WO2011064993A1 - 受光素子の作製方法、受光素子作製装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a light receiving element manufacturing method, and more particularly to a light receiving element manufacturing method and a light receiving element manufacturing apparatus capable of easily manufacturing an element having sensitivity to a specific wavelength without selecting a material.
  • the light receiving element receives light in a state where a depletion layer is formed by applying a reverse bias voltage to the PN junction.
  • Light incident on the light receiving surface of the light receiving element is absorbed in a region having a small energy band called a light absorbing layer, and carriers are generated in the light absorbing layer.
  • Carriers generated by light absorption are accelerated by an internal electric field gradient based on the applied reverse bias voltage and detected as an electric signal.
  • the wavelength region where the light receiving sensitivity can be given is limited due to the limitation of the material technology.
  • Non-Patent Document 1 a technique for detecting only near-field light having no sensitivity to propagating light using a non-adiabatic process using near-field light has been proposed.
  • the technique of Non-Patent Document 1 described above does not focus on how easily an element having sensitivity to a specific wavelength can be produced without selecting a material.
  • the present invention has been devised in view of the above-described problems, and the object of the present invention is to easily select an element having sensitivity to a specific wavelength without selecting a material.
  • An object of the present invention is to provide a light receiving element manufacturing method and a light receiving element manufacturing apparatus.
  • a method for manufacturing a light receiving element according to claim 1 of the present invention is connected to a PN junction obtained by bonding a P-type semiconductor and an N-type semiconductor, and to the P-type semiconductor and the N-type semiconductor, respectively.
  • a material constituting any one of the P-type semiconductor, the N-type semiconductor, and the electrodes is applied with a reverse bias voltage, and the absorption wavelength of the material to be deposited
  • the irradiated light of the desired wavelength is absorbed through a non-adiabatic process by the near-field light generated in the local shape to generate electrons, and the generated electrons
  • Non-adiabatic flow that continuously cancels the occurrence of the local electric field based on the reverse bias voltage in the place shape, and the place where the local electric field based on the reverse bias voltage occurs in the place where the local shape is not formed
  • Particles constituting the material are sequentially adsorbed, and when the local shape is formed through the adsorption process, the particle adsorbing flow moves to the non-adiabatic flow.
  • the method for producing a light receiving element according to claim 2 of the present application is the invention according to claim 1, wherein the non-adiabatic flow and the particle adsorption flow are continuously performed, whereby the local surface is deposited on the surface of the deposited material. It is characterized in that the shape is sequentially formed.
  • the light receiving element according to claim 3 of the present application is manufactured by the method for manufacturing a light receiving element according to claim 1 or 2.
  • a light receiving element manufacturing apparatus manufactures a light receiving element having a PN junction obtained by bonding a P-type semiconductor and an N-type semiconductor, and each electrode connected to the P-type semiconductor and the N-type semiconductor.
  • the material constituting any one of the P-type semiconductor, the N-type semiconductor, and the electrodes is longer than the voltage application means for applying a reverse bias voltage and the absorption wavelength of the material to be deposited.
  • the irradiation light of the desired wavelength is absorbed through the non-adiabatic process by the near-field light generated in the local shape to generate electrons, and the generated electrons generate the electrons.
  • a non-adiabatic flow that continuously cancels the occurrence of a local electric field based on the reverse bias voltage in the shape, and the location where the local electric field based on the reverse bias voltage is generated at a location where the local shape is not formed.
  • the particles constituting the material are sequentially adsorbed, and when the local shape is formed through the adsorption process, a particle adsorption flow that moves to the non-adiabatic flow is executed.
  • an element having sensitivity to a specific wavelength can be easily manufactured without selecting a material.
  • FIG. 1 shows a configuration of a sputtering apparatus 3 for realizing a light receiving element manufacturing method to which the present invention is applied.
  • the light receiving element 1 In the sputtering apparatus 3, the light receiving element 1, a base 32 for installing the light receiving element 1, a target 34 disposed on the side facing the light receiving element 1, and the target 34 are mounted.
  • the power supply 36 is provided outside the chamber 31 and connected to the electrode 35, and the optical oscillator 37 is provided on the side of the chamber 31. Composed.
  • an inert gas such as Ar is introduced, and a voltage is applied to the electrodes by the power source 36 to discharge.
  • a plasma state can be created in the vicinity of the surface of the target 34. Since the potential of the generated plasma is usually higher than the surface of the target 34, a DC electric field is generated between the plasma and the target 34. Positive ions such as Ar + in the inert gas are accelerated by the generated electric field and collide with the surface of the target 34.
