JPS59108376A - 光検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電磁放射に露出された時、検出が可能なように
変化する基体から成り、基体が電磁放射に露出された時
、該変化を検出する手段を含む光瑛出器に係る。

本発明の目的とする光検出器は、電磁放射に露出された
時、その物理的又は化学的特性に検出Ｏｒ　７（ヒな内
部変化、たとえば、機械的、或気的、電子的又は光学的
特性の内部変化を起すデバイスで、この変化を検出する
ための手段たとえば電極を含むデバイスである。従って
、たとえばｆｔ、起′成カデバイスはデバイスが電磁放
射に露出された時その′電気的特性に内部変化を起す。

すなわち、デバイス内に電流が流れる。デバイスは典型
的な場合、電流を検出するための電極を含む。

具体的な目的に対する光検出器の有用さを評価するため
にしばしば用いられる二つの尺度は、その感度と動作速
度である。前者は入射電磁放射に応答し℃生じた変化の
大きさを含み、後者は入射電磁放射の強度の変化と、そ
れにより生じた内部変化の対応する検出された変化の間
の時間遅れを含む。

多くの用途で高い応答性と高速性を必要とすることによ
り、光検出器の構成に矛盾する制約を課することになる
。一般に、高感度を得るためには、誘発された内部変化
を比較的大きくする目的で、比較的多嘴の電磁放射吸収
材料が必要である。すなわち、大きなテバ１スが必要と
される。すなわち、大きなデバイス構造が望ましく・。

一方、一般に高速性を得るには、小さなデバイス構造を
用いるべきである。小さなデバイスは内部容量又は内部
変化伝搬距離の一方又は両方を減じ、従つ℃連関が増す
。

高感度と高速性の両方を示さなければならないという光
検出器に課せられた矛盾する制約は、高動作速度と高感
度の両刀をもつために必要な金属−絶縁体−金属（ＭＴ
Ｍ）光検出器に課せられた矛盾する物理的制約により、
（７） 例を示すことができる。ＭＩＭ元検出器は典型的な場合
、二つの電極たとえば二つの平坦で滑らかな金属の層間
にはさまれたたとえば金属酸化物又は半絶縁体のような
電気的絶縁材料の層な含む。金属酸化物を用いろ時、光
検出器はたとえばＡ／！　−ＡＡｌ２０Ａ−Ａのような
ＭＯＭデバイスとよばれる。半絶縁体を一つの透明（少
なくとも入射放射のｌＯペパーントが透過する）成極と
ともに用いろ時、光検出器はたとえばＡｔ−アモルファ
スＳＬ　　ＡｔのようなＭＳＭＳパテスとよばれろ。光
検出器の動作中、電極間に（典型的な場合ｌないし２ボ
ルトの）電位差が加えられる。

ＭＯＭデバイスの電極−ヒに入射する電磁放射は、大部
分反射され一方ないし両方の゛電極中に電子を励起する
ことを通して、はるか（（わずかの量がデバイス中に結
合される。これらの励起された電子は、次に酸化物層を
越えて他の電極までトンネルする。これらの電子が酸化
物層（典型的な場合５０オンゲスドロ（８） −ムの厚さ）を横切るのに必安な時間は、１０１４秒程
度で、従って原理的にはこれらのＭＯＭデバイスは、典
型的にはデバイス容量で制限される非常に速い動作速度
で動作することができる。しかし、これらのデバイスの
量子効率（入射放射の【フォトン当りＭＯＭデバイス中
に生成する電子の数）は、典型的な場曾約ｌＯ″ときわ
めて低い。なぜならば入射放射の比較的少量のみが、実
際にデバイスと結合するからである。従ってこれらのＭ
ＯＭデバイスは多くの実際の用途に対して魅力的ではな
い。

電磁放射がＭＳＭＳパテスの透明電極に入射した時、透
過した放射の一部は半絶縁性材料により吸収され、そこ
で電子−正孔対が生成すると信じられている。電子及び
正孔はデバイスの動作中、ｔｉ間に印加された（典型的
な場合１−２ボルトの）電圧差の影響で、成極の一方又
は他方へ半絶縁性材料を通って、移動し、検出可能な電
流を規定する。ＭＯＭデバイスと同様、ＭＳＭデバイス
はまた高い動作速度も示す。なぜならば、たとえばもし
半絶縁層が約１００オングストロームの厚さであるとす
ると、半絶縁層の一方の側から池の側へ電荷が移動する
のに必要な時間は、わずかＩＱ＋２秒程度だからである
。これらのＭＳＭＳパテスはまた（典型的な場合約１０
′−１３の）低い量子効率を示す。その理由はやはり、
入射放射の比較的わずかな晴のみがデバイスに結合する
こと、すなわち半絶縁層に吸収され、電子−正孔対を生
成することにある。ＭＳＭデバイスの量子効率は、半絶
縁層の厚さを増し、従つ又透過するフォトンの吸収も増
すことにより容易に増す。しかし、半絶縁層の厚さを増
すと、伝搬距離が増し、従って動作速度が下る。

従って、一般に光検出器、時に！ｖｌＩＩ　Ｍ光検出器
の開発に従事１−ている者は、長い開光検出器の大きさ
を増すことを必要とせずに光検出器の感度を増す技術を
探求し又きたが、これまで成功１−ていない。

本発明に従うと、放射感受性基体が本質的に周期的な輪
郭をもつことを特徴とする光検出器により、これらの問
題は解決される。

本発明は電磁放射の検出プロセスとともに、光検出器に
係る。これらのプロセスは電磁放射に露出された光検出
器内で生じる物理的又は化学的変化を検出する工程を含
む。

本発明により実現される光検出器は、本質的に周期的な
表面、すなわちこれら光検出器の表面に宿って（基準面
に対し）本質的に周期的に高さの変る表面を有する。こ
れらの本質的に周期的な表面は、たとえば、光検出器の
動作中電磁放射が直接入射する外部表面である。あるい
は、これらの表向は光検出器の内部で、上の層又は材料
の層を通して透過する電磁放射を受ける。

実際、本質的に周期的な表面は、最初平坦な表面を凹凸
のある表面にするため、たとえばエツチングのような構
造形成により作られる。すると得られる凹凸のある表面
は、本質的に周期的な表面を有する。あるいは、材料の
層が凹凸のある表面上に堆積され、堆積された材料の上
部又は下部表面は本質的に周期的である。（・ずれの場
合も、空間的には最初の平坦で構造を作ってない表面で
ある仮想表面は、上で触れた基準面を成す。この基準表
面は平坦又は曲った面であるが、構造を形成した曲った
表面が凹凸のある表面であるように、曲った基準面の半
径は凹凸の曲率半径より大きく、好ましくは凹凸の曲率
半径の１０倍以上にすべぎである・ 本発明の目的のために、もし二つの条件が満たされるな
ら、凹凸のある表面は、°′本質的に周期的″である。

第１の条件は、凹凸のある表面上の″凹凸″の少な（と
も７５パーセントは、凹凸のある表面−ヒの任意の二つ
の隣接する凹凸の頂点（又は溝のＩｄ　ｔｈ１３　）間
の間隔が、平均間隔Δから約帆２Ａ以上に離れないこと
である。これらの°′凹凸″は任意の形状、たとえば球
、円筒又はピラミッド状であってよいことに注意すべき
である。

本質的に周期的な表面が満たすべき第２の条件は、その
ような表向により生ずる反射光のパターンに係る。もし
波長が凹凸の平均間隔Ａより大きく、１０Δより大きな
スポットサイズを有する平行光が本質的に周期的な表面
上に向けられるならば、反射光は本質的に回折パターン
を形成する。（凹凸間の間隔に変動のない）完全に周期
的な表面により生じる回折パターン中の各町るいスポッ
トの中心の（入射光（Ｃ対する）角度位置は、次式で与
えられる。

