JP6980292B2 - Photodetector - Google Patents

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本発明は光子検出に有用な即時応答性及び広帯域スペクトル領域を有する光検出器(photodetector)に関する。 The present invention relates to a photodetector having immediate responsiveness and a wideband spectral region useful for photon detection.

1938年にヴァルター・ショットキー氏が金属半導体接合が熱平衡後にポテンシャル障壁を生成可能であることを提議し、ショットキー障壁またはショットキー接合と呼ばれるようになった。図1Aに示されるようなp型半導体の使用例では、主キャリアが正孔(h+)であり、各金属及び半導体が接触前に固有のエネルギーバンドと、フェルミ準位と、エネルギーギャップと、を有する。金属の仕事関数(qΦ)を半導体の仕事関数(qΦ)より小さくする。仕事関数はフェルミ準位と真空準位(Evac)とのエネルギー差であると定義される。前記半導体の電子親和力qxは伝導帯(E)と半導体真空準位(Evac)とのエネルギー差であると定義される。 In 1938, Walter Schottky proposed that metal-semiconductor junctions can create potential barriers after thermal equilibrium, and became known as Schottky barriers or Schottky junctions. In the use example of the p-type semiconductor as shown in FIG. 1A, the main carrier is a hole (h +), and each metal and semiconductor has a unique energy band, a Fermi level, and an energy gap before contact. Have. Make the work function of metal (qΦ m ) smaller than the work function of semiconductor (qΦ s). The work function is defined as the energy difference between the Fermi level and the vacuum level ( Evac). Wherein the electron affinity of the semiconductor qx is defined as the energy difference and conduction band (E c) and the semiconductor vacuum level (E vac).

図1Bに示されるように、前記金属が前記半導体に接触すると、前記半導体の前記フェルミ準位が前記金属の前記フェルミ準位よりも低くなる。熱平衡後には、前記p型半導体の前記正孔が前記金属に流れ込み、前記半導体には負電荷が残る。空間電荷は前記金属半導体接合の両面に形成され、ビルトイン電場(Vbi)が生成される。前記p型半導体の前記主キャリアの正孔(h+)を前記半導体から前記金属に流し込む必要がある場合、前記接合の前記ビルトイン電場(Vbi)を乗り越える必要がある。バイアスがかけられれば前記キャリアが前記ビルトイン電場を乗り越えることができ、かけられたバイアスはターンオン電圧と呼ばれる。前記正孔を前記金属から前記半導体に移動させる場合、前記接合の前記ショットキー障壁を乗り越える必要がある。前記キャリアの移動を妨げる湾曲エネルギーバンドまたはエネルギー障壁はショットキー接合と呼ばれる。 As shown in FIG. 1B, when the metal comes into contact with the semiconductor, the Fermi level of the semiconductor becomes lower than the Fermi level of the metal. After the thermal equilibrium, the holes of the p-type semiconductor flow into the metal, and a negative charge remains in the semiconductor. Space charges are formed on both sides of the metal-semiconductor junction to generate a built-in electric field (V bi). When it is necessary to flow holes (h +) of the main carrier of the p-type semiconductor from the semiconductor into the metal, it is necessary to overcome the built-in electric field (V bi) of the junction. When biased, the carrier can overcome the built-in electric field, and the applied bias is called the turn-on voltage. When moving the holes from the metal to the semiconductor, it is necessary to overcome the Schottky barrier of the junction. The curved energy band or energy barrier that impedes the movement of the carrier is called a Schottky junction.

金属半導体接合理論によると、p型半導体を大きな仕事関数の金属に適合させ、n型半導体を小さな仕事関数の金属に適合させることにより、ショットキー接合が形成される。前記ショットキー障壁の高さはI−V特性曲線またはC−V特性曲線から推測可能である。 According to the metal-semiconductor junction theory, a Schottky junction is formed by adapting a p-type semiconductor to a metal having a large work function and adapting an n-type semiconductor to a metal having a small work function. The height of the Schottky barrier can be estimated from the IV characteristic curve or the CV characteristic curve.

1959年にH.Y.Fan氏及びA.K.Ramdas氏等は、半導体が光の照射を受けると、本来前記半導体の価電子帯にある電子または正孔が入射光子により励起されると共に前記伝導帯にジャンプして電子−正孔対またはホットキャリアが形成されることを発見した。このメカニズムは中間バンドギャップ吸収(MBA)と呼ばれる。前記入射光により電子−正孔対を励起させるためには、前記入射光子のエネルギーを半導体のエネルギーギャップより大きくせねばならず、こうすることにより前記キャリアが半導体のエネルギーギャップを越える十分なエネルギーを獲得し、光電流が形成される。現在では、光検出器はこの半導体の中間バンドギャップ吸収メカニズムを広く利用している。 In 1959, H. Y. Mr. Fan and A. K. When a semiconductor is irradiated with light, Ramdas et al. Excited electrons or holes originally in the valence band of the semiconductor by incident photons and jumped to the conduction band to form electron-hole pairs or hot carriers. Was found to be formed. This mechanism is called intermediate bandgap absorption (MBA). In order to excite the electron-hole pair with the incident light, the energy of the incident photon must be larger than the energy gap of the semiconductor, so that the carrier has sufficient energy to exceed the energy gap of the semiconductor. Acquired and photon current is formed. Today, photodetectors make extensive use of this semiconductor's intermediate bandgap absorption mechanism.

最近の赤外線センサーは主にIII−VやGe等のエネルギーギャップの小さい半導体を活性層または検出吸収材料として光子エネルギーの小さい赤外線光の検出に用いている。製造プロセスではIII−VやGe検出器の使用が定着しているが、これらの材料は他の材料よりも高価である上に、前記プロセスには複雑で高価な様々なエピタキシャル装置が必要となる。これらの装置の検出原理は主に中間バンドギャップ吸収(MBA)を用いたものである。前記半導体のキャリアが入射光により励起されると共に前記半導体のバンドギャップを越えて光電流を生成させる。よって、検出効率を高めるため、或いは前記装置の応答性を高めるため、これらの部材には前記活性層の複雑な多重量子井戸(MQWs)または多重量子ドット(MQDs)を組み込む必要がある。 Recent infrared sensors mainly use semiconductors with a small energy gap such as III-V and Ge as an active layer or a detection and absorption material for detecting infrared light with a small photon energy. Although the use of III-V and Ge detectors has become established in the manufacturing process, these materials are more expensive than other materials and the process requires a variety of complex and expensive epitaxial devices. .. The detection principle of these devices mainly uses intermediate bandgap absorption (MBA). The carriers of the semiconductor are excited by the incident light and generate a photocurrent over the bandgap of the semiconductor. Therefore, in order to increase the detection efficiency or the responsiveness of the apparatus, it is necessary to incorporate complex multiple quantum wells (MQWs) or multiple quantum dots (MQDs) of the active layer into these members.

本発明は光検出装置に関し、特に広帯域の光検出器に関する。 The present invention relates to a photodetector, particularly a wideband photodetector.

本発明の一実施形態によると、光検出器は半導体と、オーム接触電極と、金属電極と、を備え、前記半導体は1つ以上のマイクロスケールまたはナノスケールのプラズモン共鳴誘起構造を含む。前記オーム接触電極は前記半導体の第一表面とのオーム接触を形成させる。前記金属電極は前記プラズモン共鳴誘起構造の表面とのショットキー接触を形成させる。前記金属電極のキャリアは入射光により励起されて電子正孔対またはホットキャリアが形成され、前記金属電極及び前記半導体の接合箇所にあるショットキー障壁を越えて光電流が形成される。前記入射光により前記プラズモン共鳴誘起構造の前記表面で局在表面プラズモン共鳴(LSPR)が誘起され、局在表面プラズモン共鳴により生成されるプラズモン崩壊波が前記ショットキー接合に伝達され、強近接場により大量のホットキャリアが励起されて前記光検出器の応答が促進される。前記プラズモン共鳴誘起構造は局在表面プラズモン共鳴を誘起し、光吸収を促進し、前記光検出器の応答を向上させるための周期構造を備える。 According to one embodiment of the invention, the photodetector comprises a semiconductor, an ohm contact electrode, and a metal electrode, wherein the semiconductor comprises one or more microscale or nanoscale plasmon resonance induced structures. The ohm contact electrode forms ohm contact with the first surface of the semiconductor. The metal electrode forms a Schottky contact with the surface of the plasmon resonance induced structure. The carriers of the metal electrode are excited by incident light to form electron-hole pairs or hot carriers, and a photocurrent is formed over the Schottky barrier at the junction between the metal electrode and the semiconductor. Localized surface plasmon resonance (LSPR) is induced on the surface of the plasmon resonance-induced structure by the incident light, and the plasmon decay wave generated by the localized surface plasmon resonance is transmitted to the Schottky junction by a strong proximity field. A large amount of hot carriers are excited to accelerate the response of the photodetector. The plasmon resonance-induced structure comprises a periodic structure for inducing localized surface plasmon resonance, promoting light absorption, and improving the response of the photodetector.

