JP5757254B2 - 半導体光素子および半導体光装置 - Google Patents

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。

熱型の赤外線センサ素子では、センサに入射した赤外線を熱に変換し、温度変化による物性値の変化を電気信号として読み出している。このような赤外線センサ素子において、ある特定の波長の赤外線を選択的に検知する場合には、赤外線センサ素子の前に光学フィルタを装着していた。また、赤外線を吸収する吸収体の表面に凹凸を設けて特定の波長の入射光を選択的に増強させることにより、特定の波長のみを選択的に吸収する構造も知られている（例えば、特許文献１）。

特開平１−１４２４１８号公報

しかしながら、検知波長を制御する構造を吸収体の表面のみに設けると、迷光や、吸収体の下の基板で反射した光が、吸収体の裏面から入射し、意図した検知波長以外の波長で光の吸収量が増加するという問題があった。

そこで、本発明は、検知波長の選択性を向上させた半導体光素子および半導体光装置の提供を目的とする。

本発明は、所定の波長で表面プラズモンが生じる周期構造を有する波長選択構造部を表面に備え所定の波長の光を選択的に吸収する吸収体と、吸収体の裏面に設けられ光の吸収を防止する吸収防止膜と、吸収体と熱的に接続され温度を検知する温度検知部とを備え、吸収防止膜の吸収体側と反対側の面が露出していることを特徴とする半導体光素子である。

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によれば、
表面に波長選択構造部を備え所定の波長の光を選択的に吸収する吸収体と、吸収体の裏面に設けられ光の吸収を防止する吸収防止膜と、吸収体と熱的に接続され温度を検知する温度検知部とを備えるので、吸収体裏面で所定の波長以外の波長の光が吸収されることを防止し、検知波長の選択性を向上させることが可能になる。

本発明の実施の形態１にかかる半導体光装置の斜視図である。 本発明の実施の形態１にかかる半導体光素子の上面図である。 本発明の実施の形態１にかかる半導体光素子の上面図である。 本発明の実施の形態１にかかる半導体光素子の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる半導体光素子の部分断面図である。 （ａ）は吸収防止膜を備えていない半導体光素子の断面図、（ｂ）はその部分拡大図である。 本発明の実施の形態２にかかる半導体光素子の部分断面図である。

実施の形態１．
最初に本発明の実施の形態１における半導体光装置の構成について説明する。図１は、全体が１０００で表される、本発明の実施の形態１にかかる半導体光装置の斜視図である。半導体光装置１０００では、基板１の上に複数の半導体光素子１００がＸ軸およびＹ軸方向にマトリックス状（アレイ状）に配置されており、Ｚ軸に平行な方向から光が入射する。半導体光素子１００の周囲には、半導体光素子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。以下、本発明の実施の形態では、半導体光素子１００の一例として、熱型の赤外線センサを用いて説明する。

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の上面図であり、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Ａ−Ａ方向に見た場合の断面図（吸収体１０等を含む）である。図５は赤外線センサ１００の吸収体１０の断面図である。

図２から図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、温度を検知する温度検知部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、絶縁膜１２で覆われたアルミニウム配線７と検知膜５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、図４に示すように、支持柱９が設けられ、支持柱９の上に吸収体１０が支持されている。つまり、吸収体１０は、温度検知部４の上に支持柱９で接続されている。また、吸収体１０は、温度検知部４とは熱的に接続されており、吸収体１０で生じた温度変化が温度検知部４に伝わるような構成となっている。
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。そのため、赤外線センサ１００は、図２に示すように、上方から見ると吸収体１０のみが見える。

吸収体１０は、赤外線センサ１００の場合、一般的に、赤外線波長域に吸収が存在する材料を用いて形成される。例えば、吸収体１０は、金属薄膜と、これを挟むように形成された酸化シリコン(ＳｉＯ_２)、窒化シリコン(ＳｉＮ)などの絶縁膜との積層構造により形成され、赤外線を吸収する。

