WO2013172269A1 - 光検出器 - Google Patents

光検出器 Download PDF

Info

Publication number
WO2013172269A1
WO2013172269A1 PCT/JP2013/063182 JP2013063182W WO2013172269A1 WO 2013172269 A1 WO2013172269 A1 WO 2013172269A1 JP 2013063182 W JP2013063182 W JP 2013063182W WO 2013172269 A1 WO2013172269 A1 WO 2013172269A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
optical element
region
photodetector
predetermined direction
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/063182
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
和利 中嶋
正道 山西
和上 藤田
新垣　実
徹 廣畑
博行 山下
亘 赤堀
Original Assignee
浜松ホトニクス株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from PCT/JP2013/056621 external-priority patent/WO2013172078A1/ja
Application filed by 浜松ホトニクス株式会社 filed Critical 浜松ホトニクス株式会社
Priority to JP2014515596A priority Critical patent/JP5940656B2/ja
Priority to EP13789996.9A priority patent/EP2853866A4/en
Priority to US14/390,842 priority patent/US20150053922A1/en
Priority to CN201380025424.7A priority patent/CN104285135B/zh
Publication of WO2013172269A1 publication Critical patent/WO2013172269A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0216—Coatings
    • H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02162—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for filtering or shielding light, e.g. multicolour filters for photodetectors
    • H01L31/02164—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for filtering or shielding light, e.g. multicolour filters for photodetectors for shielding light, e.g. light blocking layers, cold shields for infrared detectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035236—Superlattices; Multiple quantum well structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L31/02327—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035209—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/103—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN homojunction type
    • H01L31/1035—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN homojunction type the devices comprising active layers formed only by AIIIBV compounds

