JP2015164147A - Photodetector, electrooptic device and method of manufacturing photodetector - Google Patents

Photodetector, electrooptic device and method of manufacturing photodetector Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photodetector for which space saving can be performed and a manufacturing process can be facilitated.SOLUTION: A photodetector 10 for detecting light exuding from an optical waveguide 2 has a first electrode layer 3 disposed in proximity to the optical waveguide 2, a dielectric layer 4 disposed on the first electrode layer 3 and a second electrode layer 5 disposed on the dielectric layer 4. With this construction, evanescent light from the optical waveguide 2 can be detected as photo-induced current at a photodetection portion 6 having a laminate structure of the first electrode layer 3, the dielectric layer 4 and the second electrode layer 5. Therefore, the exuding light can be detected without greatly shielding propagation light, and it is unnecessary to utilize a structure that an optical member such as a mirror or the like is disposed in an optical device or a semiconductor element having pn junction is formed like a prior art. The photodetector can be simply manufactured at low cost, and miniaturization and space saving can be performed.

Description

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。   The present invention relates to a photodetector, an electro-optical device including the photodetector, and a method for manufacturing the photodetector, and more specifically, a photodetector that detects light from a waveguide, and the photodetector. The present invention relates to an electro-optical device and a method for manufacturing a photodetector.

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。   In modern information communications, both optical and electrical signals are used to transmit information. Therefore, information is processed and propagated by being converted from an electrical signal to an optical signal or from an optical signal to an electrical signal. When converting information propagated by an optical signal into an electrical signal, a light receiving element for detecting light propagating through an optical waveguide in the optical device is required.

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。   The light receiving element that has been widely used so far is typically a semiconductor element (photodiode) having a pn junction formed by doping a semiconductor with two different elements (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 05-087635). No. publication). Examples of the semiconductor used in the photodiode include silicon for visible light and germanium and indium gallium arsenide for near infrared light.

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。   However, it is difficult to manufacture an optical waveguide and a photodiode using a single element semiconductor such as silicon or germanium as a substrate (platform) in view of the optical characteristics of the semiconductor and the optical waveguide manufacturing process. In other words, when using a semiconductor as a photodiode, light with a wavelength greater than the band gap must be targeted, whereas when using a semiconductor as the optical waveguide, a wavelength with energy smaller than the band gap must be used. Therefore, it is impossible to manufacture a photodiode and an optical waveguide using a single semiconductor. As a combination of an optical waveguide and a photodetector, a photodetector for an optical waveguide using a Schottky junction has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 10-144950, 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. However, in order to form a Schottky junction, the optical waveguide itself must be a semiconductor.

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。   When a compound semiconductor typified by a III-V compound semiconductor is used as a platform, it is possible to create an optical waveguide and a photodetector from substantially the same material by changing the composition ratio of the compound semiconductor. is there. However, at present, when using compound semiconductors, the price is higher than when using other materials, and there are still points to be improved such as difficulty in obtaining large substrates. Optical devices are high-end products. In silicon photonics, a light receiving element made of a combination of silicon and germanium is realized.

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。   Here, a photodiode (photodetector), which is a semiconductor light receiving element using a general single element as a substrate, is not made of the same material as that of the optical waveguide as described above, and is prepared as a separate member. It will be incorporated into the waveguide. In particular, in the case of polymer-based optical devices, a space must be provided for installing the photodiode in the optical device including the optical waveguide. Furthermore, an optical structure such as a coupler or a mirror is required to make the propagating light in the optical waveguide enter the photodiode.

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。   For example, 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 / FIG. 1 of NFOEC), 2011 (Non-Patent Document 1) discloses an optical device using an optical waveguide made of a polymer. In the optical device disclosed in Non-Patent Document 1, in order to make the light in the optical waveguide enter the photodiode, a mirror as an optical member is installed in the optical waveguide.

特開平０５−０８７６３５号公報Japanese Patent Laid-Open No. 05-087635 特開平１０−１４４９５０号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-144950

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), 2011Shiraishi, 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 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.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.

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。   As further downsizing and higher integration of optical devices are required, placing optical members inside optical devices as described above is a factor that hinders downsizing and higher integration of optical devices. Also, the manufacturing process was complicated.

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。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a photodetector capable of saving space and reducing costs and having a simple manufacturing process, and a manufacturing method thereof, Furthermore, it is providing the electro-optical apparatus using the said photodetector.

