JP2000164915A - 近接場光プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】微小開口から近接場光を発生しながら、光検出
動作を安定かつ高感度に行うことができ、さらには、微
小開口が単数であっても複数であっても、半導体光検出
器のＣＲ時定数の増大を防ぎ、高速な動作が可能な近接
場光プローブを提供する。 【解決手段】本発明の近接場光プローブにおいては、半
導体光検出器（ＰＤ）が形成された基板に、微小開口５
０を有する貫通孔４０を設けた構造からなり、上記半導
体光検出器（ＰＤ）の受光領域（第二導電型の不純物導
入領域）３０を上記微小開口５０の近傍に限定して設け
ているので、半導体光検出器のＣＲ時定数の増大を防ぐ
ことができ、高速な動作が可能な近接場光プローブを実
現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光により情報を記
録、再生または消去する光ディスク、光カード、光テー
プ等の光メモリに応用されるプローブに係り、特に、近
接場光を発生させ、また検出するための近接場光プロー
ブに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在実用化されている光メモリでは、レ
ーザー光を回折限界にまで集光したレーザースポットを
記録媒体へ照射し、このとき記録層に熱的・磁気的変調
を与えることによって情報の記録を行い、一方記録ビッ
トによって変調される反射光強度を検出することで情報
の再生を行っている。このような情報記録手段は、記録
媒体上の記録密度がレーザー波長でほぼ決定されてしま
い、近年のコンピュータ等の種々の情報機器を取り巻く
情報量の増大に対応していくためには回折限界を超える
ような記録密度を達成する大容量光メモリが要求されて
いる。そこでこのような次世代の大容量光メモリとして
有望視されているものとして、近接場光を用いて情報の
記録、再生または消去を行う光メモリが提案されてお
り、その一例としては以下のようなものがある。

【０００３】（１）文献”「近接場光学とその光メモリ
への応用」電子情報通信学会論文誌Ｃ-１ Vol.J81-C-1
No.3 pp.119-126 1998年3月”には、半導体平面プ
ロセス技術を用いてシリコン基板上に２次元微小開口列
を作り、上面から照射した光によって微小開口に近接場
光を発生させるデバイスが提案されている。また、光検
出器アレーとの集積化の可能性が示唆されている。 （２）特開平９−１９８８３０号公報には、近接場光を
用いた高密度記録装置において、近接場を記録媒体の近
傍で安定して発生させることを課題として、微小開口を
有する円錐形の貫通穴を設けたスライダーにより、高密
度記録を行うことが記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来技術の（１）に記
載のように、近接場光プローブの構成として、開口と半
導体光検出器（フォトダイオード：ＰＤ）を集積して組
み合わせようとすると、例えば、一般的なＰＩＮフォト
ダイオードに貫通孔及び微小開口を形成した図５のよう
なものが考えられる。これは、第一導電型の高濃度不純
物層１０と、第一導電型の低濃度不純物層２０及び第二
導電型の不純物導入領域３１からなる半導体光検出器
（ＰＤ）に、微小開口５０を有する貫通孔４０を設けた
構造の近接場光プローブの例である。尚、第二導電型の
不純物導入領域３１にはメタル配線１００が接続されて
いる。また、図５は、第一導電型がｎ型、第二導電型が
ｐ型の場合の例である。

【０００５】このような構成の近接場光プローブでは、
第二導電型の不純物導入領域３１が、半導体光検出器
（ＰＤ）の受光領域に相当することになるが、この面積
が大きいとｐｎ接合の容量が大きくなることになる。一
般に、半導体光検出器の応答速度は、ＣＲ時定数と空乏
層内のキャリアーの走行時間で決まるが、上述の容量の
増大はＣＲ時定数のＣを大きくすることになり、半導体
光検出器ひいては近接場光プローブの高速動作を阻害す
るという問題がある。この問題は、微小開口を有する貫
通孔が一つの場合はもとより、複数をアレイ状に設ける
ことにより近接場光プローブの表面積が大きくなる場合
にはさらに顕著になる。

