JP5869671B2 - 光検出器 - Google Patents

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Description

本発明は、プラズモン共鳴を利用する光検出器に関する。
量子サブバンド間遷移の光吸収を利用する光検出器として、ＱＷＩＰ（量子井戸型赤外光センサ）、ＱＣＤ（量子カスケード型光センサ）、ＱＤＩＰ（量子ドット赤外光センサ）等が知られている。これらはエネルギーバンドギャップ遷移を利用しないため、波長範囲の設計自由度が大きい、高速応答が可能である等のメリットを有する。
これらの光検出器のうち、ＱＷＩＰとＱＣＤは、半導体構造体として、量子井戸構造や量子カスケード構造等の周期的な積層構造を有する半導体積層体を備えている。この半導体積層体は、入射する光が半導体積層体の積層方向の電界成分を有する場合にのみ当該電界成分によって電流を生じるため、当該積層方向の電界成分を有しない光（半導体積層体の積層方向から入射する平面波）に対しては光感度を有しない。
従って、ＱＷＩＰ又はＱＣＤで光を検出するには、光の電界の振動方向が半導体積層体の積層方向と一致するように光を入射させる必要がある。例えば、光の進行方向に垂直な波面を有する平面波を検出する場合では、光を半導体積層体の積層方向と垂直な方向から入射させる必要があるため、光検出器としての使用が煩わしいものとなる。
そこで、半導体積層体の積層方向の電界成分を有しない光を検出するために、半導体積層体の表面に金の薄膜を設け、この薄膜に当該光の波長以下の直径を有する孔を周期的に形成した光検出器が知られている（非特許文献１参照）。この例では、金の薄膜における表面プラズモンの共鳴効果によって、半導体積層体の積層方向の電界成分を有するように光を変調している。
また、プラズモン共鳴に関するものとして、絶縁体を金属で挟んだいわゆるＭＩＭ構造に光が入射した場合に、プラズモン共鳴により電場が著しく増強されることが知られている（非特許文献２参照）。
一方、ＱＤＩＰについては、光の閉じ込め方向が三次元であることから偏光依存性が消失し、光の電界の振動方向に依らずに光を検出することができる。ただし、ＱＤＩＰはその構造上、本質的に光感度が低いという欠点がある。
W. Wu, et al.,"Plasmonic enhanced quantum well infrared photodetector with highdetectivity", Appl. Phys. Lett., 96, 161107 (2010). H. T. Miyazaki,Y. Kurokawa, "Squeezing Visible Light Waves into a 3-nm-Thick and 55-nm-LongPlasmon Cavity", Phys. Rev. Lett., 96, 097401 (2006).
このように、従来、特定の電界成分を有するように光を変調したり、電場を増強したりする技術が種々提案されている。その一方で、量子サブバンド間遷移の光吸収を利用するＱＷＩＰ、ＱＣＤ及びＱＤＩＰ等の光検出器は、上記のとおり種々のメリットを有するものであるため、その光感度を高めることが求められている。
そこで、本発明は、量子サブバンド間遷移の光吸収を利用し得る半導体構造体を用いた光感度の高い光検出器を提供することを目的とする。
本発明の光検出器は、第１の金属又は第１の半導体からなる第１の層と、第１の層上に積層され、プラズモン共鳴により電子が励起される半導体構造体層と、半導体構造体層上に積層され、第２の金属又は第２の半導体からなる第２の層と、を有する積層構造体を備え、積層構造体は、下記式（１）を満たす。
Ｌ＝λ ｐ ／２ …（１）
［式（１）中、Ｌは半導体構造体層と第２の層との界面における、第１の層、半導体構造体層及び第２の層の積層方向に垂直な方向に沿った第２の層の幅を示し、λ ｐ はプラズモン波長を示す。］
この光検出器では、積層構造体が表面プラズモン共鳴を引き起こすキャビティとして作用する。このキャビティの幅方向に偏光した光が入射した場合に、積層構造体において表面プラズモンが励起される。励起された表面プラズモンは、プラズモン共鳴により積層構造体内において定在波を生じ、これにより電場が増強される。そして、この電界成分により半導体構造体層において電子が励起され、これが電流として検出される。従って、この光検出器は、量子サブバンド間遷移の光吸収を利用し得る半導体構造体を用いた光検出器として、光感度が高いものとなる。
ここで、半導体構造体は、量子サブバンド間遷移の光吸収が生じるものであってもよい。この場合、エネルギーバンドギャップ遷移を利用しないため、光検出器が、検出する波長範囲の設計自由度が大きく、伝導電子の走行速度が速いことから高速応答が可能なものとなる。
積層構造体は、第１の層、半導体構造体層及び第２の層の積層方向に垂直な面に沿って複数配列されていてもよい。積層構造体が複数配列されると受光領域が大きくなるため、光検出器の光感度が高いものとなる。
ここで、第１の層は複数の積層構造体にわたって一体的に形成されていてもよい。これによれば、積層構造体の配列が安定化されると共に、第１の層を共通電極として機能させることができる。
一方、半導体構造体層は、複数の積層構造体ごとに分離して形成されていてもよく、複数の積層構造体にわたって連続して形成されていてもよい。いずれの構成としても、入射した光の電場を増強することができ、光感度の高い光検出器を提供することができる。従って、光検出器の製造方法の都合等により、半導体構造体層をいずれの構成とするかを選択することができる。
