(57)【要約】      （修正有）【課題】安価で近赤外光を十分な感度で検出できる光検出素子を提供する。【解決手段】光検出素子は、凸部１３及び凹部１２によって構成され、光を表面プラズモンに変換する周期的ナノ凹凸構造１１を表面２ａ側に有する半導体層２と、周期的ナノ凹凸構造１１に対応して半導体層２の表面２ａ側に設けられ、半導体層２との間でショットキー接合を形成する金属膜１４と、を備え、半導体層２は、導電型がｎ型のシリコン（Ｓｉ）によって構成されると共に、半導体層２の裏面側が光の入射面となっており、金属膜１４は、ニッケル（Ｎｉ）を含む材料によって構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凸部及び凹部によって構成され、光を表面プラズモンに変換する凹凸構造を一面側に有する半導体層と、
前記凹凸構造に対応して前記半導体層の一面側に設けられ、前記半導体層との間でショットキー接合を形成する金属膜と、を備え、
前記半導体層は、導電型がｎ型のシリコンによって構成されると共に、前記半導体層の他面側が光の入射面となっており、
前記金属膜は、ニッケルを含む材料によって構成されている、光検出素子。
【請求項２】
前記凹凸構造は、前記凸部及び前記凹部を周期的に有する周期的凹凸構造である、請求項１に記載の光検出素子。
【請求項３】
前記凹凸構造は、前記凸部及び前記凹部がナノオーダーで形成された周期的ナノ凹凸構造である、請求項２に記載の光検出素子。
【請求項４】
前記金属膜は、前記凹凸構造の全体を覆うように前記半導体層の一面側に設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光検出素子。
【請求項５】
前記凸部の頂面には、絶縁膜が設けられ、
前記金属膜は、前記凹部の底面及び内壁面を覆う第１の部分と、前記絶縁膜を覆う第２の部分とを有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光検出素子。
【請求項６】
前記絶縁膜の厚さは、前記凸部の高さ以下となっている、請求項５に記載の光検出素子。
【請求項７】
前記絶縁膜の屈折率は、前記半導体層の屈折率よりも小さくなっている、請求項５又は６に記載の光検出素子。
【請求項８】
前記金属膜は、ニッケルによって構成された前記半導体層上の第１の膜と、前記第１の膜よりも屈折率が小さい材料によって前記第１の膜を覆うように設けられた第２の膜とを含んで構成されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光検出素子。
【請求項９】
前記金属膜の厚さは、２０ｎｍ以上となっている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光検出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光検出の分野では、近赤外光の検出を安価に実施できる技術の需要が高まってきている。近赤外光の検出は、例えば自動車の自動運転技術への応用などが期待されている。近赤外光の検出が可能な従来の光検出素子としては、例えばＩＩ族〜ＶＩ族の元素を含む化合物半導体を用いた光検出素子が挙げられるが、化合物半導体を用いた光検出素子は製造工程が複雑で高価であった。また、一般的なｐｎ接合型の光検出素子では、シリコンのバンドギャップよりも長い波長（１１００ｎｍ以上）の光の検出が困難であり、ブラックシリコンを用いた光検出素子であっても長波長側の検出限界は１２００ｎｍ程度であった。
【０００３】
一方、ショットキー接合を用いたショットキー型の光検出素子では、金属膜の内部での光吸収により自由電子が励起され、生成された励起電子（ホットキャリア）がショットキー障壁を超えて半導体側に光電流として流れる。長波長側の検出限界は、ショットキー障壁の高さによって決まるため、シリコンのバンドギャップよりも長い波長の光の検出が可能となっている。このようなショットキー型の光検出素子としては、例えば特許文献１又は特許文献２に記載の光検出素子がある。これらの従来の光検出素子では、半導体層とショットキー接合する金属膜と、周期的な凹凸構造とが当該半導体層の表面側に設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５４３７４８６号公報
【特許文献２】特許第４７８９７５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したショットキー接合型の光検出素子の感度（光電流量）は、ホットキャリアの生成数、ホットキャリアがショットキー障壁に到達する確率、及びホットキャリアがショットキー障壁を超える確率の積で表される。ホットキャリアの生成数は、金属膜での光吸収量に依存するため、光検出素子の感度向上には、光吸収量を向上させることが有効となる。
【０００６】
一方、例えば特許文献１に記載された光検出素子のように、半導体層と周期的な凹凸構造（金属ナノ構造）との間に金属膜（導電層）が設けられており当該凹凸構造側から光を入射する場合、半導体層と金属膜とのショットキー接合面に光を多く入射させるために金属膜の厚さを薄くすることが考えられる。しかし、このように金属膜の厚さを薄くすると、断線又は高抵抗化といったリスクがある。したがって、このような場合、金属膜の内部での光吸収により生成されたホットキャリアがショットキー電極（第２電極）に到達する前に損失し、光検出素子の感度が低下するおそれがある。また、例えば特許文献２に記載された光検出素子では、半導体層（半導体受光層）がスパッタリング等の堆積法により成膜されているので、半導体層と金属膜とのショットキー接合面における品質の劣化を招くおそれがある。
