JP6769420B2

JP6769420B2 - Transistor type photodetector

Info

Publication number: JP6769420B2
Application number: JP2017200627A
Authority: JP
Inventors: 高志勝野; 樹神　雅人; 雅人樹神
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2017-10-16
Filing date: 2017-10-16
Publication date: 2020-10-14
Anticipated expiration: 2037-10-16
Also published as: JP2019075464A

Description

本明細書が開示する技術は、表面プラズモン共鳴を利用するトランジスタ型光検出器に関する。 The techniques disclosed herein relate to transistorized photodetectors that utilize surface plasmon resonance.

特許文献１及び特許文献２は、表面プラズモン共鳴を利用する光検出器を開示する。この光検出器は、半導体基板と、その半導体基板上に設けられている周期構造体と、を備えている。周期構造体は、周期的なパターンを有する金属で構成されており、入射光により表面プラズモン共鳴を起こさせるように構成されている。この光検出器は、周期構造体に入射光が入射すると、表面プラズモン共鳴が起こり、電場増強効果が現われる。この光検出器は、その電場増強効果により、多数の電子がショットキー障壁を超えて半導体基板内に注入するように構成されている。 Patent Document 1 and Patent Document 2 disclose a photodetector utilizing surface plasmon resonance. This photodetector includes a semiconductor substrate and a periodic structure provided on the semiconductor substrate. The periodic structure is composed of a metal having a periodic pattern, and is configured to cause surface plasmon resonance by incident light. In this photodetector, when incident light is incident on the periodic structure, surface plasmon resonance occurs and an electric field enhancing effect appears. This photodetector is configured to inject a large number of electrons into the semiconductor substrate beyond the Schottky barrier due to its electric field enhancement effect.

特開２０１４−２２９７７９号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-229779 特開２０１３−６９８９２号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-69892

特許文献１及び特許文献２の光検出器は、ショットキーダイオードを流れる光電流を計測して入射光を検出するように構成されている。このような光検出器では、より高感度に入射光を検出する技術が必要とされている。本明細書は、高感度に入射光を検出する技術を提供することを目的とする。 The photodetectors of Patent Document 1 and Patent Document 2 are configured to detect incident light by measuring the photocurrent flowing through the Schottky diode. In such a photodetector, a technique for detecting incident light with higher sensitivity is required. It is an object of the present specification to provide a technique for detecting incident light with high sensitivity.

本明細書が開示するトランジスタ型光検出器は、半導体基板、周期構造体、ドレイン電極及びソース電極を備えることができる。周期構造体は、半導体基板上に設けられており、入射光が表面プラズモン共鳴するように構成されている。半導体基板は、ドレイン電極とソース電極の間に存在するチャネルを有している。周期構造体は、表面プラズモンによって高エネルギーとなった電子が半導体基板内のチャネルに注入されるように構成されている。このトランジスタ型光検出器は、トランジスタ動作を利用して光電流を計測するように構成されている。このため、トランジスタ型光検出器は、トランジスタの増幅作用によって高感度に入射光を検出することができる。 The transistorized photodetector disclosed herein can include a semiconductor substrate, a periodic structure, a drain electrode and a source electrode. The periodic structure is provided on the semiconductor substrate and is configured so that the incident light resonates with the surface plasmon. The semiconductor substrate has a channel existing between the drain electrode and the source electrode. The periodic structure is configured so that electrons whose energy has been increased by surface plasmons are injected into channels in the semiconductor substrate. This transistor-type photodetector is configured to measure the photocurrent by utilizing the transistor operation. Therefore, the transistor-type photodetector can detect the incident light with high sensitivity by the amplification action of the transistor.

上記トランジスタ型光検出器の一実施形態は、半導体基板の表面上に設けられている絶縁層をさらに備えていてもよい。このトランジスタ型光検出器では、ドレイン電極とソース電極が、周期構造体を間に置いて対向する位置関係で半導体基板上に配置されていてもよい。この場合、半導体基板は、ドレイン電極に電気的に接続されている第１導電型のドレイン領域と、ソース電極に電気的に接続されている第１導電型のソース領域と、ドレイン領域とソース領域を隔てる位置関係に配置されているチャネル領域を含む第２導電型のボディ領域と、を有していてもよい。ボディ領域のチャネル領域がチャネルとして機能する。このトランジスタ型光検出器では、周期構造体が、表面プラズモン共鳴によって発生した電子が絶縁層をトンネルしてチャネル領域に注入されるように構成されている。このトランジスタ型光検出器は、ＭＯＳ型トランジスタ動作を利用して光電流を計測することができる。また、このトランジスタ光検出器は、絶縁層のトンネル効果を利用してチャネル領域内に注入された電子による光電流を計測するように構成されている。このため、このトランジスタ型光検出器では、リーク電流が抑えられているので、入射光を正確に検出することができる。 One embodiment of the transistorized photodetector may further include an insulating layer provided on the surface of the semiconductor substrate. In this transistor-type photodetector, the drain electrode and the source electrode may be arranged on the semiconductor substrate in a positional relationship facing each other with a periodic structure in between. In this case, the semiconductor substrate has a first conductive type drain region electrically connected to the drain electrode, a first conductive type source region electrically connected to the source electrode, and a drain region and a source region. It may have a second conductive type body region including a channel region arranged in a positional relationship separating the two. The channel area of the body area functions as a channel. In this transistor-type photodetector, the periodic structure is configured such that the electrons generated by surface plasmon resonance tunnel through the insulating layer and are injected into the channel region. This transistor-type photodetector can measure the photocurrent by utilizing the MOS-type transistor operation. Further, this transistor photodetector is configured to measure the photocurrent due to the electrons injected into the channel region by utilizing the tunnel effect of the insulating layer. Therefore, in this transistor type photodetector, since the leakage current is suppressed, the incident light can be detected accurately.

