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Technischer Gegenstand
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fotodetektor.
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Stand der Technik
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Bekannte Fotodetektoren, die die Lichtabsorption von Quanten-Intersubband-Übergängen verwenden, umfassen einen QWIP (Quantentopf-Infrarotfotodetektor), QDIP (Quantenpunkt-Infrarotfotodetektor), QCD (Quantenkaskadenfotodetektor) und dergleichen. Diese nutzen keine Energiebandlückenübergänge und weisen somit die Vorteile eines hohen Freiheitsgrades bei der Festlegung der Wellenlängenbereiche, eines relativ niedrigen Dunkelstroms und der Betriebsfähigkeit bei Zimmertemperatur auf.
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Von diesen Fotodetektoren sind der QWIP und der QCD mit einem Halbleitermehrschichtkörper versehen, der eine periodische Mehrschichtstruktur, wie beispielsweise eine Quantentopfstruktur oder eine Quantenkaskadenstruktur, aufweist. Dieser Halbleitermehrschichtkörper erzeugt aufgrund einer elektrischen Feldkomponente in dessen Stapelrichtung nur dann Strom, wenn Licht mit einer derartigen Feldkomponente darauf einfällt, und ist somit nicht lichtempfindlich für jenes Licht, das in der Stapelrichtung keine elektrische Feldkomponente aufweist (planare Wellen, die in der Stapelrichtung darauf einfallen).
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Somit können der QWIP oder QCD nur dann Licht erfassen, wenn das Licht derart darauf einfällt, dass eine Schwingungsrichtung eines elektrisches Feldes des Lichts mit der Stapelrichtung des Halbleitermehrschichtkörpers zusammenfällt. Bei der Erfassung einer planaren Welle mit einer Wellenfront, die senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung des Lichts verläuft, ist es beispielsweise notwendig, dass das Licht auf den Halbleitermehrschichtkörper in einer Richtung senkrecht zu dessen Stapelrichtung einfällt, wodurch die Bedienung des Fotodetektors umständlich ist.
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Somit ist herkömmlicherweise ein Fotodetektor bekannt, bei dem zur Erfassung von Licht ohne elektrische Feldkomponente in der Stapelrichtung des Halbleitermehrschichtkörpers ein dünner Goldfilm auf der Oberfläche des Halbleitermehrschichtkörpers angeordnet ist und in regelmäßigen Abständen mit Löchern, die jeweils einen Durchmesser von nicht mehr als die Wellenlänge des Lichts aufweisen, versehen ist (siehe Nicht-Patentdokument 1). In diesem Beispiel wird das Licht moduliert, um eine elektrische Feldkomponente in der Stapelrichtung des Halbleitermehrschichtkörpers unter Ausnutzung eines Oberflächenplasmonen-Resonanzeffekts auf dem dünnen Goldfilm zu bilden.
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Herkömmlicherweise ist auch ein Fotodetektor bekannt, bei dem eine lichtdurchlässige Schicht auf einer Oberfläche eines Halbleitermehrschichtkörpers vorgesehen ist, während ein Beugungsgitter, das aus einem Muster mit Unregelmäßigkeiten bzw. Unebenheiten gebildet ist, und ein reflektierender Film, der dieses bedeckt, auf der lichtdurchlässigen Schicht vorgesehen sind (siehe Patentdokument 1). In diesem Beispiel wird das Licht moduliert, so dass durch die Beugung und Reflexion des einfallenden Lichts durch das Beugungsgitter und den reflektierenden Film eine elektrische Feldkomponente in der Stapelrichtung des Halbleitermehrschichtkörpers gebildet wird.
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Ferner ist ein Fotodetektor mit einer Lichteintrittsfläche, die im Hinblick auf die Stapelrichtung des Halbleitermehrschichtkörpers schräg ausgebildet ist, bekannt (siehe Patentdokument 2). In diesem Beispiel unterliegt das Licht, das bei der Brechung von der Lichteintrittsfläche eindringt, einer wiederholten Totalreflexion innerhalb des Chips, wodurch es moduliert wird, so dass es eine elektrische Feldkomponente in der Stapelrichtung des Halbleitermehrschichtkörpers aufweist.
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Zitationsliste
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Patentliteratur
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- Patentdokument 1: Veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. 2000-156513
- Patentdokument 2: Veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. 2012-69801
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Nicht-Patentliteratur
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- Nicht-Patentdokument 1: W. Wu, et al., ”Plasmonic enhanced quantum well infrared photodetector with high detectivity”, Appl. Phys. Lett., 96, 161107 (2010).
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Zusammenfassung der Erfindung
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Technisches Problem
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Somit wurden zur Erfassung des Lichts, das keine elektrische Feldkomponente in der Stapelrichtung des Halbleitermehrschichtkörpers aufweist, unterschiedliche Verfahren zur Modulation des Lichts vorgeschlagen, um dieses mit einer elektrischen Feldkomponente in der Stapelrichtung auszubilden.
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Der in Nicht-Patentdokument 1 offenbarte Fotodetektor weist jedoch eine QWIP-Struktur auf, bei der einfach Quantentöpfe mit gleicher Quantentopfbreite als Quantentopfstruktur gestapelt werden, und benötigt eine von außen angelegte Vorspannung, um den Fotodetektor zu betreiben, wodurch nachteilige Auswirkungen des resultierenden Dunkelstroms auf die Lichtempfindlichkeit nicht zu vernachlässigen sind.
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Zur Erzielung einer wirksamen Lichtempfindlichkeit ist es für den in Patentdokument 1 offenbarten Fotodetektor notwendig, eine Anzahl sich wiederholender Quantentopfstrukturen zu stapeln und eine Anzahl von lichtabsorbierenden Schichten zu bilden.
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In dem in Patentdokument 2 offenbarten Fotodetektor wird die Ausbreitungsrichtung des Lichts, das durch Beugung erzeugt wird, nicht vollständig horizontal ausgebildet und trägt nur teilweise zu einer fotoelektrischen Umwandlung bei, wodurch keine hinreichende Lichtempfindlichkeit erhalten werden kann.
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Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Fotodetektor bereitzustellen, der unter Verwendung eines Halbleitermehrschichtkörpers mit einer Quantentopfstruktur, einer Quantenkaskadenstruktur oder dergleichen Licht erfassen kann, das keine elektrische Feldkomponente in der Stapelrichtung des Halbleitermehrschichtkörpers aufweist.