（Δ）（ｓｉｎＯ）＝ｎλ ここで、λは入射光の波長でｎは回折次数を示す整数（
０１【、２・・・）である。しかし、本質的に周期的な
表面により生じる（回折パターン中の）明るいスポット
の角度位置は、完全に周期的な表面により生じる対応す
る明るいスポットの角度位置とは、わずかに異なる。し
かし、この角度差は、０．２０より小さいか等しい。

上で述べたように、本質的に周期的な表面を有する光検
出器は、（同程度の光検出器の厚さが、約１０００オン
グストロームよす小さい限り）そのような表面をもたな
い（同様の大きさをもつ）同様の型の光検出器が示す感
度より（典型的な場合１０倍と）著しく高（・０ （本発明で実現される）光検出器の本質的に周期的な表
面は、入射電磁放射を光検出器中に伝搬する電磁放射と
し又効率よく結合し、“それは光検出器の本質的に周期
的な表面に隣接した光検出器中を移動する。この表面結
合効果は光検出器の表面が平坦か不規則に荒れ又いる時
は、起らないが起っても効率が低い。

従って、入射電磁放射は本発明により実現される光検出
器中に、より効率よく結合−「るから、これらの光検出
器の感度は（本質的に周期的な表面をもたない光検出器
に比べ）寸法、たとえばこれらの光検出器の厚さを縮め
ることなく増す。

本発明により実現されろ本質的に周期的な表面に入射す
る電磁放射のすべての波長が、光検出器中に表面で結合
するのではない。それは基本的原理、運動用保存則によ
り決まる。

（たとえばエイチ・ライナー・プラズモンの励起及び′
電子によるバンド間遷移（スブリン力−フェアラグ、１
９８０，１．２８頁参照のこと）すなわち、光検出器中
に表面結合する電磁放射の波長λは、次式でり−えもれ
る。

ここで、０は入射放射が光検出器の（上で定義した）基
準面の法線に対してなす角を示す。

（もし、基準面が曲っているならば、波長が表面に結合
するように法線の方向及び角０は点毎に異なる１、） 第（１）式中のパラメータｎｅｆ　ｆ　　は光検出器の
実効屈Ｄｆ率を示す３、もし、光検出器がいくつかの異
なる材料から成る（単一の材料に対して、”ｅｆ　ｆ　
　はその材料の屈折率である）ならば、ｎｅｆｆ　　は
たとえば（凹凸周期Ａを有する）光検出器の試、験用試
料を周知の電磁放射に対し、周知の角度Ｏで露出するこ
とにより決まる。試験用試料中に表面結合する電磁放射
の波長は、試、験用試料により透過する゛電磁放射の波
長を検出することにより、推測される。

表面結合波長λ、平均凹凸間隔Ａ及び入射角０を知るこ
とにより、”ｅｆｆ　　の直か第（１）式から容易に決
まる。はとんどの材料又はほとんどの合成材料の場合、
ｎｅｆｆ　　はｌより大きいが約５より小さい。

上の第１式は、次のようになる。

λ −− ｅｔ　ｆ 第（１）式及び第（２）式から、本発明により実現され
る光検出器は、波長及び角度の両刀に依存することがわ
かる。すなわち、（凹凸の間隔Δ及び実効屈折率’ｅｆ
ｆ　　を特徴とする）光検出器の感度は、ある角度Ｏで
入射する電磁放射の特定の波長λによつ℃のみ影響を受
ける。

更に、第（２）式から（本発明により実現される）実効
屈折率”ｅｆｆ　　を有する光検出器が波長λで角度Ｏ
で入射する′電磁放射を検出するためには、凹凸の間隔
Ａはλに比例する（比例係数は（ｎ６Ｈ−ｓｉｎ　Ｏ）
″）ように選択することがわかる。

上で運べたように、本発明により実現される光咲出器の
表面上の凹凸は、約０．２　Ａまで平均間隔から変化さ
せることができる。従つ℃、本発明により実現する光検
出器では、表面結合する電磁放射は、（第（２）式で規
定される）特定の波長λに制限されろ必要はない。

むしろ光検出器中に表面結合する波長帯があり、この波
長帯の（平均波長λを中心とする）最大幅△λは次式で
Ｉかえられる。

△λ＝　（ｎ８１１−５ｉｎ　Ｏ）△Ａ（３）ここで、
△Ａは平向間隔からの最大変位を示し、この最大変位は
約０．２Ａより小さいか等しい。

もしく本発明により実現される）光検出器が、２ないし
それ以上の重畳１−ない波長帯（あるいは重畳しない波
長帯のそ１１ぞれの中の１ないし複数の波長）を検出す
るかあるいは本質的に周期的な凹凸の学−の組で検出さ
れるものより広い波長帯な検出するためには、本発明に
従うと、光検出器は２な（・しそれ以上の本質的に周期
的な凹凸をもつように製作される。凹凸の各組の平均凹
凸間隔Ａは、検出すべき波長又は平均波長に比例するよ
うに選択される。加えて、凹凸の各組の最大変位△Δは
、所望の波長帯△λで結合するよう十分太き（すべぎで
ある。

本質的に周期的な表面上の凹凸の振幅は、それぞれ凹凸
の頂点及び隣接した溝の低部に対する接平面間の距離の
半分と定義される。

本発明に従うと、電磁放射が入射する木質的に周期的な
表面の一部上の凹凸の平均振幅は、約ｕ、ｉ　ｉないし
約【０Δの範囲にある。約０．Ｌ　Ａより小さな平均振
幅は、好ましくないほど少量の電磁放射が光検出；惜中
に表面結合するため好ま（７くない。約１　ＯＡ以上の
平均振幅は、製作が困難でル）ろため好ま１−＜ない。

本発明に〔疋５本質的に周＋ｕ１的な表面を有する光検
出器を製作する便利な技術の一つは、本質的に周期的な
表面を有する基板上に、■ないし複数の光検出器の伺料
層を堆積させることである。堆積されると、（それらが
比較的薄い限り）工ないし複数の材料層は、下の基板表
面の形と一致する。

基板の局部的に平坦な表面Ｇ−シ、たとえばホログラフ
ィ技術を用いることにより、本質的に同期的に作られろ
３、このホログラフィ技術に従うと、パターン形成り能
なマスク層たとえばフォトレジストか、基板表面上に堆
積される。次に、たとえはフォトレジストを２つの交差
するレーザビームからの光に第１の方向か゛ら露出する
ことにより、干渉パターンがフォトレジスト中に規定さ
れる。第１の方向をここでは一つのレーザビームと基板
表面を含む平面の交差により規定されろ線の方向とする
。

もし各レーザビームの光の波長がλ１　で、レーザビー
ムのそれぞれが基板表面の法線に対し角度φをなすなら
ば、フォトレジスト中に生じる強度最大値間の間隔はλ
、　／　２　ｑｉｎφとなる。第１の方向に准直な第２
の方向についてこの露出をくり返しフォトレジストを現
像することにより、二次元的な周期パターンが７オトレ
シスト中に描かれろ。パターン形成されたフォトレジス
トをエッチマスクとして用い、下の基板をエッチすると
、二次元の凹凸の本質的に周期的なアレイ（凹凸間の平
均間隔はλ１／２ｓｉｎφ）が基板の表面上に形成され
る。もちろん、この同じ技術は光検出器それ自身の表面
にＪ−用でき、不質的に周期的な表面に光検出器の表面
を変換できる。