上記トランジスタ型光検出器の他の一実施形態では、ドレイン電極とソース電極が、周期構造体を間に置いて対向する位置関係で半導体基板上に配置されていてもよい。この場合、半導体基板は、第１半導体層と、第１半導体層上に設けられており、第１半導体層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第２半導体層と、を有していてもよい。ドレイン電極は、第１半導体層と第２半導体層の接合面に生成される２次元電子ガス層に電気的に接続されている。ソース電極も、第１半導体層と第２半導体層の接合面に生成される２次元電子ガス層に電気的に接続されている。２次元電子ガス層がチャネルとして機能する。このトランジスタ型光検出器では、周期構造体は、表面プラズモン共鳴によって発生した電子が第２半導体層をトンネルして第１半導体層と第２半導体層の接合面に生成される２次元電子ガス層に注入されるように構成されている。このトランジスタ型光検出器は、ＨＥＭＴ型トランジスタ動作を利用して光電流を計測することができる。また、このトランジスタ光検出器は、第２半導体層のトンネル効果を利用して２次元電子ガス層に注入された電子による光電流を計測するように構成されている。このため、このトランジスタ型光検出器では、リーク電流が抑えられているので、入射光を正確に検出することができる。さらに、このトランジスタ型光検出器は、２次元電子ガス層を流れる光電流を計測するように構成されている。このため、このトランジスタ型光検出器は、入射光を高速に検出することができる。 In another embodiment of the transistorized photodetector, the drain electrode and the source electrode may be arranged on the semiconductor substrate with a periodic structure in between and facing each other. In this case, even if the semiconductor substrate has a first semiconductor layer and a second semiconductor layer which is provided on the first semiconductor layer and has a bandgap larger than the bandgap of the first semiconductor layer. Good. The drain electrode is electrically connected to a two-dimensional electron gas layer formed on the junction surface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. The source electrode is also electrically connected to the two-dimensional electron gas layer generated on the junction surface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. The two-dimensional electron gas layer functions as a channel. In this transistor-type photodetector, the periodic structure is a two-dimensional electron gas layer in which electrons generated by surface plasmon resonance tunnel through the second semiconductor layer and are generated at the junction surface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. It is configured to be injected into. This transistor type photodetector can measure the photocurrent by utilizing the HEMT type transistor operation. Further, this transistor photodetector is configured to measure the photocurrent due to the electrons injected into the two-dimensional electron gas layer by utilizing the tunnel effect of the second semiconductor layer. Therefore, in this transistor type photodetector, since the leakage current is suppressed, the incident light can be detected accurately. Further, this transistor-type photodetector is configured to measure the light current flowing through the two-dimensional electron gas layer. Therefore, this transistor-type photodetector can detect incident light at high speed.

