JP4664123B2

JP4664123B2 - 検出器

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Publication number: JP4664123B2
Application number: JP2005167179A
Authority: JP
Inventors: 祥雅片桐; 弘幸篠島; 浩福田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2025-06-07
Also published as: JP2006344673A

Description

本発明は、情報通信技に用いる検出器に関するものであり、特に、超高速パルス光信号などの各種信号を検出する検出器に関するものである。

近年、情報通信の技術分野では、例えば１００Gbpsを越える光信号処理など超高速の信号の処理が望まれており、種々の基盤技術の検討が盛んに行われている。この一つには、例えば光ゲートスイッチなどの非線形光機能回路が挙げられる。この回路においては、光パルスを電気的に検出して、光回路による処理と電気回路による処理を融合させることが重要である。

光パルスを電気的に検出する光検出器としては、従来よりフォトダイオードが知られている。しかしながら、フォトダイオードは、測定光の強度に比例してフォトカレントが発生するため、超高速で微弱な光パルスを検出しようとすると、暗電流など光信号とは無関係な雑音が相対的に増大し、Ｓ／Ｎ比が大幅に劣化してしまう。

このため、非線形光機能回路には、光出力の増大に対して非線形に信号出力が増大する非線形型の光検出器を用いて光パルスを電気的に検出することが望ましい。この非線形型光検出器では、光パルスの頂点近傍のみを選択的に出力できるので、小さい雑音成分の影響を除去し、上述したようなフォトダイオードに関連する問題を解決することが可能である。このような非線形型の光検出器には、第二高調波発生（Second-Harmonic Generation:ＳＨＧ）を用いたものや多光子吸収過程を用いたものがある。

ＳＨＧでは、熱交換率が入射光強度の自乗に比例するので、効率よく雑音成分を除去することができる。ところが、ＳＨＧは、回転非対称な結晶や変換光と入射光の位相整合が必要であるなどの種々の制限があるため、これを光検出器に適用することは困難であった。

このため、近年では、多光子吸収過程による非線形光学効果を利用した光検出器が注目されている。多光子吸収過程とは、３次の非線形過程であり、大小を問わなければ殆どの光学材料が有している性質である。この多光子吸収過程のうち、光検出に用いられるのは主に２光子吸収過程である。例えば、価電子帯と伝導帯のエネルギー分布が図９に示すような物質において、一般に、バンドギャップエネルギーよりもエネルギーが小さい光子はその物質に吸収されない。しかしながら、光子２つのエネルギーの和がバンドギャップエネルギーを越えると、光子はその物質に吸収され、電子と正孔が発生する。これを２光子吸収過程という。この２光子吸収過程により発生したキャリアは、各々独立に半導体中を移動できる。このような２光子吸収過程を用いた光検出器を図１０に示す。

光検出器１００は、クラッドとなる絶縁体基板１０１と、この絶縁体基板１０１上に形成されたＳｉからなるコア１０２と、絶縁体基板１０１上においてコア１０２の一方の側面に隣接して形成されｎ型不純物が導入された半導体からなるｎ型領域１０３と、絶縁体基板１０１上おいてｎ型領域１０３と対向するコア１０２の他方の側面に隣接して形成されｐ型不純物が導入された半導体からなるｐ型領域１０４と、ｎ型領域１０３およびｐ型領域１０４上にそれぞれ形成された電極１０５，１０６とを有する。ここで、コア１０２中を伝播する光は、絶縁体基板１０１と平行で、かつ、ｎ型領域１０３とｐ型領域１０４とを結ぶ方向と直交する方向に進行する。

このような光検出器１００において、コア１０２中を伝播する光パルスにより２光子吸収過程が起こりキャリア、すなわち電子と正孔の対が発生する。この電子および正孔は、電極１０５，１０６間にバイアスを印加することにより、それぞれｎ型領域１０３とｐ型領域１０４とに捕捉される。この捕捉された電子および正孔を電極１０５，１０６から電流として検出することにより、光検出器１００は、コア１０２を伝播する光パルスを検出する。

T. K. Liang, et al. 、"Silicon waveguide two-photon absorption detector at 1.5mm wavelength for autocorrelation"、Appl. Phys. Lett.、Vol. 81, pp.1323-1325、2002年

