JP5721597B2

JP5721597B2 - 半導体光素子および半導体光装置

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Publication number: JP5721597B2
Application number: JP2011207424A
Authority: JP
Inventors: 新平小川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2031-09-22
Also published as: JP2012208104A

Description

本発明は、半導体光素子および半導体光装置に関し、特に熱型の赤外線センサおよび赤外線センサアレイに関する。

従来の熱型赤外線センサでは、赤外線センサ自身は入射光の偏光を検出する機能を有していない。このため、特定の偏光を選択的に検出する場合、赤外線センサに様々な光学フィルタを設け、光学フィルタにより偏光を選択的に透過させて特定の偏光を検出していた。

特開平３−２９８２４号公報

しかしながら、偏光フィルタと赤外線センサを組み合わせた構造では、第１に、赤外線センサの他にフィルタが必要となり構造が複雑になる、第２に、どのようなフィルタを用いても必要な波長成分も部分的にカットされてしまい検出効率が低下する、第３に、複数の偏光を検出するためには、赤外線センサ毎に構造の異なるフィルタを装着しなければならず構造が複雑化する、等の問題があった。

そこで、本発明は、偏光フィルタのような追加の構造を用いることなく、特定の偏光の検出を可能にした赤外線センサおよび赤外線センサアレイの提供を目的とする。

本発明は、温度検知部と、温度検知部に熱的に接続された吸収体とを含み、吸収体に入射した光を検出する半導体光素子であって、吸収体の表面に含まれた第１方向と、第１方向とは異なる第２方向が規定され、吸収体は、第１方向に第１周期で設けられ、第２方向に第２周期で設けられた凹部を有し、第１周期と第２周期が異なることを特徴とする半導体光素子である。

また、本発明は、温度検知部と、温度検知部に熱的に接続された吸収体とを含み、吸収体に入射した光を検出する半導体光素子であって、吸収体の表面に含まれた第１方向と、第１方向とは異なる第２方向が規定され、吸収体は、第１方向および第２方向に周期的に設けられた凹部を有し、吸収体の表面における凹部の形状が第１方向と第２方向で異なることを特徴とする半導体光素子でもある。

また、本発明は、本発明にかかる半導体光素子をアレイ状に配置した半導体光装置でもある。

本発明にかかる赤外線センサでは、非対称な２次元周期構造を有する吸収体または吸収膜を用いることにより、赤外線センサのみで偏光の検出が可能となる。

本発明の実施の形態１にかかる赤外線センサアレイの斜視図である。本発明の実施の形態１にかかる赤外線センサの上面図である。本発明の実施の形態１にかかる赤外線センサ（吸収体なし）の上面図である。本発明の実施の形態１にかかる赤外線センサの断面図である。本発明の実施の形態１にかかる（ａ）赤外線センサのパターンと、（ｂ）偏光角度である。本発明の実施の形態１にかかる吸収体の吸収特性である。本発明の実施の形態１にかかる吸収体の吸収特性である。本発明の実施の形態１にかかる吸収体の吸収特性である。本発明の実施の形態２にかかる赤外線センサアレイの上面図である。本発明の実施の形態３にかかる赤外線センサアレイの上面図である。本発明の実施の形態４にかかる赤外線センサの上面図である。本発明の実施の形態４にかかる赤外線センサのパターンである。本発明の実施の形態４にかかる吸収体の吸収特性である。本発明の実施の形態４にかかる吸収体の吸収特性である。本発明の実施の形態４にかかる吸収体の吸収特性である。本発明の実施の形態５にかかる赤外線センサアレイの上面図である。本発明の実施の形態６にかかる赤外線センサアレイの上面図である。本発明の実施の形態７にかかる吸収体の上面図である。本発明の実施の形態７にかかる（ａ）赤外線センサのパターンと、（ｂ）配置角度である。本発明の実施の形態７にかかる吸収体の、吸収率の偏光特性を示す。本発明の実施の形態８にかかる赤外線センサアレイの上面図である。本発明の実施の形態９にかかる赤外線センサアレイの上面図である。本発明の実施の形態１０にかかる赤外線センサの断面図である。

