JP2023127959A - 光検出構造、光検出器及び光検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ショットキー障壁による電流検出時のＳＮ比を改善可能な光検出構造を提供する。【解決手段】本発明に係る光検出構造は、入射光が照射可能に構成された光照射領域が配置された第１面と厚み方向で第１面とは反対側の第２面とを有する半導体基材と、第２面に接して配置された、又は第１面と第２面との間の半導体基材の内部に配置された金属層と、金属層に接続されている電極と、を備える。第１面と平行な方向において、金属層が配置された金属配置領域は光照射領域よりも小さい。【選択図】図１

Description

本発明は、光検出構造、光検出器及び光検出方法に関する。

近年、光検出器として、ショットキー障壁による電流検出の原理を用いたものが提案されている。例えば、非特許文献１には、シリコン（Ｓｉ）基板上に複数のナノピラー構造が作製されている赤外光検出器（光検出器）が開示されている。非特許文献１に開示されている赤外光検出器では、表面に金（Ａｕ）等の金属膜を有する金ナノピラーが赤外線を吸収するアンテナとして機能する。非特許文献１に開示されている赤外光検出器では、照射された赤外光によって金属膜で励起された自由電子がショットキー障壁を越えて移動する際に、励起された自由電子の数に応じた量の電流が検出される。

例えば、非特許文献２には、Ｓｉ基板の表面上に複数のナノホールが形成され、Ｓｉ基板の表面とは反対側の背面から赤外光が照射される赤外光検出器が開示されている。非特許文献２に開示されている赤外光検出器では、赤外線がＳｉ基板の背面から照射されることによってエネルギー損失が抑えられ、感度の向上が図られている。

T. Kan et al., Proc. the 29th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS2016), pp.624-627 (2016). S. Yasunaga et al., Advanced Materials Interfaces, Vol.7, No.21, p.2001039 (2020).

上述の非特許文献２に開示された赤外光検出器のようにショットキー障壁による電流検出を行う従来の光検出器では、暗電流、すなわち赤外光を照射していないときでも検出される電流は基本的にショットキー障壁が形成されている面積に比例する。従来の光検出器では、暗電流に応じて信号対雑音比（ＳＮ比）が低下するという問題があった。

本発明は、ショットキー障壁による電流検出時のＳＮ比を改善可能な光検出構造、光検出器及び光検出方法を提供する。

本発明に係る光検出構造は、入射光が照射可能に構成された光照射領域が配置された第１面と厚み方向で第１面とは反対側の第２面とを有する半導体基材と、第２面に接して配置された、又は第１面と第２面との間の半導体基材の内部に配置された金属層と、金属層に接続されている電極と、を備える。第１面と平行な方向において、金属層が配置された金属配置領域は光照射領域よりも小さい。

本発明に係る光検出器は、上述の光検出構造と、光照射領域から金属配置領域に対して入射光を集光状態で照射可能に構成された光学素子と、を備える。

本発明に係る光検出方法では、入射光が照射可能に構成された光照射領域が配置された第１面と厚み方向で第１面とは反対側の第２面とを有する半導体基材と、第２面に接して配置された、又は第１面と第２面との間の半導体基材の内部に配置された金属層と、金属層に接続されている電極と、を備える光検出構造に対して、光照射領域から金属配置領域に対して入射光を集光状態で照射する。

本発明によれば、ショットキー障壁による電流検出時のＳＮ比を改善することができる。

本発明に係る第１実施形態の光検出器の断面図である。 図１に示すＣ１領域の拡大斜視図である。 図１に示す光検出構造の製造方法を説明するための断面図であって、（ａ）、（ｂ）は半導体基材に凹部を形成する工程に関し、（ｃ）は金属層を形成する工程に関する。 図１に示す光検出構造の製造方法を説明するための断面図であって、（ａ）、（ｂ）は半導体基材に凹部を形成する工程に関し、（ｃ）は金属層を形成する工程に関する。 図１に示す光検出構造に関する各寸法を説明するための断面図である。 図５に示す光検出構造に関するシミュレーションの結果を示すグラフである。 図５に示す光検出構造に関して金属層が配置されている場合のシミュレーションの結果を示すグラフである。 図１に示す光検出構造に関する各寸法を説明するための断面図である。 図８に示す光検出構造に関するシミュレーションの結果を示すグラフである。 本発明に係る第２実施形態の光検出器の断面図である。 実施例における応答感度及びＳＮ比の算出方法を説明するための模式的なグラフである。 実施例１及び比較例１における入射光の照射方法を説明するための断面図である。 実施例１及び比較例１における応答感度の測定結果を示すグラフである。 実施例２の光検出器の構成の概略図である。 比較例２の光検出器の構成の概略図である。 実施例２及び比較例２における応答感度の測定結果を示すグラフである。 実施例２及び比較例２におけるＳＮ比の測定結果を示すグラフである。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明で参照する図面は模式的なものである。

（第１実施形態）
先ず、本発明に係る第１実施形態の光検出構造、光検出器及び光検出方法について説明する。

［光検出構造］
図１に示すように、本発明の第１実施形態の光検出構造１１は、半導体基材２１と、金属層３１と、電極８１と、を備える。半導体基材２１には、例えばＳｉ基板が用いられる。半導体基材２１は、第１面２３と、第２面２４と、を有する。第１面２３は、平坦な面である。第１面２３と第２面２４とは、互いに略平行である。以下、第１面２３に平行な方向をＸ方向とする。Ｘ方向と同一平面内にあり、且つＸ方向と直交する方向をＹ方向とする。Ｘ方向及びＹ方向と直交する方向をＺ方向とする。Ｚ方向は、半導体基材２１の厚み方向と平行である。第２面２４は、Ｚ方向で半導体基材２１の第１面２３とは反対側の面である。

