WO2014208186A1 - 受光素子及びその製造方法 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a light receiving element and a manufacturing method thereof.
  • Patent Document 1 The prior art described in the following Patent Document 1 is a pn junction formed between electrodes in order to make it possible to easily create a light receiving element having sensitivity to light of a specific wavelength without selecting a material.
  • a light receiving part having sensitivity to the wavelength of the irradiated light is obtained by applying a forward bias voltage to the semiconductor layer having the pn junction and irradiating the light.
  • the band gap energy of the light-receiving portion is required to be smaller than the light energy of the long-wavelength light received, Since it is inversely proportional to the wavelength, the material of the light receiving part must be limited.
  • a semiconductor material having a small bandgap such as Hg 1-X Cd X Te, InSb, or a multiple quantum well layer is used for a light receiving unit for long wavelength light. Instability of materials, difficulty of device processes, complexity of manufacturing processes, and the like are problems.
  • the light receiving element obtained by a new photoexcitation system using near-field light as in the prior art described above solves the above-mentioned problems associated with the selection of materials constrained by the band gap, and anneals.
  • a light receiving portion having sensitivity to an arbitrary wavelength can be obtained by light of a specific wavelength irradiated during processing.
  • one of the electrodes sandwiching the pn junction must be a light transmissive electrode, such as ITO. Since a transparent electrode cannot transmit mid-infrared light having a wavelength of 2.5 ⁇ m or more, a light-receiving element having sensitivity to long-wavelength light such as mid-infrared light cannot be obtained.
  • the present invention is an example of a problem to deal with such a problem. That is, it is an object of the present invention to solve various problems associated with material selection constrained by the band gap and to easily obtain a light receiving element having sensitivity to long wavelength light such as mid-infrared light. .
  • the present invention includes at least the following configuration.
  • the electrode on the side irradiated with the light of the pair of electrodes is configured by a wire grid polarizer that transmits light of the specific wavelength.
  • an electrode that transmits mid-infrared or infrared can be obtained, so by applying a forward bias voltage between a pair of electrodes and irradiating with mid-infrared or infrared, Near-field light can be generated in the vicinity of the pn junction, and a light-receiving element having sensitivity to long-wavelength light such as infrared rays can be easily obtained.
  • FIG. 1 is an explanatory view illustrating a light receiving element according to an embodiment of the present invention.
  • the light receiving element 1 includes a semiconductor layer 10 having a pn junction 10j and a pair of electrodes 11 and 12 sandwiching the pn junction 10j.
  • the semiconductor layer 10 can be constituted by, for example, a p layer (p-type semiconductor layer) 10p and an n layer (n-type semiconductor layer) 10n. In this case, a pn junction portion is located near the boundary between the p layer 10p and the n layer 10n. 10j is formed.
  • the semiconductor layer 10 may be formed by stacking a large number of layers or formed on a substrate (not shown).
  • the p layer can be, for example, a p-type Si layer obtained by doping Si (silicon) with a first material.
  • the first substance here include a substance selected from group 13 elements (B (boron), Al (aluminum), and Ga (gallium)).
  • the n layer may be an n-type Si layer obtained by doping Si (silicon) with a second substance.
  • the second substance here include a substance selected from group 15 elements (As (arsenic), P (phosphorus), Sb (antimony)).
  • At least one of the electrodes 11 and 12 is constituted by a wire grid polarizer Wg.
  • the wire grid polarizer Wg can transmit light of a specific wavelength irradiated to the pn junction 10j when an annealing process described later is performed, and is a conductive material that becomes the electrode 11 on the side irradiated with light. It is what has.
  • the electrode 12 on the side not irradiated with light can be composed of a metal electrode layer or the like. When light is irradiated from both sides of the pn junction 10j, both the electrodes 11 and 12 are constituted by the wire grid polarizer Wg.
  • the light receiving element 1 is one in which near-field light (dressed photons) is generated in the vicinity of the pn junction 10j by annealing. As shown in FIG. 1, the annealing process applies a forward bias voltage V to the pn junction 10j through the electrodes 11 and 12, and irradiates light L having a specific wavelength, thereby the pn junction 10j. In addition, a light receiving portion having sensitivity to a specific wavelength of the irradiated light is formed.
