して１対１で対応する周期構造５ａ、６ａを有する要素、または開口４ｂ及びこれに対して１対１で対応する周期構造５ｂ、６ｂを有する要素のみを抽出して図示している。図２はその要素の概略斜視図であり、図３はその断面図、図４はその要部拡大図、図５はその平面図を示す。すなわち、図２〜５における開口４は図１における開口４ａまたは４ｂに対応し、図２〜５における結合周期構造５は図１における結合周期構造５ａまたは５ｂに対応し、図２〜５における反射周期構造６は図１における結合周期構造６ａまたは６ｂに対応する。
【００１６】
半導体基板（例えばｎ型シリコン基板）１上にパッシベーション膜（例えばＳｉＯ２膜）２が形成され、そのパッシベーション膜２上に導電性薄膜３が形成されている。導電性薄膜３表面には、入射光を表面プラズモンに変換する（結合させる）ための結合周期構造５と、その結合周期構造５の中心に配置された十字形の開口４と、結合周期構造５の外側に形成され、入射光と結合された表面プラズモンのうち外側（結合周期構造５の径外方）に発散する成分をブラッグ反射して内側（開口４側）へ戻す反射周期構造６が設けられている。半導体基板１の裏面（導電性薄膜３が形成された面の反対面）には、例えばアルミニウムからなる裏面電極７が設けられている。結合周期構造５及び反射周期構造６は、例えば導電性薄膜３表面を加工して得られる凹凸パターンとして形成されている。
【００１７】
導電性薄膜３としては、例えば、スパッタ、加熱蒸着などの方法で形成されるＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏなどの金属を用いることができる。ここでは、導電性薄膜３の一例としてＡｇ膜を用いることとし、その厚さを例えば１００（ｎｍ）とする。
【００１８】
図３に示すように、開口４は導電性薄膜３の裏面まで貫通し、周期構造５、６が設けられた面とは反対面側の開口端には、例えばｎ−型シリコンからなる受光部（光電変換部）８が設けられている。すなわち、半導体基板１において、開口４の下の表面には他の部分より低濃度なｎ型領域が受光部８として形成されている。受光部８は、図１に示す２つの開口４ａ、４ｂのそれぞれに１対１で対応して２つ設けられ、これら２つの受光部８は電気的に分離されている。
【００１９】
波長以下の微小な穴（開口）を持つ金属膜に入射した光はほとんど透過することができないが、微小な穴の周囲に周期的な凹凸を設けて入射光と金属膜の表面プラズモンとを結合させて共鳴状態をつくることにより、透過光強度を大幅に増強できることが知られている。
【００２０】
そのためには、結合周期構造５及び反射周期構造６は、受光する光の波長に合わせた周期（ピッチ）で形成する必要があり、図５に示すように、開口４を中心とした同心円状に形成されている。ここで、受光波長をλ、導電性薄膜３の誘電率をε１、導電性薄膜３に接する物質の誘電率をε２とすると、結合周期構造５の周期Ｐｃは、Ｐｃ〜λ（１／ε１＋１／ε２）１／２という値で近似される。また、反射周期構造６の周期Ｐｂは、Ｐｂ＝Ｐｃ／２とすれば良い。
【００２１】
例えば、導電性薄膜（厚さ１００（ｎｍ）のＡｇ膜）３表面に集束イオンビーム（ＦＩＢ:Focused-Ion Beam）装置を用いて５０（ｎｍ）の深さで同心円状の周期構造５、６を形成し、導電性薄膜３の表面が空気に接している場合に結合周期構造５の周期Ｐｃを８４０（ｎｍ）（反射周期構造６の周期Ｐｂは４２０（ｎｍ））とし、導電性薄膜３の表面に厚さ１（μｍ）程度のＳｉＯ２パッシベーション膜を形成した場合に、Ｐｃを５６０（ｎｍ）（Ｐｂ＝２８０（ｎｍ））とすると、受光可能な中心波長λが８５０（ｎｍ）近傍になる。
【００２２】
開口４の平面サイズは、光を光電変換する受光部８が十分小さな領域に限定されるよう最小限の大きさとする。その基準として、十字形開口４の頂点間距離（頂部長さ）をプラズモン波長の１／２より大きくし、十字形の溝幅（線幅）はプラズモン波長の１／２より狭くする。プラズモン波長λｐは、厳密には開口４内部でのプラズモン波長であるが、前述した結合周期構造５の周期Ｐｃ（プラズモン集光アンテナ表面でのプラズモン波長に相当）とほぼ同程度の大きさとなるため、開口４は長辺長さをＰｃ／２以上とすれば、短辺長さはＰｃ／２よりかなり小さな値でも構わない。
【００２３】
例えば、前述した受光可能な中心波長λ〜８５０（ｎｍ）の場合で、導電性薄膜３表面に厚さ１（μｍ）程度のＳｉＯ２パッシベーション膜を形成した場合に、開口４の長辺長さを２８０（ｎｍ）以上（例えば４００（ｎｍ））、短辺長さを２８０（ｎｍ）以下（例えば５０（ｎｍ））とする。勿論、開口４は導電性薄膜３を貫通する穴であり、前述の例（厚１００（ｎｍ）のＡｇ膜）では集束イオンビームを用いて頂部長さが４００（ｎｍ）、溝幅が５０（ｎｍ）の十字形の溝として深さ１００（ｎｍ）以上の掘り込み加工を行えばよい。このように構成することで、開口４における伝播損失を低減でき、開口４の部分だけ厚く形成しても開口４の中でのプラズモン減衰を大幅に低減可能になる。
【００２４】
例えば、開口４の厚さ（開口長）を１００（ｎｍ）とし、十字形の頂部長さを４００（ｎｍ）、十字形の溝幅を５０（ｎｍ）とした場合の透過率を見積もると約９７％となる。この十字形開口４と同じ面積の円形開口（直径約２２０（ｎｍ））で透過率を見積もると１６％とかなり小さくなってしまう。円形開口の場合は、開口の厚さを非常に薄くするか、開口径を大きくする必要がある。例えば、上記の円形開口で開口の厚さを１（μｍ）とすると透過率は２×１０−９と極端に小さくなるが、十字形開口４の場合透過率が７５％に低下するだけで済む。開口の厚さが１（μｍ）の場合、円形開口では開口径を４００（ｎｍ）以上とする必要がある。この場合の透過率は９０％程度が可能であるが、その開口面積が十字形開口の３倍以上に大きくなってしまい、受光素子の応答速度が低下する問題が生じる。
【００２５】
十字形開口４の場合、いずれの方向の偏光が入ってきても、それぞれ十字形（直交スリットと同等）の透過率が高い方向のスリットに偏光成分が分割され、２つスリットを各成分が透過することで偏光方向に関係なく開口４を透過する。これは円形開口と同様な偏光無依存性を持つことに相当し、開口面積が小さい分、十字形開口４の方が高速に応答可能である。
【００２６】
例えば、低濃度ｎ型シリコンからなる受光部８に対するショットキー電極およびパッシベーション膜（ＳｉＯ２膜）２との密着用金属としてＴｉを１０（ｎｍ）の厚さで形成した上に、導電性薄膜３としてＡｇ膜を１００（ｎｍ）の厚さで形成し、十字形開口４の頂部長さを４００（ｎｍ）、溝幅を５０（ｎｍ）とし、結合周期構造５を深さ５０（ｎｍ）で１０周期配置し、その外側に反射結合構造６を深さ５０（ｎｍ）で５周期配置した構造を考える。
【００２７】
この時、受光波長を８５０（ｎｍ）とすると、ＳｉＯ２パッシベーション型素子（Ｐｃ＝５６０（ｎｍ））で約１４（μｍ）径の周期構造径となる。また、入射光の受光径は約１１（μｍ）となり、単一モード光ファイバで伝送された光をバットジョイント結合で受光することが可能になる。受光部（低濃度ｎ型シリコン領域）８の厚さは例えば２（μｍ）とし、受光領域を規定するパッシベーション膜２を例えば熱酸化法により形成する。このような構成とすることにより、受光効率約１０％（光電変換係数０．０８（Ａ／Ｗ））、応答速度１５（ＧＨｚ）以上といった特性の受光素子が得られるようになる。
【００２８】
再び図１を参照すると、本実施形態では、第１の開口４ａを中心とする周期構造５ａ、６ａの受光可能波長と、第２の開口４ｂを中心とする周期構造５ｂ、６ｂの受光可能波長とが異なるように構成している。即ち、それぞれの周期構造５ａ、６ａ、５ｂ、６ｂの周期が異なっており、その受光波長間隔をある程度離すことにより、２つのプラズモン集光アンテナ間の干渉を防ぐことができる。
【００２９】
例えば、導電性薄膜３の表面上に厚さ１（μｍ）程度のパッシベーション膜（ＳｉＯ２膜）を形成しているものとして、第１の開口４ａを中心とする結合周期構造５ａの周期を５６０（ｎｍ）、第１の開口４ａを中心とする反射周期構造６ａの周期を２８０（ｎｍ）、第２の開口４ｂを中心とする結合周期構造５ｂの周期を５４０（ｎｍ）、第２の開口４ｂを中心とする反射周期構造６ｂの周期を２７０（ｎｍ）とすると、第１の開口４ａは波長８５０（ｎｍ）、第２の開口４ｂは波長８２０（ｎｍ）の光をそれぞれ受光可能になる。
【００３０】
第１の開口４ａと第２の開口４ｂとの間隔（離間距離）は、例えば８００（ｎｍ）とする。結合周期構造５ａ、５ｂの直径は約１０（μｍ）とする。これにより、２つの受光素子はほとんど同じ位置に近接配置され、集光アンテナ（周期構造部）の重なり部分が多いため、１つの入射光ビーム（例えばビーム径約１０（μｍ）のシングルモード光ファイバ出力）をそのまま集光アンテナにあてるだけで、入射光の波長に応じて、受光開口４ａ、４ｂが自動的に切り替わるようにできる。即ち、２つの波長多重光を１つの光入力部（２つの開口４ａ、４ｂを含み且つ２つの結合周期構造５ａ、５ｂが重なっている領域）に照射するだけで波長分離受信できることになり、１つの受光素子スペースでの波長選択受光素子アレイの構築が実現する。
【００３１】
次に、図６は、３つの異なる波長の光を選択受信可能な構成を示し、３つの開口４ａ、４ｂ、４ｃと、３つの結合周期構造５ａ、５ｂ、５ｃと、３つの反射周期構造６ａ、６ｂ、６ｃとを同一半導体基板上に設けた具体例を示す。
【００３２】
開口４ａ、４ｂ、４ｃのそれぞれに対して１対１で対応する３つの結合周期構造５ａ、５ｂ、５ｃは互いに重ね合わされ、同様に開口４ａ、４ｂ、４ｃのそれぞれに対して１対１で対応する３つの反射周期構造６ａ、６ｂ、６ｃも互いに重ね合わされている。結合周期構造５ａ、５ｂ、５ｃのそれぞれの中心に位置する開口４ａ、４ｂ、４ｃは、結合周期構造５ａ、５ｂ、５ｃが重なり合う領域内に配置されている。外側の反射周期構造６ａ、６ｂ、６ｃも含めたすべての周期構造の重なり範囲は、１つの入射光ビームの照射範囲とほぼ同じサイズであり、波長選択受光に必要な構成部分である結合周期構造５ａ、５ｂ、５ｃの重なり合う領域および開口４ａ、４ｂ、４ｃは、入射光ビームの照射範囲内にある。受光部８（図３）は、３つの開口４ａ、４ｂ、４ｃのそれぞれに１対１で対応して３つ設けられ、これら３つの受光部８は電気的に分離されている。
【００３３】
第１〜第３の開口４ａ、４ｂ、４ｃにそれぞれ対応する各結合周期構造５ａ、５ｂ、５ｃの各周期を例えば５６０（ｎｍ）、５５０（ｎｍ）、５４０（ｎｍ）とし、第１〜第３の開口４ａ、４ｂ、４ｃにそれぞれ対応する各反射周期構造６ａ、６ｂ、６ｃの各周期を対応する各結合周期構造５ａ、５ｂ、５ｃの半分とする。これにより、第１〜第３の開口４ａ、４ｂ、４ｃそれぞれの受信波長は８５０（ｎｍ）、８３５（ｎｍ）、８２０（ｎｍ）というようになり、３つの異なる波長の選択受信が可能になる。なお、４つ以上の開口、これら開口のそれぞれに対応する、４つ以上の結合周期構造、４つ以上の反射周期構造および４つ以上の受光部を同一半導体基板上に設けて、さらに多くの異波長の選択受信も可能である。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態によれば、光を受光するための開口を複数近接配置して受光素子アレイを構成し、それに付随するプラズモン集光アンテナを互いに重ね合わせて形成し、且つ、各プラズモン集光アンテナの共鳴波長（周期構造の周期）を異ならせることでプラズモン集光アンテナ間の干渉を抑え、しかも波長ごとに受光する開口を異ならせて波長多重光受信を行わせるものである。
【００３５】
これにより、一般的な受光素子１つ分の面積に複数の受光素子を配置することができ、しかも、各受光素子が異なる波長を選択的に受光するため、受光素子１つ分の面積で波長分波器と受光素子アレイの機能が実現される。即ち、本実施形態に係る受光素子では、実質的に１つのデバイスで波長選択受光素子アレイが実現し、特別な追加スペースの不要な波長多重光配線を実現することができる。従って、ＬＳＩチップ内の高速光配線が効果的に構築可能になり、ＬＳＩの高速化、高性能化を促進して情報通信機器などの高度化に大きく貢献可能である。
【００３６】
１つの入射光ビームで波長選択受信を可能にするには、複数の結合周期構造５が互いに重なり合う領域であって且つ複数の開口４を含む領域に、入射光ビームが照射されればよい。その領域のすべてが入射光ビームの照射範囲内になくても、複数の結合周期構造５が互いに重なり合う領域において複数の開口４を含む一部領域が入射光ビームの照射範囲に重なる構成でも１つの入射光ビームで波長選択受信が可能となる。ただし、この場合、複数の結合周期構造５が重なり合う領域に当たらない入射光は受光されず無駄になってしまうので、受光効率を高くする観点からは、複数の結合周期構造５が、１つの入射光ビームの照射範囲内に収まるように重ね合わされる構成が望ましい。
【００３７】
次に、図７は、本発明の実施形態に係る光配線ＬＳＩの要部を示す断面斜視図であり、前述した偏光依存のない十字形開口を有する受光素子を用いて光配線ＬＳＩを構成した例を示している。なお、説明をわかりやすくするため、図７では図２〜５と同様、１つの開口４、これに対応する１つの結合周期構造５、１つの反射周期構造６および１つの受光部９を抽出して示しているが、これらは図１、６を参照して前述したように複数設けられる。
【００３８】
半導体基板１の表面には、トランジスタ素子（例えばＣＭＯＳ）１０が集積化されて形成されており、さらに半導体基板１の表面には受光部（光電変換部）９も形成されている。半導体基板１の表面上には多層配線１１が形成されている。多層配線１１は、トランジスタ素子１０や受光部９と接続された例えば銅からなる配線１２と、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜１３とを有する。
【００３９】
多層配線１１（の層間絶縁膜１３）上には導電性薄膜３が形成され、その表面には前述した集光アンテナ（結合周期構造５、反射周期構造６）が形成されている。結合周期構造５及び反射周期構造６の中心には、導電性薄膜３を貫通する十字形の開口４が形成されている。
【００４０】
開口４は、多層配線１１中を厚さ方向に連続して設けられた導体１５を貫いて形成された導波開口１６と接続されている（連通している）。すなわち、開口４の下には、集光アンテナ部分より厚い導体１５が、導電性薄膜３から半導体基板１表面の受光部９にまで延長されて設けられている。導波開口１６の開口端（開口４が設けられた側とは反対側の開口端）に受光部（光電変換部）９が設けられている。プラズモン集光アンテナからの表面プラズモンは、開口４及び導波開口１６を通じて多層配線１１中を貫いて受光部９にまで伝播される。
【００４１】
開口４は前述した実施形態と同様十字形であり、その開口４に接続して多層配線１１を貫く導波開口１６の形も十字形とすることで、円筒金属柱のように大きなレイアウト面積を占有することなく、多層配線１１およびトランジスタレイアウトのセクション間境界の隙間などに表面プラズモンの導波路を形成する導体１５を埋め込むことが可能になる。十字形導波開口１６を形成した金属柱（導体１５）は、多層配線１１の配線１２と同じ例えば銅（Ｃｕ）を用いても良いがプラズモンの吸収損失がやや大きいため、可能であれば銀（Ａｇ）を用いることが望ましい。その場合、例えば、多層配線１１の工程終了後、多層配線１１の層間絶縁膜１３および一部配線（受光素子のバイアスラインなど）を貫く十字溝を設け、メッキによりその十字溝内にＡｇを充填して十字形金属柱を形成する。その後、プラズモン集光アンテナの形成と、ドライエッチングによる十字形開口４及び導波開口１６の形成を行えばよい。
【００４２】
ＬＳＩの多層配線は、一般的に１０（μｍ）程度の厚さを有しており、十字形開口４及び導波開口１６におけるプラズモン伝送距離は１０（μｍ）前後となる。これは、前述した実施形態における導電性薄膜３を貫くだけの伝送とは異なり、やや余裕を持ったサイズで開口４及び導波開口１６を用意することが伝送損失低減のため望ましい。例えば、Ａｇ金属柱に、頂部長さ４５０（ｎｍ）、溝幅２００（ｎｍ）の十字形開口４及び導波開口１６を形成したＡｇ導波路を、プラズモンが１０（μｍ）伝送すると、波長８５０（ｎｍ）の入射光で約２０％の伝送効率を得ることができる。このときの開口面積（受光面積）は直径４２０（ｎｍ）の円形開口程度の面積であり、受光素子の応答速度を１５（ＧＨｚ）程度から低下させる程の面積にはならない。
【００４３】
従って、本実施形態例では、ＬＳＩ多層配線の上部からシリコン基板表面まで表面プラズモンのまま伝送しても−７（ｄＢ）程度の損失で、わずか１〜２個のトランジスタを用いた利得で十分回復可能であり、逆に光配線による高速動作（例えば１０（ＧＨｚ）クロック）が波形の劣化や過剰ジッタの増加がない状態で実現できるという効果が得られる。勿論、本実施形態に係る光配線ＬＳＩにおいても、図１、６を参照して前述したように複数の開口、これに１対１で対応する周期構造及び受光部を有し、波長選択多重受信が可能となっている。
【００４４】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、それらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。例えば、上記説明で挙げた周期、波長等の具体的数値、材料は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜設定、選択できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施形態に係る受光素子において２つの開口及びこれに１対１で対応する周期構造を有する具体例を示す平面図。
【図２】図１における複数の開口及び周期構造のうち、１つの開口及びこれに対応する１つの周期構造を抽出して示した概略斜視図。
【図３】図２に示す構造の断面図。
【図４】図２に示す構造の要部拡大図。
【図５】図２に示す構造の平面図。
【図６】実施形態に係る受光素子において３つの開口及びこれに１対１で対応する周期構造を有する具体例を示す平面図。
【図７】実施形態に係る光配線ＬＳＩの要部を示す断面斜視図。
【符号の説明】
【００４６】
１…半導体基板、３…導電性薄膜、４，４ａ，４ｂ，４ｃ…開口、５，５ａ，５ｂ，５ｃ…結合周期構造、６，６ａ，６ｂ，６ｃ…反射周期構造、７…裏面電極、８，９…受光部、１０…トランジスタ素子、１１…多層配線、１６…導波開口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性薄膜表面に設けられ入射光を表面プラズモンに変換するための同心円型結合周期構造と、前記同心円型結合周期構造の中心に配置され前記導電性薄膜を貫通する開口と、前記開口における前記同心円型結合周期構造が設けられた面とは反対側の面の開口端に配置された受光部との組合せが同一基板上に複数組設けられ、
前記複数の同心円型結合周期構造は、それぞれ周期が異なり、且つ互いに重ね合わされ、前記複数の開口は前記複数の同心円型結合周期構造が重ね合わされた領域内に配置され、前記複数の受光部は電気的に分離されていることを特徴とする受光素子。
【請求項２】
前記開口は、前記表面プラズモン波長の１／２より大きい頂部長さで、且つ前記表面プラズモン波長の１／２より小さい溝幅で形成された十字形であることを特徴とする請求項１記載の受光素子。
【請求項３】
前記複数の同心円型結合周期構造が、１つの入射光ビームの照射範囲内に収まるように重ね合わされたことを特徴とする請求項１または２に記載の受光素子。
【請求項４】
半導体基板上に集積されたトランジスタ素子と、前記トランジスタ素子上に設けられた多層配線と、前記多層配線上に設けられ入射光を表面プラズモンに変換するための同心円型結合周期構造を有する導電性薄膜と、前記同心円型結合周期構造の中心に配置され前記導電性薄膜を貫通する開口と、前記開口に接続されて前記多層配線中に連続して設けられた導体を貫く導波開口と、前記導波開口の開口端に設けられた半導体受光部とを備えた光配線ＬＳＩであって、
前記開口、前記導波開口、前記同心円型結合周期構造および前記半導体受光部の組合せが同一の前記半導体基板上に複数組設けられ、
前記複数の同心円型結合周期構造は、それぞれ周期が異なり、且つ１つの入射光ビームの照射範囲内に収まるように互いに重ね合わされ、前記複数の開口は前記複数の同心円型結合周期構造が重ね合わされた領域内に配置され、前記複数の半導体受光部は電気的に分離されていることを特徴とする光配線ＬＳＩ。
【請求項５】
前記開口は、前記表面プラズモン波長の１／２より大きい頂部長さで、且つ前記表面プラズモン波長の１／２より小さい溝幅で形成された十字形であることを特徴とする請求項４記載の光配線ＬＳＩ。
【請求項１】
導電性薄膜表面に設けられ入射光を表面プラズモンに変換するための同心円型結合周期構造と、前記同心円型結合周期構造の中心に配置され前記導電性薄膜を貫通する開口と、前記開口における前記同心円型結合周期構造が設けられた面とは反対側の面の開口端に配置された受光部との組合せが同一基板上に複数組設けられ、
前記複数の同心円型結合周期構造は、それぞれ周期が異なり、且つ互いに重ね合わされ、前記複数の開口は前記複数の同心円型結合周期構造が重ね合わされた領域内に配置され、前記複数の受光部は電気的に分離されていることを特徴とする受光素子。
【請求項２】
前記開口は、前記表面プラズモン波長の１／２より大きい頂部長さで、且つ前記表面プラズモン波長の１／２より小さい溝幅で形成された十字形であることを特徴とする請求項１記載の受光素子。
【請求項３】
前記複数の同心円型結合周期構造が、１つの入射光ビームの照射範囲内に収まるように重ね合わされたことを特徴とする請求項１または２に記載の受光素子。
【請求項４】
半導体基板上に集積されたトランジスタ素子と、前記トランジスタ素子上に設けられた多層配線と、前記多層配線上に設けられ入射光を表面プラズモンに変換するための同心円型結合周期構造を有する導電性薄膜と、前記同心円型結合周期構造の中心に配置され前記導電性薄膜を貫通する開口と、前記開口に接続されて前記多層配線中に連続して設けられた導体を貫く導波開口と、前記導波開口の開口端に設けられた半導体受光部とを備えた光配線ＬＳＩであって、
前記開口、前記導波開口、前記同心円型結合周期構造および前記半導体受光部の組合せが同一の前記半導体基板上に複数組設けられ、
前記複数の同心円型結合周期構造は、それぞれ周期が異なり、且つ１つの入射光ビームの照射範囲内に収まるように互いに重ね合わされ、前記複数の開口は前記複数の同心円型結合周期構造が重ね合わされた領域内に配置され、前記複数の半導体受光部は電気的に分離されていることを特徴とする光配線ＬＳＩ。
【請求項５】
前記開口は、前記表面プラズモン波長の１／２より大きい頂部長さで、且つ前記表面プラズモン波長の１／２より小さい溝幅で形成された十字形であることを特徴とする請求項４記載の光配線ＬＳＩ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−８７２４（Ｐ２００９−８７２４Ａ）
【公開日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１６７４２０（Ｐ２００７−１６７４２０）
【出願日】平成１９年６月２６日（２００７．６．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月２６日（２００７．６．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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