JP2019036663A - 光検出素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】安価で近赤外光を十分な感度で検出できる光検出素子を提供する。【解決手段】光検出素子１は、半導体層２の裏面２ｂに光Ｌの入射面Ｆを有する光検出素子であって、半導体層２の表面２ａに設けられ、入射面Ｆから入射した光Ｌに対する縦共振器Ｃ１及び横共振器Ｃ２を構成する凸部１３及び凹部１２を有し、光Ｌを表面プラズモンに変換する周期的ナノ凹凸構造１１と、周期的ナノ凹凸構造１１を覆うように設けられた金属膜１４と、を備え、周期的ナノ凹凸構造１１における凸部１３の高さＴ及び配列ピッチＰは、縦共振器Ｃ１の共振波長と横共振器Ｃ２の共振波長とが揃うように設定され、金属膜１４の厚さは、２０ｎｍ以上となっている。【選択図】図２

Description

本発明は、光検出素子に関する。
光検出の分野では、近赤外光の検出を安価に実施できる技術の需要が高まってきている。近赤外光の検出は、例えば自動車の自動運転技術への応用などが期待されている。近赤外光の検出が可能な従来の光検出素子としては、例えばＩＩ族〜ＶＩ族の元素を含む化合物半導体を用いた光検出素子が挙げられるが、化合物半導体を用いた光検出素子は製造工程が複雑で高価であった。また、一般的なｐｎ接合型の光検出素子では、シリコンのバンドギャップよりも長い波長（１１００ｎｍ以上）の光の検出が困難であり、ブラックシリコンを用いた光検出素子であっても長波長側の検出限界は１２００ｎｍ程度であった。
一方、ショットキー接合を用いたショットキー型の光検出素子では、金属膜の内部での光吸収により自由電子が励起され、生成された励起電子（ホットキャリア）がショットキー障壁を超えて半導体側に光電流として流れる。長波長側の検出限界は、ショットキー障壁の高さによって決まるため、シリコンのバンドギャップよりも長い波長の光の検出が可能となっている。このようなショットキー型の光検出素子としては、例えば特許文献１〜４に記載の光検出素子がある。これらの従来の光検出素子は、半導体層の表面に当該半導体層とショットキー接合する金属膜を設け、半導体体層の裏面を光の入射面とする裏面入射型の光検出素子として構成されている。半導体層の表面には、周期的な凹凸構造が設けられており、入射光に対する金属膜の表面積を拡大することで感度の向上が図られている。
特許第４７８９７５２号公報 特開２０００−１６４９１８号公報 特開２０１１−７７２７４号公報 特許第２６５９１８４号公報
上述したショットキー接合型の光検出素子の感度（光電流量）は、ホットキャリアの生成数、ホットキャリアがショットキー障壁に到達する確率、及びホットキャリアがショットキー障壁を超える確率の積で表される。ホットキャリアの生成数は、金属膜での光吸収量に依存するため、光検出素子の感度向上には、光吸収量を向上させることが有効となる。
しかしながら、上述した従来の光検出素子では、金属膜で発生したホットキャリアを半導体層から取り出すことを前提としている。このため、例えば上記特許文献２では、金属膜の厚さは、金属膜で生成されたホットキャリアの平均自由工程以下（数ｎｍ以下）となっており、金属膜での光吸収量が十分に得られるとは考えにくい。また、例えば特許文献４のように金属膜の背後に反射膜を設けた場合、断線や高抵抗化のリスクがある。
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、安価で近赤外光を十分な感度で検出できる光検出素子を提供することを目的とする。
出願人は、光検出素子の研究を重ねる過程で、金属膜のうち、半導体層との界面からどの程度の距離までの部分が入射した光の吸収に寄与しているかに着目をした。そして、光を表面プラズモンに変換する周期的ナノ凹凸構造を有する光検出素子を試作し、半導体層の界面からの距離に対する金属膜での光の有効吸収量の実測値及び計算値を求めた。その結果、周期的ナノ凹凸構造を構成する凹凸パターンが一定の条件を満たす場合に、半導体層との界面から所定の距離以内となる範囲で金属膜の光吸収が高まるという知見が得られた。