【０００６】一方、近接場光プローブは、その光学的な
原理上、表面の微小開口を、観察測定対象あるいは記録
・再生メディアに数十ｎｍ程度以下に近接して配置させ
る必要があるが、従来の近接場光プローブでは、図５に
示すように光検出器の受光領域表面にメタル配線１００
が数百ｎｍ程度突出して形成されているので、この配線
が、上述のような近接場光プローブの対象物への近接配
置を妨げてしまうという問題がある。また、上記のよう
な光検出器の電極は、いずれ外部の検出回路等に電気的
に接続させる必要があるものの、特に受光面側の配線
は、上述のような表面側への突出を避けながら基板裏面
側に取り出すことが、従来の構造では困難であった。

【０００７】本発明は上記事情に鑑みなされたものであ
って、微小開口から近接場光を発生しながら、光検出動
作を安定かつ高感度に行いうる近接場光プローブを提供
することを目的としている。より具体的には、本発明で
は、微小開口が単数であっても複数であっても、半導体
光検出器のＣＲ時定数の増大を防ぎ、高速な動作が可能
な近接場光プローブを提供することを目的とし（請求項
１，２の目的）、さらには、数十ｎｍ程度以下に対象物
への近接配置が可能な近接場光プローブを得ることを目
的とし（請求項３の目的）、また、近接場光プローブの
機能を損なわずに、受光面側の光検出器電極から裏面側
への電気的接続を可能にする構造の提供を目的とする
（請求項４の目的）。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明は、半導体光検出器が形成さ
れた基板に、微小開口を有する貫通孔を設けた構造の近
接場光プローブにおいて、上記半導体光検出器の受光領
域を上記微小開口の近傍に限定して設けた構成としたも
のである。

【０００９】請求項２に記載の発明は、半導体光検出器
が形成された基板に、複数の微小開口を有する貫通孔を
設けた構造の近接場光プローブにおいて、上記半導体光
検出器の受光領域を上記複数の微小開口の近傍に限定し
て設けるとともに、上記複数の受光領域を電気的に接続
した構成としたものである。

【００１０】請求項３に記載の発明は、半導体光検出器
が形成された基板に、微小開口を有する貫通孔を設けた
構造の近接場光プローブにおいて、上記光検出器の受光
領域に接続する配線層表面を、上記微小開口表面と同一
面あるいは上記微小開口表面より凹陥させて設けた構成
としたものである。

【００１１】請求項４に記載の発明は、半導体光検出器
が形成された基板に、微小開口を有する貫通孔を設けた
構造の近接場光プローブにおいて、上記光検出器の受光
領域に電気的に接続する配線層を、上記基板に設けた貫
通孔に沿って配設した構成としたものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明による近接場光プローブ
は、基板に、単数または１次元ないし２次元の微小開口
列を有する貫通孔を設け、かつ微小開口の大きさを、用
いる光の波長以下とすることにより、上面から照射した
光によって微小開口に近接場光を発生させるものであ
り、さらにこの近接場光と他の物質との相互作用による
散乱光を受光する光検出器または光検出器アレーが基板
に集積化された構造となっている。

【００１３】本発明の近接場光プローブに用いる半導体
光検出器は、一般的なＰＩＮフォトダイオードで、例え
ば図１に示すように、第一導電型の高濃度不純物層１０
と、第一導電型の低濃度不純物層２０及び第二導電型の
不純物導入領域３０を少なくとも有している。上記第一
導電型の高濃度不純物層１０としては、例えば、アンチ
モン（Ｓｂ）を高濃度にドープした抵抗率０．０１Ωcm
程度のシリコン（Ｓｉ）基板が考えられ、第一導電型の
低濃度不純物層２０としては、リン（Ｐ）をドープした
抵抗率１００Ωcm程度以上のシリコンエピタキシャル
層、第二導電型の不純物導入領域３０としては、ボロン
（Ｂ）を上記第一導電型の低濃度不純物層に拡散させた
ものが考えられる。この場合、ｐ+ｎ-ｎ+ 型となるが、
導電型を逆にしたｎ+ｐ-ｐ+ 型も可能である。第一導電
型の高濃度不純物層１０及び第二導電型の不純物導入領
域３０には、図示しない配線が接続し、光検出回路へ導
電路が形成される。