一般に、光導波路では、コアの中心部を光が伝播するので、例えば単一モードのエネルギー分布は、コアの中心部が最も強度の高い単峰性の分布となる。このため、２光子吸収過程で発生する電子と正孔の密度は、コアの中心部が最も高くなる。したがって、上述した従来の光検出器１００において、コア１０２の中心部で発生した電子および正孔をコア１０２に隣接して形成されたｎ型領域１０３およびｐ型領域１０４で捕捉するためには、その電子および正孔をコア１０２の中心部分から周縁部まで移動させなければならない。しかしながら、従来の光導波路のコアでは、屈折率が高いとはいえ、単一モードの導波路でも数百ナノメートルの幅を有する。このため、コア１０２の中心部分から周縁部への電子および正孔の移動に必要な時間が長くなり、結果として高速応答を実現することが困難であった。

このように、光導波路などを用いた従来の検出器では、信号を高速に検出することが困難であった。そこで、本願発明は、従来の検出器では実現できなかった高速応答を実現できる検出器を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明にかかる検出器は、正の誘電率を有する第１の層と、この第１の層に接し負の誘電率を有する第２の層とを少なくとも有するポラリトン導波路と、このポラリトン導波路を伝播する電磁波によりキャリアを発生させるキャリア発生部と、このキャリア発生部からキャリアを取り出す電極部とを備えることを特徴とする。ここで、上記キャリアは、キャリア発生手段における多光子吸収過程により発生する電子と正孔である。

上記検出器において、キャリア発生部は、半導体から構成され、第１の層は、半導体からなる基板上に形成され、第２の層は、第１の層上に形成され、電極は、第１の層直下の基板内にそれぞれ離間して形成されたｐ型半導体領域およびｎ型半導体領域から構成されるようにしてもよい。これにより、第１の層と第２の層の界面を伝播する電磁波は、第１の層の下にあるキャリア発生手段でキャリアを発生させる。このキャリアは、第１の層直下のキャリア発生手段に形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層から抽出される。ここで、第１の層は、１０ｎｍ以下のＳｉＯ₂から構成されるようにしてもよい。

また、上記検出器において、互いに略平行なポラリトン導波路を少なくとも１対備え、キャリア発生部は、２つのポラリトン導波路の間に設けられているようにしてもよい。ここで、ポラリトン導波路は、ｐ型半導体層を第１の層とする第１のポラリトン導波路と、ｎ型半導体層を第１の層とする第２のポラリトン導波路とからなり、キャリア発生部は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間に形成された半導体層であり、電極部は、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層を含むようにしてもよい。これにより、第２の層の間隙に発生する電磁波は、第２の層の間に配設されたキャリア発生手段でキャリアを発生させる。このキャリアは、キャリア発生手段に隣接するｐ型半導体層およびｎ型半導体層から抽出される。

また、上記検出器において、第１の層およびキャリア発生部は、共通の半導体層であるようにしてもよい。ここで、電極部は、第１の層にそれぞれ隣接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層から構成されるようにしてもよい。これにより、第１の層と第２の層の間隙に発生する電磁波は、キャリア発生手段として機能する第１の層でキャリアを発生させる。このキャリアは、第１の層に隣接するｐ型半導体層およびｎ型半導体層から抽出される。

本発明によれば、正の誘電率を有する第１の層と、この第１の層に接し負の誘電率を有する第２の層と少なくとも有するポラリトン導波路と、このポラリトン導波路を伝播する電磁波によりキャリアを発生させるキャリア発生部と、このキャリア発生手段からキャリアを取り出す電極部とを設けることにより、キャリア発生手段で発生するキャリアを検出手段により高速に検出することができるので、高速応答が実現できる。

［第１の実施の形態］
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本実施の形態にかかる光検出器の構成を示す断面図、図２は、図１の平面図である。なお、図１および図２において、図１を正面視した際に、上方を上側、下方を下側とする。

本実施の形態にかかる光検出器１０は、半導体基板１１と、この半導体基板１１上面から半導体基板１１中に形成されたｐ型の不純物領域（ｐ型領域）１２と、半導体基板１１上面から半導体基板１１中にｐ型領域１２と離間して形成されたｎ型の不純物領域（ｎ型領域）１３と、半導体基板１１上に形成されｐ型領域１２およびｎ型領域１３の少なくとも一部を覆う平面視略帯状または短冊状の絶縁層１４と、この絶縁層１４上に形成された平面視略帯状または短冊状の金属膜（以下、「金属ストライプ」という）１５と、ｐ型領域１２の一部を含む半導体基板１１上に形成された電極１６と、ｎ型領域１３の一部を含む半導体基板１１上に形成された電極１７とを有する。本実施の形態においては、絶縁層１４と金属ストライプ１５とが所定の方向に延在し、これらの絶縁層１４および金属ストライプ１５とが界面を有することにより、直線状のポラリトン導波路が構成される。このポラリトン導波路とは、表面プラズモン・ポラリトン波（以下、「ＳＰＰ(Surface Plasmon-Polariton)波」と呼ぶ）を伝播させるものである。このＳＰＰ波について、以下に説明する。なお、図１における○×印は、ＳＰＰ波の伝播方向を意味する。

