JP2020004775A - 光検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】金属電極層間の短絡を防止でき、かつ半導体層の空乏層位置の制御を容易化でき、製造歩留まりの向上が図られる光検出器を提供する。【解決手段】光検出器１Ａでは、半導体凸部４及び第２の金属電極層６によって構成されるＭＩＭ共振器７の接合方向Ａが、半導体ベース部２と半導体凸部４との間のｐｎ接合の方向Ｂと交差し、第２の金属電極層６と半導体凸部４の側面４ｂとの密着幅によって規定されるＭＩＭ共振器７の共振器長Ｌ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Ｉによって表面プラズモンが励起され、且つ表面プラズモンの共振により形成される電場によってフォノンが励起される長さとなっている。【選択図】図１

Description

本発明は、光検出器に関する。

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に記載の光検出器は、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ている。この積層構造体は、いわゆるＭｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ（ＭＩＭ）共振器を構成し、Ｉ層としての半導体層は、導電型がｐ型の半導体層と導電型がｎ型の半導体層との積層体によって構成されている。

積層構造体では、光入射によって生じた表面プラズモンが有する局在電場によって半導体層のフォノンが励起される。励起されたフォノンの多段階励起によって半導体層内での電子遷移が可能となり、半導体層内で光吸収が生じる。これが光電子として外部に取り出されることで、半導体層の吸収端波長よりも長い波長の光検出が実現されている。

特許第５９５２１０８号公報

上述のような光検出器においては、半導体層の厚さをナノオーダ程度で形成する必要がある。このため、光検出器の製造歩留まりを高める観点から、半導体層を挟む金属電極層間の短絡をより確実に防止するための工夫を施すことが好ましい。また、光検出器の製造歩留まりを高める観点からは、受光領域となる半導体層の空乏層位置の制御を容易化する工夫も必要となる。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、金属電極層間の短絡を防止でき、かつ半導体層の空乏層位置の制御を容易化でき、製造歩留まりの向上が図られる光検出器を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明の一側面に係る光検出器は、ｐ型及びｎ型の一方の導電型を有する半導体層によって構成された半導体ベース部と、半導体ベース部の一方面に設けられた第１の金属電極層と、ｐ型及びｎ型の他方の導電型を有する半導体層によって構成され、半導体ベース部の他方面に設けられた半導体凸部と、半導体凸部の周りを囲うように半導体ベース部の他方面に設けられた絶縁層と、半導体凸部において少なくとも互いに対向する一対の側面に密着するように絶縁層上に設けられた第２の金属電極層と、を備え、半導体凸部及び第２の金属電極層によって構成されるＭＩＭ共振器の接合方向は、半導体ベース部と半導体凸部との間のｐｎ接合の方向と交差し、第２の金属電極層と半導体凸部の側面との密着幅によって規定されるＭＩＭ共振器の共振器長は、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って表面プラズモンが励起され、且つ表面プラズモンの共振により形成される電場によってフォノンが励起される長さとなっている。

この光検出器では、ＭＩＭ共振器においてＩ層である半導体凸部を挟む第２の金属電極層同士を等電位とすることができる。このため、第２の金属電極層間が短絡することがなく、これらの金属電極層同士を電気的に分離する必要がなくなる。また、受光領域となる半導体層の空乏層を、半導体ベース部と半導体凸部との間のｐｎ接合の界面から半導体凸部の突出方向に向けて形成できる。したがって、空乏層位置を半導体ベース部及び半導体凸部のキャリア濃度の調整によって容易に制御できる。以上により、この光検出器では、製造歩留まりの向上が図られる。

また、半導体凸部のキャリア濃度は、半導体ベース部のキャリア濃度よりも小さくなっていてもよい。この場合、半導体凸部の十分な領域を空乏層とすることが可能となり、入射光の光電変換効率を向上できる。

また、ＭＩＭ共振器の共振器長は、表面プラズモンの波長の１／２の整数倍となっており、半導体凸部の頂部は、前記第２の金属電極層から露出していてもよい。この場合、第２の金属電極層側から入射光が入射する表面入射型光検出器を構成できる。

また、ＭＩＭ共振器の共振器長は、表面プラズモンの波長の１／４の奇数倍となっており、半導体凸部の頂部は、前記第２の金属電極層によって覆われている。第１の金属電極層側から入射光が入射する裏面入射型光検出器を構成できる。

また、第１の金属電極層には、半導体凸部と対応する位置に、半導体ベース部の一方面を露出させる開口部が設けられていてもよい。この場合、裏面入射型光検出器における入射光の入射効率を高めることができる。

また、開口部から露出する半導体ベース部の一方面には、透明導電膜又は反射防止膜からなる光学膜が設けられていてもよい。この場合、裏面入射型光検出器における入射光の入射効率を更に高めることができる。

また、半導体凸部は、半導体ベース部の他方面における面内方向の一方向に延在し、第２の金属電極層は、半導体凸部を挟むように一方向に延在していてもよい。この場合、入射光の受光面積を十分に確保できる。

また、半導体凸部は、平面視において断面正方形状又は断面円形状をなし、第２の金属電極層は、半導体凸部の全ての側面に密着するように設けられていてもよい。断面正方形状の半導体凸部を用いる場合、偏光方向が互いに直交する入射光の検出が可能となる。断面円形状の半導体凸部を用いる場合、無偏光の入射光の検出が可能となる。

