JP2011138950A - 半導体装置及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】表面プラズモンを利用した半導体装置において、より高感度化、薄膜化を可能にした半導体装置を提供する。
【解決手段】光電変換層２と、光電変換層２内に埋め込まれた連続あるいは不連続の筒状の金属微細構造体３と、金属微細構造体３の内側面及び外側面を被覆する誘電体膜４とを有する。
【選択図】図１
【解決手段】光電変換層２と、光電変換層２内に埋め込まれた連続あるいは不連続の筒状の金属微細構造体３と、金属微細構造体３の内側面及び外側面を被覆する誘電体膜４とを有する。
【選択図】図１
Description
本発明は、プラズモン現象を利用した半導体装置、及びこの半導体装置で構成された固体撮像装置を備えてカメラなどに適用される電子機器に関する。
近年、光と、金、銀、銅、アルミニウムなどのメタル系材質とが特別な条件でカップリングして、小さな領域に強電場を生じる表面プラズモンと呼ばれる特殊な光が注目を集めている。実際、これまでバイオ系でその応用が進んでおり、クレッチマン配置と全反射減衰法を組み合わせたＳＰＲ顕微鏡により、タンパク分子など単分子吸着の観察などに使用されている。全反射減衰法はＡＴＲ（Attenuated-Total-Reflection）法と略称され、ＳＰＲはSurface-Plasmon-Resonanceの略称である。
一方、プラズモンを用いてイメージセンサ（いわゆる固体撮像装置）のフォトダイオードの薄膜化、高感度化を図った技術が提案されている（特許文献１、２参照）。
図１４に特許文献１のイメージセンサを示す。このイメージセンサは、基本的にはセンサー内にプラズモン共鳴体（メタル系の金属粒子）を埋め込み、センサーの薄膜化と深さ方向での分光機能を持たせた構成である。図１４Ａのイメージセンサ１０１は、ｐ型半導体基板１０２に順次ｎ型半導体領域１０３、ｐ型半導体領域１０４、ｎ型半導体領域１０５が形成され、ｐｎ接合を有する光電変換層が積層される。ｐ型半導体基板１０２に赤の光Ｒでプラズモン共鳴を起こすプラズモン共鳴体１０６が埋め込まれ、ｎ型半導体領域１０３に緑Ｇの光でプラズモン共鳴を起すプラズモン共鳴体１０７が埋め込まれ、ｐ型半導体領域１０４に青の光Ｂでプラズモン共鳴を起すプラズモン共鳴体１０８が埋め込まれる。各プラズモン共鳴体１０６〜１０８は、透明絶縁膜１０９で被覆される。ｐｎ接合を有する光電変換層に光Ｌが入射し、そのＲＧＢの光がプラズモン共鳴体１０６〜１０８に入射する。プラズモン共鳴体に光が入射し、プラズモン共鳴が生じている状態では、ＲＧＢの光は、プラズモン共鳴体１０６〜１０８近傍の狭い領域に局在した光となっており、そこから再放射された光により生じた電荷を蓄積し、信号が読み出し部１１１より読み出される。
図１４Ｂのイメージセンサ１１３は、透明絶縁膜１１４で絶縁された光電変換層１１５、１１６、１１７が積層され、各光電変換層１１５、１１６、１１７にそれぞれ赤の光Ｒ、緑の光Ｇ、青の光Ｂでプラズモン共鳴を起すプラズモン共鳴体１０６，１０７、１０８が埋め込まれる。各プラズモン共鳴体１０６〜１０８は、透明絶縁膜１０９で被覆される。各光電変換層１１５〜１１７の両端には読み出し部となる電極１１８Ａ，１１８Ｂが形成される。各光電変換層１１４〜１１６に光Lが入射され、ＲＧＢの光がプラズモン共鳴体１０６〜１０８で増強され、価電子帯から伝導電子帯に励起された電子が信号として電極１１８Ａ，１１８Ｂを通じて読み出しされる。
このように、複数の光電変換層が積層され、プラズモン共鳴体を配置した構成を採ることにより、センサーの感度を下げることなく薄膜化することが可能となる。また、光電変換層毎に、異なる波長帯域に共鳴ピークを有し分光要素として機能するプラズモン共鳴体が配設されることにより、深さ方向での色分離が可能とされる。
光が異なる深さのプラズモン共鳴体に吸収されるだけでは、光強度の検出はできない。プラズモン共鳴体の共鳴ピークに応じた波長帯域ごとに光強度の検出が可能である理由は、プラズモン共鳴体から再放射された光を周囲の材料によって光電変換し、入射光強度を電荷の量へと変換するからである。また、その電荷をｐｎ接合や電極を用いて電圧や電流の形で取り出すことで、それぞれの波長帯域の光強度を電気信号で得ることができる。
図１５Ａ、Ｂに、特許文献２のイメージセンサを示す。基本的には、金属ナノ粒子をシリコン面上に配置して、プラズモン現象を利用し、金属ナノ粒子の粒型や配置を工夫することで、センサーの薄膜化と分光の機能を持たせている。すなわち、図１５Ａ、Ｂのイメージセンサ１２１は、シリコンによるｐｎ接合フォトダイオード１２２の上面に誘電体膜１２３を介して金属微粒子１２４のパターン層１２５を配置して構成される。誘電体膜１２３は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＨｆＯ２、Ｓｉ３Ｎ４等からなり、誘電体膜１２３の膜厚が３ｎｍないし１００ｎｍとされる。
金属微粒子１２４は、金、銀、銅、アルミニウム及びタングステンからなる群のうち選択された少なくとも一つで形成される。金属微粒子１２４のパターン層１２５は、複数の領域を備え、金属微粒子１２４のパターン層１２５の各領域は、複数のサブ画素領域、すなわち赤色サブ画素領域１２６Ｒ、緑色サブ画素領域１２６Ｇ、及び青色サブ画素領域１２６Ｂから構成される。各サブ画素領域１２６Ｒ、１２６Ｇ及び１２６Ｂでの金属微粒子１２４は、赤、緑、青の順で小さくなる。金属微粒子１２４の形状は、三角形、四角形、五角形、円形及び星形からなり、特定波長の光によりプラズモン共鳴が最適化されるようにパターン層１２５が形成される。
このパターン層１２５上の金属微粒子１２４は、光の電磁波が金属表面の電子と共振してプラズモンを形成することにより、光が金属微粒子１２４の近辺に留まる時間を延長させる役割を行う。したがって、この現象によってフォトダイオードへ入射してくる光は、このパターン層１２５の効果により、フォトダイオードが感知できる時間を延長させることができ、感度を向上させている。