  • sputtering occurs, so that fine particles on the target 34 are sequentially emitted. Incidentally, the emitted fine particles are deposited on the light receiving element 1 without colliding with molecules of the inert gas.
  • FIG. 2 shows a detailed configuration of the light receiving element 1 actually installed on the table 32.
  • the light receiving element includes a first electrode 12 stacked on a substrate 11, an N-type semiconductor 13 connected to the first electrode 2, a P-type semiconductor 14 forming a PN junction with the N-type semiconductor 13, And a second electrode 15 connected to the P-type semiconductor 14.
  • a power source 17 is connected to the first electrode 12 and the second electrode 15, and a reverse bias voltage is loaded so that the N-type side is a positive voltage and the P-type side is a negative voltage.
  • the substrate 11 is formed of a so-called sapphire, silicon substrate, or the like.
  • the first electrode 12 is composed of a transparent electrode or the like, and for example, ITO (Indium Tin Oxide) may be used.
  • ITO Indium Tin Oxide
  • Ag or the like may be used for the second electrode 15.
  • the first electrode 12 and the second electrode 15 are not limited to these, and any material may be used.
  • the N-type semiconductor 13 for example, a semiconductor represented by ZnO, In 2 O 3 , SnO 2 or the like may be used.
  • the P-type semiconductor 14 polythiophene (P3HT) or the like may be used.
  • the N-type semiconductor 13 and the P-type semiconductor 14 constituting the PN junction are not limited to these, and any material may be used.
  • the power source 17 is composed of a stabilized DC power source, a battery, and the like.
  • the material constituting any of the P-type semiconductor 14, the N-type semiconductor 13, and the electrodes 12 and 15 is deposited by sputtering.
  • this deposition step light having a wavelength longer than the absorption wavelength of the material to be deposited is applied to the optical oscillator 37 while applying a reverse bias voltage to the PN junction composed of the P-type semiconductor 14 and the N-type semiconductor 13 described above. Is emitted.
  • the light emitted from the optical oscillator 37 is guided onto the light receiving element 1 through the window 31a.
  • the wavelength of the light emitted from the optical oscillator 37 is referred to as a desired wavelength.
  • FIG. 3 shows a microscopic state of the material surface when the material constituting the N-type semiconductor 13 is deposited by sputtering.
  • a local electric field based on the reverse bias voltage is generated on the surface of the N-type semiconductor 13.
  • the particles 51 constituting the material of the N-type semiconductor 13 are sequentially adsorbed at the location where the local electric field is generated. Through this adsorption process, materials are sequentially deposited on the surface of the N-type semiconductor 13.
  • the flow in which the particles 51 are sequentially adsorbed to the local electric field is referred to as a particle adsorption flow.
  • the local shape 54 shown in FIG. 3 may be formed by chance.
  • the local shape 54 is a shape that can generate near-field light more effectively when the above-described light having the desired wavelength is irradiated.
  • the local shape 54 that can generate this near-field light varies depending on the wavelength of the irradiated light. For this reason, when the desired wavelength is changed, the local shape 54 that can generate near-field light is naturally different. That is, the local shape 54 is unique for each desired wavelength.
  • the local shape 54 capable of effectively generating near-field light with respect to the desired wavelength to be irradiated this time is a shape as shown in FIG. 3, the local shape 54 is temporarily formed in another location. Therefore, near-field light based on the desired wavelength is generated in the same manner.
  • FIG. 4 shows a conceptual diagram of the potential energy of the material of the N-type semiconductor 13. It is stable in a state where the internuclear distance of the atoms constituting the material of the N-type semiconductor 13 is kept constant. However, photon energy excites electrons in the molecular orbitals.
  • This non-adiabatic process can be thought of as a model in which bonds between atoms are replaced with springs, as shown in FIG.
  • the wavelength of propagating light is much larger than the size of the molecule, so it can be regarded as a spatially uniform electric field at the molecular level.
  • adjacent electrons are vibrated with the same amplitude and the same phase by the spring. Since the atomic nucleus of the photosensitive resin film 12 is heavy, it cannot follow the vibration of the electrons, and the molecular vibration is hardly caused in the propagating light. In this way, in propagation light, it can be ignored that molecular vibrations are involved in the excitation process of electrons, so this process is called an adiabatic process (see Non-Patent Document 1).
  • the spatial electric field gradient of near-field light decreases very steeply. For this reason, near-field light gives different vibrations to adjacent electrons, and as shown in FIG. 5B, heavy nuclei are also vibrated by the vibrations of the different electrons.
