JP2013214719A - 光電変換素子および光電変換素子アレイ - Google Patents

Abstract

【課題】垂直入射光に対しても表面プラズモンを発生させることができ、回折限界無しに、簡単な構造で入射光の検出が可能となる、光電変換素子およびこれを用いたイメージセンサを提供する。
【解決手段】入射光を電気信号に変換して検出する光電変換素子において、下部電極４と、下部電極４の上に設けられた絶縁層２と、絶縁層２の上に設けられた、表面で入射光を受ける受光部１と、受光部１の表面から絶縁層２が露出するように設けられた溝状のスリット３とを含み、スリット３により入射光が絶縁層２を導波する表面プラズモンに変換され、表面プラズモンを受光部１と下部電極４との間の電気信号として検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズモニクスにより光を電気信号に変換する光電変換素子、およびこの光電変換素子を用いた光電変換素子アレイに関する。

従来の光電子変換技術を用いた光電変換素子は、フォトダイオードや量子型赤外線センサのように半導体のバンドギャップを利用した素子が主流であったが、光の回折限界を超えた分解能を有することができない。例えば半導体の光電変換素子をセンサに応用した場合には、光の回折限界に起因する検出限界が問題になっていた。これに対し、回折限界の無い表面プラズモンを電流に変換する光電変換素子が提案されていた（例えば、「特許文献１」参照）。

特開平８−２６４８２１号公報

しかしながら、表面プラズモンを励起するために、光電変換素子の表面に対して、光を所定の角度で入射させることが必要であり、このためのプリズムが必要であった。特に、光電変換素子をイメージセンサに使用する場合、入射光の大半が光電変換素子の表面に対して垂直入射であるため、入射光が表面プラズモンを励起しないという問題があった。

そこで、本発明は、プリズム等を用いることなく垂直入射光に対しても表面プラズモンを励起可能な光電変換素子の提供を目的とする。

即ち、本発明は、入射光を電気信号に変換して検出する光電変換素子であって、下部電極と、下部電極の上に設けられた絶縁層と、絶縁層の上に設けられた、表面で入射光を受ける受光部と、受光部の表面から絶縁層が露出するように設けられた溝状のスリットとを含み、スリットにより入射光が絶縁層を導波する表面プラズモンに変換され、表面プラズモンを受光部と下部電極との間の電気信号として検出することを特徴とする光電変換素子に関する。

また、本発明は、複数の光電変換素子がマトリックス状に配置され、光電変換素子から検出された電気信号が読み出し回路により読み出されることを特徴とするイメージセンサ、位置検知、多波長検知などに用いられる。

以上のように、本発明にかかる光電変換素子およびこれを用いたイメージセンサでは、スリット構造によって、垂直入射光に対しても表面プラズモンを発生させることができ、回折限界無しに、簡単な構造で入射光の検出が可能となる。

本発明の実施の形態１にかかる光電変換素子の斜視図である。 本発明の実施の形態１にかかる光電変換素子の断面図である。 本発明の実施の形態１の原理を説明するためのスリットの無い場合の受光部の概略図である。 本発明の実施の形態１の原理を説明するためのスリットの有る場合の受光部の概略図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の光電変換素子の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の光電変換素子の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の光電変換素子の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる光電変換素子の電気信号読み出し回路の概略図である。 本発明の実施の形態２にかかる光電変換素子の斜視図である。 本発明の実施の形態３にかかる光電変換素子の断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる光電変換素子の断面図である。 本発明の実施の形態５にかかる光電変換素子の断面図である。 本発明の実施の形態５にかかる他の光電変換素子の断面図である。 本発明の実施の形態６にかかる光電変換素子アレイの平面図である。 本発明の実施の形態６にかかる光電変換素子アレイの断面図である。 本発明の実施の形態６にかかる光電変換素子アレイの電気信号読み出し回路の概略図である。 本発明の実施の形態６にかかる他の光電変換素子アレイの電気信号読み出し回路の概略図である。 本発明の実施の形態６にかかる他の光電変換素子アレイの断面図である。 本発明の実施の形態６にかかる他の光電変換素子アレイの断面図である。 本発明の実施の形態７にかかる光電変換素子アレイの平面図である。 本発明の実施の形態７にかかる光電変換素子アレイの断面図である。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる光電変換素子の斜視図であり、図２は図１の光電変換素子１００をＩ−Ｉ方向に見た場合（スリット長さ方向に垂直な平面）の断面図である。

