JP2016174076A - 半導体素子、信号増幅方法、及び、検出装置 - Google Patents

半導体素子、信号増幅方法、及び、検出装置 Download PDF

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Abstract

【課題】高電圧を必要としないでアバランシェ増幅を可能とすることができるようにする。
【解決手段】半導体素子は、半導体表面のキャリヤを、入射光の電界増強により強く振動させて、半導体構成原子と衝突させることで、電子を増倍する。本技術は、例えば、入射光としてテラヘルツ波を利用する、物体内部の透過像を検出するシステム、医療診断や生体分析、情報通信、測距システムに応用することができる。また、セキュリティの分野のほか、分子の相互作用検出による分光分析分野などにも応用することができる。
【選択図】図２

Description

本技術は、半導体素子、信号増幅方法、及び、検出装置に関し、特に、高電圧を必要としないでアバランシェ増幅を可能とすることができるようにした半導体素子、信号増幅方法、及び、検出装置に関する。
テラヘルツ波（THz波）は、光波と電波の中間領域にあたり、それらの特性の両方を備えていると考えられていることから、その特性を活かして、例えば、医療診断や生体分析、情報通信、測距システムなどの分野での応用が期待されており、各種の研究が行われている（例えば、非特許文献１，２参照）。なお、1テラヘルツは、1012Hzに相当し、テラヘルツ波は、0.1〜10×1012Hzの帯域の総称である。
また、半導体の分野において、電界のエネルギーによって、電子が雪崩的に増幅するアバランシェ増幅が知られている。
共鳴トンネルダイオードを用いたテラヘルツイメージング；宮本，向井；第60回応物春季学術講演会[29a-D1-2] 田中，向井；Isotope News 2013/10月号No.714, pp.2-5.
ところで、テラヘルツ波を利用した検出方法において、アバランシェ増幅の技術を応用することが期待されており、特に、高電圧を必要としないアバランシェ増幅の技術が要請されていた。
本技術はこのような状況に鑑みてなされたものであり、高電圧を必要としないでアバランシェ増幅を可能とすることができるようにするものである。
本技術の一側面の半導体素子は、半導体表面のキャリヤを、入射光の電界増強により強く振動させて、半導体構成原子と衝突させることで、電子を増倍する半導体素子である。
本技術の一側面の信号増幅方法及び検出装置は、上述した本技術の一側面の半導体素子に対応する信号増幅方法及び検出装置である。
本技術の一側面においては、半導体表面のキャリヤが、入射光の電界増強により強く振動されて、半導体構成原子と衝突されることで、電子が増倍される。
本技術の一側面によれば、高電圧を必要としないでアバランシェ増幅を可能とすることができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
テラヘルツ波検出システムの構成例を示す図である。 テラヘルツ波検出素子の構造を示す図である。 チャネル部のバンド構造を示す図である。 チャネル部の深さ方向のバンド構造を示す図である。 光誘起アバランシェ増幅における信号検出原理を説明する図である。 テラヘルツ波の電界強度の増強を説明する図である。 FDTD法によるシミュレーションの結果を示す図である。 従来のアバランシェ増幅による信号検出方法を説明する図である。 本技術の光誘起アバランシェ増幅による信号検出方法を説明する図である。 光誘起アバランシェ増幅を模式的に示した図である。 テラヘルツ波による電界強度の波形を示す図である。 アバランシェ領域にホールを注入した場合を模式的に示した図である。 アバランシェ領域に電子を注入した場合を模式的に示した図である。 複数の金属スリットリングを設けた場合の配置の例を示す図である。 アバランシェ領域を通過しない素通り電流を減らした場合の配置の例を示す図である。 チャネル幅をアバランシェ領域のみに絞った場合の配置の例を示す図である。 チャネル長を最小化した場合の配置の例を示す図である。 偏光依存性を解消するための基本の配置の例を示す図である。 偏光依存性を解消するための２次元配置の例を示す図である。 チャネル面に対して立てた配置の例を示す図である。
以下、図面を参照しながら本技術の実施の形態について説明する。なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．システム構成
２．テラヘルツ波検出素子の構造
３．信号検出方法
４．動作原理の論理的検証
５．他の実施の形態
６．金属スリットリングの配置方法
＜１．システム構成＞
（テラヘルツ波検出システムの構成）
図１は、テラヘルツ波検出システム１の構成例を示す図である。
テラヘルツ波検出システム１は、テラヘルツ波（テラヘルツ光）を利用して、物体２の内部の透過像を検出するためのシステムである。図１において、テラヘルツ波検出システム１は、テラヘルツ波光源１０、レンズ１１、レンズ１２、テラヘルツ波増強部１３、テラヘルツ波検出装置１４、及び、情報処理装置１５から構成される。
