JP2021072310A - 光検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】光検出器（ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）を提供する。【解決手段】本発明に係る金属半導体接合を利用した光検出器は赤外線放射の計測に使用される。他の実施形態では、前記光検出器は、前記金属半導体接合では入射光により励起されることで局在表面プラズモン共鳴を発生させる構造を備える。前記光検出器は光子検出のための即時応答性及び広帯域スペクトル領域を有する。前記光検出器は、可視光乃至中赤外線領域の波長（３００ｎｍ乃至２０μｍ）における入射光の種々のパワーを検出するために用いられる。【選択図】図９Ａ

Description

本発明は光子検出に有用な即時応答性及び広帯域スペクトル領域を有する光検出器（ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）に関する。

１９３８年にヴァルター・ショットキー氏が金属半導体接合が熱平衡後にポテンシャル障壁を生成可能であることを提議し、ショットキー障壁またはショットキー接合と呼ばれるようになった。図１Ａに示されるようなｐ型半導体の使用例では、主キャリアが正孔（ｈ＋）であり、各金属及び半導体が接触前に固有のエネルギーバンドと、フェルミ準位と、エネルギーギャップと、を有する。金属の仕事関数（ｑΦ_ｍ）を半導体の仕事関数（ｑΦ_ｓ）より小さくする。仕事関数はフェルミ準位と真空準位（Ｅ_ｖａｃ）とのエネルギー差であると定義される。前記半導体の電子親和力ｑｘは伝導帯（Ｅ_ｃ）と半導体真空準位（Ｅ_ｖａｃ）とのエネルギー差であると定義される。

図１Ｂに示されるように、前記金属が前記半導体に接触すると、前記半導体の前記フェルミ準位が前記金属の前記フェルミ準位よりも低くなる。熱平衡後には、前記ｐ型半導体の前記正孔が前記金属に流れ込み、前記半導体には負電荷が残る。空間電荷は前記金属半導体接合の両面に形成され、ビルトイン電場（Ｖ_ｂｉ）が生成される。前記ｐ型半導体の前記主キャリアの正孔（ｈ＋）を前記半導体から前記金属に流し込む必要がある場合、前記接合の前記ビルトイン電場（Ｖ_ｂｉ）を乗り越える必要がある。バイアスがかけられれば前記キャリアが前記ビルトイン電場を乗り越えることができ、かけられたバイアスはターンオン電圧と呼ばれる。前記正孔を前記金属から前記半導体に移動させる場合、前記接合の前記ショットキー障壁を乗り越える必要がある。前記キャリアの移動を妨げる湾曲エネルギーバンドまたはエネルギー障壁はショットキー接合と呼ばれる。

金属半導体接合理論によると、ｐ型半導体を大きな仕事関数の金属に適合させ、ｎ型半導体を小さな仕事関数の金属に適合させることにより、ショットキー接合が形成される。前記ショットキー障壁の高さはＩ−Ｖ特性曲線またはＣ−Ｖ特性曲線から推測可能である。

１９５９年にＨ．Ｙ．Ｆａｎ氏及びＡ．Ｋ．Ｒａｍｄａｓ氏等は、半導体が光の照射を受けると、本来前記半導体の価電子帯にある電子または正孔が入射光子により励起されると共に前記伝導帯にジャンプして電子−正孔対またはホットキャリアが形成されることを発見した。このメカニズムは中間バンドギャップ吸収（ＭＢＡ）と呼ばれる。前記入射光により電子−正孔対を励起させるためには、前記入射光子のエネルギーを半導体のエネルギーギャップより大きくせねばならず、こうすることにより前記キャリアが半導体のエネルギーギャップを越える十分なエネルギーを獲得し、光電流が形成される。現在では、光検出器はこの半導体の中間バンドギャップ吸収メカニズムを広く利用している。

最近の赤外線センサーは主にＩＩＩ−ＶやＧｅ等のエネルギーギャップの小さい半導体を活性層または検出吸収材料として光子エネルギーの小さい赤外線光の検出に用いている。製造プロセスではＩＩＩ−ＶやＧｅ検出器の使用が定着しているが、これらの材料は他の材料よりも高価である上に、前記プロセスには複雑で高価な様々なエピタキシャル装置が必要となる。これらの装置の検出原理は主に中間バンドギャップ吸収（ＭＢＡ）を用いたものである。前記半導体のキャリアが入射光により励起されると共に前記半導体のバンドギャップを越えて光電流を生成させる。よって、検出効率を高めるため、或いは前記装置の応答性を高めるため、これらの部材には前記活性層の複雑な多重量子井戸（ＭＱＷｓ）または多重量子ドット（ＭＱＤｓ）を組み込む必要がある。

本発明は光検出装置に関し、特に広帯域の光検出器に関する。

本発明の一実施形態によると、光検出器は半導体と、オーム接触電極と、金属電極と、を備え、前記半導体は１つ以上のマイクロスケールまたはナノスケールのプラズモン共鳴誘起構造を含む。前記オーム接触電極は前記半導体の第一表面とのオーム接触を形成させる。前記金属電極は前記プラズモン共鳴誘起構造の表面とのショットキー接触を形成させる。前記金属電極のキャリアは入射光により励起されて電子正孔対またはホットキャリアが形成され、前記金属電極及び前記半導体の接合箇所にあるショットキー障壁を越えて光電流が形成される。前記入射光により前記プラズモン共鳴誘起構造の前記表面で局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）が誘起され、局在表面プラズモン共鳴により生成されるプラズモン崩壊波が前記ショットキー接合に伝達され、強近接場により大量のホットキャリアが励起されて前記光検出器の応答が促進される。前記プラズモン共鳴誘起構造は局在表面プラズモン共鳴を誘起し、光吸収を促進し、前記光検出器の応答を向上させるための周期構造を備える。

