JP2021100033A - Detection element and light emitting element for infrared light - Google Patents

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Abstract

To provide a compact detection element and a light emitting element for infrared light having a high signal-to-noise ratio and high photoelectric conversion efficiency.SOLUTION: A detection or light emitting element for infrared light includes a light-sensitive unit consisting of a plurality of light-sensitive pieces having layer structure in which a dielectric layer and a second conductor layer are sequentially laminated on a surface composed of a first conductor layer having a planar shape of a main size L arranged two-dimensionally with a period P, a wire unit made of a wire piece having a maximum width of more than 0 and L/5 or less for connecting at least the second conductor layers of the adjacent light-sensitive pieces with a non-linear unit, and the thickness of the dielectric layer exceeds 0 and is less than λ/2n when the refractive index of the dielectric layer is n, and the area of the light-sensitive piece is (3λ/8n)2 or more (5λ/8n)2 or less, the element has an in-plane propagation mode in which the light-sensitive piece and the wire piece propagate in the arrangement direction and are polarized in the direction perpendicular to the plane, and the planar shape of a functional unit consisting of the light-sensitive unit and the wire unit has a symmetry of 3 times or more.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、赤外光用検出素子および発光素子に関するものである。 The present invention relates to an infrared light detection element and a light emitting element.

赤外光用の検出素子および発光素子は、赤外線用のイメージセンサ、監視センサ用途で広く用いられている。例えば、2μm以上の長波長帯の赤外線は、その熱的効果やガスによる赤外線吸収の効果から、人体を検知する人感センサ、熱源体の移動監視センサ、非接触温度センサ、およびガスセンサ等に強い需要がある。
環境改善を鑑みると、大気環境の監視や保護、更には火災の早期検知などにも使用可能なガスセンサは肝要なデバイスである。特に、波長3μmから波長10μmまでの領域においては各種ガスに固有の吸収帯が数多く存在するので、この領域を高いS/N比と高い感度で検出できるガスセンサには強い需要がある。赤外光用の発光素子においても同様に強い需要がある。
Infrared detection elements and light emitting elements are widely used in infrared image sensors and surveillance sensors. For example, infrared rays in a long wavelength band of 2 μm or more are strong against motion sensors that detect the human body, heat source movement monitoring sensors, non-contact temperature sensors, gas sensors, etc. due to their thermal effect and infrared absorption effect by gas. There is demand.
In view of environmental improvement, gas sensors that can be used for monitoring and protecting the atmospheric environment and for early detection of fires are essential devices. In particular, since there are many absorption bands peculiar to various gases in the region from the wavelength of 3 μm to the wavelength of 10 μm, there is a strong demand for a gas sensor capable of detecting this region with a high S / N ratio and high sensitivity. There is also a strong demand for light emitting devices for infrared light.

電波を効率よく受送信する構造体としてパッチアンテナが知られている(特許文献1,2参照)。最近はさらに進化発展させて、マイクロ波のような電波や赤外光を効率よく吸収する構造体として、横磁気(TM)ギャッププラズモンモードの半波長共鳴を利用した金属―絶縁体―金属(MIM)キャビティからなるパッチアンテナが開発されている(非特許文献1参照)。
MIMキャビティでは、密に閉じ込められた電場との強い相互作用を利用して、薄い構造体でありながら光や電磁波を強く吸収することができる。その上で、機能性材料である絶縁体の上下に形成された金属層を電極として利用できる。このことから、1次元の単純な直線ワイヤーでパッチアンテナ間を接続することにより、赤外線に高い検出感度を示すパッチアンテナ素子が開発された(非特許文献2参照)。
A patch antenna is known as a structure for efficiently transmitting and receiving radio waves (see Patent Documents 1 and 2). Recently, it has been further evolved and developed as a structure that efficiently absorbs radio waves such as microwaves and infrared light. Metal-insulator-metal (MIM) that utilizes half-wave resonance in transverse magnetic (TM) gap plasmon mode. ) A patch antenna composed of a cavity has been developed (see Non-Patent Document 1).
The MIM cavity can strongly absorb light and electromagnetic waves even though it is a thin structure by utilizing a strong interaction with a tightly confined electric field. On top of that, metal layers formed above and below the insulator, which is a functional material, can be used as electrodes. For this reason, a patch antenna element exhibiting high detection sensitivity to infrared rays has been developed by connecting the patch antennas with a simple one-dimensional straight wire (see Non-Patent Document 2).

しかしながら、より赤外光の検出感度が高く、より高いS/N比を確保でき、かつ小型化(コンパクト化)可能な赤外光用の検出素子が嘱望されていた。
また、赤外光用の検出素子と同様に、赤外光の発光強度が強く、高い指向性を有し、かつ小型化(コンパクト化)可能な赤外光用の発光素子が嘱望されていた。
However, a detection element for infrared light, which has higher infrared light detection sensitivity, can secure a higher S / N ratio, and can be miniaturized (compactified), has been desired.
Further, like the detection element for infrared light, a light emitting element for infrared light having strong emission intensity of infrared light, high directivity, and miniaturization (compactification) has been desired. ..

特開昭52−134350号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 52-134350 特開平05−206729号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 05-20627

Phys.Rev.Lett.,Vol.96,p.097401(2006)Phys. Rev. Lett. , Vol. 96, p. 097401 (2006) Appl.Phys.Lett.,Vol.104,p.031113(2014)Apple. Phys. Lett. , Vol. 104, p. 031113 (2014)

本発明の課題は、高いS/N比と高い光電変換効率を有する赤外光用のコンパクトな検出素子および発光素子を提供することである。すなわち、検出用素子においては、ノイズレベルが低くかつ高い検出感度を有するコンパクトな赤外光用検出素子を提供するとこであり、発光素子においては、波長や放射方位が高度に制御された状態で強い発光強度を有するコンパクトな赤外光用発光素子を提供することである。 An object of the present invention is to provide a compact detection element and light emitting element for infrared light having a high S / N ratio and a high photoelectric conversion efficiency. That is, the detection element provides a compact infrared light detection element having a low noise level and high detection sensitivity, and the light emitting element is in a state where the wavelength and the radiation direction are highly controlled. It is an object of the present invention to provide a compact light emitting element for infrared light having a strong light emitting intensity.

本発明の構成を下記に示す。
(構成1)
ピーク波長をλとする赤外光を検出または発光する素子であって、
前記素子は、少なくとも前記赤外光に感応する光感応部と、電気的接続をするワイヤー部とを有し、
前記光感応部は、2次元状に周期Pで配列された主サイズLの平面形状を有する複数の光感応片からなり、
前記光感応片は、第1の導電体層からなる面上に誘電体層および第2の導電体層が順次積層された層構造を有し、
前記誘電体層の厚さTは、前記誘電体層の前記λに対する屈折率をnとしたとき0を超えてλ/(2n)未満であり、
前記光感応片の面積は、{3λ/(8n)}以上{5λ/(8n)}以下であり、
前記ワイヤー部は、隣接する前記光感応片の少なくとも前記第2の導電体層間を、非直線部を有して接続する、最大幅が0を超えてL/5以下の導電性を有するワイヤー片からなり、
前記素子は、前記光感応片および前記ワイヤー片を前記配列の方向である第1の方向に伝搬し、かつ前記面に垂直な方向である第2の方向に偏波した面内伝搬モードを有し、
前記第2の方向から入射する前記赤外光に対して、
|k×L+k×(P−L)−2×m×π|≦π/2(mは正の整数)
の関係が、前記第1の方向に進む伝搬モードの前記光感応片の部分および前記ワイヤー片の部分の正の伝搬定数をそれぞれk,kとしたときにあり、
前記光感応部とワイヤー部からなる機能部の平面形状は3回対称以上の対称性を有する、素子。
(構成2)
前記誘電体層は半導体層を含む、構成1記載の素子。
(構成3)
前記半導体層は、Si、Ge、AlAs、GaAs、InAs、AlSb、GaSb、InSb、AlP、GaP、InP、AlN、GaN、InN、PbS、PbSe、ZnTe、CdTe、HgTe、ZnSe、CdSe、MgSeからなる群より選ばれる1以上からなる、構成2記載の赤外光用検出素子および発光素子。
(構成4)
前記半導体層は量子井戸を含む、構成2記載の素子。
(構成5)
前記量子井戸の数は1以上5以下である、構成4記載の素子。
(構成6)
前記量子井戸の数は1である、構成4記載の素子。
(構成7)
前記量子井戸は、GaAsとAlGaAs、InGaAsとInAlAs、InGaAsとInP、InGaAsとAlAsSb、InGaAsPとInP、GaAsとGaInP、GaAsとAlInP、GaNとAlGaN、GaNとAlN、InAsとAlAsSb、ZnCdSeとZnCdMgSe、InAsとGaSb、InAsとGaInSb、InAsとInAsSb、InGaAsとGaAsSb、InAsとAlGaSbからなる群より選ばれる1以上からなる、構成4から6の何れか1記載の素子。
(構成8)
前記第1の導電体層と前記誘電体層、および前記誘電体層と前記第2の導電体層はともにオーミック接触している、構成1から7の何れか1記載の素子。
(構成9)
前記誘電体層は絶縁体からなる、構成1記載の素子。
(構成10)
前記誘電体層は、ダイヤモンド、Si、Ge、MgO、Al、SiO、BeO、CaO、TiO、Ti、TiO、V、Cr、MnO、CuO、CuO、ZnO、Sc、Y、ZrO、Ga、Nb、SnO、CeO、HfO、Ta、LiF、NaF、MgF、AlF、CaF、SrF、YF、CsF、BaF、LaF、CeF、NdF、GdF、YbF、PbF、ThF、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdSe、CdTe、AgGaS、AgGaSe、Zn、ZnGeP、As、AsSe、AlAs、AlSb、GaP、GaAs、GaSb、GaSe、GaTe、InP、SiC、BN、AlN、GaN、NaCl、KCl、AgCl、CsCl、KBr、RbBr、AgBr、CsBr、KI、RbI、AgI、CsI、TlI、TlBr、CaCo、SrTiO、LiTaO、ZrSiO、KNbOからなる群より選ばれる1以上からなる、構成1記載の素子。
(構成11)
前記第1の導電体層および前記第2の導電体層は、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属を含む合金、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属を含む化合物、およびITO、AZO、GZO、IZO、IGZO、ATO、FTO、FZO、TiNの何れかからなる、構成1から10の何れか1記載の素子。
(構成12)
前記光感応片の平面形状は、正三角形、正方形、正六角形、正八角形、真円形よりなる群から選ばれる1である、構成1から11の何れか1記載の素子。
(構成13)
前記光感応片の平面形状は一片の大きさがLの正方形であり、
前記Lは、前記光感応片の前記第2の方向に偏波した最低次の面内伝搬モードの有効屈折率をneffとしたとき、3λ/(8neff)以上5λ/(8neff)以下であり、
前記有効屈折率neffは、前記第1の導電体層および前記第2の導電体層の平均表皮深さをδとしたとき、n・(1+2δ/T)1/2である、構成1から11の何れか1記載の素子。
(構成14)
前記ワイヤー片の平面形状は直角形状部を含む、構成1から13の何れか1記載の素子。
(構成15)
前記対称性は4回対称である、構成1から14の何れか1記載の素子。
(構成16)
前記配列はマトリックス状である、構成1から15の何れか1記載の素子。
(構成17)
1つの前記第1の導電体層の上方に少なくとも複数の前記光感応片の第2の導電体層が形成されている、構成1から16の何れか1記載の素子。
(構成18)
1つの前記誘電体層の上に少なくとも複数の前記光感応片の第2の導電体層が形成されている、構成1から17の何れか1記載の素子。
(構成19)
請求項1から18の何れか1記載の赤外光用検出素子および発光素子の外側に、
前記第1の導電体層からなる面上に前記誘電体層および前記第2の導電体層が順次積層された第2の光感応片と、
隣接する前記第2の光感応片の少なくとも前記第2の導電体層間を、非直線部を有して接続する、最大幅が0を超えてL/5以下の導電性を有する第2のワイヤー片が2次元状に配列され、
前記第2のワイヤー片のワイヤー長さは、前記光感応片の配列の配列重心点を原点とした1次元、2次元および極座標の動径の何れかの距離に応じて変化している、構成1から16の何れか1記載の素子。
(構成20)
前記第2のワイヤー片は、前記周期Pで配列されている、構成19記載の素子。
(構成21)
前記ワイヤー長さの変化は、単調である、構成19または20記載の素子。
The configuration of the present invention is shown below.
(Structure 1)
An element that detects or emits infrared light with a peak wavelength of λ.
The element has at least a light-sensitive portion that is sensitive to the infrared light and a wire portion that makes an electrical connection.
The light-sensitive portion is composed of a plurality of light-sensitive pieces having a planar shape of main size L arranged two-dimensionally with a period P.
The light-sensitive piece has a layer structure in which a dielectric layer and a second conductor layer are sequentially laminated on a surface made of a first conductor layer.
The thickness T of the dielectric layer is more than 0 and less than λ / (2n) when the refractive index of the dielectric layer with respect to λ is n.
Area of the light-sensitive strip is 2 or less {3λ / (8n)} 2 or {5λ / (8n)},
The wire portion connects at least the second conductor layers of the adjacent light-sensitive pieces with a non-linear portion, and has a maximum width of more than 0 and L / 5 or less. Consists of
The element has an in-plane propagation mode in which the photosensitizer and the wire piece propagate in the first direction, which is the direction of the arrangement, and are polarized in the second direction, which is the direction perpendicular to the plane. And
With respect to the infrared light incident from the second direction.
| k a × L + k w × (P-L) -2 × m × π | ≦ π / 2 (m is a positive integer)
There relationship, a positive propagation constant portion and portions of the wire piece of the light-sensitive strip of the propagation modes traveling in the first direction when a k a, k w respectively,
An element in which the planar shape of the functional portion including the light-sensitive portion and the wire portion has symmetry of three times or more.
(Structure 2)
The element according to configuration 1, wherein the dielectric layer includes a semiconductor layer.
(Structure 3)
The semiconductor layer is composed of Si, Ge, AlAs, GaAs, InAs, AlSb, GaSb, InSb, AlP, GaP, InP, AlN, GaN, InN, PbS, PbSe, ZnTe, CdTe, HgTe, ZnSe, CdSe, MgSe. The infrared light detection element and light emitting element according to the configuration 2, which comprises one or more selected from the group.
(Structure 4)
The element according to configuration 2, wherein the semiconductor layer includes a quantum well.
(Structure 5)
The element according to configuration 4, wherein the number of quantum wells is 1 or more and 5 or less.
(Structure 6)
The element according to configuration 4, wherein the number of the quantum wells is 1.
(Structure 7)
The quantum wells are GaAs and AlGaAs, InGaAs and InAlAs, InGaAs and InP, InGaAs and AlAsSb, InGaAsP and InP, GaAs and GaInP, GaAs and AlInP, GaN and AlGaN, GaN and AlN, InAs and AlAsSb, ZnCdSe and ZnCdMgSe, InAs. The element according to any one of configurations 4 to 6, which comprises 1 or more selected from the group consisting of GaSb, InAs and GaInSb, InAs and InAsSb, InGaAs and GaAsSb, and InAs and AlGaSb.
(Structure 8)
The element according to any one of configurations 1 to 7, wherein the first conductor layer and the dielectric layer, and the dielectric layer and the second conductor layer are both in ohmic contact.
(Structure 9)
The element according to configuration 1, wherein the dielectric layer is made of an insulator.
(Structure 10)
The dielectric layer is diamond, Si, Ge, MgO, Al 2 O 3 , SiO 2 , BeO, CaO, TiO 2 , Ti 2 O 3 , TiO, V 2 O 5 , Cr 2 O 3 , MnO, Cu 2. O, CuO, ZnO, Sc 2 O 3 , Y 2 O 3 , ZrO 2 , Ga 2 O 3 , Nb 2 O 5 , SnO 2 , CeO 2 , HfO 2 , Ta 2 O 5 , LiF, NaF, MgF 2 , AlF 3, CaF 2, SrF 2 , YF 3, CsF, BaF 2, LaF 3, CeF 3, NdF 3, GdF 3, YbF 3, PbF 2, ThF 4, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdSe, CdTe, AgGaS 2 , AgGaSe 2 , Zn 3 P 2 , ZnGeP 2 , As 2 S 3 , As 2 Se 3 , AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, GaSe, GaTe, InP, SiC, BN, AlN, GaN, NaCl, KCl, One or more selected from the group consisting of AgCl, CsCl, KBr, RbBr, AgBr, CsBr, KI, RbI, AgI, CsI, TlI, TlBr, CaCo 3 , SrTIO 3 , LiTaO 3 , ZrSiO 4 , and KNbO 3. 1. The element according to 1.
(Structure 11)
The first conductor layer and the second conductor layer are Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Er. , Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In, Al, one or more metals selected from the group consisting of Ti, Cr, Ni, Au. , Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh , Re, Ir, In, Al alloys containing one or more metals selected from the group consisting of, Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, A compound containing one or more metals selected from the group consisting of Tm, Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In and Al. , And the element according to any one of configurations 1 to 10, comprising any of ITO, AZO, GZO, IZO, IGZO, ATO, FTO, FZO, and TiN.
(Structure 12)
The element according to any one of configurations 1 to 11, wherein the plane shape of the light-sensitive piece is 1 selected from the group consisting of an equilateral triangle, a square, a regular hexagon, a regular octagon, and a perfect circle.
(Structure 13)
The planar shape of the light-sensitive piece is a square whose size is L.
Wherein L, when the lowest order of the effective refractive index of in-plane propagation modes polarized in the second direction of the light-sensitive element was n eff, 3λ / (8n eff ) or 5λ / (8n eff) below And
The effective refractive index n eff is n · (1 + 2δ / T) 1/2 when the average skin depth of the first conductor layer and the second conductor layer is δ. 11. The element according to any one of 11.
(Structure 14)
The element according to any one of configurations 1 to 13, wherein the planar shape of the wire piece includes a right-angled portion.
(Structure 15)
The element according to any one of configurations 1 to 14, wherein the symmetry is four-fold symmetry.
(Structure 16)
The element according to any one of configurations 1 to 15, wherein the arrangement is in the form of a matrix.
(Structure 17)
The element according to any one of configurations 1 to 16, wherein at least a plurality of second conductor layers of the light-sensitive pieces are formed above the first conductor layer.
(Structure 18)
The element according to any one of configurations 1 to 17, wherein at least a plurality of second conductor layers of the light-sensitive pieces are formed on the dielectric layer.
(Structure 19)
On the outside of the infrared light detection element and the light emitting element according to any one of claims 1 to 18.
A second light-sensitive piece in which the dielectric layer and the second conductor layer are sequentially laminated on a surface made of the first conductor layer.
A second wire having a maximum width of more than 0 and L / 5 or less, which connects at least the second conductor layers of the adjacent second light-sensitive pieces with a non-linear portion. The pieces are arranged in two dimensions,
The wire length of the second wire piece changes according to any distance of one-dimensional, two-dimensional, and polar coordinate radii with the center of gravity of the arrangement of the light-sensitive pieces as the origin. The element according to any one of 1 to 16.
(Structure 20)
The element according to configuration 19, wherein the second wire piece is arranged in the period P.
(Structure 21)
The element according to configuration 19 or 20, wherein the change in wire length is monotonous.