また、半導体凸部は、半導体ベース部の他方面に複数設けられ、半導体凸部のそれぞれに対応して設けられた第２の金属電極層の少なくとも一部同士が連続していてもよい。この場合、入射光の受光面積を一層十分に確保できる。

また、半導体凸部は、半導体ベース部の他方面に複数設けられ、半導体凸部のそれぞれに対応して設けられた第２の金属電極層同士が互いに離間していてもよい。この場合、光検出器をマルチチャンネル化でき、一次元又は二次元のイメージセンサを実現できる。

また、第２の金属電極層は、絶縁層を介して半導体凸部の一対の側面に密着していてもよい。この場合、第１の金属電極層と第２の電極層との間に流れる電流の向きを半導体凸部の突出方向に一層沿わせることが可能となる。このため、受光領域となる半導体層の空乏層を、半導体ベース部と半導体凸部との間のｐｎ接合の界面から半導体凸部の突出方向に向けて均一に分布させることができる。したがって、入射光の光電変換効率の一層の向上が図られる。

また、半導体ベース部は、当該半導体ベース部の他方面側に位置し、第１の金属電極層及び半導体凸部に接合する第１のベース部分と、残余の部分を構成する第２のベース部分とを有し、第１のベース部分のキャリア濃度は、第２のベース部分のキャリア濃度よりも大きくなっていてもよい。この場合、半導体凸部に接合する第１のベース部分のキャリア濃度が十分に確保されることで、半導体凸部の十分な領域を空乏層とすることが可能となり、入射光の光電変換効率を向上できる。

また、第１のベース部分の厚さは、第２のベース部分の厚さよりも小さくなっていてもよい。この場合、第１のベース部分での入射光の吸収量が抑えられるので、光電変換効率の一層の向上が図られる。

また、第１の金属電極層は、第２の金属電極層と離間した状態で半導体ベース部の他方面に設けられていてもよい。この場合、半導体ベース部の同一面に第１の金属電極層及び第２の金属電極層が並ぶので、光検出器の製造が容易なものとなる。

また、第１の金属電極層は、半導体ベース部の一方面に設けられていると共に、第２のベース部分を貫通して第１のベース部分に接合していてもよい。この場合、第１の金属電極層と第２の金属電極層との短絡をより確実に防止できる。

この光検出器では、金属電極層間の短絡を防止でき、かつ半導体層の空乏層位置の制御を容易化でき、製造歩留まりの向上が図られる。

第１実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。 第２実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。 第３実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。 第４実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。 第５実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。 第６実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。 第７実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。 第８実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。 第９実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。 第１０実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。 第１１実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。 第１２実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。 第１３実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。 第１４実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。 第１５実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。 第１６実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る光検出器の好適な実施形態について詳細に説明する。
［第１実施形態］

図１は、第１実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。図１（ａ）は断面図であり、図１（ｂ）は平面図である。同図に示すように、光検出器１Ａは、半導体ベース部２と、第１の金属電極層３と、半導体凸部４と、絶縁層５と、第２の金属電極層６とを備えている。本実施形態では、便宜上、第１の金属電極層３側を光検出器１Ａの裏面側と規定し、第２の金属電極層６側を光検出器１Ａの表面側と規定する。この光検出器１Ａは、入射光Ｉが表面側（第２の金属電極層６側）から入射する表面入射型光検出器となっている。

光検出器１Ａでは、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）よりも長い波長の光が入射光Ｉとして入射した場合に、当該入射光Ｉによって表面プラズモンが励起され、当該表面プラズモンの共振により形成される電場によってフォノンが励起される。このため、光検出器１Ａでは、入射光Ｉの光子エネルギーに加え、フォノンの多段階励起による光子振動エネルギーを利用することができ、半導体層内での電子遷移が可能となる。光検出器１Ａでは、半導体層内で生じた光吸収が光電子として外部に取り出されることで、半導体層の吸収端波長よりも長い波長の光検出が実現される。ここでは、検出対象である入射光Ｉの波長が１５５０ｎｍである場合を想定し、光検出器１Ａの各構成要素の寸法等を例示する。

半導体ベース部２は、例えば導電型がｐ型のＳｉからなる半導体層であり、矩形の基板状をなしている。半導体ベース部２の厚さは、例えば５５０μｍ程度となっている。第１の金属電極層３は、光検出器１Ａのアノードとして機能する金属電極層である。第１の金属電極層３は、例えばＡｌ、Ｐｔ等の金属によって形成されている。第１の金属電極層３は、半導体ベース部２の一方面２ａ側の全面にわたって設けられ、半導体ベース部２との間でオーミック接合を形成している。第１の金属電極層３の厚さは、例えば２００ｎｍ程度となっている。

半導体凸部４は、例えば導電型がｎ型のＳｉからなる半導体層であり、半導体ベース部２の他方面２ｂ側に設けられている。本実施形態では、半導体凸部４は、平面視において断面矩形状をなし、半導体ベース部２の他方面２ｂの中央部分において他方面２ｂの面内方向の一方向に直線状に延在している。図１（ｂ）の例では、半導体凸部４は、半導体ベース部の他方面２ｂの一端から他端に至るまで延在している。半導体凸部４の高さＨは、幅Ｗよりも大きくなっている。一例として、半導体凸部４の高さＨは、例えば２１０ｎｍとなっており、半導体凸部４の幅Ｗは、例えば１００ｎｍとなっている。半導体凸部４の底面４ａと半導体ベース部２の他方面２ｂとの界面では、半導体層のｐｎ接合が形成されている。ｐｎ接合の方向Ｂは、半導体ベース部２に対する半導体凸部４の積層方向及び半導体凸部４の高さ方向と一致している。また、半導体凸部４の幅Ｗ方向において互いに対向する一対の側面４ｂは、半導体ベース部２の他方面２ｂと直交する矩形状の面となっている。

