(57)【要約】【課題】半導体層の吸収端波長よりも長い波長を有する光を検出することができる光検出器を提供する。【解決手段】光検出器１Ａは、第１の金属層４と、第１の金属層４上に積層された半導体層５と、半導体層５上に積層された第２の金属層６と、を有する積層構造体３を備える。積層構造体３では、半導体層５の吸収端波長よりも長い波長を有する入射光により表面プラズモンが励起されると共に、表面プラズモンの共振により形成される電場でフォノンが励起されることにより、半導体層５の電子が遷移する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属層と、
前記第１の金属層上に積層された半導体層と、
前記半導体層上に積層された第２の金属層と、を有する積層構造体を備え、
前記積層構造体では、前記半導体層の吸収端波長よりも長い波長を有する入射光により表面プラズモンが励起されると共に、前記表面プラズモンの共振により形成される電場でフォノンが励起されることにより、前記半導体層の電子が遷移する、光検出器。
【請求項２】
前記半導体層と前記第１の金属層及び前記第２の金属層の少なくとも一方との界面における所定の方向に沿った前記第１の金属層及び前記第２の金属層の少なくとも一方の幅は、前記表面プラズモンを共振させ、且つ前記フォノンを励起させる電場が形成される長さとなっている、請求項１記載の光検出器。
【請求項３】
前記界面における前記所定の方向に沿った前記幅は、前記積層構造体に励起される表面プラズモンの波長の２分の１の整数倍となっている、請求項２記載の光検出器。
【請求項４】
前記積層構造体は、前記第１の金属層、前記半導体層及び前記第２の金属層の積層方向に垂直な面に沿って複数配列されている、請求項１〜３のいずれか一項記載の光検出器。
【請求項５】
前記遷移した電子を外部に取り出すための第１の電極パッド部及び第２の電極パッド部を更に備え、
前記第１の金属層は、前記第１の電極パッド部と電気的に接続されており、
前記第２の金属層は、前記第２の電極パッド部と電気的に接続されている、請求項１〜４のいずれか一項記載の光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面プラズモンを利用する光検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属層と半導体層との界面における表面プラズモンを利用する光検出器が知られている（例えば特許文献１〜６、非特許文献１参照）。これらの光検出器では、表面プラズモンが励起されることにより金属層と半導体層との界面における電場が増強されるため、高い光感度が実現されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表平１０−５０９８０６号公報
【特許文献２】特表２００３−５２０４３８号公報
【特許文献３】特表２００７−５３１２７７号公報
【特許文献４】特開２００８−５３６１５号公報
【特許文献５】特開２００９−２４６０２５号公報
【特許文献６】特開２０１１−１７１５１９号公報
【特許文献７】国際公開第２００７／１０５５９３号
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】J. Le Perchec, et al., "Plasmon-basedphotosensors comprising a very thin semiconducting region", Appl. Phys.Lett., 94, 181104(2009).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に半導体層の電子を遷移するためには相応の光子エネルギーが必要であるため、これらの光検出器はいずれも、半導体層の吸収端波長よりも短い波長を有する光（つまり光子エネルギーが十分に高い光）を検出するものとされていた。このような光検出器は、無視できない程度の暗電流が生じる傾向があり、また、作製の材料面での選択肢が少ないという事情がある。
【０００６】
