JP5660991B2

JP5660991B2 - 光電変換素子およびイメージセンサ

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Publication number: JP5660991B2
Application number: JP2011167109A
Authority: JP
Inventors: 新平小川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2031-07-29
Also published as: US20120068049A1; US8653431B2; JP2012083336A

Description

本発明は、プラズモニクスにより光を電流に変換する光電変換素子、およびこの光電変換素子を用いたイメージセンサに関する。

従来の光電子変換技術を用いた光電変換素子は、フォトダイオードや量子型赤外線センサのように半導体のバンドギャップを利用した素子が主流であったが、光の回折限界を超えた分解能を有することができない。例えば半導体の光電変換素子をセンサに応用した場合には、光の回折限界に起因する検出限界が問題になっていた。これに対し、回折限界の無い表面プラズモンを電流に変換する光電変換素子が提案されていた（例えば、「特許文献１」参照）。

特開平８−２６４８２１号公報

しかしながら、表面プラズモンを励起するために、光電変換素子の表面に対して、光を所定の角度で入射させることが必要であり、このためのプリズムが必要であった。特に、光電変換素子をイメージセンサに使用する場合、入射光の大半が光電変換素子の表面に対して垂直入射であるため、入射光が表面プラズモンを励起しないという問題があった。また、電流の取り出しには、光電変換素子の裏面を含めた二つの電極が必要であった。

そこで、本発明は、プリズム等を用いることなく垂直入射光に対しても表面プラズモンを励起可能な光電変換素子の提供を目的とする。

即ち、本発明は、表面プラズモンを用いる光電変換素子であって、光電変換素子の最表面に設けられ、表面と裏面とを有して表面で入射光を受ける、金属からなる板状の受光部と、受光部の表面に設けられた溝状のスリットと、受光部の表面の電位を測定する電圧検出部とを含み、スリットにより入射光が表面プラズモンを励起し、表面プラズモンにより生じた受光部の表面電位を電圧検出部で測定することを特徴とする光電変換素子である。

以上のように、本発明にかかる光電変換素子では、スリット構造によって、垂直入射光に対しても表面プラズモンを発生させることができ、回折限界無しに、簡単な構造で入射光の検出が可能となる。

本発明の実施の形態１にかかる光電変換素子の斜視図である。本発明の実施の形態１にかかる光電変換素子の断面図である。本発明の実施の形態１にかかる他の光電変換素子の断面図である。本発明の実施の形態１の原理を説明するためのスリットの無い場合の受光部の概略図である。本発明の実施の形態１の原理を説明するためのスリットの有る場合の受光部の概略図である。本発明の実施の形態１にかかる他の光電変換素子の断面図である。本発明の実施の形態１にかかる他の光電変換素子の断面図である。本発明の実施の形態２にかかる光電変換素子の断面図である。本発明の実施の形態３にかかる光電変換素子の断面図である。本発明の実施の形態４にかかる光電変換素子の断面図である。本発明の実施の形態５にかかる光電変換素子の断面図である。本発明の実施の形態６にかかる光電変換素子アレイの平面図である。本発明の実施の形態７にかかる光電変換素子アレイの平面図である。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる光電変換素子の斜視図であり、図２は図１の光電変換素子をＩ−Ｉ方向に見た場合の断面図である。

光電変換素子１００は、支持基板２と、その上に形成された受光部１とを有する。支持基板２は、絶縁性で、受光部１を保持するものであればよく、例えばシリコンやガラスからなる。受光部１は、表面プラズモンを励起可能な金属からなり、例えば金や銀が用いられる。受光部１は、支持基板２の上にスパッタ、蒸着、めっき等で形成されるが、受光部１が十分な厚さを有する場合は、支持基板２は必須ではない。

図１、２に示すように、受光部１には、所定の方向に延在した溝状のスリット（ナノスリット）３が設けられている。スリット３は、幅ｗは数１００ｎｍで、深さｄは５μｍ以下が望ましい。スリットの幅は、検出したい波長に応じて、最大の結合効率を与えるように設定される。スリット３は、受光部１に対して電子線描画を用いたリソグラフィやナノインプリントによりマスクを形成し、マスクを用いたイオンビームエッチングやＦＩＢによって形成される。

更に、光電変換素子１００は、受光部１と支持基板２との間の電圧を測定する電圧検出部４を有する。電圧検出部４は、例えば一般的な電圧検出機能を有する電子回路からなり、受光部１の表面の電位を測定する。図２の光電変換素子１００では、電圧測定の基準点は支持基板２であるが、支持基板２を接地しても良い。また、例えば図３に示す光電変換素子１５０のように、外部に接地点を設定してもよい。