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。   As a result of earnest research on the method of detecting light from the optical waveguide, the inventors have completed the present invention. That is, all metals, intermetallic compounds, or conductive oxides absorb visible light and near infrared light. And the photoexcited carrier generate | occur | produces in the metal etc. which absorbed the said light. Light that exudes from the optical waveguide (for example, evanescent light or light that has transmitted through the surface of the waveguide) is absorbed by a conductor such as a metal (first electrode layer) disposed adjacent to the optical waveguide. When photoexcited carriers are generated by the above, when the photoexcited carriers tunnel through the energy barrier by the dielectric layer and reach the second electrode layer, a photoinduced current is generated. The inventor has found that the light propagating through the optical waveguide can be detected by this photo-induced current.

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。   The photodetector according to the present invention based on such knowledge is a photodetector that detects light that has oozed out of the optical waveguide, and includes a first electrode layer disposed in the vicinity of the optical waveguide, A dielectric layer disposed on one electrode layer and a second electrode layer disposed on the dielectric layer are provided. Here, the term “arranged close to the optical waveguide” includes not only the case where the optical waveguide is disposed in contact with the optical waveguide, but also the case where the optical waveguide is disposed so as to face the optical waveguide at a predetermined interval. It is.

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。   An electro-optical device according to the present invention includes a substrate, an optical waveguide disposed on the substrate, the photodetector, and a wiring layer. The photodetector is disposed adjacent to the optical waveguide. The wiring layer is disposed on the substrate. The wiring layer is composed of the same layer as at least one of the first electrode layer and the second electrode layer of the photodetector.

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。   A method for manufacturing a photodetector according to the present invention, comprising: preparing an optical waveguide; forming a first electrode layer adjacent to the optical waveguide; and forming a dielectric layer on the first electrode layer And a step of disposing a second electrode layer on the dielectric layer.

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。   It is possible to obtain a photodetector and a manufacturing method thereof that can save space and cost and can be easily manufactured, and an electro-optical device using the photodetector.

本実施形態に係る光検出器の斜視模式図である。It is a perspective schematic diagram of the photodetector concerning this embodiment. 図１に示した光検出器の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the photodetector shown in FIG. 図１に示した光検出器の平面模式図である。It is a plane schematic diagram of the photodetector shown in FIG. 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。It is a flowchart for demonstrating the manufacturing process of the photodetector shown in FIG. 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。It is a schematic diagram for demonstrating the photodetector preparation process shown in FIG. 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。It is a schematic diagram for demonstrating the photodetector preparation process shown in FIG. 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。It is a schematic diagram for demonstrating the photodetector preparation process shown in FIG. 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。It is a schematic diagram for demonstrating operation | movement of the photodetector shown in FIG. 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。FIG. 2 is a schematic diagram of an electro-optical device using the photodetector shown in FIG. 1.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.

＜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。 <Configuration of photodetector>
With reference to FIGS. 1-3, the photodetector 10 which concerns on embodiment of this invention is demonstrated. 1 to 3, the photodetector 10 includes a substrate 1, an optical waveguide 2 that propagates light 7, a first electrode layer 3, a dielectric layer 4, and a second electrode layer 5. Prepare. The optical waveguide 2 is formed on the main surface of the substrate 1. The optical waveguide 2 can be made of any material, but may be made of a resin such as a polymer. The cross-sectional shape of the optical waveguide 2 (the cross-sectional shape in the direction perpendicular to the light traveling direction) may be a square shape as shown in FIG. 2, but other shapes (for example, a round shape, an elliptical shape, a trapezoidal shape) The shape may be any shape such as a polygonal shape.

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。   The first electrode layer 3 is formed so as to extend from the main surface of the substrate 1 to the surface of the optical waveguide 2. As shown in FIG. 3, the extending direction of the first electrode layer 3 intersects the extending direction of the optical waveguide 2. The dielectric layer 4 is formed on the first electrode layer 3. Specifically, the dielectric layer 4 is formed at least in a region overlapping the optical waveguide 2 in plan view. The dielectric layer 4 is formed so as to cover the end surface of the first electrode layer 3 in a region adjacent to the optical waveguide 2 and reach the main surface of the substrate 1. Further, the optical waveguide 2 from the end position of the dielectric layer 4 on the opposite side (second side) to the side (first side) where the end face of the first electrode layer 3 is located when viewed from the optical waveguide 2. In the region far from the upper surface, the upper surface of the first electrode layer 3 is exposed.