絶縁層５は、例えばＳｉＯ_２からなり、半導体凸部４の周りを囲うように半導体ベース部２の他方面２ｂに設けられている。図１の例では、絶縁層５は、半導体ベース部２の他方面２ｂにおいて、半導体凸部４の形成領域を除いた領域の全体に設けられている。本実施形態では、絶縁層５は、半導体凸部４の基端部分を囲うように当該基端部分に密着した構成となっている。絶縁層５の厚さは、例えば２０ｎｍとなっている。

第２の金属電極層６は、光検出器１Ａのカソードとして機能する金属電極層である。第２の金属電極層６は、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｉｎ等の金属によって形成されている。第２の金属電極層６は、半導体凸部４において上記一対の側面４ｂに密着するように絶縁層５上に設けられ、半導体凸部４との間でオーミック接合を形成している。図１の例では、第２の金属電極層６は、半導体凸部４の幅方向の一方及び他方の側面４ｂ側のそれぞれにおいて半導体凸部４の延在方向に延び、側面４ｂにおける絶縁層５からの突出部分の全面に密着するように絶縁層５の全面にわたって設けられている。第２の金属電極層６の厚さは、例えば１９０ｎｍとなっている。このため、半導体凸部４の頂部は、第２の金属電極層６から露出した状態となっており、半導体凸部４の頂面と第２の金属電極層６の頂面とは、面一となっている。

上述した半導体凸部４及び半導体凸部４を挟む第２の金属電極層６は、いわゆるＭｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ（ＭＩＭ）共振器７を構成している。ＭＩＭ共振器７の接合方向Ａは、第２の金属電極層６−半導体凸部４−第２の金属電極層６の並ぶ方向であり、半導体ベース部２の他方面２ｂの面内方向と一致し、半導体凸部４と半導体ベース部２との間のｐｎ接合の方向Ｂと交差（直交）している。

ＭＩＭ共振器７の共振器長Ｌは、半導体凸部４の側面４ｂに密着している第２の金属電極層６の密着幅で規定される。共振器長Ｌ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Ｉによって表面プラズモンが励起され、且つ表面プラズモンの共振により形成される電場によってフォノンが励起される長さとなっている。表面入射型の光検出器１Ａでは、ＭＩＭ共振器７の共振器長Ｌは、励起される表面プラズモンの波長λｐの１／２の整数倍となっている。

ＭＩＭ共振器７での表面プラズモンの波長λｐの目安としては、下記式（１）がある。式（１）中、ｎは半導体凸部４の屈折率、Ｗは半導体凸部４の幅、δは第２の金属電極層６への入射光Ｉの表皮深さ、λ_０は入射光Ｉの波長である。

…（１）

図１の例では、半導体凸部４の高さＨが２１０ｎｍ、半導体凸部４の幅Ｗが１００ｎｍ、絶縁層５の厚さが２０ｎｍとなっている。したがって、ＭＩＭ共振器７の共振器長Ｌは、１９０ｎｍとなり、波長１５５０ｎｍの光の共鳴に対応する。このとき、ＭＩＭ共振器７によって半導体凸部４内に発生する電場は、半導体凸部４の高さ方向の両端で最大となり、高さ方向の中心部でゼロとなる。したがって、半導体凸部４で発生する電場は、９５ｎｍ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、半導体凸部４のキャリア濃度は、半導体ベース部２のキャリア濃度よりも小さくなっている。具体的には、半導体ベース部２のキャリア濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３とし、半導体凸部４のキャリア濃度を１×１０^１７ｃｍ^−３とした場合、空乏層をｐｎ接合の界面から半導体凸部４の高さ方向に約１１０ｎｍにわたって形成できる。

以上の構成を有する光検出器１Ａでは、ＭＩＭ共振器７の接合方向Ａとｐｎ接合の方向Ｂとが交差する構成を有する結果、ＭＩＭ共振器７においてＩ層である半導体凸部４を挟む第２の金属電極層６同士を等電位とすることができる。このため、第２の金属電極層６間が短絡することがなく、第２の金属電極層６同士を電気的に分離する必要がなくなる。また、光検出器１Ａでは、受光領域となる半導体層の空乏層を、半導体ベース部２と半導体凸部４との間のｐｎ接合の界面から半導体凸部４の突出方向に向けて形成できる。空乏層位置は、半導体ベース部２及び半導体凸部４のキャリア濃度の調整によって容易に制御できる。以上により、光検出器１Ａでは、製造歩留まりの向上が図られる。

また、光検出器１Ａでは、半導体凸部４のキャリア濃度が半導体ベース部２のキャリア濃度よりも小さくなっている。これにより、半導体凸部４の十分な領域を空乏層とすることが可能となり、入射光Ｉの光電変換効率を向上できる。また、光検出器１Ａでは、ＭＩＭ共振器７の共振器長Ｌが表面プラズモンの波長の１／２の整数倍となっている。これにより、第２の金属電極層６側から入射光Ｉが入射する表面入射型光検出器を好適に構成できる。