光電変換素子１００は、下部電極４を有し、下部電極４の上には、絶縁層２を介して受光部１が設けられている。受光部１には、下層の絶縁層２が露出するようにスリット３が設けられている。受光部１、下部電極４は、金属からなり、表面プラズモンを励起可能な金属あるいは対象とする波長域において高い反射率を有する金属、例えば金、銀、アルミ、銅、クロム、ニッケル等からなり、作製方法等により適宜材料が選択される。絶縁層２は、熱酸化膜など、例えば酸化シリコン(ＳｉＯ_２)、窒化シリコン(ＳｉＮ_x)、ＨＳＱ（Hydrogen Silsesquioxane）、酸化チタン(ＴｉＯ)、酸化ニッケル(ＮｉＯ)、酸化アルミ(Al₂O₃)等からなる。下部電極４の下側は、保持用の基板等（図示せず）で保持される。また基板には電圧読み出し、電流読み出し用の回路が設けられてもよい。スリット３の底面または側面の一部の少なくとも一方は、直接、絶縁層に接続している。検知する電気信号は、電圧または電流のどちらでもよい。以下においては主に電圧を検知する場合について説明する。

図１、２に示すように、受光部１には、所定の方向（図１ではｙ方向）に延在した溝状のスリット３が設けられている。スリット３の幅ｗは数１００ｎｍで、深さｄは５μｍ以下が好ましい。スリットの幅ｗ、深さｄは、検出したい波長に応じて、最大の結合効率を与えるように設定される。スリット３の形成は、受光部１の上にレジスト層を形成した後、電子線描画を用いたリソグラフィやナノインプリントによりレジストマスクを形成し、レジストマスクを用いたイオンビームエッチングやＦＩＢにより受光部１をエッチングして行われる。あるいは、スリット部分をレジスト材料から形成し、他の部分をめっき等で形成し、その後にレジスト材料を除去して形成しても良い。

光電変換素子１００は、更に、受光部１と下部電極４との間の電圧を測定する電圧検出部５を有する。電圧検出部５の代わりに電流検出部を設けてもよい。

次に、光電変換素子１００の動作原理について説明する。
まず、スリット３の無い光電変換素子（図２で、受光部１がスリット３を有さない場合）について考える。光が媒質Ｉ（真空）を伝搬し、媒質II（受光部１）に入射し、これらの境界面で表面プラズモンに変換されるとする。入射光の角周波数をω、波数をｋ、表面プラズモン伝搬方向の波数をｋ_ｘ、真空中の高速をｃ、光が伝搬する媒質１の誘電率をε_１、屈折率をｎ、入射する媒質２の誘電率をε_２、入射角（入射表面の法線と入射光とのなす角）をθとすると、一般に、

．．．．．．（式１）

の関係が成立する。ただし、誘電率を複素誘電率とした場合は、

．．．．．．（式２）

となる。ただし、誘電率

は、規格化された誘電率であり、括弧のＲ内は、括弧の中の実数部を表わす。この分散関係は、真空中の分散関係を表す次式、

．．．．．．（式３）

とは係数が一致しないため、真空中では、このプラズモン共鳴が発生しないことが分かる。

これに対して、分散関係がより近いエバネッセント波を用いれば、プラズモン共鳴を起こし、表面プラズモンを励起することができる。ここで、エバネッセント波の分散関係は、

．．．．．．（式４）

で表される。従って、表面プラズモンを励起する条件は、（式３）と（式４）から次式で表される。

．．．．．．（式５）

つまり、表面プラズモンを励起するには、（式５）が成立するように入射角θを調整してマッチング（表面プラズモン共鳴）させなければならない。よって、上述の特許文献１では、表面プラズモンの励起に関して、強い入射角依存性が現れる。即ち、特許文献１に示したようなスリットの無い平坦な構造を用いる場合、垂直方向の入射光に対しては殆ど表面プラズモンが発生しない。このため、プリズム等を用いた入射角θの調整が必要となる。例えば、図３では、表面プラズモンを励起する条件（式５）が成立するように、入射方向が斜め方向（太い破線で表す方向）となるように入射角θを調整している。

