JP2014007334A

JP2014007334A - Photodetector

Info

Publication number: JP2014007334A
Application number: JP2012143015A
Authority: JP
Inventors: Toru Hirohata; 徹廣畑; Hiroyasu Fujiwara; 弘康藤原; Kazutoshi Nakajima; 和利中嶋; Wataru Akahori; 亘赤堀; Kazunori Tanaka; 和典田中
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2012-06-26
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2032-06-26
Also published as: JP5952108B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photodetector capable of detecting light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength of a semiconductor layer.SOLUTION: A photodetector 1A includes a laminated structure 3 which has a first metal layer 4, a semiconductor layer 5 laminated on the first metal layer 4, and a second metal layer 6 laminated on the semiconductor layer 5. In the laminated structure 3, surface plasmons are excited by incident light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength of the semiconductor layer 5, and phonons are excited by an electric field formed by resonance of the surface plasmons, whereby electrons in the semiconductor layer 5 transit.

Description

本発明は、表面プラズモンを利用する光検出器に関する。 The present invention relates to a photodetector using surface plasmons.

従来、金属層と半導体層との界面における表面プラズモンを利用する光検出器が知られている（例えば特許文献１〜６、非特許文献１参照）。これらの光検出器では、表面プラズモンが励起されることにより金属層と半導体層との界面における電場が増強されるため、高い光感度が実現されている。 Conventionally, photodetectors using surface plasmons at the interface between a metal layer and a semiconductor layer are known (see, for example, Patent Documents 1 to 6 and Non-Patent Document 1). In these photodetectors, since the electric field at the interface between the metal layer and the semiconductor layer is enhanced by exciting surface plasmons, high photosensitivity is realized.

特表平１０−５０９８０６号公報Japanese National Patent Publication No. 10-509806 特表２００３−５２０４３８号公報Special table 2003-520438 gazette 特表２００７−５３１２７７号公報Special table 2007-531277 gazette 特開２００８−５３６１５号公報JP 2008-53615 A 特開２００９−２４６０２５号公報JP 2009-246025 A 特開２０１１−１７１５１９号公報JP 2011-171519 A 国際公開第２００７／１０５５９３号International Publication No. 2007/105593

J. Le Perchec, et al., "Plasmon-basedphotosensors comprising a very thin semiconducting region", Appl. Phys.Lett., 94, 181104(2009).J. Le Perchec, et al., "Plasmon-basedphotosensors comprising a very thin semiconducting region", Appl. Phys. Lett., 94, 181104 (2009).

一般に半導体層の電子を遷移するためには相応の光子エネルギーが必要であるため、これらの光検出器はいずれも、半導体層の吸収端波長よりも短い波長を有する光（つまり光子エネルギーが十分に高い光）を検出するものとされていた。このような光検出器は、無視できない程度の暗電流が生じる傾向があり、また、作製の材料面での選択肢が少ないという事情がある。 In general, in order to transition electrons in a semiconductor layer, corresponding photon energy is required. Therefore, all of these photodetectors have light having a wavelength shorter than the absorption edge wavelength of the semiconductor layer (that is, the photon energy is sufficiently high). High light). Such a photodetector tends to generate a dark current that cannot be ignored, and there are few options in terms of manufacturing materials.

そこで本発明は、半導体層の吸収端波長よりも長い波長を有する光を検出することができる光検出器を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a photodetector that can detect light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength of a semiconductor layer.

本発明の光検出器は、第１の金属層と、第１の金属層上に積層された半導体層と、半導体層上に積層された第２の金属層と、を有する積層構造体を備え、積層構造体では、半導体層の吸収端波長よりも長い波長を有する入射光により表面プラズモンが励起されると共に、表面プラズモンの共振により形成される電場でフォノンが励起されることにより、半導体層の電子が遷移する。 The photodetector of the present invention includes a stacked structure including a first metal layer, a semiconductor layer stacked on the first metal layer, and a second metal layer stacked on the semiconductor layer. In the laminated structure, surface plasmons are excited by incident light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength of the semiconductor layer, and phonons are excited by an electric field formed by the resonance of the surface plasmon. Electrons transition.

従来の光検出器では、入射光が半導体層の吸収端波長（バンドギャップを超えるエネルギーを有する光の波長）よりも長い波長を有する光である場合には、光子エネルギーが不十分であり、半導体層の電子を遷移することができなかった。本発明の光検出器では、入射光がそのような長い波長を有する光であった場合に、入射光により表面プラズモンが励起されると共に、表面プラズモンの共振により形成される電場でフォノンが励起されることにより、入射光の光子エネルギーに加え、フォノンの格子振動エネルギーを利用することができる。このため、入射光の光子エネルギーのみではなし得なかった、半導体層の電子を遷移することが可能となる。すなわち、本発明の光検出器によれば、半導体層の吸収端波長よりも長い波長を有する光を検出することができる。 In conventional photodetectors, when the incident light is light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength of the semiconductor layer (the wavelength of light having energy exceeding the band gap), the photon energy is insufficient and the semiconductor The electrons in the layer could not be transitioned. In the photodetector of the present invention, when the incident light is light having such a long wavelength, the surface plasmon is excited by the incident light, and the phonon is excited by the electric field formed by the resonance of the surface plasmon. Thus, in addition to the photon energy of incident light, the lattice vibration energy of phonons can be used. For this reason, it becomes possible to transition the electrons of the semiconductor layer, which could not be achieved only by the photon energy of the incident light. That is, according to the photodetector of the present invention, light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength of the semiconductor layer can be detected.