また、光検出器１Ａでは、半導体凸部４が半導体ベース部２の他方面２ｂにおける面内方向の一方向に延在し、第２の金属電極層６が半導体凸部４を挟むように一方向に延在している。このような構成により、入射光Ｉの受光面積を十分に確保できるので、検出感度を十分に高めることが可能となる。
［第２実施形態］

図２は、第２実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。図２（ａ）は断面図であり、図２（ｂ）は平面図である。同図に示すように、第２実施形態に係る光検出器１Ｂは、半導体凸部４の形状が第１実施形態と主に相違している。

より具体的には、光検出器１Ｂの半導体凸部４は、図２（ｂ）に示すように、断面正方形状の柱状をなし、半導体ベース部２の他方面２ｂの中央部分に設けられている。半導体凸部４の断面形状の一辺の長さＷは、第１実施形態における半導体凸部４の幅Ｗと同じとなっている。第２の金属電極層６は、半導体凸部４の全ての側面４ｂにおける絶縁層５からの突出部分の全面に密着するように、絶縁層５の全面にわたって設けられている。

このような構成を有する光検出器１Ｂにおいても、第１実施形態と同様の作用効果が奏される。また、光検出器１Ｂでは、断面正方形状の半導体凸部４を用いているため、偏光方向が互いに直交する入射光Ｉの検出が可能となる。すなわち、光検出器１Ｂでは、偏光方向が半導体凸部４の一の辺の長さＷ方向に沿う入射光Ｉと、一の辺に直交する辺の長さＷ方向に沿う入射光Ｉとの検出が可能となる。

また、図２（ｃ）の例では、半導体凸部４は、断面円形状の柱状をなし、半導体ベース部２の他方面２ｂの中央部分に設けられている。半導体凸部４の直径Ｗは、第１実施形態における半導体凸部４の幅Ｗと同じとなっている。第２の金属電極層６は、半導体凸部４の周面における絶縁層５からの突出部分の全面に密着するように、絶縁層５の全面にわたって設けられている。このような断面円形状の半導体凸部４を用いる場合には、無偏光の入射光Ｉの検出が可能となる。なお、図２（ｃ）の例では、図２（ｂ）の例とは異なり、半導体凸部４において互いに対向する一対の側面４ｂは、単一の側面によって構成されている。すなわち、第２の金属電極層６が密着する「半導体凸部４における互いに対向する一対の側面４ｂ」には、側面の数にかかわらず、半導体凸部４において半導体ベース部２の他方面２ｂに直交する一又は複数の面が含まれ得る。
［第３実施形態］

図３は、第２実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。図３（ａ）は断面図であり、図３（ｂ）は平面図である。同図に示すように、第３実施形態に係る光検出器１Ｃは、半導体凸部４の配置数が第１実施形態と主に相違している。

より具体的には、光検出器１Ｃには、複数（ここでは３体）の半導体凸部４が設けられている。各半導体凸部４は、第１実施形態と同様に、半導体ベース部２の他方面２ｂにおける面内方向の一方向に延在しており、幅Ｗの方向に所定の間隔をもって配列されている。図３（ｂ）の例では、各半導体凸部４は、半導体ベース部２の他方面２ｂの一端から他端に向かって延在しているが、他端までは延在せず、当該他端とは一定の間隔で離間している。

各半導体凸部４に対応する第２の金属電極層６は、第１実施形態と同様に、半導体凸部４を挟むように半導体凸部４の延在方向に延在している。これらの第２の金属電極層６同士は、半導体ベース部２の他方面２ｂの他端側において、半導体凸部４が延在していない部分で互いに連続している。このような構成を有する光検出器１Ｃにおいても、第１実施形態と同様の作用効果が奏される。また、光検出器１Ｃでは、半導体凸部４を複数配列することにより、入射光Ｉの受光面積を一層十分に確保できるので、検出感度を更に高めることが可能となる。
［第４実施形態］

図４は、第４実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。図４（ａ）は断面図であり、図４（ｂ）は平面図である。同図に示すように、第４実施形態に係る光検出器１Ｄは、半導体凸部４の形状が第３実施形態と更に相違している。

より具体的には、光検出器１Ｄには、複数（ここでは６体）の半導体凸部４が設けられている。図４（ｂ）の例では、各半導体凸部４は、断面正方形状の柱状をなし、半導体ベース部２の他方面２ｂにおいてマトリクス状に配置されている。各半導体凸部４の断面形状の一辺の長さＷは、第１実施形態における半導体凸部４の幅Ｗと同じとなっている。第２の金属電極層６は、各半導体凸部４の全ての側面４ｂにおける絶縁層５からの突出部分の全面に密着するように、絶縁層５の全面にわたって設けられている。

このような構成を有する光検出器１Ｄにおいても、第３実施形態と同様に、半導体凸部４を複数配列することにより、入射光Ｉの受光面積を一層十分に確保できるので、検出感度を更に高めることが可能となる。また、断面正方形状の半導体凸部４を用いているため、偏光方向が互いに直交する入射光Ｉの検出が可能となる。

また、図４（ｃ）の例では、各半導体凸部４は、断面円形状の柱状をなし、半導体ベース部２の他方面２ｂにおいてマトリクス状に配置されている。各半導体凸部４の直径Ｗは、第１実施形態における半導体凸部４の幅Ｗと同じとなっている。第２の金属電極層６は、各半導体凸部４の周面における絶縁層５からの突出部分の全面に密着するように、絶縁層５の全面にわたって設けられている。このような断面円形状の半導体凸部４を用いる場合には、無偏光の入射光Ｉの検出が可能となる。
［第５実施形態］

