JP2018018920A - 光検出器、撮像装置及び光検出器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】入射した光を光吸収層において効率よく吸収することができ、光検出感度の高い光検出器を提供する。【解決手段】半導体基板１０の一方の面に、半導体材料により形成された第１のコンタクト層２１、光吸収層２２、第２のコンタクト層２３と、前記半導体基板の他方の面に形成された複数のピラー５１と、を有し、ピラー５１は、光吸収層２２に吸収される光の波長よりも短波の吸収端を有する単結晶半導体により形成されており、複数のピラー５１は、周期的に配列されている。【選択図】図２

Description

本発明は、光検出器、撮像装置及び光検出器の製造方法に関する。

物体を検知する装置である光検出器として、物体から輻射される赤外光を検出する光検出器がある。このような光検出器は、例えば、ＱＤＩＰ（Quantum Dot Infrared Photodetector）やＱＷＩＰ（Quantum Well Infrared Photodetector）等の薄膜量子構造を光吸収層とし、その量子構造内のサブバンド間遷移による光吸収により赤外光を検出する。このような光検出器を２次元的に配置することにより撮像装置を形成することができ、２次元画像を撮像することができる。このような撮像装置により、物体からの輻射される中赤外光の波長特性を抽出し、対象物体の温度プロファイルを得ることにより、検出される物体の素性を識別することができる。

図１（ａ）は、光検出器の一例としてＱＤＩＰの構造を示す。図１（ａ）に示されるＱＤＩＰは、半導体基板９１０の一方の面に、半導体により第１のコンタクト層９２１、光吸収層９２２、第２のコンタクト層９２３が積層して形成されており、第２のコンタクト層９２３の上には、金属により反射膜９３０が形成されている。第１のコンタクト層９２１の上には、金属により第１の電極９４１が形成されており、反射膜９３０の上には、金属により第２の電極９４２が形成されている。光吸収層９２２は、複数の量子ドットが形成されている。また、半導体基板９１０の他方の面には、検出される波長の赤外光を透過する誘電体等の薄膜により反射防止膜９５０が形成されている。このような構造のＱＤＩＰでは、半導体基板９１０の他方の面より反射防止膜９５０を透過して入射した赤外光が、光吸収層９２２において吸収され検出される。

特開２０１０−２２３７１５号公報

ところで、図１（ａ）に示す構造のＱＤＩＰ等の半導体量子薄膜型の光検出器では、光吸収層９２２における光の吸収量が少ない。これは、光吸収層９２２の膜厚が、ナノメートルスケールであるため、たとえ多層化したとしても、バルク型の光検出器と比較すると、その体積は数分の１以下と小さいからである。このため、赤外光の入射面とは反対の裏面側に、反射膜９３０を形成することにより、光吸収層９２２における赤外光の吸収量を増やしている。しかしながら、ＱＤＩＰの光吸収層９２２の光の吸収率は、入射した光の数％であることから、裏面側に反射膜９３０を設けたとしても、図１（ｂ）に示すように反射され、８割以上は光検出器の外に出るため、この分は検出されない。

検出される波長が４．８μｍであるＱＤＩＰでは、半導体基板９１０は、屈折率が約３．３のＧａＡｓ基板により形成されており、反射防止膜９５０は、屈折率が約２．２５のＺｎＳ（硫化亜鉛）により形成されており、膜厚は検出波長の１／４波長である。反射防止膜９５０を形成することにより、半導体基板９１０の表面における光の反射を抑制することができ、光吸収層９２２に入射する光の光量を増やすことができるが、十分ではなく、より検出光量の高いものが求められている。尚、反射防止膜が単層である場合には、波長依存性は緩やかであり、波長選択性は低い。

従って、ＱＤＩＰやＱＷＩＰ等の光の吸収率の低い光吸収層が用いられている光検出器においても、入射した光を光吸収層において効率よく吸収することができ、光の検出光量が高く、感度の高い光検出器が求められている。

本実施の形態の一観点によれば、半導体基板の一方の面に、半導体材料により形成された第１のコンタクト層、光吸収層、第２のコンタクト層と、前記半導体基板の他方の面に形成された複数のピラーと、を有し、前記ピラーは、前記光吸収層に吸収される光の波長よりも短波の吸収端を有する単結晶半導体により形成されており、前記複数のピラーは、少なくとも一部が周期的に配列されていることを特徴とする。