次に、本実施の形態１にかかる、スリット３を有する光電変換素子１００について説明する。ここで、スリット３のスリット幅をｗ、深さをｄ、検出対象の入射波の波長をλとした場合、少なくともｗはλ／２程度以下とする。この場合、高次の回折光を生じないため、入射波はスリット３内で強く共振する導波モードを形成する。また、スリットから反射される反射波は、スリットを中心とした擬似的な円筒波となる。

反射波が円筒波の場合、図４に示すように、スリット３を中心とし、スリット３からの距離をｒとした円筒標表系を用いて表せば、ｒが十分大きな場合、Ａを定数とすると、全ての方向ψに対して、反射波は、

．．．．．．（式６）

で表せる。つまり、スリット３により、垂直入射光の一部がψ＝９０°成分（受光部１の表面に平行）の円筒波に変換される。受光部１の表面では波数成分ｋ_ｘを持つため、スリット３の両端の受光部１の表面において、（式１）に示す波数のマッチング（プラズモン共鳴）関係を満たす。このように、スリット幅ｄのスリット３を金属表面に形成することで、垂直入射光（θ＝０）に対しても、（式５）のミスマッチ関係が克服され、入射光の波数ｋと表面プラズモンモードとのカップリングが可能になる。同様な現象は、スリット３にカップリングした光が表面プラズモンに変換されて導波する絶縁層２においても生じる。

以上で述べたように、受光部１にスリット３を設けることにより、受光部１の表面に垂直に入射する光を、表面を伝搬する電磁波（表面プラズモン、あるいは表面プラズモンポラリトン）に変換することができる。このため、スリットの無い構造で必要であった、入射角θを調整するためのプリズムが不要となる。また、スリット３により、表面プラズモンは、絶縁層２に導波される。下部電極４と受光部１はともに金属からなるため、変換された表面プラズモンは絶縁層２に閉じ込められ、伝搬波（表面プラズモン）の電磁界が局在する。つまり、受光部１と下部電極４の間には局在化された電界が発生する。この電界により発生する電圧あるいは電流を測定することで、入射光を検出することが可能になる。金属、絶縁層、金属の組み合わせは、トンネル効果によって一種のダイオードとして作用するため整流作用を有することから、直流信号を取り出すことができる。また、受光部１と下部電極４の間にバイアス電圧を印加してもよい。バイアス電圧を印加することで、出力電圧または電流を大きくすることができる。
また、上述のような表面プラズモンの伝搬において、伝搬効率を高めるためには、絶縁層２の上面と下面（絶縁層２に接する下部電極４の上面）は平坦であることが望ましい。

スリット３が無い場合は、金属固有の誘電率により、表面プラズモン変換効率が最大となる波長が決定されるが、スリット３を設けることで、スリット３の構造パラメータによって表面プラズモンに変換する波長を制御することが可能となる。

ここで、表面プラズモンは、本来、金属自由電子の振動という意味での表面プラズモンポラリトンを指し、可視光から近赤外域までの波長についての現象であった。しかしながら、本発明の実施の形態１にかかる光電変換素子１００のようにスリット３を設けることにより、近赤外光よりも長い波長、例えば赤外光においても絶縁層２に伝搬する伝搬波が発生し、受光部１と下部電極４との間に、スリット深さと平行な方向（図４の太い矢印方向）に電界を発生させることができる。この結果、本来的な表面プラズモンの検出と同様に、赤外光においても、絶縁層２を伝搬する電磁界の検出が可能になる。従って、ここでは、可視光〜近赤外光で発生する本来の電磁界だけでなく、スリット３の効果によって赤外光において発生する絶縁層２を伝搬する電磁界も、特に区別することなく表面プラズモンと表現している。

