JP2011171519A - ショットキー型光検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】
半導体を用いた光検出器においては、光信号を半導体の吸収によって電子と正孔を発生させ、光電流に変換していたが、これらの光検出器に使用される半導体は、すべての光を吸収することはできず、半導体が十分に吸収できないエネルギーの小さい（波長の長い）光信号について検出することは困難であった。
【解決手段】
半導体と金属からなるショットキー型光検出器において、光検出部の金属を薄膜で構成し、該金属薄膜の表面に複数の金属ナノロッドを付着してなることを特徴とするショットキー型光検出器を要旨とし、光検出部の金属を薄膜化することにより、金属ナノロッドで誘起された表面プラズモン共鳴の振動が金属と半導体の界面まで届き、ショットキー障壁を越えて半導体側へ流れ込む電子数が増加することとなる。

【選択図】 図１

Description

本発明は、ショットキー型の光検出器に関し、光通信システムまたは光電子集積回路等に用いられている受光検出のための装置に関するものである。

光の検出器にはカロリーメータや、超伝導を用いた超長波長の検出器があるが、光通信システムにおいて使用される検出器は、ｐｉｎフォトダイオードまたはアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を代表とする半導体のｐｎ接合を利用したものが周知である（特許文献１および２参照）。

ｐｉｎフォトダイオードは、その概略を図５に示しているように、ｎ側電極１の内側に透明な誘電体膜または半導体層で形成された受光窓２と、表面層に形成されたｎ型半導体領域３と、真正半導体層（ｉ層）４を挟んで積層されたｐ型半導体領域５と、このｐ型半導体領域５に設けられたｐ側電極６とで構成されたものである。ｎ型半導体領域３とｐ型半導体領域４の接合部（ｐｎ接合部）は表面から１μｍ程度の位置に形成され、当該ｐｎ接合部にはｉ層が挿入されているのである。

ｉ層を挿入しないｐｎ接合では、受光窓２に届いた光は半導体で吸収されて電子−正孔対を発生させ、電子はｎ型半導体領域３に、正孔はｐ型半導体領域５にそれぞれ移動することから、フォトダイオードの外側の電気回路に流れ出し、これが光電流となるのである。この光電流は、フォトダイオードに入射した光信号形状をそのまま電流に変換した形状となり、この光電流を検出することにより、光信号が電気信号に変換される。

ここで、光が吸収されて発生する電子と正孔はｐｎ接合に到達するものだけが光電流になるが、ｐｎ接合に到達できない電子と正孔は光電流に寄与することなく再結合して消滅することとなる。そこで、ｐｎ接合領域を拡張するためにｎ型半導体領域３とｐ型半導体領域５の間に高抵抗なｉ層４を挿入し、ｐｎ接合が形成する電界を拡げて光電流に変換される電子と正孔の数を増加させるのである。

他方、ＡＰＤでは、ｐｎ接合近傍に高電界層を形成して、当該電界で光吸収により発生した電子あるいは正孔を加速してインパクトイオンを引き起こし、電子数をなだれ的に増加させる構造（つまり増幅機能）としたものである。

さらに、ｐｎ接合と同様の効果を有するショットキーダイオードによっても光を検出することができることも周知である（特許文献３参照）。一般的なショットキーダイオードは、図６（ａ）に概略を示すように、ｎ型半導体３と金属による電極７が積層され、受光窓２の周囲にはオーミック電極８が設けられている。ショットキーダイオードでは、図６（ｂ）に示すように、ｎ型半導体３と金属による電極７の境界ではショットキー障壁が形成され、半導体３に吸収された光により発生する電子と正孔は、それぞれがショットキー障壁で分けられて外部回路に流れ出し、これが光電流となるのである。

特開平３−２９６２７９号公報 特開平９−２２３８１６号公報 特開平８−１１６０８４号公報

Ｍｅａｄ Ｃ．Ａ．ａｎｄ Ｗ．Ｇ．Ｓｐｉｔｚｅｒ，"Ｐｈｏｔｏｅｍｉｓｓｉｏｎ ｆｒｏｍ Ａｕ ａｎｄ Ｃｕ ｉｎｔｏ ＣｄＳ，" Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．４，７４−７５，１９６３