前記半導体に接触する前の前記金属のエネルギーバンドを図示する。The energy band of the metal before contacting with the semiconductor is illustrated. 前記半導体に接触した後の前記金属のエネルギーバンドを図示する。The energy band of the metal after contact with the semiconductor is illustrated. 本発明の第1実施形態に係る光検出器を図示する。The photodetector according to the first embodiment of the present invention is illustrated. オーム接触電極として金及びプラチナを用いる前記光検出器のI−V測定を図示する。The IV measurement of the photodetector using gold and platinum as the ohm contact electrode is illustrated. プラチナ成長が追従する蒸着した銅により形成される光検出器の暗電流及び光電流を図示する。The dark and photocurrents of a photodetector formed of vapor-deposited copper followed by platinum growth are illustrated. 可視光線が照射されると共にソーラーシミュレーターにより計測される銅/p型シリコン素子の光電流応答を図示する。The photocurrent response of a copper / p-type silicon element measured by a solar simulator while being irradiated with visible light is illustrated. 0バイアスで動作する前記光検出器の光電流応答を図示する。The photocurrent response of the photodetector operating at 0 bias is illustrated. 本発明の第1実施形態に係る銅/p型シリコン光検出器の吸収スペクトルを図示する。The absorption spectrum of the copper / p-type silicon photodetector according to the first embodiment of the present invention is illustrated. 本発明の第1実施形態に係る銅/p型シリコン光検出器の異なる波長の入射光に対する応答を図示する。The response of the copper / p-type silicon photodetector according to the first embodiment of the present invention to incident light of different wavelengths is illustrated. 本発明の第2実施形態に係る光検出器の透視図を示す。The perspective view of the photodetector which concerns on 2nd Embodiment of this invention is shown. 本発明の第2実施形態に係る光検出器の周期マイクロアレイナノ構造のうちの1つの断面図を示す。A cross-sectional view of one of the periodic microarray nanostructures of the photodetector according to the second embodiment of the present invention is shown. 本発明の第2実施形態に係る光検出器の製造方法を図示する。The manufacturing method of the photodetector which concerns on 2nd Embodiment of this invention is illustrated. 水酸化カリウム水溶液による20分間のエッチング後の逆ピラミッド構造(IPS)の上面図及び断面図のSEM画像を示す。SEM images of a top view and a cross-sectional view of an inverted pyramid structure (IPS) after etching with an aqueous potassium hydroxide solution for 20 minutes are shown. 逆ピラミッド構造(IPS)の線幅及びエッチング時間の関係を図示する。The relationship between the line width of the inverted pyramid structure (IPS) and the etching time is illustrated. 有限要素法によりシミュレートされた逆ピラミッド構造(IPS)を図示する。An inverted pyramid structure (IPS) simulated by the finite element method is illustrated. IPS光検出器の金属に異なる波長の入射光が垂直に入射された場合の逆ピラミッド構造(IPS)の局在表面プラズモン共鳴のシミュレーション結果を示す。The simulation result of the localized surface plasmon resonance of the inverted pyramid structure (IPS) when the incident light of a different wavelength is vertically incident on the metal of an IPS photodetector is shown. 図13に示す異なる波長の入射光が入射された逆ピラミッド構造(IPS)のキャビティ壁の局在表面プラズモン共鳴(LSPR)の強度及び長さの関係を示す。The relationship between the intensity and the length of the localized surface plasmon resonance (LSPR) of the cavity wall of the inverted pyramid structure (IPS) to which the incident light of different wavelengths shown in FIG. 13 is incident is shown. 入射光の波長及び種々の共鳴モードで局在表面プラズモン共鳴により誘起された逆ピラミッド構造(IPS)のキャビティ壁の長さの関係を示す。The relationship between the wavelength of incident light and the length of the cavity wall of the inverted pyramid structure (IPS) induced by localized surface plasmon resonance at various resonance modes is shown. 比較例及び本発明の第2実施形態に係る光検出器の吸収スペクトルを図示する。The absorption spectrum of the photodetector according to the comparative example and the second embodiment of the present invention is shown. 本発明の第1実施形態及び第2実施形態に係る平面及びIPS銅/p型ショットキー光検出器の暗電流のI−V測定を図示する。FIG. 2 illustrates the IV measurement of the dark current of the planar and IPS copper / p-type Schottky photodetectors according to the first and second embodiments of the present invention. 光平面及びIPS光検出器にそれぞれ入射された異なる波長の赤外線と共に測定された光電応答を図示する。The photoelectric response measured with infrared rays of different wavelengths incident on the optical plane and the IPS photodetector is illustrated. 本発明の第2実施形態に係る光検出器の一部のホットキャリアが互いに衝突した後、それらが前記ショットキー障壁より大きいエネルギーを獲得し、エネルギー障壁を超えて熱気流を形成するもの図示する。After some hot carriers of the photodetector according to the second embodiment of the present invention collide with each other, they acquire energy larger than the Schottky barrier and form a hot air stream beyond the energy barrier. .. 本発明の第2実施形態に係る前記光検出器が1550nmの赤外線レーザーと共に異なる入射光強度及びバイアス電圧で動作する場合の応答を図示する。The response when the photodetector according to the second embodiment of the present invention operates with an infrared laser of 1550 nm at different incident light intensities and bias voltages is illustrated. 本発明の第2実施形態に係る光検出器の応答及び入射強度の関係を表す図表を示す。A chart showing the relationship between the response and the incident intensity of the photodetector according to the second embodiment of the present invention is shown. 本発明の一実施形態に係る3次元直立ピラミッド構造が構築されるSEM画像を示す。The SEM image in which the three-dimensional upright pyramid structure which concerns on one Embodiment of this invention is constructed is shown. 本発明の一実施形態に係る平面シリコン基板にナノ銀フィルムをめっきすることにより形成されるショットキー接触を図示する。The Schottky contact formed by plating a nanosilver film on a flat silicon substrate according to an embodiment of the present invention is illustrated. 異なる角度からショットキー接触に光が入射される場合の図24の応答を図示する。The response of FIG. 24 when light is incident on the Schottky contact from different angles is illustrated. 光がシリコン基板からショットキー接触に入射するように変化した場合の有限要素法を用いた逆ピラミッド構造(IPS)のシミュレーションを図示する。A simulation of an inverted pyramid structure (IPS) using the finite element method when light changes to enter Schottky contact from a silicon substrate is illustrated. 異なる波長の入射光が直立ピラミッド構造(UPS)の金属に垂直に入射した場合の局在表面プラズモン共鳴のシミュレーション結果を図示する。The simulation results of localized surface plasmon resonance when incident light of different wavelengths are vertically incident on a metal of an upright pyramid structure (UPS) are illustrated.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。本発明の第1実施形態では金属半導体接合を用いる光検出器を提供する。前記光検出器は前記半導体のエネルギーギャップより小さいエネルギーの光を検出可能であり、前記入射光のエネルギーが前記ショットキー障壁よりやや大きい場合にのみ光電流を発生させる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The first embodiment of the present invention provides a photodetector using a metal-semiconductor junction. The photodetector can detect light with an energy smaller than the energy gap of the semiconductor, and generates a photocurrent only when the energy of the incident light is slightly larger than the Schottky barrier.

図2は本発明の一実施形態に係る光検出器1を図示する。図2に示されるように、前記光検出器1は半導体10と、オーム接触電極12と、金属電極14と、を備える。前記金属電極14はショットキー接触電極141及びグリッド電極142を含む。本実施形態では、前記半導体10はp型シリコンであり、前記オーム接触電極12はプラチナで製造され、前記金属電極14はクロムで製造される。幾つかの実施形態では、前記オーム接触電極12が金または銀であり、前記金属電極14が銅である。 FIG. 2 illustrates a photodetector 1 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the photodetector 1 includes a semiconductor 10, an ohmic contact electrode 12, and a metal electrode 14. The metal electrode 14 includes a Schottky contact electrode 141 and a grid electrode 142. In this embodiment, the semiconductor 10 is p-type silicon, the ohmic contact electrode 12 is made of platinum, and the metal electrode 14 is made of chromium. In some embodiments, the ohmic contact electrode 12 is gold or silver and the metal electrode 14 is copper.

本実施形態において、前記半導体10はp型(100)両面研磨シリコンウェハーであり、5Ω−cm乃至10Ω−cmの抵抗及び380μm乃至420μmの厚さを有する。まず、前記シリコンウェハーがダイヤモンドペンにより2.5cm2×2.5cm2のシリコン基板10に切断される。次いで、前記シリコン基板がアセトン、イソプロピルアルコール(IPA)、脱イオン水(DI−water)、及びメタノールに順に浸漬され、超音波洗浄機により15分間洗浄されて表面の有機物及び粒子が除去される。 In this embodiment, the semiconductor 10 is a p-type (100) double-sided polished silicon wafer, having a resistance of 5Ω-cm to 10Ω-cm and a thickness of 380μm to 420μm. First, the silicon wafer is cut into a 2.5 cm2 × 2.5 cm2 silicon substrate 10 by a diamond pen. Next, the silicon substrate is immersed in acetone, isopropyl alcohol (IPA), deionized water (DI-water), and methanol in this order, and washed with an ultrasonic cleaner for 15 minutes to remove organic substances and particles on the surface.

次に、容積比4:1の硫酸(HSO)及び過酸化水素(H)のピラニア溶液が準備される。まず、前記硫酸がガラス皿に注入された後、前記過酸化水素が前記ガラス皿にゆっくりと注入され、前記溶液が120℃まで加熱される。混合液の揮発中にガスが生成された後、前記シリコン基板10が前記溶液に10分間浸漬される。この工程では、前記シリコン基板10の表面に薄い酸化膜が成長し、表面の異物を前記基板から分離させる。次に、緩衝酸化物エッチング(BOE)溶液により前記シリコン基板10の表面の二酸化ケイ素が取り除かれる。最後に、前記シリコン基板10が脱イオン水(DI−water)によりすすがれると共に窒素により乾燥されて洗浄工程が完了する。 Next, a piranha solution of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) having a volume ratio of 4: 1 is prepared. First, the sulfuric acid is poured into the glass dish, then the hydrogen peroxide is slowly poured into the glass dish, and the solution is heated to 120 ° C. After the gas is generated during the volatilization of the mixture, the silicon substrate 10 is immersed in the solution for 10 minutes. In this step, a thin oxide film grows on the surface of the silicon substrate 10, and foreign matter on the surface is separated from the substrate. Next, the silicon dioxide on the surface of the silicon substrate 10 is removed by the buffer oxide etching (BOE) solution. Finally, the silicon substrate 10 is rinsed with deionized water (DI-water) and dried with nitrogen to complete the cleaning step.

洗浄後に、前記シリコン基板10が電子ビーム蒸着システム(ULVAC)に載置され、4×10−6torrの圧力下で金属電極14が成長する。まず、10nm乃至20nmの厚さのクロムナノフィルムが前記シリコン基板10の上面でショットキー接触電極141として成長し、その成長速度は毎秒0.1Åである。次いで、前記クロムナノフィルムに金属シャドウマスクが施されて120nmの厚さのクロム金属グリッド142が前記クロムナノフィルム上で毎秒0.1Å乃至10nm、毎秒0.3Å乃至30nm、毎秒0.5Å乃至50nm、及び毎秒1Å乃至100nmの成長速度で成長する。最後に、100nmの厚さのプラチナフィルムが前記p型シリコン基板の底部で前記オーム接触電極12として成長し、その成長速度は前記クロムグリッド電極と同じである。その後、図2に示されるように、前記光検出器1が完成する。次に、製造された前記光検出器1が光電流及び暗電流のI−V特性曲線を受ける。LabVIEW測定ソフトウェアがケースレー2400ソースメータと共に使用され、1550nm、2mWの赤外線レーザー(Thorlab:LDC1300Bモデル)が光源として用いられる暗箱中で測定が行われる。 After cleaning, the silicon substrate 10 is placed on an electron beam deposition system (ULVAC) and the metal electrode 14 grows under a pressure of 4 × 10 −6 torr. First, a chromium nanofilm having a thickness of 10 nm to 20 nm grows as a Schottky contact electrode 141 on the upper surface of the silicon substrate 10, and the growth rate is 0.1 Å per second. Next, the chromium nanofilm is coated with a metal shadow mask, and a chromium metal grid 142 having a thickness of 120 nm is formed on the chromium nanofilm at 0.1 Å to 10 nm per second, 0.3 Å to 30 nm per second, and 0.5 Å to 50 nm per second. , And grow at a growth rate of 1 Å to 100 nm per second. Finally, a platinum film having a thickness of 100 nm grows as the ohm contact electrode 12 at the bottom of the p-type silicon substrate, and its growth rate is the same as that of the chrome grid electrode. Then, as shown in FIG. 2, the photodetector 1 is completed. Next, the manufactured photodetector 1 receives an IV characteristic curve of photocurrent and dark current. LabVIEW measurement software is used with the Caseray 2400 SourceMeter to make measurements in a dark box using a 1550 nm, 2 mW infrared laser (Thorlab: LDC1300B model) as a light source.

本発明の他の実施形態では、前記オーム接触電極14は金で製造され(前記p型シリコンとのオーム接触を形成させるプラチナが用いられ、前記光検出器が好ましい順方向バイアスを有する)、他の部材は前述の実施形態と同じ材料で製造される。図3に示される前記光検出器のI−V測定にはオーム接触電極14として金及びプラチナがそれぞれ用いられる。図3に示されるように、前記光検出器は前記オーム接触電極12としてプラチナが用いられることにより、好ましい整流効果を有する。順方向バイアスがかかっている場合は大電流が生成され、逆バイアスがかかっている場合は小さなリーク電流を有する。その前記ターンオン電圧は約0.3Vにすぎず、これは汎用ショットキーダイオードの特性を示す。 In another embodiment of the invention, the ohm contact electrode 14 is made of gold (platinum is used to form ohm contact with the p-type silicon, and the photodetector has a preferred forward bias), etc. The member is manufactured of the same material as in the above-described embodiment. Gold and platinum are used as the ohmic contact electrode 14 for the IV measurement of the photodetector shown in FIG. 3, respectively. As shown in FIG. 3, the photodetector has a favorable rectifying effect due to the use of platinum as the ohmic contact electrode 12. When forward biased, a large current is generated, and when reverse biased, it has a small leak current. The turn-on voltage is only about 0.3V, which is characteristic of general purpose Schottky diodes.

図2に示されるように、前記金属電極14は10nm乃至20nmの間の範囲の厚さのクロムで製造されるショットキー接触電極141及び120nmの厚さのクロムで製造されるグリッド電極142を備える。他の実施形態において、光検出器は10nm及び20nmのクロムで製造されるショットキー接触電極141を有し、それぞれ別々に製造されると共にそれらの性能が比較される。3つの暗電流及び3つの光電流が各素子により測定される。その測定結果は、薄さ10nm未満のショットキー接触電極141は前記入射光を前記光検出器の活性領域に進入させるのに好適であり、前記光検出器の応答性能を高めることを示す。 As shown in FIG. 2, the metal electrode 14 comprises a Schottky contact electrode 141 made of chromium with a thickness in the range between 10 nm and 20 nm and a grid electrode 142 made of chromium with a thickness of 120 nm. .. In another embodiment, the photodetector has Schottky contact electrodes 141 made of 10 nm and 20 nm chromium, each manufactured separately and their performance compared. Three dark currents and three photocurrents are measured by each element. The measurement results show that the Schottky contact electrode 141 having a thickness of less than 10 nm is suitable for allowing the incident light to enter the active region of the photodetector, and enhances the response performance of the photodetector.