  • energy corresponds to the form of molecular vibration. Therefore, in near-field light, as shown in FIG. 4, an excitation process (non-adiabatic process) via a vibration level occurs. It becomes possible.
  • the excitation process via the vibration level of the nucleus is called a non-adiabatic process because the nucleus moves in response to the adiabatic process that is a normal optical response (see Non-Patent Document 1).
  • the non-adiabatic process electrons are excited through vibration levels as shown in FIG. 4, so that even a light having a wavelength longer than the absorption wavelength of the material to be deposited can be excited to an excited state. Electrons can be generated.
  • the local shape 54 is excited to an excited state based on a non-adiabatic process.
  • this non-adiabatic process even light of low energy, that is, light having a desired wavelength that is longer than the absorption wavelength of the material to be deposited can be excited by the excitation process via the vibration level described above.
  • electrons can be selectively generated only for the local shape 54.
  • a flow in which electrons are generated in the local shape 54 through a non-adiabatic process based on such near-field light and a local electric field is generated in the local shape 54 based on the generated electrons is hereinafter referred to as a non-adiabatic flow.
  • a non-adiabatic flow is continuously generated in the local shape 54, and electrons are continuously generated in the local shape 54.
  • the generation of a local electric field in the local shape 54 is always canceled by the electrons.
  • the local shape 54 can prevent the particles 51 constituting the material of the N-type semiconductor 13 from being adsorbed. It becomes possible. As a result, the local shape 54 is not adsorbed by the particles 51, and the shape is maintained until the deposition process is completed.
  • the method of manufacturing the light receiving element to which the present invention is applied allows the local shape 54 to be sequentially formed on the surface of the deposited material by continuously executing the non-adiabatic flow and the particle adsorption flow described above. To do.
  • the local shape 54 is sequentially formed on the surface of the deposited material.
  • a large number of local shapes 54 are formed on the surface of the N-type semiconductor 13 where the deposition process is finally completed.
  • the first electrode 12 and the second electrode 15 have a positive voltage on the N-type side.
  • the reverse bias voltage is loaded so that the P-type side becomes a negative voltage, and the depletion layer formed in the PN junction is irradiated with light to be received.
  • near-field light is generated in the local shape 54 when light having a desired wavelength is incident. This is because the local shape 54 can generate near-field light more effectively when irradiated with light of a desired wavelength, as described above.
  • a light receiving element having sensitivity to a specific wavelength when it is desired to manufacture a light receiving element having sensitivity to a specific wavelength, by irradiating light having the specific wavelength as a desired wavelength, A light receiving element capable of receiving light of the desired wavelength can be manufactured. Therefore, according to the present invention, an element having sensitivity to a specific wavelength can be easily manufactured without selecting a material.
  • FIG. 8 shows the wavelength dependence with respect to the photocurrent of the light receiving element 1 manufactured through the method for manufacturing the light receiving element to which the present invention is applied.
  • Each plot is an example when the light intensity of incident light is 0.1 mW, 0.5 mW, and 1.0 mW, respectively.
  • the horizontal axis represents wavelength and the vertical axis represents photocurrent.
  • the peak of the received photocurrent was 620 nm.
  • near-field light is generated in the local shape 54 and a non-adiabatic process occurs, and light of a desired wavelength having a wavelength of 660 nm is received as light on a low wavelength side centering on the wavelength of 620 nm. Can do.
  • the present invention is not limited to this, and other P-type semiconductors 14, the respective electrodes 12, The same technical idea can be applied when depositing 15.
