JP5940657B2 - 光検出器 - Google Patents

Description

本発明は、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）、ＱＤＩＰ（量子ドット赤外光センサ）、ＱＣＤ（量子カスケード型光センサ）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、暗電流が比較的小さい、室温動作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、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共鳴の効果によって、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、半導体積層体の表面に光透過層を設け、この光透過層の表面に凹凸パターンからなる回折格子及びこれを覆う反射膜を形成した光検出器が知られている（特許文献１参照）。この例では、当該回折格子及び反射膜による入射光の回折及び反射の効果によって、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。

特開２０００−１５６５１３号公報

W. Wu, et al., "Plasmonic enhanced quantum well infrared photodetector with high detectivity", Appl. Phys. Lett., 96, 161107(2010).

このように、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、当該光を当該積層方向の電界成分を有するように変調する技術が種々提案されている。

しかしながら、非特許文献１記載の光検出器は、量子井戸構造として、等しい井戸幅の量子井戸を単純に積層したＱＷＩＰ構造を有しており、これを光検出器として動作させるためには外部からバイアス電圧を印加する必要があり、これによる暗電流が光感度に与える悪影響を無視できない。

また、特許文献１記載の光検出器では、実効的な光感度を得るためには量子井戸構造を何周期も積層して、光吸収層を何層も形成する必要がある。

そこで、本発明は、半導体積層体の積層方向の電界成分を有しない光を高い感度で検出することができる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の領域、及び所定の方向に垂直な面に沿って第１の領域に対し周期的に配列された第２の領域を含む構造体を有し、所定の方向に沿って光が入射したときに、前記所定の方向の電界成分を有しない光を所定の方向の電界成分を有するように変調する光学素子と、光学素子に対し所定の方向における一方の側とは反対側の他方の側に配置され、光学素子により生じさせられた所定の方向の電界成分によって電流を生じる量子カスケード構造を有する半導体積層体と、を備え、量子カスケード構造は、電子が励起されるアクティブ領域と、電子を輸送するインジェクタ領域とを含み、アクティブ領域は、量子カスケード構造においてインジェクタ領域に対して一方の側の最表面に形成されている。

この光検出器が備える光学素子は、所定の方向に沿って光が入射したときに所定の方向の電界成分を生じさせる。この電界成分により、半導体積層体の量子カスケード構造においてインジェクタ領域に対して一方の側の最表面に形成されたアクティブ領域で電子が励起され、この電子がインジェクタ領域により輸送されることで、量子カスケード構造に電流を生じる。すなわち、この光検出器は、動作させるために外部からバイアス電圧を印加する必要がなく、このため暗電流が極めて小さい。従って、この光検出器によれば、半導体積層体の積層方向の電界成分を有しない光を高い感度で検出することができる。

ここで、半導体積層体は、所定の方向に沿って積層された複数の量子カスケード構造を有していてもよい。この場合、半導体積層体に、より大きな電流を生じるため、光検出器の光感度が一層高くなる。

本発明の光検出器は、半導体積層体の一方の側の表面に形成された第１のコンタクト層と、半導体積層体の他方の側の表面に形成された第２のコンタクト層と、を更に備えていてもよい。また、この場合、本発明の光検出器は、第１のコンタクト層と電気的に接続された第１の電極と、第２のコンタクト層と電気的に接続された第２の電極と、を更に備えていてもよい。これらによれば、半導体積層体で生じる電流を効率的に検出することができる。

本発明の光検出器は、第２のコンタクト層、半導体積層体、第１のコンタクト層及び光学素子が他方の側から順に積層された基板を更に備えていてもよい。これによれば、光検出器の各構成の安定化を図ることができる。

本発明の光検出器が備える光学素子において、第１の領域は、所定の方向に沿って光を透過させて当該光を変調する誘電体からなっていてもよく、光により表面プラズモンが励起される金属からなっていてもよい。いずれの場合も、所定の方向に沿って光が光学素子に入射したときに所定の方向の電界成分を生じさせることができるため、半導体積層体が有する量子カスケード構造に電流を生じることができる。