上記のように、半導体を用いた光検出器においては、光信号を半導体での吸収（半導体の価電子帯と伝導体間の電子遷移）によって電子と正孔を発生させ、光電流とすることにより光信号を電気信号に変換していた。しかしながら、これらの光検出器に使用される半導体は、すべての光を吸収することはできず、半導体が十分に吸収できないエネルギーの小さい（波長の長い）光信号について検出することは困難であった。
本発明は、上記諸点にかんがみてなされたものであって、その目的とするところは、波長の長い光信号を検出することができる光検出器を提供することである。

そこで、請求項１に記載の発明は、半導体と金属からなるショットキー型光検出器において、光検出部の金属を薄膜で構成し、該金属薄膜の表面に複数の金属ナノロッドを付着してなることを特徴とするショットキー型光検出器を要旨としている。
上記のような構成によれば、金属表面に付着した金属ナノロッドに光が照射されると、表面プラズモン共鳴により金属ナノロッド中に自由電子の集団振動が誘起され、入射光のエネルギーを効率よく電子の集団振動に変換できる。そして、光検出部の金属を薄膜化することにより、金属ナノロッドで誘起された表面プラズモン共鳴の振動が金属と半導体の界面まで届き、ショットキー障壁を越えて半導体側へ流れ込む電子数が増加することとなる。

請求項２に記載の発明は、前記金属ナノロッドは、軸線を略平行に形成してなる複数の金属ナノロッドであることを特徴とする請求項１に記載のショットキー型光検出器を要旨とする。このような構成によれば、複数の金属ナノロッドによるアンテナ効果により、入射光のエネルギーを一層効率よく電子の集団振動に変換することができる。

請求項３に記載の発明は、前記金属薄膜は金薄膜であり、前記金属ナノロッドは金ナノロッドであることを特徴とする請求項１または２に記載のショットキー型光検出器を要旨とする。このような構成によれば、電子の集団振動およびショットキー障壁を越える電子数を増大させることができる。

また、請求項４に記載の発明は、半導体と金属からなるショットキー型光検出器において、光検出部の金属を薄膜で構成し、該金属薄膜の表面に金属によるドット構造を設けてなることを特徴とするショットキー型光検出器を要旨としている。
上記構成によれば、請求項１に記載された発明と同様に、金属薄膜表面のドット構造において自由電子の集団振動が誘起され、入射光のエネルギーを電子の集団振動に変換することができる。

請求項５に記載の発明は、前記金属薄膜は金薄膜であり、前記ドット構造は金によるドット構造であることを特徴とするショットキー型光検出器を要旨とする。この構成によれば、請求項３の発明と同様に、電子の集団振動およびショットキー障壁を越える電子数を増大させることができる。

請求項６に記載の発明は、前記金属薄膜または金薄膜は、１００ｎｍ以下（ただし０ｎｍは含まず）の肉厚で構成されたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のショットキー型光検出器を要旨とする。このような構成であれば、ナノロッドまたはドット構造において誘起された表面プラズモン共鳴の振動が金属薄膜または金薄膜と半導体の界面まで容易に届くこととなり、ショットキー障壁を越えて半導体側へ流れ込む電子数が激増することとなる。

請求項１および請求項４に記載の発明によれば、光が照射された金属薄膜の自由電子は、ショットキー障壁を越えて多数が半導体側へ流れ込むことから、半導体の禁制帯のエネルギー幅よりも小さなエネルギーの光であっても、ショットキー障壁と金属のフェミル準位のエネルギー差よりも大きなエネルギーの光であれば、これを効率よく検出することができる。従って、波長の長い光をも効率よく検出することができるのである。

請求項２に記載の発明のように、ナノロッドの軸線を略平行に構成すれば、一層多くの電子が半導体側へ流れ込むこととなり、波長の長い光の検出を一層効率よくすることができる。

また、請求項３または５に記載の発明のように、金属薄膜を金薄膜とし、ナノロッドおよびドット構造を金で構成すれば、さらに多くの電子が半導体側へ流れ込むこととなり、一層の光検出効率を向上させることができる。

請求項６に記載の発明のように、金属薄膜または金薄膜の膜厚を１００ｎｍ以下（ただし０ｎｍは含まず）とすることにより、ナノロッドまたはドット構造において誘起された表面プラズモン共鳴の振動が金属薄膜または金薄膜と半導体の界面まで容易に届くこととなり、さらに効率よく光を検出することができる。

