JP7450912B2 - Detection element and light emitting element for infrared light - Google Patents
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Description
本発明は、赤外光用検出素子および発光素子に関するものである。 The present invention relates to an infrared light detection element and a light emitting element.
赤外光用の検出素子および発光素子は、赤外線用のイメージセンサ、監視センサ用途で広く用いられている。例えば、2μm以上の長波長帯の赤外線は、その熱的効果やガスによる赤外線吸収の効果から、人体を検知する人感センサ、熱源体の移動監視センサ、非接触温度センサ、およびガスセンサ等に強い需要がある。
環境改善を鑑みると、大気環境の監視や保護、更には火災の早期検知などにも使用可能なガスセンサは肝要なデバイスである。特に、波長3μmから波長10μmまでの領域においては各種ガスに固有の吸収帯が数多く存在するので、この領域を高いS/N比と高い感度で検出できるガスセンサには強い需要がある。赤外光用の発光素子においても同様に強い需要がある。
Infrared light detection elements and light emitting elements are widely used in infrared image sensors and monitoring sensors. For example, infrared rays in a long wavelength band of 2 μm or more are effective for human body detection sensors, movement monitoring sensors for heat sources, non-contact temperature sensors, gas sensors, etc. due to their thermal effects and the effect of infrared absorption by gas. There is a demand.
In view of environmental improvement, gas sensors are essential devices that can be used for monitoring and protecting the atmospheric environment, as well as for early detection of fire. In particular, in the wavelength range from 3 μm to 10 μm, there are many unique absorption bands for various gases, so there is a strong demand for gas sensors that can detect this region with a high S/N ratio and high sensitivity. There is similarly strong demand for light emitting elements for infrared light.
電波を効率よく受送信する構造体としてパッチアンテナが知られている(特許文献1,2参照)。最近はさらに進化発展させて、マイクロ波のような電波や赤外光を効率よく吸収する構造体として、横磁気(TM)ギャッププラズモンモードの半波長共鳴を利用した金属―絶縁体―金属(MIM)キャビティからなるパッチアンテナが開発されている(非特許文献1参照)。
MIMキャビティでは、密に閉じ込められた電場との強い相互作用を利用して、薄い構造体でありながら光や電磁波を強く吸収することができる。その上で、機能性材料である絶縁体の上下に形成された金属層を電極として利用できる。このことから、1次元の単純な直線ワイヤーでパッチアンテナ間を接続することにより、赤外線に高い検出感度を示すパッチアンテナ素子が開発された(非特許文献2参照)。
Patch antennas are known as structures that efficiently receive and transmit radio waves (see Patent Documents 1 and 2). Recently, metal-insulator-metal (MIM) has been developed further and is a structure that efficiently absorbs radio waves such as microwaves and infrared light. ) A patch antenna consisting of a cavity has been developed (see Non-Patent Document 1).
MIM cavities can strongly absorb light and electromagnetic waves even though they are thin structures by utilizing strong interactions with tightly confined electric fields. Furthermore, metal layers formed above and below the insulator, which is a functional material, can be used as electrodes. Based on this, a patch antenna element that exhibits high detection sensitivity for infrared rays was developed by connecting patch antennas with a one-dimensional simple straight wire (see Non-Patent Document 2).
しかしながら、より赤外光の検出感度が高く、より高いS/N比を確保でき、かつ小型化(コンパクト化)可能な赤外光用の検出素子が嘱望されていた。
また、赤外光用の検出素子と同様に、赤外光の発光強度が強く、高い指向性を有し、かつ小型化(コンパクト化)可能な赤外光用の発光素子が嘱望されていた。
However, there has been a desire for an infrared light detection element that has higher detection sensitivity for infrared light, can ensure a higher S/N ratio, and can be made smaller.
In addition, similar to the detection element for infrared light, there has been a desire for an infrared light emitting element that emits strong infrared light, has high directivity, and can be made compact. .
本発明の課題は、高いS/N比と高い光電変換効率を有する赤外光用のコンパクトな検出素子および発光素子を提供することである。すなわち、検出用素子においては、ノイズレベルが低くかつ高い検出感度を有するコンパクトな赤外光用検出素子を提供するとこであり、発光素子においては、波長や放射方位が高度に制御された状態で強い発光強度を有するコンパクトな赤外光用発光素子を提供することである。 An object of the present invention is to provide a compact detection element and light emitting element for infrared light having a high S/N ratio and high photoelectric conversion efficiency. In other words, in the detection element, we provide a compact infrared light detection element with low noise level and high detection sensitivity, and in the light emitting element, we provide a compact infrared light detection element that has a low noise level and high detection sensitivity. An object of the present invention is to provide a compact infrared light emitting element that has strong emission intensity.
本発明の構成を下記に示す。
(構成1)
ピーク波長をλとする赤外光を検出または発光する素子であって、
前記素子は、少なくとも前記赤外光に感応する光感応部と、電気的接続をするワイヤー部とを有し、
前記光感応部は、2次元状に周期Pで配列された主サイズLの平面形状を有する複数の光感応片からなり、
前記光感応片は、第1の導電体層からなる面上に誘電体層および第2の導電体層が順次積層された層構造を有し、
前記誘電体層の厚さTは、前記誘電体層の前記λに対する屈折率をnとしたとき0を超えてλ/(2n)未満であり、
前記光感応片の面積は、{3λ/(8n)}2以上{5λ/(8n)}2以下であり、
前記ワイヤー部は、隣接する前記光感応片の少なくとも前記第2の導電体層間を、非直線部を有して接続する、最大幅が0を超えてL/5以下の導電性を有するワイヤー片からなり、
前記素子は、前記光感応片および前記ワイヤー片を前記配列の方向である第1の方向に伝搬し、かつ前記面に垂直な方向である第2の方向に偏波した面内伝搬モードを有し、
前記第2の方向から入射する前記赤外光に対して、
|ka×L+kw×(P-L)-2×m×π|≦π/2(mは正の整数)
の関係が、前記第1の方向に進む伝搬モードの前記光感応片の部分および前記ワイヤー片の部分の正の伝搬定数をそれぞれka,kwとしたときにあり、
前記光感応部とワイヤー部からなる機能部の平面形状は3回対称以上の対称性を有する、素子。
(構成2)
前記誘電体層は半導体層を含む、構成1記載の素子。
(構成3)
前記半導体層は、Si、Ge、AlAs、GaAs、InAs、AlSb、GaSb、InSb、AlP、GaP、InP、AlN、GaN、InN、PbS、PbSe、ZnTe、CdTe、HgTe、ZnSe、CdSe、MgSeからなる群より選ばれる1以上からなる、構成2記載の赤外光用検出素子および発光素子。
(構成4)
前記半導体層は量子井戸を含む、構成2記載の素子。
(構成5)
前記量子井戸の数は1以上5以下である、構成4記載の素子。
(構成6)
前記量子井戸の数は1である、構成4記載の素子。
(構成7)
前記量子井戸は、GaAsとAlGaAs、InGaAsとInAlAs、InGaAsとInP、InGaAsとAlAsSb、InGaAsPとInP、GaAsとGaInP、GaAsとAlInP、GaNとAlGaN、GaNとAlN、InAsとAlAsSb、ZnCdSeとZnCdMgSe、InAsとGaSb、InAsとGaInSb、InAsとInAsSb、InGaAsとGaAsSb、InAsとAlGaSbからなる群より選ばれる1以上からなる、構成4から6の何れか1記載の素子。
(構成8)
前記第1の導電体層と前記誘電体層、および前記誘電体層と前記第2の導電体層はともにオーミック接触している、構成1から7の何れか1記載の素子。
(構成9)
前記誘電体層は絶縁体からなる、構成1記載の素子。
(構成10)
前記誘電体層は、ダイヤモンド、Si、Ge、MgO、Al2O3、SiO2、BeO、CaO、TiO2、Ti2O3、TiO、V2O5、Cr2O3、MnO、Cu2O、CuO、ZnO、Sc2O3、Y2O3、ZrO2、Ga2O3、Nb2O5、SnO2、CeO2、HfO2、Ta2O5、LiF、NaF、MgF2、AlF3、CaF2、SrF2、YF3、CsF、BaF2、LaF3、CeF3、NdF3、GdF3、YbF3、PbF2、ThF4、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdSe、CdTe、AgGaS2、AgGaSe2、Zn3P2、ZnGeP2、As2S3、As2Se3、AlAs、AlSb、GaP、GaAs、GaSb、GaSe、GaTe、InP、SiC、BN、AlN、GaN、NaCl、KCl、AgCl、CsCl、KBr、RbBr、AgBr、CsBr、KI、RbI、AgI、CsI、TlI、TlBr、CaCo3、SrTiO3、LiTaO3、ZrSiO4、KNbO3からなる群より選ばれる1以上からなる、構成1記載の素子。
(構成11)
前記第1の導電体層および前記第2の導電体層は、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属を含む合金、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属を含む化合物、およびITO、AZO、GZO、IZO、IGZO、ATO、FTO、FZO、TiNの何れかからなる、構成1から10の何れか1記載の素子。
(構成12)
前記光感応片の平面形状は、正三角形、正方形、正六角形、正八角形、真円形よりなる群から選ばれる1である、構成1から11の何れか1記載の素子。
(構成13)
前記光感応片の平面形状は一片の大きさがLの正方形であり、
前記Lは、前記光感応片の前記第2の方向に偏波した最低次の面内伝搬モードの有効屈折率をneffとしたとき、3λ/(8neff)以上5λ/(8neff)以下であり、
前記有効屈折率neffは、前記第1の導電体層および前記第2の導電体層の平均表皮深さをδとしたとき、n・(1+2δ/T)1/2である、構成1から11の何れか1記載の素子。
(構成14)
前記ワイヤー片の平面形状は直角形状部を含む、構成1から13の何れか1記載の素子。
(構成15)
前記対称性は4回対称である、構成1から14の何れか1記載の素子。
(構成16)
前記配列はマトリックス状である、構成1から15の何れか1記載の素子。
(構成17)
1つの前記第1の導電体層の上方に少なくとも複数の前記光感応片の第2の導電体層が形成されている、構成1から16の何れか1記載の素子。
(構成18)
1つの前記誘電体層の上に少なくとも複数の前記光感応片の第2の導電体層が形成されている、構成1から17の何れか1記載の素子。
(構成19)
請求項1から18の何れか1記載の赤外光用検出素子および発光素子の外側に、
前記第1の導電体層からなる面上に前記誘電体層および前記第2の導電体層が順次積層された第2の光感応片と、
隣接する前記第2の光感応片の少なくとも前記第2の導電体層間を、非直線部を有して接続する、最大幅が0を超えてL/5以下の導電性を有する第2のワイヤー片が2次元状に配列され、
前記第2のワイヤー片のワイヤー長さは、前記光感応片の配列の配列重心点を原点とした1次元、2次元および極座標の動径の何れかの距離に応じて変化している、構成1から16の何れか1記載の素子。
(構成20)
前記第2のワイヤー片は、前記周期Pで配列されている、構成19記載の素子。
(構成21)
前記ワイヤー長さの変化は、単調である、構成19または20記載の素子。
The configuration of the present invention is shown below.
(Configuration 1)
An element that detects or emits infrared light with a peak wavelength of λ,
The element has at least a photosensitive part that is sensitive to the infrared light and a wire part that makes an electrical connection,
The photosensitive section is composed of a plurality of photosensitive pieces having a planar shape of main size L arranged two-dimensionally with a period P,
The photosensitive piece has a layered structure in which a dielectric layer and a second conductor layer are sequentially laminated on a surface made of a first conductor layer,
The thickness T of the dielectric layer is greater than 0 and less than λ/(2n), where n is the refractive index of the dielectric layer with respect to λ,
The area of the photosensitive piece is {3λ/(8n)} 2 or more and {5λ/(8n)} 2 or less,
The wire portion is a wire piece having a maximum width of more than 0 and having conductivity of L/5 or less, which connects at least the second conductor layers of the adjacent photosensitive pieces with a non-linear part. Consisting of
The element has an in-plane propagation mode that propagates through the photosensitive pieces and the wire pieces in a first direction, which is the direction of the arrangement, and is polarized in a second direction, which is a direction perpendicular to the plane. death,
With respect to the infrared light incident from the second direction,
|k a ×L+k w ×(PL)−2×m×π|≦π/2 (m is a positive integer)
When the positive propagation constants of the photosensitive piece part and the wire piece part of the propagation mode traveling in the first direction are respectively k a and k w ,
The device, wherein the planar shape of the functional section consisting of the photosensitive section and the wire section has three-fold symmetry or more.
(Configuration 2)
The device according to configuration 1, wherein the dielectric layer includes a semiconductor layer.
(Configuration 3)
The semiconductor layer is made of Si, Ge, AlAs, GaAs, InAs, AlSb, GaSb, InSb, AlP, GaP, InP, AlN, GaN, InN, PbS, PbSe, ZnTe, CdTe, HgTe, ZnSe, CdSe, MgSe. The infrared light detecting element and light emitting element according to Structure 2, comprising one or more selected from the group.
(Configuration 4)
The device according to configuration 2, wherein the semiconductor layer includes a quantum well.
(Configuration 5)
The device according to configuration 4, wherein the number of quantum wells is 1 or more and 5 or less.
(Configuration 6)
5. The device according to configuration 4, wherein the number of quantum wells is one.
(Configuration 7)
The quantum wells include GaAs and AlGaAs, InGaAs and InAlAs, InGaAs and InP, InGaAs and AlAsSb, InGaAsP and InP, GaAs and GaInP, GaAs and AlInP, GaN and AlGaN, GaN and AlN, InAs and AlAsSb, and Z. nCdSe and ZnCdMgSe, InAs and GaSb, InAs and GaInSb, InAs and InAsSb, InGaAs and GaAsSb, and InAs and AlGaSb, the element according to any one of configurations 4 to 6.
(Configuration 8)
8. The element according to any one of configurations 1 to 7, wherein the first conductive layer and the dielectric layer, and the dielectric layer and the second conductive layer are both in ohmic contact.
(Configuration 9)
The element according to configuration 1, wherein the dielectric layer is made of an insulator.
(Configuration 10)
The dielectric layer is made of diamond, Si, Ge, MgO, Al 2 O 3 , SiO 2 , BeO, CaO, TiO 2 , Ti 2 O 3 , TiO, V 2 O 5 , Cr 2 O 3 , MnO, Cu 2 O, CuO, ZnO, Sc2O3 , Y2O3 , ZrO2 , Ga2O3 , Nb2O5 , SnO2 , CeO2 , HfO2 , Ta2O5 , LiF, NaF , MgF2 , AlF 3 , CaF 2 , SrF 2 , YF 3 , CsF, BaF 2 , LaF 3 , CeF 3 , NdF 3 , GdF 3 , YbF 3 , PbF 2 , ThF 4 , ZnS, ZnSe, ZnTe, CdSe, CdTe, AgGaS 2 , AgGaSe 2 , Zn 3 P 2 , ZnGeP 2 , As 2 S 3 , As 2 Se 3 , AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, GaSe, GaTe, InP, SiC, BN, AlN, GaN, NaCl, KCl, Consisting of one or more selected from the group consisting of AgCl, CsCl, KBr, RbBr, AgBr, CsBr, KI, RbI, AgI, CsI, TlI, TlBr, CaCo 3 , SrTiO 3 , LiTaO 3 , ZrSiO 4 , KNbO 3 1. The element described in 1.