また、本発明の光検出器は、プラズモン共鳴により励起された電子を外部に取り出すための第１の電極パッド部及び第２の電極パッド部を更に備え、複数の積層構造体は、少なくとも半導体構造体層と第２の層との界面における所定の方向に沿った第２の層の幅が互いに異なる第１の積層構造体及び第２の積層構造体を含み、第１の層は、第１の電極パッド部と電気的に接続されており、第１の積層構造体の第２の層、及び第２の積層構造体の第２の層は、共通の第２の電極パッド部と電気的に接続されていてもよい。この光検出器では、少なくとも半導体構造体層と第２の層との界面における所定の方向に沿った第２の層の幅が互いに異なる第１の積層構造体及び第２の積層構造体を含んでいるため、これらの幅に応じた波長帯域の光によって表面プラズモンがそれぞれ励起され、プラズモン共鳴により励起された電子を共通の第２の電極パッド部から一出力として取り出す。従って、この光検出器によれば、広い波長帯域を有する光を高い光感度で検出することができる。
また、本発明の光検出器は、プラズモン共鳴により励起された電子を外部に取り出すための第１の電極パッド部及び複数の第２の電極パッド部を更に備え、複数の積層構造体は、少なくとも半導体構造体層と第２の層との界面における所定の方向に沿った第２の層の幅が互いに異なる第１の積層構造体及び第２の積層構造体を含み、第１の層は、第１の電極パッド部と電気的に接続されており、第１の積層構造体の第２の層、及び第２の積層構造体の第２の層は、互いに異なる第２の電極パッド部と電気的に接続されていてもよい。この光検出器では、少なくとも半導体構造体層と第２の層との界面における所定の方向に沿った第２の層の幅が互いに異なる第１の積層構造体及び第２の積層構造体を含んでいるため、これらの幅に応じた波長帯域の光によって表面プラズモンが励起され、プラズモン共鳴により励起された電子を互いに異なる第２の電極パッド部から別出力として取り出す。従って、この光検出器によれば、広い波長帯域を有する光を波長帯域ごとに分光して高い光感度で検出することができる。
本発明によれば、量子サブバンド間遷移の光吸収を利用し得る半導体構造体を用いた光感度の高い光検出器を提供することができる。
本発明の第１の実施形態の光検出器の部分平面図である。 図１のII−II線に沿っての断面図である。 図１の光検出器の製造工程を示す部分断面図である。 図１の光検出器の製造工程を示す部分断面図である。 図１の光検出器の製造工程を示す部分断面図である。 図１の光検出器の製造工程を示す部分断面図である。 図１の光検出器による電場の増強効果に関するシミュレーションの結果を示すグラフである。 積層方向の電界ベクトルの発生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８のシミュレーション積層構造体の実際の分光感度を示すグラフである。 共振器長を変化させた場合の反射スペクトルに関するシミュレーションの結果を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態の光検出器の変形例の部分平面図である。 図１１のXII−XII線に沿っての断面図である。 本発明の第２の実施形態の光検出器の部分平面図である。 図１３のXIV−XIV線に沿っての断面図である。 本発明の第３の実施形態の光検出器の部分平面図である。 図１５のXVI−XVI線に沿っての断面図である。 本発明の第４の実施形態の光検出器の部分平面図である。 図１７のXVIII−XVIII線に沿っての断面図である。 本発明の第５の実施形態の光検出器の部分平面図である。 図１８のXX−XX線に沿っての断面図である。 本発明の第６の実施形態の光検出器の部分平面図である。 図１９のXXII−XXII線に沿っての断面図である。 本発明の第７の実施形態の光検出器の部分平面図である。 図２３のXXIV−XXIV線に沿っての断面図である。 本発明の第８の実施形態の光検出器の斜視断面図である。 本発明の第９の実施形態の光検出器の斜視断面図である。 本発明の他の実施形態の光検出器の部分平面図である。 図２７のXXVIII−XXVIII線に沿っての断面図である。 図１の光検出器の他の製造方法の製造工程を示す部分断面図である。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
［第１の実施形態］
図１及び図２に示されるように、光検出器１Ａは、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｓｉ等の半導体製又はＳｉＯ２（ガラス）製の基板２を備え、この主面２ａ上に積層構造体３が複数配列されている。
積層構造体３は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ等の第１の金属からなる第１の金属層（第１の層）４と、第１の金属層４上に積層され、光の入射とそれに伴うプラズモン共鳴により電子が励起される半導体構造体層５と、半導体構造体層５上に積層され、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ等の第２の金属からなる第２の金属層（第２の層）６とからなる。複数の積層構造体３は、基板２上において、第１の金属層４、半導体構造体層５及び第２の金属層６の積層方向に垂直な面に沿って、平面視ストライプ状に周期パターンＰ１が形成されるように配列されている。つまり、周期パターンＰ１は、積層構造体３の積層方向に垂直な面に沿って一次元方向にパターン化されている。