金属と誘電体の界面に局在可能な電磁波であるＳＰＰ波は、界面から離れるにつれて外側に向かって指数関数的に電場と磁場とが減衰する２次元的な形状の特殊な電磁波である。これは、金属の自由電子を電子気体として近似したときに得られる誘電率が下式（１）で表され、波長の比較的大きな近赤外線領域では、金属の誘電率が負となることに起因する。なお、下式（１）において、ε_mは比誘電率、ω_pはプラズマ振動数、ωは光波の角周波数、Ｎは電子数密度、ｅは電気素量、ｍは電子質量、ε₀は真空中の誘電率を意味する。

すなわち、このような負誘電体としての金属の界面に通常の正の誘電率（ε₁）を有する誘電体を配置し、Maxwell方程式をこの境界条件のもとに解くと、下式（２）に示す形式の解を導出することができる。なお、下式（２）において、Ｅは光波の電場、Ｈは界面内の磁場、βは伝搬係数、ｙは界面内の磁場と垂直方向、ｚは界面内の磁場の進行方向を意味する。

この解は、例えば、下式（３）、（４）に示す式で表すことができる。ここで、Ｓ₁，Ｓ₂は減衰パラメータ、ｋ₀は波数を意味する。

電場と磁場の各成分のうち界面に平行な成分は、連続の条件により金属、誘電体側でともに等しいが、界面に垂直な電場強度の比は（ε_m／ε₁）²となる。例えば、図３に示すように、波長１．５５μｍで、金属−空気界面に局在するＳＰＰ波の垂直電場強度比は約１００００となり、誘電体側で電場が飛躍的に増強される。

このように、ＳＰＰ波は、金属と誘電体との界面に局在する波である。このため、半導体を正の誘電体とみなしたとき、この半導体を金属と隣接させ、ＳＰＰ波の中心部で発生するキャリアを捕獲するためのソース・ドレイン領域をその半導体界面近傍に形成することにより、ソース・ドレインへの電子または正孔の移動時間は大幅に短縮され、高速応答が可能な光検出器を実現できる。

そこで、本実施の形態では、絶縁層１４および金属ストライプ１５により構成されるポラリトン導波路の途中でＳＰＰ波により半導体基板１１で発生したキャリアを抽出するため、ポラリトン導波路の任意の箇所近傍にｐ型領域１２およびｎ型領域１３を形成している。このような本実施の形態にかかる光検出器１の詳細について、以下に説明する。

半導体基板１１は、例えばＳｉなどからなる空乏領域となる低ドープの半導体基板から構成される。このような半導体基板１１の材料としては、後述するＳＰＰ波に対応する光信号を担う光子のエネルギーよりもバンドギャップエネルギーが大きくなければならないが、その光子エネルギーの２倍以下である必要はない。なお、この光子エネルギーの２倍以下という条件を満たす場合は、多光子吸収過程の中でも最も効率の高い２光子吸収過程による光吸収が半導体基板１１で発生する。

図４は、半導体基板１１、絶縁層１４および金属ストライプ１５におけるエネルギー分布を示す模式図である。ＳＰＰ波の吸収により半導体基板１１において発生したキャリアは、半導体基板１１表面に形成される空乏層１１ａに閉じ込められる。したがって、キャリアは３次元的に拡散することなくソースおよびドレインへ高速に輸送される。なお、半導体基板１１は、上述したように低ドープであり、ｐ型領域１２およびｎ型領域１３に対して空乏層として作用する。また、絶縁層１４は、キャリアがトンネルにより金属ストライプ１５へ流入しない程度の厚さに形成される。

ｐ型領域１２は、半導体基板１１の上面から半導体基板１１中にかけて形成されたｐ型の不純物領域である。このようなｐ型領域１２は、半導体基板１１の上面側から例えばＢなどの不純物を導入することにより形成される。このｐ型領域１２上には、絶縁層１４および電極１６が形成される。
ｎ型領域１３は、半導体基板１１の上面から半導体基板１１中にかけて形成されたｎ型の不純物領域である。このようなｎ型領域１３は、半導体基板１１の上面側から例えばＰなどの不純物を導入することにより形成される。このｎ型領域１３上には、絶縁層１４および電極１７が形成される。
これらのｐ型領域１２およびｎ型領域１３は、金属ストライプ１５を挟んだ両側にそれぞれ設けられる。