本発明の光検出器において、半導体層と第１の金属層及び第２の金属層の少なくとも一方との界面における所定の方向に沿った第１の金属層及び第２の金属層の少なくとも一方の幅は、表面プラズモンを共振させ、且つフォノンを励起させる電場が形成される長さとなっていてもよい。具体的には、当該幅は、積層構造体に励起される表面プラズモンの波長の２分の１の整数倍となっていてもよい。これによれば、半導体層の吸収端波長よりも長い波長を有する光をより好適に検出することができる。 In the photodetector of the present invention, at least one of the first metal layer and the second metal layer along a predetermined direction at the interface between the semiconductor layer and at least one of the first metal layer and the second metal layer. The width may be such a length that an electric field that resonates surface plasmons and excites phonons is formed. Specifically, the width may be an integral multiple of one half of the wavelength of the surface plasmon excited by the laminated structure. According to this, the light which has a wavelength longer than the absorption edge wavelength of a semiconductor layer can be detected more suitably.

本発明の光検出器において、積層構造体は、第１の金属層、半導体層及び第２の金属層の積層方向に垂直な面に沿って複数配列されていてもよい。積層構造体が複数配列されると受光領域が大きくなるため、光検出器の感度が高いものとなる。 In the photodetector of the present invention, a plurality of stacked structures may be arranged along a plane perpendicular to the stacking direction of the first metal layer, the semiconductor layer, and the second metal layer. When a plurality of stacked structures are arranged, the light receiving area becomes large, so that the sensitivity of the photodetector becomes high.

本発明の光検出器は、遷移した電子を外部に取り出すための第１の電極パッド部及び第２の電極パッド部を更に備え、第１の金属層は、第１の電極パッド部と電気的に接続されており、第２の金属層は、第２の電極パッド部と電気的に接続されていてもよい。これによれば、上記作用により遷移した電子を外部に取り出すことができるため、入射光の強度を電流の強度として検出することができる。 The photodetector of the present invention further includes a first electrode pad portion and a second electrode pad portion for taking out the transitioned electrons to the outside, and the first metal layer is electrically connected to the first electrode pad portion. And the second metal layer may be electrically connected to the second electrode pad portion. According to this, since electrons that have transitioned due to the above action can be taken out, the intensity of incident light can be detected as the intensity of current.

本発明によれば、半導体層の吸収端波長よりも長い波長を有する光を検出することができる光検出器を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the photodetector which can detect the light which has a wavelength longer than the absorption edge wavelength of a semiconductor layer can be provided.

本発明の第１の実施形態の光検出器の斜視図である。It is a perspective view of the photodetector of the 1st Embodiment of this invention. 入射光の反射に関する電磁界的シミュレーションの結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the electromagnetic simulation about reflection of incident light. 入射光の反射に関する実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result regarding reflection of incident light. 本発明の第１の実施形態の変形例の光検出器の斜視図である。It is a perspective view of the photodetector of the modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態の変形例の光検出器の斜視図である。It is a perspective view of the photodetector of the modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態の光検出器の斜視図である。It is a perspective view of the photodetector of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態の光検出器の斜視図である。It is a perspective view of the photodetector of the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第４の実施形態の光検出器の斜視図である。It is a perspective view of the photodetector of the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第５の実施形態の光検出器の斜視図である。It is a perspective view of the photodetector of the 5th Embodiment of this invention.

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same part or an equivalent part, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

［第１の実施形態］
図１に示されるように、光検出器１Ａは、Ｓｉからなる矩形板状の基板２を備え、この主面２ａ上に積層構造体３が形成されている。積層構造体３は、基板２の主面２ａの全面に積層されたＡｕからなる第１の金属層４と、第１の金属層４の主面４ａ上の一部に積層された矩形の半導体層５と、半導体層５上に積層されたＡｕからなる第２の金属層６とからなる。ここで、第１の金属層４及び第２の金属層６と半導体層５とは、オーミック接合されている。 [First Embodiment]
As shown in FIG. 1, the photodetector 1A includes a rectangular plate-like substrate 2 made of Si, and a laminated structure 3 is formed on the main surface 2a. The laminated structure 3 includes a first metal layer 4 made of Au laminated on the entire main surface 2 a of the substrate 2, and a rectangular semiconductor laminated on a part of the main surface 4 a of the first metal layer 4. The layer 5 includes a second metal layer 6 made of Au and stacked on the semiconductor layer 5. Here, the first metal layer 4 and the second metal layer 6 and the semiconductor layer 5 are in ohmic contact.

半導体層５は、検出対象とする光の光子エネルギーのみでは電子が遷移しない材料であるＳｉからなる。つまり、半導体層５の吸収端波長は、検出対象とする光の波長よりも短い。 The semiconductor layer 5 is made of Si, which is a material in which electrons do not transition only by photon energy of light to be detected. That is, the absorption edge wavelength of the semiconductor layer 5 is shorter than the wavelength of light to be detected.

第１の金属層４及び第２の金属層６は、半導体層５で遷移した電子を外部に取り出すための電極としての機能を兼ねている。第１の金属層４及び第２の金属層６はそれぞれ、第１の電極パッド部７ａ及び第２の電極パッド部７ｂと電気的に接続されており、両電極パッド部７ａ，７ｂ間には、バイアス電源８と電流を読み出す電流計９とが接続されている。 The first metal layer 4 and the second metal layer 6 also function as electrodes for taking out the electrons that have transitioned in the semiconductor layer 5 to the outside. The first metal layer 4 and the second metal layer 6 are electrically connected to the first electrode pad portion 7a and the second electrode pad portion 7b, respectively, and between the electrode pad portions 7a and 7b, respectively. A bias power source 8 and an ammeter 9 for reading out current are connected.