光検出構造１１は、入射光Ｌを検出するアンテナ構造として機能し、入射光Ｌの光量に応じた電流を出力可能に構成されている。半導体基材２１の第１面２３には、入射光Ｌが照射可能に構成された光照射領域５０が配置されている。Ｚ方向に沿って見たとき、光照射領域５０は、例えば直径（大きさ）Ｒ_５０の円形状を有する。入射光Ｌの光軸ＡＸは、Ｚ方向に平行である。

半導体基材２１の第２面２４には、金属配置領域６０が配置されている。Ｚ方向に沿って見たとき、金属配置領域６０は、例えばＸ方向及びＹ方向の各辺が長さ（大きさ）Ｒ_６０である矩形状を有する。金属配置領域６０の長さＲ_６０は、光照射領域５０の直径Ｒ_５０よりも小さい。したがって、Ｚ方向に沿って見たとき、金属配置領域６０は、光照射領域５０よりも小さい。ＳＮ比を向上させる観点から、入射光Ｌが照射される金属配置領域６０の面積は、例えば光照射領域５０の面積の１％以上１０％以下であることが好ましい。

金属配置領域６０には、Ｘ方向及びＹ方向に沿って複数の凹部７０が形成されている。凹部７０は、第２面２４からＺ方向で第１面２３に向かって凹んでいる。凹部７０のＺ方向から見た形状は、例えば矩形状である。金属層３１は、Ｚ方向に沿って見たときに金属配置領域６０に配置され、第２面２４に接している。図１及び図２に示すように、金属層３１は、金属配置領域６０内の第２面２４と、凹部７０の底面７１と側面（側面の少なくとも一部）７２、７３、７４とに形成されている。凹部７０のＸＹ平面での各辺の長さ及び凹部７０のＺ方向の大きさ（すなわち、深さ）は、入射光Ｌの波長に応じて適宜設定されている。例えば、入射光Ｌの波長が赤外波長域内の１１００ｎｍを基準とする場合、凹部７０の各辺の長さは１５０ｎｍ程度に設定され、凹部７０の深さは５６０ｎｍ程度に設定される。

金属層３１は、例えばＡｕ、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等によって形成されている。また、金属層３１は、Ａｕ、ＡｇやＣｕに限らず、低いエネルギーのショットキー障壁を形成する白金シリサイド（ＰｔＳｉ）等の合金によって形成されてもよい。その場合、半導体基材２１の材質をＰ型Ｓｉにする等、光検出構造１１での検出波長、すなわち入射光Ｌの波長や金属層３１の材質に応じて好適な半導体基材２１が適宜選択されることが好ましい。金属層３１の厚みは、例えば５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、入射光Ｌの波長に応じて適宜設定されている。入射光Ｌの波長が赤外波長域内の１１００ｎｍを基準とする場合、金属層３１の厚みは、例えば５０ｎｍ程度に設定される。

電極８１は、金属配置領域６０外の第２面２４に配置されている。電極８１は、金属層３１と直接又は電気的に接続されている。具体的には、電極８１と金属層３１とは、模式的に図示された配線８２によって接続されている。配線８２は、金属配置領域６０外の第２面２４に形成されている。電極８１及び配線８２は、アルミニウム（Ａｌ）等によって形成されている。

［光検出構造の製造方法］
次いで、上述の光検出構造１１の製造方法について簡単に説明する。

先ず、半導体基材２１と同じ材料からなる半導体基材４０１を用意する。続いて、例えば電子ビーム及びリソグラフィ法を用いて、図３の（ａ）に示すように、半導体基材４０１の表面４０１ａにレジスト膜４０４を形成する。半導体基材４０１の表面４０１ａは、半導体基材２１の第２面２４に対応している。表面４０１ａにおいてレジスト膜４０４が形成されている領域は、金属配置領域６０の第２面２４のうち凹部７０が形成されていない領域に対応している。

次に、例えば反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ；ＲＩＥ）法を用いて、図３の（ｂ）に示すように、レジスト膜４０４に覆われていない半導体基材４０１の表面４０１ａに凹部７０を形成する。ＲＩＥにおけるエッチングガスの種類及び流量は、凹部７０の深さ及び半導体基材４０１の材料に応じて適宜設定すればよい。本工程によって、金属配置領域６０に複数の凹部７０が形成された半導体基材２１が得られる。

次に、レジスト膜４０４を除去する。続いて、図３の（ｃ）に示すように、例えば斜め蒸着法を用いて、金属配置領域６０を含む所定の領域内の半導体基材２１の第２面２４及び凹部７０の底面７１及び側面７２、７３、７４に金属層４１１を形成する。なお、図３の（ｃ）では、Ｙ方向に沿って見ていることから、側面７２のみが例示されている。例えば、金属層３１の材料の金属をイオンの状態にして、Ｘ方向及びＺ方向に傾斜する矢印の方向に沿って金属イオンを所定の領域内の半導体基材２１の第２面２４及び凹部７０に向けて蒸着する。凹部７０の側面７５は、金属イオンの蒸着方向の陰に位置するため、側面７５には殆ど金属イオンは付着せず、金属層４１１は形成されない。