ところで、上述の従来例では、光の進行方向に対する金属ナノ粒子の水平断面積の総和が大きく、結果として反射率が大きくなることが予想される。その結果、フォトダイオードへの光のフラックスが減少してしまい、感度に寄与する伝導電子の発生が抑制される。金属ナノ粒子による局在プラズモンの増強電磁波の存在領域は、金属ナノ粒子の近傍から数ナノから数十ナノメートル程度と小さいため、感度に寄与する光電変換領域も小さくなり、発生電子の総和も少ない。
さらに、プラズモンの物理的な性質上、金属ナノ粒子近傍に増強電場を生じさせるためには、その金属ナノ粒子をガラスなどの低屈折率材料で被覆してシリコンなどの高屈折率材料中に閉じ込める必要があることが知られている。このため、実際に感度として寄与する電子の発生につながる増強電場のフォトダイオードなどのセンサーにおける実効的な光の存在領域及び感度計算に用いる積分領域は、上記の理由に加えてさらに小さいものとなる。それ故、光電変換を行うフォトダイオードまでプラズモンの増強光が届かない場合も生じ得る。
従来技術では、センサーの高感度、薄膜化に対して、共鳴現象によって生じたプラズモンの増強光をダイレクトに感度として観測するのではなく、共鳴体から生じる再放射光の感知や、フォトダイオードの感知時間の延長などといったような、物理的に困難なプロセスを経由しなければ信号となる伝導電子を得ることができない。
本発明は、上述の点に鑑み、表面プラズモンを利用した半導体装置において、光電変換層のより高感度化、薄膜化を可能にした半導体装置を提供するものである。
本発明は、上記半導体装置で構成された固体撮像装置を備えてカメラなどに適用される電子機器を提供するものである。
本発明は、上記半導体装置で構成された固体撮像装置を備えてカメラなどに適用される電子機器を提供するものである。
本発明に係る半導体装置は、光電変換層と、光電変換層内に埋め込まれた連続あるいは不連続の筒状の金属微細構造体と、金属微細構造体の内側面及び外側面を被覆する誘電体膜とを有する。
本発明の半導体装置では、光が入射されると筒状の金属微細構造体で表面プラズモンが励起され、筒状の金属微細構造体の内外側の光電変換層にダイレクトに且つ広い領域に増強電場、つまり強い光が励起される。金属微細構造体が筒状であるので、金属微細構造体における入射光の反射が低減し、光のエネルギーを効率よく信号電荷に変換することができる。
本発明に係る電子機器は、光学レンズと、固体撮像装置として構成された半導体装置と、半導体装置の出力信号を処理する信号処理回路とを備える。上記半導体装置は、複数の画素が配列された撮像領域を有して構成される。複数の画素は、それぞれ光電変換層に埋め込まれた連続あるいは不連続の筒状の複数の金属微細構造体と、金属微細構造体の内側面及び外側面を被覆する誘電体膜とを有して成る。
本発明の電子機器では、上記固体撮像装置として構成された半導体装置を備えることにより、固体撮像装置の光電変換層において入射される光のエネルギーを効率よく信号電荷に変換することができる。
本発明に係る半導体装置によれば、筒状の金属微細構造体によって光電変換層の広い領域に強い光が励起され、金属微細構造体での反射率が低減して光のエネルギーを効率よく信号電荷に変換できるので、光電変換層のより高感度化、薄膜化を可能にする。
本発明に係る電子機器によれば、上記固体撮像装置として構成された半導体装置を備えることにより、より薄型化、高感度化が図られた電子機器を提供することができる。
以下、発明を実施するための形態（以下実とする）について説明する。なお、説明では以下の順序で行う。
１．第１実施の形態（半導体装置の概略基本構成例と製造方法例）
２．第２実施の形態（半導体装置を固体撮像装置に適用した要部の概略構成例）
３．第３実施の形態（半導体装置を太陽電池に適用した概略構成例）
４．第４実施の形態（電子機器の構成例）
１．第１実施の形態（半導体装置の概略基本構成例と製造方法例）
２．第２実施の形態（半導体装置を固体撮像装置に適用した要部の概略構成例）
３．第３実施の形態（半導体装置を太陽電池に適用した概略構成例）
４．第４実施の形態（電子機器の構成例）
＜１．第１実施の形態＞
［半導体装置の概略基本構成例］
図１に、本発明に係る半導体装置の第１実施の形態を示す。この第１実施の形態は、本発明の半導体装置の概略基本構成を示す。第１実施の形態に係る半導体装置１は、図１Ａ、Ｂに示すように、光電変換層となる例えばシリコンなどによる半導体基板２内に、後述する連続あるいは不連続の筒状の金属微細構造体３を埋め込んで構成される。金属微細構造体３の内側面及び外側面は、誘電体膜４で被覆される。この金属微細構造体３は、この金属微細構造体に光が入射したとき、表面プラズモンを励起させる。
［半導体装置の概略基本構成例］
図１に、本発明に係る半導体装置の第１実施の形態を示す。この第１実施の形態は、本発明の半導体装置の概略基本構成を示す。第１実施の形態に係る半導体装置１は、図１Ａ、Ｂに示すように、光電変換層となる例えばシリコンなどによる半導体基板２内に、後述する連続あるいは不連続の筒状の金属微細構造体３を埋め込んで構成される。金属微細構造体３の内側面及び外側面は、誘電体膜４で被覆される。この金属微細構造体３は、この金属微細構造体に光が入射したとき、表面プラズモンを励起させる。
金属微細構造体３は、表面プラズモンを励起するには、光とのカップリングにより誘電率が負となる金属系の材質で形成する必要がある。金属微細構造体３は、この条件に合う例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）などのメタル系材料で形成される。タングステン（Ｗ）は緑の波長光とのカップリングでは誘電率が負にならないが、カップリングする波長域により誘電率が負となりうる。