本発明により、高いS/N比と高い光電変換効率を有する赤外光用のコンパクトな検出素子および発光素子が提供される。すなわち、検出用素子においては、ノイズレベルが低くかつ高い検出感度を有するコンパクトな赤外光用検出素子が提供され、発光素子においては、ノイズ発光が少ない状態で強い発光強度を有するコンパクトな赤外光用発光素子が提供される。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention provides a compact detection element and light emitting element for infrared light having a high signal-to-noise ratio and high photoelectric conversion efficiency. That is, in the detection element, a compact infrared light detection element having a low noise level and high detection sensitivity is provided, and in the light emitting element, a compact infrared having a strong light emission intensity with little noise emission. A light emitting device for light is provided.

素子の概要構成を示す鳥観図である。It is a bird's-eye view which shows the outline structure of an element. 素子の概要構成を示す平面図である。It is a top view which shows the outline structure of the element. 素子の概要構成を示す平面図である。It is a top view which shows the outline structure of the element. 素子の概要構成を示す平面図である。It is a top view which shows the outline structure of the element. 素子の概要構成を示す平面図である。It is a top view which shows the outline structure of the element. 素子の概要構成を示す平面図である。It is a top view which shows the outline structure of the element. 素子の概要構成を示す平面図である。It is a top view which shows the outline structure of the element. 素子の概要構成を示す平面図である。It is a top view which shows the outline structure of the element. 本発明で用いる量子井戸を有する誘電体のバンド構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the band composition of the dielectric which has a quantum well used in this invention. 素子の概要構成を示す平面図である。It is a top view which shows the outline structure of the element. 素子の構造と光吸収分光特性を対比して示す光吸収特性の説明図である。It is explanatory drawing of the light absorption characteristic which shows the structure of an element and the light absorption spectroscopic characteristic in comparison. 実施例で作製した素子のSEM写真である。It is an SEM photograph of the element produced in the Example. 実施例で作製した素子のSEM写真である。It is an SEM photograph of the element produced in the Example. 実施例で作製した素子の光感応特性を示す特性図である。It is a characteristic figure which shows the light sensitivity characteristic of the element manufactured in an Example. 実施例で作製した素子の光感応特性を示す特性図である。It is a characteristic figure which shows the light sensitivity characteristic of the element manufactured in an Example. 実施例で作製した素子の光感応特性を示す特性図である。It is a characteristic figure which shows the light sensitivity characteristic of the element manufactured in an Example. 実施例で作製した素子の光感応特性を示す特性図である。It is a characteristic figure which shows the light sensitivity characteristic of the element manufactured in an Example. 実施例の素子の構造を示す鳥観図である。It is a bird's-eye view which shows the structure of the element of an Example. 実施例の素子の光感応特性を示す特性図である。It is a characteristic figure which shows the light sensitivity characteristic of the element of an Example.

以下、本発明について詳細に説明する。以下に記載する本発明の詳細な説明は、代表的な態様、実施形態、及び実施例に基づいてなされることがあるが、これらは例示であり、本発明はそのような態様、実施形態、及び実施例に限定されるものではない。
なお、「A〜B」は、A以上B以下を示す。
Hereinafter, the present invention will be described in detail. The detailed description of the present invention described below may be based on representative embodiments, embodiments, and examples, but these are examples, and the present invention describes such embodiments, embodiments, and the like. And is not limited to the examples.
In addition, "A to B" indicates A or more and B or less.

(実施の形態1)
<素子構造>
本発明の素子101は、図1に示すように、第1の導電体層21と第2の導電体層23の2つの導電体層に挟まれた薄膜の誘電体層22を有する、パッチアンテナとして働く光感応片12がいわゆるアレイアンテナのように多数規則的に配置された光感応部11と、光感応片を電気的に結びつける導電体層を有するワイヤー部13からなる。
ワイヤー部13は複数のワイヤー片14からなり、各々のワイヤー片14は、隣接する光感応片12の少なくとも第2の導電体層23間を電気的に繋ぐワイヤーである。
(Embodiment 1)
<Element structure>
As shown in FIG. 1, the element 101 of the present invention is a patch antenna having a thin dielectric layer 22 sandwiched between two conductor layers, a first conductor layer 21 and a second conductor layer 23. The light-sensitive pieces 12 act as a light-sensitive piece 12 are regularly arranged in large numbers like a so-called array antenna, and a wire part 13 having a conductor layer for electrically connecting the light-sensitive pieces.
The wire portion 13 is composed of a plurality of wire pieces 14, and each wire piece 14 is a wire that electrically connects at least the second conductor layers 23 of the adjacent light-sensitive pieces 12.

本発明の構成では、光感応片が導電体層で繋がれているため、誘電体層にバイアス電圧を印加することもできるし、光電変換による電流を取り出すこともできる。また、2つの導電体層間に電圧を印加することによって誘電体層22にトンネル電流を流したり、導電体に電流を流して誘電体層22に熱を加えることにより、発光させることができる。 In the configuration of the present invention, since the light-sensitive pieces are connected by the conductor layer, a bias voltage can be applied to the dielectric layer, or a current due to photoelectric conversion can be taken out. Further, a tunnel current can be passed through the dielectric layer 22 by applying a voltage between the two conductor layers, or a current can be passed through the conductor to apply heat to the dielectric layer 22 to cause light emission.

一般に、光検出素子の光検出感度と発光素子の発光強度は、光共鳴という観点では、光線逆行の原理により、共通の振る舞いになる。すなわち、光検出素子で効果的な共鳴を起こせる条件は、発光素子でも効果的な共鳴を起こせる。以下、光検出素子を中心に説明し、発光素子固有のことについては、個別に適宜説明を行う。 In general, the light detection sensitivity of a photodetector and the light emission intensity of a light emitting element have common behaviors from the viewpoint of photoresonance due to the principle of light retrograde. That is, the condition that the light detection element can cause effective resonance can also cause the light emitting element to cause effective resonance. Hereinafter, the photodetector element will be mainly described, and the matters peculiar to the light emitting element will be described individually as appropriate.

本発明の素子101は、光感応片12とワイヤー片の形状、サイズ、構造、および配置に大きな特徴がある。また、さらに性能を高める上で、誘電体層22にも特徴がある。 The element 101 of the present invention is characterized in the shape, size, structure, and arrangement of the light sensitive piece 12 and the wire piece. Further, the dielectric layer 22 is also characterized in order to further improve the performance.

光感応片12は、第1の導電体層21、誘電体層22、第2の導電体層23の3層からなるキャビティ構造を有し、誘電体層22の厚さTは、0を超えλ/(2n)以下、光感応片12の面積は{3λ/(8n)}以上{5λ/(8n)}以下である。
この構造にすることにより、ノイズを抑えた状態でTMギャッププラズモンモードの半波長共鳴が効率的に起きて赤外光を効率よく吸収することを見出した。また、この構造は、誘電体層22が薄いので、共鳴により生じる電場が大きく、大きな感度増強が得られ、さらにボリュームが小さいので、その結果暗電流が下がる。暗電流を抑えることができるので、液体窒素環境というような低温環境でなくても、十分使用可能な素子となる。
The light-sensitive piece 12 has a cavity structure composed of three layers, a first conductor layer 21, a dielectric layer 22, and a second conductor layer 23, and the thickness T of the dielectric layer 22 exceeds 0. λ / (2n) or less, the area of the photosensitive member 12 is 2 or less {3λ / (8n)} 2 or {5λ / (8n)}.
It has been found that by adopting this structure, half-wave resonance in TM gap plasmon mode efficiently occurs in a state where noise is suppressed, and infrared light is efficiently absorbed. Further, in this structure, since the dielectric layer 22 is thin, the electric field generated by resonance is large, a large sensitivity enhancement can be obtained, and the volume is small, so that the dark current is reduced as a result. Since the dark current can be suppressed, the device can be sufficiently used even in a low temperature environment such as a liquid nitrogen environment.

また、光感応片12が一片の大きさLの正方形の場合は、第1の導電体層および第2の導電体層の平均表皮深さをδとしたときにn・(1+2δ/T)1/2で表される光感応片12の第2の方向に偏波した最低次の面内伝搬モードの有効屈折率をneffとしたとき、Lが3λ/(8neff)以上5λ/(8neff)以下になることが好ましい。
この構造にすることにより、正方形の光感応片に最適化され、さらにノイズを抑えた状態でTMギャッププラズモンモードの半波長共鳴が効率的に起きて赤外光を効率よく吸収することを見出した。
ここで、λは、この素子が検出しようとする、または発光光させようとする赤外光のピーク波長であり、nは、誘電体層22の波長λに対する屈折率である。なお、本発明での赤外光は、波長0.76μm以上1000μm以下の光を指す。また、本発明で特に効果を示す赤外光の波長域は、2.5μm以上25μm以下である。
When the light-sensitive piece 12 is a square having a size of L, n · (1 + 2δ / T) 1 when the average skin depth of the first conductor layer and the second conductor layer is δ. When the effective refractive index of the lowest-order in-plane propagation mode polarized in the second direction of the light-sensitive piece 12 represented by / 2 is n eff , L is 3λ / (8n eff ) or more and 5λ / (8n). eff ) It is preferable that the value is less than or equal to.
It was found that this structure is optimized for a square light-sensitive piece, and that half-wave resonance in TM gap plasmon mode efficiently occurs and infrared light is efficiently absorbed while suppressing noise. ..
Here, λ is the peak wavelength of infrared light to be detected or emitted by this device, and n is the refractive index of the dielectric layer 22 with respect to the wavelength λ. The infrared light in the present invention refers to light having a wavelength of 0.76 μm or more and 1000 μm or less. Further, the wavelength range of infrared light that is particularly effective in the present invention is 2.5 μm or more and 25 μm or less.

本発明では、主サイズLの平面形状を有する光感応片12を2次元状に周期Pで配列するとともに、隣接する光感応片12を、ワイヤー片14を2次元状に周期Pで配列して、電気的に繋ぐことによって、光感応片12の群を共鳴状態にしてさらに赤外光を高効率に吸収させる。ここで、2次元状配列とは、代表的にはマトリックス状配列であり、正方格子状、長方格子状、斜方格子状および三角格子状を含む。この中で正方格子状が最も設計しやすく、好んで用いることができる。
光感応片12の平面形状は、対称性が高いものが好ましく、具体的には、正三角形、正方形、正六角形、正八角形、真円形を挙げることができる。この中でも、正方形は製造が容易であることから特に好んで用いることができる。光感応片12の平面形状の対称性が高いと、入射光の向きや偏光依存性が少なくなり、これらの擾乱を受けにくい状態で感度が高いレベルで安定するため好ましい。
In the present invention, the light-sensitive pieces 12 having a planar shape of the main size L are arranged two-dimensionally with a period P, and the adjacent light-sensitive pieces 12 and the wire pieces 14 are arranged two-dimensionally with a period P. By electrically connecting the light-sensitive pieces 12, the group of the light-sensitive pieces 12 is brought into a resonance state to further absorb infrared light with high efficiency. Here, the two-dimensional array is typically a matrix array, and includes a square lattice pattern, a rectangular lattice pattern, an orthorhombic lattice pattern, and a triangular lattice pattern. Of these, the square grid is the easiest to design and can be used preferentially.
The planar shape of the light-sensitive piece 12 is preferably one having high symmetry, and specific examples thereof include an equilateral triangle, a square, a regular hexagon, a regular octagon, and a perfect circle. Of these, squares are particularly preferred because they are easy to manufacture. When the plane shape of the light sensitive piece 12 has high symmetry, the direction of the incident light and the dependence on polarization are reduced, and it is preferable because the sensitivity is stable at a high level in a state of being less susceptible to these disturbances.

ここで、隣接する光感応片12間の間隔を狭めて光感応片12の集積度を挙げ、素子101のコンパクト化を図るため、ワイヤー片14は、最大幅が0を超えてL/5以下で、非直線部のあるZ、S字状などの屈曲部を有した折り畳んだ形状の導電体層を有するものとする。その一例を図2に示す。図2は素子101の一部の要部を上部から見た平面図で、(a)は光感応片のみが配置されている場合、(b)は光感応片12と直線状のワイヤー片14aが配置されている場合、(c)は光感応片12とZ字状のワイヤー片14bが配置されている場合、そして(d)は光感応片12とS字状のワイヤー片14cが配置されている場合である。ここで、領域を狭めて効率的な折り畳み平面形状にするためには直角形状部を含むことが好ましい。
ここで、主サイズLは、光感応片12が正方形なら一辺の長さ、正三角形なら一辺の長さ、正六角形および正八角形などの正n角形(nは6以上の偶数)の場合は対角線の長さ、円の場合は直径、その他の場合は面積の等しい円の直径である。
Here, in order to increase the degree of integration of the light-sensitive pieces 12 by narrowing the distance between the adjacent light-sensitive pieces 12 and to make the element 101 compact, the maximum width of the wire piece 14 exceeds 0 and is L / 5 or less. Therefore, it is assumed that the conductor layer has a folded shape having a bent portion such as a Z or S shape having a non-linear portion. An example thereof is shown in FIG. FIG. 2 is a plan view of a part of the element 101 as viewed from above. FIG. 2A is a plan view in which only a light sensitive piece is arranged, and FIG. 2B is a light sensitive piece 12 and a linear wire piece 14a. Is arranged, (c) is the case where the light sensitive piece 12 and the Z-shaped wire piece 14b are arranged, and (d) is the case where the light sensitive piece 12 and the S-shaped wire piece 14c are arranged. If you are. Here, in order to narrow the region and form an efficient folding plane shape, it is preferable to include a right-angled shape portion.
Here, the main size L is the length of one side if the light-sensitive piece 12 is square, the length of one side if it is an equilateral triangle, and the diagonal line if it is a regular n-sided polygon (n is an even number of 6 or more) such as a regular hexagon and a regular octagon. The length of a circle, the diameter in the case of a circle, and the diameter of a circle with the same area in other cases.