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Lösung des Problems
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Der Fotodetektor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein optisches Element zur Erzeugung einer elektrischen Feldkomponente in einer vorbestimmten Richtung, wenn Licht entlang der vorbestimmten Richtung darauf einfällt, wobei das optische Element eine Struktur aufweist, die erste Gebiete und zweite Gebiete, die mit Bezug auf die ersten Gebiete entlang einer Ebene senkrecht zu der vorbestimmten Richtung in regelmäßigen Abständen angeordnet sind, umfasst; und eine Halbleiterschicht, die in Bezug auf das optische Element auf der anderen Seite gegenüberliegend von einer Seite in der vorbestimmten Richtung angeordnet ist, und die einen Halbleitermehrschichtkörper zur Erzeugung von Strom entsprechend der durch das optische Element erzeugten elektrischen Feldkomponente in der vorbestimmten Richtung aufweist; wobei jedes Endteil auf der anderen Seite der zweiten Gebiete näher an der anderen Seite angeordnet ist als jedes Endteil auf der anderen Seite der ersten Gebiete; wobei jedes erste Gebiet aus einem dielektrischem Körper gebildet ist, dessen Brechungsindex größer ist als der von jedem zweiten Gebiet.
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Das optische Element in diesem Fotodetektor erzeugt ein elektrisches Feld in einer vorbestimmten Richtung, wenn Licht entlang der vorbestimmten Richtung darauf einfällt. Diese elektrische Feldkomponente erzeugt Strom in dem Halbleitermehrschichtkörper. Somit kann unter Verwendung eines Halbleitermehrschichtkörpers mit einer Quantentopfstruktur, einer Quantenkaskadenstruktur oder dergleichen, dieser Fotodetektor Licht erfassen, das keine elektrische Feldkomponente in der Stapelrichtung des Halbleitermehrschichtkörpers aufweist.
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Dabei ist jedes erste Gebiet aus Germanium oder aus einer germaniumhaltigen Verbindung gebildet. Die Halbleiterschicht kann aus einem Halbleiter gebildet sein, der einen Brechungsindex aufweist, der größer als jener der zweiten Gebiete ist. Dadurch kann das optische Element die elektrische Feldkomponente in der vorbestimmten Richtung noch wirksamer von dem Licht erzeugen, das keine elektrische Feldkomponente in der vorbestimmten Richtung aufweist.
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Der Fotodetektor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein optisches Element zur Erzeugung einer elektrischen Feldkomponente in einer vorbestimmten Richtung, wenn Licht entlang der vorbestimmten Richtung darauf einfällt, wobei das optische Element eine Struktur aufweist, die erste Gebiete und zweite Gebiete, die mit Bezug auf die ersten Gebiete entlang einer Ebene senkrecht zu der vorbestimmten Richtung in regelmäßigen Abständen angeordnet sind, umfasst; und eine Halbleiterschicht, die in Bezug auf das optische Element auf der anderen Seite gegenüberliegend von einer Seite in der vorbestimmten Richtung angeordnet ist, und die einen Halbleitermehrschichtkörper zur Erzeugung von Strom entsprechend der durch das optische Element erzeugten elektrischen Feldkomponente in der vorbestimmten Richtung aufweist; wobei jedes Endteil auf der anderen Seite der zweiten Gebiete näher an der anderen Seite angeordnet ist als jedes Endteil auf der anderen Seite der ersten Gebiete; wobei jedes erste Gebiet aus einem Metall gebildet ist, das geeignet ist, ein Oberflächenplasmon mit Licht zu erregen.
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Das optische Element in diesem Fotodetektor erzeugt ein elektrisches Feld in einer vorbestimmten Richtung, wenn Licht entlang der vorbestimmten Richtung darauf einfällt. Diese elektrische Feldkomponente erzeugt Strom in dem Halbleitermehrschichtkörper. Somit kann unter Verwendung eines Halbleitermehrschichtkörpers mit einer Quantentopfstruktur, einer Quantenkaskadenstruktur oder dergleichen, dieser Fotodetektor Licht erfassen, das keine elektrische Feldkomponente in der Stapelrichtung des Halbleitermehrschichtkörpers aufweist.
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In dem Fotodetektor der vorliegenden Erfindung kann eine Oberfläche auf der einen Seite der Halbleiterschicht mit einer Vertiefung ausgebildet sein, während sich jedes Endteil auf der anderen Seite der zweiten Gebiete bis zur Vertiefung erstreckt. Somit kann das optische Element die elektrische Feldkomponente in der vorbestimmten Richtung noch wirksamer von dem Licht erzeugen, das keine elektrische Feldkomponente in der vorbestimmten Richtung aufweist.
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Die zweiten Gebiete können aus einer Vielzahl von Materialarten gebildet sein. Auch damit kann die Wirkung der vorliegenden Erfindung erzielt werden.
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Der Halbleitermehrschichtkörper kann eine Vielzahl von Quantenkaskadenstrukturen, die entlang der vorbestimmten Richtung gestapelt sind, aufweisen, wobei jede Quantenkaskadenstruktur ein aktives Gebiet zur Anregung eines Elektrons und ein Injektorgebiet für den Transport des Elektrons umfasst. In diesem Fall wird ein Elektron in dem aktiven Gebiet angeregt und durch das Injektorgebiet transportiert, wodurch in der Quantenkaskadenstruktur Strom erzeugt wird. Somit ist nicht erforderlich, eine Vorspannung von außen anzulegen, um den Fotodetektor zu betreiben. Das Stapeln einer Vielzahl derartiger Quantenkaskadenstrukturen entlang der vorbestimmten Richtung liefert höheren Strom, wodurch sich die Lichtempfindlichkeit des Fotodetektors erhöht.
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Die Halbleiterschicht kann ferner eine erste Kontaktschicht, die auf einer Oberfläche auf der einen Seite des Halbleitermehrschichtkörpers gebildet ist, und eine zweite Kontaktschicht, die auf einer Oberfläche auf der anderen Seite des Halbleitermehrschichtkörpers gebildet ist, umfassen. In diesem Fall kann der Fotodetektor ferner eine erste Elektrode, die mit der ersten Kontaktschicht elektrisch verbunden ist, und eine zweite Elektrode, die mit der zweiten Kontaktschicht elektrisch verbunden ist, umfassen. Dadurch kann der in dem Halbleitermehrschichtkörper vorkommende Strom wirksamer detektiert werden.
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Der Fotodetektor der vorliegenden Erfindung kann ferner ein Substrat umfassen, auf dem die Halbleiterschicht und das optische Element der Reihe nach von der anderen Seite gestapelt sind. Dies trägt zur Stabilisierung der einzelnen Konfigurationen des Fotodetektors bei.