本発明の光検出器が備える光学素子において、第１の領域に対する第２の領域の配列の周期は、０．５〜５００μｍであってもよい。これによれば、所定の方向に沿って光が光学素子に入射したときに、所定の方向の電界成分を一層効率よく生じさせることができる。

本発明の光検出器が備える光学素子に入射する光は、赤外線であってもよい。これによれば、本発明の光検出器を、赤外光検出器として好適に使用することができる。

本発明の光検出器においては、光学素子が、一方の側から光が入射したときに所定の方向の電界成分を生じさせるものであってもよいし、或いは、光学素子が、半導体積層体を介して他方の側から光が入射したときに所定の方向の電界成分を生じさせるものであってもよい。

本発明によれば、半導体積層体の積層方向の電界成分を有しない光を高い感度で検出することができる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平面図である。 図１のII−II線に沿っての断面図である。 本発明の第１の実施形態の光学素子の平面図である。 図３のIV−IV線に沿っての断面図である。 本発明の第１の実施形態の光学素子の変形例の平面図である。 本発明の第１の実施形態の光学素子の変形例の平面図である。 本発明の第２の実施形態の光検出器の断面図である。 本発明の第３の実施形態の光検出器の断面図である。 本発明の第４の実施形態の光検出器の平面図である。 図９のX−X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６の実施形態の光検出器の平面図である。 図１３のXIV−XIV線に沿っての断面図である。 図７の光学素子についてのＦＤＴＤ法による電界強度分布である。 量子カスケード構造の段数を変化させた場合の垂直電界強度の積算値を示すグラフである。

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。なお、本実施形態の光検出器が検出するべき光（光学素子に入射する光）は、赤外線（波長が１〜１０００μｍの光）である。

［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、ｎ型のＩｎＰからなる厚さ３００〜５００μｍの矩形板状の基板２を備え、これにコンタクト層３，５と、半導体積層体４と、電極６，７と、光学素子１０とが積層されている。この光検出器１Ａは、半導体積層体４における量子サブバンド間遷移の光吸収を利用する光検出器である。

基板２の表面２ａの全面には、コンタクト層（第２のコンタクト層）３が設けられている。コンタクト層３の表面３ａの全面には、半導体積層体４が設けられている。半導体積層体４の表面４ａの全面には、コンタクト層（第１のコンタクト層）５が設けられている。コンタクト層５の表面５ａの中央には、表面５ａの全面よりも小さな面積をもつ光学素子１０が設けられている。つまり、光学素子１０は、平面視した場合にコンタクト層５に含まれるように配置されている。表面５ａのうち、光学素子１０が設けられていない周縁の領域には、電極（第１の電極）６が光学素子１０を囲むように環状に形成されている。一方、基板２の表面２ａとは反対側の表面２ｂの全面には、もう一つの電極（第２の電極）７が設けられている。

半導体積層体４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カスケード構造を有するものであり、光を吸収して電子が励起されるアクティブ領域４ｂが光学素子１０側に位置するように、且つ一方向への電子輸送を担うインジェクタ領域４ｃがその反対側に位置するように積層されて形成されている。ここで、量子カスケード構造の厚さは５０ｎｍ程度である。

アクティブ領域４ｂ及びインジェクタ領域４ｃのそれぞれでは、互いにエネルギーバンドギャップの異なるＩｎＧａＡｓ及びＩｎＡｌＡｓの半導体層が、一層あたり数ｎｍの厚さで交互に積層されている。アクティブ領域４ｂにおけるＩｎＧａＡｓの半導体層は、シリコン等のｎ型の不純物がドープされることでウェル層として機能し、ＩｎＡｌＡｓの半導体層は、当該ＩｎＧａＡｓの半導体層を挟んでバリア層として機能する。一方、インジェクタ領域４ｃでは、不純物がドープされていないＩｎＧａＡｓの半導体層とＩｎＡｌＡｓの半導体層とが交互に積層されている。ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＡｌＡｓの積層数は、アクティブ領域４ｂ及びインジェクタ領域４ｃの合計として、例えば１６である。アクティブ領域４ｂの構造によって、吸収される光の中心波長が決まる。