詳細な検討の結果、光感応片12の群の共鳴状態を波長λに合わせるには、屈曲部形状やフォトニックバンドギャップも考慮して、下記の条件を満たすようにする必要があることを見出した。
素子101は、光感応片12およびワイヤー片14をその配列方向である第1の方向に伝搬し、かつ光感応片12が置かれている面に垂直な方向である第2の方向に電場が偏波した面内伝搬モードを有し、第2の方向から入射する前記赤外光に対して、
|k×L+k×(P−L)−2×m×π|≦π/2(mは適当な正の整数)・・(1)
の関係が、前記第1の方向に進む伝搬モードの前記光感応片12の部分および前記ワイヤー片14の部分の正の伝搬定数をそれぞれk,kとしたときにある。
As a result of detailed examination, it was found that in order to match the resonance state of the group of light sensitive pieces 12 with the wavelength λ, it is necessary to satisfy the following conditions in consideration of the shape of the bent portion and the photonic band gap. It was.
The element 101 propagates the light-sensitive piece 12 and the wire piece 14 in the first direction, which is the arrangement direction thereof, and the electric field is generated in the second direction, which is the direction perpendicular to the surface on which the light-sensitive piece 12 is placed. It has a polarized in-plane propagation mode, and with respect to the infrared light incident from the second direction.
| k a × L + k w × (P-L) -2 × m × π | ≦ π / 2 (m is an appropriate positive integer) .. (1)
Relationship is a positive propagation constant of the light portion of the photosensitive member 12 and the portion of the wire piece 14 of the propagation modes traveling in the first direction when a k a, k w respectively.

素子101では、入射光(検出光)に対して、光感応片12の個々の光学的共鳴と、ワイヤー片14を介した全体としての光学的共鳴の2つの光学的共鳴が組み合わさる共鳴(二重共鳴)になる。この場合、素子101への垂直入射光による共鳴は非常に強い共鳴となるが、素子101に対して斜めから入射する光に対しては急激に共鳴条件から外れるという共鳴特性になる。
赤外光用光検出素子では、バックグラウンドノイズは大半が周囲からの熱輻射によってもたらされる。素子101では、周囲からの熱輻射を簡便、低コスト、コンパクトに抑えて、ノイズの少ない素子にするために、前述の二重共鳴を使って指向性を高め、言い換えればFOV(Field Of View)を狭めて、周囲からの熱輻射(赤外線)に対する感度を抑えた。このことにより、周囲からの熱輻射が問題になる赤外光検出素子においては、素子101は、高い検出感度を得つつ、S/Nにも優れた素子になる。特に量子井戸のサブバンド間遷移を利用する赤外光用検出素子の場合には、量子井戸そのものが特定の波長で共鳴的な感度(電子的共鳴)を持つ。これが二重の光学的共鳴と合致し、三重の共鳴となることにより、とりわけ強く、また、波長的、方位的に不要な熱輻射に影響されない、高いS/Nを持つ素子になる。あるいは周囲に与える不要な熱放射が問題になる赤外光発光素子においては、高い発光強度を得つつ、指向性にも優れた素子になる。
In the element 101, the resonance (2) is a combination of two optical resonances of the individual optical resonance of the photosensitive piece 12 and the optical resonance of the whole through the wire piece 14 with respect to the incident light (detection light). (Multiple resonance). In this case, the resonance caused by the vertically incident light on the element 101 is a very strong resonance, but the resonance characteristic is that the light incident on the element 101 at an angle suddenly deviates from the resonance condition.
In an infrared photodetector, most of the background noise is caused by thermal radiation from the surroundings. In the element 101, in order to suppress heat radiation from the surroundings easily, at low cost, and compactly, and to make the element with less noise, the directivity is enhanced by using the above-mentioned double resonance, in other words, FOV (Field Of View). Was narrowed to reduce the sensitivity to heat radiation (infrared rays) from the surroundings. As a result, in the infrared photodetector element in which heat radiation from the surroundings becomes a problem, the element 101 becomes an element excellent in S / N while obtaining high detection sensitivity. In particular, in the case of an infrared light detection element that utilizes an intersubband transition of a quantum well, the quantum well itself has resonance sensitivity (electronic resonance) at a specific wavelength. By matching this with double optical resonance and triple resonance, it becomes an element with a high S / N that is particularly strong and is not affected by unnecessary thermal radiation in terms of wavelength and direction. Alternatively, in an infrared light emitting device in which unnecessary heat radiation given to the surroundings is a problem, the device is excellent in directivity while obtaining high light emitting intensity.

また、素子101は、光感応部11とワイヤー部13からなる機能部の平面形状を3回対称以上、好ましくは4回対称とする。すなわち、光感応片12とワイヤー片14を3回対称以上、好ましくは4回対称になるように周期Pで配置する。このことにより、入射光の偏光依存性(偏光の角度依存性)がほぼなくなり、感度向上に寄与する。 Further, the element 101 makes the planar shape of the functional portion including the light-sensitive portion 11 and the wire portion 13 three-fold symmetric or more, preferably four-fold symmetric. That is, the light-sensitive piece 12 and the wire piece 14 are arranged at a period P so as to be symmetrical at least 3 times, preferably 4 times. As a result, the polarization dependence of the incident light (polarization angle dependence) is almost eliminated, which contributes to the improvement of sensitivity.

第1の導電体層21、誘電体層22および第2の導電体層23に形成される光感応部とワイヤー部の形状は図1の鳥観図で示した場合に限らない。ワイヤー部13は誘電体層22を挟んでも挟まなくてもよく、第1の導電体層21および誘電体層22はパターン化された形状でも複数の光感応片およびワイヤー片が載る広い領域の平板状でもよい。 The shapes of the light-sensitive portion and the wire portion formed on the first conductor layer 21, the dielectric layer 22, and the second conductor layer 23 are not limited to those shown in the bird's-eye view of FIG. The wire portion 13 may or may not sandwich the dielectric layer 22, and the first conductor layer 21 and the dielectric layer 22 may have a patterned shape and may be a flat plate in a wide area on which a plurality of light-sensitive pieces and wire pieces are placed. It may be in the form.

図1を、第1の導電体層21、誘電体層22および第2の導電体層23の各層に分けたときの平面図を図3に示す。図3(a)に示すのが第2の導電体層23、図3(b)に示すのが誘電体層22および。図3(c)に示すのが第1の導電体層21である。図3の場合は、第2の導電体層23の平面形状は光感応部11とワイヤー部13を有する形状であり、誘電体層22の平面形状はそれと同様であり、第1の導電体層21の平面形状は複数の光感応片およびワイヤー片が載る広い平面形状の場合である。
図4は、誘電体層22が光感応部11のみでワイヤー部を含まない場合の各層の平面形状、図5は第1の導電体層21、誘電体層22および第2の導電体層23が光感応部11とワイヤー部13を含むすべて同じ平面形状、図6は第1導電体層21と第2の導電体層23が光感応部11とワイヤー部13を含む同じ平面形状で誘電体層22は光感応部11のみでワイヤー部を有さない平面形状、図7は第2の導電体層23のみ光感応部11とワイヤー部13を有する平面形状で、第1の導電体層21と誘電体層22は複数の光感応片およびワイヤー片が載る広い平面形状、そして図8は第1導電体層21と第2の導電体層23が光感応部11とワイヤー部13を含む同じ平面形状で誘電体層22は光感応部のみで複数の光感応片およびワイヤー片が載る広い平面形状の場合である。本発明の素子101は、上記いずれの平面形状を有していてもよい。
FIG. 3 shows a plan view when FIG. 1 is divided into the first conductor layer 21, the dielectric layer 22, and the second conductor layer 23. The second conductor layer 23 is shown in FIG. 3 (a), and the dielectric layer 22 and is shown in FIG. 3 (b). The first conductor layer 21 is shown in FIG. 3 (c). In the case of FIG. 3, the planar shape of the second conductor layer 23 is a shape having a light-sensitive portion 11 and a wire portion 13, and the planar shape of the dielectric layer 22 is the same as that of the light-sensitive portion 11. The planar shape of 21 is a wide planar shape on which a plurality of light-sensitive pieces and wire pieces are placed.
FIG. 4 shows the planar shape of each layer when the dielectric layer 22 has only the light-sensitive portion 11 and does not include the wire portion, and FIG. 5 shows the first conductor layer 21, the dielectric layer 22, and the second conductor layer 23. 6 has the same planar shape including the light-sensitive portion 11 and the wire portion 13, and FIG. 6 shows that the first conductor layer 21 and the second conductor layer 23 have the same planar shape including the light-sensitive portion 11 and the wire portion 13 and are a dielectric material. The layer 22 has a planar shape having only the light-sensitive portion 11 and no wire portion, and FIG. 7 has a planar shape having only the light-sensitive portion 11 and the wire portion 13 only for the second conductor layer 23, and the first conductor layer 21 has a planar shape. The dielectric layer 22 has a wide planar shape on which a plurality of light-sensitive pieces and wire pieces are placed, and FIG. 8 shows that the first conductor layer 21 and the second conductor layer 23 include the light-sensitive portion 11 and the wire portion 13. In the case of a planar shape, the dielectric layer 22 has a wide planar shape in which a plurality of light-sensitive pieces and wire pieces are placed only on the light-sensitive portion. The element 101 of the present invention may have any of the above-mentioned planar shapes.

なお、複数の光感応片およびワイヤー片が載る広い平面形状を用いた場合は、その層の形成に微細パターン形成を伴わないため製造が容易になるという特徴がある。また、図5および図6に示す場合は、ワイヤー片がばねの役割をもって各光感応片を繋ぐため、フレキシブル基板上に形成したとき、柔軟性と伸縮耐久性が高まって好ましい。 When a wide planar shape on which a plurality of light-sensitive pieces and wire pieces are placed is used, there is a feature that the formation of the layer does not involve the formation of a fine pattern, so that the production is easy. Further, in the cases shown in FIGS. 5 and 6, since the wire pieces act as springs to connect the light-sensitive pieces, the flexibility and stretch durability are increased when the wire pieces are formed on the flexible substrate, which is preferable.

誘電体層22は、半導体層または/および絶縁体層を含む層からなる。
半導体層は、Si、Ge、AlAs、GaAs、InAs、AlSb、GaSb、InSb、AlP、GaP、InP、AlN、GaN、InN、PbS、PbSe、ZnTe、CdTe、HgTe、ZnSe、CdSe、MgSeからなる群より選ばれる1以上を挙げることができ、特に素子101を光検出素子として使用するときに、高い検出感度と高いS/Nを得るのに適する。
The dielectric layer 22 is composed of a semiconductor layer and / and a layer including an insulator layer.
The semiconductor layer is a group consisting of Si, Ge, AlAs, GaAs, InAs, AlSb, GaSb, InSb, AlP, GaP, InP, AlN, GaN, InN, PbS, PbSe, ZnTe, CdTe, HgTe, ZnSe, CdSe, MgSe. One or more selected from the above can be mentioned, and it is particularly suitable for obtaining high detection sensitivity and high S / N when the element 101 is used as an optical detection element.

半導体層は量子井戸を含むと、量子井戸構造の設計により決まる所定の狭い波長域の赤外光を極めて高い感度かつS/Nで検出するのに好適になる。すなわち、量子井戸を含む半導体層を用いると感度の高い狭い波長域の検出素子になり、一方で、ノイズ源となる熱輻射は一般に広い波長域からなるので、高いS/Nが得られる。
ここで、量子井戸としては、GaAsとAlGaAs、InGaAsとInAlAs、InGaAsとInP、InGaAsとAlAsSb、InGaAsPとInP、GaAsとGaInP、GaAsとAlInP、GaNとAlGaN、GaNとAlN、InAsとAlAsSb、ZnCdSeとZnCdMgSe、InAsとGaSb、InAsとGaInSb、InAsとInAsSb、InGaAsとGaAsSb、InAsとAlGaSbからなる群より選ばれる1以上を挙げることができる。
When the semiconductor layer includes a quantum well, it is suitable for detecting infrared light in a predetermined narrow wavelength range determined by the design of the quantum well structure with extremely high sensitivity and S / N. That is, when a semiconductor layer including a quantum well is used, it becomes a detection element in a narrow wavelength region with high sensitivity, while thermal radiation, which is a noise source, generally has a wide wavelength region, so that a high S / N can be obtained.
Here, the quantum wells include GaAs and AlGaAs, InGaAs and InAlAs, InGaAs and InP, InGaAs and AlAsSb, InGaAsP and InP, GaAs and GaInP, GaAs and AlGaN, GaN and AlGaN, GaN and AlN, InAs and AlAsSb, and ZnCdSe. One or more selected from the group consisting of ZnCdMgSe, InAs and GaSb, InAs and GaInSb, InAs and InAsSb, InGaAs and GaAsSb, and InAs and AlGaSb can be mentioned.

量子井戸に欠陥があると光検出感度およびS/Nが低下するので、量子井戸の数は少ないことが好ましい。また、一般に、キャビティによる吸収増強が存在しない状況下での量子井戸による光吸収は、およそ量子井戸の数に比例するが、本発明の素子はTMギャッププラズモンモードの半波長共鳴を用いたキャビティ構造をもつため量子井戸数が少なくても吸収は十分大きい。加えて、吸収の他に感度を決めるもう一つの因子である光導電ゲイン(電子が量子井戸群を貫いて進む移動のしやすさ)は、およそ量子井戸の数に反比例するので、量子井戸の数が少ない場合の方が応答性に富む。詳細な検討を行った結果、量子井戸の数は1以上5以下が好ましく、1以上3以下がより好ましく、1がさらに一層好ましいことがわかった。 If the quantum wells are defective, the photodetection sensitivity and S / N will decrease, so it is preferable that the number of quantum wells is small. Further, in general, the light absorption by a quantum well in the absence of absorption enhancement by the cavity is approximately proportional to the number of quantum wells, but the element of the present invention has a cavity structure using half-wavelength resonance in TM gap plasmon mode. Therefore, even if the number of quantum wells is small, the absorption is sufficiently large. In addition to absorption, the photoconductive gain (the ease with which electrons move through a group of quantum wells), which is another factor that determines sensitivity, is approximately inversely proportional to the number of quantum wells. The smaller the number, the more responsive it is. As a result of detailed examination, it was found that the number of quantum wells is preferably 1 or more and 5 or less, more preferably 1 or more and 3 or less, and even more preferably 1.

また、第1の導電体層21と誘電体層22、および誘電体層22と第2の導電体層23はともにオーミック接触していることが好ましい。オーミックコンタクトにより第1の導電体層21と誘電体層22との界面、および誘電体層22と第2の導電体層23との界面での電子の流れがスムーズになり、効率よく光電流を取り出すことが可能となる。オーミックコンタクトではなくショットキーコンタクトであった場合は誘電体層22に蓄積された電子が滞留し、十分な光電流を取り出すのが容易ではなくなる。 Further, it is preferable that the first conductor layer 21 and the dielectric layer 22 and the dielectric layer 22 and the second conductor layer 23 are in ohmic contact with each other. Ohmic contact smoothes the flow of electrons at the interface between the first conductor layer 21 and the dielectric layer 22 and the interface between the dielectric layer 22 and the second conductor layer 23, and efficiently distributes photocurrent. It can be taken out. If it is a Schottky contact instead of an ohmic contact, the electrons accumulated in the dielectric layer 22 will stay, and it will not be easy to take out a sufficient photocurrent.