(Configuration 11)
The first conductor layer and the second conductor layer are made of Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Er. , Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In, Al, one or more metals selected from the group consisting of, Ti, Cr, Ni, Au , Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh , Re, Ir, In, an alloy containing one or more metals selected from the group consisting of Al, Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, A compound containing one or more metals selected from the group consisting of Tm, Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In, and Al. , and any one of ITO, AZO, GZO, IZO, IGZO, ATO, FTO, FZO, and TiN, according to any one of Structures 1 to 10.
(Configuration 12)
12. The element according to any one of configurations 1 to 11, wherein the planar shape of the photosensitive piece is selected from the group consisting of a regular triangle, a square, a regular hexagon, a regular octagon, and a perfect circle.
(Configuration 13)
The planar shape of the photosensitive piece is a square with a size of one piece L,
L is 3λ/(8n eff ) or more and 5λ/(8n eff ) or less, where n eff is the effective refractive index of the lowest order in-plane propagation mode polarized in the second direction of the photosensitive piece. and
From configuration 1, the effective refractive index n eff is n·(1+2δ/T) 1/2 , where δ is the average skin depth of the first conductor layer and the second conductor layer. 11. The device according to any one of 11.
(Configuration 14)
14. The element according to any one of configurations 1 to 13, wherein the planar shape of the wire piece includes a right-angled portion.
(Configuration 15)
15. The element according to any one of configurations 1 to 14, wherein the symmetry is 4-fold symmetry.
(Configuration 16)
16. The element according to any one of configurations 1 to 15, wherein the arrangement is matrix-like.
(Configuration 17)
17. The device according to any one of configurations 1 to 16, wherein the second conductor layer of at least a plurality of the photosensitive pieces is formed above one of the first conductor layers.
(Configuration 18)
18. The device according to any one of configurations 1 to 17, wherein the second conductive layer of at least a plurality of the photosensitive pieces is formed on one of the dielectric layers.
(Configuration 19)
Outside the infrared light detection element and light emitting element according to any one of claims 1 to 18,
a second photosensitive piece in which the dielectric layer and the second conductor layer are sequentially laminated on a surface made of the first conductor layer;
A second wire having a maximum width of more than 0 and having a conductivity of L/5 or less, which connects at least the second conductor layers of the adjacent second photosensitive pieces with a non-linear part. The pieces are arranged in a two-dimensional manner,
The wire length of the second wire piece is configured to vary depending on the distance in one dimension, two dimensions, or a radius vector of polar coordinates with the center of gravity of the array of the photosensitive pieces as the origin. The device according to any one of 1 to 16.
(Configuration 20)
20. The element according to configuration 19, wherein the second wire pieces are arranged with the period P.
(Configuration 21)
21. The element of configuration 19 or 20, wherein the change in wire length is monotonic.
本発明により、高いS/N比と高い光電変換効率を有する赤外光用のコンパクトな検出素子および発光素子が提供される。すなわち、検出用素子においては、ノイズレベルが低くかつ高い検出感度を有するコンパクトな赤外光用検出素子が提供され、発光素子においては、ノイズ発光が少ない状態で強い発光強度を有するコンパクトな赤外光用発光素子が提供される。 The present invention provides a compact detection element and light emitting element for infrared light having a high S/N ratio and high photoelectric conversion efficiency. In other words, for the detection element, a compact infrared light detection element with a low noise level and high detection sensitivity is provided, and for the light emitting element, a compact infrared light detection element is provided that has a strong emission intensity with little noise emission. A light emitting element for light is provided.
以下、本発明について詳細に説明する。以下に記載する本発明の詳細な説明は、代表的な態様、実施形態、及び実施例に基づいてなされることがあるが、これらは例示であり、本発明はそのような態様、実施形態、及び実施例に限定されるものではない。
なお、「A~B」は、A以上B以下を示す。
The present invention will be explained in detail below. Although the detailed description of the present invention described below may be based on representative aspects, embodiments, and examples, these are merely illustrative, and the present invention is not limited to such aspects, embodiments, and examples. and is not limited to the examples.
Note that "A to B" indicates A or more and B or less.
(実施の形態1)
<素子構造>
本発明の素子101は、図1に示すように、第1の導電体層21と第2の導電体層23の2つの導電体層に挟まれた薄膜の誘電体層22を有する、パッチアンテナとして働く光感応片12がいわゆるアレイアンテナのように多数規則的に配置された光感応部11と、光感応片を電気的に結びつける導電体層を有するワイヤー部13からなる。
ワイヤー部13は複数のワイヤー片14からなり、各々のワイヤー片14は、隣接する光感応片12の少なくとも第2の導電体層23間を電気的に繋ぐワイヤーである。
(Embodiment 1)
<Element structure>
As shown in FIG. 1, the element 101 of the present invention is a patch antenna having a thin dielectric layer 22 sandwiched between two conductive layers, a first conductive layer 21 and a second conductive layer 23. It consists of a photosensitive section 11 in which a large number of photosensitive pieces 12 functioning as a so-called array antenna are regularly arranged, and a wire section 13 having a conductive layer that electrically connects the photosensitive pieces.
The wire portion 13 is made up of a plurality of wire pieces 14, and each wire piece 14 is a wire that electrically connects at least the second conductor layers 23 of adjacent photosensitive pieces 12.
本発明の構成では、光感応片が導電体層で繋がれているため、誘電体層にバイアス電圧を印加することもできるし、光電変換による電流を取り出すこともできる。また、2つの導電体層間に電圧を印加することによって誘電体層22にトンネル電流を流したり、導電体に電流を流して誘電体層22に熱を加えることにより、発光させることができる。 In the configuration of the present invention, since the photosensitive pieces are connected by the conductive layer, a bias voltage can be applied to the dielectric layer, and a current can be extracted by photoelectric conversion. Furthermore, light can be emitted by applying a voltage between two conductive layers to cause a tunnel current to flow through the dielectric layer 22, or by applying heat to the dielectric layer 22 by passing a current through the conductive material.
一般に、光検出素子の光検出感度と発光素子の発光強度は、光共鳴という観点では、光線逆行の原理により、共通の振る舞いになる。すなわち、光検出素子で効果的な共鳴を起こせる条件は、発光素子でも効果的な共鳴を起こせる。以下、光検出素子を中心に説明し、発光素子固有のことについては、個別に適宜説明を行う。 In general, the light detection sensitivity of a photodetector and the emission intensity of a light emitting element behave in common from the perspective of optical resonance due to the principle of ray retrograde motion. That is, the conditions that allow effective resonance to occur in the photodetector element also enable effective resonance to occur in the light emitting element. Hereinafter, the photodetecting element will be mainly explained, and the specific details of the light emitting element will be explained individually as appropriate.
本発明の素子101は、光感応片12とワイヤー片の形状、サイズ、構造、および配置に大きな特徴がある。また、さらに性能を高める上で、誘電体層22にも特徴がある。 The device 101 of the present invention has major characteristics in the shape, size, structure, and arrangement of the photosensitive piece 12 and the wire piece. In addition, the dielectric layer 22 also has features to further improve performance.
光感応片12は、第1の導電体層21、誘電体層22、第2の導電体層23の3層からなるキャビティ構造を有し、誘電体層22の厚さTは、0を超えλ/(2n)以下、光感応片12の面積は{3λ/(8n)}2以上{5λ/(8n)}2以下である。
この構造にすることにより、ノイズを抑えた状態でTMギャッププラズモンモードの半波長共鳴が効率的に起きて赤外光を効率よく吸収することを見出した。また、この構造は、誘電体層22が薄いので、共鳴により生じる電場が大きく、大きな感度増強が得られ、さらにボリュームが小さいので、その結果暗電流が下がる。暗電流を抑えることができるので、液体窒素環境というような低温環境でなくても、十分使用可能な素子となる。
The photosensitive piece 12 has a cavity structure consisting of three layers: a first conductor layer 21, a dielectric layer 22, and a second conductor layer 23, and the thickness T of the dielectric layer 22 is greater than 0. λ/(2n) or less, and the area of the photosensitive piece 12 is {3λ/(8n)} 2 or more and {5λ/(8n)} 2 or less.
It has been found that by adopting this structure, half-wavelength resonance of the TM gap plasmon mode occurs efficiently while noise is suppressed, and infrared light is efficiently absorbed. In addition, in this structure, since the dielectric layer 22 is thin, the electric field generated by resonance is large, resulting in a large sensitivity enhancement, and the volume is small, resulting in a reduction in dark current. Since dark current can be suppressed, the device can be used even in a low-temperature environment such as a liquid nitrogen environment.
また、光感応片12が一片の大きさLの正方形の場合は、第1の導電体層および第2の導電体層の平均表皮深さをδとしたときにn・(1+2δ/T)1/2で表される光感応片12の第2の方向に偏波した最低次の面内伝搬モードの有効屈折率をneffとしたとき、Lが3λ/(8neff)以上5λ/(8neff)以下になることが好ましい。
この構造にすることにより、正方形の光感応片に最適化され、さらにノイズを抑えた状態でTMギャッププラズモンモードの半波長共鳴が効率的に起きて赤外光を効率よく吸収することを見出した。
ここで、λは、この素子が検出しようとする、または発光光させようとする赤外光のピーク波長であり、nは、誘電体層22の波長λに対する屈折率である。なお、本発明での赤外光は、波長0.76μm以上1000μm以下の光を指す。また、本発明で特に効果を示す赤外光の波長域は、2.5μm以上25μm以下である。
Further, when the photosensitive piece 12 is a square with a size L, n・(1+2δ/T) 1 where δ is the average skin depth of the first conductor layer and the second conductor layer. When the effective refractive index of the lowest-order in-plane propagation mode polarized in the second direction of the photosensitive piece 12 expressed as eff ) or less.
By adopting this structure, it was optimized for a square photosensitive piece, and it was discovered that the half-wavelength resonance of the TM gap plasmon mode occurred efficiently and infrared light was efficiently absorbed while suppressing noise. .
Here, λ is the peak wavelength of infrared light that this element attempts to detect or emit, and n is the refractive index of the dielectric layer 22 with respect to the wavelength λ. Note that infrared light in the present invention refers to light with a wavelength of 0.76 μm or more and 1000 μm or less. Further, the wavelength range of infrared light that is particularly effective in the present invention is 2.5 μm or more and 25 μm or less.
本発明では、主サイズLの平面形状を有する光感応片12を2次元状に周期Pで配列するとともに、隣接する光感応片12を、ワイヤー片14を2次元状に周期Pで配列して、電気的に繋ぐことによって、光感応片12の群を共鳴状態にしてさらに赤外光を高効率に吸収させる。ここで、2次元状配列とは、代表的にはマトリックス状配列であり、正方格子状、長方格子状、斜方格子状および三角格子状を含む。この中で正方格子状が最も設計しやすく、好んで用いることができる。
光感応片12の平面形状は、対称性が高いものが好ましく、具体的には、正三角形、正方形、正六角形、正八角形、真円形を挙げることができる。この中でも、正方形は製造が容易であることから特に好んで用いることができる。光感応片12の平面形状の対称性が高いと、入射光の向きや偏光依存性が少なくなり、これらの擾乱を受けにくい状態で感度が高いレベルで安定するため好ましい。
In the present invention, the photosensitive pieces 12 having a planar shape of main size L are arranged two-dimensionally with a period P, and the adjacent photosensitive pieces 12 are arranged with wire pieces 14 two-dimensionally arranged with a period P. , by electrically connecting the group of photosensitive pieces 12 to a resonant state and absorbing infrared light with high efficiency. Here, the two-dimensional arrangement is typically a matrix arrangement, and includes a square lattice, a rectangular lattice, an orthorhombic lattice, and a triangular lattice. Among these, the square lattice shape is the easiest to design and can be preferably used.
The planar shape of the photosensitive piece 12 is preferably highly symmetrical, and specific examples include a regular triangle, a square, a regular hexagon, a regular octagon, and a perfect circle. Among these, square shapes are particularly preferred because they are easy to manufacture. It is preferable that the planar shape of the photosensitive piece 12 has high symmetry because the dependence on the direction and polarization of incident light is reduced, and the sensitivity is stabilized at a high level in a state where it is less susceptible to these disturbances.
ここで、隣接する光感応片12間の間隔を狭めて光感応片12の集積度を挙げ、素子101のコンパクト化を図るため、ワイヤー片14は、最大幅が0を超えてL/5以下で、非直線部のあるZ、S字状などの屈曲部を有した折り畳んだ形状の導電体層を有するものとする。その一例を図2に示す。図2は素子101の一部の要部を上部から見た平面図で、(a)は光感応片のみが配置されている場合、(b)は光感応片12と直線状のワイヤー片14aが配置されている場合、(c)は光感応片12とZ字状のワイヤー片14bが配置されている場合、そして(d)は光感応片12とS字状のワイヤー片14cが配置されている場合である。ここで、領域を狭めて効率的な折り畳み平面形状にするためには直角形状部を含むことが好ましい。
ここで、主サイズLは、光感応片12が正方形なら一辺の長さ、正三角形なら一辺の長さ、正六角形および正八角形などの正n角形(nは6以上の偶数)の場合は対角線の長さ、円の場合は直径、その他の場合は面積の等しい円の直径である。
Here, in order to increase the degree of integration of the photosensitive pieces 12 by narrowing the interval between adjacent photosensitive pieces 12 and to make the element 101 more compact, the wire piece 14 has a maximum width of more than 0 and less than or equal to L/5. It is assumed that the conductor layer has a folded shape having a Z-shaped or S-shaped bent part with a non-linear part. An example is shown in FIG. FIG. 2 is a plan view of a part of the main part of the element 101 seen from above, (a) is when only the photosensitive piece is arranged, and (b) is the photosensitive piece 12 and the straight wire piece 14a. (c) is the case when the photosensitive piece 12 and the Z-shaped wire piece 14b are arranged, and (d) is the case when the photosensitive piece 12 and the S-shaped wire piece 14c are arranged. This is the case. Here, in order to narrow the area and create an efficient folded plane shape, it is preferable to include a right-angled portion.
Here, the main size L is the length of one side if the photosensitive piece 12 is a square, the length of one side if it is an equilateral triangle, and the length of one side if the photosensitive piece 12 is a regular n-gon (n is an even number of 6 or more) such as a regular hexagon or a regular octagon. In the case of circles, it is the diameter; in other cases, it is the diameter of circles with equal area.