吸収体１０の表面には、図５に示すように、特定の波長の光の吸収を選択的に増加するような波長選択構造部１１が設けられている。また、吸収体１０の裏面、つまり支持柱９側には、裏面からの光の吸収を防止する吸収防止膜１３が設けられている。このように構成することにより、吸収体１０では、所定の波長の光を選択的に吸収することができる。なお、波長選択構造部１１においても光の吸収が生じる場合があるので、本実施の形態では、波長選択構造部１１を含めて吸収体１０とした。

波長選択構造部１１とは、例えば、周期的な凹凸によって屈折率分布を制御する構造や、表面プラズモンを利用して表面に結合する光を選択することで検知波長を選択する構造、誘電体を多層に積層することにより吸収波長を選択する構造、などがあるが、これらに限らず、波長選択性のある構造であればよい。

以下、例として挙げた波長選択構造部１１について詳しく説明する。まず、波長選択構造部１１が周期的な凹凸構造の場合について説明する。吸収体１０の表面、つまり光の入射面に周期的な凹凸を設け、凹の孔深さや孔径、周期を調整することによって、屈折率分布をコントロールすることができる。屈折率分布を調整することで、光の干渉効果あるいはフォトニックバンド効果により、所望の波長の光の透過量が増加する。その結果、吸収体１０における該当波長の光の吸収量を増加させることができる。

次に、波長選択構造部１１が表面プラズモンを利用する構造の場合について説明する。光の入射面がＡｕ，Ａｇなどの金属の場合、入射光が特定の波長や入射角度のときに金属表面で光が吸収される。さらに、金属表面に周期構造を設けると、表面周期構造に応じた波長で表面プラズモンが生じ、光の吸収が生じる。そのため、吸収体１０の表面を金属で形成することにより、入射光の波長や入射角度、金属表面の周期構造によって吸収体１０の波長選択性を制御することができる。

最後に、波長選択構造部１１が誘電体を多層に積層する構造の場合について説明する。誘電体を多層に積層した多層膜では、膜材料の屈折率と厚さによって光の多重干渉が生じる。そのため、吸収体１０の表面に誘電体の多層膜を設け、多層膜の膜材料や厚さを調整して所望の波長における光の透過を増加させることにより、吸収体１０における該当波長の光の吸収量を増加させることができる。

吸収体１０の表面に設けられた吸収防止膜１３は、対象とする波長域において光の反射率の大きい材料を用いて形成された単層構造の層である。例えば、本実施の形態１ように、赤外線波長域を対象とする赤外線センサ１００の場合、吸収体１０の裏面には、Ａｌ，Ａｕ，Ａｇなど、赤外線波長域において反射率の大きい材料を用いた平板状の金属膜をスパッタ法や蒸着等で形成する。吸収防止膜１３の厚さは、対象とする波長域の光を透過しない厚さ（表皮厚さ）以上の厚さであれば特に問わない。このように、吸収体１０の裏面に金属膜を形成することにより、裏面からの光の吸収を防止することができる。

通常、支持柱９と吸収体１０とは一体構造からなる。この場合、吸収防止膜１３は、吸収体１０の裏面のうち支持柱９との接合部を除いた部分に設けられる。しかし、吸収防止膜１３にも熱伝導性があり、熱的な接続が可能であれば、図４に示すように、支持柱９と吸収体１０とが吸収防止膜１３を介して接合されていても良い。

ここで、吸収体の裏側に吸収防止膜を備えていない赤外線センサの動作について図を用いて説明する。図６（ａ）は吸収体の裏側に吸収防止膜を備えていない赤外線センサ２００の断面図である。図６（ｂ）は図６（ａ）の破線の四角で囲んだ部分の拡大図である。赤外線センサ２００は、吸収体１０の裏面に吸収防止膜１３を備えていない点が本実施の形態の赤外線センサ１００と異なる。

赤外線センサ２００に入射した光は、主に吸収体１０で吸収される。図６（ｂ）にＩ１で示す矢印が、吸収体１０の表面に入射する光である。吸収体１０に吸収された光は熱に変換され、支持柱９を通って温度検知部４に伝わる。検知膜５の電気抵抗は温度により変化するため、温度検知部４に伝わった熱により検知膜５の電気抵抗が変化する。検知膜５の電気抵抗の変化は、外部に設けた検出回路で検出される。これにより、吸収体１０に入射した光の量が電気信号として検出される。ここでは反射膜８を設けた構造を示したが、反射膜８はなくても良い。