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Abstract

　特定の波長に対して感度を持たせた素子を材料の選定を行うことなく容易に作製可能な受光素子の作製方法を提供する。　Ｐ型半導体１４、Ｎ型半導体１３、各電極１２、１５の何れかを構成する材料を、逆バイアス電圧を印加するとともに、堆積させる材料の吸収波長よりも長波長である希望波長の光を照射しつつ堆積させる堆積工程を有し、この堆積工程は、照射光により近接場光を発生可能な局所形状５４が堆積させている材料表面に形成されている箇所では、近接場光による非断熱過程を通じて希望波長の照射光を光吸収して電子を生成するとともに、その電子により当該局所形状５４に逆バイアス電圧に基づく局所電場を打ち消す非断熱フローと、局所形状５４が未形成の箇所では、逆バイアス電圧に基づく局所電場が生じた箇所に粒子５１を順次吸着させ、その結果、局所形状５４が形成された場合には非断熱フローへ移行する粒子吸着フローとを有する。

Description

受光素子の作製方法、受光素子作製装置
　本発明は、受光素子の作製方法に関し、特定の波長に対して感度を持たせた素子を材料の選定を行うことなく容易に作製可能な受光素子の作製方法、受光素子作製装置に関する。
　受光素子は、ＰＮ接合に逆バイアス電圧を印加して空乏層を形成させた状態で受光を行う。受光素子の受光表面に入射した光は光吸収層と呼ばれるエネルギーバンドの小さい領域で吸収されて当該光吸収層にキャリアを発生させる。光吸収により生じたキャリアは、印加された逆バイアス電圧に基づく内部電場勾配により加速されて電気信号として検出されることになる。
　ところで、この受光素子について、ある特定の波長に対して感度を持たせるためには、その波長に基づく光子エネルギーよりも小さなバンドギャップを持つ材料を選定する必要がある。しかしながら、現代社会においてセキュリティなどへの光技術の応用といった、多様で高度な社会的要求が高まる中、受光可能波長に関する要求は、多岐に亘る。このため、受光素子に対して感度を持つ波長を新たに設定したり、或いは以前から製造していた受光素子に対して感度を持つ波長を他の波長に切り替える場合には、その都度材料の選定をしなければならず、製造労力の負担が増大してしまうという問題点があった。このため、特定の波長に対して感度を持たせた素子を材料の選定を行うことなく容易に作製可能な製造技術が従来より求められていた。
　これに加えて、現在に至るまでに提案されている受光素子では、材料技術の限界から、受光感度を持たせることができる波長領域は限られている。このような従来の受光素子において、到底光電変換することができない波長の光が入射された場合であっても、これを光電変換することができれば、受光可能波長に関する様々なニーズにも応えることができる。
　近年では、非特許文献１に示すように近接場光による非断熱過程を用いて、伝搬光に感度を持たない近接場光のみを検出する技術が提案されている。しかしながら、上述した非特許文献１の技術では、特定の波長に対して感度を持たせた素子を材料の選定を行うことなく、いかに容易に作製するかに焦点を当てたものではない。
T. Kawazoe、 K. Kobayashi、 S. Takubo、 and M. Ohtsu、 J. Chem. Phys.、 Vol.122、 No.2、January 2005、 pp.024715 1-5
　そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、特定の波長に対して感度を持たせた素子を材料の選定を行うことなく容易に作製可能な受光素子の作製方法、受光素子作製装置を提供することにある。
　本願請求項１記載の受光素子の作製方法は、上述した課題を解決するために、Ｐ型半導体とＮ型半導体とを接合したＰＮ接合と、上記Ｐ型半導体並びにＮ型半導体にそれぞれ接続された各電極とを有する受光素子の作製方法において、上記Ｐ型半導体、上記Ｎ型半導体、上記各電極の何れかを構成する材料を、逆バイアス電圧を印加するとともに、堆積させる材料の吸収波長よりも長波長である希望波長の光を照射しつつ堆積させる堆積工程を有し、上記堆積工程は、上記希望波長の照射光により近接場光を発生可能な局所形状が上記堆積させている材料表面に形成されている箇所では、当該局所形状に発生した近接場光による非断熱過程を通じて上記希望波長の照射光を光吸収して電子を生成するとともに、その生成した電子により当該局所形状に上記逆バイアス電圧に基づく局所電場が生じるのを打ち消すことを連続して行う非断熱フローと、上記局所形状が未形成の箇所では、上記逆バイアス電圧に基づく局所電場が生じた箇所に上記材料を構成する粒子を順次吸着させ、その吸着プロセスを経て上記局所形状が形成された場合には上記非断熱フローへ移行する粒子吸着フローとを有することを特徴とする。