詳細な検討の結果、光感応片12の群の共鳴状態を波長λに合わせるには、屈曲部形状やフォトニックバンドギャップも考慮して、下記の条件を満たすようにする必要があることを見出した。
素子101は、光感応片12およびワイヤー片14をその配列方向である第1の方向に伝搬し、かつ光感応片12が置かれている面に垂直な方向である第2の方向に電場が偏波した面内伝搬モードを有し、第2の方向から入射する前記赤外光に対して、
|ka×L+kw×(P-L)-2×m×π|≦π/2(mは適当な正の整数)・・(1)
の関係が、前記第1の方向に進む伝搬モードの前記光感応片12の部分および前記ワイヤー片14の部分の正の伝搬定数をそれぞれka,kwとしたときにある。
As a result of detailed studies, we found that in order to match the resonance state of the group of photosensitive strips 12 to the wavelength λ, it is necessary to satisfy the following conditions, taking into account the shape of the bent portion and the photonic band gap. Ta.
The element 101 causes an electric field to propagate through the photosensitive pieces 12 and the wire pieces 14 in a first direction, which is the direction in which the photosensitive pieces 12 and wire pieces 14 are arranged, and in a second direction, which is a direction perpendicular to the plane on which the photosensitive pieces 12 are placed. For the infrared light having a polarized in-plane propagation mode and incident from the second direction,
|k a ×L+k w ×(PL)−2×m×π|≦π/2 (m is an appropriate positive integer)...(1)
The following relationship exists when the positive propagation constants of the photosensitive piece 12 portion and the wire piece 14 portion of the propagation mode traveling in the first direction are k a and k w , respectively.
素子101では、入射光(検出光)に対して、光感応片12の個々の光学的共鳴と、ワイヤー片14を介した全体としての光学的共鳴の2つの光学的共鳴が組み合わさる共鳴(二重共鳴)になる。この場合、素子101への垂直入射光による共鳴は非常に強い共鳴となるが、素子101に対して斜めから入射する光に対しては急激に共鳴条件から外れるという共鳴特性になる。
赤外光用光検出素子では、バックグラウンドノイズは大半が周囲からの熱輻射によってもたらされる。素子101では、周囲からの熱輻射を簡便、低コスト、コンパクトに抑えて、ノイズの少ない素子にするために、前述の二重共鳴を使って指向性を高め、言い換えればFOV(Field Of View)を狭めて、周囲からの熱輻射(赤外線)に対する感度を抑えた。このことにより、周囲からの熱輻射が問題になる赤外光検出素子においては、素子101は、高い検出感度を得つつ、S/Nにも優れた素子になる。特に量子井戸のサブバンド間遷移を利用する赤外光用検出素子の場合には、量子井戸そのものが特定の波長で共鳴的な感度(電子的共鳴)を持つ。これが二重の光学的共鳴と合致し、三重の共鳴となることにより、とりわけ強く、また、波長的、方位的に不要な熱輻射に影響されない、高いS/Nを持つ素子になる。あるいは周囲に与える不要な熱放射が問題になる赤外光発光素子においては、高い発光強度を得つつ、指向性にも優れた素子になる。
In the element 101, the incident light (detection light) is subjected to a resonance (two resonances) in which two optical resonances, the individual optical resonance of the photosensitive piece 12 and the overall optical resonance via the wire piece 14, are combined. heavy resonance). In this case, the resonance due to light incident perpendicularly to the element 101 is a very strong resonance, but the resonance characteristics suddenly deviate from the resonance condition for light incident obliquely to the element 101.
In a photodetector for infrared light, background noise is mostly caused by thermal radiation from the surroundings. In the element 101, in order to suppress heat radiation from the surroundings easily, at low cost, and to make it compact and to make the element with less noise, the above-mentioned double resonance is used to increase directivity, in other words, FOV (Field Of View) narrowed to reduce sensitivity to thermal radiation (infrared rays) from the surroundings. As a result, in the case of an infrared light detection element where heat radiation from the surroundings becomes a problem, the element 101 becomes an element with high detection sensitivity and excellent S/N. In particular, in the case of infrared light detection elements that utilize intersubband transitions in quantum wells, the quantum wells themselves have resonant sensitivity (electronic resonance) at specific wavelengths. This matches double optical resonance, resulting in triple resonance, resulting in an element that is particularly strong and has a high S/N ratio that is unaffected by unnecessary thermal radiation in terms of wavelength and orientation. Alternatively, in an infrared light emitting device where unnecessary heat radiation to the surroundings is a problem, the device can achieve high emission intensity and also have excellent directivity.
また、素子101は、光感応部11とワイヤー部13からなる機能部の平面形状を3回対称以上、好ましくは4回対称とする。すなわち、光感応片12とワイヤー片14を3回対称以上、好ましくは4回対称になるように周期Pで配置する。このことにより、入射光の偏光依存性(偏光の角度依存性)がほぼなくなり、感度向上に寄与する。 Further, in the element 101, the planar shape of the functional section consisting of the photosensitive section 11 and the wire section 13 is 3-fold or more symmetrical, preferably 4-fold symmetrical. That is, the photosensitive pieces 12 and the wire pieces 14 are arranged at a period P so as to have a three-fold symmetry or more, preferably a four-fold symmetry. This substantially eliminates the polarization dependence (angle dependence of polarization) of the incident light, contributing to improved sensitivity.
第1の導電体層21、誘電体層22および第2の導電体層23に形成される光感応部とワイヤー部の形状は図1の鳥観図で示した場合に限らない。ワイヤー部13は誘電体層22を挟んでも挟まなくてもよく、第1の導電体層21および誘電体層22はパターン化された形状でも複数の光感応片およびワイヤー片が載る広い領域の平板状でもよい。 The shapes of the photosensitive parts and wire parts formed in the first conductor layer 21, dielectric layer 22, and second conductor layer 23 are not limited to those shown in the bird's-eye view of FIG. The wire portion 13 may or may not sandwich the dielectric layer 22, and even if the first conductor layer 21 and the dielectric layer 22 are patterned, they are flat plates with a wide area on which a plurality of photosensitive pieces and wire pieces are placed. It may be in the form of
図1を、第1の導電体層21、誘電体層22および第2の導電体層23の各層に分けたときの平面図を図3に示す。図3(a)に示すのが第2の導電体層23、図3(b)に示すのが誘電体層22および。図3(c)に示すのが第1の導電体層21である。図3の場合は、第2の導電体層23の平面形状は光感応部11とワイヤー部13を有する形状であり、誘電体層22の平面形状はそれと同様であり、第1の導電体層21の平面形状は複数の光感応片およびワイヤー片が載る広い平面形状の場合である。
図4は、誘電体層22が光感応部11のみでワイヤー部を含まない場合の各層の平面形状、図5は第1の導電体層21、誘電体層22および第2の導電体層23が光感応部11とワイヤー部13を含むすべて同じ平面形状、図6は第1導電体層21と第2の導電体層23が光感応部11とワイヤー部13を含む同じ平面形状で誘電体層22は光感応部11のみでワイヤー部を有さない平面形状、図7は第2の導電体層23のみ光感応部11とワイヤー部13を有する平面形状で、第1の導電体層21と誘電体層22は複数の光感応片およびワイヤー片が載る広い平面形状、そして図8は第1導電体層21と第2の導電体層23が光感応部11とワイヤー部13を含む同じ平面形状で誘電体層22は光感応部のみで複数の光感応片およびワイヤー片が載る広い平面形状の場合である。本発明の素子101は、上記いずれの平面形状を有していてもよい。
FIG. 3 is a plan view of FIG. 1 divided into the first conductor layer 21, dielectric layer 22, and second conductor layer 23. FIG. 3(a) shows the second conductive layer 23, and FIG. 3(b) shows the dielectric layer 22. The first conductor layer 21 is shown in FIG. 3(c). In the case of FIG. 3, the planar shape of the second conductor layer 23 is a shape having the photosensitive part 11 and the wire part 13, and the planar shape of the dielectric layer 22 is the same, and The planar shape 21 is a wide planar shape on which a plurality of photosensitive pieces and wire pieces can be placed.
FIG. 4 shows the planar shape of each layer when the dielectric layer 22 includes only the photosensitive part 11 and does not include the wire part, and FIG. In FIG. 6, the first conductive layer 21 and the second conductive layer 23 have the same planar shape including the photosensitive part 11 and the wire part 13 and are dielectric. The layer 22 has a planar shape with only the photosensitive part 11 and no wire part, and FIG. and the dielectric layer 22 has a wide planar shape on which a plurality of photosensitive pieces and wire pieces are placed, and in FIG. In this case, the dielectric layer 22 has a wide planar shape with only a photosensitive portion and a plurality of photosensitive pieces and wire pieces are placed thereon. The element 101 of the present invention may have any of the above planar shapes.
なお、複数の光感応片およびワイヤー片が載る広い平面形状を用いた場合は、その層の形成に微細パターン形成を伴わないため製造が容易になるという特徴がある。また、図5および図6に示す場合は、ワイヤー片がばねの役割をもって各光感応片を繋ぐため、フレキシブル基板上に形成したとき、柔軟性と伸縮耐久性が高まって好ましい。 Note that when a wide planar shape on which a plurality of photosensitive pieces and wire pieces are placed is used, the formation of the layer does not involve the formation of a fine pattern, making manufacturing easier. Further, in the case shown in FIGS. 5 and 6, since the wire pieces serve as springs and connect the respective photosensitive pieces, when formed on a flexible substrate, flexibility and expansion/contraction durability are improved, which is preferable.
誘電体層22は、半導体層または/および絶縁体層を含む層からなる。
半導体層は、Si、Ge、AlAs、GaAs、InAs、AlSb、GaSb、InSb、AlP、GaP、InP、AlN、GaN、InN、PbS、PbSe、ZnTe、CdTe、HgTe、ZnSe、CdSe、MgSeからなる群より選ばれる1以上を挙げることができ、特に素子101を光検出素子として使用するときに、高い検出感度と高いS/Nを得るのに適する。
The dielectric layer 22 is made of a layer including a semiconductor layer and/or an insulator layer.
The semiconductor layer is a group consisting of Si, Ge, AlAs, GaAs, InAs, AlSb, GaSb, InSb, AlP, GaP, InP, AlN, GaN, InN, PbS, PbSe, ZnTe, CdTe, HgTe, ZnSe, CdSe, MgSe. One or more of them can be mentioned, and is particularly suitable for obtaining high detection sensitivity and high S/N when the element 101 is used as a photodetecting element.
半導体層は量子井戸を含むと、量子井戸構造の設計により決まる所定の狭い波長域の赤外光を極めて高い感度かつS/Nで検出するのに好適になる。すなわち、量子井戸を含む半導体層を用いると感度の高い狭い波長域の検出素子になり、一方で、ノイズ源となる熱輻射は一般に広い波長域からなるので、高いS/Nが得られる。
ここで、量子井戸としては、GaAsとAlGaAs、InGaAsとInAlAs、InGaAsとInP、InGaAsとAlAsSb、InGaAsPとInP、GaAsとGaInP、GaAsとAlInP、GaNとAlGaN、GaNとAlN、InAsとAlAsSb、ZnCdSeとZnCdMgSe、InAsとGaSb、InAsとGaInSb、InAsとInAsSb、InGaAsとGaAsSb、InAsとAlGaSbからなる群より選ばれる1以上を挙げることができる。
When the semiconductor layer includes a quantum well, it becomes suitable for detecting infrared light in a predetermined narrow wavelength range determined by the design of the quantum well structure with extremely high sensitivity and S/N. That is, when a semiconductor layer including quantum wells is used, it becomes a highly sensitive detection element in a narrow wavelength range, while thermal radiation, which is a noise source, generally has a wide wavelength range, so a high S/N can be obtained.
Here, the quantum wells include GaAs and AlGaAs, InGaAs and InAlAs, InGaAs and InP, InGaAs and AlAsSb, InGaAsP and InP, GaAs and GaInP, GaAs and AlInP, GaN and AlGaN, GaN and AlN, InAs and AlAsSb, ZnCdSe and Examples include one or more selected from the group consisting of ZnCdMgSe, InAs and GaSb, InAs and GaInSb, InAs and InAsSb, InGaAs and GaAsSb, and InAs and AlGaSb.
量子井戸に欠陥があると光検出感度およびS/Nが低下するので、量子井戸の数は少ないことが好ましい。また、一般に、キャビティによる吸収増強が存在しない状況下での量子井戸による光吸収は、およそ量子井戸の数に比例するが、本発明の素子はTMギャッププラズモンモードの半波長共鳴を用いたキャビティ構造をもつため量子井戸数が少なくても吸収は十分大きい。加えて、吸収の他に感度を決めるもう一つの因子である光導電ゲイン(電子が量子井戸群を貫いて進む移動のしやすさ)は、およそ量子井戸の数に反比例するので、量子井戸の数が少ない場合の方が応答性に富む。詳細な検討を行った結果、量子井戸の数は1以上5以下が好ましく、1以上3以下がより好ましく、1がさらに一層好ましいことがわかった。 If a quantum well has a defect, the photodetection sensitivity and S/N will decrease, so it is preferable that the number of quantum wells be small. Furthermore, in general, light absorption by a quantum well in the absence of absorption enhancement by a cavity is approximately proportional to the number of quantum wells, but the device of the present invention has a cavity structure using half-wavelength resonance of the TM gap plasmon mode. Therefore, even if the number of quantum wells is small, the absorption is sufficiently large. In addition, photoconductive gain (the ease with which electrons move through a group of quantum wells), which is another factor that determines sensitivity in addition to absorption, is approximately inversely proportional to the number of quantum wells. Responsiveness is better when the number is small. As a result of detailed study, it was found that the number of quantum wells is preferably 1 or more and 5 or less, more preferably 1 or more and 3 or less, and even more preferably 1.
また、第1の導電体層21と誘電体層22、および誘電体層22と第2の導電体層23はともにオーミック接触していることが好ましい。オーミックコンタクトにより第1の導電体層21と誘電体層22との界面、および誘電体層22と第2の導電体層23との界面での電子の流れがスムーズになり、効率よく光電流を取り出すことが可能となる。オーミックコンタクトではなくショットキーコンタクトであった場合は誘電体層22に蓄積された電子が滞留し、十分な光電流を取り出すのが容易ではなくなる。 Moreover, it is preferable that both the first conductor layer 21 and the dielectric layer 22 and the dielectric layer 22 and the second conductor layer 23 are in ohmic contact. The ohmic contact smoothes the flow of electrons at the interface between the first conductor layer 21 and the dielectric layer 22 and the interface between the dielectric layer 22 and the second conductor layer 23, allowing efficient photocurrent flow. It becomes possible to take it out. If a Schottky contact is used instead of an ohmic contact, electrons accumulated in the dielectric layer 22 will remain, making it difficult to extract a sufficient photocurrent.