半導体構造体層５は、検出しようとする光の波長に合わせて設計された量子サブバンド間準位を有するものであり、具体的には、互いにエネルギーバンドギャップの異なるＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＰとの半導体層が、一層あたり数ｎｍの厚さで交互に積層されたＱＷＩＰ構造又はＱＣＤ構造をなしている。
第１の金属層４は、複数の積層構造体３にわたって一体的に形成されている。この第１の金属層４は、プラズモン共鳴により励起された電子を外部に取り出すための共通電極としての機能を兼ねている。
一体成形された第１の金属層４上であり、且つ第２の金属層６及び半導体構造体層５が積層されていない領域（つまり、積層構造体３間の領域）には、ＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４等からなる絶縁層７が形成されている。そして、それぞれの積層構造体３における第２の金属層６の露出表面、及び、それぞれの絶縁層７の露出表面を這うようにしてＡｕ又はＴｉ／Ａｕ等からなる配線電極８が延設され、それぞれの第２の金属層６間を電気的に接続している。
配線電極８の一端には、プラズモン共鳴により励起された電子を外部に取り出すための取出し電極（第２の電極パッド部）９が電気的に接続されている。また、光検出器１Ａは、周期パターンＰ１が形成されていない領域において、平面視で絶縁層７の一部から第１の金属層４が覗いた部分を接地電極部（第１の電極パッド部）１０として有している。接地電極部１０は、第１の金属層４を接地電位とし、必要に応じて取出し電極９との間にバイアス電圧を印加することができるように構成されている。
次に、光検出器１Ａの製造方法を説明する。図３（ａ）に示されるように、ＩｎＰ等の半導体仮基板１０１上に、数ｎｍ程度の厚さのＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＰとからなる半導体量子サブバンド構造体１０５を、ＭＢＥやＭＯＣＶＤ等の方法を用いて交互にエピタキシャル成長させる。ここで成長させる半導体量子サブバンド構造体１０５は、目的とする波長等に応じて最適となるようにあらかじめ設計されたものである。そして、半導体量子サブバンド構造体１０５の上に、真空蒸着法やスパッタ法等により第１の金属膜１０４を成膜する。
次に、図３（ｂ）に示されるように、第１の金属膜１０４の表面に、光検出器１Ａの機械的強度を保持するためのＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｓｉ等の半導体製又はＳｉＯ２（ガラス）等の基板２を貼り合わせる。そして、図４（ａ）に示されるように、半導体仮基板１０１を研磨及び化学エッチング等によって除去する。その際、半導体量子サブバンド構造体１０５を保持するために、周知の手法により、エッチングストップ層又は犠牲層をあらかじめ形成しておいてもよい。
次に、図４（ｂ）に示されるように、半導体仮基板１０１の除去によって現れた半導体量子サブバンド構造体１０５の表面に第２の金属膜１０６を成膜し、図５（ａ）に示されるように、リソグラフィ法によって第２の金属膜１０６及び半導体量子サブバンド構造体１０５を部分エッチングして、第１の金属層４、半導体構造体層５及び第２の金属層６からなる積層構造体３を複数形成すると共に、ストライプ状の周期パターンＰ１を形成する。その後、図５（ｂ）に示されるように、隣接する積層構造体３間の領域に絶縁膜７を形成し、次いで図６に示されるように、配線電極８及び取出し電極９を形成することで、光検出器１Ａが得られる。
次に、光検出器１Ａの動作原理及び作用効果を説明する。光検出器１Ａでは、積層構造体３のそれぞれが、表面プラズモン共鳴を引き起こすキャビティとして作用する。このキャビティの幅方向（つまり本実施形態の場合、図１においてストライプ状の周期パターンＰ１が並ぶ一次元方向でもある。）に偏光した光が入射した場合に、積層構造体３において表面プラズモンが励起される。励起された表面プラズモンは、プラズモン共鳴により積層構造体３内において定在波を生じ、これにより電場が増強される。また、表面プラズモンがキャビティ内で共振することにより積層構造体３が光アンテナとして作用する結果、積層構造体３の周辺に入射する光がキャビティ内に引き込まれ、積層方向の電界成分が生じることになる。そして、この電界成分により半導体構造体層５において電子が励起され、励起された電子は配線電極８を通じて取出し電極９に集められ、外部回路に電流として出力されて光感度となる。従って、この光検出器１Ａは、量子サブバンド間遷移の光吸収を利用し得る半導体構造体を用いた光検出器として、光感度が高いものとなる。
また、通常、互いにエネルギーバンドギャップの異なる半導体層が交互に積層されたＱＷＩＰ構造又はＱＣＤ構造を半導体構造体層として採用する光検出器は、その積層方向の電界成分を有しない光（半導体構造体層の積層方向から入射する平面波）に対しては光感度を有しない。これに対し、本実施形態の光検出器１Ａは、上記プラズモン共鳴により定在波が生じることで、電場が増強されると共に、入射光がもともと有していなかった積層方向の電界成分（電場）も生じる。その結果、非常に大きな積層方向の電界成分が発生することとなるため、光検出器１Ａは、入射前に積層方向の電界成分を有しない光をも検出することができる。