テラヘルツ波検出システム１においては、テラヘルツ波光源１０から発せられたテラヘルツ波が、レンズ１１を介して物体２を透過する。そして、物体２を透過したテラヘルツ波は、レンズ１２により集光され、テラヘルツ波増強部１３により増強された後、テラヘルツ波検出装置１４に入射される。
テラヘルツ波検出装置１４は、テラヘルツ波増強部１３からのテラヘルツ波に応じた信号を検出して、その検出結果を、情報処理装置１５に供給する。情報処理装置１５は、テラヘルツ波検出装置１４からの検出結果を処理して、例えば、物体２の内部の透過像を出力する。
なお、テラヘルツ波検出システム１において、テラヘルツ波検出装置１４は、イメージャ（イメージャデバイス）に相当するものであり、テラヘルツ波増強部１３は、イメージャにおけるOCL(On Chip Lens)に相当するものである。また、テラヘルツ波検出装置１４には、テラヘルツ波を検出するための素子（半導体素子）が、２次元状に配列されているため、２次元画像（透過像）を取得する際に、スキャンが不要とされる。
また、図１のテラヘルツ波検出システム１では、テラヘルツ波を利用したシステムの一例として、物体内部の透過像を検出するシステムを説明したが、例えば、医療診断や生体分析、情報通信、測距システムなどのテラヘルツ波を利用した他のシステムに応用することができる。また、セキュリティの分野のほか、分子の相互作用検出による分光分析分野などにも応用することができる。
＜２．テラヘルツ波検出素子の構造＞
（テラヘルツ波検出素子の構造）
図２は、図１のテラヘルツ波検出装置１４におけるテラヘルツ波検出素子１４０の構造を示す図である。なお、テラヘルツ波検出装置１４においては、１画素に相当するテラヘルツ波検出素子１４０が、２次元状に複数配列されることになる。
図２において、テラヘルツ波検出素子１４０は、完全空乏型SOI(FD-SOI：Fully Depleted Silicon On Insulator)２０１、BOX(Buried Oxide)層２０２、及び、シリコン基板２０３が積層されて構成される。また、完全空乏型SOI２０１上には、例えばシリコン酸化膜(SiO2)等の絶縁膜２０４が形成されている。
完全空乏型SOI２０１は、pin接合ダイオードを形成している。このpin接合ダイオードにおいて、p層はソース（ソース部）、n層はドレイン（ドレイン部）、i層(intrinsic Si)はチャネル（チャネル部）に相当する。このi層上に、絶縁膜２０４を介して金属スリットリング１３０が配置される。なお、金属スリットリング１３０は、図１のテラヘルツ波増強部１３に配置されることになる。
金属スリットリング１３０は、テラヘルツ波を集光する金属ナノ構造（金属微細構造）として、例えば、ナノサイズのスリットである金属ナノギャップ１３０Ａを有している。この金属スリットリング１３０としては、金属ナノギャップ１３０Ａを有する金のリング（金のスリットリング）などが適当である。すなわち、この金属スリットリング１３０が、テラヘルツ波に対するアンテナの役割を果たすことになる。
ここで、金のスリットリング等の金属スリットリング１３０の金属ナノギャップ１３０Ａでは、テラヘルツ波がプラズモン共鳴により局所的に共鳴集光され、強度が増強された近接場光としてシリコン(Si)チャネルに入射される。そして、この増強光の電界（図中の「Ｅ」の部分）により、シリコンチャネル内における電子（キャリヤ）は、アバランシェ増幅（光誘起アバランシェ増幅）を起こすことになる（図中のアバランシェ領域Ａ）。
金属スリットリング１３０は、FET(Field Effect Transistor)におけるゲート電極とみなすこともできるため、金属ナノギャップ１３０Ａの両極に誘起される電荷により、シリコンチャネルの電位は、テラヘルツ(THz)の周波数で振動されることになる。
この金属ナノギャップ１３０Ａの大きさは、10nm未満のサイズであって、例えば5nm程度と小さく、したがって、生じる電界は非常に強いものとなる。また、金属スリットリング１３０の直径は、400nm程度、リングの幅は100nm程度とすることができる（例えば、下記の文献３参照）。
文献３：文科省・先端研究施設共用イノベーション創出事業；ローム，北大，静岡大Gp.；H20年度トピックス
また、チャネル部の面積は、金属スリットリング１３０の直下のアバランシェ領域Ａが、チャネル領域に含まれていればよい。金属スリットリング１３０を１個で構成する場合には、チャネル領域の大きさは、スリット開口の大きさ程度まで小さくすることができる。このとき、ソース部とドレイン部を含むテラヘルツ波検出素子１４０（１画素）のサイズは、1μmのオーダーとなる。
ソース−ドレイン間には、逆バイアスとなる適当なドレイン電圧（VD > 0）を印加して、チャネルに電子（キャリヤ）を誘起しておくようにする（ダイオードのオフ電流に相当する）。一方で、シリコン基板２０３のゲート電極には、BOX層２０２を介してバックゲート電圧（VBG < 0）を印加して、SOI(Silicon On Insulator)の全厚を空乏化して完全空乏型SOI２０１が形成されるようにする。