コンタクト層３，５は、半導体積層体４で生じた電流を検出するために、半導体積層体４と電極６，７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３の厚さは０．１〜１μｍが好ましい。一方、コンタクト層５の厚さは、後述する光学素子１０による効果が量子カスケード構造に及びやすいように、可能な限り薄く、具体的には５〜１００ｎｍが好ましい。電極６，７は、Ｔｉ／Ａｕからなるオーミック電極である。

光学素子１０は、所定の方向における一方の側から光が入射したときに所定の方向の電界成分を生じさせるものである。図３及び図４に示されるように、光学素子１０は、構造体１１を備えており、構造体１１は、第１の領域Ｒ１、及び所定の方向に垂直な面に沿って第１の領域Ｒ１に対し入射光の波長に応じて０．５〜５００μｍ（入射光の波長以下とする。）となる周期ｄにより周期的に配列された第２の領域Ｒ２を有する。

構造体１１は、所定の方向における一方の側から他方の側に貫通する複数の貫通孔１２が設けられた膜体１３を有する。当該複数の貫通孔１２は、図３に示されるように膜体１３の平面視スリット形状をなしている。このスリット形状の貫通孔１２は、当該スリット形状の長手方向と垂直な方向に一列に並んでいる。そして、それぞれの貫通孔１２は、図４に示されるように所定の方向における一方の側から他方の側（図２における半導体積層体４の積層方向）に貫通している。なお、膜体１３の厚さは１０ｎｍ〜２μｍであることが好ましい。

ここで、第１の領域Ｒ１は、膜体１３における貫通孔１２間の部分１３ａであり、具体的には金からなる。第２の領域Ｒ２は、貫通孔１２内の空間Ｓであり、具体的には空気である。つまり、光検出器１Ａを光学素子１０の側から平面視した場合（つまり図１において）、コンタクト層５の一部が貫通孔１２から覗いている。

このように構成された光検出器１Ａは、自由電子を有する金からなる第１の領域Ｒ１及び空気からなる第２の領域Ｒ２が構造体１１において所定の方向に垂直な面に沿って周期的に配列された光学素子１０を備えているため、所定の方向における一方の側からこの光学素子１０に光が入射した場合（例えば、半導体積層体４の積層方向から平面波が入射した場合）、表面プラズモン共鳴により表面プラズモンが励起される。このとき、所定の方向の電界成分が生じる。更に、光学素子１０における構造体１１は、一方の側から他方の側に貫通する複数の貫通孔１２が設けられた膜体１３を有し、第１の領域Ｒ１は、膜体１３における貫通孔１２間の部分１３ａであり、第２の領域Ｒ２は、貫通孔１２内の空間Ｓである。このため、当該構造体１１は１種類の材料から形成することができるため、製造も容易であり、コストも低減できる。

そして、上記のように表面プラズモンが励起されたことにより生じた所定の方向の電界成分は、半導体積層体４の積層方向の電界成分でもあるため、この電界成分により、半導体積層体４の量子カスケード構造において光学素子１０側の最表面に形成されたアクティブ領域４ｂで電子が励起され、この電子がインジェクタ領域４ｃにより一方向に輸送されることで、量子カスケード構造に電流を生じる。この電流が電極６，７を介して検出される。すなわち、この光検出器１Ａによれば、半導体積層体４の積層方向の電界成分を有しない光を検出することができる。なお、電極６からは電子が供給されるため、電流連続の条件が満たされる。また、本発明の光検出器は、コンタクト層３，５、半導体積層体４、及び光学素子１０を支持する基板２を更に備えているため、光検出器１Ａの各構成が安定化されている。