本発明の一側面に係る光検出素子は、半導体層の一方面に光の入射面を有する光検出素子であって、半導体層の他方面に設けられ、入射面から入射した光に対する縦共振器及び横共振器を構成する凸部及び凹部を有し、光を表面プラズモンに変換する周期的ナノ凹凸構造と、周期的ナノ凹凸構造を覆うように設けられた金属膜と、を備え、周期的ナノ凹凸構造における凸部の高さ及び配列ピッチは、縦共振器の共振波長と横共振器の共振波長とが揃うように設定され、金属膜の厚さは、２０ｎｍ以上となっている。
この光検出素子では、半導体層の裏面に入射面が設けられており、入射面から入射した光は、半導体層の表面の周期的ナノ凹凸構造において凹凸の高さ方向に形成される縦共振器と凹凸の配列方向に形成される横共振器とによって閉じ込められる。ここで、縦共振器の共振波長と横共振器の共振波長とが揃う場合、半導体層の界面から２０ｎｍ以内となる範囲で金属膜の光吸収が高まることが上記知見より得られている。したがって、縦共振器の共振波長と横共振器の共振波長とが揃うように周期的ナノ凹凸構造における凸部の高さ及び配列ピッチを設定し、かつ金属膜の厚さを２０ｎｍ以上とすることで、金属膜での効率的な光吸収が可能となり、安価で近赤外光を十分な感度で検出できる光検出素子が得られる。
また、周期的ナノ凹凸構造で発生する表面プラズモンの波長をλｐとした場合に、凸部の高さＴが３／８λｐ＜Ｔ＜５／８λｐを満たし、凸部の配列ピッチＰが９／１０λｐ＜Ｐ＜１１／１０λｐを満たしていてもよい。このような条件下においては、半導体層の界面から２０ｎｍ以内となる範囲で金属膜の光吸収が十分に高められる。
また、周期的ナノ凹凸構造で発生する表面プラズモンの波長をλｐとした場合に、凹部の幅Ｄが５０ｎｍ＜Ｄ＜λｐ−５０ｎｍを満たしていてもよい。このような条件下においては、半導体層の界面から２０ｎｍ以内となる範囲で金属膜の光吸収が十分に高められる。
また、半導体層は、シリコンによって構成されていてもよい。これにより、光検出素子を一層安価に製造できる。
また、金属膜は、アルミニウムを含んで構成されていてもよい。この場合、金属膜の製造プロセスが容易なものとなる。
また、金属膜は、半導体層に接する第１の膜と、当該第１の膜よりも屈折率が小さい第２の膜とを含む複数層の膜によって構成されていてもよい。この場合、金属膜において半導体層との界面付近に光を閉じ込めることが可能となり、光吸収量を一層向上できる。
また、周期的ナノ凹凸構造における凹部は、平面視でマトリクス状の配置パターンを有していてもよい。マトリクス状の配置パターンを採用する場合、いずれの偏光方向の光も等しく表面プラズモンに変換される。したがって、偏光方向に依存しない光検出が可能となる。
また、凹部の横断面形状は、円形状又は矩形状となっていてもよい。凹部の横断面形状として円形状を採用する場合、周期的ナノ凹凸構造の周期性を光が感ずる面積が狭くなるために、広い波長範囲において表面プラズモンに変換される。したがって、広い波長範囲について光検出が可能となる。凹部の横断面形状として矩形状を採用する場合、周期的ナノ凹凸構造の周期性を光が感ずる面積が広くなるために、特定の波長において強い表面プラズモンに変換される。したがって、特定の波長について高感度の光検出が可能となる。
また、周期的ナノ凹凸構造における凹部は、平面視でストライプ状の配置パターンを有していてもよい。ストライプ状の配置パターンを採用する場合、ストライプ状の配置パターンに対して電場ベクトルが直交する光のみが周期的ナノ凹凸構造において強い表面プラズモンに変換される。したがって、一つの偏光方向について高感度な光検出が可能となる。
また、周期的ナノ凹凸構造における凹部は、平面視で同心円状の配置パターンを有していてもよい。同心円状の配置パターンを採用する場合、いずれの偏光方向の光も等しく表面プラズモンに変換される。したがって、偏光方向に依存しない光検出が可能となる。