次に、光検出器１Ａの動作原理及び作用効果を説明する。従来、金属−誘電体−金属（Ｍ−Ｉ−Ｍ）構造に関し、この構造の幅を、励起される表面プラズモンの波長の２分の１の整数倍とすることにより、この構造が表面プラズモンの共振器として動作し、その両端で電場強度が強くなることが知られている。また、誘電体層の厚みが小さい場合には、表面プラズモンの波長は、当該表面プラズモンを励起した光の波長に対して、例えば１０分の１以下と充分に短くなることが知られている（例えば、H. T. Miyazaki, Y. Kurokawa, "Squeezing Visible Light Waves intoa 3-nm-Thick and 55-nm-Long Plasmon Cavity", Phys. Rev. Lett., 96,097401(2006)参照）。当該共振器の中では共振器のＱ値分だけ電場が増強される。従って、厚みの小さい誘電体層を金属で挟んだ構造でその幅を調整することにより、非常に小さな領域に強い光電場を発生させることが可能であり、発生した光電場は共振器の中で急峻な電場勾配（不均一電場）をもつことになる。 Next, the operation principle and operational effects of the photodetector 1A will be described. Traditionally, for metal-dielectric-metal (M-I-M) structures, the width of the structure is an integral multiple of one-half the wavelength of the excited surface plasmon so that the structure is It is known that it operates as a resonator and the electric field strength is increased at both ends. Further, it is known that when the thickness of the dielectric layer is small, the wavelength of the surface plasmon is sufficiently short, for example, 1/10 or less of the wavelength of the light that excited the surface plasmon ( For example, see HT Miyazaki, Y. Kurokawa, “Squeezing Visible Light Waves intoa 3-nm-Thick and 55-nm-Long Plasmon Cavity”, Phys. Rev. Lett., 96, 097401 (2006)). In the resonator, the electric field is enhanced by the Q value of the resonator. Therefore, it is possible to generate a strong photoelectric field in a very small area by adjusting the width of the dielectric layer with a thin dielectric layer sandwiched between metals, and the generated photoelectric field is generated in the resonator. It has a steep electric field gradient (non-uniform electric field).

他方で、従来、微小な物体に対して光が入射すると、物体の近傍に近接場光が生じ、当該近接場光により不均一電場が局所的に形成されることが知られている。局所的な不均一電場に置かれた物体内ではフォノンが励起されるため、当該物体内の電子の遷移に関わるエネルギーが入射光の光子エネルギーとフォノンの格子振動エネルギーの和となり、本来電子の遷移が不可能であった光子エネルギーの低い光でも電子の遷移が可能となることが知られている（例えば、Tadashi Kawazoe, et al., "Visible Light Emission From DyeMolecular Grains via Infrared Excitation Based on the Nonadiabatic TransitionInduced by the Optical Near Field", IEEE Journal of Selected Topics inQuantum Electronics, 15, 1380(2009)参照）。 On the other hand, it is conventionally known that when light enters a minute object, near-field light is generated in the vicinity of the object, and a non-uniform electric field is locally formed by the near-field light. Since phonons are excited in an object placed in a local inhomogeneous electric field, the energy involved in the electron transition in the object is the sum of the photon energy of the incident light and the lattice vibration energy of the phonon. It is known that electron transition is possible even with light with low photon energy, which was impossible (for example, Tadashi Kawazoe, et al., "Visible Light Emission From DyeMolecular Grains via Infrared Excitation Based on the Nonadiabatic Transition Induced by the Optical Near Field ", IEEE Journal of Selected Topics inQuantum Electronics, 15, 1380 (2009)).

ここで、前述のように表面プラズモンを共振させるための共振器をＭ−Ｉ−Ｍ構造によって形成することにより共振器の中で局所的な不均一電場を形成させることが可能であるところ、本発明者らは、当該Ｍ−Ｉ−Ｍ構造の誘電体（Ｉ）として高抵抗の半導体（Ｓ）を用いてＭ−Ｓ−Ｍ構造で共振器を形成することにより半導体層の中に強い不均一電場を形成することが可能となると考えた。従来の光検出器では、入射光が半導体層の吸収端波長よりも長い波長を有する光である場合には、光子エネルギーが不十分であり、半導体層の電子を遷移することができなかったが、本実施形態の光検出器１Ａでは、入射光がそのような長い波長を有する光であった場合に、入射光により表面プラズモンが励起されると共に、表面プラズモンの共振により形成される電場でフォノンが励起されることにより、入射光の光子エネルギーに加え、フォノンの格子振動エネルギーを利用することができる。このため、入射光の光子エネルギーのみではなし得なかった、半導体層５の電子を遷移することが可能となる。すなわち、本実施形態の光検出器１Ａによれば、表面プラズモンを利用する従来の光検出器では実現が困難であった、半導体層の吸収端波長よりも長い波長を有する光を検出することができる。なお、図１に示される光検出器１Ａでは、共振器が積層構造体３の長手方向と垂直な方向（図示左右方向）に形成されているため、当該方向に偏光した光に対して、本実施形態の効果が奏される。 Here, a local non-uniform electric field can be formed in the resonator by forming the resonator for resonating the surface plasmon with the MIM structure as described above. The inventors have formed a strong defect in the semiconductor layer by forming a resonator with an MSM structure using a high resistance semiconductor (S) as the dielectric (I) of the MIM structure. We thought that a uniform electric field could be formed. In the conventional photodetector, when the incident light is light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength of the semiconductor layer, the photon energy is insufficient and the electrons of the semiconductor layer cannot be transitioned. In the photodetector 1A of the present embodiment, when the incident light is light having such a long wavelength, the surface plasmon is excited by the incident light, and the phonon is generated by the electric field formed by the resonance of the surface plasmon. Is excited, the phonon lattice vibration energy can be used in addition to the photon energy of the incident light. For this reason, it becomes possible to transition the electrons of the semiconductor layer 5 that could not be achieved only by the photon energy of the incident light. That is, according to the photodetector 1A of the present embodiment, it is possible to detect light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength of the semiconductor layer, which has been difficult to realize with a conventional photodetector using surface plasmons. it can. In the photodetector 1A shown in FIG. 1, since the resonator is formed in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the laminated structure 3 (the left-right direction in the drawing), the light is polarized in this direction. The effects of the embodiment are exhibited.