誘電体層22に量子井戸が1の半導体層を用いた場合のコンダクションバンド構造の説明図を図9に示す。これは実施例1の素子で使用した誘電体層のコンダクションバンド構造を説明したものになっている。
図9の縦軸は電子のエネルギーを表し、斜線部分は電子が充満していることを表す。量子井戸部は薄いので電子準位は離散的に存在する。
量子井戸部の電子は、基底準位の他に、所定のエネルギー幅で連続に分布する連続励起準位に存在しうる。その状態で、ちょうどその2つの準位のエネルギー差に等しいエネルギーを持った赤外光の光子が入射すると、基底準位の電子は励起準位に励起される。第1の導電体層と第2の導電体層の間にバイアス電圧を印加しておくと、励起された電子は電界によりバイアス電圧に応じた方向に移動し、コンタクト層を経て導電体層に達し光電流が流れる。
図9では、コンタクト層と導電体層との境界にショットキーバリアが存在する場合を示すが、上述のようにオーミックコンタクトが好ましい。しかしながら、ショットキーバリアであってもコンタクト層に十分な電子をドーピングしておくと、このバリアは図9のように極めて薄くなり、電子はトンネルしてコンタクト層・導電体層間を自由に流れることができるようになるため使用することが可能になる。
FIG. 9 shows an explanatory diagram of the conduction band structure when a semiconductor layer having one quantum well is used for the dielectric layer 22. This explains the conduction band structure of the dielectric layer used in the device of the first embodiment.
The vertical axis of FIG. 9 represents the energy of electrons, and the shaded area represents that the electrons are full. Since the quantum well is thin, the electron levels exist discretely.
In addition to the ground level, the electrons in the quantum well can exist in continuously excited levels that are continuously distributed with a predetermined energy width. In that state, when an infrared photon having an energy equal to the energy difference between the two levels is incident, the electron at the base level is excited to the excitation level. When a bias voltage is applied between the first conductor layer and the second conductor layer, the excited electrons move in the direction corresponding to the bias voltage by the electric field, and pass through the contact layer to the conductor layer. It reaches and the photocurrent flows.
FIG. 9 shows a case where a Schottky barrier exists at the boundary between the contact layer and the conductor layer, and as described above, ohmic contact is preferable. However, even with a Schottky barrier, if the contact layer is doped with sufficient electrons, the barrier becomes extremely thin as shown in FIG. 9, and the electrons tunnel and freely flow between the contact layer and the conductor layer. It will be possible to use it because it will be possible.

発光素子とする場合は、誘電体層22が絶縁体層を含む構造を好んで用いることができる。発光は、熱励起とトンネル電流による2つの手法によるものを挙げることができる。
熱励起を使った方法では、第1の導電体層21か第2の導電体層23の一方、あるいは両方に電流を流して、誘電体層22にジュール熱を加えて発光させる。熱の印加方法としては、他に光吸収を挙げることができる。この場合、絶縁体層の厚さは1nm以上500nm以下が好ましく、10nm以上300nm以下がより好ましい。
トンネル電流を使った方法では、第1の導電体層21と第2の導電体層23との間にバイアス電圧を印加して絶縁体層にトンネル電流を流し、発光させる。この場合、絶縁体層はトンネル電流が流れる厚さに設定する必要がある。具体的には、絶縁体層の厚さは1原子層以上10nm以下が好ましく、3原子層以上3nm以下がより好ましい。
When the light emitting element is used, a structure in which the dielectric layer 22 includes an insulator layer can be preferably used. Emission can be achieved by two methods, thermal excitation and tunneling current.
In the method using thermal excitation, an electric current is passed through one or both of the first conductor layer 21 and the second conductor layer 23, and Joule heat is applied to the dielectric layer 22 to cause light emission. As another method of applying heat, light absorption can be mentioned. In this case, the thickness of the insulator layer is preferably 1 nm or more and 500 nm or less, and more preferably 10 nm or more and 300 nm or less.
In the method using the tunnel current, a bias voltage is applied between the first conductor layer 21 and the second conductor layer 23 to allow the tunnel current to flow through the insulator layer to cause light emission. In this case, the insulator layer needs to be set to a thickness that allows the tunnel current to flow. Specifically, the thickness of the insulator layer is preferably 1 atomic layer or more and 10 nm or less, and more preferably 3 atomic layers or more and 3 nm or less.

絶縁体層としては、例えば、ダイヤモンド、Si、Ge、MgO、Al、SiO、BeO、CaO、TiO、Ti、TiO、V、Cr、MnO、CuO、CuO、ZnO、Sc、Y、ZrO、Ga、Nb、SnO、CeO、HfO、Ta、LiF、NaF、MgF、AlF、CaF、SrF、YF、CsF、BaF、LaF、CeF、NdF、GdF、YbF、PbF、ThF、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdSe、CdTe、AgGaS、AgGaSe、Zn、ZnGeP、As、AsSe、AlAs、AlSb、GaP、GaAs、GaSb、GaSe、GaTe、InP、SiC、BN、AlN、GaN、NaCl、KCl、AgCl、CsCl、KBr、RbBr、AgBr、CsBr、KI、RbI、AgI、CsI、TlI、TlBr、CaCo、SrTiO、LiTaO、ZrSiO、KNbOからなる群より選ばれる1以上を挙げることができる。 Examples of the insulator layer include diamond, Si, Ge, MgO, Al 2 O 3 , SiO 2 , BeO, CaO, TiO 2 , Ti 2 O 3 , TiO, V 2 O 5 , Cr 2 O 3 , MnO, and the like. Cu 2 O, CuO, ZnO, Sc 2 O 3 , Y 2 O 3 , ZrO 2 , Ga 2 O 3 , Nb 2 O 5 , SnO 2 , CeO 2 , HfO 2 , Ta 2 O 5 , LiF, NaF, MgF 2 , AlF 3 , CaF 2 , SrF 2 , YF 3 , CsF, BaF 2 , LaF 3 , CeF 3 , NdF 3 , GdF 3 , YbF 3 , PbF 2 , ThF 4 , ZnS, ZnSe, ZnTe, AgGaS 2 , AgGaSe 2 , Zn 3 P 2 , ZnGeP 2 , As 2 S 3 , As 2 Se 3 , AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, GaSe, GaTe, InP, SiC, BN, AlN, GaN, Na Selected from the group consisting of KCl, AgCl, CsCl, KBr, RbBr, AgBr, CsBr, KI, RbI, AgI, CsI, TlI, TlBr, CaCo 3 , SrTIO 3 , LiTaO 3 , ZrSiO 4 , KNbO 3 or more. be able to.

第1の導電体層21および第2の導電体層23は、導電性の材料であれば特に制限はないが、例えば、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属を含む合金、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属を含む化合物、およびITO、AZO、GZO、IZO、IGZO、ATO、FTO、FZO、TiNの何れかを挙げることができる。 The first conductor layer 21 and the second conductor layer 23 are not particularly limited as long as they are conductive materials, but for example, Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, Group consisting of Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In, Al One or more metals selected from, Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Alloys containing one or more metals selected from the group consisting of Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In, Al, Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd. , W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In , A compound containing one or more metals selected from the group consisting of Al, and any of ITO, AZO, GZO, IZO, IGZO, ATO, FTO, FZO, and TiN.

以上から、実施の形態1の素子101によって、高いS/N比と高い光電変換効率を有する赤外光用のコンパクトな検出素子および発光素子が提供される。 From the above, the element 101 of the first embodiment provides a compact detection element and a light emitting element for infrared light having a high S / N ratio and a high photoelectric conversion efficiency.

<素子製造方法>
実施の形態1の素子101は、下記の工程により製造することができる。
<Device manufacturing method>
The element 101 of the first embodiment can be manufactured by the following steps.

第1の方法は、誘電体層を絶縁膜とする場合に特に好適な方法である。
基板を準備し、その上に第1の導電体層を形成する。ここで、第1の導電体層を基板と兼ねさせてもよい。基板としては、GaAs基板、Si基板、InP基板、サファイア基板、合成石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダライムガラスなどのガラス基板、アルミナ、窒化ケイ素などのセラミクス基板、アクリル、ポリスチレン(PS)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート(PC)などの有機材料基板、アルミニウム、鉄、ステンレス、銅などの金属基板を好んで用いることができる。基板が絶縁性でない場合は、基板の表面に酸化膜、窒化膜または/および酸窒化膜を形成しておくことも好ましい。ここで、基板はSiや合成石英などの十分な剛性があるものでも、PETなどの柔軟性に富むものでもよい。
次に、基板上に第1の導電体層を形成する。第1の導電体層の形成方法としてはスパッタリング法、加熱蒸着法、電子線蒸着法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、MOCVD(Metal Organic Vapor Deposition)法および原子層堆積法を挙げることができる。
その後、誘電体層を第1の導電体層上に形成する。誘電体層の形成方法としては、スパッタリング法、加熱蒸着法、電子線蒸着法、CVD法、MOCVD法、ゾル・ゲル法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、貼り合わせ法および原子層堆積法を挙げることができる。
しかる後、誘電体層上に第2の導電体層を形成する。第2の導電体層の形成方法としてはスパッタリング法、加熱蒸着法、電子線蒸着法、CVD法、MOCVD法および原子層堆積法を挙げることができる。
The first method is particularly suitable when the dielectric layer is used as an insulating film.
A substrate is prepared and a first conductor layer is formed on the substrate. Here, the first conductor layer may also serve as the substrate. The substrates include GaAs substrates, Si substrates, InP substrates, sapphire substrates, synthetic quartz glass, borosilicate glass, glass substrates such as soda lime glass, ceramic substrates such as alumina and silicon nitride, acrylic, polystyrene (PS), and polypropylene ( Organic material substrates such as PP), polyethylene terephthalate (PET), and polycarbonate (PC), and metal substrates such as aluminum, iron, stainless steel, and copper can be preferably used. When the substrate is not insulating, it is also preferable to form an oxide film, a nitride film and / or an oxynitride film on the surface of the substrate. Here, the substrate may be one having sufficient rigidity such as Si or synthetic quartz, or one having sufficient flexibility such as PET.
Next, the first conductor layer is formed on the substrate. Examples of the method for forming the first conductor layer include a sputtering method, a heat vapor deposition method, an electron beam deposition method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a MOCVD (Metalorganic Vapor Deposition) method, and an atomic layer deposition method.
After that, the dielectric layer is formed on the first conductor layer. Examples of the method for forming the dielectric layer include a sputtering method, a heat vapor deposition method, an electron beam deposition method, a CVD method, a MOCVD method, a sol-gel method, a spin coating method, a dip coating method, a bonding method, and an atomic layer deposition method. be able to.
After that, a second conductor layer is formed on the dielectric layer. Examples of the method for forming the second conductor layer include a sputtering method, a heat vapor deposition method, an electron beam deposition method, a CVD method, a MOCVD method, and an atomic layer deposition method.

次に、リソグラフィおよびエッチングを行って第2の導電体層に複数の光感応片を有する光感応部のパターンと複数のワイヤー片を有するワイヤー部のパターンを形成する。そして、それらのパターンをマスクにして誘電体層もエッチングする。
ここで、リソグラフィとしては、微細加工性に優れる電子線リソグラフィ、EUVリソグラフィ、ナノインプリングが好適であるが、KrFリソグラフィ、ArFリソグラフィ、ArF液浸リソグラフィを用いてもよい。エッチングは微細加工性に優れる反応性イオンエッチングなどのドライエッチングを好んで用いることができる。
また、第2の導電体層のパターン形成にあたっては、エッチングを用いずにリフトオフ法で形成してもよい。すなわち、誘電体層上にリソグラフィによってリフトオフ用レジストパターンを形成し、第2の導電体層をスパッタリング法あるいは蒸着法で堆積させ、その後レジストを除去して光感応部とワイヤー部のパターンを有する第2の導電体層を形成してもよい。誘電体層のパターン形成は、第2の導電体層のパターンをマスクにして自己整合で行われるため、合わせずれなどの問題を起こさない。ワイヤー片は細いので、この自己整合形成により、歩留まり高く形成することが可能となる。
以上の工程により、図1に示す構造の素子101が製造される。
Next, lithography and etching are performed to form a pattern of a light-sensitive portion having a plurality of light-sensitive pieces and a pattern of a wire portion having a plurality of wire pieces on the second conductor layer. Then, the dielectric layer is also etched by using those patterns as a mask.
Here, as the lithography, electron beam lithography, EUV lithography, and nanoimplanting, which are excellent in microfabrication, are preferable, but KrF lithography, ArF lithography, and ArF immersion lithography may also be used. As the etching, dry etching such as reactive ion etching having excellent microfabrication can be preferably used.
Further, in forming the pattern of the second conductor layer, it may be formed by a lift-off method without using etching. That is, a lift-off resist pattern is formed on the dielectric layer by lithography, a second conductor layer is deposited by a sputtering method or a vapor deposition method, and then the resist is removed to have a pattern of a light-sensitive portion and a wire portion. 2 conductor layers may be formed. Since the pattern formation of the dielectric layer is performed by self-alignment with the pattern of the second conductor layer as a mask, problems such as misalignment do not occur. Since the wire piece is thin, this self-alignment formation makes it possible to form a high yield.
Through the above steps, the element 101 having the structure shown in FIG. 1 is manufactured.

第2の方法は、誘電体層を先に形成する方法で、誘電体層が結晶構造を有する半導体層を有する場合に好適な製造方法である。第2の方法では品質の高い半導体層が容易に形成されるため、素子101の性能を高めやすい。 The second method is a method of forming the dielectric layer first, which is a suitable manufacturing method when the dielectric layer has a semiconductor layer having a crystal structure. In the second method, a high-quality semiconductor layer is easily formed, so that the performance of the element 101 can be easily improved.

まず、十分な剛性を有する第1の基体を準備し、その上に表面平坦化を担うバッファー層および犠牲層を順次形成する。 First, a first substrate having sufficient rigidity is prepared, and a buffer layer and a sacrificial layer responsible for surface flattening are sequentially formed on the first substrate.

第1の基体としては、十分な剛性があり、かつ、その上に半導体層をエピタキシャルに形成できるものであれば用いることができる。
バッファー層も、その表面を十分平坦、平滑化できるものであれば特に材料は問わない。
バッファー層の製法としては、例えば、MBE(Molecular Beam Epitaxy)、MOCVD、MOPVE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy),HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)、LPE(Liquid Phase Epitaxy)などを挙げることができるが、これらに限るものではない。
バッファー層の厚さは特に限定されるものではないが、例えば、50nm以上1000nm以下にすればよい。
The first substrate can be used as long as it has sufficient rigidity and a semiconductor layer can be epitaxially formed on the substrate.
The material of the buffer layer is not particularly limited as long as the surface thereof can be sufficiently flattened and smoothed.
Examples of the method for producing the buffer layer include MBE (Molecular Beam Epitaxy), MOCVD, MOPVE (MetalOrganic Vapor Phase Epitaxy), HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy), HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy, etc.) It is not limited to.
The thickness of the buffer layer is not particularly limited, but may be, for example, 50 nm or more and 1000 nm or less.

犠牲層は、半導体層の材料のエッチングレートより高いエッチングレートがとれる膜であればよい。例えば、半導体層としてGaAsを用いる場合は、AlGaAs、特に、Al組成比が50%以上100%以下のAlGaAsを好んで用いることができる。このAl組成比のAlGaAsはフッ酸水溶液で容易にウェットエッチング除去できるためである。
犠牲層の製法としては、例えば、MBE、MOCVD、MOPVE,HVPE、LPEなどを挙げることができるが、これらに限るものではない。
犠牲層の厚さは特に限定されるものではないが、例えば、500nm以上2000nm以下にすればよい。
The sacrificial layer may be a film having an etching rate higher than the etching rate of the material of the semiconductor layer. For example, when GaAs is used as the semiconductor layer, AlGaAs, in particular, AlGaAs having an Al composition ratio of 50% or more and 100% or less can be preferably used. This is because AlGaAs having an Al composition ratio can be easily removed by wet etching with an aqueous hydrofluoric acid solution.
Examples of the method for producing the sacrificial layer include, but are not limited to, MBE, MOCVD, MOPVE, HVPE, and LPE.
The thickness of the sacrificial layer is not particularly limited, but may be, for example, 500 nm or more and 2000 nm or less.

次に、第1の界面層を犠牲層上に形成する。
第1の界面層の成膜法としては、例えば、MBE、MOCVD、MOPVE,HVPE、LPEなどを挙げることができるが、これらに限るものではない。
Next, a first interface layer is formed on the sacrificial layer.
Examples of the method for forming the first interface layer include, but are not limited to, MBE, MOCVD, MOPVE, HVPE, and LPE.