次に、図４の（ａ）に示すように、一部の金属層４１１でＸＹ平面に平行な表面４１１ａに、例えばフォトリソグラフィ法を用いてレジスト膜４０８を形成する。表面４１１ａにおいてレジスト膜４０８が形成されている領域は、金属配置領域６０において金属層３１が形成されている領域に対応している。

次に、例えばＲＩＥ又は薬液を用いて、図４の（ｂ）に示すように、Ｚ方向から見たときにレジスト膜４０８に覆われていない金属層４１１を除去する。その後、レジスト膜４０８を除去する。本工程によって、金属配置領域６０に金属層３１が形成された半導体基材２１が得られる。

次に、例えば蒸着法を用いて、図４の（ｃ）に示すように、半導体基材２１の金属配置領域６０内の第２面２４、凹部７０の露出している底面７１、側面７５の何れかの所定の領域に電極８１或いは配線８２を形成する。なお、図４の（ｃ）では、凹部７０の露出した底面７１に形成された電極８１が例示されている。以上の各工程を行うことによって、第１実施形態の光検出構造１１を製造することができる。

［光検出器］
図１に示すように、本発明に係る第１実施形態の光検出器１０１は、上述の光検出構造１１と、光学素子１１１と、を備える。光学素子１１１は、光検出構造１１における光照射領域５０から金属配置領域６０に対して入射光Ｌを集光状態で照射可能に構成されている。第１実施形態では、光検出器１０１は、光学素子１１１として透過型の屈折レンズ（透過型レンズ）１２０を備える。

屈折レンズ１２０は、所謂平凸レンズであり、Ｘ方向及びＹ方向に沿って見たときに略半球形状を有し、屈折レンズ１２０は、凸曲面１２１と、平坦面１２２と、を有する。凸曲面１２１は、半導体基材２１の第１面２３から入射光Ｌの入射側、すなわちＺ方向とは逆向きに突出する曲面であって、第１面２３から入射光Ｌの入射側に凸の曲面である。

平坦面１２２は、Ｚ方向で屈折レンズ１２０の凸曲面１２１とは反対側の面である。屈折レンズ１２０の平坦面１２２は、半導体基材２１の第１面２３と接している。なお、平坦面１２２と第１面２３とは、例えば入射光Ｌが第１面２３に対して入射側に反射するのを防止するための反射防止機能を有する接着剤（図示略、反射防止構造）によって接着されている。

屈折レンズ１２０の凸曲面１２１の曲率及び形状は、空気側から光軸ＡＸに沿ってＺ方向に入射する入射光Ｌが凸曲面１２１で屈折し、屈折した入射光Ｌ１が平坦面１２２と第１面２３との界面でさらに屈折することをふまえ、光照射領域５０から金属配置領域６０に対して入射光Ｌを集光状態で照射するように設計されている。つまり、凸曲面１２１の曲率及び形状は、入射光Ｌの波長、入射光Ｌの波長における半導体基材２１の実効屈折率及び屈折レンズ１２０の屈折率、金属配置領域６０の長さＲ_６０及び光照射領域５０の直径Ｒ_５０に応じて設計されている。

［光検出方法］
第１実施形態の光検出方法は、上述の光検出構造１１或いは光検出器１０１を用いた検出方法であり、少なくとも光照射領域５０から金属配置領域６０に対して入射光Ｌを集光状態で照射する工程を備える。

［作用効果］
第１実施形態の光検出構造１１は、入射光Ｌが照射可能に構成された光照射領域５０が配置された第１面２３とＺ方向（厚み方向）で第１面２３とは反対側の第２面２４とを有する半導体基材２１と、第２面２４に接して配置された金属層３１と、金属層３１に接続されている電極８１と、を備える。第１面２３と平行なＸＹ平面内の方向（第１面と平行な方向）において、金属層３１が配置された金属配置領域６０は光照射領域５０よりも小さい。

上述の構成を備えることによって、光検出構造１１では、半導体基材２１の第１面２３を光入射面として、第１面２３の光照射領域５０に入射光Ｌを照射すると、金属層３１に対して半導体基材２１の内部から、すなわち金属層３１に接するＳｉ等の半導体側から入射光Ｌが照射される。金属層３１において露出している表面から見た場合、入射光Ｌが金属層３１に背面照射される。

例えば、図５に示すように、光検出構造１１における各寸法及びパラメータを以下のように設定する。
＊第２面２４に形成された金属層３１及び凹部７０の底面７１に形成された金属層３１の厚みａ；１００ｎｍ
＊凹部７０の側面７３、７４に形成された金属層３１の厚みｂ；２０ｎｍ
＊凹部７０の側面７３、７４に形成された金属層３１同士のＹ方向での間隔ｗ；４００ｎｍ
＊１つの凹部７０に対してＸ方向又はＹ方向の両側で隣り合う凹部７０（図示略）同士の離間距離Ｐ；１０００ｎｍ
＊凹部７０の深さｈ；２００ｎｍから２０００ｎｍまで変化
＊入射光Ｌの中心波長；１０００ｎｍから２０００ｎｍまで変化
なお、金属層３１の材質をＰｔＳｉとし、半導体基材２１の材質をＰ型Ｓｉとした場合は、入射光Ｌの中心波長を中赤外域（波長；訳２．５μｍ～４μｍ）に設定可能である。