絶縁層１４は、図２に示すように、所定の方向に延在して形成される。このような絶縁層１４は、各種酸化膜などの絶縁物質から構成され、特にポテンシャル障壁が最も高いＳｉＯ₂を用いるのが望ましい。なお、絶縁層１４には、上述した材料のみならず、金属ストライプ１５を構成する材料に対して誘電率が正となる物質であれば各種物質を用いることができる。また、上述したように絶縁層１４は、ＳＰＰ波により半導体基板１１で発生したキャリアが金属ストライプ１５へのトンネルによる流入が阻止できる程度の厚さ、例えば５０ｎｍ以下、より望ましくは１０ｎｍ以下に形成される。

金属ストライプ１５は、図１に示すように、矩形断面を有する金属から構成され、絶縁層１４上に形成される。このような金属ストライプ１５には、ＳＰＰ波に対応する光信号の光周波数において誘電率が負であれば各種金属を用いることができるが、金、銀、白金などの貴金属や銅、アルミニウムなどが望ましい。例えば、光周波数が２００ＴＨｚ程度（近赤外領域）の場合、金属ストライプ１５の幅は数μｍ程度に形成される。

電極１６，１７は、金属等の誘電体からなり、半導体基板１１上においてそれぞれｐ型領域１２またはｎ型領域１３に接するように形成される。このような電極１６，１７を介して外部回路により電流が検出される。

次に、上述した光検出器１０による信号検出動作について説明する。まず、絶縁層１４および金属ストライプ１５の長手方向の一端に光パルス等の光信号が外部から入力されると、絶縁層１４および金属ストライプ１５の界面近傍において、その光信号に対応するＳＰＰ波が発生する。このＳＰＰ波は、絶縁層１４および金属ストライプ１５の界面の金属ストライプ１５表面を伝播し、絶縁層１４および金属ストライプ１５の他端に到達する。この他端に到達したＳＰＰ波は、そのままの状態または光信号に変換されて外部回路に出力される。

本実施の形態において、ポラリトン導波路を伝播するＳＰＰ波の電場や磁場の強度は、金属ストライプ１５直下の絶縁層１４の誘電率に支配される。したがって、絶縁層１４の厚さを１０ｎｍ程度と光の波長に比べて大幅に小さく形成することにより、絶縁層１４と金属ストライプ１５の界面に発生するＳＰＰ波の電場と磁場の大部分を半導体基板１１側に染み出させることができる。例えば、図５（ａ）に示すように、Ａｕ／ＳｉＯ₂界面に発生するＳＰＰ波の電場や磁場の強度は、絶縁層１４側にμｍオーダーの分布を有し、高々数十ｎｍの絶縁層１４の厚さよりも遙かに大きい。このため、ＳＰＰが持つエネルギーの大部分は、半導体基板１１側に染み出し、半導体基板１１に影響を及ぼす。

また、半導体基板１１側に染み出したＳＰＰ波のエネルギーは、半導体基板１１の誘電率の影響も受ける。例えば、半導体基板１１にＳｉ、絶縁層１４にＳｉＯ₂、金属ストライプ１５にＡｕを用いた場合、図５（ａ）を参照して説明したように、絶縁層１４と金属ストライプ１５との界面（Ａｕ／ＳｉＯ₂界面）には、５００ｎｍ以上に亘ってＳＰＰ波のエネルギーが分布する。また、このエネルギーの影響により、半導体基板１１と絶縁層１４との界面（Ａｕ／Ｓｉ界面）には、図５（ｂ）に示すように１００〜２００ｎｍ程度のＳＰＰ波のエネルギーが分布する。

これらの結果、ＳＰＰ波のエネルギーの半導体基板１１側への染み出しは、絶縁層１４と金属ストライプ１５との界面および半導体基板１１と絶縁層１４との界面に発生するＳＰＰ波のエネルギー分布の中間程度、すなわち数百ｎｍとなる。この値は、上述したように絶縁層１４の厚さよりも遙かに大きい。したがって、その半導体基板１１側に染み出したＳＰＰ波のエネルギーにより半導体基板１１が励起し、多光子吸収過程などによりキャリアが発生する。

半導体基板１１で発生したキャリアは、ｐ型領域１２およびｎ型領域１３近傍の金属ストライプ１５にバイアス電圧を印加することにより、それぞれｐ型領域１２およびｎ型領域１３に取り込まれ、電極１６，１７を介してから電流として検出される。これにより、ポラリトン導波路を伝播するＳＰＰ波が検出される、すなわち、外部回路においてそのＳＰＰ波に対応する光信号が検出されることとなる。