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。   The second electrode layer 5 is formed on the dielectric layer 4. On the second side, the position of the end face of the dielectric layer 4 and the position of the end face of the second electrode layer 5 overlap. On the other hand, on the first side, the second electrode layer 5 extends from the dielectric layer 4 to the main surface of the substrate 1. The first electrode layer 3, the dielectric layer 4, and the second electrode layer 5 constitute a light detection unit 6.

−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、ＳｉＯ２）を用いることができる。 -Materials-
Although any metal can be used as the material of the first electrode layer 3 and the second electrode layer 5, for example, gold (Au) is used as the material of the first electrode layer 3, and titanium is used as the material of the second electrode layer 5. (Ti) can be used. Although any dielectric material can be used as the material of the dielectric layer 4, for example, silica (silicon dioxide, SiO 2 ) can be used.

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。   As described above, visible light, all metals can absorb near infrared light and infrared light. Therefore, many materials including transition metals including noble metals, typical metals such as aluminum, intermetallic compounds such as titanium nitride, and alloys such as brass are used as materials for the first electrode layer 3 and the second electrode layer 5. Can do. For example, when the difference between the work function of the metal of the second electrode layer 5 (upper side) and the work function of the metal of the first electrode layer 3 (lower side) is large, light having a relatively long wavelength such as infrared light. In contrast, the sensitivity of the photodetector 10 is reduced, and conversely, if the difference in the work functions is small, it is possible to give high sensitivity to light having a relatively long wavelength.

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。   Further, when the electron affinity of the material constituting the dielectric layer 4 which is an intermediate layer is small, carriers excited in one electrode layer (photoexcited carriers) tunnel through the dielectric layer 4 and reach the opposite electrode layer. Therefore, the photoinduced current obtained is relatively small. On the other hand, if the material constituting the dielectric layer 4 has a high electron affinity, carriers excited in one electrode layer can reach the opposite electrode layer beyond the energy barrier between the electrode layer and the dielectric layer. The photoinduced current generated is relatively large. Examples of the dielectric having a low electron affinity include silica and alumina (aluminum oxide), and examples of the dielectric having a high electron affinity include titania (titanium oxide) and tantalum oxide.

−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。 -About the film thickness of each layer-
The film thickness of the first electrode layer 3 (lower metal thin film) on the side close to the optical waveguide 2 is the same as that of the first electrode layer 3 at the wavelength of light propagating to the optical waveguide 2 (that is, light to be detected). It is desirable that it is less than or equal to the light penetration length of the metal that constitutes. In addition, there is no restriction | limiting in particular about the film thickness of the 2nd electrode layer 5 (upper metal thin film). In addition, the thinner the dielectric layer 4 is, the larger the photoinduced current obtained, so it is preferable to make it as thin as possible from the viewpoint of increasing the photoinduced current. On the other hand, when the dielectric layer 4 becomes a thin dielectric film which is not dense, it causes dark current. Therefore, the dielectric film used for the dielectric layer 4 is preferably a dense film as much as possible.

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。   For example, the thickness of the first electrode layer 3 can be 10 nm or more and 50 nm or less, more preferably 20 nm or more and 40 nm or less. The thickness of the dielectric layer 4 can be 5 nm or more and 50 nm or less, more preferably 5 nm or more and 20 nm or less. However, these numerical values are only a guideline, and the optimum value may vary greatly depending on the wavelength of the detection light and the metal and dielectric used.

−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。 -Installation position of the photodetector with respect to the optical waveguide-
In the photodetector 10 shown in FIG. 1, the photodetector 6 is in contact with the optical waveguide 2, but the position where the photodetector 6 is installed should be inside the mode distribution of the optical waveguide 2 defined by 1 / e. Therefore, a gap may be arranged between the optical waveguide 2 and the light detection unit 6. In this case as well, light detection by the light detection unit 6 is possible, but the photo-induced current can be increased as the light detection unit 6 is closer to the optical waveguide 2.

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。   The metal thin film necessary for constituting the first electrode layer 3 and the second electrode layer 5 of the photodetector 10 and the dielectric thin film necessary for constituting the dielectric layer 4 are both Polycrystalline material may be used, and post-treatment such as doping and etching may not be performed. Therefore, the light detection unit 6 can be manufactured using a known photolithography technique and a thin film manufacturing technique. As a result, the above-described photodetector 10 can be easily incorporated in the manufacturing process of an electro-optical device such as an optical device including the optical waveguide 2 made of a resin such as a polymer that does not necessarily use a CMOS process.