なお、プラズモン共鳴による増強電界が及ぶのは、チャネル表面から数nmの深さであるが、完全空乏型SOI２０１では、SOIが完全空乏化され、電子（キャリヤ）は、チャネル最表面に集められているため、その程度の深さでも十分である。すなわち、これが完全空乏型SOI２０１を用いている理由でもある。また、国際半導体技術ロードマップ（ITRS：International Technology Roadmap for Semiconductors）に則して設計を行えば、完全空乏型SOI２０１の厚みは、例えば、数10nm〜数nmなどで、BOX層２０２の厚みは、例えば、数10nm〜数nmなどとすることができる。
（チャネル部のバンド構造）
図３は、チャネル部のバンド構造を示す図である。
図３においては、テラヘルツ波の入射により、金属スリットリング１３０の金属ナノギャップ１３０Ａの直下にあるi層のチャネル部のバンドには、局所的に強い電位振動が誘起される。そして、この金属ナノギャップ１３０Ａの大きさに相当する急峻な電位勾配領域（例えば数nm）が、アバランシェ領域Ａとなる。そして、逆バイアスで生じた僅かな電子（キャリヤ）は、この電位勾配（すなわち電界）で、光誘起アバランシェ増幅されることになる。図３では、模式的に表された電子(e-)が、光誘起アバランシェ増幅されて、その数が増加している（電子増倍）。
なお、電位が局所的に凹む場合には、電子（キャリヤ）がトラップされることが想定される場合もあるが、次の瞬間に極性が変化して、増幅された電子ははじき出され、ドレイン電圧により、ドレイン側に引っ張られる。これにより、テラヘルツ波の強度は、ドレイン電流として検出されることになる。
（チャネル部の深さ方向のバンド構造）
図４は、チャネル部の深さ方向のバンド構造を示す図である。
完全空乏型SOI２０１では、バックゲート電圧（VBG < 0）によって、チャネルの電位が厚み方向にベンドされており、完全空乏化されている。そのため、テラヘルツ波の入射側、すなわち、チャネル側に、電子（キャリヤ）が蓄積されることになる。
なお、反転層が形成されるほど強いバックゲート電圧VBGを印加しないようにする必要がある。これは、そのようなバックゲート電圧VBGを印加すると、チャネル側にまでベンドが及ばなくなり、電子（キャリヤ）を蓄積できなくなるからである。
＜３．信号検出方法＞
（光誘起アバランシェ増幅における信号検出原理）
図５は、本技術を適用した光誘起アバランシェ増幅における信号検出原理を説明する図である。図５には、pn接合ダイオードの電流電圧特性曲線（I-Vカーブ）が示されている。
信号の検出には、逆方向バイアス電流（逆バイアス電流）の変化を利用する。なお、この逆バイアス電流は、pn接合ダイオードのリーク電流に相当し、例えば、pA程度の極僅かな電流で十分である。
図５においては、例えば電圧VDを1Vとした場合に、テラヘルツ波により光誘起アバランシェ増幅が誘起されると、増幅された電流IRが発生する。テラヘルツ波の強度は、電流I0に対する電流IRの大きさとして検出される。ここでは、高電圧を必要としないで光誘起アバランシェ増幅（アバランシェ増幅）が可能となっている。そして、逆バイアス電流変調として、テラヘルツ波の強度が検出されるので、当該逆バイアス電流の変化を測定することで、信号を検出することができる。その際に、特別な検出回路は不要であるため、回路構成を簡略化することができる。
なお、従来のアバランシェ増幅は、電圧VBに近い逆方向のバイアス電圧を印加することで発生する。例えば、EM-CCD(Electron Multiplying - Charge Coupled Device)では、30〜50Vとされる。
（テラヘルツ波の電界増強）
図６は、テラヘルツ波の電界強度の増強を説明する図である。
図６において、入射されるテラヘルツ波（例えば、1THz，λ=300μm）は、まず、レンズ１２で集光される。光学的なレンズ１２を使用する場合、レンズ１２による集光は、レンズ１２の回折限界（波長のオーダー）までであり、光の強度（∝|E|2）は、「×面積比」に増強されることになる。これを、電界強度に変換すると、「×面積の平方根」で、レンズ径を3mとすれば、例えば、「×104」となる。
次に、レンズ１２からのテラヘルツ波は、金属スリットリング１３０で、金属ナノギャップ１３０Ａのプラズモン共鳴により集光され、さらに増強される。ここでは、プラズモン共鳴現象により、回折限界以下にまでテラヘルツ波を絞ることができる。また、金属スリットリング１３０として、テラヘルツ波に最適化された金のスリットリングを用いた場合、例えば、「×√25,000」、すなわち、「×160」となる。
その結果、入射されるテラヘルツ波の電界強度は、104×160 = 1.6×106倍に増強されることになる。すなわち、入射されるテラヘルツ波の電界強度をEinとし、増強後の電界強度を、Eenhとすれば、下記の式（１）の関係が成立することになる。