　本願請求項２記載の受光素子の作製方法は、請求項１記載の発明において、上記非断熱フローと上記粒子吸着フローとを継続して実行することにより、上記堆積させている材料表面に上記局所形状を順次形成させていくことを特徴とする。
　本願請求項３記載の受光素子は、請求項１又は２記載の受光素子の作製方法により作製されたことを特徴とする。
　本願請求項４記載の受光素子作製装置は、Ｐ型半導体とＮ型半導体とを接合したＰＮ接合と、上記Ｐ型半導体並びにＮ型半導体にそれぞれ接続された各電極とを有する受光素子を作製するための受光素子作製装置において、上記Ｐ型半導体、上記Ｎ型半導体、上記各電極の何れかを構成する材料を、逆バイアス電圧を印加する電圧印加手段と、堆積させる材料の吸収波長よりも長波長である希望波長の光を照射しつつ堆積させる堆積手段とを有し、上記堆積手段は、上記希望波長の照射光により近接場光を発生可能な局所形状が上記堆積させている材料表面に形成されている箇所では、当該局所形状に発生した近接場光による非断熱過程を通じて上記希望波長の照射光を光吸収して電子を生成するとともに、その生成した電子により当該局所形状に上記逆バイアス電圧に基づく局所電場が生じるのを打ち消すことを連続して行う非断熱フローと、上記局所形状が未形成の箇所では、上記逆バイアス電圧に基づく局所電場が生じた箇所に上記材料を構成する粒子を順次吸着させ、その吸着プロセスを経て上記局所形状が形成された場合には上記非断熱フローへ移行する粒子吸着フローとを実行することを特徴とする。
　上述した構成からなる本発明によれば、特定の波長に対して感度を持たせた素子を材料の選定を行うことなく容易に作製することが可能となる。
本発明を適用した受光素子の作製方法を実現するためのスパッタリング装置の構成を示す図である。 実際に台上に設置される受光素子の詳細な構成を示す図である。 Ｎ型半導体を構成する材料をスパッタリング堆積させている際の材料表面の微視的な状態を示す図である。 Ｎ型半導体の材料のポテンシャルエネルギーの概念図を示す図である。 非断熱過程を説明するための、原子同士の結合をバネで置き換えたモデルを示す図である。 非断熱フローと粒子吸着フローとを継続して実行する場合について示す図である。 非断熱過程を利用した受光プロセスについて説明するための図である。 本発明を適用した受光素子の作製方法を経て作製された受光素子の光電流に対する波長依存性を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
　図１は、本発明を適用した受光素子の作製方法を実現するためのスパッタリング装置３の構成を示している。
　このスパッタリング装置３は、チャンバ３１内に受光素子１と、受光素子１を設置するための台３２と、受光素子１に対向する側に配設されたターゲット３４と、このターゲット３４が装着される電極３５とを配設して構成され、またこのチャンバ３１の外部において、電極３５と接続されて配設される電源３６と、チャンバ３１の側方等に設置される光発振器３７とを備えて構成される。
　スパッタリング装置３では、チャンバ３１内を約１０-2Ｔｏｒｒまで排気した後に、Ａｒ等の不活性ガスを導入し、さらに電源３６により電極に対して電圧を印加し放電させる。これにより、ターゲット３４表面近傍において、プラズマ状態を作り出すことができる。この生成されたプラズマの電位は、通常ターゲット３４表面より高くなるため、プラズマとターゲット３４との間で直流的な電界が生じることになる。不活性ガス中のＡｒ+等の正イオンは、この生じた電界により加速されて、ターゲット３４表面に衝突し、その結果スパッタリングが起こるため、ターゲット３４上の微粒子が順次放出される。ちなみに、この放出された微粒子は、不活性ガスの分子と衝突することなく、受光素子１上に堆積されることになる。
　図２は、実際に台３２上に設置される受光素子１の詳細な構成を示している。この受光素子は、基板１１上に積層された第１の電極１２、第１の電極２に接続されたＮ型半導体１３、Ｎ型半導体１３との間でＰＮ接合を構成するＰ型半導体１４、Ｐ型半導体１４に接続された第２の電極１５とを備えている。この第１の電極１２、第２の電極１５には、電源１７が接続されており、Ｎ型側が正電圧、Ｐ型側が負電圧となるように逆バイアス電圧が負荷されることになる。
　基板１１は、いわゆるサファイヤ、シリコン等の基板等で構成される。
　また、第１の電極１２は、透明電極等で構成され、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を使用するようにしてもよい。第２の電極１５は、例えばＡｇ等を使用するようにしてもよい。但し、これら第１の電極１２、第２の電極１５は、これらに限定されるものではなく、いかなる材料を用いるようにしてもよい。