その後、半導体層を第1の界面層の上に形成する。
半導体層は、MBE、MOCVD、MOPVE,HVPE、LPEなどの方法でエピタキシャル形成することが好ましい。
半導体層は積層膜を好んで用いることができるが、単層膜を用いることもできる。単層膜を用いる場合は、不純物の分布を作り込んで半導体層内にpn接合部を形成する。
半導体層を積層膜とする場合は、例えば、MBE法でSiをドープしたGaAs層、アンドープのGaAs層、AlGaAs層の組み合わせを複数層積層する。
After that, the semiconductor layer is formed on the first interface layer.
The semiconductor layer is preferably epitaxially formed by a method such as MBE, MOCVD, MOPVE, HVPE, or LPE.
As the semiconductor layer, a laminated film can be preferably used, but a single-layer film can also be used. When a single-layer film is used, a distribution of impurities is created to form a pn junction in the semiconductor layer.
When the semiconductor layer is used as a laminated film, for example, a plurality of combinations of a Si-doped GaAs layer, an undoped GaAs layer, and an AlGaAs layer are laminated by the MBE method.

しかる後、第2の界面層を半導体層の上に形成する。
第2の界面層の成膜法としては、例えば、MBE、MOCVD、MOPVE、HVPE、LPEなどを挙げることができるがこれらに限るものではない。
After that, a second interface layer is formed on the semiconductor layer.
Examples of the method for forming the second interface layer include, but are not limited to, MBE, MOCVD, MOPVE, HVPE, and LPE.

その後、第1の導電体層を第2の界面層の上に形成する。
第1の導電体層の形成方法としては、スパッタリング法、加熱蒸着法、電子線蒸着法、MOCVD法などを挙げることができるが、これらの方法に限るものではなく、電気導電性、密着性および表面平坦性に優れる形成方法であれば用いることができる。
After that, the first conductor layer is formed on the second interface layer.
Examples of the method for forming the first conductor layer include, but are not limited to, a sputtering method, a heat vapor deposition method, an electron beam vapor deposition method, and a MOCVD method, and are not limited to these methods, and include electrical conductivity, adhesion, and adhesion. Any forming method having excellent surface flatness can be used.

その後、試料を上下反転させ、第1の導電体層が接するようにして第2の基体上に試料を貼り合わせる。なお、第2の基体は素子101の基板になる。
この貼り合わせの方法としては、例えばAu−Au拡散接合法などを挙げることができる。
この方法では、第2の基体上に、例えば、厚さ10nmのTiと厚さ500nmのAuを積層形成しておく。第1の導電体層も少なくともその表面側をAuとしておき、この両者を加熱下加圧接触させる。条件としては、例えば、加圧5〜10MPa、温度250〜330℃1時間を挙げることができる。
ここで、このとき生じた応力を下げるため、引き続き無加圧の下で、同様の条件の熱処理を加えておくことも好ましい。
第2の貼り合わせの方法としては、エポキシ接着法などを挙げることができる。
また、その他の貼り合わせの方法として、共晶接合(半田付け、銀ろう接合)、陽極接合、表面活性化接合(超高真空下で表面をArイオンなどで清浄化し、室温程度で接合)、Au微粒子を用いた拡散接合などを挙げることもできる。
Then, the sample is turned upside down, and the sample is bonded onto the second substrate so that the first conductor layer is in contact with the sample. The second substrate is the substrate of the element 101.
Examples of the bonding method include the Au-Au diffusion bonding method.
In this method, for example, Ti having a thickness of 10 nm and Au having a thickness of 500 nm are laminated and formed on the second substrate. At least the surface side of the first conductor layer is set to Au, and both of them are brought into pressure contact with each other under heating. Examples of the conditions include pressurization of 5 to 10 MPa and temperature of 250 to 330 ° C. for 1 hour.
Here, in order to reduce the stress generated at this time, it is also preferable to continuously apply the heat treatment under the same conditions under no pressure.
As a second bonding method, an epoxy bonding method or the like can be mentioned.
In addition, as other bonding methods, eutectic bonding (soldering, silver wax bonding), anode bonding, surface activation bonding ( cleaning the surface with Ar + ions under ultra-high vacuum and bonding at room temperature) , Diffusion bonding using Au fine particles and the like can also be mentioned.

第2の基体は、その表面が貼り合わせに適するほどの平坦性および平滑性を有するものであれば用いることができる。例えば、第2の基体として、GaAs基板、Si基板、InP基板、サファイア基板、合成石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダライムガラスなどのガラス基板、アルミナ、窒化ケイ素などのセラミクス基板、アクリル、ポリスチレン(PS)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート(PC)などの有機材料基板、アルミニウム、鉄、ステンレス、銅などの金属基板を挙げることができる。 The second substrate can be used as long as its surface has flatness and smoothness suitable for bonding. For example, as the second substrate, a GaAs substrate, a Si substrate, an InP substrate, a sapphire substrate, a synthetic quartz glass, a glass substrate such as borosilicate glass and soda lime glass, a ceramics substrate such as alumina and silicon nitride, acrylic and polystyrene (PS). ), Polycarbonate (PP), polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate (PC) and other organic material substrates, and metal substrates such as aluminum, iron, stainless steel and copper.

しかる後、第1の基体をエッチングで除去し、引き続き、バッファー層もエッチング除去する。これらのエッチングは、機械的研磨でもウェットエッチングでもドライエッチングでも構わない。
その後、犠牲層をエッチング除去する。このエッチングは、ウェットエッチングでもドライエッチングでも構わない。
After that, the first substrate is removed by etching, and subsequently, the buffer layer is also removed by etching. These etchings may be mechanical polishing, wet etching, or dry etching.
Then, the sacrificial layer is etched and removed. This etching may be wet etching or dry etching.

しかる後、露出した第1の界面層の上に第2の導電体層を形成する。
次に、リソグラフィおよびエッチングを行って第2の導電体層に複数の光感応片を有する光感応部のパターンと複数のワイヤー片を有するワイヤー部のパターンを形成する。そして、それらのパターンをマスクにして誘電体層もエッチングする。
ここで、リソグラフィとしては、微細加工性に優れる電子線リソグラフィ、EUVリソグラフィ、ナノインプリングが好適であるが、KrFリソグラフィ、ArFリソグラフィ、ArF液浸リソグラフィを用いてもよい。エッチングは微細加工性に優れる反応性イオンエッチングなどのドライエッチングを好んで用いることができる。
また、第2の導電体層のパターン形成にあたっては、エッチングを用いずにリフトオフ法で形成してもよい。すなわち、誘電体層上にリソグラフィによってリフトオフ用レジストパターンを形成し、第2の導電体層をスパッタリング法あるいは蒸着法で堆積させ、その後レジストを除去して光感応部とワイヤー部のパターンを有する第2の導電体層を形成してもよい。誘電体層のパターン形成は、第2の導電体層のパターンをマスクにして自己整合で行われるため、合わせずれなどの問題を起こさない。ワイヤー片は細いので、この自己整合形成により、歩留まり高く形成することが可能となる。
以上の工程により、図1に示す構造の素子101が製造される。
After that, a second conductor layer is formed on the exposed first interface layer.
Next, lithography and etching are performed to form a pattern of a light-sensitive portion having a plurality of light-sensitive pieces and a pattern of a wire portion having a plurality of wire pieces on the second conductor layer. Then, the dielectric layer is also etched by using those patterns as a mask.
Here, as the lithography, electron beam lithography, EUV lithography, and nanoimplanting, which are excellent in microfabrication, are preferable, but KrF lithography, ArF lithography, and ArF immersion lithography may also be used. As the etching, dry etching such as reactive ion etching having excellent microfabrication can be preferably used.
Further, in forming the pattern of the second conductor layer, it may be formed by a lift-off method without using etching. That is, a lift-off resist pattern is formed on the dielectric layer by lithography, a second conductor layer is deposited by a sputtering method or a vapor deposition method, and then the resist is removed to have a pattern of a light-sensitive portion and a wire portion. 2 conductor layers may be formed. Since the pattern formation of the dielectric layer is performed by self-alignment with the pattern of the second conductor layer as a mask, problems such as misalignment do not occur. Since the wire piece is thin, this self-alignment formation makes it possible to form a high yield.
Through the above steps, the element 101 having the structure shown in FIG. 1 is manufactured.

(実施の形態2)
実施の形態2では、指向性や集光性といった機能性を高めた素子(赤外光用検出素子および発光素子)について説明する。
実施の形態2の素子106は、図10(a)に示すように、実施の形態1で示した素子がコア領域51として中心部に配置され、その外側には下記に示す周辺領域52が配置された構成になっている。
周辺領域52には、以下に示す第2の光感応片と第2のワイヤー片が2次元状に配列されている。第2の光感応片は、実施の形態1で説明した第1の導電体層からなる面上に誘電体層および実施の形態1で説明した第2の導電体層が順次積層された構造を有する。第2のワイヤー片は、最大幅が0を超えてL/5以下の導電性を有し、隣接する第2の光感応片の少なくとも第2の導電体層間を非直線部を有して接続する2次元状に配列されたワイヤーである。ここで、第2のワイヤー片のワイヤー長さは、コア領域51の光感応片の配列の配列重心点を原点とした1次元、2次元および極座標の動径の何れかの距離に応じて変化したものになっている。ここで、第2のワイヤー片は周期Pで配置してよい。第2のワイヤー片の周期をPに固定することにより、第2のワイヤー片のワイヤー長さの設計が簡便になるという効果がある。
ここで、素子106の平面形状は、コア領域51も周辺領域52の外形も四角形となっているが、四角形に限らない。図10(b)に示すような円形(素子107)でも、三角形、六角形および八角形としてもよい。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, elements (infrared light detection element and light emitting element) having enhanced functionality such as directivity and light collection property will be described.
As shown in FIG. 10A, in the element 106 of the second embodiment, the element shown in the first embodiment is arranged in the central portion as a core region 51, and the peripheral region 52 shown below is arranged outside the core region 51. It has a configured structure.
In the peripheral region 52, the second light-sensitive piece and the second wire piece shown below are arranged two-dimensionally. The second light-sensitive piece has a structure in which a dielectric layer and a second conductor layer described in the first embodiment are sequentially laminated on a surface composed of the first conductor layer described in the first embodiment. Have. The second wire piece has a maximum width of more than 0 and L / 5 or less, and connects at least the second conductor layers of the adjacent second light-sensitive pieces with a non-linear portion. It is a wire arranged in a two-dimensional shape. Here, the wire length of the second wire piece changes according to any distance of one-dimensional, two-dimensional, and polar coordinate radii with the center of gravity of the arrangement of the light-sensitive pieces in the core region 51 as the origin. It has become something that has been done. Here, the second wire piece may be arranged at a period P. By fixing the period of the second wire piece to P, there is an effect that the design of the wire length of the second wire piece becomes simple.
Here, the planar shape of the element 106 is not limited to a quadrangle, although both the core region 51 and the peripheral region 52 have a quadrangular outer shape. It may be a circle (element 107) as shown in FIG. 10 (b), or it may be a triangle, a hexagon, or an octagon.

実施の形態1で説明したように、実施の形態1と同じ素子構造のコア領域51は、狭いFOV、高いS/N比および高い光電変換効率を示す。一方、周辺領域52は、第2のワイヤー片のワイヤー長さを調整して位相をコントロールすることにより、一種のフェーズドアレーとして、素子106に指向性、集光性、発散性を付与することができる。ここで、1点(焦点)への集光性、あるいは1点(焦点)からの発散性を高めるためには、第2のワイヤー片のワイヤー長さの変化を単調にすることが好ましい。
実施の形態2の素子106および107により、高いS/N比と高い光電変換効率を有し、かつ所望の指向性、集光性、発散性を有する素子を提供することが可能となる。
As described in the first embodiment, the core region 51 having the same device structure as the first embodiment exhibits a narrow FOV, a high signal-to-noise ratio, and a high photoelectric conversion efficiency. On the other hand, the peripheral region 52 can impart directivity, light collection, and divergence to the element 106 as a kind of phased array by adjusting the wire length of the second wire piece to control the phase. it can. Here, in order to enhance the light-collecting property to one point (focus) or the divergence property from one point (focus), it is preferable to make the change in the wire length of the second wire piece monotonous.
The elements 106 and 107 of the second embodiment make it possible to provide an element having a high S / N ratio and a high photoelectric conversion efficiency, and having desired directivity, light collecting property, and divergence property.

さらに、実施の形態2の素子106および107において、基板(図示なし)をPET、ポリカーボネイト、ゴムなどの柔軟、フレキシブルなもの、あるいはSiNなどによるメンブレンとし、基板を屈曲させて可変の曲率を与えたり伸縮させたりして面内でワイヤー片の形状を変えることにより、可変焦点の素子とすることもできる。この場合も、コア領域51は剛性の高い基板上に形成して固定領域とし、そこで狭いFOV、高いS/N比および高い光電変換効率を確保し、周辺領域52はフレキシブルな基板上に形成して変形を行って可変性を与えるのが好ましい。例えば、コア領域51は比較的厚い基板上に形成し周辺領域52は薄膜基板上に形成し、ダイヤフラムのように基板に与圧や負圧を加えたり、基板の周辺を伸縮させたりして変形させることができる。
S字等の折りたたんだ形状のワイヤー片は伸縮により伝搬係数kが変わり、また、一般に、第2の光感応片の間隔も変わるので、周辺領域52の面内位相分布が生じ集光性や発散性を可変させることが可能になる。
この場合、少なくとも第2のワイヤー片は、ばね材料などで多用されているりん青銅、ベリリウム銅、炭素を含んだ鉄などを用いると、伸縮耐久性が高く好ましい。また、第2のワイヤー片の構造は、図6に示すような、第2のワイヤー片の部分には誘電体層22が形成されていない空中配線状のものが伸縮性に富んで好ましい。
Further, in the elements 106 and 107 of the second embodiment, the substrate (not shown) is made of a flexible or flexible material such as PET, polycarbonate or rubber, or a membrane made of SiN or the like, and the substrate is bent to give a variable curvature. By expanding and contracting to change the shape of the wire piece in the plane, it can be made into a variable focus element. In this case as well, the core region 51 is formed on a highly rigid substrate to form a fixed region, where a narrow FOV, a high S / N ratio and high photoelectric conversion efficiency are ensured, and the peripheral region 52 is formed on a flexible substrate. It is preferable to perform deformation to give variability. For example, the core region 51 is formed on a relatively thick substrate, and the peripheral region 52 is formed on a thin film substrate, and is deformed by applying pressurization or negative pressure to the substrate like a diaphragm or expanding and contracting the periphery of the substrate. Can be made to.
Wire pieces folded shape of an S-like propagation coefficient k w is changed by the expansion and contraction, also generally, will also change the interval of the second light-sensitive element, light-collecting plane phase distribution around the region 52 is caused Ya It becomes possible to change the divergence.
In this case, it is preferable to use phosphor bronze, beryllium copper, carbon-containing iron or the like, which are often used as spring materials, for at least the second wire piece because of its high expansion and contraction durability. Further, as the structure of the second wire piece, as shown in FIG. 6, an aerial wiring-like structure in which the dielectric layer 22 is not formed on the portion of the second wire piece is preferable because of its high elasticity.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the above-described embodiment is an example for explaining the present invention, and is substantially the same as the technical idea described in the claims of the present invention. Anything having the same configuration and exhibiting the same effect and effect is included in the technical scope of the present invention.

以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、必ずしも下記の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not necessarily limited to the following Examples.

(実施例1)
実施例1では、実施の形態1に従った素子を作製し、その特性を評価した。
まず、実験に先立って従来のキャビティ構造(パッチアンテナ構造)の共鳴特性と本発明の構造での共鳴特性をシミュレーションした。その結果を図11に示す。ここで、図11の左側には素子の構造を、右側には光吸収共鳴特性(波長と光吸収の関係図)を示す。
(Example 1)
In Example 1, an element according to the first embodiment was produced and its characteristics were evaluated.
First, prior to the experiment, the resonance characteristics of the conventional cavity structure (patch antenna structure) and the resonance characteristics of the structure of the present invention were simulated. The result is shown in FIG. Here, the structure of the device is shown on the left side of FIG. 11, and the light absorption resonance characteristic (relationship diagram between wavelength and light absorption) is shown on the right side.