【００１４】また、上記の半導体光検出器には、微小開
口５０を有する貫通孔４０が設けられるが、貫通孔の形
成方法としては、従来技術で述べた公知文献（１）に記
載のように、シリコン結晶の面方位を利用した異方性エ
ッチングを用いる方法や、一般的なウェットあるいはド
ライのエッチングによる方法を用いることができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の各請求項に係る近接場光プロ
ーブの構成、動作を図示の実施例に基づいて詳細に説明
する。

【００１６】（実施例１）請求項１に記載の近接場光プ
ローブにおいては、半導体光検出器の受光領域を微小開
口の近傍に限定して設けた構成としたものである。ここ
で、光検出器の受光領域を微小開口の近傍に限定して設
けるとは、受光領域を微小開口の近傍に必要最小限の面
積で形成することを意味し、その形状は、例えば、微小
開口を中心とした円形や多角形のもの、あるいは受光す
べき光が特定の方向に偏るような場合には、その方向に
偏心した形状等、受光すべき光の照射面の形状に合わせ
るのがよい。また、受光領域の大きさは、小さいほど接
合容量の低減には寄与するが、逆に小さ過ぎると受光面
積の減少による光検出感度の低下を招くので、両者のト
レードオフにより最適値に設定できる。一例として、微
小開口の形成された面から、受光すべき光の発光中心ま
たは散乱中心までの距離の２分の１〜１０倍程度とする
とよい。また、光検出器の作製工程上の制約から決まる
最小の寸法で十分な受光面積が得られるときは、その寸
法とすればよい。

【００１７】図１は請求項１の一実施例を示す近接場光
プローブの概略要部断面図である。この近接場光プロー
ブは、上述したように、第一導電型の高濃度不純物層１
０と、第一導電型の低濃度不純物層２０及び第二導電型
の不純物導入領域３０からなる半導体光検出器（ＰＤ）
が形成された基板に、微小開口５０を有する貫通孔４０
を設けた構造であり、半導体光検出器（ＰＤ）の受光領
域となる第二導電型の不純物導入領域３０は、上記微小
開口５０近傍にのみ設けている。これにより、図５に示
されるような、第二導電型の不純物領域３１をほぼ基板
全面に形成した場合に比べ、接合容量を形成する面積を
著しく減少させ、半導体光検出器の高速応答を実現する
ことができる。

【００１８】（実施例２）図２は請求項２の一実施例を
示す近接場光プローブの受光部側平面図である。本実施
例の近接場光プローブでは、微小開口を有する貫通孔周
りの断面構造は図１と略同様であるが、図２に示すよう
に、受光領域である第二導電型の不純物導入領域３０を
上記微小開口５０の近傍のみに設けた構造を複数個アレ
イ状に配列し、その各々の受光領域を電気的に接続して
いる。電気的に接続する構造として、図２の例では、第
二導電型の不純物導入領域３０を形成する際に、微小開
口５０の周囲を囲む円形の受光領域部分を形成すると共
に該受光領域間を結ぶ部分をそのまま細線化して一体不
可分に形成している。また、この他の接続例としては、
このような不純物導入領域の細線の代わりにメタルの配
線で受光領域間を接続することもできる。

【００１９】また、第二導電型の不純物導入領域３０と
平面内で一定の距離を設けた形状の第一導電型の不純物
導入領域からなるチャネルストッパを形成すると、リー
ク電流の抑止に効果があるのは、一般の受光素子（半導
体光検出器）と同様である。

