(57)【要約】【課題】量子サブバンド間遷移の光吸収を利用し得る量子カスケード構造を備えつつ、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。【解決手段】光検出器１Ａは、第１の金属又は第１の半導体からなる第１の層４と、第１の層４上に積層され、プラズモン共鳴により電子が励起される半導体構造体層５と、半導体構造体層５上に積層され、第２の金属又は第２の半導体からなる第２の層５と、を有する積層構造体３を備え、半導体構造体層５は、量子カスケード構造を有し、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５ａと、アクティブ領域５ａで励起された電子を輸送するインジェクタ領域５ｂと、を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属又は第１の半導体からなる第１の層と、
前記第１の層上に積層され、プラズモン共鳴により電子が励起される半導体構造体層と、
前記半導体構造体層上に積層され、第２の金属又は第２の半導体からなる第２の層と、を有する積層構造体を備え、
前記半導体構造体層は、量子カスケード構造を有し、
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。
【請求項２】
前記アクティブ領域は、前記量子カスケード構造において前記インジェクタ領域に対して前記第２の層に近い側の最表面に形成されている、請求項１記載の光検出器。
【請求項３】
前記半導体構造体層は、量子サブバンド間遷移の光吸収が生じるものである、請求項１又は２記載の光検出器。
【請求項４】
前記積層構造体は、前記第１の層、前記半導体構造体層及び前記第２の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】
前記第１の層は、複数の前記積層構造体にわたって一体的に形成されている、請求項４記載の光検出器。
【請求項６】
前記半導体構造体層は、複数の前記積層構造体ごとに分離して形成されている、請求項４又は５記載の光検出器。
【請求項７】
前記半導体構造体層は、複数の前記積層構造体にわたって連続して形成されている、請求項４又は５記載の光検出器。
【請求項８】
前記半導体構造体層は、前記第１の層、前記半導体構造体層及び前記第２の層の積層方向から前記量子カスケード構造を挟むように形成された第１のコンタクト層及び第２のコンタクト層を更に備える、請求項１〜７のいずれか一項記載の光検出器。
【請求項９】
前記プラズモン共鳴により励起され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、
複数の前記積層構造体は、少なくとも前記半導体構造体層と前記第２の層との界面における所定の方向に沿った前記第２の層の幅が互いに異なる第１の積層構造体及び第２の積層構造体を含み、
前記第１の層は、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１の積層構造体の前記第２の層、及び前記第２の積層構造体の前記第２の層は、共通の前記第２の電極パッド部と電気的に接続されている、請求項４〜８のいずれか一項記載の光検出器。
【請求項１０】
前記プラズモン共鳴により励起され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複数の第２の電極パッド部を更に備え、
複数の前記積層構造体は、少なくとも前記半導体構造体層と前記第２の層との界面における所定の方向に沿った前記第２の層の幅が互いに異なる第１の積層構造体及び第２の積層構造体を含み、
前記第１の層は、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１の積層構造体の前記第２の層、及び前記第２の積層構造体の前記第２の層は、互いに異なる前記第２の電極パッド部と電気的に接続されている、請求項４〜８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、プラズモン共鳴を利用する光検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）、ＱＣＤ（量子カスケード型光センサ）、ＱＤＩＰ（量子ドット赤外光センサ）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、高速応答が可能である等のメリットを有する。
【０００３】
これらの光検出器のうち、ＱＷＩＰとＱＣＤは、半導体構造体として、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。
【０００４】
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。
【０００５】
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の共鳴効果によって、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。
【０００６】
また、プラズモン共鳴に関するものとして、絶縁体を金属で挟んだいわゆるＭＩＭ構造に光が入射した場合に、プラズモン共鳴により電場が著しく増強されることが知られている（非特許文献２参照）。
【０００７】
一方、ＱＤＩＰについては、光の閉じ込め方向が三次元であることから偏光依存性が消失し、光の電界の振動方向に依らずに光を検出することができる。ただし、ＱＤＩＰはその構造上、本質的に光感度が低いという欠点がある。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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３）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−１５６５１３号公報
【特許文献２】特開２０１２−６９８０１号公報
【特許文献３】特表２００１−５２４７５７号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】W.  Wu,  et  al.,  "Plasmonic  enhanced  quantum  well  infrared  photodetector  with  high  detectivity",  Appl.  Phys.  Lett.,  96,  161107(2010).
【非特許文献２】H.  T.  Miyazaki,  Y.  Kurokawa,  “Squeezing  Visible  Light  Waves  into  a  3-nm-Thick  and  55-nm-Long  Plasmon  Cavity”,  Phys.  Rev.  Lett.,  96,  097401(2006).