図11(a)は、従来構造の例で、光感応片である1辺の幅がLの正方形のキャビティをピッチPでマトリックス状に配置した素子102である。ここで、誘電体層22の屈折率は3.05+0.03iを仮定し、厚さは200nmとした。第1の導電体層21および第2の導電体層23はともに材料としてAuを、厚さは100nmを仮定している。Lは1.08μm、Pは2.0μmである。この大きさと配置は波長6.7μmの垂直入射光が共鳴を起こす値であり、実際波長6.7μmのところでピークの光吸収が認められる。なお、この構造では、光感応片同士が電気的に繋がっていないので光電変換された電気信号を取り出すのは難しい。 FIG. 11A is an example of the conventional structure, which is an element 102 in which square cavities having a side width of L, which are light sensitive pieces, are arranged in a matrix with a pitch P. Here, the refractive index of the dielectric layer 22 was assumed to be 3.05 + 0.03i, and the thickness was set to 200 nm. Both the first conductor layer 21 and the second conductor layer 23 are assumed to be made of Au and have a thickness of 100 nm. L is 1.08 μm and P is 2.0 μm. This magnitude and arrangement are values that cause resonance of vertically incident light having a wavelength of 6.7 μm, and peak light absorption is observed at an actual wavelength of 6.7 μm. In this structure, since the light-sensitive pieces are not electrically connected to each other, it is difficult to take out the photoelectrically converted electric signal.

図11(b)は、図11(a)で示した光感応片を幅Wが0.1μmの直線のワイヤー片で結んだときの素子103である。ワイヤー片は第1の導電体層21の上にワイヤー状の誘電体層22および第2の導電体層23が積層された層構造を有する。光感応片がワイヤー片で結ばれたことにより共鳴を起こす波長が短波長側にシフトしていることがわかる。直線状のワイヤー片を用いて波長6.7μmで共鳴を起こさせるためには、周期Pを広げる必要があり、それは素子103を大型化するものとなる。 FIG. 11B is an element 103 when the light sensitive piece shown in FIG. 11A is connected by a straight wire piece having a width W of 0.1 μm. The wire piece has a layer structure in which a wire-shaped dielectric layer 22 and a second conductor layer 23 are laminated on the first conductor layer 21. It can be seen that the wavelength at which resonance occurs is shifted to the short wavelength side because the light-sensitive piece is tied with the wire piece. In order to cause resonance at a wavelength of 6.7 μm using a linear wire piece, it is necessary to extend the period P, which increases the size of the element 103.

図11(c)は、図11(a)で示した光感応片を幅Wが0.1μmのZ字状のワイヤー片で結んだときの素子104である。ワイヤー片の層構造は素子103と同じであり、図中に示されているSは0.45μmとした。波長6.7μmにおいて、この光感応片の部分の伝搬定数はk=2.83μm−1、Z字状のS=0.45μmのワイヤー片の部分の伝搬定数はk=3.14μm−1である。このワイヤー片の構造は、正の整数m=1に対して、k×L+k×(P−L)−2×m×π=−0.34であるので、前述の式(1)である|k×L+k×(P−L)−2×m×π|≦π/2の関係を満たす。その結果、波長6.7μmで共鳴が認められ、その光吸収のピークレベルは素子102の場合より高く、半値幅は狭い、Q値の高い共鳴になっている。
この構造では、光感応片同士が電気的に繋がっているので光電変換された電気信号を取り出すことができる。また、この構造は光感応片が周期Pで並んだもので、その周期を維持しながら光感応片同士が電気的に繋がっているので、素子104はコンパクトなものになっている。
FIG. 11C is an element 104 when the light sensitive piece shown in FIG. 11A is connected by a Z-shaped wire piece having a width W of 0.1 μm. The layer structure of the wire piece is the same as that of the element 103, and S shown in the figure is 0.45 μm. At a wavelength of 6.7 .mu.m, the propagation constant of the propagation constants k a = 2.83μm -1, portions of the Z-shaped S = 0.45 [mu] m wire piece portion of the photosensitive strip k w = 3.14μm - It is 1. The structure of this wire piece, for positive integer m = 1, since it is k a × L + k w × (P-L) -2 × m × π = -0.34, in the above formula (1) there | k a × L + k w × (P-L) -2 × m × π | satisfy ≦ [pi / 2 relationship. As a result, resonance was observed at a wavelength of 6.7 μm, the peak level of the light absorption was higher than that of the element 102, the half width was narrow, and the resonance had a high Q value.
In this structure, since the light-sensitive pieces are electrically connected to each other, the photoelectrically converted electric signal can be taken out. Further, in this structure, the light-sensitive pieces are arranged in a period P, and the light-sensitive pieces are electrically connected to each other while maintaining the period, so that the element 104 is compact.

図11(d)は、図11(a)で示した光感応片を幅Wが0.1μmのS字状のワイヤー片で結んだときの素子105である。ワイヤー片の層構造は素子103と同じであり、図中に示されているSは0.38μmとした。このワイヤー片の構造は、光感応片の部分は図11(c)と同じなので波長6.7μmにおいてk=2.83μm−1、S字状のS=0.38μmのワイヤー片の部分の伝搬定数はk=3.65μm−1であるので、正の整数m=1に対して、k×L+k×(P−L)−2×m×π=+0.13となり、前述の式(1)の関係を満たす。その結果、波長6.7μmで共鳴が認められ、その光吸収のピークレベルは素子102の場合より高く、半値幅は狭い、Q値の高い共鳴になっている。
この構造では、光感応片同士が電気的に繋がっているので光電変換された電気信号を取り出すことができる。また、この構造は光感応片が周期Pで並んだもので、その周期を維持しながら光感応片同士が電気的に繋がっているので、素子105はコンパクトなものになっている。
FIG. 11D is an element 105 when the light sensitive piece shown in FIG. 11A is connected by an S-shaped wire piece having a width W of 0.1 μm. The layer structure of the wire piece is the same as that of the element 103, and S shown in the figure is 0.38 μm. Since the structure of this wire piece is the same as that of FIG. 11 (c), the part of the wire piece having ka = 2.83 μm -1 and S-shaped S = 0.38 μm at a wavelength of 6.7 μm. since the propagation constant is the k w = 3.65μm -1, for positive integer m = 1, k a × L + k w × (P-L) -2 × m × π = + 0.13 , and the previously described The relationship of equation (1) is satisfied. As a result, resonance was observed at a wavelength of 6.7 μm, the peak level of the light absorption was higher than that of the element 102, the half width was narrow, and the resonance had a high Q value.
In this structure, since the light-sensitive pieces are electrically connected to each other, the photoelectrically converted electric signal can be taken out. Further, in this structure, the light-sensitive pieces are arranged in a period P, and the light-sensitive pieces are electrically connected to each other while maintaining the period, so that the element 105 is compact.

なお、光感応片の部分の伝搬定数k、様々な形状のワイヤー片の部分の伝搬定数kは、精密な数値計算により求められるものである。今後研究が進めば、適切な等価回路描像を用いて実用的なレベルで信頼できる値を求められるようになると期待される。また、特別な試料をそのために作製すれば実験的に求めることも可能だと考えられるが、現時点では数値計算に頼る以外にこれらの値を知る方法がない。ここでkやkの意味、本研究におけるその求め方を説明しておく。
伝搬定数kとは、ある導波構造における注目するモードの位相が単位長さあたり何ラジアン回転するか、を表すものである。より具体的には、その導波構造内でのそのモードの伝搬波長をλと置くと、k=2π/λと定義される。伝搬波長は一般に空気中や真空中の波長λとは異なっており、マイクロ波導波管の分野ではλを管内波長と呼ぶこともある。ここでは光感応片もワイヤー片もMIM導波路であり、そこを伝搬するTMギャッププラズモンモードの伝搬波長λや伝搬定数(波数とも言う)kは、非特許文献1などにて議論されている。
The propagation constant k a of the light-sensitive piece portion and the propagation constant k w of the wire piece portion of various shapes are obtained by precise numerical calculation. As research progresses in the future, it is expected that reliable values can be obtained at a practical level using an appropriate equivalent circuit picture. In addition, it is thought that it is possible to obtain it experimentally if a special sample is prepared for that purpose, but at present, there is no way to know these values other than relying on numerical calculations. Here, the meanings of ka and k w and how to obtain them in this study will be explained.
The propagation constant k represents how many radians the phase of the mode of interest in a waveguide structure rotates per unit length. More specifically, when placing the propagation wavelength of the modes within the waveguide structure and lambda P, it is defined as k = 2π / λ P. The propagation wavelength is generally different from the wavelength λ in air or vacuum, and in the field of microwave waveguides, λ P is sometimes called the in-tube wavelength. Here, both the light-sensitive piece and the wire piece are MIM waveguides, and the propagation wavelength λ P and the propagation constant (also referred to as wave number) k of the TM gap plasmon mode propagating there are discussed in Non-Patent Document 1 and the like. ..

光感応片の部分の伝搬定数kは、幅L=1.08μmで無限に長い直前状のMIM導波路を考え、その幅Lの端面中央に前記第2の方向に電場が偏波し、真空中であれば波長6.7μmの赤外光を放射する周波数で振動する電気双極子を配置し、MIM導波路を無限に続く長手方向に伝搬していく伝搬モードの伝搬定数として求めた。
Z字状やS字状のワイヤー片の部分の伝搬定数は、図11(c)や(d)でx方向に伸びる幅Wで長さP−Lのワイヤー片部分だけをx方向に無限に繰り返して接続したワイヤー片だけでできたMIM導波路を考え、その幅Wの端面中央に前記第2の方向に電場が偏波し、真空中であれば波長6.7μmの赤外光を放射する周波数で振動する電気双極子を配置し、MIM導波路を無限に続くx方向に伝搬していく伝搬モードの伝搬定数として求めた。
この計算にはマックスウェル方程式を解くことのできる数値計算法ならば様々な方法が使えるが、本研究では有限要素法を用いた。
Propagation constant k a portion of the light-sensitive pieces, consider an infinitely long just before shaped MIM waveguide width L = 1.08 .mu.m, the electric field is polarized in the second direction to the end surface center of the width L, An electric dipole vibrating at a frequency that radiates infrared light having a wavelength of 6.7 μm in a vacuum was arranged, and the electric dipole was obtained as a propagation constant of a propagation mode in which the MIM waveguide propagates in an infinitely continuous longitudinal direction.
The propagation constant of the Z-shaped or S-shaped wire piece portion is infinite in the x direction only for the wire piece portion having a width W extending in the x direction and a length PL in FIGS. 11 (c) and 11 (d). Considering a MIM waveguide made only of wire pieces connected repeatedly, an electric field is polarized in the second direction at the center of the end face of the width W, and emits infrared light having a wavelength of 6.7 μm in a vacuum. An electric dipole that oscillates at the same frequency is arranged, and it is obtained as the propagation constant of the propagation mode in which the MIM waveguide propagates in the infinitely continuous x direction.
Various numerical methods that can solve Maxwell's equation can be used for this calculation, but in this study, the finite element method was used.

次に、図11に示した構造の素子を作製して、その特性を評価した。ここで、第1の導電体層21は厚さ3nmのTiおよび厚さ150nmのAu金属層、誘電体層22は図9に示すバンド構造をもつ1層の量子井戸が形成されたGaAs半導体層とコンタクト層からなる全体の厚さが200nmからなる誘電体層、そして第2の導電体層23は厚さ3nmのTiおよび厚さ100nmのAu金属層である。
参考までに、作製した素子を拡大したSEM写真を図12に、全体のSEM写真を図13に示す。
Next, an element having the structure shown in FIG. 11 was produced and its characteristics were evaluated. Here, the first conductor layer 21 is a Ti with a thickness of 3 nm and an Au metal layer with a thickness of 150 nm, and the dielectric layer 22 is a GaAs semiconductor layer in which one quantum well having a band structure shown in FIG. 9 is formed. A dielectric layer having a total thickness of 200 nm and a contact layer, and a second conductor layer 23 is a Ti having a thickness of 3 nm and an Au metal layer having a thickness of 100 nm.
For reference, an enlarged SEM photograph of the manufactured element is shown in FIG. 12, and the entire SEM photograph is shown in FIG.

この素子は以下に示す方法で作製した。
まず量子井戸層の作製方法について述べる。第1の基体となるGaAs(100)基板を準備し、その表面の酸化膜を580℃の加熱により除去した後、MBE装置(COMPACT21T、RIBER社製)を用いて表面平坦化のためのGaAsバッファー層を300nmの厚さで成長させた。ここで、以後のGaとAsを含む膜は同MBE装置を用いて形成した。
しかる後、Al組成90%のAlGaAs犠牲層を900nm、Al組成55%のAlGaAs犠牲層を100nmの厚さで形成した。このときの形成温度は580℃である。
続いて、GaとAsを含む計7層の膜を第1のコンタクト層として形成した。第1のコンタクト層は、4nm厚さのSiドープGaAs(Si:5×1018/cm)を計7層積層した合計28nm厚さのSiドープGaAsであり、各層を形成する度にSiを3×1012/cmで計7回δドープした。この層以降の形成温度は530℃である。その後、厚さが15nmでSiの体積含有率が3×1018/cmのGaAs、厚さが5nmのアンドープのGaAsを形成した。犠牲層の後、ここまでの厚さ48nmの部分が図9の左側のコンタクト層に対応する。
This device was manufactured by the method shown below.
First, a method for producing a quantum well layer will be described. A GaAs (100) substrate to be the first substrate is prepared, the oxide film on the surface thereof is removed by heating at 580 ° C., and then a GaAs buffer for surface flattening is used using an MBE device (COMPACT21T, manufactured by RIBER). The layer was grown to a thickness of 300 nm. Here, the subsequent film containing Ga and As was formed using the same MBE device.
After that, an AlGaAs sacrificial layer having an Al composition of 90% was formed with a thickness of 900 nm, and an AlGaAs sacrificial layer having an Al composition of 55% was formed with a thickness of 100 nm. The formation temperature at this time is 580 ° C.
Subsequently, a total of seven films containing Ga and As were formed as the first contact layer. The first contact layer is a total of 28 nm-thick Si-doped GaAs in which a total of 7 layers of 4 nm-thick Si-doped GaAs (Si: 5 × 10 18 / cm 3) are laminated, and Si is added each time each layer is formed. It was δ-doped 7 times in total at 3 × 10 12 / cm 2. The formation temperature after this layer is 530 ° C. Thereafter, the thickness of the volume content of Si in 15nm is 3 × 10 18 / cm 3 of GaAs, the thickness was formed undoped GaAs of 5 nm. After the sacrificial layer, the portion having a thickness of 48 nm so far corresponds to the contact layer on the left side of FIG.

その後、デバイスの中心的な役割を果たす量子井戸構造を形成するため、厚さが50nmのAl0.3Ga0.7Asバリア層、厚さが4nmでSiの体積含有率が3×1018/cmのGaAs量子井戸層(最後の0.85nmだけはアンドープ)、厚さが50nmのAl0.3Ga0.7Asバリア層を形成した。
最後に、図9の右側の第2のコンタクト層として、厚さが15nmでSiの体積含有率が3×1018/cmのGaAsを形成した後、4nm厚さのSiドープGaAs(Si:5×1018/cm)を計7層積層し、その各層を形成する直前にSiを3×1012/cmで計7回δドープした。
After that, in order to form a quantum well structure that plays a central role in the device, an Al 0.3 Ga 0.7 As barrier layer with a thickness of 50 nm and a volume content of Si with a thickness of 4 nm of 3 × 10 18 / GaAs quantum well layer of cm 3 (only the last 0.85nm undoped), the thickness was formed an Al 0.3 Ga 0.7 As barrier layer of 50nm.
Finally, as the second contact layer on the right side of FIG. 9, a GaAs having a thickness of 15 nm and a volume content of Si of 3 × 10 18 / cm 3 was formed, and then a Si-doped GaAs (Si:) having a thickness of 4 nm was formed. A total of 7 layers of 5 × 10 18 / cm 3 ) were laminated, and immediately before forming each layer, Si was delta-doped at 3 × 10 12 / cm 2 a total of 7 times.