本発明は本質的に周期的な表面を有する光検出を実現す
るが、本発明はまた電磁放射を検出する方法も実現する
。本発明の方法に従うと、亀４′好放射は本質的に周期
的な表面を有する電磁放射に露出し、光検出器中に生じ
る変化を測定することにより、検出される。このプロセ
スは本質的に周期的な表面により生じる表面結合効果に
起因する光検出器の感度の増加により、比軸的大きな信
号が測定されるという利点をもつ。

本発明は異なる型の光検出器を実現するが、ＭＩＭ光検
出器のような比較的小さく、高速の光検出器も実現し、
特に関連がある。本発明な完全に叩解するための手助と
して、本発明により実現されるＭＯＭ及びＭＳＭ光検出
器について以下に述べろ。ここで、ＭＯＭ光検出器とい
う用語は、光電流が電子のトンネリングにより生じるＭ
ＴＭ光検出器を示すために用いられる。

一般に、本発明により実現されるＭＯＭ及びＭＵＭ光検
出器のそれぞれは、二つの電極間にはさまれた絶縁層と
ともに、電磁放射がデバイス中に表面結合する効率を増
すための本質的に周期的な表面を有する。ＭＯＭ光検出
器の場合、本質的に周期的な表面（佳、典型的な場合デ
バイスの動作中電磁放射が直接入射する電極の外部表面
である。ＭＳＭ光検出器の場合、本質的に周期的な表面
はデバイスの内部表向、すなわち電磁放射が入射する光
学的に透明な電極部Ｆの半絶縁層の表面である。

本発明により実現されるＭＯＭ及びＭＳＭ光検出器の動
作中、（電磁放射に応答し又、検出可能な疏流を生じる
よつ（（）吸収された電磁放射により生じた電荷を、電
極の一方又は他方に推進するように、これらデバイスに
′電界が印加される。この電界はたとえば、′成極に外
ｆｆＢ″Ｉ４ｆ圧を印加することにより生じる。

あるいは、ＭＳＭデバイスの場合二つの成極はそれぞれ
ｐ形及びｎ形半導体から形成され、ｐ−１−ｎ接合を形
成し、それは内部電界な示し、それにより外部重圧バイ
アスの必要性がなくなる。、Ｍ　Ｓ　Ｍ　尤倹１１１器
の場合、用いられる更１（別の方式は、半絶縁層の製作
中ｐ−ｎｆｉ合を形成し、このｐ−ｎ接合もまた内部′
電界を示す。

本発明により実現されるＭＯＭ及びＭＳＭ元検出器の本
質的に周期的な表面は、（最初比較的平坦であった）こ
れら表面に直接構造を形成するような、香７’ｉｌｉの
方法により容易に製作される。しかし、単に説明の便宜
−ヒ、以下で議論し、第１−３　Ｍに示される光検出器
を構成する本質的に周Ｊυ１的な表面は、これらの光検
出器を構成１〜る材料の層を、基板の本質的に周期的な
表面上に堆Ａ’ｔ＋することにより製作されるように述
べる。

第１図を参照すると、本発明により実現されるＭＯＭ光
咲出器１０は、第１及び第２の金属ストライブ３０及び
５０（金属ストライプ３０及び５０は光検出器の電極を
構成する）１（はさまれた比較的薄い絶縁層４０を含む
。

光検出器１０はたとえばスパッタリングにより、第１の
金属ストライプ３０を基板２００本質的に周期的な表面
２５上に堆積させ、金属ストライブ３００表面上に絶縁
層４０を形成し、次にたとえば蒸着により、絶縁層４０
上に金属ストライプ５０を堆積することにより製作され
ろ。デバイスの面積を減し、テバイス容量を減すために
、金属ストフイプｂ口は典型的な場合、（金属ストライ
プ３０に対し）たとえば直角といった角度で堆積される
。

基板２００本質的に周期的な表面２５上への金属ストラ
イプ３０及び５０の堆積（又は形成）により、対応する
本質的に周期的な形状をもつ金属ストライプ６０の上部
表面が生じる。表面６００本質的に周期的な形状により
、入射電磁波は金属ストライブ５ｕ中に効率よく結合す
るし、（結合する放射の波長と入射角は、第（１）式で
定義される。）そのエネル千−の形は表面プラス七ン分
極と考えられる。（電磁波は材料の表面に隣接した専心
性材料を通って伝搬する７、）表面プラズモン分極は単
一粒子励起（幾Ｎ７（イ、、通して減衰する。すなわち
、金属ストライブ５０中の電子は、高エネルキー状態に
励起され、これらの電子は絶縁層４０を横切って金属ス
トライプ３０までトンネルする。

金属ストライプ５０の本質的に周期的な表面はまた、表
面プラズモン分極と同様に重要な第２の機構を通して、
′電磁放射を金属ストライプｂＯ中−（電子のトンネル
を促進して）結合する働きもする。第２の機構は局在し
たプラズマ共振と信じられ、それは適当な周波数をもつ
入射電磁波により、表面６０上の各″凹凸″中に生じろ
。この局在したプラズマ共振は、電磁放射の伝搬方向と
垂直に、各凹凸中の電子の集団的振動を構成し、その垂
直方向の動きは各凹凸の境界により制限されて（・る。

（もしそのような境界がなければ、局在したプラズマ共
振は存在しない。）入射電磁放射の周波数ｆがν　　に
等しい時、各回ｐ／ｊ 曲中に局在したプラズマ共振が生じろ。ここで、ν、は
層５０を構成する金属のバルクプラズマ周波数で前述の
多（の金属のバルクプラズマ周波数についての（エイチ
・ラエザーらの文献、５０頁参照のこと）３は凹凸の形
と凹凸間の平均間隔により規定される幾何学的要因であ
る。

実際Ｖこは、金属ストライプ５０１（適した金属と適当
な゛ト均凹凸間隔Ａの円方を決めるために、くり返し、
プロセスが用いられる。これらは組合さり、波長λ及び
周波数ｆの特足の電磁放射乞、局在上たプラズマ共振中
に結合する。この（り返しプロセスによると、適当な凹
凸１１］隔Ａ　１１７）第一近似とし＋　Ａｌ１ととら
れ、対応する慢何学要因、ｉの第一近似は、ｊ＝２とと
られる。従つ疋、金属層用の金属Ｉマ、金属のバルクプ
ラズマ周波数の半分すなわちνｐ／ｊ（＝２）が；局在
プラズマ共振に結合される′ｉ！磁放耐放周波数ｆＫ等
しいように選択される。しかし、ｊ＝２はｊの値の近似
であるから、この近似に固有の誤差Ｉ工、金属（及び凹
凸の形）の選択′Ｊ？二適した平均凹凸間隔Ａの新しい
値を選択することによりなくなる。新しくかつ適当な凹
凸間隔は、たとえば周波数ｆの電磁放射に対し、最初の
近似λ／２とはわずかに異なる平均凹凸間隔（最初の近
似λ／２からの最大変位は、典型的な場合λ／２の約５
０パーｔントχ越えないという必要はない）を何する光
検出器１０の試験用試料を露出することにより決められ
る。これら試験用試料のそれぞれの金属ストライプ◎０
は、上で選んだ金属で作られる。試験用試料により透過
さｎる電磁放射の尚波数を咲出することにより、周波数
ｆの電磁放射を吸収する試験用試料及び適当な凹凸間隔
が決められる。