前記半導体に接触する前の前記金属のエネルギーバンドを図示する。 前記半導体に接触した後の前記金属のエネルギーバンドを図示する。 本発明の第１実施形態に係る光検出器を図示する。 オーム接触電極として金及びプラチナを用いる前記光検出器のＩ−Ｖ測定を図示する。 プラチナ成長が追従する蒸着した銅により形成される光検出器の暗電流及び光電流を図示する。 可視光線が照射されると共にソーラーシミュレーターにより計測される銅／ｐ型シリコン素子の光電流応答を図示する。 ０バイアスで動作する前記光検出器の光電流応答を図示する。 本発明の第１実施形態に係る銅／ｐ型シリコン光検出器の吸収スペクトルを図示する。 本発明の第１実施形態に係る銅／ｐ型シリコン光検出器の異なる波長の入射光に対する応答を図示する。 本発明の第２実施形態に係る光検出器の透視図を示す。 本発明の第２実施形態に係る光検出器の周期マイクロアレイナノ構造のうちの１つの断面図を示す。 本発明の第２実施形態に係る光検出器の製造方法を図示する。 水酸化カリウム水溶液による２０分間のエッチング後の逆ピラミッド構造（ＩＰＳ）の上面図及び断面図のＳＥＭ画像を示す。 逆ピラミッド構造（ＩＰＳ）の線幅及びエッチング時間の関係を図示する。 有限要素法によりシミュレートされた逆ピラミッド構造（ＩＰＳ）を図示する。 ＩＰＳ光検出器の金属に異なる波長の入射光が垂直に入射された場合の逆ピラミッド構造（ＩＰＳ）の局在表面プラズモン共鳴のシミュレーション結果を示す。 図１３に示す異なる波長の入射光が入射された逆ピラミッド構造（ＩＰＳ）のキャビティ壁の局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）の強度及び長さの関係を示す。 入射光の波長及び種々の共鳴モードで局在表面プラズモン共鳴により誘起された逆ピラミッド構造（ＩＰＳ）のキャビティ壁の長さの関係を示す。 比較例及び本発明の第２実施形態に係る光検出器の吸収スペクトルを図示する。 本発明の第１実施形態及び第２実施形態に係る平面及びＩＰＳ銅／ｐ型ショットキー光検出器の暗電流のＩ−Ｖ測定を図示する。 光平面及びＩＰＳ光検出器にそれぞれ入射された異なる波長の赤外線と共に測定された光電応答を図示する。 本発明の第２実施形態に係る光検出器の一部のホットキャリアが互いに衝突した後、それらが前記ショットキー障壁より大きいエネルギーを獲得し、エネルギー障壁を超えて熱気流を形成するもの図示する。 本発明の第２実施形態に係る前記光検出器が１５５０ｎｍの赤外線レーザーと共に異なる入射光強度及びバイアス電圧で動作する場合の応答を図示する。 本発明の第２実施形態に係る光検出器の応答及び入射強度の関係を表す図表を示す。 本発明の一実施形態に係る３次元直立ピラミッド構造が構築されるＳＥＭ画像を示す。 本発明の一実施形態に係る平面シリコン基板にナノ銀フィルムをめっきすることにより形成されるショットキー接触を図示する。 異なる角度からショットキー接触に光が入射される場合の図２４の応答を図示する。 光がシリコン基板からショットキー接触に入射するように変化した場合の有限要素法を用いた逆ピラミッド構造（ＩＰＳ）のシミュレーションを図示する。 異なる波長の入射光が直立ピラミッド構造（ＵＰＳ）の金属に垂直に入射した場合の局在表面プラズモン共鳴のシミュレーション結果を図示する。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。本発明の第１実施形態では金属半導体接合を用いる光検出器を提供する。前記光検出器は前記半導体のエネルギーギャップより小さいエネルギーの光を検出可能であり、前記入射光のエネルギーが前記ショットキー障壁よりやや大きい場合にのみ光電流を発生させる。

図２は本発明の一実施形態に係る光検出器１を図示する。図２に示されるように、前記光検出器１は半導体１０と、オーム接触電極１２と、金属電極１４と、を備える。前記金属電極１４はショットキー接触電極１４１及びグリッド電極１４２を含む。本実施形態では、前記半導体１０はｐ型シリコンであり、前記オーム接触電極１２はプラチナで製造され、前記金属電極１４はクロムで製造される。幾つかの実施形態では、前記オーム接触電極１２が金または銀であり、前記金属電極１４が銅である。

本実施形態において、前記半導体１０はｐ型（１００）両面研磨シリコンウェハーであり、５Ω−ｃｍ乃至１０Ω−ｃｍの抵抗及び３８０μｍ乃至４２０μｍの厚さを有する。まず、前記シリコンウェハーがダイヤモンドペンにより２．５ｃｍ２×２．５ｃｍ２のシリコン基板１０に切断される。次いで、前記シリコン基板がアセトン、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、脱イオン水（ＤＩ−ｗａｔｅｒ）、及びメタノールに順に浸漬され、超音波洗浄機により１５分間洗浄されて表面の有機物及び粒子が除去される。

次に、容積比４：１の硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）及び過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）のピラニア溶液が準備される。まず、前記硫酸がガラス皿に注入された後、前記過酸化水素が前記ガラス皿にゆっくりと注入され、前記溶液が１２０℃まで加熱される。混合液の揮発中にガスが生成された後、前記シリコン基板１０が前記溶液に１０分間浸漬される。この工程では、前記シリコン基板１０の表面に薄い酸化膜が成長し、表面の異物を前記基板から分離させる。次に、緩衝酸化物エッチング（ＢＯＥ）溶液により前記シリコン基板１０の表面の二酸化ケイ素が取り除かれる。最後に、前記シリコン基板１０が脱イオン水（ＤＩ−ｗａｔｅｒ）によりすすがれると共に窒素により乾燥されて洗浄工程が完了する。

洗浄後に、前記シリコン基板１０が電子ビーム蒸着システム（ＵＬＶＡＣ）に載置され、４×１０^−６ｔｏｒｒの圧力下で金属電極１４が成長する。まず、１０ｎｍ乃至２０ｎｍの厚さのクロムナノフィルムが前記シリコン基板１０の上面でショットキー接触電極１４１として成長し、その成長速度は毎秒０．１Åである。次いで、前記クロムナノフィルムに金属シャドウマスクが施されて１２０ｎｍの厚さのクロム金属グリッド１４２が前記クロムナノフィルム上で毎秒０．１Å乃至１０ｎｍ、毎秒０．３Å乃至３０ｎｍ、毎秒０．５Å乃至５０ｎｍ、及び毎秒１Å乃至１００ｎｍの成長速度で成長する。最後に、１００ｎｍの厚さのプラチナフィルムが前記ｐ型シリコン基板の底部で前記オーム接触電極１２として成長し、その成長速度は前記クロムグリッド電極と同じである。その後、図２に示されるように、前記光検出器１が完成する。次に、製造された前記光検出器１が光電流及び暗電流のＩ−Ｖ特性曲線を受ける。ＬａｂＶＩＥＷ測定ソフトウェアがケースレー２４００ソースメータと共に使用され、１５５０ｎｍ、２ｍＷの赤外線レーザー（Ｔｈｏｒｌａｂ：ＬＤＣ１３００Ｂモデル）が光源として用いられる暗箱中で測定が行われる。

本発明の他の実施形態では、前記オーム接触電極１４は金で製造され（前記ｐ型シリコンとのオーム接触を形成させるプラチナが用いられ、前記光検出器が好ましい順方向バイアスを有する）、他の部材は前述の実施形態と同じ材料で製造される。図３に示される前記光検出器のＩ−Ｖ測定にはオーム接触電極１４として金及びプラチナがそれぞれ用いられる。図３に示されるように、前記光検出器は前記オーム接触電極１２としてプラチナが用いられることにより、好ましい整流効果を有する。順方向バイアスがかかっている場合は大電流が生成され、逆バイアスがかかっている場合は小さなリーク電流を有する。その前記ターンオン電圧は約０．３Ｖにすぎず、これは汎用ショットキーダイオードの特性を示す。

図２に示されるように、前記金属電極１４は１０ｎｍ乃至２０ｎｍの間の範囲の厚さのクロムで製造されるショットキー接触電極１４１及び１２０ｎｍの厚さのクロムで製造されるグリッド電極１４２を備える。他の実施形態において、光検出器は１０ｎｍ及び２０ｎｍのクロムで製造されるショットキー接触電極１４１を有し、それぞれ別々に製造されると共にそれらの性能が比較される。３つの暗電流及び３つの光電流が各素子により測定される。その測定結果は、薄さ１０ｎｍ未満のショットキー接触電極１４１は前記入射光を前記光検出器の活性領域に進入させるのに好適であり、前記光検出器の応答性能を高めることを示す。