半導体基材２１の実効屈折率は、３．４程度である。金属層３１の実効屈折率は、入射光Ｌの波長によって変化する。例えば、金属層３１がＡｕで形成され、入射光Ｌの波長が１５００ｎｍである場合、金属層３１の実効屈折率は０．５＋１０ｉである。また、金属層３１が銅（Ｃｕ）で形成され、入射光Ｌの波長が１５００ｎｍである場合、金属層３１の実効屈折率は０．７＋１０ｉである。前述のｉは、虚数単位を表す。

図６は、図５で上述のパラメータに設定された光検出構造１１に金属層３１が配置されていない場合に入射光ＬがＺ方向で半導体基材２１から金属層３１に入射したときのシミュレーション結果を示している。図６に示すように、入射光Ｌの中心波長を１０００ｎｍから２０００ｎｍまで変化させたとき、凹部７０の深さｈが少なくとも２００ｎｍから２０００ｎｍまでの範囲であると殆ど入射光Ｌの吸収は生じないことがわかる。一方、図７は、上述のパラメータの光検出構造１１に金属層３１が配置されている場合に入射光Ｌが入射したときのシミュレーション結果を示している。図７に示すように、入射光Ｌの中心波長を１０００ｎｍから２０００ｎｍまで変化させたとき、中心波長が長くなる程、且つ凹部７０の深さｈが少なくとも２００ｎｍから２０００ｎｍまでの間で大きくなる程、金属層３１による吸収が生じていることがわかる。特に、入射光Ｌの中心波長が約１８００ｎｍ、且つ凹部７０の深さｈが１４００ｎｍから１６００ｎｍまでの範囲では、吸収の効果が強い。また、入射光Ｌの中心波長が約１８００ｎｍから２０００ｎｍまでの範囲、且つ凹部７０の深さｈが８００ｎｍから１２００ｎｍまでの範囲では、吸収の効果が強い。

上述の各シミュレーション結果からもわかるように、第１実施形態の光検出構造１１によれば、先ず第２面２４に接して形成された金属層３１に対してＺ方向で半導体基材２１の内部から入射光Ｌを背面照射可能であることによって、入射光Ｌの吸収を強めることができる。

また、第１実施形態の光検出構造１１の暗電流ｉ_Ｄは、次に示す（１）式のように表される。

上述の（１）式において、
＊Ｓ；金属層３１が形成されている面積＝Ｚ方向から見たときの金属配置領域６０の面積
＊Ａ^＊＊；実効リチャードソン定数[Ａ／ｃｍ^２／Ｋ^２]
＊Ｔ；入射光Ｌの照射時における絶対温度［Ｋ］
＊ｑ；電荷
＊φ_Ｂ；金属層３１における励起エネルギー［ｅＶ］
＊ｋ；波数
＊Ｖ；電圧
である。すなわち、光検出構造１１の暗電流ｉ_Ｄは、金属配置領域６０の面積に比例する。
なお、半導体基材２１がＮ型半導体で構成されている場合では、Ａ^＊＊は、例えば１１０Ａ／ｃｍ^２／Ｋ^２程度である。

第１実施形態の光検出構造１１では、金属配置領域６０が光照射領域５０よりも小さいため、従来のように入射光Ｌが光照射領域５０から平行化された状態で金属配置領域６０に照射される場合に比べて、入射光Ｌの検出時における暗電流ｉ_Ｄ、すなわちノイズを低くすることができる。さらに、入射光Ｌが光照射領域５０から集光状態で金属配置領域６０に照射された場合、従来のように入射光Ｌが光照射領域５０から平行化された状態で金属層が配置された領域に照射される場合に比べて、金属配置領域６０に照射される入射光Ｌのエネルギーが高まり、信号が強められる。したがって、第１実施形態の光検出構造１１では、信号の強度が高く、且つ暗電流ｉ_Ｄによるノイズが低減されるので、入射光Ｌが光照射領域５０から平行化された状態で金属配置領域６０に照射される従来の光検出構造に比べてＳＮ比を改善することができる。

第１実施形態の光検出構造１１では、金属配置領域６０は第２面２４に配置されている。金属配置領域６０には、Ｚ方向で第２面２４から第１面２３に向かって凹む凹部７０が形成されている。金属層３１は、金属配置領域６０内の第２面２４と凹部７０の底面７１及び側面（一部の面）７２、７３、７４に形成されている。

例えば、図８に示すように、光検出構造１１における各寸法及びパラメータを以下のように設定する。
＊第２面２４に形成された金属層３１及び凹部７０の底面７１に形成された金属層３１の厚みａ；１００ｎｍ
＊凹部７０の側面７２に形成された金属層３１の厚みｂ；２０ｎｍ
＊凹部７０の側面７２に形成された金属層３１と側面７５とのＸ方向での間隔ｘ；４００ｎｍ
＊１つの凹部７０に対してＸ方向又はＹ方向の両側で隣り合う凹部７０（図示略）同士の離間距離Ｐ；１０００ｎｍ
＊凹部７０の深さｈ；７００ｎｍ
＊入射光Ｌの中心波長；１１００ｎｍから１６００ｎｍまで変化
なお、半導体基材２１の実効屈折率及び金属層３１の実効屈折率については、図５を参照して説明した際に例示した通りである。

図９は、図８で上述のパラメータに設定された光検出構造１１に入射光ＬがＺ方向で半導体基材２１から金属層３１に入射したときのシミュレーション結果として、入射光Ｌの中心波長が１１００ｎｍから１６００ｎｍまで変化したときの吸収の度合いを実線で示している。参照のために、図９には、凹部７０が形成されずに第２面２４が平坦面である場合のシミュレーション結果が破線で示されている。図８に示す光検出構造１１では、半導体基材２１の第２面２４にナノホールとして凹部７０が形成され、第２面２４及び凹部７０の底面７１及び側面７２、７３、７４、７５の少なくとも何れかの側面に金属層３１が形成されている。このような構造で金属層３１に入射光Ｌが半導体基材２１から照射、すなわち背面照射されると、第２面２４がＸＹ平面と平行な平坦面である構造に比べて光が強く吸収されることがわかる。