光検出器１Ａでは、上記のとおり、積層構造体３のそれぞれが個別にプラズモン共鳴を引き起こすキャビティとして作用する。これによって検出される光の波長範囲は、積層構造体３の形状、構造等によって決まる。この光検出器１Ａは、この積層構造体３がその積層方向に垂直な面に沿って複数配列されているために、光の検出を可能とする受光領域が大きく、光検出器の光感度が高いものとなっている。
次に、プラズモン共鳴に基づく電場の増強効果に関するシミュレーションの結果を示す。光検出器１Ａにおける半導体構造体層５がＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌＡｓとの積層構造からなる場合において、半導体構造体層５内に生じる積層方向の電界成分の強度を、ＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain；有限差分時間領域）シミュレーション法によって計算した。
パラメータとして、半導体構造体層５の積層構造の膜厚の合計を約５０ｎｍ、周期パターンの周期を１μｍとした。第１の金属層４及び第２の金属層６の金属としてＡｕを設定し、入射光の波長は５μｍとした。第２の金属層６及び半導体構造体層５がなすストライプ幅を種々変更してシミュレーションを行った結果、図７に示されるように、第２の金属層６及び半導体構造体層５がなすストライプ幅（横軸）が０．５μｍの時に電界強度（｜Ｅｚ｜２）（縦軸）が最大値を示し、プラズモン共鳴によってその電界強度の階乗、すなわちエネルギーの大きさは入射光の３０倍以上に及んだことが分かる。
第２の金属層６及び半導体構造体層５がなすストライプ幅が０．５μｍの時に特に電場の増強効果が高くなることは、次の式（１）〜（３）を用いて説明することができる。
Ｌ＝λｐ／２ …（１）
λｐ＝λ０／ｎｅｆｆ …（２）
ｎｅｆｆ＝ｎ√（１＋２δ／Ｔ） …（３）
ここで、Ｌは半導体構造体層５と第２の金属層６との界面における所定の方向（ここでは積層構造体３の長手方向に垂直な方向）に沿った第２の金属層６の幅（すなわちプラズモン共鳴を引き起こすキャビティの幅）、λｐはプラズモン波長、λ０は入射光の真空波長、ｎｅｆｆは半導体量子サブバンド構造の実効屈折率、ｎは半導体量子サブバンド構造の屈折率、δは金属の表皮深さ、Ｔは半導体量子サブバンド構造の膜厚をそれぞれ示す。これらの式に実際の値、すなわちλ０＝５μｍ、ｎ＝３．５、δ＝２５ｎｍ、Ｔ＝５０ｎｍを代入すると、Ｌは約０．５μｍとなり、シミュレーション結果と一致する。この式の意味するところは、積層方向に垂直な方向の長さＬをもつ積層構造体３が、入射光によって励起された波長λｐの表面プラズモンの共振器として動作し、特定の波長を有する光のみが電場を増強させる現象を引き起こしているということである。すなわち、これによって励起される表面プラズモン定在波の波長は、「共振器長の２倍」、もしくは「共振器長の２倍」の整数分の１倍となる。なお、この例では、構造体が立方体の形状をしているため積層構造体３の長さＬをそのまま式に代入したが、後述する他の実施形態のように、積層構造体３がストライプ状でなく島状に形成及び配列されている場合には、上記式（１）〜（３）の適用においては実効的な共振器長をＬとして採用する必要がある。
また、光検出器１Ａについて、入射前に積層方向の電界成分を有しない光が入射した場合に、表面プラズモン共鳴を引き起こして積層方向の電界ベクトルを発生させることができることに関し、別のシミュレーションを行った。図８にそのシミュレーションの結果を示す。これは、波長５μｍにおける量子井戸構造体の屈折率と同じ、屈折率３．４の誘電体がＡｕに挟まれた幅０．５μｍのストライプ形状の共振器について、積層方向の電界ベクトルの強度（｜Ｅｚ｜２）の入射光波長依存性を計算した結果である。図８によれば、共鳴波長の５μｍにおいて、入射光の全電界強度に対し１０倍以上の電界ベクトルの強度（｜Ｅｚ｜２）が得られることが分かる。
上記シミュレーションを行った積層構造体を実際に作製し、温度７７Ｋにおいて分光感度を測定した。結果を図９のグラフに示す。横軸は入射光の波長、縦軸は生じた光電流（a.u.）である。このグラフによれば、積層方向に入射した光に対して光感度が得られたことを確認することができる。ここで、半導体構造体層としてはＱＣＤを用いた。
また、共振器長を０．４５μｍから０．５５μｍまで変化させて、プラズモン共振器の反射スペクトルをシミュレーションした。結果を図１０のグラフに示す。このグラフから、プラズモン共振器に吸収される光は共鳴波長において反射率がほぼ０になること、及び、共振器長を変えることによって、吸収される波長のピークが変化することが分かる。
上記第１の実施形態の光検出器１Ａでは、半導体構造体層５が複数の積層構造体３ごとに分離して形成されている態様を示したが、半導体構造体層５は、図１１及び図１２に示されるように、複数の積層構造体３にわたって連続して形成されていてもよい。このように半導体構造体層が連続して形成されている場合でも、シミュレーションの結果から、第１の実施形態の光検出器１Ａと同等の効果が得られることが確認されている。
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図１３及び図１４に示されるように、第２の実施形態の光検出器１Ｂは、第１の実施形態の光検出器１Ａと比べて、平面視における積層構造体の形状及び配列が異なる。