Definitions

  • the present invention relates to a photodetector.
  • QWIP Quantum Well Infrared Light Sensor
  • QDIP Quantum Dot Infrared Light Sensor
  • QCD Quantum Cascade Light Sensor
  • QWIP and QCD include a semiconductor stacked body having a periodic stacked structure such as a quantum well structure or a quantum cascade structure.
  • this semiconductor stacked body current is generated by the electric field component only when incident light has an electric field component in the stacking direction of the semiconductor stacked body. Therefore, light having no electric field component in the stacking direction (stacking direction of the semiconductor stack) (The plane wave incident from the light source) does not have photosensitivity.
  • a gold thin film is provided on the surface of the semiconductor stack, and holes having a diameter equal to or smaller than the wavelength of the light are periodically formed in the thin film.
  • a formed photodetector is known (see Non-Patent Document 1).
  • light is modulated so as to have an electric field component in the stacking direction of the semiconductor stacked body by the effect of surface plasmon resonance in the gold thin film.
  • Patent Document 2 a photodetector that is processed so that the incident surface is inclined with respect to the stacking direction of the semiconductor stacked body is known (see Patent Document 2).
  • light refracted and incident from the incident surface repeats total reflection within the chip, thereby modulating the light so as to have an electric field component in the stacking direction of the semiconductor stacked body.
  • Non-Patent Document 2 In the first place, photodetectors using quantum wells have a characteristic that the wavelength band that can be detected is narrow, and as an attempt to realize a wider wavelength band, different barrier thicknesses and well widths and heights are used. It is known to form a structure having a structure (see Patent Document 3), and to stack quantum well layers having different compositions and extract signals from the respective layers (Non-Patent Document 2).
  • JP 2000-156513 A JP 2012-69801 A JP 2001-524757 A
  • Non-Patent Document 1 has a QWIP structure in which quantum wells having equal well widths are simply stacked as a quantum well structure.
  • the photodetector is externally provided. It is necessary to apply a bias voltage, and the adverse effect of the dark current on the photosensitivity due to this cannot be ignored.
  • the quantum well structure in which light absorption occurs is distributed from the surface layer to the deep layer of the semiconductor stacked body. If the electric field component in the stacking direction of the resulting semiconductor stacked body cannot be provided uniformly to these layers, the contribution of light absorption in the deep layer (portion far from the light incident side) is reduced.
  • an object of the present invention is to provide a photodetector that can detect light that does not have an electric field component in the stacking direction of a semiconductor stacked body and that has a wide wavelength band with sensitivity.
  • the photodetector of the present invention includes a structure including a first region and a second region periodically arranged with respect to the first region along a plane perpendicular to the predetermined direction.
  • An optical element that generates an electric field component in a predetermined direction when light is incident along the direction, and is disposed on the other side of the optical element opposite to one side in the predetermined direction, and is generated by the optical element.
  • a semiconductor stacked body having a quantum cascade structure that generates a current by an electric field component in a predetermined direction, the quantum cascade structure being higher than the first quantum upper level and the first quantum upper level.
  • An active region having a low second quantum upper level and an injector region that transports electrons excited in the active region.
  • the optical element provided in the photodetector generates an electric field component in a predetermined direction when light is incident along the predetermined direction.
  • This electric field component electrons are excited in the active region in the quantum cascade structure of the semiconductor stacked body, and this electron is transported by the injector region, thereby generating a current in the quantum cascade structure.
  • the active region has a first quantum upper level and a second quantum upper level lower than the first quantum upper level, it corresponds to the electron excitation energy to each quantum upper level.
  • this photodetector can detect light that does not have an electric field component in the stacking direction of the semiconductor stacked body, and has a wide wavelength band with sensitivity.
  • the semiconductor stacked body may have a plurality of quantum cascade structures stacked along a predetermined direction. In this case, since a larger current is generated in the semiconductor stacked body, the photosensitivity of the photodetector is further increased.
  • the photodetector of the present invention further includes a first contact layer formed on the surface of one side of the semiconductor stacked body, and a second contact layer formed on the surface of the other side of the semiconductor stacked body. You may have.
  • the photodetector of the present invention includes a first electrode electrically connected to the first contact layer, and a second electrode electrically connected to the second contact layer. Furthermore, you may provide. According to these, the current generated in the semiconductor stacked body can be detected efficiently.
  • the photodetector of the present invention may further include a substrate on which the second contact layer, the semiconductor stacked body, the first contact layer, and the optical element are sequentially stacked from the other side. According to this, it is possible to stabilize each configuration of the photodetector.
  • the first region may be made of a dielectric that transmits light along a predetermined direction and modulates the light, and surface plasmon is excited by the light. It may be made of metal. In any case, when light enters the optical element along a predetermined direction, an electric field component in a predetermined direction can be generated, so that a current can be generated in the quantum cascade structure of the semiconductor stacked body.
  • the period of the arrangement of the second region with respect to the first region may be 0.5 to 500 ⁇ m. According to this, when light enters the optical element along a predetermined direction, an electric field component in the predetermined direction can be generated more efficiently.
  • the light incident on the optical element included in the photodetector of the present invention may be infrared light.
  • the photodetector of the present invention can be suitably used as an infrared photodetector.
  • the optical element may generate an electric field component in a predetermined direction when light enters from one side, or the optical element includes a semiconductor laminate. An electric field component in a predetermined direction may be generated when light enters from the other side.
  • a photodetector that can detect light that does not have an electric field component in the stacking direction of a semiconductor stacked body and that has a wide wavelength band with sensitivity.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. It is a top view of the optical element of the 1st Embodiment of this invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. 3. It is a figure shown about the subband level structure in a quantum cascade structure. It is a top view of the modification of the optical element of the 1st Embodiment of this invention. It is a top view of the modification of the optical element of the 1st Embodiment of this invention. It is sectional drawing of the photodetector of the 2nd Embodiment of this invention.
  • FIG. 13 is a sectional view taken along line XIII-XIII in FIG. 12. It is a top view of the photodetector of the 6th Embodiment of this invention.
  • FIG. 14 is a sectional view taken along line XV-XV in FIG. 13. It is an electric field strength distribution by the FDTD method about the optical element of FIG. It is a graph which shows the photosensitivity spectrum according to the number of quantum upper levels. It is a graph which shows the integrated value of vertical electric field strength at the time of changing the number of steps of a quantum cascade structure.
  • the light to be detected by the photodetector of this embodiment is infrared light (light having a wavelength of 1 to 1000 ⁇ m).
  • the photodetector 1A includes a rectangular plate-like substrate 2 made of n-type InP and having a thickness of 300 to 500 ⁇ m, and includes contact layers 3 and 5 and a semiconductor laminate. 4, the electrodes 6 and 7, and the optical element 10 are laminated.
  • This photodetector 1 ⁇ / b> A is a photodetector that utilizes light absorption of transition between quantum subbands in the semiconductor stacked body 4.
  • a contact layer (second contact layer) 3 is provided on the entire surface 2 a of the substrate 2.
  • a semiconductor laminate 4 is provided on the entire surface 3 a of the contact layer 3.
  • a contact layer (first contact layer) 5 is provided on the entire surface 4 a of the semiconductor stacked body 4.
  • An electrode (first electrode) 6 is formed in an annular shape so as to surround the optical element 10 in a peripheral region of the surface 5 a where the optical element 10 is not provided.
  • another electrode (second electrode) 7 is provided on the entire surface 2 b opposite to the surface 2 a of the substrate 2.
  • the semiconductor stacked body 4 has a quantum cascade structure designed according to the wavelength of light to be detected, and the active region 4b where light is absorbed and electrons are excited is positioned on the optical element 10 side.
  • the injector region 4c responsible for transporting electrons in one direction is laminated so as to be located on the opposite side.
  • the thickness of the quantum cascade structure is about 50 nm.
  • semiconductor layers of different energy band gaps for example, InGaAs and InAlAs
  • the InGaAs semiconductor layer in the active region 4b functions as a quantum well layer by being doped with an n-type impurity such as silicon
  • the InAlAs semiconductor layer functions as a quantum barrier layer with the InGaAs semiconductor layer interposed therebetween.
  • InGaAs semiconductor layers not doped with impurities and InAlAs semiconductor layers are alternately stacked.
  • the number of stacked layers of InGaAs and InAlAs is, for example, 16 as the total of the active region 4b and the injector region 4c.
  • the center wavelength of the absorbed light is determined by the structure of the active region 4b (details will be described later).
  • the contact layers 3 and 5 are layers for electrically connecting the semiconductor laminate 4 and the electrodes 6 and 7 in order to detect a current generated in the semiconductor laminate 4 and are made of n-type InGaAs. .
  • the thickness of the contact layer 3 is preferably 0.1 to 1 ⁇ m.
  • the thickness of the contact layer 5 is as thin as possible so that the effect of the optical element 10 to be described later can easily reach the quantum cascade structure. Specifically, the thickness is preferably 5 to 100 nm.
  • the electrodes 6 and 7 are ohmic electrodes made of Ti / Au.
  • the optical element 10 generates an electric field component in a predetermined direction when light enters from one side in a predetermined direction (the side where the optical element 10 is provided).
  • the optical element 10 includes a structure 11, and the structure 11 includes a first region R ⁇ b> 1 and a first region along a plane perpendicular to a predetermined direction.
  • R1 has second regions R2 periodically arranged with a period d of 0.5 to 500 ⁇ m (less than the wavelength of incident light) depending on the wavelength of incident light.
  • the structure 11 has a film body 13 provided with a plurality of through holes 12 penetrating from one side to the other side in a predetermined direction.
  • the plurality of through holes 12 have a slit shape in plan view of the film body 13 as shown in FIG.
  • the slit-shaped through holes 12 are arranged in a line in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the slit shape.
  • Each through-hole 12 penetrates from one side in a predetermined direction to the other side (stacking direction of the semiconductor stacked body 4 in FIG. 2) as shown in FIG.
  • the thickness of the film body 13 is preferably 10 nm to 2 ⁇ m.
  • the first region R1 is a portion 13a between the through holes 12 in the film body 13, and is specifically made of gold.
  • region R2 is the space S in the through-hole 12, and is specifically air. That is, when the photodetector 1 ⁇ / b> A is viewed in plan from the optical element 10 side (that is, in FIG. 1), a part of the contact layer 5 is viewed from the through hole 12.
  • FIG. 5 is a diagram showing a subband level structure in the quantum cascade structure of the photodetector 1A shown in FIG. 1 and FIG.
  • One quantum cascade structure includes a unit laminated body 46 including a first barrier layer 171, an absorption well layer 141 used for absorption of incident light, and an extraction unit structure 48 that performs relaxation, transport, and the like of excited electrons. It corresponds to.
  • the quantum cascade structure is a semiconductor stacked structure including n quantum well layers including a first well layer functioning as an absorption well layer, and n quantum barrier layers, where n is an integer of 4 or more. It is configured.
  • the extraction structure 48 is configured by alternately stacking the second barrier layer to the nth barrier layer and the second well layer to the nth well layer, excluding the first barrier layer 171 and the absorption well layer 141. Yes.
  • the active region 4b is formed by the first barrier layer 171, the absorption well layer 141, and the second barrier layer, and the structure after the second barrier layer corresponds to the injector region 4c.
  • each of the unit stacked bodies 46 includes a first barrier layer 171, an absorption well layer 141 that is a first well layer, and an extraction structure 48 in order from the unit stacked body 46 a in the previous stage.
  • a subband level structure which is an energy level structure with a quantum well structure, is formed in the unit laminate structure 46.
  • the unit stacked body 46 has, in its subband level structure, a detection lower level (base level) L 1a and a detection upper level (upper excitation level) L 1b due to the absorption well layer 141. , Having a second level L 2 , a third level L 3 , a fourth level L 4 ,..., An nth level L n due to each well layer of the extraction structure 48 excluding the absorption well layer 141. is doing.
  • the second level L 2 to the n-th level L n are levels generated as a result of quantum mechanical coupling caused by the second to n-th well layers, for example.
  • the detection lower level L 1a and the upper level L 1b are levels related to light absorption by electronic excitation between subbands.
  • the second level L 2 to the nth level L n constitute an extraction level structure (relaxation level structure) related to relaxation, transport, and extraction of electrons excited by light absorption.
  • the lower detection level L 1a is, for example, a level corresponding to the ground level in the absorption well layer 141.
  • the detection upper level L 1b is an energy level higher than the detection lower level L 1a , and is a level corresponding to the excitation level in the absorption well layer 141, for example.
  • the second level L 2 to the n-th level L n are levels caused by the ground level in the second to n-th well layers, for example.
  • the second level L 2 to the n-th level L n constituting the extraction level structure are usually the second level L 2 on the absorption well layer 141 side and the second level L 2 on the unit stack 46b side on the subsequent stage.
  • the energy is set so as to decrease sequentially toward the n level L n . However, the energy order of these levels may be partially changed as long as electrons can be transported.
  • the energy interval ⁇ E 12 between the detection upper level L 1b and the second level L 2 for extracting electrons is considered in consideration of the movement of electrons due to the resonant tunneling effect.
  • the coupling between the levels is set to be sufficiently large.
  • the magnitude of the coupling between the levels can be evaluated by the energy gap of anticrossing between the levels.
  • the LO phonon energy E LO is 36 meV when the quantum well layer is made of GaAs, and 32 meV when InAs is used, which is substantially the same as the above 34 meV.
  • the lower detection level L of the absorption well layer of the subsequent unit stack 46 b Transported and extracted to 1a at high speed.
  • the first region R1 made of gold having free electrons and the second region R2 made of air have a period along a plane perpendicular to a predetermined direction in the structure 11. Since the optical elements 10 are arranged in order, when light enters the optical element 10 from one side in a predetermined direction (for example, when a plane wave enters from the stacking direction of the semiconductor stacked body 4), Surface plasmons are excited by surface plasmon resonance. At this time, an electric field component in a predetermined direction is generated.
  • the structure 11 in the optical element 10 has a film body 13 provided with a plurality of through holes 12 penetrating from one side to the other side, and the first region R1 is a through hole in the film body 13.
  • a portion 13 a between 12 and the second region R ⁇ b> 2 is a space S in the through hole 12.
  • the electric field component in the predetermined direction generated by exciting the surface plasmon as described above is also the electric field component in the stacking direction of the semiconductor stacked body 4, the electric field component causes the quantum cascade of the semiconductor stacked body 4. Electrons are excited in the active region 4b formed on the outermost surface on the optical element 10 side in the structure, and the electrons are transported in one direction by the injector region 4c, thereby generating a current in the quantum cascade structure. This current is detected via the electrodes 6 and 7. That is, according to the photodetector 1A, it is possible to detect light having no electric field component in the stacking direction of the semiconductor stacked body 4. Since electrons are supplied from the electrode 6, the current continuity condition is satisfied.
  • the operation in the quantum cascade structure will be described in detail as follows.
  • the photodetector 1A the first well layer to the nth well layer and the first barrier layer to the nth barrier layer are alternately stacked in the quantum cascade structure.
  • a lower detection level L 1a and an upper detection level L 1b related to electron excitation between subbands due to light absorption are provided in the absorption well layer 141.
  • the extraction structure 48 the unit structure 46b of the next period