  • the particularly large generation site of this Joule heat is the surface of the pn junction 10j, the n layer 10n, and the p layer 10p that generate a large potential difference.
  • the fluidity in the vicinity of the pn junction 10j is caused by the generation of Joule heat.
  • the surface shape near the pn junction 10j and the dopant distribution change randomly, and near-field light is generated based on the irradiated light.
  • the state in the vicinity of the pn junction 10j that generates such near-field light can be expanded by continuing the annealing process, and can be fixed by further reducing Joule heat.
  • the light receiving element 1 formed by performing such an annealing process receives light of a specific wavelength irradiated during the annealing process, a state in which near-field light is suitably generated with respect to that wavelength has already been created. As a result, near-field light is generated in many regions. Then, the light received by the generated near-field light is excited in multiple stages through the vibration level, and finally the electrons are excited to the conduction band, so that the light receiving element having sensitivity to light of a specific wavelength The function as is obtained.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing a planar structure of a wire grid polarizer that functions as a light transmissive electrode formed on the side irradiated with light of a specific wavelength.
  • the wire grid polarizer Wg can be made of a conductive metal such as Al, Zn, Ti, Ag, Au, and the vertical line pattern P1 having a width W, a distance d, and a pitch p and all vertical lines.
  • a horizontal linear pattern P2 is provided to connect the patterns to the same potential.
  • the pitch p of the wire grid polarizer Wg has a relationship of p ⁇ ⁇ min / 2, where ⁇ min is the minimum value of the transmitted light wavelength. Therefore, when the specific wavelength described above is an infrared ray of 5 ⁇ m or more, the pitch p ⁇ 2.5 ⁇ m is set. Further, the interval d and the width W of the wire grid polarizer Wg are parameters that affect the current density distribution in the vicinity of the pn junction 10j. In order to ensure the uniformity of the current density distribution in the pn junction 10j when the thickness of the p layer is set to about 1 ⁇ m, it is preferable that d ⁇ 2 ⁇ m.
  • a configuration example of the wire grid polarizer Wg is shown below.
  • a Ni—Cr antireflection film was provided on both sides of a 0.5 mm thick silicon wafer, and an Au wire grid having a height (depth) of 100 nm was formed on one side.
  • the pitch p of the wire grid was 0.56 ⁇ m with respect to the design wavelength of 3 to 6 ⁇ m of transmitted light, and the line width W of the wire grid was 60% of the pitch p.
  • the second example is the same as the first example except that the pitch p of the wire grid is 0.84 ⁇ m with respect to the vicinity of the design wavelength of transmitted light of 10 ⁇ m.
  • the transmittance of S-polarized light (polarized component perpendicular to the grid direction) in the design wavelength range of each transmitted light is 70% or more, and Ni— Since Cr has conductivity, it functions as the electrode 11 for performing the above-described annealing treatment.
  • the light receiving element 1 uses the wire 11 as the wire grid polarizer Wg so that the forward bias voltage V is applied between the electrodes 11 and 12 and the pn junction 10j between the electrodes 11 and 12 has a thickness of 3 ⁇ m.
  • the forward bias voltage V is applied between the electrodes 11 and 12 and the pn junction 10j between the electrodes 11 and 12 has a thickness of 3 ⁇ m.
  • the light receiving element 1 formed in this way is incident on the light receiving portion formed in the vicinity of the pn junction portion 10j through the light receiving surface by using the side on which the wire grid polarizer Wg is formed as the light receiving surface.
  • a long-wavelength mid-infrared having a wavelength of 3 ⁇ m or more can be detected as an electromotive force change between the electrodes 11 and 12.
  • an appropriate reverse bias voltage may be applied between the electrodes 11 and 12.
  • the light receiving element 1 eliminates the need to select a material constrained by the band gap when obtaining a light receiving element having sensitivity to long wavelength light such as infrared rays.
  • Various problems such as adverse effects, instability of materials, difficulty of device processes, and complexity of manufacturing processes can be solved.