局在したプラズマ共振（・工平坦な表面を有するＭＯＭ
光検出器中には起らないことに注意すべきである。局在
プラズマ酸化は（Ａｇ。

Ａｕ゛のような金属の薄い層を堆積することにより形成
される）を匠気的に絶縁された粒子から成るアイランド
薄膜中で発生するが、共振は急速に減衰［７、（薄膜を
電気的に連続させるために）粒子を相互に接触させた時
、著しいトンネルを起すには効果かない。

本質的に周期的な表面６０上の凹凸中に生じる局在プラ
ズマ共振は、表面６０に入射放射が入射する角度には比
較的」：らないが、入射放射の周波数には太き（依存す
る。加えて、局在プラズマ共振中に生じるトン不ルポ流
は、凹凸の振幅が約０．５Δに等しいか太きければ、表
面プラスモンホラリトンにより生じるトンネル電流より
、はるかに（約２倍）太きい、。

従って、凹凸振幅か約（）、５ΔＶこ等しいかそれより
太きければ、ＭＯＭ光検出器１０は電磁放射の入射角に
は本質的によらない。

本発明のＭＯＭ元検比検出器１０１図を参照のこと）に
用いられる材料は、光検出器１０か電磁放射の入射角を
感じる検出器かあるいは感じ７ｇい検出器とじ又用いら
れるかに依存する１、シかし、両方の場合において、Ｍ
ＯＭ光検出器１０の基板２０の材料は、電流をＭＯＭ光
検出器１０の内部に閉じこめるために、（少な（ともＩ
Ｏ′Ω−１Ｍの抵抗率をもつ）比較的電気的に絶縁性に
すべきである。有用な基板材料は、たとえば浴融石英で
ある。

ＭＯＭ光検出器１０（ｒＳ１図を参照のこと）の第１の
金属層３０として、はとんどの任意の金属が有用である
。しかし、ある構成において、絶縁層４０の厚さをより
容易に制御するために、金属は薄い絶縁層４０を形成す
るために、たとえばプラズマ酸化又は陽極酸化により、
容易に酸化されるように選択すると有利である。金属酸
化物を形成するために容易にプラズマ酸化される金属の
中には、たとえばＡｔ　、　Ａ４ｇ及び−Ｎｉ　　が含
まれる。金属層３０は層３０が確実に物理的に（従って
眠気的［）連続であるように、少なくとも１００オング
ストロームの厚さをもつべきである。

金嘱層３０の厚さに対する理論的−に限はないが、製作
上の困難さを最小にするための必要性のような実際上の
考察から、通常金属層３０は約手オングストロームを越
えない厚さに制限されることになる。

金属層５０はまたほとんど任意の金属、たとえばＡｕ＋
　Ａｇ、　Ａｌから成る。金属層５０の厚さは、約３０
０オングストロームから約３００オングストロームの範
囲にある。約１００オングストローム以下の厚さは、上
で述べた理由により好ましくない。約３００オングスト
ローム以上の厚さは、トンネル電流の大きさが好ましく
ないほど小さいため、好ましくない。

層４０は高誘゛亀体降伏強度（典型的な場合約１０’Ｖ
／（７）以上）を有する材料の比較的薄い層である。そ
のような高い誘電体降伏強度をもち、層４０に用いられ
る材料には、Ａｔ２０３　＋　　ｋｔｇｏ及びＮ　ｉ　
Ｏのような金属酸化物が含まれる。層４０の厚さは約ｌ
Ｏオンダストロームないし約１００オングストロームの
範囲にある。約１０オングストローム以下の厚さは、そ
のような薄い層は電気的に降伏しやすし・（たとえ材料
が物理的に不連続であっても、′電圧差７加えると起り
やすい）ため好まシ（すい。一方、約１００オングスト
ロ一ム以上の厚さは、好ましくないほど小さなトンネル
電流が層４０を越えて流れろため、好まし７くな（・０
厚さの制御が′とγ易であるため、層４０はたとえばプ
ラズマ酸化（范より金属層３０を酸化することにより、
形成するのが好ましい。そのため、絶縁層４０は金属層
３０の酸化物であり、従って金属酸化物−金属光検出器
であることが好ましい。

もし光検出器１０が角度感受性検出器として用いられる
ならば、金、媚態５０の表面６０が（入射電磁放射を金
属層５０中の表面プラズモンポラリトンに結合するため
に）木質的に周期的であるばかりでｒｃ（、金属層５ｕ
の金属の表面プラズモンポラリトンの吸収係数を、ｌ／
Ａ以下（Ｃするのが好ましい。そのような吸収係数によ
り、表面プラズモンポラリトンは、十均凹凸間隔な越え
る距離を金属を通って伝搬する。そのような吸収係数を
示す金属の中には、Ａｇ、　Ａｕ　　及びＡｔが含まれ
ろ。

他のそのような金属については、たとえばビー・ど−・
ションンン及びアール・ダブリユウ・クリステイによる
論文、フィジカル・レビュー、第８６巻、１９６２年４
３７０頁を参照のこと１゜ ＭＯＭ光検出器が角度感受性であるためには、凹凸の振
幅は約０．ｌΔないし約０．３Δの範囲にすべきである
。約Ｃ１，ｌＡより小さい振幅は、トンネル底流が好ま
しくないほど小さいため、好ましくない。約０．３　Ａ
以上の振幅は、局在プラズマ共振の影響が好ましくない
ほど太き（、検出器が電磁放射の入射角に対し、好まし
くないほど感受性か低（なるため好ましくない。

ＭＯＭ光検出器１０が角度感受性をもたないためには、
金属層５０及び平均凹凸間隔が局在プラズマ共振を生じ
るように選択されるだけでな（、表面ｔｉ　ＯＪ：の凹
凸の振幅は、約（１，５，／７ないし約１０Δの範囲に
あるべきである。約０．５Ａより小さい振幅は、表面の
プラズモンポラリトンの影響が好ましくないほど大きく
、検出器が覗磁放射の入射角度に好ましくないほど感受
性をもたなくなるため、好ましくない。約１ＯＡ以上の
４辰幅は、そのような振幅の凹凸をばする表面は、製作
か好ましくないほど難１．＜ないため好ましくない。

たとえば、約０．５　ｔｌ　ｍに等しい波長（約６Ｘ　
ｌ　０１４に等しい周波数）の可視光がＭＯＭ光検出器
１０により、検出され、検出器が角度感受性をもたない
ならば、平均凹凸間隔Δの有用な第一近似はλ／２＝０
．２５μｍで、層５０の有用な金属はたとえばＡｇ　　
か、そのバルクプラズマ周波数は約１０１５Ｈｚ（２で
割ると、これはｔｉ　Ｘ　ｌ　ｌ）　”ＩＩｚ　　に近
い）である。試験用試料を用いることにより、もし平均
凹凸間隔Ａが０．２５μｍに等しければ、所望の周波数
が金属層５０により吸収されることがわかった。更に、
もし凹凸の眼幅が約０．５Δ＝０．１２５μｍ以上なら
ば、検出器１０は比較的角度感受性が低い。

第２図を参照すると、本発明により実現されるＭＳＩＶ
ＩＩ光検出器７０の一実施例には、二つの成極すなわち
（せいぜい０．１０−ｔｍに等しい抵抗率を有する）導
電性材料の、一つのストライプ９０及び１１０間にはさ
まｉｔだ（少なくともｌＫΩ−ｃｍの抵抗率を有する材
料）半絶縁性材料１０００層が含まれる。ＭＳＭ元検出
器１０はたとえば（好ましくは約１０’　Ω−ｔｍ以上
の抵抗率を有する）電気的に絶縁性の基板８０の本質的
に周期的な表面８５上に、層９０，１００及び１１０な
順次堆積させることにより製作される。テバイス容量を
減すために、ストライプ１１０はストライプ９０に対し
、たとえば直角といった角度に堆積される。