【非特許文献３】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).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
このように、従来、特定の電界成分を有するように光を変調したり、電場を増強したりする技術が種々提案されている。その一方で、量子サブバンド間遷移の光吸収を利用するＱＷＩＰ、ＱＣＤ及びＱＤＩＰ等の光検出器は、上記のとおり種々のメリットを有するものであるため、その光感度を高めることが求められている。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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３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。
【００１８】
そこで、本発明は、量子サブバンド間遷移の光吸収を利用し得る量子カスケード構造を備えつつ、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。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の光検出器は、第１の金属又は第１の半導体からなる第１の層と、第１の層上に積層され、プラズモン共鳴により電子が励起される半導体構造体層と、半導体構造体層上に積層され、第２の金属又は第２の半導体からなる第２の層と、を有する積層構造体を備え、半導体構造体層は、量子カスケード構造を有し、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。
【００２０】
この光検出器では、積層構造体が表面プラズモン共鳴を引き起こすキャビティとして作用する。このキャビティの幅方向に偏光した光が入射した場合に、積層構造体において表面プラズモンが励起される。励起された表面プラズモンは、積層構造体内において定在波を生じ、これにより電場が増強される。そして、この電界成分により、半導体構造体層の量子カスケード構造における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、量子サブバンド間遷移の光吸収を利用し得る量子カスケード構造を備えつつ、感度を有する波長帯域が広げられているといえる。
【００２１】
ここで、アクティブ領域は、量子カスケード構造においてインジェクタ領域に対して第２の層に近い側の最表面に形成されていてもよい。これによれば、電子が励起される場であるアクティブ領域が上記電界成分の影響を強く受けることができるため、この光検出器の光感度が高いものとなる。
【００２２】
またここで、半導体構造体層は、量子サブバンド間遷移の光吸収が生じるものであってもよい。この場合、エネルギーバンドギャップ遷移を利用しないため、光検出器が、検出する波長範囲の設計自由度が大きく、伝導電子の走行速度が速いことから高速応答が可能なものとなる。
【００２３】
積層構造体は、第１の層、半導体構造体層及び第２の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、光検出器の光感度が高いものとなる。
【００２４】
ここで、第１の層は複数の積層構造体にわたって一体的に形成されていてもよい。これによれば、積層構造体の配列が安定化されると共に、第１の層を共通電極として機能させることができる。
【００２５】
一方、半導体構造体層は、複数の積層構造体ごとに分離して形成されていてもよく、複数の積層構造体にわたって連続して形成されていてもよい。いずれの構成としても、入射した光の電場を増強することができ、光感度の高い光検出器を提供することができる。従って、光検出器の製造方法の都合等により、半導体構造体層をいずれの構成とするかを選択することができる。
【００２６】
また、半導体構造体層は、第１の層、半導体構造体層及び第２の層の積層方向から量子カスケード構造を挟むように形成された第１のコンタクト層及び第２のコンタクト層を更に備えていてもよい。これによれば、オーミック抵抗を低下させることができるため、量子カスケード構造で生じる電流を効率的に検出することができる。
【００２７】
また、本発明の光検出器は、プラズモン共鳴により励起され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、複数の積層構造体は、少なくとも半導体構造体層と第２の層との界面における所定の方向に沿った第２の層の幅が互いに異なる第１の積層構造体及び第２の積層構造体を含み、第１の層は、第１の電極パッド部と電気的に接続されており、第１の積層構造体の第２の層、及び第２の積層構造体の第２の層は、共通の第２の電極パッド部と電気的に接続されていてもよい。この光検出器では、少なくとも半導体構造体層と第２の層との界面における所定の方向に沿った第２の層の幅が互いに異なる第１の積層構造体及び第２の積層構造体を含んでいるため、これらの幅に応じた波長帯域の光によって表面プラズモンがそれぞれ励起され、プラズモン共鳴により励起された電子を共通の第２の電極パッド部から一出力として取り出す。従って、この光検出器は、感度を有する波長帯域が一層広げられているといえる。
【００２８】