金属微細構造体３を被覆する誘電体膜４は、低屈折率材料で形成される。誘電体膜４は、好ましくは実部が３．０以下の誘電体材料、例えばＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＨｆＯ２などで形成することができる。本例の誘電体膜４は、シリコン酸化（ＳｉＯ２）膜で形成される。実部が３．０を超える大きい場合、十分な電場が励起されない。
筒状の金属微細構造体３は、内径ｒ１もしくは上面から見た内側の長さｔ１（図９Ｅ参照）が１００ｎｍ〜１．０μｍの範囲、厚さｄ１が１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲、トータルの長さｓ１が２０ｎｍ〜３．０μｍの範囲に、それぞれ設定することが好ましい。金属微細構造体３が、例えば後述の図９Ｄ、Ｅで示す四角形状の筒状であるときは、四角状の内側の長さｔ１が１００ｎｍ〜１．０μｍの範囲に設定することが好ましい。
内径ｒ１、内側の長さｔ１が１００ｎｍ〜１μｍの範囲であれば、可視光で表面プラズモンを励起させることができる。この範囲を外れると可視光での表面プラズモン励起条件から外れる。内径ｒ１、内側の長さｔ１が１００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲であれば、安全に可視光で表面プラズモンを励起させることができる。筒状の金属微細構造体３の外径ｒ２は、入射する光の波長以下とするのが好ましい。厚さｄ１は、１０ｎｍより薄いと光が金属を貫通する不都合があり、１００ｎｍを超えると光の反射率が増大するという不都合がある。長さｓ１が２０ｎｍより短いと表面プラズモンの存在領域が小さくなるという不都合があり、また３．０μｍを超えても感度としての寄与は小さくなるという不都合が生じる。
内径ｒ１、内側の長さｔ１が１００ｎｍ〜１μｍの範囲であれば、可視光で表面プラズモンを励起させることができる。この範囲を外れると可視光での表面プラズモン励起条件から外れる。内径ｒ１、内側の長さｔ１が１００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲であれば、安全に可視光で表面プラズモンを励起させることができる。筒状の金属微細構造体３の外径ｒ２は、入射する光の波長以下とするのが好ましい。厚さｄ１は、１０ｎｍより薄いと光が金属を貫通する不都合があり、１００ｎｍを超えると光の反射率が増大するという不都合がある。長さｓ１が２０ｎｍより短いと表面プラズモンの存在領域が小さくなるという不都合があり、また３．０μｍを超えても感度としての寄与は小さくなるという不都合が生じる。
本実施の形態では、金属微細構造体３の上面及び下面を被覆するように、光電変換層と同材質の光透過層５が形成される。本例では、光透過層５が半導体基板２の一部として構成される。特定波長の光に対して表面プラズモンを生じさせるには、筒状の金属微細構造体３の直径もしくは上面から見た外側の長さを調整することで可能になる。
本実施の形態では、後述する信号の読み出し方式に応じて、例えば図６に示すように、半導体基板２に、第１導電型（ｐ型あるいはｎ型）の半導体領域と第２導電型（ｎ型またはｐ型）の半導体領域を形成してｐｎ接合ｊを有する構成することもできる。ｐｎ接合ｊは筒状の金属微細構造体３の長さ方向の中間を横切るように形成される。
［半導体装置の製造方法例］
図２に、第１実施の形態に係る半導体装置１の製造方法の一例を示す。先ず、図２Ａに示すように、例えば光電変換層となるシリコン単結晶による半導体基板２を用意する。この半導体基板２の表面から、所要の径、所要の深さを有する凹孔１１を形成する。
図２に、第１実施の形態に係る半導体装置１の製造方法の一例を示す。先ず、図２Ａに示すように、例えば光電変換層となるシリコン単結晶による半導体基板２を用意する。この半導体基板２の表面から、所要の径、所要の深さを有する凹孔１１を形成する。
次に、図２Ｂに示すように、凹孔１１内に例えばシリコン酸化膜による誘電体膜４を埋め込む。次いで、図３Ｃに示すように、誘電体膜４を凹孔１１の側壁に所要の膜厚で残るように、選択的にエッチング除去する。
次に、図２Ｄに示すように、エッチング除去された凹孔１２内に金属微細構造体を形成すべき金属層、例えばアルミニウム（Ａｌ）層３Ａを埋め込む。次いで、図３Ｅに示すように、アルミニウム層３Ａを選択的にエッチング除去して、筒状の金属微細構造体３を形成する。
次に、図２Ｆに示すように、アルミニウム層３Ａの中央部を除去して形成された凹孔１３内に例えばシリコン酸化膜による誘電体膜４を埋め込む。次いで、図３Ｇに示すように、誘電体膜４を、金属微細構造体３の内面に接して所要の膜厚で残るように、選択的にエッチング除去する。
次に、図２Ｈに示すように、誘電体膜４の中央部を除去して形成された凹孔１４内に、凹孔１４内が埋め込まれるように、シリコン単結晶による半導体層１５を形成する。この半導体層１５は、半導体基板２と導電型を含み全く同等の半導体層であり、半導体基板２の一部として構成される。
次に、図２Ｉに示すように、金属微細構造体３、誘電体膜４及び半導体層１５上を含む半導体基板２上に、シリコン単結晶による半導体層１６を形成する。この半導体層１６は、半導体基板２と導電型を含み全く同等の半導体層であり、半導体基板２の一部として構成される。半導体層１６は、図１で示した光透過層５に相当する。
次に、図２Ｊに示すように、半導体基板２の裏面を光透過層５となる厚みを残して鎖線位置１７（図２Ｉ参照）まで例えばＣＭＰ（化学機械研磨）法などを用いて除去し、基板の薄膜化を行う。ＣＭＰ法による除去工程では、半導体基板２の上面に支持基板を貼り付けて行うことができる。このようにして、目的の半導体装置１を得る。
なお、後述する信号の読み出し方式に応じて、電極を形成するときは、図２Ｊの工程の後に、半導体基板２の上下面に透明電極を含む対の電極を形成する。また、ｐｎ接合を形成するときは、半導体基板２を第１導電型（ｐ型あるいはｎ型）基板とし、図２Ｊの工程の後に、第２導電型（ｎ型またはｐ型）の不純物をイオン注入してｐｎ接合を形成する。