そこで本発明は、半導体層の吸収端波長よりも長い波長を有する光を検出することができる光検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の光検出器は、第１の金属層と、第１の金属層上に積層された半導体層と、半導体層上に積層された第２の金属層と、を有する積層構造体を備え、積層構造体では、半導体層の吸収端波長よりも長い波長を有する入射光により表面プラズモンが励起されると共に、表面プラズモンの共振により形成される電場でフォノンが励起されることにより、半導体層の電子が遷移する。
【０００８】
従来の光検出器では、入射光が半導体層の吸収端波長（バンドギャップを超えるエネルギーを有する光の波長）よりも長い波長を有する光である場合には、光子エネルギーが不十分であり、半導体層の電子を遷移することができなかった。本発明の光検出器では、入射光がそのような長い波長を有する光であった場合に、入射光により表面プラズモンが励起されると共に、表面プラズモンの共振により形成される電場でフォノンが励起されることにより、入射光の光子エネルギーに加え、フォノンの格子振動エネルギーを利用することができる。このため、入射光の光子エネルギーのみではなし得なかった、半導体層の電子を遷移することが可能となる。すなわち、本発明の光検出器によれば、半導体層の吸収端波長よりも長い波長を有する光を検出することができる。
【０００９】
本発明の光検出器において、半導体層と第１の金属層及び第２の金属層の少なくとも一方との界面における所定の方向に沿った第１の金属層及び第２の金属層の少なくとも一方の幅は、表面プラズモンを共振させ、且つフォノンを励起させる電場が形成される長さとなっていてもよい。具体的には、当該幅は、積層構造体に励起される表面プラズモンの波長の２分の１の整数倍となっていてもよい。これによれば、半導体層の吸収端波長よりも長い波長を有する光をより好適に検出することができる。
【００１０】
本発明の光検出器において、積層構造体は、第１の金属層、半導体層及び第２の金属層の積層方向に垂直な面に沿って複数配列されていてもよい。積層構造体が複数配列されると受光領域が大きくなるため、光検出器の感度が高いものとなる。
【００１１】
本発明の光検出器は、遷移した電子を外部に取り出すための第１の電極パッド部及び第２の電極パッド部を更に備え、第１の金属層は、第１の電極パッド部と電気的に接続されており、第２の金属層は、第２の電極パッド部と電気的に接続されていてもよい。これによれば、上記作用により遷移した電子を外部に取り出すことができるため、入射光の強度を電流の強度として検出することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、半導体層の吸収端波長よりも長い波長を有する光を検出することができる光検出器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態の光検出器の斜視図である。
【図２】入射光の反射に関する電磁界的シミュレーションの結果を示すグラフである。
【図３】入射光の反射に関する実験結果を示すグラフである。
【図４】本発明の第１の実施形態の変形例の光検出器の斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の変形例の光検出器の斜視図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の光検出器の斜視図である。
【図７】本発明の第３の実施形態の光検出器の斜視図である。
【図８】本発明の第４の実施形態の光検出器の斜視図である。
【図９】本発明の第５の実施形態の光検出器の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
［第１の実施形態］
図１に示されるように、光検出器１Ａは、Ｓｉからなる矩形板状の基板２を備え、この主面２ａ上に積層構造体３が形成されている。積層構造体３は、基板２の主面２ａの全面に積層されたＡｕからなる第１の金属層４と、第１の金属層４の主面４ａ上の一部に積層された矩形の半導体層５と、半導体層５上に積層されたＡｕからなる第２の金属層６とからなる。ここで、第１の金属層４及び第２の金属層６と半導体層５とは、オーミック接合されている。
【００１６】