本発明の実施の形態１にかかる光電変換素子１００では、スリット３の幅ｗ、深さｄ、絶縁層２の厚さｔによって、検出波長と検出効率が決定される。

スリット３の幅ｗは、絶縁層２内に表面プラズモンを形成するために、可視光〜近赤外域においては、検出波長の半波長以下が好ましく、変換効率が最大となる。例えば、受光部１が銀からなり、スリット深さｄが３μｍ、入射光の波長が６００ｎｍとした場合、ＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain：時間領域差分）法によって解析した結果、最大結合効率（表面プラズモン変換）を与えるスリット幅ｗは２５０ｎｍ〜３００ｎｍ程度である。

赤外光である波長５μｍの光が入射する場合、ＦＤＴＤ法によって解析した結果、スリット３の幅は３００ｎｍ〜４００ｎｍ程度、スリット深さｄが約１μｍにおいて表面プラズモン変換効率は最大になる。

また、波長３μｍの光が入射する場合、ＦＤＴＤ法によって解析した結果、スリット３の幅は２００ｎｍ〜３００ｎｍ程度、スリット深さｄが約０．５μｍにおいて表面プラズモン変換効率は最大になる。

以上のように、スリット３の深さｄを変化させることで、検出される波長は変化する。
よって、スリット３の深さ方向の共振によって、絶縁層２に発生する伝搬波を選択することが可能になる。

なお、図５Ａ〜図５Ｃは、本発明の実施の形態１にかかる他の光電変換素子の断面図である。図５Ａに示すように、スリット３の底面は、絶縁層２の上面と下面の間に位置してもよい。また、図５Ｂに示すように、スリット３は、絶縁層２を貫通し、下部電極４に到達してもよい。この場合でも、スリット３の幅が上述のように微細であれば、表面プラズモンが発生して絶縁層２を伝搬する。絶縁層２は非常に薄いことから、スリット３の作製においては、スリット３の底部が絶縁層２の上面と一致しない構造の方が、作製が容易である。

また、上述の原理式から明らかなように、図５Ｃのようにスリット３の内部に充填物１２として、絶縁体材料、誘電体材料、または半導体材料を充填しても表面プラズモンの変換は生じる。充填物１２を設けた場合、スリット３の内部での実効的な光の波長が長くなるため、充填物１２の無い場合に比較して、所定の波長に対する変換構造は、スリット３の高さは低く、幅は広くなる。即ち、スリット３の内部に充填物１２を設けない場合と比較して、スリット３のアスペクト比（スリット３の深さ／スリット３の幅）が小さくなり、作製が容易になる。なお、絶縁層２と同じ絶縁体材料がスリット３に充填されてもよい。

絶縁層２の膜厚は、数ｎｍ〜２００ｎｍ程度であり、絶縁膜２の材料、検出波長によって膜厚が最適化される。また、絶縁層２の厚さｔによっても表面プラズモンに変換する波長を制御できる。解析の結果から考慮するに、絶縁層２の厚さｔは５０ｎｍ以下が好ましい。

このように、本発明の実施の形態１にかかる光電変換素子１００では、表面に対して垂直入射する光であっても、絶縁層２を伝搬する表面プラズモン（あるいは表面プラズモンポラリトン）に変換することができ、入射角θを調整するプリズム等が不要となり、光電効果素子の構造が簡単になる。更に、赤外光においても同様に絶縁層２において伝搬する表面プラズモンを電気的に検出することが可能になる。

また、スリット３の幅および深さｄ、絶縁層２の厚さｔによって検出波長を選択することも可能となる。

最後に、電圧検出部５について説明する。電圧検出部５は、例えば、図６に示すように、受光部１の表面をグランド電位とし、下部電極４の下に読み出し回路（図６では積分回路）を接続し、出力を電圧で読み出す回路からなる。逆に、下部電極４をグランド電位としてもよい。このような構成にすることで、絶縁層２に発生した表面プラズモンによる電界を、積分した信号として取り出せるため、信号強度を高くすることができる。

なお、下部電極４に特別な構造、例えばスリット、あるいは微細な突起を形成してその部分に生じた表面プラズモンの電位差を測定する場合は、下部電極４の下側が平坦ではなくなるため、光電変換素子を基板等の上に設置することが困難になる。更に、電圧検出部５（電気信号の読み出し回路）を下部電極４の下側に形成しなければならず、平面な基板への接続が困難になるだけでなく、電圧検出部５自体との接続も困難になる。