図５は、第５実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。図５（ａ）は断面図であり、図５（ｂ）は平面図である。同図に示すように、第５実施形態に係る光検出器１Ｅは、第２の金属電極層６の形状が第３実施形態と更に相違している。

より具体的には、光検出器１Ｅでは、各半導体凸部４に対応する第２の金属電極層６同士が互いに離間している。第２の金属電極層６同士が離間している部分では、絶縁層５が露出した状態となっている。このような構成を有する光検出器１Ｅでは、複数の独立したＭＩＭ共振器７が半導体凸部４の幅Ｗ方向に構成されてマルチチャンネル化されるため、一次元イメージセンサを実現できる。
［第６実施形態］

図６は、第６実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。図６（ａ）は断面図であり、図６（ｂ）は平面図である。同図に示すように、第６実施形態に係る光検出器１Ｆは、第２の金属電極層６の形状が第４実施形態と更に相違している。

より具体的には、光検出器１Ｆでは、各半導体凸部４に対応する第２の金属電極層６同士が互いに離間している。第２の金属電極層６同士が離間している部分では、絶縁層５が露出した状態となっている。このような構成を有する光検出器１Ｆでは、複数の独立したＭＩＭ共振器７がマトリクス状に構成されてマルチチャンネル化されるため、二次元イメージセンサを実現できる。
［第７実施形態］

図７は、第７実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。図７（ａ）は断面図であり、図７（ｂ）は平面図である。同図に示すように、第７実施形態に係る光検出器１Ｇは、入射光Ｉが裏面側（第１の金属電極層３側）から入射する裏面入射型光検出器となっている点で、表面入射型光検出器である第１実施形態と異なっている。作用効果は、第１実施形態と同様である。

光検出器１Ｇでは、第１の金属電極層３において、半導体凸部４に対応する位置に入射光Ｉを入射させる開口部８が設けられている。開口部８は、半導体凸部４の高さ方向から見て、半導体凸部４が開口部８の領域内に位置するように形成されている。開口部８の形状は、矩形であってもよく、円形であってもよい。開口部８から露出する半導体ベース部２の一方面２ａには、透明導電膜又は反射防止膜からなる光学膜１０を設けてもよい。透明導電膜としては、例えば酸化インジウムスズなどが挙げられる。反射防止膜としては、例えば酸化アルミニウムなどが挙げられる。光学膜１０の厚さは、例えば２００ｎｍ程度に構成し得る。
第１の金属電極層３を構成する金属材料としては、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕのほか、Ｉｎを用いることも好適である。また、光検出器１Ｇでは、絶縁層５と第２の金属電極層６とを合わせた厚さが半導体凸部４の高さよりも大きくなっている。これにより、半導体凸部４は、第２の金属電極層６内に埋没し、半導体凸部４の頂部が第２の金属電極層６によって覆われた状態となっている。

このような裏面入射型の光検出器１Ｇでは、ＭＩＭ共振器７の共振器長Ｌは、励起される表面プラズモンの波長λｐの１／４の奇数倍となっている。本実施形態では、ＭＩＭ共振器７の共振器長Ｌを９５ｎｍとすることで、波長１５５０ｎｍの光の共鳴に対応させることができる。このような構成を有する光検出器１Ｇにおいても、ＭＩＭ共振器７の接合方向Ａとｐｎ接合の方向Ｂとが交差する構成を有しているため、第１実施形態と同様の作用効果が奏される。

本実施形態では、第１の金属電極層３において、半導体凸部４と対応する位置に、半導体ベース部２の一方面２ａを露出させる開口部８が設けられている。また、本実施形態では、開口部８から露出する半導体ベース部２の一方面２ａは、透明導電膜又は反射防止膜からなる光学膜１０が設けられている。これにより、裏面入射型光検出器における入射光Ｉの入射効率を高めることができる。さらに、半導体凸部４の頂部が第２の金属電極層６によって覆われた状態となっていることで、入射光Ｉを効率良くＭＩＭ共振器７内に閉じ込めることが可能となる。
［第８実施形態］

図８は、第８実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。図８（ａ）は断面図であり、図８（ｂ）は平面図である。同図に示すように、第８実施形態に係る光検出器１Ｈは、半導体凸部４の形状が第７実施形態と主に相違している。

より具体的には、光検出器１Ｈの半導体凸部４は、図８（ｂ）に示すように、断面正方形状の柱状をなし、半導体ベース部２の他方面２ｂの中央部分に設けられている。半導体凸部４の断面形状の一辺の長さＷは、第７実施形態における半導体凸部４の幅Ｗと同じとなっている。このような構成を有する光検出器１Ｈにおいても、第７実施形態と同様の作用効果が奏される。また、断面正方形状の半導体凸部４を用いているため、偏光方向が互いに直交する入射光Ｉの検出が可能となる。また、図８（ｃ）の例では、半導体凸部４は、断面円形状の柱状をなしている。半導体凸部４の直径Ｗは、第７実施形態における半導体凸部４の幅Ｗと同じとなっている。このような断面円形状の半導体凸部４を用いる場合には、無偏光の入射光Ｉの検出が可能となる。
［第９実施形態］

図９は、第９実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。図９（ａ）は断面図であり、図９（ｂ）は平面図である。同図に示すように、第９実施形態に係る光検出器１Ｉは、半導体凸部４の配置数が第７実施形態と主に相違している。