ＭＳＭ光検出器１０とＭＯＭ光険出器１０の主な違いは
、人射電碍放射に応答し℃検出器７０内に生じる電流は
、一般に半絶縁層１００による電磁放射の吸収と重子−
正孔対の形成によるという事実である。多数の成子−正
孔対を形成するために、導電層１１０は入射放射に対し
、著しく透明（層１１０）に入射した電磁放射の少なく
とも１０パーセントが、層１１０により透過される）で
あるように製作される。しかし、最上７）１３層１１０
がたとえば金属で成るとすると、ＭＳＭ元検比検出器７
０中じる電流は、少なくとも一部は金属層１１０かも半
絶縁層１００を伝わる励起された電子による可能性が太
きい。これらの励起電子はたとえば、金属層１１０中の
表面プラズモンポラリトンの減衰により形成され、その
表面プラスモンホラリトンは電磁放射が金属層１１０中
に表面結ばすることにより生じろ。あるいは、これらの
励起電子は金属層１１００表面上の凹凸中の局在プラス
マ共振から生じる。

基板８００本如的に周期的な表面８５上に層９（１，１
００咬び１１０を朋積させると、対応する本質的に周期
的な形状を得る半絶縁層１００の表面１１５が得られる
。半絶縁層１００中に結合される電磁放射の波長λに関
連し又、表面１１５上の凹凸間の平均間隔Ａは（表面１
１５に隣接し又伝搬する電磁波として）第（１）式及び
用（２）式により定義されろ１゜先に述べたように、凹
凸の平均振幅（ま、約０．１Δないし約ｌＯＡの範囲（
にある。

半絶縁層１００は各錘の半絶縁性材料の任意の一つから
製作される。しかし、これら半絶縁性材料のすべ又は暗
電流（電磁放射がないとき、光検出ａｌＯ中に生じる電
流）を除くか少な（とも最小にするため、少なくともＩ
ＫΩの抵抗、率を示す材料である。有用な半絶縁性材料
には、（アンドープ）アモルファスシリコンが含まれ、
それは（３０ｇ子パーセントのＨまでの）Ｈを含むかＩ
Ｉを含まない。

アモルファスシリコンはたとえば通常のスパッタリング
又は化学気相堆積（ＣＶＤ）技術により（導電層９０上
に）堆積される。他の釘用な半絶縁性材料は（アンドー
プ）単結晶シリロン及びポリシリコンである。単結晶シ
リコンはたとえばＣＶ　Ｉ）又は分子ビームエピタキシ
ー（ＭＢＥ）により堆積され、一方ポリシリコンはたと
えば通常のスパッタリング又はＣＶ　ｌ）技術を用いて
堆積される。更に他の有用な材料は（少な（とも１にΩ
の抵抗率を生じるように）Ｊ笠当にドープされたｒｔｉ
　−ｖ化合物、たとえばカリウムひ素、インジウムリン
、インジウム・カリウムひ素及びインジウム・カリウム
ひ素リン及びｌ−■化合物、たとえば水銀カドミウム・
テルルである。特定の材料に依存し℃、これらの材料は
周知のＭＢｇ　　ＣＶＤ又は液相エピタキシー技術によ
り堆積される。

半絶縁層１００の厚さは、約１００オングストロームな
いし約＋　ｉｔ　ｍの範囲である。約１００オングスト
ローム以下の厚さは、そのように小さな厚さをもつ材料
の堆積層は、物理的に不連続になりやすいため好ましく
ない、約１μｍ　以上の厚さは、除外されないが、半絶
縁層１００が厚くなり（従って電磁放射の多（を吸収す
る）すぎるため、本質的に周期的な表面１１５かも得ら
れる利点がほとんどない。

堆積された導電層９０及び１１０はともに光検出器７０
中の光電流を検出するための電極として機能するが、（
層９０も非常に透明であれば有用であるか）層１１０は
電磁放射に対し著しく透明であるべきである。もし、層
１１０が金属たとえばＡｕ、　Ａｇ　　又はＡｔから成
るならば、層１１０の厚さは約１００オングストローム
ないし約：ｔ　ｏ　ｏ　：ｉングストロームの範囲にあ
る。約１００オングストローム以下の厚さは、そのよう
なたとえばスパッタ（（より堆積された金属層は、物理
的に（従って電気的に）不連続になりやすいため好まし
（ない。一方、約：（（１０オングストロ一ム以上の厚
さは、そのような厚い金属層は電磁放射に灼し、あまり
透明でないため、（入射電磁放射の約１０パーセント以
下が透過する）好ましくない。

導電性でかつ本質的に電磁放射に対し透明である層１１
０を製作−「るのに有用な別の材料は、インジウムスズ
酸化物である。インジウムスズ酸化物はたとえはスパッ
タリングにより、半絶縁層１００１−に堆積されろ。イ
ンジウムスズ酸化物のｊＩ７さは約：３００オングスト
ロームないし約２μｍのｌｉ’ｊ囲である。約３００オ
ングストローム以Ｆの厚さは、好ましくないほど小さな
コンダクタンスを有するインジウムスズ酸化物を生じる
。約２μｍ以上の厚さは、除外されないが、堆積に長時
間を有する。

層１１０を製作するのに有用な更に別の材料は、適切に
ドープされた半導体材料で、その禁制帯は半絶縁層１０
０の禁制帯より太き（・。たとえばもし半絶縁層１００
がたとえばクロムを約１０　’　８ｃｍ　’のレベルま
でトープしたカリウムひ素の層であったとすると、層１
１０はたとえばシリコンを約１０”ｍ−”のレベルまで
ドープしたカリウムひ素である。

層１１０用の半導体材料はたとえば低圧化学気相堆積法
により半絶縁層１００上に堆積されろ。これら半導体材
料の厚さは約３００オングストロームないし約２μｍで
ある。この範囲外の厚さは、（約２μｍ以上の厚さは除
外されないが）上で述べた理由により好ましくない。

層９０は本質的に電磁放射に対し透明（このことは除外
されないか）である必要はな（、従って層９０は上で述
べた厚さの範囲を何する（層１１０に関して）上で述べ
た材料の任意の一つから成る。しかし、透明であること
の必要性から生じる厚さ範囲の上限は、適用されない。

ＭＳＭ光検出器７０の第２の実施列において、一般的に
は−ヒ℃述べた第１の実施例と同様であるが、層１００
０半絶縁性材料はドープされ、少な（とも１．０３Ｖ／
ｃｒｎに等しい強度の内部電界を特徴３−するｐ−ｎ接
合を生じる。そのようなｐ−ｎ接合は、たとえば層１０
０の厚さの半分を堆積させ、ｎ形伝導形の材料が生じろ
ようにこの半分をドーゾングし、次に層１００の残りの
半分を堆積させ、ｐ形伝導形の材料が生じろようにこの
残った半分をドーピングすることにより形成される。

ｐ−ｎ接合に付随し℃内部電界バイアスが存在すること
により、光検出器７０の動作中導電層９０反び１１０に
外部電圧バイアスを印７７０する必要性はな（なる。

ＭＳＭ光検出器１０の第３の実施例において、この場合
も外部′重圧バイアスを印加する必要性がないか、電極
１１０（第２図）は（層１００と接触して）たとえばｐ
形伝導形の半導体材料の層を含み、゛電極９０は（層１
００と接触して）ｎ形電導形の半導体材料の層を含む。