第１実施の形態に係る半導体装置１は、図４に示すように、半導体基板２内に金属微細構造体３を周期的に複数配置して構成することができる。本例では金属微細構造体３を、上面から見て縦３個、横３個の計９個が周期的に配列して構成される。
［半導体装置の動作説明］
次に、第１実施の形態に係る半導体装置１の動作を説明する。図３に示すように、光電変換層である半導体基板２を通して金属微細構造体３に光Ｌが入射されると、特定波長の光に対してプラズモン共鳴が生じ、表面プラズモンが励起される。そして、この表面プラズモンにより増強された強い光が、筒状の金属微細構造体３の内側の中央領域、及び外側の中央領域にダイレクトに励起される。この強い光の励起領域６、７は、光電変換層の広い領域に形成される。すなわち、表面プラズモンの増強電場がダイレクトにかつ広い領域で励起される。筒状の金属微細構造体３によって生じる表面プラズモンは、ピークの大きさでは局所プラズモンに劣るものの、筒状の内外に大きな電磁場が集中、蓄積される。そして、筒状の金属微細構造体３の内部及び外部の体積として大きな半導体領域で光電変換が起こる。光電変換により発生した電荷を信号として用いる。
次に、第１実施の形態に係る半導体装置１の動作を説明する。図３に示すように、光電変換層である半導体基板２を通して金属微細構造体３に光Ｌが入射されると、特定波長の光に対してプラズモン共鳴が生じ、表面プラズモンが励起される。そして、この表面プラズモンにより増強された強い光が、筒状の金属微細構造体３の内側の中央領域、及び外側の中央領域にダイレクトに励起される。この強い光の励起領域６、７は、光電変換層の広い領域に形成される。すなわち、表面プラズモンの増強電場がダイレクトにかつ広い領域で励起される。筒状の金属微細構造体３によって生じる表面プラズモンは、ピークの大きさでは局所プラズモンに劣るものの、筒状の内外に大きな電磁場が集中、蓄積される。そして、筒状の金属微細構造体３の内部及び外部の体積として大きな半導体領域で光電変換が起こる。光電変換により発生した電荷を信号として用いる。
金属微細構造体３を低誘電率の誘電体膜４で被覆して、例えば高屈折率のシリコンによる光電変換層となる半導体基板２内に埋め込むときは、表面プラズモンを励起する場合、効率よく強電場を励起することができる。つまり、効率よく光強度の高い強い光を励起することができる。
信号の読み出し方式としては、例えば、図５に示す方式を採ることができる。図５では、光電変換層となる半導体基板２の上下面に電極２１、２２を形成し、外部から電極２１及び２２間に電位差を与えて半導体基板２内に電界を形成し、光エネルギーにより価電子帯から伝導電子帯に励起された電子を信号として読み出す。電極２１，２２としては、少なくとも光入射面側を透明電極とする。また信号の読み出し方式としては、図６で示す方式を採ることができる。図６は、光電変換層となる半導体基板にｎ型半導体層２３及びｐ型半導体層２４を形成して、ｐｎ接合ｊを形成する。そして、光電変換によって生じた電荷を蓄積して信号として読み出す。金属微細構造体３の形状によって、半導体層２３、２４の不純物濃度や領域を設計する。
図７、図８に、第１実施の形態に係る半導体装置１の変形例を示す。図７に示す半導体装置２６は、筒状の金属微細構造体３の上端面及び下端面をも、内側面及び外側面の誘電体膜４と同材質の誘電体膜４で被覆する。すなわち、金属微細構造体３の全面が誘電体膜４で被覆される。その他の構成は、図１で説明したと同じであるので、図１と対応する部分に同一符号を付して重複説明を省略する。金属微細構造体３の上端面が誘電体膜４で被覆されるときは、さらに強い電場を励起することができるので好ましい。
図８に示す半導体装置２７は、図１の構成において、光透過層５を省略して金属微細構造体を半導体基板２の表面、裏面に露出して構成される。その他の構成は、図１で説明したと同じであるので、図１と対応する部分に同一符号を付して重複説明を省略する。半導体装置２７では、光透過層５が無い分、さらに強い電場を励起することができる。それゆえより多くの電子が励起されうる。
上述の第１実施の形態に係る半導体装置１によれば、表面プラズモンを励起させる金属微細構造体３が筒状に形成されて光電変換層となる半導体基板２に埋め込まれる。筒状の金属微細構造体３であるので、光の進行方向と垂直に交わる金属微細構造体３の水平断面積が小さくなり、金属微細構造体３における反射率特性が小さくなる。すなわち、金属微細構造体３における光反射が低減し、光電変換層への光のフラックスの減少を最小限に抑えることができる。それにより、感度に寄与する電荷の発生が妨げられることがなく、光のエネルギーを効率よく信号に変換することができる。
従来技術のナノ粒子によって生じる局所プラズモンの存在領域は非常に小さかった。これに対して、本実施の形態の筒状の金属微細構造体３によって生じる伝播プラズモンは、ピークの大きさでは局所的には劣るももの、筒状の内外に大きな電磁場を集中、蓄積させることができる。すなわち、筒状の内外に強い光を集中、蓄積させることができる。これによって、筒状内部及び筒状外部周辺の堆積として大きな領域で光電変換を起させることができる。その結果、光電変換層の深いところでの光電変換されていた光を筒状周辺まで持ち上げることが可能となり、光電変換層つまりセンサーの薄膜化を実現することができる。
また、本実施の形態では、例えば、赤、緑、青などの波長の異なる光を増強する場合、最も簡単には筒状の金属微細構造体３の直径もしくは上面から見た外側の長さを調整することで対応することができる。筒状の微細構造体３は無機のメタル系材質であるため、高い耐久性も併せ持つ。さらに、金属微細構造体３の材料特性による光のコントロールではなく、金属微細構造対３の構造による光のコントロールであるため、所望の特性を自在に設計することが可能となる。
さらに、本実施の形態では、表面プラズモンの増強電場が、例えば、センサー内部の信号として検知可能な領域にダイレクトかつ大領域で励起させることができる。従って、「再放射」や「検知時間の遅延」などといった従来のイメージセンサの分野であまり馴染みのない物理メカニズムに頼ることなく、これまで通りの検知の仕方で信号に変換することが可能となる。