Figure 2016174076
なお、図７には、FDTD(Finite Difference Time Domain)法による、テラヘルツ波の電界強度増強のシミュレーション結果が示されている。このシミュレーションでは、50THzと130THzにプラズモン共鳴バンドが観測され、金属ナノギャップ１３０Ａのスリット幅5nmにて、25,000倍の光電場増強が確認されている。
（従来の信号検出方法との比較）
図８は、従来のアバランシェ増幅による信号検出方法を説明する図である。
図８においては、フォトダイオード(PD)に、可視光が入射される様子が模式的に示されているが、入射される可視光の強度（∝|E|2）が変化すると、フォトダイオード(PD)で光電変換により発生する電子数（信号）が変化する。例えば、図中の入射光のうち、右側の入射光の強度が最も低く、中央の入射光の強度が最も高く、左側の入射光の強度がそれらの中間である場合、フォトダイオード(PD)では、左側の入射光に応じたa個の電子、中央の入射光に応じたb個の電子、右側の入射光に応じたc個の電子が発生することになる。
また、アバランシェ増幅では、アバランシェ電界強度が一定で、光電変換等により生じる電子数（信号）が増幅されている。すなわち、アバランシェ増幅率は一定となっている。したがって、例えばアバランシェ増幅率が2倍（×2）となる場合、アバランシェ増幅によって、左側の入射光に応じたa個の電子が2a個となり、中央の入射光に応じたb個の電子が2b個となり、右側の入射光に応じたc個の電子が2c個となる。
一方、図９は、本技術の光誘起アバランシェ増幅による信号検出方法を説明する図である。
図９においては、テラヘルツ波検出素子(PD)１４０に、テラヘルツ波が入射される様子が模式的に示されている。テラヘルツ波（テラヘルツ光）はエネルギーが小さいため（約4meV）、一般に、フォトダイオード(PD)にて光電変換により光電子が生じることはなく、図中に示したa個の電子は、ダイオードの逆バイアス電流及びバックゲート電圧印加によりチャネル表面に集められた電荷を表している。すなわち、チャネル表面には、入射されるテラヘルツ波の強度に依らず、一定の数の電荷が初期状態として存在することになる。
本技術の光誘起アバランシェ増幅では、入射されるテラヘルツ波の強度が変化すると、それに応じて、アバランシェ電界強度も変化する。すなわち、アバランシェ増幅率は、入射光の強度に応じて変化することになる。例えば、図９においては、中央の入射光の強度が最も高いので、光誘起アバランシェ増幅では、最も高い倍率（例えば5倍（×5））に増幅（電子増倍）され、5a個の電子が得られる。同様に、光誘起アバランシェ増幅では、右側の入射光の強度が最も低いので、最も低い倍率（例えば2倍（×2））に増幅（電子増倍）されて2a個の電子が得られるとともに、左側の入射光の強度は中間の強度となるので、中間の倍率（例えば3倍（×3））に増幅（電子増倍）されて、3a個の電子が得られる。
このように、従来のアバランシェ増幅による信号検出方法（図８）では、アバランシェ電界強度が一定で、光電変換等により生じる電子数（信号）をアバランシェ増幅しているため、アバランシェ増幅率は一定となっている。一方で、本技術の光誘起アバランシェ増幅による信号検出方法（図９）では、アバランシェ領域に注入される電子数は一定で（図５の電流I0に相当）、テラヘルツ波の強度（∝|E|2）が変化することにより、アバランシェ増幅率も変化して、増幅される信号量（図５の電流IRに相当）が変化することになる。
なお、図９において、入射されるテラヘルツ波の電界強度|E|は、上述した式（１）の関係から、1.6×106倍に増強されていることになる。
＜４．動作原理の論理的検証＞
図１０は、光誘起アバランシェ増幅を模式的に示した図である。
図１０においては、テラヘルツ波が入射される格子を形成する４個の原子（例えばシリコン）と、光電場により振動するキャリヤである電子(e-)が表されている。この電子の振動振幅が格子間隔を超えて、電子と原子が激しく衝突すると、光誘起アバランシェ増幅が起き得ることになる。ここで、図１１は、下記の式（２）で表されるテラヘルツ波による電界強度の波形を示している。
Figure 2016174076
図１１において、電界強度の半周期（T/2）の間、電子は、一方向に加速し続けることになる（パルス電界に相当）。なお、この半周期の間の電子の走行距離（振動振幅）が、シリコン中における電子の平均自由工程よりも十分、大きく設計する必要がある。また、図１１において、光誘起アバランシェ増幅は、電界強度が最も高い振幅のピーク付近で生じやすい。
ここで、電子の走行距離（振動振幅）と運動エネルギーの見積もりを示す。電子の走行距離（振動振幅）は、入射する光波（テラヘルツ波）の電界強度と、振動数（走行時間）で決定される。このとき、電子は、平均自由工程内では、バリスティック伝導（Ballistic）することになる。そして、入射されるテラヘルツ波を、上記の式（２）で表すと、下記の式（３）の関係が導き出される。
Figure 2016174076