より具体的には、光検出器１Ｉには、複数（ここでは３体）の半導体凸部４が設けられている。各半導体凸部４は、第７実施形態と同様に、半導体ベース部２の他方面２ｂにおける面内方向の一方向に延在しており、幅Ｗの方向に所定の間隔をもって配列されている。図９（ｂ）の例では、各半導体凸部４は、半導体ベース部２の他方面２ｂの一端から他端に至るまで延在している。また、開口部８は、複数の半導体凸部４のそれぞれに対応するように複数設けられている。各半導体凸部４に対応する第２の金属電極層６は、第７実施形態と同様に、半導体凸部４を挟むように半導体凸部４の延在方向に延在している。本実施形態においても、半導体凸部４は、第２の金属電極層６内に埋没しており、各半導体凸部４に対応する第２の金属電極層６同士は、半導体凸部４の頂部側で互いに連続している。

このような構成を有する光検出器１Ｉにおいても、第７実施形態と同様の作用効果が奏される。また、光検出器１Ｉでは、半導体凸部４を複数配列することにより、入射光Ｉの受光面積を一層十分に確保できるので、検出感度を更に高めることが可能となる。
［第１０実施形態］

図１０は、第１０実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。図１０（ａ）は断面図であり、図１０（ｂ）は平面図である。同図に示すように、第１０実施形態に係る光検出器１Ｊは、半導体凸部４の形状が第９実施形態と更に相違している。

より具体的には、光検出器１Ｊには、複数（ここでは６体）の半導体凸部４が設けられている。図１０（ｂ）の例では、各半導体凸部４は、断面正方形状の柱状をなし、半導体ベース部２の他方面２ｂにおいてマトリクス状に配置されている。各半導体凸部４の断面形状の一辺の長さＷは、第７実施形態における半導体凸部４の幅Ｗと同じとなっている。また、開口部８は、複数の半導体凸部４のそれぞれに対応するように複数設けられている。このような構成を有する光検出器１Ｊにおいても、第９実施形態と同様に、半導体凸部４を複数配列することにより、入射光Ｉの受光面積を一層十分に確保できるので、検出感度を更に高めることが可能となる。また、断面正方形状の半導体凸部４を用いているため、偏光方向が互いに直交する入射光Ｉの検出が可能となる。

また、図１０（ｃ）の例では、各半導体凸部４は、断面円形状の柱状をなし、半導体ベース部２の他方面２ｂにおいてマトリクス状に配置されている。各半導体凸部４の直径Ｗは、第７実施形態における半導体凸部４の幅Ｗと同じとなっている。このような断面円形状の半導体凸部４を用いる場合には、無偏光の入射光Ｉの検出が可能となる。
［第１１実施形態］

図１１は、第１１実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。図１１（ａ）は断面図であり、図１１（ｂ）は平面図である。同図に示すように、第１１実施形態に係る光検出器１Ｋは、第２の金属電極層６の形状が第９実施形態と更に相違している。

より具体的には、光検出器１Ｋでは、各半導体凸部４に対応する第２の金属電極層６同士が互いに離間している。第２の金属電極層６同士が離間している部分では、絶縁層５が露出した状態となっている。このような構成を有する光検出器１Ｋでは、複数の独立したＭＩＭ共振器７が半導体凸部４の幅Ｗ方向に構成されてマルチチャンネル化されるため、一次元イメージセンサを実現できる。
［第１２実施形態］

図１２は、第１２実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。図１２（ａ）は断面図であり、図１２（ｂ）は平面図である。同図に示すように、第１２実施形態に係る光検出器１Ｌは、第２の金属電極層６の形状が第１０実施形態と更に相違している。

より具体的には、光検出器１Ｌでは、各半導体凸部４に対応する第２の金属電極層６同士が互いに離間している。第２の金属電極層６同士が離間している部分では、絶縁層５が露出した状態となっている。このような構成を有する光検出器１Ｌでは、複数の独立したＭＩＭ共振器７がマトリクス状に構成されてマルチチャンネル化されるため、二次元イメージセンサを実現できる。
［第１３実施形態］

図１３は、第１３実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。同図に示すように、第１３実施形態に係る光検出器１Ｍは、半導体凸部４及び絶縁層５の構成が第１実施形態と相違している。

より具体的には、光検出器１Ｍでは、半導体凸部４において頂面部分を除いて基端部分が幅細となっており、幅細の基端部分において、半導体凸部４の幅に比べて十分に薄い絶縁層５が側面４ｂに密着している。これにより、第２の金属電極層６は、絶縁層５を介して半導体凸部４の一対の側面４ｂに密着した状態となっている。本実施形態では、半導体凸部４において、側面４ｂからの頂面部分の突出幅と、側面４ｂに密着している絶縁層５の厚さと一致している。また、半導体凸部４の頂面部分は、絶縁層５を介さずに第２の金属電極層６と直接密着した状態となっている。

このような構成を有する光検出器１Ｍでは、第１の金属電極層３と第２の金属電極層６との間に流れる電流の向きを半導体凸部４の突出方向に一層沿わせることが可能となる。このため、受光領域となる半導体層の空乏層を、半導体ベース部２と半導体凸部４との間のｐｎ接合の界面から半導体凸部４の突出方向に向けて均一に分布させることができる。したがって、入射光Ｉの光電変換効率の一層の向上が図られる。なお、本実施形態及びこれ以降の第１６実施形態までについては、半導体凸部４の幅Ｗは、半導体凸部４及び半導体凸部４の側面４ｂに密着する絶縁層５を含めた幅で定義される。
［第１４実施形態］