  • An extraction level structure with second level L 2 to n level L n related to electron transport and extraction is provided. According to such a level structure, it is possible to suitably realize light detection operation by light absorption between subbands and extraction of a current generated by light absorption.
  • the electrons excited to the detection upper level L 1b by the light absorption in the well layer 141 are moved and relaxed to the second level L 2 by the resonant tunneling effect, so that the electrons are accelerated.
  • the energy interval between the second level L 2 and the third level L 3 in the extracted level structure of the second level L 2 to the nth level L n is determined by the condition E LO ⁇ ⁇ E 23 ⁇ 2 x E LO It is set to satisfy.
  • electrons that have moved from the detection upper level L 1b to the second level L 2 due to the resonant tunneling effect move from the second level L 2 to the third and subsequent levels via LO phonon scattering. It will be pulled out at high speed. This suppresses the electrons excited to the upper level L 1b from being relaxed again to the lower level L 1a without being transported to the subsequent unit stacked body 46b, thereby improving the efficiency of the light detection operation. Can be improved.
  • the energy interval between the third level L 3 and the fourth level L 4 is set as the condition ⁇ E 34 ⁇ E LO It is set to satisfy.
  • the third, fourth, A plurality of levels including the levels L 3 and L 4 can function as a level to which electrons are extracted from the second level L 2 due to LO phonon scattering. Thereby, the transport of electrons in the extraction level structure can be stabilized and speeded up.
  • a quantum cascade photodetector with improved photodetection sensitivity for incident light is preferably realized by efficiently causing carrier electrons excited by light absorption in the absorption well layer 141 to function as a forward current. can do.
  • the absorption well layer 141 has two quantum upper levels having different electron excitation energies, it is possible to detect light of two types of wavelengths corresponding to the electron excitation energies to the respective quantum upper levels. . That is, it can be said that the wavelength band having sensitivity of the photodetector 1A is widened.
  • the photodetector 1A further includes the contact layers 3 and 5, the semiconductor laminate 4, and the substrate 2 that supports the optical element 10, each configuration of the photodetector 1A is stabilized.
  • Non-Patent Document 1 As a photodetector using surface plasmon resonance, the photodetector described in Non-Patent Document 1 is known, but the photodetector has a quantum well structure in which quantum wells with equal well widths are simply stacked. Since the QWIP structure is adopted, it is necessary to apply a bias voltage from the outside in order to operate it as a photodetector, and the adverse effect of the dark current on the photosensitivity cannot be ignored. On the other hand, in the photodetector 1A of the present embodiment, since the injector region 4c is designed to transport the electrons excited in the active region 4b in one direction, a bias voltage is externally applied to operate.
  • the active region 4b is formed on one side with respect to the injector region 4c, that is, the outermost surface on the side where the optical element 10 is provided. Further, it can be strongly influenced by the electric field component in a predetermined direction generated by the optical element 10. Therefore, according to the photodetector 1A, it is possible to detect light having a finer intensity that does not have an electric field component in the stacking direction of the semiconductor stacked body with high sensitivity. For example, it becomes possible to detect weaker light as compared with a detector using PbS (Se) or HgCdTe, which is conventionally known as a mid-infrared light detector.
  • the photodetector 1A of the present embodiment since a diffraction grating is formed on the surface of the light transmission layer, the degree of freedom in designing as a photodetector is low.
  • the photodetector 1A of the present embodiment since the optical element 10 is formed separately from the contact layer 5, selection of a material that excites surface plasmons, formation of the optical element 10, and There is a wide selection of processing techniques. Therefore, the photodetector 1A of the present embodiment has a high degree of freedom in design according to the wavelength of incident light, desired light sensitivity, and the like.
  • the quantum well structure in which light absorption occurs is distributed from the surface layer to the deep layer of the semiconductor stacked body. If the required electric field component in the stacking direction of the semiconductor stacked body cannot be provided uniformly to these layers, the contribution of light absorption in the deep layer (portion far from the light incident side) becomes small.
  • the active region 4b having a quantum well layer in which light absorption occurs is present at a limited depth in the semiconductor stacked body 4, so that the optical element 10 acts. The generated electric field component in a predetermined direction can be efficiently captured, and the photoelectric conversion efficiency in the semiconductor stacked body 4 is increased.
  • the optical detector 1A of the first embodiment can have the optical element 10 in another mode.
  • the shape of the plurality of through holes 12 provided in the film body 13 may be a columnar shape, and the arrangement thereof may be a square lattice shape in plan view.
  • the light that can excite the surface plasmon is limited to the light having the polarization in the direction in which the slit-shaped through holes are arranged, but the optical element 10 shown in FIG.
  • the photodetector of this embodiment including the first region R1 and the second region R2 are periodically arranged in a two-dimensional direction, the polarization direction of incident light that can excite surface plasmons is It will increase to two types.
  • the arrangement of the plurality of cylindrical through holes may be changed to a square lattice shape, and may be a triangular lattice shape as shown in FIG. According to this, the dependence on the polarization direction of the incident light is further reduced as compared with the square lattice arrangement.
  • the photodetector 1B of the second embodiment shown in FIG. 8 is different from the photodetector 1A of the first embodiment in that the optical element is a dielectric having a large refractive index instead of the optical element 10 made of gold.
  • the optical element 20 is composed of a body.
  • This optical element 20 is an optical element for modulating light by transmitting light from one side to the other side in a predetermined direction.
  • the first region R1 is made of a dielectric material having a high refractive index. Become.
  • the difference between the refractive index of the first region (dielectric) R1 and the refractive index of the second region (air) R2 is preferably 2 or more, and more preferably 3 or more.
  • germanium has a refractive index of 4.0 and air has a refractive index of 1.0. In this case, the difference in refractive index is 3.0.
  • the thickness of the film body 13 in the optical element 20 is preferably 10 nm to 2 ⁇ m.
  • the optical detector 1B configured as described above includes the optical element 20, when light enters the optical element 20 from one side in a predetermined direction (for example, the stacking direction of the semiconductor stacked body 4).
  • the light is modulated by the difference in refractive index between the first region R1 and the second region R2 periodically arranged along the plane perpendicular to the predetermined direction in the structure 11. Then, the light is emitted from the other side in a predetermined direction. That is, light that does not have an electric field component in a predetermined direction can be efficiently modulated so as to have an electric field component in the predetermined direction.
  • the difference between the refractive index of the first region R1 and the refractive index of the second region R2 is 2 or more, and the period d of the arrangement of the first region R1 and the second region R2 is 0.5. Since it is ⁇ 500 ⁇ m and is determined according to the wavelength of incident light, light modulation is performed more efficiently.
  • both the first region R1 and the second region R2 are transmissive to incident light, and do not use surface plasmon resonance for light modulation. Therefore, there is an advantage that the photosensitivity that is a concern in the photodetector of the first embodiment does not decrease, and the material used is not limited to a metal having free electrons.
  • the optical element 20 can be set to another aspect, similarly to the photodetector 1A of the first embodiment. That is, in the optical element 20, the shape of the plurality of through holes provided in the film body may be a cylindrical shape, and the arrangement thereof may be a square lattice shape or a triangular lattice shape in plan view. Further, the second region may be configured by embedding silicon dioxide, silicon nitride, aluminum oxide or the like in the through hole.
  • the photodetector 1C of the third embodiment shown in FIG. 9 is different from the photodetector 1A of the first embodiment in that the contact layer 5 is provided on the entire surface 4a of the semiconductor stacked body 4. Instead, it is provided only directly under the electrode 6 and, accordingly, the optical element 10 is provided directly on the surface 4 a of the semiconductor stacked body 4. Further, instead of the optical element 10, the optical element 20 in the second embodiment may be applied. As will be apparent from the calculation results described later, the electric field component in the predetermined direction generated from the light incident on the optical element from one side in the predetermined direction appears most strongly near the other surface of the optical element. Therefore, the optical detector 1C of the present embodiment has higher photosensitivity than the photodetector 1A of the first embodiment because the optical element 10 and the semiconductor laminate 4 are in direct contact with each other.
  • FIGS. 10 and 11 Another embodiment of the photodetector will be described as the fourth embodiment of the present invention.
  • the photodetector 1D of the fourth embodiment shown in FIGS. 10 and 11 is different from the photodetector 1C of the third embodiment in that an optical element 10 is formed between the contact layer 5 and the electrode 6.
  • An interposition member 10a made of a material (here, gold) is disposed, and the interposition member 10a enters a region between the inner side surface of the contact layer 5 and the optical element 10, and contacts the optical element 10.
  • the point is that the layer 5 and the electrode 6 are electrically connected. According to this, even when the optical element 10 is directly provided on the surface 4a of the semiconductor stacked body 4, it is possible to suppress a decrease in photosensitivity due to a series resistance loss.
  • the photodetector 1E of the fifth embodiment shown in FIGS. 12 and 13 is different from the photodetector 1A of the first embodiment in that a semi-insulating type InP substrate is used as the substrate 2c.
  • the semiconductor laminate 4 has a smaller area than the entire surface 3a of the contact layer 3 and is provided in the center instead of the entire surface 3a of the contact layer 3, and the electrode 7 is provided on the surface of the contact layer 3.
  • 3a is a point formed in an annular shape so as to surround the semiconductor stacked body 4 in a peripheral region where the semiconductor stacked body 4 is not provided.
  • Such an electrode 7 is obtained by once laminating the contact layer 3, the semiconductor laminate 4, and the contact layer 5, and then etching away the contact layer 5 and the semiconductor laminate 4 to expose the surface 3 a of the contact layer 3. It can be formed.
  • the semi-insulating type substrate 2c With small electromagnetic induction, it becomes easy to realize low noise, high speed, or an integrated circuit with an amplifier circuit or the like.
  • the photodetector 1E since no electrode is provided on the surface opposite to the contact layer 3 of the substrate 2c, light is incident from the back side (the other side in a predetermined direction) of the photodetector 1E. The light can be detected. Thereby, since reflection and absorption of incident light by the optical element 10 can be avoided, it is possible to further increase the photosensitivity. Furthermore, since light can be easily incident with the photodetector 1E mounted on a package, submount, or integrated circuit by flip chip bonding, there is a merit that the possibility of development to an image sensor or the like is particularly widened. There is.
  • an n-type InP substrate can also be used as the substrate.
  • FIGS. 14 and 15 Another embodiment of the photodetector will be described as the sixth embodiment of the present invention.
  • the difference between the photodetector 1F of the sixth embodiment shown in FIGS. 14 and 15 and the photodetector 1B of the second embodiment is that an optical element 30 having a different shape is used as the optical element.
  • the semiconductor stacked body 4 has a plurality of quantum cascade structures stacked along a predetermined direction. Specifically, as illustrated in FIG. 5, the quantum cascade structure (that is, the unit stacked body 46) is stacked in multiple stages.
  • the optical element 30 is parallel to each other on the same plane so that a plurality of rod-like bodies 33a (first regions R1) extending in a direction perpendicular to a predetermined direction form a stripe together with the space S (second region R2). Is arranged.
  • the electric field component in the predetermined direction has the highest intensity in the portion near the surface layer of the optical element 30. As it becomes, it is attenuated. Since the semiconductor stacked body 4 has a multistage quantum cascade structure, photoexcited electrons are effectively generated even by an electric field component reaching a deep region. For this reason, it can be said that the photodetector of this embodiment has further improved photosensitivity.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • an example in which InAlAs and InGaAs are formed as the quantum cascade structure formed on the InP substrate is taken, but the quantum cascade structure may be formed on InGaAs and InGaAs and formed on the GaAs substrate.
  • gold (Au) is shown as the material of the optical element 10, but other metals having low electrical resistance such as aluminum (Al) and silver (Ag) may be used.
  • germanium (Ge) is shown as a dielectric material having a high refractive index, which is a material of the optical element 10, but the present invention is not limited to this.
  • the metal constituting the ohmic electrodes 6 and 7 in each of the above embodiments is not limited to that shown here. In this way, the present invention can be applied within the range of variations of device shapes that are normally conceivable.
  • the optical element 10 in the photodetector of 4th and 5th embodiment may replace with the optical element 10 in the photodetector of 4th and 5th embodiment, and may apply the optical element 20 in 2nd Embodiment, and comprises a 1st area
  • materials dielectric constant and permeability by microfabrication technology as disclosed in literature (M. Choi et al., “A terahertz metamaterial with unnaturally high reflective index”, Nature, 470, 369 (2011)) You may use the material called the metamaterial which artificially manipulated.
  • the optical element may generate an electric field component in the predetermined direction when light is incident from one side in the predetermined direction.
  • the element may generate an electric field component in a predetermined direction when light is incident from the other side in the predetermined direction through the semiconductor stacked body. That is, the optical element of the present invention generates an electric field component in a predetermined direction when light enters along the predetermined direction.
  • the dimension ratio (width ratio) in the direction in which they are periodically arranged is not particularly limited.
  • the width of the first region R1 may be configured to be smaller than the width of the second region R2, and conversely, the width of the first region R1 may be configured to be greater than the width of the second region R2. Also good. It is possible to design freely according to each purpose.
  • the electric field strength distribution in the vicinity of the light emitting side was calculated by simulation.
  • the optical element 20 shown in FIG. 8 was targeted.
  • the thickness of the optical element 20 and the constituent materials and dimensions of the first region R1 and the second region R2 are as follows.
  • Optical element thickness: 0.5 ⁇ m Period d 1.5 ⁇ m
  • the incident light is a plane wave having a wavelength of 5.2 ⁇ m and is incident from the lower side to the upper side in FIG. 16 (that is, in a predetermined direction).
  • the polarization direction was the direction in which the slit shapes of the optical element 20 were arranged.
  • FIG. 16 shows the intensity of the electric field component perpendicular to the surface formed by the first region R1 and the second region R2 in the optical element 20 (that is, the surface perpendicular to the predetermined direction).
  • the incident light is a uniform plane wave, and its electric field component exists only in the lateral direction.
  • an electric field component in a predetermined direction that was not included in the incident light is newly generated due to the periodic arrangement of the first region (germanium) and the second region (air).
  • the region where the vertical electric field strength is strong is concentrated in a range close to the surface layer of the optical element 20, and thus, in the quantum cascade structure, the active region 4 b is as close to the surface layer of the semiconductor stacked body 4 as possible. It can be seen that higher photosensitivity can be obtained by forming the film closer.
  • a photodetector equipped with an optical element made of germanium was actually fabricated, and a photosensitivity spectrum was created.
  • the photosensitivity spectrum is shown in FIG.
  • the material of the optical element is germanium, and the shape is a stripe (the shape of FIG. 3).
  • the period was 1.5 ⁇ m and the width was 0.8 ⁇ m.
  • the semiconductor structure was composed of an InGaAs well layer and an InAlAs barrier layer.
  • the substrate was n-type InP.
  • the photosensitivity peak is one, but the quantum upper level is provided with two quantum upper levels.
  • two photosensitivity peaks corresponding to the electron excitation energy to each level were observed.
  • FIG. 18 shows an example in which the integrated value of the vertical electric field strength generated in the entire semiconductor stacked body is calculated while changing the number of stages of the quantum cascade structure.
  • the vertical electric field strength increases with the number of steps at least up to 50, and the vertical electric field strength tends to saturate at more steps. From this result, it can be seen that the number of stages of the quantum cascade structure is preferably several tens of stages.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