なお、式（３）において、E0は、増強された電界強度（振幅）を表している。また、ω=2π/Tである。
ここで、入射されるテラヘルツ波の電界強度が、100V/m（可視光の1000 1xに相当）であるとすると、増強された電界強度E0は、160MV/mとなる。また、振動数を、1THz（T=10-12s）とした場合に、一方向に加速し続ける半周期における電子の走行距離（最大走行距離）は、式（３）において、Ei=0，t=T/2とすれば、下記の式（４）のように求められる。
Figure 2016174076
このようにして求められた電子の最大走行距離（2.2μm）は、シリコン中における電子の平均自由工程（例えば50nm）以上の十分な走行距離であり、加速した電子は、原子と衝突し得ることになる。なお、シリコンの平均自由工程は、室温で数nm〜数10nmであることが知られている。ただし、シリコンの平均自由工程は、電子のエネルギーに依存するものであり、エネルギーが高いほど、遠くまで走行可能となる。
そして、式（２）のサイン波（図１１）における電界強度が高いときに、光誘起アバランシェ増幅が起き得ることになる。ここで、仮に、E0近傍の電界が作用したとして、この間、電界が一定であるとすると、50nm走行時点での電子の運動エネルギーは、下記の式（５）のように求められる。
Figure 2016174076
このようにして求められた電子の運動エネルギー（8.0eV）は、シリコンのバンドギャップである1.1eVよりも十分に大きく、光誘起アバランシェ増幅を起こし得ることがわかる。
また、E0近傍の電界で、電子が、50nm走行するのに要する時間は、式（３）において、x=50nm，Ei=E0として、T/100程度となる。これは、T/2と比べて、十分に小さく、変化率の小さいE0近傍では、この間、電界をほぼ一定とみなすことができる。そして、光誘起アバランシェ増幅は、電界強度が高いときに、確率的に生じることになる。すなわち、式（２）のサイン波（図１１）における電界強度が高いときに、光誘起アバランシェ増幅が起き得ると言える。
なお、可視光では振動数が高いために（E14〜15Hz）、電子の一方向の走行時間(T/2)が短すぎて、E0でも電子は平均自由工程に至ることはない。この場合、平均自由工程到達前に引き戻されるか、あるいは弱くぶつかる程度で、熱になってしまう。例えば、E14Hz（T=E-14s）では、T/2の間における走行距離は、0.22nmとなる。
また、光誘起アバランシェ増幅を利用して、シリコンで検出する対象光は、テラヘルツ波が好適である。その理由としては、テラヘルツ波よりも周波数が高い場合には、上述したように、光誘起アバランシェ増幅を起こしにくい点が挙げられる。一方で、テラヘルツ波よりも周波数が低い場合には、電磁波として既存の方法を用いることが可能であるため、本技術の信号検出方法を用いるケースは少ないと考えられるからである。
＜５．他の実施の形態＞
上述した説明では、光誘起アバランシェ増幅を利用する場合を説明したが、光誘起アバランシェ増幅の代わりに、衝突電離（Impact Ionization）を利用するようにしてもよい。
また、上述した説明では、アバランシェ領域に電子を注入する場合を説明したが、図１２に示すように、アバランシェ領域にホール（正孔）を注入するようにしてもよい。ただし、シリコンを用いる場合に、ホールを注入して光誘起アバランシェ増幅を起こすとノイズが生じやすいため、シリコンを用いる場合には、アバランシェ領域には、電子を注入することが望ましい（図１３）。なお、図１２及び図１３において、領域Ｂに反転層が形成されると、空乏層がチャネル表面にまで及ばないため、反転層が形成されないようにする必要がある（反転層が形成されるほど強いバックゲート電圧VBGを印加しないようにする必要がある）。
また、上述した説明では、完全空乏型SOI２０１に、pin接合ダイオードが形成される場合を説明したが、pn接合ダイオードが形成されるようにしてもよい。さらに、半導体ダイオードの材料としては、広く使用されているシリコン（Si）が好適であるが、バンドギャップが数eV以下の任意の半導体材料であれば、それを用いることができる。例えば、CIGS(銅(Cu)，インジウム(In)，ガリウム(Ga)，セレン(Se))などのバンドギャップが小さい材料を用いることで、光誘起アバランシェ増幅を起こしやすくすることができる。
テラヘルツ波検出素子１４０（を有するテラヘルツ波検出装置１４）は、室温で動作するが、さらに感度を高める（ノイズを減らす）ために、テラヘルツ波検出素子１４０又はテラヘルツ波検出装置１４全体を冷却するようにしてもよい。また、テラヘルツ波は、金属を透過しないため、完全空乏型SOI２０１を透過したテラヘルツ波を、例えばバックゲート電極で反射させて、シリコン表面側の金属スリットリング１３０の金属ナノギャップ１３０Ａで捕らえるようにする。これにより、入射されるテラヘルツ波を無駄なく利用して、感度を高めることができる。