これらの効果を確認するために、波長６００ｎｍの光に対して図１の半導体装置１を用いてシミュレーションを実施した。その結果、筒状の金属微細構造体３の内外の中心部分における信号として検知可能なシリコン領域に、ダイレクトに増強電場は発生していることが確認できた。電場強度のピークを比較すると、バルクシリコンの場合を１とすると金属微細構造体３を用いた場合では１３を超えることが判明した。電場強度のピーク値に関しては、明らかに金属微細構造体３を用いたものの方が、大きな電場強度を励起することが確認できた。感度は光電変換層内の積分値で評価できる。積分感度を比較すると、厚み２５０ｎｍのシリコン半導体基板２に筒状の金属微細構造体３を埋め込んだ構成では、厚み７００ｎｍのバルクシリコン相当の感度があることを確認した。ここでは、赤の波長域の光での結果であるが、緑、青の波長域の光に対しても、同等の感度が得られる。
波長ごとの光吸収ピークのコントロールをメタル材質の選択、形やサイズでコントロールする場合には、製造精度が重要になる。従来の金属ナノ粒子では数１０ｎｍでそのばらつきを制御する必要がある。これに対して、本実施の形態の筒状の金属微細構造体３では、その直径もしくは上面から見た外側の長さ、及び深さ方向の長さが数百ｎｍあるため、製造ばらつきの要求精度も比較的に緩くすることができる。
図９及び図１０に、筒状の金属微細構造体３の種々の形状例を示す。図９は、筒状の金属微細構造体３を上面から見たリングパターンを示す。
図９Ａの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、連続した円形を有する円筒状に形成される。
図９Ｂの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、円形に一部に切除部２９が形成されて全体として不連続な円形を有する円筒状に形成される。
図９Ｃの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、等角間隔に切除部２９が設けられて、円形が４分割され全体として不連続な円形を有する円筒状に形成される。
図９Ｄの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、平面形状が四角形状をなす角筒状に形成される。
図９Ｅの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、欠如部２９によって四角形状が２等分割され全体として不連続な四角形状を有する角筒状に形成される。
図９Ｆの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、筒状の中心孔が円形であり、外側の誘電体膜４が横長楕円形状、金属微細構造体３及び内側の誘電体４が縦長楕円形状をなす連続した楕円筒状に形成される。
図９Ｇの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、複数、本例では２つの金属微細構造体３Ａ、３Ｂが所要間隔を置いて、同軸心上に配置して構成される。
図９Ａの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、連続した円形を有する円筒状に形成される。
図９Ｂの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、円形に一部に切除部２９が形成されて全体として不連続な円形を有する円筒状に形成される。
図９Ｃの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、等角間隔に切除部２９が設けられて、円形が４分割され全体として不連続な円形を有する円筒状に形成される。
図９Ｄの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、平面形状が四角形状をなす角筒状に形成される。
図９Ｅの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、欠如部２９によって四角形状が２等分割され全体として不連続な四角形状を有する角筒状に形成される。
図９Ｆの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、筒状の中心孔が円形であり、外側の誘電体膜４が横長楕円形状、金属微細構造体３及び内側の誘電体４が縦長楕円形状をなす連続した楕円筒状に形成される。
図９Ｇの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、複数、本例では２つの金属微細構造体３Ａ、３Ｂが所要間隔を置いて、同軸心上に配置して構成される。
図１０は、筒状の金属微細構造体３を垂直方向に断面したときの長さ方向の筒状パターンを示す。
図１０Ａの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、長さ方向に同じ径を有して連続して形成された筒状に形成される。
図１０Ｂの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、欠如部３０により長さ方向に２分されて不連続とされた筒状に形成される。
図１０Ｃの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、欠如部３０により長さ方向に多数分割、本例では５分割されて不連続とされた筒状に形成される。
図１０Ｄの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、金属微細構造体３が長さ方向を２分してそれぞれの厚みｔ１、ｔ２を異ならして筒状に形成される。例えば、光入射側と反対側の半分の厚みｔ２を光入射側の半分の厚みｔ１より厚くなるように同じ金属で金属微細構造体３が形成される。