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In dem optischen Element in dem Fotodetektor der vorliegenden Erfindung können die zweiten Gebiete, bezogen auf die ersten Gebiete, in einem regelmäßigen Abstand von 0,5 bis 500 μm angeordnet werden. Dadurch ist es möglich, dass die elektrische Feldkomponente in der vorbestimmten Richtung noch wirksamer gebildet wird, wenn Licht auf das optische Element entlang der vorbestimmten Richtung einfällt.
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Das auf dass optische Element in dem Fotodetektor der vorliegenden Erfindung einfallende Licht kann Infrarotlicht sein. Dadurch kann der Fotodetektor der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise als ein Infrarotdetektor verwendet werden.
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In dem Fotodetektor der vorliegenden Erfindung kann das optische Element die elektrische Feldkomponente in der vorbestimmten Richtung erzeugen, wenn Licht von der einen Seite oder von der anderen Seite durch den Halbleitermehrschichtkörper darauf einfällt.
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Auswirkungen der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt einen Fotodetektor bereit, der unter Verwendung eines Halbleitermehrschichtkörpers mit einer Quantentopfstruktur, einer Quantenkaskadenstruktur oder dergleichen, Licht erfassen kann, das keine elektrische Feldkomponente in der Stapelrichtung des Halbleitermehrschichtkörpers aufweist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Draufsicht des Fotodetektors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II der 1;
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3 zeigt eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht des optischen Elements;
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4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Modifikationsbeispiels des Detektors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5 zeigt eine Querschnittsansicht eines Modifikationsbeispiels des Fotodetektors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6 zeigt eine Querschnittsansicht des Fotodetektors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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7 zeigt eine Querschnittsansicht des Fotodetektors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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8 zeigt eine Draufsicht eines Modifikationsbeispiels des Fotodetektors gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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9 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie IX-IX der 8;
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10 zeigt eine Draufsicht eines Modifikationsbeispiels des Detektors gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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11 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie XI-XI der 10;
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12 zeigt eine Draufsicht eines Fotodetektors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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13 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie XIII-XIII der 12;
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14 zeigt eine Draufsicht eines Fotodetektors gemäß einem Modifikationsbeispiel der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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15 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie XV-XV der 14;
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16 zeigt eine Draufsicht eines Fotodetektors gemäß einem Modifikationsbeispiel der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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17 zeigt eine Querschnittsansicht des Fotodetektors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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18 zeigt eine Draufsicht des Fotodetektors gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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19 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie XIX-XIX der 18;
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20 zeigt ein Diagramm einer elektrischen Feldintensitätsverteilung gemäß einem FDTD-Verfahren; und
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21 zeigt ein Diagramm der elektrischen Feldintensität, die entsprechend der Tiefe einer Vertiefung in einer Halbleiterschicht berechnet wird.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Im Nachfolgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Elemente in den Zeichnungen werden mit den gleichen Bezugszeichen versehen und es wird auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet. Das von den Fotodetektoren der Ausführungsformen zu erfassende Licht (das auf optische Elemente einfallende Licht) ist ein Infrarotstrahl (Licht mit einer Wellenlänge von 1 bis 1000 μm).
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Erste Ausführungsform
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Wie in 1 und 3 gezeigt, umfasst ein Fotodetektor 1A ein rechteckiges, plattenförmiges Substrat 2 mit einer Dicke von 300 bis 500 μm aus n-INP, auf dem eine Hableiterschicht 40, Elektroden 6, 7 und ein optisches Element 10A entlang einer vorbestimmten Richtung gestapelt sind. Dieser Fotodetektor 1A nutzt die Lichtabsorption von Quanten-Intersubband-Übergängen in der Halbleitermehrschichtschicht 40.
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Die Halbleiterschicht 40 ist über einer gesamten Oberfläche 2a auf einer Seite (eine Seite in der vorbestimmten Richtung) des Substrats 2 angeordnet. Die Halbleiterschicht 40 wird durch Stapeln einer Kontaktschicht (zweite Kontaktschicht) 41, eines Halbleitermehrschichtkörpers 42, in dem eine Vielzahl von Quantenkaskadenstrukturen geschichtet sind, und einer Kontaktschicht (erste Kontaktschicht) 43 in dieser Reihenfolge auf der Oberfläche 2a des Substrats 2 gebildet. In der Mitte der Oberfläche 40a der Halbleiterschicht 40 ist das optische Element 10A in einem Gebiet, das kleiner als die Gesamtoberfläche 40a ist, angeordnet. Das heißt, das optische Element 10A ist derart angeordnet, dass es in einer Draufsicht in der Oberfläche 40a der Halbleiterschicht 40 enthalten ist. In einem Umfangsgebiet, das kein optisches Element 10A auf der Oberfläche 40a der Halbleiterschicht 40 aufweist, ist die Elektrode (erste Elektrode) 6 in der Form eines Rings ausgebildet, um das optische Element 10A zu umgeben. Andererseits ist die weitere Elektrode (zweite Elektrode) 7 über einer gesamten Fläche 2b auf der gegenüberliegenden Seite (die andere Seite der vorbestimmten Richtung) der Oberfläche 2a der Substrats 2 angeordnet.
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Die Vielzahl der in dem Halbleitermehrschichtkörper 42 vorhandenen Quantenkaskadenstrukturen, von denen jede entsprechend der Wellenlänge des zu erfassenden Lichts ausgebildet ist, wird durch Stapeln gebildet, so dass ein aktives Gebiet 42a, das geeignet ist, Licht zu absorbieren und Elektronen anzuregen, auf der optischen Elementseite 10A angeordnet ist, während ein Injektorgebiet 42b, das die Elektronen unidirektional transportiert, auf der gegenüberliegenden Seite davon angeordnet ist. In dem Halbleitermehrschichtkörper 42 sind die Quantenkaskadenstrukturen, die jeweils eine Dicke von etwa 50 nm aufweisen und aus einem Satz, umfassend das aktive Gebiet 42a und das Injektorgebiet 42b, gebildet sind, in Form mehrerer Stufen entlang der vorbestimmten Richtung gestapelt.