上述した図５の電流電圧特性曲線において、電圧VDを、電圧VBに近づけることで、従来のアバランシェ増幅の効果が加わって、本技術を適用した光誘起アバランシェ増幅の感度をさらに増強することができる。また、テラヘルツ波検出素子１４０（を有するテラヘルツ波検出装置１４）において、検出するテラヘルツ波以外の光が入射すると、S/N比が低下するので、テラヘルツ波検出素子１４０は、外乱光を遮断できる筐体等に配置されるようにすることができる。また、テラヘルツ波検出素子１４０の上部に、可視光フィルタやIR光フィルタなどを配置するようにしてもよい。
金属スリットリング１３０は、絶縁破壊電圧VBDが高い高純度な絶縁体膜等でパッシベーション（Passivation）するのが好ましい。その理由であるが、原理的にはそのままでも構わないのであるが、大気にさらすのは、金属スリットリング１３０の金属ナノギャップ１３０Ａで、放電しやすくなるため、望ましくない。さらに、真空パッケージなどで、密封してもよい。なお、金属スリットリング１３０は、その配置方法を変えることで、感度向上や検出高効率化などに寄与するが、その詳細な内容は、図１４乃至図２０を参照して説明する。
＜６．金属スリットリングの配置方法＞
次に、図１４乃至図２０を参照して、金属スリットリング１３０の配置方法について説明する。
（複数の配置）
図１４は、複数の金属スリットリング１３０を設けた場合の配置の例を示す図である。なお、図１４は、テラヘルツ波検出素子１４０の平面図（top view）となる。
図１４において、pin接合ダイオードが形成された完全空乏型SOI２０１のi層上に、絶縁膜２０４を介して複数の金属スリットリング１３０が配置されている。このように、複数の金属スリットリング１３０を配置することで、シリコン表面におけるアバランシェ領域Ａが増えるため、信号を増加させることができる。
なお、図中の矢印は、アバランシェ領域Ａを通らない逆バイアス電流Iを表しており、この電流Iは、無駄になってしまうが、アバランシェ領域Ａが増加しているため、信号の検出効率を向上させることができる。ただし、図１５に示すように、例えば、３列配置された金属スリットリング１３０のうち、中央の列の金属スリットリング１３０を、他の２つの列の金属スリットリング１３０に対してずらすことで、アバランシェ領域Ａを通らない逆バイアス電流Iを減らすことができる。その結果、検出効率をさらに向上させることができる。
（チャネル幅を絞った配置）
図１６は、チャネル幅をアバランシェ領域のみに絞った場合の配置の例を示す図である。なお、図１６は、テラヘルツ波検出素子１４０の平面図（top view）となる。
図１６においては、pin接合ダイオードが形成された完全空乏型SOI２０１のチャネル幅が、アバランシェ領域Ａの領域程度に絞られている。この場合のチャネル幅であるが、例えば100nm程度の金属ナノギャップ１３０Ａのプラズモン共鳴領域程度とすることができる。
このように、チャネル幅が、金属スリットリング１３０の下部のみとすれば、電流経路が絞られるため、アバランシェ領域Ａ以外の領域を通過する逆バイアス電流Iがなくなり、暗電流（逆バイアス電流）そのものも減らすことができる。すなわち、すべての逆バイアス電流Iが、アバランシェ領域Ａを通過して、光誘起アバランシェ増幅に寄与するため、感度向上や検出高効率化を図ることができる。ただし、この場合、入射されるテラヘルツ波の偏光方向は一方向に限られることにはなる。
（チャネル長を最小化した配置）
図１７は、チャネル長を最小化した場合の配置の例を示す図である。なお、図１７は、テラヘルツ波検出素子１４０の平面図（top view）となる。
図１７においては、pin接合ダイオードが形成された完全空乏型SOI２０１のチャネル幅が、アバランシェ領域Ａの領域程度に絞られるとともに、チャネル長が最小化されている。この場合のチャネル長であるが、例えば10nm程度の金属スリットリング１３０の直下のアバランシェ領域Ａが、チャネル領域に含まれる程度とすることができる。
これにより、すべての逆バイアス電流Iが、アバランシェ領域Ａを通過して、光誘起アバランシェ増幅に寄与するため、感度向上や検出高効率化を図ることができる。なお、チャネル長が非常に狭くなれば、i領域をなくして、pn接合ダイオードが形成されるようにしてもよい。これにより、テラヘルツ波検出素子１４０のサイズを小さくすることができる。なお、図１４乃至図１７の例において、金属スリットリング１３０の金属ナノギャップ１３０Ａの向きは、ドレイン電流と直交している必要はなく、任意の角度を持たせるようにしてもよい。
（偏光依存性を解消した配置）
図１８は、偏光依存性を解消するための基本の配置の例を示す図である。なお、図１８は、テラヘルツ波検出素子１４０の平面図（top view）となる。
図１８においては、２つの金属スリットリング１３０を組にして、金属ナノギャップ１３０Ａの向きが互いに90°ずれるようにする。金属ナノギャップ１３０Ａのスリットの向きは、ドレイン電流と並行でも直交でもよいため、このようにして２つの金属スリットリング１３０を組にすることで、入射されるテラヘルツ波の偏光依存性を解消することができる。なお、ペア（組）にした金属スリットリング１３０の２つの金属ナノギャップ１３０Ａの相対角度が90°になっていればよく、必ずしも金属ナノギャップ１３０Ａをドレイン電流に対して直交及び平行に配置する必要はない。