本発明の実施の形態１のように、受光部１と下部電極４の間の電圧を検出する方法では、光電変換素子１００と同一面内で読み出し用の電気回路を形成できるため、基板上への設置が容易になり、集積化にも適している。

ここで、下部電極４の表面は平坦であることが好ましい。表面が平坦であることで電気回路の接続が容易になり、また後で述べるようにマトリックス状（アレイ状）への配置も容易となる。

実施の形態２．
図７は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態２にかかる光電変換素子の斜視図である。図７中、図１、２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

光電変換素子２００では、実施の形態１と同様のスリット３に加えて、これに垂直な方向（図１のｘ方向）にもスリット３が設けられた構造となっている。スリット３以外は、上述の実施の形態１にかかる光電変換素子１００と同じ構造である。

単一のスリット３の場合、スリット方向に対する偏光依存性がある。しかし、図７に示すような、直交した２つのスリット３を用いると、全ての垂直入射光成分は直交した２つの方向（直交した２つのスリットに対応する）に分解されるため、全ての偏光成分をもつ入射光に対しても、直交した二つのスリット３による表面プラズモン変換が可能である。
つまり、２つのスリット３を互いに直交するように形成することにより、入射光の偏光に依存せず、表面プラズモンに変換することが可能となり、電気信号の出力を大きくすることができる。また、実施の形態１にかかる光電変換素子１００と同様に、スリット３の幅、高さ、絶縁層の厚さを調整することにより、検出波長を制御することが可能となる。

実施の形態３．
図８は、全体が３００で表される、本発明の実施の形態３にかかる光電変換素子の断面図であり、図１のＩ−Ｉ方向と同じ方向に見た場合の断面を示す。図８中、図１、２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

図８から分かるように、光電変換素子３００では、スリット３の断面が、上部において幅が広く、下方に向かって漸次幅が狭くなるＶ字形状（くさび形）となっている。他の構造は、光電変換素子１００と同様である。

光電変換素子３００では、スリット３の断面をくさび形（Ｖ字型）とすることにより、スリット３の開口部では光電変換素子１００と同様の幅ｗを有し、スリット３の底では開口部の幅ｗより狭い幅とすることができる。このような構造では、スリット３の底で極めて狭い空間に電界が局在し、電界が増強される。このため、スリット３の底において、表面プラズモンに変換される波長の電界強度を選択的に増強させることが可能となる。この結果、波長の表面プラズモンへの結合効率を高めることが出来る。

また、スリット３の壁面傾斜角（絶縁層２の上面に対する法線と、スリットの壁面との間の角度）をφとすると、（式４）のθがφによって制御できる。よって、表面プラズモンへの変換効率、変換波長がφによって制御できることが分かる。スリット３の形状（壁面の傾斜角φ）を変えることにより、検出波長を選択することも可能となる。スリット３の高さ、幅に加えて、φによっても表面プラズモンの発生を制御するため、検出波長の制御がより容易になる。

実施の形態４．
図９は、全体が４００で表される、本発明の実施の形態４にかかる光電変換素子の断面図であり、図１のＩ−Ｉ方向と同じ方向に見た場合の断面を示す。図９中、図１、２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

図９から分かるように、光電変換素子４００では、スリット３の断面が、上部において幅が広く下方に向かって狭くなるとともに、壁面は平面ではなく溝内部に向かって凸の曲面（湾曲構造）となっている。他の構造は、光電変換素子１００と同様である。

光電変換素子４００では、スリット３の壁面を、光電変換素子１００、２００のように平面ではなく、図９に示すような曲面として開口部を広くすることにより、より広い方向からの入射光を取り込むことが可能となる。この結果、検出する電気信号強度が増加し、検出感度を高くすることが可能となる。

実施の形態５．
図１０Ａは、全体が５００で表される、本発明の実施の形態５にかかる光電変換素子の断面図であり、図１のＩ−Ｉ方向と同じ方向に見た場合の断面を示す。図１０Ａ中、図１、２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

光電変換素子５００では、受光部１がスリット３を有するとともに、スリット３の両側に、スリット３に対して平行（図１０Ａでは、紙面に垂直な方向）に配置された複数の反射用スリット６を有する。他の構造は、光電変換素子１００と同様である。