実施の形態１．
図１は、全体が１０００で表される、本発明の実施の形態１にかかる熱型の赤外線センサアレイの斜視図である。赤外線センサアレイ１０００では、基板１の上に複数の熱型の赤外線センサ１００がマトリックス上に配置されている。赤外線センサ１００の周囲には、赤外線センサ１００により検出した信号を処理して画像を検出する検出回路１０１０が設けられている。

図２は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる熱型の赤外線センサの上面図である。また、図３は、吸収体１０を除去した赤外線センサ１００の平面図であり、明確化のために配線上の保護膜や反射膜は省略してある。また、図４は、図３の赤外線センサ１００をＩＩＩ−ＩＩＩ方向に見た場合の断面図（吸収体等を含む）である。

図２〜図４に示すように、赤外線センサ１００は、例えばシリコンからなる基板１を含む。基板１には中空部２が設けられ、中空部２の上には、温度検知部４が支持脚３により支持されている。支持脚３は、ここでは２本であり、図３に示すように、上方から見るとＬ字型に折れ曲がったブリッジ形状となっている。支持脚３は薄膜金属配線６とこれを支える誘電体膜１６を含んでいる。

温度検知部４は、検知膜５と薄膜金属配線６を含む。検知膜５は、例えば結晶シリコンを用いたダイオードからなる。薄膜金属配線６は支持脚３にも設けられ、検知膜５とアルミニウム配線７とを電気的に接続している。薄膜金属配線６は例えば厚さ１００ｎｍのチタン合金からなる。検知膜５が出力した電気信号は、支持脚３に形成された薄膜金属配線６を経由してアルミニウム配線７に伝わり、検出回路（図１の１０１０）により取り出される。薄膜金属配線６と検知膜５の間、および薄膜金属配線６とアルミニウム配線７との間の電気的接続は、必要に応じて上下方向に延在する導電体（図示せず）を介して行っても良い。

赤外線を反射する反射膜８は、中空部２を覆うように配置されている。但し、反射膜８と温度検知部４は熱的に接続されない状態で、支持脚３の少なくとも一部の上方を覆うように配置されている。

温度検知部４の上には、支持柱９が設けられ、その上に吸収体１０が支持されている。通常、支持柱９と吸収体１０は一体構造からなる。図２に示すように、赤外線センサ１００は、上方から見ると吸収体（吸収傘）１０のみが見える。吸収体１０は、例えばＡｕ、Ａｇなどの金属薄膜からなり、膜厚は数ｎｍ程度から数百ｎｍ程度であり、対象とする吸収波長において入射光の漏れ出しがない厚さが望ましい。ここでは、吸収体１０は金属薄膜の単層構造としたが、例えば１００〜２００ｎｍ程度の酸化シリコンなどの誘電体薄膜で金属薄膜の上下を挟み込んだ３層構造や、誘電体薄膜の上に金属薄膜を形成した２層構造を用いても良い。金属薄膜としてはＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌを用いることが好ましい。

吸収体１０には、円筒状の凹部１１が２次元的な周期構造を形成するように設けられている。但し、図２に示すように、ｘ軸方向の周期とｙ軸方向の周期は互いに異なり、これを非対称周期構造と呼ぶ。なお、非対称周期構造については後述する。

吸収体１０の膜厚は、吸収、熱時定数、材料の応力等を考慮して適宜決められる。図４から分かるように、吸収体１０は温度検知部４の上に支持柱９で接続されており、即ち、吸収体１０と温度検知部４は熱的に接続されている。一方、吸収体１０は、反射膜８とは熱的に接続されない状態で、反射膜８より上方に保持され、反射膜８の少なくとも一部を覆い隠すように側方に板状に広がっている。

かかる赤外線センサ１００では、入射した赤外線は主に吸収体１０で吸収される。一方、吸収体１０を透過した赤外線は、反射膜８で反射されて吸収体１０に裏面から入射して吸収される。吸収体１０に吸収された赤外線は熱に変換され、支持柱９を通って温度検知部４に伝わる。温度検知部４では、検知膜５の電気抵抗が温度により変化するため、外部に設けた検出回路でこれを検出することにより、赤外線の量を検出する。ここでは反射膜８を設けた構造を示したが、反射膜８は無くても良い。