光検出器１Ｂにおける複数の積層構造体２３は、それぞれ第２の金属層２６及び半導体構造体層２５が平面視正方形とされており、これらが島状且つ正方格子状に配列されることにより周期パターンＰ２が構成されている。つまり、周期パターンＰ２は、積層構造体２３の積層方向に垂直な面に沿って二次元方向にパターン化されている。
第１の実施形態の光検出器１Ａでは、積層構造体３において、表面プラズモン共鳴を引き起こすキャビティとして作用しうる方向が一方向（ストライプ状の周期パターンＰ１が並ぶ方向）のみであるために、その方向に偏光した光（その方向の電界成分を有する光）に対してのみ光感度を有するが、第２の実施形態の光検出器１Ｂは、第２の金属層２６及び半導体構造体層２５が平面視正方形とされているために、積層構造体２３は、少なくともその正方形の向かい合う辺を結ぶ方向（二方向）において表面プラズモン共鳴を引き起こすキャビティとして作用しうる。すなわち、光検出器１Ｂは、当該正方形の面上で直交する二方向において光感度を有する点で有利である。
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図１５及び図１６に示されるように、第３の実施形態の光検出器１Ｃは、第２の実施形態の光検出器１Ｂと比べて、複数の大きさの積層構造体を含む点が異なる。
光検出器１Ｃにおける周期パターンＰ３は、第２の金属層３６ａ，３６ｂ，３６ｃ及び半導体構造体層３５ａ，３５ｂ，３５ｃの大きさが異なる複数の周期パターン部Ｐ３ａ，Ｐ３ｂ，Ｐ３ｃを含んでいる。すなわち、積層構造体３３ａ，３３ｂ，３３ｃは、図１５に示されるように、第２の金属層３６ａ，３６ｂ，３６ｃ及び半導体構造体層３５ａ，３５ｂ，３５ｃの大きさが異なることにより区別された第１の周期パターン部Ｐ３ａ、第２の周期パターン部Ｐ３ｂ、及び第３の周期パターン部Ｐ３ｃを形成し、それぞれの周期パターン部Ｐ３ａ，Ｐ３ｂ，Ｐ３ｃは、積層構造体３３ａ，３３ｂ，３３ｃの積層方向に垂直な面に沿ってそれぞれ一次元方向にパターン化されている。配線電極８は、周期パターン部Ｐ３ａ，Ｐ３ｂ，Ｐ３ｃごとに配線されており、いずれも共通の取出し電極９と電気的に接続されている。
第１の実施形態における図７から分かるように、電場の増強効果は、第２の金属層３６ａ，３６ｂ，３６ｃ及び半導体構造体層３５ａ，３５ｂ，３５ｃがなす幅に依存する。より具体的には、第２の金属層３６ａ，３６ｂ，３６ｃと半導体構造体層３５ａ，３５ｂ，３５ｃとの界面における第２の金属層３６ａ，３６ｂ，３６ｃがなす幅のうち、表面プラズモン共鳴を引き起こすキャビティとして作用しうる幅（共振器長）に依存する。このため、１種の積層構造体３のみを含む第１の実施形態の光検出器１Ａ及び第２の実施形態の光検出器１Ｂは、高い光感度を有する波長帯域が狭い。これに対し、複数の大きさの積層構造体を有する本実施形態の光検出器１Ｃでは、上記キャビティとして作用しうる「幅」を複数有するため、高い光感度を有する波長帯域が広い。すなわち、本実施形態の光検出器１Ｃでは、第２の金属層３６ａ，３６ｂ，３６ｃと半導体構造体層３５ａ，３５ｂ，３５ｃとの界面における第２の金属層３６ａ，３６ｂ，３６ｃがなす幅のうち、表面プラズモン共鳴を引き起こすキャビティとして作用しうる幅に応じた波長帯域の光によって表面プラズモンが励起され、プラズモン共鳴により励起された電子を共通の取出し電極９から一出力として取り出す。従って、この光検出器１Ｃによれば、広い波長帯域を有する光を高い光感度で検出することができる。なお、このように大きさの異なる積層構造体３３ａ，３３ｂ，３３ｃが隣接して形成されている場合でも、互いのプラズモン共鳴は妨げられないことが、理論上証明されている。
なお、上記第３の実施形態の光検出器１Ｃでは、それぞれの周期パターン部が一次元方向にパターン化されている態様を示したが、これらが二次元方向にパターン化されていてもよい。また、上記第３の実施形態の光検出器１Ｃでは、配線電極８が周期パターン部Ｐ３ａ，Ｐ３ｂ，Ｐ３ｃごとに配線された態様を示したが、異なる周期パターン部間を横断するように配線されていてもよい。
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図１７及び図１８に示されるように、第４の実施形態の光検出器１Ｄは、第３の実施形態の光検出器１Ｃと比べて、取出し電極が複数形成され、複数の周期パターン部Ｐ３ａ，Ｐ３ｂ，Ｐ３ｃが互いに異なる取出し電極９ａ，９ｂ，９ｃと電気的に接続されている点が異なる。
この光検出器１Ｄでは、取出し電極９ａ，９ｂ，９ｃごとに異なる波長帯域を有する光が検出されることになるため、広い波長帯域を有する光を波長帯域ごとに分光して高い光感度で検出することができる。
なお、上記第４の実施形態の光検出器１Ｄでは、それぞれの周期パターン部が一次元方向にパターン化されている態様を示したが、これらが二次元方向にパターン化されていてもよい。
［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図１９及び図２０に示されるように、第５の実施形態の光検出器１Ｅは、第１の実施形態の光検出器１Ａと比べて、積層構造体５３を構成する半導体構造体層５５として、ＱＷＩＰ構造又はＱＣＤ構造に替えてＱＤＩＰ構造が採用されている点が異なる。
ＱＤＩＰ構造により光を検出する場合、ＱＷＩＰ構造又はＱＣＤ構造とは異なり、光の閉じ込め方向が三次元であることから偏光依存性が消失し、光の電界の振動方向に依らずに光を検出することができる。ＱＤＩＰ構造ではその構造上、本質的に光感度が低いという欠点があるが、本実施形態の光検出器１Ｅでは、プラズモン共鳴により積層構造体５３内において電場が増強されるため、光感度が高い。