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。   Further, the metal constituting the photodetector 10 (for example, the metal such as gold or titanium constituting the first electrode layer 3 and the second electrode layer 5 of the light detection unit 6) extends on the main surface of the substrate 1, respectively. By forming so, it can be used as it is as electrical wiring. For this reason, an external electric circuit and the photodetector 10 can be connected via the electrical wiring, and the manufacturing process of an electro-optical device such as an optical device including the photodetector 10 can be simplified.

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。   In addition, since the photodetector 10 does not use a Schottky junction, the photodetector 10 can be applied to the optical waveguide 2 made of an insulator such as polymer or glass. For this reason, the versatility is high as compared with a Schottky junction photodetector that can be used only for a semiconductor waveguide.

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。   Furthermore, the structure of the photodetector 10 has a small RC delay that leads to a delay in response speed. Therefore, the photodetector 10 can realize a response speed of several tens of gigahertz in principle, and can be applied to a high-speed optical communication device.

＜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。 <Manufacturing method of photodetector>
Next, a method for manufacturing the photodetector 10 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.

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。   As shown in FIG. 4, first, a waveguide manufacturing step (S10) is performed. Specifically, first, a silicon substrate on which a silicon oxide film having a thickness of 2 μm is formed is prepared (step S11). After cleaning the silicon substrate, a material constituting the optical waveguide 2 is applied on the silicon oxide film (step S12). For example, a resin material (for example, a polymer (photoresist) is used as the material and a method of spin coating the resin material can be used. For example, when SU-8 (manufactured by MicroChem) is used as the photoresist, The substrate is rotated at 3000 rpm and spin-coated for 30 seconds.

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）。   Next, the applied resin is heat-treated (step S13). For example, when the above-described photoresist is applied, the heating temperature is set to 100 degrees Celsius, and the heating time is set to 2 minutes (baking process).

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。   Next, the resin is patterned (step S14). For example, when the above-described photoresist is used, the photoresist is exposed to ultraviolet rays for 10 seconds through a photomask to form a pattern.

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）。   Next, the patterned resin is heat-treated again (step S15). Specifically, when the above-described photoresist is used, the heating temperature is 150 degrees Celsius and the heating time is 2 minutes (hard baking).

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。   Next, development processing is performed (step S16). Specifically, when using the above-described photoresist, the photoresist is developed by immersing it in a developer for 1 minute. As a result, an optical waveguide 2 (polymer waveguide) made of resin can be formed on the main surface of the substrate 1 (on the silicon oxide film formed on the surface of the silicon substrate) as shown in FIG. The size of the optical waveguide 2 can be arbitrarily set. For example, the height in the cross section of the optical waveguide 2 can be 1.5 μm and the average width can be 6 μm.

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。   Next, as shown in FIG. 4, a photodetector manufacturing step (S20) is performed. Specifically, first, a resin (for example, a positive photoresist) is applied on the produced optical waveguide 2 (step S21). For example, S1818 (registered trademark) manufactured by Shipley can be used as the photoresist as the resin. About 200 μl of the photoresist is dropped on the optical waveguide 2 and spin-coated for 30 seconds with the substrate rotating at 3000 rpm.

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）。   Next, the applied resin is heat-treated (S22). For example, when the photoresist is applied, the heating temperature is 100 degrees Celsius and the heating time is 2 minutes (baking process).

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。   Next, the resin is patterned (step S23). For example, when the above-described photoresist is used, the photoresist is exposed to ultraviolet rays for 10 seconds through a photomask to form a pattern.

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。   Next, development processing is performed (step S24). Specifically, when using the above-described photoresist, the photoresist is developed by immersing it in a developer for 1 minute. As a result, as shown in FIG. 5, it is possible to obtain a photoresist 11 in which a groove 12 extending in a direction intersecting the optical waveguide 2 is formed. The groove 12 is a region where the light detection unit 6 is formed as described later. The width of the groove 12 (the width of the first electrode layer 3, the dielectric layer 4, and the second electrode layer 5 in the extending direction of the optical waveguide 2) can be arbitrarily set, and is, for example, 5 μm.

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。   Next, a first electrode layer is formed (step S25). Specifically, the right side of the optical waveguide 2 shown in FIG. 6 is covered with a shadow mask (not shown), and a metal film to be the first electrode layer 3 is formed using a magnetron sputtering apparatus. For example, a gold thin film having a thickness of 20 nm is formed as the metal film. As a result, the first electrode layer 3 is formed as shown in FIG.

