JPH09162424A - アンテナ結合電界検出型光検出素子およびその製造方法 - Google Patents

アンテナ結合電界検出型光検出素子およびその製造方法

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JPH09162424A
JPH09162424A JP7315249A JP31524995A JPH09162424A JP H09162424 A JPH09162424 A JP H09162424A JP 7315249 A JP7315249 A JP 7315249A JP 31524995 A JP31524995 A JP 31524995A JP H09162424 A JPH09162424 A JP H09162424A
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JP
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antenna
diode
semiconductor substrate
electric field
electromagnetic waves
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JP7315249A
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English (en)
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Yasushi Onoe
寧 尾上
Naoteru Kishi
直輝 岸
Hideaki Yamagishi
秀章 山岸
Hitoshi Hara
仁 原
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Yokogawa Electric Corp
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Yokogawa Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】光周波数に応答可能であると共に機械的に安定
かつ高感度であり、マイクロ波から赤外光領域に至る電
磁波を検出することのできる光検出素子およびその製造
方法を提供する。 【解決手段】光を含む電磁波を受けるアンテナと、この
アンテナと直結する微小面積のシリコン・金属界面を持
つ検波用高周波ショットキーバリアダイオードを備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、極小接合面積を持つ金
属・シリコン界面を有するダイオードの光応答を利用
し、電波から赤外光の領域までの広帯域光および電磁波
を検出する光検出素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の赤外領域の光検出素子としては、
量子型の半導体センサや、熱型のボロメータあるいは焦
電素子等が使われている。量子型の半導体センサは、赤
外線を光子として捕らえ、光電効果を利用したタイプで
あり、バンドギャップの小さい半導体の光起電力あるい
は抵抗変化を利用するものである。他方、熱型の素子
は、赤外線の電磁波のエネルギーによる物性変化を一旦
熱として変換し、赤外線による昇温を熱起電力あるいは
抵抗などに変換の上検出する素子であり、本質的には冷
却は不要である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、量子型
の半導体センサは、一般に小型で高感度であるが、半導
体の種類により感度を有する波長領域が異なり、用途に
より使い分けなくてはならず、赤外領域での使用時には
冷却が必要であるという欠点があった。他方、熱型の素
子については一般に感度が低い傾向にあるという問題が
あった。
【0004】これら従来の赤外線検出素子とは異なる原
理の赤外線検出素子として、点接触型のショットキーダ
イオードおよびMIMダイオードによる赤外光検出が報
告されている。この形式の素子は、赤外線(光)を単に
高周波の電磁波として捕らえ、その周波数(波長)に対
応するアンテナと整流素子(ダイオードが用いられる)
を持ち、交流の光電場をアンテナに受け、アンテナと直
結した整流素子で高周波電流を整流あるいはミキシング
するものである。
【0005】ただし、この形式の既存の光検出器は、先
端を非常に細く尖らせた金属針を極薄膜の絶縁膜のつい
た金属表面あるいは半導体表面に押し当て、針と金属ま
たは半導体との界面をダイオードとし、界面近傍の針の
部分をアンテナとするものである。
【0006】この形式の点接触型の光検出器は、赤外領
域の光に反応することも報告されているが、構造上電気
的および機械的に不安定であるのみならず、実際に針を
金属や半導体上に置いて測定して初めて検出素子として
使えるか否かが判明するという状態である。そのため、
素子の再現性が悪く、しかも作製後も測定のたびに調整
が必要であり、出力の変動や測定後数時間以内で特性変
化により光検出ができなくなるなどの不具合があり、汎
用の素子とはなり得ないという欠点があった。