また、本実施形態の光検出器１Ａにおいては、半導体層５と第２の金属層６の界面における所定の方向（積層構造体３の長手方向と垂直な方向）に沿った第２の金属層の幅（共振器長）Ｌ（図１参照）が、表面プラズモンを共振させ、且つフォノンを励起させる電場が形成される長さとされている。具体的には、当該幅Ｌは、積層構造体３に励起される表面プラズモンの波長の２分の１の整数倍とされている（共振器長Ｌについては後に詳述する）。このため、半導体層５の吸収端波長よりも長い波長を有する光をより好適に検出することができる。 In the photodetector 1A of the present embodiment, the second metal layer along a predetermined direction (direction perpendicular to the longitudinal direction of the multilayer structure 3) at the interface between the semiconductor layer 5 and the second metal layer 6 is used. The width (resonator length) L (see FIG. 1) is such a length that an electric field that resonates surface plasmons and excites phonons is formed. Specifically, the width L is set to an integral multiple of one half of the wavelength of the surface plasmon excited by the laminated structure 3 (the resonator length L will be described in detail later). For this reason, the light which has a wavelength longer than the absorption edge wavelength of the semiconductor layer 5 can be detected more suitably.

また、本実施形態の光検出器１Ａは、遷移した電子を外部に取り出すための第１の電極パッド部７ａ及び第２の電極パッド部７ｂを更に備え、これらがそれぞれ第１の金属層４及び第２の金属層６と電気的に接続されているため、遷移した電子を外部に取り出すことができ、入射光の強度を電流の強度として検出することができる。 In addition, the photodetector 1A of the present embodiment further includes a first electrode pad portion 7a and a second electrode pad portion 7b for taking out the transitioned electrons to the outside, and these include the first metal layer 4 and the second electrode pad portion 7b, respectively. Since it is electrically connected to the second metal layer 6, the transitioned electrons can be taken out and the intensity of incident light can be detected as the current intensity.

次に、表面プラズモンを共振させる共振器として作用する積層構造体３における共振器長Ｌと、その利点について説明する。ここで共振器長Ｌとは、上記のとおり、半導体層５と第２の金属層６の界面における所定の方向（積層構造体３の長手方向と垂直な方向）に沿った第２の金属層の幅をいう。共振器長Ｌが当該積層構造体３に励起される表面プラズモンの波長λ_Ｐの２分の１の整数倍になっている場合に、表面プラズモンが共振する。表面プラズモンの波長λ_Ｐの目安としては、Ｍ−Ｉ−Ｍ構造を例とする下記式（１）がある。

式（１）中、ｎは誘電体（Ｉ）層の屈折率を示し、Ｔは誘電体（Ｉ）層の厚さを示し、δは金属（Ｍ）層への入射光の表皮深さを示し、λ_０は入射光の波長を示す。ここで、半導体（Ｓ）も屈折率を有しているため、金属（Ｍ）で半導体（Ｓ）を挟み込んだＭ−Ｓ−Ｍ構造によって共振器を構成した場合にも同様の式が成立する。すなわち、上記式（１）を本実施形態の光検出器１Ａに適用すると、ｎは半導体層５の屈折率を、Ｔは半導体層５の厚さを、δは第２の金属層６への入射光の表皮深さを、λ_０は入射光の波長をそれぞれ示すことになる。 Next, the resonator length L in the laminated structure 3 that acts as a resonator for resonating surface plasmons and the advantages thereof will be described. Here, the resonator length L is the second metal layer along a predetermined direction (a direction perpendicular to the longitudinal direction of the multilayer structure 3) at the interface between the semiconductor layer 5 and the second metal layer 6 as described above. The width of When the resonator length L is an integral multiple of one half of the wavelength λ _P of the surface plasmon excited by the multilayer structure 3, the surface plasmon resonates. As a standard of the wavelength λ _P of the surface plasmon, there is the following formula (1) taking the MIM structure as an example.