第１実施形態のトランジスタ型光検出器の要部断面図を模式的に示しており、図３のI-I線に対応した要部断面図を示す。The cross-sectional view of the main part of the transistor type photodetector of the first embodiment is schematically shown, and the cross-sectional view of the main part corresponding to the line I-I of FIG. 3 is shown. 第１実施形態のトランジスタ型光検出器の要部断面図を模式的に示しており、図３のII-II線に対応した要部断面図を示す。The cross-sectional view of the main part of the transistor type photodetector of the first embodiment is schematically shown, and the cross-sectional view of the main part corresponding to the line II-II of FIG. 3 is shown. 第１実施形態のトランジスタ型光検出器の要部平面図を模式的に示しており、半導体基板上の周期構造体及び各電極のレイアウトを示す要部平面図を示す。The plan view of the main part of the transistor type photodetector of the first embodiment is schematically shown, and the plan view of the main part showing the periodic structure on the semiconductor substrate and the layout of each electrode is shown. 第１実施形態のトランジスタ型光検出器を製造する方法の一工程を示す。A step of the method for manufacturing the transistor-type photodetector of the first embodiment is shown. 第１実施形態のトランジスタ型光検出器を製造する方法の一工程を示す。A step of the method for manufacturing the transistor-type photodetector of the first embodiment is shown. 第１実施形態のトランジスタ型光検出器を製造する方法の一工程を示す。A step of the method for manufacturing the transistor-type photodetector of the first embodiment is shown. 第１実施形態のトランジスタ型光検出器を製造する方法の一工程を示す。A step of the method for manufacturing the transistor-type photodetector of the first embodiment is shown. 第２実施形態のトランジスタ型光検出器の要部断面図を模式的に示す。A cross-sectional view of a main part of the transistor-type photodetector of the second embodiment is schematically shown. 第２実施形態のトランジスタ型光検出器を製造する方法の一工程を示す。A step of the method for manufacturing the transistor-type photodetector of the second embodiment is shown. 第２実施形態のトランジスタ型光検出器を製造する方法の一工程を示す。A step of the method for manufacturing the transistor-type photodetector of the second embodiment is shown. 第２実施形態のトランジスタ型光検出器を製造する方法の一工程を示す。A step of the method for manufacturing the transistor-type photodetector of the second embodiment is shown.

以下、図面を参照して各実施形態のトランジスタ型光検出器を説明する。なお、実質的に共通する構成要素については共通の符号を付し、その説明を省略することがある。 Hereinafter, the transistor type photodetector of each embodiment will be described with reference to the drawings. In addition, a common reference numeral may be attached to substantially common components, and the description thereof may be omitted.

（第１実施形態）
図１〜図３に示されるように、トランジスタ型光検出器１は、半導体基板１０、周期構造体２２、ドレイン電極２４、ソース電極２６、ゲート電極２８、絶縁層３２及び層間絶縁膜３４を備えている。なお、図３は、半導体基板１０上に設けられている絶縁層３２及び層間絶縁膜３４を取り除き、周期構造体２２、ドレイン電極２４、ソース電極２６及びゲート電極２８のレイアウトを表すための平面図である。 (First Embodiment)
As shown in FIGS. 1 to 3, the transistor type photodetector 1 includes a semiconductor substrate 10, a periodic structure 22, a drain electrode 24, a source electrode 26, a gate electrode 28, an insulating layer 32, and an interlayer insulating film 34. ing. Note that FIG. 3 is a plan view for showing the layout of the periodic structure 22, the drain electrode 24, the source electrode 26, and the gate electrode 28 by removing the insulating layer 32 and the interlayer insulating film 34 provided on the semiconductor substrate 10. Is.

図１及び図２に示されるように、半導体基板１０は、シリコン単結晶の半導体基板であり、ｎ型のボディ領域１２、ｐ型のドレイン領域１４及びｐ型のソース領域１６を有している。ボディ領域１２は、ドレイン領域１４及びソース領域１６を取り囲むように設けられている。ボディ領域１２は、半導体基板１０の表面に露出するチャネル領域１２ａを有しており、そのチャネル領域１２ａがドレイン領域１４とソース領域１６を隔てる位置関係に配置されているとともに絶縁層３２に接している。換言すると、ドレイン領域と１４とソース領域１６は、チャネル領域１２ａを間に置いて対向する位置関係に配置されている。ドレイン領域１４は、半導体基板１０の表層部に設けられており、半導体基板１０の表面上に設けられているドレイン電極２４にオーミック接触している。ソース領域１６も、半導体基板１０の表層部に設けられており、半導体基板１０の表面上に設けられているソース電極２６にオーミック接触している。ドレイン電極２４とソース電極２６は、周期構造体２２を間に置いて対向する位置関係で半導体基板１０の表面上に配置されている。 As shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor substrate 10 is a silicon single crystal semiconductor substrate, and has an n-type body region 12, a p-type drain region 14, and a p-type source region 16. .. The body region 12 is provided so as to surround the drain region 14 and the source region 16. The body region 12 has a channel region 12a exposed on the surface of the semiconductor substrate 10, and the channel region 12a is arranged in a positional relationship separating the drain region 14 and the source region 16 and is in contact with the insulating layer 32. There is. In other words, the drain region, 14 and the source region 16 are arranged in a positional relationship facing each other with the channel region 12a in between. The drain region 14 is provided on the surface layer portion of the semiconductor substrate 10 and is in ohmic contact with the drain electrode 24 provided on the surface of the semiconductor substrate 10. The source region 16 is also provided on the surface layer portion of the semiconductor substrate 10 and is in ohmic contact with the source electrode 26 provided on the surface of the semiconductor substrate 10. The drain electrode 24 and the source electrode 26 are arranged on the surface of the semiconductor substrate 10 in a positional relationship in which the periodic structure 22 is placed between them and faces each other.

周期構造体２２は、半導体基板１０の表面上に設けられている絶縁層３２を介して半導体基板１０上に配設されており、半導体基板１０の表面に対して直交する方向から観測したときに（以下、「平面視したときに」という）、同心円状に形成された複数の金属配線２２ａを有している（図３参照）。これら金属配線２２ａは、径方向に沿って周期的に現れるパターンを有している。このような金属配線パターンは、ブルズアイ構造とも称される。なお、周期構造体２２は、ブルズアイ構造に限られず、他の様々な周期的なパターンで構成され得る。周期構造体２２の金属配線２２ａの材料は、例えばアルミニウム、銀又は金である。周期構造体２２の金属配線２２ａの幅２２Ｗａ及び径方向のピッチ幅２２Ｗｂは、測定対象の入射光に合わせて適宜調整される（図３参照）。この例では、トランジスタ型光検出器１は、波長が約１．６μｍの赤外光を測定対象としており、金属配線２２ａの幅Ｗ２２ａは約０．８〜１．６μｍであり、ピッチ幅２２Ｗｂは約０．８〜１．６μｍである。周期構造体２２の金属配線２２ａの各々は、周期パッド部２２ｂに電気的に接続されている（図３参照）。なお、この例では、周期構造体２２は、複数の金属配線２２ａによって構成されているが、この例に代えて、金属層の表面に金属配線２２ａに対応した凸部が形成されるように構成されていてもよい。 The periodic structure 22 is arranged on the semiconductor substrate 10 via an insulating layer 32 provided on the surface of the semiconductor substrate 10, and when observed from a direction orthogonal to the surface of the semiconductor substrate 10. It has a plurality of metal wirings 22a formed concentrically (hereinafter, referred to as "when viewed in a plan view") (see FIG. 3). These metal wirings 22a have a pattern that appears periodically along the radial direction. Such a metal wiring pattern is also referred to as a bullseye structure. The periodic structure 22 is not limited to the bullseye structure, and may be composed of various other periodic patterns. The material of the metal wiring 22a of the periodic structure 22 is, for example, aluminum, silver or gold. The width 22Wa of the metal wiring 22a of the periodic structure 22 and the pitch width 22Wb in the radial direction are appropriately adjusted according to the incident light to be measured (see FIG. 3). In this example, the transistor-type photodetector 1 targets infrared light having a wavelength of about 1.6 μm, the width W22a of the metal wiring 22a is about 0.8 to 1.6 μm, and the pitch width 22Wb is. It is about 0.8 to 1.6 μm. Each of the metal wirings 22a of the periodic structure 22 is electrically connected to the periodic pad portion 22b (see FIG. 3). In this example, the periodic structure 22 is composed of a plurality of metal wirings 22a, but instead of this example, a convex portion corresponding to the metal wirings 22a is formed on the surface of the metal layer. It may have been done.

ゲート電極２８は、絶縁層３２の表面上に設けられており、周期構造体２２の中心部に配置されている。ゲート電極２８は、層間絶縁膜３４の表面上を伸びてゲートパッド部２８ａに電気的に接続されている（図３参照）。ゲート電極２８と周期構造体２２の金属配線２２ａは、層間絶縁膜３４によって絶縁されている。ゲート電極２８の材料は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）の透明導電膜である。ゲート電極２８の材料は、ｎ型シリコンであるチャネル領域１２ａにショットキー接触可能な材料であるのが望ましい。なお、この例のトランジスタ型光検出器１は、半導体基板１０の表面側から赤外光が入射するように構成されているが、この例に代えて、半導体基板１０の裏面側から赤外光が入射するように構成する場合、ゲート電極２８の材料は透明導電膜でなく、他の種類の導電膜であってもよい。例えば、ゲート電極２８の材料は、ｎ型シリコンであるチャネル領域１２ａにショットキー接触可能な金、ニッケル、銀又はチタンであってもよい。 The gate electrode 28 is provided on the surface of the insulating layer 32 and is arranged at the center of the periodic structure 22. The gate electrode 28 extends on the surface of the interlayer insulating film 34 and is electrically connected to the gate pad portion 28a (see FIG. 3). The gate electrode 28 and the metal wiring 22a of the periodic structure 22 are insulated by an interlayer insulating film 34. The material of the gate electrode 28 is a transparent conductive film of ITO (Indium Tin Oxide). The material of the gate electrode 28 is preferably a material capable of shotkey contact with the channel region 12a which is n-type silicon. The transistor-type photodetector 1 in this example is configured so that infrared light is incident from the front surface side of the semiconductor substrate 10, but instead of this example, infrared light is emitted from the back surface side of the semiconductor substrate 10. The material of the gate electrode 28 may not be a transparent conductive film but may be another kind of conductive film when the gate electrode 28 is configured to be incident. For example, the material of the gate electrode 28 may be gold, nickel, silver or titanium which can be shotkey contacted with the channel region 12a which is n-type silicon.

絶縁層３２は、半導体基板１０の表面上に設けられており、ゲート電極２８と半導体基板１０を隔てるとともに、周期構造体２２と半導体基板１０も隔てている。絶縁層３２の材料は、例えば酸化シリコンである。絶縁層３２の厚みは、数ｎｍであり、例えば約１〜３ｎｍである。 The insulating layer 32 is provided on the surface of the semiconductor substrate 10, and separates the gate electrode 28 from the semiconductor substrate 10 as well as the periodic structure 22 and the semiconductor substrate 10. The material of the insulating layer 32 is, for example, silicon oxide. The thickness of the insulating layer 32 is several nm, for example, about 1 to 3 nm.

次に、トランジスタ型光検出器１の動作を説明する。トランジスタ型光検出器１は、図示省略の制御回路からの制御信号に基づいて、ドレイン電極２４に正電圧（例えば、＋５Ｖ）が印加され、ボディ領域１２及びソース電極２６に接地電圧が印加され、ゲートパッド部２８ａに閾値電圧未満の正電圧又は負電圧（例えば、−１０Ｖ）が印加され、周期パッド部２２ｂに負電圧（例えば、−２０Ｖ）が印加されて用いられる。ゲート電極２８に閾値電圧未満の電圧が印加されているので、チャネル領域１２ａに反転層が形成されていない。この状態では、トランジスタ型光検出器１はオフであり、ドレイン電極２４とソース電極２６の間に電流が流れない。半導体基板１０の表面側に赤外光が入射すると、周期構造体２２は、入射してきた赤外光と表面プラズモン共鳴を起こす。表面プラズモン共鳴によって発生した電子は、周期構造体２２の中心側に向けて伝播する。表面プラズモン共鳴の電場増強効果により、周期構造体２２の中心部において多数の電子が集中する。電子密度は、赤外光の光強度に依存する。多数の電子が、強電界によって先鋭化した絶縁層３２の電子障壁をトンネルして半導体基板１０内のチャネル領域１２ａに注入される。これにより、チャネル領域１２ａに注入された電子によってドレイン領域１４とソース領域１６の間が導通し、トランジスタ型光検出器１がオンする。このように、トランジスタ型光検出器１は、ドレイン電極２４とソース電極２６の間を流れる電流値から赤外光の光強度を検出することができる。 Next, the operation of the transistor type photodetector 1 will be described. In the transistor type optical detector 1, a positive voltage (for example, + 5V) is applied to the drain electrode 24, and a ground voltage is applied to the body region 12 and the source electrode 26 based on a control signal from a control circuit (not shown). A positive voltage or a negative voltage (for example, -10V) lower than the threshold voltage is applied to the gate pad portion 28a, and a negative voltage (for example, -20V) is applied to the periodic pad portion 22b for use. Since a voltage lower than the threshold voltage is applied to the gate electrode 28, an inversion layer is not formed in the channel region 12a. In this state, the transistor type photodetector 1 is off, and no current flows between the drain electrode 24 and the source electrode 26. When infrared light is incident on the surface side of the semiconductor substrate 10, the periodic structure 22 causes surface plasmon resonance with the incident infrared light. The electrons generated by surface plasmon resonance propagate toward the center of the periodic structure 22. Due to the electric field enhancement effect of surface plasmon resonance, a large number of electrons are concentrated in the central part of the periodic structure 22. The electron density depends on the light intensity of infrared light. A large number of electrons are injected into the channel region 12a in the semiconductor substrate 10 by tunneling through the electron barrier of the insulating layer 32 sharpened by a strong electric field. As a result, the electrons injected into the channel region 12a conduct conduction between the drain region 14 and the source region 16, and the transistor-type photodetector 1 is turned on. In this way, the transistor-type photodetector 1 can detect the light intensity of infrared light from the current value flowing between the drain electrode 24 and the source electrode 26.

上記したように、トランジスタ型光検出器１は、ＭＯＳ型トランジスタ動作を利用して光電流を計測するように構成されている。このため、トランジスタ型光検出器１は、トランジスタの増幅作用によって高感度に赤外光を検出することができる。また、トランジスタ型光検出器１では、絶縁層３２が電子障壁層として機能している。電子障壁層は、電子に対して高い電子障壁を形成することができるので、絶縁層３２を介して流れるリーク電流を抑えることができる。このため、トランジスタ型光検出器１は、赤外光を正確に検出することができる。また、トランジスタ型光検出器１では、ゲート電極２８に閾値未満の正電圧又は負電圧が印加されており、周期構造体２２よりも高い電圧である。これにより、ブルズアイ構造の周期構造体２２による電場増強効果がさらに促進され、赤外受光の超高感度化が可能となる。 As described above, the transistor type photodetector 1 is configured to measure the photocurrent by utilizing the MOS type transistor operation. Therefore, the transistor-type photodetector 1 can detect infrared light with high sensitivity by the amplification action of the transistor. Further, in the transistor type photodetector 1, the insulating layer 32 functions as an electron barrier layer. Since the electron barrier layer can form a high electron barrier with respect to electrons, the leakage current flowing through the insulating layer 32 can be suppressed. Therefore, the transistor type photodetector 1 can accurately detect infrared light. Further, in the transistor type photodetector 1, a positive voltage or a negative voltage less than the threshold value is applied to the gate electrode 28, which is a voltage higher than that of the periodic structure 22. As a result, the electric field enhancing effect of the periodic structure 22 having a bullseye structure is further promoted, and the infrared light reception can be made extremely sensitive.

次に、トランジスタ型光検出器１の製造方法を説明する。まず、図４Ａに示されるように、ｎ型のシリコン単結晶基板にｐ型不純物を導入してボディ領域１２、ドレイン領域１４及びソース領域１６を形成し、半導体基板１０を準備する。 Next, a method of manufacturing the transistor type photodetector 1 will be described. First, as shown in FIG. 4A, a p-type impurity is introduced into an n-type silicon single crystal substrate to form a body region 12, a drain region 14, and a source region 16, and a semiconductor substrate 10 is prepared.

次に、図４Ｂに示されるように、ＣＶＤ技術を利用して、半導体基板１０の表面の一部に絶縁層３２を形成する。 Next, as shown in FIG. 4B, the insulating layer 32 is formed on a part of the surface of the semiconductor substrate 10 by using the CVD technique.

次に、図４Ｃに示されるように、スパッタ技術又はＣＶＤ技術を利用して、絶縁層３２の表面上に周期構造体２２を形成する。 Next, as shown in FIG. 4C, a periodic structure 22 is formed on the surface of the insulating layer 32 by using a sputtering technique or a CVD technique.

次に、図４Ｄに示されるように、ＣＶＤ技術を利用して、層間絶縁膜３４を形成する。 Next, as shown in FIG. 4D, the interlayer insulating film 34 is formed by using the CVD technique.

最後に、スパッタ技術又はＣＶＤ技術を利用して、ドレイン電極２４、ソース電極２６及びゲート電極２８を形成し、トランジスタ型光検出器１が完成する。 Finally, the drain electrode 24, the source electrode 26, and the gate electrode 28 are formed by using the sputtering technique or the CVD technique, and the transistor type photodetector 1 is completed.

（第２実施形態）
図５に示されるように、トランジスタ型光検出器２は、積層構造体の半導体基板１００を備えていることを特徴とする。半導体基板１００は、シリコン基板１０２、シリコン基板１０２の表面上に設けられているアンドープの窒化ガリウムの電子走行層１０４、及び、電子走行層１０４の表面上に設けられている窒化アルミニウム又は窒化アルミニウムガリウムのバリア層１０６を有している。電子走行層１０４とバリア層１０６はヘテロ接合しており、そのヘテロ接合面のうちの電子走行層１０４側に２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）が生成されている。 (Second Embodiment)
As shown in FIG. 5, the transistor type photodetector 2 is characterized by including a semiconductor substrate 100 having a laminated structure. The semiconductor substrate 100 includes a silicon substrate 102, an undoped gallium nitride electron traveling layer 104 provided on the surface of the silicon substrate 102, and aluminum nitride or aluminum gallium nitride provided on the surface of the electron traveling layer 104. It has a barrier layer 106 of. The electron traveling layer 104 and the barrier layer 106 are heterojunctioned, and a two-dimensional electron gas layer (2DEG) is generated on the electron traveling layer 104 side of the heterojunction surface.

トランジスタ型光検出器２では、バリア層１０６の表面上にショットキー電極１４２が設けられており、そのショットキー電極１４２の表面上に周期構造体２２が設けられている。このため、ショットキー電極１４２と周期構造体２２は同電位である。ドレイン電極２４は、バリア層１０６の表面上に設けられており、２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）と電気的に接続されている。ソース電極２６も、バリア層１０６の表面上に設けられており、２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）と電気的に接続されている。ドレイン電極２４とソース電極２６は、周期構造体２２を間に置いて対向する位置関係で半導体基板１０の表面上に配置されている。なお、この例では、ショットキー電極１４２の表面上に周期構造体２２が設けられているが、この例に代えて、周期構造体２２の中心部のみにショットキー電極が設けられていてもよく、第１実施形態のように、周期構造体２２の中心部に周期構造体２２から絶縁されているゲート電極が設けられていてもよい。 In the transistor type photodetector 2, a Schottky electrode 142 is provided on the surface of the barrier layer 106, and a periodic structure 22 is provided on the surface of the Schottky electrode 142. Therefore, the shotkey electrode 142 and the periodic structure 22 have the same potential. The drain electrode 24 is provided on the surface of the barrier layer 106 and is electrically connected to the two-dimensional electron gas layer (2DEG). The source electrode 26 is also provided on the surface of the barrier layer 106 and is electrically connected to the two-dimensional electron gas layer (2DEG). The drain electrode 24 and the source electrode 26 are arranged on the surface of the semiconductor substrate 10 in a positional relationship in which the periodic structure 22 is placed between them and faces each other. In this example, the periodic structure 22 is provided on the surface of the shot key electrode 142, but instead of this example, the shot key electrode may be provided only in the central portion of the periodic structure 22. , As in the first embodiment, a gate electrode insulated from the periodic structure 22 may be provided at the center of the periodic structure 22.

次に、トランジスタ型光検出器２の動作を説明する。トランジスタ型光検出器２は、ドレイン電極２４に正電圧（例えば、＋５Ｖ）が印加され、ソース電極２６に接地電圧が印加され、ショットキー電極１４２に閾値電圧未満の正電圧が印加されて用いられる。ショットキー電極１４２に閾値電圧未満の正電圧が印加されているので、ショットキー電極１４２の下方の電子走行層１０４の一部及びバリア層１０６の一部が空乏化され、この部分に２次元電子ガス層が生成されない。この状態では、トランジスタ型光検出器２はオフであり、ドレイン電極２４とソース電極２６の間に電流が流れない。半導体基板１０の表面側に赤外光が入射すると、周期構造体２２は、赤外光と表面プラズモン共鳴を起こす。表面プラズモン共鳴により発生した電子は、周期構造体２２の中心側に向けて伝播する。表面プラズモン共鳴の電場増強効果により、周期構造体２２の中心部において多数の電子が集中する。電子密度は、赤外光の光強度に依存する。多数の電子が、強電界により先鋭化したショットキー電極１４２のショットキー障壁をトンネルし、さらに、強電界により先鋭化したバリア層１０６の電子障壁をトンネルして半導体基板１００内に注入される。半導体基板１００内に注入された電子によって２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）が生成され、トランジスタ型光検出器２がオンする。このように、トランジスタ型光検出器２は、ドレイン電極２４とソース電極２６の間を流れる電流値から赤外光の光強度を検出することができる。 Next, the operation of the transistor type photodetector 2 will be described. The transistor type photodetector 2 is used by applying a positive voltage (for example, + 5V) to the drain electrode 24, applying a ground voltage to the source electrode 26, and applying a positive voltage less than the threshold voltage to the shotkey electrode 142. .. Since a positive voltage lower than the threshold voltage is applied to the Schottky electrode 142, a part of the electron traveling layer 104 and a part of the barrier layer 106 below the Schottky electrode 142 are depleted, and two-dimensional electrons are formed in this part. No gas layer is formed. In this state, the transistor type photodetector 2 is off, and no current flows between the drain electrode 24 and the source electrode 26. When infrared light is incident on the surface side of the semiconductor substrate 10, the periodic structure 22 causes surface plasmon resonance with the infrared light. The electrons generated by the surface plasmon resonance propagate toward the center side of the periodic structure 22. Due to the electric field enhancement effect of surface plasmon resonance, a large number of electrons are concentrated in the central part of the periodic structure 22. The electron density depends on the light intensity of infrared light. A large number of electrons are injected into the semiconductor substrate 100 by tunneling the Schottky barrier of the Schottky electrode 142 sharpened by a strong electric field and further tunneling the electron barrier of the barrier layer 106 sharpened by the strong electric field. A two-dimensional electron gas layer (2DEG) is generated by the electrons injected into the semiconductor substrate 100, and the transistor-type photodetector 2 is turned on. In this way, the transistor-type photodetector 2 can detect the light intensity of infrared light from the current value flowing between the drain electrode 24 and the source electrode 26.

上記したように、トランジスタ型光検出器２は、ＨＥＭＴ型トランジスタ動作を利用して光電流を計測するように構成されている。このため、トランジスタ型光検出器２は、トランジスタの増幅作用によって高感度に赤外光を検出することができる。また、トランジスタ型光検出器２では、ショットキー電極１４２のショットキー障壁に加えて、バリア層１０６が電子障壁層として機能しており、リーク電流が抑えられている。このため、トランジスタ型光検出器２は、赤外光を正確に検出することができる。また、トランジスタ型光検出器２は、２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）を流れる電流を計測するように構成されている。２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）の移動度が高いことから、このトランジスタ型光検出器２は、赤外光を高速に検出することができる。なお、上記では、赤外光が半導体基板１０の表面側に入射すると説明したが、赤外光はシリコン及び窒化物を透過可能なので、半導体基板１０の裏面側から赤外光が入射してもよい。 As described above, the transistor type photodetector 2 is configured to measure the photocurrent by utilizing the HEMT type transistor operation. Therefore, the transistor-type photodetector 2 can detect infrared light with high sensitivity by the amplification action of the transistor. Further, in the transistor type photodetector 2, in addition to the Schottky barrier of the Schottky electrode 142, the barrier layer 106 functions as an electron barrier layer, and the leakage current is suppressed. Therefore, the transistor type photodetector 2 can accurately detect infrared light. Further, the transistor type photodetector 2 is configured to measure the current flowing through the two-dimensional electron gas layer (2DEG). Since the mobility of the two-dimensional electron gas layer (2DEG) is high, the transistor-type photodetector 2 can detect infrared light at high speed. Although it has been described above that the infrared light is incident on the front surface side of the semiconductor substrate 10, since the infrared light can pass through silicon and nitride, even if the infrared light is incident on the back surface side of the semiconductor substrate 10. Good.

次に、トランジスタ型光検出器２の製造方法を説明する。まず、図６Ａに示されるように、ＭＯＣＶＤ技術を利用して、シリコン基板１０２の表面から電子走行層１０４及びバリア層１０６をこの順で積層して半導体基板１００を準備する。 Next, a method of manufacturing the transistor type photodetector 2 will be described. First, as shown in FIG. 6A, the semiconductor substrate 100 is prepared by laminating the electron traveling layer 104 and the barrier layer 106 from the surface of the silicon substrate 102 in this order using the MOCVD technology.

次に、図６Ｂに示されるように、スパッタ技術又はＣＶＤ技術を利用して、半導体基板１００の表面上にドレイン電極２４及びソース電極２６を形成する。 Next, as shown in FIG. 6B, the drain electrode 24 and the source electrode 26 are formed on the surface of the semiconductor substrate 100 by using the sputtering technique or the CVD technique.

次に、図６Ｃに示されるように、スパッタ技術又はＣＶＤ技術を利用して、半導体基板１００の表面上にショットキー電極１４２を形成する。 Next, as shown in FIG. 6C, the Schottky electrode 142 is formed on the surface of the semiconductor substrate 100 by using a sputtering technique or a CVD technique.

最後に、スパッタ技術又はＣＶＤ技術を利用して、ショットキー電極１４２の表面上に周期構造体２２を形成し、トランジスタ型光検出器２が完成する。 Finally, the periodic structure 22 is formed on the surface of the Schottky electrode 142 by using the sputtering technique or the CVD technique, and the transistor type photodetector 2 is completed.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples illustrated above. In addition, the technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques illustrated in the present specification or drawings can achieve a plurality of purposes at the same time, and achieving one of the purposes itself has technical usefulness.

１：トランジスタ型光検出器
１０：半導体基板
１２：ボディ領域
１２ａ：チャネル領域
１４：ドレイン領域
１６：ソース領域
２２：周期構造体
２２ａ：金属配線
２４：ドレイン電極
２６：ソース電極
２８：ゲート電極
３２：絶縁層
３４：層間絶縁膜 1: Transistor type photodetector 10: Semiconductor substrate 12: Body region 12a: Channel region 14: Drain region 16: Source region 22: Periodic structure 22a: Metal wiring 24: Drain electrode 26: Source electrode 28: Gate electrode 32: Insulation layer 34: interlayer insulating film

Claims

With a semiconductor substrate
An insulating layer provided on the surface of the semiconductor substrate and
A periodic structure provided on the semiconductor substrate via the insulating layer and configured such that incident light resonates with surface plasmon.
With the drain electrode
It has a source electrode and
The drain electrode and the source electrode are arranged on the semiconductor substrate in a positional relationship in which the periodic structure is placed between them and faces each other.
The semiconductor substrate is
A first conductive type drain region electrically connected to the drain electrode and
The first conductive type source region electrically connected to the source electrode and
It has a second conductive body region including a channel region arranged in a positional relationship separating the drain region and the source region.
The insulating layer is in contact with the channel region and is in contact with the channel region.
The periodic structure has a bullseye structure and has a bullseye structure.
The channel is located below the center of the bullseye structure.
The periodic structure is a transistor-type photodetector configured such that electrons generated by the surface plasmon resonance tunnel through the insulating layer and are injected into the channel in the semiconductor substrate.