［第６の実施形態］
本発明の第６の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図２１及び図２２に示されるように、第６の実施形態の光検出器１Ｆは、第２の実施形態の光検出器１Ｂと比べて、平面視における積層構造体の形状及び配列が異なる。
すなわち、光検出器１Ｆにおける複数の積層構造体６３は、それぞれ第２の金属層６６及び半導体構造体層６５が平面視円形とされており、これらが島状且つ三角格子状に配列されることにより周期パターンＰ６が構成されている。
第２の実施形態の光検出器１Ｂでは、入射光が特定の偏光方向を有する場合（つまり、電界の振動方向が特定の方向である場合）にのみ光感度が高いのに対し、本実施形態の光検出器１Ｆでは、光感度について、入射光の偏光方向に対する依存性が小さい。
［第７の実施形態］
本発明の第７の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図２３及び図２４に示されるように、第７の実施形態の光検出器１Ｇは、第２の実施形態の光検出器１Ｂと比べて、基板２及び第１の金属層４に替えて、高不純物ドーピングされた半導体層７４を備える点が異なる。また、第２の実施形態の光検出器１Ｂにおいて接地電極部１０とされていた部分に取出し電極７９が設けられている点が異なる。
半導体層７４は、ＳｉやＺｎ等が高不純物ドーピングされたＩｎＰ等の半導体からなる。高不純物ドーピングされた半導体は、中赤外線に対しては金属と同様に誘電率が負となることが周知である（例えば、D. Li, C. Z. Ning, "All-semiconductor active plasmonic system in mid-infrared wavelengths", Opt. Express, 19, 14594 (2011)参照）。このため、入射した中赤外線が積層構造体７３において表面プラズモンと結合し、プラズモン共鳴を引き起こすことが可能である。その結果、第１実施例と同様にして、入射光に対して光感度を得ることができる。この光検出器１Ｇの製造においては、図３（ｂ）に示されるような基板を貼り合せる工程が不要となるため、製造が簡単である。
なお、上記第７の実施形態の光検出器１Ｇにおいては、半導体構造体層２５上に、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ等の第２の金属に替えて、半導体層７４に用いたのと同様の高不純物ドーピングされた半導体を積層してもよい。上記のように、高不純物ドーピングされた半導体の誘電率が負となる波長帯域においては、高不純物ドーピングされた半導体層を第２の金属の替わりに用いることができる。この場合、光検出器１Ｇの製造がより簡単になる。
［第８の実施形態］
本発明の第８の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図２５に示されるように、第８の実施形態の光検出器１Ｈは、第１の実施形態の光検出器１Ａと比べて、第１又は第２の金属層、及び半導体構造体層をそれぞれ複数備える点、並びに、積層構造体が断面視台形とされている点が異なる。
光検出器１Ｈでは、基板２上に基板２の側から順に積層された第１の金属層４と、半導体構造体層８５ａと、第２の金属層８６ａとにより、積層構造体８３ａが形成されている。また、当該第２の金属層８６ａと、半導体構造体層８５ｂと、第２の金属層８６ｂとにより、別の積層構造体８３ｂが形成されている。ここで、積層構造体８３ａと積層構造体８３ｂとの間で、第２の金属層８６ａは兼用されており、当該第２の金属層８６ａは、積層構造体８３ｂの構成としては第１の金属層として機能する。
複数の積層構造体８３ａ，８３ｂは、基板２上において、第１の金属層４、半導体構造体層８５ａ、第２の金属層８６ａ、半導体構造体層８５ｂ及び第２の金属層８６ｂの積層方向に垂直な面に沿って、平面視ストライプ状に周期パターンＰ８が形成されるようにそれぞれ配列されている。つまり、周期パターンＰ８は、積層構造体８３ａ，８３ｂの積層方向に垂直な面に沿って一次元方向にパターン化されている。また、第１の金属層４、半導体構造体層８５ａ、第２の金属層８６ａ、半導体構造体層８５ｂ及び第２の金属層８６ｂは、この順に（基板２から遠ざかるにしたがって）、当該周期パターンＰ８を形成するストライプが並ぶ方向の幅が、徐々に小さくなっており、積層構造体８３ａ，８３ｂがいずれも断面視台形とされている。また、積層構造体８３ａ，８３ｂは、これらを一つの積層構造体とみなした場合でも断面視台形となるように形成されている。なお、光検出器１Ｈは、第１の実施形態の光検出器１Ａと同様の方法で製造することができる。
本実施形態の光検出器１Ｈにおいても、図７〜図１０に示されたような電場の増強効果及び反射率が得られる。つまり、上記のように構成された積層構造体８３ａ，８３ｂは、それぞれ独立に、表面プラズモン共鳴を引き起こすキャビティとして作用する。また、積層構造体８３ａ，８３ｂは、上記のとおり、図２５において周期パターンＰ８を形成するストライプが並ぶ方向の幅（共振器長）が互いに異なるため、それぞれのキャビティで共振する表面プラズモンの波長も互いに異なる。従って、それぞれのキャビティで共振する表面プラズモンを励起しうる入射光の波長は２種類存在することになる。従って、光検出器１Ｈは、波長の異なる２種類の光に対して光感度が高いものとなる。