反射用スリット６は、スリット３を中心に、両側に設けられる。反射用スリット６の深さｄはスリット３より浅く、幅ｗは同程度である。反射用スリット６は、複数設けることが好ましい。反射用スリット６を周期的に設ける（図１０Ａの横方向に対して一定のピッチで設ける）場合は、検出波長とほぼ同程度の周期が好ましい。

このように、受光部１の表面に周期構造（周期的な反射用スリット６）を設けると、通常の入射光で表面プラズモンが励起できる。つまり、表面プラズモンの波数ベクトルを

入射光の波数ベクトルを

逆格子ベクトルを

とすると、

．．．．．．（式７）

の関係が成立する。例えば、１次元の周期構造の場合、表面プラズモンの波数を

入射光の波数を

入射角（入射表面の法線と入射光とのなす角）をθ、構造の周期（ピッチ）をＴ、ｍを整数とすると、以下のような関係が成立する。

．．．．．．（式８）

（式８）から明らかなように、周期構造により、波数のミスマッチが克服され、垂直入射光（θ＝０）に対しても表面プラズモンが励起され、表面に結合することが分かる。また、垂直入射光（θ＝０）の場合、表面に励起される入射光の波長は（式８）に示された波長に等しくなる。特に、垂直入射が主たる成分の場合は、周期と等しくなる。

従って、周期構造の反射用スリット６を受光部１の表面に設けることで、周期に対応した特定の波長の光において、表面プラズモンに変換する変換効率が大きくなるため、波長選択的な検出が可能となる。また、（式８）を満たすような反射用スリット６を設けることにより、スリット３の受光部１の受光面側に発生する表面プラズモンが反射用スリット６によって反射されて絶縁層２に導かれ、結果的に絶縁層２内の表面プラズモンの強度が大きくなる。

図１０Ｂは、全体が６００で表される、本発明の実施の形態５にかかる他の光電変換素子の断面図であり、図１０Ａと同一符号は、同一または相当箇所を示す。図１０Ａの光電変換素子では、反射用スリット６を等ピッチで設けたが、図１０Ｂの光電変換素子では、反射用スリット６はスリット３から遠ざかるにつれて漸次ピッチが広くなるように設けられている。他の構造は、図１０Ａの光電変換素子と同様である。

図１０Ｂの光電変換素子６００では、反射用スリット６の影響で、入射光に結合した表面プラズモンがスリット３の部分に集約され、絶縁層２に集められる。これにより、反射用スリット６を有さず、スリット３のみの構造と比較して、電圧検出部５で検出される電圧が高くなり、光電変換効率および検出効率が高くなる。

実施の形態６．
図１１は、実施の形態１にかかる光電変換素子１００をマトリックス状に配置した光電変換素子アレイの上面図である（光電変換素子１００のみ記載）。また、図１２は、図１１の断面図であり、基板８の上に読み出し回路部７が設けられ、その上にマトリックス状に光電変換素子１００が設けられた構造となっている。

受光部１表面の電位は各光電変換素子１００で共通とし（ここではアース電位）、信号読み出し回路７（積分回路を含む電圧検出部５）を下部電極４の下側に接続した場合の断面図である。信号読み出し回路７が下部電極４の下方に設けられることで表面側には信号読み出し回路を形成するためのスペースが不要となり、高密度の集積化が可能となる。

また、下部電極４の底面を平坦にすることで、図１２に示すような、基板８の上での集積化がより容易となり、また下部電極４と読み出し回路部７、基板８との接続も容易となる。

図１３は、本発明の実施の形態６にかかる光電変換素子アレイの電気信号読み出し回路の概略図であり、光電変換素子１００をキャパシタとし、１次元に単位画素６００を配置した場合の電気信号の読み出し回路を示す。

図１４は、本発明の実施の形態６にかかる他の光電変換素子アレイの電気信号読み出し回路の概略図であり、行方向と列方向に２次元的に単位画素６００を配置した場合の電気信号の読み出し回路を示している。このように読み出し回路を接続することで、マトリックス状の信号検出が可能となる。