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In sowohl dem aktiven Gebiet als auch dem Injektorgebiet 42a, 42b sind Schichten aus InGaAs und InAlAs mit sich voneinander unterscheidenden Energiebandlücken abwechselnd gestapelt, wobei eine Dicke einer jeden Schicht einige nm beträgt. In der aktiven Schicht 42a sind die InGaAs-Schichten mit n-Verunreinigungen, wie beispielsweise Silizium, dotiert, um als Quantentopfschichten zu dienen, während die InAlAs-Schichten als Barriereschichten zum Halten der InAlAs-Schichten dienen. In dem Injektorgebiet 42b sind andererseits die InGaAs- und die InAlAs-Schichten, die nicht mit Verunreinigungen dotiert sind, abwechselnd gestapelt. Die Anzahl der Stapelschichten aus InGaAs und InAlAs in den aktiven und Injektorgebieten 42a, 42b beträgt beispielsweise insgesamt 16. Die Struktur des aktiven Gebiets 42a bestimmt die Mittelwellenlänge des zu absorbierenden Lichts.
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Die Kontaktschichten 41, 43, die aus n-InGaAs gebildet sind, dienen als Schichten für die elektrische Verbindung des Halbleitermehrschichtkörpers 42 mit den jeweiligen Elektroden 7, 6, um den in dem Halbleitermehrschichtkörper 42 erzeugten Strom zu erfassen. Vorzugsweise weist die Kontaktschicht 41 eine Dicke von 0,1 bis 1 μm auf. Andererseits ist die Kontaktschicht 43 so dünn wie möglich ausgebildet und, insbesondere, vorzugsweise 5 bis 100 nm dick, so dass das optische Element 10A die im Nachfolgenden beschriebenen Auswirkungen auf die Quantenkaskadenstrukturen auf einfachere Weise erzielen kann. Die Elektroden 6, 7 sind ohmsche Elektroden aus Ti/Au.
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Das optische Element 10A erzeugt eine elektrische Feldkomponente in einer vorbestimmten Richtung, wenn Licht von einer Seite in der vorbestimmten Richtung darauf einfällt. Wie in 3 dargestellt, umfasst das optische Element 10A eine Struktur 11, die erste Gebiete R1 und zweite Gebiete R2 umfasst, die in regelmäßigen Abständen mit den ersten Gebieten R1 entlang einer Ebene, die senkrecht zu der vorbestimmten Richtung verläuft, mit einem periodischen Abstand d von 0,5 bis 500 μm, abhängig von der Wellenlänge des einfallenden Lichts, angeordnet sind (nicht länger als die Wellenlänge des einfallenden Lichts). Der Wellenlängenbereich des von dem Fotodetektor 1A erfassten Lichts wird durch den periodischen Abstand d des optischen Elements bestimmt und ist somit derart ausgebildet, dass es eine Mittelwellenlänge umfasst, an der Elektronen durch den Halbleitermehrschichtkörper 42 angeregt werden.
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Die ersten Gebiete R1 sind zu stabförmigen Körpern 13a ausgebildet, die aus einem dielektrischen Körper (beispielsweise Germanium, dessen Brechungsindex 4,0 beträgt) mit einer Dicke in der vorbestimmten Richtung hergestellt sind und sich stabförmig entlang einer Ebene senkrecht zu der vorbestimmten Richtung erstrecken. Zusammen mit den Zwischenräumen (Luft) S, die die zweiten Gebiete R2 bilden, bilden die stabförmigen Körper 13a Streifen (siehe auch 1). Wie in 3 gezeigt, ragen die Endteile Sa auf der anderen Seite der Zwischenräume S weiter zur anderen Seite hervor als die Endteile 13b auf der anderen Seite der stabförmigen Körper 13a. Vorzugsweise weisen die ersten Gebiete R1 eine Dicke von 10 nm bis 2 μm auf.
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Wie in 2 gezeigt, ist an einer Mittelfläche auf der einen Seite der Halbleiterschicht 40 die Kontaktschicht 43 teilweise entfernt, sodass Streifen zurückbleiben, wodurch sich Vertiefungen bilden (sodass sich eine sogenannte Ausnehmung bildet). Das optische Element 10A ist auf der Halbleiterschicht 40 derart angeordnet, dass die Endteile Sa der zweiten Gebiete R2, die zur anderen Seite vorstehen, sich bis zu den Vertiefungen erstrecken. Dabei sind die Endteile 13b auf der anderen Seite der ersten Gebiete R1 des optischen Elements 10A in Kontakt mit der Oberfläche auf der einen Seite der Kontaktschicht 43, die eine Streifenform aufweist, während die Endteile Sa der zweiten Gebiete R2, die zur anderen Seite vorstehen, zwischen den Seitenflächen der Streifen der Kontaktschicht 43 gehalten werden. Vorzugsweise weisen die Vertiefungen eine Tiefe von 5 bis 500 nm auf.
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Derartige Ausgestaltungen der Oberfläche 40a der Halbleiterschicht 40 und des optischen Elements 10A können hergestellt werden, indem vor der Bildung der Vertiefungen ein dielektrischer Körper als Schicht vollständig über einer flachen Fläche einer Kontaktschicht aufgebracht wird, und anschließend der dielektrische Körper und die Kontaktschicht mittels Trockenätzen zu Streifen gebildet werden. Die Trockenätzung kann sich bis zum Halbleitermehrschichtkörper 42 erstrecken. 2 zeigt einen Zustand, bei dem die Trockenätzung einen Teil der aktiven Schicht 42a des Halbleitermehrschichtkörpers 42 erreicht hat.
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In dem zuvor erwähnten Fotodetektor 1A weisen der Größenwert der Brechungsindizes in den Materialien die folgende Beziehung auf: erstes Gebiet R1 > Halbleiterschicht 40 > zweites Gebiet R2.
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Da der so gebildete Fotodetektor 1A das zuvor erwähnte optische Element 10A aufweist, wird Licht, das auf das optische Element 10A von der einen Seite in der vorbestimmten Richtung einfällt (beispielsweise eine planare Welle, die in der Stapelrichtung des Halbleitermehrschichtkörpers 42 darauf einfällt), wenn überhaupt, durch die Differenz zwischen den Brechungsindizes der ersten und der zweiten Gebiete R1, R2, die periodisch (bzw. in regelmäßigen Abständen) entlang einer Ebene senkrecht zu der vorbestimmten Richtung in der Struktur 11 angeordnet sind, moduliert und tritt dann von der anderen Seite in der vorbestimmten Richtung aus. Dabei wird jenes Licht, das keine elektrische Feldkomponente in der vorbestimmten Richtung aufweist, in effizienter Weise moduliert, so dass es eine elektrische Feldkomponente in der vorbestimmten Richtung aufweist. Da die Oberfläche 40a der Halbleiterschicht 40 mit den Vertiefungen ausgebildet ist, verstärkt sich die Größe des elektrischen Feldes, verglichen mit dem Fall, bei dem keine Vertiefungen vorhanden sind. Die Tatsache, dass die Größen der Brechungsindizes in den Materialien die Beziehung erstes Gebiet R1 > Halbleiterschicht 40 > zweites Gebiet R2 aufweisen, dass der periodische Abstand d in der Anordnung der ersten und zweiten Gebiete R1, R2 0,5 bis 500 μm aufweist, und dergleichen, ermöglicht eine wirksamere Modulation des Lichts.