次に、非対称周期構造を有する吸収体１０の吸収特性について説明する。図５（ａ）は、図２に示す赤外線センサ１００の吸収体１０の一部であり、図５（ｂ）は、入射光の電界の向きである。ここでは、凹部１１は円筒形状であり、ｘｙ平面における形状は円形となっている。図５（ａ）に示すように、ｄ：凹部１１の直径、ｐｘ：ｘ軸方向の周期、ｐｙ：ｙ軸方向の周期、ｈ：凹部１１の深さ、λ_ａｂ：吸収波長とする。

図６〜図８は、Ａｕからなる金属薄膜から形成され、ｄ＝３μｍ、ｐｘ＝６μｍ、ｐｙ＝４μｍ、ｈ＝１μｍの２次元非対称周期構造を有する吸収体１０の吸収特性を、厳密結合波解析により求めた結果（破線で表示）である。横軸は吸収波長、縦軸は吸収率を表す。

図６、７、８において、入射光の偏光角度θはそれぞれ０°、４５°、９０°である。なお、入射光の電界成分は、ｘ軸方向に平行（偏光角度０°）および、ｙ軸方向に平行（偏光角度９０°）な方向について解析した。従って、図５（ｂ）に示すように、偏光角度θは、ｘ軸方向が０°であり、ｙ軸方向に向かって角度が増加し、ｙ軸方向が９０°となる。また、比較例として、ｐｘ＝ｐｙ＝６μｍの対称周期構造の吸収特性も併せて示した（実線で表示）。

図６〜図８から、本発明の実施の形態１にかかる赤外線センサ１００では、吸収体１０が非対称周期構造を有することにより、偏光角度に対して吸収特性のプロファイル（吸収波長、吸収率）が変化することがわかる。即ち、凹部１１の周期を方向によって非対称とすることで、吸収特性に偏光依存性が現れる。ここでは、一つの具体例を用いて説明したが、例えば、ｐｘ＝５μｍ、ｐｘ＝６μｍの場合でも吸収特性の偏光依存性が見られる。つまり、周期に非対称性を導入することで、吸収特性が偏光依存性を有するようになり、所望の波長で偏光を検出するには、吸収体にこのような非対称周期構造を形成すればよいことがわかる。

ここでは、図５（ａ）のような正方格子型（直交する２方向に凹部を配列）を示したが、三角格子型（直交しない２方向、例えば４５の角度で凹部を配列）などの他の単位格子、あるいは放射状に凹部が周期的に配置されている構造においてもこの特性は成立する。

金属膜の表面に周期構造を設けることより、特定波長の光を選択的に吸収できる現象は、物理の分野においては、表面プラズモン、表面プラズモン共鳴、プラズモニクス、あるいはメタマテリアルとも呼ばれる。名称は異なっているが、いずれの場合においても、金、銀、アルミニウム等の金属に微細構造を形成すると、表面の形状に応じて、表面に強く局在する表面モードが生じ吸収が発生するというメカニズムは同じである。

以上で述べたように、非対称周期構造を有する吸収体を備えることにより、入射光の偏光角度に依存して吸収特性を変化させることができる。このため、予め、図６〜図８に示すような偏光角度θに依存した吸収特性をデータベース化しておき、赤外線センサ１００で検出した入射光の吸収特性と比較することにより、入射光の偏光角度を特定することができる。この際、赤外線センサ１００を、ｚ軸を中心軸として回転させることが好ましい。

このように、本発明の実施の形態１にかかる赤外線センサ１００では、非対称周期構造を有する吸収体を用いることにより、非対称性を有する２次元周期構造に応じた偏光のみを吸収することが可能となる。従って、第１に、偏光フィルタを別途設けることが不要となり、偏光検出システムを赤外線センサ単体からなる最少構造とすることができる。第２に、フィルタにおける赤外線吸収がなくなり、検出効率を高くできる。第３に、複数の異なる偏光を検出する場合、赤外線センサの赤外線吸収部分の非対称周期構造を偏光するだけで、所望の偏光をフィルタ無しで検出することが可能になる。

実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２にかかる熱型の赤外線センサアレイの平面図であり、図２に示す赤外線センサ１００をアレイ状（マトリックス状）に配置したものである。これは、図１に示す赤外線センサアレイ１０００に含まれる、４つの赤外線センサ１００を示すものである。