また、周期的ナノ凹凸構造における凹部は、平面視で同心多角形状の配置パターンを有していてもよい。同心多角形状の配置パターンを採用する場合、同心多角形状の配置パターンの各辺に対して電場ベクトルが直交する光のみが周期的ナノ凹凸構造において強い表面プラズモンに変換される。したがって、二つの偏光方向について高感度な光検出が可能となる。
本発明によれば、安価で近赤外光を十分な感度で検出できる。
光検出素子の一実施形態を示す断面図である。 図１に示した光検出素子における周期的ナノ凹凸構造の近傍の構成を示す要部拡大断面図である。 周期的ナノ凹凸構造における凹部の配置パターンを示す平面図である。 半導体層の界面からの距離と感度及び有効吸収量の比との関係を示す図である。 周期的ナノ凹凸構造における凸部の高さと金属膜における光吸収量との関係を示す図である。 周期的ナノ凹凸構造における凸部の配列ピッチと金属膜における光吸収量との関係を示す図である。 周期的ナノ凹凸構造における凹部の幅と金属膜における光吸収量との関係を示す図である。 本実施形態に係る光検出素子の感度と比較例に係る光検出素子の感度とを示す図である。 周期的ナノ凹凸構造における凹部の配置パターンの変形例を示す平面図である。 周期的ナノ凹凸構造における凹部の配置パターンの別の変形例を示す平面図である。 周期的ナノ凹凸構造における凹部の配置パターンの更に別の変形例を示す平面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る光検出素子の好適な実施形態について詳細に説明する。
図１は、光検出素子の一実施形態を示す断面図である。この光検出素子１は、例えば波長１２００ｎｍ以上の近赤外光の検出に用いられるショットキー接合型の光検出素子として構成されている。光検出素子１は、同図に示すように、光検出素子１は、半導体層２と、絶縁膜３と、オーミック電極４と、ショットキー電極５とを備えている。
半導体層２は、例えばシリコン（Ｓｉ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）などによって形成される半導体層である。本実施形態では、より安価な製造プロセスの実現のため、ｎ型若しくはｐ型のシリコンによる半導体層２を例示する。光検出素子１は、裏面入射型の光検出素子であり、半導体層２の裏面（一方面）２ｂが光検出素子１で検出する光Ｌの入射面Ｆとなっている。
絶縁膜３は、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）によって半導体層２の表面（他方面）２ａに形成されている。絶縁膜３の厚さは、例えば１００ｎｍ程度となっている。絶縁膜３には、オーミック電極４と半導体層２とのオーミック接合を実現するための開口部３ａと、ショットキー電極５と半導体層２とのショットキー接合を実現するための開口部３ｂとが設けられている。絶縁膜３は、例えば化学気相成長法などを用いて形成される。開口部３ａ，３ｂの形成には、例えばフォトリソグラフィが用いられる。
オーミック電極４は、例えば金（Ａｕ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウム（Ｉｎ）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）等を含む材料によって形成されている。オーミック電極４は、半導体層２の表面２ａにおいて絶縁膜３の開口部３ａを覆うように設けられ、開口部３ａの底面において半導体層２とオーミック接合している。ショットキー電極５は、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、プラチナ（Ｐｔ）等を含む材料によって形成されている。ショットキー電極５は、半導体層２の表面において絶縁膜３の開口部３ｂを覆うように設けられ、開口部３ｂの底面において半導体層２とショットキー接合している。オーミック電極４及びショットキー電極５は、例えば真空蒸着法などを用いて形成される。半導体層２の導電型がｎ型の場合、光検出素子１の動作時には、ショットキー電極５側の電位がオーミック電極４側の電位に比べて低くなるようにバイアス電圧が印加される。半導体層２の導電型がｐ型の場合、光検出素子１の動作時には、ショットキー電極５側の電位がオーミック電極４側の電位に比べて高くなるようにバイアス電圧が印加される。いずれの場合もバイアス電圧をゼロとする場合もある。