また、本発明の光検出器は、プラズモン共鳴により励起され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複数の第２の電極パッド部を更に備え、複数の積層構造体は、少なくとも半導体構造体層と第２の層との界面における所定の方向に沿った第２の層の幅が互いに異なる第１の積層構造体及び第２の積層構造体を含み、第１の層は、第１の電極パッド部と電気的に接続されており、第１の積層構造体の第２の層、及び第２の積層構造体の第２の層は、互いに異なる第２の電極パッド部と電気的に接続されていてもよい。この光検出器では、少なくとも半導体構造体層と第２の層との界面における所定の方向に沿った第２の層の幅が互いに異なる第１の積層構造体及び第２の積層構造体を含んでいるため、これらの幅に応じた波長帯域の光によって表面プラズモンが励起され、プラズモン共鳴により励起された電子を互いに異なる第２の電極パッド部から別出力として取り出す。従って、この光検出器によれば、広い波長帯域を有する光を波長帯域ごとに分光して検出することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、量子サブバンド間遷移の光吸収を利用し得る半導体構造体を備えつつ、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。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施形態の光検出器の部分平面図である。
【図２】図１のII−II線に沿っての断面図である。
【図３】図１の光検出器の製造工程を示す部分断面図である。
【図４】図１の光検出器の製造工程を示す部分断面図である。
【図５】図１の光検出器の製造工程を示す部分断面図である。
【図６】図１の光検出器の製造工程を示す部分断面図である。
【図７】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。
【図８】積層方向の電界ベクトルの発生に関するシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図９】本発明の第１の実施形態の光検出器の変形例の部分平面図である。
【図１０】図９のX−X線に沿っての断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態の光検出器の部分平面図である。
【図１２】図１１のXII−XII線に沿っての断面図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態の光検出器の部分平面図である。
【図１４】図１３のXIV−XIV線に沿っての断面図である。
【図１５】本発明の第４の実施形態の光検出器の部分平面図である。
【図１６】図１５のXVI−XVI線に沿っての断面図である。
【図１７】本発明の第５の実施形態の光検出器の部分平面図である。
【図１８】図１７のXVIII−XVIII線に沿っての断面図である。
【図１９】本発明の第６の実施形態の光検出器の部分平面図である。
【図２０】図１９のXX−XX線に沿っての断面図である。
【図２１】本発明の他の実施形態の光検出器の部分平面図である。
【図２２】図２１のXXII−XXII線に沿っての断面図である。
【図２３】図１の光検出器の他の製造方法の製造工程を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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。
【００３２】
［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、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｓｉ等の半導体製又はＳｉＯ２（ガラス）製の厚さが０．１〜１ｍｍ程度の基板２を備え、この主面２ａ上に積層構造体３が複数配列されている。
【００３３】
積層構造体３は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ等の第１の金属からなる厚さが０．１〜１０μｍ程度の第１の金属層（第１の層）４と、第１の金属層４上に積層され、光の入射とそれに伴うプラズモン共鳴により電子が励起される半導体構造体層５と、半導体構造体層５上に積層され、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ等の第２の金属からなる厚さが５０〜５００ｎｍ程度の第２の金属層（第２の層）６とからなる。複数の積層構造体３は、基板２上において、第１の金属層４、半導体構造体層５及び第２の金属層６の積層方向に垂直な面に沿って、平面視ストライプ状に周期パターンＰ１が形成されるように配列されている。つまり、周期パターンＰ１は、積層構造体３の積層方向に垂直な面に沿って一次元方向にパターン化されている。
【００３４】
周期パターンＰ１を形成するストライプ幅は、後述するように表面プラズモンキャビティの長さに相当する。この幅はキャビティに共鳴する入射光の波長によって決まり、おおむね０．１〜１．０μｍの値である。また、その周期は、入射する光が、隣接するキャビティにおいてまんべんなく共鳴するように選ばれるのが望ましく、おおむねキャビティ長（ストライプ幅）の２〜５倍程度である。
【００３５】
半導体構造体層５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５ａが第２の金属層６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５ｂが第１の金属層４側に位置するように積層されて形成されている。
【００３６】
アクティブ領域５ａ及びインジェクタ領域５ｂ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５ａ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５ｂ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５ａ及びインジェクタ領域５ｂの合計として、例えば１６である。
【００３７】