さらに、従来は、光通信に利用される１３００ｎｍや１５５０ｎｍの波長の光をシリコン半導体が十分に吸収することができず、集積回路に用いられるシリコンデバイスによって当該波長の光を検出することが困難であったが、本発明の構成によれば、当該波長の光を検出することのできるシリコンデバイスを作製することが可能となる。

本発明の実施形態を示す断面図である。 （ａ）は金属ナノロッドを付着する前の状態を示す断面図であり、（ｂ）はバンド図である。 実験用に構築した光検出器の概略図である。 実験結果を示すグラフである。 一般的なｐｉｎフォトダイオードの概略図およびバンド図である。 一般的なショットキーダイオードの概略図およびバンド図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、図１に示すように、ｎ型半導体３と金属薄膜７によってショットキーダイオードが形成され、これに電極を接続することでショットキー型光検出器が構成され得るものである。本実施形態では、金属薄膜７の表面に複数の金属ナノロッド９（図１には層状に描いている）を付着した構成としており、また、金属薄膜はナノサイズの膜厚で構成されている。金属薄膜７は金属電極としても機能するものであり、半導体３にはオーミック電極８が接続されている。そして、このオーミック電極８の中央には受光窓２が形成されている。

金属薄膜７としては、金薄膜とすることが望ましく、膜厚は１００ｎｍ以下とすることが望ましい。また、ナノロッド９は、金で構成したナノロッドが望ましく、直径１０ｎｍ程度で長さを５０〜１００ｎｍ程度とすることが望ましい。金ナノロッドは、アセトンを溶媒とした液体を金属薄膜（金薄膜）の表面にマイクロピペットでポッティングし、当該溶剤の乾燥により当該表面に付着することができる。

このような構成の場合、金属薄膜７には自由電子があり、基底状態ではフェミルエネルギー準位まで電子が詰まっており、外部から金属に光が照射される（エネルギーが付与される）と、自由電子が励起され、ｎ型半導体３との間に形成されたショットキー障壁を電子が越えると、電子が半導体側へ流れ込み、両電極間に接続した外側の回路に光電流が流れることとなる。

そして、この金属薄膜７の表面に金属ナノロッド９を付着させることにより、表面プラズモン共鳴に対応する波長の光が金属薄膜７に入射されると（電波を受けるアンテナのように）、金属ナノロッド９の中に自由電子の集団振動が誘起されるのである。従って、入射光のエネルギーを効率よく電子の集団振動に変換することができるのである。さらに、金属薄膜７の膜厚が１００ｎｍ以下であれば、金属ナノロッド９で誘起された表面プラズモン共鳴の振動が金属薄膜７とｎ型半導体３の界面まで到達し、ショットキー障壁を越えて半導体側へ流れ込む電子数が激増することとなるのである。このように半導体側へ流れ込む電子数の増加により、光電流が激増することから、感度の良い光検出器を構成することができるのである。

ここで、ショットキーダイオードにおける光電流と入射光との関係について説明する。図２は、一般的なショットキーダイオードの概略図（図２（ａ））およびバンド図（図２（ｂ））である。概略図における１０はショットキー障壁を示し、バンド図の２０は金属７のフェミル準位を示している。この図に示すように、金属７には自由電子が詰まっているから、この金属７に光が照射されると、自由電子が励起され、ショットキー障壁１０を超えて半導体側に電子が流れ込むと外部回路に光電流が流れるのである。そこで、この場合の光電力（Ｉｐ）は、入射する光のエネルギー（ｈｖ）と障壁のエネルギー（Φ_Ｂ）の差の平方に比例し、数１の式に示す関係を有する（非特許文献１参照）。

ただし、Ａ：定数
ｈ：プランク定数
ｖ：入射光の振動数

上記式からも明らかなとおり、光電流は半導体の禁制帯幅とは無関係に、光のエネルギーと障壁のエネルギーによって決定する。しかしながら、波長の長い（エネルギーの低い）光の検出については、上記式より得られる光電流のみでは感度が十分でないことから、波長の長い光の検出器としては実用に供されていなかった。そこで、上述の本発明の実施形態のような構成により、光励起による表面プラズモン共鳴を用いることにより、検出感度を向上させることができるのである。また、半導体基板を使用することから、現実の光電子集積回路などに光電流を使用することができる。