誘電体層22に量子井戸が1の半導体層を用いた場合のコンダクションバンド構造の説明図を図9に示す。これは実施例1の素子で使用した誘電体層のコンダクションバンド構造を説明したものになっている。
図9の縦軸は電子のエネルギーを表し、斜線部分は電子が充満していることを表す。量子井戸部は薄いので電子準位は離散的に存在する。
量子井戸部の電子は、基底準位の他に、所定のエネルギー幅で連続に分布する連続励起準位に存在しうる。その状態で、ちょうどその2つの準位のエネルギー差に等しいエネルギーを持った赤外光の光子が入射すると、基底準位の電子は励起準位に励起される。第1の導電体層と第2の導電体層の間にバイアス電圧を印加しておくと、励起された電子は電界によりバイアス電圧に応じた方向に移動し、コンタクト層を経て導電体層に達し光電流が流れる。
図9では、コンタクト層と導電体層との境界にショットキーバリアが存在する場合を示すが、上述のようにオーミックコンタクトが好ましい。しかしながら、ショットキーバリアであってもコンタクト層に十分な電子をドーピングしておくと、このバリアは図9のように極めて薄くなり、電子はトンネルしてコンタクト層・導電体層間を自由に流れることができるようになるため使用することが可能になる。
FIG. 9 shows an explanatory diagram of a conduction band structure when a semiconductor layer with one quantum well is used as the dielectric layer 22. This explains the conduction band structure of the dielectric layer used in the device of Example 1.
The vertical axis in FIG. 9 represents the energy of electrons, and the shaded area represents that the area is filled with electrons. Since the quantum well is thin, electronic levels exist discretely.
In addition to the ground level, electrons in the quantum well can exist in continuous excited levels that are continuously distributed in a predetermined energy width. In this state, when a photon of infrared light with energy exactly equal to the energy difference between the two levels enters, the electron at the ground level is excited to the excited level. When a bias voltage is applied between the first conductor layer and the second conductor layer, the excited electrons move in the direction according to the bias voltage due to the electric field, and pass through the contact layer to the conductor layer. photocurrent flows.
Although FIG. 9 shows the case where a Schottky barrier exists at the boundary between the contact layer and the conductor layer, an ohmic contact is preferable as described above. However, even with a Schottky barrier, if the contact layer is doped with sufficient electrons, this barrier becomes extremely thin as shown in Figure 9, and electrons tunnel and flow freely between the contact layer and the conductor layer. This makes it possible to use it.
発光素子とする場合は、誘電体層22が絶縁体層を含む構造を好んで用いることができる。発光は、熱励起とトンネル電流による2つの手法によるものを挙げることができる。
熱励起を使った方法では、第1の導電体層21か第2の導電体層23の一方、あるいは両方に電流を流して、誘電体層22にジュール熱を加えて発光させる。熱の印加方法としては、他に光吸収を挙げることができる。この場合、絶縁体層の厚さは1nm以上500nm以下が好ましく、10nm以上300nm以下がより好ましい。
トンネル電流を使った方法では、第1の導電体層21と第2の導電体層23との間にバイアス電圧を印加して絶縁体層にトンネル電流を流し、発光させる。この場合、絶縁体層はトンネル電流が流れる厚さに設定する必要がある。具体的には、絶縁体層の厚さは1原子層以上10nm以下が好ましく、3原子層以上3nm以下がより好ましい。
When used as a light emitting element, a structure in which the dielectric layer 22 includes an insulating layer can be preferably used. There are two methods for emitting light: thermal excitation and tunneling current.
In the method using thermal excitation, a current is passed through one or both of the first conductor layer 21 and the second conductor layer 23 to apply Joule heat to the dielectric layer 22, causing it to emit light. Another method for applying heat is light absorption. In this case, the thickness of the insulating layer is preferably 1 nm or more and 500 nm or less, more preferably 10 nm or more and 300 nm or less.
In the method using tunnel current, a bias voltage is applied between the first conductor layer 21 and the second conductor layer 23 to cause a tunnel current to flow through the insulator layer, causing light emission. In this case, the thickness of the insulator layer must be set to allow a tunnel current to flow. Specifically, the thickness of the insulator layer is preferably 1 atomic layer or more and 10 nm or less, more preferably 3 atomic layers or more and 3 nm or less.
絶縁体層としては、例えば、ダイヤモンド、Si、Ge、MgO、Al2O3、SiO2、BeO、CaO、TiO2、Ti2O3、TiO、V2O5、Cr2O3、MnO、Cu2O、CuO、ZnO、Sc2O3、Y2O3、ZrO2、Ga2O3、Nb2O5、SnO2、CeO2、HfO2、Ta2O5、LiF、NaF、MgF2、AlF3、CaF2、SrF2、YF3、CsF、BaF2、LaF3、CeF3、NdF3、GdF3、YbF3、PbF2、ThF4、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdSe、CdTe、AgGaS2、AgGaSe2、Zn3P2、ZnGeP2、As2S3、As2Se3、AlAs、AlSb、GaP、GaAs、GaSb、GaSe、GaTe、InP、SiC、BN、AlN、GaN、NaCl、KCl、AgCl、CsCl、KBr、RbBr、AgBr、CsBr、KI、RbI、AgI、CsI、TlI、TlBr、CaCo3、SrTiO3、LiTaO3、ZrSiO4、KNbO3からなる群より選ばれる1以上を挙げることができる。 Examples of the insulating layer include diamond, Si, Ge, MgO, Al 2 O 3 , SiO 2 , BeO, CaO, TiO 2 , Ti 2 O 3 , TiO, V 2 O 5 , Cr 2 O 3 , MnO, Cu2O , CuO , ZnO, Sc2O3, Y2O3, ZrO2, Ga2O3, Nb2O5 , SnO2 , CeO2 , HfO2 , Ta2O5 , LiF , NaF , MgF 2 , AlF3 , CaF2 , SrF2 , YF3 , CsF, BaF2 , LaF3, CeF3, NdF3 , GdF3 , YbF3 , PbF2 , ThF4 , ZnS, ZnSe, ZnTe, CdSe, CdTe, AgGaS 2 , AgGaSe 2 , Zn 3 P 2 , ZnGeP 2 , As 2 S 3 , As 2 Se 3 , AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, GaSe, GaTe, InP, SiC, BN, AlN, GaN, NaCl, List one or more selected from the group consisting of KCl, AgCl, CsCl, KBr, RbBr, AgBr, CsBr, KI, RbI, AgI, CsI, TlI, TlBr, CaCo 3 , SrTiO 3 , LiTaO 3 , ZrSiO 4 , KNbO 3 be able to.
第1の導電体層21および第2の導電体層23は、導電性の材料であれば特に制限はないが、例えば、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属を含む合金、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属を含む化合物、およびITO、AZO、GZO、IZO、IGZO、ATO、FTO、FZO、TiNの何れかを挙げることができる。 The first conductor layer 21 and the second conductor layer 23 are not particularly limited as long as they are conductive materials, but examples include Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, A group consisting of Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In, Al One or more metals selected from Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, An alloy containing one or more metals selected from the group consisting of Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In, Al, Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd , W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In , Al, and any one of ITO, AZO, GZO, IZO, IGZO, ATO, FTO, FZO, and TiN.
以上から、実施の形態1の素子101によって、高いS/N比と高い光電変換効率を有する赤外光用のコンパクトな検出素子および発光素子が提供される。 As described above, the element 101 of Embodiment 1 provides a compact detection element and light emitting element for infrared light having a high S/N ratio and high photoelectric conversion efficiency.
<素子製造方法>
実施の形態1の素子101は、下記の工程により製造することができる。
<Element manufacturing method>
The element 101 of Embodiment 1 can be manufactured by the following steps.
第1の方法は、誘電体層を絶縁膜とする場合に特に好適な方法である。
基板を準備し、その上に第1の導電体層を形成する。ここで、第1の導電体層を基板と兼ねさせてもよい。基板としては、GaAs基板、Si基板、InP基板、サファイア基板、合成石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダライムガラスなどのガラス基板、アルミナ、窒化ケイ素などのセラミクス基板、アクリル、ポリスチレン(PS)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート(PC)などの有機材料基板、アルミニウム、鉄、ステンレス、銅などの金属基板を好んで用いることができる。基板が絶縁性でない場合は、基板の表面に酸化膜、窒化膜または/および酸窒化膜を形成しておくことも好ましい。ここで、基板はSiや合成石英などの十分な剛性があるものでも、PETなどの柔軟性に富むものでもよい。
次に、基板上に第1の導電体層を形成する。第1の導電体層の形成方法としてはスパッタリング法、加熱蒸着法、電子線蒸着法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、MOCVD(Metal Organic Vapor Deposition)法および原子層堆積法を挙げることができる。
その後、誘電体層を第1の導電体層上に形成する。誘電体層の形成方法としては、スパッタリング法、加熱蒸着法、電子線蒸着法、CVD法、MOCVD法、ゾル・ゲル法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、貼り合わせ法および原子層堆積法を挙げることができる。
しかる後、誘電体層上に第2の導電体層を形成する。第2の導電体層の形成方法としてはスパッタリング法、加熱蒸着法、電子線蒸着法、CVD法、MOCVD法および原子層堆積法を挙げることができる。
The first method is particularly suitable when the dielectric layer is an insulating film.
A substrate is prepared and a first conductor layer is formed thereon. Here, the first conductor layer may also serve as the substrate. Substrates include GaAs substrates, Si substrates, InP substrates, sapphire substrates, glass substrates such as synthetic quartz glass, borosilicate glass, and soda lime glass, ceramic substrates such as alumina and silicon nitride, acrylic, polystyrene (PS), and polypropylene ( Organic material substrates such as PP), polyethylene terephthalate (PET), and polycarbonate (PC), and metal substrates such as aluminum, iron, stainless steel, and copper can be preferably used. When the substrate is not insulating, it is also preferable to form an oxide film, a nitride film, and/or an oxynitride film on the surface of the substrate. Here, the substrate may be a material with sufficient rigidity such as Si or synthetic quartz, or a material with high flexibility such as PET.
Next, a first conductor layer is formed on the substrate. Examples of methods for forming the first conductive layer include sputtering, thermal evaporation, electron beam evaporation, CVD (Chemical Vapor Deposition), MOCVD (Metal Organic Vapor Deposition), and atomic layer deposition.
A dielectric layer is then formed on the first conductor layer. Examples of methods for forming the dielectric layer include sputtering method, thermal evaporation method, electron beam evaporation method, CVD method, MOCVD method, sol-gel method, spin coating method, dip coating method, bonding method, and atomic layer deposition method. be able to.
After that, a second conductive layer is formed on the dielectric layer. Examples of methods for forming the second conductive layer include sputtering, thermal evaporation, electron beam evaporation, CVD, MOCVD, and atomic layer deposition.
次に、リソグラフィおよびエッチングを行って第2の導電体層に複数の光感応片を有する光感応部のパターンと複数のワイヤー片を有するワイヤー部のパターンを形成する。そして、それらのパターンをマスクにして誘電体層もエッチングする。
ここで、リソグラフィとしては、微細加工性に優れる電子線リソグラフィ、EUVリソグラフィ、ナノインプリングが好適であるが、KrFリソグラフィ、ArFリソグラフィ、ArF液浸リソグラフィを用いてもよい。エッチングは微細加工性に優れる反応性イオンエッチングなどのドライエッチングを好んで用いることができる。
また、第2の導電体層のパターン形成にあたっては、エッチングを用いずにリフトオフ法で形成してもよい。すなわち、誘電体層上にリソグラフィによってリフトオフ用レジストパターンを形成し、第2の導電体層をスパッタリング法あるいは蒸着法で堆積させ、その後レジストを除去して光感応部とワイヤー部のパターンを有する第2の導電体層を形成してもよい。誘電体層のパターン形成は、第2の導電体層のパターンをマスクにして自己整合で行われるため、合わせずれなどの問題を起こさない。ワイヤー片は細いので、この自己整合形成により、歩留まり高く形成することが可能となる。
以上の工程により、図1に示す構造の素子101が製造される。
Next, lithography and etching are performed to form a photosensitive part pattern having a plurality of photosensitive pieces and a wire part pattern having a plurality of wire pieces on the second conductor layer. Then, the dielectric layer is also etched using these patterns as a mask.
Here, as the lithography, electron beam lithography, EUV lithography, and nanoimprinting, which have excellent microfabrication properties, are preferable, but KrF lithography, ArF lithography, and ArF immersion lithography may also be used. For etching, dry etching such as reactive ion etching, which has excellent microfabrication properties, can be preferably used.
Further, in forming the pattern of the second conductor layer, a lift-off method may be used instead of etching. That is, a lift-off resist pattern is formed on the dielectric layer by lithography, a second conductive layer is deposited by sputtering or vapor deposition, and then the resist is removed to form a second conductive layer having a pattern of photosensitive parts and wire parts. Two conductor layers may be formed. Since pattern formation of the dielectric layer is performed in self-alignment using the pattern of the second conductive layer as a mask, problems such as misalignment do not occur. Since the wire piece is thin, this self-aligned formation allows it to be formed at a high yield.
Through the above steps, the element 101 having the structure shown in FIG. 1 is manufactured.
第2の方法は、誘電体層を先に形成する方法で、誘電体層が結晶構造を有する半導体層を有する場合に好適な製造方法である。第2の方法では品質の高い半導体層が容易に形成されるため、素子101の性能を高めやすい。 The second method is a method in which a dielectric layer is formed first, and is a suitable manufacturing method when the dielectric layer includes a semiconductor layer having a crystal structure. In the second method, a high-quality semiconductor layer can be easily formed, so that the performance of the element 101 can be easily improved.
まず、十分な剛性を有する第1の基体を準備し、その上に表面平坦化を担うバッファー層および犠牲層を順次形成する。 First, a first base having sufficient rigidity is prepared, and a buffer layer and a sacrificial layer responsible for surface flattening are sequentially formed thereon.
第1の基体としては、十分な剛性があり、かつ、その上に半導体層をエピタキシャルに形成できるものであれば用いることができる。
バッファー層も、その表面を十分平坦、平滑化できるものであれば特に材料は問わない。
バッファー層の製法としては、例えば、MBE(Molecular Beam Epitaxy)、MOCVD、MOPVE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy),HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)、LPE(Liquid Phase Epitaxy)などを挙げることができるが、これらに限るものではない。
バッファー層の厚さは特に限定されるものではないが、例えば、50nm以上1000nm以下にすればよい。
Any material can be used as the first substrate as long as it has sufficient rigidity and allows a semiconductor layer to be epitaxially formed thereon.
The buffer layer may be made of any material as long as its surface can be made sufficiently flat and smooth.