ＳＰＰ波の染み出し電場が最も強いのは、金属／絶縁体界面、すなわち、絶縁層１４と金属ストライプ１５との界面に近い領域である。したがって、半導体基板１１で発生するキャリアは、その界面近傍、すなわち半導体基板１１と絶縁層１４との界面近傍に局在する。このため、本実施の形態では、絶縁層１４直下に半導体基板１１を挟むようにｐ型領域１２とｎ型領域１３とを形成している。このように、半導体基板１１と絶縁層１４との界面近傍にｐ型領域１２およびｎ型領域１３が設けることにより、半導体基板１１で発生するキャリアを高速に取り込むことができる。

なお、絶縁層１４および金属ストライプ１５の幅は例えば数μｍ程度など比較的広く形成されるが、導波路の底面に形成するｐ型領域１２とｎ型領域１３の間隔は、絶縁層１４および金属ストライプ１５の幅に影響されず、数百ｎｍ程度に狭く形成することが可能である。したがって、絶縁層１４および金属ストライプ１５の幅は、光検出器１０の検出動作の高速化を阻害しない。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図６は、本実施の形態にかかる光検出器の構成を示す要部断面図である。なお、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成要素については同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施の形態にかかる光検出器２０は、半導体基板１１と、この半導体基板１１の上面側に形成されたｐ型領域１２と、半導体基板１１の上面側にｐ型領域１２と離間して形成されたｎ型領域１３と、半導体基板１１のｎ型領域１３と接して形成され所定の方向に延在する平面視略帯状または短冊状の金属からなる下側金属ストライプ２１と、この下側金属ストライプ２１上に形成されｎ型の不純物が導入された半導体（ｎ型半導体層）２２と、このｎ型半導体層２２上に形成された半導体層２３と、この半導体層２３上に形成されｐ型の不純物が導入された半導体（ｐ型半導体層）２４と、このｐ型半導体層２４上に形成され平面視略帯状または短冊状の金属からなる上側金属ストライプ２５と、この上側金属ストライプ２５とｐ型領域１２とを接続する配線２６と、ｐ型領域１２の一部を含む半導体基板１１上に形成された電極１６と、ｎ型領域１３の一部を含む半導体基板１１上に形成された電極１７とを有する。ここで、少なくとも下側金属ストライプ２１とｎ型半導体層２２とから第１のポラリトン導波路が、また、ｐ型半導体層２４と上側金属ストライプ２５とから第２のポラリトン導波路が構成される。これら２つのポラリトン導波路は、互いに略平行に形成されている。これらポラリトン導波路の任意の箇所の近傍には、ポラリトン導波路を伝播するＳＰＰ波により半導体層２３で発生するキャリアを取り出すためのｐ型領域１２、ｎ型領域１３、電極１６，１７および配線２６が形成される。なお、図６において、図６を正面視した際に、上方を上側、下方を下側とする。また、図６に示す○×印は、ＳＰＰ波の伝播方向を意味する。

下側金属ストライプ２１は、ＳＰＰ波に対応する光信号の光周波数において誘電率が負であれば各種金属を用いることができるが、金、銀、白金などの貴金属や銅、アルミニウムなどが望ましい。また、下側金属ストライプ２１の幅は、伝播させるＳＰＰ波の光周波数に対応して形成される。

ｎ型半導体層２２は、下側金属ストライプ２１と同等の形状を有し、下側金属ストライプ２１の上面に形成された例えばＰなどの不純物が導入された半導体領域である。このｎ型半導体層２２には、下側金属ストライプ２１を構成する材料に対して誘電率が正となる半導体物質であれば各種物質を用いることができる。

半導体層２３は、下側金属ストライプ２１と同等の形状を有し、ｎ型半導体層２２の上面に形成された例えばＳｉなどからなる低ドープの半導体領域である。

ｐ型半導体層２４は、下側金属ストライプ２１と同等の形状を有し、半導体層２３の上面に形成された例えばＢなどの不純物が導入された半導体領域である。このｐ型半導体層２４には、上側金属ストライプ２５を構成する材料に対して誘電率が正となる半導体物質であれば各種物質を用いることができる。

上側金属ストライプ２５は、下側金属ストライプ２１と同等の形状を有し、ｐ型半導体層２３の上面に形成される。このような上側金属ストライプ２５には、下側金属ストライプ２１と同様、ＳＰＰ波に対応する光信号の光周波数において誘電率が負であれば各種金属を用いることができるが、金、銀、白金などの貴金属や銅、アルミニウムなどが望ましい。また、上側金属ストライプ２５の幅は、下側金属ストライプ２１の場合と同様、伝播させるＳＰＰ波の光周波数に対応して形成される。

配線２６は、ｐ型領域１２と上側金属ストライプ２５とを電気的に接続する金属線路から構成される。なお、配線２６は、図６に示すような３次元配線構造のみならず、例えばワイヤーボンディングやビアホールなど、ｐ型領域１２と上側金属ストライプ２５とを電気的に接続できるのであれば、どのような接続方法を用いてもよい。

次に、上述した光検出器２０による信号検出動作について説明する。まず、第１のポラリトン導波路を構成する下側金属ストライプ２１とｎ型半導体層２２、および、第２のポラリトン導波路を構成するｐ型半導体層２４と上側金属ストライプ２５の長手方向の一端に光パルス等の光信号が外部から入力されると、下側金属ストライプ２１とｎ型半導体層２２との界面、および、ｐ型半導体層２４と上側金属ストライプ２５との界面にその光信号に対応するＳＰＰ波が発生する。このＳＰＰ波は、それらの界面を伝播し、下側金属ストライプ２１、ｎ型半導体層２２、ｐ型半導体層２４および上側金属ストライプ２５の長手方向の他端に到達する。この他端に到達したＳＰＰ波は、ＳＰＰ波のまま、または、光信号に変換されて外部回路に出力される。

本実施の形態のように２つの金属ストライプが対向配置された場合は、それぞれの金属ストライプの表面を伝播するＳＰＰ波のエネルギーが結合する。特に、下式（５）で示す電場となる非対称モード、すなわち、界面に垂直な方向に対して、異なる符号の表面電荷が各々の金属ストライプ表面に発生する場合は、カットオフがなく、金属ストライプ間の幅をいくら小さくしてもＳＰＰ波のエネルギーが伝播する。このような非対称モードでは、金属ストライプの間隙を伝播する電磁波のエネルギー密度は極めて高くなる。なお、下式（５）において、ｈは２つの金属ストライプに挟まれた部材の厚さを意味する。

また、金属ストライプ２１，２５の間隔が波長に比べて十分小さくなると、金属ストライプ２１，２５の間隙では、ＳＰＰ波のエネルギーがほぼ一定となる。例えば、図７に示すように、真空波長１．５５μｍに対応した光周波数を有するＳＰＰは、厚さ２００ｎｍのＡｕ／ＳｉＯ₂／Ａｕ間隙では、ほぼ平坦な強度分布を有し、金属側の数ｎｍの領域で急激に減衰する。したがって、低ドープの半導体層２３中心部でのＳＰＰ波の強度の分布の窪みは無視でき、高効率のキャリア発生が可能となる。このため、下側金属ストライプ２１と上側金属ストライプとの間隔は、高々１．５μｍが望ましい。

上述したようなＳＰＰ波が伝播している状態において、ｐ型領域１２およびｎ型領域１３近傍の下側金属ストライプ２１と上側金属ストライプ２５との間にバイアス電圧を印加すると、半導体２３で発生したキャリアは移動する。具体的には、電子は、ｎ型半導体層２２に取り込まれ、下側金属ストライプ２１およびｎ型領域１３を介して、電極１７から外部回路に出力される。一方、正孔は、ｐ型半導体層２４に取り込まれ、上側金属ストライプ２５、配線２６およびｐ型領域１２を介して、電極１６から外部回路に出力される。これにより、ポラリトン導波路を伝播するＳＰＰ波が電流値として検出され、結果として、外部回路においてＳＰＰ波に対応する光信号が検出されることとなる。

このように、本実施の形態によれば、下側金属ストライプ２１および上側金属ストライプ２５の間にｎ型半導体層２２、半導体層２３およびｐ型半導体層２４を設けることにより、下側金属ストライプ２１および上側金属ストライプ２５の間隙を伝播するＳＰＰ波により効率的にキャリアを発生させるとともに、このキャリアを半導体層２３に隣接するｎ型半導体層２２およびｐ型半導体層２４から高速に取り込むことができるので、結果として高速応答が実現できる。

なお、本実施の形態において、半導体層２３で発生したキャリアは、ｎ型領域１３およびｐ型領域１３を介さずに、下側金属ストライプ２１および上側金属ストライプ２５から直接に取り出すようにしてもよい。この場合、下側金属ストライプ２１および上側金属ストライプ２５それぞれにキャリア取り出し用の電極を接続することにより実現することができる。
また、半導体層２３で発生したキャリアは、下側金属ストライプ２１および上側金属ストライプ２５を介さずに、ｎ型半導体層２２およびｐ型半導体層２４から直接に取り出すようにしてもよい。この場合には、ｎ型半導体層２２およびｐ型半導体層２４それぞれにキャリア取り出し用の電極を接続することによって実現することができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図８は、本実施の形態にかかる光検出器の構成を示す要部断面図である。なお、本実施の形態において、第１，２の実施の形態と同等の構成要素については同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施の形態にかかる光検出器３０は、半導体基板１１と、この半導体基板１１の上面に埋設され所定の方向に延在する平面視略帯状または短冊状の形状を有する金属ストライプ３１と、この金属ストライプ３１を含む半導体基板１１上において金属ストライプ３１に沿って形成された断面矩形の半導体ストライプ３２と、半導体基板１１上において半導体ストライプ３２の一方の側面に形成されたｎ型領域３３と、半導体基板１１上において半導体ストライプ３２の他方の側面に形成されたｐ型領域３４と、半導体基板１１の上面並びにｎ型領域３３の側面および上面に亘って形成された電極３５と、半導体基板１１の上面並びにｐ型領域３４の側面および上面に亘って形成された電極３６とを有する。ここで、少なくとも金属ストライプ３１および半導体ストライプ３２により、直線状のポラリトン導波路が構成される。ポラリトン導波路の任意の箇所の近傍には、ポラリトン導波路を伝播するＳＰＰ波により半導体ストライプ３２で発生したキャリアを取り出すためのｎ型領域３３、ｐ型領域３４および電極３５，３６により取り出される。なお、図８において、図８を正面視した際に、上方を上側、下方を下側とする。また、図８に示す○×印は、ＳＰＰ波の伝播方向を意味する。

半導体基板１１は、例えばＳｉなどからなるｐ型半導体基板などの絶縁体基板から構成される。

金属ストライプ３１は、図８に示すように、矩形断面を有し、半導体基板１１に埋め込まれたような状態に形成される。このとき、金属ストライプ３１の上面は、金属ストライプ３１が埋め込まれた部分を除く半導体基板１１の上面と同一平面を構成する。このような金属ストライプ３１には、ＳＰＰ波に対応する光信号の光周波数において誘電率が負であれば各種金属を用いることができるが、金、銀、白金などの貴金属や銅、アルミニウムなどが望ましい。また、金属ストライプ３１の幅は、伝播させるＳＰＰ波の光周波数に対応させて形成される。

半導体ストライプ３２は、平面視略帯状または短冊状で、かつ、矩形断面を有するノンドープの半導体領域であり、金属ストライプ３１上を含む半導体基板１１上に形成され、金属ストライプ３１の長手方向と同じ方向に延在する。この半導体ストライプ３２には、金属ストライプ３１を構成する材料に対して誘電率が正となる半導体物質であれば各種物質を用いることができる。

ｎ型領域３３は、半導体ストライプ３２の長手方向に沿った一方の側面に隣接して形成され、例えばＰなどの不純物が導入された半導体領域である。
ｐ型領域３４は、半導体ストライプ３２の他方の側面に隣接して形成され、例えばＢなどの不純物が導入された半導体領域である。
これらのｎ型領域３３およびｐ型領域３４は、半導体ストライプ３２を挟むように半導体ストライプ３１の両側に形成される。

電極３５は、金属からなり、半導体基板１１の上面並びにｎ型領域３３の側面および上面にかけて形成される。電極３６は、金属からなり、半導体基板１１の上面並びにｐ型領域３４の側面および上面にかけて形成される。ここで、電極３５および電極３６は、それぞれｎ型領域３３またはｐ型領域３４とオーミックコンタクトしている。このような電極３５，３６に接続された外部回路により、電流値が検出される。

次に、上述した光検出器３０による信号検出動作について説明する。ます、ポラリトン導波路を構成する金属ストライプ３１および半導体ストライプ３２の長手方向の一端に光パルス等の光信号が外部から入力されると、金属ストライプ３１と半導体ストライプ３２の界面にその光信号に対応するＳＰＰ波が発生する。このＳＰＰ波は、金属ストライプ３１および半導体ストライプ３２の界面の金属ストライプ３１表面を伝播し、金属ストライプ３１および半導体ストライプ３２の他端に到達する。この他端に到達したＳＰＰ波は、そのままの状態、または、光信号に変換されて外部回路に出力される。