この光検出器１Ａは、第１の領域、及び所定の方向に垂直な面に沿って第１の領域に対し周期的に配列された第２の領域を含む構造体を有し、所定の方向に沿って光が入射したときに所定の方向の電界成分を生じさせる光学素子１０と、光学素子１０に対し所定の方向における一方の側とは反対側の他方の側に配置され、光学素子１０により生じさせられた所定の方向の電界成分によって電流を生じる量子カスケード構造を有する半導体積層体４と、を備え、量子カスケード構造は、第１の量子上位準位、及び当該第１の量子上位準位よりも低い第２の量子上位準位を有するアクティブ領域４ｂと、アクティブ領域４ｂで励起された電子を輸送するインジェクタ領域４ｃとを含む。

Description

光検出器
　本発明は、光検出器に関する。
　量子サブバンド間遷移の光吸収を利用する光検出器として、ＱＷＩＰ（量子井戸型赤外光センサ）、ＱＤＩＰ（量子ドット赤外光センサ）、ＱＣＤ（量子カスケード型光センサ）等が知られている。これらはエネルギーバンドギャップ遷移を利用しないため、波長範囲の設計自由度が大きい、暗電流が比較的小さい、室温動作が可能である等のメリットを有する。
　これらの光検出器のうち、ＱＷＩＰとＱＣＤは、量子井戸構造や量子カスケード構造等の周期的な積層構造を有する半導体積層体を備えている。この半導体積層体は、入射する光が半導体積層体の積層方向の電界成分を有する場合にのみ当該電界成分によって電流を生じるため、当該積層方向の電界成分を有しない光（半導体積層体の積層方向から入射する平面波）に対しては光感度を有しない。
　従って、ＱＷＩＰ又はＱＣＤで光を検出するには、光の電界の振動方向が半導体積層体の積層方向と一致するように光を入射させる必要がある。例えば、光の進行方向に垂直な波面を有する平面波を検出する場合では、光を半導体積層体の積層方向と垂直な方向から入射させる必要があるため、光検出器としての使用が煩わしいものとなる。
　そこで、半導体積層体の積層方向の電界成分を有しない光を検出するために、半導体積層体の表面に金の薄膜を設け、この薄膜に当該光の波長以下の直径を有する孔を周期的に形成した光検出器が知られている（非特許文献１参照）。この例では、金の薄膜における表面プラズモン共鳴の効果によって、半導体積層体の積層方向の電界成分を有するように光を変調している。
　また、半導体積層体の表面に光透過層を設け、この光透過層の表面に凹凸パターンからなる回折格子及びこれを覆う反射膜を形成した光検出器が知られている（特許文献１参照）。この例では、当該回折格子及び反射膜による入射光の回折及び反射の効果によって、半導体積層体の積層方向の電界成分を有するように光を変調している。
　また、半導体積層体の積層方向に対して入射面が斜めとなるように加工した光検出器が知られている（特許文献２参照）。この例では、当該入射面から屈折して入射した光がチップ内で全反射を繰り返すことによって、半導体積層体の積層方向の電界成分を有するように光を変調している。
　また、そもそも量子井戸を利用する光検出器は、検出できる波長帯域が狭いという特性があるところ、その波長広帯域化を実現するための試みとして、異なるバリアの厚さ及び井戸の幅と高さを有する構造を形成すること（特許文献３参照）、及び、組成の異なる量子井戸層を積層し、それぞれの層からの信号を取り出すこと（非特許文献２）が知られている。
特開２０００－１５６５１３号公報 特開２０１２－６９８０１号公報 特表２００１－５２４７５７号公報
W.　Wu,　et　al.,　"Plasmonic　enhanced　quantum　well　infrared　photodetector　with　high　detectivity",　Appl.　Phys.　Lett.,　96,　161107(2010). S.　V.　Bandara,　et　al.,　"Multi-band　and　broad-band　infrared　detectors　based　on　III-V　materials　for　spectral　imaging　instruments",　Infrared　Phys.　Technol.,　47,　15(2005).
　このように、半導体積層体の積層方向の電界成分を有しない光を検出するために、当該光を当該積層方向の電界成分を有するように変調する技術、及び、その波長広帯域化の技術が種々提案されている。
　しかしながら、非特許文献１記載の光検出器は、量子井戸構造として、等しい井戸幅の量子井戸を単純に積層したＱＷＩＰ構造を有しており、これを光検出器として動作させるためには外部からバイアス電圧を印加する必要があり、これによる暗電流が光感度に与える悪影響を無視できない。
　また、特許文献１記載の光検出器では、実効的な光感度を得るためには量子井戸構造を何周期も積層して、光吸収層を何層も形成する必要がある。
　また、特許文献２記載の光検出器は、回折による光の伝搬方向は完全には水平にはならず、ごく一部のみが光電変換に寄与するにとどまり、十分な光感度を得ることはできない。
　また、波長広帯域化を目指した特許文献３及び非特許文献２記載の光検出器では、光吸収が生じる量子井戸構造が半導体積層体の表層から深層まで分布しているため、光電変換に必要となる半導体積層体の積層方向の電界成分をこれらの層に均一に提供することができなければ、深層（光の入射する側から遠い部分）における光吸収の寄与が小さくなってしまう。
　そこで、本発明は、半導体積層体の積層方向の電界成分を有しない光を検出することができ、且つ感度を有する波長帯域が広げられた光検出器を提供することを目的とする。
　本発明の光検出器は、第１の領域、及び所定の方向に垂直な面に沿って第１の領域に対し周期的に配列された第２の領域を含む構造体を有し、所定の方向に沿って光が入射したときに所定の方向の電界成分を生じさせる光学素子と、光学素子に対し所定の方向における一方の側とは反対側の他方の側に配置され、光学素子により生じさせられた所定の方向の電界成分によって電流を生じる量子カスケード構造を有する半導体積層体と、を備え、量子カスケード構造は、第１の量子上位準位、及び当該第１の量子上位準位よりも低い第２の量子上位準位を有するアクティブ領域と、アクティブ領域で励起された電子を輸送するインジェクタ領域とを含む。
　この光検出器が備える光学素子は、所定の方向に沿って光が入射したときに所定の方向の電界成分を生じさせる。この電界成分により、半導体積層体の量子カスケード構造においてアクティブ領域で電子が励起され、この電子がインジェクタ領域により輸送されることで、量子カスケード構造に電流を生じる。このとき、アクティブ領域は第１の量子上位準位、及び当該第１の量子上位準位よりも低い第２の量子上位準位を有するため、それぞれの量子上位準位への電子励起エネルギーに相当する二種類の波長の光が検出されることになる。すなわち、この光検出器は、半導体積層体の積層方向の電界成分を有しない光を検出することができ、且つ感度を有する波長帯域が広げられているといえる。
　ここで、半導体積層体は、所定の方向に沿って積層された複数の量子カスケード構造を有していてもよい。この場合、半導体積層体に、より大きな電流を生じるため、光検出器の光感度が一層高くなる。
　本発明の光検出器は、半導体積層体の一方の側の表面に形成された第１のコンタクト層と、半導体積層体の他方の側の表面に形成された第２のコンタクト層と、を更に備えていてもよい。また、この場合、本発明の光検出器は、第１のコンタクト層と電気的に接続された第１の電極と、第２のコンタクト層と電気的に接続された第２の電極と、を更に備えていてもよい。これらによれば、半導体積層体で生じる電流を効率的に検出することができる。
　本発明の光検出器は、第２のコンタクト層、半導体積層体、第１のコンタクト層及び光学素子が他方の側から順に積層された基板を更に備えていてもよい。これによれば、光検出器の各構成の安定化を図ることができる。
　本発明の光検出器が備える光学素子において、第１の領域は、所定の方向に沿って光を透過させて当該光を変調する誘電体からなっていてもよく、光により表面プラズモンが励起される金属からなっていてもよい。いずれの場合も、所定の方向に沿って光が光学素子に入射したときに所定の方向の電界成分を生じさせることができるため、半導体積層体が有する量子カスケード構造に電流を生じることができる。
　本発明の光検出器が備える光学素子において、第１の領域に対する第２の領域の配列の周期は、０．５～５００μｍであってもよい。これによれば、所定の方向に沿って光が光学素子に入射したときに、所定の方向の電界成分を一層効率よく生じさせることができる。
　本発明の光検出器が備える光学素子に入射する光は、赤外線であってもよい。これによれば、本発明の光検出器を、赤外光検出器として好適に使用することができる。
　本発明の光検出器においては、光学素子が、一方の側から光が入射したときに所定の方向の電界成分を生じさせるものであってもよいし、或いは、光学素子が、半導体積層体を介して他方の側から光が入射したときに所定の方向の電界成分を生じさせるものであってもよい。
　本発明によれば、半導体積層体の積層方向の電界成分を有しない光を検出することができ、且つ感度を有する波長帯域が広げられた光検出器を提供することができる。
本発明の第１の実施形態の光検出器の平面図である。 図１のII－II線に沿っての断面図である。 本発明の第１の実施形態の光学素子の平面図である。 図３のIV－IV線に沿っての断面図である。 量子カスケード構造におけるサブバンド準位構造について示す図である。 本発明の第１の実施形態の光学素子の変形例の平面図である。 本発明の第１の実施形態の光学素子の変形例の平面図である。 本発明の第２の実施形態の光検出器の断面図である。 本発明の第３の実施形態の光検出器の断面図である。 本発明の第４の実施形態の光検出器の平面図である。 図１０のXI－XI線に沿っての断面図である。 本発明の第５の実施形態の光検出器の平面図である。 図１２のXIII－XIII線に沿っての断面図である。 本発明の第６の実施形態の光検出器の平面図である。 図１３のXV－XV線に沿っての断面図である。 図８の光学素子についてのＦＤＴＤ法による電界強度分布である。 量子上位準位の数別の光感度スペクトルを示すグラフである。 量子カスケード構造の段数を変化させた場合の垂直電界強度の積算値を示すグラフである。
　以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。なお、本実施形態の光検出器が検出するべき光（光学素子に入射する光）は、赤外線（波長が１～１０００μｍの光）である。
［第１の実施形態］