開示の光検出器によれば、入射した光を光吸収層において効率よく吸収することができ、光の検出光量が高いため、感度を高めることができる。

光検出器の説明図 第１の実施の形態における光検出器の説明図 第１の実施の形態における光検出器の製造方法の工程図（１） 第１の実施の形態における光検出器の製造方法の工程図（２） 第１の実施の形態における光検出器の製造方法の工程図（３） 第２の実施の形態における光検出器の説明図 第３の実施の形態における光検出器の説明図 第４の実施の形態における光検出器の説明図 第５の実施の形態における光検出器の説明図 第６の実施の形態における撮像装置の斜視図 第６の実施の形態における撮像装置の構造図

発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

〔第１の実施の形態〕
（光検出器）
第１の実施の形態における光検出器について説明する。尚、本願においては、光とは、赤外光、可視光、紫外光のいずれかを含むものであるものとする。以下の説明においては、光が赤外光である場合について説明する。

図２（ａ）は、本実施の形態における光検出器の一例であるＱＤＩＰの構造を示す。本実施の形態における光検出器は、半導体基板１０の一方の面に、半導体により第１のコンタクト層２１、光吸収層２２、第２のコンタクト層２３が積層して形成されており、第２のコンタクト層２３の上には、金属により反射膜３０が形成されている。第１のコンタクト層２１の上には、金属により第１の電極４１が形成されており、反射膜３０の上には、金属により第２の電極４２が形成されている。光吸収層２２は、複数の量子ドットにより形成されている。また、半導体基板１０の他方の面には、複数のピラー５１がＩｎＰ基板５２の上に周期的に配列されたピラー構造部５０が形成されている。

半導体基板１０は、基板の表面が（００１）面となるＧａＡｓ基板等が用いられており、第１のコンタクト層２１及び第２のコンタクト層２３は、ｎ−ＧａＡｓにより形成されている。光吸収層２２は、ＧａＡｓにより形成された障壁層と、ＩｎＡｓにより形成された量子ドット層とが交互に積層された多層ＧａＡｓ／ＩｎＡｓ量子ドットにより形成されている。光吸収層２２におけるＩｎＡｓの量子ドットの大きさは、例えば、直径が２０ｎｍ、高さが５ｎｍである。反射膜３０はＡｕ（金）等により形成されており、第１の電極４１及び第２の電極４２は、オーミック電極となるＡｕＧｅ／Ａｕの金属積層膜により形成されている。

ピラー構造部５０は、ＩｎＰ基板５２の一方の面の上にＩｎＰにより形成されたピラー５１が周期的に形成されており、半導体基板１０の他方の面に、ピラー構造部５０のＩｎＰ基板５２の他方の面が貼り付けられている。本実施の形態においては、ＩｎＰ基板５２の一方の面の表面は（１１１）面であり、この（１１１）面の上に、複数のピラー５１が周期的に形成されている。形成されるピラー５１は、直径Ｄが１５０ｎｍであり、長さＬが１．２μｍであり、隣り合うピラー５１のピッチＰが４００ｎｍとなるように形成されている。本実施の形態においては、ピラー５１は、半導体基板１０の表面に対し略垂直に形成されている。また、ピラー構造部５０は、光吸収層２２において検出される光の波長よりも短い波長の吸収端を有する材料により形成されており、光吸収層２２において検出される波長の光は、ピラー構造部５０を透過する。従って、ピラー構造部５０より入射した光は効率よく光吸収層２２に導かれる。

本実施の形態においては、ピラー構造部５０は、ピラー５１の周期と共鳴条件を満たす特定の波長の光のみを選択的に透過させて、光吸収層２２に入射させることができる。従って、ピラー構造部５０におけるピラー５１の周期、即ち、形成されるピラー５１のピッチＰを変えることにより、ピラー構造部５０を透過する光の波長を変えることができる。具体的には、ピラー５１のピッチＰを広くするとピラー構造部５０を透過する光の波長は長くなり、ピラー５１のピッチＰを狭くするとピラー構造部５０を透過する光の波長は短くなる。従って、本実施の形態における光検出器は、波長選択性が高く、所望の波長の光を狭い波長領域において高い感度で検出することができる。

本実施の形態においては、ピラー５１の直径Ｄは、１００ｎｍ以上、３００ｎｍ以下が好ましい。長さＬは、３００ｍ以上、５μｍ以下が好ましく、更には、１μｍ以上、５μｍ以下が好ましい。ピッチＰは、２００ｎｍ以上、３０００ｎｍ以下が好ましい。