上述の各シミュレーション結果からもわかるように、第２面２４の金属配置領域６０に凹部７０が形成され、底面７１及び側面７２、７３、７４に金属層３１が形成されていることによって、凹部７０が形成されない場合に比べて入射光Ｌの感度を高めることができる。したがって、第１実施形態の光検出構造１１によれば、入射光Ｌの検出時における信号（Ｓｉｇｎａｌ）を高め、ＳＮ比を改善することができる。

第１実施形態の光検出構造１１では、半導体基材２１の第１面２３に反射防止構造として入射光Ｌの波長よりも微細な周期構造が形成されていてもよい。第１面２３に反射防止構造が配置されることによって、金属層３１に照射されるまでの入射光Ｌの光量の低下が抑えられる。

第１実施形態の光検出器１０１は、上述の光検出構造１１と、光照射領域５０から金属配置領域６０に対して入射光Ｌを集光状態で照射可能に構成された光学素子１１１と、を備える。第１実施形態の光検出器１０１では、光学素子１１１によって入射光Ｌを少なくとも光照射領域５０から集光状態で金属配置領域６０に照射することができる。そのため、第１実施形態の光検出器１０１によれば、入射光Ｌが光照射領域５０から平行化された状態で金属層が配置された領域に照射される場合に比べて、入射光Ｌの照射面積を縮小すると共にエネルギー密度を高め、信号の強度を高くし、且つ暗電流ｉ_Ｄによるノイズを低減することができる。したがって、第１実施形態の光検出器１０１によれば、従来の光検出構造に比べてＳＮ比を改善することができる。

第１実施形態の光検出器１０１は、上述の光検出構造１１と、光学素子１１１として、第１面２３からＺ方向で入射光Ｌの入射側に突出する凸曲面１２１を有する屈折レンズ１２０と、を備える。第１実施形態の光検出器１０１では、屈折レンズ１２０の凸曲面１２１によって入射光Ｌを屈折させると共に、集光状態にする。また、屈折レンズ１２０の平坦面１２２と光検出構造１１の半導体基材２１の第１面２３との界面で入射光Ｌをさらに屈折させると共に、集光状態にする。このことによって、入射光Ｌを光照射領域５０から集光状態で金属配置領域６０に容易に照射することができる。

第１実施形態の光検出器１０１では、屈折レンズ１２０の平坦面１２２と半導体基材２１の第１面２３とは、入射光Ｌに対して反射防止機能を有する不図示の接着剤によって接着されている。このことによって、屈折レンズ１２０に入射した入射光Ｌの光量の低下を抑え、光検出器１０１における信号の強度の低下を抑えることができる。

第１実施形態の光検出方法は、光照射領域５０が配置された第１面２３と第２面２４とを有する半導体基材２１と、第２面２４に接して配置された金属層３１と、金属層３１に接続されている電極８１と、を備える光検出構造１１の少なくとも光照射領域５０から金属配置領域６０に対して入射光Ｌを集光状態で照射する工程を備える。第１実施形態の光検出方法によれば、前述の工程で、入射光Ｌが光照射領域５０から平行化された状態で金属層が配置された領域に照射される場合に比べて、入射光Ｌの照射面積を縮小すると共にエネルギー密度を高めることができる。このことによって、検出される信号の強度を高くし、且つ光検出構造１１の暗電流ｉ_Ｄによるノイズを低減することができる。したがって、第１実施形態の光検出方法によれば、従来の光検出構造に比べてＳＮ比を改善することができる。

（第２実施形態）
次いで、本発明に係る第２実施形態の光検出構造、光検出器及び光検出方法について説明する。なお、図１０に示す第２実施形態の光検出構造１２及び光検出器１０２の各々の構成要素において、第１実施形態の光検出構造１１及び光検出器１０１の各々の構成要素と同一のものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。

［光検出構造］
図１０に示すように、第２実施形態の光検出構造１２では、金属配置領域６０は半導体基材２１の内部に配置されている。つまり、金属配置領域６０は、Ｚ方向で第１面２３と第２面２４との間に配置されている。複数の金属層３１は、第１面２３と平行なＸ方向及びＹ方向に沿って形成され、半導体基材２１に埋設されている。金属層３１のＸ方向及びＹ方向での大きさは、例えば５０ｎｍ程度である。

第２実施形態の光検出構造１２では、半導体基材２１の第１面２３に反射防止構造９１が形成され、第２面２４に反射防止構造９２が形成されている。反射防止構造９１、９２は、入射光Ｌの波長以下の周期と、Ｚ方向の大きさ、すなわち高さと、を備える。なお、図１０では、電極は省略されている。

［光検出器］
第２実施形態の光検出器１０２は、上述の光検出構造１２と、光学素子１１１として、凸曲面１３１を有するミラー等の反射板１３０と、を備える。凸曲面１３１は、第１面２３からＺ方向で入射光Ｌの入射側とは反対側に突出している。つまり、凸曲面１３１は、第１面２３からＺ方向の前方に突出している。反射板１３０は、凸曲面１３１と略同様の形状で形成された支持面１４１を有する支持台１４０によって安定して支持されている。反射板１３０及び支持台１４０は、Ｚ方向で光検出構造１２とは離間している。反射板１３０は、例えばＡｌ、Ａｇ等のように入射光Ｌを反射可能な金属、或いは誘電体で形成されている。