従って、二つの電＠！、９０　、％び１１０及び半絶縁
層１００はｐ−１−ｎ接合を規定する。各種の半導体材
料が電極９ｏ及び１１０として有用であるが、イ尋られ
るｐ−１−ｎ接合は半絶縁層１００の厚さに渡って延び
、少な（とも１０３７７ｃｍの強度ケもつ内部電界を示
す必要がある。約１０３Ｖ／（７）より小さな強度の電
界は、キャリヤが半絶縁層の厚さを横切るのに安する時
間が好ましくないほど長くなるため好ましくない。

もちろん、光検出ａ７０内に生じる光電流は、電極９０
及び１１０で検出され、従って各成極は各半導体層とは
低抵抗接触（抵抗は約ｌＯオーム以下であるべきである
）を形成する金属層を含む。たとえば、もし電極１１０
が亜鉛をドープしたインジウムリンの層（ｐ形伝導形）
を含むならば、亜鉛−金合金のインジウムリンと低抵抗
接触を形成する。

もし電極９０がたとえばシリコンをトープしたインジウ
ムリンの層（ｎ形伝導形）を含むならば、たとえば金−
スス−ニッケル合金がインジウムリンと低抵抗接触を形
成するであろ５゜電極１１０が電磁放射に対し、著しく
透明であるためには、低抵抗接触を形成するために用い
られる金属層のｔ＋）さは、約３００オングストローム
以下にすべきで、−男手導体層の厚さは約１μｍ以下に
すべきである。

第３図を参照すると、ＭＳＭ光検出器１０の第４の実施
例は、一般的には第１の実施例と同様であるか、電気的
に絶縁性の基板８０（基板材料の抵抗は半絶縁性材料の
それより大きい）の本質的に周期的な表面ｕｂ上に、直
接堆積させた半絶縁性材料の層１００（材料は少な（と
もＩＫΩ−ｍの抵抗率を有する）を含む。光検出器の第
４の実施例はまた、半絶縁層１０υの不拘的に）Ｉ、１
期的な表面１１８５上に堆積された２個の空間的に分離
された導電層１２０及び１３０を含み、層１２０及び１
３０は光検出器７０の′成極を構、成する。

動作中電磁放射が本質的に周期的な表面１１！５Ｍｃ入
射した時、表面１１５は入射放射を表面１１５に隣接し
て移＠する伝搬電磁波として半絶縁層１００中に結合さ
せろ。この波か通過すると表面１１５付近に電子−正孔
対が形成され、印／ｌｌ′］電圧差の影響下で、電子及
び正孔は電極１２０又は１３０の一方又は他方に向って
移動する。

半絶縁層１００はたとえば通常のＣＶＤ技術により、基
板８０上に堆積され、光検出器１０の第１の実施例の半
絶縁層に関して述べた半絶縁性材料の任意の一つから成
る。層１００が物理的に確実に連続するように、厚さは
少な（とも１００オングストロームであるべきであるが
、半絶縁層１ｏｏの厚さは必要なだけ厚（する。

上で述べた光検出器゛１０（第３図）の第４の実施例に
おいて、半絶縁層１００中への電磁放射の結合は、成極
１２０及び１３０間の空間に閉じこめるのが好ましし・
０従って、成極は電磁放射に対し本質的に不透明（入射
放射の約ｌＯパーセント以上は電極を透過しない）な導
電性材料（少なくとも１ｏ−３（Ω−ｃｒｎ）−に等し
い導電率をもつ）で作るのが好ましい。たとえば、電極
１２０及び１３０がＡｕ　　又はＡｇ　　のような金属
から成るならば、成極の厚さは電極が本質的に不透明で
あるように、少な（とも２００オングストロームである
べきである。そのような金属電極は電磁放射を吸収する
表面１１５の一部分に金属が形成されるのを防止するた
め、たとえばパターン形成されたレジストのようなパタ
ーン形成されたマスク層を用い又、半絶縁層１００の表
面１１５上にスパッタされる。

ＭＳＭ元検出器７０（１π３図参照）９更に別の実施例
において、電極１２０及び１３０及び半絶縁層１００は
ｐ−１−ｎ接合を形成する。電極の位置が異なることを
除いて、このｐ−ｉ　−ｎ接合は上で述べたものと同一
である。もし成極１２０及び１３０が入射′電磁放射て
対し、本質的に不透明ｔｃらば、低抵抗電極を形成する
ために用いられる金属層は、少なくとも２００オングス
トロームの厚さに作られる。

第１例 第１図に示されたＭＯＭ光検出器と構造の点で同様のＡ
ｌ−Ｎ２０３−Ａｇ　　Ｍ　ＯＭ光検出器が、通常の浴
媒で（１辺１インチ、厚さ１ｍｍの）正方形の浴融石英
板を最初に浄化することにより製作された。俗融石英は
その上にＭＯＭ光検出器が製作される基板とし１働いた
。

沼融石英板の比較的平坦な上面は、最初に板上に約８０
０オングストロームの厚さにゲルマニウム薄膜を堆積さ
せることにより、（本質的に周期的な表面に）リングラ
フィで構造形成された。ゲルマニウム薄膜はちりが板の
表面につくのを防止するため、浄化工程の直後に堆積さ
れた。ゲルマニウム薄膜の目的はその後のフォトリング
ラフィ・プロセス中浴融石英板の表面からの光反射を減
すことであった。次に、約８００オングストロームの厚
さのホラ形フォトレジスト層が、ケルマニウム薄股上に
スピンコードされた。このフォトレジストはシブレー・
カンパニー・オブ・ニュートン、マサチューセッツによ
り、Ａ　Ｚ　ｌ　４５０　Ｂの商品名で売られている。

フォトレジストは二つの交差するレーザ光ビームに露出
された。各波長は等しく ３６３８オングストロームで、強度は約ｌＯμｗ　／　
ｒ、ｔｈに等しく、約３０秒間であった。二つの元ビー
ムはフォトレジスト表面に垂直な平面中で、約９４度の
角度で交差するように向けられた。浴融石英板は（それ
自身の平面内で）９０度回転し、フォトレジストは再び
約３０秒開一つの元ビームに露出された。シプレー・カ
ンパニーによりＡＺ３５１現像剤の商品名で売られ又い
る市販の現像剤を水で稀釈しく現像剤１に対し水５）、
フォトレジストに適用した。

次にエッチマスクとしてパターン形成されたフォトレジ
ストを用（・℃、ＣＢｒＦ３　　プラズマ中でゲルマニ
ウム薄膜を反応性イオンエッチした。このエツチング＋
−２１分当り約１．Ｏ標準立方センナメートルの割合で
反応性イオンエツチング容器中にＣＢｒＦ、　　を流し
、容器中の圧力は約１０ミクロンに保ち、パワー密度を
約（１，０５Ｗ／ｄにすることにより起った。

こｎらの条件下で、ゲルマニウム薄膜はその厚さ全部を
エッチするのに、約１０分必要とした。

フォトレジスト及びゲルマニウム薄膜中に描かれたパタ
ーンは、次に（パターン形成されたフォトレジスト及び
ゲルマニウム薄膜をエッチマスクとして用い′Ｃ）　溶
融石英をＣＨＦ、プラズマ中で約２５分間反応性イオン
エッチすることにより、浴融石英中に転写された。エツ
チング条件はパワー密度が約０．５Ｗ　／　ｔｒｉであ
ることを除（と、上で述べたものと同じであった。次に
、通常の浴媒でフォトレジスト及びゲルマニウム薄膜を
除去した。

同じプロセスを経た先の試料の走査電子顕微鏡から本質
的に周期的と考えられる溶融石英の表面は、凹凸間の平
均間隔が約２５００オングストロームで、凹凸の平均振
幅（頂点から溝までの距離の半分）が約１２５０オング
ストロームである凹凸の二次元アレイであることがわか
った。