本実施の形態においては、図２（ｂ）に示すように、光検出器のピラー構造部５０が形成されている側より光が入射する。ピラー構造部５０におけるピラー５１は、半導体基板１０面に対し略垂直に形成されているため、半導体基板１０面に対し略垂直に入射する光は、ピラー構造部５０を透過するが、半導体基板１０面に対し斜めに入射する光は、ピラー構造部５０を透過しない。ピラー構造部５０に入射した光は、光吸収層２２に入射し、入射した光の一部は光吸収層２２に吸収されるが、残りは透過し、反射膜３０により反射される。反射膜３０において反射された光は、再び光吸収層２２に入射し、入射した光の一部は光吸収層２２に吸収されるが、残りは透過する。この透過した光は、反射膜３０や光吸収層２２において散乱されているため、ピラー構造部５０におけるＩｎＰ基板５２面に対し、斜め方向に入射する成分が多い。従って、ピラー５１を透過することができず、ピラー５１において反射され、再び光吸収層２２に入射し、光吸収層２２に入射した光の一部は吸収され、残りは透過する。

このように、本実施の形態における光検出器においては、ピラー構造部５０より入射した光は、ピラー構造部５０と反射膜３０との間で多重反射を繰り返し、光吸収層２２を通り吸収される。従って、図１に示す構造の光検出器と比べて、光吸収層において吸収される光量が増加し、入射した光の検出感度を向上させることができる。具体的には、図１に示す構造の光検出器では、光の吸収率が、１０％程度であるのに対し、本実施の形態における光検出器では、光の吸収率をこの数倍に高めることができる。また、本実施の形態における光検出器は、半導体基板１０面に略垂直な方向より入射する光のみを検出することができるため、検出される光の指向性が高い。

本実施の形態における光検出器においては、検出感度の向上や波長選択性の観点より、ピラー５１の直径をＤとし、長さをＬとした場合、Ｌ／Ｄが１以上であることが好ましい。また、光吸収層２２において検出される光の波長をλとし、ピラー５１の屈折率をｎとした場合、ピラー５１の長さＬは、λ／４ｎ以上であることが好ましい。

（光検出器の製造方法）
次に、本実施の形態における光検出器の製造方法について説明する。本実施の形態においては、光検出部とピラー構造部とを貼り合わせることにより光検出器を製造する。

最初に、図３（ａ）に示すように、半導体基板１０の一方の面の上に、第１のコンタクト層２１、光吸収層２２、第２のコンタクト層２３をＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシー）によるエピタキシャル成長により形成する。半導体基板１０には、半絶縁性のＧａＡｓ（００１）基板が用いられる。第１のコンタクト層２１は、ｎ−ＧａＡｓにより形成されており、電子濃度が約１×１０^１８ｃｍ^−３となるようにｎ型となる不純物元素がドープされている。光吸収層２２は、ＧａＡｓにより形成される障壁層と、ＩｎＡｓにより形成される量子ドット層とを交互に積層することにより形成されており、これにより、多層のＧａＡｓ／ＩｎＡｓ量子ドット層が形成される。光吸収層２２の量子ドット層におけるＩｎＡｓ量子ドットの密度は、例えば、５×１０^１０ｃｍ^−２であり、形成されるＩｎＡｓ量子ドットの大きさは、例えば、直径が約２０ｎｍ、高さが約５ｎｍである。第２のコンタクト層２３は、ｎ−ＧａＡｓにより形成されており、電子濃度が約１×１０^１８ｃｍ^−３となるようにｎ型となる不純物元素がドープされている。

次に、図３（ｂ）に示すように、第２のコンタクト層２３の上に、金属により反射膜３０を形成し、溝を形成することにより、画素ごとに分離して、第１のコンタクト層２１の一部を露出させる。この後、第１のコンタクト層２１の上に第１の電極４１を形成し、第２のコンタクト層２３の上に第２の電極４２を形成する。溝は、反射膜３０、第２のコンタクト層２３及び光吸収層２２を除去することにより形成し、これにより溝の底に第１のコンタクト層２１の表面を露出させる。反射膜３０は、Ａｕ等を成膜することにより形成し、第１の電極４１及び第２の電極４２は、ＡｕＧｅ／Ａｕの金属積層膜を成膜することにより形成する。以上の工程により、光検出部が形成される。