本発明の他の実施形態では、前記半導体１０、前記オーム接触電極１２、及び前記金属電極１４はｐ型シリコン、プラチナ、及び銅でそれぞれ製造される。前記光検出器は前述の工程と同様の工程で製造され、且つ前記金属電極１４は１０ｎｍの銅ショットキー接触電極１４１及び１２０ｎｍのクロムグリッド電極１４２を備える。また、前記プラチナ成長において前記銅ナノフィルムの高温の影響を避けるため、銅が成長した後にプラチナが成長するように成長順序が変更される。前記光検出器の前記暗電流及び前記光電流は図４に示される。前記銅／ｐ型シリコン光検出器の性能は前記汎用ショットキーダイオードの性能に近く、製造された光検出器が更に高い整流作用及び小さいターンオン電圧を有する。前記光検出器は順方向バイアス領域で動作する場合に大電流を生成させ、逆バイアス領域で動作する場合は小さな逆バイアスを維持させる。このため、逆バイアス領域で動作する際にリーク電流が発生するという問題は前記成長順序を変更することにより解決可能である。

本発明の一実施形態によると、ショットキー障壁は前記金−半導体接合に形成され、前記キャリアが１つの特定の方向にしか流れなくなり、整流効果が形成される。本発明に用いられる前記ｐ型シリコンウェハーは理論上Ｅ_Ｆ＝−４．９５２ｅＶのフェルミ準位を有し、前記金属電極としてクロム（−４．５ｅＶ）または銅（−４．６５ｅＶ）が選択される。前記ショットキー障壁は約０．６７ｅＶのクロム／ｐ型シリコンで形成され、近赤外線領域では約１８５０ｎｍの遮断波長が計測される。前記ショットキー障壁が約０．５２ｅＶの銅／ｐ型シリコンで形成される場合、その遮断波長は約２３８４ｎｍとなる。

図５はソーラーシミュレーター（Ａｔｏｍ ｓｏｌａｒ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ， Ｓｕｎ２０００）による可視光線照明の下で計測された前記銅／ｐ型シリコン光検出器の前記光電流を図示する。前記銅／ｐ型シリコン光検出器の前記暗電流は前記汎用ショットキーダイオードと同様の整流効果の特性を示す。太陽光が照射されると、前記順序バイアス領域または逆バイアス領域では前記光電流と前記暗電流との間に明らかな電流差が生じる。詳しくは、前記逆バイアス領域では、前記光検出器１が照射後に約４０ｍＡの光電流を生成させる。

図６は、前記光検出器が０バイアスで動作する場合に前記銅／ｐ型シリコン光検出器が認識可能な光電流応答も有することを示す。前記応答は−２Ｖ、−１Ｖ、１Ｖ、または２Ｖ領域のように大きくはないが、前記銅／ｐ型シリコン光検出器の応答は高い安定性を有し、前記光検出器の暗電流の変動は０Ｖで動作する場合は０．１μＡ（１１３ｎＡ）にすぎず、前記応答は約２７０ｎＡである。この前記光検出器の応答及び変動は他の電圧で動作する場合よりも安定的である。

図７は前記銅／ｐ型シリコン光検出器及びシリコン基板の前記吸収スペクトルの比較を図示する。図７に示されるように、前記シリコン基板の吸収スペクトルは前記理論と確実に一致する。１１０７ｎｍ未満の波長の前記入射光は殆どが前記シリコン基板により吸収される。１１０７ｎｍ付近では、前記シリコン基板の吸収が急速に減退し、１１０７ｎｍ超の波長の前記光は吸収困難となる。この結果は前記シリコン基板の吸収の理論値と確実に一致する。前記シリコンのエネルギーギャップは１．１２ｅＶであり、約１１０７ｎｍの理論的吸収波長を有する。１．１２ｅＶ超のエネルギーを有する前記入射光は前記シリコン基板により吸収され、前記シリコン基板は１１０７ｎｍ乃至可視光の間の範囲において高い吸収性を有する。前記シリコンのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子は前記シリコン基板により吸収されず、１１０７ｎｍ超の波長の前記光に対する前記シリコン基板による吸収は０に近くなる。前記銅／ｐ型シリコン光検出器の吸収スペクトルは広帯域吸収を示し、３００ｎｍ乃至２７００ｎｍｍの間の範囲の前記入射光に対する吸収は約４０％となる。前記可視光領域では、銅が前記入射光を反射させるため、前記可視光領域での前記銅／ｐ型シリコン光検出器の吸収は前記シリコン基板よりも低くなる。１０００ｎｍ乃至２３００ｎｍの範囲の吸収は主に前記ショットキー障壁による吸収となる。前記金属面で前記入射光子は前記ホットキャリアを励起させ、前記光検出器の前記ショットキー障壁を越えさせて熱気流を形成させ、波長１０００ｎｍ乃至２３００ｎｍの間の範囲の光子が前記ショットキー障壁により吸収される。２３００ｎｍ超の波長の前記入射光子は半連続的に吸収される。前記金属フィルムが厚さ１０ｎｍの銅フィルムであるため、前記シリコン基板にはフラットな同質のフィルムは形成されないが、但し大量の微粒子が形成される。さらには、異なる波長の入射光は前記金属フィルムの表面で部分的に適合する共鳴領域と共鳴し、これにより局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）が達成される。

図８は前記銅／ｐ型シリコン光検出器が異なる波長の入射光の応答の測定に用いられるものを図示する。図８に示されるように、その結果はエムデン・ファウラー方程式と確実に一致し、前記銅／ｐ型シリコン光検出器は−５ｍＶの軽微なバイアスをかけることにより応答性が向上する。前記測定結果は、０ｍＶまたは−５ｍＶで動作する場合、前記入射光波長が増すに連れて前記銅／ｐ型シリコン光検出器の応答が徐々に低下することを示す。また、５ｍＶの特性曲線からは前記銅／ｐ型シリコン光検出器の前記遮断波長が約２３１０ｎｍであることが明らかとなる。この遮断波長を用いることにより、公式Ｅ（ｅＶ）＝ｈｃ／λ＝１２４０／（λ（ｎｍ））から前記ショットキー障壁が約０．５３ｅＶであることが算出される。上述のように、前記銅／ｐ型シリコン光検出器の前記ショットキー障壁は、論理計算に基づくと約０．５２ｅＶである。前記銅／ｐ型シリコン光検出器の前記測定結果に基づくと、前記ショットキー障壁は前記理論値（０．５２ ｅＶ）に非常に近く、これは前記銅／ｐ型シリコン光検出器が前記シリコンのエネルギーギャップより低い光子のエネルギーを確実に測定していることを証明する。然しながら、平面銅／ｐ型光検出器は前記赤外線領域で内部光電子放出吸収（ＩＰＡ）のみにより光電流を生成可能であり、他の補助的な最適化メカニズムは不要である。汎用ショットキー光検出器として使用する場合、高効率の応答は達成困難である。

内部光電子放出吸収（ＩＰＡ）は、金属のキャリアが入射光子により励起されると共に電子−正孔対またはホットキャリアが形成され、前記ショットキー障壁を越えることを示し、よって物理的メカニズムにより外部回路により光電流が形成される。入射光子により励起されたホットキャリアを前記ショットキー障壁により吸収するためには、前記入射光のエネルギーは前記ショットキー障壁よりやや大きくする必要があり、これにより前記入射光により励起された前記ホットキャリアが前記ショットキー障壁を越えるのに十分なエネルギーを獲得する。