ここでは、説明を簡単にするために２行２列（２×２）の合計４個の赤外線センサを示すが、配置される赤外線センサの個数に制限は無い。これらの赤外線センサアレイは、外部の走査回路（図示せず）等により各行、各列の赤外線センサを選択して、各センサが検出した情報を時系列に取り出す方式としてもよい。また、並列に読み出す方式であってもよい。

このように、非対称周期構造を有する吸収体をアレイ状に並べることにより、偏光情報を有する画像を検出する熱画像イメージャとして用いることが可能となる。また、アレイを回転させることで、本発明の実施の形態１で述べたように各画素（１つの吸収体が１画素に対応する）において偏光角度を求めることが可能になり、各画素において偏光角度ならびに入射光強度情報を有する画像を検出する熱画像イメージャとして用いることが可能となる。

実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３にかかる熱型の赤外線センサアレイの平面図であり、（ａ）に示すように、異なる非対称周期構造を有する４つの吸収体１０、２０、３０、４０をアレイ状に配置したものである。但し、非対称周期構造でない対称周期構造（ｘ軸方向、ｙ軸方向の周期が同じ）の吸収体を含んでもよい。また、周期のみならず、凹部の直径等の大きさが異なる非対称周期構造を含んでも良い。
また、（ｂ）に示すように、同一構造の吸収体を複数含む構造であっても良い（（ｂ）では、吸収体１０が２つ設けられている）。

ここでは、説明を簡単にするために２行２列の合計４個の赤外線センサ（実施の形態１と同様の吸収体Ａ：１０、吸収体Ｂ：２０、吸収体Ｃ：３０、吸収体Ｄ：４０）からなる赤外線センサアレイを示すが、配置される赤外線センサの個数に制限は無い。これらの赤外線センサアレイは、外部の走査回路（図示せず）等により各行、各列の赤外線センサを選択して、各素子が検出した情報を時系列に取り出す方式としてもよい。また、並列に読み出す方式であってもよい。

本発明の実施の形態１で述べたように、各赤外線センサ（各画素）において偏光角度および入射光強度の情報を有する画像を検出することに加えて、各赤外線センサが異なる非対称周期構造を有することで、各画素における検出波長を制御することが可能になる。即ち、各画素において、偏光角度、および画素によって異なる波長における入射光強度情報を検出する熱画像イメージャとして用いることが可能となる。

実施の形態４．
図１１は、本発明の実施の形態４にかかる熱型の赤外線センサの上面図である。吸収体５０に形成した凹部５１のｘｙ平面における形状を、非対称な楕円形状とし、一方で、ｘ軸方向およびｙ軸方向には、凹部５１を一定周期で配置する構造とした。つまり本実施の形態４では、吸収体５０に形成する凹部５１の形状自体に非対称性を導入する。かかる構造は、非対称形状周期構造とよぶ。

図１１の吸収体５０では、Ａｕからなる金属薄膜から形成され、図１２に示すように、ｄｘ：凹部５１のｘ軸方向の径（長径）、ｄｙ：凹部５１のｙ軸方向の径（短径）、ｐ：周期、ｈ：凹部５１の深さとする。図１３〜図１５は、ｄｘ＝３μｍ、ｄｙ＝１．５μｍ、ｐ＝６μｍ、ｈ＝１μｍの構造について、吸収率の偏光特性を厳密結合波解析によって求めた結果である。図１３、１４、１５において、入射光の偏光角度θはそれぞれ０°、４５°、９０°である。

図１３〜図１５から分かるように、非対称形状周期構造を有する吸収体５０を用いることにより、偏光角度θが０°から９０°に変化するにつれて、特定波長において吸収率が増加することが分かる。このように、楕円形状等の凹部５１からなる非対称形状周期構造の場合、主たる吸収波長は周期構造の場合とほぼ等しいが、偏光角度θによって吸収率が変化する。

この特性を利用し、吸収率を相対的に検出することにより偏光角度を決定することが可能となる。偏光角度の検出方法としては、赤外線センサをｚ軸を中心として回転させて、吸収率を検出する方法がある。または、参照画素として、対称周期構造の画素（例えば、ｄｘ＝ｄｙ＝３μｍである吸収体１０）を同時に設置し、検出出力の差分を取り、この差分値を予め設定した値（データベースの値）と比較して偏光角度を決定しても良い。