次に、図４（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板５２の一方の面の上に、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜５６を形成し、酸化シリコン膜５６の上に、直径が１５０ｎｍの開口部５７ａが周期的に複数形成されているレジストパターン５７を形成する。ＩｎＰ基板５２は一方の面の表面が（１１１）Ｂ面となる基板である。酸化シリコン膜５６は、熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）等により形成されており、例えば、膜厚は約５０ｎｍである。レジストパターン５７は、例えば、酸化シリコン膜５６の上に、ＥＢレジストを塗布し、ＥＢ露光装置による露光、現像を行うことにより形成する。

次に、図４（ｂ）に示すように、レジストパターン５７の開口部５７ａの酸化シリコン膜５６を除去することにより開口部を形成し、この開口部のＩｎＰ基板５２の上にＡｕ膜５８を形成する。具体的には、レジストパターン５７の開口部５７ａの酸化シリコン膜５６をウェットエッチングにより除去することにより、酸化シリコン膜５６に開口部を形成し、ＩｎＰ基板５２の（１１１）面を露出させる。この後、全面にＡｕ膜を真空蒸着等により成膜し、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターン５７の上に成膜されたＡｕ膜をレジストパターン５７とともにリフトオフにより除去する。これにより、ＩｎＰ基板５２の（１１１）面の上に残存するＡｕ膜により、触媒となるＡｕ膜５８を形成する。

次に、図４（ｃ）に示すように、ＭＯＶＰＥ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長）法により形成されたＩｎＰナノワイヤによりピラー５１を形成する。ピラー５１は、例えば、成長温度を４００℃とし、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とホスフィン（ＰＨ_３）とを供給することにより、ＩｎＰの（１１１）面とＡｕ膜５８との間で、ＩｎＰを結晶成長させてＩｎＰナノワイヤを形成することにより形成する。形成されるピラー５１の長さＬは、成長時間によって制御可能である。具体的には、光吸収層２２において検出される光の波長をλとし、ピラー５１の屈折率をｎとした場合、ピラー５１の長さＬは、λ／４ｎ以上であることが好ましい。例えば、光吸収層２２において検出される光の波長λが４．８μｍである場合、ピラー５１を形成しているＩｎＰの屈折率ｎは、約３であるため、形成されるピラー５１の長さは、４．８／（３×４）＝０．４μｍ以上であることが好ましい。また、形成されるピラー５１の直径Ｄは、酸化シリコン膜５６の開口部に形成された触媒となるＡｕ膜５８の直径により制御することが可能である。ピラー５１は、２次元状に周期的に配列するように形成されており、三角格子状、四角格子状等が理想的ではあるが、これに限定されるものではない。また、形成される複数のピラー５１のピッチＰは、光吸収層２２において検出される波長によって異なるが、本実施の形態においては、例えば、ピッチＰは１．２μｍとなるように形成されている。

尚、ピラー５１の周期性については、一部異なる周期を用いることも可能である。特に、ピラー構造部５０の特定の位置から赤外線を取り込む場合は、ピラー５１の位置をわずかにずらしたり、ピラー５１を数本抜いたりした構造が好ましい。このような部分的に周期性を乱した構造は、レジストパターン５７における開口部５７ａの位置等をずらすことにより形成することができる。以上の工程により、ピラー構造部が形成される。

次に、図５に示すように、光検出部とピラー構造部とを貼り合わせる。具体的には、半導体基板１０の他方の面とＩｎＰ基板５２の他方の面とを貼り合わせることにより、本実施の形態における光検出器を作製する。

上記の製造方法において作製された光検出器では、ピラー５１の先端にＡｕ膜５８が形成されている。Ａｕ膜５８は、ＩｎＰナノワイヤを成長させるための触媒としての機能を有するものであるが、ピラー５１の先端にＡｕ膜が残っているとピラー５１の先端からの腐食や酸化等を防止する効果がある。また、Ａｕ膜５８以外にも触媒となる金属材料であれば、Ａｕ膜５８に代えて用いることが可能である。

尚、ピラー５１は、半導体基板１０よりも屈折率の高い材料により形成されていることが好ましい。これにより、より強い波長・反射制御性を得ることができる効果がある。

また、本実施の形態においては、ピラー５１を形成する際に、光検出器部分の結晶等にダメージを与えることなく形成することができるため、結晶のダメージに起因した光学的な損失を防ぐことができる。

〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態における光検出器は、図６（ａ）に示すように、凹凸１３０ａを有する反射膜１３０が形成されている構造のものである。ピラー構造部より光検出器に入射した光は、光吸収層において一部は吸収されるが、残りの一部は光吸収層を透過し、反射膜において反射される。反射膜が理想的に極めて平坦に形成されている場合には、反射膜により反射された光は、光の入射した光路と同じ光路を辿るため、反射光にはピラー構造部を透過し、光検出器の外に出射される成分が存在する場合がある。

本実施の形態においては、凹凸１３０ａを有する反射膜１３０を形成することにより、図６（ｂ）の破線矢印に示すように、反射膜１３０により反射される光は、入射した光路とは異なる斜め方向に向けて反射される。ピラー構造部５０は、透過特性が強い角度依存性を有しているため、ピラー構造部５０に斜めより入射した光は、ピラー構造部５０を透過することはなく、ピラー構造部５０において殆どが反射される。従って、反射膜１３０により反射された光は、光検出器の外に殆ど出射されることなく、ピラー構造部５０と反射膜１３０との間で、多重反射を繰り返し、光吸収層２２に吸収させることができる。これにより、光吸収層２２において吸収される光の総量を増やすことができ、光の検出感度をより一層向上させることができる。

本実施の形態における光検出器の製造方法は、凹凸１３０ａを有する反射膜１３０を形成する工程を除き、第１の実施の形態における光検出器の製造方法と同じである。反射膜１３０の凹凸１３０ａは、第２のコンタクト層２３を形成した後、第２のコンタクト層２３の表面に凹凸を形成し、凹凸の形成された第２のコンタクト層２３の表面に反射膜１３０を成膜することにより形成することができる。

第２のコンタクト層２３に形成される凹凸は、フォトリスグラフィとエッチングにより形成することができる。具体的には、第２のコンタクト層２３の表面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、凹凸に対応した不図示のレジストパターンを形成する。この後、ドライエッチング等により第２のコンタクト層２３の一部を除去することにより、第２のコンタクト層２３の表面に凹凸が形成される。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。形成される凹凸は、半導体基板１０面に平行な平坦部分が含まれていない凹凸が好ましく、例えば、円錐や角錐の形状や三角の形状が連続的に形成されたものが好ましい。例えば、角錐の凹凸パターンの場合には、底辺が１μｍ、高さが１００ｎｍの複数の角錐を連続的に形成する。

尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。

〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態における光検出器は、図７に示すように、光吸収層２２２が、多層のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸層により形成されている。また、ピラー構造部２５０におけるピラー２５１は、長さ方向に周期性を有しており、具体的には、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓとが長さ方向に周期的に形成されている。また、本実施の形態においては、ピラー２５１は、光検出器部分における半導体基板１０の他方の面に形成されている。尚、本実施の形態においては、半導体基板１０には、両面研磨のＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板が用いられている。

本実施の形態における光検出器の製造方法は、最初に、半導体基板１０の一方の面に、第１のコンタクト層２１、光吸収層２２２、第２のコンタクト層２３を形成し、第２のコンタクト層２３の上に、凹凸を形成した後、反射膜１３０を形成する。この後、溝を形成し、第１のコンタクト層２１の上に第１の電極４１を形成し、第２のコンタクト層２３の上に、第２の電極４２を形成する。

次に、半導体基板１０の他方の面に、酸化シリコン膜を形成し、酸化シリコン膜の上に、開口部を有するレジストパターンを形成し、レジストパターンの開口部における酸化シリコン膜を除去し、半導体基板１０の他方の面を露出させる。この後、Ａｕ膜を成膜し、有機溶剤に浸漬させることにより、レジストパターンの上のＡｕ膜を、レジストパターンとともにリフトオフにより除去する。これにより酸化シリコン膜の開口部に触媒となるＡｕ膜を形成する。この後、原料ガスを周期的に変えて供給することにより、長さ方向に異なる材料が交互に周期的に形成されたピラー２５１を形成する。ピラー２５１は、最初に、半導体基板１０と同一材料であるＧａＡｓより形成する方が、結晶成長条件が広いため好ましいが、これに限定されるものではない。このように、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓとが交互に周期的に形成されたピラー２５１を形成することにより、ピラー２５１の長さ方向においても波長選択性を有するため、ピラー構造部２５０を透過する光の波長の幅を狭くすることができる。