本発明の他の実施形態では、前記半導体10、前記オーム接触電極12、及び前記金属電極14はp型シリコン、プラチナ、及び銅でそれぞれ製造される。前記光検出器は前述の工程と同様の工程で製造され、且つ前記金属電極14は10nmの銅ショットキー接触電極141及び120nmのクロムグリッド電極142を備える。また、前記プラチナ成長において前記銅ナノフィルムの高温の影響を避けるため、銅が成長した後にプラチナが成長するように成長順序が変更される。前記光検出器の前記暗電流及び前記光電流は図4に示される。前記銅/p型シリコン光検出器の性能は前記汎用ショットキーダイオードの性能に近く、製造された光検出器が更に高い整流作用及び小さいターンオン電圧を有する。前記光検出器は順方向バイアス領域で動作する場合に大電流を生成させ、逆バイアス領域で動作する場合は小さな逆バイアスを維持させる。このため、逆バイアス領域で動作する際にリーク電流が発生するという問題は前記成長順序を変更することにより解決可能である。 In another embodiment of the invention, the semiconductor 10, the ohmic contact electrode 12, and the metal electrode 14 are made of p-type silicon, platinum, and copper, respectively. The photodetector is manufactured in the same process as described above, and the metal electrode 14 includes a 10 nm copper shotkey contact electrode 141 and a 120 nm chromium grid electrode 142. Further, in order to avoid the influence of the high temperature of the copper nanofilm in the platinum growth, the growth order is changed so that platinum grows after the copper grows. The dark current and the photocurrent of the photodetector are shown in FIG. The performance of the copper / p-type silicon photodetector is close to that of the general-purpose Schottky diode, and the manufactured photodetector has a higher rectifying effect and a smaller turn-on voltage. The photodetector produces a large current when operating in the forward bias region and maintains a small reverse bias when operating in the reverse bias region. Therefore, the problem that a leak current is generated when operating in the reverse bias region can be solved by changing the growth order.

本発明の一実施形態によると、ショットキー障壁は前記金−半導体接合に形成され、前記キャリアが1つの特定の方向にしか流れなくなり、整流効果が形成される。本発明に用いられる前記p型シリコンウェハーは理論上E=−4.952eVのフェルミ準位を有し、前記金属電極としてクロム(−4.5eV)または銅(−4.65eV)が選択される。前記ショットキー障壁は約0.67eVのクロム/p型シリコンで形成され、近赤外線領域では約1850nmの遮断波長が計測される。前記ショットキー障壁が約0.52eVの銅/p型シリコンで形成される場合、その遮断波長は約2384nmとなる。 According to one embodiment of the invention, the Schottky barrier is formed in the gold-semiconductor junction, allowing the carriers to flow in only one particular direction, forming a rectifying effect. The p-type silicon wafer used in the present invention has a Fermi level of the theoretical E F = -4.952eV, chromium (-4.5eV) or copper (-4.65eV) is selected as the metal electrode To. The Schottky barrier is made of about 0.67 eV chromium / p-type silicon, and a cutoff wavelength of about 1850 nm is measured in the near infrared region. When the Schottky barrier is made of copper / p-type silicon of about 0.52 eV, its cutoff wavelength is about 2384 nm.

図5はソーラーシミュレーター(Atom solar simulator, Sun2000)による可視光線照明の下で計測された前記銅/p型シリコン光検出器の前記光電流を図示する。前記銅/p型シリコン光検出器の前記暗電流は前記汎用ショットキーダイオードと同様の整流効果の特性を示す。太陽光が照射されると、前記順序バイアス領域または逆バイアス領域では前記光電流と前記暗電流との間に明らかな電流差が生じる。詳しくは、前記逆バイアス領域では、前記光検出器1が照射後に約40mAの光電流を生成させる。 FIG. 5 illustrates the optical current of the copper / p-type silicon photodetector measured under visible light illumination by a solar simulator (Atom solar simulator, Sun2000). The dark current of the copper / p-type silicon photodetector exhibits the same rectifying effect characteristics as the general-purpose Schottky diode. When irradiated with sunlight, a clear current difference occurs between the photocurrent and the dark current in the forward bias region or the reverse bias region. Specifically, in the reverse bias region, the photodetector 1 generates a photocurrent of about 40 mA after irradiation.

図6は、前記光検出器が0バイアスで動作する場合に前記銅/p型シリコン光検出器が認識可能な光電流応答も有することを示す。前記応答は−2V、−1V、1V、または2V領域のように大きくはないが、前記銅/p型シリコン光検出器の応答は高い安定性を有し、前記光検出器の暗電流の変動は0Vで動作する場合は0.1μA(113nA)にすぎず、前記応答は約270nAである。この前記光検出器の応答及び変動は他の電圧で動作する場合よりも安定的である。 FIG. 6 also shows that the copper / p-type photodetector also has a recognizable photocurrent response when the photodetector operates at zero bias. Although the response is not as large as in the -2V, -1V, 1V, or 2V regions, the response of the copper / p-type silicon photodetector is highly stable and the dark current of the photodetector fluctuates. Is only 0.1 μA (113 nA) when operating at 0 V, and the response is about 270 nA. The response and variation of this photodetector is more stable than when operating at other voltages.

図7は前記銅/p型シリコン光検出器及びシリコン基板の前記吸収スペクトルの比較を図示する。図7に示されるように、前記シリコン基板の吸収スペクトルは前記理論と確実に一致する。1107nm未満の波長の前記入射光は殆どが前記シリコン基板により吸収される。1107nm付近では、前記シリコン基板の吸収が急速に減退し、1107nm超の波長の前記光は吸収困難となる。この結果は前記シリコン基板の吸収の理論値と確実に一致する。前記シリコンのエネルギーギャップは1.12eVであり、約1107nmの理論的吸収波長を有する。1.12eV超のエネルギーを有する前記入射光は前記シリコン基板により吸収され、前記シリコン基板は1107nm乃至可視光の間の範囲において高い吸収性を有する。前記シリコンのエネルギーギャップより小さいエネルギーの光子は前記シリコン基板により吸収されず、1107nm超の波長の前記光に対する前記シリコン基板による吸収は0に近くなる。前記銅/p型シリコン光検出器の吸収スペクトルは広帯域吸収を示し、300nm乃至2700nmmの間の範囲の前記入射光に対する吸収は約40%となる。前記可視光領域では、銅が前記入射光を反射させるため、前記可視光領域での前記銅/p型シリコン光検出器の吸収は前記シリコン基板よりも低くなる。1000nm乃至2300nmの範囲の吸収は主に前記ショットキー障壁による吸収となる。前記金属面で前記入射光子は前記ホットキャリアを励起させ、前記光検出器の前記ショットキー障壁を越えさせて熱気流を形成させ、波長1000nm乃至2300nmの間の範囲の光子が前記ショットキー障壁により吸収される。2300nm超の波長の前記入射光子は半連続的に吸収される。前記金属フィルムが厚さ10nmの銅フィルムであるため、前記シリコン基板にはフラットな同質のフィルムは形成されないが、但し大量の微粒子が形成される。さらには、異なる波長の入射光は前記金属フィルムの表面で部分的に適合する共鳴領域と共鳴し、これにより局在表面プラズモン共鳴(LSPR)が達成される。 FIG. 7 illustrates a comparison of the absorption spectra of the copper / p-type silicon photodetector and the silicon substrate. As shown in FIG. 7, the absorption spectrum of the silicon substrate is in good agreement with the theory. Most of the incident light having a wavelength of less than 1107 nm is absorbed by the silicon substrate. At around 1107 nm, the absorption of the silicon substrate rapidly declines, and it becomes difficult to absorb the light having a wavelength exceeding 1107 nm. This result surely agrees with the theoretical value of absorption of the silicon substrate. The silicon has an energy gap of 1.12 eV and has a theoretical absorption wavelength of about 1107 nm. The incident light having an energy of more than 1.12 eV is absorbed by the silicon substrate, and the silicon substrate has high absorbency in the range of 1107 nm to visible light. Photons with energies smaller than the energy gap of the silicon are not absorbed by the silicon substrate, and the absorption of the light having a wavelength of more than 1107 nm by the silicon substrate is close to zero. The absorption spectrum of the copper / p-type silicon photodetector shows wideband absorption, and the absorption for the incident light in the range of 300 nm to 2700 nm is about 40%. In the visible light region, copper reflects the incident light, so that the absorption of the copper / p-type silicon photodetector in the visible light region is lower than that of the silicon substrate. Absorption in the range of 1000 nm to 2300 nm is mainly due to the Schottky barrier. On the metal surface, the incident photons excite the hot carriers, crossing the Schottky barrier of the photodetector to form a hot air stream, and photons in the wavelength range of 1000 nm to 2300 nm are generated by the Schottky barrier. Be absorbed. The incident photons with wavelengths above 2300 nm are absorbed semi-continuously. Since the metal film is a copper film having a thickness of 10 nm, a flat homogeneous film is not formed on the silicon substrate, but a large amount of fine particles are formed. Furthermore, incident light of different wavelengths resonates with a partially fitted resonance region on the surface of the metal film, thereby achieving localized surface plasmon resonance (LSPR).

図8は前記銅/p型シリコン光検出器が異なる波長の入射光の応答の測定に用いられるものを図示する。図8に示されるように、その結果はエムデン・ファウラー方程式と確実に一致し、前記銅/p型シリコン光検出器は−5mVの軽微なバイアスをかけることにより応答性が向上する。前記測定結果は、0mVまたは−5mVで動作する場合、前記入射光波長が増すに連れて前記銅/p型シリコン光検出器の応答が徐々に低下することを示す。また、5mVの特性曲線からは前記銅/p型シリコン光検出器の前記遮断波長が約2310nmであることが明らかとなる。この遮断波長を用いることにより、公式E(eV)=hc/λ=1240/(λ(nm))から前記ショットキー障壁が約0.53eVであることが算出される。上述のように、前記銅/p型シリコン光検出器の前記ショットキー障壁は、論理計算に基づくと約0.52eVである。前記銅/p型シリコン光検出器の前記測定結果に基づくと、前記ショットキー障壁は前記理論値(0.52 eV)に非常に近く、これは前記銅/p型シリコン光検出器が前記シリコンのエネルギーギャップより低い光子のエネルギーを確実に測定していることを証明する。然しながら、平面銅/p型光検出器は前記赤外線領域で内部光電子放出吸収(IPA)のみにより光電流を生成可能であり、他の補助的な最適化メカニズムは不要である。汎用ショットキー光検出器として使用する場合、高効率の応答は達成困難である。 FIG. 8 illustrates what the copper / p-type silicon photodetector is used to measure the response of incident light of different wavelengths. As shown in FIG. 8, the results are in good agreement with the Emden-Fowler equation, and the copper / p-type silicon photodetector improves responsiveness by applying a slight bias of -5 mV. The measurement results show that when operating at 0 mV or -5 mV, the response of the copper / p-type silicon photodetector gradually declines as the incident light wavelength increases. Further, from the characteristic curve of 5 mV, it is clear that the cutoff wavelength of the copper / p-type silicon photodetector is about 2310 nm. By using this cutoff wavelength, it is calculated from the formula E (eV) = hc / λ = 1240 / (λ (nm)) that the Schottky barrier is about 0.53 eV. As mentioned above, the Schottky barrier of the copper / p-type silicon photodetector is about 0.52 eV based on logical operations. Based on the measurement results of the copper / p-type silicon photodetector, the shotkey barrier is very close to the theoretical value (0.52 eV), which is because the copper / p-type silicon photodetector is the silicon. Prove that the energy of photons lower than the energy gap of is measured reliably. However, the planar copper / p-type photodetector can generate a photocurrent only by internal photoelectron emission absorption (IPA) in the infrared region, and no other auxiliary optimization mechanism is required. When used as a general purpose Schottky photodetector, highly efficient responses are difficult to achieve.

内部光電子放出吸収(IPA)は、金属のキャリアが入射光子により励起されると共に電子−正孔対またはホットキャリアが形成され、前記ショットキー障壁を越えることを示し、よって物理的メカニズムにより外部回路により光電流が形成される。入射光子により励起されたホットキャリアを前記ショットキー障壁により吸収するためには、前記入射光のエネルギーは前記ショットキー障壁よりやや大きくする必要があり、これにより前記入射光により励起された前記ホットキャリアが前記ショットキー障壁を越えるのに十分なエネルギーを獲得する。 Internal photoelectron emission absorption (IPA) indicates that metal carriers are excited by incident photons and electron-hole pairs or hot carriers are formed and cross the Schottky barrier, thus by an external circuit by physical mechanism. A photocurrent is formed. In order for the hot carriers excited by the incident photons to be absorbed by the Schottky barrier, the energy of the incident light needs to be slightly larger than that of the Schottky barrier, whereby the hot carriers excited by the incident light. Gains enough energy to overcome the Schottky barrier.