次に、光電変換素子１００の動作原理について説明する。
まず、スリットの無い光電変換素子（図２で、受光部１がスリット３を有さない場合）について考える。光が媒質１（真空）を伝搬し、媒質２（受光部１）に入射し、これらの境界面で表面プラズモンに変換されるとする。入射光の角周波数をω、波数をｋ、表面プラズモン伝搬方向の波数をｋ_ｘ、真空中の高速をｃ、光が伝搬する媒質１の誘電率をε_１、屈折率をｎ、入射する媒質２の誘電率をε_２、入射角（入射表面の法線と入射光とのなす角）をθとすると、一般に、

......（式１）

の関係が成立する。ただし、誘電率を複素誘電率とした場合は、

......（式２）

となる。ただし、誘電率

は、規格化された誘電率であり、括弧のＲ内は、括弧の中の実数部を表わす。この分散関係は、真空中の分散関係を表す次式、

......（式３）

とは係数が一致しないため、真空中では、このプラズモン共鳴が発生しないことが分かる。

これに対して、分散関係がより近いエバネッセント波を用いれば、プラズモン共鳴を起こし、表面プラズモンを励起することができる。ここで、エバネッセント波の分散関係は、

......（式４）

で表される。従って、表面プラズモンを励起する条件は、（式１）と（式４）から次式で表される。

......（式５）

つまり、表面プラズモンを励起するには、（式５）が成立するように入射角θを調整してマッチング（表面プラズモン共鳴）させなければならない。よって、上述の特許文献１では、表面プラズモンの励起に関して、強い入射角依存性が現れる。即ち、特許文献１に示したようなスリットの無い平坦な構造を用いる場合、垂直方向の入射光に対しては殆ど表面プラズモンが発生しない。このため、プリズム等を用いた入射角θの調整が必要となる。例えば、図４では、表面プラズモンを励起する条件（式５）が成立するように、入射方向が斜め方向（破線で表す方向）となるように入射角θを調整している。

次に、本実施の形態１にかかる、スリット３を有する光電変換素子１００について説明する。ここで、スリット３のスリット幅をｗ、深さをｄ、検出対象の入射波の波長をλとした場合、少なくともｗはλ／２程度以下とする。この場合、高次の回折光を生じないため、入射波はスリット３内で強く共振する導波モードを形成する。また、スリットから反射される反射波は、スリットを中心とした擬似的な円筒波となる。

反射波が円筒波の場合、図５に示すように、スリット３を中心とし、スリット３からの距離をｒとした円筒座標系を用いて表せば、ｒが十分大きな場合、Ａを定数とすると、全ての方向ψに対して、反射波は、

......（式６）

で表せる。つまり、スリット３により、垂直入射光の一部がψ＝９０°成分（受光部１表面に平行）の円筒波に変換される。受光部１の表面では波数成分ｋ_ｘを持つため、スリット３の両端の受光部１の表面において、（式１）に示す波数のマッチング（プラズモン共鳴）関係を満たす。このように、スリット幅ｗのスリット３を金属表面に形成することで、垂直入射光（θ＝０）に対しても、（式５）のミスマッチ関係が克服され、入射光の波数ｋと表面プラズモンモードとのカップリングが可能になる。

以上で述べたように、受光部１にスリット３を設けることにより、受光部１の表面に垂直に入射する光を、金属表面近傍の自由電子波の伝搬によって表面を伝搬する電磁波（表面プラズモン、あるいは表面プラズモンポラリトン）に変換することができる。このため、スリットの無い構造で必要であった、入射角θを調整するためのプリズムが不要となる。そして受光部１の表面の電位を電圧検出部４によって検出することで、入射光の強度を検出することができる。

なお、図６に示す光電変換素子２００のように、スリット３は、受光部１を貫通して支持基板２に達する構造としても良い。

本実施の形態１にかかる光電変換素子１００では、受光部１に設けられたスリット３の構造パラメータとしては、幅ｗと、深さｄによって表面プラズモンへの変換効率が決定される。

スリット３の幅ｗは、スリット３内に共振モード（導波モード）を形成するために、検出波長の半波長以下が好ましく、変換効率も半波長程度で最大となる。例えば、受光部１が銀であり、スリット深さｄが３μｍ、波長６００ｎｍの垂直方向の入射光に対して、ＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain：時間領域差分）法によって解析した結果、最大の結合効率（表面プラズモン変換）を与えるスリット幅は２５０ｎｍから３５０ｎｍ程度であることが分かった。

スリット３の深さｄは、図２に示すようなスリット３が受光部１を貫通していない場合は、近接場光を発生させるため、１００ｎｍ以下が好ましく、この範囲内で最大の結合効率が得られる。一方、図６のようにスリット３が受光部１を貫通している場合は、入射光の波長における、受光部１の材料に対する侵入長さよりも、スリット３の深さｄは深くなければならない。