図９Ａは本発明の第２実施形態に係る光検出器を図示する。図９Ａに示されるように、前記光検出器２は半導体２０と、オーム接触電極２２と、金属電極２４（ショットキー接触電極を含む）と、を備える。前記光検出器２は前記第１実施形態の前記光検出器１とは異なり、前記半導体２０は平面ではなく、周期マイクロアレイナノ構造であることを特徴とする。

図９Ａに示されるように、本実施形態では、前記周期マイクロアレイナノ構造は３次元逆ピラミッド構造（ＩＰＳ）である。各ピラミッド構造の次元はマイクロスケールまたはナノスケールである。図１０には前記光検出器２の製造方法を図示する。本実施形態では、前記半導体はｐ型両面研磨シリコン（１００）ウェハーであり、５Ω−ｃｍ乃至１０Ω−ｃｍの間の範囲の抵抗及び３８０μｍ乃至４２０μｍの間の範囲の厚さを有する。まず、前記シリコンウェハーがダイヤモンドペンにより２．５ｃｍ^２×２．５ｃｍ^２のシリコン基板２０に切断される。次に、前記シリコン基板２０がアセトン、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、脱イオン水（ＤＩ−ｗａｔｅｒ）、及びメタノールにより順に洗浄され、最後に超音波洗浄機により前記シリコン基板の表面が１５分間洗浄されて前記表面にある有機物質及び微粒子が除去される。次に、上述のように、前記シリコン基板がピラニア溶液、フッ化水素酸溶液、及び脱イオン水により順に洗浄され、前記シリコン基板２０が窒素スプレーガンによりブロー乾燥される。

図９Ｂは本発明の一実施形態に係る３次元逆ピラミッド構造（ＩＰＳ）の断面図を示す。図９Ｂに示されるように、Ｈは逆ピラミッドキャビティの高さを示し、Ｌ（Ｈ）は逆ピラミッドキャビティ壁の長さを示す。前記高さＨが高くなると、前記キャビティ壁の長さＬ（Ｈ）も長くなる。前記逆ピラミッド構造は固定周期を有するが、各ピラミッドは様々な或いは複数のキャビティ壁の長さＬ（Ｈ）を有する。

図１０は図９Ａ及び図９Ｂの前記逆ピラミッド構造（ＩＰＳ）の製造方法を図示する。工程（ａ）に示されるように、前記シリコン基板２０の洗浄後に、プラズマＣＶＤ装置により５００ｎｍの厚さの二酸化ケイ素フィルム２１が前記シリコン基板２０の上面及び底面で成長する。上面にある前記二酸化ケイ素フィルム２１はエッチングマスクとして水酸化カリウムによる異方性エッチングに使用され、底面にある前記二酸化ケイ素フィルム２１はエッチングを行う際の保護層として使用される。反応ガスの流量は次のようになる。Ｓｉ_４：４０ｓｃｃｍ；Ｎ_２Ｏ：１６０ｓｃｃｍ。また、成長温度は３５０℃、成長圧力は６７Ｐａ、及び成長時間は１０分間となる。

図１０の工程（ｂ）に示されるように、リソグラフィプロセスは前記シリコン基板２０の表面パターンを定義するために用いられる。まず、フォトリソグラフィプロセスにおいてフォトレジスト（Ｓ１８１３）２３がスピンコーターにより前記シリコン基板２０の上面にある前記二酸化ケイ素フィルム２１に均一に塗布される。塗布パラメータは１０００ｒｐｍ、１０秒／４０００ｒｐｍ、及び４０秒である。続いて、塗布されたフォトレジスト２３が１１５℃で３分間ソフトベークされる。前記マスクを洗浄して露光させるためにアセトンが使用される。次いで、前記シリコン基板２０が露光装置に載置され、前記シリコン基板２０の角がマスクの角に位置を合わせられ、前記マスクが２０秒間露光される。その後、前記シリコン基板２０が露光後に１回９０°回転された後、前記マスクの角に位置を合わせられて前記マスクが緊密に付着され、２回目の露光が２０秒間行われる。次に、露光された前記シリコン基板２０がＳ１８１３−ｄｅｄｉｃａｔｅｄ ｄｅｖｅｌｏｐｅｒ ＭＦ−３１９に１３秒間浸漬される。そして、現像された前記シリコン基板２０が脱イオン水に浸漬されて残留するフォトレジスト２３及び現像液が除去され、窒素スプレーガンにより乾燥される。最後に、前記シリコン基板２０がホットプレートにより１２５℃で１分間ハードベイクされる。

図１０の工程（ｃ）に示されるように、前記シリコン基板２０が熱蒸着コーター（ＵＬＶＡＣ）に載置され、厚さ４０ｎｍのクロムフィルム２５が前記シリコン基板２０の上面で４×１０^−６ｔｏｒｒ未満の真空環境で毎分０．３Åの成長速度で成長する。

図１０の工程（ｄ）に示されるように、前記シリコン基板２０がアセトンに浸漬されると共に超音波洗浄機により３０分間乃至９０分間洗浄され、前記フォトレジスト２３及び前記フォトレジスト２３上にある前記クロム２５が除去され、残留するクロム２５はマスクとして後続のドライエッチングプロセスに用いられる。

図１０の工程（ｅ）に示されるように、前記エッチングは反応性イオンエッチングシステム（ＲＩＥ：Ｐｌａｓｍａａｂ）により４×１０^−４ｔｏｒｒの室圧で行われる。前記反応ガスの流量は、Ａｒが２５ｓｃｃｍであり、ＣＨＦ_３が２５ｓｃｃｍであり、動作電力は２００ｗａｔｔｓであり、エッチング時間は３０分間である。前記シリコン基板２０がエッチング室に載置されて等方性エッチングが行われ、前記二酸化ケイ素２１は前記クロムマスクにより保護されずに前記二酸化ケイ素が完全に取り除かれるまで鉛直方向にエッチングされ、その下方の前記シリコン基板２０が露出される。残留する二酸化ケイ素２１はマスクとして後続の水酸化カリウム（ＫＯＨ）を使用した異方性ウェットエッチングプロセスに用いられる。

図１０の工程（ｆ）に示されるように、次に、１５％の容量パーセント濃度の水酸化カリウムエッチング溶液が準備される。イソプロパノール（ＩＰＡ）及び４５％の水酸化カリウム溶液が脱イオン水に１：５：１５の比率で添加される。イソプロパノール（ＩＰＡ）はその低い極性及び低い表面張力のために添加され、前記エッチング中に水素気泡が生成されると共に前記構造に添付され、前記シリコンの表面から分離しやすい。これにより、前記二酸化ケイ素２１がマスクがエッチングされるのを防ぎ、前記エッチングの均一性を高める。前記エッチング溶液が７５℃まで加熱された後、前記シリコン基板２０が前記エッチング溶液に浸漬され、等方性エッチングが約１０分間乃至２０分間行われて前記逆ピラミッド構造（ＩＰＳ）が製造される。