半導体層５は、検出対象とする光の光子エネルギーのみでは電子が遷移しない材料であるＳｉからなる。つまり、半導体層５の吸収端波長は、検出対象とする光の波長よりも短い。
【００１７】
第１の金属層４及び第２の金属層６は、半導体層５で遷移した電子を外部に取り出すための電極としての機能を兼ねている。第１の金属層４及び第２の金属層６はそれぞれ、第１の電極パッド部７ａ及び第２の電極パッド部７ｂと電気的に接続されており、両電極パッド部７ａ，７ｂ間には、バイアス電源８と電流を読み出す電流計９とが接続されている。
【００１８】
次に、光検出器１Ａの動作原理及び作用効果を説明する。従来、金属−誘電体−金属（Ｍ−Ｉ−Ｍ）構造に関し、この構造の幅を、励起される表面プラズモンの波長の２分の１の整数倍とすることにより、この構造が表面プラズモンの共振器として動作し、その両端で電場強度が強くなることが知られている。また、誘電体層の厚みが小さい場合には、表面プラズモンの波長は、当該表面プラズモンを励起した光の波長に対して、例えば１０分の１以下と充分に短くなることが知られている（例えば、H. T. Miyazaki, Y. Kurokawa, "Squeezing Visible Light Waves intoa 3-nm-Thick and 55-nm-Long Plasmon Cavity", Phys. Rev. Lett., 96,097401(2006)参照）。当該共振器の中では共振器のＱ値分だけ電場が増強される。従って、厚みの小さい誘電体層を金属で挟んだ構造でその幅を調整することにより、非常に小さな領域に強い光電場を発生させることが可能であり、発生した光電場は共振器の中で急峻な電場勾配（不均一電場）をもつことになる。
【００１９】
他方で、従来、微小な物体に対して光が入射すると、物体の近傍に近接場光が生じ、当該近接場光により不均一電場が局所的に形成されることが知られている。局所的な不均一電場に置かれた物体内ではフォノンが励起されるため、当該物体内の電子の遷移に関わるエネルギーが入射光の光子エネルギーとフォノンの格子振動エネルギーの和となり、本来電子の遷移が不可能であった光子エネルギーの低い光でも電子の遷移が可能となることが知られている（例えば、Tadashi Kawazoe, et al., "Visible Light Emission From DyeMolecular Grains via Infrared Excitation Based on the Nonadiabatic TransitionInduced by the Optical Near Field", IEEE Journal of Selected Topics inQuantum Electronics, 15, 1380(2009)参照）。
【００２０】
ここで、前述のように表面プラズモンを共振させるための共振器をＭ−Ｉ−Ｍ構造によって形成することにより共振器の中で局所的な不均一電場を形成させることが可能であるところ、本発明者らは、当該Ｍ−Ｉ−Ｍ構造の誘電体（Ｉ）として高抵抗の半導体（Ｓ）を用いてＭ−Ｓ−Ｍ構造で共振器を形成することにより半導体層の中に強い不均一電場を形成することが可能となると考えた。従来の光検出器では、入射光が半導体層の吸収端波長よりも長い波長を有する光である場合には、光子エネルギーが不十分であり、半導体層の電子を遷移することができなかったが、本実施形態の光検出器１Ａでは、入射光がそのような長い波長を有する光であった場合に、入射光により表面プラズモンが励起されると共に、表面プラズモンの共振により形成される電場でフォノンが励起されることにより、入射光の光子エネルギーに加え、フォノンの格子振動エネルギーを利用することができる。このため、入射光の光子エネルギーのみではなし得なかった、半導体層５の電子を遷移することが可能となる。すなわち、本実施形態の光検出器１Ａによれば、表面プラズモンを利用する従来の光検出器では実現が困難であった、半導体層の吸収端波長よりも長い波長を有する光を検出することができる。なお、図１に示される光検出器１Ａでは、共振器が積層構造体３の長手方向と垂直な方向（図示左右方向）に形成されているため、当該方向に偏光した光に対して、本実施形態の効果が奏される。
【００２１】