In formula (1), n represents the refractive index of the dielectric (I) layer, T represents the thickness of the dielectric (I) layer, and δ represents the skin depth of incident light on the metal (M) layer. Λ ₀ indicates the wavelength of incident light. Here, since the semiconductor (S) also has a refractive index, the same equation holds even when a resonator is configured by an MSM structure in which the semiconductor (S) is sandwiched between metals (M). . That is, when the above formula (1) is applied to the photodetector 1A of the present embodiment, n is the refractive index of the semiconductor layer 5, T is the thickness of the semiconductor layer 5, and δ is to the second metal layer 6. The skin depth of the incident light and λ ₀ indicate the wavelength of the incident light, respectively.

これについて一例を示すと次のようになる。図１に示される光検出器１Ａにおいて、半導体層５を構成するＳｉの吸収端波長よりも長い波長である１３００ｎｍの光が入射された場合の共振器の構造について、およその寸法試算を行った。半導体層５の厚さを１００ｎｍ、半導体層５の１３００ｎｍの波長に対する屈折率を３．５、Ａｕからなる第２の金属層６の１３００ｎｍの波長に対する表皮深さを２０ｎｍとすると、表面プラズモンの波長の２分の１にあたる長さ（すなわち共振器長Ｌ）として、およそ１６０ｎｍの値が導かれる。なお、このとき、共振器の両端で電場が強く、中心部でゼロとなるため、電場は８０ｎｍ程度の領域で最大からゼロまで急峻に変化していることになる。また、入射光の波長を２０００ｎｍとして同様の計算を行うと、半導体層５の屈折率及び第２の金属層６の表皮深さは入射光の波長が１３００ｎｍの場合とほとんど変わらず、共振器長Ｌとしておよそ２４０ｎｍの値が導かれる。 An example of this is as follows. In the photodetector 1 </ b> A shown in FIG. 1, an approximate dimensional estimation was performed for the structure of the resonator when light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength of Si constituting the semiconductor layer 5 was incident. . When the thickness of the semiconductor layer 5 is 100 nm, the refractive index of the semiconductor layer 5 with respect to the wavelength of 1300 nm is 3.5, and the skin depth of the second metal layer 6 made of Au with respect to the wavelength of 1300 nm is 20 nm, the wavelength of the surface plasmon As a length corresponding to a half of (ie, resonator length L), a value of about 160 nm is derived. At this time, since the electric field is strong at both ends of the resonator and becomes zero at the center, the electric field changes steeply from the maximum to zero in the region of about 80 nm. When the same calculation is performed with the incident light wavelength set to 2000 nm, the refractive index of the semiconductor layer 5 and the skin depth of the second metal layer 6 are almost the same as those when the incident light wavelength is 1300 nm. A value of approximately 240 nm is derived as L.

共振器長Ｌは上記のとおり、表面プラズモンの波長λ_Ｐの２分の１程度であり、更に表面プラズモンの波長λ_Ｐは、式（１）から理解されるように、誘電体層（又は半導体層）の厚さが表皮深さに対して小さくなると入射光の波長λ_０よりもかなり小さくなることから、共振器長Ｌが小さくなり、ひいては光検出器１Ａの大きさを小さくすることができるため、暗電流もその分小さくできるという利点がある。 The resonator length L is as described above, is about one half of the wavelength lambda _P of the surface plasmon, the wavelength lambda _P of further surface plasmon, as understood from equation (1), a dielectric layer (or a semiconductor If the thickness of the layer) is reduced with respect to the skin depth, the resonator length L is reduced since the wavelength λ _{0 of the} incident light is considerably reduced, and thus the size of the photodetector 1A can be reduced. Therefore, there is an advantage that the dark current can be reduced accordingly.

共振器長Ｌは上記のとおり、励起される表面プラズモンの波長により規定され、また、入射光の波長が短いほど、表面プラズモンの波長も短くなる。従って、入射光の波長が短いほど共振器長Ｌが小さくなり、より急峻な電場勾配を実現することができるため、入射光の波長が短いほど光検出器１Ａの効果が顕著に奏される。フォノンの格子振動エネルギーを援用する上記文献（IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 15,1380(2009)）において、平均直径２００ｎｍの色素粒子を用いた近接場光による波長変換が報告されていることから、本実施形態の光検出器１Ａは、半導体層５の吸収端波長よりも長い波長を有する光のなかでも、共振器長Ｌが２００ｎｍ程度となる２μｍ付近の光よりも短波長側の波長を有する光を検出することに適していると考えられる。 As described above, the resonator length L is defined by the wavelength of the surface plasmon to be excited, and the shorter the wavelength of the incident light, the shorter the wavelength of the surface plasmon. Therefore, the resonator length L becomes smaller as the wavelength of the incident light is shorter, and a steeper electric field gradient can be realized. Therefore, the effect of the photodetector 1A becomes more remarkable as the wavelength of the incident light is shorter. In the above document (IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 15,1380 (2009)) that uses phonon lattice vibration energy, wavelength conversion by near-field light using pigment particles with an average diameter of 200 nm is reported. Thus, the photodetector 1A of the present embodiment has a wavelength shorter than the light in the vicinity of 2 μm where the resonator length L is about 200 nm among the light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength of the semiconductor layer 5. It is considered suitable for detecting light having