図１５Ａは、下部電極４の電位を全ての光電変換素子において共通とし、受光部１の表面側に読み出し回路を形成して受光部１の電圧を検出する光電変換素子アレイの断面図である。光電変換素子は、図１１に示すようにアレイ状に配置されている。複数の下部電極４の間は配線により接続されて、共通の電位となっている。このように、下部電極４を共通電位とし、受光部３側に読み出し回路を形成することで、下部電極４の下面に読み出し回路を形成する場合と比較して、回路の形成が容易になる。

図１５Ｂは、下部電極４の電位を全ての光電変換素子において共通とし、受光部１の表面側に読み出し回路を形成して受光部１の電圧を検出する光電変換素子アレイの断面図である。複数の光電変換素子の下部電極４の間を配線で接続する図１５Ａの構造とは異なり、複数の光電変換素子の下部電極４を一体の下部電極４から形成して物理的に共通としている。受光部３側に設けられた読み出し回路は、図１５Ａの構造と同様である。下部電極４を物理的に共通にすることで、下部電極４の加工工程を簡略化することが可能となり、また共通の電位の設定も容易になる。

このように、光電変換素子１００をアレイ状に配置して読み出し回路を設けることにより、水平方向および垂直方向に配置されたそれぞれの光電変換素子からの電気信号出力を個別に取り出すことができ、各光電変換素子１００で検出した電気信号を読み出すことが可能となる。これにより、例えばイメージセンサ、位置検知、多波長検知などとしての利用が可能となる。

なお、ここでは光電変換素子１００をアレイ状に配置する場合について説明したが、他の光電変換素子２００、３００、４００、５００をアレイ状に配しても構わない。

以上で述べたように、本発明の実施の形態１〜５にかかる光電変換素子を一つの単位（ピクセル）としてアレイ状に配置することにより、イメージセンサ、位置検知、多波長検知などとして利用できる。一つのピクセルは、幅ｗが数１００ｎｍのスリット３を含めばよいため、従来の、一辺が数μｍのピクセルよりはるかに小型化することが可能となり、分解能、集積度を向上させることが可能になる。

特に、上述のように、特許文献１に記載された従来の光電変換素子では、垂直入射光（入射角θ＝０）に対して表面プラズモンが発生しないため、特に、垂直入射光がメインとなるイメージセンサとして使用できなかった。これに対して、本発明の実施の形態１〜５にかかる光電変換素子では、垂直入射光に対しても表面プラズモンを発生させることができるため、図１２のようなイメージセンサとして使用することができる。また、スリット３を設けることにより、表面に露出しない絶縁層２に表面プラズモンを生成させ、その強度を電気信号で検出することで、受光部１の表面の入射光の電界が雑音となることはなく、Ｓ／Ｎ比の向上が可能となる。

実施の形態７．
図１６は、光電変換素子をマトリックス状に配置した光電変換素子アレイの上面図である（光電変換素子のみを記載）。図１７は、図１６の光電変換素子アレイの、Ａ−Ａ’における断面図であり、実施の形態６と同様に読み出し回路が下部電極４の下方に配置されている。

光電変換素子アレイは、検出波長の異なる３種類の光電変換素子（イメージセンサのピクセルに相当）、即ち、検出波長λ１の光電変換素子９、検出波長λ２の光電変換素子１０、および検出波長λ３の光電変換素子１１を含む。それぞれの光電変換素子の検出波長は、受光部１に形成されたスリット３の幅ｗ、高さｄ、絶縁層２の厚さｔのうちの１つ以上を変えて、表面プラズモンへの変換効率の高い波長を変えることにより選択できる。図１６、図１７のように、３種類の光電変換素子９、１０、１１を設けることで、３種類の波長の分解能を有する光電変換素子アレイを得ることができる。図１６では、３種類の光電変換素子９、１０、１１を備える場合を示すが、２種類以上の光電変換素子を設けることが可能である。検出部５および、各光電変換素子の電気信号読み出し方法は実施の形態６と同じである。

このように、光電変換素子（ピクセル）のスリット３の形状（幅ｗおよび深さｄ）および絶縁層２の厚さｔを変化させることで、検出波長の分解（選択）を行うことができる。
これにより、波長を選択するための、フィルタや検出器表面の周期構造等を必要とすることなく、光電変換素子の構造を変えるのみで各光電変換素子の検出波長を制御することができる。