【０００７】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、安価で近赤外光を十分な感度で検出できる光検出素子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】
【０００８】
出願人は、光検出素子の研究を重ねる過程で、より高感度な光検出素子を実現するために、半導体層の材料とショットキー電極の材料との組み合わせに着目をした。出願人は、半導体層として導電型がｎ型のシリコン（Ｓｉ）基板を用い、ショットキー電極としてチタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）電極を用い、オーミック電極としてニッケル（Ｎｉ）電極を用いた光検出素子を試作した。このように半導体層として導電型がｎ型のシリコン基板を用いる場合、半導体層として導電型がｐ型のシリコン基板を用いた場合と比べて、光検出素子の感度の向上が見込める。しかし、この光検出素子では、ｎ型のシリコン基板とＴｉ／Ａｕ電極とのショットキー接合が不安定となるという問題が生じた。ここで、出願人は、この問題の原因を探ったところ、ｎ型のシリコン基板とＴｉ／Ａｕ電極との間で形成されるダイオードの極性が反対となっており、オーミック電極として用いたニッケル電極とｎ型のシリコン基板との接合面がショットキー接合面として機能していることが分かった。そこで、出願人は、半導体層としてｎ型のシリコン基板を用い、ショットキー電極としてニッケル電極を用いた光検出素子を試作し、この光検出素子の感度を確認した。その結果、この光検出素子では、半導体層としてｐ型のシリコン基板を用い、ショットキー電極としてＴｉ／Ａｕ電極を用いた場合と比べて、光検出素子の感度が大幅に向上するという知見が得られた。
【０００９】
本発明の一側面に係る光検出素子は、凸部及び凹部によって構成され、光を表面プラズモンに変換する凹凸構造を一面側に有する半導体層と、凹凸構造に対応して半導体層の一面側に設けられ、半導体層との間でショットキー接合を形成する金属膜と、を備え、半導体層は、導電型がｎ型のシリコンによって構成されると共に、半導体層の他面側が光の入射面となっており、金属膜は、ニッケルを含む材料によって構成されている。
【００１０】
この光検出素子では、導電型がｎ型のシリコンによって半導体層が構成されており、半導体層との間でショットキー接合を形成する金属膜がニッケルによって構成されている。このような構成を有する光検出素子によれば、導電型がｐ型のシリコンによって半導体層が構成され、Ｔｉ／Ａｕ電極によってショットキー電極が構成される光検出素子と比べて、光検出素子の感度が大幅に向上することが上記知見より得られている。したがって、上述した構成によれば、近赤外光を十分な感度で検出できる光検出素子が得られる。また、半導体層がシリコンによって構成されることで、光検出素子を安価に製造できる。また、この光検出素子では、半導体層の他面側が光の入射面となっており、半導体層の一面側にショットキー電極を構成する金属膜が設けられている。このため、入射面から入射した光は、金属膜によって遮られることなく、半導体層と金属膜とのショットキー接合面に到達する。したがって、このショットキー接合面に光を多く入射させるために金属膜の厚さを過剰に薄くする必要がないので、断線又は高抵抗化といったリスクを回避することができる。
【００１１】
また、凹凸構造は、凸部及び凹部を周期的に有する周期的凹凸構造であってもよい。この場合、入射した光に対する金属膜の表面積を拡大することができるので、光検出素子の感度の向上を図ることができる。
【００１２】
また、凹凸構造は、凸部及び凹部がナノオーダーで形成された周期的ナノ凹凸構造であってもよい。この場合、入射した光に対する金属膜の表面積を更に拡大することができるので、光検出素子の感度の更なる向上を図ることができる。
【００１３】
また、金属膜は、凹凸構造の全体を覆うように半導体層の一面側に設けられていてもよい。この場合、半導体層と金属膜とのショットキー接合面を更に拡大することができるので、光検出素子の感度の更なる向上を図ることができる。
【００１４】
また、凸部の頂面には、絶縁膜が設けられ、金属膜は、凹部の底面及び内壁面を覆う第１の部分と、絶縁膜を覆う第２の部分とを有してもよい。凹凸構造の凸部の先端（頂面）側に対応する領域に比べて凸部の基端側に対応する領域で多くの光吸収が生じている。そこで、光吸収の寄与が高い凹部の底面及び内壁面とショットキー接合する当該第１の部分を設ける一方、光吸収の寄与が低い凸部の頂面にショットキー接合しない絶縁膜を設けて半導体層と金属膜とのショットキー接合面積を削減することにより、暗電流を抑制しつつ、近赤外光を十分な感度で検出することができる。
【００１５】
また、絶縁膜の厚さは、凸部の高さ以下となっていてもよい。この場合、凸部の基端側付近の金属膜内で生成したホットキャリアが、凹部の底面に形成されるショットキー接合面だけではなく、凹部の内壁面のうち、半導体層領域に形成されるショットキー接合面にも到達することができる。したがって、光検出素子の感度の更なる向上が図られる。
【００１６】
また、絶縁膜の屈折率は、半導体層の屈折率よりも小さくなっていてもよい。この場合、金属膜の第１の部分に光を閉じ込め易くなり、光吸収効率を一層向上できる。
【００１７】