また、凹凸１３０ａを有する反射膜１３０により反射された光は、光吸収層２２２である量子井戸層に対して傾いた角度で入射するため、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓにおけるサブバンド間遷移により光を検出することができる。

上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。

〔第４の実施の形態〕
次に、第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、図８に示されるように、第１の実施の形態における光検出器の半導体基板１０の他方の面に直接ピラー３５１を形成したものであり、ＧａＡｓ基板の一方の面に光受光器を形成し、他方の面にピラーを形成した構造のものである。これにより、基板の貼り付け工程等が不要となる。

本実施の形態においては、半導体基板１０には、両面研磨のＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を用いる。ピラー３５１の形成方法は、最初に、半導体基板１０の他方の面に、酸化シリコン膜を形成し、酸化シリコン膜の上に、開口部を有するレジストパターンを形成し、レジストパターンの開口部における酸化シリコン膜を除去し、半導体基板１０の他方の面を露出させる。この後、Ａｕ膜を成膜し、有機溶剤に浸漬させることにより、レジストパターンの上のＡｕ膜を、レジストパターンとともにリフトオフにより除去する。これにより酸化シリコン膜の開口部に触媒となるＡｕ膜を形成する。この後、ピラー３５１を形成するための原料ガスを供給することにより、ＧａＡｓによりピラー３５１を形成する。尚、半導体基板１０の一方の面には第１の実施の形態と同様の方法により、光検出部が形成されている。

また、半導体基板１０にＧａＡｓ基板を用いる場合には、半導体基板１０の他方の面にＩｎＰ膜を形成し、形成されたＩｎＰ膜の上に、ＩｎＰによるピラーを形成してもよい。

尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。

〔第５の実施の形態〕
次に、第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、図９に示されるように、ＩｎＰ基板を用いたものであり、ＩｎＰ基板の一方の面に光受光器を形成し、他方の面にピラーを形成した構造のものである。これにより、基板の貼り付け工程等が不要となる。尚、半導体基板４１０には、両面研磨のＩｎＰ（１１１）Ｂ基板が用いられる。

本実施の形態においては、半導体基板４１０の一方の面に、第１のコンタクト層４２１、光吸収層４２２、第２のコンタクト層４２３が積層して形成されており、第２のコンタクト層４２３の上には、金属により反射膜３０が形成されている。第１のコンタクト層４２１の上には、金属により第１の電極４１が形成されており、反射膜３０の上には、金属により第２の電極４２が形成されている。本実施の形態においては、第１のコンタクト層４２１及び第２のコンタクト層４２３は、ｎ−ＩｎＰにより形成されている。光吸収層４２２は、ＩｎＧａＡｓ等を含む材料により形成されている。

また、半導体基板４１０の他方の面には、複数のピラー５１が周期的に配列されている。具体的には、半導体基板４１０の他方の面に、酸化シリコン膜を形成し、酸化シリコン膜の上に、開口部を有するレジストパターンを形成し、レジストパターンの開口部における酸化シリコン膜を除去し、半導体基板４１０の他方の面を露出させる。この後、Ａｕ膜を成膜し、有機溶剤に浸漬させることにより、レジストパターンの上のＡｕ膜を、レジストパターンとともにリフトオフにより除去する。これにより酸化シリコン膜の開口部に触媒となるＡｕ膜を形成する。この後、ピラー５１を形成するための原料ガスを供給することにより、ＩｎＰによりピラー５１を形成する。

尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。

〔第６の実施の形態〕
次に、第６の実施の形態における撮像装置について説明する。本実施の形態における撮像装置は、検出波長の異なる複数の光検出器を１画素としたものである。尚、光検出器には、第１から第５の実施の形態における光検出器のいずれかを用いることができる。

本実施の形態においては、例えば、図１０に示されるように、４つの光検出器、即ち、第１の光検出器５６１、第２の光検出器５６２、第３の光検出器５６３、第４の光検出器５６４により、１つの画素５６０が形成されている。この画素５６０は２次元状に形成されており、これにより光検出素子５７０が形成される。光検出素子５７０には、読み出し回路５８０がＩｎにより形成されたバンプ５８１により接続されている。尚、図１１は、第１の光検出器５６１及び第２の光検出器５６２が形成されている部分の断面図である。