図７は、全体が３００で表される、本実施の形態１にかかる他の光電変換素子の断面図である。光電変換素子３００では、支持基板２の上にスリットが形成されたナノ構造１１を形成し、その上に受光部１を金属スパッタ等で形成している。ナノ構造１１は、例えばシリコンからなる。受光部１の金属の厚さは、入射光の波長の侵入長より大きければよい。つまり、入射光が受光部１の金属を透過しなければよい。例えば、入射光の波長が５μｍ、受光部１が金の場合、受光部１の侵入長は１０ｎｍ程度であるので、受光部１の厚さは５０ｎｍあれば十分である。

このように、本実施の形態１にかかる光電変換素子では、表面に対して垂直入射する光であっても、表面を伝搬する表面プラズモン（あるいは表面プラズモンポラリトン）に変化することができ、これを検出することにより入射光の検出が可能となる。また、入射角θを調整するプリズム等が不要となり、光電効果素子の構造が簡単になる。

また、受光部１の表面と、基準点（例えば接地点）の間の電圧を検出するため、光電変換素子の裏面に電極を設ける必要がなく、構造の簡略化が可能となる。

実施の形態２．
図８は、全体が４００で表される、本発明の実施の形態２にかかる光電変換素子の断面図である。図８中、図１、２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。光電変換素子４００では、スリット３の断面がくさび形である以外は、上述の光電変換素子１００と同じ構造である。

光電変換素子４００では、断面をくさび形（Ｖ字型の溝）とすることにより、スリット３の底で、極めて狭い空間に電界が局在し、電界が増強される。このため、スリット３の底において、表面プラズモンに変換される波長の電界強度を選択的に増強させることが可能となり、この結果、波長の表面プラズモンへの結合効率を高めることが出来る。

また、光電変換素子４００では、スリット３の壁面が、光電変換素子１００のように垂直ではないため、（式３）のマッチング関係を変化させ、表面プラズモンにカップリングする波長を変化させることが出来る。つまり、スリット３の壁面傾斜角（法線に対する角度）をφとすると、（式４）のθがφによって制御できる。よって、表面プラズモンへの変換効率、変換波長がφによって制御できることが分かる。これにより、スリット３の形状（壁面の傾斜角φ）を変えることにより、検出波長を選択することが可能となる。

実施の形態３．
図９は、全体が５００で表される、本発明の実施の形態３にかかる光電変換素子の断面図である。図９中、図１、２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。光電変換素子５００では、受光部１がスリット３を有するとともに、スリット３に平行に配置された、溝状の反射用スリット５を有する。

反射用スリット５は、スリット３を挟んで、電圧検出器４で電位が測定される部分と反対側に設けられる。反射用スリット５の垂直断面は矩形形状であり、深さｄは、スリット３より浅く、幅ｗは同程度である。反射用スリット５は、複数設けることが好ましい。後述するように、反射用スリット５の数が多いほど、表面プラズモンの検出効率を向上させることができる。また、反射用スリット５はブラッグ回折格子と考えられ、その周期（ピッチ）は検出波長のおよそ１／４程度である。

ここで、表面プラズモンの波数をｋ_ｓｐ、反射用スリット５の周期（ピッチ）をＰ、プラズモンの次数をｍとした場合、

......（式７）

の関係を満たす場合に反射率が高くなる。従って、（式７）を満たすような反射用スリット５を設けることにより、スリット３の両側に発生する表面プラズモンの内、反射用スリット５側の表面プラズモンが反射され、電圧検出部４側に伝わり、電圧検出部４側の表面プラズモンの強度が増加する。これにより電圧検出部４で検出される電圧が高くなり、光電変換効率および検出効率が高くなる。

実施の形態４．
図１０は、全体が６００で表される、本発明の実施の形態４にかかる光電変換素子の断面図である。図１０中、図１、２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。光電変換素子６００では、受光部１が、所定のピッチで周期的に平行に設けられた、複数の溝状のスリット６を有する。スリット６の周期（ピッチ）は、検出波長と同程度である。

このように、検出部１の表面に周期構造を設けると、通常の入射光で表面プラズモンが励起できる。つまり、表面プラズモンの波数ベクトルを

入射光の波数ベクトルを

逆格子ベクトルを

とすると、

......（式８）

の関係が成立する。例えば、１次元の周期構造の場合、表面プラズモンの波数を

入射光の波数を

入射角をθ、構造の周期（ピッチ）をＴ、ｍを整数とすると、以下のような関係が成立する。

......（式９）

（式９）から明らかなように、周期構造により、波数のミスマッチが克服され、垂直入射光（θ＝０）に対しても表面プラズモンが励起され、表面に結合することが分かる。また、垂直入射光の場合、表面に励起されるモードは周期にほぼ等しくなる。従って、周期的スリット６を受光部１の表面に設けることで、周期に対応した特定の波長の光を表面プラズモンに変換する効率が大きくなるため、波長選択的な検出が可能となる。