　Ｎ型半導体１３は、例えばＺｎＯ、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2等に代表される半導体を用いるようにしてもよい。Ｐ型半導体１４は、ポリチオフェン（Ｐ３ＨＴ）等を用いるようにしてもよい。但し、これらＰＮ接合を構成するＮ型半導体１３、Ｐ型半導体１４は、これらに限定されるものではなく、いかなる材料を用いるようにしてもよい。
　電源１７は、安定化直流電源、電池等で構成されている。
　本発明を適用した受光素子の作製方法では、Ｐ型半導体１４、Ｎ型半導体１３、各電極１２、１５の何れかを構成する材料をスパッタリングにより堆積させる。この堆積工程においては、上述のＰ型半導体１４、Ｎ型半導体１３より構成されるＰＮ接合に対して逆バイアス電圧を印加しつつ、堆積させる材料の吸収波長よりも長波長の光を光発振器３７により出射する。この光発振器３７により出射された光は、窓３１ａを介して受光素子１上へと導かれる。以下、この光発振器３７により出射された光の波長を希望波長という。
　以下、この受光素子１においてＰ型半導体１４、Ｎ型半導体１３、各電極１２、１５のうち、Ｎ型半導体１３を構成する材料をスパッタリング堆積させる場合を例にとり説明をする。図３は、このＮ型半導体１３を構成する材料をスパッタリング堆積させている際の材料表面の微視的な状態を示している。
　Ｎ型半導体１３の表面には、逆バイアス電圧に基づく局所電場が生じている。この局所電場が生じた箇所には、Ｎ型半導体１３の材料を構成する粒子５１が順次吸着されることになる。この吸着プロセスを通じてＮ型半導体１３の表面に材料が順次堆積していくことになる。この局所電場に対して粒子５１が順次吸着されるフローを、以下、粒子吸着フローという。
　ところで、このようなスパッタリング堆積を実行していく過程において、例えば図３に示す局所形状５４が偶然に形成される場合がある。この局所形状５４は、上述した希望波長の光が照射された場合に近接場光をより効果的に発生させることができる形状である。
　この近接場光を発生させることができる局所形状５４は、照射されてくる光の波長によって異なる。このため、希望波長を変更した場合には、それによって近接場光を発生させることができる局所形状５４も当然に異なる。即ち、この局所形状５４は、希望波長毎に特有となる。
　今回照射する希望波長に対して近接場光を効果的に発生させることができる局所形状５４が図３に示すような形状であれば、他の箇所において局所形状５４が仮に形成されていた場合には、当該箇所においても希望波長に基づく近接場光が同様に発生することになる。
　このような近接場光が発生すると、以下に説明するような非断熱過程が生じる。図４は、Ｎ型半導体１３の材料のポテンシャルエネルギーの概念図を示している。Ｎ型半導体１３の材料を構成する原子の原子核間距離を一定に保った状態で安定している。しかし光子エネルギーにより分子軌道中の電子が励起される。
　この非断熱過程とは、図５に示すように、原子同士の結合をバネで置き換えたモデルで考えることができる。一般に伝搬光の波長は分子の寸法に比べると遥かに大きいため、分子レベルでは空間的には一様な電場とみなせる。その結果、図５(a)に示すように、バネで隣り合う電子は同振幅、同位相で振動させられる。感光性樹脂膜１２の原子核は重いため、この電子の振動には追従できず、伝搬光では分子振動は極めて起こりにくい。このように伝搬光では、分子振動が電子の励起過程に関わることを無視することができるため、この過程を断熱過程という（非特許文献１参照。）。
　一方、近接場光の空間的な電場勾配は非常に急峻に低下する。このため近接場光では隣り合う電子に異なる振動を与えることになり、図５(b)に示すように、この異なる電子の振動により重い原子核も振動させられる。近接場光が分子振動を起こすことは、エネルギーが分子振動の形態を取ることに相当するため、近接場光では図４に示すように、振動準位を介した励起過程（非断熱過程）が可能となる。このように原子核の振動準位を介した励起過程は、通常の光学応答である断熱過程に対し、原子核が応答し動くため、非断熱過程という（非特許文献１参照。）。非断熱過程では、図４に示すように振動準位を介し電子を励起するため、堆積させる材料の吸収波長よりも長波長である希望波長の光でもこれを励起状態まで励起させることができ、電子を生成させることが可能となる。