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  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

　バンドギャップに拘束される材料選択に伴う様々な問題点を解消して、赤外線などの長波長光に感度を有する受光素子を簡易に得る。　受光素子１は、ｐｎ接合部１０ｊを有する半導体層１０と、ｐｎ接合部１０ｊを挟む一対の電極１１，１２とを備え、一対の電極１１，１２間に順方向バイアス電圧Ｖを印加すると共に特定波長の光Ｌを照射することでｐｎ接合部１０ｊ付近に近接場光を発生させた受光素子であって、一対の電極１１，１２の光Ｌが照射される側の電極１１を、特定波長の光が透過するワイヤーグリッド偏光子Ｗｇによって構成した。

Description

受光素子及びその製造方法
　本発明は、受光素子及びその製造方法に関するものである。
　下記特許文献１に記載の従来技術は、特定波長の光に対して感度を持たせた受光素子を、材料の選定を行うことなく容易に作成可能にするために、電極間に形成したｐｎ接合部を有する半導体層に特殊なアニール処理を施すことで、この半導体層に近接場光（ドレスト光子）を発生させ、近接場光の発生箇所を所望の波長の光に対して感度を有する受光部とするものである。
　ここでのアニール処理は、ｐｎ接合部を有する半導体層に順方向バイアス電圧を印加すると共に光を照射することで、照射した光の波長に対し感度を持たせた受光部を得ている。
特開２０１２－１６９５６５号公報
　一般に、近赤外波長や赤外線などの長波長光に感度を有する受光素子を得るためには、受光部のバンドギャップエネルギーが受光する長波長光の光エネルギーより小さいことが求められ、光エネルギーは波長に反比例することから、受光部の材料が限定されたものにならざるを得ない。一般には、Ｈｇ1-XＣｄXＴｅや、ＩｎＳｂなどのバンドギャップが小さい半導体材料、或いは多重量子井戸層などが長波長光の受光部に用いられているが、これらはそれぞれ、人体への悪影響、材料の不安定性やデバイスプロセスの困難性、製造工程の煩雑さなどが問題になっている。
　これに対して、前述した従来技術のように、近接場光を利用した新たな光励起系によって得られる受光素子は、バンドギャップに拘束される材料選択に伴う前述した問題点を解消して、アニール処理時に照射する特定波長の光によって任意の波長に対して感度を有する受光部を得ることができる。しかしながら、この従来技術によると、順方向バイアス電圧を印加すると共に光を照射するアニール処理を行うために、ｐｎ接合部を挟む電極の一方を光透過性の電極にする必要があり、ＩＴＯなどの透明電極では波長２．５μｍ以上の中赤外線を透過することができないため、中赤外線などの長波長光に感度を有する受光素子を得ることができない。
　本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、バンドギャップに拘束される材料選択に伴う様々な問題点を解消して、中赤外線などの長波長光に感度を有する受光素子を簡易に得ることができること、等が本発明の目的である。
　このような目的を達成するために、本発明は、以下の構成を少なくとも具備するものである。
　ｐｎ接合部を有する半導体層と、前記ｐｎ接合部を挟む一対の電極とを備え、前記一対の電極間に順方向バイアス電圧を印加すると共に特定波長の光を照射することで前記ｐｎ接合部付近に近接場光を発生させた受光素子であって、前記一対の電極の前記光が照射される側の電極を、前記特定波長の光が透過するワイヤーグリッド偏光子によって構成したことを特徴とする受光素子。
　ワイヤーグリッド偏光子によって電極を構成することで、中赤外線又は赤外線を透過する電極を得ることができるので、一対の電極間に順方向バイアス電圧を印加すると共に中赤外線又は赤外線を照射することで、ｐｎ接合部付近に近接場光を発生させることができ、簡易に赤外線などの長波長光に感度を有する受光素子を得ることができる。