本実施の形態においては、１つの画素５６０における４つの光検出器、即ち、第１の光検出器５６１、第２の光検出器５６２、第３の光検出器５６３、第４の光検出器５６４における検出波長は相互に異なるものである。具体的には、第１から第５の実施の形態における光検出器は、形成されるピラーのピッチを変えることにより、透過する光の波長を変えることができる。従って、本実施の形態においては、１つの画素５６０における４つの光検出器に形成されているピラーのピッチは相互に異なっている。例えば、第１の光検出器５６１のピラーのピッチを９００ｎｍ、第２の光検出器５６２のピラーのピッチを１０００ｎｍ、第３の光検出器５６３のピラーのピッチを１１００ｎｍ、第４の光検出器５６４のピラーのピッチを１２００ｎｍとなるように形成する。これにより、各々の光検出器を透過する光の波長は異なるため、各々の光検出器は、異なる波長の光を検出することができる。尚、ピラーの周期により波長選択をしているため、光吸収層２２は同一である。

本実施の形態における撮像装置では、物体の温度分布を２次元的に撮像することができる。尚、検出される光は４つの波長に限定されるものではなく、光吸収層２２において検出可能な波長帯域であれば、５以上の光検出器を１つの画素にすることも可能である。これにより、物体の放射温度分布情報を含んだ画像を撮像することができる。

以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
半導体基板の一方の面に、半導体材料により形成された第１のコンタクト層、光吸収層、第２のコンタクト層と、
前記半導体基板の他方の面に形成された複数のピラーと、
を有し、
前記ピラーは、前記光吸収層に吸収される光の波長よりも短波の吸収端を有する単結晶半導体により形成されており、
前記複数のピラーは、少なくとも一部が周期的に配列されていることを特徴とする光検出器。
（付記２）
前記光吸収層において検出される光の波長をλとし、前記ピラーを形成している材料の波長λにおける屈折率をｎとした場合、
前記ピラーの長さＬは、λ／４ｎ以上であることを特徴とする付記１に記載の光検出器。
（付記３）
前記ピラーの長さをＬとし、前記ピラーの直径をＤとした場合、
Ｌ／Ｄ＞１であることを特徴とする付記１に記載の光検出器。
（付記４）
前記ピラーは、前記ピラーの長さ方向において、複数の半導体材料が所定の周期で交互に積層されていることを特徴とする付記１から３のいずれかに記載の光検出器。
（付記５）
前記第２のコンタクト層の上には、反射膜が形成されていることを特徴とする付記１から４のいずれかに記載の光検出器。
（付記６）
前記反射膜は、凹凸を有していることを特徴とする付記５に記載の光検出器。
（付記７）
前記凹凸は、角錐の形状または三角の形状が連続的に形成されたものであることを特徴とする付記６に記載の光検出器。
（付記８）
前記ピラーは、ＩｎＰまたはＧａＡｓを含む材料により形成されていることを特徴とする付記１から７のいずれかに記載の光検出器。
（付記９）
前記半導体基板は、ＩｎＰまたはＧａＡｓを含む材料により形成されていることを特徴とする付記１から８のいずれかに記載の光検出器。
（付記１０）
前記光吸収層は、量子ドット構造または量子井戸構造を有することを特徴とする付記１から９のいずれかに記載の光検出器。
（付記１１）
前記光は、赤外光であることを特徴とする付記１から１０のいずれかに記載の光検出器。
（付記１２）
前記ピラーの先端には、金属膜が形成されていることを特徴とする付記１から１１のいずれかに記載の光検出器。
（付記１３）
前記ピラーの半導体結晶の先端面は、（１１１）面であることを特徴とする付記１から１２のいずれかに記載の光検出器。
（付記１４）
前記ピラーは、前記半導体基板よりも屈折率の高い材料により形成されていることを特徴とする付記１から１３のいずれかに記載の光検出器。
（付記１５）
付記１から１４のいずれかに記載の光検出器を複数有しており、
前記光検出器のうちの第１の光検出器と第２の光検出器により１つの画素が形成されており、
前記第１の光検出器と前記第２の光検出器は、前記ピラーのピッチが異なるものであって、
前記画素が２次元状に配置されていることを特徴とする撮像装置。
（付記１６）
半導体基板の一方の面に、半導体材料により第１のコンタクト層、光吸収層、第２のコンタクト層を順に積層して形成する工程と、
前記半導体基板の他方の面に、複数の金属膜を形成し、金属膜の形成されている領域に、単結晶半導体材料により複数のピラーを形成する工程と、
を有することを特徴とする光検出器の製造方法。
（付記１７）
前記半導体基板は、ＩｎＰ基板であって、
前記ピラーは、ＩｎＰの単結晶を含むものであることを特徴とする付記１６に記載の光検出器の製造方法。
（付記１８）
前記半導体基板は、ＧａＡｓ基板であって、
前記ピラーは、ＧａＡｓの単結晶を含むものであることを特徴とする付記１６に記載の光検出器の製造方法。
（付記１９）
第１の半導体基板の一方の面に、半導体材料により第１のコンタクト層、光吸収層、第２のコンタクト層を順に積層して形成する工程と、
第２の半導体基板の一方の面に、複数の金属膜を形成し、金属膜の形成されている領域において半導体材料を結晶成長させることにより複数のピラーを形成する工程と、
前記第１の半導体基板との他方の面と前記第２の半導体基板の他方の面とを貼り合わせる工程と、
を有することを特徴とする光検出器の製造方法。
（付記２０）
前記第２の半導体基板は、ＩｎＰ基板であって、
前記ピラーは、ＩｎＰの単結晶であることを特徴とする付記１９に記載の光検出器の製造方法。
（付記２１）
前記ピラーは、半導体材料が（１１１）面において結晶成長することにより形成されることを特徴とする付記１６から２０のいずれかに記載の光検出器の製造方法。

１０ 半導体基板
２１ 第１のコンタクト層
２２ 光吸収層
２３ 第２のコンタクト層
３０ 反射膜
４１ 第１の電極
４２ 第２の電極
５０ ピラー構造部
５１ ピラー
５２ ＩｎＰ基板

Claims (13)

1. 半導体基板の一方の面に、半導体材料により形成された第１のコンタクト層、光吸収層、第２のコンタクト層と、
   前記半導体基板の他方の面に形成された複数のピラーと、
   を有し、
   前記ピラーは、前記光吸収層に吸収される光の波長よりも短波の吸収端を有する単結晶半導体により形成されており、
   前記複数のピラーは、少なくとも一部が周期的に配列されていることを特徴とする光検出器。
2. 前記光吸収層において検出される光の波長をλとし、前記ピラーを形成している材料の波長λにおける屈折率をｎとした場合、
   前記ピラーの長さＬは、λ／（４ｎ）以上であることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
3. 前記ピラーの長さをＬとし、前記ピラーの直径をＤとした場合、
   Ｌ／Ｄ＞１であることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
4. 前記ピラーは、前記ピラーの長さ方向において、複数の半導体材料が所定の周期で交互に積層されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光検出器。
5. 前記第２のコンタクト層の上には、反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光検出器。
6. 前記反射膜は、凹凸を有していることを特徴とする請求項５に記載の光検出器。
7. 前記ピラーの先端には、金属膜が形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光検出器。
8. 前記ピラーの半導体結晶の先端面は、（１１１）面であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光検出器。
9. 前記ピラーは、前記半導体基板よりも屈折率の高い材料により形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の光検出器。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の光検出器を複数有しており、
    前記光検出器のうちの第１の光検出器と第２の光検出器により１つの画素が形成されており、
    前記第１の光検出器と前記第２の光検出器は、前記ピラーのピッチが異なるものであって、
    前記画素が２次元状に配置されていることを特徴とする撮像装置。
11. 半導体基板の一方の面に、半導体材料により第１のコンタクト層、光吸収層、第２のコンタクト層を順に積層して形成する工程と、
    前記半導体基板の他方の面に、複数の金属膜を形成し、金属膜の形成されている領域に、単結晶半導体材料により複数のピラーを形成する工程と、
    を有することを特徴とする光検出器の製造方法。
12. 第１の半導体基板の一方の面に、半導体材料により第１のコンタクト層、光吸収層、第２のコンタクト層を順に積層して形成する工程と、
    第２の半導体基板の一方の面に、複数の金属膜を形成し、金属膜の形成されている領域において半導体材料を結晶成長させることにより複数のピラーを形成する工程と、
    前記第１の半導体基板との他方の面と前記第２の半導体基板の他方の面とを貼り合わせる工程と、
    を有することを特徴とする光検出器の製造方法。
13. 前記ピラーは、半導体材料が（１１１）面において結晶成長することにより形成されることを特徴とする請求項１１または１２に記載の光検出器の製造方法。

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