また、本実施形態の光検出器１Ａにおいては、半導体層５と第２の金属層６の界面における所定の方向（積層構造体３の長手方向と垂直な方向）に沿った第２の金属層の幅（共振器長）Ｌ（図１参照）が、表面プラズモンを共振させ、且つフォノンを励起させる電場が形成される長さとされている。具体的には、当該幅Ｌは、積層構造体３に励起される表面プラズモンの波長の２分の１の整数倍とされている（共振器長Ｌについては後に詳述する）。このため、半導体層５の吸収端波長よりも長い波長を有する光をより好適に検出することができる。
【００２２】
また、本実施形態の光検出器１Ａは、遷移した電子を外部に取り出すための第１の電極パッド部７ａ及び第２の電極パッド部７ｂを更に備え、これらがそれぞれ第１の金属層４及び第２の金属層６と電気的に接続されているため、遷移した電子を外部に取り出すことができ、入射光の強度を電流の強度として検出することができる。
【００２３】
次に、表面プラズモンを共振させる共振器として作用する積層構造体３における共振器長Ｌと、その利点について説明する。ここで共振器長Ｌとは、上記のとおり、半導体層５と第２の金属層６の界面における所定の方向（積層構造体３の長手方向と垂直な方向）に沿った第２の金属層の幅をいう。共振器長Ｌが当該積層構造体３に励起される表面プラズモンの波長λＰの２分の１の整数倍になっている場合に、表面プラズモンが共振する。表面プラズモンの波長λＰの目安としては、Ｍ−Ｉ−Ｍ構造を例とする下記式（１）がある。
【数１】
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式（１）中、ｎは誘電体（Ｉ）層の屈折率を示し、Ｔは誘電体（Ｉ）層の厚さを示し、δは金属（Ｍ）層への入射光の表皮深さを示し、λ０は入射光の波長を示す。ここで、半導体（Ｓ）も屈折率を有しているため、金属（Ｍ）で半導体（Ｓ）を挟み込んだＭ−Ｓ−Ｍ構造によって共振器を構成した場合にも同様の式が成立する。すなわち、上記式（１）を本実施形態の光検出器１Ａに適用すると、ｎは半導体層５の屈折率を、Ｔは半導体層５の厚さを、δは第２の金属層６への入射光の表皮深さを、λ０は入射光の波長をそれぞれ示すことになる。
【００２４】
これについて一例を示すと次のようになる。図１に示される光検出器１Ａにおいて、半導体層５を構成するＳｉの吸収端波長よりも長い波長である１３００ｎｍの光が入射された場合の共振器の構造について、およその寸法試算を行った。半導体層５の厚さを１００ｎｍ、半導体層５の１３００ｎｍの波長に対する屈折率を３．５、Ａｕからなる第２の金属層６の１３００ｎｍの波長に対する表皮深さを２０ｎｍとすると、表面プラズモンの波長の２分の１にあたる長さ（すなわち共振器長Ｌ）として、およそ１６０ｎｍの値が導かれる。なお、このとき、共振器の両端で電場が強く、中心部でゼロとなるため、電場は８０ｎｍ程度の領域で最大からゼロまで急峻に変化していることになる。また、入射光の波長を２０００ｎｍとして同様の計算を行うと、半導体層５の屈折率及び第２の金属層６の表皮深さは入射光の波長が１３００ｎｍの場合とほとんど変わらず、共振器長Ｌとしておよそ２４０ｎｍの値が導かれる。
【００２５】
共振器長Ｌは上記のとおり、表面プラズモンの波長λＰの２分の１程度であり、更に表面プラズモンの波長λＰは、式（１）から理解されるように、誘電体層（又は半導体層）の厚さが表皮深さに対して小さくなると入射光の波長λ０よりもかなり小さくなることから、共振器長Ｌが小さくなり、ひいては光検出器１Ａの大きさを小さくすることができるため、暗電流もその分小さくできるという利点がある。
【００２６】
共振器長Ｌは上記のとおり、励起される表面プラズモンの波長により規定され、また、入射光の波長が短いほど、表面プラズモンの波長も短くなる。従って、入射光の波長が短いほど共振器長Ｌが小さくなり、より急峻な電場勾配を実現することができるため、入射光の波長が短いほど光検出器１Ａの効果が顕著に奏される。フォノンの格子振動エネルギーを援用する上記文献（IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 15,1380(2009)）において、平均直径２００ｎｍの色素粒子を用いた近接場光による波長変換が報告されていることから、本実施形態の光検出器１Ａは、半導体層５の吸収端波長よりも長い波長を有する光のなかでも、共振器長Ｌが２００ｎｍ程度となる２μｍ付近の光よりも短波長側の波長を有する光を検出することに適していると考えられる。