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Die elektrische Feldkomponente in der vorbestimmten Richtung, die durch die zuvor erwähnten Effekte des optischen Elements 10A erzeugt wird, ist auch eine elektrische Feldkomponente des Halbleitermehrschichtkörpers 42 und regt somit Elektronen in dem aktiven Gebiet 42a in der Quantenkaskadenstruktur an, während das Injektorgebiet 42b die Elektronen unidirektional transportiert, wodurch in der Quantenkaskadenstruktur Strom erzeugt wird. Dieser Strom wird durch die Elektroden 6, 7 erfasst. Das heißt, dieser Fotodetektor 1A kann Licht erfassen, das keine elektrische Feldkomponente in der Stapelrichtung des Halbleitermehrschichtkörpers 42 aufweist. Da die Elektronen von der Elektrode 6 zugeführt werden, ist eine Stromkontinuitätsbedingung erfüllt.
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Wie aus einer im Nachfolgenden beschriebenen Simulation ersichtlich ist, erzielt die elektrische Feldkomponente in der vorbestimmten Richtung die höchste Intensität an der Grenzfläche zwischen dem optischen Element 10A und der Halbleiterschicht 40, wobei jedoch deren Intensität selbst in einem tiefen Gebiet der Halbleiterschicht 40 nicht Null ist, sondern vorhanden ist und mit der Tiefe abnimmt. Da der Halbleitermehrschichtkörper 43 eine Vielzahl von Quantenkaskadenstufen aufweist, werden die fotoangeregten Elektronen auch durch jene elektrischen Feldkomponenten, die tiefere Gebiete erreichen, wirksam erzeugt. Somit kann die Lichtempfindlichkeit des Fotodetektors noch weiter verbessert werden.
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Der Fotodetektor 1A der vorliegenden Erfindung umfasst ferner das Substrat 2 zum Halten der Halbleiterschicht 40 und des optischen Elements 10A, wodurch die einzelnen Konfigurationen des Fotodetektors 1A stabil ausgebildet werden.
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Der in dem Nicht-Patentdokument 1 offenbarte Fotodetektor, der herkömmlicherweise bekannt ist, verwendet eine QWIP-Struktur, bei der Quantentöpfe mit der gleichen Quantentopfbreite einfach als Quantentopfstruktur gestapelt werden, und benötigt eine von außen angelegte Vorspannung, um als Fotodetektor betrieben zu werden, wodurch nachteilige Auswirkungen des resultierenden Dunkelstroms auf die Lichtempfindlichkeit nicht vernachlässigbar sind. In dem Fotodetektor 1A der vorliegenden Erfindung ist im Gegensatz dazu das Injektorgebiet 42b derart ausgebildet, dass es die Elektronen, die in dem aktiven Gebiet 2a angeregt werden, unidirektional transportiert, wodurch es nicht notwendig ist, eine Vorspannung von außen anzulegen, um als Fotodetektor betrieben zu werden, während die durch Licht angeregten Elektronen zwischen Quantenniveaus ohne die Vorspannung streuend wandern, wodurch der Dunkelstrom sehr klein ist. Daher kann der Fotodetektor 1A schwächeres Licht, das keine elektrische Feldkomponente in der Stapelrichtung des Halbleitermehrschichtkörpers aufweist, mit einer hohen Empfindlichkeit erfassen. Der Detektor kann schwächeres Licht erfassen als die, die PbS(Se) und HgCdTe, die herkömmlich als Fotodetektoren für den mittleren Infrarotbereich bekannt sind, verwenden.
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Der in dem Nicht-Patentdokument 1 offenbarte Fotodetektor nutzt eine Oberflächenplasmon-Resonanz, um eine elektrische Feldkomponente in der vorbestimmten Richtung zu erzeugen. Dadurch wird ein Teil des einfallenden Lichts (in diesem Fall Infrarotstrahlen) durch einen dünnen Goldfilm geblockt, während die Oberflächenplasmon-Resonanz selbst dazu neigt, einen großen Energieverlust zu erleiden, wodurch die Lichtempfindlichkeit abnehmen kann. Ferner weist die Oberflächenplasmon-Resonanz, die ein Schwingungsresonanzzustand ist, der als Ergebnis einer Kombination aus freien Elektronen in einem Metall und den elektrischen Feldkomponenten des Lichts und dergleichen auftritt, eine Beschränkung dahingehend auf, dass sich die freien Elektronen auf der Lichteintrittsfläche befinden müssen, um die Oberflächenplasmonresonanz zu nutzen. Im Gegensatz dazu, weist der Fotodetektor 1A der vorliegenden Erfindung den Vorteil auf, dass die Verschlechterung der Lichtempfindlichkeit, wie im Falle des in dem Nicht-Patentdokument 1 offenbarten Fotodetektors, nicht auftritt und verwendete Materialien nicht auf Metalle mit freien Elektronen beschränkt sind, da jedes der ersten und zweiten Gebiete R1, R2 für das einfallende Licht durchlässig ist, während keine Oberflächenplasmonresonanz zur Lichtmodulation verwendet wird.
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Der in dem Patentdokument 1 offenbarte Fotodetektor bildet ein Beugungsgitter auf einer Oberfläche einer lichtdurchlässigen Schicht und weist somit einen geringeren Freiheitsgrad bei der Gestaltung als Fotodetektor auf. In dem Fotodetektor 1A dieser Ausführungsform wird das optische Element 10A im Gegensatz dazu getrennt von der Halbleiterschicht 40 gebildet, wodurch eine größere Auswahl an Materialien und eine größere Auswahl an Verfahren zur Bildung und Herstellung des optischen Elements 10A möglich sind. Somit weist der Fotodetektor 1A dieser Ausführungsform einen hohen Freiheitsgrad bei der Gestaltung entsprechender Wellenlänge des einfallenden Lichts, der gewünschten Lichtempfindlichkeit und dergleichen auf.