　図１及び図２に示されるように、光検出器１Ａは、ｎ型のＩｎＰからなる厚さ３００～５００μｍの矩形板状の基板２を備え、これにコンタクト層３，５と、半導体積層体４と、電極６，７と、光学素子１０とが積層されている。この光検出器１Ａは、半導体積層体４における量子サブバンド間遷移の光吸収を利用する光検出器である。
　基板２の表面２ａの全面には、コンタクト層（第２のコンタクト層）３が設けられている。コンタクト層３の表面３ａの全面には、半導体積層体４が設けられている。半導体積層体４の表面４ａの全面には、コンタクト層（第１のコンタクト層）５が設けられている。コンタクト層５の表面５ａの中央には、表面５ａの全面よりも小さな面積をもつ光学素子１０が設けられている。つまり、光学素子１０は、平面視した場合にコンタクト層５に含まれるように配置されている。表面５ａのうち、光学素子１０が設けられていない周縁の領域には、電極（第１の電極）６が光学素子１０を囲むように環状に形成されている。一方、基板２の表面２ａとは反対側の表面２ｂの全面には、もう一つの電極（第２の電極）７が設けられている。
　半導体積層体４は、検出しようとする光の波長に合わせて設計された量子カスケード構造を有するものであり、光を吸収して電子が励起されるアクティブ領域４ｂが光学素子１０側に位置するように、且つ一方向への電子輸送を担うインジェクタ領域４ｃがその反対側に位置するように積層されて形成されている。ここで、量子カスケード構造の厚さは５０ｎｍ程度である。
　アクティブ領域４ｂ及びインジェクタ領域４ｃのそれぞれでは、互いにエネルギーバンドギャップの異なる、例えばＩｎＧａＡｓ及びＩｎＡｌＡｓの半導体層が、一層あたり数ｎｍの厚さで交互に積層されている。アクティブ領域４ｂにおけるＩｎＧａＡｓの半導体層は、シリコン等のｎ型の不純物がドープされることで量子井戸層として機能し、ＩｎＡｌＡｓの半導体層は、当該ＩｎＧａＡｓの半導体層を挟んで量子障壁層として機能する。一方、インジェクタ領域４ｃでは、不純物がドープされていないＩｎＧａＡｓの半導体層とＩｎＡｌＡｓの半導体層とが交互に積層されている。ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＡｌＡｓの積層数は、アクティブ領域４ｂ及びインジェクタ領域４ｃの合計として、例えば１６である。アクティブ領域４ｂの構造によって、吸収される光の中心波長が決まる（詳細は後述する）。
　コンタクト層３，５は、半導体積層体４で生じた電流を検出するために、半導体積層体４と電極６，７とをそれぞれ電気的に連絡するための層であり、ｎ型のＩｎＧａＡｓからなる。コンタクト層３の厚さは０．１～１μｍが好ましい。一方、コンタクト層５の厚さは、後述する光学素子１０による効果が量子カスケード構造に及びやすいように、可能な限り薄く、具体的には５～１００ｎｍが好ましい。電極６，７は、Ｔｉ／Ａｕからなるオーミック電極である。
　光学素子１０は、所定の方向における一方の側（光学素子１０が設けられている側）から光が入射したときに所定の方向の電界成分を生じさせるものである。図３及び図４に示されるように、光学素子１０は、構造体１１を備えており、構造体１１は、第１の領域Ｒ１、及び所定の方向に垂直な面に沿って第１の領域Ｒ１に対し入射光の波長に応じて０．５～５００μｍ（入射光の波長以下とする。）となる周期ｄにより周期的に配列された第２の領域Ｒ２を有する。
　構造体１１は、所定の方向における一方の側から他方の側に貫通する複数の貫通孔１２が設けられた膜体１３を有する。当該複数の貫通孔１２は、図３に示されるように膜体１３の平面視スリット形状をなしている。このスリット形状の貫通孔１２は、当該スリット形状の長手方向と垂直な方向に一列に並んでいる。そして、それぞれの貫通孔１２は、図４に示されるように所定の方向における一方の側から他方の側（図２における半導体積層体４の積層方向）に貫通している。なお、膜体１３の厚さは１０ｎｍ～２μｍであることが好ましい。
　ここで、第１の領域Ｒ１は、膜体１３における貫通孔１２間の部分１３ａであり、具体的には金からなる。第２の領域Ｒ２は、貫通孔１２内の空間Ｓであり、具体的には空気である。つまり、光検出器１Ａを光学素子１０の側から平面視した場合（つまり図１において）、コンタクト層５の一部が貫通孔１２から覗いている。
　次に、量子カスケード構造について詳述する。図５は、図１及び図２に示された光検出器１Ａの量子カスケード構造におけるサブバンド準位構造について示す図である。一つの量子カスケード構造は、第１障壁層１７１と、入射光の吸収に用いられる吸収井戸層１４１と、励起された電子の緩和、輸送等を行う抽出部構造４８と、からなる単位積層体４６に相当する。量子カスケード構造は、具体的には、ｎを４以上の整数として、吸収井戸層として機能する第１井戸層を含むｎ個の量子井戸層、及びｎ個の量子障壁層からなる半導体積層構造で構成されている。抽出構造部４８は、第１障壁層１７１と吸収井戸層１４１とを除く、第２障壁層～第ｎ障壁層及び第２井戸層～第ｎ井戸層が交互に積層されることで構成されている。言い換えれば、第１障壁層１７１、吸収井戸層１４１及び第２障壁層によってアクティブ領域４ｂが形成され、第２障壁層よりも後の構造がインジェクタ領域４ｃに相当する。
　なお、本実施形態の光検出器１Ａは、量子カスケード構造を一段のみ有したものであるが、図５では、説明の便宜上、量子カスケード構造が多段に積層された様子が示されている。単位積層体４６のそれぞれは、前段の単位積層体４６ａ側から順に、第１障壁層１７１と、第１井戸層である吸収井戸層１４１と、抽出構造部４８とによって構成されている。このような構成により、単位積層体４６中においては、量子井戸構造によるエネルギー準位構造であるサブバンド準位構造が形成される。
　本実施形態における単位積層体４６は、そのサブバンド準位構造において、吸収井戸層１４１に起因する検出下準位（基底準位）Ｌ１ａ、検出上準位（上位励起準位）Ｌ１ｂと、吸収井戸層１４１を除く抽出構造部４８の各井戸層に起因する第２準位Ｌ２、第３準位Ｌ３、第４準位Ｌ４、…、第ｎ準位Ｌｎとを有している。第２準位Ｌ２～第ｎ準位Ｌｎは、例えば、第２井戸層～第ｎ井戸層に起因し、量子力学的に結合した結果生成される準位である。これらのエネルギー準位のうち、検出下準位Ｌ１ａ、上準位Ｌ１ｂは、サブバンド間の電子励起による光吸収に関わる準位である。また、第２準位Ｌ２～第ｎ準位Ｌｎは、光吸収で励起された電子の緩和、輸送、抽出に関わる抽出準位構造（緩和準位構造）を構成している。
　ここで、検出下準位Ｌ１ａは、例えば、吸収井戸層１４１における基底準位に対応する準位である。また、検出上準位Ｌ１ｂは、検出下準位Ｌ１ａよりも高いエネルギー準位であって、例えば、吸収井戸層１４１における励起準位に対応する準位である。また、第２準位Ｌ２～第ｎ準位Ｌｎは、例えば、それぞれ第２井戸層～第ｎ井戸層における基底準位に起因する準位である。なお、抽出準位構造を構成する第２準位Ｌ２～第ｎ準位Ｌｎについては、通常は、吸収井戸層１４１側の第２準位Ｌ２から後段の単位積層体４６ｂ側の第ｎ準位Ｌｎに向けて順次エネルギーが低くなるように設定される。ただし、これらの準位のエネルギー順序は、電子の輸送が可能であれば一部で入れ替わってもよい。
　また、各サブバンド準位のエネルギー間隔については、検出上準位Ｌ１ｂと電子引き抜き用の第２準位Ｌ２とのエネルギー間隔ΔＥ１２は、共鳴トンネル効果による電子の移動を考慮して、準位間の結合が充分に大きくなるように設定される。この準位間の結合の大きさは、準位間の反交差（アンチクロッシング）のエネルギーギャップによって評価することができる。
　第２準位Ｌ２と第３準位Ｌ３とのエネルギー間隔ΔＥ２３は、縦光学フォノン（ＬＯフォノン）のエネルギーＥＬＯに対して、ＥＬＯ以上、２×ＥＬＯ以下となる下記の条件
　　ＥＬＯ≦ΔＥ２３≦２×ＥＬＯ
を満たすように設定されている。また、第３準位Ｌ３と第４準位Ｌ４とのエネルギー間隔ΔＥ３４は、ＥＬＯよりも小さい下記の条件
　　ΔＥ３４＜ＥＬＯ
を満たすように設定されている。
　ここで、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯは、例えば、量子井戸層の半導体材料としてＩｎＧａＡｓを想定した場合、ＥＬＯ＝３４ｍｅＶである。また、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯは、量子井戸層をＧａＡｓとした場合に３６ｍｅＶ、ＩｎＡｓとした場合に３２ｍｅＶであり、上記した３４ｍｅＶとほぼ同程度である。また、上記した準位間のエネルギー間隔ΔＥ２３、ΔＥ３４のＥＬＯに関する設定条件は、抽出準位構造における電子の輸送の高速化、高効率化を考慮したものである。
　このようなサブバンド準位構造において、光が入射される以前には、ドーピングされた半導体層を用いることにより、吸収井戸層１４１の検出下準位Ｌ１ａに電子が蓄積されている。検出対象の光ｈνが量子カスケード構造、より具体的には吸収井戸層１４１に入射すると、検出下準位Ｌ１ａに存在する電子は、サブバンド間での光の吸収によって検出上準位Ｌ１ｂへと励起される。検出上準位Ｌ１ｂに励起された電子は、共鳴トンネル効果によって第２準位Ｌ２へと高速で引き抜かれ、さらに、第２準位Ｌ２～第ｎ準位Ｌｎによる抽出準位構造を介し、第２準位Ｌ２から第３、第４準位Ｌ３、Ｌ４へのＬＯフォノン散乱などの緩和過程を経て、後段の単位積層体４６ｂの吸収井戸層の検出下準位Ｌ１ａへと高速で輸送、抽出される。
　以上のように構成された光検出器１Ａは、自由電子を有する金からなる第１の領域Ｒ１及び空気からなる第２の領域Ｒ２が構造体１１において所定の方向に垂直な面に沿って周期的に配列された光学素子１０を備えているため、所定の方向における一方の側からこの光学素子１０に光が入射した場合（例えば、半導体積層体４の積層方向から平面波が入射した場合）、表面プラズモン共鳴により表面プラズモンが励起される。このとき、所定の方向の電界成分が生じる。更に、光学素子１０における構造体１１は、一方の側から他方の側に貫通する複数の貫通孔１２が設けられた膜体１３を有し、第１の領域Ｒ１は、膜体１３における貫通孔１２間の部分１３ａであり、第２の領域Ｒ２は、貫通孔１２内の空間Ｓである。このため、当該構造体１１は１種類の材料から形成することができるため、製造も容易であり、コストも低減できる。
　そして、上記のように表面プラズモンが励起されたことにより生じた所定の方向の電界成分は、半導体積層体４の積層方向の電界成分でもあるため、この電界成分により、半導体積層体４の量子カスケード構造において光学素子１０側の最表面に形成されたアクティブ領域４ｂで電子が励起され、この電子がインジェクタ領域４ｃにより一方向に輸送されることで、量子カスケード構造に電流を生じる。この電流が電極６，７を介して検出される。すなわち、この光検出器１Ａによれば、半導体積層体４の積層方向の電界成分を有しない光を検出することができる。なお、電極６からは電子が供給されるため、電流連続の条件が満たされる。