このように、検出波長の異なる複数の光電変換素子（ピクセル）をアレイ状に配置し、それぞれ電気信号を読み出す回路を接続することで、イメージセンサのカラー化が可能となる。可視光域であれば、検出波長を、ＲＧＢに対応する赤（ＲＥＤ）、緑（ＧＲＥＥＮ）、青（ＢＬＵＥ）に設定することで、カラー画像を得ることができる。

また、受光部１、下部電極３にの材料として金、銀等の赤外波長域で反射率の高い金属を用いた場合、受光部での吸収が無いため、スリット３の構造のみで検出波長が決定される。一方、例えば受光部（吸収体）に誘電体を用いた場合は、材料自身の吸収が検出波長に反映されてノイズとなるため、受光部での吸収を防止するフィルタ等が必要となる。このように、本発明の光電変換素子では、表面プラズモン変換を誘起する金属材料は赤外波長域においてほとんど吸収がいないため、フィルタ等の吸収防止構造が不要となり、光電変換素子の小型化が可能となる。

１ 受光部、２ 絶縁層、３ スリット、４ 下部電極、５ 電圧検出部、６ 反射用スリット、７ 読み出し回路部、８ 基板、９ 光電変換素子（検出波長λ１）、１０ 光電変換素子（検出波長λ２）、１１ 光電変換素子（検出波長λ３）、１２ 充填物、１００、２００、３００、４００、５００ 光電変換素子、６００ 単位画素。

Claims (17)

1. 入射光を電気信号に変換して検出する光電変換素子であって、
   下部電極と、
   該下部電極の上に設けられた絶縁層と、
   該絶縁層の上に設けられた、表面で入射光を受ける受光部と、
   該受光部の表面から該絶縁層が露出するように設けられた溝状のスリットとを含み、
   該スリットにより該入射光が該絶縁層を導波する表面プラズモンに変換され、該表面プラズモンを該受光部と該下部電極との間の電気信号として検出することを特徴とする光電変換素子。
2. 上記絶縁層の上面および下面は平坦であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
3. 上記スリットの底面は、上記絶縁層の内部または上記下部電極に達していることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
4. 上記スリットの内部に、誘電体材料または絶縁体材料が充填されたことを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
5. 上記スリットは、上記受光部の表面で互いに直交する２つのスリットからなることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
6. 上記スリットは、上記受光部の表面に垂直な断面が矩形、Ｖ字型、または該スリット内に向かって側壁が凸の曲面であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
7. 上記受光部は、該受光部の表面から上記絶縁層が露出しない深さで、上記スリットに平行に設けられた溝状の反射用スリットを含むことを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
8. 複数の上記反射用スリットが、上記スリットの両側に、一定の間隔で設けられたことを特徴とする請求項７に記載の光電変換素子。
9. 複数の上記反射用スリットが、上記スリットの両側に、該スリットから離れるほど間隔が大きくなるように設けられたことを特徴とする請求項７に記載の光電変換素子。
10. 上記受光部および上記下部電極の一方が基準電位に接続され、他方が積分回路に接続され、該積分回路により上記表面プラズモンを電気信号として読み出すことを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
11. 上記受光部と上記下部電極との間にバイアス電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
12. 上記下部電極の底面が平坦であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
13. 請求項１に記載の複数の光電変換素子がマトリックス状に配置され、該光電変換素子から検出された上記電気信号が読み出し回路により読み出されることを特徴とする光電変換素子アレイ。
14. 上記光電変換素子のスリットの幅、深さ、および絶縁層の厚さのうちの少なくとも２つが互いに異なる光電変換素子を含むことを特徴とする請求項１３に記載の光電変換素子アレイ。
15. 上記受光部の電位は共通電位に維持され、上記読み出し回路は上記下部電極に接続されたことを特徴とする請求項１３に記載の光電変換素子アレイ。
16. 上記読み出し回路は上記受光部に接続され、上記下部電極の電位は共通電位に維持されたことを特徴とする請求項１３に記載の光電変換素子アレイ。
17. 複数の上記光電変換素子において、上記下部電極が一体の電極からなることを特徴とする請求項１６に記載の光電変換素子アレイ。

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