【００２０】以上の構成は、受光領域を細線部で連結し
て一体にし、唯一つの光検出器として用いるものを想定
しているが、複数の受光領域（第二導電型の不純物導入
領域）３０を独立に用いることもできる。その場合に
は、それぞれの受光領域にアドレスする配線を設けなけ
ればならないので、配線の配置によりアレイ数の制限が
生じるか、あるいは、配線の多層化が必要となる。

【００２１】（実施例３）図３は請求項３の一実施例を
示す近接場光プローブの概略要部断面図である。本実施
例は、図１に示す近接場光プローブと略同様の断面構造
であるが、半導体光検出器（ＰＤ）の受光領域である第
二導電型の不純物導入領域３２に接続するメタル配線層
１００を設け、この配線層１００の表面を、微小開口５
０の表面より凹陥、即ち、低く陥没させて設けている。
これにより、微小開口５０の表面が、プローブの受光面
の最も高い位置（図では、受光面が下向きなので最下
方）となるので、対象物への近接配置が可能となる。

【００２２】このような構造は、受光領域である第二導
電型の不純物導入領域３２を形成するに先立ち、第一導
電型の低濃度不純物層２０の配線を形成すべき部分に対
応して、メサエッチング等、あらかじめフォトリソ・エ
ッチングにより除去して凹陥させておく方法や、ＬＯＣ
ＯＳ（Local Oxidation of Silicon）法により一旦酸化
膜を表面下方に成長させた後、酸化膜を除去する方法等
により形成することができる。

【００２３】尚、受光部表面や、メタル配線１００が積
層される部分には、酸化膜等の誘電体膜８０を設ける
と、表面の保護及び配線と基板との絶縁の機能を果たす
ことができる。また、以上のような構造は、請求項２の
近接場光プローブのようなアレイ状配列の構成にも適用
することができる。

【００２４】（実施例４）図４は請求項４の一実施例を
示す近接場光プローブの概略要部断面図である。本実施
例は、図３に示す近接場光プローブと略同様の構造であ
るが、半導体光検出器（ＰＤ）の受光領域である第二導
電型の不純物導入領域３２に電気的に接続する配線層
（引き出し配線）１０１を、光検出器が形成された基板
に設けた配線用の貫通孔４１に沿って配設したものであ
り、受光領域３２と引き出し配線１０１とは、メタル配
線１００を介して電気的に接続されている。

【００２５】上記配線用の貫通孔４１は、近接場光発生
用の貫通孔４０と同一の工程で作製すれば、新たな工程
の追加の必要なしにこのような構造が得られることにな
る。また、引き出し配線１０１と配線用の貫通孔４１の
表面の間には、絶縁のための誘電体膜８１を設けるとよ
い。この引き出し配線１０１及び誘電体膜８１は、基板
の裏面側まで延長することで、半導体光検出器（ＰＤ）
の裏面側電極１０２と同一面に形成できるので、本近接
場光プローブに種々の金属バンプや異方性導電体を用い
た実装方法を用いるのにも好都合である。尚、引き出し
配線１０１は、図４のように配線用の貫通孔４１を通し
て配設する他に、近接場光発生用の貫通孔４０を通して
形成することも可能である。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
近接場光プローブにおいては、半導体光検出器が形成さ
れた基板に、微小開口を有する貫通孔を設けた構造から
なり、上記半導体光検出器の受光領域を上記微小開口の
近傍に限定して設けているので、半導体光検出器のＣＲ
時定数の増大を防ぎ、高速な動作が可能な近接場光プロ
ーブを実現することができる。

【００２７】請求項２に記載の近接場光プローブにおい
ては、半導体光検出器が形成された基板に、複数の微小
開口を有する貫通孔を設けた構造からなり、上記半導体
光検出器の受光領域を上記複数の微小開口の近傍に限定
して設けるとともに、上記複数の受光領域を電気的に接
続した構成としたので、アレイ状で面積が増大する構成
の場合であっても、半導体光検出器のＣＲ時定数の増大
を防ぎ、高速な動作が可能な近接場光プローブを実現す
ることができる。