第２実施形態の光検出器１０２では、入射光Ｌは、空気側から光軸ＡＸに沿ってＺ方向に進行し、第２面２４と第１面２３とを順次通過し、凸曲面１３１に入射する。凸曲面１３１に入射した入射光Ｌは、凸曲面１３１で反射され、集光状態且つＺ方向とは逆向きの成分を有して第１面２３に照射される。反射板１３０の凸曲面１３１の曲率及び形状は、空気側から光軸ＡＸに沿ってＺ方向に入射する入射光Ｌが凸曲面１２１で反射し、反射された入射光Ｌ１が第１面２３で屈折することをふまえ、光照射領域５０から金属配置領域６０に対して入射光Ｌを集光状態で照射するように設計されている。凸曲面１３１の曲率及び形状は、入射光Ｌの波長、入射光Ｌの波長における半導体基材２１の実効屈折率及び屈折レンズ１２０の屈折率、金属配置領域６０の長さＲ_６０及び光照射領域５０の直径Ｒ_５０に応じて設計されている。

［光検出方法］
第２実施形態の光検出方法は、上述の光検出構造１２或いは光検出器１０２を用いた検出方法であり、少なくとも光照射領域５０から金属配置領域６０に対して入射光Ｌを集光状態で照射する工程を備える。

［作用効果］
第２実施形態の光検出構造１２は、第１実施形態の光検出構造１１と同様に、光照射領域５０が配置された第１面２３とＺ方向で第１面２３とは反対側の第２面２４とを有する半導体基材２１と、第１面２３と第２面２４との間の半導体基材２１の内部に配置された金属層３１と、金属層３１に接続されている電極８１と、を備える。ＸＹ平面内の方向において、金属配置領域６０は光照射領域５０よりも小さい。第２実施形態の光検出構造１２では、第１実施形態の光検出構造１１と同様に、金属層３１に対して入射光Ｌを半導体基材２１から空気の領域を介さずに直接、背面照射すると共に、入射光Ｌを集光状態で金属層３１に照射することが可能であるため、信号の強度を高めることができる。また、第２実施形態の光検出構造１２では、金属配置領域６０が第１面２３の光照射領域５０よりも小さく、暗電流ｉ_Ｄによるノイズを低減することができる。第２実施形態の光検出構造１２によれば、入射光Ｌが光照射領域５０から平行化された状態で金属配置領域６０に照射される従来の光検出構造に比べてＳＮ比を改善することができる。

第２実施形態の光検出構造１２では、金属層３１は、半導体基材２１の内部で第１面２３と平行なＸＹ平面（平行な方向）に沿って形成されている。このことによって、金属層３１の損傷を防止し、光検出構造１２の耐久性を高めることができる。また、光軸ＡＸに対して略直交するＸＹ方向に沿って配置された金属層３１に対して集光状態の入射光Ｌを光照射領域５０から漏れなく、均一に照射することができる。

第２実施形態の光検出構造１２では、第１面２３及び第２面２４に反射防止構造９１、９２が形成されている。このことによって、空気中から半導体基材２１の第２面２４と第１面２３とを順次通過する入射光Ｌの光量の低下を抑え、光検出器１０２における信号の強度の低下を抑えることができる。入射光Ｌの波長よりも微細な周期格子からなる反射防止構造９１、９２は、リソグラフィ等の半導体プロセスを用いて容易に製造することができる。

第２実施形態の光検出器１０２は、上述の光検出構造１２と、光学素子１１１と、を備える。第２実施形態の光検出器１０２では、第１実施形態の光検出器１０１と同様に、光学素子１１１によって入射光Ｌを少なくとも光照射領域５０から集光状態で金属配置領域６０に照射することができる。そのため、第２実施形態の光検出器１０２によれば、入射光Ｌが光照射領域５０から平行化された状態で金属層が配置された領域に照射される場合に比べて、入射光Ｌの照射面積を縮小すると共にエネルギー密度を高め、信号の強度を高くし、且つ暗電流ｉ_Ｄによるノイズを低減することができる。したがって、第２実施形態の光検出器１０２によれば、従来の光検出構造に比べてＳＮ比を改善することができる。

第２実施形態の光検出器１０２は、上述の光検出構造１２と、光学素子１１１として、第１面２３から入射光Ｌの入射側とはＺ方向で反対側に突出する凸曲面１３１を有する反射板１３０と、を備える。第２実施形態の光検出器１０２では、反射板１３０の凸曲面１３１によって入射光Ｌを反射させると共に、集光状態にする。また、光検出構造１２の半導体基材２１の第１面２３で入射光Ｌを屈折させると共に、さらに集光状態にする。このことによって、入射光Ｌを光照射領域５０から集光状態で金属配置領域６０に容易に照射することができる。

第２実施形態の光検出方法は、光照射領域５０が配置された第１面２３と第２面２４とを有する半導体基材２１と、半導体基材２１の内部に配置された金属層３１と、金属層３１に接続されている電極８１と、を備える光検出構造１２の少なくとも光照射領域５０から金属配置領域６０に対して入射光Ｌを集光状態で照射する工程を備える。第２実施形態の光検出方法によれば、前述の工程で、入射光Ｌが光照射領域５０から平行化された状態で金属層が配置された領域に照射される場合に比べて、入射光Ｌの照射面積を縮小すると共にエネルギー密度を高めることができる。このことによって、検出される信号の強度を高くし、且つ光検出構造１１の暗電流ｉ_Ｄによるノイズを低減することができる。したがって、第２実施形態の光検出方法によれば、従来の光検出構造に比べてＳＮ比を改善することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。また、第１実施形態における記載内容と、第２実施形態における記載内容とが互いに組み合わされてもよい。

例えば、上述の第１実施形態の光検出器１０１では、屈折レンズ１２０が半導体基材２１と接着されているが、屈折レンズ１２０は、Ｚ方向で半導体基材２１と離れていても構わない。

また、上述の第２実施形態の光検出器１０２では、入射光Ｌが反射板１３０に入射する前に半導体基材２１を通過するが、必ずしも半導体基材２１を通過する必要はない。つまり、ＸＹ平面に平行な方向において、半導体基材２１の大きさは、反射板１３０に入射する前の入射光Ｌのビーム幅よりも小さくてもよい。その場合、衛星通信等に使用されるパラボラアンテナのように、入射光Ｌの少なくとも一部は、略平行化された状態で金属層３１が形成された半導体基材２１を通過せずに反射板１３０の凸曲面１３１に直接照射される。

また、上述の第１実施形態及び第２実施形態では、回折レンズは、半導体プロセスによって他の種類の光学素子に比べて容易に形成することができる。さらに、回折レンズの表面に、反射防止構造９１、９２と同様の微細な周期格子からなる反射防止構造が形成されてもよい。

また、上述の第１実施形態及び第２実施形態における反射防止構造は、入射光Ｌの波長以下の微細な周期格子からなるものに限定されず、例えば屈折率が互いに異なる誘電体層が積層された積層体で構成されていてもよい。

また、本発明に係る光検出方法は、光検出構造１１の少なくとも光照射領域５０から金属配置領域６０に対して入射光Ｌを集光状態で照射する工程を備える。言い換えれば、本発明に係る光検出方法では、光照射領域５０から入射光Ｌを集光状態で金属配置領域６０に照射し、金属配置領域６０において入射光Ｌが照射される範囲が第１面２３における光照射領域５０よりも小さければよい。つまり、本発明に係る光検出方法では、金属配置領域６０そのものの大きさは、特定されず、従来の光検出構造において金属層が配置される領域の大きさと同程度であってもよい。

次いで、本発明に係る実施例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されない。

［実施例１・比較例１］
図８を参照して説明した光検出構造１１を試作した。光検出構造１１の構造及び各寸法、パラメータは、前述のように、
＊第２面２４に形成された金属層３１及び凹部７０の底面７１に形成された金属層３１の厚みａ；１００ｎｍ
＊凹部７０の側面７２に形成された金属層３１の厚みｂ；２０ｎｍ
＊凹部７０の側面７２に形成された金属層３１と側面７５とのＸ方向での間隔ｘ；４００ｎｍ
＊１つの凹部７０に対してＸ方向又はＹ方向の両側で隣り合う凹部７０（図示略）同士の離間距離Ｐ；１０００ｎｍ
＊凹部７０の深さｈ；７００ｎｍ
とした。さらに、半導体基材２１にはＳｉ基板を用い、金属層３１の材料をＡｕとした。
＊入射光Ｌの中心波長；１１００ｎｍから１５００ｎｍまで変化
なお、半導体基材２１の実効屈折率及び金属層３１の実効屈折率については、図５を参照して説明した際に例示した通りである。

試作した光検出構造１１の応答感度は、図１１に示すように｛入射光Ｌの照射時と消灯時との間で生じる電流（光電流）ｉ_ｐｈ［Ａ］／光強度［Ｗ］｝によって算出した。また、試作した光検出構造１１のＳＮ比は、［２０ｌｏｇ_１０｛（ｉ_ｐｈ／２［Ａ］）／暗電流のノイズｉ_Ｓ［Ａ］｝］によって算出した。なお、母数Ｎを考慮し、（Ｎ－１）で割る方式によってノイズｉ_Ｓを算出した。図１２に示すように、試作した光検出構造１１において、入射光ＬをＺ方向と平行且つ同じ向きで金属層３１に対して平行化された状態で半導体基材２１から照射した場合を背面照射（Ｂａｃｋｓｉｄｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）とした。一方、入射光ＬをＺ方向とは逆向きで金属層３１に対して平行化された状態で半導体基材２１を介さずに直接照射した場合を表面照射（Ｆｒｏｎｔｓｉｄｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）とした。

図１３に示すように、試作した光検出構造１１の応答感度（Ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｉｔｙ）は、表面入射に比べて背面入射の場合の方が約９倍高かった。このことによって、背面照射を行った場合、光検出構造１１におけるショットキー障壁へのエネルギー損失を抑えて入射光Ｌを金属層３１に照射することができたと考えられる。また、試作した光検出構造１１の応答感度は、背面入射及び表面入射の何れの場合においても入射光Ｌの中心波長が１１００ｎｍから１５００ｎｍに増大するにしたがって、低下した。