図9Aは本発明の第2実施形態に係る光検出器を図示する。図9Aに示されるように、前記光検出器2は半導体20と、オーム接触電極22と、金属電極24(ショットキー接触電極を含む)と、を備える。前記光検出器2は前記第1実施形態の前記光検出器1とは異なり、前記半導体20は平面ではなく、周期マイクロアレイナノ構造であることを特徴とする。 FIG. 9A illustrates a photodetector according to a second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 9A, the photodetector 2 includes a semiconductor 20, an ohmic contact electrode 22, and a metal electrode 24 (including a Schottky contact electrode). Unlike the photodetector 1 of the first embodiment, the photodetector 2 is characterized in that the semiconductor 20 is not a flat surface but has a periodic microarray nanostructure.

図9Aに示されるように、本実施形態では、前記周期マイクロアレイナノ構造は3次元逆ピラミッド構造(IPS)である。各ピラミッド構造の次元はマイクロスケールまたはナノスケールである。図10には前記光検出器2の製造方法を図示する。本実施形態では、前記半導体はp型両面研磨シリコン(100)ウェハーであり、5Ω−cm乃至10Ω−cmの間の範囲の抵抗及び380μm乃至420μmの間の範囲の厚さを有する。まず、前記シリコンウェハーがダイヤモンドペンにより2.5cm×2.5cmのシリコン基板20に切断される。次に、前記シリコン基板20がアセトン、イソプロピルアルコール(IPA)、脱イオン水(DI−water)、及びメタノールにより順に洗浄され、最後に超音波洗浄機により前記シリコン基板の表面が15分間洗浄されて前記表面にある有機物質及び微粒子が除去される。次に、上述のように、前記シリコン基板がピラニア溶液、フッ化水素酸溶液、及び脱イオン水により順に洗浄され、前記シリコン基板20が窒素スプレーガンによりブロー乾燥される。 As shown in FIG. 9A, in this embodiment, the periodic microarray nanostructures are three-dimensional inverted pyramid structures (IPS). The dimensions of each pyramid structure are microscale or nanoscale. FIG. 10 illustrates the manufacturing method of the photodetector 2. In this embodiment, the semiconductor is a p-type double-sided polished silicon (100) wafer, having a resistance in the range of 5Ω-cm to 10Ω-cm and a thickness in the range of 380μm to 420μm. First, the silicon wafer is cut into a 2.5 cm 2 × 2.5 cm 2 silicon substrate 20 by a diamond pen. Next, the silicon substrate 20 is washed with acetone, isopropyl alcohol (IPA), deionized water (DI-water), and methanol in this order, and finally the surface of the silicon substrate is washed with an ultrasonic cleaner for 15 minutes. Organic substances and fine particles on the surface are removed. Next, as described above, the silicon substrate is washed in order with a piranha solution, a hydrofluoric acid solution, and deionized water, and the silicon substrate 20 is blow-dried by a nitrogen spray gun.

図9Bは本発明の一実施形態に係る3次元逆ピラミッド構造(IPS)の断面図を示す。図9Bに示されるように、Hは逆ピラミッドキャビティの高さを示し、L(H)は逆ピラミッドキャビティ壁の長さを示す。前記高さHが高くなると、前記キャビティ壁の長さL(H)も長くなる。前記逆ピラミッド構造は固定周期を有するが、各ピラミッドは様々な或いは複数のキャビティ壁の長さL(H)を有する。 FIG. 9B shows a cross-sectional view of a three-dimensional inverted pyramid structure (IPS) according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 9B, H indicates the height of the inverted pyramid cavity and L (H) indicates the length of the inverted pyramid cavity wall. As the height H increases, the length L (H) of the cavity wall also increases. The inverted pyramid structure has a fixed period, but each pyramid has various or multiple cavity wall lengths L (H).

図10は図9A及び図9Bの前記逆ピラミッド構造(IPS)の製造方法を図示する。工程(a)に示されるように、前記シリコン基板20の洗浄後に、プラズマCVD装置により500nmの厚さの二酸化ケイ素フィルム21が前記シリコン基板20の上面及び底面で成長する。上面にある前記二酸化ケイ素フィルム21はエッチングマスクとして水酸化カリウムによる異方性エッチングに使用され、底面にある前記二酸化ケイ素フィルム21はエッチングを行う際の保護層として使用される。反応ガスの流量は次のようになる。Si:40sccm;NO:160sccm。また、成長温度は350℃、成長圧力は67Pa、及び成長時間は10分間となる。 FIG. 10 illustrates a method of manufacturing the inverted pyramid structure (IPS) of FIGS. 9A and 9B. As shown in step (a), after cleaning the silicon substrate 20, a silicon dioxide film 21 having a thickness of 500 nm is grown on the upper surface and the bottom surface of the silicon substrate 20 by a plasma CVD apparatus. The silicon dioxide film 21 on the upper surface is used as an etching mask for anisotropic etching with potassium hydroxide, and the silicon dioxide film 21 on the bottom surface is used as a protective layer for etching. The flow rate of the reaction gas is as follows. Si 4 : 40 sccm; N 2 O: 160 sccm. The growth temperature is 350 ° C., the growth pressure is 67 Pa, and the growth time is 10 minutes.

図10の工程(b)に示されるように、リソグラフィプロセスは前記シリコン基板20の表面パターンを定義するために用いられる。まず、フォトリソグラフィプロセスにおいてフォトレジスト(S1813)23がスピンコーターにより前記シリコン基板20の上面にある前記二酸化ケイ素フィルム21に均一に塗布される。塗布パラメータは1000rpm、10秒/4000rpm、及び40秒である。続いて、塗布されたフォトレジスト23が115℃で3分間ソフトベークされる。前記マスクを洗浄して露光させるためにアセトンが使用される。次いで、前記シリコン基板20が露光装置に載置され、前記シリコン基板20の角がマスクの角に位置を合わせられ、前記マスクが20秒間露光される。その後、前記シリコン基板20が露光後に1回90°回転された後、前記マスクの角に位置を合わせられて前記マスクが緊密に付着され、2回目の露光が20秒間行われる。次に、露光された前記シリコン基板20がS1813−dedicated developer MF−319に13秒間浸漬される。そして、現像された前記シリコン基板20が脱イオン水に浸漬されて残留するフォトレジスト23及び現像液が除去され、窒素スプレーガンにより乾燥される。最後に、前記シリコン基板20がホットプレートにより125℃で1分間ハードベイクされる。 As shown in step (b) of FIG. 10, the lithography process is used to define the surface pattern of the silicon substrate 20. First, in the photolithography process, the photoresist (S1813) 23 is uniformly applied to the silicon dioxide film 21 on the upper surface of the silicon substrate 20 by a spin coater. The application parameters are 1000 rpm, 10 seconds / 4000 rpm, and 40 seconds. Subsequently, the coated photoresist 23 is soft-baked at 115 ° C. for 3 minutes. Acetone is used to wash and expose the mask. Next, the silicon substrate 20 is placed on an exposure apparatus, the corners of the silicon substrate 20 are aligned with the corners of the mask, and the mask is exposed for 20 seconds. Then, after the silicon substrate 20 is rotated by 90 ° once after exposure, the mask is closely aligned with the corners of the mask, and the second exposure is performed for 20 seconds. Next, the exposed silicon substrate 20 is immersed in S1813-dicated developed developer MF-319 for 13 seconds. Then, the developed silicon substrate 20 is immersed in deionized water to remove the residual photoresist 23 and the developing solution, and the silicon substrate 20 is dried by a nitrogen spray gun. Finally, the silicon substrate 20 is hard baked by a hot plate at 125 ° C. for 1 minute.

図10の工程(c)に示されるように、前記シリコン基板20が熱蒸着コーター(ULVAC)に載置され、厚さ40nmのクロムフィルム25が前記シリコン基板20の上面で4×10−6torr未満の真空環境で毎分0.3Åの成長速度で成長する。 As shown in step (c) of FIG. 10, the silicon substrate 20 is placed on a thermal vapor deposition coater (ULVAC), and a 40 nm-thick chrome film 25 is placed on the upper surface of the silicon substrate 20 in a 4 × 10-6 torr. It grows at a growth rate of 0.3 Å per minute in a vacuum environment of less than.

図10の工程(d)に示されるように、前記シリコン基板20がアセトンに浸漬されると共に超音波洗浄機により30分間乃至90分間洗浄され、前記フォトレジスト23及び前記フォトレジスト23上にある前記クロム25が除去され、残留するクロム25はマスクとして後続のドライエッチングプロセスに用いられる。 As shown in step (d) of FIG. 10, the silicon substrate 20 is immersed in acetone and washed with an ultrasonic cleaner for 30 to 90 minutes, and is on the photoresist 23 and the photoresist 23. The chrome 25 is removed and the remaining chrome 25 is used as a mask in the subsequent dry etching process.

図10の工程(e)に示されるように、前記エッチングは反応性イオンエッチングシステム(RIE:Plasmaab)により4×10−4torrの室圧で行われる。前記反応ガスの流量は、Arが25sccmであり、CHFが25sccmであり、動作電力は200wattsであり、エッチング時間は30分間である。前記シリコン基板20がエッチング室に載置されて等方性エッチングが行われ、前記二酸化ケイ素21は前記クロムマスクにより保護されずに前記二酸化ケイ素が完全に取り除かれるまで鉛直方向にエッチングされ、その下方の前記シリコン基板20が露出される。残留する二酸化ケイ素21はマスクとして後続の水酸化カリウム(KOH)を使用した異方性ウェットエッチングプロセスに用いられる。 As shown in step (e) of FIG. 10, the etching is performed by a reactive ion etching system (RIE: Plasmaab) at a chamber pressure of 4 × 10 -4 torr. The flow rate of the reaction gas is 25 sccm for Ar, 25 sccm for CHF 3 , an operating power of 200 watts, and an etching time of 30 minutes. The silicon substrate 20 is placed in an etching chamber and isotropic etching is performed, and the silicon dioxide 21 is not protected by the chrome mask and is etched in the vertical direction until the silicon dioxide is completely removed, and below the silicon dioxide. The silicon substrate 20 is exposed. The residual silicon dioxide 21 is used in the subsequent anisotropic wet etching process using potassium hydroxide (KOH) as a mask.

図10の工程(f)に示されるように、次に、15%の容量パーセント濃度の水酸化カリウムエッチング溶液が準備される。イソプロパノール(IPA)及び45%の水酸化カリウム溶液が脱イオン水に1:5:15の比率で添加される。イソプロパノール(IPA)はその低い極性及び低い表面張力のために添加され、前記エッチング中に水素気泡が生成されると共に前記構造に添付され、前記シリコンの表面から分離しやすい。これにより、前記二酸化ケイ素21がマスクがエッチングされるのを防ぎ、前記エッチングの均一性を高める。前記エッチング溶液が75℃まで加熱された後、前記シリコン基板20が前記エッチング溶液に浸漬され、等方性エッチングが約10分間乃至20分間行われて前記逆ピラミッド構造(IPS)が製造される。 As shown in step (f) of FIG. 10, a 15% volume percent concentration of potassium hydroxide etching solution is then prepared. Isopropanol (IPA) and a 45% potassium hydroxide solution are added to the deionized water in a ratio of 1: 5: 15. Isopropanol (IPA) is added due to its low polarity and low surface tension, which creates hydrogen bubbles during the etching and is attached to the structure and is easy to separate from the surface of the silicon. This prevents the silicon dioxide 21 from etching the mask and enhances the uniformity of the etching. After the etching solution is heated to 75 ° C., the silicon substrate 20 is immersed in the etching solution, and isotropic etching is performed for about 10 to 20 minutes to produce the inverted pyramid structure (IPS).