【００２７】
本実施形態のＭ−Ｓ−Ｍ構造は、通常の近接場を利用する場合に比べて利点がある。近接場は、物体に光が入射した場合に物体の周りに生じる非伝播な光の場である。入射した光のほとんどは散乱光として物体から離れてしまうため、近接場光の成分が非常に少なく、不均一電場の形成の効率が悪い。これに対して、Ｍ−Ｓ−Ｍ構造に基づく表面プラズモンの共振器は、共振状態ではその反射がゼロとなることから、全ての光が近接場光の成分となり、不均一電場が効率よく形成されることになる。このように入射光の反射がゼロとなることは、図２に示されるように電磁界的シミュレーションで確認されており（半導体層５の厚さ＝１３０ｎｍ、共振器長Ｌ＝６４０ｎｍ）、また、図３に示されるように、実験的にも確認されている（半導体層５の厚さ＝１３０ｎｍ、共振器長Ｌ＝６４０ｎｍ）。
【００２８】
以上、本発明の第１の実施形態の光検出器１Ａについて説明したが、光検出器１Ａは、その半導体層５を別の態様とすることもできる。例えば、上記第１の実施形態では、半導体層はｎ型又はｐ型のいずれでも適用可能であるが、図４に示されるように、半導体層をｎ型半導体層５ａ及びｐ型半導体層５ｂの２層からなる態様としてもよい。この場合、暗電流をより小さくすることができる。
【００２９】
また、半導体層５は、第２の金属層６と同一の形状である必要はなく、図５に示されるように、第１の金属層４の主面４ａのほぼ全面に積層する態様としてもよい。この場合でも、第１の実施形態の光検出器１Ａと同様の効果が奏される。
【００３０】
［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６に示されるように、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と比べて、共振器が積層構造体３の所定方向（図示左右方向）のみならず、所定方向と垂直な方向にも形成されている点が異なる。
【００３１】
図６に示されるように、光検出器１Ｂは、Ｓｉからなる矩形板状の基板２を備え、この主面２ａ上に積層構造体２３が形成されている。積層構造体２３は、基板２の主面２ａの全面に積層されたＡｕからなる第１の金属層４と、第１の金属層４上の一部に積層された直方体形状の半導体層２５と、半導体層２５上に積層されたＡｕからなる第２の金属層２６とからなる。半導体層２５は、所定方向に共振器長Ｌｘを有する共振器を構成し、所定方向と垂直な方向にも共振器長Ｌｙを有する共振器を構成している。
【００３２】
また、半導体層２５の直方体形状のうち、所定方向と垂直な方向に向かい合う二つの側面の全面には、ＳｉＯ２からなる絶縁層１０ａが形成されている。それぞれの絶縁層１０ａの下端から、半導体層２５の所定方向と垂直な方向に、且つ第１の金属層４の主面４ａに沿うようにして、絶縁層１０ｂが延在している。そして、絶縁層１０ａ，１０ｂ上には、Ａｕからなる取出し電極１１ａ，１１ｂがそれぞれ形成されている。第１の金属層４及び取出し電極１１ｂはそれぞれ、第１の電極パッド部７ａ及び第２の電極パッド部７ｂと電気的に接続されており、両電極パッド部７ａ，７ｂ間には、バイアス電源８と電流を読み出す電流計９とが接続されている。
【００３３】
上記構成を備える本実施形態の光検出器１Ｂは、基本的な効果は第１の実施形態の光検出器１Ａと同様であるが、共振器長Ｌｘに加えて半導体層２５の所定方向と垂直な方向にも共振器長Ｌｙを有するため、同方向に偏光方向をもつ光に対しても光感度を有する。なお、当該所定方向と垂直な方向に偏光方向をもつ光に対しては、半導体層２５の端面に形成された絶縁層１０ａ及び取出し電極１１ａの影響を受けるため、同じ波長の入射光に対しても、所定方向と、所定方向と垂直な方向とでは、表面プラズモンの共振条件が若干異なり、１種の入射光に対して同時に共振させるためには共振器長ＬｘとＬｙを異なるものとする必要がある。そこで、同じ波長の光に対して両方向に共振するように共振器長ＬｘとＬｙを調整すれば、偏光方向に関わらず光感度を有することができる。
【００３４】