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In dem Fotodetektor 1A dieser Ausführungsform kann das optische Element 10A, wie in 4 gezeigt, mit einem Passivierungsfilm 10a aus einem isolierenden Material, wie beispielsweise SiO2 oder SiN, ausgebildet sein. In diesem Fall ist das zweite Gebiet R2 aus mehreren Materialarten, d. h. Luft und dem Passivierungsfilm 10a, gebildet. Es wird erwartet, dass das Vorsehen des Passivierungsfilms 10a mehr oder weniger die Effizienz bei der Erzeugung der elektrischen Feldkomponente in der vorbestimmten Richtung verringert, aber die Oberfläche des optischen Elements 10A vor einer Beschädigung durch Feuchtigkeit und dergleichen schützen kann, wodurch eine Verschlechterung der Vorrichtung wirksam verhindert werden kann.
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Wie in 5 gezeigt, kann der Fotodetektor 1A der zuvor erwähnten ersten Ausführungsform anstelle einer Vielzahl von Stufen in der Quantenkaskadenstruktur lediglich eine Stufe aufweisen. Dadurch können ebenfalls die zuvor erwähnten Feldverstärkungseffekte erzielt werden, wodurch eine effektive Lichtempfindlichkeit erhalten wird.
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Zweite Ausführungsform
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Im Nachfolgenden wird eine weitere Ausführungsform des Fotodetektors als zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein Fotodetektor 1B der zweiten Ausführungsform, der in 6 gezeigt ist, unterscheidet sich von dem Fotodetektor 1A der ersten Ausführungsform dahingehend, dass dieser anstelle der Quantenkaskadenstruktur eine übliche Quantentopfstruktur aufweist.
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Ein Halbleitermehrschichtkörper 44 dieser Ausführungsform ist mit einer Mehrfachquantentopfstruktur ausgebildet, die derart gebildet ist, dass sie der Wellenlänge des zu erfassenden Lichts entspricht und eine Dicke in der Größenordnung von 50 nm bis 1 μm aufweist. Insbesondere sind Schicht aus InGaAs und InAlAs mit einer sich voneinander unterscheidenden Energiebandlücke abwechselnd gestapelt, wobei eine Dicke einer jeden Schicht einige nm aufweist.
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Wird durch die Elektroden 6, 7 eine Vorspannung von außen an den so ausgebildeten Fotodetektor 1B angelegt, bildet sich innerhalb des Halbleitermehrschichtkörpers 44 ein Potenzialgefälle. Eine elektrische Feldkomponente in einer vorbestimmten Richtung, die durch ein optisches Element erzeugt wird, regt Elektronen in der Quantentopfstruktur an, und diese Elektronen werden entsprechend dem Potenzialgefälle durch die Elektroden 6, 7 erfasst. Das heißt, dieser Fotodetektor 1B kann Licht erfassen, das keine elektrische Feldkomponente in der Stapelrichtung des Halbleitermehrschichtkörpers 44 aufweist. Da die Elektronen von der Elektrode 6 zugeführt werden, wird eine Stromkontinuitätsbedingung erfüllt. Diese Ausführungsform zeigt den zuvor erwähnten Feldverstärkungseffekt, so dass der durch die Vorspannung erzeugte Dunkelstrom einen relativ geringen Einfluss auf die Lichtempfindlichkeit aufweist, wodurch vorteilhafterweise die Lichtempfindlichkeit aufrechterhalten werden kann.
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Dritte Ausführungsform
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Im Nachfolgenden wird eine weitere Ausführungsform des Fotodetektors als dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein in 7 gezeigter Fotodetektor 1C der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Fotodetektor 1B der zweiten Ausführungsform dahingehend, dass die Halbleiterschicht 40 keine Kontaktschicht auf deren Oberfläche 40a aufweist (mit Ausnahme des Teils, der sich direkt unter der Elektrode 6 befindet).
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Wie aus einer später beschriebenen Simulation ersichtlich ist, ist die elektrische Feldkomponente in einer vorbestimmten Richtung, die durch das Licht erzeugt wird, das auf das optische Element 10A von der einen Seite in der vorbestimmten Richtung einfällt, in der Nähe der Oberfläche auf der anderen Seite des optischen Elements 10A am stärksten. Somit weist der Fotodetektor 1C der Ausführungsform, bei dem das optische Element 10A und der Halbleitermehrschichtkörper 44 in direktem Kontakt miteinander sind, eine höhere Lichtempfindlichkeit auf als in dem Fall, bei dem die Kontaktschicht 43 dazwischen liegt.
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Wie in 8 und 9 gezeigt, können in dem Fotodetektor 1C der zuvor erwähnten dritten Ausführungsform die Kontaktschichten derart angeordnet sein, dass sie die stabförmigen Körper 13a des optischen Elements 10A an den beiden Längsendteilen davon miteinander verbinden. Bei der Ausbildung der Vertiefungen auf der Oberfläche 40a der Halbleiterschicht 40 kann der Trockenätzschritt in der Mitte der Kontaktschicht 43 angehalten werden, so dass die Kontaktschicht 43 auf der gesamten Halbleiterschicht 40, wie in 10 und 11 gezeigt, bestehen bleibt. Bei dieser Ausführungsform kann die Kontaktschicht 43 dicker als vorher ausgebildet werden. Durch das Nichtentfernen der Kontaktschicht 43 kann der Strom gleichmäßiger zwischen den Elektroden 6, 7 fließen, wodurch ein Verlust weiter verringert werden kann.
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Vierte Ausführungsform
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Im Nachfolgenden wird eine weitere Ausführungsform des Fotodetektors als vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein in 12 und 13 gezeigter Fotodetektor 1D der vierten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Fotodetektor 1B der zweiten Ausführungsform dahingehend, dass dieser anstelle des optischen Elements 10A ein optisches Element 10B umfasst, das eine andere Form aufweist.
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In dem optischen Element 10B bilden die ersten Gebiete R1 (stabförmige Körper 13a) aus einem dielektrischen Körper (beispielsweise Germanium) Streifen mit Zwischenräumen (Luft) S, die die zweiten Gebiete R2 bilden. Die ersten Gebiete R1 sind an den beiden Längsendteilen davon durch ein dielektrisches Material, das die ersten Gebiete R1 bildet, miteinander verbunden. Mit anderen Worten weist das optische Element 10B eine Form auf, bei der ein Film aus einem dielektrischen Körper in regelmäßigen Abständen mit schlitzförmigen Öffnungen versehen ist. Die Oberfläche 40a der Halbleiterschicht 40 scheint durch die schlitzförmigen Öffnungen hindurch. Der Fotodetektor 1D kann seine Funktionen auch bei dieser Ausführungsform erfüllen.