図１０Ｅの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、金属微細構造体３が長さ方向を２分してそれぞれ異なる金属で形成される。例えば一方がアルミニウム（Ａｌ）３ａで形成され、他方が銀（Ａｇ）３ｂで形成される。
図１０Ｆの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、長さ方向に連続する筒状であって、上面の光透過層５が省略され、金属微細構造体上面が露出して形成される。
図１０Ｇの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、筒状の金属微細構造体３が埋め込まれた半導体基板２上に、誘電体膜、例えばシリコン酸化（ＳｉＯ２）膜３１を介して複数の金属ナノ粒子３２を配列して形成される。
図１０Ａの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、長さ方向に同じ径を有して連続して形成された筒状に形成される。
図１０Ｂの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、欠如部３０により長さ方向に２分されて不連続とされた筒状に形成される。
図１０Ｃの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、欠如部３０により長さ方向に多数分割、本例では５分割されて不連続とされた筒状に形成される。
図１０Ｄの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、金属微細構造体３が長さ方向を２分してそれぞれの厚みｔ１、ｔ２を異ならして筒状に形成される。例えば、光入射側と反対側の半分の厚みｔ２を光入射側の半分の厚みｔ１より厚くなるように同じ金属で金属微細構造体３が形成される。
図１０Ｅの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、金属微細構造体３が長さ方向を２分してそれぞれ異なる金属で形成される。例えば一方がアルミニウム（Ａｌ）３ａで形成され、他方が銀（Ａｇ）３ｂで形成される。
図１０Ｆの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、長さ方向に連続する筒状であって、上面の光透過層５が省略され、金属微細構造体上面が露出して形成される。
図１０Ｇの誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３は、筒状の金属微細構造体３が埋め込まれた半導体基板２上に、誘電体膜、例えばシリコン酸化（ＳｉＯ２）膜３１を介して複数の金属ナノ粒子３２を配列して形成される。
本実施の形態においては、図９Ａ〜図９Ｇの平面パターンと、図１０Ａ〜図１０Ｇの垂直断面パターンを組み合わせて、誘電体膜４で被覆された金属微細構造体３を構成することができる。
上述した第１実施の形態に係る半導体装置１は、例えばエリアイメージセンサ、リニアイメージセンサ等の固体撮像装置、太陽電池、バイオ系センサなどに適用することができる。
＜２．第２実施の形態＞
［半導体装置を固体撮像装置に適用した要部の概略構成例］
図１１Ａ、Ｂに、本発明に係る半導体装置を固体撮像装置に適用した第２実施の形態を示す。図１１Ａ、Ｂは、固体撮像装置の要部である光電変換部（受光センサー部）示す。本実施の形態における固体撮像装置は、ＣＭＯＳ固体撮像装置、ＣＣＤ固体撮像装置、ラインセンサなどに適用できる。
［半導体装置を固体撮像装置に適用した要部の概略構成例］
図１１Ａ、Ｂに、本発明に係る半導体装置を固体撮像装置に適用した第２実施の形態を示す。図１１Ａ、Ｂは、固体撮像装置の要部である光電変換部（受光センサー部）示す。本実施の形態における固体撮像装置は、ＣＭＯＳ固体撮像装置、ＣＣＤ固体撮像装置、ラインセンサなどに適用できる。
第２実施の形態に係る固体撮像装置３５は、複数の画素３６［３６Ｒ、３６Ｇ、３６Ｂ］が配列された撮像領域３７を有して成る。複数の画素３６の光電変換部３８は、前述と同様に光電変換層となる例えばシリコンなどによる半導体基板２内に複数の筒状の金属微細構造体３を埋め込んで形成される。半導体基板２（以下、光電変換層という）は、電荷の読み出し方式により、図６で示したｐｎ接合ｊを有する構成、あるいは図５で示したｐｎ接合を有しない構成とすることができる。本例では、ｐｎ接合ｊを有する構成とする。すなわち、光電変換部３８は、信号電荷を電子とするとき、電荷蓄積領域となるｎ型半導体領域４１とｐ型半導体領域４２が形成され、ｐｎ接合ｊを有するフォトダイオードとして形成される。ｐｎ接合ｊは筒状の金属微細構造体３の長さ方向の中間を横切るように形成される。つまり、ｐｎ接合ｊは、金属微細構造体３の長さを２分する位置を横切るように形成される。筒状の金属微細構造体３の内側面及び外側面は、誘電体膜４で被覆される。金属微細構造体３及び誘電体膜４の構成は、前述と同様であるので、重複説明を省略する。複数の画素３６は、例えば赤画素３６Ｒ、緑画素３６Ｇ及び青画素３６Ｂで形成される。赤、緑、青の画素３６Ｒ、３６Ｇ及び３６Ｂは、ベイヤー配列、ハニカム配列、その他の配列とすることができる。画素３６間には、隣接画素からの光を遮蔽する遮蔽部３９を設けることが好ましい。画素３６の間には、隣接画素からの光を遮光する遮光部３９が設けられる。
筒状の金属微細構造体３の周期サイズは画素サイズ以下であると想定される。その為、画素３６内には、周期構造を維持するように極力高密度になるように筒状の金属微細構造体３を埋め込むことが望ましい。例えば、筒状の金属微細構造体３の周期サイズが１画素の１／３程度のサイズである場合には、画素３６Rに示すような横３×縦３の配置になる。この金属微細構造体３の配置及び筒状の直径（外側の長さ）サイズなどは、増強させたい光の波長に依存するため、フォトダイオードの上に配置されるカラーフィルタと対応することになる。傾向としては、青などの短波長の光を増強させたいときには、筒状の金属微細構造体３の直径（外側の長さ）が小さくなり、金属微細構造体３の周期も密に配置される。逆に、赤などの長波長の光を増強させたいときには、筒状の金属微細構造体３の直径ｒ２は大きくなり、金属微細構造体３の周期が疎に配置される。