Examples of methods for manufacturing the buffer layer include MBE (Molecular Beam Epitaxy), MOCVD, MOPVE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy), HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy), and LPE ( liquid phase epitaxy), but these It is not limited to.
The thickness of the buffer layer is not particularly limited, but may be, for example, 50 nm or more and 1000 nm or less.
犠牲層は、半導体層の材料のエッチングレートより高いエッチングレートがとれる膜であればよい。例えば、半導体層としてGaAsを用いる場合は、AlGaAs、特に、Al組成比が50%以上100%以下のAlGaAsを好んで用いることができる。このAl組成比のAlGaAsはフッ酸水溶液で容易にウェットエッチング除去できるためである。
犠牲層の製法としては、例えば、MBE、MOCVD、MOPVE,HVPE、LPEなどを挙げることができるが、これらに限るものではない。
犠牲層の厚さは特に限定されるものではないが、例えば、500nm以上2000nm以下にすればよい。
The sacrificial layer may be any film that can have an etching rate higher than the etching rate of the material of the semiconductor layer. For example, when using GaAs as the semiconductor layer, AlGaAs, particularly AlGaAs with an Al composition ratio of 50% or more and 100% or less, can be preferably used. This is because AlGaAs having this Al composition ratio can be easily removed by wet etching with a hydrofluoric acid aqueous solution.
Examples of methods for manufacturing the sacrificial layer include, but are not limited to, MBE, MOCVD, MOPVE, HVPE, and LPE.
The thickness of the sacrificial layer is not particularly limited, but may be, for example, 500 nm or more and 2000 nm or less.
次に、第1の界面層を犠牲層上に形成する。
第1の界面層の成膜法としては、例えば、MBE、MOCVD、MOPVE,HVPE、LPEなどを挙げることができるが、これらに限るものではない。
Next, a first interfacial layer is formed on the sacrificial layer.
Examples of the method for forming the first interface layer include, but are not limited to, MBE, MOCVD, MOPVE, HVPE, and LPE.
その後、半導体層を第1の界面層の上に形成する。
半導体層は、MBE、MOCVD、MOPVE,HVPE、LPEなどの方法でエピタキシャル形成することが好ましい。
半導体層は積層膜を好んで用いることができるが、単層膜を用いることもできる。単層膜を用いる場合は、不純物の分布を作り込んで半導体層内にpn接合部を形成する。
半導体層を積層膜とする場合は、例えば、MBE法でSiをドープしたGaAs層、アンドープのGaAs層、AlGaAs層の組み合わせを複数層積層する。
A semiconductor layer is then formed over the first interface layer.
The semiconductor layer is preferably formed epitaxially by a method such as MBE, MOCVD, MOPVE, HVPE, or LPE.
Although a laminated film can be preferably used as the semiconductor layer, a single layer film can also be used. When a single layer film is used, a pn junction is formed in the semiconductor layer by creating an impurity distribution.
When the semiconductor layer is a laminated film, for example, a plurality of combinations of a GaAs layer doped with Si, an undoped GaAs layer, and an AlGaAs layer are laminated by the MBE method.
しかる後、第2の界面層を半導体層の上に形成する。
第2の界面層の成膜法としては、例えば、MBE、MOCVD、MOPVE、HVPE、LPEなどを挙げることができるがこれらに限るものではない。
A second interfacial layer is then formed over the semiconductor layer.
Examples of the method for forming the second interface layer include, but are not limited to, MBE, MOCVD, MOPVE, HVPE, and LPE.
その後、第1の導電体層を第2の界面層の上に形成する。
第1の導電体層の形成方法としては、スパッタリング法、加熱蒸着法、電子線蒸着法、MOCVD法などを挙げることができるが、これらの方法に限るものではなく、電気導電性、密着性および表面平坦性に優れる形成方法であれば用いることができる。
A first conductor layer is then formed over the second interfacial layer.
Methods for forming the first conductive layer include sputtering, thermal evaporation, electron beam evaporation, MOCVD, etc., but are not limited to these methods. Any formation method that provides excellent surface flatness can be used.
その後、試料を上下反転させ、第1の導電体層が接するようにして第2の基体上に試料を貼り合わせる。なお、第2の基体は素子101の基板になる。
この貼り合わせの方法としては、例えばAu-Au拡散接合法などを挙げることができる。
この方法では、第2の基体上に、例えば、厚さ10nmのTiと厚さ500nmのAuを積層形成しておく。第1の導電体層も少なくともその表面側をAuとしておき、この両者を加熱下加圧接触させる。条件としては、例えば、加圧5~10MPa、温度250~330℃1時間を挙げることができる。
ここで、このとき生じた応力を下げるため、引き続き無加圧の下で、同様の条件の熱処理を加えておくことも好ましい。
第2の貼り合わせの方法としては、エポキシ接着法などを挙げることができる。
また、その他の貼り合わせの方法として、共晶接合(半田付け、銀ろう接合)、陽極接合、表面活性化接合(超高真空下で表面をAr+イオンなどで清浄化し、室温程度で接合)、Au微粒子を用いた拡散接合などを挙げることもできる。
Thereafter, the sample is turned upside down and bonded onto the second substrate so that the first conductive layer is in contact with the sample. Note that the second base becomes the substrate of the element 101.
Examples of this bonding method include Au--Au diffusion bonding.
In this method, for example, Ti with a thickness of 10 nm and Au with a thickness of 500 nm are stacked on the second substrate. The first conductor layer also has at least its surface side made of Au, and the two are brought into contact under pressure and heat. The conditions include, for example, a pressure of 5 to 10 MPa and a temperature of 250 to 330° C. for 1 hour.
Here, in order to reduce the stress generated at this time, it is also preferable to subsequently apply heat treatment under the same conditions without applying pressure.
As the second bonding method, an epoxy bonding method can be used.
Other bonding methods include eutectic bonding (soldering, silver soldering), anodic bonding, and surface activated bonding (cleaning the surface with Ar + ions under ultra-high vacuum and bonding at room temperature). , diffusion bonding using Au fine particles, etc. can also be mentioned.
第2の基体は、その表面が貼り合わせに適するほどの平坦性および平滑性を有するものであれば用いることができる。例えば、第2の基体として、GaAs基板、Si基板、InP基板、サファイア基板、合成石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダライムガラスなどのガラス基板、アルミナ、窒化ケイ素などのセラミクス基板、アクリル、ポリスチレン(PS)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート(PC)などの有機材料基板、アルミニウム、鉄、ステンレス、銅などの金属基板を挙げることができる。 The second substrate can be used as long as its surface has flatness and smoothness suitable for bonding. For example, as the second substrate, a glass substrate such as a GaAs substrate, a Si substrate, an InP substrate, a sapphire substrate, a synthetic quartz glass, a borosilicate glass, a soda lime glass, a ceramic substrate such as alumina or silicon nitride, an acrylic substrate, a polystyrene (PS) substrate, etc. ), organic material substrates such as polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), and polycarbonate (PC), and metal substrates such as aluminum, iron, stainless steel, and copper.
しかる後、第1の基体をエッチングで除去し、引き続き、バッファー層もエッチング除去する。これらのエッチングは、機械的研磨でもウェットエッチングでもドライエッチングでも構わない。
その後、犠牲層をエッチング除去する。このエッチングは、ウェットエッチングでもドライエッチングでも構わない。
Thereafter, the first substrate is etched away, and subsequently the buffer layer is also etched away. These etchings may be mechanical polishing, wet etching, or dry etching.
After that, the sacrificial layer is removed by etching. This etching may be wet etching or dry etching.
しかる後、露出した第1の界面層の上に第2の導電体層を形成する。
次に、リソグラフィおよびエッチングを行って第2の導電体層に複数の光感応片を有する光感応部のパターンと複数のワイヤー片を有するワイヤー部のパターンを形成する。そして、それらのパターンをマスクにして誘電体層もエッチングする。
ここで、リソグラフィとしては、微細加工性に優れる電子線リソグラフィ、EUVリソグラフィ、ナノインプリングが好適であるが、KrFリソグラフィ、ArFリソグラフィ、ArF液浸リソグラフィを用いてもよい。エッチングは微細加工性に優れる反応性イオンエッチングなどのドライエッチングを好んで用いることができる。
また、第2の導電体層のパターン形成にあたっては、エッチングを用いずにリフトオフ法で形成してもよい。すなわち、誘電体層上にリソグラフィによってリフトオフ用レジストパターンを形成し、第2の導電体層をスパッタリング法あるいは蒸着法で堆積させ、その後レジストを除去して光感応部とワイヤー部のパターンを有する第2の導電体層を形成してもよい。誘電体層のパターン形成は、第2の導電体層のパターンをマスクにして自己整合で行われるため、合わせずれなどの問題を起こさない。ワイヤー片は細いので、この自己整合形成により、歩留まり高く形成することが可能となる。
以上の工程により、図1に示す構造の素子101が製造される。
Thereafter, a second conductor layer is formed on the exposed first interface layer.
Next, lithography and etching are performed to form a photosensitive part pattern having a plurality of photosensitive pieces and a wire part pattern having a plurality of wire pieces on the second conductor layer. Then, the dielectric layer is also etched using these patterns as a mask.
Here, as the lithography, electron beam lithography, EUV lithography, and nanoimprinting, which have excellent microfabrication properties, are preferable, but KrF lithography, ArF lithography, and ArF immersion lithography may also be used. For etching, dry etching such as reactive ion etching, which has excellent microfabrication properties, can be preferably used.
Further, in forming the pattern of the second conductor layer, a lift-off method may be used instead of etching. That is, a lift-off resist pattern is formed on the dielectric layer by lithography, a second conductive layer is deposited by sputtering or vapor deposition, and then the resist is removed to form a second conductive layer having a pattern of photosensitive parts and wire parts. Two conductor layers may be formed. Since pattern formation of the dielectric layer is performed in self-alignment using the pattern of the second conductive layer as a mask, problems such as misalignment do not occur. Since the wire piece is thin, this self-aligned formation allows it to be formed at a high yield.
Through the above steps, the element 101 having the structure shown in FIG. 1 is manufactured.
(実施の形態2)
実施の形態2では、指向性や集光性といった機能性を高めた素子(赤外光用検出素子および発光素子)について説明する。
実施の形態2の素子106は、図10(a)に示すように、実施の形態1で示した素子がコア領域51として中心部に配置され、その外側には下記に示す周辺領域52が配置された構成になっている。
周辺領域52には、以下に示す第2の光感応片と第2のワイヤー片が2次元状に配列されている。第2の光感応片は、実施の形態1で説明した第1の導電体層からなる面上に誘電体層および実施の形態1で説明した第2の導電体層が順次積層された構造を有する。第2のワイヤー片は、最大幅が0を超えてL/5以下の導電性を有し、隣接する第2の光感応片の少なくとも第2の導電体層間を非直線部を有して接続する2次元状に配列されたワイヤーである。ここで、第2のワイヤー片のワイヤー長さは、コア領域51の光感応片の配列の配列重心点を原点とした1次元、2次元および極座標の動径の何れかの距離に応じて変化したものになっている。ここで、第2のワイヤー片は周期Pで配置してよい。第2のワイヤー片の周期をPに固定することにより、第2のワイヤー片のワイヤー長さの設計が簡便になるという効果がある。
ここで、素子106の平面形状は、コア領域51も周辺領域52の外形も四角形となっているが、四角形に限らない。図10(b)に示すような円形(素子107)でも、三角形、六角形および八角形としてもよい。
(Embodiment 2)
In Embodiment 2, an element (an infrared light detection element and a light emitting element) with improved functionality such as directivity and light gathering ability will be described.
As shown in FIG. 10(a), the element 106 of Embodiment 2 has the element shown in Embodiment 1 arranged in the center as a core region 51, and a peripheral region 52 shown below arranged outside the core region 51. The configuration is as follows.
In the peripheral area 52, second photosensitive pieces and second wire pieces, which will be described below, are arranged in a two-dimensional manner. The second photosensitive piece has a structure in which a dielectric layer and a second conductive layer described in Embodiment 1 are sequentially laminated on a surface made of the first conductive layer described in Embodiment 1. have The second wire piece has a maximum width of more than 0 and has a conductivity of L/5 or less, and connects at least the second conductor layer of the adjacent second photosensitive piece with a non-linear part. It is a two-dimensional array of wires. Here, the wire length of the second wire piece changes depending on the distance of one-dimensional, two-dimensional, or polar coordinate radius from the center of gravity of the array of photosensitive pieces in the core region 51 as the origin. It has become something like that. Here, the second wire pieces may be arranged with a period P. By fixing the period of the second wire piece to P, there is an effect that the wire length of the second wire piece can be designed easily.
Here, the planar shape of the element 106 is not limited to a rectangle, although both the core region 51 and the peripheral region 52 have a rectangular outer shape. It may be circular (element 107) as shown in FIG. 10(b), triangular, hexagonal, or octagonal.
実施の形態1で説明したように、実施の形態1と同じ素子構造のコア領域51は、狭いFOV、高いS/N比および高い光電変換効率を示す。一方、周辺領域52は、第2のワイヤー片のワイヤー長さを調整して位相をコントロールすることにより、一種のフェーズドアレーとして、素子106に指向性、集光性、発散性を付与することができる。ここで、1点(焦点)への集光性、あるいは1点(焦点)からの発散性を高めるためには、第2のワイヤー片のワイヤー長さの変化を単調にすることが好ましい。
実施の形態2の素子106および107により、高いS/N比と高い光電変換効率を有し、かつ所望の指向性、集光性、発散性を有する素子を提供することが可能となる。
As described in Embodiment 1, the core region 51 having the same device structure as Embodiment 1 exhibits a narrow FOV, high S/N ratio, and high photoelectric conversion efficiency. On the other hand, in the peripheral region 52, by adjusting the wire length of the second wire piece and controlling the phase, it is possible to provide the element 106 with directivity, light convergence, and divergence as a kind of phased array. can. Here, in order to improve the light convergence to one point (focal point) or the light divergence from one point (focal point), it is preferable that the wire length of the second wire piece changes monotonically.
The elements 106 and 107 of the second embodiment make it possible to provide an element that has a high S/N ratio, high photoelectric conversion efficiency, and has desired directivity, light convergence, and divergence.