なお、図１２では、正方格子型を示したが、三角格子型などの他の単位格子、あるいは放射状に凹部が周期的に配置されている構造においてもこの特性は成立する。また、非対称の凹部形状としては、ｘｙ平面における形状は、楕円の他に、長方形、三角形などでもよい。重要なのは、凹部形状の対称性が破れていることにより、凹部に局在する電界に偏りが生じ、偏光依存性が現れることである。

実施の形態５．
図１６は、本発明の実施の形態５にかかる熱型の赤外線センサアレイの平面図であり、図１１に示す非対称形状周期構造の吸収体５０を有する赤外線センサをアレイ状に配置したものである。ここでは、説明を簡単にするために、２行２列の合計４個の赤外線センサからなる赤外線センサアレイを示しているが、配置される赤外線センサの個数に制限は無い。これらの赤外線センサアレイは、外部の走査回路（図示せず）等により各行、各列の赤外線センサを選択して、各素子が検出した情報を時系列に取り出す方式としてもよい。また、並列に読み出す方式であってもよい。

このように、熱型の赤外線センサをアレイ状に並べて、非対称形状周期構造に固有の吸収の偏光特性を利用することで、偏光情報を有した画像を検出する熱画像イメージャとして用いることが可能となる。また、赤外線センサアレイを、ｚ軸を中心として回転させることにより、本発明の実施の形態１で述べたように各画素において偏光角度を求めることが可能となり、各画素において偏光角度ならびに入射光強度情報を有する画像を検出する熱画像イメージャとして用いることが可能となる。

実施の形態６．
図１７は、本発明の実施の形態６にかかる熱型の赤外線センサアレイの平面図であり、異なる周期および楕円形状を有する非対称形状周期構造を有する４つの吸収体５０、６０、７０、８０をアレイ状に配置したものである。但し、非対称形状周期構造でない吸収体を含んでもよく、また、周期が非対称な非対称周期構造を含んでも良い。

ここでは、説明を簡単にするために２行２列の合計４個（実施の形態４と同様の吸収体Ｅ：５０、吸収体Ｆ：６０、吸収体Ｇ：７０、吸収体Ｈ：８０）を有する赤外線センサからなる赤外線センサアレイを示しているが、配置される赤外線センサの個数に制限は無い。これらの赤外線センサアレイは、外部の走査回路（図示せず）等により各行、各列の赤外線センサを選択して、各素子が検出した情報を時系列に取り出す方式としてもよい。また、並列に読み出す方式であってもよい。

このように、本発明の実施の形態６かかる赤外線センサアレイでは、熱型の赤外線センサをアレイ状に並べて、非対称形状周期構造に固有の吸収の偏光特性を利用することにより、複数の波長における偏光情報を有した画像を検出する熱画像イメージャとして用いることが可能となる。また、赤外線アレイを、ｚ軸を中心として回転させることで、本発明の実施の形態１で述べたように各画素において偏光角度を求めることが可能になり、各画素において偏光角度ならびに入射光強度情報を有する画像を検出する熱画像イメージャとして用いることが可能となる。

実施の形態７．
図１８は、本発明の実施の形態７にかかる熱型の赤外線センサの上面図である。図１９に示すように、吸収体９０に形成した凹部９１のｘｙ平面における形状を正方形とし、正方形の中心を固定してθだけ回転させた配置となっている。また、この場合の回転角度θは例えば３０°であり、中心点に対して回転対称となる角度、９０°、１８０°、２７０°ではない。一方で、ｘ軸方向およびｙ軸方向には、凹部９１を一定周期（ｐｘ、ｐｙ）で配置する。

つまり本実施の形態７では、吸収体９０に形成する凹部９１の、吸収体表面における形状が、ｘ軸、ｙ軸の双方の軸に対して鏡面対称とならない（非鏡面対称となる）回転角度θを持つ。かかる構造を、非鏡面対称形状周期構造とよぶ。より具体的には、図１９（ｂ）に示すように、凹部９１は、凹部９１の中心を通るｘ軸、ｙ軸のいずれの軸に対しても鏡面対称とはならない。

図１８の吸収体９０では、吸収率の偏光特性を厳密結合波解析によって求めると凹部９１の周期とほぼ等しい波長において吸収率がピークをもつ。図１８の吸収体９０では、図１９に示すように、Ｌ：凹部９１の一辺の長さ、ｐ：周期、ｈ：凹部９１の深さとなる。

図２０は、Ａｕからなる金属薄膜から形成され、Ｌ＝３μｍ、ｐ（ｐｘ、ｐｙ）＝６μｍ、ｈ＝１μｍの構造について、波長６μｍにおける吸収率の偏光特性を厳密結合波解析によって求めた結果である。図２０において、横軸は偏向角度、縦軸は吸収率を表す。この波長において、偏光角度θが０°から１８０°に変化するにつれて、特定偏光角度において吸収率が増加することが分かる。
このように、楕円形状等の凹部９１からなる非対称形状周期構造の場合、主たる吸収波長は周期構造の場合とほぼ等しいが、回転角度θによって吸収率に偏光依存性が現れる。

この特性を利用して、吸収率を相対的に検出することにより偏光角度を決定することが可能となる。偏光角度の検出方法としては、赤外線センサを、ｚ軸を中心として回転させて、吸収率を検出する方法がある。または、参照画素として、対称周期構造の画素（例えば、ｐｘ＝ｐｙ＝６μｍである吸収体１０）を同時に設置し、検出出力の差分を取り、この差分値を予め設定した値（データベースの値）と比較して偏光角度を決定しても良い。
なお、図１８では、凹部形状としては、ｘｙ平面における形状は、正方形の他に、正三角形、正五角形などの正多角形、長方形、ひし形でもよい。重要なのは、凹部形状において周期を規定する軸に対して形状が鏡面対称とならないことである。

実施の形態８．
図２１は、本発明の実施の形態８にかかる熱型の赤外線センサアレイの平面図であり、図１８に示す非対称形状周期構造の吸収体９０を有する赤外線センサをアレイ状に配置したものである。ここでは、説明を簡単にするために、２行２列の合計４個の赤外線センサからなる赤外線センサアレイを示しているが、配置される赤外線センサの個数に制限は無い。これらの赤外線センサアレイは、外部の走査回路（図示せず）等により各行、各列の赤外線センサを選択して、各赤外線センサが検出した情報を時系列に取り出す方式としてもよい。また、並列に読み出す方式であってもよい。

このように、熱型の赤外線センサをアレイ状に並べて、非鏡面対称形状周期構造に固有の吸収の偏光特性を利用することで、偏光情報を有した画像を検出する熱画像イメージャとして用いることが可能となる。また、赤外線センサアレイを、ｚ軸を中心として回転させることにより、本発明の実施の形態１で述べたように各画素において偏光角度を求めることが可能となり、各画素において偏光角度ならびに入射光強度情報を有する画像を検出する熱画像イメージャとして用いることも可能となる。

実施の形態９．
図２２は、本発明の実施の形態９にかかる熱型の赤外線センサアレイの平面図であり、周期（ｐ）や大きさ（Ｌ）が異なる非鏡面対称形状周期構造を有する４つの吸収体９０、１１０、１２０、１３０をアレイ状に配置したものである。但し、非対称形状周期構造でない吸収体を含んでも良く、また、周期が非対称な非対称周期構造を含んでも良い。

ここでは、説明を簡単にするために２行２列の合計４個（実施の形態４と同様の吸収体Ｅ：９０、吸収体Ｆ：１１０、吸収体Ｇ：１２０、吸収体Ｈ：１３０）を有する赤外線センサからなる赤外線センサアレイを示しているが、配置される赤外線センサの個数に制限は無い。これらの赤外線センサアレイは、外部の走査回路（図示せず）等により各行、各列の赤外線センサを選択して、各素子が検出した情報を時系列に取り出す方式としてもよい。また、並列に読み出す方式であってもよい。

このように、本発明の実施の形態７かかる赤外線センサアレイでは、熱型の赤外線センサをアレイ状に並べて、非鏡面対称形状周期構造に固有の吸収の偏光特性を利用することにより、複数の波長における偏光情報を有する画像を検出する熱画像イメージャとして用いることが可能となる。また、赤外線アレイを、ｚ軸を中心として回転させることで、本発明の実施の形態１で述べたように各画素において偏光角度を求めることが可能になり、各画素において偏光角度ならびに入射光強度情報を有する画像を検出する熱画像イメージャとして用いることが可能となる。

実施の形態１０．
図２３は、本発明の実施の形態１０にかかる熱型の赤外線センサの温度検知部４の断面図である。温度検知部４は、検知膜５と薄膜金属配線６を含む。検知膜５は、例えばダイオードであり、シリコンからなる。薄膜金属配線６は、例えば厚みが１００ｎｍのチタン合金の膜からなる。

更に、温度検知部４は、赤外線を吸収する吸収膜２５を、その上部に直接備えている。吸収膜２５はＡｕ、Ａｇなどの金属からなる。更に、吸収膜２５は、実施の形態１または実施の形態４で示したような、非対称周期構造または非対称形状周期構造を有する。
なお、温度検知部４以外の構造は、図４の熱型赤外線センサ１００と同じであり、温度検知部４は支持脚３で中空部２の上部に支持される。

このような、吸収膜２５と一体形成された温度検知部４を有する赤外線センサを用いることによっても、所望の波長において、特定の偏光で固有の吸収特性を有する。これにより、特定の偏光特性を検出することが可能となる。

特に、本実施の形態１０にかかる構造では、吸収体を支持柱で支持する工程が不要となり、製造工程が簡略化され、より安価に製品を製造できる。

なお、実施の形態３、６、８において、互いに異なる非対称周期構造の吸収体を有する赤外線センサアレイ、互いに異なる非対称形状周期構造の吸収体を有する赤外線センサアレイ、互いに異なる非鏡面対称形状周期構造の吸収体を有する赤外線センサアレイ、に加えて、これらの複数の構造の吸収体が混在した赤外線センサアレイ、更には対称周期構造や対称形状周期構造の吸収体が混在した赤外線センサアレイを用いることも可能である。実施の形態１０の吸収膜２５に凹部を形成する場合も同様である。

また、本実施の形態１〜１０では、ｘ軸方向とｙ軸方向に、凹部を配列した構造について説明したが、これ以外の方向（例えば、互いに４５°角度を有する方向）に凹部を並列しても構わない。

１基板、２中空部、３支持脚、４温度検知部、５検知膜、６薄膜金属配線、７アルミニウム配線、８反射膜、９支持柱、１０吸収体、１１凹部、１２絶縁膜、１００赤外線センサ、１０００赤外線センサアレイ。

Claims

温度検知部と、該温度検知部に熱的に接続された吸収体とを含み、該吸収体に入射した光を検出する半導体光素子であって、
該吸収体の表面に含まれた第１方向と、該第１方向とは異なる第２方向が規定され、
該吸収体は表面に金属膜を含み、該第１方向に第１周期で設けられ、該第２方向に第２周期で設けられた凹部を有し、該凹部はプラズモン共鳴を生じるように互いに不連続に配置され、該第１周期と該第２周期が異なり、該第１および該第２周期に応じた特定波長ならびに特定の偏光の入射光の該金属膜による吸収量を、該特定波長ならびに該偏光以外の入射光の吸収量より大きくしたことを特徴とする半導体光素子。
温度検知部と、該温度検知部の上に積層された吸収膜とを含み、該吸収膜に入射した光を検出する半導体光素子であって、
該吸収膜の表面に含まれた第１方向と、該第１方向とは異なる第２方向が規定され、
該吸収膜は金属膜からなり、該第１方向に第１周期で設けられ、該第２方向に第２周期で設けられた凹部を有し、該凹部はプラズモン共鳴を生じるように互いに不連続に配置され、該第１周期と該第２周期が異なり、該第１および該第２周期に応じた特定波長ならびに特定の偏光の入射光の該金属膜による吸収量を、該特定波長ならびに該偏光以外の入射光の吸収量より大きくしたことを特徴とする半導体光素子。
温度検知部と、該温度検知部に熱的に接続された吸収体とを含み、該吸収体に入射した光を検出する半導体光素子であって、
該吸収体の表面に含まれた第１方向と、該第１方向とは異なる第２方向が規定され、
該吸収体は表面に金属膜を含み、該第１方向および該第２方向に周期的に設けられた凹部を有し、該凹部はプラズモン共鳴を生じるように互いに不連続に配置され、該吸収体の表面における該凹部の形状が該第１方向と該第２方向で異なり、該凹部の周期ならびに形状に応じた特定波長ならびに、特定の偏光の入射光の該金属膜による吸収量を、該特定波長ならびに該偏光以外の入射光の吸収量より大きくしたことを特徴とする半導体光素子。
温度検知部と、該温度検知部の上に積層された吸収膜とを含み、該吸収膜に入射した光を検出する半導体光素子であって、
該吸収膜の表面に含まれた第１方向と、該第１方向とは異なる第２方向が規定され、
該吸収膜は金属膜からなり、該第１方向および該第２方向に周期的に設けられた凹部を有し、該凹部はプラズモン共鳴を生じるように互いに不連続に配置され、該吸収膜の表面における該凹部の形状が該第１方向と該第２方向で異なり、該凹部の周期および形状に応じた特定波長ならびに、特定の偏光の入射光の該金属膜による吸収量を、該特定波長ならびに該偏光以外の入射光の吸収量より大きくしたことを特徴とする半導体光素子。
温度検知部と、該温度検知部に熱的に接続された吸収体とを含み、該吸収体に入射した光を検出する半導体光素子であって、
該吸収体の表面に含まれた第１方向と、該第１方向とは異なる第２方向が規定され、
該吸収体は表面に金属膜を含み、該第１方向および該第２方向に周期的に設けられた凹部を有し、該凹部はプラズモン共鳴を生じるように互いに不連続に配置され、該吸収体の表面における該凹部の形状が該第１方向および該第２方向のそれぞれの軸に対して、非鏡面対称であり、該凹部の周期ならびに該第１方向および該第２方向のそれぞれの軸に応じた特定波長ならびに、特定の偏光の入射光の該金属膜による吸収量を、該特定波長ならびに該偏光以外の入射光の吸収量より大きくしたことを特徴とする半導体光素子。
温度検知部と、該温度検知部に熱的に接続された吸収体とを含み、該温度検知部の上に積層された吸収膜とを含み、該吸収膜に入射した光を検出する半導体光素子であって、
該吸収膜の表面に含まれた第１方向と、該第１方向とは異なる第２方向が規定され、
該吸収膜は金属膜からなり、該第１方向および該第２方向に周期的に設けられた凹部を有し、該凹部はプラズモン共鳴を生じるように互いに不連続に配置され、該吸収膜の表面における該凹部の形状が該第１方向および該第２方向のそれぞれの軸に対して、非鏡面対称であり、該凹部の周期ならびに該第１方向および該第２方向のそれぞれの軸に応じた特定波長ならびに、特定の偏光の入射光の該金属膜による吸収量を、該特定波長ならびに該偏光以外の入射光の吸収量より大きくしたことを特徴とする半導体光素子。
上記吸収体または上記吸収膜は、金属膜の単層構造、または金属膜と誘電体膜の多層構造であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体光素子。
上記吸収体または上記吸収膜の凹部は、上記表面内での形状が円形または正方形であり、該表面に垂直な断面での形状が矩形であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光素子。
上記吸収体または上記吸収膜の凹部は、上記表面内での形状が楕円形または長方形であり、該表面に垂直な断面での形状が矩形であることを特徴とする請求項３または４に記載の半導体光素子。
上記吸収体または上記吸収膜の凹部は、上記表面内での形状が正方形または正多角形であり、該表面に垂直な断面での形状が矩形であることを特徴とする請求項５または６に記載の半導体光素子。
請求項１〜６のいずれかに記載された半導体光素子から選択された１種類の半導体光素子をアレイ状に配置した半導体光装置であって、
該半導体光素子がすべて同一構造であること、少なくとも１つの該半導体光素子が他の該半導体光素子と異なる周期構造であること、または少なくとも１つの該半導体光素子が他の該半導体光素子と異なる凹部の形状および／または大きさを有する構造であること、を特徴とする半導体光装置。
請求項１、３、または５に記載された半導体光素子から選択される少なくとも２種類の半導体光素子をアレイ状に配置したことを特徴とする半導体光装置。
請求項２、４、または６に記載された半導体光素子から選択される少なくとも２種類の半導体光素子をアレイ状に配置したことを特徴とする半導体光装置。
請求項１１〜１３のいずれかに記載の半導体光装置が、更に、上記第１周期と上記第２周期が同一である半導体光素子、および／または該凹部の形状が、上記第１方向および上記第２方向のそれぞれの軸に対して鏡面対称である半導体光素子を含むことを特徴とする半導体光装置。