図１０の工程（ｇ）に示されるように、前記シリコン基板２０が緩衝酸化物エッチング（ＢＯＥ）溶液に浸漬されて上面及び底面にある前記二酸化ケイ素２１及び前記クロム２５が除去され、前記３次元逆ピラミッド構造が完成する。次に、前記シリコン基板２０の表面に残留する前記有機物質、酸化物、及び金属粒子がピラニア溶液及びフッ化水素酸溶液（ＢＯＥ）により取り除かれる。次いで、前記シリコン基板２０が電子ビーム蒸着システム（ＵＬＶＡＣ）に載置され、前記オーム接触電極２２及び前記金属電極２４が４×１０^−６ｔｏｒｒの室圧で成長する。まず、１００ｎｍの厚さのプラチナがオーム接触電極２２として前記シリコン基板２０の底面に成長する。その後、８ｎｍの厚さの銅フィルムが前記シリコン基板２０の表面ＩＰＳで表面でショットキー接触電極として成長し、最後に１２０ｎｍの厚さの銅グリッド電極がシャドウマスクを用いて前記銅ショットキー接触電極で成長する。前記金属電極２４は銅ショットキー接触電極及び銅グリッド電極を含む。これにより、図９の前記光検出器２が完成する。

上述の製造プロセスにおいて、逆ピラミッド構造のトポグラフィーは前記リソグラフィプロセスのパラメータ及び水酸化カリウム異方性ウェットエッチングと高い相関性がある。図１１は水酸化カリウム水溶液により２０分間エッチングされた後の前記逆ピラミッド構造の上面図及び断面図のＳＥＭ画像である。図１２は前記逆ピラミッドナノ構造及び前記エッチング時間の関係を示す構造的パラメータを図示する。図１２に示されるように、各逆ピラミッド要素の上部の最大幅は３．８μｍ（幅）に達し、隣接する２つの逆ピラミッド要素の間のギャップは３００ｎｍに達する。他の実施形態において、６μｍ及び８μｍ周期の３次元逆ピラミッド構造はマスクの露光周期が変動することでそれぞれ製造される。６μｍ及び８μｍの周期性ＩＰＳの最適な水酸化カリウム異方性エッチング時間はそれぞれ２２分間及び２４分間である。

本発明の他の実施形態では、３次元直立ピラミッド構造（ＵＰＳ）は、二重露光及び水酸化カリウムエッチング技術を用いて露光された表面パターンとは逆になるようにネガ型フォトレジストで製造される。図２３は製造された前記３次元直立ピラミッド構造のＳＥＭ画像を示す。

入射電磁波及び前記金属構造の間の前記局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）についての理解を促すため、３次元ＦＤＴＤ法（３Ｄ−ＦＤＴＤ）及び前記有限要素法（ＦＥＭ）がＩＰＳ構造での電磁波の共鳴をシミュレートするために用いられる。図１３は前記シミュレーションに用いられる前記ＩＰＳ構造を図示し、４×４×６μｍ^３（ｘ、ｙ、ｚ）の容積の空間を形成する工程と、前記空間の６つの境界面の完全整合層（ＰＭＬ）を設定する工程と、シリコンベースＩＰＳ構造（ＩＰＳ−Ｓｉ）を形成する工程と、逆ピラミッド構造のキャビティの表面に３０ｎｍの厚さの金属ナノフィルムを設定する工程と、

前記入射電磁波の波長を５００ｎｍ、１０００ｎｍ、１５００ｎｍ、２０００ｎｍ、２５００ｎｍ、３０００ｎｍ、３５００ｎｍ、及び４０００ｎｍにそれぞれ設定する工程と、を含む。前記金属の厚さが実験で用いられた１０ｎｍではなく３０ｎｍに設定されることにより、前記シミュレーションでのメモリー不足の問題が回避される。前記シミュレーション計算が完了すると、次の公式（１）が前記入射電磁波の強度を正常化するために用いられる。

本実施形態では、１０ｎｍの厚さの銅ナノフィルムが、電子ビーム蒸着システムにより前記ＩＰＳ構造の表面に成長し、前記金属表面に金属マイクロアレイナノ構造を完成させる。約０．５２ｅＶのショットキー障壁がある前記金属半導体接合に銅及びｐ型シリコンでショットキー接合が形成される。

図１４は、５００ｎｍ、１０００ｎｍ、１５００ｎｍ、２０００ｎｍ、２５００ｎｍ、３０００ｎｍ、３５００ｎｍ、及び４０００ｎｍの入射光が前記ＩＰＳ光検出器の前記金属に垂直に入射されるシミュレーション結果をそれぞれ図示する。図１４に示されるように、前記構造の周期が５μｍ乃至１０μｍに調節された場合、共鳴波長が５０００ｎｍ乃至１００００ｎｍに増長する。図１４に示されるように、Ｃｕ−ＩＰＳ構造のキャビティ中で全ての入射波長についての強い光閉じ込め効果が観測され、これは前記構造が３次元共鳴キャビティであることを示す。前記入射波長が変化すると、前記Ｃｕ−ＩＰＳ構造の異なる領域のキャビティで前記表面プラズモン共鳴が発生する。前記入射波長が５００ｎｍである場合、前記入射光の波長が短いため共鳴（ＬＳＰＲ）の長さを短くする必要があり、適合する前記ナノスケールの長さが前記Ｃｕ−ＩＰＳ構造の底部に位置されて前記局在表面プラズモン共鳴が生成される。１５００ｎｍ乃至４０００ｎｍの波長の中赤外線光が入射されると、前記入射光の波長が長いため、前記Ｃｕ−ＩＰＳ構造の上部に近接する適合するマイクロスケールの長さにより前記局在表面プラズモン共鳴が生成される。全ての共鳴シミュレーションからは、前記Ｃｕ−ＩＰＳ構造のキャビティの局在的な強いライトフィールドは前記金属の強い近接場から確実に連続し、これにより前記金属表面に前記局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）が生成されることが明確に分かる。よって、図１４に示されるように、前記ＩＰＳ構造は幾何学的特性及び複数のキャビティの長さを有するため、前記構造には４μｍまでの波長の前記入射光に対応する共鳴キャビティの長さが存在し、且つ局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）が生成されることが証明される。また、前記ＩＰＳ構造は単位の２次元幾何学的対称性及び周期性アレイの２次元対称性の条件を満たし、Ｘ偏光及びＹ偏光する入射赤外線光が前記構造表面に高い強度の局在表面プラズモン共鳴を生成させる。前記ＩＰＳ構造は入射光に対し偏波無依存である。

図１５は異なる波長の入射光に対する前記局在表面プラズモン共鳴の強度及び前記キャビティの長さの関係を示す（データは図１３の黒矢印を参照する）。図１５の矢印に示されるように、異なる波長の入射光に対し、第１共鳴モードは共鳴金属キャビティの長さが最短である。前記入射光の波長が５００ｎｍから４０００ｎｍに増すに連れ、前記第１共鳴モードの前記共鳴金属キャビティの長さも増す。また、１０００ｎｍ乃至４０００ｎｍの間の範囲の波長は、前記入射光の波長が増すと、前記第１共鳴モードでの共鳴強度が低下する。例えば、１０００ｎｍの波長の前記入射光に対する前記第１共鳴モードの共鳴強度が、前記入射光４０００ｎｍの波長に対する前記第１共鳴モードの共鳴強度よりも強い。前記局在表面プラズモン共鳴を生成するには、１０００ｎｍの波長の前記入射光には７００ｎｍのキャビティの長さが必要であり、且つ４μｍの単位幅のＩＰＳ構造の場合、前記入射光強度が７００ｎｍのキャビティの長さに制限される。４０００ｎｍの波長の入射光には２７００ｎｍのキャビティの長さが必要であり、且つ４μｍの単位幅のＩＰＳ構造の場合、前記入射光強度が２７００ｎｍのキャビティの長さに制限される。よって、短波長の入射光は局在表面プラズモン共鳴の強度が長波長の入射光よりも強くなる。長波長が好ましい共鳴強度を有するようにするには、前記ＩＰＳ構造の周期を増加させる必要があり（例えば、前記ＩＰＳ構造の単位幅）、長波長の入射光がより強いプラズマ閉じ込め効果を得る。