従って、本実施の形態では、各画素３６の光電変換部３８における金属微細構造体３（誘電体膜４を含む）の直径ｒ２又は外側の長さｔ２を、赤画素３６Ｒ、緑画素３６Ｇ及び青画素３６Ｂの順に小さく設定される。本例では直径ｒ２で比較する。すなわち、赤画素３６Ｒの金属微細構造体３の直径をｒ２１、緑画素３６Ｇの金属微細構造体３の直径をｒ２２、青画素３６Ｂの金属微細構造体３の直径をｒ２３とするとき、ｒ２１＞ｒ２２＞ｒ２３に設定する。因みに、青画素３６Ｂの金属微細構造体３の直径ｒ２３は、１５０ｎｍ程度とすることができる。そして、赤画素３６Ｒ、緑画素３６Ｇ、青画素３６Ｂに対向してカラーフィルタ（図示せず）が配置される。
ＣＣＤ固体撮像装置は、撮像領域内に、規則的に２次元配列された画素となる複数の光電変換部（フォトダイオード）と、各光電変換部列に対応したＣＣＤ構造の垂直転送レジスタと、ＣＣＤ構造の水平転送レジスタと、出力部とを有して成る。
本実施の形態では、ＣＣＤ固体撮像装置に適用したとき、各画素のフォトダイオードを、上述の金属微細構造体３（誘電体膜４を含む）を埋め込んだフォトダイオードに置き換えて構成される。撮像領域の上方にはカラーフィルタ及びオンチップレンズが配置される。
ＣＭＯＳ固体撮像装置は、撮像領域内に、複数の画素が規則的に２次元的に配列された撮像領域と、周辺回路部とを有して構成される。画素は、１つの光電変換部となるフォトダイオードと複数の画素トランジスタからなる単位画素を適用することができる。また、画素は、複数の光電変換部が転送トランジスタを除く他の画素トランジスタを共有したいわゆる画素共有の構造を適用することができる。複数の画素トランジスタは、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタの３トランジスタ、あるいは選択トランジスタを追加した４トランジスタで構成することができる。
本実施の形態では、ＣＭＯＳ固体撮像装置に適用したとき、画素のフォトダイオードを、上述の金属微細構造体３（誘電体膜４を含む）を埋め込んだフォトダイオードに置き換えて構成される。撮像領域の上方にはカラーフィルタ及びオンチップレンズが配置される。
本実施の形態では、上述したようにプラズモン効果で増強された光がフォトダイオード（センサー）にダイレクトに励起されるため、通常の読み出しが可能である。それゆえ電荷の読み出しに関しては、図６、図５と同様に、ｐｎ接合や、電極または透明電極を利用する。
本実施の形態では、画素をライン状に１次元配列したいわゆるラインセンサに適用するとき、画素のフォトダイオードを、上述の金属微細構造体３（誘電体膜４を含む）を埋め込んだフォトダイオードに置き換えて構成される。カラー用であれば、撮像領域の上方にカラーフィルタ及びオンチップレンズが配置される。
第２実施の形態に係る固体撮像装置によれば、第１実施の形態で説明したと同様の作用効果を有する。すなわち、画素のフォトダイオード中に表面プラズモンを励起させる筒状の金属微細構造体３が埋め込まれるので、入射光の進行方向に対する金属微細構造体３の水平断面積が小さくなり、金属微細構造体３における光反射が低減する。これにより、フォトダイオードへの入射光のフラックスの減少が抑制され、光エネルギーが効率よく信号電荷に変換させることができる。筒状の金属微細構造体３による伝搬プラズモンの増強電場がフォトダイオード内にダイレクトかつ大きな領域で励起される。従って、フォトダイオードつまりセンサーの感度を向上し、かつ薄膜化を実現することができる。フォトダイオードを薄くすることにより、入射した光が隣接する画素に入り難く、混色を防ぐことができる。
本実施の形態の固体撮像装置では、赤、緑、青の波長の異なる光を増強するには、金属微細構造体３の筒状の直径を調整することにより、簡単の対応することができる。金属微細構造体３の構造による光のコントロールであるため、所望の特性を自在に設計することができる。筒状の金属微細構造体３では、直径、長さが数百ｎｍであるため、公知技術の金属ナノ粒子に比べて製造ばらつきの要求精度が比較的緩くなり、製造を容易にする。
＜３．第３実施の形態＞
［半導体装置を太陽電池として構成した概略構成例］
図１２Ａ、Ｂに、本発明の半導体装置を太陽電池に適用した第３実施の形態を示す。第３実施の形態に係る太陽電池４５は、前述と同様に光電変換層となる半導体基板２内にｐｎ接合ｊを形成するｎ型半導体領域４６とｐ型半導体領域４７を形成し、半導体基板２内に複数の筒状の金属微細構造体３（誘電体膜４を含む）を埋め込んで構成される。さらに、半導体基板２の太陽光Ｌが入射する表面側に透明電極４８が形成され、裏面側に透明電極４８と対をなす電極４９が形成される。透明電極４８上には反射防止膜５０が形成される。ｐｎ接合ｊは、筒状の金属微細構造体３の長さ方向の中間を横切るように形成される。
［半導体装置を太陽電池として構成した概略構成例］
図１２Ａ、Ｂに、本発明の半導体装置を太陽電池に適用した第３実施の形態を示す。第３実施の形態に係る太陽電池４５は、前述と同様に光電変換層となる半導体基板２内にｐｎ接合ｊを形成するｎ型半導体領域４６とｐ型半導体領域４７を形成し、半導体基板２内に複数の筒状の金属微細構造体３（誘電体膜４を含む）を埋め込んで構成される。さらに、半導体基板２の太陽光Ｌが入射する表面側に透明電極４８が形成され、裏面側に透明電極４８と対をなす電極４９が形成される。透明電極４８上には反射防止膜５０が形成される。ｐｎ接合ｊは、筒状の金属微細構造体３の長さ方向の中間を横切るように形成される。