上記の実施形態は、本発明を実施するための一例を示すものであり、これに限定されるものではない。特に、金属ナノロッド９は、その直径および長さを特定するものではないが、ナノレベルの大きさで作製したものであればよい。その際、これらを均一化する構成としてもよい。また、軸線を一定の方向に（例えば、金属薄膜７の表面に垂直に）揃えた構成とすることができる。このような軸線を一定方向に揃える場合には、アンテナ効果が向上するため、金属薄膜における表面プラズモン共鳴による自由電子の集団振動が大きく誘起されることとなり、より効果的な感度を得ることができる。

また、金属ナノロッド９に代えて金属製のドット構造を設けることができる。ドット構造はナノレベルの大きさに作製することが容易であり、表面プラズモン共鳴を励起させることも可能である。なお、ドット構造は、スパッタ法により表面に構成させることができるが、その他の手法により金属薄膜７の表面に構成させてもよい。

上記実施形態の光検出器の性能について実験したので、以下に説明する。

〔実験例〕
実験用としては、図３に示すように、ｎ型半導体３の片面に金薄膜７を形成し、その表面の一部に金によるナノロッド９を付着した。半導体側の電極はオーミック電極８を設け、金薄膜７にはボンディングパッド１１を装着した。

金薄膜７は、膜厚を３０ｎｍとし、ｎ型半導体３は禁制帯幅が１．１０ｅＶのものを使用した。このときのショットキー障壁は０．８ｅＶとなる。また、金によるナノロッド９は、直径を１０ｎｍとし、長さは５０〜１００ｎｍの範囲で不均一のものを付着した。付着方法は、アセトンを溶媒とした溶液をマイクロピペットにより薄膜上にポッティングし、この溶媒の乾燥により付着させた。また、ナノロッド９の軸線方向は不均一にしている。

実験方法は、ｎ型半導体３の側から凸レンズによって集光した光をショットキー障壁１０に照射し、ナノロッド９を付着した領域と、付着していない領域に照射した場合の光電流の量を測定した。なお、入射光の波長は１５５０ｎｍ（エネルギー：０．８ｅＶ）とし、集光した光はショットキー障壁において約１ｍｍのスポットとした。

上記における実験結果を図４に示す。この実験結果からも明らかなとおり、ナノロッド９が付着されている領域では、付着されていない領域に比べて約２倍の光電流を検出することができた。上記実験用装置では、ナノロッド９の有無を除き他の条件は同一であることから、ナノロッド９が付着されているか否かを正確に対比できており、金属薄膜７にナノロッド９を付着することにより、光の検出効率を向上させることが判明した。

１ ｎ側電極
２ 受光窓
３ ｎ型半導体領域、ｎ型半導体
４ 真正半導体層
５ ｐ型半導体領域
６ ｐ側電極
７ 電極、金属薄膜
８ オーミック電極
９ ナノロッド
１０ ショットキー障壁
１１ ボンディングパッド
２０ フェミル準位
２１ 価電子帯上端
２２ 伝導帯下端
２３ 励起された電子
２４ 正孔

Claims (6)

1. 半導体と金属からなるショットキー型光検出器において、光検出部の金属を薄膜で構成し、該金属薄膜の表面に複数の金属ナノロッドを付着してなることを特徴とするショットキー型光検出器。
2. 前記金属ナノロッドは、軸線を略平行に形成してなる複数の金属ナノロッドであることを特徴とする請求項１に記載のショットキー型光検出器。
3. 前記金属薄膜は金薄膜であり、前記金属ナノロッドは金ナノロッドであることを特徴とする請求項１または２に記載のショットキー型光検出器。
4. 半導体と金属からなるショットキー型光検出器において、光検出部の金属を薄膜で構成し、該金属薄膜の表面に金属によるドット構造を設けてなることを特徴とするショットキー型光検出器。
5. 前記金属薄膜は金薄膜であり、前記ドット構造は金によるドット構造であることを特徴とするショットキー型光検出器。
6. 前記金属薄膜または金薄膜は、１００ｎｍ以下の肉厚で構成されたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のショットキー型光検出器。

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