　これによって、赤外線などの長波長光に感度を有する受光素子を得るに際して、バンドギャップに拘束される材料選択が不要になり、人体への悪影響、材料の不安定性やデバイスプロセスの困難性、製造工程の煩雑さなどの各種問題を解消することができる。
本発明の実施形態に係る受光素子を説明する説明図である。 本発明の実施形態におけるワイヤーグリッド偏光子の平面構造を示した説明図である。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る受光素子を説明する説明図である。受光素子１は、ｐｎ接合部１０ｊを有する半導体層１０と、ｐｎ接合部１０ｊを挟む一対の電極１１，１２とを備えている。半導体層１０は、例えば、ｐ層（ｐ型半導体層）１０ｐとｎ層（ｎ型半導体層）１０ｎによって構成することができ、この場合はｐ層１０ｐとｎ層１０ｎの境界付近にｐｎ接合部１０ｊが形成される。半導体層１０は、更に多数の層が積層されたものや図示省略した基板上に形成したものなどであってもよい。
　ｐ層は、例えば、Ｓｉ（シリコン）に第１物質をドープしたｐ型Ｓｉ層とすることができる。ここでの第１物質としては、例えば、１３族元素（Ｂ（ボロン），Ａｌ（アルミニウム），Ｇａ（ガリウム））から選択される物質を挙げることができる。ｎ層は、例えば、Ｓｉ（シリコン）に第２物質をドープしたｎ型Ｓｉ層とすることができる。ここでの第２物質としては、例えば、１５族元素（Ａｓ（ヒ素），Ｐ（リン），Ｓｂ（アンチモン））から選択される物質を挙げることができる。
　電極１１，１２の少なくとも一方の電極１１は、ワイヤーグリッド偏光子Ｗｇによって構成される。ワイヤーグリッド偏光子Ｗｇは、後述するアニール処理を施す際にｐｎ接合部１０ｊに照射される特定波長の光を透過することができるものであり、光が照射される側の電極１１となる導電性を有するものである。光が照射されない側の電極１２は、金属電極層などで構成することができる。ｐｎ接合部１０ｊの両側から光を照射する場合には、両方の電極１１，１２がワイヤーグリッド偏光子Ｗｇによって構成される。
　受光素子１は、アニール処理によってｐｎ接合部１０ｊ付近に近接場光（ドレスト光子）を発生させたものである。アニール処理は、図１に示すように、電極１１，１２を介してｐｎ接合部１０ｊに順方向バイアス電圧Ｖを印加すると共に特定波長の光Ｌを照射するものであり、これによってｐｎ接合部１０ｊに、照射された光の特定波長に対して感度を有する受光部が形成される。
　このアニール処理では、順方向バイアス電圧Ｖが印加された状態で、ｐｎ接合部１０ｊのバンドギャップ幅に相当するエネルギー吸収端に応じた波長を吸収端波長としたとき、この吸収端波長より長波長である特定波長の光Ｌを照射する。この吸収端波長より長波長の光を照射した場合には、その光の持つエネルギーはｐｎ接合部１０ｊのバンドギャップ幅に満たないため、伝導帯へ電子を励起させることができない。このため、光を照射しても通常のｐｎ接合と同様、順方向バイアス電圧を印加することにより、正孔はｎ層１０ｎ側へ、電子はｐ層１０ｐ側へ移動することになり、この電子の移動に伴うジュール熱が発生する。
　このジュール熱の特に大きな発生部位は、大きな電位差を生じるｐｎ接合部１０ｊやｎ層１０ｎ、ｐ層１０ｐの表面などであるが、ジュール熱が発生することにより、ｐｎ接合部１０ｊ付近の流動性が増加し、ｐｎ接合部１０ｊ付近の表面形状やドーパント分布のランダムな変化が生じ、照射された光に基づいて近接場光が発生する。このような近接場光を発生させるｐｎ接合部１０ｊ付近の状態は、アニール処理を継続することで拡大させることができ、更にジュール熱を低下させることで固定することができる。
　このようなアニール処理を施すことによって形成された受光素子１は、アニール処理の際に照射された特定波長の光を受光すると、既にその波長に対して好適に近接場光を発生する状態が作り込まれていることから、近接場光が多くの領域で発生する。そして、発生した近接場光により受光した光が振動準位を介して多段階に励起され、最終的に伝導帯へ電子が励起されることになって、特定波長の光に感度を有する受光素子としての機能が得られる。