　このように、局所形状５４において近接場光を発生させることにより、当該局所形状５４において非断熱過程に基づいて励起状態へ励起されることになる。この非断熱過程では、エネルギーの低い光、即ち堆積させる材料の吸収波長よりも長波長である希望波長の光であっても、上述した振動準位を介した励起過程により励起させることが可能となり、局所形状５４のみに対して選択的に電子を生成させることが可能となる。
　このようにして局所形状５４に対して局所的に電子が生成されると、その生成した電子により当該局所形状５４に逆バイアス電圧に基づく局所電場が生じるのを打ち消すことが可能となる。以下、このような近接場光に基づく非断熱過程を通じて局所形状５４において電子を生成させ、その生成した電子に基づいて局所形状５４に局所電場が生じるのを打ち消すフローを以下、非断熱フローという。堆積工程の間、希望波長の光を照射し続けることにより、局所形状５４において非断熱フローが連続して生じることになり、当該局所形状５４において電子が連続して発生し続けることになる。その結果、局所形状５４には局所電場が発生するのを、この電子により常に打ち消されることになる。
　そして、局所形状５４において非断熱フローが生じ、局所電場が打ち消されることになるため、当該局所形状５４には、Ｎ型半導体１３の材料を構成する粒子５１が吸着されるのを防止することが可能となる。その結果、局所形状５４は、粒子５１が吸着されることが無くなり、堆積工程が終了するまでその形状が維持されることになる。
　このように、本発明を適用した受光素子の作製方法は、上述した非断熱フローと粒子吸着フローとを継続して実行することにより、堆積させている材料表面に局所形状５４を順次形成させていくことを行う。
　図６(a)に示すように、箇所Ａにおいて偶発的に局所形状５４が形成された場合には、当該箇所Ａにおいて非断熱フローが進行し、局所電場が打ち消されることになる。また、箇所Ａ以外は、局所形状５４が形成されなかったため、粒子吸着フローに基づいて粒子５１が順次堆積されることになる。
　次に図６(b)に示すように、箇所Ｂにおいて粒子吸着フローに基づく粒子５１の堆積が連続的に起こった結果、偶発的に局所形状５４が形成された場合には、非断熱フローに移行し、局所電場が打ち消されることになる。箇所Ａ、Ｂは、非断熱フローが繰り返し起きる結果、局所電場の打ち消しが継続して行われ、粒子５１の吸着を防止することが可能となる。その結果、箇所Ａ、Ｂは、局所形状５４を維持し続けることになる。この間、箇所Ａ、Ｂ以外は、粒子吸着フローが継続して進行することになる。
　次に図６(c)に示すように、箇所Ｃにおいて粒子吸着フローに基づく粒子５１の堆積が連続的に起こった結果、偶発的に局所形状５４が形成された場合には、非断熱フローに移行し、局所電場が打ち消されることになる。箇所Ｃも、箇所Ａ、Ｂと同様に非断熱フローが繰り返し起きる結果、局所電場の打ち消しが継続して行われ、粒子５１の吸着を防止することが可能となる。その結果、箇所Ｃも、箇所Ａ、Ｂと同様に、局所形状５４を維持し続けることになる。この間、箇所Ａ、Ｂ、Ｃ以外は、粒子吸着フローが継続して進行することになる。
　次に図６(d)に示すように、箇所Ｄにおいて粒子吸着フローに基づく粒子５１の堆積が連続的に起こった結果、偶発的に局所形状５４が形成された場合には、非断熱フローに移行し、局所電場が打ち消されることになる。箇所Ｄも同様に非断熱フローが繰り返し起きる結果、局所電場の打ち消しが継続して行われ、粒子５１の吸着を防止することが可能となる。
　このようにして、堆積させている材料表面に局所形状５４が順次形成されていくことになる。そして、最終的に堆積工程が終了したＮ型半導体１３の表面には、この局所形状５４が多数に亘り形成された状態となる。
　本発明を適用した受光素子の作製方法に基づいて作製された受光素子１により実際に光電変換処理を行う場合には、第１の電極１２、第２の電極１５には、Ｎ型側が正電圧、Ｐ型側が負電圧となるように逆バイアス電圧を負荷し、このＰＮ接合に形成される空乏層に対して受光させるべき光を照射する。そのとき、希望波長の光が入射された場合には、局所形状５４において近接場光が発生する。この局所形状５４は、上述したように、希望波長の光が照射された場合に近接場光をより効果的に発生させることができる形状だからである。
　そして、この近接場光が発生すると、非断熱過程が生じる。図７に示すように、受光素子１のエネルギーギャップＥ２である場合、希望波長によるエネルギーＥ１では、通常の断熱過程では、到底励起準位へ励起させることができず、光電変換を実現することができない。これに対して、近接場光による非断熱過程が生じると、希望波長のエネルギーＥ１がエネルギーギャップＥ２未満であっても、多段階遷移を通じて励起準位へ励起させることが可能となることから、これを受光素子１により受光させることが可能となる。これは、受光素子１により受光可能な波長帯域より、希望波長が長波長であっても、これを受光素子１により受光できることを意味している。