［実施例２・比較例２］
実施例２として、図１４に模式的に示すように、実施例１と同様のＳｉ基板からなる半導体基材２１の第２面２４の中央部のＸ方向の大きさ；２ｍｍ×Ｙ方向の大きさ；２ｍｍの矩形状の領域内に、実施例１及び図８を参照して説明した寸法及びパラメータで凹部７０及び金属層３１を形成した。さらに、半導体基材２１の第１面２３からＺ方向の後方に屈折レンズ１２０を離間させて配置した。屈折レンズ１２０及び入射光Ｌ等に関する各種パラメータは、以下のとおりである。実施例２では、Ｚ方向から見たときに、第２面２４において金属配置領域６０のうち入射光Ｌが照射される金属配置領域６２は、光照射領域５０よりも小さい。
＊屈折レンズ１２０（製品名）；Ｌｉｂａ２０００＋（Ｇｌａｓｓ）（製造元；エドモンド・オプティクス・ジャパン株式会社）
＊屈折レンズ１２０の実効屈折率；１．５２００＋０．００１０
＊屈折レンズ１２０の開口数（ＮＡ）；０．７１
＊Ｚ方向での第１面２３と平坦面１２２との離間距離；２．１９ｍｍ
＊入射光Ｌのビーム直径ｒ；５ｍｍ

比較例２として、図１５に模式的に示すように、屈折レンズ１２０を配置しない点と、凹部７０及び金属層３１を形成する金属配置領域６０をＸ方向の大きさ；１０ｍｍ×Ｙ方向の大きさ；１０ｍｍに拡大した点以外は、実施例２と同様に構成した。比較例２では、Ｚ方向から見たときに、第２面２４において金属配置領域６０のうち入射光Ｌが照射される金属配置領域６２は、光照射領域５０と略同じ大きさを有する。

図１４に示すように屈折レンズ１２０を配置した場合と、図１５に示すように従来と同様に屈折レンズ１２０を配置しない場合では、図１６に示すように、入射光Ｌの波長が１１００ｎｍから１５００ｎｍの範囲内で応答感度が互いに同等であった。応答感度は、金属配置領域６０、６２の大きさに依存せず、入射光Ｌの光強度によって決まるため、前述の結果が得られたと考えられる。すなわち、光検出構造１１と屈折レンズ１２０とを備える光検出器では、屈折レンズ１２０を備えない従来の光検出器と同等の応答感度を実現可能であることを確認した。

一方、図１７に示すように、入射光Ｌの波長が１１００ｎｍから１５００ｎｍの範囲内で、図１４に示すように屈折レンズ１２０を配置した場合のＳＮ比が図１５に示すように屈折レンズ１２０を配置しない場合のＳＮ比よりも高かった。金属配置領域６０のうち入射光Ｌが照射される金属配置領域６２の小面積化によって、ＳＮ比が約８ｄＢ改善した。この結果から、光検出構造１１と光学素子１１１として屈折レンズ１２０とを備える光検出器を用いることにより、屈折レンズ１２０を備えない従来の光検出器に比べてＳＮ比が改善されることを確認した。

２１ 半導体基材
２３ 第１面
２４ 第２面
３１ 金属層
５０ 光照射領域
６０ 金属配置領域
１１１ 光学素子
１２０ 屈折レンズ（透過型レンズ）
１３０ 反射板
１２１、１３１ 凸曲面

Claims (9)

1. 入射光が照射可能に構成された光照射領域が配置された第１面と厚み方向で前記第１面とは反対側の第２面とを有する半導体基材と、
   前記第２面に接して配置された、又は前記第１面と前記第２面との間の前記半導体基材の内部に配置された金属層と、
   前記金属層に接続されている電極と、
   を備え、
   前記第１面と平行な方向において前記金属層が配置された金属配置領域は前記光照射領域よりも小さい、
   光検出構造。
2. 前記金属配置領域は前記第２面に配置され、
   前記金属配置領域には前記厚み方向で前記第２面から前記第１面に向かって凹む凹部が形成され、
   前記金属層は前記金属配置領域内の前記第２面と前記凹部の底面及び前記凹部の側面の少なくとも一部の面に形成されている、
   請求項１に記載の光検出構造。
3. 前記第１面に反射防止構造が形成されている、
   請求項２に記載の光検出構造。
4. 前記金属配置領域は前記内部に配置され、
   前記金属層は前記第１面と平行な方向に沿って形成されている、
   請求項１に記載の光検出構造。
5. 前記第１面及び前記第２面に反射防止構造が形成されている、
   請求項４に記載の光検出構造。
6. 請求項１に記載の光検出構造と、
   前記光照射領域から前記金属配置領域に対して前記入射光を集光状態で照射可能に構成された光学素子と、
   を備える、
   光検出器。
7. 請求項２又は請求項３に記載の光検出構造と、
   前記光照射領域から前記金属配置領域に対して前記入射光を集光状態で照射可能に構成された光学素子として、前記第１面から前記入射光の入射側に突出する凸曲面を有する透過型レンズと、
   を備える、
   光検出器。
8. 請求項４又は請求項５に記載の光検出構造と、
   前記光照射領域から前記金属配置領域に対して前記入射光を集光状態で照射可能に構成された光学素子として、前記第１面から前記入射光の入射側とは反対側に突出する凸曲面を有する反射板と、
   を備える、
   光検出器。
9. 入射光が照射可能に構成された光照射領域が配置された第１面と厚み方向で前記第１面とは反対側の第２面とを有する半導体基材と、前記第２面に接して配置された、又は前記第１面と前記第２面との間の前記半導体基材の内部の金属配置領域に配置された金属層と、前記金属層に接続されている電極と、を備える光検出構造に対して、前記光照射領域から前記金属配置領域に対して前記入射光を集光状態で照射する、
   光検出方法。

Images