図１９は、偏光依存性を解消するための２次元配置の例を示す図である。なお、図１９は、テラヘルツ波検出素子１４０の平面図（top view）となる。ただし、図１９Ａ及び図１９Ｂにおいては、完全空乏型SOI２０１のチャネル部のみを図示し、１つの画素（テラヘルツ波検出素子１４０）に、４つの金属スリットリング１３０が配置されている場合を示している。
すなわち、図１８の基本の配置においては、２つの金属スリットリング１３０を組にした場合を説明したが、図１９Ａ及び図１９Ｂでは、４つの金属スリットリング１３０の組み合わせが２次元状に配置されている。
図１９Ａにおいては、各画素内で、４つの金属スリットリング１３０が、それぞれの金属ナノギャップ１３０Ａのスリットの向きを90°単位でずらして配置されている。また、図１９Ｂにおいては、４つの画素ごとに、４つの金属スリットリング１３０の金属ナノギャップ１３０Ａのそれぞれのスリットの向きが、90°単位でずれるように配置されている。
また、金属スリットリング１３０には偏光依存性があるので、図１９Ｃに示すように、金属ナノギャップ１３０Ａのスリットに直交する電界方向が最も検出効率が高くなる。そこで、偏光依存性が問題になる場合には、図１９Ａの基本の配置や図１９Ｂの２次元状の配置を採用して、金属ナノギャップ１３０Ａのスリットの向きが90°単位でずらされた金属スリットリング１３０が配置されるようにする。ただし、図１９Ａの基本の配置や図１９Ｂの２次元状の配置は、一例であって、偏光依存性の問題を解消できる他の配置を採用してもよい。なお、偏光依存性解消には、金属ナノギャップ１３０Ａ間の相対角度が90°のペア（組）を最小単位とすれば十分であるが、それ以外の角度を持つ金属スリットリング１３０が何らかの目的のために混じっていても構わない。
（チャネル面に対して立てた配置）
図２０は、金属スリットリング１３０をチャネル面に対して立てた配置の例を示す図である。なお、図２０Ａは、テラヘルツ波検出素子１４０の側面図（side view）となり、図２０Ｂは、テラヘルツ波検出素子１４０の平面図（top view）となる。また、図２０Ｃは、図２０Ａにおける金属スリットリング１３０を、矢印Ｐの方向から見た場合の図を示している。
図２０Ａにおいて、テラヘルツ波検出素子１４０は、図２と同様の構造からなるが、完全空乏型SOI２０１上に、絶縁膜２０４を介して配置される金属スリットリング１３０が、チャネル面に対して垂直に立てられている。この場合において、金属スリットリング１３０の下部に金属ナノギャップ１３０Ａが位置するようにして、金属ナノギャップ１３０Ａのスリットを、チャネル面と対向させることで、金属スリットリング１３０の直下のアバランシェ領域Ａがチャネル領域に含まれるようにすることが可能となる。
また、図２０Ｂに示すように、チャネル面に対して垂直に立てられた金属スリットリング１３０は、金属ナノギャップ１３０Ａのスリットが、チャネル面と対向さえしていれば、その向きを、チャネルに対して水平にしたり、あるいは垂直にしたり、あるいは任意の角度にしたりすることができる。さらに、図２０Ｃに示すように、チャネル面に対して垂直に立てられた金属スリットリング１３０を、金属ナノギャップ１３０Ａのスリットとチャネル面と対向を維持しつつ、斜めに傾けることで、点接触とするようにしてもよい。このように、金属スリットリング１３０を斜めに傾けて点接触とすれば、チャネル領域の極小化に有効となる。
なお、上述した図１４乃至図１９の金属スリットリング１３０の配置においても、図２０の配置と同様にして、金属ナノギャップ１３０Ａのスリットが、チャネル面と対向さえしていれば、金属スリットリング１３０をチャネル面に対して垂直に立てたり、あるいは斜めに傾けて点接触としたりすることができる。
以上のように、本技術を適用した半導体素子（図２のテラヘルツ波検出素子１４０）においては、半導体表面のキャリヤを、入射光の電界増強により強く振動させて、半導体構成原子と衝突させることで、電子増倍を起こすことになる。そして、この半導体素子では、pin接合ダイオード又はpn接合ダイオードに逆バイアス電流を流して、光誘起アバランシェ増幅による電子増倍により、逆バイアス電流を変調させることで、入射光の強度を検出することから、高電圧を必要としないでアバランシェ増幅（光誘起アバランシェ増幅）を可能とすることができる。
また、この半導体素子は、入射光がテラヘルツ波である場合、pin接合ダイオード又はpn接合ダイオードにより、高感度に当該テラヘルツ波を検出することができる。また、この半導体素子は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)プロセスで製造可能であり、その構造もシンプルとなるため、複雑な工程を経ることなく、容易に製造することができる。また、入射されるテラヘルツ波自体を検出のエネルギー源として用いるため、超省電力化されている（いわゆるエネルギーハーベスティング技術を用いていると言える）。また、この半導体素子は、室温での動作が可能とされる。