さらに、実施の形態2の素子106および107において、基板(図示なし)をPET、ポリカーボネイト、ゴムなどの柔軟、フレキシブルなもの、あるいはSiNなどによるメンブレンとし、基板を屈曲させて可変の曲率を与えたり伸縮させたりして面内でワイヤー片の形状を変えることにより、可変焦点の素子とすることもできる。この場合も、コア領域51は剛性の高い基板上に形成して固定領域とし、そこで狭いFOV、高いS/N比および高い光電変換効率を確保し、周辺領域52はフレキシブルな基板上に形成して変形を行って可変性を与えるのが好ましい。例えば、コア領域51は比較的厚い基板上に形成し周辺領域52は薄膜基板上に形成し、ダイヤフラムのように基板に与圧や負圧を加えたり、基板の周辺を伸縮させたりして変形させることができる。
S字等の折りたたんだ形状のワイヤー片は伸縮により伝搬係数kwが変わり、また、一般に、第2の光感応片の間隔も変わるので、周辺領域52の面内位相分布が生じ集光性や発散性を可変させることが可能になる。
この場合、少なくとも第2のワイヤー片は、ばね材料などで多用されているりん青銅、ベリリウム銅、炭素を含んだ鉄などを用いると、伸縮耐久性が高く好ましい。また、第2のワイヤー片の構造は、図6に示すような、第2のワイヤー片の部分には誘電体層22が形成されていない空中配線状のものが伸縮性に富んで好ましい。
Furthermore, in the elements 106 and 107 of the second embodiment, the substrate (not shown) is made of a flexible material such as PET, polycarbonate, or rubber, or a membrane made of SiN, etc., and the substrate is bent to give a variable curvature. By changing the shape of the wire piece within the plane by expanding and contracting it, it is also possible to create a variable focus element. In this case as well, the core region 51 is formed on a highly rigid substrate as a fixed region to ensure a narrow FOV, high S/N ratio and high photoelectric conversion efficiency, and the peripheral region 52 is formed on a flexible substrate. Preferably, the deformation is performed to provide variability. For example, the core region 51 is formed on a relatively thick substrate, and the peripheral region 52 is formed on a thin film substrate, and is deformed by applying pressurization or negative pressure to the substrate like a diaphragm, or by expanding and contracting the periphery of the substrate. can be done.
The propagation coefficient k w of a wire piece in a folded shape such as an S-shape changes due to expansion and contraction, and generally, the interval between the second light-sensitive pieces also changes, so an in-plane phase distribution occurs in the peripheral region 52 and the light focusing property and It becomes possible to vary the divergence.
In this case, for at least the second wire piece, it is preferable to use phosphor bronze, beryllium copper, carbon-containing iron, etc., which are often used as spring materials, because of their high expansion and contraction durability. Further, the structure of the second wire piece is preferably an aerial wire-like structure in which the dielectric layer 22 is not formed on the second wire piece as shown in FIG. 6, since it has high elasticity.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and the above-mentioned embodiments are merely examples for explaining the present invention, and are substantially the same as the technical idea described in the claims of the present invention. Anything that has the same configuration and produces similar effects is included within the technical scope of the present invention.
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、必ずしも下記の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be explained in more detail using examples, but the present invention is not necessarily limited to the following examples.
(実施例1)
実施例1では、実施の形態1に従った素子を作製し、その特性を評価した。
まず、実験に先立って従来のキャビティ構造(パッチアンテナ構造)の共鳴特性と本発明の構造での共鳴特性をシミュレーションした。その結果を図11に示す。ここで、図11の左側には素子の構造を、右側には光吸収共鳴特性(波長と光吸収の関係図)を示す。
(Example 1)
In Example 1, an element according to Embodiment 1 was manufactured and its characteristics were evaluated.
First, prior to the experiment, the resonance characteristics of a conventional cavity structure (patch antenna structure) and the resonance characteristics of the structure of the present invention were simulated. The results are shown in FIG. Here, the left side of FIG. 11 shows the structure of the element, and the right side shows the light absorption resonance characteristics (a diagram of the relationship between wavelength and light absorption).
図11(a)は、従来構造の例で、光感応片である1辺の幅がLの正方形のキャビティをピッチPでマトリックス状に配置した素子102である。ここで、誘電体層22の屈折率は3.05+0.03iを仮定し、厚さは200nmとした。第1の導電体層21および第2の導電体層23はともに材料としてAuを、厚さは100nmを仮定している。Lは1.08μm、Pは2.0μmである。この大きさと配置は波長6.7μmの垂直入射光が共鳴を起こす値であり、実際波長6.7μmのところでピークの光吸収が認められる。なお、この構造では、光感応片同士が電気的に繋がっていないので光電変換された電気信号を取り出すのは難しい。 FIG. 11A shows an example of a conventional structure, which is an element 102 in which square cavities each having a width L on one side, which are photosensitive pieces, are arranged in a matrix at a pitch P. Here, the refractive index of the dielectric layer 22 was assumed to be 3.05+0.03i, and the thickness was 200 nm. It is assumed that both the first conductor layer 21 and the second conductor layer 23 are made of Au and have a thickness of 100 nm. L is 1.08 μm, and P is 2.0 μm. This size and arrangement are such that vertically incident light with a wavelength of 6.7 μm causes resonance, and a peak light absorption is actually observed at a wavelength of 6.7 μm. Note that in this structure, the photosensitive pieces are not electrically connected to each other, so it is difficult to extract the photoelectrically converted electrical signal.
図11(b)は、図11(a)で示した光感応片を幅Wが0.1μmの直線のワイヤー片で結んだときの素子103である。ワイヤー片は第1の導電体層21の上にワイヤー状の誘電体層22および第2の導電体層23が積層された層構造を有する。光感応片がワイヤー片で結ばれたことにより共鳴を起こす波長が短波長側にシフトしていることがわかる。直線状のワイヤー片を用いて波長6.7μmで共鳴を起こさせるためには、周期Pを広げる必要があり、それは素子103を大型化するものとなる。 FIG. 11(b) shows an element 103 obtained by connecting the photosensitive pieces shown in FIG. 11(a) with a straight wire piece having a width W of 0.1 μm. The wire piece has a layered structure in which a wire-shaped dielectric layer 22 and a second conductor layer 23 are laminated on a first conductor layer 21 . It can be seen that by connecting the photosensitive pieces with wire pieces, the wavelength that causes resonance shifts to the shorter wavelength side. In order to cause resonance at a wavelength of 6.7 μm using a straight wire piece, it is necessary to widen the period P, which increases the size of the element 103.
図11(c)は、図11(a)で示した光感応片を幅Wが0.1μmのZ字状のワイヤー片で結んだときの素子104である。ワイヤー片の層構造は素子103と同じであり、図中に示されているSは0.45μmとした。波長6.7μmにおいて、この光感応片の部分の伝搬定数はka=2.83μm-1、Z字状のS=0.45μmのワイヤー片の部分の伝搬定数はkw=3.14μm-1である。このワイヤー片の構造は、正の整数m=1に対して、ka×L+kw×(P-L)-2×m×π=-0.34であるので、前述の式(1)である|ka×L+kw×(P-L)-2×m×π|≦π/2の関係を満たす。その結果、波長6.7μmで共鳴が認められ、その光吸収のピークレベルは素子102の場合より高く、半値幅は狭い、Q値の高い共鳴になっている。
この構造では、光感応片同士が電気的に繋がっているので光電変換された電気信号を取り出すことができる。また、この構造は光感応片が周期Pで並んだもので、その周期を維持しながら光感応片同士が電気的に繋がっているので、素子104はコンパクトなものになっている。
FIG. 11(c) shows an element 104 obtained by connecting the photosensitive pieces shown in FIG. 11(a) with a Z-shaped wire piece having a width W of 0.1 μm. The layer structure of the wire piece was the same as that of element 103, and S shown in the figure was 0.45 μm. At a wavelength of 6.7 μm, the propagation constant of this photosensitive piece is k a =2.83 μm −1 , and the propagation constant of the Z-shaped wire piece with S=0.45 μm is k w =3.14 μm − It is 1 . The structure of this wire piece is k a × L + k w × (PL) - 2 × m × π = -0.34 for a positive integer m = 1, so the above equation (1) The relationship |k a ×L+k w ×(PL)−2×m×π|≦π/2 is satisfied. As a result, resonance was observed at a wavelength of 6.7 μm, the peak level of light absorption was higher than that of element 102, the half-width was narrow, and the resonance had a high Q value.
In this structure, since the photosensitive pieces are electrically connected to each other, it is possible to extract the photoelectrically converted electrical signal. Further, in this structure, the photosensitive pieces are arranged in a period P, and the photosensitive pieces are electrically connected to each other while maintaining the period, so that the element 104 is compact.
図11(d)は、図11(a)で示した光感応片を幅Wが0.1μmのS字状のワイヤー片で結んだときの素子105である。ワイヤー片の層構造は素子103と同じであり、図中に示されているSは0.38μmとした。このワイヤー片の構造は、光感応片の部分は図11(c)と同じなので波長6.7μmにおいてka=2.83μm-1、S字状のS=0.38μmのワイヤー片の部分の伝搬定数はkw=3.65μm-1であるので、正の整数m=1に対して、ka×L+kw×(P-L)-2×m×π=+0.13となり、前述の式(1)の関係を満たす。その結果、波長6.7μmで共鳴が認められ、その光吸収のピークレベルは素子102の場合より高く、半値幅は狭い、Q値の高い共鳴になっている。
この構造では、光感応片同士が電気的に繋がっているので光電変換された電気信号を取り出すことができる。また、この構造は光感応片が周期Pで並んだもので、その周期を維持しながら光感応片同士が電気的に繋がっているので、素子105はコンパクトなものになっている。
FIG. 11(d) shows an element 105 obtained by connecting the photosensitive pieces shown in FIG. 11(a) with an S-shaped wire piece having a width W of 0.1 μm. The layer structure of the wire piece was the same as that of element 103, and S shown in the figure was 0.38 μm. The structure of this wire piece is that the photosensitive piece part is the same as that in FIG. Since the propagation constant is k w = 3.65 μm -1 , for a positive integer m = 1, k a ×L + k w × (PL) - 2 × m × π = +0.13, and the above The relationship of formula (1) is satisfied. As a result, resonance was observed at a wavelength of 6.7 μm, the peak level of light absorption was higher than that of element 102, the half-width was narrow, and the resonance had a high Q value.
In this structure, since the photosensitive pieces are electrically connected to each other, it is possible to extract the photoelectrically converted electrical signal. Further, in this structure, the photosensitive pieces are arranged in a period P, and the photosensitive pieces are electrically connected to each other while maintaining the period, so that the element 105 is compact.
なお、光感応片の部分の伝搬定数ka、様々な形状のワイヤー片の部分の伝搬定数kwは、精密な数値計算により求められるものである。今後研究が進めば、適切な等価回路描像を用いて実用的なレベルで信頼できる値を求められるようになると期待される。また、特別な試料をそのために作製すれば実験的に求めることも可能だと考えられるが、現時点では数値計算に頼る以外にこれらの値を知る方法がない。ここでkaやkwの意味、本研究におけるその求め方を説明しておく。
伝搬定数kとは、ある導波構造における注目するモードの位相が単位長さあたり何ラジアン回転するか、を表すものである。より具体的には、その導波構造内でのそのモードの伝搬波長をλPと置くと、k=2π/λPと定義される。伝搬波長は一般に空気中や真空中の波長λとは異なっており、マイクロ波導波管の分野ではλPを管内波長と呼ぶこともある。ここでは光感応片もワイヤー片もMIM導波路であり、そこを伝搬するTMギャッププラズモンモードの伝搬波長λPや伝搬定数(波数とも言う)kは、非特許文献1などにて議論されている。
Note that the propagation constant k a of the photosensitive piece portion and the propagation constant k w of the wire piece portion of various shapes are determined by precise numerical calculations. As research progresses in the future, it is expected that it will be possible to obtain reliable values at a practical level using appropriate equivalent circuit depictions. It is also possible to obtain these values experimentally if a special sample is prepared for this purpose, but at present there is no way to know these values other than relying on numerical calculations. Here, we will explain the meanings of ka and kw and how to find them in this study.
The propagation constant k represents how many radians the phase of a mode of interest in a certain waveguide structure rotates per unit length. More specifically, if λ P is the propagation wavelength of the mode within the waveguide structure, k=2π/λ P is defined. The propagation wavelength is generally different from the wavelength λ in air or vacuum, and in the field of microwave waveguides, λ P is sometimes called the guide wavelength. Here, both the photosensitive piece and the wire piece are MIM waveguides, and the propagation wavelength λ P and propagation constant (also called wave number) k of the TM gap plasmon mode propagating there are discussed in Non-Patent Document 1 etc. .
光感応片の部分の伝搬定数kaは、幅L=1.08μmで無限に長い直前状のMIM導波路を考え、その幅Lの端面中央に前記第2の方向に電場が偏波し、真空中であれば波長6.7μmの赤外光を放射する周波数で振動する電気双極子を配置し、MIM導波路を無限に続く長手方向に伝搬していく伝搬モードの伝搬定数として求めた。
Z字状やS字状のワイヤー片の部分の伝搬定数は、図11(c)や(d)でx方向に伸びる幅Wで長さP-Lのワイヤー片部分だけをx方向に無限に繰り返して接続したワイヤー片だけでできたMIM導波路を考え、その幅Wの端面中央に前記第2の方向に電場が偏波し、真空中であれば波長6.7μmの赤外光を放射する周波数で振動する電気双極子を配置し、MIM導波路を無限に続くx方向に伝搬していく伝搬モードの伝搬定数として求めた。
この計算にはマックスウェル方程式を解くことのできる数値計算法ならば様々な方法が使えるが、本研究では有限要素法を用いた。
The propagation constant k a of the photosensitive piece is determined by considering an infinitely long MIM waveguide with a width L = 1.08 μm, and an electric field polarized in the second direction at the center of the end face of the width L, An electric dipole that vibrates at a frequency that would emit infrared light with a wavelength of 6.7 μm in a vacuum was placed, and the propagation constant of a propagation mode that propagated infinitely in the longitudinal direction of the MIM waveguide was determined.
The propagation constant of a Z-shaped or S-shaped wire piece is shown in Figures 11(c) and (d) when only a wire piece with width W and length PL extending in the x direction is infinitely extended in the x direction. Consider a MIM waveguide made only of repeatedly connected wire pieces, and an electric field is polarized in the second direction at the center of the end face of width W, and in a vacuum, it emits infrared light with a wavelength of 6.7 μm. An electric dipole that vibrates at a frequency of
Various numerical calculation methods that can solve Maxwell's equations can be used for this calculation, but in this study we used the finite element method.
次に、図11に示した構造の素子を作製して、その特性を評価した。ここで、第1の導電体層21は厚さ3nmのTiおよび厚さ150nmのAu金属層、誘電体層22は図9に示すバンド構造をもつ1層の量子井戸が形成されたGaAs半導体層とコンタクト層からなる全体の厚さが200nmからなる誘電体層、そして第2の導電体層23は厚さ3nmのTiおよび厚さ100nmのAu金属層である。
参考までに、作製した素子を拡大したSEM写真を図12に、全体のSEM写真を図13に示す。
Next, an element having the structure shown in FIG. 11 was manufactured and its characteristics were evaluated. Here, the first conductor layer 21 is a Ti metal layer with a thickness of 3 nm and an Au metal layer with a thickness of 150 nm, and the dielectric layer 22 is a GaAs semiconductor layer in which a single quantum well having a band structure shown in FIG. 9 is formed. and a contact layer with a total thickness of 200 nm, and the second conductive layer 23 is a 3 nm thick Ti and 100 nm thick Au metal layer.