図１４は、第１４実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。同図に示すように、第１４実施形態に係る光検出器１Ｎは、半導体凸部４及び絶縁層５の構成が第７実施形態と相違している。この光検出器１Ｎは、第１３実施形態と同様の半導体凸部４及び絶縁層５の構成を第７実施形態に示した裏面入射型光検出器に適用したものである。ただし、本実施形態では、半導体凸部４の頂面部分は、側面４ｂに対して突出しておらず、絶縁層５は、側面４ｂの全面にわたって密着した状態となっている。

このような構成を有する光検出器１Ｎにおいても、第１の金属電極層３と第２の金属電極層６との間に流れる電流の向きを半導体凸部４の突出方向に一層沿わせることが可能となる。このため、受光領域となる半導体層の空乏層を、半導体ベース部２と半導体凸部４との間のｐｎ接合の界面から半導体凸部４の突出方向に向けて均一に分布させることができる。したがって、入射光Ｉの光電変換効率の一層の向上が図られる。
［第１５実施形態］

図１５は、第１５実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。同図に示すように、第１５実施形態に係る光検出器１Ｏは、第１の金属電極層３及び第２の金属電極層６の構成が主として第７実施形態と相違している。半導体凸部４及び絶縁層５の構成は、第１４実施形態と同様となっている。

より具体的には、光検出器１Ｏでは、第１の金属電極層３及び第２の金属電極層６がいずれも半導体ベース部２の他方面２ｂ側に設けられている。本実施形態では、半導体ベース部２の他方面２ｂの一部が絶縁層５で覆われていない露出部分を有し、第１の金属電極層３は、当該露出部分において第２の金属電極層６と所定の間隔をもって配置されている。

また、光検出器１Ｏでは、半導体ベース部２は、当該半導体ベース部２の他方面２ｂ側に位置し、第１の金属電極層３及び半導体凸部４に接合する第１のベース部分２ｃと、残余の部分を構成する第２のベース部分２ｄとを有している。第１のベース部分２ｃのキャリア濃度は、第２のベース部分２ｄのキャリア濃度よりも大きくなっている。具体的には、第１のベース部分２ｃのキャリア濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３となっており、第２のベース部分２ｄのキャリア濃度は５×１０^１６ｃｍ^−３となっている。

また、本実施形態では、第１のベース部分２ｃの厚さは、第２のベース部分２ｄの厚さよりも小さくなっている。具体的には、第１のベース部分２ｃの厚さは、２μｍ程度となっており、第２のベース部分２ｄの厚さは、２００μｍ程度となっている。つまり、第１のベース部分２ｃは、薄膜であり、第２のベース部分２ｄは、薄膜である第１のベース部分２ｃを支持するように十分な厚さをもって構成されている。

このような構成を有する光検出器１Ｏでは、第１４実施形態と同様の作用効果を有すると共に、半導体ベース部２の同一面に第１の金属電極層３及び第２の金属電極層６が並ぶことで、製造の容易性を確保できる。また、光検出器１Ｏでは、半導体凸部４に接合する第１のベース部分２ｃのキャリア濃度が十分に確保されることで、半導体凸部４の十分な領域を空乏層とすることが可能となり、入射光Ｉの光電変換効率を向上できる。さらに、光検出器１Ｏでは、第１のベース部分２ｃの厚さが第２のベース部分２ｄの厚さよりも小さくなっているため、第１のベース部分２ｃでの入射光Ｉの吸収量が抑えられるので、光電変換効率の一層の向上が図られる。
［第１６実施形態］

図１６は、第１６実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。同図に示すように、第１６実施形態に係る光検出器１Ｐは、第１の金属電極層３及び第２の金属電極層６の構成が主として第７実施形態と更に相違している。半導体凸部４、絶縁層５、及び半導体ベース部２（第１のベース部分２ｃ及び第２のベース部分２ｄ）の構成は、第１５実施形態と同様となっている。

より具体的には、光検出器１Ｐでは、第１の金属電極層３は、半導体ベース部２の一方面２ａに設けられている。第１の金属電極層３の位置は、半導体ベース部２の厚さ方向から見た場合に、第２の金属電極層６と重ならない位置となっている。また、第１の金属電極層３は、半導体ベース部２の第２のベース部分２ｄを貫通する貫通部分を有しており、当該貫通部分の先端は、半導体ベース部２内で第１のベース部分２ｃに接合した状態となっている。

このような構成を有する光検出器１Ｐにおいても、半導体凸部４に接合する第１のベース部分２ｃのキャリア濃度が十分に確保されることで、第２のベース部分２ｄの十分な領域を空乏層とすることが可能となり、入射光Ｉの光電変換効率を向上できる。また、第１のベース部分２ｃの厚さが第２のベース部分２ｄの厚さよりも小さくなっているため、第１のベース部分２ｃでの入射光Ｉの吸収量が抑えられるので、光電変換効率の一層の向上が図られる。さらに、光検出器１Ｐでは、第１の金属電極層３と第２の金属電極層６とが半導体ベース部２の異なる面に配置されているため、第１の金属電極層３と第２の金属電極層６との短絡をより確実に防止できる。
［他の変形例］