表面プラズモン共鳴を利用する光検出器として、上記非特許文献１記載の光検出器が知られているが、当該光検出器は、量子井戸構造として、等しい井戸幅の量子井戸を単純に積層したＱＷＩＰ構造を採用しているため、これを光検出器として動作させるためには外部からバイアス電圧を印加する必要があり、これによる暗電流が光感度に与える悪影響を無視できない。これに対して本実施形態の光検出器１Ａは、インジェクタ領域４ｃが、アクティブ領域４ｂで励起された電子を一方向に輸送するように設計されているため、動作させるために外部からバイアス電圧を印加する必要がなく、光により励起された電子が、バイアス電圧がない状態において量子準位間を散乱して移動するため、暗電流が極めて小さい。従って、この光検出器によれば、半導体積層体の積層方向の電界成分を有しないより微小な強さの光を高い感度で検出することができる。例えば、中赤外光検出器として従来から知られているＰｂＳ（Ｓｅ）やＨｇＣｄＴｅを用いた検出器に比べて、より弱い光を検出することが可能になる。

また、上記特許文献１記載の光検出器では、光透過層の表面に回折格子を形成するため、光検出器としての設計の自由度が低い。これに対し、本実施形態の光検出器１Ａでは、光学素子１０はコンタクト層５とは別に形成されるものであるため、表面プラズモンが励起される材料の選択、並びに、光学素子１０の形成及び加工の技術の選択の幅が広い。従って、本実施形態の光検出器１Ａは、入射光の波長や所望の光感度等に応じた設計の自由度が高い。

なお、上記第１の実施形態の光検出器１Ａは、その光学素子１０を別の態様とすることもできる。例えば、図５に示されるように、光学素子１０において、膜体１３に設けられた複数の貫通孔１２の形状を円柱形状とし、その配置を平面視正方格子状とすることもできる。上記実施形態の光検出器１Ａでは、表面プラズモンを励起させることができる光が、スリット形状の貫通孔が並ぶ方向に偏光を有する光に限られていたが、図５に示された光学素子１０を備える本実施形態の光検出器では、第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２が二次元方向に周期的に配列しているため、表面プラズモンを励起させることができる入射光の偏光方向が二種類に増加することになる。

また、当該円柱形状の複数の貫通孔の配置を、正方格子状に替えて、図６に示されるように、三角格子状とすることもできる。これによれば、正方格子状の配列に比べて、入射光の偏光方向に対する依存性が更に小さくなる。

［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７に示される第２の実施形態の光検出器１Ｂが第１の実施形態の光検出器１Ａと異なる点は、光学素子として、金からなる光学素子１０に替えて、屈折率の大きな誘電体からなる光学素子２０を備えている点である。

この光学素子２０は、所定の方向における一方の側から他方の側に光を透過させて、当該光を変調するための光学素子であり、第１の領域Ｒ１が、屈折率の大きな誘電体からなる。第１の領域（誘電体）Ｒ１の屈折率と第２の領域（空気）Ｒ２の屈折率との差は、２以上であることが好ましく、３以上であることがより好ましい。例えば波長が５μｍの中赤外光について、ゲルマニウムの屈折率は４．０であり、空気の屈折率は１．０である。この場合、屈折率の差は３．０である。なお、光学素子２０における膜体１３の厚さは１０ｎｍ〜２μｍであることが好ましい。

このように構成された光検出器１Ｂは、上記光学素子２０を備えているため、所定の方向における一方の側からこの光学素子２０に光が入射した場合（例えば、半導体積層体４の積層方向から平面波が入射した場合）、当該光は、構造体１１において所定の方向に垂直な面に沿って周期的に配列された第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２の屈折率の差により変調され、その後、所定の方向における他方の側から出射する。すなわち、所定の方向の電界成分を有しない光を、当該所定の方向の電界成分を有するように効率よく変調することができる。また、第１の領域Ｒ１の屈折率と第２の領域Ｒ２の屈折率との差は、２以上であり、第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２の配列の周期ｄは、０．５〜５００μｍであり、入射光の波長に応じて決められるため、光の変調が一層効率よく行われる。