次に第1の導電体層の形成と、それを利用した量子井戸構造の反転工程について述べる。量子井戸構造の最上面に位置する第2のコンタクト層上に、第1の導電体層として、厚さ3nmのTiと厚さ150nmのAuをスパッタリングにより形成した。また、第2の基体となる別のGaAs(100)基板に厚さ10nmのTi、厚さ500nmのAuをスパッタリングにより形成しておく。量子井戸を形成した基板の上下を反転させて、2つのAu表面を接触させ、荷重5MPaを印加しつつ、窒素ガス雰囲気下で250℃で60分間加熱した。これにより、第1および第2の基体は一体化した。続いて、第1の基体のGaAs基板を100μm程度を残して、機械的に研磨し、残りのGaAs基板およびバッファー層を濃度1g/mlのクエン酸水溶液と過酸化水素水を10:1で混合した溶液により38℃にて選択的に除去し、AlGaAs犠牲層を露出させた。最後にAlGaAs犠牲層をフッ酸水溶液により選択的に除去した。 Next, the formation of the first conductor layer and the step of reversing the quantum well structure using the first conductor layer will be described. On the second contact layer located on the uppermost surface of the quantum well structure, Ti having a thickness of 3 nm and Au having a thickness of 150 nm were formed as a first conductor layer by sputtering. Further, Ti having a thickness of 10 nm and Au having a thickness of 500 nm are formed by sputtering on another GaAs (100) substrate to be a second substrate. The substrate on which the quantum well was formed was turned upside down, the two Au surfaces were brought into contact with each other, and the substrate was heated at 250 ° C. for 60 minutes in a nitrogen gas atmosphere while applying a load of 5 MPa. As a result, the first and second substrates were integrated. Subsequently, the GaAs substrate of the first substrate is mechanically polished leaving about 100 μm, and the remaining GaAs substrate and buffer layer are mixed with a citric acid aqueous solution having a concentration of 1 g / ml and a hydrogen peroxide solution at a ratio of 10: 1. The solution was selectively removed at 38 ° C. to expose the AlGaAs sacrificial layer. Finally, the AlGaAs sacrificial layer was selectively removed with an aqueous hydrofluoric acid solution.

図12に示したような構造は電子線リソグラフィ法、リフトオフ法、ドライエッチング法により作製した。電子線レジストを塗布し、電子線により100μm角(これが1個1個の検出器となる)のエリア内にパターンを描画した後、現像により、第2の導電体層に対応するパターン状に第1のコンタクト層を露出させた。その上に、第2の導電体層として、厚さ3nmのTi、厚さ150nmのAuを形成した。レジストを溶解することにより(リフトオフ法)、期待通りのパターンをもった第2の導電体層を形成した。最後にこの第2の導電体層をマスクとして、塩素と窒素の混合ガスによる誘導結合プラズマエッチング法により、誘電体層を垂直に除去した。
別途、フォトリソグラフィ法にて、個々の100μm角の検出器1個1個に接続された電極パッドを形成し、各検出器の第2の導電体層と接触させた。電極パッドは厚さ100nmのSiO絶縁層上に形成された厚さ3nmのTi、厚さ150nmのAuによる約400μm角の大きさのものである。
最後に第2の基体上の検出器や電極パッドを含む必要箇所を劈開により切り出し、8ピンセラミックパッケージ上に導電性エポキシによりマウントし、各電極パッドをパッケージのピンとAu線にてAgペーストボンディングした。
The structure as shown in FIG. 12 was manufactured by an electron beam lithography method, a lift-off method, and a dry etching method. After applying an electron beam resist and drawing a pattern in an area of 100 μm square (this becomes an individual detector) with an electron beam, the pattern corresponding to the second conductor layer is formed by development. The contact layer of 1 was exposed. On it, Ti having a thickness of 3 nm and Au having a thickness of 150 nm were formed as a second conductor layer. By dissolving the resist (lift-off method), a second conductor layer having the expected pattern was formed. Finally, using this second conductor layer as a mask, the dielectric layer was vertically removed by an inductively coupled plasma etching method using a mixed gas of chlorine and nitrogen.
Separately, an electrode pad connected to each 100 μm square detector was formed by a photolithography method and brought into contact with the second conductor layer of each detector. The electrode pad has a size of about 400 μm square with Ti having a thickness of 3 nm and Au having a thickness of 150 nm formed on a SiO 2 insulating layer having a thickness of 100 nm.
Finally, the necessary part including the detector and the electrode pad on the second substrate was cut out by cleavage, mounted on the 8-pin ceramic package with conductive epoxy, and each electrode pad was Ag-paste bonded with the pin of the package and Au wire. ..

次に、作製した素子の特性について説明する。
図14は、作製した赤外光用検出素子の垂直入射光に対する光吸収率および感度の波長依存性を示す。感度の測定はフーリエ変換赤外分光光度計(FT/IR−6200、日本分光製)によって行った。光吸収率は、垂直入射光で直接的に測定することが難しいので次のようにして行った。まず、垂直入射に対して26°傾いた角度から赤外光を入射させてその反射光を顕微フーリエ変換赤外分光光度計でモニターし、反射光強度から吸収率を求めた。そして、その値がシミュレーション値と一致し、シミュレーションの結果が確かに信頼できることを確認した後、垂直入射光に対するシミュレーションを実施して吸収率を算出した。ここで、実際に作製された光感応片の一辺の長さLは1.17μm、周期Pは2.0μm、ワイヤー片の幅Wは0.1μm、ワイヤーの形状はZ字状(図11(c)の形状)であり、Sをパラメータにしてプロットした。
Next, the characteristics of the manufactured device will be described.
FIG. 14 shows the wavelength dependence of the light absorption rate and the sensitivity of the manufactured infrared light detection element with respect to the vertically incident light. The sensitivity was measured by a Fourier transform infrared spectrophotometer (FT / IR-6200, manufactured by JASCO Corporation). Since it is difficult to directly measure the light absorption rate with vertically incident light, the light absorption rate was calculated as follows. First, infrared light was incident at an angle of 26 ° with respect to vertical incidence, the reflected light was monitored by a micro-Fourier transform infrared spectrophotometer, and the absorption rate was obtained from the reflected light intensity. Then, after confirming that the value matches the simulation value and the result of the simulation is reliable, the simulation for the vertically incident light was performed to calculate the absorption rate. Here, the length L of one side of the actually produced light-sensitive piece is 1.17 μm, the period P is 2.0 μm, the width W of the wire piece is 0.1 μm, and the shape of the wire is Z-shaped (FIG. 11 (FIG. 11). c) (shape), and plotted with S as a parameter.

図11のところで説明したように、ワイヤーの形状により、共鳴波長をチューニングできる。図14において、S=0μmとは図11(a)の直線ワイヤーに相当し、そこで見たように、このとき、共鳴波長が最も短い。Sが大きくなると、ワイヤーが長くなり、それに伴い共鳴波長も長くなる。図14ではS=0.29μmのときに、ちょうど共鳴波長が量子井戸固有の光吸収波長(電子的共鳴)6.7μmと一致し、最大の感度が得られた。このとき、個々の光感応片の光学的共鳴に加えて、非直線部を有するワイヤー片によって光感応片を電気的に接続することにより二重の光学的共鳴を起こすことにより、波長6.7μmのところで三重共鳴が実現し、極めて高い光吸収と極めて高い感度が得られることがわかる。個々で観測された最大感度は3.3A/Wで、これを量子効率で表すと61%になる。これは現在これらの波長域で高感度検出器として独占的に用いられているHgCdTe検出器に匹敵する値である。しかしながら、本発明による検出器はHgやCdのような毒性元素を用いていないので、本発明は低毒性材料で従来の毒性検出器を置き換え可能にする点でも価値の高いものと言える。 As described with reference to FIG. 11, the resonance wavelength can be tuned according to the shape of the wire. In FIG. 14, S = 0 μm corresponds to the straight wire of FIG. 11 (a), and as seen there, the resonance wavelength is the shortest at this time. As S increases, the wire becomes longer, and the resonance wavelength becomes longer accordingly. In FIG. 14, when S = 0.29 μm, the resonance wavelength coincided with the light absorption wavelength (electronic resonance) 6.7 μm peculiar to the quantum well, and the maximum sensitivity was obtained. At this time, in addition to the optical resonance of each light-sensitive piece, a double optical resonance is generated by electrically connecting the light-sensitive pieces with a wire piece having a non-linear portion, thereby causing a wavelength of 6.7 μm. It can be seen that triple resonance is realized at this point, and extremely high light absorption and extremely high sensitivity can be obtained. The maximum sensitivity observed individually is 3.3 A / W, which is 61% in terms of quantum efficiency. This is a value comparable to the HgCdTe detector currently exclusively used as a high-sensitivity detector in these wavelength ranges. However, since the detector according to the present invention does not use toxic elements such as Hg and Cd, it can be said that the present invention is also highly valuable in that it can replace the conventional toxicity detector with a low toxicity material.

図15は検出感度の赤外光入射角度依存性を示す。正規化感度が0.5となるときの入射角がFOV/2を表す。
ここで、本発明の構造は、光感応片のLが1.17μm、Pが2.0μm、ワイヤー片の幅が0.1μm、形状がZ字状、Sが0.45μmである。
従来技術は、図11(a)に示す一辺Lの正方形の光感応片のみが周期Pでマトリックス状に配置された素子102である。ここで、Lは1.17μm、Pは2.0μmである。ワイヤーで接続されていない正方形の光感応片のみでは、実際には電流信号を取り出すことができない。ここに示す結果は、ワイヤー片の存在が入射角依存性に与える効果を明確にするためにシミュレーションにより求めた、仮想的な結果である。
従来技術の素子102のFOVは117°と広いのに対し、本発明の場合はFOVが66°と約半分の狭さになっている。FOVが狭いので、本発明の素子は背景光(周囲からの熱輻射)によるノイズを拾いにくい。
FIG. 15 shows the infrared light incident angle dependence of the detection sensitivity. The angle of incidence when the normalization sensitivity is 0.5 represents FOV / 2.
Here, in the structure of the present invention, the light-sensitive piece L is 1.17 μm, P is 2.0 μm, the width of the wire piece is 0.1 μm, the shape is Z-shaped, and S is 0.45 μm.
The prior art is an element 102 in which only the square light-sensitive pieces having an L side shown in FIG. 11A are arranged in a matrix with a period P. Here, L is 1.17 μm and P is 2.0 μm. It is not possible to actually extract a current signal only with a square light-sensitive piece that is not connected by a wire. The results shown here are virtual results obtained by simulation to clarify the effect of the presence of the wire piece on the angle of incidence dependence.
The FOV of the element 102 of the prior art is as wide as 117 °, whereas in the case of the present invention, the FOV is as narrow as 66 °, which is about half. Since the FOV is narrow, the element of the present invention is difficult to pick up noise due to background light (heat radiation from the surroundings).

図16は検出器感度の偏光依存性を示す。
ここで、本発明の構造は、光感応片のLが1.17μm、Pが2.0μm、ワイヤー片の幅が0.1μm、形状がZ字状、Sが0.45μmである。
この図における従来技術は、同じ量子井戸を用いているが、何らのキャビティによる吸収増強も存在しない、ブリュースター角入射検出器である。従来の量子井戸を用いた赤外光用検出素子は、前記第2の方向に電場が偏波した入射光(偏光角0°と定義)を得るために、斜入射構造を採用していた。ブリュースター角入射はその1つの形態で、表面での反射なく、入射光が効率よく量子井戸内に侵入する特別な角度で効率よく光を取り込むものである。けれども、直交する方向に偏波した入射光(偏光角90°)に対しては量子井戸が感度を全くもたないため、偏光依存性が常に問題であった。図16は実測によりその様子を表したものである。
従来技術の素子は偏光角が0°から90°にかけて単調に感度が減少し、90°ではほぼゼロになるのに対し、本発明の場合は、0°から90°までほとんど変化しない。4回対称構造の採用により偏光依存性が解消し、どのような入射光に対しても最大の感度を示すことができる。
FIG. 16 shows the polarization dependence of the detector sensitivity.
Here, in the structure of the present invention, the light-sensitive piece L is 1.17 μm, P is 2.0 μm, the width of the wire piece is 0.1 μm, the shape is Z-shaped, and S is 0.45 μm.
The prior art in this figure is a Brewster's angle incident detector, which uses the same quantum well but has no absorption enhancement due to any cavity. A conventional detection element for infrared light using a quantum well employs an oblique incident structure in order to obtain incident light (defined as a polarization angle of 0 °) in which an electric field is polarized in the second direction. Brewster's angle incidence is one form of this, in which the incident light efficiently captures light at a special angle that efficiently penetrates into the quantum well without reflection on the surface. However, since the quantum well has no sensitivity to the incident light (polarization angle 90 °) polarized in the orthogonal direction, the polarization dependence has always been a problem. FIG. 16 shows the situation by actual measurement.
In the device of the prior art, the sensitivity decreases monotonically from 0 ° to 90 ° and becomes almost zero at 90 °, whereas in the case of the present invention, it hardly changes from 0 ° to 90 °. By adopting a 4-fold symmetric structure, the polarization dependence is eliminated and the maximum sensitivity to any incident light can be exhibited.

図17は検出感度の環境温度依存性を示す。この図では、特性曲線の形状やピーク波長の位置を比較するために正規化してプロットしている。本素子は、78Kはもとより、293K(20℃)でも感度をもつことがわかる。これは、量子井戸がパッチアンテナ構造(TMギャッププラズモンモードの半波長共鳴を利用したキャビティ構造)に組み込まれて感度を増強していることに起因する。 FIG. 17 shows the environmental temperature dependence of the detection sensitivity. In this figure, the shape of the characteristic curve and the position of the peak wavelength are normalized and plotted in order to compare them. It can be seen that this device has sensitivity not only at 78K but also at 293K (20 ° C.). This is because the quantum well is incorporated in the patch antenna structure (cavity structure utilizing half-wavelength resonance in TM gap plasmon mode) to enhance the sensitivity.

(実施例2)
実施例2では、実施の形態2に従った素子についてその特性を評価した。
ここでは、ワイヤーが中心から徐々に長くなる構造により、特定の曲率の球面波に特別に強い感度を持った赤外光用検出素子が実現できることを示す。図11(d)に示した構造を基本とする。中央の光感応片には、図11(d)におけるSの値がSのワイヤー片が4方に接続されている。その外側の領域には中央からの水平方向、垂直方向の距離に応じて徐々にSの値が長くなるようなワイヤー片が接続されている。これにより、局所的に位相の異なった波面に強く共鳴することが可能となる。
(Example 2)
In Example 2, the characteristics of the device according to the second embodiment were evaluated.
Here, it is shown that an infrared light detection element having a particularly strong sensitivity to a spherical wave having a specific curvature can be realized by a structure in which the wire gradually becomes longer from the center. Based on the structure shown in FIG. 11 (d). A wire piece having an S value of S 0 in FIG. 11D is connected to the central light sensitive piece in four directions. A wire piece is connected to the outer region so that the value of S gradually increases according to the horizontal and vertical distances from the center. This makes it possible to strongly resonate with wavefronts having different phases locally.

Lは1.08μm、Pは2.0μm、Wは0.1μmである。誘電体層22の屈折率は3.05+0.03iを仮定し、厚さは200nmとした。第1の導電体層21および第2の導電体層23はともに材料としてAuを、厚さは100nmを仮定している。図18は概略図であるが、実際に検討した構造は、19×19個の光感応片12が配列された複雑なものである。中央の光感応片を0番目とし、X方向、Y方向それぞれにi番目の光感応片と(i+1)番目の光感応片を接続するワイヤー片のSの値をSとする。具体的には、S=0.25μm、S=0.30μm、S=0.35μm、S=0.38μm、S=0.41μm、S=0.43μm、S=0.44μm、S=0.45μm、S=0.46μm、S=0.47μmと、単調に増加するように選んだ。X方向に同じ位置にあるワイヤー片はすべて同じSの値を、Y方向に同じ位置にあるワイヤー片はすべて同じSの値を持つように選んだ。
ここで、中央の光感応片12とSの値がSの4個のワイヤー片でX方向、Y方向に接続され、周期Pで配置された4個の光感応片12までの、中央の5個の光感応片12で囲まれる領域では、式(1)の条件を満たす。
L is 1.08 μm, P is 2.0 μm, and W is 0.1 μm. The refractive index of the dielectric layer 22 was assumed to be 3.05 + 0.03i, and the thickness was 200 nm. Both the first conductor layer 21 and the second conductor layer 23 are assumed to be made of Au and have a thickness of 100 nm. Although FIG. 18 is a schematic view, the actually examined structure is a complicated one in which 19 × 19 light-sensitive pieces 12 are arranged. The central light-sensitive pieces to the 0th, X and Y directions respectively the i-th light-sensitive pieces (i + 1) th value of S in wire piece which connects the light sensitive element and S i. Specifically, S 0 = 0.25 μm, S 1 = 0.30 μm, S 2 = 0.35 μm, S 3 = 0.38 μm, S 4 = 0.41 μm, S 5 = 0.43 μm, S 6 = It was selected to increase monotonically, such as 0.44 μm, S 7 = 0.45 μm, S 8 = 0.46 μm, and S 9 = 0.47 μm. All the wire pieces at the same position in the X direction were selected to have the same S value, and all the wire pieces at the same position in the Y direction were selected to have the same S value.
Here, the central light-sensitive piece 12 and the four wire pieces whose S values are S 0 are connected in the X-direction and the Y-direction, and up to the four light-sensitive pieces 12 arranged in the period P, in the center. The region surrounded by the five light-sensitive pieces 12 satisfies the condition of the equation (1).