　図２は、特定波長の光を照射する側に形成された光透過性の電極として機能するワイヤーグリッド偏光子の平面構造を示した説明図である。ワイヤーグリッド偏光子Ｗｇは、Ａｌ，Ｚｎ，Ｔｉ，Ａｇ，Ａｕなどの導電性を有する金属によって構成することができ、幅Ｗ，間隔ｄ，ピッチｐの縦線状パターンＰ１と全ての縦線状パターンを同電位にするために連結する横線状パターンＰ２を備えている。
　ワイヤーグリッド偏光子Ｗｇのピッチｐは、透過光波長の最小値をλminとすると、ｐ≦λmin／２の関係になる。したがって、前述した特定波長を５μｍ以上の赤外線とする場合には、ピッチｐ≦２．５μｍに設定される。また、ワイヤーグリッド偏光子Ｗｇの間隔ｄと幅Ｗはｐｎ接合部１０ｊ付近の電流密度分布に影響するパラメータとなる。ｐ層の厚さを１μｍ程度と設定した場合にｐｎ接合部１０ｊにおける電流密度分布の均一性を確保するためには、ｄ≦２μｍとすることが好ましい。
　ワイヤーグリッド偏光子Ｗｇの構成例を以下に示す。第１の例は、厚さ０．５ｍｍのシリコンウェハの両面にＮｉ－Ｃｒの反射防止膜を設け、その片面に高さ（深さ）１００ｎｍのＡｕワイヤーグリッドを形成した。ワイヤーグリッドのピッチｐは、透過光の設計波長３～６μｍに対して０．５６μｍとし、ワイヤーグリッドの線幅Ｗはピッチｐの６０％とした。第２の例は、ワイヤーグリッドのピッチｐを透過光の設計波長１０μｍ付近に対して０．８４μｍとした以外は第１の例と同様にした。第１の例及び第２の例は、いずれもそれぞれの透過光の設計波長域でのＳ偏光（グリッドの方向と垂直な偏光成分）の透過率が７０％以上あり、反射防止膜のＮｉ－Ｃｒは導電性を有するので、前述したアニール処理を施すための電極１１として機能する。
　このように、受光素子１は、電極１１をワイヤーグリッド偏光子Ｗｇにすることで、電極１１，１２間に順方向バイアス電圧Ｖを印加しながら、電極１１，１２間のｐｎ接合部１０ｊに３μｍ以上の中赤外線を照射して、ｐｎ接合部１０ｊ付近に近接場光を発生させることができる。これよって、３μｍ以上の中赤外線に感度を有する受光部をｐｎ接合部１０ｊのバンドギャップに拘束されること無くｐｎ接合部１０ｊ付近に形成することができる。
　このようにして形成された受光素子１は、ワイヤーグリッド偏光子Ｗｇが形成された側を受光面とすることで、受光面を介してｐｎ接合部１０ｊ付近に形成された受光部に入射される波長３μｍ以上の長波長の中赤外線を、電極１１，１２間の起電力変化として検出することができる。この場合、電極１１，１２間に適度の逆方向バイアス電圧を印加するようにしてもよい。
　以上説明したように、本発明の実施形態に係る受光素子１は、赤外線などの長波長光に感度を有する受光素子を得るに際して、バンドギャップに拘束される材料選択が不要になり、人体への悪影響、材料の不安定性やデバイスプロセスの困難性、製造工程の煩雑さなどの各種問題を解消することができる。
１：受光素子，１０:半導体層，
１０ｐ：ｐ層，１０ｎ：ｎ層，１０ｊ：ｐｎ接合部，
１１，１２：電極，
Ｗｇ：ワイヤーグリッド偏光子

Claims (3)

  1. 　ｐｎ接合部を有する半導体層と、前記ｐｎ接合部を挟む一対の電極とを備え、前記一対の電極間に順方向バイアス電圧を印加すると共に特定波長の光を照射することで前記ｐｎ接合部付近に近接場光を発生させた受光素子であって、
    　前記一対の電極の前記光が照射される側の電極を、前記特定波長の光が透過するワイヤーグリッド偏光子によって構成したことを特徴とする受光素子。
  2. 　前記特定波長の光は、波長３μｍ以上の中赤外線であることを特徴とする請求項１記載の受光素子。
  3. 　ｐｎ接合部を有する半導体層に前記ｐｎ接合部を挟むように電極を形成し、
    　前記電極の少なくとも一方を特定波長の光が透過するワイヤーグリッド偏光子で形成し、
    　前記電極間に順方向バイアス電圧を印加すると共に前記ワイヤーグリッド偏光子を介して前記特定波長の光を照射することで、前記ｐｎ接合部付近に近接場光を発生させることを特徴とする受光素子の製造方法。
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