また、上記第１の実施形態の光検出器では、入射光（ここでは赤外線）の一部が金の薄膜により遮光されるうえ、表面プラズモン共鳴自体もエネルギー損失が大きい傾向があり、光感度の低下を招く場合がある。更に、表面プラズモン共鳴は、金属中の自由電子が光の電界成分等と結合した結果生じる振動の共鳴状態をいうことから、表面プラズモン共鳴を利用するためには、光が入射する面に自由電子が存在することが不可欠であるという制限がある。これに対し、本実施形態の光検出器１では、第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２がいずれも入射光に対して透過性を有し、且つ光の変調に表面プラズモン共鳴を利用しないため、第１の実施形態の光検出器で懸念される光感度の低下が生じず、且つ使用材料が自由電子を有する金属に制限されないという利点がある。

なお、上記第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と同様に、その光学素子２０を別の態様とすることもできる。すなわち、光学素子２０において、膜体に設けられた複数の貫通孔の形状を円柱形状として、その配置を平面視正方格子状又は三角格子状とすることもできる。また、貫通孔に、二酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム等を埋設して第２の領域を構成したものであってもよい。

［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８に示される第３の実施形態の光検出器１Ｃが第１の実施形態の光検出器１Ａと異なる点は、コンタクト層５が、半導体積層体４の表面４ａの全面に設けられていることに替えて、電極６の直下のみに設けられている点、及び、これに伴い光学素子１０が半導体積層体４の表面４ａに直接設けられている点である。また、光学素子１０に替えて、第２の実施形態における光学素子２０を適用してもよい。後述する計算結果から明らかなように、所定の方向の一方側から光学素子に入射した光から生じる所定の方向の電界成分が最も強く現れるのは、光学素子における他方側の表面付近である。従って、本実施形態の光検出器１Ｃは、光学素子１０と半導体積層体４とが直接接しているために、第１の実施形態の光検出器１Ａと比べて、光感度が高い。

［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９及び図１０に示される第４の実施形態の光検出器１Ｄが第３の実施形態の光検出器１Ｃと異なる点は、コンタクト層５と電極６との間に、光学素子１０を形成している材料（ここでは金）からなる介在部材１０ａが配置され、且つ当該介在部材１０ａが、コンタクト層５の内側の側面と光学素子１０との間の領域に進入し、光学素子１０とコンタクト層５及び電極６とを電気的に接続している点である。これによれば、光学素子１０が半導体積層体４の表面４ａに直接設けられている場合であっても、直列抵抗のロスによる光感度の低下を抑制することができる。

［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１１及び図１２に示される第５の実施形態の光検出器１Ｅが第１の実施形態の光検出器１Ａと異なる点は、基板２ｃとして半絶縁性タイプのＩｎＰ基板を使用している点、半導体積層体４がコンタクト層３の表面３ａの全面よりも小さな面積をもち、コンタクト層３の表面３ａの全面ではなく中央に設けられている点、及び、電極７が、コンタクト層３の表面３ａのうち半導体積層体４が設けられていない周縁の領域に、半導体積層体４を囲むように環状に形成されている点である。このような電極７は、コンタクト層３、半導体積層体４、コンタクト層５を一旦積層した後で、コンタクト層５及び半導体積層体４をエッチング除去してコンタクト層３の表面３ａを露出させることにより形成可能である。電磁誘導の小さな半絶縁性タイプの基板２ｃを用いることにより、低ノイズ化や高速化、又はアンプ回路等との集積回路が実現しやすくなる。

更に、光検出器１Ｅでは、基板２ｃのコンタクト層３と反対側の表面に電極が設けられていないため、光検出器１Ｅの裏面側（所定の方向における他方の側）から光を入射させて、その光を検出することが可能になる。これにより、光学素子１０による入射光の反射及び吸収を回避することができるため、一層の光感度の増大が可能になる。更に、パッケージ、サブマウント或いは集積回路等に光検出器１Ｅをフリップチップボンディングにより搭載した状態で、簡便に光を入射させることができるため、特にイメージセンサ等への発展の可能性が広がるというメリットがある。