このとき、波長6.1μmの赤外光を放射する点光源が第1の導電体層の表面から距離Zsにある時の、光源位置と検出素子感度の関係を図19に示す。Zs=10μmにて最大の感度が得られており、これはすなわち、この検出素子は曲率半径10μmの球面波に特異的に強い感度を有することを意味する。
赤外光用発光素子にこの構造を用いた場合には、レンズを用いることなく、極薄の発光素子から特定の焦点位置に特定の波長の赤外光を強く集光する光線や発散する光線を放射できる。
At this time, FIG. 19 shows the relationship between the position of the light source and the sensitivity of the detection element when the point light source that emits infrared light having a wavelength of 6.1 μm is at a distance Zs from the surface of the first conductor layer. The maximum sensitivity is obtained at Zs = 10 μm, which means that this detection element has a specific strong sensitivity to spherical waves having a radius of curvature of 10 μm.
When this structure is used for the light emitting element for infrared light, light rays that strongly focus infrared light of a specific wavelength at a specific focal position from an ultrathin light emitting element or emitted light rays are used without using a lens. Can be emitted.

本発明により、高いS/N比と高い光電変換効率を有する赤外光用のコンパクトな検出素子および発光素子が提供される。
赤外光用検出素子は、人感センサ、監視センサ、温度センサ、ガスセンサなどの分野で強い需要があり、そこでは小型で高いS/N比と高い検出感度の両立が求められている。
また、赤外光用発光素子は、ガスセンサなどの分野で強い需要があり、そこでは高い指向性と強い発光強度の両立が求められている。
本発明による検出素子および発光素子は、上記性能を満たすものであり、産業上有益なものと考える。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention provides a compact detection element and light emitting element for infrared light having a high signal-to-noise ratio and high photoelectric conversion efficiency.
Infrared light detection elements are in strong demand in the fields of motion sensors, surveillance sensors, temperature sensors, gas sensors, etc., where both small size and high S / N ratio and high detection sensitivity are required.
Further, infrared light emitting elements are in strong demand in fields such as gas sensors, and there is a demand for both high directivity and strong light emitting intensity.
The detection element and the light emitting element according to the present invention satisfy the above performance and are considered to be industrially beneficial.

11 光感応部
12 光感応片
13 ワイヤー部
14、14a、14b、14c ワイヤー片
21 第1の導電体層
22 誘電体層
23 第2の導電体層
51 コア領域
52 周辺領域
53 コア領域
54 周辺領域
101、102、103、104,105、106,107 素子
11 Light-sensitive part 12 Light-sensitive piece 13 Wire part 14, 14a, 14b, 14c Wire piece 21 First conductor layer 22 Dielectric layer 23 Second conductor layer 51 Core area 52 Peripheral area 53 Core area 54 Peripheral area 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107 elements

Claims (21)

ピーク波長をλとする赤外光を検出または発光する素子であって、
前記素子は、少なくとも前記赤外光に感応する光感応部と、電気的接続をするワイヤー部とを有し、
前記光感応部は、2次元状に周期Pで配列された主サイズLの平面形状を有する複数の光感応片からなり、
前記光感応片は、第1の導電体層からなる面上に誘電体層および第2の導電体層が順次積層された層構造を有し、
前記誘電体層の厚さTは、前記誘電体層の前記λに対する屈折率をnとしたとき0を超えてλ/(2n)未満であり、
前記光感応片の面積は、{3λ/(8n)}以上{5λ/(8n)}以下であり、
前記ワイヤー部は、隣接する前記光感応片の少なくとも前記第2の導電体層間を、非直線部を有して接続する、最大幅が0を超えてL/5以下の導電性を有するワイヤー片からなり、
前記素子は、前記光感応片および前記ワイヤー片を前記配列の方向である第1の方向に伝搬し、かつ前記面に垂直な方向である第2の方向に偏波した面内伝搬モードを有し、
前記第2の方向から入射する前記赤外光に対して、
|k×L+k×(P−L)−2×m×π|≦π/2(mは正の整数)
の関係が、前記第1の方向に進む伝搬モードの前記光感応片の部分および前記ワイヤー片の部分の正の伝搬定数をそれぞれk,kとしたときにあり、
前記光感応部とワイヤー部からなる機能部の平面形状は3回対称以上の対称性を有する、素子。
An element that detects or emits infrared light with a peak wavelength of λ.
The element has at least a light-sensitive portion that is sensitive to the infrared light and a wire portion that makes an electrical connection.
The light-sensitive portion is composed of a plurality of light-sensitive pieces having a planar shape of main size L arranged two-dimensionally with a period P.
The light-sensitive piece has a layer structure in which a dielectric layer and a second conductor layer are sequentially laminated on a surface made of a first conductor layer.
The thickness T of the dielectric layer is more than 0 and less than λ / (2n) when the refractive index of the dielectric layer with respect to λ is n.
Area of the light-sensitive strip is 2 or less {3λ / (8n)} 2 or {5λ / (8n)},
The wire portion connects at least the second conductor layers of the adjacent light-sensitive pieces with a non-linear portion, and has a maximum width of more than 0 and L / 5 or less. Consists of
The element has an in-plane propagation mode in which the photosensitizer and the wire piece propagate in the first direction, which is the direction of the arrangement, and are polarized in the second direction, which is the direction perpendicular to the plane. And
With respect to the infrared light incident from the second direction.
| k a × L + k w × (P-L) -2 × m × π | ≦ π / 2 (m is a positive integer)
There relationship, a positive propagation constant portion and portions of the wire piece of the light-sensitive strip of the propagation modes traveling in the first direction when a k a, k w respectively,
An element in which the planar shape of the functional portion including the light-sensitive portion and the wire portion has symmetry of three times or more.
前記誘電体層は半導体層を含む、請求項1記載の素子。 The element according to claim 1, wherein the dielectric layer includes a semiconductor layer. 前記半導体層は、Si、Ge、AlAs、GaAs、InAs、AlSb、GaSb、InSb、AlP、GaP、InP、AlN、GaN、InN、PbS、PbSe、ZnTe、CdTe、HgTe、ZnSe、CdSe、MgSeからなる群より選ばれる1以上からなる、請求項2記載の素子。 The semiconductor layer is composed of Si, Ge, AlAs, GaAs, InAs, AlSb, GaSb, InSb, AlP, GaP, InP, AlN, GaN, InN, PbS, PbSe, ZnTe, CdTe, HgTe, ZnSe, CdSe, MgSe. The element according to claim 2, which comprises one or more selected from the group. 前記半導体層は量子井戸を含む、請求項2記載の素子。 The element according to claim 2, wherein the semiconductor layer includes a quantum well. 前記量子井戸の数は1以上5以下である、請求項4記載の素子。 The element according to claim 4, wherein the number of the quantum wells is 1 or more and 5 or less. 前記量子井戸の数は1である、請求項4記載の素子。 The device according to claim 4, wherein the number of the quantum wells is 1. 前記量子井戸は、GaAsとAlGaAs、InGaAsとInAlAs、InGaAsとInP、InGaAsとAlAsSb、InGaAsPとInP、GaAsとGaInP、GaAsとAlInP、GaNとAlGaN、GaNとAlN、InAsとAlAsSb、ZnCdSeとZnCdMgSe、InAsとGaSb、InAsとGaInSb、InAsとInAsSb、InGaAsとGaAsSb、InAsとAlGaSbからなる群より選ばれる1以上からなる、請求項4から6の何れか1記載の素子。 The quantum wells are GaAs and AlGaAs, InGaAs and InAlAs, InGaAs and InP, InGaAs and AlAsSb, InGaAsP and InP, GaAs and GaInP, GaAs and AlInP, GaN and AlGaN, GaN and AlN, InAs and AlAsSb, ZnCdSe and ZnCdMgSe, InAs. The element according to any one of claims 4 to 6, which comprises 1 or more selected from the group consisting of GaSb, InAs and GaInSb, InAs and InAsSb, InGaAs and GaAsSb, and InAs and AlGaSb. 前記第1の導電体層と前記誘電体層、および前記誘電体層と前記第2の導電体層はともにオーミック接触している、請求項1から7の何れか1記載の素子。 The element according to any one of claims 1 to 7, wherein the first conductor layer and the dielectric layer, and the dielectric layer and the second conductor layer are both in ohmic contact. 前記誘電体層は絶縁体からなる、請求項1記載の素子。 The element according to claim 1, wherein the dielectric layer is made of an insulator. 前記誘電体層は、ダイヤモンド、Si、Ge、MgO、Al、SiO、BeO、CaO、TiO、Ti、TiO、V、Cr、MnO、CuO、CuO、ZnO、Sc、Y、ZrO、Ga、Nb、SnO、CeO、HfO、Ta、LiF、NaF、MgF、AlF、CaF、SrF、YF、CsF、BaF、LaF、CeF、NdF、GdF、YbF、PbF、ThF、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdSe、CdTe、AgGaS、AgGaSe、Zn、ZnGeP、As、AsSe、AlAs、AlSb、GaP、GaAs、GaSb、GaSe、GaTe、InP、SiC、BN、AlN、GaN、NaCl、KCl、AgCl、CsCl、KBr、RbBr、AgBr、CsBr、KI、RbI、AgI、CsI、TlI、TlBr、CaCo、SrTiO、LiTaO、ZrSiO、KNbOからなる群より選ばれる1以上からなる、請求項1記載の素子。 The dielectric layer is diamond, Si, Ge, MgO, Al 2 O 3 , SiO 2 , BeO, CaO, TiO 2 , Ti 2 O 3 , TiO, V 2 O 5 , Cr 2 O 3 , MnO, Cu 2. O, CuO, ZnO, Sc 2 O 3 , Y 2 O 3 , ZrO 2 , Ga 2 O 3 , Nb 2 O 5 , SnO 2 , CeO 2 , HfO 2 , Ta 2 O 5 , LiF, NaF, MgF 2 , AlF 3, CaF 2, SrF 2 , YF 3, CsF, BaF 2, LaF 3, CeF 3, NdF 3, GdF 3, YbF 3, PbF 2, ThF 4, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdSe, CdTe, AgGaS 2 , AgGaSe 2 , Zn 3 P 2 , ZnGeP 2 , As 2 S 3 , As 2 Se 3 , AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, GaSe, GaTe, InP, SiC, BN, AlN, GaN, NaCl, KCl, 1 or more selected from the group consisting of AgCl, CsCl, KBr, RbBr, AgBr, CsBr, KI, RbI, AgI, CsI, TlI, TlBr, CaCo 3 , SrTIO 3 , LiTaO 3 , ZrSiO 4 , KNbO 3 Item 1. The element according to item 1. 前記第1の導電体層および前記第2の導電体層は、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属を含む合金、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属を含む化合物、およびITO、AZO、GZO、IZO、IGZO、ATO、FTO、FZO、TiNの何れかからなる、請求項1から10の何れか1記載の素子。 The first conductor layer and the second conductor layer are Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Er. , Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In, Al, one or more metals selected from the group consisting of Ti, Cr, Ni, Au. , Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh , Re, Ir, In, Al alloys containing one or more metals selected from the group consisting of, Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, A compound containing one or more metals selected from the group consisting of Tm, Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In and Al. , And the element according to any one of claims 1 to 10, comprising any of ITO, AZO, GZO, IZO, IGZO, ATO, FTO, FZO, and TiN. 前記光感応片の平面形状は、正三角形、正方形、正六角形、正八角形、真円形よりなる群から選ばれる1である、請求項1から11の何れか1記載の素子。 The element according to any one of claims 1 to 11, wherein the plane shape of the light-sensitive piece is 1 selected from the group consisting of an equilateral triangle, a square, a regular hexagon, a regular octagon, and a perfect circle. 前記光感応片の平面形状は一片の大きさがLの正方形であり、
前記Lは、前記光感応片の前記第2の方向に偏波した最低次の面内伝搬モードの有効屈折率をneffとしたとき、3λ/(8neff)以上5λ/(8neff)以下であり、
前記有効屈折率neffは、前記第1の導電体層および前記第2の導電体層の平均表皮深さをδとしたとき、n・(1+2δ/T)1/2である、請求項1から11の何れか1記載の素子。
The planar shape of the light-sensitive piece is a square whose size is L.
Wherein L, when the lowest order of the effective refractive index of in-plane propagation modes polarized in the second direction of the light-sensitive element was n eff, 3λ / (8n eff ) or 5λ / (8n eff) below And
The effective refractive index n eff is n · (1 + 2δ / T) 1/2 , where δ is the average skin depth of the first conductor layer and the second conductor layer, claim 1. The element according to any one of 1 to 11.
前記ワイヤー片の平面形状は直角形状部を含む、請求項1から13の何れか1記載の素子。 The element according to any one of claims 1 to 13, wherein the planar shape of the wire piece includes a right-angled portion. 前記対称性は4回対称である、請求項1から14の何れか1記載の素子。 The element according to any one of claims 1 to 14, wherein the symmetry is four-fold symmetry. 前記配列はマトリックス状である、請求項1から15の何れか1記載の素子。 The element according to any one of claims 1 to 15, wherein the arrangement is in the form of a matrix. 1つの前記第1の導電体層の上方に少なくとも複数の前記光感応片の第2の導電体層が形成されている、請求項1から16の何れか1記載の素子。 The element according to any one of claims 1 to 16, wherein at least a plurality of second conductor layers of the light-sensitive pieces are formed above the first conductor layer. 1つの前記誘電体層の上に少なくとも複数の前記光感応片の第2の導電体層が形成されている、請求項1から17の何れか1記載の素子。 The element according to any one of claims 1 to 17, wherein at least a plurality of second conductor layers of the light-sensitive pieces are formed on the dielectric layer. 請求項1から18の何れか1記載の赤外光用検出素子および発光素子の外側に、
前記第1の導電体層からなる面上に前記誘電体層および前記第2の導電体層が順次積層された第2の光感応片と、
隣接する前記第2の光感応片の少なくとも前記第2の導電体層間を、非直線部を有して接続する、最大幅が0を超えてL/5以下の導電性を有する第2のワイヤー片が2次元状に配列され、
前記第2のワイヤー片のワイヤー長さは、前記光感応片の配列の配列重心点を原点とした1次元、2次元および極座標の動径の何れかの距離に応じて変化している、請求項1から16の何れか1記載の素子。
On the outside of the infrared light detection element and the light emitting element according to any one of claims 1 to 18.
A second light-sensitive piece in which the dielectric layer and the second conductor layer are sequentially laminated on a surface made of the first conductor layer.
A second wire having a maximum width of more than 0 and L / 5 or less, which connects at least the second conductor layers of the adjacent second light-sensitive pieces with a non-linear portion. The pieces are arranged in two dimensions,
The wire length of the second wire piece varies according to any distance of one-dimensional, two-dimensional, and polar coordinate radii with the center of gravity of the arrangement of the light-sensitive pieces as the origin. Item 1. The element according to any one of Items 1 to 16.
前記第2のワイヤー片は、前記周期Pで配列されている、請求項19記載の素子。 The element according to claim 19, wherein the second wire piece is arranged in the period P. 前記ワイヤー長さの変化は、単調である、請求項19または20記載の素子。 The element according to claim 19 or 20, wherein the change in wire length is monotonous.
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