図10の工程(g)に示されるように、前記シリコン基板20が緩衝酸化物エッチング(BOE)溶液に浸漬されて上面及び底面にある前記二酸化ケイ素21及び前記クロム25が除去され、前記3次元逆ピラミッド構造が完成する。次に、前記シリコン基板20の表面に残留する前記有機物質、酸化物、及び金属粒子がピラニア溶液及びフッ化水素酸溶液(BOE)により取り除かれる。次いで、前記シリコン基板20が電子ビーム蒸着システム(ULVAC)に載置され、前記オーム接触電極22及び前記金属電極24が4×10−6torrの室圧で成長する。まず、100nmの厚さのプラチナがオーム接触電極22として前記シリコン基板20の底面に成長する。その後、8nmの厚さの銅フィルムが前記シリコン基板20の表面IPSで表面でショットキー接触電極として成長し、最後に120nmの厚さの銅グリッド電極がシャドウマスクを用いて前記銅ショットキー接触電極で成長する。前記金属電極24は銅ショットキー接触電極及び銅グリッド電極を含む。これにより、図9の前記光検出器2が完成する。 As shown in step (g) of FIG. 10, the silicon substrate 20 is immersed in a buffer oxide etching (BOE) solution to remove the silicon dioxide 21 and the chromium 25 on the upper surface and the bottom surface, and the three-dimensional structure is removed. The inverted pyramid structure is completed. Next, the organic substances, oxides, and metal particles remaining on the surface of the silicon substrate 20 are removed by the piranha solution and the hydrofluoric acid solution (BOE). Next, the silicon substrate 20 is placed on an electron beam vapor deposition system (ULVAC), and the ohmic contact electrode 22 and the metal electrode 24 grow at a chamber pressure of 4 × 10 −6 torr. First, platinum having a thickness of 100 nm grows on the bottom surface of the silicon substrate 20 as an ohmic contact electrode 22. After that, a copper film having a thickness of 8 nm grows as a shotkey contact electrode on the surface of the silicon substrate 20 on the surface IPS, and finally a copper grid electrode having a thickness of 120 nm grows on the surface of the silicon substrate 20 using a shadow mask. Grow in. The metal electrode 24 includes a copper Schottky contact electrode and a copper grid electrode. This completes the photodetector 2 of FIG.

上述の製造プロセスにおいて、逆ピラミッド構造のトポグラフィーは前記リソグラフィプロセスのパラメータ及び水酸化カリウム異方性ウェットエッチングと高い相関性がある。図11は水酸化カリウム水溶液により20分間エッチングされた後の前記逆ピラミッド構造の上面図及び断面図のSEM画像である。図12は前記逆ピラミッドナノ構造及び前記エッチング時間の関係を示す構造的パラメータを図示する。図12に示されるように、各逆ピラミッド要素の上部の最大幅は3.8μm(幅)に達し、隣接する2つの逆ピラミッド要素の間のギャップは300nmに達する。他の実施形態において、6μm及び8μm周期の3次元逆ピラミッド構造はマスクの露光周期が変動することでそれぞれ製造される。6μm及び8μmの周期性IPSの最適な水酸化カリウム異方性エッチング時間はそれぞれ22分間及び24分間である。 In the manufacturing process described above, the topography of the inverted pyramid structure is highly correlated with the parameters of the lithography process and the potassium hydroxide anisotropic wet etching. FIG. 11 is an SEM image of a top view and a cross-sectional view of the inverted pyramid structure after being etched with an aqueous potassium hydroxide solution for 20 minutes. FIG. 12 illustrates structural parameters showing the relationship between the inverted pyramid nanostructure and the etching time. As shown in FIG. 12, the maximum width of the upper part of each inverted pyramid element reaches 3.8 μm (width), and the gap between two adjacent inverted pyramid elements reaches 300 nm. In another embodiment, the 6 μm and 8 μm period three-dimensional inverted pyramid structures are manufactured by varying the exposure period of the mask, respectively. The optimum potassium hydroxide anisotropic etching times for 6 μm and 8 μm periodic IPS are 22 minutes and 24 minutes, respectively.

本発明の他の実施形態では、3次元直立ピラミッド構造(UPS)は、二重露光及び水酸化カリウムエッチング技術を用いて露光された表面パターンとは逆になるようにネガ型フォトレジストで製造される。図23は製造された前記3次元直立ピラミッド構造のSEM画像を示す。 In another embodiment of the invention, the three-dimensional upright pyramid structure (UPS) is manufactured with a negative photoresist as opposed to the surface pattern exposed using double exposure and potassium hydroxide etching techniques. To. FIG. 23 shows an SEM image of the manufactured three-dimensional upright pyramid structure.

入射電磁波及び前記金属構造の間の前記局在表面プラズモン共鳴(LSPR)についての理解を促すため、3次元FDTD法(3D−FDTD)及び前記有限要素法(FEM)がIPS構造での電磁波の共鳴をシミュレートするために用いられる。図13は前記シミュレーションに用いられる前記IPS構造を図示し、4×4×6μm(x、y、z)の容積の空間を形成する工程と、前記空間の6つの境界面の完全整合層(PML)を設定する工程と、シリコンベースIPS構造(IPS−Si)を形成する工程と、逆ピラミッド構造のキャビティの表面に30nmの厚さの金属ナノフィルムを設定する工程と、

Figure 0006980292
前記入射電磁波の波長を500nm、1000nm、1500nm、2000nm、2500nm、3000nm、3500nm、及び4000nmにそれぞれ設定する工程と、を含む。前記金属の厚さが実験で用いられた10nmではなく30nmに設定されることにより、前記シミュレーションでのメモリー不足の問題が回避される。前記シミュレーション計算が完了すると、次の公式(1)が前記入射電磁波の強度を正常化するために用いられる。
Figure 0006980292
本実施形態では、10nmの厚さの銅ナノフィルムが、電子ビーム蒸着システムにより前記IPS構造の表面に成長し、前記金属表面に金属マイクロアレイナノ構造を完成させる。約0.52eVのショットキー障壁がある前記金属半導体接合に銅及びp型シリコンでショットキー接合が形成される。 In order to promote an understanding of the localized surface plasmon resonance (LSPR) between the incident electromagnetic wave and the metal structure, the three-dimensional FDTD method (3D-FDTD) and the finite element method (FEM) are the resonance of the electromagnetic wave in the IPS structure. Is used to simulate. FIG. 13 illustrates the IPS structure used in the simulation, the step of forming a space having a volume of 4 × 4 × 6 μm 3 (x, y, z), and the perfect matching layer of the six boundary surfaces of the space ( A step of setting PML), a step of forming a silicon-based IPS structure (IPS-Si), and a step of setting a metal nanofilm having a thickness of 30 nm on the surface of a cavity having an inverted pyramid structure.
Figure 0006980292
It includes a step of setting the wavelength of the incident electromagnetic wave to 500 nm, 1000 nm, 1500 nm, 2000 nm, 2500 nm, 3000 nm, 3500 nm, and 4000 nm, respectively. By setting the thickness of the metal to 30 nm instead of the 10 nm used in the experiment, the problem of memory shortage in the simulation is avoided. When the simulation calculation is completed, the following formula (1) is used to normalize the intensity of the incident electromagnetic wave.
Figure 0006980292
In this embodiment, a copper nanofilm having a thickness of 10 nm grows on the surface of the IPS structure by an electron beam vapor deposition system to complete the metal microarray nanostructure on the metal surface. A Schottky junction is formed of copper and p-type silicon in the metal-semiconductor junction having a Schottky barrier of about 0.52 eV.

図14は、500nm、1000nm、1500nm、2000nm、2500nm、3000nm、3500nm、及び4000nmの入射光が前記IPS光検出器の前記金属に垂直に入射されるシミュレーション結果をそれぞれ図示する。図14に示されるように、前記構造の周期が5μm乃至10μmに調節された場合、共鳴波長が5000nm乃至10000nmに増長する。図14に示されるように、Cu−IPS構造のキャビティ中で全ての入射波長についての強い光閉じ込め効果が観測され、これは前記構造が3次元共鳴キャビティであることを示す。前記入射波長が変化すると、前記Cu−IPS構造の異なる領域のキャビティで前記表面プラズモン共鳴が発生する。前記入射波長が500nmである場合、前記入射光の波長が短いため共鳴(LSPR)の長さを短くする必要があり、適合する前記ナノスケールの長さが前記Cu−IPS構造の底部に位置されて前記局在表面プラズモン共鳴が生成される。1500nm乃至4000nmの波長の中赤外線光が入射されると、前記入射光の波長が長いため、前記Cu−IPS構造の上部に近接する適合するマイクロスケールの長さにより前記局在表面プラズモン共鳴が生成される。全ての共鳴シミュレーションからは、前記Cu−IPS構造のキャビティの局在的な強いライトフィールドは前記金属の強い近接場から確実に連続し、これにより前記金属表面に前記局在表面プラズモン共鳴(LSPR)が生成されることが明確に分かる。よって、図14に示されるように、前記IPS構造は幾何学的特性及び複数のキャビティの長さを有するため、前記構造には4μmまでの波長の前記入射光に対応する共鳴キャビティの長さが存在し、且つ局在表面プラズモン共鳴(LSPR)が生成されることが証明される。また、前記IPS構造は単位の2次元幾何学的対称性及び周期性アレイの2次元対称性の条件を満たし、X偏光及びY偏光する入射赤外線光が前記構造表面に高い強度の局在表面プラズモン共鳴を生成させる。前記IPS構造は入射光に対し偏波無依存である。 FIG. 14 illustrates the simulation results in which incident light of 500 nm, 1000 nm, 1500 nm, 2000 nm, 2500 nm, 3000 nm, 3500 nm, and 4000 nm is vertically incident on the metal of the IPS photodetector, respectively. As shown in FIG. 14, when the period of the structure is adjusted to 5 μm to 10 μm, the resonance wavelength is increased to 5000 nm to 10000 nm. As shown in FIG. 14, a strong light confinement effect was observed for all incident wavelengths in the cavity of the Cu-IPS structure, indicating that the structure is a three-dimensional resonant cavity. When the incident wavelength changes, the surface plasmon resonance occurs in cavities in different regions of the Cu-IPS structure. When the incident wavelength is 500 nm, the wavelength of the incident light is short, so the resonance (LSPR) length needs to be shortened, and the matching nanoscale length is located at the bottom of the Cu-IPS structure. The localized surface plasmon resonance is generated. When mid-infrared light with a wavelength of 1500 nm to 4000 nm is incident, the wavelength of the incident light is so long that the localized surface plasmon resonance is generated by the length of the matching microscale near the top of the Cu-IPS structure. Will be done. From all resonance simulations, the localized strong light field of the cavity of the Cu-IPS structure is reliably continuous from the strong proximity field of the metal, thereby causing the localized surface plasmon resonance (LSPR) to the metal surface. Can be clearly seen that is generated. Thus, as shown in FIG. 14, since the IPS structure has geometric properties and lengths of a plurality of cavities, the structure has a resonance cavity length corresponding to the incident light having a wavelength of up to 4 μm. It is demonstrated that it is present and that localized surface plasmon resonance (LSPR) is produced. Further, the IPS structure satisfies the conditions of the two-dimensional geometric symmetry of the unit and the two-dimensional symmetry of the periodic array, and the incident infrared light polarized by X-polarized light and Y-polarized light has a high intensity localized surface plasmon on the surface of the structure. Generate resonance. The IPS structure is polarization-independent of incident light.

図15は異なる波長の入射光に対する前記局在表面プラズモン共鳴の強度及び前記キャビティの長さの関係を示す(データは図13の黒矢印を参照する)。図15の矢印に示されるように、異なる波長の入射光に対し、第1共鳴モードは共鳴金属キャビティの長さが最短である。前記入射光の波長が500nmから4000nmに増すに連れ、前記第1共鳴モードの前記共鳴金属キャビティの長さも増す。また、1000nm乃至4000nmの間の範囲の波長は、前記入射光の波長が増すと、前記第1共鳴モードでの共鳴強度が低下する。例えば、1000nmの波長の前記入射光に対する前記第1共鳴モードの共鳴強度が、前記入射光4000nmの波長に対する前記第1共鳴モードの共鳴強度よりも強い。前記局在表面プラズモン共鳴を生成するには、1000nmの波長の前記入射光には700nmのキャビティの長さが必要であり、且つ4μmの単位幅のIPS構造の場合、前記入射光強度が700nmのキャビティの長さに制限される。4000nmの波長の入射光には2700nmのキャビティの長さが必要であり、且つ4μmの単位幅のIPS構造の場合、前記入射光強度が2700nmのキャビティの長さに制限される。よって、短波長の入射光は局在表面プラズモン共鳴の強度が長波長の入射光よりも強くなる。長波長が好ましい共鳴強度を有するようにするには、前記IPS構造の周期を増加させる必要があり(例えば、前記IPS構造の単位幅)、長波長の入射光がより強いプラズマ閉じ込め効果を得る。 FIG. 15 shows the relationship between the intensity of the localized surface plasmon resonance and the length of the cavity with respect to incident light of different wavelengths (see the black arrow in FIG. 13 for data). As shown by the arrows in FIG. 15, for incident light of different wavelengths, the first resonance mode has the shortest length of the resonant metal cavity. As the wavelength of the incident light increases from 500 nm to 4000 nm, the length of the resonant metal cavity in the first resonant mode also increases. Further, for wavelengths in the range of 1000 nm to 4000 nm, the resonance intensity in the first resonance mode decreases as the wavelength of the incident light increases. For example, the resonance intensity of the first resonance mode with respect to the incident light having a wavelength of 1000 nm is stronger than the resonance intensity of the first resonance mode with respect to the wavelength of the incident light of 4000 nm. In order to generate the localized surface plasmon resonance, the incident light having a wavelength of 1000 nm requires a cavity length of 700 nm, and in the case of an IPS structure having a unit width of 4 μm, the incident light intensity is 700 nm. Limited to the length of the cavity. Incident light with a wavelength of 4000 nm requires a cavity length of 2700 nm, and in the case of an IPS structure with a unit width of 4 μm, the incident light intensity is limited to the cavity length of 2700 nm. Therefore, the intensity of the localized surface plasmon resonance of the short-wavelength incident light is stronger than that of the long-wavelength incident light. In order for the long wavelength to have a preferable resonance intensity, it is necessary to increase the period of the IPS structure (for example, the unit width of the IPS structure), and the incident light of the long wavelength obtains a stronger plasma confinement effect.

図16は入射光の波長及び種々の共鳴モードにおいて前記共鳴キャビティの長さが誘起する局在表面プラズモン共鳴の関係を示す。図16によると、前記入射光の波長が増すと、前記第1共鳴モードにおける前記共鳴金属キャビティの長さも増す。ここでは、前記波長及び適合する前記共鳴金属キャビティの長さの関係は以下の方程式(2)乃至(4)に要約する。前記第1共鳴モードにおける前記共鳴金属キャビティの長さは前記入射光の波長の約0.7倍であり(方程式2)、前記第2共鳴モードにおける前記共鳴金属キャビティの長さは前記入射光の波長の約1.54倍である(方程式3)。前記共鳴金属キャビティの長さは前記入射光の波長の約1.8倍であり(方程式4)、各方程式の相関係数R2は0.99超である。

Figure 0006980292
本発明の他の実施形態において、前記局在表面プラズモン共鳴のシミュレーションは、金/p型IPS構造及び銀/p型IPS構造を想定して実施される。結果は上述の前記Cu−IPS構造に非常に近似する。よって、前記IPS構造での前記入射光の局在表面プラズモン共鳴生成の鍵となるのは複数のキャビティの長さ及び前記構造の周期であることが確認される。IPS構造に高強度局在表面プラズモン共鳴を誘起させるには、前記IPS構造の周期を目標共鳴波長の約4倍に設計し(4nmの周期のIPSは1000nmの入射光に対応する)、これにより最良の光閉じ込め効果及び表面プラズモン共鳴強度を達成させる。単一の共鳴金属の長さの局在表面プラズモン共鳴構造は上記方程式(2)乃至(4)を参照して設計され、前記目標波長に要求される共鳴金属の線形長さ及び構造を計算することにより、高強度局在表面プラズモン共鳴構造を獲得することができる。 FIG. 16 shows the relationship between localized surface plasmon resonance induced by the wavelength of incident light and the length of the resonance cavity in various resonance modes. According to FIG. 16, as the wavelength of the incident light increases, so does the length of the resonant metal cavity in the first resonant mode. Here, the relationship between the wavelength and the length of the matching resonant metal cavity is summarized in the following equations (2) to (4). The length of the resonance metal cavity in the first resonance mode is about 0.7 times the wavelength of the incident light (Equation 2), and the length of the resonance metal cavity in the second resonance mode is that of the incident light. It is about 1.54 times the wavelength (Equation 3). The length of the resonant metal cavity is about 1.8 times the wavelength of the incident light (equation 4), and the correlation coefficient R2 of each equation is more than 0.99.
Figure 0006980292
In another embodiment of the present invention, the simulation of the localized surface plasmon resonance is carried out assuming a gold / p-type IPS structure and a silver / p-type IPS structure. The results are very close to the Cu-IPS structure described above. Therefore, it is confirmed that the key to the generation of localized surface plasmon resonance of the incident light in the IPS structure is the length of the plurality of cavities and the period of the structure. In order to induce high intensity localized surface plasmon resonance in the IPS structure, the period of the IPS structure is designed to be about 4 times the target resonance wavelength (IPS with a period of 4 nm corresponds to incident light of 1000 nm). Achieve the best light confinement effect and surface plasmon resonance intensity. Localized surface plasmon resonance structure of the length of a single resonance metal is designed with reference to the above equations (2) to (4), and the linear length and structure of the resonance metal required for the target wavelength are calculated. Thereby, a high-intensity localized surface plasmon resonance structure can be obtained.

図17は前記両面研磨p型シリコン基板、銅/p型シリコン平面ショットキー光検出器、銅/p型シリコンIPSショットキー光検出器、及び金/銅/p型シリコン平面ショットキー光検出器の吸収スペクトルを図示する。図17に示されるように、前記シリコン基板は1107nmの前記遮断波長前の前記可視光領域において約60%乃至70%の吸収率を明確に有し、前記吸収率は遮断波長付近において急激に低下し、前記遮断波長後には前記吸収率は0となる。前記可視光領域において増加する前記銅フィルムの反射率により、前記可視光領域での前記銅/p型平面光検出器の吸収率が前記シリコン基板と比較すると約10%乃至20%減じる。然しながら、前記赤外線領域では、シリコン及び銅の前記仕事関数の差により前記ショットキー接合のエネルギー障壁が形成され、前記入射光子が前記シリコンを直接透過せず、前記入射光の一部が前記ショットキー接合により吸収され、前記赤外線領域(λ>1107nm)におけるシリコンのエネルギーギャップより低い前記平面光検出器の吸収率が40%に増加し、但しこれは前記光検出器にとってやや不十分である。 FIG. 17 shows the double-sided polished p-type silicon substrate, copper / p-type silicon plane shotkey photodetector, copper / p-type silicon IPS shotkey photodetector, and gold / copper / p-type silicon plane shotkey photodetector. The absorption spectrum is illustrated. As shown in FIG. 17, the silicon substrate clearly has an absorption rate of about 60% to 70% in the visible light region before the cutoff wavelength of 1107 nm, and the absorption rate drops sharply in the vicinity of the cutoff wavelength. However, after the cutoff wavelength, the absorption rate becomes 0. Due to the increased reflectance of the copper film in the visible light region, the absorptivity of the copper / p-type photodetector in the visible light region is reduced by about 10% to 20% as compared to the silicon substrate. However, in the infrared region, the energy barrier of the shotkey junction is formed by the difference in the work functions of silicon and copper, the incident photons do not directly pass through the silicon, and a part of the incident light is the shotkey. The absorptivity of the photodetector, which is absorbed by the junction and is lower than the energy gap of silicon in the infrared region (λ> 1107 nm), increases to 40%, which is somewhat inadequate for the photodetector.

図17に示されるように、以上の2つと比較すると、超広帯域LSPRを導入するために、前記IPS構造は3次元くぼみ効果を有し、前記表面ナノ構造の前記活性領域が広がり、前記吸収率がやや向上する。前記銅/p型シリコンIPS光検出器は前記可視光領域乃至前記中赤外線光領域(450nm乃至2700nm)において80%超の吸収率を有し、超広帯域の吸収特性を達成させる。前記吸収スペクトルは前記シミュレーション結果と一致し、超広帯域共鳴を示す。前記銅/p型IPS構造は徐々に変化するキャビティの長さを有し、4000nm未満の波長の前記入射光は前記局在表面プラズモン共鳴を誘起し、光子閉じ込め効果により前記光吸収効率が向上する。前記銅/p型IPS構造は3D−DTTM構造に比べて高い広帯域共鳴吸収率を有することがネイチャーコミュニケーションズ誌で繰り返し述べられている(Lai,YS,Chen,H.L.,&Yu,C.C.(2014).Silicon−based broadband antenna for high responsivity and polarization−insensitive photodetection at telecommunication wavelengths. Nature communications,5,3288)。 As shown in FIG. 17, when compared with the above two, the IPS structure has a three-dimensional dent effect due to the introduction of ultra-wideband LSPR, the active region of the surface nanostructure expands, and the absorption rate. Slightly improved. The copper / p-type silicon IPS photodetector has an absorption rate of more than 80% in the visible light region to the mid-infrared light region (450 nm to 2700 nm), and achieves an ultra-broadband absorption characteristic. The absorption spectrum is consistent with the simulation result and shows ultra-wideband resonance. The copper / p-type IPS structure has a gradually changing cavity length, the incident light having a wavelength of less than 4000 nm induces the localized surface plasmon resonance, and the photon confinement effect improves the light absorption efficiency. .. It has been repeatedly stated in Nature Communications that the copper / p-type IPS structure has a higher broadband resonance absorption rate than the 3D-DTTM structure (Lai, YS, Chen, HL, & Yu, CC). (2014). Silkon-based broadband antenna for high resonance and regeneration-incentive hoodometry at telecommunication wavelengths. Nature. (2014).

図18は平面及びIPS銅/p型ショットキー光検出器による暗電流のI−V測定を図示する。図18に示されるように、前記平面及び前記IPS光検出器の両者は汎用ショットキーダイオードのI−V整流特性を示し、順方向バイアス領域で動作する場合、前記の両者の光検出器はPN接合型ダイオードと比較して小さなターンオン電圧を有する。前記2つの光検出器の前記ターンオン電圧は約0.1Vであり、前記逆バイアス領域における前記2つの光検出器の前記暗電流は非常に小さい。前記2つの光検出器の動作領域では、0バイアスの場合の前記暗電流は約1.66μAである。前記平面及び前記IPS光検出器の前記暗電流と比較すると、前記2つの光検出器の前記暗電流の差は明確ではない。前記光検出器の表面にある前記IPS構造は前記銅/p型シリコンショットキー光検出器の前記暗電流の性能を変更させないことが分かる。 FIG. 18 illustrates plane and IV measurements of dark current with an IPS copper / p-type Schottky photodetector. As shown in FIG. 18, both the plane and the IPS photodetector exhibit the IV rectification characteristics of a general purpose Schottky diode, and when operating in the forward bias region, both photodetectors are PN. It has a small turn-on voltage compared to a junction diode. The turn-on voltage of the two photodetectors is about 0.1 V, and the dark current of the two photodetectors in the reverse bias region is very small. In the operating region of the two photodetectors, the dark current at 0 bias is about 1.66 μA. The difference between the dark currents of the two photodetectors is not clear when compared to the plane and the dark currents of the IPS photodetectors. It can be seen that the IPS structure on the surface of the photodetector does not alter the dark current performance of the copper / p-type silicon shotkey photodetector.

一実施形態において、前記平面及びIPS光検出器は異なる波長(1150nm乃至2700nm)の赤外線光の測定に用いられる。前記光検出器は0バイアスで動作し、−5mVのバイアス電圧により前記暗電流及び光電流が測定され、様々な波長の赤外線光が前記光検出器に入射された際に、どのくらいの過電流または応答が発生したかが計算される。図19は、異なる波長の赤外線光に基づいて測定された前記平面及び前記IPS光検出器の応答を図示する。前記平面光検出器では、前記光検出器が0バイアスで動作する場合、前記入射光の波長が長くなるほど前記光検出器の応答が低下する。この趨勢は量子伝導確率(η)の公式

Figure 0006980292
とほぼ一致している。前記入射光の波長が増すと、前記入射光子エネルギーが減少する。よって、前記平面光検出器の応答は前記長波長よりも前記短波長領域においてより明確になり、前記光検出器が−5mVのバイアス電圧で動作する場合、前記光検出器の応答が3倍乃至10倍向上する。この応答から分かるように、前記平面光検出器のカットオフ電圧は約2350nmであり、ショットキー障壁の高さである約0.53eVに等しい。これは理論上算出される前記銅/p型シリコンベースショットキーダイオードのショットキー障壁の高さと比較した場合である。前記(銅/p型シリコン)接合は約0.52eVの高さのショットキー障壁を有し、本発明に係る前記銅/p型シリコンベースショットキー光検出器が前記シリコンのバンドギャップより小さい光子エネルギーの光子を確実に計測可能であることを示す。然しながら、前記平面光検出器により前記光電流が生成されるメカニズムは、内部光電子放出吸収(IPA)のみによるものであり、高効率の応答を達成することは容易ではない。 In one embodiment, the planar and IPS photodetectors are used to measure infrared light of different wavelengths (1150 nm to 2700 nm). The photodetector operates at 0 bias, the dark current and photocurrent are measured by a bias voltage of -5 mV, and how much overcurrent or how much is the photodetector when infrared light of various wavelengths is incident on the photodetector? It is calculated whether a response has occurred. FIG. 19 illustrates the plane and the response of the IPS photodetector as measured based on infrared light of different wavelengths. In the photodetector, when the photodetector operates with 0 bias, the response of the photodetector decreases as the wavelength of the incident light becomes longer. This trend is the formula of quantum conduction probability (η i).
Figure 0006980292
Is almost the same as. As the wavelength of the incident light increases, the incident photon energy decreases. Therefore, the response of the photodetector becomes clearer in the short wavelength region than in the long wavelength region, and when the photodetector operates at a bias voltage of -5 mV, the response of the photodetector is tripled or more. It improves by 10 times. As can be seen from this response, the cutoff voltage of the planar photodetector is about 2350 nm, which is equal to the height of the Schottky barrier, about 0.53 eV. This is the case when compared with the height of the Schottky barrier of the copper / p-type silicon-based Schottky diode calculated theoretically. The (copper / p-type silicon) junction has a Schottky barrier with a height of about 0.52 eV, and the copper / p-type silicon-based Schottky photodetector according to the present invention has a photon smaller than the bandgap of the silicon. It shows that the photon of energy can be measured reliably. However, the mechanism by which the photocurrent is generated by the planar photodetector is solely due to internal photoelectron emission absorption (IPA), and it is not easy to achieve a highly efficient response.

図19は前記IPS光検出器が超広帯域及び高強度の応答を有し、これは前記平面光検出器の約40倍であることを示す。また、入射光の波長が増すと、応答が低下するが、但し前記平面光検出器ほど急速に低下するわけではなく、前記IPS光検出器の前記遮断波長は測定波長範囲では観測されない。前記IPS光検出器の表面に表面プラズモン共鳴構造及び3次元光共振キャビティを有するため、前記入射光子が前記ショットキー接合に効果的に閉じ込められ、これにより強い近接場が提供されると共に、前記金属半導体接合に大量のホットキャリアが生成され、前記光検出器の応答が効果的に向上する。また、前記IPS構造は複数のキャビティの長さを有し、前記シミュレーション結果は500nm乃至4000nmの波長の入射光が前記IPS構造に局在表面プラズモン共鳴を生成し、前記入射光波長が増すに連れて前記共鳴が増幅する。その結果、特定の波長範囲における応答が向上するのみならず、超広帯域での高い応答も達成され、応答が前記入射波長の増長ほど速くはならない。さらには、前記測定結果は、前記IPS光検出器が前記ショットキー障壁よりも低いエネルギー(この場合、0.53eV:2350nm)の中赤外線光を検出したことも示し、これは前記IPS光検出器が優れた局在表面プラズモン共鳴を有するためである。赤外線光が入射されることにより励起された前記ホットキャリアは、そのエネルギーが前記ショットキー障壁の高さよりも低く、且つ前記エネルギー障壁を越えられないため、前記金属に蓄積される。然しながら、前記金属の前記局在表面プラズモン共鳴により大量に励起されたホットキャリアが前記金属半導体接合に蓄積される。図20に示されるように、大量のホットキャリアが互いに衝突した後に熱平衡に達すると、幾つかのホットキャリアが前記ショットキー障壁の高さよりも大きいエネルギーを獲得し、前記エネルギー障壁を超えて前記熱気流を形成させる。その結果、前記IPS光検出器は、前記シリコンのバンドギャップより低いエネルギーの入射光子の検出の応答が向上するのみならず、前記ショットキー障壁より低いエネルギーの中赤外線光も検出可能となる。 FIG. 19 shows that the IPS photodetector has an ultra-wideband and high intensity response, which is about 40 times that of the planar photodetector. Further, as the wavelength of the incident light increases, the response decreases, but it does not decrease as rapidly as the planar photodetector, and the cutoff wavelength of the IPS photodetector is not observed in the measurement wavelength range. Since the surface of the IPS photodetector has a surface plasmon resonance structure and a three-dimensional optical resonance cavity, the incident photons are effectively confined in the shotkey junction, which provides a strong proximity field and the metal. A large amount of hot carriers are generated in the semiconductor junction, and the response of the photodetector is effectively improved. Further, the IPS structure has a plurality of cavity lengths, and the simulation result shows that incident light having a wavelength of 500 nm to 4000 nm generates localized surface plasmon resonance in the IPS structure, and as the incident light wavelength increases. The resonance is amplified. As a result, not only is the response in a particular wavelength range improved, but a high response over ultra-wideband is also achieved, and the response is not as fast as the increase in incident wavelength. Furthermore, the measurement results also show that the IPS photodetector detected mid-infrared light with a lower energy than the Schottky barrier (in this case 0.53 eV: 2350 nm), which is the IPS photodetector. This is because it has an excellent localized surface plasmon resonance. The hot carriers excited by the incident of infrared light are stored in the metal because their energy is lower than the height of the Schottky barrier and cannot cross the energy barrier. However, a large amount of hot carriers excited by the localized surface plasmon resonance of the metal are accumulated in the metal-semiconductor junction. As shown in FIG. 20, when thermal equilibrium is reached after a large number of hot carriers collide with each other, some hot carriers acquire energy greater than the height of the Schottky barrier, and the hot air exceeds the energy barrier. Form a flow. As a result, the IPS photodetector not only improves the response to detect incident photons with energy lower than the silicon bandgap, but can also detect mid-infrared light with energy lower than the Schottky barrier.

図21は本発明の一実施形態に係る前記IPS光検出器の光電流の応答を図示し、ここでは、前記IPS光検出器は異なる入射光強度(1.2mW乃至5.8mW)及びバイアス電圧を有する1550nmの赤外線レーザーと共に動作し、各入射光の強度は3回測定される。様々な入射光強度に対する前記光検出器の電流応答は明らかに異なり、且つ入射光の強度が高まるに連れて徐々に高まる。図21の7つのI−V特性曲線は異なる入射光強度でそれぞれ測定されたものであり、例えば、上から下にかけて暗電流1.2mW、2mW、3mW、4mW、5mW、及び5.8mWとなる。前記電流応答は前記入射光強度に比例し、測定されたオリジナルの電流データは前記入射光強度と高い相関性があることを示す。 FIG. 21 illustrates the photocurrent response of the IPS photodetector according to one embodiment of the invention, where the IPS photodetector has different incident light intensities (1.2 mW to 5.8 mW) and bias voltage. Working with a 1550 nm infrared laser with, the intensity of each incident light is measured three times. The current response of the photodetector to various incident light intensities is clearly different and gradually increases as the incident light intensity increases. The seven IV characteristic curves in FIG. 21 are measured at different incident light intensities, and for example, the dark currents are 1.2 mW, 2 mW, 3 mW, 4 mW, 5 mW, and 5.8 mW from top to bottom. .. The current response is proportional to the incident light intensity, indicating that the measured original current data is highly correlated with the incident light intensity.

図22は前記IPS光検出器が0mVまたは−5mVのバイアスで動作する場合の応答及び前記入射光強度の間の関係を示す。前記IPS光検出器が0バイアスで動作する場合、前記光検出器の応答は入射赤外線光の強度に直接比例し、測定結果は約1032nA/mWの応答との好ましい線型性(R=0.997の高い線型性)を示す。前記IPS光検出器が−5mVのバイアスで動作する場合、前記光検出器の応答は入射赤外線光の強度に直接比例し、且つ測定結果は約1343nA/mWの応答との好ましい線型性(R2=0.9864の高い線型性)を示し、0バイアスで動作する場合に比べて約30%高くなる。本発明に係る前記光検出器は下記のような公開される従来の装置よりも更に強い応答性及び更に広い広帯域吸収検出性を提供する。ナイト氏等の3次元アンテナの深い溝/薄い金属構造(Knight,MW,Sobhani,H.,Nordlander,P.,&Halas,NJ(2011).Photodetection with active optical antennas.Science,332(6030),702−704)及びLin、Keng−Te氏等の(Lai,YS,Chen,HL,&Yu,CC(2014)Silicon−based broadband antenna for high responsivity and polarization−insensitive photodetection at telecommunication wavelengths.Nature Communications,5,3288)。 FIG. 22 shows the relationship between the response and the incident light intensity when the IPS photodetector operates with a bias of 0 mV or -5 mV. When the IPS photodetector operates at 0 bias, the response of the photodetector is directly proportional to the intensity of the incident infrared light, and the measurement result is favorable linearity with a response of about 1032 nA / mW (R 2 = 0. 997 high linearity). When the IPS photodetector operates with a bias of -5 mV, the photodetector response is directly proportional to the intensity of the incident infrared light and the measurement result is favorable linearity with a response of approximately 1343 nA / mW (R2 =). It exhibits a high linearity of 0.9864), which is about 30% higher than when operating at 0 bias. The photodetector according to the present invention provides a stronger responsiveness and a wider wideband absorption detection property than the conventional devices disclosed as described below. Deep groove / thin metal structure of 3D antenna by Mr. Knight et al. (Knight, MW, Sobhani, H., Nordlander, P., & Halas, NJ (2011). Photodetection with active antennas. -704) and Lin, Keng-Te et al. (Lai, YS, Chen, HL, & Yu, CC (2014) Silicon-based broadband antenna for high response resistance and polarization ).

図24は本発明の一実施形態に係る平面シリコン基板上で成長する銀ナノフィルムで製造されるショットキー接触を図示する。図25は図24の電流応答を示すダイアグラムを図示し、ここでは、前記装置が広範囲の電圧及び0バイアスで動作し、前記装置の前記ショットキー接触に光が正方向または逆方向に入射する。図25に示されるように、前記装置の電流応答は0mVで動作する場合非常に安定しており、逆方向の入射光に対する前記装置の応答は正方向の入射光に比べて約2倍となる。前記光が前記ショットキー接合に正方向に入射される場合、前記光は前記金属の薄いフィルムを通過させると共に前記金属により吸収される。反対に、前記光が前記ショットキー接合に逆方向に入射される場合、前記光は前記ショットキー接合に直接衝突する。前記シリコン基板は可視光領域において高い吸収率を有するため、逆方向入射方法は赤外線バンドの検出にのみ応用可能である。 FIG. 24 illustrates Schottky contacts made of silver nanofilms grown on a flat silicon substrate according to an embodiment of the invention. FIG. 25 illustrates a diagram showing the current response of FIG. 24, where the device operates at a wide range of voltages and zero biases, with light incident in the forward or reverse direction on the Schottky contact of the device. As shown in FIG. 25, the current response of the device is very stable when operating at 0 mV, and the response of the device to the incident light in the opposite direction is about twice that of the incident light in the forward direction. .. When the light is positively incident on the Schottky junction, the light passes through a thin film of the metal and is absorbed by the metal. Conversely, when the light is incident on the Schottky junction in the opposite direction, the light directly collides with the Schottky junction. Since the silicon substrate has a high absorption rate in the visible light region, the reverse incident method can be applied only to the detection of an infrared band.

図24及び図25に示されるように、前記光が前記ショットキー接合に逆方向に入射されるように変化した場合、本来の銀ショットキー接触ナノフィルムは更に厚くなり、10nmから100nmに変化する。厚いショットキー接触により、薄いフィルム層が酸化しやすいという欠点が改善される。 As shown in FIGS. 24 and 25, when the light is changed to be incident on the Schottky junction in the opposite direction, the original silver Schottky contact nanofilm becomes thicker and changes from 10 nm to 100 nm. .. Thick Schottky contact remedies the drawback of the thin film layer being prone to oxidation.

図26は、前記有限要素法によりシミュレーションされる直立ピラミッド構造(UPS)及び前記光が前記シリコン基板から前記ショットキー接触に入射するように変化したものを図示する。図27は、1000nm、1500nm、2000nm、2500nm、3000nm、3500nm、4000nm、4500nm、5000nm、5500nm、6000nm、6500nm、7000nm、7500nm、8000nm、8500nm、9000nm、9500nm、及び1000nmの波長の光が直立ピラミッド構造の前記金属電極にそれぞれ垂直に入射する場合の前記シミュレーション結果を示す。キャビティは前記直立ピラミッドの間に形成される。全ての入射波長に対するAg−UPS構造のキャビティで強いライトフィールド閉じ込め効果が観測される。これは前記構造が好ましい3次元共鳴キャビティであることを示す。前記入射波長が変化すると、Ag−UPS構造のキャビティの異なる領域に前記表面プラズモン共鳴が発生する。前記構造では、前記シリコン基板に前記光が進入して屈折率が高まることにより同等の前記入射光の波長が減衰し、同等の波長のための前記キャビティには適合する線形長さが存在する。また、全ての共鳴シミュレーションからは前記Ag−UPS構造のキャビティの局在的な強いライトフィールドは前記金属の強い近接場から確実に連続し、前記金属表面で明確な局在表面プラズモン共鳴(LSPR)を発生させることが明らかとなる。これは前記UPS構造が様々な或いは複数のキャビティの長さを有し、広帯域局在表面プラズモン共鳴を発生させることを証明する。 FIG. 26 illustrates an upright pyramid structure (UPS) simulated by the finite element method and a change in which the light is incident on the Schottky contact from the silicon substrate. FIG. 27 shows an upright pyramid structure in which light having wavelengths of 1000 nm, 1500 nm, 2000 nm, 2500 nm, 3000 nm, 3500 nm, 4000 nm, 4500 nm, 5000 nm, 5500 nm, 6000 nm, 6500 nm, 7000 nm, 7500 nm, 8000 nm, 8500 nm, 9000 nm, 9500 nm, and 1000 nm is emitted. The simulation result in the case of vertically incident on each of the metal electrodes is shown. Cavities are formed between the upright pyramids. A strong light field confinement effect is observed in the Ag-UPS structure cavity for all incident wavelengths. This indicates that the structure is a preferred three-dimensional resonance cavity. When the incident wavelength changes, the surface plasmon resonance occurs in different regions of the cavity of the Ag-UPS structure. In the structure, the light enters the silicon substrate and the refractive index is increased, so that the wavelength of the incident light is attenuated, and the cavity for the same wavelength has a suitable linear length. Also, from all resonance simulations, the localized strong light field of the cavity of the Ag-UPS structure is reliably continuous from the strong proximity field of the metal, and the localized surface plasmon resonance (LSPR) clearly on the metal surface. It becomes clear that it causes. This demonstrates that the UPS structure has various or multiple cavity lengths and produces wideband localized surface plasmon resonance.

本発明の一実施形態では、シリコンベースショットキー光検出器が金属半導体接合(Cu−Si)を用いるp型シリコン基板に製造される。前記光検出器の応答を向上させるためにIPS(またはUPS)構造が用いられる。前記IPS構造は1次元変異線形長さと、2次元対称周期性アレイと、3次元光共振キャビティと、を有し、前記光閉じ込め効果を効果的に向上させると共に光電流を生成させる。3次元FDTD法及び有限要素法によるシミュレーションの結果からは、500nm乃至4000nmの入射波長範囲では、前記銅/p型IPS構造に適合する線形長さが存在して局在表面プラズモン共鳴を誘起させ、前記銅/p型IPS構造により超広帯域局在表面プラズモン共鳴を生成可能になることが分かる。また、前記入射電磁波の波長及び逆ピラミッド構造の線形長さの関係が要約される。前記吸収スペクトルからは、前記銅/p型シリコンベースIPS光検出器は450nm乃至2700nmの間の範囲の波長について80%超の超広帯域吸収率を有することが分かる。従来のLSPR構造では挟帯域周波数の表面プラズモン共鳴しか誘起できないという欠点を確実に解決する。異なる波長の入射光の応答測定からは、前記銅/p型IPS構造が1150nm乃至2700nmの間の範囲の前記入射波長について好ましい応答性を有することが分かる。前記装置が0バイアス及び5mVで動作する場合、平均応答がそれぞれ300nA及び3500nAとなり、前記入射光波長が増長しても応答が急低下することはない。前記光検出器が1550nmの赤外線レーザーと共に0バイアスで動作する場合、前記装置の応答は1032nA/mWまでとなる。また、銅/p型IPS構造の好ましい表面プラズモン共鳴効果により、前記IPS構造はシリコンのエネルギーギャップより低いエネルギーの入射光子の検出応答を向上させるのみならず、前記ショットキー障壁より低いエネルギーの入射中赤外線光光子(2700nm)の検出も可能となる。また、前記銅/p型IPS構造は超広帯域吸収、偏波無依存共鳴、及び強い応答性という利点を有する。また、前記銅/p型シリコンIPS光検出器はシリコン半導体プロセス及び溶液エッチングプロセスを経て製造される。これらのプロセスは枯れた安定的な技術であり、高価ではない設備や材料で実施可能である。さらには、製造された前記光検出器はシリコンベース集積回路に統合されて可視赤外線検出器または熱赤外線撮像素子に用いられるシリコンベースチップに発展させることができる高いポテンシャルを有する。 In one embodiment of the invention, a silicon-based Schottky photodetector is manufactured on a p-type silicon substrate using a metal-semiconductor junction (Cu—Si). An IPS (or UPS) structure is used to improve the response of the photodetector. The IPS structure has a one-dimensional mutant linear length, a two-dimensional symmetric periodic array, and a three-dimensional optical resonance cavity, which effectively enhances the light confinement effect and generates a photocurrent. From the results of simulations by the three-dimensional FDTD method and the finite element method, in the incident wavelength range of 500 nm to 4000 nm, a linear length suitable for the copper / p-type IPS structure exists to induce localized surface plasmon resonance. It can be seen that the copper / p-type IPS structure makes it possible to generate ultra-wideband localized surface plasmon resonance. In addition, the relationship between the wavelength of the incident electromagnetic wave and the linear length of the inverted pyramid structure is summarized. From the absorption spectrum, it can be seen that the copper / p-type silicon-based IPS photodetector has an ultra-wideband absorption rate of more than 80% for wavelengths in the range of 450 nm to 2700 nm. The conventional LSPR structure reliably solves the drawback that only surface plasmon resonance at the interband frequency can be induced. Response measurements of incident light of different wavelengths show that the copper / p-type IPS structure has favorable responsiveness for the incident wavelength in the range between 1150 nm and 2700 nm. When the device operates at 0 bias and 5 mV, the average response is 300 nA and 3500 nA, respectively, and the response does not drop sharply even if the incident light wavelength is increased. If the photodetector operates with a 1550 nm infrared laser at 0 bias, the response of the device will be up to 1032 nA / mW. Also, due to the preferred surface plasmon resonance effect of the copper / p-type IPS structure, the IPS structure not only improves the detection response of incident photons with energy lower than the energy gap of silicon, but also during incident with energy lower than the Schottky barrier. It also enables detection of infrared photons (2700 nm). The copper / p-type IPS structure also has the advantages of ultra-wideband absorption, polarization-independent resonance, and strong responsiveness. Further, the copper / p-type silicon IPS photodetector is manufactured through a silicon semiconductor process and a solution etching process. These processes are dead and stable technologies and can be carried out with inexpensive equipment and materials. Furthermore, the manufactured photodetector has high potential to be integrated into a silicon-based integrated circuit and developed into a silicon-based chip used in a visible infrared detector or a thermal infrared imaging device.

上述の実施形態は本発明の技術思想及び特徴を説明するためのものにすぎず、当該技術分野を熟知する者に本発明の内容を理解させると共にこれをもって実施させることを目的とし、本発明の特許請求の範囲を限定するものではない。従って、本発明の精神を逸脱せずに行う各種の同様の効果をもつ改良又は変更は、後述の請求項に含まれるものとする。 The above-described embodiment is merely for explaining the technical idea and features of the present invention, and an object of the present invention is to make a person familiar with the technical field understand the contents of the present invention and to implement the present invention. It does not limit the scope of claims. Therefore, various improvements or modifications having similar effects made without departing from the spirit of the present invention shall be included in the claims described below.

1 光検出器
10 半導体
12 オーム接触電極
14 金属電極
141 ショットキー接触電極
142 グリッド電極
2 光検出器
20 半導体
21 二酸化ケイ素膜
22 オーム接触電極
23 フォトレジスト
24 金属電極
25 クロム
1 Optical detector 10 Semiconductor 12 ohm contact electrode 14 Metal electrode 141 Shotkey contact electrode 142 Grid electrode 2 Optical detector 20 Semiconductor 21 Silicon dioxide film 22 ohm contact electrode 23 Photoresist 24 Metal electrode 25 Chrome

Claims (8)

第1表面および第2表面を有し、前記第2表面は前記第1表面の反対側にあり、複数のミクロ乃至ナノ構造を有する半導体と、
前記半導体の前記第1表面とのオーム接触が形成されるオーム接触電極と、
前記ミクロ乃至ナノ構造の前記第2表面とのショットキー接触が形成される金属電極と、を備え、
各前記複数のミクロ乃至ナノ構造は複数のキャビティ線形長さを含み、入射光の波長範囲の各波長が前記キャビティ線形長さのうちの1つに対応して局在表面プラズモン共鳴(LSPR)を励起させ、
前記金属電極のキャリアが前記入射光により励起されて電子正孔対またはホットキャリアが形成され、前記金属電極と前記半導体の接合箇所にあるショットキー障壁を越え、光電流が形成され、前記ショットキー障壁及び前記半導体のバンドギャップの両方よりも小さいエネルギーの光子が検出されることを特徴とする、
光検出器。
Having a first surface and a second surface, the second surface is opposite the first surface, and a semiconductor having a plurality of micro or nano-structures,
An ohmic contact electrode forming an ohmic contact with the first surface of the semiconductor,
A metal electrode with a Schottky contact with the second surface of the micro or nanostructure.
Each of the plurality of micro or nanostructures comprises a plurality of cavity linear lengths, with each wavelength in the wavelength range of incident light corresponding to one of the cavity linear lengths causing localized surface plasmon resonance (LSPR). Excited,
The carriers of the metal electrode are excited by the incident light to form electron-hole pairs or hot carriers, cross the shotkey barrier at the junction between the metal electrode and the semiconductor, and a photocurrent is formed to form the shotkey. It is characterized in that photons having an energy smaller than both the barrier and the band gap of the semiconductor are detected.
Photodetector.
複数の前記ミクロ乃至ナノ構造は逆ピラミッド構造または直立ピラミッド構造を呈することを特徴とする請求項1に記載の光検出器。 The photodetector according to claim 1, wherein the plurality of micro or nanostructures exhibit an inverted pyramid structure or an upright pyramid structure. 前記入射光が前記半導体の前記第1表面から入射されることを特徴とする請求項1に記載の光検出器。 The photodetector according to claim 1, wherein the incident light is incident from the first surface of the semiconductor. 前記逆ピラミッド構造では500nm乃至4000nmの間の範囲の前記入射光の波長により局在表面プラズモン共鳴が励起されることを特徴とする請求項2に記載の光検出器。 The photodetector according to claim 2, wherein in the inverted pyramid structure, localized surface plasmon resonance is excited by the wavelength of the incident light in the range of 500 nm to 4000 nm. 直立ピラミッド構造では1000nm乃至10000nmの間の範囲の前記入射光の波長により局在表面プラズモン共鳴が励起されることを特徴とする請求項2に記載の光検出器。 The photodetector according to claim 2, wherein in the upright pyramid structure, localized surface plasmon resonance is excited by the wavelength of the incident light in the range of 1000 nm to 10000 nm. 前記逆ピラミッド構造の周期は前記入射光の波長の4倍であることを特徴とする請求項2に記載の光検出器。 The photodetector according to claim 2, wherein the period of the inverted pyramid structure is four times the wavelength of the incident light. 前記局在表面プラズモン共鳴は偏波無依存であることを特徴とする請求項1に記載の光検出器。 The photodetector according to claim 1, wherein the localized surface plasmon resonance is polarization-independent. 450nm乃至2700nmの間の範囲の波長における前記光検出器の吸収スペクトルは80%超の吸収率を有することを特徴とする請求項2に記載の光検出器。 The photodetector according to claim 2, wherein the absorption spectrum of the photodetector at a wavelength in the range of 450 nm to 2700 nm has an absorption rate of more than 80%.
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