なお、上述した非特許文献１，２には、固体素子によるテラヘルツ波検出方法として、共鳴トンネルダイオードを用いて、テラヘルツ波（0.3THz）を発振・検出する技術が開示されている。また、これらの非特許文献１，２の技術では、２次元走査（スキャン）によって、透過画像を取得することや、共鳴トンネルダイオードの非線形性（負性抵抗領域）を用いて、テラヘルツ波を検出することが開示されている。なお、この技術では、空間分解能は1mm程度とされている。
しかしながら、上述した非特許文献１，２の技術では、まず、感度が不足しているし、解像度（空間分解能）は使用するテラヘルツ波の回折限界に依存することになってしまう。また、アンテナが必要となるため、素子サイズが数mmオーダーのサイズとなり、小型化ができない。また、透過画像を得るために、２次元走査が必要となるため、そのための処理や機構が必要となってしまう。一方、上述したように、本技術では、これらの非特許文献１，２の技術の問題点をすべて解決することが可能となる。
なお、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
また、本技術は、以下のような構成をとることができる。
（１）
半導体表面のキャリヤを、入射光の電界増強により強く振動させて、半導体構成原子と衝突させることで、電子を増倍する
半導体素子。
（２）
前記半導体表面には、前記入射光によりプラズモン共鳴が生じる金属微細構造が、絶縁層を介して配置されている
（１）に記載の半導体素子。
（３）
前記金属微細構造により電界増強された光は、pin接合ダイオードのi(intrinsic)領域又はpn接合ダイオードの接合領域に入射して、光誘起アバランシェ増幅を起こすことで、電子を増倍する
（２）に記載の半導体素子。
（４）
前記pin接合ダイオード又は前記pn接合ダイオードに逆バイアス電流を流し、
前記光誘起アバランシェ増幅による電子増倍により、前記逆バイアス電流を変調させることで、前記入射光の強度を検出する
（３）に記載の半導体素子。
（５）
前記半導体は、完全空乏化している
（１）乃至（４）のいずれかに記載の半導体素子。
（６）
前記半導体における前記入射光の入射面の反対側には、ゲート電極が配置されており、
前記ゲート電極への電圧印加により、前記半導体が完全空乏化される
（５）に記載の半導体素子。
（７）
前記入射光は、テラヘルツ波である
（１）乃至（６）のいずれかに記載の半導体素子。
（８）
半導体表面のキャリヤを、入射光の電界増強により強く振動させて、半導体構成原子と衝突させることで、電子を増倍する
信号増幅方法。
（９）
（４）に記載の半導体素子が２次元状に複数配列された検出部を備える
検出装置。
（１０）
前記入射光は、テラヘルツ波である
（９）に記載の検出装置。
１ テラヘルツ波検出システム， １０ テラヘルツ波光源， １３ テラヘルツ波増強部， １４ テラヘルツ波検出装置， １３０ 金属スリットリング， １３０Ａ 金属ナノギャップ， １４０ テラヘルツ波検出素子， ２０１ 完全空乏型SOI， ２０２ BOX層， ２０３ シリコン基板， ２０４ 絶縁膜

Claims (10)

  1. 半導体表面のキャリヤを、入射光の電界増強により強く振動させて、半導体構成原子と衝突させることで、電子を増倍する
    半導体素子。
  2. 前記半導体表面には、前記入射光によりプラズモン共鳴が生じる金属微細構造が、絶縁層を介して配置されている
    請求項１に記載の半導体素子。
  3. 前記金属微細構造により電界増強された光は、pin接合ダイオードのi(intrinsic)領域又はpn接合ダイオードの接合領域に入射して、光誘起アバランシェ増幅を起こすことで、電子を増倍する
    請求項２に記載の半導体素子。
  4. 前記pin接合ダイオード又は前記pn接合ダイオードに逆バイアス電流を流し、
    前記光誘起アバランシェ増幅による電子増倍により、前記逆バイアス電流を変調させることで、前記入射光の強度を検出する
    請求項３に記載の半導体素子。
  5. 前記半導体は、完全空乏化している
    請求項１に記載の半導体素子。
  6. 前記半導体における前記入射光の入射面の反対側には、ゲート電極が配置されており、
    前記ゲート電極への電圧印加により、前記半導体が完全空乏化される
    請求項５に記載の半導体素子。
  7. 前記入射光は、テラヘルツ波である
    請求項１に記載の半導体素子。
  8. 半導体表面のキャリヤを、入射光の電界増強により強く振動させて、半導体構成原子と衝突させることで、電子を増倍する
    信号増幅方法。
  9. 請求項４に記載の半導体素子が２次元状に複数配列された検出部を備える
    検出装置。
  10. 前記入射光は、テラヘルツ波である
    請求項９に記載の検出装置。
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