本実施形態のＭ−Ｓ−Ｍ構造は、通常の近接場を利用する場合に比べて利点がある。近接場は、物体に光が入射した場合に物体の周りに生じる非伝播な光の場である。入射した光のほとんどは散乱光として物体から離れてしまうため、近接場光の成分が非常に少なく、不均一電場の形成の効率が悪い。これに対して、Ｍ−Ｓ−Ｍ構造に基づく表面プラズモンの共振器は、共振状態ではその反射がゼロとなることから、全ての光が近接場光の成分となり、不均一電場が効率よく形成されることになる。このように入射光の反射がゼロとなることは、図２に示されるように電磁界的シミュレーションで確認されており（半導体層５の厚さ＝１３０ｎｍ、共振器長Ｌ＝６４０ｎｍ）、また、図３に示されるように、実験的にも確認されている（半導体層５の厚さ＝１３０ｎｍ、共振器長Ｌ＝６４０ｎｍ）。 The MSM structure of the present embodiment is advantageous compared to the case of using a normal near field. The near field is a non-propagating light field generated around an object when light is incident on the object. Since most of the incident light leaves the object as scattered light, the near-field light component is very small, and the efficiency of forming a non-uniform electric field is poor. On the other hand, the surface plasmon resonator based on the MSM structure has zero reflection in the resonance state, so that all light becomes a component of near-field light, and a nonuniform electric field is efficiently formed. Will be. It is confirmed by the electromagnetic simulation that the reflection of incident light becomes zero as shown in FIG. 2 (thickness of the semiconductor layer 5 = 130 nm, resonator length L = 640 nm), and As shown in FIG. 3, it has been confirmed experimentally (thickness of the semiconductor layer 5 = 130 nm, resonator length L = 640 nm).

以上、本発明の第１の実施形態の光検出器１Ａについて説明したが、光検出器１Ａは、その半導体層５を別の態様とすることもできる。例えば、上記第１の実施形態では、半導体層はｎ型又はｐ型のいずれでも適用可能であるが、図４に示されるように、半導体層をｎ型半導体層５ａ及びｐ型半導体層５ｂの２層からなる態様としてもよい。この場合、暗電流をより小さくすることができる。 The photodetector 1A according to the first embodiment of the present invention has been described above. However, the photodetector 1A can have the semiconductor layer 5 in another mode. For example, in the first embodiment, the semiconductor layer can be either n-type or p-type. However, as shown in FIG. 4, the semiconductor layer is composed of an n-type semiconductor layer 5a and a p-type semiconductor layer 5b. It is good also as an aspect which consists of two layers. In this case, the dark current can be further reduced.

また、半導体層５は、第２の金属層６と同一の形状である必要はなく、図５に示されるように、第１の金属層４の主面４ａのほぼ全面に積層する態様としてもよい。この場合でも、第１の実施形態の光検出器１Ａと同様の効果が奏される。 Further, the semiconductor layer 5 does not have to have the same shape as the second metal layer 6, and as shown in FIG. 5, the semiconductor layer 5 may be laminated on almost the entire main surface 4 a of the first metal layer 4. Good. Even in this case, the same effect as the photodetector 1A of the first embodiment can be obtained.

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図６に示されるように、第２の実施形態の光検出器１Ｂは、第１の実施形態の光検出器１Ａと比べて、共振器が積層構造体３の所定方向（図示左右方向）のみならず、所定方向と垂直な方向にも形成されている点が異なる。 [Second Embodiment]
Another embodiment of the photodetector will be described as the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the photodetector 1B of the second embodiment has a resonator only in a predetermined direction (the left-right direction in the drawing) of the laminated structure 3 as compared with the photodetector 1A of the first embodiment. However, it is also different in that it is formed in a direction perpendicular to the predetermined direction.

図６に示されるように、光検出器１Ｂは、Ｓｉからなる矩形板状の基板２を備え、この主面２ａ上に積層構造体２３が形成されている。積層構造体２３は、基板２の主面２ａの全面に積層されたＡｕからなる第１の金属層４と、第１の金属層４上の一部に積層された直方体形状の半導体層２５と、半導体層２５上に積層されたＡｕからなる第２の金属層２６とからなる。半導体層２５は、所定方向に共振器長Ｌ_ｘを有する共振器を構成し、所定方向と垂直な方向にも共振器長Ｌ_ｙを有する共振器を構成している。 As shown in FIG. 6, the photodetector 1B includes a rectangular plate-like substrate 2 made of Si, and a laminated structure 23 is formed on the main surface 2a. The laminated structure 23 includes a first metal layer 4 made of Au laminated on the entire main surface 2 a of the substrate 2, and a rectangular parallelepiped semiconductor layer 25 laminated on a part of the first metal layer 4. And a second metal layer 26 made of Au laminated on the semiconductor layer 25. The semiconductor layer 25 constitutes a resonator having a resonator length L _x in a predetermined direction to form a resonator having a resonator length L _y in a predetermined direction perpendicular to the direction.

また、半導体層２５の直方体形状のうち、所定方向と垂直な方向に向かい合う二つの側面の全面には、ＳｉＯ_２からなる絶縁層１０ａが形成されている。それぞれの絶縁層１０ａの下端から、半導体層２５の所定方向と垂直な方向に、且つ第１の金属層４の主面４ａに沿うようにして、絶縁層１０ｂが延在している。そして、絶縁層１０ａ，１０ｂ上には、Ａｕからなる取出し電極１１ａ，１１ｂがそれぞれ形成されている。第１の金属層４及び取出し電極１１ｂはそれぞれ、第１の電極パッド部７ａ及び第２の電極パッド部７ｂと電気的に接続されており、両電極パッド部７ａ，７ｂ間には、バイアス電源８と電流を読み出す電流計９とが接続されている。 In addition, an insulating layer 10a made of SiO ₂ is formed on the entire surface of two side faces of the rectangular parallelepiped shape of the semiconductor layer 25 facing each other in a direction perpendicular to a predetermined direction. An insulating layer 10b extends from the lower end of each insulating layer 10a in a direction perpendicular to the predetermined direction of the semiconductor layer 25 and along the main surface 4a of the first metal layer 4. Extraction electrodes 11a and 11b made of Au are formed on the insulating layers 10a and 10b, respectively. The first metal layer 4 and the extraction electrode 11b are electrically connected to the first electrode pad portion 7a and the second electrode pad portion 7b, respectively, and a bias power source is provided between the electrode pad portions 7a and 7b. 8 and an ammeter 9 for reading out current are connected.