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In dem Fotodetektor 1D der zuvor erwähnten vierten Ausführungsform kann dessen optisches Element 10B gemäß einem weiteren Aspekt gebildet sein. Beispielsweise können die ersten Gebiete R1, wie in 14 und 15 gezeigt, zylindrische Körper 13c umfassen, die jeweils eine Höhe in einer vorbestimmten Richtung aufweisen, in einem Quadratgitter entlang einer Ebene senkrecht zu der vorbestimmten Richtung in Draufsicht angeordnet sind. Dabei bilden die zweiten Gebiete R2 einen Zwischenraum S zwischen den zylindrischen Körpern 13c. Während das Licht, das eine elektrische Feldkomponente in der vorbestimmten Richtung erzeugen kann, auf ein Licht beschränkt ist, das in lediglich einer Richtung, in der die schlitzförmigen Durchgangsöffnungen in dem Fotodetektor 1D der zuvor erwähnten vierten Ausführungsform angeordnet sind, polarisiert ist, umfasst es in dem Fotodetektor 1D mit dem optischen Element 10B, wie in 14 und 15 gezeigt, nunmehr zwei Arten von Polarisationsrichtungen, da die ersten und zweiten Gebiete R1, R2 periodisch in zweidimensionalen Richtungen angeordnet sind.
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Die zylindrischen Körper 13c können, anstelle des Quadratgitters, in einem in 16 gezeigten Dreiecksgitter angeordnet sein. Dadurch ist es möglich, die Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung des Einfallslichts, verglichen mit der Quadratgitteranordnung, weiter zu verringern.
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Fünfte Ausführungsform
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Ein weiterer Aspekt des Fotodetektors wird im Nachfolgenden als fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein Fotodetektor 1E der in 17 gezeigten fünften Ausführungsform unterscheidet sich von dem Fotodetektor 1B der zweiten Ausführungsform dahingehend, dass dieser ein optisches Element 10C aus Gold, anstelle des optischen Elements 10A, aufweist.
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Da der so ausgebildete Fotodetektor 1E das optische Element 10C aufweist, in dem die ersten Gebiete R1 aus Gold, die freie Elektronen aufweisen, und die zweite Gebiete R2 aus Luft entlang einer Ebene senkrecht zu der vorbestimmten Richtung periodisch angeordnet sind, wird ein Oberflächenplasmon durch eine Oberflächenplasmonen-Resonanz angeregt, wenn Licht von der einen Seite in der vorbestimmten Richtung auf das optische Element 10C einfällt. Zu diesem Zeitpunkt entsteht ein elektrisches Feld in der vorbestimmten Richtung und das Licht kann folglich auf dieselbe Art wie der Fotodetektor 1B der zweiten Ausführungsform erfasst werden.
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Sechste Ausführungsform
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Ein weiterer Aspekt des Fotodetektors wird im Nachfolgenden als sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein in 18 und 19 dargestellter Fotodetektor 1F der sechsten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Fotodetektor 1B der zweiten Ausführungsform dahingehend, dass ein halbisolierendes InP-Substrat 2c als ein Substrat verwendet wird, dass der Halbleitermehrschichtkörper 44 eine kleinere Fläche aufweist als die Fläche 41a der Kontaktschicht 41 und nicht auf der gesamten Oberfläche, sondern in der Mitte der Oberfläche 41a angeordnet ist, und dass die Elektrode 7 ringförmig gebildet ist, um den Halbleitermehrschichtkörper 44 in einem Randgebiet zu umgeben, in dem sich kein Halbleitermehrschichtkörper 44 auf der Oberfläche 41a der Kontaktschicht 41 befindet. Diese Elektrode 7 kann durch Stapeln der Kontaktschicht 41, des Halbleitermehrschichtkörpers 44 und der Kontaktschicht 43 und durch anschließendes Wegätzen der Kontaktschicht 43 und des Halbleitermehrschichtkörpers 44 zur Freilegung der Oberfläche 41a der Kontaktschicht 41 gebildet werden.
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Da eine Oberfläche des Substrats 2c auf der Seite gegenüberliegend zur Kontaktschicht 41 frei von Elektroden ist, kann Licht von der Rückseite des Fotodetektors 1F auf diesen einfallen (die andere Seite in der vorbestimmten Richtung), um dann erfasst zu werden. Dadurch kann verhindert werden, dass das optische Element 10A das einfallende Licht reflektiert und absorbiert, wodurch die Lichtempfindlichkeit weiter erhöht wird. Somit ist durch Verwenden des halbisolierenden Substrats 2 mit einer geringeren elektromagnetischen Induktion auf einfache Weise ein geringeres Rauschen, eine höhere Geschwindigkeit oder integrierte Schaltungen mit Verstärkerschaltungen und dergleichen erzielt werden. Zudem weist es den Vorteil auf, dass es zu Bildsensoren und dergleichen weitergebildet werden kann, da das Licht auf einfache Weise auf den Fotodetektor 1F in einem Package, in einem Zustand, in dem dieser durch Flip-Chip-Bonden an einem Hilfsträger, einer integrierten Schaltung oder dergleichen befestigt ist, einfallen kann.
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Diese Ausführungsform kann auch ein n-InP-Substrat als das Substrat verwenden.
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Während vorstehend bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen können die verschiedenen Ausführungsformen des optischen Elements mit jenen der Halbleiterschicht frei kombinieren. Beispielsweise kann das optische Element der dritten, vierten oder fünften Ausführungsform mit der Quantenkaskadenstruktur der ersten Ausführungsform kombiniert werden (jene Ausführungsform, bei der eine Vielzahl von Stufen in der Quantenkaskadenstrukturen entlang der vorbestimmten Richtung gestapelt sind oder jene Ausführungsform, die mit lediglich einer Quantenkaskadenstrukturstufe ausgebildet ist).
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Während die zuvor erwähnten Ausführungsformen ein Beispiel betreffen, bei dem der auf dem InP-Substrat gebildete Halbleitermehrschichtkörper aus InAlAs und InGaAs gebildet ist, kann dieser aus InP und In GaAs, AlGaAs und GaAs, das auf einem GaAs-Substrat gebildet ist, gebildet sein, oder es können andere Halbleitermehrschichtstrukturen, wie bespielsweise aus GaN und In GaN, verwendet werden, solange dabei ein Quantenniveau gebildet wird.