　量子カスケード構造における作用を詳述すれば、以下のとおりである。光検出器１Ａでは、量子カスケード構造において、第１井戸層～第ｎ井戸層、及び第１障壁層～第ｎ障壁層が交互に積層されている。そして、吸収井戸層１４１において、光吸収によるサブバンド間の電子励起に関わる検出下準位Ｌ１ａ、検出上準位Ｌ１ｂを設け、抽出構造部４８において、次周期の単位積層体４６ｂへの電子の輸送、抽出に関わる第２準位Ｌ２～第ｎ準位Ｌｎによる抽出準位構造を設けている。このような準位構造によれば、サブバンド間の光吸収、及び光吸収で生じた電流の取り出しによる光検出動作を好適に実現することができる。
　また、上記構成では、井戸層１４１での光吸収によって検出上準位Ｌ１ｂへと励起された電子を、共鳴トンネル効果によって第２準位Ｌ２へと移動、緩和させることで、電子を高速で引き抜くとともに、第２準位Ｌ２～第ｎ準位Ｌｎによる抽出準位構造において、第２準位Ｌ２と第３準位Ｌ３とのエネルギー間隔を、条件
　　ＥＬＯ≦ΔＥ２３≦２×ＥＬＯ
を満たすように設定している。このような構成では、共鳴トンネル効果によって検出上準位Ｌ１ｂから第２準位Ｌ２へと移動した電子は、ＬＯフォノン散乱を介して第２準位Ｌ２から第３以降の準位へと高速で引き抜かれることとなる。これにより、上準位Ｌ１ｂに励起された電子が、後段の単位積層体４６ｂへと輸送されずに再び下準位Ｌ１ａに緩和してしまうことを抑制して、光検出動作の効率を向上することができる。
　さらに、上記構成では、第３準位Ｌ３と第４準位Ｌ４とのエネルギー間隔を、条件
　　ΔＥ３４＜ＥＬＯ
を満たすように設定している。このように、第３準位Ｌ３と第４準位Ｌ４とのエネルギー間隔をＬＯフォノンのエネルギーよりも小さく設定して、それらの準位を近接させる構成によれば、第３、第４準位Ｌ３、Ｌ４を含む複数の準位を、ＬＯフォノン散乱による第２準位Ｌ２からの電子の引き抜き先の準位として機能させることができる。これにより、抽出準位構造における電子の輸送を安定化、高速化することができる。
　また、このように電子の引き抜き先を複数の準位とする構成では、電子の引き抜き構造の設計が容易化されるとともに、検出器の製造時における特性の安定化、結晶成長揺らぎへの自由度向上、及び歩留まりの向上等を実現することが可能となる。以上により、吸収井戸層１４１において光吸収によって励起されたキャリア電子を、効率的に順方向電流として機能させることで、入射光に対する光検出感度が向上された量子カスケード型光検出器を好適に実現することができる。
　そして、量子カスケード構造においては、電子が検出下準位Ｌ１ａから検出上準位Ｌ１ｂへと励起されることが可能であり、また、電子が検出下準位Ｌ１ａから第２準位Ｌ２と励起されることも可能である。このように、吸収井戸層１４１は電子励起エネルギーの異なる２つの量子上位準位を有するため、それぞれの量子上位準位への電子励起エネルギーに相当する二種類の波長の光を検出することができる。すなわち、光検出器１Ａは、感度を有する波長帯域が広げられているといえる。なお、量子カスケードレーザに適用した例ではあるが、量子カスケード構造において電子が励起される量子上位準位を２準位形成させた技術としては、Kazuue　Fujita,　et　al.,　"High-performance,　homogeneous　broad-gain　quantum　cascade　lasers　based　on　dual-upper-state　design",　Appl.　Phys.　Lett.,　96,　241107(2010)が知られている。
　また、光検出器１Ａは、コンタクト層３，５、半導体積層体４、及び光学素子１０を支持する基板２を更に備えているため、光検出器１Ａの各構成が安定化されている。
　表面プラズモン共鳴を利用する光検出器として、上記非特許文献１記載の光検出器が知られているが、当該光検出器は、量子井戸構造として、等しい井戸幅の量子井戸を単純に積層したＱＷＩＰ構造を採用しているため、これを光検出器として動作させるためには外部からバイアス電圧を印加する必要があり、これによる暗電流が光感度に与える悪影響を無視できない。これに対して本実施形態の光検出器１Ａは、インジェクタ領域４ｃが、アクティブ領域４ｂで励起された電子を一方向に輸送するように設計されているため、動作させるために外部からバイアス電圧を印加する必要がなく、光により励起された電子が、バイアス電圧がない状態において量子準位間を散乱して移動するため、暗電流が極めて小さい。また、本実施形態の光検出器１Ａでは、量子カスケード構造において、アクティブ領域４ｂがインジェクタ領域４ｃに対して一方の側、つまり光学素子１０が設けられている側の最表面に形成されているために、光学素子１０により生じる所定の方向の電界成分の影響を強く受けることができる。従って、この光検出器１Ａによれば、半導体積層体の積層方向の電界成分を有しないより微小な強さの光を高い感度で検出することができる。例えば、中赤外光検出器として従来から知られているＰｂＳ（Ｓｅ）やＨｇＣｄＴｅを用いた検出器に比べて、より弱い光を検出することが可能になる。
　また、上記特許文献１記載の光検出器では、光透過層の表面に回折格子を形成するため、光検出器としての設計の自由度が低い。これに対し、本実施形態の光検出器１Ａでは、光学素子１０はコンタクト層５とは別に形成されるものであるため、表面プラズモンが励起される材料の選択、並びに、光学素子１０の形成及び加工の技術の選択の幅が広い。従って、本実施形態の光検出器１Ａは、入射光の波長や所望の光感度等に応じた設計の自由度が高い。
　また、検出波長の広帯域化を目指した上記特許文献３及び非特許文献２記載の光検出器では、光吸収が生じる量子井戸構造が半導体積層体の表層から深層まで分布しているため、光電変換に必要となる半導体積層体の積層方向の電界成分をこれらの層に均一に提供することができなければ、深層（光の入射する側から遠い部分）における光吸収の寄与が小さくなってしまう。これに対し、本実施形態の光検出器１Ａでは、光吸収が生じる量子井戸層を有するアクティブ領域４ｂが半導体積層体４のうち限定された深さに存在するために、光学素子１０の作用で生じた所定の方向の電界成分を効率よく捉えることができ、半導体積層体４における光電変換の効率が高くなる。
　なお、上記第１の実施形態の光検出器１Ａは、その光学素子１０を別の態様とすることもできる。例えば、図６に示されるように、光学素子１０において、膜体１３に設けられた複数の貫通孔１２の形状を円柱形状とし、その配置を平面視正方格子状とすることもできる。上記実施形態の光検出器１Ａでは、表面プラズモンを励起させることができる光が、スリット形状の貫通孔が並ぶ方向に偏光を有する光に限られていたが、図６に示された光学素子１０を備える本実施形態の光検出器では、第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２が二次元方向に周期的に配列しているため、表面プラズモンを励起させることができる入射光の偏光方向が二種類に増加することになる。
　また、当該円柱形状の複数の貫通孔の配置を、正方格子状に替えて、図７に示されるように、三角格子状とすることもできる。これによれば、正方格子状の配列に比べて、入射光の偏光方向に対する依存性が更に小さくなる。
［第２の実施形態］
　本発明の第２の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図８に示される第２の実施形態の光検出器１Ｂが第１の実施形態の光検出器１Ａと異なる点は、光学素子として、金からなる光学素子１０に替えて、屈折率の大きな誘電体からなる光学素子２０を備えている点である。
　この光学素子２０は、所定の方向における一方の側から他方の側に光を透過させて、当該光を変調するための光学素子であり、第１の領域Ｒ１が、屈折率の大きな誘電体からなる。第１の領域（誘電体）Ｒ１の屈折率と第２の領域（空気）Ｒ２の屈折率との差は、２以上であることが好ましく、３以上であることがより好ましい。例えば波長が５μｍの中赤外光について、ゲルマニウムの屈折率は４．０であり、空気の屈折率は１．０である。この場合、屈折率の差は３．０である。なお、光学素子２０における膜体１３の厚さは１０ｎｍ～２μｍであることが好ましい。
　このように構成された光検出器１Ｂは、上記光学素子２０を備えているため、所定の方向における一方の側からこの光学素子２０に光が入射した場合（例えば、半導体積層体４の積層方向から平面波が入射した場合）、当該光は、構造体１１において所定の方向に垂直な面に沿って周期的に配列された第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２の屈折率の差により変調され、その後、所定の方向における他方の側から出射する。すなわち、所定の方向の電界成分を有しない光を、当該所定の方向の電界成分を有するように効率よく変調することができる。また、第１の領域Ｒ１の屈折率と第２の領域Ｒ２の屈折率との差は、２以上であり、第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２の配列の周期ｄは、０．５～５００μｍであり、入射光の波長に応じて決められるため、光の変調が一層効率よく行われる。
　また、上記第１の実施形態の光検出器では、入射光（ここでは赤外線）の一部が金の薄膜により遮光されるうえ、表面プラズモン共鳴自体もエネルギー損失が大きい傾向があり、光感度の低下を招く場合がある。更に、表面プラズモン共鳴は、金属中の自由電子が光の電界成分等と結合した結果生じる振動の共鳴状態をいうことから、表面プラズモン共鳴を利用するためには、光が入射する面に自由電子が存在することが不可欠であるという制限がある。これに対し、本実施形態の光検出器１では、第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２がいずれも入射光に対して透過性を有し、且つ光の変調に表面プラズモン共鳴を利用しないため、第１の実施形態の光検出器で懸念される光感度の低下が生じず、且つ使用材料が自由電子を有する金属に制限されないという利点がある。
　なお、上記第２の実施形態の光検出器１Ｂは、第１の実施形態の光検出器１Ａと同様に、その光学素子２０を別の態様とすることもできる。すなわち、光学素子２０において、膜体に設けられた複数の貫通孔の形状を円柱形状として、その配置を平面視正方格子状又は三角格子状とすることもできる。また、貫通孔に、二酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム等を埋設して第２の領域を構成したものであってもよい。