上記構成を備える本実施形態の光検出器１Ｂは、基本的な効果は第１の実施形態の光検出器１Ａと同様であるが、共振器長Ｌ_ｘに加えて半導体層２５の所定方向と垂直な方向にも共振器長Ｌ_ｙを有するため、同方向に偏光方向をもつ光に対しても光感度を有する。なお、当該所定方向と垂直な方向に偏光方向をもつ光に対しては、半導体層２５の端面に形成された絶縁層１０ａ及び取出し電極１１ａの影響を受けるため、同じ波長の入射光に対しても、所定方向と、所定方向と垂直な方向とでは、表面プラズモンの共振条件が若干異なり、１種の入射光に対して同時に共振させるためには共振器長Ｌ_ｘとＬ_ｙを異なるものとする必要がある。そこで、同じ波長の光に対して両方向に共振するように共振器長Ｌ_ｘとＬ_ｙを調整すれば、偏光方向に関わらず光感度を有することができる。 The photodetector 1B of the present embodiment having the above-described configuration has the same basic effects as the photodetector 1A of the first embodiment, but in addition to the resonator length _Lx , the predetermined direction of the semiconductor layer 25 Since it also has the resonator length L _y in the vertical direction, it has optical sensitivity even for light having the polarization direction in the same direction. Note that light having a polarization direction perpendicular to the predetermined direction is affected by the insulating layer 10a and the extraction electrode 11a formed on the end face of the semiconductor layer 25. However, the resonance conditions of the surface plasmon are slightly different between the predetermined direction and the direction perpendicular to the predetermined direction, and the resonator lengths L _x and L _y are different in order to resonate simultaneously with one type of incident light. There is a need to. Therefore, if the resonator lengths L _x and L _y are adjusted so that light of the same wavelength resonates in both directions, the light sensitivity can be obtained regardless of the polarization direction.

また、積極的に共振器長Ｌ_ｘとＬ_ｙを異なるように構成すれば、偏光を変えることにより２種の波長の光を区別して検出することが可能となる。 Further, if the resonator lengths L _x and L _y are positively configured to be different, it is possible to distinguish and detect light of two types of wavelengths by changing the polarization.

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図７に示されるように、第３の実施形態の光検出器１Ｃは、第１の実施形態の光検出器１Ａと比べて、積層構造体３３の形状が円柱状である点が異なる。すなわち、第１の実施形態の光検出器１Ａでは矩形であった半導体層５及び第２の金属層６が、それぞれ円柱状の半導体層３５及び第２の金属層３６とされている。このように構成しても円柱状の構造が共振器として作用するため、第１の実施形態の光検出器１Ａと同様の効果を奏する。これに加え、積層構造体３３の円柱の直径が共振器長Ｌとなるため、本実施形態の光検出器１Ｃは、偏光方向に関わらず光感度を有する。 [Third Embodiment]
Another embodiment of the photodetector will be described as the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, the photodetector 1 </ b> C according to the third embodiment is different from the photodetector 1 </ b> A according to the first embodiment in that the stacked structure 33 has a cylindrical shape. That is, the semiconductor layer 5 and the second metal layer 6 that are rectangular in the photodetector 1A of the first embodiment are formed as the cylindrical semiconductor layer 35 and the second metal layer 36, respectively. Even if configured in this manner, the cylindrical structure acts as a resonator, so that the same effect as the photodetector 1A of the first embodiment can be obtained. In addition, since the diameter of the cylinder of the laminated structure 33 is the resonator length L, the photodetector 1C of this embodiment has photosensitivity regardless of the polarization direction.

［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図８に示されるように、第４の実施形態の光検出器１Ｄは、第１の実施形態の光検出器１Ａと比べて、第１の金属層４４、半導体層４５及び第２の金属層４６の積層方向が異なる。 [Fourth Embodiment]
Another embodiment of the photodetector will be described as the fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, the photodetector 1D according to the fourth embodiment has a first metal layer 44, a semiconductor layer 45, and a second metal layer as compared with the photodetector 1A according to the first embodiment. The stacking direction of 46 is different.

図８に示されるように、光検出器１Ｄは、Ｓｉからなる矩形板状の基板２を備え、この主面２ａ上に積層構造体４３が形成されている。積層構造体４３は、Ａｕからなる第１の金属層４４と、半導体層４５と、Ａｕからなる第２の金属層４６とが長手方向を揃えてこの順に密着して配列されている。このように構成しても、当該積層構造体４３は共振器として作用するため、第１の実施形態の光検出器１Ａと同様の効果を奏する。 As shown in FIG. 8, the photodetector 1D includes a rectangular plate-shaped substrate 2 made of Si, and a laminated structure 43 is formed on the main surface 2a. In the laminated structure 43, a first metal layer 44 made of Au, a semiconductor layer 45, and a second metal layer 46 made of Au are arranged in close contact with each other in the longitudinal direction. Even if comprised in this way, since the said laminated structure 43 acts as a resonator, there exists an effect similar to 1 A of photodetectors of 1st Embodiment.