なお、上記第８の実施形態の光検出器１Ｈでは、ストライプ状の周期パターンが並ぶ態様を示したが、第２の実施形態の光検出器１Ｂのように、積層構造体は二次元方向にパターン化されていてもよい。またここで、二次元に配列された積層構造体は、第６の実施形態の光検出器１Ｆのように平面視円形とされ、且つ、先細りの円筒形状とされていてもよい。
また、光検出器１Ｈにおいて、半導体層構造体層８５ａ，８５ｂ上に、Ａｕ，Ａｇ，Ａｌ等の第２の金属に替えて、第７の実施形態の光検出器１Ｇで用いた高不純物ドーピングされた半導体を積層してもよい。また、積層構造体が更に積層された態様としてもよい。積層数が増えるほど、光検出器１Ｈが光感度を有する入射光の波長の種類も増える。
［第９の実施形態］
本発明の第９の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図２６に示されるように、第９の実施形態の光検出器１Ｉは、第８の実施形態の光検出器１Ｈと比べて、積層構造体が断面視台形ではなく断面視矩形とされている点、及び、互いに積層された積層構造体において、半導体構造体層の厚さが互いに異なる点が異なる。
光検出器１Ｉでは、基板２上に基板２の側から順に積層された第１の金属層４と、半導体構造体層９５ａと、第２の金属層９６ａとにより、積層構造体９３ａが形成されている。また、当該第２の金属層９６ａと、半導体構造体層９５ｂと、第２の金属層９６ｂとにより、別の積層構造体９３ｂが形成されている。ここで、積層構造体９３ａと積層構造体９３ｂとの間で、第２の金属層９６ａは兼用されており、当該第２の金属層９６ａは、積層構造体９３ｂの構成としては第１の金属層として機能する。
複数の積層構造体９３ａ，９３ｂは、基板２上において、第１の金属層９４、半導体構造体層９５ａ、第２の金属層９６ａ、半導体構造体層９５ｂ及び第２の金属層９６ｂの積層方向に垂直な面に沿って、平面視ストライプ状に周期パターンＰ９が形成されるようにそれぞれ配列されている。つまり、周期パターンＰ９は、積層構造体９３ａ，９３ｂの積層方向に垂直な面に沿って一次元方向にパターン化されている。なお、第１の金属層４、半導体構造体層９５ａ、第２の金属層９６ａ、半導体構造体層９５ｂ及び第２の金属層９６ｂは、いずれも当該周期パターンＰ９を形成するストライプが並ぶ方向の幅が同一とされている。
この光検出器１Ｉでは、表面プラズモン共鳴を引き起こすキャビティの共振器長を異なるものとすることによって波長が異なる複数の入射光に対して光感度を高いものとしている第８の実施形態の光検出器１Ｈとは異なり、共振器の厚さ、具体的には半導体構造体層９５ａ，９５ｂの厚さを互いに異なるものとすることによって、波長が異なる複数の入射光に対して光感度を高いものとしている。すなわち、光検出器１Ｉにおける積層構造体９３ａ，９３ｂは、いずれも周期パターンＰ９を形成するストライプが並ぶ方向の幅（共振器長）が１種類しか存在しないため、両キャビティで共振する表面プラズモンの波長は同一であるといえるところ、上記式（１）〜（３）によれば、当該表面プラズモンを励起することができる入射光の波長は半導体構造体層９５ａ，９５ｂの厚さにも依存するため、半導体構造体層９５ａ，９５ｂの厚さを異なるものとすることによって、特定波長の表面プラズモンが励起される入射光の波長を異なるものとすることができる。従って、光検出器１Ｉは、波長の異なる２種類の光に対して光感度が高いものとなる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、上記実施形態ではいずれも、積層構造体が少なくとも第２の金属層により周期パターンが形成されるように配列された態様を示したが、パターンは周期的でなくてもよい。また、積層構造体は単独でプラズモン共鳴を引き起こすキャビティとして作用するため、例えば図２７及び図２８に示される光検出器１Ｊのように、積層構造体は一つであってもよい。ここで、配線電極８は取り出し電極９を兼ね、第１の金属層４は接地電極１０を兼ねている。積層構造体３におけるキャビティの幅、すなわち半導体構造体層５と第２の金属層６との界面における所定の方向（ここでは積層構造体３の長手方向に垂直な方向）に沿った第２の金属層６の幅が、「励起される表面プラズモンの波長の２分の１倍」、もしくは「励起される表面プラズモンの波長の２分の１倍」の整数倍である場合に、積層構造体３が共振器として動作する。
また、積層構造体は、第１の金属層、半導体構造体層及び第２の金属層の積層方向から半導体構造体層を挟むように形成された第１のコンタクト層及び第２のコンタクト層を更に備えていてもよい。第１及び第２のコンタクト層は、半導体構造体層で生じた電流を検出するために、半導体構造体層と各電極とをそれぞれ電気的に連絡するための層であり、ｎ型のＩｎＧａＡｓからなる。コンタクト層の厚さは、第１の金属層側のコンタクト層では例えば５〜１００ｎｍである。一方、第２の金属層側のコンタクト層の厚さは、上述した電界成分の効果が半導体構造体層に及びやすいように、可能な限り薄いことが好ましく、具体的には５〜１００ｎｍが好ましい。なお、式（１）〜（３）によれば、半導体量子サブバンド構造の膜厚（Ｔ）が変化することにより、共鳴波長が変化することになる。コンタクト層の形成により当該膜厚が変化することも考慮してコンタクト層の厚さを決定することが望ましい。第１及び第２のコンタクト層を設けることにより、オーミック抵抗を低下させることができるため、半導体構造体層で生じる電流を効率的に検出することができる。