次に、溶融石英板の本質的に周期的な表面上に、アルミ
ニウムストライプを蒸着するために、通常の蒸着法が用
いられた。このストライプの幅は約１ｍｍで、厚さは約
４４０オングストロームであった。次に、約３０ミクロ
ンの圧力で約１０分間酸素雰囲気中でアルミニウムスト
ライプをプラズマ酸化することにより、アルミニウムス
トライプ上にＮ、０．の層を形成した。Ａｔ２０．層の
厚さは、ＭＯＭ元検比検出器する後の容量から推測され
たように、約５０オングストロームであった。次に約１
１の幅及び約１８０オングストロームの銀のストライプ
が、アルミニウム層に対し直角に、酸化物」二に蒸沼さ
れた。従つ℃、アルミニウムストライプと銀ストライプ
の交差及びアルミニウム酸化物層により規定されるＭＯ
Ｍ光検出器は、−辺が１ｍであった。更に銀電極の表面
は不質的に周期的であった。

（浴融石英板の表面の形状と一致した。）上で述べたの
と同じ一般的なプロセスを用いて、２個のＭ　ＯＭ光検
出器も余分に製作された。これらＭ　ＯＭ光検出器の一
つは、凹凸かわすか約２５０オングストロームの平均振
幅を有する（溶融石英板の）本質的に周期的な表面上に
、製作された。（２５０オングストロームの凹凸の振幅
は、溶融石英なＣＨＦ。

プラズマ中でわずか約５分間反応性イオンエツチングす
ることにより実現した。）他方のＭＯＭ元検比検出器で
述べたように、しかし平坦な浴融石英表面−ヒに製作さ
れた。

波長が４７６．９　ｎ　ｍに等しく・（光検出器の基準
面、すなわち浴融石英板の最初の構造を形成してない表
面に垂直な平１１］］中［Ｐ偏光した）レーザ光が、本
質的に周期的な表面が２５０オングストロームに浄しい
平均振幅の凹凸をもつＭ　ＯＭ光検出器にに（銀電極上
に）向けられた。光検出器はそれをレーザ光ＶＣ露出し
又いる間、半面を掃引する光が検出器の基準面に対し爪
面を向く、Ｌうに、回転させた。

このプロセス中Ｍ　ＯＭ　）’を検出器から反射される
光は、パワーメータで七ニターされ、反射された光の強
度は光の入射角（光検出器の基準面の法線に対する角度
で、法線は光が掃引する平面内にある）の関数どじ℃記
録された。

反射光強度の鋭い減少（従って、光検出器に結付される
光の計の鋭い増加）が、５４度の入射角で認められた。

それは光検出器の銀電極中の表面プフスｔンポラリトン
の形成と一致する。すなわち、第（１）式と一致する。

他の２個のＭＯＭ光検出）Ａ％は両方とも、上で述べた
ように、Ｉ！−！１転しながらレーザー光に露出させた
。１ｔｌｌｌ定された反射光強度は入射角とともにゆっ
くり変化することがわかり（５４゛度での鋭い減少はな
かった）、それからほとんどの光又は光全部が表面プラ
スセンポラリトン中に結合しないことが結論された。

本質的に周期的な表面が１２５０オングストロームに等
しい平均振幅の凹凸（銀表向上の平均凹凸間隔は約２５
００オングストロームであった）を有するＭＯＭ元検出
器の光透過特性を、ケリイ・インストルメント・ニーポ
レーション・オブ・士ノビア・カリファルニアから購入
した市販のスペクトロメータ（モテル第１４号）の補助
で測定した。このスペクトロメータは同調可能な光源を
含み、それから光は光検出器−ヒに（銀電極−ヒＫ　）
垂直に回けられ、検出器が含まれ、それは光検出器を通
って透過する光の強度を入射光の波長の関数として測定
した。透過された光の強度は約０．３μｍないし約０．
９μｍの蛇囲の波長に対して測定された。透過九強度は
０．５μｍ付近に、広くかつ本質的な（ぼみのあること
がわかり、それから約０，５μｍＫ中心のある光の波長
帯か、銀電極中に局在プラズマ共振を形成することを通
し、光検出器中に結合されたことが推測された。（波長
及び入射角は表面プラズモンポラリトンの形成とは一致
しなかった。）一方、他の二つの検出器の透過強度は、
そのようなくぼみをもたなかった。

入射レーザ光に応答ｔ２て、３回の検出器のそれぞれの
中に生じる電子トンネル電流の太ささが測定され、一方
各検出器の銀電極は、アルミニウム電極に対し＋１．５
ボルトにバイアスされた。４７６．！ｌ　ｎ　ｍに等し
い波長及び約（１，２Ｗ／ｃｒ／ｉに等しい強度の入射
レーザ光が、５４度の角度（上で規定されたように）で
各光検出器の銀電極に入射した。光は１５０Ｉ（ｚ　　
でチョップされ、（上で述べたように）ｐ偏光にされた
。各光検出器中に生じる光′電流は通常のロックインア
ンプで測定した。本質的に周期的な表面をもないＭＯＭ
光検出器中では、０．１２マイクロメータの光電流が測
定された。これは約ｆｉ　Ｘ　ｌ　Ｏ’の量子効率（ｑ
、ｅ）に対応する。しかし、本質的に周期的な表面が２
５０オングストロームの平均凹凸間隔をもつＭＯＭ光検
出器中は、１）、８マイクロアンペアの光電流と４　Ｘ
　ｌ　Ｏ＝のｑ。

ｅが測定された。電流従ってＱ＋”が増加したのは、光
検出器の銀電極中の表向プラズモンポラリトンの形成に
よるものであった。更に、本質的に周期的な表面が１２
５０オングストロームの平均凹凸間隔をもつＭＯＭ光検
出器では、２マイクロアンペアの光°電流と約１Ｏ−３
のｑ、ｅが測定された。この最後の電流は光検出器の躍
電極−トの凹凸中の局在プラズマ共振の形成によるとこ
ろが太きかった。

第２例 第２図に示されたＭＳＭ光検出器と同様のＭＳＭ元検比
検出器第１例で述べたように浴融石英板の表面を浄化し
、構造形成することにより製作された。得られた浴融石
英板の本質的に周期的な表面は、平均振幅が約 １２５０オングストロームである凹凸を有した。平均凹
凸間隔は約２５００オングストロームであった。

次に、浴融石英板の本質的に周期的な表面上に、アルミ
ニウムストライブを堆積させるために、通常の蒸着技術
を用いた。ストライブの幅は約１胴で、一方スドライブ
の厚さは約３００オングストロームであった。次に厚さ
約３００オングストロームの水素添加アモルファスシリ
コン層を、アルミニウムストライプの中央領域−ヒに堆
積させた。シリコンはスパッタリングにより、【０″ｔ
ａｎ　Ｈｇ　　の圧力ておい又、（容積で）７５パーセ
ントのＡｒ及び２５パーｔントのＨｚ　　を含む雰囲気
中で、シリコンターゲットから２００℃におい又堆積さ
せた。「ｆ　パワー密度は約２Ｗ／ｉで、スパッタリン
グは約２分間続いた。アルミニウムストライプの端部に
アモルファスシリコンが堆積するのを防市し、後に電極
がアルミニウムストライプの端部に作れるように、通常
のシャドーマスク技術を用いた。約１ＩＩＩＩ＋ｌの幅
、約１５０オングストロームの厚さの銀のストライブを
、アルミニウムストライプに対し直角に、アモルファス
シリコン上に蒸着した。