［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図９に示されるように、第５の実施形態の光検出器１Ｅは、第１の実施形態の光検出器１Ａと比べて、積層構造体３が基板２の主面２ａに沿って複数配列されている点が異なる。このように積層構造体３が複数配列されると受光領域が大きくなるため、光検出器１Ｅの感度が高いものとなる。 [Fifth Embodiment]
Another embodiment of the photodetector will be described as the fifth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 9, in the photodetector 1E of the fifth embodiment, a plurality of stacked structures 3 are arranged along the main surface 2a of the substrate 2 as compared with the photodetector 1A of the first embodiment. Is different. When a plurality of laminated structures 3 are arranged in this manner, the light receiving area becomes large, and the sensitivity of the photodetector 1E becomes high.

なお、本実施形態において、複数の積層構造体３の配列は、周期的であっても周期的でなくてもよく、配列させる積層構造体３の数や間隔は、製造上の都合により調整することができる。また、半導体層５は、図５に示された例に倣い、第１の金属層４の主面４ａのほぼ全面に積層され、それぞれの第２の金属層６間で共通化された態様としてもよい。 In the present embodiment, the arrangement of the plurality of laminated structures 3 may be periodic or non-periodic, and the number and interval of the laminated structures 3 to be arranged are adjusted according to manufacturing convenience. be able to. Further, the semiconductor layer 5 is stacked on almost the entire main surface 4a of the first metal layer 4 and is shared between the second metal layers 6 according to the example shown in FIG. Also good.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、上記第１〜３及び第５の実施形態では、第１の金属層が基板の主面全体に積層された態様を示したが、半導体層が積層される領域のみに第１の金属層を積層してもよい。 The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the first to third and fifth embodiments described above, the first metal layer has been stacked on the entire main surface of the substrate. However, the first metal layer is formed only in the region where the semiconductor layer is stacked. May be laminated.

また、上記実施形態では第１の金属層及び第２の金属層としてＡｕを用いたが、Ａｇ又はＡｌを用いることができる。これらの金属は表面プラズモンによるエネルギーのロスが比較的少ない金属として、表面プラズモンデバイスに用いられている金属である。但し、用いる金属としては、検出しようとする波長域において負の比誘電率を持っている金属であればよいため、エネルギーのロスを許容できるならば、これら以外の金属を用いることもできる。 In the above embodiment, Au is used as the first metal layer and the second metal layer, but Ag or Al can be used. These metals are metals used in surface plasmon devices as metals with relatively little energy loss due to surface plasmons. However, as the metal to be used, any metal having a negative relative dielectric constant in the wavelength range to be detected may be used. Therefore, other metals can be used as long as energy loss can be tolerated.

また、半導体層の材料として、Ｓｉ意外にも、例えばＩｎＧａＡｓ等を用いることができる。また、バイアス電源はゼロバイアスでの動作でもよい。この場合は電源が存在しないものとみなすことができるため、電源がなくてもよい。 In addition to Si, for example, InGaAs can be used as a material for the semiconductor layer. The bias power supply may operate with zero bias. In this case, since it can be considered that there is no power source, there is no need for a power source.

また、上記実施形態では、第１及び第２の金属層と半導体層とはオーミック接合としたが、暗電流をより小さくするために、ショットキー接合としてもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the 1st and 2nd metal layer and the semiconductor layer were made into ohmic junction, in order to make dark current smaller, it is good also as a Schottky junction.

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ…光検出器、３，２３，３３，４３…積層構造体、４，４４…第１の金属層、５，２５，３５，４５…半導体層、６，２６，３６，４６…第２の金属層、７ａ，７ｂ…電極パッド部、Ｌ…共振器長（幅）。 1A, 1B, 1C, 1D, 1E ... photodetector, 3, 23, 33, 43 ... laminated structure, 4, 44 ... first metal layer, 5, 25, 35, 45 ... semiconductor layer, 6, 26 , 36, 46 ... second metal layer, 7a, 7b ... electrode pad portion, L ... resonator length (width).

Claims

A first metal layer;
A semiconductor layer stacked on the first metal layer;
A laminated structure having a second metal layer laminated on the semiconductor layer,
In the stacked structure, surface plasmons are excited by incident light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength of the semiconductor layer, and phonons are excited by an electric field formed by resonance of the surface plasmons. A photodetector in which electrons in a semiconductor layer transition.

The width of at least one of the first metal layer and the second metal layer along a predetermined direction at an interface between the semiconductor layer and at least one of the first metal layer and the second metal layer is: The photodetector according to claim 1, wherein the length is such that an electric field that resonates the surface plasmon and excites the phonon is formed.

3. The photodetector according to claim 2, wherein the width of the interface along the predetermined direction is an integral multiple of one half of the wavelength of the surface plasmon excited by the stacked structure.

The said laminated structure is arranged in multiple numbers along the surface perpendicular | vertical to the lamination direction of the said 1st metal layer, the said semiconductor layer, and the said 2nd metal layer. Light detector.

A first electrode pad portion and a second electrode pad portion for taking out the transitioned electrons to the outside;
The first metal layer is electrically connected to the first electrode pad portion;
The said 2nd metal layer is a photodetector as described in any one of Claims 1-4 electrically connected with the said 2nd electrode pad part.