また、積極的に共振器長ＬｘとＬｙを異なるように構成すれば、偏光を変えることにより２種の波長の光を区別して検出することが可能となる。
【００３５】
［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７に示されるように、第３の実施形態の光検出器１Ｃは、第１の実施形態の光検出器１Ａと比べて、積層構造体３３の形状が円柱状である点が異なる。すなわち、第１の実施形態の光検出器１Ａでは矩形であった半導体層５及び第２の金属層６が、それぞれ円柱状の半導体層３５及び第２の金属層３６とされている。このように構成しても円柱状の構造が共振器として作用するため、第１の実施形態の光検出器１Ａと同様の効果を奏する。これに加え、積層構造体３３の円柱の直径が共振器長Ｌとなるため、本実施形態の光検出器１Ｃは、偏光方向に関わらず光感度を有する。
【００３６】
［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８に示されるように、第４の実施形態の光検出器１Ｄは、第１の実施形態の光検出器１Ａと比べて、第１の金属層４４、半導体層４５及び第２の金属層４６の積層方向が異なる。
【００３７】
図８に示されるように、光検出器１Ｄは、Ｓｉからなる矩形板状の基板２を備え、この主面２ａ上に積層構造体４３が形成されている。積層構造体４３は、Ａｕからなる第１の金属層４４と、半導体層４５と、Ａｕからなる第２の金属層４６とが長手方向を揃えてこの順に密着して配列されている。このように構成しても、当該積層構造体４３は共振器として作用するため、第１の実施形態の光検出器１Ａと同様の効果を奏する。
【００３８】
［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９に示されるように、第５の実施形態の光検出器１Ｅは、第１の実施形態の光検出器１Ａと比べて、積層構造体３が基板２の主面２ａに沿って複数配列されている点が異なる。このように積層構造体３が複数配列されると受光領域が大きくなるため、光検出器１Ｅの感度が高いものとなる。
【００３９】
なお、本実施形態において、複数の積層構造体３の配列は、周期的であっても周期的でなくてもよく、配列させる積層構造体３の数や間隔は、製造上の都合により調整することができる。また、半導体層５は、図５に示された例に倣い、第１の金属層４の主面４ａのほぼ全面に積層され、それぞれの第２の金属層６間で共通化された態様としてもよい。
【００４０】
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、上記第１〜３及び第５の実施形態では、第１の金属層が基板の主面全体に積層された態様を示したが、半導体層が積層される領域のみに第１の金属層を積層してもよい。
【００４１】
また、上記実施形態では第１の金属層及び第２の金属層としてＡｕを用いたが、Ａｇ又はＡｌを用いることができる。これらの金属は表面プラズモンによるエネルギーのロスが比較的少ない金属として、表面プラズモンデバイスに用いられている金属である。但し、用いる金属としては、検出しようとする波長域において負の比誘電率を持っている金属であればよいため、エネルギーのロスを許容できるならば、これら以外の金属を用いることもできる。
【００４２】
また、半導体層の材料として、Ｓｉ意外にも、例えばＩｎＧａＡｓ等を用いることができる。また、バイアス電源はゼロバイアスでの動作でもよい。この場合は電源が存在しないものとみなすことができるため、電源がなくてもよい。
【００４３】
また、上記実施形態では、第１及び第２の金属層と半導体層とはオーミック接合としたが、暗電流をより小さくするために、ショットキー接合としてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ…光検出器、３，２３，３３，４３…積層構造体、４，４４…第１の金属層、５，２５，３５，４５…半導体層、６，２６，３６，４６…第２の金属層、７ａ，７ｂ…電極パッド部、Ｌ…共振器長（幅）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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