なお、本実施形態においても基板としてｎ型のＩｎＰ基板を用いることもできる。

［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１３及び図１４に示される第６の実施形態の光検出器１Ｆが第２の実施形態の光検出器１Ｂと異なる点は、光学素子として、形状が異なる光学素子３０を使用している点、及び、半導体積層体４が、所定の方向に沿って積層された複数の量子カスケード構造を有する点である。

光学素子３０は、所定の方向に垂直な方向に延びる複数の棒状体３３ａ（第１の領域Ｒ１）が、空間Ｓ（第２の領域Ｒ２）とともにストライプを形成するように同一平面上に互いに平行に配置されたものである。

所定の方向の電界成分は、後述するシミュレーションから明らかなように、光学素子３０の表層に近い部分において最も強度が高くなるが、半導体積層体４の深い領域においてもその強度はゼロではなく、深くなるに従って減衰しながらも存在している。半導体積層体４は量子カスケード構造を多段に有しているため、深い領域に届いている電界成分によっても光励起電子を有効に発生させる。このため、本実施形態の光検出器は、光感度が一層高められているといえる。

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、ＩｎＰ基板上に形成した量子カスケード構造として、ＩｎＡｌＡｓとＩｎＧａＡｓから構成される例を取り上げたが、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓから構成されるものであってもよく、ＧａＡｓ基板上に形成したＡｌＧａＡｓとＧａＡｓからなるものであってもよく、他にも、ＧａＮとＩｎＧａＮからなるものなど、量子準位が形成されるあらゆる半導体層を適用することができる。

また、第１の実施形態では、光学素子１０の材料として金（Ａｕ）を示したが、アルミニウム（Ａｌ）や銀（Ａｇ）などの電気抵抗が低い他の金属であってもよい。また、第２の実施形態では、光学素子１０の材料である屈折率の高い誘電体としてゲルマニウム（Ｇｅ）を示したが、これに限られるものではない。また、上記各実施形態におけるオーミック電極６，７を構成する金属についてもここに示した限りではない。このように、通常考えられるデバイス形状のバリエーション範囲において、本発明の適用が可能である。

また、第４及び第５実施形態の光検出器における光学素子１０に替えて、第２の実施形態における光学素子２０を適用してもよいし、第１の領域及び第２の領域を構成する材料として、文献（M.Choi et al., "A terahertz metamaterial with unnaturally high refractive index", Nature, 470, 369(2011).）に開示されているような、微細加工技術により誘電率と透磁率を人工的に操作したメタマテリアルと呼ばれる材料を用いてもよい。

また、本発明の光検出器においては、光学素子が、所定の方向における一方の側から光が入射したときに当該所定の方向の電界成分を生じさせるものであってもよいし、或いは、光学素子が、半導体積層体を介して所定の方向における他方の側から光が入射したときに当該所定の方向の電界成分を生じさせるものであってもよい。つまり、本発明の光学素子は、所定の方向に沿って光が入射したときに当該所定の方向の電界成分を生じさせるものである。

さらに、光学素子における第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２に関し、周期的に配列された方向における寸法比（幅比）は、特に制限されない。例えば、第１の領域Ｒ１の幅を第２の領域Ｒ２の幅よりも小さく構成してもよく、逆に、第１の領域Ｒ１の幅を第２の領域Ｒ２の幅よりも大きく構成してもよい。それぞれの目的に合わせて、自由に設計することができる。

本発明における光学素子について、光が出射する側の近傍における電界強度分布をシミュレーションにより計算した。

図７に示される光学素子２０を対象とした。光学素子２０の厚さ、並びに第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２の構成材料及び寸法は次のとおりである。
光学素子の厚さ…０．５μｍ
周期ｄ＝１．５μｍ
第１の領域…ゲルマニウム（屈折率４．０）、幅０．７μｍ
第２の領域…空気（屈折率１．０）、幅が０．８μｍ