【0007】本発明の目的は、このような点に鑑み、光
周波数に応答可能であると共に機械的に安定でしかも高
感度であり、シリコンと金属の界面を持つダイオードを
使用するものであって、マイクロ波から赤外光領域に至
る電磁波(光)を検出することのできるアンテナ結合電
界検出型光検出素子およびその製造方法を提供すること
にある。
【0008】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明のアンテナ結合電界検出型光検出素子
では、光を含む電磁波を受けるアンテナと、このアンテ
ナと直結する微小面積のシリコン・金属界面を持つ検波
用高周波ショットキーバリアダイオードを備えたことを
特徴とする。
【0009】また、本発明のアンテナ結合電界検出型光
検出素子の製造方法では、半導体基板の上面に絶縁層を
成膜し、下面にボロンをドーブして下部電極となるアル
ミニウムを成膜する工程と、前記絶縁層の上面にリフト
オフ用のアンテナパターンをレジストで形成する工程
と、集束イオンビーム加工時のチャージアップ防止用の
アルミニウムを成膜する工程と、アンテナ先端部の位置
に集束イオンビーム加工でダイオード接触点となる微小
穴を形成する工程と、前記半導体基板の上面にアルミニ
ウムを成膜し、アンテナおよび上部電極をリフトオフに
よって形成する工程により製造することを特徴とする。
【0010】
【作用】半導体基板の上面にアンテナを設け、このアン
テナと半導体基板の間にアンテナと直結する微小面積の
シリコン・金属界面を持つ検波用高周波ショットキーバ
リアダイオードを形成する。上記アンテナに光を含む電
磁波を照射すると、光の電場の振幅振動に基づく検波出
力が電流−電圧曲線の2階微分に対応する電圧出力とし
て得られる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明を詳しく
説明する。本発明のアンテナ結合電界検出型光検出素子
は、赤外光を高周波の電磁波として微小アンテナで受信
し、高速応答の非線形素子(ダイオード)で検波するこ
とによりマイクロ波から赤外光までにわたる高周波電磁
波を直流の電圧信号として取り出すことのできるもので
ある。
【0012】図1は本発明に係るアンテナ結合電界検出
型光検出素子の一実施例を示す構成図であり、構造を分
かり易くするために一部を切り欠いて示してある。図に
おいて、1は半導体基板(実施例ではシリコン基板)、
2は絶縁層、3はアンテナ、4は上部電極、5はショッ
トキーバリアダイオード(以下単にダイオードという)
である。
【0013】シリコン基板(Si基板)1は、低抵抗
(例えば比抵抗が0.25〜0.45Ωcm)のp形シリコン単
結晶基板であり、裏面には下部電極が取り付けられてい
る。このシリコン基板1の上には絶縁層2(例えば厚さ
0.15μmの酸化膜など)が形成される。
【0014】絶縁層2の上面には、アンテナ3と、アン
テナ3に接続された上部電極4が形成される。ダイオー
ド5はアンテナ3の先端部に作製される。より詳しく述
べれば、絶縁層2に集束イオンビーム(FIB)の微小
加工などの手法で直径100nm以下の穴(窓)を開
け、この窓の部分のシリコンをむき出しにし、金属の蒸
着またはスパッタリング等によりシリコンと金属の接合
部すなわちタイオードと、アンテナおよびアンテナ側電
極(上部電極)を形成する。
【0015】なお、下部電極は、基板の裏面に限らず、
上部電極と同一面で上部電極と接触しない場所に、シリ
コンと金属の接合面積が有意に異なる大きさ(例えば1
μm角以上)でかつオーミック接合となる条件で形成し
たものでもよい。
【0016】このような光検出素子の材料および寸法の
一例を挙げれば、 素子サイズ :5×5mm、 素子材料 :厚さ525μmの単結晶シリコン アンテナサイズ:30×1.5μm アンテナ材料 :厚さ0.2μmのアルミニウム である。
【0017】図2はダイオード部の断面拡大図である。
絶縁層2にあけた穴は断面がV字状で、その先端はシリ
コン基板1に達する。穴の先端の穴径はほぼφ0.03
μmである。この穴にアンテナ金属を堆積させることに
よりダイオードが形成される。このように形成されたダ
イオードは、順方向抵抗が100〜300Ω、立上り電
圧が0.2V、接合サイズがφ0.03〜0.1μmの
特性を持つ。
【0018】図3は本発明のアンテナ結合電界検出型光
検出素子作製プロセスの一例を示す図である。以下手順
を追って説明する。 (1) p形シリコン基板1の上面に絶縁層2の成膜を行
う。下面にはボロン(B)をドーブする。 (2) 下部電極となるアルミニウムを成膜する。 (3) 絶縁層2の上面にリフトオフ用のアンテナパターン
をレジストで形成する。 (4) FIB加工時のチャージアップ防止用のアルミニウ
ムを成膜する(0.1μm)。 (5) アンテナ先端部の位置にFIB加工でダイオード接
触点となる微小穴を形成する。 (6) 基板1の上面にアルミニウムを成膜し、アンテナお
よび上部電極をリフトオフによって形成する。
【0019】このようにして形成された素子のダイオー
ドによる電磁波の検波の概念を図4に示す。ある作動点
(電極間に印加する電圧:バイアス電圧)を設定し、こ
れに外部より印加された交流電場を重畳する。外部電場
はダイオードの電流−電圧曲線の非線形性により変調さ