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。   Next, a dielectric layer is formed (step S26). Specifically, the shadow mask used in step S25 is left as it is, the left side of the optical waveguide 2 in FIG. 7 is covered with another shadow mask (not shown), and the dielectric layer 4 is formed using a magnetron sputtering apparatus. A dielectric thin film to be formed is formed. As the dielectric thin film, for example, a silica thin film having a thickness of 10 nm is formed. As a result, a dielectric layer 4 is formed as shown in FIG.

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。   Next, a second electrode layer is formed (step S27). Specifically, the shadow mask on the right side of the optical waveguide 2 in FIG. 7 is removed, and a metal film to be the second electrode layer is formed using a magnetron sputtering apparatus. As this metal film, for example, a titanium thin film having a thickness of 25 nm is formed. As a result, the second electrode layer 5 is formed as shown in FIGS.

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。   Next, post-processing is performed (step S28). Specifically, the remaining shadow mask on the left side is removed, and the photoresist 11 is dissolved in acetone. As a result, it is possible to obtain a photodetector 10 including the photodetector 6 as shown in FIGS.

＜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。 <Operation of photodetector>
In the photodetector 10 according to the present embodiment, the photodetector 6 has a structure in which three layers of thin films of metal-dielectric-metal are laminated. The three-layered light detection unit 6 directly touches both side surfaces and the upper surface of the optical waveguide 2 so as to cover the optical waveguide 2. From a different point of view, the first electrode layer 3 constituting the photodetecting portion is formed so as to be in contact with the optical waveguide 2.

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。   Here, the light traveling through the optical waveguide 2 while being totally reflected, the light that exudes out of the totally reflected light (for example, evanescent light) is absorbed by the metal in the first electrode layer 3, and as shown in FIG. Photoexcited carriers are generated by internal photon emission. Then, when photoexcited carriers generated in the first electrode layer 3 tunnel through the energy barrier by the dielectric constituting the dielectric layer 4 and reach the second electrode layer 5 on the opposite side, a photo-induced current is generated. By detecting this photoinduced current, light propagating through the optical waveguide 2 can be detected.

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。   Note that the leaked light can reach the second electrode layer 5 by sufficiently reducing the thicknesses of the first electrode layer 3 and the dielectric layer 4. In this case, light absorption occurs in both the first electrode layer 3 and the second electrode layer 5. In such a case, the photo-induced current externally detected by the photodetector 10 is the carrier that has advanced from the second electrode layer 5 to the first electrode layer 3 and in the opposite direction (from the first electrode layer 3 to the first electrode). It becomes a difference from the advanced carrier).

＜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。 <Configuration of electro-optical device using photodetector>
An example of an electro-optical device using the photodetector 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

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。   Here, since the first electrode layer 3 and the second electrode layer 5 of the photodetector 10 are made of metal, a process such as wire bonding is required for connection with other elements of the electro-optical device. The first electrode layer 3 or the second electrode layer 5 can be extended and used as a wiring. In this way, the first electrode layer 3 or the second electrode layer 5 can be extended and used as a wiring, and the wiring can be directly connected to other elements or electric circuits of the electro-optical device. With this configuration, space can be easily saved when the photodetector 10 is mounted, and the manufacturing process can be simplified. Such an advantage is particularly effective in an optical module connected by an optical waveguide.

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。   Referring to FIG. 9, electro-optical device 20 includes substrate 1, laser diode 21 mounted on the main surface of substrate 1, optical modulators 22 a to 22 d, optical waveguides 2 a to 2 d, and a light detection unit. 6a to 6d. The laser diode 21 and the optical modulators 22a to 22d are connected by optical waveguides 2a to 2d. The light output from the optical modulators 22a to 22d propagates in the optical waveguide connected to the output side of the optical modulators 22a to 22d. And the optical detection parts 6a-6d are installed in each optical waveguide in the exit side of the optical modulators 22a-22d. The light detection units 6a to 6d have the same configuration as that of the light detection unit 6 in the light detector 10 shown in FIGS.

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。   Control electrodes 23 and 24 are connected to the laser diode 21. Control electrodes 25 and 26 are also connected to the optical modulators 22a to 22d, respectively. The electrodes 27 and 28 are also connected to each of the light detection units 6a to 6d. The wiring that connects the light detection units 6a to 6d and the electrodes 27 and 28 is formed of the same layer as the first electrode layer 3 and the second electrode layer 5 that form the light detection units 6a to 6d. For example, the wiring connected to the electrode 27 is configured by the same layer as the first electrode layer 3, and the wiring connected to the electrode 28 is configured by the same layer as the second electrode layer 5.