この場合、赤外線センサ２００では、吸収体１０の表面に波長選択構造部１１が設けられているので、波長選択構造部１１により選択される特定波長の光の吸収量が増加する。

一方、一般的に、赤外線センサ２００に入射した光の一部は、迷光となり、吸収体１０の裏面側にも回りこむ。回りこんだ光は、反射膜８で反射され、吸収体１０の裏面から入射して吸収される。図６（ｂ）にＩ２で示す矢印が、吸収体１０の裏面に回りこんで反射膜８で反射された光である。また、吸収体１０の表面に入射した光Ｉ１の一部は、吸収体１０を透過し、反射膜８で反射され、吸収体１０の裏面から入射して吸収される。図６（ｂ）にＩ３で示す矢印が、吸収体１０を透過して反射膜８で反射された光である。特許文献１のような構造においても、同様に、裏面側に回りこんだ光が、センサシステムあるいはパッケージ内で乱反射され、吸収体（受光膜）の裏面から入射して吸収される。仮に、反射膜８のない構造であっても、裏面側に回りこんだ光は、吸収体１０の裏面方向にある基板１などの構造物によって反射され、吸収体１０に到達する。また、赤外線センサ２００がアレイ化された場合には、赤外線センサ２００と赤外線センサ２００との間から入射した光が、乱反射し、吸収体１０の裏面に到達して吸収される。

吸収体１０の裏側に回りこんで反射膜８で反射された光Ｉ２には、波長選択構造部１１により選択される特定波長以外の波長の光が含まれる。吸収体１０を透過して反射面８で反射された光Ｉ３についても、同様に、波長選択構造部１１が特定波長の光のみ完全に選択する場合を除いて、特定波長以外の波長の光が含まれる。しかし、赤外線センサ２００においては、吸収体１０の裏面に波長選択構造部１１がないので、波長選択構造部１１により選択される所定の波長とは異なる波長の光が、吸収体１０の裏面から入射して吸収される。そのため、吸収体１０の裏側に吸収防止膜１３を設けていない赤外線センサ２００では、意図しない波長の光の吸収が発生する。

例えば、吸収体１０の材料がＳｉＮ、ＳｉＯ_２の場合には、材料自体が波長８〜１４μｍ付近の赤外線を吸収する。このとき、検知波長が１０μｍになるように波長選択構造部１１を設定すると、吸収体１０の表面から入射した光のうち、波長１０μｍの赤外線が選択的に吸収される。しかし、赤外線センサ２００に入射した光が吸収体１０の裏面側に回りこみ、波長選択構造部１１のない裏面側から吸収体１０に入射すると、波長選択構造部１１で設定した１０μｍだけではなく、８〜１４μｍ付近の波長の光が吸収体１０で検知され、検知波長の選択性が低下する。また、吸収体１０の材料自体の吸収があることから、選択波長以外の波長の吸収も完全には０％にならない。このため、選択波長以外の光も吸収体１０を透過し、同様に吸収体１０の裏面から再入射し、吸収体１０で吸収されるため、波長選択性が劣化する。
他の材料においても、同様に、波長選択構造部１１で決定される特定の波長以外の吸収波長が吸収体１０に存在する場合、意図した検知波長以外の波長の光が吸収体１０で吸収される。

これに対し、本実施の形態の赤外線センサ１００では、吸収体１０の裏面に吸収防止膜１３を備えているので、吸収体１０の裏面に到達した光が吸収防止膜１３、つまり金属のミラーによって反射される。その結果、表面に設けた波長選択構造部１１によって設定した所定の検知波長の入射光のみが吸収体１０で吸収され、裏面からの吸収に起因する、検知波長以外の波長の光の吸収を防止することが可能になり、検知波長の選択性が向上する。