［第３の実施形態］
　本発明の第３の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図９に示される第３の実施形態の光検出器１Ｃが第１の実施形態の光検出器１Ａと異なる点は、コンタクト層５が、半導体積層体４の表面４ａの全面に設けられていることに替えて、電極６の直下のみに設けられている点、及び、これに伴い光学素子１０が半導体積層体４の表面４ａに直接設けられている点である。また、光学素子１０に替えて、第２の実施形態における光学素子２０を適用してもよい。後述する計算結果から明らかなように、所定の方向の一方側から光学素子に入射した光から生じる所定の方向の電界成分が最も強く現れるのは、光学素子における他方側の表面付近である。従って、本実施形態の光検出器１Ｃは、光学素子１０と半導体積層体４とが直接接しているために、第１の実施形態の光検出器１Ａと比べて、光感度が高い。
［第４の実施形態］
　本発明の第４の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図１０及び図１１に示される第４の実施形態の光検出器１Ｄが第３の実施形態の光検出器１Ｃと異なる点は、コンタクト層５と電極６との間に、光学素子１０を形成している材料（ここでは金）からなる介在部材１０ａが配置され、且つ当該介在部材１０ａが、コンタクト層５の内側の側面と光学素子１０との間の領域に進入し、光学素子１０とコンタクト層５及び電極６とを電気的に接続している点である。これによれば、光学素子１０が半導体積層体４の表面４ａに直接設けられている場合であっても、直列抵抗のロスによる光感度の低下を抑制することができる。
［第５の実施形態］
　本発明の第５の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図１２及び図１３に示される第５の実施形態の光検出器１Ｅが第１の実施形態の光検出器１Ａと異なる点は、基板２ｃとして半絶縁性タイプのＩｎＰ基板を使用している点、半導体積層体４がコンタクト層３の表面３ａの全面よりも小さな面積をもち、コンタクト層３の表面３ａの全面ではなく中央に設けられている点、及び、電極７が、コンタクト層３の表面３ａのうち半導体積層体４が設けられていない周縁の領域に、半導体積層体４を囲むように環状に形成されている点である。このような電極７は、コンタクト層３、半導体積層体４、コンタクト層５を一旦積層した後で、コンタクト層５及び半導体積層体４をエッチング除去してコンタクト層３の表面３ａを露出させることにより形成可能である。電磁誘導の小さな半絶縁性タイプの基板２ｃを用いることにより、低ノイズ化や高速化、又はアンプ回路等との集積回路が実現しやすくなる。
　更に、光検出器１Ｅでは、基板２ｃのコンタクト層３と反対側の表面に電極が設けられていないため、光検出器１Ｅの裏面側（所定の方向における他方の側）から光を入射させて、その光を検出することが可能になる。これにより、光学素子１０による入射光の反射及び吸収を回避することができるため、一層の光感度の増大が可能になる。更に、パッケージ、サブマウント或いは集積回路等に光検出器１Ｅをフリップチップボンディングにより搭載した状態で、簡便に光を入射させることができるため、特にイメージセンサ等への発展の可能性が広がるというメリットがある。
　なお、本実施形態においても基板としてｎ型のＩｎＰ基板を用いることもできる。
［第６の実施形態］
　本発明の第６の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図１４及び図１５に示される第６の実施形態の光検出器１Ｆが第２の実施形態の光検出器１Ｂと異なる点は、光学素子として、形状が異なる光学素子３０を使用している点、及び、半導体積層体４が、所定の方向に沿って積層された複数の量子カスケード構造を有する点である。具体的には、図５に示されるように、量子カスケード構造（すなわち単位積層体４６）が、多段に積層されている。
　光学素子３０は、所定の方向に垂直な方向に延びる複数の棒状体３３ａ（第１の領域Ｒ１）が、空間Ｓ（第２の領域Ｒ２）とともにストライプを形成するように同一平面上に互いに平行に配置されたものである。
　所定の方向の電界成分は、後述するシミュレーションから明らかなように、光学素子３０の表層に近い部分において最も強度が高くなるが、半導体積層体４の深い領域においてもその強度はゼロではなく、深くなるに従って減衰しながらも存在している。半導体積層体４は量子カスケード構造を多段に有しているため、深い領域に届いている電界成分によっても光励起電子を有効に発生させる。このため、本実施形態の光検出器は、光感度が一層高められているといえる。
　以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ＩｎＰ基板上に形成した量子カスケード構造として、ＩｎＡｌＡｓとＩｎＧａＡｓから構成される例を取り上げたが、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓから構成されるものであってもよく、ＧａＡｓ基板上に形成したＡｌＧａＡｓとＧａＡｓからなるものであってもよく、他にも、ＧａＮとＩｎＧａＮからなるものなど、量子準位が形成されるあらゆる半導体層を適用することができる。
　また、第１の実施形態では、光学素子１０の材料として金（Ａｕ）を示したが、アルミニウム（Ａｌ）や銀（Ａｇ）などの電気抵抗が低い他の金属であってもよい。また、第２の実施形態では、光学素子１０の材料である屈折率の高い誘電体としてゲルマニウム（Ｇｅ）を示したが、これに限られるものではない。また、上記各実施形態におけるオーミック電極６，７を構成する金属についてもここに示した限りではない。このように、通常考えられるデバイス形状のバリエーション範囲において、本発明の適用が可能である。
　また、第４及び第５実施形態の光検出器における光学素子１０に替えて、第２の実施形態における光学素子２０を適用してもよいし、第１の領域及び第２の領域を構成する材料として、文献（M.Choi　et　al.,　"A　terahertz　metamaterial　with　unnaturally　high　refractive　index",　Nature,　470,　369(2011).）に開示されているような、微細加工技術により誘電率と透磁率を人工的に操作したメタマテリアルと呼ばれる材料を用いてもよい。
　また、本発明の光検出器においては、光学素子が、所定の方向における一方の側から光が入射したときに当該所定の方向の電界成分を生じさせるものであってもよいし、或いは、光学素子が、半導体積層体を介して所定の方向における他方の側から光が入射したときに当該所定の方向の電界成分を生じさせるものであってもよい。つまり、本発明の光学素子は、所定の方向に沿って光が入射したときに当該所定の方向の電界成分を生じさせるものである。
　さらに、光学素子における第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２に関し、周期的に配列された方向における寸法比（幅比）は、特に制限されない。例えば、第１の領域Ｒ１の幅を第２の領域Ｒ２の幅よりも小さく構成してもよく、逆に、第１の領域Ｒ１の幅を第２の領域Ｒ２の幅よりも大きく構成してもよい。それぞれの目的に合わせて、自由に設計することができる。
　本発明における光学素子について、光が出射する側の近傍における電界強度分布をシミュレーションにより計算した。
　図８に示される光学素子２０を対象とした。光学素子２０の厚さ、並びに第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２の構成材料及び寸法は次のとおりである。
　光学素子の厚さ…０．５μｍ
　周期ｄ＝１．５μｍ
　第１の領域…ゲルマニウム（屈折率４．０）、幅０．７μｍ
　第２の領域…空気（屈折率１．０）、幅が０．８μｍ
　電界強度分布の計算は、ＦＤＴＤ（Finite-Difference　Time-Domain）法（有限差分時間領域法）と呼ばれる逐次近似法にて行った。結果を図１６に示す。ここで入射光は、波長５．２μｍの平面波であり、図１６における下方から上方に向けて（つまり所定の方向に）入射させた。偏光方向は、光学素子２０のスリット形状が並ぶ方向とした。図１６は光学素子２０における第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２がなす面に（つまり所定の方向に垂直な面に）に垂直な電界成分の強度を示している。
　入射光は一様な平面波であり、その電界成分は横方向にしか存在しない。図１６によれば、第１の領域（ゲルマニウム）と第２の領域（空気）との周期的な配列により、入射光に含まれていなかった所定方向の電界成分が新たに生じていることが分かる。またその強度分布から、垂直電界強度が強い領域は光学素子２０の表層に近い範囲に集中しており、このことから、量子カスケード構造においてアクティブ領域４ｂは、可能な限り半導体積層体４の表層に近い部分に形成した方が、より高い光感度を得られることがわかる。
　また、ゲルマニウムからなる光学素子を備える光検出器を実際に作製し、その光感度スペクトルを作成した。その光感度スペクトルを図１７に示す。ここで、作製した光検出器は、光学素子の材質をゲルマニウム、形状をストライプ（図３の形状）とした。光学素子の寸法としては、周期を１．５μｍ、幅を０．８μｍとした。半導体構造は、ＩｎＧａＡｓの井戸層とＩｎＡｌＡｓの障壁層とから構成した。基板はｎ型のＩｎＰとした。
　図１７によれば、アクティブ領域の量子井戸層内における量子上位準位が１準位である従来例では、光感度ピークが１つであったが、量子上位準位を２準位設けた本発明の実施例では、それぞれの準位への電子励起エネルギーに相当する２つの光感度ピークが観測された。これにより、本発明の実施例では、光検出器の感度波長帯域が広がっていることが分かる。
　また、量子カスケード構造の段数を変化させながら、半導体積層体内全体に生じる垂直電界強度の積算値を計算した一例を図１８に示す。図１８によれば、少なくとも段数が５０までは段数とともに垂直電界強度が増加し、それ以上の段数で垂直電界強度が飽和傾向になることが分かる。この結果から、量子カスケード構造の段数は、数十段あることが望ましいことが分かる。
　１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ…光検出器、２，２ｃ…基板、３，５…コンタクト層、４…半導体積層体、４ｂ…アクティブ領域、４ｃ…インジェクタ領域、６，７…電極、１０，２０，３０…光学素子、１１…構造体、Ｒ１…第１の領域、Ｒ２…第２の領域。