また、半導体層２の表面２ａにおいて、絶縁膜３の開口部３ｂに対応する位置には、入射面Ｆから入射した光Ｌを表面プラズモンに変換する周期的ナノ凹凸構造１１が設けられている。図２は、周期的ナノ凹凸構造の近傍（図１における破線部分）の構成を示す要部拡大断面図である。また、図３は、周期的ナノ凹凸構造における凹部の配置パターンを示す平面図である。図２及び図３に示すように、周期的ナノ凹凸構造１１は、例えば入射面Ｆから入射する光Ｌのスポットサイズと同等以上の領域にナノオーダーで形成された凹部１２及び凸部１３を有している。凹部１２及び凸部１３による凹凸パターンは、例えば電子ビーム露光法、ナノインプリントによるリソグラフィと反応性イオンエッチング若しくはリフトオフとを組み合わせた方法、集束イオンビームを用いた直接加工法などによって形成される。
本実施形態では、周期的ナノ凹凸構造１１を構成する凹部１２は、図３に示すように、平面視でマトリクス状の配置パターンを有している。同図の例では、凹部１２の行方向の配列ピッチと列方向の配列ピッチとが一致した状態となっている。また、凹部１２は、円柱状をなしており、凹部１２の横断面形状は円形状、凹部１２の縦断面形状は長方形状（図２参照）となっている。このような配置パターンにより、図２に示すように、周期的ナノ凹凸構造１１は、入射面Ｆから入射した光Ｌに対する縦共振器Ｃ１及び横共振器Ｃ２を構成している。縦共振器Ｃ１は、凹凸の高さ方向に形成される共振器であり、凸部１３の底面と凸部１３の頂面とによって構成されている。また、横共振器Ｃ２は、凹凸の配列方向に形成される共振器であり、凹部１２の内壁面と隣り合う凹部１２の内壁面との同じ位置同士によって構成されている。
ショットキー電極５を構成する金属膜１４は、図２に示すように、周期的ナノ凹凸構造１１を覆うように形成されている。すなわち、金属膜１４は、周期的ナノ凹凸構造１１における凸部１３の頂面、凹部１２の底面、及び凹部１２の内壁面を覆うように設けられている。金属膜１４は、本実施形態のように半導体層２をシリコンで形成する場合には、シリコンプロセスによる製造容易性を考慮し、アルミニウム（Ａｌ）による単層膜とすることが好適である。
また、金属膜１４は、多層膜であってもよい。この場合、金属膜１４は、半導体層２に接する第１の膜と、当該第１の膜よりも屈折率が小さい第２の膜とを含む複数層の膜によって構成されていてもよい。第１の膜と第２の膜との材料の組み合わせは、例えばチタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）／Ａｇ（銀）、Ａｌ（アルミニウム）／Ａｕ（金）、Ｔｉ（チタン）／Ａｌ（アルミニウム）などが挙げられる。
周期的ナノ凹凸構造１１において、半導体層２と金属膜１４とはショットキー接合されている。半導体層２のうちショットキー接合面の近傍には、金属膜１４とのショットキー接合に伴って空乏層が形成されている。入射面Ｆから入射した光Ｌは、縦共振器Ｃ１及び横共振器Ｃ２に閉じ込められ、金属膜１４の表面を伝搬する伝搬型の表面プラズモンに変換される。光Ｌの振動と表面プラズモンとが共鳴することにより、金属膜１４に光Ｌのエネルギーが吸収される。そして、金属膜１４の内部での光吸収により自由電子が励起され、生成されたホットキャリアがショットキー障壁を超えて半導体層２側に光電流として流れる。
本実施形態では、金属膜１４での光吸収の効率を向上させるため、金属膜１４の厚さは、２０ｎｍ以上となっている。また、縦共振器Ｃ１の共振波長と横共振器Ｃ２の共振波長とが揃うように、周期的ナノ凹凸構造１１における凸部１３の高さ（＝凹部１２の深さ）Ｔ、凸部１３の配列ピッチＰ、及び凹部の幅Ｄが設定されている。より具体的には、周期的ナノ凹凸構造１１で発生する表面プラズモンの波長をλｐとした場合に、凸部１３の高さＴは３／８λｐ＜Ｔ＜５／８λｐを満たし、凸部１３の配列ピッチＰは９／１０λｐ＜Ｐ＜１１／１０λｐを満たしている。また、凹部１２の幅（ここでは凹部１２の直径）Ｄは、５０ｎｍ＜Ｄ＜λｐ−５０ｎｍを満たしている。以下、この構成について詳細に説明する。
ショットキー接合型の光検出素子の感度（光電流量）は、ホットキャリアの生成数、ホットキャリアがショットキー障壁に到達する確率、及びホットキャリアがショットキー障壁を超える確率の積で表される。ホットキャリアの生成数は、金属膜での光吸収量に依存するため、光検出素子の感度向上には、金属膜での光吸収量を向上させることが有効となる。
励起電子の生成位置からの輸送確率（距離ｒを進む確率）は、ｅｘｐ（−ｒ／Ｌ）で表される。Ｌは、金属膜の内部での平均自由工程であり、およそ３０ｎｍである。励起電子の生成位置から半導体層の界面までの最短距離をｚとすると、距離ｚは、励起電子の生成位置から半導体層の界面までを結ぶ垂線の距離となる。したがって、励起電子の進行方向と垂線との成す角度をθとすると、励起電子の輸送確率は、ｅｘｐ（−ｒ／Ｌｃｏｓθ）となる。電極膜の内部における励起電子の生成位置での光吸収量と輸送確率とを乗算し、更に電極膜の内部全体にわたって体積積分した積算値（以下、当該積算値を「有効吸収量」と称す）は、ショットキー接合型の光検出素子の感度に比例した値となる。
有効吸収量を用いた金属膜での光吸収量の評価のため、ショットキー電極として周期的なスリット構造を備えた光検出素子のサンプルを作製した。この評価用の光検出素子は、シリコン（Ｓｉ）による半導体層上に厚さ３７０ｎｍのショットキー電極を形成し、集束イオンビーム装置によってショットキー電極に幅１００ｎｍ、周期８５０ｎｍでスリットを形成したものである。スリットは、貫通スリットであり、半導体層の表面が露出するように形成した。
サンプルは、ショットキー電極を構成する金属膜を金（Ａｕ）による単層で構成したものと、半導体層側からチタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）の二層で構成したものの２種類を作製した。後者では、チタン（Ｔｉ）層の厚さは、２ｎｍとした。これらの２種類のサンプルについて感度比を実験にて求めたところ、約０．５４であった。両サンプルの感度の差異は、電極構成膜の差によって金属膜の内部での光の空間分布及び光吸収の空間分布が異なり、有効吸収量に差が生じたことに起因すると考えられる。したがって、両サンプルの感度比は、両サンプルの有効吸収量の比と同等であると結論付けられる。
図４は、半導体層の界面からの距離と感度及び有効吸収量の比との関係を示す図である。同図では、横軸に半導体層の界面からの距離ｈｅｆｆを示し、縦軸に感度比及び有効吸収量の比を示している。図４におけるプロットは、上記２種類のサンプルについての半導体層の界面から距離ｈｅｆｆまでの有効吸収量の比をシミュレーションによって求めたものである。この結果から、距離ｈｅｆｆが増加すると共に有効吸収量の比は増加し、距離ｈｅｆｆが２０ｎｍ以上となると、有効吸収量の比が一定となることが分かる。また、距離ｈｅｆｆが２０ｎｍ以上の場合の有効吸収量の比は、およそ０．５４であり、実験によって求めた感度比（図４における点線で示す値）と略一致している。
この結果から、金属膜の厚さが２０ｎｍに満たない場合には、有効吸収量が不足し、光検出素子の感度が十分に得られないことが分かる。また、金属膜の厚さが２０ｎｍ以上である場合には、有効吸収量が最大化され、光検出素子の感度を向上できることが分かる。このことは、ショットキー接合型の光検出素子の感度の向上には、半導体層の界面から２０ｎｍまでの範囲での金属膜の有効吸収量を増加させることが有効であることを意味している。
また、半導体層の界面から２０ｎｍまでの範囲での金属膜の内部での光吸収量は、周期的ナノ凹凸構造における縦共振器の共振波長と横共振器の共振波長とが揃った場合に高まる。図５は、周期的ナノ凹凸構造における凸部の高さと金属膜における光吸収量との関係を示す図である。また、図６は、周期的ナノ凹凸構造における凸部の配列ピッチと金属膜における光吸収量との関係を示す図である。
図５は、半導体層をシリコン（Ｓｉ）、金属膜を金（Ａｕ）、真空中での入射光の波長を１５５０ｎｍとした場合のシミュレーション結果であり、横軸に凸部の高さを示し、縦軸に光吸収量を示している。縦軸の光吸収量は、半導体層の界面からの距離が０ｎｍ〜２０ｎｍの範囲における金属膜での光吸収量の積分値となっている。周期的ナノ凹凸構造で発生する表面プラズモンの波長λｐは、半導体層の誘電率の実部をεｄ、半導体層の界面から２０ｎｍ以内の範囲における金属膜の主たる構成材料の誘電率の実部をεｍ、真空中での入射光の波長をλ０とした場合に、λｐ＝λ０×（（εｍ＋εｄ）／（εｍ×εｄ））１／２で求められる。前述の条件下では、λｐは約４２２ｎｍと見積もられる。
図５に示す結果から、凸部の高さＴが３／８λｐ＜ｔ＜５／８λｐを満たす場合に、金属膜における光吸収量が上昇していることが分かる。縦共振器の共振波長は、表面プラズモンの波長λｐの約半分であり、光吸収量は、凸部の高さＴが１／２λｐの近傍である場合にピークとなる。したがって、Ｔ＝１／２λｐを満たすことが特に好適である。また、図６に示す結果から、凸部の配列ピッチＰが９／１０λｐ＜Ｐ＜１１／１０λｐを満たす場合に金属膜における光吸収量が上昇していることが分かる。横共振器の共振波長は、表面プラズモンの波長λｐと略一致し、光吸収量は、凸部の配列ピッチＰがλｐの近傍である場合にピークとなる。したがって、Ｔ＝λｐを満たすことが特に好適である。
図７は、周期的ナノ凹凸構造における凹部の幅と金属膜における光吸収量との関係を示す図である。同図は、図５及び図６と同じ条件下でのシミュレーション結果であり、横軸に凹部の幅を示し、縦軸に光吸収量を示している。図７に示す結果から、凸部の高さＴ及び凸部の配列ピッチＰに比べて、凹部の幅Ｄについては比較的広い範囲で光吸収量が上昇していることが分かる。ただし、現状の半導体加工技術の制約により、５０ｎｍ未満の凹部を形成することが困難である。このため、凹部の幅Ｄの範囲は、５０ｎｍ＜Ｄ＜λｐ−５０ｎｍとなる。
以上説明したように、光検出素子１では、半導体層２の裏面２ｂに入射面Ｆが設けられており、入射面Ｆから入射した光Ｌは、半導体層２の表面２ａの周期的ナノ凹凸構造１１において凹凸の高さ方向に形成される縦共振器Ｃ１と凹凸の配列方向に形成される横共振器Ｃ２とによって閉じ込められる。縦共振器Ｃ１の共振波長と横共振器Ｃ２の共振波長とが揃う場合、半導体層２の界面から２０ｎｍ以内となる範囲で金属膜１４の光吸収が高まることが上記知見より得られている。したがって、縦共振器Ｃ１の共振波長と横共振器Ｃ２の共振波長とが揃うように周期的ナノ凹凸構造１１における凸部１３の高さＴ及び配列ピッチＰを設定し、かつ金属膜１４の厚さを２０ｎｍ以上とすることで、金属膜１４での効率的な光吸収が可能となり、安価で近赤外光を十分な感度で検出できる光検出素子１が得られる。
本実施形態では、周期的ナノ凹凸構造１１で発生する表面プラズモンの波長をλｐとした場合に、凸部１３の高さＴが３／８λｐ＜Ｔ＜５／８λｐを満たし、凸部１３の配列ピッチＰが９／１０λｐ＜Ｐ＜１１／１０λｐを満たしている。このような条件を満たすことにより、半導体層２の界面から２０ｎｍ以内となる範囲で金属膜１４の光吸収が十分に高められる。また、本実施形態では、周期的ナノ凹凸構造１１で発生する表面プラズモンの波長をλｐとした場合に、凹部１２の幅Ｄが５０ｎｍ＜Ｄ＜λｐ−５０ｎｍを満たしていてもよい。このような条件下においては、半導体層２の界面から２０ｎｍ以内となる範囲で金属膜１４の光吸収が十分に高められる。
図８は、本実施形態に係る光検出素子の感度と比較例に係る光検出素子の感度とを示す図である。同図では、横軸に波長を示し、縦軸に感度を示している。横軸の波長範囲は、１３００ｎｍ〜１７００ｎｍであり、縦軸の感度は基準化したものとなっている。図８に示すように、周期的ナノ凹凸構造１１を有しない比較例では、波長１３００ｎｍ近傍の光に対する感度が約０．５であり、長波長側に行くほど感度が低下している。これに対し、周期的ナノ凹凸構造１１を有する実施例では、波長１３００ｎｍから波長１７００ｎｍの近傍に至る広い範囲で０．６以上の感度を有し、特に波長１５００ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲で０．８以上の高い感度が実現されている。
また、本実施形態では、半導体層２は、シリコンによって構成されている。これにより、安価な製造プロセスを実現でき、光検出素子１を安価に製造できる。金属膜１４がアルミニウムを含んで構成される場合、シリコンプロセスによる金属膜１４の製造容易性を確保できる。また、半導体層２に接する第１の膜と、当該第１の膜よりも屈折率が小さい第２の膜とを含む複数層の膜によって金属膜１４を構成する場合、金属膜１４において半導体層２との界面付近に光を閉じ込めることが可能となり、光吸収量を一層向上できる。
また、本実施形態では、周期的ナノ凹凸構造１１における凹部１２は、平面視でマトリクス状の配置パターンを有しており、凹部１２の横断面形状は、円形状となっている（図３参照）。凹部１２の横断面形状として円形状を採用する場合、周期的ナノ凹凸構造１１の周期性を光Ｌが感ずる面積が狭くなるために、広い波長範囲において表面プラズモンに変換される。したがって、広い波長範囲について光検出が可能となる。
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、半導体層２の表面２ａにオーミック電極４及びショットキー電極５が設けられているが、オーミック電極４は、半導体層２の裏面２ｂに設けられていてもよい。この場合、入射面Ｆに対応してオーミック電極４に開口部を設けてもよく、光Ｌに対する透明性を有する材料によってオーミック電極４を形成してもよい。透明性を有する電極材料としては、例えば酸化インジウムスズなどが挙げられる。
また、上記実施形態では、半導体層２の表面２ａにオーミック電極４及びショットキー電極５が露出した状態となっているが、オーミック電極４及びショットキー電極５の表面に絶縁性の保護膜を形成してもよい。この場合、素子組立時の周期的ナノ凹凸構造１１の保護、及びオーミック電極４の短絡防止といった技術的効果が得られる。さらに、入射面Ｆには、反射防止膜を設けてもよい。これにより、光Ｌの入射効率を向上できる。
さらに、半導体層２を薄化し、検出領域を近赤外光〜可視光の範囲に拡大することも可能である。半導体層２の薄化に伴い、光検出素子１の小型化による応答速度の向上、入射面Ｆから入射した光Ｌの素子内での拡散距離が短くなることによる空間分解能の向上も図られる。半導体層２の薄化は、半導体層２の裏面２ｂの全体にわたってもよく、周期的ナノ凹凸構造１１に対応する領域のみを薄化してもよい。前者の場合には、半導体層２の裏面２ｂにガラス基板を設ける構成としてもよい。
更なる応用構造として、周期的ナノ凹凸構造１１において、マトリクス状に配置された凹部１２の行方向の配列ピッチと列方向の配列ピッチとを互いに異なるようにしてもよい。この場合、偏光方向の異なる２つの波長の光の検出が可能となる。また、半導体層２の表面２ａに周期的ナノ凹凸構造１１を複数設け、光検出素子１をアレイ化してもよい。この場合、周期的ナノ凹凸構造１１毎に凹部１２の配列ピッチを変えることで、複数の波長の検出が可能となり、光検出素子１を分光センサとして機能させることができる。
また、上記実施形態では、周期的ナノ凹凸構造１１において横断面形状が円形状の凹部１２がマトリクス状に配置されているが、周期的ナノ凹凸構造１１の配置パターンはこれに限られるものではない。例えば凹部１２は、千鳥状の配置パターンを有していてもよい。また、例えば凹部１２の横断面形状は、矩形状、三角形状などの他の形状であってもよい。凹部１２の縦断面形状も、四角形状に限られず、台形状、三角形状などの他の形状であってもよい。凹部１２の底面は、平坦面に限られず、凹状に湾曲或いは球形となっていてもよい。凹部１２の横断面形状として矩形状を採用する場合、周期的ナノ凹凸構造１１の周期性を光Ｌが感ずる面積が広くなるために、特定の波長において強い表面プラズモンに変換される。したがって、特定の波長について高感度の光検出が可能となる。
また、図９に示すように、周期的ナノ凹凸構造１１における凹部１２は、平面視でストライプ状の配置パターンを有していてもよい。ストライプ状の配置パターンを採用する場合、ストライプ状の配置パターンに対して電場ベクトルが直交する光Ｌのみが周期的ナノ凹凸構造１１において強い表面プラズモンに変換される。したがって、一つの偏光方向について高感度な光検出が可能となる。
また、図１０に示すように、周期的ナノ凹凸構造１１における凹部１２は、平面視で同心円状の配置パターンを有していてもよい。同心円状の配置パターンを採用する場合、いずれの偏光方向の光Ｌも等しく表面プラズモンに変換される。したがって、偏光方向に依存しない光検出が可能となる。
さらに、図１１に示すように、周期的ナノ凹凸構造１１における凹部１２は、平面視で同心多角状の配置パターンを有していてもよい。同心多角形状の配置パターンを採用する場合、同心多角形状の配置パターンの各辺に対して電場ベクトルが直交する光Ｌのみが周期的ナノ凹凸構造１１において強い表面プラズモンに変換される。したがって、二つの偏光方向について高感度な光検出が可能となる。図１１では、同心四角形状を図示しているが、同心三角形状、同心六角形状といった他の多角形状であってもよい。
１…光検出素子、２…半導体層、２ａ…表面（他方面）、２ｂ…裏面（一方面）、１１…周期的ナノ凹凸構造、１２…凹部、１３…凸部、１４…金属膜、Ｃ１…縦共振器、Ｃ２…横共振器、Ｆ…入射面、Ｌ…光、Ｔ…凸部の高さ、Ｐ…凸部の配列ピッチ、Ｄ…凹部の幅。

Claims (11)

  1. 半導体層の一方面に光の入射面を有する光検出素子であって、
    前記半導体層の他方面に設けられ、前記入射面から入射した前記光に対する縦共振器及び横共振器を構成する凸部及び凹部を有し、前記光を表面プラズモンに変換する周期的ナノ凹凸構造と、
    前記周期的ナノ凹凸構造を覆うように設けられた金属膜と、を備え、
    前記周期的ナノ凹凸構造における凸部の高さ及び配列ピッチは、前記縦共振器の共振波長と前記横共振器の共振波長とが揃うように設定され、
    前記金属膜の厚さは、２０ｎｍ以上となっている光検出素子。
  2. 前記周期的ナノ凹凸構造で発生する前記表面プラズモンの波長をλｐとした場合に、前記凸部の高さＴが３／８λｐ＜Ｔ＜５／８λｐを満たし、前記凸部の配列ピッチＰが９／１０λｐ＜Ｐ＜１１／１０λｐを満たす、請求項１記載の光検出素子。
  3. 前記周期的ナノ凹凸構造で発生する前記表面プラズモンの波長をλｐとした場合に、前記凹部の幅Ｄが５０ｎｍ＜Ｄ＜λｐ−５０ｎｍを満たす、請求項１又は２記載の光検出素子。
  4. 前記半導体層は、シリコンによって構成されている請求項１〜３のいずれか一項記載の光検出素子。
  5. 前記金属膜は、アルミニウムを含んで構成されている請求項１〜４のいずれか一項記載の光検出素子。
  6. 前記金属膜は、前記半導体層に接する第１の膜と、当該第１の膜よりも屈折率が小さい第２の膜とを含む複数層の膜によって構成されている請求項１〜５のいずれか一項記載の光検出素子。
  7. 前記周期的ナノ凹凸構造における前記凹部は、平面視でマトリクス状の配置パターンを有している請求項１〜６のいずれか一項記載の光検出素子。
  8. 前記凹部の横断面形状は、円形状又は矩形状となっている請求項７記載の光検出素子。
  9. 前記周期的ナノ凹凸構造における前記凹部は、平面視でストライプ状の配置パターンを有している請求項１〜６のいずれか一項記載の光検出素子。
  10. 前記周期的ナノ凹凸構造における前記凹部は、平面視で同心円状の配置パターンを有している請求項１〜６のいずれか一項記載の光検出素子。
  11. 前記周期的ナノ凹凸構造における前記凹部は、平面視で同心多角形状の配置パターンを有している請求項１〜６のいずれか一項記載の光検出素子。
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