For reference, FIG. 12 shows an enlarged SEM photo of the fabricated device, and FIG. 13 shows an SEM photo of the entire device.
この素子は以下に示す方法で作製した。
まず量子井戸層の作製方法について述べる。第1の基体となるGaAs(100)基板を準備し、その表面の酸化膜を580℃の加熱により除去した後、MBE装置(COMPACT21T、RIBER社製)を用いて表面平坦化のためのGaAsバッファー層を300nmの厚さで成長させた。ここで、以後のGaとAsを含む膜は同MBE装置を用いて形成した。
しかる後、Al組成90%のAlGaAs犠牲層を900nm、Al組成55%のAlGaAs犠牲層を100nmの厚さで形成した。このときの形成温度は580℃である。
続いて、GaとAsを含む計7層の膜を第1のコンタクト層として形成した。第1のコンタクト層は、4nm厚さのSiドープGaAs(Si:5×1018/cm3)を計7層積層した合計28nm厚さのSiドープGaAsであり、各層を形成する度にSiを3×1012/cm2で計7回δドープした。この層以降の形成温度は530℃である。その後、厚さが15nmでSiの体積含有率が3×1018/cm3のGaAs、厚さが5nmのアンドープのGaAsを形成した。犠牲層の後、ここまでの厚さ48nmの部分が図9の左側のコンタクト層に対応する。
This device was manufactured by the method shown below.
First, the method for manufacturing the quantum well layer will be described. After preparing a GaAs (100) substrate as the first substrate and removing the oxide film on its surface by heating at 580°C, use a GaAs buffer for surface flattening using an MBE device (COMPACT21T, manufactured by RIBER). The layer was grown to a thickness of 300 nm. Here, the subsequent films containing Ga and As were formed using the same MBE apparatus.
Thereafter, an AlGaAs sacrificial layer with an Al composition of 90% was formed to a thickness of 900 nm, and an AlGaAs sacrificial layer with an Al composition of 55% was formed to a thickness of 100 nm. The formation temperature at this time is 580°C.
Subsequently, a total of seven layers of films containing Ga and As were formed as a first contact layer. The first contact layer is made of Si-doped GaAs (Si: 5×10 18 /cm 3 ) with a total thickness of 28 nm, which is made by laminating seven layers of Si-doped GaAs (Si: 5×10 18 /cm 3 ) with a thickness of 4 nm. It was doped with δ a total of 7 times at 3×10 12 /cm 2 . The formation temperature for this layer and subsequent layers is 530°C. Thereafter, GaAs with a thickness of 15 nm and a Si volume content of 3×10 18 /cm 3 and undoped GaAs with a thickness of 5 nm were formed. After the sacrificial layer, the 48 nm thick portion up to this point corresponds to the contact layer on the left side of FIG.
その後、デバイスの中心的な役割を果たす量子井戸構造を形成するため、厚さが50nmのAl0.3Ga0.7Asバリア層、厚さが4nmでSiの体積含有率が3×1018/cm3のGaAs量子井戸層(最後の0.85nmだけはアンドープ)、厚さが50nmのAl0.3Ga0.7Asバリア層を形成した。
最後に、図9の右側の第2のコンタクト層として、厚さが15nmでSiの体積含有率が3×1018/cm3のGaAsを形成した後、4nm厚さのSiドープGaAs(Si:5×1018/cm3)を計7層積層し、その各層を形成する直前にSiを3×1012/cm2で計7回δドープした。
After that, in order to form a quantum well structure that plays a central role in the device, an Al 0.3 Ga 0.7 As barrier layer with a thickness of 50 nm and a Si volume content of 3 × 10 18 with a thickness of 4 nm are formed. A GaAs quantum well layer (the last 0.85 nm is undoped) with a thickness of /cm 3 and an Al 0.3 Ga 0.7 As barrier layer with a thickness of 50 nm were formed.
Finally, as the second contact layer on the right side of FIG. 9, after forming GaAs with a thickness of 15 nm and a Si volume content of 3×10 18 /cm 3 , a 4 nm thick Si-doped GaAs (Si: 5×10 18 /cm 3 ) were laminated, and just before forming each layer, δ-doping was performed with Si at 3×10 12 /cm 2 a total of 7 times.
次に第1の導電体層の形成と、それを利用した量子井戸構造の反転工程について述べる。量子井戸構造の最上面に位置する第2のコンタクト層上に、第1の導電体層として、厚さ3nmのTiと厚さ150nmのAuをスパッタリングにより形成した。また、第2の基体となる別のGaAs(100)基板に厚さ10nmのTi、厚さ500nmのAuをスパッタリングにより形成しておく。量子井戸を形成した基板の上下を反転させて、2つのAu表面を接触させ、荷重5MPaを印加しつつ、窒素ガス雰囲気下で250℃で60分間加熱した。これにより、第1および第2の基体は一体化した。続いて、第1の基体のGaAs基板を100μm程度を残して、機械的に研磨し、残りのGaAs基板およびバッファー層を濃度1g/mlのクエン酸水溶液と過酸化水素水を10:1で混合した溶液により38℃にて選択的に除去し、AlGaAs犠牲層を露出させた。最後にAlGaAs犠牲層をフッ酸水溶液により選択的に除去した。 Next, the formation of the first conductor layer and the process of inverting the quantum well structure using it will be described. A first conductive layer of Ti with a thickness of 3 nm and Au with a thickness of 150 nm was formed by sputtering on the second contact layer located on the top surface of the quantum well structure. In addition, Ti to a thickness of 10 nm and Au to a thickness of 500 nm are formed by sputtering on another GaAs (100) substrate serving as a second base. The substrate on which quantum wells were formed was turned upside down to bring the two Au surfaces into contact with each other, and while applying a load of 5 MPa, the substrate was heated at 250° C. for 60 minutes in a nitrogen gas atmosphere. As a result, the first and second base bodies were integrated. Next, the first GaAs substrate was mechanically polished leaving about 100 μm, and the remaining GaAs substrate and buffer layer were mixed with a 1 g/ml citric acid aqueous solution and a hydrogen peroxide solution in a ratio of 10:1. The AlGaAs sacrificial layer was selectively removed using a solution prepared at 38° C. to expose the AlGaAs sacrificial layer. Finally, the AlGaAs sacrificial layer was selectively removed using a hydrofluoric acid aqueous solution.
図12に示したような構造は電子線リソグラフィ法、リフトオフ法、ドライエッチング法により作製した。電子線レジストを塗布し、電子線により100μm角(これが1個1個の検出器となる)のエリア内にパターンを描画した後、現像により、第2の導電体層に対応するパターン状に第1のコンタクト層を露出させた。その上に、第2の導電体層として、厚さ3nmのTi、厚さ150nmのAuを形成した。レジストを溶解することにより(リフトオフ法)、期待通りのパターンをもった第2の導電体層を形成した。最後にこの第2の導電体層をマスクとして、塩素と窒素の混合ガスによる誘導結合プラズマエッチング法により、誘電体層を垂直に除去した。
別途、フォトリソグラフィ法にて、個々の100μm角の検出器1個1個に接続された電極パッドを形成し、各検出器の第2の導電体層と接触させた。電極パッドは厚さ100nmのSiO2絶縁層上に形成された厚さ3nmのTi、厚さ150nmのAuによる約400μm角の大きさのものである。
最後に第2の基体上の検出器や電極パッドを含む必要箇所を劈開により切り出し、8ピンセラミックパッケージ上に導電性エポキシによりマウントし、各電極パッドをパッケージのピンとAu線にてAgペーストボンディングした。
The structure shown in FIG. 12 was fabricated by electron beam lithography, lift-off, and dry etching. After applying an electron beam resist and drawing a pattern in an area of 100 μm square (each of which becomes a detector) using an electron beam, a pattern corresponding to the second conductor layer is drawn by development. 1 contact layer was exposed. On top of that, Ti with a thickness of 3 nm and Au with a thickness of 150 nm were formed as a second conductor layer. By dissolving the resist (lift-off method), a second conductor layer having the expected pattern was formed. Finally, using this second conductor layer as a mask, the dielectric layer was vertically removed by inductively coupled plasma etching using a mixed gas of chlorine and nitrogen.
Separately, electrode pads connected to each of the individual 100 μm square detectors were formed by photolithography and brought into contact with the second conductive layer of each detector. The electrode pad is approximately 400 μm square and made of 3 nm thick Ti and 150 nm thick Au formed on a 100 nm thick SiO 2 insulating layer.
Finally, the necessary parts including the detector and electrode pads on the second substrate were cut out by cleavage, mounted on an 8-pin ceramic package with conductive epoxy, and each electrode pad was bonded with Ag paste to the pins of the package using Au wire. .
次に、作製した素子の特性について説明する。
図14は、作製した赤外光用検出素子の垂直入射光に対する光吸収率および感度の波長依存性を示す。感度の測定はフーリエ変換赤外分光光度計(FT/IR-6200、日本分光製)によって行った。光吸収率は、垂直入射光で直接的に測定することが難しいので次のようにして行った。まず、垂直入射に対して26°傾いた角度から赤外光を入射させてその反射光を顕微フーリエ変換赤外分光光度計でモニターし、反射光強度から吸収率を求めた。そして、その値がシミュレーション値と一致し、シミュレーションの結果が確かに信頼できることを確認した後、垂直入射光に対するシミュレーションを実施して吸収率を算出した。ここで、実際に作製された光感応片の一辺の長さLは1.17μm、周期Pは2.0μm、ワイヤー片の幅Wは0.1μm、ワイヤーの形状はZ字状(図11(c)の形状)であり、Sをパラメータにしてプロットした。
Next, the characteristics of the manufactured device will be explained.
FIG. 14 shows the wavelength dependence of the light absorption rate and sensitivity of the fabricated infrared light detection element to vertically incident light. Sensitivity was measured using a Fourier transform infrared spectrophotometer (FT/IR-6200, manufactured by JASCO Corporation). Since it is difficult to directly measure the light absorption rate using vertically incident light, it was measured as follows. First, infrared light was incident at an angle of 26° with respect to normal incidence, and the reflected light was monitored with a microscope Fourier transform infrared spectrophotometer, and the absorption rate was determined from the intensity of the reflected light. After confirming that the values matched the simulation values and that the simulation results were reliable, a simulation was performed for vertically incident light to calculate the absorption rate. Here, the length L of one side of the actually produced photosensitive piece is 1.17 μm, the period P is 2.0 μm, the width W of the wire piece is 0.1 μm, and the wire shape is Z-shaped (Fig. 11 ( c), and was plotted using S as a parameter.
図11のところで説明したように、ワイヤーの形状により、共鳴波長をチューニングできる。図14において、S=0μmとは図11(a)の直線ワイヤーに相当し、そこで見たように、このとき、共鳴波長が最も短い。Sが大きくなると、ワイヤーが長くなり、それに伴い共鳴波長も長くなる。図14ではS=0.29μmのときに、ちょうど共鳴波長が量子井戸固有の光吸収波長(電子的共鳴)6.7μmと一致し、最大の感度が得られた。このとき、個々の光感応片の光学的共鳴に加えて、非直線部を有するワイヤー片によって光感応片を電気的に接続することにより二重の光学的共鳴を起こすことにより、波長6.7μmのところで三重共鳴が実現し、極めて高い光吸収と極めて高い感度が得られることがわかる。個々で観測された最大感度は3.3A/Wで、これを量子効率で表すと61%になる。これは現在これらの波長域で高感度検出器として独占的に用いられているHgCdTe検出器に匹敵する値である。しかしながら、本発明による検出器はHgやCdのような毒性元素を用いていないので、本発明は低毒性材料で従来の毒性検出器を置き換え可能にする点でも価値の高いものと言える。 As explained in connection with FIG. 11, the resonant wavelength can be tuned by changing the shape of the wire. In FIG. 14, S=0 μm corresponds to the straight wire in FIG. 11(a), and as seen there, at this time, the resonance wavelength is the shortest. As S increases, the wire becomes longer and the resonant wavelength accordingly becomes longer. In FIG. 14, when S=0.29 μm, the resonance wavelength exactly coincided with the optical absorption wavelength (electronic resonance) unique to the quantum well of 6.7 μm, and the maximum sensitivity was obtained. At this time, in addition to the optical resonance of the individual photosensitive pieces, double optical resonance is caused by electrically connecting the photosensitive pieces with a wire piece having a non-linear portion, and the wavelength of 6.7 μm is generated. It can be seen that triple resonance is achieved at , resulting in extremely high light absorption and extremely high sensitivity. The maximum sensitivity observed individually is 3.3 A/W, which is 61% when expressed in terms of quantum efficiency. This value is comparable to that of the HgCdTe detector, which is currently used exclusively as a high-sensitivity detector in these wavelength ranges. However, since the detector according to the present invention does not use toxic elements such as Hg or Cd, the present invention is also valuable in that it allows conventional toxicity detectors to be replaced with low toxicity materials.
図15は検出感度の赤外光入射角度依存性を示す。正規化感度が0.5となるときの入射角がFOV/2を表す。
ここで、本発明の構造は、光感応片のLが1.17μm、Pが2.0μm、ワイヤー片の幅が0.1μm、形状がZ字状、Sが0.45μmである。
従来技術は、図11(a)に示す一辺Lの正方形の光感応片のみが周期Pでマトリックス状に配置された素子102である。ここで、Lは1.17μm、Pは2.0μmである。ワイヤーで接続されていない正方形の光感応片のみでは、実際には電流信号を取り出すことができない。ここに示す結果は、ワイヤー片の存在が入射角依存性に与える効果を明確にするためにシミュレーションにより求めた、仮想的な結果である。
従来技術の素子102のFOVは117°と広いのに対し、本発明の場合はFOVが66°と約半分の狭さになっている。FOVが狭いので、本発明の素子は背景光(周囲からの熱輻射)によるノイズを拾いにくい。
FIG. 15 shows the dependence of detection sensitivity on the angle of incidence of infrared light. The incident angle when the normalized sensitivity is 0.5 represents FOV/2.
Here, in the structure of the present invention, L of the photosensitive piece is 1.17 μm, P is 2.0 μm, the width of the wire piece is 0.1 μm, the shape is Z-shaped, and S is 0.45 μm.
The prior art is an element 102 in which only square photosensitive pieces with one side L are arranged in a matrix with a period P as shown in FIG. 11(a). Here, L is 1.17 μm and P is 2.0 μm. It is actually impossible to extract a current signal from just a square photosensitive piece that is not connected by wires. The results shown here are hypothetical results obtained through simulation to clarify the effect that the presence of a wire piece has on the incident angle dependence.