ポラリトン導波路を伝播するＳＰＰ波は、半導体ストライプ３２側の電場を増強する。これにより、半導体ストライプ３２は励起状態となり、多光子吸収過程などによりキャリアが発生する。このキャリアは、ｎ型領域３３およびｐ型領域３４近傍の金属ストライプ３１にバイアス電圧を印加することにより、ｎ型領域３３およびｐ型領域３４に取り込まれ、電極３５，３６から電流として外部回路に出力される。これにより、ポラリトン導波路を伝播するＳＰＰ波が外部回路に検出され、結果として、そのＳＰＰ波に対応する光信号が検出されることとなる。

このように本実施の形態によれば、金属ストライプ３１上に半導体ストライプ３２を設け、この半導体ストライプ３２の側面にｎ型領域３３およびｐ型領域３４を設けることにより、ポラリトン導波路を伝播するＳＰＰ波により半導体ストライプ３２に発生するキャリアをｎ型領域３３およびｐ型領域３４に高速に取り込むことができるので、結果として高速応答が実現できる。

なお、本実施の形態において、電極３５，３６は、半導体基板１１の誘電率を考慮し、インピーダンス整合したマイクロストリップ線路とするようにしてもよい。

また、第１〜第３の実施の形態では、光信号に対応するＳＰＰ波を検出する光検出器について説明したが、本発明は、光信号のみならず、ＳＰＰ波として検出可能な信号であれば各種信号の検出することができる。

本発明の第１の実施の形態の光検出器の構成を示す断面図である。図１の平面図である。金属／誘電体界面に発生するＳＰＰを説明する図である。金属／絶縁層／半導体層におけるエネルギーダイアグラムと光吸収によるキャリア発生を説明するための図である。（ａ）Ａｕ／ＳｉＯ₂界面に発生するＳＰＰ波の強度分布を示す図、（ｂ）Ａｕ／Ｓｉ界面に発生するＳＰＰ波の強度分布を示す図である。本発明の第２の実施の形態の光検出器の構成を示す断面図である。Ａｕ／ＳｉＯ₂／Ａｕ間隙に発生するＳＰＰ波の強度分布を示す図である。本発明の第３の実施の形態の光検出器の構成を示す断面図である。多光子吸収過程を説明する図である。従来の光検出器の構成を示す断面図である。

符号の説明

１０，２０，３０…光検出器、１１…半導体基板、１１ａ…空乏層、１２…ｐ型領域、１３…ｎ型領域、１４…絶縁層、１５…金属ストライプ、１６，１７，３５，３６…電極、２１…下側金属ストライプ、２２…ｎ型半導体層、２３…半導体層、２４…ｐ型半導体層、２５…上側金属ストライプ、２６…配線、３１…金属ストライプ、３２…半導体ストライプ、３３…ｎ型領域、３４…ｐ型領域。

Claims

正の誘電率を有する第１の層と、この第１の層に接し負の誘電率を有する第２の層とを少なくとも有するポラリトン導波路と、
このポラリトン導波路を伝播する電磁波によりキャリアを発生させるキャリア発生部と、
このキャリア発生部から前記キャリアを取り出す電極部と
を備えることを特徴とする検出器。
前記キャリアは、前記キャリア発生部における多光子吸収過程により発生する電子と正孔である
ことを特徴とする請求項１記載の検出器。
前記キャリア発生部は、半導体から構成され、
前記第１の層は、前記半導体からなる基板上に形成され、
前記第２の層は、前記第１の層上に形成され、
前記電極は、前記第１の層直下の前記基板内にそれぞれ離間して形成されたｐ型半導体領域およびｎ型半導体領域から構成される
ことを特徴とする請求項１または２記載の検出器。
前記第１の層は、１０ｎｍ以下のＳｉＯ₂から構成される
ことを特徴とする請求項３記載の検出器。
互いに略平行な前記ポラリトン導波路を少なくとも１対備え、
前記キャリア発生部は、２つの前記ポラリトン導波路の間に設けられている
ことを特徴とする請求項１または２記載の検出器。
前記ポラリトン導波路は、ｐ型半導体層を前記第１の層とする第１のポラリトン導波路と、ｎ型半導体層を前記第１の層とする第２のポラリトン導波路とからなり、
前記キャリア発生部は、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に形成された半導体層であり、
前記電極部は、前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層を含む
ことを特徴とする請求項５記載の検出器。
前記第１の層および前記キャリア発生部は、共通の半導体層である
ことを特徴とする請求項１または２記載の検出器。
前記電極部は、前記第１の層にそれぞれ隣接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層から構成される
ことを特徴とする請求項７記載の検出器。