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記各実施形態では、半導体ベース部２の導電型がｐ型、半導体凸部４の導電型がｎ型となっているが、半導体ベース部２の導電型がｎ型、半導体凸部４の導電型がｐ型となっていてもよい。この場合も、上記実施形態と同様に、半導体凸部４のキャリア濃度が半導体ベース部２のキャリア濃度よりも小さくなっていることが好ましい。また、第１５実施形態及び第１６実施形態では、第１のベース部分２ｃ及び第２のベース部分２ｄを有する半導体ベース部２を例示したが、第１のベース部分２ｃを半導体ベース部２と解し、第２のベース部分２ｄを半導体ベース部２の保持部と解してもよい。この場合、第２のベース部分２ｄに相当する部分は、半導体層でなくともよく、ガラス基板等に置換してもよい。

１Ａ〜１Ｐ…光検出器、２…半導体ベース部、２ａ…一方面、２ｂ…他方面、２ｃ…第１のベース部分、２ｄ…第２のベース部分、３…第１の金属電極層、４…半導体凸部、４ｂ…側面、５…絶縁層、６…第２の金属電極層、７…ＭＩＭ共振器、８…開口部、１０…光学膜、Ａ…ＭＩＭ共振器の接合方向、Ｂ…ｐｎ接合の方向、Ｉ…入射光。

Claims (15)

1. ｐ型及びｎ型の一方の導電型を有する半導体層によって構成された半導体ベース部と、
   前記半導体ベース部の一方面又は他方面に設けられた第１の金属電極層と、
   ｐ型及びｎ型の他方の導電型を有する半導体層によって構成され、前記半導体ベース部の前記他方面に設けられた半導体凸部と、
   前記半導体凸部の周りを囲うように前記半導体ベース部の前記他方面に設けられた絶縁層と、
   前記半導体凸部において少なくとも互いに対向する一対の側面に密着するように前記絶縁層上に設けられた第２の金属電極層と、を備え、
   前記半導体凸部及び前記第２の金属電極層によって構成されるＭＩＭ共振器の接合方向は、前記半導体ベース部と前記半導体凸部との間のｐｎ接合の方向と交差し、
   前記第２の金属電極層と前記半導体凸部の側面との密着幅によって規定される前記ＭＩＭ共振器の共振器長は、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って表面プラズモンが励起され、且つ前記表面プラズモンの共振により形成される電場によってフォノンが励起される長さとなっている光検出器。
2. 前記半導体凸部のキャリア濃度は、前記半導体ベース部のキャリア濃度よりも小さくなっている請求項１記載の光検出器。
3. 前記ＭＩＭ共振器の共振器長は、前記表面プラズモンの波長の１／２の整数倍となっており、
   前記半導体凸部の頂部は、前記第２の金属電極層から露出している請求項１又は２記載の光検出器。
4. 前記ＭＩＭ共振器の共振器長は、前記表面プラズモンの波長の１／４の奇数倍となっており、
   前記半導体凸部の頂部は、前記第２の金属電極層によっておおわれている請求項１又は２記載の光検出器。
5. 前記第１の金属電極層には、前記半導体凸部と対応する位置に、前記半導体ベース部の前記一方面を露出させる開口部が設けられている請求項４記載の光検出器。
6. 前記開口部から露出する前記半導体ベース部の前記一方面には、透明導電膜又は反射防止膜からなる光学膜が設けられている請求項５記載の光検出器。
7. 前記半導体凸部は、前記半導体ベース部の前記他方面における面内方向の一方向に延在し、
   前記第２の金属電極層は、前記半導体凸部を挟むように前記一方向に延在している請求項１〜６のいずれか一項記載の光検出器。
8. 前記半導体凸部は、平面視において断面正方形状又は断面円形状をなし、
   前記第２の金属電極層は、前記半導体凸部の全ての側面に密着するように設けられている請求項１〜６のいずれか一項記載の光検出器。
9. 前記半導体凸部は、前記半導体ベース部の他方面に複数設けられ、
   前記半導体凸部のそれぞれに対応して設けられた前記第２の金属電極層の少なくとも一部同士が連続している請求項１〜８のいずれか一項記載の光検出器。
10. 前記半導体凸部は、前記半導体ベース部の他方面に複数設けられ、
    前記半導体凸部のそれぞれに対応して設けられた前記第２の金属電極層同士が互いに離間している請求項１〜８のいずれか一項記載の光検出器。
11. 前記第２の金属電極層は、前記絶縁層を介して前記半導体凸部の前記一対の側面に密着している請求項１〜１０のいずれか一項記載の光検出器。
12. 前記半導体ベース部は、当該半導体ベース部の前記他方面側に位置し、前記第１の金属電極層及び前記半導体凸部に接合する第１のベース部分と、残余の部分を構成する第２のベース部分とを有し、
    前記第１のベース部分のキャリア濃度は、前記第２のベース部分のキャリア濃度よりも大きくなっている請求項１１記載の光検出器。
13. 前記第１のベース部分の厚さは、前記第２のベース部分の厚さよりも小さくなっている請求項１２記載の光検出器。
14. 前記第１の金属電極層は、前記第２の金属電極層と離間した状態で前記半導体ベース部の前記他方面に設けられている請求項１１〜１３のいずれか一項記載の光検出器。
15. 前記第１の金属電極層は、前記半導体ベース部の前記一方面に設けられていると共に、前記第２のベース部分を貫通して前記第１のベース部分に接合している請求項１２又は１３記載の光検出器。
    

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