図１６は入射光の波長及び種々の共鳴モードにおいて前記共鳴キャビティの長さが誘起する局在表面プラズモン共鳴の関係を示す。図１６によると、前記入射光の波長が増すと、前記第１共鳴モードにおける前記共鳴金属キャビティの長さも増す。ここでは、前記波長及び適合する前記共鳴金属キャビティの長さの関係は以下の方程式（２）乃至（４）に要約する。前記第１共鳴モードにおける前記共鳴金属キャビティの長さは前記入射光の波長の約０．７倍であり（方程式２）、前記第２共鳴モードにおける前記共鳴金属キャビティの長さは前記入射光の波長の約１．５４倍である（方程式３）。前記共鳴金属キャビティの長さは前記入射光の波長の約１．８倍であり（方程式４）、各方程式の相関係数Ｒ２は０．９９超である。

本発明の他の実施形態において、前記局在表面プラズモン共鳴のシミュレーションは、金／ｐ型ＩＰＳ構造及び銀／ｐ型ＩＰＳ構造を想定して実施される。結果は上述の前記Ｃｕ−ＩＰＳ構造に非常に近似する。よって、前記ＩＰＳ構造での前記入射光の局在表面プラズモン共鳴生成の鍵となるのは複数のキャビティの長さ及び前記構造の周期であることが確認される。ＩＰＳ構造に高強度局在表面プラズモン共鳴を誘起させるには、前記ＩＰＳ構造の周期を目標共鳴波長の約４倍に設計し（４ｎｍの周期のＩＰＳは１０００ｎｍの入射光に対応する）、これにより最良の光閉じ込め効果及び表面プラズモン共鳴強度を達成させる。単一の共鳴金属の長さの局在表面プラズモン共鳴構造は上記方程式（２）乃至（４）を参照して設計され、前記目標波長に要求される共鳴金属の線形長さ及び構造を計算することにより、高強度局在表面プラズモン共鳴構造を獲得することができる。

図１７は前記両面研磨ｐ型シリコン基板、銅／ｐ型シリコン平面ショットキー光検出器、銅／ｐ型シリコンＩＰＳショットキー光検出器、及び金／銅／ｐ型シリコン平面ショットキー光検出器の吸収スペクトルを図示する。図１７に示されるように、前記シリコン基板は１１０７ｎｍの前記遮断波長前の前記可視光領域において約６０％乃至７０％の吸収率を明確に有し、前記吸収率は遮断波長付近において急激に低下し、前記遮断波長後には前記吸収率は０となる。前記可視光領域において増加する前記銅フィルムの反射率により、前記可視光領域での前記銅／ｐ型平面光検出器の吸収率が前記シリコン基板と比較すると約１０％乃至２０％減じる。然しながら、前記赤外線領域では、シリコン及び銅の前記仕事関数の差により前記ショットキー接合のエネルギー障壁が形成され、前記入射光子が前記シリコンを直接透過せず、前記入射光の一部が前記ショットキー接合により吸収され、前記赤外線領域（λ＞１１０７ｎｍ）におけるシリコンのエネルギーギャップより低い前記平面光検出器の吸収率が４０％に増加し、但しこれは前記光検出器にとってやや不十分である。

図１７に示されるように、以上の２つと比較すると、超広帯域ＬＳＰＲを導入するために、前記ＩＰＳ構造は３次元くぼみ効果を有し、前記表面ナノ構造の前記活性領域が広がり、前記吸収率がやや向上する。前記銅／ｐ型シリコンＩＰＳ光検出器は前記可視光領域乃至前記中赤外線光領域（４５０ｎｍ乃至２７００ｎｍ）において８０％超の吸収率を有し、超広帯域の吸収特性を達成させる。前記吸収スペクトルは前記シミュレーション結果と一致し、超広帯域共鳴を示す。前記銅／ｐ型ＩＰＳ構造は徐々に変化するキャビティの長さを有し、４０００ｎｍ未満の波長の前記入射光は前記局在表面プラズモン共鳴を誘起し、光子閉じ込め効果により前記光吸収効率が向上する。前記銅／ｐ型ＩＰＳ構造は３Ｄ−ＤＴＴＭ構造に比べて高い広帯域共鳴吸収率を有することがネイチャーコミュニケーションズ誌で繰り返し述べられている（Ｌａｉ，ＹＳ，Ｃｈｅｎ，Ｈ．Ｌ．，＆Ｙｕ，Ｃ．Ｃ．（２０１４）．Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｂａｓｅｄ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｔ ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ． Ｎａｔｕｒｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，５，３２８８）。

図１８は平面及びＩＰＳ銅／ｐ型ショットキー光検出器による暗電流のＩ−Ｖ測定を図示する。図１８に示されるように、前記平面及び前記ＩＰＳ光検出器の両者は汎用ショットキーダイオードのＩ−Ｖ整流特性を示し、順方向バイアス領域で動作する場合、前記の両者の光検出器はＰＮ接合型ダイオードと比較して小さなターンオン電圧を有する。前記２つの光検出器の前記ターンオン電圧は約０．１Ｖであり、前記逆バイアス領域における前記２つの光検出器の前記暗電流は非常に小さい。前記２つの光検出器の動作領域では、０バイアスの場合の前記暗電流は約１．６６μＡである。前記平面及び前記ＩＰＳ光検出器の前記暗電流と比較すると、前記２つの光検出器の前記暗電流の差は明確ではない。前記光検出器の表面にある前記ＩＰＳ構造は前記銅／ｐ型シリコンショットキー光検出器の前記暗電流の性能を変更させないことが分かる。

一実施形態において、前記平面及びＩＰＳ光検出器は異なる波長（１１５０ｎｍ乃至２７００ｎｍ）の赤外線光の測定に用いられる。前記光検出器は０バイアスで動作し、−５ｍＶのバイアス電圧により前記暗電流及び光電流が測定され、様々な波長の赤外線光が前記光検出器に入射された際に、どのくらいの過電流または応答が発生したかが計算される。図１９は、異なる波長の赤外線光に基づいて測定された前記平面及び前記ＩＰＳ光検出器の応答を図示する。前記平面光検出器では、前記光検出器が０バイアスで動作する場合、前記入射光の波長が長くなるほど前記光検出器の応答が低下する。この趨勢は量子伝導確率（η_ｉ）の公式