【００２８】請求項３に記載の近接場光プローブにおい
ては、半導体光検出器が形成された基板に、微小開口を
有する貫通孔を設けた構造からなり、上記光検出器の受
光領域に接続する配線層表面を、上記微小開口表面と同
一面あるいは上記微小開口表面より凹陥させて設けた構
成としたので、数十ｎｍ程度以下に対象物への近接配置
が可能な近接場光プローブを得ることができる。

【００２９】請求項４に記載の近接場光プローブにおい
ては、半導体光検出器が形成された基板に、微小開口を
有する貫通孔を設けた構造からなり、上記光検出器の受
光領域に電気的に接続する配線層を、上記基板に設けた
貫通孔に沿って配設した構成としたので、近接場光プロ
ーブの機能を損なわずに、受光面側の光検出器電極から
裏面側の配線への電気的接続を可能にする構造を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１の一実施例を示す近接場光プローブの
概略要部断面図である。

【図２】請求項２の一実施例を示す近接場光プローブの
受光部側平面図である。

【図３】請求項３の一実施例を示す近接場光プローブの
概略要部断面図である。

【図４】請求項４の一実施例を示す近接場光プローブの
概略要部断面図である。

【図５】従来技術の一例を示す近接場光プローブの概略
要部断面図である。

【符号の説明】

１０：第一導電型の高濃度不純物層 ２０：第一導電型の低濃度不純物層 ３０，３２：第二導電型の不純物導入領域（受光領域） ４０：貫通孔 ４１：配線用の貫通孔 ５０：微小開口 ８０，８１：誘電体膜 １００：メタル配線 １０１：引き出し配線 １０２：裏面側電極 ＰＤ：半導体光検出器

フロントページの続き (72)発明者 高橋 淳一 東京都大田区中馬込１丁目３番６号・株式 会社リコー内 (72)発明者 大津 元一 神奈川県大和市つきみ野１−15−42 (72)発明者 興梠 元伸 神奈川県横浜市旭区若葉台２−８−302 Ｆターム(参考） 5D119 AA11 AA22 BA01 CA06 CA09 JA44 KA02 KA14 KA28 5F049 MA04 MB02 NA03 NA15 NA20 NB08 PA14 QA06 QA20 RA02 SS03 SZ10 SZ20 5F088 AA03 AB02 BA02 BA20 BB10 CB14 DA01 DA17 DA20 EA02 EA04 EA11 EA16 GA03 HA10

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体光検出器が形成された基板に、微小
   開口を有する貫通孔を設けた構造の近接場光プローブに
   おいて、 上記半導体光検出器の受光領域を上記微小開口の近傍に
   限定して設けたことを特徴とする近接場光プローブ。
2. 【請求項２】半導体光検出器が形成された基板に、複数
   の微小開口を有する貫通孔を設けた構造の近接場光プロ
   ーブにおいて、 上記半導体光検出器の受光領域を上記複数の微小開口の
   近傍に限定して設けるとともに、上記複数の受光領域を
   電気的に接続したことを特徴とする近接場光プローブ。
3. 【請求項３】半導体光検出器が形成された基板に、微小
   開口を有する貫通孔を設けた構造の近接場光プローブに
   おいて、 上記光検出器の受光領域に接続する配線層表面を、上記
   微小開口表面と同一面あるいは上記微小開口表面より凹
   陥させて設けたことを特徴とする近接場光プローブ。
4. 【請求項４】半導体光検出器が形成された基板に、微小
   開口を有する貫通孔を設けた構造の近接場光プローブに
   おいて、 上記光検出器の受光領域に電気的に接続する配線層を、
   上記基板に設けた貫通孔に沿って配設したことを特徴と
   する近接場光プローブ。