第３実施の形態に係る太陽電池４５では、光電変換層となる半導体基板２の表面側より太陽光Ｌが入射される。上層に反射防止膜５０があるために、太陽光Ｌを効率よく太陽電池４５内に取り込むことができる。入射された太陽光Ｌは、前述の筒状の金属微細構造体３によるプラズモン増強効果で、光のエネルギーが蓄積され、ｐｎ接合部で光エネルギーが効率よく電子を発生させる。この電子が上下の対をなす電極４８、４９により電流として取り出される。
第３実施の形態に係る太陽電池４５によれば、筒状の金属微細構造体３により入射した太陽光Ｌが増強され、効率よく電子を発生させることができるので、太陽電池の感度特性を向上することができる。また、太陽電池のより薄膜化を可能にする。
＜４．第４実施の形態＞
［電子機器の構成例］
上述の本発明に係る固体撮像装置は、例えばデジタルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、撮像機能を有する携帯電話、あるいは撮像機能を備えた他の機器、などの電子機器に適用することができる。
［電子機器の構成例］
上述の本発明に係る固体撮像装置は、例えばデジタルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、撮像機能を有する携帯電話、あるいは撮像機能を備えた他の機器、などの電子機器に適用することができる。
図１３に、本発明に係る電子機器の一例としてカメラに適用した第４実施の形態を示す。本実施の形態に係るカメラは、静止画像又は動画撮影可能なビデオカメラを例としたものである。本実施も形態のカメラ６１は、固体撮像装置６２と、固体撮像装置６２の受光センサ部に入射光を導く光学系６３と、シャッタ装置６４を有する。さらに、カメラ６１は、固体撮像装置６２を駆動する駆動回路６５と、固体撮像装置６２の出力信号を処理する信号処理回路６６とを有する。
固体撮像装置６２は、上述した第２実施の形態の固体撮像装置のいずれかが適用される。光学系（光学レンズ）６３は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置６２の撮像面上に結像させる。これにより、固体撮像装置６２内に、一定期間信号電荷が蓄積される。光学系６３は、複数の光学レンズから構成された光学レンズ系としてもよい。シャッタ装置６４は、固体撮像装置６２への光照射期間及び遮光期間を制御する。駆動回路６５は、固体撮像装置６２の転送動作及びシャッタ装置６４のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。駆動回路６５から供給される駆動信号（タイミング信号）により、固体撮像装置６２の信号転送を行う。信号処理回路６６は、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、或いは、モニタに出力される。
第４実施の形態に係るカメラなどの電子機器によれば、受光センサ部に伝播型のプラズモン現象を利用した固体撮像装置を備えるので、より薄型化、高感度化が図られた電子機器を提供することができる。
１・・半導体装置、２・・半導体基板、３・・金属微細構造体、４・・誘電体膜、５・・光透過層、ｊ・・ｐｎ接合、３５・・固体撮像装置、３６［３６Ｒ，３６Ｇ，３６Ｂ］・・画素、３７・・撮像領域、３８・・光電変換部、４５・・太陽電池、６１・・カメラ
Claims (11)
- 光電変換層と、
前記光電変換層内に埋め込まれた連続あるいは不連続の筒状の金属微細構造体と、
前記金属微細構造体の内側面及び外側面を被覆する誘電体膜と
を有する半導体装置。 - 前記金属微細構造体が、光とのカップリングにより誘電率が負である金属材料で形成され、
前記誘電体膜は屈折率の実部が３，０以下の誘電体材料で形成される
請求項１記載の半導体装置。 - 前記金属微細構造体の上面及び下面に前記光電変換層と同材質の光透過層が形成される
請求項１又は２記載の半導体装置。 - 前記金属微細構造体の内径もしくは上面から見た内側の長さが１００ｎｍ〜１．０μｍであり、
前記金属微細構造体の厚さが１０ｎｍ〜１００ｎｍであり、
前記金属微細構造体のトータルの長さが２０ｎｍ〜３．０μｍである
請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置。 - 前記金属微細構造体の上端面及び下端面を被覆する前記誘電体膜と同質の誘電体膜を有する
請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置。 - 前記光電変換層に、前記金属微細構造体の長さ方向の中間を横切るようなｐｎ接合を有する
請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体装置。 - 複数の画素が配列された撮像領域と、
前記複数の画素のそれぞれの前記光電変換層に埋め込まれた複数の前記金属微細構造体と
を有し、
固体撮像装置として構成される
請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体装置。 - 前記複数の画素が、赤画素、緑画素及び青画素で形成され、
前記緑画素における前記金属微細構造体の直径が前記赤画素における前記金属微細構造体の直径より小さく、
前記青画素における前記金属微細構造体の直径が前記緑画素における前記金属微細構造体の直径より小さく設定される
請求項７記載の半導体装置。 - 前記撮像領域上にカラーフィルタを有する
請求項８記載の半導体装置。 - ｐｎ接合を有する前記光電変換層と、
前記光電変換層内に前記ｐｎ接合を貫通して埋め込まれた前記金属微細構造体とを有し、
太陽電池として構成される
請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体装置。 - 光学レンズと、
固体撮像装置として構成された請求項７乃至９のいずれかに記載の半導体装置と、
前記半導体装置の出力信号を処理する信号処理回路と
を備えた電子機器。
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