実施の形態５．
図１１は、全体が７００で表される、本実施の形態５にかかる光電変換素子の断面図である。図１１中、図１、２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。光電変換素子７００では、支持基板２の上に絶縁層７が設けられ、その上に受光部１が設けられている。絶縁層７は、例えばＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＨＳＱ（Hydrogen Silsesquioxane）からなる。また、光電変換素子２００と同様に、スリット３、受光部１を貫通する構造となっている。

光電変換素子７００では、スリット３により変換された表面プラズモンは、受光部１の表面だけでなく、スリット３の下部の絶縁層７にも局在する。絶縁層７の膜厚は、受光部１と下部支持基板２の材料、検出波長に依存した光の進入長に依存するが、例えば受光部１が銀の場合、絶縁層７の膜厚は１０ｎｍから１００ｎｍ程度である。

上述のように、光電変換素子７００では、受光部１の表面だけでなく、スリット３の射出面（絶縁層７との界面）においてもスリット３内で変換された表面プラズモンが局在することになる。これにより、受光部１の表面および裏面の双方で表面プラズモンが伝搬されるため、検出電圧を大きくすることができ、検出効率が高くなる。

実施の形態６．
図１２は、光電変換素子１００をマトリックス状に配置した光電変換素子アレイの上面図である。光電変換素子としては、実施の形態１〜５に示したいずれの光電変換素子を用いても構わない。なお、図１２では、電圧検出部４は図示していない。

実施の形態１〜５にかかる光電変換素子を一つの単位（ピクセル）としてアレイ化することにより、イメージセンサを形成できる。一つのピクセルは、幅ｗが数１００ｎｍのスリット３を含めばよいため、従来の数μｍのピクセルより小型化することが可能となり、分解能が向上する。

また、上述の特許文献１の光電変換素子では、垂直入射光（入射角θ＝０）に対して表面プラズモンが発生しないため、イメージセンサとして使用できなかった。これに対して、実施の形態１〜５にかかる光電変換素子では、垂直入射光に対しても表面プラズモンを発生させることができるため、図１２のようなイメージセンサとして使用することができる。

実施の形態７．
図１３は、光電変換素子１００をマトリックス状に配置した光電変換素子アレイの上面図である。光電変換素子アレイは、検出波長の異なる３種類のピクセル、即ち、検出波長λ１ピクセル８、検出波長λ２ピクセル９、および検出波長λ３ピクセル１０を含む。ピクセルの検出波長は、受光部１に形成されたスリット３の幅ｗを変えて、表面プラズモンへの変換効率の高い波長を変えることにより選択する。図１１のように、３種類の光電変換素子を設けることで、３種類の波長の分解能を有する光電変換素子アレイを得ることができる。

このように、ピクセルを構成する光電変換素子のスリット３の形状（特に幅）を変化させることで、検出波長の分解（選択）を行うことができる。例えば可視域であれば検出波長をＲＥＤ、ＧＲＥＥＮ、ＢＬＵＥに設定すればカラー画像の検出が可能となる。

１受光部、２支持基板、３スリット、４電圧検出部、５反射用スリット、６周期的スリット、７絶縁層、８検出波長λ１ピクセル、９検出波長λ２ピクセル、１０検出波長λ３ピクセル、１１ナノ構造、１００光電変換素子。

Claims

表面プラズモンを用いる光電変換素子であって、
光電変換素子の最表面に設けられ、表面と裏面とを有して表面で入射光を受ける、金属からなる板状の受光部と、
受光部の表面に設けられた溝状のスリットと、
受光部の裏面上に設けられた絶縁性の支持基板と、
受光部の表面の電位を測定する電圧検出部とを含み、
スリットにより入射光が表面プラズモンを励起し、表面プラズモンにより生じた受光部の電位を電圧検出部で測定することを特徴とする光電変換素子。
スリットで反射された入射光の一部が、表面プラズモン共鳴により表面プラズモンを励起することを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
スリットは、受光部の表面に垂直な断面が矩形であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
スリットは、受光部の表面に垂直な断面がＶ字型であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
電圧検出部が接続された表面と、スリットを挟んで反対側の表面に、スリットと平行に配置された、溝状の反射用スリットを含むことを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
受光部が、所定の周期で平行に設けられた、複数の溝状のスリットを含むことを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
受光部の裏面が絶縁層の表面上に接続され、スリットの底部に絶縁層の表面が露出することを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
請求項１〜７のいずれかに記載の光電変換素子をマトリックス状に配置したことを特徴とするイメージセンサ。
スリットの幅が互いに異なる光電変換素子を含む請求項８に記載のイメージセンサ。