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。   In the electro-optical device shown in FIG. 9, the optical signals modulated by the optical modulators 22a to 22d can be monitored by the main light detection units 6a to 6d. And the optical detection parts 6a-6d installed in each optical waveguide are easily connected with other optical elements by the electrode layer of the same layer as the first electrode layer 3 and the second electrode layer 5 as described above. Can be connected to.

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。   In the electro-optical device 20 shown in FIG. 9, since the light detection units 6a to 6d are directly installed on the outer peripheral portions of the optical waveguides 2a to 2d, no optical element such as a mirror is required, and the optical waveguides 2a to 2d are used. The light can be detected without blocking. Therefore, by using the structure of the photodetector 10 according to the present embodiment, it is possible to reduce the size of an electro-optical device such as an optical module in which a large number of elements and optical waveguides are installed.

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。   The photodetector 10 shown in FIG. 1 can be applied not only to the optical modulator as described above but also to an optical module including other optical devices such as an optical switch, an optical sensor, and an amplifier.

＜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。 <Example of photodetector>
Photodetector configuration:
The inventor made a prototype of the photodetector having the structure shown in FIGS. In the prototype photodetector, the material of the first electrode layer 3 was gold (thickness 20 nm), the material of the dielectric layer 4 was silica (thickness 10 nm), and the material of the second electrode layer 5 was titanium (thickness 25 nm). The width of the light detection unit 6 (the width in the direction along the extending direction of the optical waveguide 2) was about 5 μm.

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。   In the photodetector having the above-described configuration, when light propagates through the optical waveguide 2 and absorption occurs in the metal contact portion (photodetector 6), the second electrode layer 3 made of a gold thin film is thin, so that the second Light absorption also occurs in the electrode layer 5 (titanium thin film). Here, the energy barrier that must be exceeded for the electrons excited by gold in the first electrode layer 3 to reach the second electrode layer 5 is that the electrons excited by titanium in the second electrode layer 5 are the first electrode. Less than the energy barrier that must be exceeded to reach layer 3. Therefore, when no bias is applied between the first electrode layer 3 and the second electrode layer 5, the second electrode layer 5 extends from the first electrode layer 3 (gold thin film) to the dielectric layer 4 (silica). The probability that electrons will reach (titanium) is higher than the probability that electrons will reach the first electrode layer 3 from the second electrode layer 5. Therefore, the photoinduced current flows from the first electrode layer 3 to the second electrode layer 5.

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。   Further, in the photodetector 10 described above, when a positive bias is applied while light is propagating through the optical waveguide 2, the photoinduced current increases, and when a negative bias is applied, the photoinduced current decreases. When a negative bias is further applied, the photo-induced current shows a negative value.

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。 Measurement result:
When the wavelength of light propagating through the optical waveguide was changed for the above-described photodetector 10, and the wavelength of detectable light was examined, the photodetector 10 had sensitivity from visible light to light having a wavelength of 1064 nm. It was. In addition, by changing the combination of the metal constituting the first electrode layer 3 and the second electrode layer 5 and the dielectric (insulator) constituting the dielectric layer 4, the light that can be detected by the photodetector 10 is changed. The wavelength range can be extended to the longer wavelength side.

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。   In addition, the photodetector 10 produced this time has a small surface area (area occupied by the light detection unit 6), the use of gold having a large work function as the material of the first electrode layer 3, and silica having a large band gap. Due to the fact that it was used as a material for the dielectric layer 4, the sensitivity in a state where a bias of 1 V was applied was about several tens of mA / W. However, by selecting a metal having a small work function as the material of the first electrode layer 3 or the second electrode layer 5 and selecting an insulator having a small band gap as the material of the dielectric layer 4, at least as compared with the present sample. It is considered that the sensitivity can be improved by one digit or more.

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。   As described above, the photodetector according to the embodiment can make the device itself extremely small. Further, the photodetector is installed so as to be in direct contact with the optical waveguide 2 (or so as to face the optical waveguide 2 with a very small distance), and light exuded from the optical waveguide 2 (for example, evanescent light). Therefore, an additional optical structure such as a coupler is not required as in the prior art. Therefore, by applying the photodetector according to the present embodiment to an optical device that is not particularly monolithic (an optical device in which the optical detection unit 6 and the optical waveguide 2 are made of different materials), the optical device can be significantly reduced in size. And integration can be achieved.

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。   Hereinafter, although there is a portion overlapping with the above-described embodiment, characteristic configurations of the present invention will be listed.

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。   A photodetector 10 according to the present invention is a photodetector that detects light that has oozed out of an optical waveguide 2, and includes a first electrode layer 3 and a first electrode layer that are disposed in proximity to the optical waveguide 2. 3 and a second electrode layer 5 disposed on the dielectric layer 4.

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。   In this way, light that oozes out from the optical waveguide 2 (for example, evanescent light or light that has passed through the surface of the optical waveguide 2) is a laminated structure of the first electrode layer 3, the dielectric layer 4, and the second electrode layer 5. It can be detected as a photo-induced current by the light detector 6 having For this reason, a structure in which an optical member such as a mirror is disposed in the optical waveguide 2 as in the prior art is not required, and the photodetector 10 can be reduced in size (space saving). In addition, since the structure of the light detection unit 6 itself is very simple, the light detector 10 can be realized by an easy manufacturing process. Here, the first electrode layer 3 disposed adjacent to the optical waveguide 2 is not only the first electrode layer 3 disposed in contact with the optical waveguide 2 but also a predetermined distance from the surface of the optical waveguide 2. The 1st electrode layer 3 arrange | positioned on both sides is also meant. The distance between the first electrode layer 3 and the optical waveguide 2 can be arbitrarily set as long as the light oozing out from the optical waveguide 2 can reach the first electrode layer 3.

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。   When the photodetector 10 is fabricated on an optical device (for example, the electro-optical device 20 shown in FIG. 9) that is an example of an electro-optical device, the photodetector 10 is connected to an external electric circuit through a metal wiring. Therefore, if the constituent member of the photodetector 10 itself is made of metal, the metal used for the photodetector 10 (first electrode layer 3 or second electrode layer 5) and the metal used for wiring can be shared. The device structure is simplified, and the electro-optical device 20 can be reduced in size and integrated. All metals absorb visible light and near-infrared light, so that the wavelength used is not limited by the band gap like a semiconductor. That is, since metal becomes a broadband light detection material, the light detector 10 detects light in an arbitrary wavelength range by appropriately selecting the material of the first electrode layer 3 and the second electrode layer 5. Can do.

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。   The photodetector 10 has a structure in which three layers of metal-dielectric-metal thin films of the first electrode layer 3, the dielectric layer 4, and the second electrode layer 5 are laminated. The first electrode layer 3 may be configured to directly touch both side surfaces and the upper surface of the optical waveguide 2 having a quadrangular cross section so that the three-layer structure covers the optical waveguide 2.

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。   Here, the light that travels while being totally reflected from the optical waveguide 2 is that the light that has oozed out of the totally reflected light (for example, evanescent light) is a junction between the first electrode layer 3 and the optical waveguide 2 (for example, the first light). When the electrode layer 3 is made of metal, it is absorbed by a conductor such as the metal layer constituting the first electrode layer 3 or the second electrode layer 5 in the vicinity of the metal contact portion, and generates photoexcited carriers by internal photon emission. To do. Then, photoexcited carriers generated in either the first electrode layer 3 or the second electrode layer 5 tunnel through the energy barrier by the dielectric layer 4, and the opposite electrode layer (the first electrode layer 3 or the second electrode layer). 5), the photo-induced current is reached. When light absorption occurs in both the upper second electrode layer 5 and the lower first electrode layer 3, the externally detected photoinduced current reaches the first electrode layer 3 from the second electrode layer 5. This is a difference between the carriers that have reached the second electrode layer 5 in the opposite direction from the first electrode layer 3.

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。   In the photodetector 10, the first electrode layer 3 may be formed in contact with the optical waveguide 2. The thickness of the first electrode layer 3 is preferably less than or equal to twice the penetration length, which is the length at which the amplitude of light (for example, evanescent light) oozing out from the optical waveguide 2 becomes 1 / e. In this case, the carriers excited in the first electrode layer 3 by the light oozing out from the optical waveguide 2 can surely reach the dielectric layer 4.

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。   In the photodetector 10, the material constituting the first electrode layer 3 and the second electrode layer 5 may be a conductive material that absorbs light oozing from the optical waveguide and generates photoexcited carriers. In this case, by detecting the photo-induced current caused by the photo-induced carriers in the photodetector 10, it is possible to reliably detect the light that has oozed out of the optical waveguide. Moreover, the material which comprises the 1st electrode layer 3 and the 2nd electrode layer 5 may contain 1 type selected from the group which consists of gold | metal | money, aluminum, and copper. These materials are general materials for wiring layers on circuit boards and the like. For this reason, the material which comprises the said 1st electrode layer 3 or the 2nd electrode layer 5 can be easily utilized as a material of the wiring layer of the electro-optical apparatus 20 by which the photodetector 10 is arrange | positioned. Therefore, the manufacturing process of the device including the photodetector 10 can be simplified as compared with the case where the photodetector 10 and the wiring layer are formed in separate steps.

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。   In addition, as a material which comprises the 1st electrode layer 3 and the 2nd electrode layer 5, a conductive oxide and a conductive organic polymer can be used besides. Moreover, as a material which comprises the dielectric material layer 4, organic substances, such as an insulating polymer, can be used, for example.

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。   In the photodetector 10, the first electrode layer 3 is in contact with the side wall of the optical waveguide 2 (surface portion extending along the extending direction of the optical waveguide 2) and extends in a direction intersecting with the extending direction of the optical waveguide 2. May be present. Further, when there are a plurality of the side walls of the optical waveguide 2 extending in a direction crossing each other, the first electrode layer 3 may be formed so as to be in contact with each of the plurality of side walls. In this way, the light that has oozed out of the optical waveguide 2 can be more reliably penetrated into the first electrode layer 3.

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。   As shown in FIG. 9, the electro-optical device 20 according to the present invention includes a substrate 1, an optical waveguide 2 disposed on the substrate 1, the photodetectors (photodetectors 6 a to 6 d), and wiring. Layer (a wiring layer connecting the light detection units 6a to 6d and the electrodes 27 and 28). The light detection units 6 a to 6 d are disposed adjacent to the optical waveguide 2. A wiring layer (for example, a wiring layer connecting the light detection units 6 a to 6 d and the electrodes 27 and 28 in FIG. 9) is disposed on the substrate 1. The wiring layer is formed of the same layer as at least one of the first electrode layer 3 and the second electrode layer 5 of the light detection units 6a to 6d. In this case, since the wiring layer and any one of the first electrode layer 3 and the second electrode layer 5 can be formed by the same process, the wiring layer and the first electrode layer 3 or the second electrode layer 5 are separated. The manufacturing process of the electro-optical device 20 can be simplified as compared with the case of forming in the process. Therefore, the manufacturing cost of the electro-optical device 20 can be reduced.

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。   The method of manufacturing the photodetector 10 according to the present invention includes a step of preparing the optical waveguide 2 (waveguide manufacturing step (S10)), a step of forming the first electrode layer 3 adjacent to the optical waveguide 2, The method includes a step of forming the dielectric layer 4 on the first electrode layer 3 and a step of disposing the second electrode layer 5 on the dielectric layer 4. If it does in this way, the said photodetector 10 can be obtained easily.

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。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

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。   The present invention is particularly advantageous for the production, miniaturization, and cost reduction of optical devices that are not monolithic.

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。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate, 2, 2a-2d Optical waveguide, 3 First electrode layer, 4 Dielectric layer, 5 Second electrode layer, 6, 6a-6d Photodetector, 7 Light, 10 Photodetector, 11 Photoresist, 12 Groove, 20 electro-optical device, 21 laser diode, 22a-22d light modulator, 23, 25, 27, 28 electrodes.

Claims (6)

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電極層とを備える、光検出器。 A photodetector for detecting light oozing from the optical waveguide,
A first electrode layer disposed proximate to the optical waveguide;
A dielectric layer disposed on the first electrode layer;
And a second electrode layer disposed on the dielectric layer. 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。 The first electrode layer is formed in contact with the optical waveguide,
2. The photodetector according to claim 1, wherein the thickness of the first electrode layer is not more than twice the penetration length, which is a length at which the amplitude of light oozing out from the optical waveguide becomes 1 / e. . 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。   3. The photodetector according to claim 1, wherein the material constituting the first electrode layer and the second electrode layer includes a material that absorbs light that has oozed out of the optical waveguide and generates photoexcited carriers. . 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、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光検出器。   4. The photodetector according to claim 1, wherein the first electrode layer is in contact with a side wall of the optical waveguide and extends in a direction intersecting a direction in which the optical waveguide extends. 5. 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４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。 A substrate,
An optical waveguide disposed on the substrate;
The photodetector according to any one of claims 1 to 4, which is disposed adjacent to the optical waveguide;
A wiring layer disposed on the substrate,
The electro-optical device, wherein the wiring layer is configured by the same layer as at least one of the first electrode layer and the second electrode layer of the photodetector. 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る、光検出器の製造方法。 Preparing an optical waveguide;
Forming a first electrode layer adjacent to the optical waveguide;
Forming a dielectric layer on the first electrode layer;
And a step of disposing a second electrode layer on the dielectric layer.
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