浴融石英板の表面が比較的平であることを除き、上で述
べたプロセスにより、第２のＭＳＭ光検出器を製作した
。

第１例で述べたスペクトロメータを用いて、約７０００
オングストロームに等しいＭ　長（７）光が、（光検出
器の基準面に対し）垂直に（銀電極ｔａｌｃ）入射し、
本質的に周期的な表面をもつＭ　Ｓ　Ｍ光検出器中に効
率よく表面結合したことか確認された。（第（１，）式
と一致する）このＭＳＭ光検出器上に（垂直入射）７０
００オングストロームに等しり・波長の４ワツトの光を
ｌ　５０　Ｉ（ｚ　　でチョップし又入射させ、アルミ
ニウム４極１に対し銀電極を＋１．５ボルトにバイアス
したところ、ロックインアンプによりＭＳＮ光検出器中
ｉｆこ６ＸＩθ′ア　ンペアの光′底流を測定した。こ
れは約１．５パーセントのｑ、ｅに対応する。同じ条件
で比較すると、本質的に周期的な表面をもたないＭＳＭ
Ｓ検光検出器中じる光電流は、わずか４　Ｘ　ｌ　Ｏ”
アンペアで、それはわずか０．１パーセントのｑ、ｅに
対応する。

第３例 第１例で述べたように、浴融石英板の表面を浄化しかつ
構造形成することにより、第３図に示された型のＭＳＭ
光検出器を製作した。

得られた本質的に周Ｊυ１的な浴融石英板の表面は、平
均振幅が約１２５０オングストロームの凹凸を有した。

平均凹凸間隔は約２５００オングストロームであった。

次に、約：３００オングストロームの厚さの水素添加ア
モルファスシリコン層を、第２例で述べたプロセスを用
い、浴融石英板の本質的に周期的な表面上に堆積させた
。通常の蒸着及びマスク技術４／用いて、ア士ルフ）′
スシリコンの表向−にに、中央に２５μｍの間隔をもつ
アルミニウムストライプを堆積させた。

アルミニウムストライプの厚さは５００オングストロー
ムで、ストライブの幅は０．５咽であった。アルミニウ
ムストライプの半分２個は、ＭＳＭ元険出器の２個の成
極となった。

アルミニウムストライプの半分の一万はサンプリングオ
シロスコープに接続され、その出力は二二しマルチチャ
ネルアナライヂに接続された。アルミニウムストライプ
の他の半分は、１００ボルトｄｃバイアスに接続された
。次に１０１１秒の持続時間をもつレーザパルスを、ア
ルミニウム成極間の間隙に焦点を合わせた。レーザ、パ
ルスの波長は５７５ｎｍであった。あらかじめ選択され
た回数の信号掃引中、二口しアナライデにより生じたカ
ウント数は、光信号に応答し又ＭＳＭＳ検光検出器中じ
た醒流パルスの大きさに比例し池信号掃引の数は１０２
４に選択した。

４０ミリワツトの・レーザパワーを用い、基準面に対し
垂直に入射させたところ、ＭＳＭ光検出器からのピーク
出力は９３００カウントであった。４５度の入射角にお
いて、光は（第（１）式に従い）効率よ（アｔルファス
シリコンに表面結合し、ピーク出力は７０，０００カウ
ントであった。平坦な浴融石英表面上に（上で述べたよ
うに）製作された同様のＭＳＭ光検出器からのピーク出
力を、同じ条件下で比較すると、わずか３０００カウン
トであった。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３閃ま本発明により実現される光検出器の
断面図である。 〔主要部分の符号の説明］ 基体・・・・・・・・・・・・・・・・・４０，１００
検出手段・・・・・・・・・・３０．１３０（５９） 第１頁の続き 優先権主張　＠１９８２年１１月３０日■米国（ＵＳ）
■４４５４６１ ０発　明　者　ポール・フーーハン・リアオアメリカ合
衆国０７７０１ニュージ ャーシイ・モンマウス・フェア ・ハヴン・ドッグウッド・レー ン４８

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｌ　電磁放射に露出された時検出可能な変化をする基体
   であって、該基体が電磁放射に露出された時に該変化を
   検出する手段（たとえば、３０．１３ｔｌ）を含む基体
   （たとえは４０，１００）から成る光検出器にお（・℃
   、 該基体はまた、木質的に胤期的な構造形成された表面を
   も含むことを特徴とする光検出器。 ２、特許請求の範囲第１項に記載された光検出器におい
   て、 該構造形成された表面の突出部間の平均間隔Δは、該光
   検出器により検出される電磁放射の波長に比例すること
   を更に特徴とする光検出器。 ３　特許請求の範囲第２項にｉＣ載された光検出器にお
   い又、 該突出部の振幅は、約（］６１Δないし約ｌＯＡの範囲
   にあることを更に特徴とする光検出器。 ４１％許請求の範囲第１項に記載された光検出器におい
   て、 該基体は金属の第１（たとえば３０）及び第２（たとえ
   ばｊＯＪ層間にはさまれた電気的に絶縁性の層（たとえ
   ば４０）を含み、金属の該第２の層は該光検出器の動作
   中電磁放射に露出される該構造形成表向を含むことを更
   に特徴とする光検出器。 ５　％許請求の範囲第４項に１１己載された光検出器に
   おいて、 該電気的絶縁層は約ＩＯ４■／ｃｒｎ以上の誘電体降伏
   強度を有することを更に特徴とする光検出器。 ６　特許請求の範囲第５項に記載された光検出器におい
   て、 該電気的絶縁層は、金属酸化物であることを更に特徴と
   する光検出器。 ７　特許請求の範囲第５項に記載された光検出器におい
   ′℃、 該絶縁層の厚さは約１０オングストロームないし約１０
   　（１オングストロームの範囲にあることを更に特徴と
   する方法。 ８　特許請求の範囲第７項に記載された光検出器にお（
   ・て、 該金属層の厚さは約１００オングストロームないし約３
   ００オングストロームの範囲にあることを四に特徴とす
   る方法。 ９　特許請求の範囲第１項に記載された光検出器におい
   又、 変化を検出するための該手段は、該基体と接触した第１
   及び第２の分離された成極（たとえば１２０．１３０）
   を含み、該基体は半絶縁性であることを更に特徴とする
   方法。 ｌＯ！＃許請求の範囲第９項に記載された光検出器に′
   旧い℃、 該第１及び第２屯極のそれぞれは、該第（３） 絶縁性材料に接触した導電性材料の層を含むことを更に
   特徴とする光検出器。 １１　　特許請求の範囲第１Ｏ項に記載された光検出器
   にお（・又、 該第１の電極（たとえば１３０）は該半絶縁性材料の表
   面の一部と重畳し、該第２のＥ４Ｉ！（たとえば１２０
   ）は該半絶縁性材料の同じ表面の異なる部分と重畳し、
   該半絶縁性材料の該表面は該電極間に延びる該構造形成
   面を含むことを更にｖｊ徴とする光検出器。 １２、特許請求の範囲第９項に記載された光検出器にお
   いて、 該第１の電極は禁制帯幅が該半絶縁性材料の禁制帯より
   大ぎい半導体材料の層を含むことを更Ｋｔｆｆ徴とする
   光検出器。 １３　特許請求の範囲第９項に記載された光検出滞りこ
   おい又、 該半絶縁性材料はｐ−ｎ接合を含むことを更に特徴とす
   る光検出器。 （４） １４　特許請求の範囲第５）項に記載された光検出器に
   おいて、 該第１の電極は半導体材料の第１の層を含み、該＠２の
   電極は半導体材料の第２の層を含み、該第１の半導体材
   料層の伝導形は、該第２の半導体材料層のそれとは相対
   することを特徴とする光検出器。