While the prior art element 102 has a wide FOV of 117°, the FOV of the present invention is 66°, which is about half as narrow. Because of the narrow FOV, the device of the present invention is less likely to pick up noise due to background light (thermal radiation from the surroundings).
図16は検出器感度の偏光依存性を示す。
ここで、本発明の構造は、光感応片のLが1.17μm、Pが2.0μm、ワイヤー片の幅が0.1μm、形状がZ字状、Sが0.45μmである。
この図における従来技術は、同じ量子井戸を用いているが、何らのキャビティによる吸収増強も存在しない、ブリュースター角入射検出器である。従来の量子井戸を用いた赤外光用検出素子は、前記第2の方向に電場が偏波した入射光(偏光角0°と定義)を得るために、斜入射構造を採用していた。ブリュースター角入射はその1つの形態で、表面での反射なく、入射光が効率よく量子井戸内に侵入する特別な角度で効率よく光を取り込むものである。けれども、直交する方向に偏波した入射光(偏光角90°)に対しては量子井戸が感度を全くもたないため、偏光依存性が常に問題であった。図16は実測によりその様子を表したものである。
従来技術の素子は偏光角が0°から90°にかけて単調に感度が減少し、90°ではほぼゼロになるのに対し、本発明の場合は、0°から90°までほとんど変化しない。4回対称構造の採用により偏光依存性が解消し、どのような入射光に対しても最大の感度を示すことができる。
FIG. 16 shows the polarization dependence of the detector sensitivity.
Here, in the structure of the present invention, L of the photosensitive piece is 1.17 μm, P is 2.0 μm, the width of the wire piece is 0.1 μm, the shape is Z-shaped, and S is 0.45 μm.
The prior art in this figure is a Brewster angle incidence detector using the same quantum wells but without any cavity absorption enhancement. A conventional infrared light detection element using a quantum well employs an oblique incidence structure in order to obtain incident light whose electric field is polarized in the second direction (defined as a polarization angle of 0°). One form of this is Brewster's angle incidence, which efficiently captures light at a special angle that allows the incident light to efficiently penetrate into the quantum well without reflection at the surface. However, polarization dependence has always been a problem because quantum wells have no sensitivity to incident light polarized in orthogonal directions (90° polarization angle). FIG. 16 shows the situation based on actual measurements.
In the conventional element, the sensitivity decreases monotonically as the polarization angle increases from 0° to 90° and becomes almost zero at 90°, whereas in the case of the present invention, the sensitivity hardly changes from 0° to 90°. By adopting a 4-fold symmetrical structure, polarization dependence is eliminated and maximum sensitivity can be exhibited for any incident light.
図17は検出感度の環境温度依存性を示す。この図では、特性曲線の形状やピーク波長の位置を比較するために正規化してプロットしている。本素子は、78Kはもとより、293K(20℃)でも感度をもつことがわかる。これは、量子井戸がパッチアンテナ構造(TMギャッププラズモンモードの半波長共鳴を利用したキャビティ構造)に組み込まれて感度を増強していることに起因する。 FIG. 17 shows the environmental temperature dependence of detection sensitivity. In this figure, the shapes of the characteristic curves and the positions of the peak wavelengths are normalized and plotted for comparison. It can be seen that this element has sensitivity not only at 78K but also at 293K (20°C). This is because the quantum well is incorporated into a patch antenna structure (a cavity structure that utilizes half-wavelength resonance of the TM gap plasmon mode) to enhance sensitivity.
(実施例2)
実施例2では、実施の形態2に従った素子についてその特性を評価した。
ここでは、ワイヤーが中心から徐々に長くなる構造により、特定の曲率の球面波に特別に強い感度を持った赤外光用検出素子が実現できることを示す。図11(d)に示した構造を基本とする。中央の光感応片には、図11(d)におけるSの値がS0のワイヤー片が4方に接続されている。その外側の領域には中央からの水平方向、垂直方向の距離に応じて徐々にSの値が長くなるようなワイヤー片が接続されている。これにより、局所的に位相の異なった波面に強く共鳴することが可能となる。
(Example 2)
In Example 2, the characteristics of the element according to Embodiment 2 were evaluated.
Here, we show that a structure in which the wire gradually becomes longer from the center can create an infrared light detection element that is particularly sensitive to spherical waves with a specific curvature. The structure shown in FIG. 11(d) is the basic structure. Wire pieces whose S value is S0 in FIG. 11(d) are connected to the central photosensitive piece on four sides. A wire piece is connected to the outer region so that the value of S gradually increases depending on the distance from the center in the horizontal and vertical directions. This makes it possible to resonate strongly with wavefronts that have locally different phases.
Lは1.08μm、Pは2.0μm、Wは0.1μmである。誘電体層22の屈折率は3.05+0.03iを仮定し、厚さは200nmとした。第1の導電体層21および第2の導電体層23はともに材料としてAuを、厚さは100nmを仮定している。図18は概略図であるが、実際に検討した構造は、19×19個の光感応片12が配列された複雑なものである。中央の光感応片を0番目とし、X方向、Y方向それぞれにi番目の光感応片と(i+1)番目の光感応片を接続するワイヤー片のSの値をSiとする。具体的には、S0=0.25μm、S1=0.30μm、S2=0.35μm、S3=0.38μm、S4=0.41μm、S5=0.43μm、S6=0.44μm、S7=0.45μm、S8=0.46μm、S9=0.47μmと、単調に増加するように選んだ。X方向に同じ位置にあるワイヤー片はすべて同じSの値を、Y方向に同じ位置にあるワイヤー片はすべて同じSの値を持つように選んだ。
ここで、中央の光感応片12とSの値がS0の4個のワイヤー片でX方向、Y方向に接続され、周期Pで配置された4個の光感応片12までの、中央の5個の光感応片12で囲まれる領域では、式(1)の条件を満たす。
L is 1.08 μm, P is 2.0 μm, and W is 0.1 μm. The refractive index of the dielectric layer 22 was assumed to be 3.05+0.03i, and the thickness was 200 nm. It is assumed that both the first conductor layer 21 and the second conductor layer 23 are made of Au and have a thickness of 100 nm. Although FIG. 18 is a schematic diagram, the structure actually studied is a complicated one in which 19×19 photosensitive pieces 12 are arranged. Let the central photosensitive piece be the 0th photosensitive piece, and let S i be the value of S of the wire piece that connects the i-th photosensitive piece and the (i+1)th photosensitive piece in each of the X and Y directions. Specifically, S 0 =0.25 μm, S 1 =0.30 μm, S 2 =0.35 μm, S 3 =0.38 μm, S 4 =0.41 μm, S 5 =0.43 μm, S 6 = They were selected to increase monotonically: 0.44 μm, S 7 =0.45 μm, S 8 =0.46 μm, and S 9 =0.47 μm. The wire pieces located at the same position in the X direction were all chosen to have the same S value, and the wire pieces located at the same position in the Y direction were all chosen to have the same S value.
Here, the central photosensitive piece 12 is connected in the X direction and the Y direction with four wire pieces whose S value is S 0 , and the central photosensitive piece 12 is connected to the four photosensitive pieces 12 arranged at a period P. The region surrounded by the five photosensitive pieces 12 satisfies the condition of formula (1).
このとき、波長6.1μmの赤外光を放射する点光源が第1の導電体層の表面から距離Zsにある時の、光源位置と検出素子感度の関係を図19に示す。Zs=10μmにて最大の感度が得られており、これはすなわち、この検出素子は曲率半径10μmの球面波に特異的に強い感度を有することを意味する。
赤外光用発光素子にこの構造を用いた場合には、レンズを用いることなく、極薄の発光素子から特定の焦点位置に特定の波長の赤外光を強く集光する光線や発散する光線を放射できる。
FIG. 19 shows the relationship between the light source position and the detection element sensitivity when the point light source that emits infrared light with a wavelength of 6.1 μm is at a distance Zs from the surface of the first conductive layer. The maximum sensitivity was obtained at Zs=10 μm, which means that this detection element has a strong sensitivity specifically to a spherical wave with a radius of curvature of 10 μm.
When this structure is used for an infrared light emitting element, it is possible to strongly condense infrared light of a specific wavelength or diverging light from an ultrathin light emitting element to a specific focal position without using a lens. can be emitted.
本発明により、高いS/N比と高い光電変換効率を有する赤外光用のコンパクトな検出素子および発光素子が提供される。
赤外光用検出素子は、人感センサ、監視センサ、温度センサ、ガスセンサなどの分野で強い需要があり、そこでは小型で高いS/N比と高い検出感度の両立が求められている。
また、赤外光用発光素子は、ガスセンサなどの分野で強い需要があり、そこでは高い指向性と強い発光強度の両立が求められている。
本発明による検出素子および発光素子は、上記性能を満たすものであり、産業上有益なものと考える。
The present invention provides a compact detection element and light emitting element for infrared light having a high S/N ratio and high photoelectric conversion efficiency.
Infrared light detection elements are in strong demand in fields such as human sensors, surveillance sensors, temperature sensors, and gas sensors, where they are required to be compact and have both a high S/N ratio and high detection sensitivity.
Furthermore, infrared light emitting elements are in strong demand in fields such as gas sensors, where they are required to have both high directivity and strong emission intensity.
The detection element and light emitting element according to the present invention satisfy the above performance and are considered to be industrially useful.
11 光感応部
12 光感応片
13 ワイヤー部
14、14a、14b、14c ワイヤー片
21 第1の導電体層
22 誘電体層
23 第2の導電体層
51 コア領域
52 周辺領域
53 コア領域
54 周辺領域
101、102、103、104,105、106,107 素子
11 Photosensitive section 12 Photosensitive piece 13 Wire section 14, 14a, 14b, 14c Wire piece 21 First conductor layer 22 Dielectric layer 23 Second conductor layer 51 Core region 52 Peripheral region 53 Core region 54 Peripheral region 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107 elements
Claims (20)
前記素子は、少なくとも前記赤外光に感応する光感応部と、電気的接続をするワイヤー部とを有し、
前記光感応部は、2次元状に周期Pで配列された一辺の大きさがLの正方形または直径Lの円形の形状を有する複数の光感応片からなり、
前記光感応片は、第1の導電体層からなる面上に誘電体層および第2の導電体層が順次積層された層構造を有し、
前記誘電体層の厚さTは、前記誘電体層の前記λに対する屈折率をnとしたとき0を超えてλ/(2n)未満であり、
前記光感応片の面積は、{3λ/(8n)}2以上{5λ/(8n)}2以下であり、
前記ワイヤー部は、隣接する前記光感応片の少なくとも前記第2の導電体層間を、非直線部を有して接続する、最大幅が0を超えてL/5以下の導電性を有するワイヤー片からなり、
前記素子は、電場が、前記光感応片および前記ワイヤー片の前記配列方向である第1の方向に伝搬し、かつ前記面に垂直な方向である第2の方向に偏波した面内伝搬モードを有し、
前記第2の方向から入射する前記赤外光に対して、
|ka×L+kw×(P-L)-2×m×π|≦π/2(mは適当な正の整数)
の関係が、前記第1の方向に進む伝搬モードの前記光感応片の部分および前記ワイヤー片の部分の正の伝搬定数をそれぞれka,kwとしたときにあり、
前記光感応部とワイヤー部からなる機能部の平面形状は3回対称以上の対称性を有する、素子。 An element that detects and emits infrared light with a peak wavelength of λ,
The element has at least a photosensitive part that is sensitive to the infrared light and a wire part that makes an electrical connection,
The photosensitive section is composed of a plurality of photosensitive pieces each having a square shape with a side length L or a circular shape with a diameter L, arranged two-dimensionally with a period P,
The photosensitive piece has a layered structure in which a dielectric layer and a second conductor layer are sequentially laminated on a surface made of a first conductor layer,
The thickness T of the dielectric layer is greater than 0 and less than λ/(2n), where n is the refractive index of the dielectric layer with respect to λ,
The area of the photosensitive piece is {3λ/(8n)} 2 or more and {5λ/(8n)} 2 or less,
The wire portion is a wire piece having a maximum width of more than 0 and having conductivity of L/5 or less, which connects at least the second conductor layers of the adjacent photosensitive pieces with a non-linear part. Consisting of
The element has an in-plane propagation mode in which the electric field propagates in a first direction, which is the arrangement direction of the photosensitive pieces and the wire pieces, and is polarized in a second direction, which is a direction perpendicular to the plane. has
With respect to the infrared light incident from the second direction,
|k a ×L+k w ×(PL)−2×m×π|≦π/2 (m is an appropriate positive integer)
When the positive propagation constants of the photosensitive piece part and the wire piece part of the propagation mode traveling in the first direction are respectively k a and k w ,
The device, wherein the planar shape of the functional section consisting of the photosensitive section and the wire section has three-fold symmetry or more.
前記Lは、前記光感応片の前記第2の方向に偏波した最低次の面内伝搬モードの有効屈折率をneffとしたとき、3λ/(8neff)以上5λ/(8neff)以下であり、
前記有効屈折率neffは、前記第1の導電体層および前記第2の導電体層の平均表皮深さをδとしたとき、n・(1+2δ/T)1/2である、請求項1から11の何れか1記載の素子。 The planar shape of the photosensitive piece is a square with a size of one piece L,
L is 3λ/(8n eff ) or more and 5λ/(8n eff ) or less, where n eff is the effective refractive index of the lowest order in-plane propagation mode polarized in the second direction of the photosensitive piece. and
1 . The effective refractive index n eff is n·(1+2δ/T) 1/2 , where δ is the average skin depth of the first conductor layer and the second conductor layer. The device according to any one of 11 to 11.
前記第1の導電体層からなる面上に前記誘電体層および前記第2の導電体層が順次積層された第2の光感応片と、
隣接する前記第2の光感応片の少なくとも前記第2の導電体層間を、非直線部を有して接続する、最大幅が0を超えてL/5以下の導電性を有する第2のワイヤー片が2次元状に配列され、
前記第2のワイヤー片のワイヤー長さは、前記光感応片の配列の配列重心点を原点とした1次元、2次元および極座標の動径の何れかの距離に応じて変化している、請求項1から17の何れか1記載の素子。 On the outside of the element according to any one of claims 1 to 17,
a second photosensitive piece in which the dielectric layer and the second conductor layer are sequentially laminated on a surface made of the first conductor layer;
A second wire having a maximum width of more than 0 and having a conductivity of L/5 or less, which connects at least the second conductor layers of the adjacent second photosensitive pieces with a non-linear part. The pieces are arranged in a two-dimensional manner,
The wire length of the second wire piece changes according to the distance in one dimension, two dimensions, or a radius vector of polar coordinates with the origin of the array gravity point of the array of photosensitive pieces. The device according to any one of Items 1 to 17 .
以上 The element according to claim 18 or 19, wherein the change in wire length is such that the wire length of the wire piece increases as the distance from the center of gravity of the array of the photosensitive pieces becomes the origin. .
that's all
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