電界強度分布の計算は、ＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain）法（有限差分時間領域法）と呼ばれる逐次近似法にて行った。結果を図１５に示す。ここで入射光は、波長５．２μｍの平面波であり、図１５における下方から上方に向けて（つまり所定の方向に）入射させた。偏光方向は、光学素子２０のスリット形状が並ぶ方向とした。図１５は光学素子２０における第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２がなす面に（つまり所定の方向に垂直な面に）に垂直な電界成分の強度を示している。

入射光は一様な平面波であり、その電界成分は横方向にしか存在しない。図１５によれば、第１の領域（ゲルマニウム）と第２の領域（空気）との周期的な配列により、入射光に含まれていなかった所定方向の電界成分が新たに生じていることが分かる。またその強度分布から、垂直電界強度が強い領域は光学素子２０の表層に近い範囲に集中しており、このことから、量子カスケード構造においてアクティブ領域４ｂは、可能な限り半導体積層体４の表層に近い部分に形成した方が、より高い光感度を得られることがわかる。

また、量子カスケード構造の段数を変化させながら、半導体積層体内全体に生じる垂直電界強度の積算値を計算した一例を図１６に示す。図１６によれば、少なくとも段数が５０までは段数とともに垂直電界強度が増加し、それ以上の段数で垂直電界強度が飽和傾向になることが分かる。この結果から、量子カスケード構造の段数は、数十段あることが望ましいことが分かる。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ…光検出器、２，２ｃ…基板、３，５…コンタクト層、４…半導体積層体、４ｂ…アクティブ領域、４ｃ…インジェクタ領域、６，７…電極、１０，２０，３０…光学素子、１１…構造体、Ｒ１…第１の領域、Ｒ２…第２の領域。

Claims (9)

1. 第１の領域、及び所定の方向に垂直な面に沿って前記第１の領域に対し周期的に配列された第２の領域を含む構造体を有し、前記所定の方向に沿って光が入射したときに、前記所定の方向の電界成分を有しない光を前記所定の方向の電界成分を有するように変調する光学素子と、
   前記光学素子に対し前記所定の方向における一方の側とは反対側の他方の側に配置され、前記光学素子により生じさせられた前記所定の方向の電界成分によって電流を生じる量子カスケード構造を有する半導体積層体と、を備え、
   前記第１の領域は、前記所定の方向に沿って前記光を透過させて当該光を変調する誘電体からなり、
   前記半導体積層体は、前記所定の方向のみの電界成分によって電流を生じるものであり、
   前記量子カスケード構造は、電子が励起されるアクティブ領域と、前記電子を輸送するインジェクタ領域とを含み、
   前記アクティブ領域は、前記量子カスケード構造において前記インジェクタ領域に対して前記一方の側の最表面に形成されている、光検出器。
2. 前記半導体積層体は、前記所定の方向に沿って積層された複数の前記量子カスケード構造を有する、請求項１記載の光検出器。
3. 前記半導体積層体の前記一方の側の表面に形成された第１のコンタクト層と、
   前記半導体積層体の前記他方の側の表面に形成された第２のコンタクト層と、を更に備える、請求項１又は２記載の光検出器。
4. 前記第１のコンタクト層と電気的に接続された第１の電極と、
   前記第２のコンタクト層と電気的に接続された第２の電極と、を更に備える、請求項３記載の光検出器。
5. 前記第２のコンタクト層、前記半導体積層体、前記第１のコンタクト層及び前記光学素子が前記他方の側から順に積層された基板を更に備える、請求項３又は４記載の光検出器。
6. 前記第１の領域に対する前記第２の領域の配列の周期は、０．５〜５００μｍである、請求項１〜５のいずれか一項記載の光検出器。
7. 前記光は、赤外線である、請求項１〜６のいずれか一項記載の光検出器。
8. 前記光学素子は、前記一方の側から光が入射したときに前記所定の方向の電界成分を生じさせる、請求項１〜７のいずれか一項記載の光検出器。
9. 前記光学素子は、前記半導体積層体を介して前記他方の側から光が入射したときに前記所定の方向の電界成分を生じさせる、請求項１〜７のいずれか一項記載の光検出器。