とほぼ一致している。前記入射光の波長が増すと、前記入射光子エネルギーが減少する。よって、前記平面光検出器の応答は前記長波長よりも前記短波長領域においてより明確になり、前記光検出器が−５ｍＶのバイアス電圧で動作する場合、前記光検出器の応答が３倍乃至１０倍向上する。この応答から分かるように、前記平面光検出器のカットオフ電圧は約２３５０ｎｍであり、ショットキー障壁の高さである約０．５３ｅＶに等しい。これは理論上算出される前記銅／ｐ型シリコンベースショットキーダイオードのショットキー障壁の高さと比較した場合である。前記（銅／ｐ型シリコン）接合は約０．５２ｅＶの高さのショットキー障壁を有し、本発明に係る前記銅／ｐ型シリコンベースショットキー光検出器が前記シリコンのバンドギャップより小さい光子エネルギーの光子を確実に計測可能であることを示す。然しながら、前記平面光検出器により前記光電流が生成されるメカニズムは、内部光電子放出吸収（ＩＰＡ）のみによるものであり、高効率の応答を達成することは容易ではない。

図１９は前記ＩＰＳ光検出器が超広帯域及び高強度の応答を有し、これは前記平面光検出器の約４０倍であることを示す。また、入射光の波長が増すと、応答が低下するが、但し前記平面光検出器ほど急速に低下するわけではなく、前記ＩＰＳ光検出器の前記遮断波長は測定波長範囲では観測されない。前記ＩＰＳ光検出器の表面に表面プラズモン共鳴構造及び３次元光共振キャビティを有するため、前記入射光子が前記ショットキー接合に効果的に閉じ込められ、これにより強い近接場が提供されると共に、前記金属半導体接合に大量のホットキャリアが生成され、前記光検出器の応答が効果的に向上する。また、前記ＩＰＳ構造は複数のキャビティの長さを有し、前記シミュレーション結果は５００ｎｍ乃至４０００ｎｍの波長の入射光が前記ＩＰＳ構造に局在表面プラズモン共鳴を生成し、前記入射光波長が増すに連れて前記共鳴が増幅する。その結果、特定の波長範囲における応答が向上するのみならず、超広帯域での高い応答も達成され、応答が前記入射波長の増長ほど速くはならない。さらには、前記測定結果は、前記ＩＰＳ光検出器が前記ショットキー障壁よりも低いエネルギー（この場合、０．５３ｅＶ：２３５０ｎｍ）の中赤外線光を検出したことも示し、これは前記ＩＰＳ光検出器が優れた局在表面プラズモン共鳴を有するためである。赤外線光が入射されることにより励起された前記ホットキャリアは、そのエネルギーが前記ショットキー障壁の高さよりも低く、且つ前記エネルギー障壁を越えられないため、前記金属に蓄積される。然しながら、前記金属の前記局在表面プラズモン共鳴により大量に励起されたホットキャリアが前記金属半導体接合に蓄積される。図２０に示されるように、大量のホットキャリアが互いに衝突した後に熱平衡に達すると、幾つかのホットキャリアが前記ショットキー障壁の高さよりも大きいエネルギーを獲得し、前記エネルギー障壁を超えて前記熱気流を形成させる。その結果、前記ＩＰＳ光検出器は、前記シリコンのバンドギャップより低いエネルギーの入射光子の検出の応答が向上するのみならず、前記ショットキー障壁より低いエネルギーの中赤外線光も検出可能となる。

図２１は本発明の一実施形態に係る前記ＩＰＳ光検出器の光電流の応答を図示し、ここでは、前記ＩＰＳ光検出器は異なる入射光強度（１．２ｍＷ乃至５．８ｍＷ）及びバイアス電圧を有する１５５０ｎｍの赤外線レーザーと共に動作し、各入射光の強度は３回測定される。様々な入射光強度に対する前記光検出器の電流応答は明らかに異なり、且つ入射光の強度が高まるに連れて徐々に高まる。図２１の７つのＩ−Ｖ特性曲線は異なる入射光強度でそれぞれ測定されたものであり、例えば、上から下にかけて暗電流１．２ｍＷ、２ｍＷ、３ｍＷ、４ｍＷ、５ｍＷ、及び５．８ｍＷとなる。前記電流応答は前記入射光強度に比例し、測定されたオリジナルの電流データは前記入射光強度と高い相関性があることを示す。

図２２は前記ＩＰＳ光検出器が０ｍＶまたは−５ｍＶのバイアスで動作する場合の応答及び前記入射光強度の間の関係を示す。前記ＩＰＳ光検出器が０バイアスで動作する場合、前記光検出器の応答は入射赤外線光の強度に直接比例し、測定結果は約１０３２ｎＡ／ｍＷの応答との好ましい線型性（Ｒ^２＝０．９９７の高い線型性）を示す。前記ＩＰＳ光検出器が−５ｍＶのバイアスで動作する場合、前記光検出器の応答は入射赤外線光の強度に直接比例し、且つ測定結果は約１３４３ｎＡ／ｍＷの応答との好ましい線型性（Ｒ２＝０．９８６４の高い線型性）を示し、０バイアスで動作する場合に比べて約３０％高くなる。本発明に係る前記光検出器は下記のような公開される従来の装置よりも更に強い応答性及び更に広い広帯域吸収検出性を提供する。ナイト氏等の３次元アンテナの深い溝／薄い金属構造（Ｋｎｉｇｈｔ，ＭＷ，Ｓｏｂｈａｎｉ，Ｈ．，Ｎｏｒｄｌａｎｄｅｒ，Ｐ．，＆Ｈａｌａｓ，ＮＪ（２０１１）．Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｔｅｎｎａｓ．Ｓｃｉｅｎｃｅ，３３２（６０３０），７０２−７０４）及びＬｉｎ、Ｋｅｎｇ−Ｔｅ氏等の（Ｌａｉ，ＹＳ，Ｃｈｅｎ，ＨＬ，＆Ｙｕ，ＣＣ（２０１４）Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｂａｓｅｄ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｔ ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ．Ｎａｔｕｒｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，５，３２８８）。

図２４は本発明の一実施形態に係る平面シリコン基板上で成長する銀ナノフィルムで製造されるショットキー接触を図示する。図２５は図２４の電流応答を示すダイアグラムを図示し、ここでは、前記装置が広範囲の電圧及び０バイアスで動作し、前記装置の前記ショットキー接触に光が正方向または逆方向に入射する。図２５に示されるように、前記装置の電流応答は０ｍＶで動作する場合非常に安定しており、逆方向の入射光に対する前記装置の応答は正方向の入射光に比べて約２倍となる。前記光が前記ショットキー接合に正方向に入射される場合、前記光は前記金属の薄いフィルムを通過させると共に前記金属により吸収される。反対に、前記光が前記ショットキー接合に逆方向に入射される場合、前記光は前記ショットキー接合に直接衝突する。前記シリコン基板は可視光領域において高い吸収率を有するため、逆方向入射方法は赤外線バンドの検出にのみ応用可能である。

図２４及び図２５に示されるように、前記光が前記ショットキー接合に逆方向に入射されるように変化した場合、本来の銀ショットキー接触ナノフィルムは更に厚くなり、１０ｎｍから１００ｎｍに変化する。厚いショットキー接触により、薄いフィルム層が酸化しやすいという欠点が改善される。