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Während die erste Ausführungsform Germanium (Ge) als einen dielektrischen Körper mit einem hohen Brechungsindex verwendet, das ein Material zur Bildung des optischen Elements 10A darstellt, ist diese jedoch nicht darauf beschränkt. Beispiele weiterer Materialien umfassen germaniumhaltige Verbindungen. Ein Beispiel dafür ist Siliziumgermanium (SiGe). Während die fünfte Ausführungsform Gold (Au) als Material für das optische Element 10A verwendet, können auch andere Metalle mit einem geringeren elektrischen Widerstand, wie beispielsweise Aluminium (Al) und Silber (Ag), verwendet werden. Die Metalle, die die ohmschen Elektroden 6, 7 in den Ausführungsformen bilden, sind nicht auf die hierin beschriebenen beschränkt. Somit kann die vorliegende Erfindung in den unterschiedlichsten Vorrichtungsformen, die üblicherweise denkbar sind, verwendet werden.
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Während die zuvor beschriebenen Ausführungsformen eine Ausführungsform beschreiben, bei der die zweiten Gebiete aus Luft gebildet sind, können die zweiten Gebiete auch aus anderen Materialien als Luft gebildet sein, solange der Brechungsindex in den ersten Gebieten höher als in den zweiten Gebieten ist. Dabei wird vorzugsweise ein Material bevorzugt, das einen Brechungsindex aufweist, der im Hinblick auf den Brechungsindex die folgende Beziehung aufweist: erstes Gebiet > Halbleiterschicht > zweites Gebiet.
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In dem Fotodetektor der vorliegenden Erfindung kann das optische Element eine elektrische Feldkomponente in einer vorbestimmten Richtung erzeugen, wenn das Licht entweder von der einen Seite in der vorbestimmten Richtung oder von der anderen Seite in der vorbestimmten Richtung durch den Halbleitermehrschichtkörper darauf einfällt. Das heißt, das optische Element der vorliegenden Erfindung erzeugt ein elektrisches Feld in einer vorbestimmten Richtung, wenn Licht entlang der vorbestimmten Richtung darauf einfällt.
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Beispiele
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In dem optischen Element gemäß der vorliegenden Erfindung wurde anhand einer Simulation eine elektrische Feldintensitätsverteilung in der Nähe der Lichtaustrittsseite berechnet.
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Dafür wurde das optische Element 10A und die Halbleiterschicht 40n der ersten Ausführungsform verwendet. Deren Größen wurden wie folgt festgelegt:
Periodischer Abstand d = 1,6 μm
Erstes Gebiet: Germanium (Brechungsindizes 4,0) mit einer Dicke von 0,8 μm und einer Breite von 0,8 μm
Zweites Gebiet: Luft (Brechungsindex 1,0) mit einer Dicke von 0,83 μm und einer Breite von 0,8 μm
Kontaktschichtdicke: 20 μm
Halbleitermehrschichtkörperdicke: 50 nm
Tiefe der in der Halbleiterschicht gebildeten Vertiefungen: 30 nm.
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Die elektrische Feldverteilung wurde durch ein Verfahren der sukzessiven Approximation, die als FDTD (Finite-Difference Time-Domain; finite Differenzenmethode im Zeitbereich) berechnet. Die Ergebnisse sind in 20 gezeigt. Dabei umfasste das einfallende Licht eine planare Welle mit einer Wellenlänge von 5,2 μm, die von der unteren Seite zu der oberen Seite in 20 führt (in einer vorbestimmten Richtung). Die Polarisationsrichtung umfasste eine Richtung, entlang der die stabförmigen Körper 13a des optischen Elements 10A ausgerichtet sind.
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20 gibt die Intensität einer elektrischen Feldkomponente senkrecht zu einer Ebene, die durch die ersten und die zweiten Gebiete R1, R2 in dem optischen Element 10A gebildet ist, an (eine Ebene senkrecht zu der vorbestimmten Richtung).
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Das einfallende Licht umfasst eine gleichförmige planare Welle, die lediglich in einer lateralen Richtung eine elektrische Feldkomponente aufweist. Wie in 20 gezeigt, wird eine elektrische Feldkomponente in einer vorbestimmten Richtung, die nicht in dem einfallenden Licht enthalten ist, durch die periodische Anordnung der ersten Gebiete (Germanium) und der zweiten Gebiete (Luft) erzeugt. Die elektrische Feldkomponente in der vorbestimmten Richtung weist an einer Grenzfläche zwischen dem optischen Element 10A und der Halbleiterschicht 40 die höchste Intensität auf.
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21 stellt die elektrische Feldintensität in der vorbestimmten Richtung an einem bestimmten Punkt innerhalb des Halbleitermehrschichtkörpers 42, der eine lichtabsorbierende Schicht ist, als Ergebnis der Berechnung gemäß der Tiefe der Vertiefungen in der Halbleiterschicht dar. Abgesehen von der Tiefe der Vertiefungen entsprechen die anderen Formen und Größen jenen, die für die Berechnung in 20 verwendet wurden. Anhand dieses Modells ist ersichtlich, dass die vertikale elektrische Feldintensität dann am höchsten ist, wenn die Tiefe der Vertiefungen 30 nm beträgt. Zudem zeigt sich auch, dass ein größeres elektrisches Feld selbst bei einer Tiefe der Vertiefungen von 100 nm gebildet wird als wenn überhaupt keine Vertiefungen gebildet sind (d. h., wenn jeder Endteil auf der anderen Seite der zweiten Gebiete nicht mehr auf der anderen Seite vorsteht als jeder Endteil auf der anderen Seite der ersten Gebiete).
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Bezugszeichenliste
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- 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F
- Fotodetektor
- 2, 2c
- Substrat
- 6
- Elektrode (erste Elektrode)
- 7
- Elektrode (zweite Elektrode)
- 10A, 10B, 10C
- Optisches Element
- 11
- Struktur
- 13b
- Endteil (Endteil auf der anderen Seite des ersten Gebiets)
- 40
- Halbleiterschicht
- 40a
- Oberfläche (Oberfläche auf einer Seite der Halbleiterschicht)
- 41
- Kontaktschicht (zweite Kontaktschicht)
- 42, 44
- Halbleitermehrschichtkörper
- 42a
- Aktives Gebiet
- 42b
- Injektorgebiet
- 43
- Kontaktschicht (erste Kontaktschicht)
- R1
- Erstes Gebiet
- R2
- Zweites Gebiet
- Sa
- Endteil (Endteil auf der anderen Seite des zweiten Gebiets)