第１の金属層４は、複数の積層構造体３にわたって一体的に形成されている。この第１の金属層４は、プラズモン共鳴により励起された電子を外部に取り出すための共通電極としての機能を兼ねている。
【００３８】
一体成形された第１の金属層４上であり、且つ第２の金属層６及び半導体構造体層５が積層されていない領域（つまり、積層構造体３間の領域）には、ＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４等からなる絶縁層７が形成されている。そして、それぞれの積層構造体３における第２の金属層６の露出表面、及び、それぞれの絶縁層７の露出表面を這うようにしてＡｕ又はＴｉ／Ａｕ等からなる配線電極８が延設され、それぞれの第２の金属層６間を電気的に接続している。
【００３９】
光検出器１Ａは、周期パターンＰ１が形成されていない領域において、平面視で絶縁層７の一部から第１の金属層４が覗いた部分を、プラズモン共鳴により励起された電子を外部に取り出すための第１の電極（第１の電極パッド部）１０として有している。また、配線電極８の一端には、第２の電極（第２の電極パッド部）９が電気的に接続されている。第２の電極９は、必要に応じて第１の電極１０との間にバイアス電圧を印加することができるように構成されている。
【００４０】
次に、光検出器１Ａの製造方法を説明する。図３（ａ）に示されるように、ＩｎＰ等の半導体仮基板１０１上に、数ｎｍ程度の厚さのＩｎＧａＡｓ（量子井戸層）とＩｎＡｌＡｓ（量子障壁層）とからなる半導体量子カスケード構造体１０５を、ＭＢＥやＭＯＣＶＤ等の方法を用いて交互にエピタキシャル成長させる。ここで、半導体量子カスケード構造体１０５は、半導体仮基板１０１上に積層されたアクティブ領域層１０５ａと、アクティブ領域層１０５ａ上に積層されたインジェクタ領域層１０５ｂとに分かれており、アクティブ領域層１０５ａにおけるＩｎＧａＡｓ層にはｎ型の不純物ドーピングがなされている。半導体量子カスケード構造体１０５の全体の層構造は、目的とする波長等に応じてあらかじめ最適となるように設計されたものであり、特に本実施形態の光検出器においては、アクティブ領域層１０５ａの量子井戸内の量子上位準位が２準位形成されるように設計されている。そして、半導体量子カスケード構造体１０５の上に、真空蒸着法やスパッタ法等により第１の金属膜１０４を成膜する。
【００４１】
次に、図３（ｂ）に示されるように、第１の金属膜１０４の表面に、光検出器１Ａの機械的強度を保持するためのＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｓｉ等の半導体製又はＳｉＯ２（ガラス）等の基板２を貼り合わせる。そして、図４（ａ）に示されるように、半導体仮基板１０１を研磨及び化学エッチング等によって除去する。その際、半導体量子カスケード構造体１０５を保持するために、周知の手法により、エッチングストップ層又は犠牲層をあらかじめ形成しておいてもよい。
【００４２】
次に、図４（ｂ）に示されるように、半導体仮基板１０１の除去によって現れた半導体量子カスケード構造体１０５の表面に第２の金属膜１０６を成膜し、図５（ａ）に示されるように、リソグラフィ法によって第２の金属膜１０６及び半導体量子カスケード構造体１０５を部分エッチングして、第１の金属層４、半導体構造体層５及び第２の金属層６からなる積層構造体３を複数形成すると共に、ストライプ状の周期パターンＰ１を形成する。その後、図５（ｂ）に示されるように、隣接する積層構造体３間の領域に絶縁層７を形成し、次いで図６に示されるように、配線電極８及び第２の電極９を形成することで、光検出器１Ａが得られる。
【００４３】
次に、量子カスケード構造について詳述する。図７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１５１と、励起された電子の緩和、輸送等を行う抽出構造部５８と、からなる単位積層体５６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５８は、第１障壁層１７１と吸収井戸層１５１を除く、第２障壁層〜第ｎ障壁層及び第２井戸層及び第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１５１及び第２障壁層によってアクティブ領域５ａ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５ｂに相当する。
【００４４】
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７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５６のそれぞれは、前段の単位積層体５６ａ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１５１と、抽出構造部５８とによって構成されている。また、抽出構造部５８は、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。このような構成により、単位積層体５６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。
【００４５】
本実施形態における単位積層体５６は、そのサブバンド準位構造において、吸収井戸層１５１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１５１を除く抽出構造部５８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。
【００４６】
ここで、検出下準位Ｌ１ａは、例えば、吸収井戸層１５１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１５１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１５１側の第２準位Ｌ２から後段の単位積層体５６ｂ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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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１５１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１５１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５６ｂ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。
【００５１】
次に、光検出器１Ａの動作原理及び作用効果を説明する。光検出器１Ａでは、積層構造体３のそれぞれが、表面プラズモン共鳴を引き起こすキャビティとして作用する。このキャビティの幅方向（つまり本実施形態の場合、図１においてストライプ状の周期パターンＰ１が並ぶ一次元方向でもある。）に偏光した光が入射した場合に、積層構造体３において表面プラズモンが励起される。励起された表面プラズモンは、積層構造体３内において定在波を生じ、これにより電場が増強される。また、表面プラズモンがキャビティ内で共振することにより積層構造体３が光アンテナとして作用する結果、積層構造体３の周辺に入射する光がキャビティ内に引き込まれ、積層方向の電界成分が生じることになる。そして、この電界成分により半導体構造体層５の量子カスケード構造におけるアクティブ領域５ａで電子が励起され、この電子がインジェクタ領域５ｂ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。この電流が第２の電極９及び第１の電極１０を介して外部回路に出力されて光感度となる。従って、この光検出器１Ａは、量子サブバンド間遷移の光吸収を利用し得る量子カスケード構造を用いた光検出器として、光感度が高いものとなる。なお、第２の電極９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。
【００５２】
また、通常、互いにエネルギーバンドギャップの異なる半導体層が交互に積層されたＱＷＩＰ構造又はＱＣＤ構造を半導体構造体層として採用する光検出器は、その積層方向の電界成分を有しない光（半導体構造体層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。これに対し、本実施形態の光検出器１Ａは、上記プラズモン共鳴により定在波が生じることで、電場が増強されると共に、入射光がもともと有していなかった積層方向の電界成分（電場）も生じる。その結果、非常に大きな積層方向の電界成分が発生することとなるため、光検出器１Ａは、入射前に積層方向の電界成分を有しない光をも検出することができる。
【００５３】
光検出器１Ａでは、上記のとおり、積層構造体３のそれぞれが個別にプラズモン共鳴を引き起こすキャビティとして作用する。これによって検出される光の波長範囲は、積層構造体３の形状、構造等によって決まる。この光検出器１Ａは、この積層構造体３がその積層方向に垂直な面に沿って複数配列されているために、光の検出を可能とする受光領域が大きく、光検出器の光感度が高いものとなっている。
【００５４】
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構成されている。そして、吸収井戸層１５１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５８において、次周期の単位積層体５６ｂ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。
【００５５】
また、上記構成では、井戸層１５１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。
【００５６】
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。
【００５７】
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１５１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。
【００５８】
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、量子井戸層１５１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。
【００５９】
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５ｂが、アクティブ領域５ａ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５ａがインジェクタ領域５ｂに対して第２の金属層６の側、つまり後述するように、積層構造体３の積層方向に生じる電界の強度がより強い側の最表面に形成されている。従って、この光検出器１Ａによれば、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。
【００６０】
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３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５ａが半導体構造体層５のうち限定された深さに存在するために、積層方向の電界成分を効率よく捉えることができ、半導体構造体層５における光電変換の効率が高くなる。
【００６１】
光検出器１Ａに対して特定の波長の光が入射した際に、半導体構造体層５内のアクティブ領域５ａに生じる積層方向の電界成分の強度（｜Ｅｚ｜２）を、キャビティ長ごとにコンピュータシミュレーションで計算した結果を図８に示す。計算モデルは５．２μｍの波長の光に対して最も強く共鳴するように設計されたもので、キャビティ長（ストライプ幅）Ｌは０．１μｍから１．０μｍまで、０．１μｍ刻みで変化させ、ストライプ周期は１．０μｍ、第２の金属層６としてＡｕを設定し、その厚さは０．１５μｍである。偏光方向は図１の横方向、すなわちストライプに垂直な方向である。入射光は一様な平面波であり、その電界成分は積層方向に垂直な方向にしか存在しない。表面プラズモンキャビティの共鳴効果によって、元々含まれていなかった垂直方向の電界成分が新たに生じており、さらに表面プラズモン定在波がキャビティ内に局在することによって、その電界強度が大きく増強されていることが、シミュレーションによって示されている。
【００６２】
第２の金属層６及び半導体構造体層５がなすストライプ幅（キャビティ長）Ｌが０．５μｍの時に特に電場の増強効果が高くなることは、次の式（１）〜（３）を用いて説明することができる。
Ｌ＝λｐ／２      …（１）
λｐ＝λ０／ｎｅｆｆ      …（２）
ｎｅｆｆ＝ｎ√（１＋２δ／Ｔ）      …（３）
ここで、Ｌは半導体構造体層５と第２の金属層６との界面における所定の方向（ここでは積層構造体３の長手方向に垂直な方向）に沿った第２の金属層６の幅（すなわちプラズモン共鳴を引き起こすキャビティの幅）、λｐはプラズモン波長、λ０は入射光の真空波長、ｎｅｆｆは半導体量子井戸構造の実効屈折率、ｎは半導体量子井戸構造の屈折率、δは金属の表皮深さ、Ｔは半導体量子井戸構造の膜厚をそれぞれ示す。これらの式に実際の値、すなわちλ０＝５μｍ、ｎ＝３．５、δ＝２５ｎｍ、Ｔ＝５０ｎｍを代入すると、Ｌは約０．５μｍとなり、シミュレーション結果と一致する。この式の意味するところは、積層方向に垂直な方向の長さＬをもつ積層構造体３が、入射光によって励起された波長λｐの表面プラズモンの共振器として動作し、特定の波長を有する光のみが電場を増強させる現象を引き起こしているということである。すなわち、これによって励起される表面プラズモン定在波の波長は、「共振器長の２倍」、もしくは「共振器長の２倍」の整数分の１となる。なお、この例では、構造体が立方体の形状をしているため積層構造体３の長さＬをそのまま式に代入したが、後述する他の実施形態のように、積層構造体３がストライプ状でなく島状に形成及び配列されている場合には、上記式（１）〜（３）の適用においては実効的な共振器長をＬとして採用する必要がある。
【００６３】
なお、上記第１の実施形態の光検出器１Ａでは、半導体構造体層５が複数の積層構造体３ごとに分離して形成されている態様を示したが、半導体構造体層５は、図９及び図１０に示されるように、複数の積層構造体３にわたって連続して形成されていてもよい。このように半導体構造体層が連続して形成されている場合でも、シミュレーションの結果から、第１の実施形態の光検出器１Ａと同等の効果が得られることが確認されている。
【００６４】
［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１１及び図１２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、平面視における積層構造体の形状及び配列が異なる。
【００６５】
光検出器１Ｂにおける複数の積層構造体２３は、それぞれ第２の金属層２６及び半導体構造体層２５（アクティブ領域２５ａ及びインジェクタ領域２５ｂを含む）が平面視正方形とされており、これらが島状且つ正方格子状に配列されることにより周期パターンＰ２が構成されている。つまり、周期パターンＰ２は、積層構造体２３の積層方向に垂直な面に沿って二次元方向にパターン化されている。
【００６６】
第１の実施形態の光検出器１Ａでは、積層構造体３において、表面プラズモン共鳴を引き起こすキャビティとして作用しうる方向が一方向（ストライプ状の周期パターンＰ１が並ぶ方向）のみであるために、その方向に偏光した光（その方向の電界成分を有する光）に対してのみ光感度を有するが、第２の実施形態の光検出器１Ｂは、第２の金属層２６及び半導体構造体層２５が平面視正方形とされているために、積層構造体２３は、少なくともその正方形の向かい合う辺を結ぶ方向（二方向）において表面プラズモン共鳴を引き起こすキャビティとして作用しうる。すなわち、光検出器１Ｂは、当該正方形の面上で直交する二方向において光感度を有する点で有利である。
【００６７】
［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１３及び図１４に示されるように、第３の実施形態の光検出器１Ｃは、第２の実施形態の光検出器１Ｂと比べて、複数の大きさの積層構造体を含む点が異なる。
【００６８】
光検出器１Ｃにおける周期パターンＰ３は、第２の金属層３６ａ，３６ｂ，３６ｃ及び半導体構造体層３５ａ，３５ｂ，３５ｃの大きさが異なる複数の周期パターン部Ｐ３ａ，Ｐ３ｂ，Ｐ３ｃを含んでいる。すなわち、積層構造体３３ａ，３３ｂ，３３ｃは、図１３に示されるように、第２の金属層３６ａ，３６ｂ，３６ｃ及び半導体構造体層３５ａ，３５ｂ，３５ｃの大きさが異なることにより区別された第１の周期パターン部Ｐ３ａ、第２の周期パターン部Ｐ３ｂ、及び第３の周期パターン部Ｐ３ｃを形成し、それぞれの周期パターン部Ｐ３ａ，Ｐ３ｂ，Ｐ３ｃは、積層構造体３３ａ，３３ｂ，３３ｃの積層方向に垂直な面に沿ってそれぞれ一次元方向にパターン化されている。配線電極８は、周期パターン部Ｐ３ａ，Ｐ３ｂ，Ｐ３ｃごとに配線されており、いずれも共通の第２の電極９と電気的に接続されている。なお、図１４に示されるように、半導体構造体層３５ｂは、アクティブ領域３５ｂａ及びインジェクタ領域３５ｂｂを含んでおり、半導体構造体層３５ａ，３５ｃにおいても同様の構成とされている。
【００６９】
第１の実施形態における図８から分かるように、電場の増強効果は、第２の金属層３６ａ，３６ｂ，３６ｃ及び半導体構造体層３５ａ，３５ｂ，３５ｃがなす幅に依存する。より具体的には、第２の金属層３６ａ，３６ｂ，３６ｃと半導体構造体層３５ａ，３５ｂ，３５ｃとの界面における第２の金属層３６ａ，３６ｂ，３６ｃがなす幅のうち、表面プラズモン共鳴を引き起こすキャビティとして作用しうる幅（共振器長）に依存する。このため、１種の積層構造体３，２３のみを含む第１の実施形態の光検出器１Ａ及び第２の実施形態の光検出器１Ｂは、光感度を有する波長帯域が限られていた。これに対し、複数の大きさの積層構造体を有する本実施形態の光検出器１Ｃでは、上記キャビティとして作用しうる「幅」を複数有するため、光感度を有する波長帯域が広げられている。すなわち、本実施形態の光検出器１Ｃでは、第２の金属層３６ａ，３６ｂ，３６ｃと半導体構造体層３５ａ，３５ｂ，３５ｃとの界面における第２の金属層３６ａ，３６ｂ，３６ｃがなす幅のうち、表面プラズモン共鳴を引き起こすキャビティとして作用しうる幅に応じた波長帯域の光によって表面プラズモンが励起され、プラズモン共鳴により励起された電子が積層構造体内を移動し、これによって生じた電流を共通の第２の電極９から一出力として取り出す。加えて本発明では、積層構造体に２つの上位準位が存在するために、半導体内で吸収される光の波長帯域が広くなっている。従って、この光検出器１Ｃは、感度を有する波長帯域が一層広げられているといえる。なお、このように大きさの異なる積層構造体３３ａ，３３ｂ，３３ｃが隣接して形成されている場合でも、互いのプラズモン共鳴は妨げられないことが、理論上証明されている。
【００７０】
なお、上記第３の実施形態の光検出器１Ｃでは、それぞれの周期パターン部が一次元方向にパターン化されている態様を示したが、これらが二次元方向にパターン化されていてもよい。また、上記第３の実施形態の光検出器１Ｃでは、配線電極８が周期パターン部Ｐ３ａ，Ｐ３ｂ，Ｐ３ｃごとに配線された態様を示したが、異なる周期パターン部間を横断するように配線されていてもよい。
【００７１】
［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１５及び図１６に示されるように、第４の実施形態の光検出器１Ｄは、第３の実施形態の光検出器１Ｃと比べて、第２の電極が複数形成され、複数の周期パターン部Ｐ３ａ，Ｐ３ｂ，Ｐ３ｃが互いに異なる第２の電極９ａ，９ｂ，９ｃと電気的に接続されている点が異なる。
【００７２】
この光検出器１Ｄでは、取出し電極９ａ，９ｂ，９ｃごとに異なる波長帯域を有する光が検出されることになるため、広い波長帯域を有する光を波長帯域ごとに分光して検出することができる。
【００７３】
なお、上記第４の実施形態の光検出器１Ｄでは、それぞれの周期パターン部が一次元方向にパターン化されている態様を示したが、これらが二次元方向にパターン化されていてもよい。
【００７４】
［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１７及び図１８に示されるように、第５の実施形態の光検出器１Ｅは、第２の実施形態の光検出器１Ｂと比べて、平面視における積層構造体の形状及び配列が異なる。
【００７５】
すなわち、光検出器１Ｅにおける複数の積層構造体５３は、それぞれ第２の金属層５６及び半導体構造体層５５（アクティブ領域５５ａ及びインジェクタ領域５５ｂを含む）が平面視円形とされており、これらが島状且つ三角格子状に配列されることにより周期パターンＰ４が構成されている。
【００７６】
第２の実施形態の光検出器１Ｂでは、入射光が特定の偏光方向を有する場合（つまり、電界の振動方向が特定の方向である場合）にのみ光感度が高いのに対し、本実施形態の光検出器１Ｅでは、光感度について、入射光の偏光方向に対する依存性が小さい。
【００７７】
［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１９及び図２０に示されるように、第６の実施形態の光検出器１Ｆは、第１の実施形態の光検出器１Ａと比べて、基板２及び第１の金属層４に替えて、高不純物ドーピングされた半導体層６４を備える点が異なる。また、第１の実施形態の光検出器１Ａにおいて第１の電極１０とされていた部分に、半導体層６４とコンタクトをとるために別の配線電極６９が設けられている点が異なる。
【００７８】
半導体層６４は、ＳｉやＺｎ等が高不純物ドーピングされたＩｎＰ等の半導体からなる。高不純物ドーピングされた半導体は、中赤外線に対しては金属と同様に誘電率が負となることが周知である（例えば、D.  Li,  C.  Z.  Ning,  "All-semiconductor  active  plasmonic  system  in  mid-infrared  wavelengths",  Opt.  Express,  19,  14594(2011)参照）。このため、入射した中赤外線が積層構造体６３において表面プラズモンと結合し、プラズモン共鳴を引き起こすことが可能である。その結果、第１の実施形態と同様にして、入射光に対して光感度を得ることができる。この光検出器１Ｆの製造においては、図３（ｂ）に示されるような基板を貼り合せる工程が不要となるため、製造が簡単である。
【００７９】
なお、上記第６の実施形態の光検出器１Ｆにおいては、半導体構造体層６５上に、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ等の第２の金属に替えて、半導体層６４に用いたのと同様の高不純物ドーピングされた半導体を積層してもよい。上記のように、高不純物ドーピングされた半導体の誘電率が負となる波長帯域においては、高不純物ドーピングされた半導体層を第２の金属の替わりに用いることができる。この場合、光検出器１Ｆの製造がより簡単になる。
【００８０】
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、上記実施形態ではいずれも、積層構造体が少なくとも第２の金属層により周期パターンが形成されるように配列された態様を示したが、パターンは周期的でなくてもよい。また、積層構造体は単独でプラズモン共鳴を引き起こすキャビティとして作用するため、例えば図２１及び図２２に示される光検出器１Ｅのように、積層構造体は一つであってもよい。ここで、配線電極８は第２の電極９を兼ね、第１の金属層４は第１の電極１０を兼ねている。積層構造体３におけるキャビティの幅、すなわち半導体構造体層５と第２の金属層６との界面における所定の方向（ここでは積層構造体３の長手方向に垂直な方向）に沿った第２の金属層６の幅が、「励起される表面プラズモンの波長の２分の１倍」、もしくは「励起される表面プラズモンの波長の２分の１倍」の整数倍である場合に、積層構造体３が共振器として動作する。
【００８１】
また、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。
【００８２】
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。さらに各種電極や絶縁層に関しても、上記実施形態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。
【００８３】
また、半導体構造体層は、第１の金属層、半導体構造体層及び第２の金属層の積層方向から量子カスケード構造を挟むように形成された第１のコンタクト層及び第２のコンタクト層を更に備えていてもよい。第１及び第２のコンタクト層は、量子カスケード構造で生じた電流を検出するために、量子カスケード構造と各電極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。コンタクト層の厚さは、第１の金属層側（インジェクタ領域側）のコンタクト層では例えば５〜１００ｎｍである。一方、第２の金属層側（アクティブ領域側）のコンタクト層の厚さは、上述した電界成分の効果が量子カスケード構造に及びやすいように、可能な限り薄いことが好ましく、具体的には５〜１００ｎｍが好ましい。なお、式（１）〜（３）によれば、半導体量子井戸構造の膜厚（Ｔ）が変化することにより、共鳴波長が変化することになる。コンタクト層の形成により当該膜厚が変化することも考慮してコンタクト層の厚さを決定することが望ましい。第１及び第２のコンタクト層を設けることにより、オーミック抵抗を低下させることができるため、量子カスケード構造で生じる電流を効率的に検出することができる。
【００８４】
また、上記第１〜第６実施形態として示した態様は、それぞれ自由に組み合わせて光検出器を構成することができる。一例として、第６の実施形態の光検出器１Ｆにおける高不純物ドーピングされた半導体を、他の実施形態の光検出器に適用してもよい。
【００８５】
また、光検出器の製造方法についても、上記実施形態で示した態様（図３〜６）に限定されるものではない。例えば、第１の金属膜１０４を二つの金属膜を貼り合わせて形成するようにしてもよい。すなわち、図２３に示されるように、ＩｎＰ等の半導体仮基板１０１上に、半導体量子カスケード構造体１０５を、ＭＢＥやＭＯＣＶＤ等の方法を用いて交互にエピタキシャル成長させる。そして、半導体量子カスケード構造体１０５の上に、真空蒸着法やスパッタ法等により第１の金属膜１０４ｐを成膜する。他方、別途準備した基板２に金属膜１０４ｑを成膜する。そして、これらの金属膜１０４ｐ，１０４ｑ同士を貼り合わせ、加熱・加圧処理することにより接着することにより、図３（ｂ）に示される積層体が得られる。これ以降は、第１の実施形態に示した製造手順と同様にして、光検出器１Ａを製造することができる。
【００８６】
また、上記実施形態においては、第１の金属層４又は半導体層６４の表面が一様な平面をなしている状態を前提として記載したが、光検出器を製造する過程で、その表面が積層構造体の周期構造に即した凹凸形状となることがある。そのような形状に対しても、本発明は適用されるものである。
【符号の説明】
【００８７】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ…光検出器、３，２３，３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，５３，６３…積層構造体、４…第１の金属層（第１の層）、５，２５，３５，５５…半導体構造体層、５ａ，２５ａ，３５ｂａ，５５ａ…アクティブ領域、５ｂ，２５ｂ，３５ｂｂ，５５ｂ…インジェクタ領域、６，２６，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，５６…第２の金属層（第２の層）、７…絶縁層、８…配線電極、９，９ａ，９ｂ，９ｃ，６９…第２の電極（第２の電極パッド部）、１０…第１の電極（第１の電極パッド部）、６４…半導体層（第１の層）、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４…周期パターン、Ｐ３ａ，Ｐ３ｂ，Ｐ３ｃ…周期パターン部。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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