図２６は、前記有限要素法によりシミュレーションされる直立ピラミッド構造（ＵＰＳ）及び前記光が前記シリコン基板から前記ショットキー接触に入射するように変化したものを図示する。図２７は、１０００ｎｍ、１５００ｎｍ、２０００ｎｍ、２５００ｎｍ、３０００ｎｍ、３５００ｎｍ、４０００ｎｍ、４５００ｎｍ、５０００ｎｍ、５５００ｎｍ、６０００ｎｍ、６５００ｎｍ、７０００ｎｍ、７５００ｎｍ、８０００ｎｍ、８５００ｎｍ、９０００ｎｍ、９５００ｎｍ、及び１０００ｎｍの波長の光が直立ピラミッド構造の前記金属電極にそれぞれ垂直に入射する場合の前記シミュレーション結果を示す。キャビティは前記直立ピラミッドの間に形成される。全ての入射波長に対するＡｇ−ＵＰＳ構造のキャビティで強いライトフィールド閉じ込め効果が観測される。これは前記構造が好ましい３次元共鳴キャビティであることを示す。前記入射波長が変化すると、Ａｇ−ＵＰＳ構造のキャビティの異なる領域に前記表面プラズモン共鳴が発生する。前記構造では、前記シリコン基板に前記光が進入して屈折率が高まることにより同等の前記入射光の波長が減衰し、同等の波長のための前記キャビティには適合する線形長さが存在する。また、全ての共鳴シミュレーションからは前記Ａｇ−ＵＰＳ構造のキャビティの局在的な強いライトフィールドは前記金属の強い近接場から確実に連続し、前記金属表面で明確な局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）を発生させることが明らかとなる。これは前記ＵＰＳ構造が様々な或いは複数のキャビティの長さを有し、広帯域局在表面プラズモン共鳴を発生させることを証明する。

本発明の一実施形態では、シリコンベースショットキー光検出器が金属半導体接合（Ｃｕ−Ｓｉ）を用いるｐ型シリコン基板に製造される。前記光検出器の応答を向上させるためにＩＰＳ（またはＵＰＳ）構造が用いられる。前記ＩＰＳ構造は１次元変異線形長さと、２次元対称周期性アレイと、３次元光共振キャビティと、を有し、前記光閉じ込め効果を効果的に向上させると共に光電流を生成させる。３次元ＦＤＴＤ法及び有限要素法によるシミュレーションの結果からは、５００ｎｍ乃至４０００ｎｍの入射波長範囲では、前記銅／ｐ型ＩＰＳ構造に適合する線形長さが存在して局在表面プラズモン共鳴を誘起させ、前記銅／ｐ型ＩＰＳ構造により超広帯域局在表面プラズモン共鳴を生成可能になることが分かる。また、前記入射電磁波の波長及び逆ピラミッド構造の線形長さの関係が要約される。前記吸収スペクトルからは、前記銅／ｐ型シリコンベースＩＰＳ光検出器は４５０ｎｍ乃至２７００ｎｍの間の範囲の波長について８０％超の超広帯域吸収率を有することが分かる。従来のＬＳＰＲ構造では挟帯域周波数の表面プラズモン共鳴しか誘起できないという欠点を確実に解決する。異なる波長の入射光の応答測定からは、前記銅／ｐ型ＩＰＳ構造が１１５０ｎｍ乃至２７００ｎｍの間の範囲の前記入射波長について好ましい応答性を有することが分かる。前記装置が０バイアス及び５ｍＶで動作する場合、平均応答がそれぞれ３００ｎＡ及び３５００ｎＡとなり、前記入射光波長が増長しても応答が急低下することはない。前記光検出器が１５５０ｎｍの赤外線レーザーと共に０バイアスで動作する場合、前記装置の応答は１０３２ｎＡ／ｍＷまでとなる。また、銅／ｐ型ＩＰＳ構造の好ましい表面プラズモン共鳴効果により、前記ＩＰＳ構造はシリコンのエネルギーギャップより低いエネルギーの入射光子の検出応答を向上させるのみならず、前記ショットキー障壁より低いエネルギーの入射中赤外線光光子（２７００ｎｍ）の検出も可能となる。また、前記銅／ｐ型ＩＰＳ構造は超広帯域吸収、偏波無依存共鳴、及び強い応答性という利点を有する。また、前記銅／ｐ型シリコンＩＰＳ光検出器はシリコン半導体プロセス及び溶液エッチングプロセスを経て製造される。これらのプロセスは枯れた安定的な技術であり、高価ではない設備や材料で実施可能である。さらには、製造された前記光検出器はシリコンベース集積回路に統合されて可視赤外線検出器または熱赤外線撮像素子に用いられるシリコンベースチップに発展させることができる高いポテンシャルを有する。

上述の実施形態は本発明の技術思想及び特徴を説明するためのものにすぎず、当該技術分野を熟知する者に本発明の内容を理解させると共にこれをもって実施させることを目的とし、本発明の特許請求の範囲を限定するものではない。従って、本発明の精神を逸脱せずに行う各種の同様の効果をもつ改良又は変更は、後述の請求項に含まれるものとする。

１ 光検出器
１０ 半導体
１２ オーム接触電極
１４ 金属電極
１４１ ショットキー接触電極
１４２ グリッド電極
２ 光検出器
２０ 半導体
２１ 二酸化ケイ素膜
２２ オーム接触電極
２３ フォトレジスト
２４ 金属電極
２５ クロム

Claims (10)

1. 複数のミクロ乃至ナノ構造を有する半導体と、
   前記半導体の第一表面とのオーム接触が形成されるオーム接触電極と、
   前記ミクロ乃至ナノ構造の表面とのショットキー接触が形成される金属電極と、を備え、
   前記金属電極のキャリアが入射光により励起されて電子正孔対またはホットキャリアが形成され、前記金属電極及び前記半導体接合箇所にあるショットキー障壁を越え、光電流が形成されることを特徴とする、
   光検出器。
2. 各前記ミクロ乃至ナノ構造は複数の線形長さ及び前記線形長さのうちの１つに対応すると共に局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）を励起させる前記入射光の波長を含むことを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
3. 複数の前記ミクロ乃至ナノ構造は逆ピラミッド構造または直立ピラミッド構造を呈することを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
4. 前記入射光が前記半導体の第二表面から入射されることにより前記金属電極が酸化しやすいという欠点が改善され、且つ前記第二表面は前記第一表面に対向することを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
5. ショットキー障壁よりも小さいエネルギーの光子と半導体のバンドギャップの両方が検出されることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
6. 前記逆ピラミッド構造では５００ｎｍ乃至４０００ｎｍの間の範囲の前記入射光の波長により局在表面プラズモン共鳴が励起されることを特徴とする請求項３に記載の光検出器。
7. 直立ピラミッド構造では１０００ｎｍ乃至１００００ｎｍの間の範囲の前記入射光の波長により局在表面プラズモン共鳴が励起されることを特徴とする請求項３に記載の光検出器。
8. 前記逆ピラミッド構造の周期は前記入射光の波長の４倍であることを特徴とする請求項３に記載の光検出器。
9. 前記局在表面プラズモン共鳴は偏波無依存であることを特徴とする請求項３に記載の光検出器。
10. ４５０ｎｍ乃至２７００ｎｍの間の範囲の波長における前記光検出器の吸収スペクトルは８０％超の吸収率を有することを特徴とする請求項３に記載の光検出器。

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