また、上記第１〜第９実施形態として示した態様は、それぞれ自由に組み合わせて光検出器を構成することができる。一例として、第５の実施形態の光検出器１Ｅにおける半導体構造体層５５（ＱＤＩＰ構造）を、他の実施形態の光検出器に適用してもよい。また、第７の実施形態の光検出器１Ｇにおける高不純物ドーピングされた半導体を、他の実施形態の光検出器に適用してもよい。
また、光検出器の製造方法についても、上記実施形態で示した態様（図３〜６）に限定されるものではない。例えば、第１の金属膜１０４を二つの金属膜を貼り合わせて形成するようにしてもよい。すなわち、図２９に示されるように、ＩｎＰ等の半導体仮基板１０１上に、半導体量子サブバンド構造体１０５を、ＭＢＥやＭＯＣＶＤ等の方法を用いて交互にエピタキシャル成長させる。そして、半導体量子サブバンド構造体１０５の上に、真空蒸着法やスパッタ法等により第１の金属膜１０４ｐを成膜する。他方、別途準備した基板２に金属膜１０４ｑを成膜する。そして、これらの金属膜１０４ｐ，１０４ｑ同士を貼り合わせ、加熱・加圧処理することにより接着することにより、図３（ｂ）に示される積層体が得られる。これ以降は、第１の実施形態に示した製造手順と同様にして、光検出器１Ａを製造することができる。
また、上記実施形態においては、第１の金属層４又は半導体層７４の表面が一様な平面をなしている状態を前提として記載したが、光検出器を製造する過程で、その表面が積層構造体の周期構造に即した凹凸形状となることがある。そのような形状に対しても、本発明は適用されるものである。
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ，１Ｈ，１Ｉ，１Ｊ…光検出器、３，２３，３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，５３，６３，７３，８３ａ，８３ｂ，９３ａ，９３ｂ…積層構造体、４…第１の金属層（第１の層）、５，２５，３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，５５，６５，８５ａ，８５ｂ，９５ａ，９５ｂ…半導体構造体層、６，２６，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，６６，８６ａ，８６ｂ，９６ａ，９６ｂ…第２の金属層（第２の層）、７…絶縁膜、８…配線電極、９，９ａ，９ｂ，９ｃ，７９…取出し電極（第２の電極パッド部）、１０…接地電極部（第１の電極パッド部）、７４…半導体層（第１の層）、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ６，Ｐ８，Ｐ９…周期パターン、Ｐ３ａ，Ｐ３ｂ，Ｐ３ｃ…周期パターン部。

Claims (8)

  1. 第１の金属又は第１の半導体からなる第１の層と、
    前記第１の層上に積層され、プラズモン共鳴により電子が励起される半導体構造体層と、
    前記半導体構造体層上に積層され、第２の金属又は第２の半導体からなる第２の層と、を有する積層構造体を備え、
    前記積層構造体は、下記式（１）を満たす、光検出器。
    Ｌ＝λ ｐ ／２ …（１）
    ［式（１）中、Ｌは前記半導体構造体層と前記第２の層との界面における、前記第１の層、前記半導体構造体層及び前記第２の層の積層方向に垂直な方向に沿った前記第２の層の幅を示し、λ ｐ はプラズモン波長を示す。］
  2. 前記半導体構造体は、量子サブバンド間遷移の光吸収が生じるものである、請求項１記載の光検出器。
  3. 前記積層構造体は、前記第１の層、前記半導体構造体層及び前記第２の層の積層方向に垂直な面に沿って複数配列されている、請求項１又は２記載の光検出器。
  4. 前記第１の層は、複数の前記積層構造体にわたって一体的に形成されている、請求項３記載の光検出器。
  5. 前記半導体構造体層は、複数の前記積層構造体ごとに分離して形成されている、請求項３又は４記載の光検出器。
  6. 前記半導体構造体層は、複数の前記積層構造体にわたって連続して形成されている、請求項３又は４記載の光検出器。
  7. 前記プラズモン共鳴により励起された電子を外部に取り出すための第１の電極パッド部及び第２の電極パッド部を更に備え、
    複数の前記積層構造体は、少なくとも前記半導体構造体層と前記第２の層との界面における所定の方向に沿った前記第２の層の幅が互いに異なる第１の積層構造体及び第２の積層構造体を含み、
    前記第１の層は、前記第１の電極パッド部と電気的に接続されており、
    前記第１の積層構造体の前記第２の層、及び前記第２の積層構造体の前記第２の層は、共通の前記第２の電極パッド部と電気的に接続されている、請求項３〜６のいずれか一項記載の光検出器。
  8. 前記プラズモン共鳴により励起された電子を外部に取り出すための第１の電極パッド部及び複数の第２の電極パッド部を更に備え、
    複数の前記積層構造体は、少なくとも前記半導体構造体層と前記第２の層との界面における所定の方向に沿った前記第２の層の幅が互いに異なる第１の積層構造体及び第２の積層構造体を含み、
    前記第１の層は、前記第１の電極パッド部と電気的に接続されており、
    前記第１の積層構造体の前記第２の層、及び前記第２の積層構造体の前記第２の層は、互いに異なる前記第２の電極パッド部と電気的に接続されている、請求項３〜６のいずれか一項記載の光検出器。
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