また、波長選択構造部１１により選択された特定波長であっても、吸収されずに吸収体１０を透過した光が、吸収体１０の裏面に設けられた吸収防止膜１３で反射して折り返され、再び吸収体１０に入射する。これにより、従来、吸収体１０を透過していた光が、吸収体１０で吸収されるようになる。このため、吸収体１０の裏面における光の透過率が１．０未満になることを考慮すると、一旦、吸収体１０を透過して反射膜８などで反射された光が、再び裏面から吸収体１０に入射し、さらに吸収体１０を透過しつつ吸収される場合と比較して、特定波長の光の吸収量がさらに増加する。

以上のように、赤外線センサ１００においては、吸収体１０の裏面に吸収防止膜１３を備えたことにより、波長選択構造部１１で選択した波長とは異なる波長の光が吸収体１０の裏面から入射したとしても、吸収防止膜１３で反射され、吸収体１０で吸収されることはない。そのため、赤外線センサ１００の波長選択性を向上させることができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２における赤外線センサの構成について説明する。図７は、本発明の実施の形態２にかかる熱型の赤外線センサの吸収体２０を図３のＡ−Ａ方向に相当する方向から見た場合の断面図である。
この実施の形態においては、吸収体２０の表面だけでなく、吸収体２０の裏面にも波長選択構造部２１ｂを設けた点が実施の形態１と異なる。本実施の形態のこれ以外の構成は、上述した実施の形態１と同様であるので、同一の要素についてはその説明を繰り返さない。

本発明の実施の形態２における赤外線センサの吸収体２０の裏面には、表面に設けられた波長選択構造部２１ａと同じ構造の波長選択構造部２１ｂが設けられている。これにより、吸収体２０では、波長選択構造部２１ａ，２１ｂで設定した所定の波長の光が選択的に吸収される。また、吸収体２０の裏面側に回りこんだ光が、吸収体２０の裏面から入射した場合には、吸収体２０では、表面に設けられた波長選択構造部２１ａで選択的に吸収された波長と同じ波長の光のみが吸収される。

また、本実施の形態２の赤外線センサでは、表面と裏面に波長選択構造部２１ａ，２１ｂを設けたことにより、吸収体２０の裏面からも光を吸収することができるので、実施の形態１の赤外線センサ１００と比較して、波長選択構造部２１ａ，２１ｂで設定した検知波長における光の吸収量が大きくなる。その結果、該当する検知波長における赤外線センサの感度を増加させることができる。

以上のように、本実施の形態１および２で述べたような、吸収体１０の裏面に吸収防止膜１３を備えた裏面吸収防止構造、および吸収体２０の表と裏の両面に波長選択構造部２１ａ，２１ｂを設けた構造は、サーモパイル、ボロメータ等の他の熱型赤外線検知方式のセンサにおける吸収構造としても有効である。特に熱型赤外線センサは、断熱構造を実現するため、吸収部の下部を中空化する。このため、中空部分を通り抜けた光が乱反射し、吸収体裏面に到達する光は無視できない。

また、本実施の形態１および２の構成は、赤外線以外の波長域、例えば可視、近赤外、ＴＨｚ領域の波長の光においても有効である。

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 波長選択構造部、１２ 絶縁膜、１３ 吸収防止膜、２０ 吸収体、２１ａ 波長選択構造部、２１ｂ 波長選択構造部、１００ 赤外線センサ、１０００ 赤外線センサアレイ。

Claims (3)

1. 所定の波長で表面プラズモンが生じる周期構造を有する波長選択構造部を表面に備え前記所定の波長の光を選択的に吸収する吸収体と、
   前記吸収体の裏面に設けられ前記光の吸収を防止する吸収防止膜と、
   前記吸収体と熱的に接続され温度を検知する温度検知部とを備え、
   前記吸収防止膜の前記吸収体側と反対側の面が露出していることを特徴とする半導体光素子。
2. 吸収防止膜は、平板状の金属からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
3. 請求項１から請求項２に記載された半導体光素子のいずれかをアレイ状に配置したことを特徴とする半導体光装置。

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