Claims (11)

  1. 　第１の領域、及び所定の方向に垂直な面に沿って前記第１の領域に対し周期的に配列された第２の領域を含む構造体を有し、前記所定の方向に沿って光が入射したときに前記所定の方向の電界成分を生じさせる光学素子と、
    　前記光学素子に対し前記所定の方向における一方の側とは反対側の他方の側に配置され、前記光学素子により生じさせられた前記所定の方向の電界成分によって電流を生じる量子カスケード構造を有する半導体積層体と、を備え、
    　前記量子カスケード構造は、
    　第１の量子上位準位、及び当該第１の量子上位準位よりも低い第２の量子上位準位を有するアクティブ領域と、
    　前記アクティブ領域で励起された電子を輸送するインジェクタ領域と、を含む、光検出器。
  2. 　前記半導体積層体は、前記所定の方向に沿って積層された複数の前記量子カスケード構造を有する、請求項１記載の光検出器。
  3. 　前記半導体積層体の前記一方の側の表面に形成された第１のコンタクト層と、
    　前記半導体積層体の前記他方の側の表面に形成された第２のコンタクト層と、を更に備える、請求項１又は２記載の光検出器。
  4. 　前記第１のコンタクト層と電気的に接続された第１の電極と、
    　前記第２のコンタクト層と電気的に接続された第２の電極と、を更に備える、請求項３記載の光検出器。
  5. 　前記第２のコンタクト層、前記半導体積層体、前記第１のコンタクト層及び前記光学素子が前記他方の側から順に積層された基板を更に備える、請求項３又は４記載の光検出器。
  6. 　前記第１の領域は、前記所定の方向に沿って前記光を透過させて当該光を変調する誘電体からなる、請求項１～５のいずれか一項記載の光検出器。
  7. 　前記第１の領域は、前記光により表面プラズモンが励起される金属からなる、請求項１～５のいずれか一項記載の光検出器。
  8. 　前記第１の領域に対する前記第２の領域の配列の周期は、０．５～５００μｍである、請求項１～７のいずれか一項記載の光検出器。
  9. 　前記光は、赤外線である、請求項１～８のいずれか一項記載の光検出器。
  10. 　前記光学素子は、前記一方の側から光が入射したときに前記所定の方向の電界成分を生じさせる、請求項１～９のいずれか一項記載の光検出器。
  11. 　前記光学素子は、前記半導体積層体を介して前記他方の側から光が入射したときに前記所定の方向の電界成分を生じさせる、請求項１～９のいずれか一項記載の光検出器。
PCT/JP2013/063182 2012-05-16 2013-05-10 光検出器 WO2013172269A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014515596A JP5940656B2 (ja) 2012-05-16 2013-05-10 光検出器
EP13789996.9A EP2853866A4 (en) 2012-05-16 2013-05-10 PHOTODETECTOR
US14/390,842 US20150053922A1 (en) 2012-05-16 2013-05-10 Photodetector
CN201380025424.7A CN104285135B (zh) 2012-05-16 2013-05-10 光检测器

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012-112348 2012-05-16
JP2012112348 2012-05-16
JP2012287866 2012-12-28
JP2012-287866 2012-12-28
JPPCT/JP2013/056621 2013-03-11
PCT/JP2013/056621 WO2013172078A1 (ja) 2012-05-16 2013-03-11 光学素子及び光検出器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013172269A1 true WO2013172269A1 (ja) 2013-11-21

Family

ID=49583675

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2013/063182 WO2013172269A1 (ja) 2012-05-16 2013-05-10 光検出器

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20150053922A1 (ja)
EP (1) EP2853866A4 (ja)
JP (1) JP5940656B2 (ja)
CN (1) CN104285135B (ja)
WO (1) WO2013172269A1 (ja)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014170925A (ja) * 2013-02-05 2014-09-18 Hamamatsu Photonics Kk 光検出器
JP2017168594A (ja) * 2016-03-15 2017-09-21 株式会社東芝 面発光量子カスケードレーザ
US10447012B2 (en) 2017-11-16 2019-10-15 Kabushiki Kaisha Toshiba Surface-emitting quantum cascade laser
US10714897B2 (en) 2016-03-15 2020-07-14 Kabushiki Kaisha Toshiba Distributed feedback semiconductor laser

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016178234A (ja) * 2015-03-20 2016-10-06 株式会社東芝 半導体受光デバイス
EP3261130B1 (en) * 2016-06-20 2020-11-18 ams AG Photodetector device with integrated high-contrast grating polarizer
US11258233B2 (en) 2017-12-27 2022-02-22 Kabushiki Kaisha Toshiba Quantum cascade laser
CN108198895B (zh) * 2017-12-28 2020-03-17 山西大同大学 红外探测器的量子点有源区结构、其制作方法及红外探测器
CN115763578A (zh) * 2022-07-11 2023-03-07 中国科学院上海技术物理研究所 一种人工微结构集成InAs基红外光电探测器
CN117712215B (zh) * 2023-12-12 2024-09-06 上海新微半导体有限公司 一种雪崩光电探测器及其制作方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000156513A (ja) 1998-09-14 2000-06-06 Fujitsu Ltd 赤外線検知器とその製造方法
JP2001524757A (ja) 1997-11-26 2001-12-04 カリフォルニア・インスティテュート・オブ・テクノロジー 広帯域量子井戸赤外線光ディテクタ
JP2005159002A (ja) * 2003-11-26 2005-06-16 Seiko Epson Corp 受光素子、光モジュール、及び光伝送装置
JP2012069801A (ja) 2010-09-24 2012-04-05 Fujitsu Ltd 量子井戸型光検知器及びその製造方法
JP2012083238A (ja) * 2010-10-13 2012-04-26 Nec Corp 赤外線検出装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000077861A1 (en) * 1999-06-14 2000-12-21 Augusto Carlos J R P Stacked wavelength-selective opto-electronic device
FR2827709B1 (fr) * 2001-07-20 2003-11-07 Thales Sa Detecteur photovoltaique a cascade quantique
CN1237369C (zh) * 2002-01-07 2006-01-18 松下电器产业株式会社 面型光调制器及其制造方法
US6829269B2 (en) * 2002-05-21 2004-12-07 University Of Massachusetts Systems and methods using phonon mediated intersubband laser
US6826223B1 (en) * 2003-05-28 2004-11-30 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Surface-emitting photonic crystal distributed feedback laser systems and methods
US7282777B1 (en) * 2004-09-27 2007-10-16 California Institute Of Technology Interband cascade detectors
JP5300344B2 (ja) * 2007-07-06 2013-09-25 キヤノン株式会社 光検出素子及び撮像素子、光検出方法及び撮像方法
WO2013172078A1 (ja) * 2012-05-16 2013-11-21 浜松ホトニクス株式会社 光学素子及び光検出器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001524757A (ja) 1997-11-26 2001-12-04 カリフォルニア・インスティテュート・オブ・テクノロジー 広帯域量子井戸赤外線光ディテクタ
JP2000156513A (ja) 1998-09-14 2000-06-06 Fujitsu Ltd 赤外線検知器とその製造方法
JP2005159002A (ja) * 2003-11-26 2005-06-16 Seiko Epson Corp 受光素子、光モジュール、及び光伝送装置
JP2012069801A (ja) 2010-09-24 2012-04-05 Fujitsu Ltd 量子井戸型光検知器及びその製造方法
JP2012083238A (ja) * 2010-10-13 2012-04-26 Nec Corp 赤外線検出装置

Non-Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
G. ARIYAWANSA ET AL.: "Bias-selectable tricolor tunneling quantum dot infrared photodetector for atmospheric windows", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 92, 19 March 2008 (2008-03-19), pages 111104 - 1-3, XP012105974 *
KAZUUE FUJITA ET AL.: "High-performance, homogeneous broad-gain quantum cascade lasers based on dual-upper-state design", APPL. PHYS. LETT., vol. 96, 2010, pages 241107
M. CHOI ET AL.: "A terahertz metamaterial with unnaturally high refractive index", NATURE, vol. 470, 2011, pages 369
S. C.LEE ET AL.: "Quantum dot infrared photodetector enhanced by surface plasma wave excitation", OPTICS EXPRESS, vol. 17, no. 25, 2 December 2009 (2009-12-02), pages 23160 - 23168, XP055028846 *
S. V BANDARA ET AL.: "Multi-band and broad-band infrared detectors based on III-V materials for spectral imaging instruments", INFRARED PHYS. TECHNOL., vol. 47, 2005, pages 15
See also references of EP2853866A4
SHIN-YEN LIN ET AL.: "High-performance InAs/GaAs quantum-dot infrared photodetectors with a single-sided A10.3Ga0.7As blocking layer", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 78, no. 18, 16 February 2001 (2001-02-16), pages 2784 - 2786, XP012027910 *
W. WU ET AL.: "Plasmonic enhanced quantum well infrared photodetector with high detectivity", APPL. PHYS. LETT., vol. 96, 2010, pages 161107
WEI WU ET AL.: "Plasmonic enhanced quantum well infrared photodetector with high detectivity", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 96, 22 April 2010 (2010-04-22), pages 161107 - 1-3, XP012130861 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014170925A (ja) * 2013-02-05 2014-09-18 Hamamatsu Photonics Kk 光検出器
JP2017168594A (ja) * 2016-03-15 2017-09-21 株式会社東芝 面発光量子カスケードレーザ
US9893493B2 (en) 2016-03-15 2018-02-13 Kabushiki Kaisha Toshiba Surface emitting quantum cascade laser
US10714897B2 (en) 2016-03-15 2020-07-14 Kabushiki Kaisha Toshiba Distributed feedback semiconductor laser
US10447012B2 (en) 2017-11-16 2019-10-15 Kabushiki Kaisha Toshiba Surface-emitting quantum cascade laser

Also Published As

Publication number Publication date
CN104285135A (zh) 2015-01-14
JPWO2013172269A1 (ja) 2016-01-12
CN104285135B (zh) 2016-08-17
EP2853866A4 (en) 2016-01-20
EP2853866A1 (en) 2015-04-01
US20150053922A1 (en) 2015-02-26
JP5940656B2 (ja) 2016-06-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5940656B2 (ja) 光検出器
US11231318B2 (en) Photoconductive detector device with plasmonic electrodes
US10446701B2 (en) In-plane resonant-cavity infrared photodetectors with fully-depleted absorbers
JP6001063B2 (ja) 光学素子及び光検出器
US9368661B2 (en) Photodetector
US10612971B2 (en) Plasmonic avalanche photodetection
JP5940657B2 (ja) 光検出器
WO2014174866A1 (ja) 光検出器
JP5952108B2 (ja) 光検出器
US9929292B2 (en) Quantum cascade detector
CN101299445A (zh) 一种半导体量子阱光子探测器件
JP5255042B2 (ja) 光検知素子
JP2014170925A (ja) 光検出器
JP7283182B2 (ja) 光検出器、これを用いた撮像装置、及び光検出器の製造方法
JP2017011242A (ja) 光検出装置
JP2015094738A (ja) 光検出器の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13789996

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2014515596

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2013789996

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2013789996

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14390842

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE