(57)【要約】【課題】光電変換効率を高めること。【解決手段】光が入射する第１の主面４４ａと、第１の主面４４ａに相対する第２の主面４４ｂとを有し、光に対して光電変換を行う光電変換層４４と、第２の主面４４ｂ側に形成され、第１の方向D1にストライプ状に延びる第１の面４５ｂと、第１の面４５ｂと高低差があり、かつ第１の方向D1にストライプ状に延びる第２の面４５ｘとが交互に複数設けられた第１の回折格子４９と、第１の面４５ｂと第２の面４５ｘの各々に間隔をおいて複数設けられ、かつ、第１の方向D1と、第１の方向D1に直交する第２の方向D2のいずれかに沿って延びる金属線５１と、第１の回折格子４９の上に形成され、第２の方向D2に延びる複数の溝６２ａが間隔をおいて形成された第２の回折格子６２とを有する光検知器６８による。【選択図】図１８
2018113278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光が入射する第１の主面と、前記第１の主面に相対する第２の主面とを有し、前記光に対して光電変換を行う光電変換層と、
前記第２の主面側に形成され、第１の方向にストライプ状に延びる第１の面と、前記第１の面と高低差があり、かつ前記第１の方向にストライプ状に延びる第２の面とが交互に複数設けられた第１の回折格子と、
前記第１の面と前記第２の面の各々に間隔をおいて複数設けられ、かつ、前記第１の方向と、前記第１の方向に直交する第２の方向のいずれかに沿って延びる金属線と、
前記第１の回折格子の上に形成され、前記第２の方向に延びる複数の溝が間隔をおいて形成された第２の回折格子と、
を有する光検知器。
【請求項２】
前記光電変換層は、交互に積層された量子井戸層と障壁層とを有し、
前記金属線は、前記第２の方向に沿って延びることを特徴とする請求項１に記載の光検知器。
【請求項３】
前記光電変換層は、交互に積層された量子ドットと中間層とを有し、
前記金属線は、前記第１の方向に沿って延びることを特徴とする請求項１に記載の光検知器。
【請求項４】
前記光電変換層は、第１の導電型の半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された第２の導電型の半導体層とを有し、
前記金属線は、前記第１の方向に沿って延びることを特徴とする請求項１に記載の光検知器。
【請求項５】
平面内にアレイ状に配列され、受光した光の強度に応じた光電流を出力する複数の画素と、
前記光電流を読み出す読み出し回路とを有し、
前記画素は、
前記光が入射する第１の主面と、前記第１の主面に相対する第２の主面とを有し、前記光に対して光電変換を行う光電変換層と、
前記第２の主面側に形成され、第１の方向にストライプ状に延びる第１の面と、前記第１の面と高低差があり、かつ前記第１の方向にストライプ状に延びる第２の面とが交互に複数設けられた第１の回折格子と、
前記第１の面と前記第２の面の各々に間隔をおいて複数設けられ、かつ、前記第１の方向と、前記第１の方向に直交する第２の方向のいずれかに沿って延びる金属線と、
前記第１の回折格子の上に形成され、前記第２の方向に延びる複数の溝が間隔をおいて形成された第２の回折格子と、
を有することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検知器及び撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電変換を行う光検知器には様々なタイプのものがある。なかでも、QWIP(Quantum Well Infrared Photodetector)は、量子井戸層に形成された人工準位間の遷移を利用して赤外線を検知するデバイスであり、赤外線を高い感度で検知することができる。
【０００３】
また、QWIPを発展させたQDIP(Quantum Dot Infrared Photodetector)も光検知器の一例である。QDIPは、電子が束縛される量子ドットを形成し、その束縛状態間の遷移を利用して高い感度で赤外線を検出することができる。
【０００４】
そして、これらQWIPやQDIP等をアレイ状に配列したFPA(Focal Plane Array)を撮像装置に使用することにより、赤外線用の高感度の撮像装置を作製することができる。
【０００５】
なお、QWIPやQDIP等の他に、太陽電池も光検知器の一例として挙げられる。
【０００６】
前述のQWIP、QDIP、及び太陽電池等の光検知器は、光電変換効率を高めるという点で改善の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０２１０７３号
【特許文献２】特開平９−５５５３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一つの側面では、本発明は、光電変換効率を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一つの側面では、光が入射する第１の主面と、前記第１の主面に相対する第２の主面とを有し、前記光に対して光電変換を行う光電変換層と、前記第２の主面側に形成され、第１の方向にストライプ状に延びる第１の面と、前記第１の面と高低差があり、かつ前記第１の方向にストライプ状に延びる第２の面とが交互に複数設けられた第１の回折格子と、前記第１の面と前記第２の面の各々に間隔をおいて複数設けられ、かつ、前記第１の方向と、前記第１の方向に直交する第２の方向のいずれかに沿って延びる金属線と、前記第１の回折格子の上に形成され、前記第２の方向に延びる複数の溝が間隔をおいて形成された第２の回折格子とを有する光検知器が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
一つの側面では、第１の回折格子に設けた金属線が延びる方向を、第１の面や第２の面が延びる第１の方向と、その第１の方向に直交する第２の方向のいずれかとすることにより、入射した光からTE波とTM波のいずれかを生成することができる。
【００１１】
TE波は光電変換層の内部に閉じ込められやすいため、光電変換層における光路長が長くなり、光電変換層における光電変換効率を高めることができる。
【００１２】
また、光電変換層の構造によってはTM波によって光電変換効率が高められる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、検討に使用したQWIPの断面図である。
【図２】図２は、量子井戸層によって吸収され易い電界成分について説明するための模式断面図である。
【図３】図３は、検討に使用したQDIPの断面図である。
【図４】図４は、回折格子の作用について説明するための断面図である。
【図５】図５は、TM波について説明するための斜視図である。
【図６】図６は、TE波について説明するための斜視図である。
【図７】図７は、光の閉じ込め効果について説明するための模式断面図である。
【図８】図８は、光の反射角と反射率との関係について調査して得られた図である。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図（その１）である。
【図１０】図１０（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図（その２）である。
【図１１】図１１（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図（その３）である。
【図１２】図１２（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図（その４）である。
【図１３】図１３（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図（その５）である。
【図１４】図１４（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図（その６）である。
【図１５】図１５は、第１実施形態に係る第１の回折格子の斜視図である。
【図１６】図１６は、第１実施形態において、金属線を形成した後の第１の回折格子の斜視図である。
【図１７】図１７は、第１実施形態に係る第２の回折格子の斜視図である。
【図１８】図１８は、第１実施形態に係る光検知器の動作について説明するための模式断面図である。
【図１９】図１９は、第１実施形態において、光の偏光状態により第１の回折格子がどのように振る舞うのかを模式的に説明するための斜視図である。
【図２０】図２０は、第１実施形態において、第１の回折格子を透過した光が第２の回折格子で回折する様子を示す斜視図である。
【図２１】図２１（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図（その１）である。
【図２２】図２２（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図（その２）である。
【図２３】図２３（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図（その３）である。
【図２４】図２４（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図（その４）である。
【図２５】図２５（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図（その５）である。
【図２６】図２６（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図（その６）である。
【図２７】図２７は、第２実施形態に係る第１の回折格子の斜視図である。
【図２８】図２８は、第２実施形態に係る第２の回折格子の斜視図である。
【図２９】図２９は、第２実施形態に係る光検知器の動作について説明するための模式断面図である。
【図３０】図３０は、第２実施形態において、光の偏光状態により第１の回折格子がどのように振る舞うのかを模式的に説明するための斜視図である。
【図３１】図３１は、第２実施形態において、第１の回折格子を透過した光が第２の回折格子で回折する様子を示す斜視図である。
【図３２】図３２（ａ）、（ｂ）は、第３実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図（その１）である。
【図３３】図３３（ａ）、（ｂ）は、第３実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図（その２）である。
【図３４】図３４（ａ）、（ｂ）は、第３実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図（その３）である。
【図３５】図３５（ａ）、（ｂ）は、第３実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図（その４）である。
【図３６】図３６（ａ）、（ｂ）は、第３実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図（その５）である。
【図３７】図３７（ａ）、（ｂ）は、第３実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図（その６）である。
【図３８】図３５（ａ）、（ｂ）は、第３実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図（その７）である。
【図３９】図３９は、第３実施形態に係る第１の回折格子の斜視図である。
【図４０】図４０は、第３実施形態に係る第２の回折格子の斜視図である。
【図４１】図４１は、第３実施形態に係る光検知器の動作について説明するための模式断面図である。
【図４２】図４２は、第４実施形態に係る撮像装置の構成図である。
【図４３】図４３は、第４実施形態に係る撮像素子の斜視図である。
【図４４】図４４は、第４実施形態に係る撮像装置の機能ブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が検討した事項について説明する。
【００１５】
前述のように光検知器にはQWIPやQDIP等がある。以下に、それらについて説明する。
【００１６】
図１は、検討に使用したQWIPの断面図である。
【００１７】
このQWIP１は、GaAs基板等の基板２と、その上に形成された光電変換層３とを有する。
【００１８】
光電変換層３は、基板２を介して入射した光Lに対して光電変換を行う機能を有しており、この例では障壁層４と量子井戸層５とを交互に積層してなる積層膜を光電変換層３として使用する。
【００１９】
障壁層４の材料としては量子井戸層５の材料よりもバンドギャップが広い化合物半導体が使用される。これにより、量子井戸層５に人工準位が形成され、キャリアとなる電子が量子井戸層５に閉じ込められる。このように人工準位を形成し得る材料は特に限定されない。例えば、障壁層４としてAlGaAs層を形成し、量子井戸層５としてn型のGaAs層を形成することで人工準位を形成し得る。
【００２０】
また、この光電変換層３の上にはオーミックコンタクト層６として光Lを透過するGaAs層が形成され、更にその上には光Lを回折させるための回折格子７が設けられる。
【００２１】
回折格子７は、金層等の金属層であって、その下面には複数の溝７ａが設けられる。
【００２２】
なお、各々の溝７ａは、基板２の法線方向nに直交する方向Dに沿って延びており、その表面が光Lを反射する反射面となる。このように一次元的に延びた溝７ａを備えた回折格子７は、一次元グレーティングとも呼ばれる。
【００２３】
また、回折格子７はQWIP１の電極を兼ねており、基板２の上に形成された電極層９との間に電圧Vが印加される。
【００２４】
このようなQWIP１によれば、量子井戸層５に光Lが入射することで量子井戸層５に束縛されている電子が光Lを吸収して励起される。
【００２５】
そして、このように励起された電子が量子井戸５の束縛を脱し、電圧Vによって回折格子７に集められる。これにより電極層９と回折格子７との間に光電流が流れ、その光電流を電流計１０で測定することで、光Lの強度を示す光信号を得ることができる。
【００２６】
なお、QWIP１において検知の対象となる光Lは、波長が３μm〜１０μm程度の中〜長波長の赤外線である。
【００２７】
また、この例のように回折格子７を設けることで、以下のように量子井戸層５によって吸収されやすい方向の電界成分を持った回折光Ldを得ることができる。
【００２８】
図２は、量子井戸層５によって吸収され易い電界成分について説明するための模式断面図である。
【００２９】
QWIP１においては、量子井戸が形成するサブバンド準位間の電子の遷移が光吸収に利用される。この場合、量子力学的な選択則により、基板２の法線方向nに平行な電界成分を持つ光のみが各量子井戸層５によって吸収される。
【００３０】
図２の例では、回折格子７の溝７ａが延びる方向Dに直交する方向の電界Eを持った光L1と、その方向Dと同じ方向の電界Eを持った光L2の各々が、法線方向nに沿ってQWIP１に入射する場合を示している。
【００３１】
光L1の電界Eは法線方向nに対して直交しているため、光L1は各量子井戸層５において殆ど吸収されない。
【００３２】
一方、光L1が回折格子７で回折して得られた回折光Ld1は、その電界Eが法線方向nに平行な成分E1を有するため、各量子井戸構造５によって吸収される。
【００３３】
なお、光L2については、回折格子７で得られる回折光L2が法線方向nに平行な電界成分を持たないため、回折格子７の有無にかかわらず各量子井戸層５において吸収されない。
【００３４】
以上のように、このQWIP１においては、回折格子７を設けたことにより光L1の回折光Ld1が各量子井戸層５において吸収されるようになるものの、偏光方向が光L1のそれと垂直な光L2は各量子井戸層５において吸収されないという問題がある。
【００３５】
次に、QDIPについて説明する。
【００３６】
図３は、検討に使用したQDIPの断面図である。
【００３７】
このQDIP２１は、GaAs基板等の基板２２と、その上に形成された光電変換層２３とを有する。
【００３８】
このうち、光電変換層２３は、中間層２４と量子ドット２５とを交互に積層してなる積層膜であって、基板２２を介して入射した光Lに対して光電変換を行う。
【００３９】
中間層２４と量子ドット２５の材料の組み合わせは様々である。ここでは、障壁層４としてAlGaAs層を形成すると共に、量子ドット２５の材料としてInAsを使用する。
【００４０】
更に、この光電変換層２３の上にはオーミックコンタクト層２６としてGaAs層が形成され、更にその上には光Lを回折させるための回折格子２７が設けられる。
【００４１】
回折格子２７は、図１の例と同様に一次元グレーティングであって、溝２７ａが形成された金層である。
【００４２】
溝２７ａは、光Lを反射する反射面として機能し、基板２２の法線方向nに直交する方向Dに沿って延びる。
【００４３】
そして、回折格子２７は、QDIP１の電極を兼ねており、基板２２の上に形成された電極層２９との間に電圧Vが印加される。
【００４４】
このようなQDIP２１によれば、量子ドット２５に光Lが入射することで、量子ドット５に形成される束縛状態間で電子が遷移し、光Lが量子ドット２５に吸収される。そして、遷移によって量子ドット２５の束縛を脱した電子が電圧Vによって回折格子２７に集められる。これにより電極層２９と回折格子２７との間に光電流が流れ、その光電流を電流計１０で測定することで、光Lの強度を示す光信号を得ることができる。
【００４５】
なお、QDIP２１において検知の対象となる光Lは、波長が３μm〜１０μm程度の中〜長波長の赤外線である。
【００４６】
ここで、量子ドット２５は、法線方向nに平行な電界を持つ光と、法線方向nに垂直な方向の電界を持つ光のどちらも吸収することができる。
【００４７】
但し、量子力学的選択側により、量子ドット２５における光吸収は、主に励起準位に対応した量子閉じ込めの方向と同じ方向の電界成分を持った光が入射した際に起こる。そのため、法線方向nに垂直な方向の量子閉じ込めに対応した励起準位への電子遷移を利用した光吸収は、法線方向nに垂直な方向の電界成分を持つ光に対して良く起こり、当該方向の電界成分が小さくなるほど光吸収が起こり難くなる。
【００４８】
法線方向nに沿って基板２２から入射した光Lは、法線方向nに垂直な方向の電界を持つため、回折格子２７においてその電界の方向を変えなくても量子ドット２５に吸収される。
【００４９】
但し、以下の理由により回折格子２７を設けた方がQDIP２１における光電変換効率が高められる。
【００５０】
図４は、回折格子２７の作用について説明するための断面図である。
【００５１】
図４の例では、回折格子２７の溝２７ａが延びる方向Dに垂直な方向の電界Eを持った光L1と、その方向Dと同じ方向の電界Eを持った光L2の各々が、法線方向nに沿ってQDIP２１に入射する場合を示している。
【００５２】
光L1と光L2のどちらも法線方向nに垂直な電界Eを有しているため量子ドット２５において吸収される。
【００５３】
但し、光L1が回折格子２７で回折して得られた回折光Ld1は、元の光L1と比べて法線方向nに垂直な電界成分E1の大きさが小さくなるため、量子ドット２５において吸収され難くなる。
【００５４】
この場合であっても、回折光Ld1が光電変換層２３内で反射を繰り返すことで回折光Ld1の光路長が長くなる。その結果、量子ドット２５において回折光Ld1が吸収される機会を増やすことができ、QDIP２１における光電変換効率を高めることができる。
【００５５】
なお、光L2が回折格子２７で回折して得られた回折光Ld2については、回折の前後で法線方向nに垂直な電界Eの大きさが変わらないため、量子ドット２５において吸収され難くなることはない。
【００５６】
以上のように、QDIP２１においては、入射した光の光路長が回折格子２７によって長くなり、それにより光電変換効率を高めることができる。
【００５７】
ところで、光はその偏光状態に応じてTE波とTM波とに分けられる。以下に、TM波とTE波について説明する。
【００５８】
図５は、TM波について説明するための斜視図である。
【００５９】
図５においては、波数ベクトルkの光Lが結晶表面Sに斜めに入射する場合を想定している。なお、結晶表面Sは、各基板１、２１の表面に平行な任意の面である。
【００６０】
図５に示すように、TM波は、磁界ベクトルHが結晶表面Sに平行な光として定義される。
【００６１】
光の電界ベクトルEは磁界ベクトルHに直交するため、結晶表面Sに斜めに入射するTM波においては、法線方向nに沿った電界ベクトルEの成分は０ではない。また、図２を参照して説明したように、QWIPにおいては、法線方向nに平行な電界成分を持つ光のみが量子井戸層５によって吸収される。
【００６２】
よって、TM波は、QWIPの光電変換効率を高めるのに適した光であるということになる。
【００６３】
一方、図６は、TE波について説明するための斜視図である。
【００６４】
なお、図６において、図５で説明したのと同じ要素には図５におけるのと同じ要素を付し、以下ではその説明を省略する。
【００６５】
図６に示すように、TE波は、電界ベクトルEが結晶表面Sに平行な光として定義される。
【００６６】
次に、TM波とTE波の各々の閉じ込め効果について説明する。
【００６７】
図７は、光の閉じ込め効果について説明するための模式断面図である。
【００６８】
この例では、GaAs層等の結晶層３０から真空に向かって光Lが伝搬する場合を示している。この場合、結晶層３０の表面において光Lが反射することになるが、反射によって結晶層３０の内部に留まる光Lが多いほど、その光Lの閉じ込め効率は高いと言う。
【００６９】
本願発明者は、光Lの反射角θと、結晶層３０の表面における光Lの反射率との関係について調査した。なお、結晶層３０としては屈折率が３．３のGaAs層を採用した。
【００７０】
その調査結果を図８に示す。
【００７１】
図８に示すように、TM波においては、反射角が０°から増大すると反射率が一旦低くなるため、結晶層３０から光が漏れ出てしまう。
【００７２】
一方、TE波においては、反射角が０°から増大するにつれて反射率も増大するため、結晶層３０から光が漏れ難い。
【００７３】
この結果から、TM波よりもTE波の方が光の閉じ込め効果が良好であることが明らかとなった。
【００７４】
前述のように、QDIP２１（図３参照）においては、光電変換層２３の内部において光が反射を繰り返すことで光電変換効率が高められる。そして、図８の結果によれば、反射の際に光が外部に漏れないようにするには、QDIP２１内で反射を繰り返す光をTE波とするのが好ましい。
【００７５】
以上の結果から、QDIPにおいてはTE波によって光電変換効率が高められ、QWIPにおいてはTM波によって光電変換効率が高められることが明らかとなった。
【００７６】
以下に、入射する光の偏光の向きを問わずにTE波やTM波を作り、光電変換効率を高めることが可能な各実施形態について説明する。
【００７７】
（第１実施形態）
本実施形態に係る光検知器について、その製造工程を追いながら説明する。
【００７８】
本実施形態では、以下のようにして光検知器としてQWIPを製造する。
【００７９】
図９〜図１４は、本実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図である。これらの図においては、第１断面とこれに直交する第２断面とを併記する。
【００８０】
まず、図９（ａ）に示すように、赤外線に対して透明なGaAsを材料とするGaAs基板を基板４０として用意する。そして、その基板４０の上に、MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法により第１のオーミックコンタクト層４１としてn型のGaAs層を１μm程度の厚さに形成する。なお、第１のオーミックコンタクト層４１にドープされるn型不純物は例えばシリコンであり、その濃度は１×１０18cm-3程度である。
【００８１】
次に、図９（ｂ）に示すように、第１のオーミックコンタクト層４１の上にMOVPE法で障壁層４２と量子井戸層４３とを交互に複数積層し、これらの積層膜を光電変換層４４とする。
【００８２】
光電変換層４４を形成する各層の材料は特に限定されない。本実施形態では、障壁層４２としてAl0.25Ga0.75As層を４０nm程度の厚さに形成すると共に、量子井戸層４３としてn型のGaAs層を５nm程度の厚さに形成する。なお、量子井戸層４３にドープされるn型不純物は、例えば濃度が４×１０17cm-3程度のシリコンである。
【００８３】
また、障壁層４２の層数は２１層とし、量子井戸層４３の層数は２０層とする。
【００８４】
このようにして形成された光電変換層４４は、検知の対象となる光が入射する第１の主面４４ａと、その第１の主面４４ａに相対する第２の主面４４ｂとを有する。
【００８５】
そして、第１の主面４４ａから入射した光に対して光電変換層４４において光電変換が行われ、その光電変換効率を高めるための回折格子が以下の工程で第２の主面４４ｂ側に形成される。
【００８６】
なお、光電変換層４４において光電変換される光は、波長が３μm〜１０μm程度の中〜長波長の赤外線である。
【００８７】
次に、図１０（ａ）に示すように、光電変換層４４の第２の主面４４ｂの上にシリコンが１×１０18cm-3程度の濃度でドープされたn型のGaAs層をMOVPE法で１．５μm程度の厚さに形成し、そのGaAs層を第１の半導体層４５とする。
【００８８】
続いて、図１０（ｂ）に示すように、第１の半導体層４５の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより第１のレジスト層４７を形成する。
【００８９】
そして、第１のレジスト層４７をマスクにしながら第１の半導体層４５をドライエッチングすることにより、第１の半導体層４５の表面４５ｘに複数の第１の溝４５ａを間隔をおいて形成する。
【００９０】
これにより、光電変換層４４の第２の主面４４ｂ側に、第１の溝４５ａの底面４５ｂと表面４５ｘとを備えた第１の回折格子４９が作製されたことになる。底面４５ｂと表面４５ｘは、それぞれ第１の面と第２の面の一例であって、これらの面の高低差によって光が回折する。
【００９１】
第１の溝４５ａの大きさは、このように光を回折させる程度に微細であれば特に限定されない。本実施形態では、第１の溝４５ａの深さZ1を０．７５μmとし、その幅W1を２．５μmとする。また、隣接する第１の溝４５ａの間隔P1は、例えば２．５μmである。
【００９２】
この後に、第１のレジスト層４７を除去する。
【００９３】
図１５は、本工程を終了した後の第１の回折格子４９の斜視図である。
【００９４】
図１５に示すように、底面４５ｂと表面４５ｘの各々は、基板４０の法線方向nに直交する第１の方向D1に沿ってストライプ状に延びると共に、第１の方向D1と法線方向nの各々に直交する第２の方向D2に沿って交互に複数設けられる。
【００９５】
なお、図９〜図１４における第１断面は第１の方向D1に垂直な切断面で切断した断面に相当し、第２断面は第２の方向D2に垂直な切断面で切断した断面に相当する。
【００９６】
次に、図１１（ａ）に示すように、第１の回折格子４９の表面４５ｘと底面４５ｂの各々に蒸着法で金層を０．２５μm程度の厚さに形成し、更にリフトオフ法でその金層を線状にパターニングすることにより複数の金属線５１を間隔をおいて形成する。
【００９７】
各金属線５１の幅やそれらの間隔は特に限定されない。この例では、各金属線５１の幅Aを０．２５μm程度にし、隣接する金属線５１同士の間隔Bを０．２５μm程度とする。
【００９８】
図１６は、本工程を終了した後の第１の回折格子４９の斜視図である。
【００９９】
図１６に示すように、各金属線５１は第２の方向D2に沿って延びる。
【０１００】
後述のように、微細な間隔をおいて設けられた各金属線５１は、光をその偏光の向きに応じて透過させたり反射させたりする。このような機能を有する各金属線５１はワイヤーグリッド偏光子とも呼ばれる。
【０１０１】
次に、図１１（ｂ）に示すように、基板４０の上側全面にCVD(Chemical Vapor Deposition)法で酸化シリコン層５２を１００nm程度の厚さに形成した後、その酸化シリコン層５２をパターニングして金属線５１の上にのみ残す。
【０１０２】
続いて、図１２（ａ）に示すように、第１の半導体層４５と酸化シリコン層５２の上に第２の半導体層５３としてMOVPE法によりn型のGaAs層を２μm程度の厚さに形成し、各半導体層４５、５３を第２のオーミックコンタクト層５７とする。
【０１０３】
このとき、各金属線５１の上に第２の半導体層５３を直接形成すると、その第２の半導体層５３におけるGaAsの結晶性が悪くなるが、この例のように予め酸化シリコン層５２を形成することで結晶性の良いGaAs層を形成することが可能となる。これについては、後述の各実施形態でも同様である。
【０１０４】
なお、第２の半導体層５３にドープされるn型不純物は例えばシリコンであり、その濃度は１×１０18cm-3程度である。
【０１０５】
その後に、第２の半導体層５３の上面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により研磨して平坦化する。
【０１０６】
次に、図１２（ｂ）に示すように、第２のオーミックコンタクト層５７の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより第２のレジスト層５９を形成する。
【０１０７】
更に、第２のレジスト層５９をマスクにしながら第２のオーミックコンタクト層５７をドライエッチングすることにより、第２のオーミックコンタクト層５７の表面に複数の凹凸を形成する。
【０１０８】
そのドライエッチングで使用するエッチングガスは特に限定されないが、本実施形態ではそのエッチングガスとして塩素ガスを使用する。
【０１０９】
続いて、図１３（ａ）に示すように、第２のオーミックコンタクト層５７の上に第３のレジスト層６０を形成する。
【０１１０】
そして、第３のレジスト層６０をマスクにしながら、各オーミックコンタクト層４１、５７と光電変換層４４をウエットエッチングし、第１のオーミックコンタクト層４１に至る深さのホール６１を形成する。
【０１１１】
そのウエットエッチングでは、例えばフッ酸をエッチング液として使用する。
【０１１２】
この後に、第３のレジスト層６０は除去される。
【０１１３】
次に、図１３（ｂ）に示すように、ホール６１内と第２のオーミックコンタクト層５７の上に蒸着法で金属層を形成し、それをリフトオフ法でパターニングすることにより第２の回折格子６２と電極層６３を形成する。その金属層は、例えば、金とゲルマニウムとの合金層と金層とがこの順に積層された積層膜である。
【０１１４】
このうち、電極層６３は、第１のホール６１を介して第１のオーミックコンタクト層４１に接続されており、第２の回折格子６２との間に電圧が印加される。
【０１１５】
その第２の回折格子６２には、第２のオーミックコンタクト層５７の凹凸を反映した複数の第２の溝６２ａが形成される。
【０１１６】
第２の溝６２ａの大きさは、第１の溝４５ａと同程度であって、その深さZ2は０．７５μm程度であり、その幅W2は２．５μm程度である。また、隣接する第２の溝６２ａの間隔P2は、例えば２．５μmである。
【０１１７】
図１７は、第２の回折格子６２の斜視図である。
【０１１８】
図１７に示すように、第２の溝６２ａは、第１の方向D1に直交する第２の方向D2に沿って延びる。
【０１１９】
次に、図１４（ａ）に示すように、第２のオーミックコンタクト層５７、第２の回折格子６２、及び電極層６３の各々の上に第４のレジスト層６５を形成する。
【０１２０】
そして、その第４のレジスト層６５をマスクにして各オーミックコンタクト層４１、５７と光電変換層４４をドライエッチングすることにより素子分離溝６６を形成し、素子分離溝６６で複数の画素６７を画定する。
【０１２１】
次いで、図１４（ｂ）に示すように、第４のレジスト層６５を除去する。
【０１２２】
この後は、第２の回折格子６２と電極層６３の各々にインジウムバンプ６９を接合し、本実施形態に係る光検知器６８の基本構造を完成させる。
【０１２３】
その光検知器６８は、平面視で複数の画素６７がアレイ状に配列されたFPAである。
【０１２４】
次に、光検知器６８の動作について説明する。
【０１２５】
図１８は、光検知器６８の動作について説明するための模式断面図である。
【０１２６】
この光検知器６８はQWIPであって、第１のオーミックコンタクト層４１よりも第２の回折格子６２の電位が高くなるようにこれらの間に電圧が印加された状態で、基板４０を介して検知対象の光Lが入射する。
【０１２７】
光Lは、偏光状態に応じて第１の回折格子４９と第２の回折格子６２のいずれか一方で回折し、これにより回折光Ldが生成される。そして、その回折光Ldが量子井戸層４３において吸収されることにより、量子井戸層４３に束縛された電子が励起して第２の回折格子６２側に移動し、光電流を得ることができる。
【０１２８】
光Lが第１の回折格子４９で回折するか否かは光Lの偏光状態による。
【０１２９】
図１９は、光Lの偏光状態により第１の回折格子４９がどのように振る舞うのかを模式的に説明するための斜視図である。
【０１３０】
図１９においては、第１の方向D1に平行な電界Eを持った光L1と、第２の方向D2に平行な電界Eを持った光L2の各々が、法線方向nに沿って第１の回折格子４９に入射する場合を示している。
【０１３１】
光L2が第１の回折格子４９に入射した場合には、光L2の電界Eの方向と金属線５１が延びる方向とが同じであるため、その電界Eによって金属線５１内の電子が金属線５１に沿って揺さぶられ、各金属線５１によって光L2が反射する。
【０１３２】
よって、この場合には、第１の回折格子４９は光L2に対して回折格子として機能し、第１の溝４５ａによって光L2の回折光Ld2が生成される。
【０１３３】
その回折光Ld2は、第１の溝４５ａが延びる第１の方向D1に垂直な面内を進行する。また、回折の前における光L2の磁界Hの向きは第１の方向D1に平行である。よって、回折の前後で磁界Hの向きは変わらず、回折光Ld2は磁界Hの向きが各主面４４ａ、４４ｂ（図１８参照）に平行なTM波となる。
【０１３４】
一方、光L1が第１の回折格子４９に入射した場合には、光L1の電界Eの方向と金属線５１が延びる方向と直交しているため、金属線５１内の電子は電界Eによって揺さぶられず、各金属線５１の間を光L1が通り抜けるようになる。
【０１３５】
よって、この場合には、第１の回折格子４９を光L1が透過するようになり、光L1は第２の回折格子６２で回折されることになる。
【０１３６】
図２０は、このように第１の回折格子４９を透過した光L1が第２の回折格子６２で回折する様子を示す斜視図である。
【０１３７】
光L1が第２の回折格子６２に入射すると、第２の溝６２ａによって光L1が回折して回折光Ld1が生成される。
【０１３８】
その回折光Ld1は、第２の溝６２ａが延びる第２の方向D2に垂直な面内を進行する。また、回折の前における光L1の磁界Hの向きは第２の方向D2に平行である。よって、回折の前後で磁界Hの向きは変わらず、回折光Ld2は磁界Hの向きが各主面４４ａ、４４ｂ（図１８参照）に平行なTM波となる。
【０１３９】
なお、回折光Ld1の電界Eの方向は、金属線５１（図１９参照）が延びる第２の方向D2に垂直であるため、回折光Ld1は第１の回折格子４９を透過して光電変換層４４（図１８参照）に入射し、量子井戸層４３内の電子を励起する。
【０１４０】
以上のように、この光検知器６８によれば、基板４０に入射する光Lの偏光の向きを問わずにTM波を作ることができる。
【０１４１】
前述のように、TM波は、QWIPの光電変換効率を高めるのに適した光である。よって、本実施形態のように入射光の偏光状態の如何を問わずにTM波を生成することにより、光検知器６８の光電変換効率を高めることが可能となる。
【０１４２】
なお、光検知器６８は前述のようにFPAであるが、光検知器６８の使用用途は撮像用途に限定されない。例えば、素子分離溝６６で光電変換層４４を画素６７に分離せずに、光電変換層４４で赤外線の有無を検知することにより、光検知器６８を人感センサとして使用してもよい。これについては後述の第２実施形態でも同様である。
【０１４３】
（第２実施形態）
本実施形態に係る光検知器について、その製造工程を追いながら説明する。
【０１４４】
図２１〜図２６は、本実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図である。
【０１４５】
なお、図２１〜図２６において、第１実施形態におけるのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【０１４６】
また、これらの図においては、第１実施形態と同様に第１断面とこれに直交する第２断面とを併記する。
【０１４７】
本実施形態では、以下のようにして光検知器としてQDIPを製造する。
【０１４８】
まず、図２１（ａ）に示すように、第１実施形態の図９（ａ）の工程を行うことにより、GaAsを材料とする基板４０の上に第１のオーミックコンタクト層４１が形成された構造を得る。
【０１４９】
第１実施形態で説明したように、第１のオーミックコンタクト層４１としては、n型不純物としてシリコンが１×１０18cm-3程度の濃度にドープされたGaAs層を形成し得る。
【０１５０】
次に、図２１（ｂ）に示すように、第１のオーミックコンタクト層４１の上に中間層７１と量子ドット７２とを交互に複数積層し、これらの積層膜を光電変換層７３とする。
【０１５１】
光電変換層７３の各層の成膜条件は特に限定されない。本実施形態では、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法により中間層７１としてn型のAl0.2Ga0.8As層を５０nm程度の厚さに形成する。なお、中間層７１にドープされるn型不純物は、例えば濃度が１×１０16cm-3程度のシリコンである。
【０１５２】
また、量子ドット７２は、MBE法において成長温度を４７０℃としながらInAsの原子層を二層積層することにより形成される。そのように形成された量子ドット７２は、直径が約１５nmで高さが約２nmの円盤状となる。
【０１５３】
更に、光電変換層７３の各層の積層数も特に限定されないが、この例では中間層７１の層数を２１層とし、量子ドット７２の層数を２０層とする。
【０１５４】
このようにして形成された光電変換層７３は、検知の対象となる光が入射する第１の主面７３ａと、その第１の主面７３ａに相対する第２の主面７３ｂとを有する。
【０１５５】
そして、第１の主面７３ａから入射した光に対して光電変換層７３において光電変換が行われ、その光電変換効率を高めるための回折格子が以下の工程で第２の主面７３ｂ側に形成される。
【０１５６】
なお、光電変換層７３において光電変換される光は、波長が３μm〜１０μm程度の中〜長波長の赤外線である。
【０１５７】
次に、図２２（ａ）に示すように、光電変換層７３の第２の主面７３ｂの上にn型のGaAs層をMBE法で１．５μm程度の厚さに形成し、そのGaAs層を第１の半導体層４５とする。
【０１５８】
第１実施形態と同様に、そのGaAs層にはn型不純物としてシリコンが１×１０18cm-3程度の濃度でドープされる。
【０１５９】
次いで、図２２（ｂ）に示すように、第１実施形態と同様にして第１の半導体層４５の上に第１のレジスト層４７を形成し、それをマスクにして第１の半導体層４５をドライエッチングすることにより複数の第１の溝４５ａを形成する。
【０１６０】
これにより、第１実施形態と同様に、光電変換層７３の第２の主面７３ｂ側に、第１の溝４５ａの底面４５ｂと表面４５ｘとを備えた第１の回折格子４９が作製される。
【０１６１】
第１の溝４５ａの大きさは第１実施形態と同様であって、その深さZ1は例えば０．７５μmであり、幅W1は例えば２．５μmである。また、隣接する第１の溝４５ａの間隔P1は、例えば２．５μmである。
【０１６２】
この後に、第１のレジスト層４７を除去する。
【０１６３】
次に、図２３（ａ）に示すように、第１の回折格子４９の表面４５ｘの上に蒸着法で金層を０．２５μm程度の厚さに形成し、更にリフトオフ法でその金層を線状にパターニングすることにより複数の金属線５１を間隔をおいて形成する。
【０１６４】
なお、第１実施形態と同様に、各金属線５１の幅Aと、隣接する金属線５１同士の間隔Bは、いずれも０．２５μm程度である。
【０１６５】
図２７は、本工程を終了した後の第１の回折格子４９の斜視図である。
【０１６６】
第１実施形態では第２の方向D2に沿って延びるように各金属線５１を形成したが、本実施形態では図２７のように第１の溝４５ａの延在方向である第１の方向D1に沿って延びるように各金属線５１を形成する。
【０１６７】
これらの金属線５１は、光をその偏光の向きに応じて透過させたり反射させたりするワイヤーグリッド偏光子として機能する。
【０１６８】
なお、図２１〜図２６における第１断面は第１の方向D1に垂直な切断面で切断した断面であり、第２断面は第２の方向D2に垂直な切断面で切断した断面である。
【０１６９】
続いて、図２３（ｂ）に示すように、第１実施形態と同様にして金属線５１の上に酸化シリコン層５２を形成する。
【０１７０】
次に、図２４（ａ）に示すように、第１実施形態の図１２（ａ）の工程を行うことにより、第１の半導体層４５と酸化シリコン層５２の上に第２の半導体層５３としてn型のGaAs層を形成し、各半導体層４５、５３を第２のオーミックコンタクト層５７とする。
【０１７１】
その後、第２の半導体層５３の上面をCMP法により研磨して平坦化する。
【０１７２】
続いて、図２４（ｂ）に示すように、第２のオーミックコンタクト層５７の上に第２のレジスト層５９を形成する。
【０１７３】
そして、その第２のレジスト層５９をマスクにしながら第２のオーミックコンタクト層５７をドライエッチングすることにより、第２のオーミックコンタクト層５７の表面に複数の凹凸を形成する。そのドライエッチングでは、エッチングガスとして例えば塩素ガスを使用し得る。
【０１７４】
その後に、第２のレジスト層５９を除去する。
【０１７５】
次に、図２５（ａ）に示すように、第２のオーミックコンタクト層５７の上に第３のレジスト層６０を形成する。
【０１７６】
そして、第３のレジスト層６０をマスクにしながら、フッ酸をエッチング液として使用するウエットエッチングにより、各オーミックコンタクト層４１、５７と光電変換層７３にホール６１を形成する。
【０１７７】
この後に、第３のレジスト層６０は除去される。
【０１７８】
次に、図２５（ｂ）に示すように、ホール６１内に電極層６３を形成すると共に、第２のオーミックコンタクト層５７の上に第２の回折格子６２を形成する。
【０１７９】
第１実施形態と同様に、第２の回折格子６２と電極層６３は、金とゲルマニウムとの合金層と金層とがこの順に積層された積層膜をリフトオフ法でパターニングすることにより形成される。
【０１８０】
また、電極層６３は、第１のホール６１を介して第１のオーミックコンタクト層４１に接続されており、第２の回折格子６２との間に電圧が印加される。
【０１８１】
そして、第２の回折格子６２には、第２のオーミックコンタクト層５７の凹凸を反映した複数の第２の溝６２ａが形成される。
【０１８２】
第２の溝６２ａの大きさは、第１の溝４５ａと同程度であって、その深さZ2は０．７５μm程度であり、その幅W2は２．５μm程度である。また、隣接する第２の溝６２ａの間隔P2は、例えば２．５μmである。
【０１８３】
図２８は、第２の回折格子６２の斜視図である。
【０１８４】
図２８に示すように、第２の溝６２ａは、第１実施形態と同様に第１の方向D1に直交する第２の方向D2に沿って延びる。
【０１８５】
次に、図２６（ａ）に示すように、基板４０の上側全面にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより第４のレジスト層６５を形成する。
【０１８６】
そして、第４のレジスト層６５をマスクにしながら各オーミックコンタクト層４１、５７と光電変換層７３をドライエッチングすることにより、複数の画素６７を画定する素子分離溝６６を形成する。
【０１８７】
次いで、図２６（ｂ）に示すように、第４のレジスト層６５を除去する。
【０１８８】
この後は、第２の回折格子６２と電極層６３の各々にインジウムバンプ６９を接合し、本実施形態に係る光検知器８０の基本構造を完成させる。
【０１８９】
第１実施形態と同様に、その光検知器８０は、平面視で複数の画素６７がアレイ状に配列されたFPAである。
【０１９０】
次に、その光検知器８０の動作について説明する。
【０１９１】
図２９は、光検知器８０の動作について説明するための模式断面図である。
【０１９２】
この光検知器８０はQDIPであって、第１のオーミックコンタクト層４１よりも第２の回折格子６２の電位が高くなるようにこれらの間に電圧が印加された状態で、基板４０を介して検知対象の光Lが入射する。
【０１９３】
光Lは、偏光状態に応じて第１の回折格子４９と第２の回折格子６２のいずれか一方で回折し、これにより回折光Ldが生成される。そして、その回折光Ldが量子ドット７２において吸収されることにより、量子ドット７２に束縛された電子が励起して第２の回折格子６２側に移動し、光電流を得ることができる。
【０１９４】
第１実施形態と同様に、光Lが第１の回折格子４９で回折するか否かは光Lの偏光状態による。
【０１９５】
但し、本実施形態では、図２７に示したように金属線５１が延びる方向を第１の溝４５ａと同じ第１の方向D1にしたため、第１の回折格子４９の振る舞いが以下のように第１実施形態とは異なる。
【０１９６】
図３０は、本実施形態において、光Lの偏光状態により第１の回折格子４９がどのように振る舞うのかを模式的に説明するための斜視図である。
【０１９７】
図１９と同様に、図３０においては、第１の方向D1に平行な電界Eを持った光L1と、第２の方向D2に平行な電界Eを持った光L2の各々が、法線方向nに沿って第１の回折格子４９に入射する場合を示している。
【０１９８】
光L1が第１の回折格子４９に入射した場合には、光L1の電界Eの方向と金属線５１が延びる方向とが同じであるため、その電界Eによって金属線５１内の電子が金属線５１に沿って揺さぶられ、各金属線５１によって光L1が反射する。
【０１９９】
よって、この場合には、第１の回折格子４９は光L1に対して回折格子として機能し、第１の溝４５ａによって光L1の回折光Ld1が生成される。
【０２００】
その回折光Ld1は、第１の溝４５ａが延びる第１の方向D1に垂直な面内を進行する。また、回折の前における光L1の電界Eの向きは第１の方向D1に平行である。よって、回折の前後で電界Eの向きは変わらず、回折光Ld1は電界Eの向きが各主面７３ａ、７３ｂ（図２９参照）に平行なTE波となる。
【０２０１】
一方、光L2が第１の回折格子４９に入射した場合には、光L2の電界Eの方向と金属線５１が延びる方向と直交しているため、金属線５１内の電子は電界Eによって揺さぶられず、各金属線５１の間を光L2が通り抜けるようになる。
【０２０２】
よって、この場合には、第１の回折格子４９を光L2が透過するようになり、光L2は第２の回折格子６２で回折されることになる。
【０２０３】
図３１は、このように第１の回折格子４９を透過した光L2が第２の回折格子６２で回折する様子を示す斜視図である。
【０２０４】
光L2が第２の回折格子６２に入射すると、第２の溝６２ａによって光L2が回折して回折光Ld2が生成される。
【０２０５】
その回折光Ld2は、第２の溝６２ａが延びる第２の方向D2に垂直な面内を進行する。また、回折の前における光L2の電界Eの向きは第２の方向D2に平行である。よって、回折の前後で電界Eの向きは変わらず、回折光Ld2は電界Eの向きが各主面７３ａ、７３ｂ（図２９参照）に平行なTE波となる。
【０２０６】
以上のように、この光検知器８０によれば、基板４０に入射する光Lの偏光の向きを問わずにTE波を作ることができる。
【０２０７】
図７を参照して説明したように、TE波は、TM波よりも光電変換層７３等の結晶層内に留まり易く光路長が長くなるため、量子ドット７２が光に曝される機会を増やすことができる。
【０２０８】
そのため、本実施形態のように入射光の偏光状態の如何を問わずにTE波を生成することにより、光検知器８０の光電変換効率を高めることが可能となる。
【０２０９】
（第３実施形態）
本実施形態では、第１の回折格子４９と第２の回折格子６２を太陽電池に適用することにより、太陽電池における光電変換効率を高める。
【０２１０】
図３２〜図３８は、本実施形態に係る光検知器の製造途中の断面図である。
【０２１１】
なお、図３２〜図３８において、第１実施形態や第２実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらにおけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【０２１２】
また、これらの図においては、第１実施形態や第２実施形態と同様に、第１断面とこれに直交する第２断面とを併記する。
【０２１３】
まず、図３２（ａ）に示すように、n型半導体基板８１としてn型のGaAs基板を用意する。なお、n型半導体基板８１にドープするn型不純物は特に限定されず、例えばシリコンをn型半導体基板８１に１×１０18cm-3程度の濃度にドープし得る。
【０２１４】
そして、そのn型半導体基板８１の上にp型半導体層８２としてMOVPE法によりp型のGaAs層を５００nm程度の厚さに形成し、n型半導体基板８１とp型半導体層８２を光電変換層８３とする。
【０２１５】
その光電変換層８３においては、n型半導体基板８１とp型半導体層８２との間にpn接合が形成される。そして、そのpn接合に光が入射することにより光電変換層８３に光電流が発生する。
【０２１６】
また、光電変換層８３は、相対する第１の主面８３ａと第２の主面８３ｂとを有しており、このうちp型半導体層８２側の第１の主面８３ａから光が入射する。
【０２１７】
次に、図３２（ｂ）に示すように、光電変換層８３の第１の主面８３ａの上に蒸着法で金属層を２００nm程度の厚さに形成した後、リフトオフ法によりその金属層をパターニングすることにより表面電極８４を形成する。
【０２１８】
その金属層は、例えば、金とゲルマニウムとの合金層と金層とがこの順に積層された積層膜である。
【０２１９】
続いて、図３３（ａ）に示すように、光電変換層８３の上下を逆にしてn型半導体基板８１をパターニングすることにより、n型半導体基板８１の表面８１ｘに複数の第１の細溝８１ａを形成する。そのパターニングで使用するエッチングガスは特に限定されないが、例えば塩素ガスをエッチングガスとして使用し得る。
【０２２０】
また、第１の細溝８１ａの大きさも特に限定されない。本実施形態では、第１の細溝８１ａの幅Aを１００nm程度とし、隣接する第１の細溝８１ａ同士の間隔Bを１００nm程度とする。また、第１の細溝８１ａの深さは例えば１００nm程度である。
【０２２１】
なお、この例では表面８１ｘに第１の領域R1と第２の領域R2を交互に複数設け、そのうちの第１の領域R1にのみ第１の細溝８１ａを形成し、第２の領域R2には第１の細溝８１ａを形成しない。
【０２２２】
その第１の領域R1と第２の領域R2の各々の幅WR1、WR2は、いずれも０．５μm程度である。
【０２２３】
次に、図３３（ｂ）に示すように、n型半導体基板８１の表面８１ｘにスパッタ法で白金層を１０nm程度の厚さに形成し、更にその上に電解メッキ法で金層を２００nm程度の厚さに形成して、その白金層と金層とを備えた金属層８５で第１の細溝８１ａを埋め込む。
【０２２４】
その後に、図３４（ａ）に示すように、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法により金属層８５を研磨して表面８１ｘから金属層８５を除去し、第１の細溝８１ａ内にのみ金属層８５を金属線５１として残す。
【０２２５】
このようにして形成された各金属線５１の幅は１００nm程度であり、隣接する金属線５１同士の間隔は１００nm程度である。また、各金属線５１の厚さは１００nm程度である。
【０２２６】
次いで、図３４（ｂ）に示すように、第１実施形態と同様にして金属線５１の上に酸化シリコン層５２を形成する。
【０２２７】
そして、図３５（ａ）に示すように、n型半導体基板８１と酸化シリコン層５２の上にMOVPE法でn型のGaAs層形成し、そのGaAs層をn型半導体層８６とする。
【０２２８】
その後、n型半導体層８６の上面をCMP法で研磨して平坦化する。
【０２２９】
次に、図３５（ｂ）に示すように、n型半導体層８６をパターニングすることにより、第２の領域R2におけるn型半導体層８６の上面８６ｙに複数の第２の細溝８６ａを形成する。そのパターニングで使用するエッチングガスとしては、例えば塩素ガスがある。
【０２３０】
第２の細溝８６ａの大きさは特に限定されない。例えば、第２の細溝８６ａの幅Aは１００nm程度であり、隣接する第２の細溝８６ａ同士の間隔Bは１００nm程度である。また、第２の細溝８６ａの深さは例えば１００nm程度である。
【０２３１】
更に、第１の細溝８１ａと第２の細溝８６ａの各々の底面同士の間隔Dは、例えば０．４５μm程度である。
【０２３２】
なお、第２の細溝８６ａは第２の領域R2のみに形成され、第１の領域R1には第２の細溝８６ａを形成しない。
【０２３３】
そして、図３６（ａ）に示すように、n型半導体層８６の上面８６ｙにスパッタ法で白金層を１０nm程度の厚さに形成し、更にその上に電解メッキ法で金層を２００nm程度の厚さに形成して、その白金層と金層とを備えた金属層８５で第２の細溝８６ａを埋め込む。
【０２３４】
その後に、図３６（ｂ）に示すように、CMP法により金属層８５を研磨して上面８６ｙから金属層８５を除去し、第２の細溝８６ａ内にのみ金属層８５を金属線５１として残す。
【０２３５】
図３４（ａ）で形成した金属線５１と同様に、本工程で形成した各金属線５１の幅は１００nm程度であり、隣接する金属線５１同士の間隔は１００nm程度である。また、各金属線５１の厚さは１００nm程度である。
【０２３６】
ここまでの工程により、光電変換層８３の第２の主面８３ｂ側に、表面に複数の金属線５１が形成された第１の回折格子４９が作製されたことになる。
【０２３７】
図３９は、その第１の回折格子４９の斜視図である。
【０２３８】
図３９に示すように、その第１の回折格子４９には、互いに高低差のある第１の面８７ａと第２の面８７ｂとが交互に複数設けられる。
【０２３９】
このうち、第１の面８７ａは、n型半導体層８６の下面８６ｘのうち、前述の第１の領域R1（図３５（ｂ）参照）に位置する面であり、基板８０の法線方向nに直交する第１の方向D1にストライプ状に延びる。また、第２の面８７ｂは、n型半導体層８６の上面８６ｙのうち、前述の第２の領域R2（図３５（ｂ）参照）に位置する面であり、第１の方向D1にストライプ状に延びる。
【０２４０】
そして、前述の金属線５１は、第１の面８７ａと第２の面８７ｂの各々に形成されており、これらの面８７ａ、８７ｂを除いた下面８６ｘと上面８６ｙには金属線５１は形成されない。
【０２４１】
更に、各金属線５１は、これらの面８７ａ、８７ｂの各々において第１の方向D1に沿って延びるように形成される。これらの金属線５１は、第２実施形態と同様に、光をその偏光の向きに応じて透過させたり反射させたりするワイヤーグリッド偏光子として機能する。
【０２４２】
なお、図３２〜図３８における第１断面は第１の方向D1に垂直な切断面で切断した断面であり、第２断面は第２の方向D2に垂直な切断面で切断した断面である。
【０２４３】
続いて、図３７（ａ）に示すように、図３４（ｂ）の工程と同様にして金属線５１の上に酸化シリコン層５２を形成する。
【０２４４】
次いで、図３７（ｂ）に示すように、n型半導体層８６と酸化シリコン層５２の上にMOVPE法でn型のGaAs層を２μm程度の厚さに形成し、そのGaAs層をn型半導体層８８とする。
【０２４５】
その後、n型半導体層８８の表面をCMP法で研磨して平坦化する。
【０２４６】
次に、図３８（ａ）に示すように、n型半導体層８８の上に第２のレジスト層９０を形成する。
【０２４７】
そして、第２のレジスト層９０をマスクにしながらn型半導体層８８をドライエッチングすることにより、n型半導体層８８に複数の凹凸を形成する。そのドライエッチングで使用し得るエッチングガスとしては、例えば塩素ガスがある。
【０２４８】
その後に、第２のレジスト層９０を除去する。
【０２４９】
次に、図３８（ｂ）に示すように、n型半導体層８８の上に金属層を蒸着法で２００nm程度の厚さに形成し、その金属層を第２の回折格子６２とする。
【０２５０】
金属層の材料は特に限定されないが、この例では金とゲルマニウムとの合金層と金層とがこの順に積層された積層膜を金属層として形成する。
【０２５１】
第１実施形態と同様に、このように形成された第２の回折格子６２には、n型半導体層８８の凹凸を反映した複数の第２の溝６２ａが形成される。
【０２５２】
第２の溝６２ａの大きさは特に限定されないが、その深さZ2は例えば０．４５μmとし得る。また、第２の溝６２ａの幅W2は０．５μm程度であり、隣接する第２の溝６２ａの間隔P2は、例えば０．５μmである。
【０２５３】
なお、第２の回折格子６２は、光電変換層８３で発生した光電流を取り出すための裏面電極としての機能も兼ねる。
【０２５４】
図４０は、第２の回折格子６２の斜視図である。
【０２５５】
図４０に示すように、第２の溝６２ａは、第１実施形態と同様に第１の方向D1に直交する第２の方向D2に沿って延びる。
【０２５６】
以上により、本実施形態に係る光検知器８９（図３８（ｂ）参照）の基本構造が完成する。
【０２５７】
次に、この光検知器８９の動作について説明する。
【０２５８】
図４１は、光検知器８９の動作について説明するための模式断面図である。
【０２５９】
この光検知器８９は、前述のように太陽電池であって、p型半導体層８２を介して光Lが入射する。そして、その光Lによってp型半導体層８２とn型半導体基板８１との間のpn接合で光電流が発生し、表面電極８４や第２の回折格子６２からその光電流が取り出される。
【０２６０】
また、光検知器８９に入射した光Lは、その偏光状態に応じて第１の回折格子４９と第２の回折格子６２のいずれか一方で回折する。
【０２６１】
本実施形態では、図３９に示したように、第２実施形態と同様に金属線５１が延びる方向を第１の方向D1にしたため、第２実施形態と同じ理由によって光Lの偏光状態の如何を問わずに各回折格子４９、６２で発生した回折光LdはTE波となる。
【０２６２】
TE波は、前述のようにTM波よりも光電変換層８３等の結晶層内に留まり易く光路長が長い。よって、p型半導体層８２とn型半導体基板８１との間のpn接合がそのTM波に曝される機会が多くなり、光検知器８９における光電変換効率を高めることが可能となる。
【０２６３】
（第４実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と第２実施形態で説明した各光検知器を利用した撮像装置について説明する。
【０２６４】
図４２は、本実施形態に係る撮像装置の構成図である。
【０２６５】
図４２に示すように、この撮像装置１００は、筐体１０１とその中に収容された撮像ユニット１０２とを有する。
【０２６６】
このうち、筐体１０１には被写体を撮像するための撮像レンズ１０３が固定されており、その撮像レンズ１０３の後段に撮像ユニット１０２が設けられる。
【０２６７】
撮像ユニット１０２は、撮像レンズ１０３の焦点面に結像した被写体の光学像を電気信号に変換するユニットであって、ハウジング１０６とその前面に固定された光学窓１０７とを有する。
【０２６８】
光学窓１０７は、撮像レンズ１０３が集光した光を透過する平板である。
【０２６９】
また、ハウジング１０６には、被写体の光学像を取得する撮像素子１１０として、第１実施形態に係る光検知器６８と第２実施形態に係る光検知器８０のいずれかが収容される。
【０２７０】
その撮像素子１１０は、波長が３μm〜１０μm程度の中〜長波長の赤外線を受光し、その赤外線の強度に応じた光電流を画素ごとに出力する素子であり、ノイズの発生を防ぐためにペルチェ素子等の冷却器１１１により冷却される。
【０２７１】
なお、このように冷却したときに光学窓１０７や撮像素子１１０の表面に結露が発生しないようにするために、ハウジング１０６の内部は真空排気されている。
【０２７２】
更に、ハウジング１０６の内部には、撮像素子１１０の光電流を画素ごとに読み出してそれを光信号S1として出力する読み出し回路１１２も設けられる。
【０２７３】
図４３は、撮像素子１１０の斜視図である。
【０２７４】
図４３に示すように、撮像素子１１０は、平面内において画素６７がアレイ状に配列されたFPAである。
【０２７５】
そして、その撮像素子１１０は、インジウムバンプ６９を介して回路基板１１３に接続されており、回路基板１１３に設けられた読み出し回路１１２と電気的に接続される。
【０２７６】
図４４は、この撮像装置１００の機能ブロック図である。
【０２７７】
図４４に示すように、読み出し回路１１２の後段には、信号処理部１１５と記憶部１１６が設けられる。
【０２７８】
このうち、読み出し回路１１２は、前述のように撮像素子１１０から出力された光電流S0を画素ごとに読み出し、その光電流S0の大きさを示す光信号S1を出力する。
【０２７９】
そして、信号処理部１１５は、その光信号S1に対して画素６７（図４０参照）ごとに感度補正等の補正を行い、その補正を加味した画像信号S2を出力する。
【０２８０】
また、記憶部１１６は、補正を行うための補正係数を記憶する。例えば、感度補正を行う場合には、各々の画素６７の感度のばらつきを相殺するための補正係数を記憶部１１６が記憶し、信号処理部１１５が記憶部１１６からその補正係数を読み出す。そして、信号処理部１１５がその補正係数に光信号S1を乗じることにより画像信号S2を出力する。
【０２８１】
以上説明した本実施形態によれば、撮像素子１１０として第１実施形態に係る光検知器６８と第２実施形態に係る光検知器８０のいずれかを用いる。これらの光検知器６８、８０は、前述のように第１の回折格子４９と第２の回折格子６２によって光電変換効率が高められているため、撮像素子１１０で被写体を高感度に撮像することができる。
【０２８２】
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０２８３】
（付記１）  光が入射する第１の主面と、前記第１の主面に相対する第２の主面とを有し、前記光に対して光電変換を行う光電変換層と、
前記第２の主面側に形成され、第１の方向にストライプ状に延びる第１の面と、前記第１の面と高低差があり、かつ前記第１の方向にストライプ状に延びる第２の面とが交互に複数設けられた第１の回折格子と、
前記第１の面と前記第２の面の各々に間隔をおいて複数設けられ、かつ、前記第１の方向と、前記第１の方向に直交する第２の方向のいずれかに沿って延びる金属線と、
前記第１の回折格子の上に形成され、前記第２の方向に延びる複数の溝が間隔をおいて形成された第２の回折格子と、
を有する光検知器。
【０２８４】
（付記２）  前記光電変換層は、交互に積層された量子井戸層と障壁層とを有し、
前記金属線は、前記第２の方向に沿って延びることを特徴とする付記１に記載の光検知器。
【０２８５】
（付記３）  前記光電変換層は、交互に積層された量子ドットと中間層とを有し、
前記金属線は、前記第１の方向に沿って延びることを特徴とする付記１に記載の光検知器。
【０２８６】
（付記４）  前記光電変換層の前記第２の主面の上に形成され、前記第１の面と前記第２の面とを備えた第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に形成された第２の半導体層とを有し、
前記第２の回折格子が前記第２の半導体層の上に形成されたことを特徴とする付記２又は付記３に記載の光検知器。
【０２８７】
（付記５）  前記金属線の上に形成された酸化シリコン層を更に有し、
前記第２の半導体層が前記酸化シリコン層の上に形成されたことを特徴とする付記４に記載の光検知器。
【０２８８】
（付記６）  前記光電変換層は、第１の導電型の半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された第２の導電型の半導体層とを有し、
前記金属線は、前記第１の方向に沿って延びることを特徴とする付記１に記載の光検知器。
【０２８９】
（付記７）  平面内にアレイ状に配列され、受光した光の強度に応じた光電流を出力する複数の画素と、
前記光電流を読み出す読み出し回路とを有し、
前記画素は、
前記光が入射する第１の主面と、前記第１の主面に相対する第２の主面とを有し、前記光に対して光電変換を行う光電変換層と、
前記第２の主面側に形成され、第１の方向にストライプ状に延びる第１の面と、前記第１の面と高低差があり、かつ前記第１の方向にストライプ状に延びる第２の面とが交互に複数設けられた第１の回折格子と、
前記第１の面と前記第２の面の各々に間隔をおいて複数設けられ、かつ、前記第１の方向と、前記第１の方向に直交する第２の方向のいずれかに沿って延びる金属線と、
前記第１の回折格子の上に形成され、前記第２の方向に延びる複数の溝が間隔をおいて形成された第２の回折格子と、
を有することを特徴とする撮像装置。
【符号の説明】
【０２９０】
１…QWIP、２、２２、４０…基板、３、２３、４４、７３、８３…光電変換層、４、４２…障壁層、５、４３…量子井戸層、６、２６…オーミックコンタクト層、７、２７…回折格子、７ａ、２７ａ…溝、９、２９…電極層、１０…電流計、２４…中間層、２５…量子ドット、２１…QDIP、３０…結晶層、４４ａ、７３ａ、８３ａ…第１の主面、４４ｂ、７３ｂ、８３ｂ…第２の主面、４５…第１の半導体層、４５ａ…第１の溝、４５ｂ…底面、４５ｘ…表面、４７…第１のレジスト層、４９…第１の回折格子、５１…金属線、５２…酸化シリコン層、５３…第２の半導体層、５７…第２のオーミックコンタクト層、５９…第２のレジスト層、６０…第３のレジスト層、６１…ホール、６２…第２の回折格子、６２ａ…第２の溝、６３…電極層、６５…第４のレジスト層、６６…素子分離溝、６７…画素、６８、８０、８９…光検知器、６９…インジウムバンプ、７１…中間層、７２…量子ドット、８１…n型半導体基板、８１ａ…第１の溝、８１ｘ…表面、８２…p型半導体層、８４…表面電極、８５…金属層、８６…n型半導体層、８６ａ…第２の溝、８６ｘ…下面、８６ｙ…上面、８７ａ…第１の面、８７ｂ…第２の面、８８…n型半導体層、９０…第２のレジスト層、１００…撮像装置、１０１…筐体、１０２…撮像ユニット、１０３…撮像レンズ、１０６…ハウジング、１０７…光学窓、１１０…撮像素子、１１１…冷却器、１１２…読み出し回路、１１３…回路基板、１１５…信号処理部、１１６…記憶部。
【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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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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