れ、作動点に対し非対称な交流電流に変換される(図4
の(a))。これをコンデンサ等で平滑化すると、作動
点の電流−電圧曲線の2階微分に比例した電圧出力(図
4(b)における実線(推定出力))として外部に出力
することができる。
【0020】実際の動作の様子を図5に示す。本発明の
素子は立上り電圧の小さいショットキーバリアダイオー
ドの特性を呈し、あらかじめ接合部にバイアス電圧を印
加し、接合部を含むアンテナ部に赤外ないしマイクロ波
の光(電磁波)を照射すると、光の電場の振幅振動に基
づく出力が電流−電圧曲線の2階微分に対応する電圧出
力として得られる。実験によれば、赤外光(CO2 レー
ザ、波長10.6μm、0.55W)を素子に照射する
と、図示のように注目部分で最大130nVの直流出力
が得られた(図ではノイズ成分が重畳されている)。
【0021】本発明のアンテナ結合電界検出型光検出素
子は、赤外線に対する赤外強度センサとしての他に、赤
外線を電波として直接検波することから、赤外光領域の
高周波電磁波のミキサとして使用し、現在の光通信が可
視から近赤外の領域でのレーザ光のオン/オフによるデ
ジタル信号ないしは強度変調(AM)信号のみで情報伝
達しているのを、赤外レーザ光領域の高周波の周波数変
調や増幅素子が実現された折りには、ヘテロダイン法な
どを用いて周波数変調(FM)による多周波数同時転送
により飛躍的に多量のデータを通信するための検出器と
して利用可能である。
【0022】また、それ以前にも本発明の素子がマイク
ロ波から赤外光の領域に及ぶ広帯域の電磁波に応答する
ことから、現在あまり良い素子がないと言われる高い周
波数のマイクロ波からミリ波、サブミリ波、遠赤外領域
の波長の電磁波および信号の、高周波ミキサ等を作るこ
とが通常のシリコンICプロセスの応用で可能となる。
【0023】なお、本発明の以上の説明は、説明および
例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎな
い。したがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの
変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。例
えば、アンテナの形成は実施例ではリフトオフ法を用い
たが、これに限定されるものではなく、エッチング法に
よりアンテナを形成するようにしても何ら差し支えな
い。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、構
造上点接触ダイオードと異なり機械的に安定であり、か
つ受波装置(アンテナ)の併用により感度の高い、ショ
ットキーダイオードを用いた微小な赤外ないし可視光領
域の検出素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るアンテナ結合電界検出型光検出素
子の一実施例を示す構成図
【図2】ダイオード部の断面拡大図
【図3】素子作製プロセスの一例を示す図
【図4】ダイオードによる電磁波の検波の概念を示す図
【図5】検波特性についての説明図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板 2 絶縁層 3 アンテナ 4 電極 5 ショットキーバリアダイオード
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原 仁 長野県上伊那郡宮田村2061番地 横河電機 株式会社センサ研究所内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板上に形成され、赤外線を直接高
    周波の電磁波として検出することのできる検出素子であ
    って、 光を含む電磁波を受けるアンテナと、 このアンテナと直結する微小面積のシリコン・金属界面
    を持つ検波用高周波ショットキーバリアダイオードを備
    え、マイクロ波より赤外光までの領域にわたる電磁波を
    検出することのできるアンテナ結合電界検出型光検出素
    子。
  2. 【請求項2】前記半導体基板としてp形シリコン半導体
    基板を用いたことを特徴とする請求項1記載のアンテナ
    結合電界検出型光検出素子。
  3. 【請求項3】半導体基板上に形成され、赤外線を直接高
    周波の電磁波として検出することのできる検出素子の製
    造方法であって、 半導体基板の上面に絶縁層を成膜し、下面にボロンをド
    ーブして下部電極となるアルミニウムを成膜する工程
    と、 前記半導体基板の上面の絶縁層の上面にリフトオフ用の
    アンテナパターンをレジストで形成する工程と、 集束イオンビーム加工時のチャージアップ防止用のアル
    ミニウムを成膜する工程と、 アンテナ先端部の位置に集束イオンビーム加工でダイオ
    ード接触点となる微小穴を形成する工程と、 前記半導体基板の上面にアルミニウムを成膜し、アンテ
    ナおよび上部電極をリフトオフによって形成する工程か
    ら成ることを特徴とするアンテナ結合電界検出型光検出
    素子の製造方法。
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