　また、本発明を適用した受光素子の作製方法では、ある特定の波長に対して感度を持たせた受光素子の作製を望む場合、その特定の波長を希望波長とした光を照射することにより、当該希望波長の光を受光可能な受光素子を作製することが可能となる。従って、本発明によれば、特定の波長に対して感度を持たせた素子を材料の選定を行うことなく容易に作製することが可能となる。
　図８は、本発明を適用した受光素子の作製方法を経て作製された受光素子１の光電流に対する波長依存性を示している。それぞれのプロットは、入射光の光強度をそれぞれ０．１ｍＷ、０．５ｍＷ、１．０ｍＷとした場合の例としている。横軸が波長、縦軸が光電流である。希望波長６６０ｎｍの光を照射したところ、図８に示すように、受光した光電流のピークは、６２０ｎｍであった。このため、局所形状５４において近接場光が発生して非断熱過程が生じ、波長６６０ｎｍからなる希望波長の光が、波長６２０ｎｍを中心とした低波長側の光として受光されているものと考えることができる。
　なお、上述した実施の形態では、Ｎ型半導体１３を構成する材料をスパッタリング堆積させる場合を例にとり説明をしたが、これに限定されるものではなく、他のＰ型半導体１４、各電極１２、１５を堆積させる際においても、同様の技術思想を適用することが可能となる。
　また、スパッタリング以外に、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等、他の堆積手法を用いてもよいことは勿論である。
１　受光素子
３　スパッタリング装置
１１　基板
１２　第１の電極
１３　Ｎ型半導体
１４　Ｐ型半導体
１５　第２の電極
１７　電源
３１　チャンバ
３２　台
３４　ターゲット
３５　電極
３６　電源
３７　光発振器
５１　粒子
５４　局所形状

Claims (4)

  1. 　Ｐ型半導体とＮ型半導体とを接合したＰＮ接合と、上記Ｐ型半導体並びにＮ型半導体にそれぞれ接続された各電極とを有する受光素子の作製方法において、
    　上記Ｐ型半導体、上記Ｎ型半導体、上記各電極の何れかを構成する材料を、逆バイアス電圧を印加するとともに、堆積させる材料の吸収波長よりも長波長である希望波長の光を照射しつつ堆積させる堆積工程を有し、
    　上記堆積工程は、
    　上記希望波長の照射光により近接場光を発生可能な局所形状が上記堆積させている材料表面に形成されている箇所では、当該局所形状に発生した近接場光による非断熱過程を通じて上記希望波長の照射光を光吸収して電子を生成するとともに、その生成した電子により当該局所形状に上記逆バイアス電圧に基づく局所電場が生じるのを打ち消すことを連続して行う非断熱フローと、
    　上記局所形状が未形成の箇所では、上記逆バイアス電圧に基づく局所電場が生じた箇所に上記材料を構成する粒子を順次吸着させ、その吸着プロセスを経て上記局所形状が形成された場合には上記非断熱フローへ移行する粒子吸着フローとを有すること
    　を特徴とする受光素子の作製方法。
  2. 　上記非断熱フローと上記粒子吸着フローとを継続して実行することにより、上記堆積させている材料表面に上記局所形状を順次形成させていくこと
    　を特徴とする請求項１記載の受光素子の作製方法。
  3. 　請求項１又は２記載の受光素子の作製方法により作製されたことを特徴とする受光素子。
  4. 　Ｐ型半導体とＮ型半導体とを接合したＰＮ接合と、上記Ｐ型半導体並びにＮ型半導体にそれぞれ接続された各電極とを有する受光素子を作製するための受光素子作製装置において、
    　上記Ｐ型半導体、上記Ｎ型半導体、上記各電極の何れかを構成する材料を、逆バイアス電圧を印加する電圧印加手段と、
    　堆積させる材料の吸収波長よりも長波長である希望波長の光を照射しつつ堆積させる堆積手段とを有し、
    　上記堆積手段は、
    　上記希望波長の照射光により近接場光を発生可能な局所形状が上記堆積させている材料表面に形成されている箇所では、当該局所形状に発生した近接場光による非断熱過程を通じて上記希望波長の照射光を光吸収して電子を生成するとともに、その生成した電子により当該局所形状に上記逆バイアス電圧に基づく局所電場が生じるのを打ち消すことを連続して行う非断熱フローと、
    　上記局所形状が未形成の箇所では、上記逆バイアス電圧に基づく局所電場が生じた箇所に上記材料を構成する粒子を順次吸着させ、その吸着プロセスを経て上記局所形状が形成された場合には上記非断熱フローへ移行する粒子吸着フローとを実行すること
    　を特徴とする受光素子作製装置。
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