また、金属膜は、ニッケルによって構成された半導体層上の第１の膜と、第１の膜よりも屈折率が小さい材料によって第１の膜を覆うように設けられた第２の膜とを含んで構成されていてもよい。この場合、金属膜において半導体層との界面付近に光を閉じ込めることが可能となり、光吸収量を一層向上できる。
【００１８】
また、金属膜の厚さは、２０ｎｍ以上となっていてもよい。金属膜の厚さが２０ｎｍ以上である場合、金属膜における光の有効吸収量が最大化され、光検出素子の感度を向上できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、安価で近赤外光を十分な感度で検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】光検出素子の第１実施形態を示す断面図である。
【図２】図１に示した光検出素子における周期的凹凸構造の近傍における凹部の配置パターンを示す要部拡大平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】光検出素子の第２実施形態における周期的凹凸構造を示す要部拡大断面図である。
【図５】光検出素子の第３実施形態における周期的凹凸構造を示す要部拡大断面図である。
【図６】実施例に係る光検出素子の感度と、比較例に係る光検出素子の感度とを示すグラフである。
【図７】周期的凹凸構造の変形例を示す要部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る光検出素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
【００２２】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る光検出素子１を示す断面図である。この光検出素子１は、例えば波長１２００ｎｍ以上の近赤外光の検出に用いられるショットキー接合型の光検出素子として構成されている。光検出素子１は、同図に示すように、光検出素子１は、半導体層２と、絶縁膜３と、オーミック電極４と、ショットキー電極５とを備えている。
【００２３】
半導体層２は、導電型がｎ型のシリコン（Ｓｉ）によって形成される半導体層である。半導体層２は、表面２ａ（一面）、及び、表面２ａとは反対側に位置する裏面２ｂ（他面）を有している。光検出素子１は、裏面入射型の光検出素子であり、半導体層２の裏面２ｂが光検出素子１で検出する光Ｌの入射面Ｆとなっている。
【００２４】
絶縁膜３は、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）によって半導体層２の表面２ａに形成されている。絶縁膜３の厚さは、例えば１００ｎｍ程度となっている。絶縁膜３には、オーミック電極４と半導体層２とのオーミック接合を実現するための開口部３ａと、ショットキー電極５と半導体層２とのショットキー接合を実現するための開口部３ｂとが設けられている。絶縁膜３は、例えば化学気相成長法などを用いて形成される。開口部３ａ，３ｂの形成には、例えばフォトリソグラフィが用いられる。
【００２５】
オーミック電極４は、例えば金（Ａｕ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウム（Ｉｎ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）等を含む材料によって形成されている。オーミック電極４は、半導体層２の表面２ａにおいて絶縁膜３の開口部３ａを覆うように設けられ、開口部３ａの底面において半導体層２とオーミック接合している。ショットキー電極５は、ニッケル（Ｎｉ）によって形成されている。ショットキー電極５は、半導体層２の表面において絶縁膜３の開口部３ｂを覆うように設けられ、開口部３ｂの底面において半導体層２とショットキー接合している。オーミック電極４及びショットキー電極５は、例えば真空蒸着法などを用いて形成される。半導体層２の導電型はｎ型であるため、光検出素子１の動作時には、ショットキー電極５側の電位がオーミック電極４側の電位に比べて低くなるようにバイアス電圧が印加される。このとき、バイアス電圧をゼロとする場合もある。
【００２６】
また、半導体層２の表面２ａにおいて、絶縁膜３の開口部３ｂに対応する位置には、入射面Ｆから入射した光Ｌを表面プラズモンに変換する周期的ナノ凹凸構造１１が設けられている。図２は、周期的ナノ凹凸構造１１の近傍（図１における破線部分）の構成を示す要部拡大平面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。また、図２及び図３に示すように、周期的ナノ凹凸構造１１は、例えば入射面Ｆから入射する光Ｌのスポットサイズと同等以上の領域にナノオーダーで形成された凹部１２及び凸部１３を有している。凹部１２及び凸部１３による凹凸パターンは、例えば電子ビーム露光法、ナノインプリントによるリソグラフィと反応性イオンエッチング若しくはリフトオフとを組み合わせた方法、集束イオンビームを用いた直接加工法などによって形成される。
【００２７】
本実施形態では、周期的ナノ凹凸構造１１を構成する凹部１２は、図２に示すように、平面視でマトリクス状の配置パターンを有している。同図の例では、凹部１２の行方向の配列ピッチと列方向の配列ピッチとが一致した状態となっている。また、凹部１２は、円柱状をなしており、凹部１２の横断面形状は円形状、凹部１２の縦断面形状は長方形状（図３参照）となっている。このような配置パターンにより、図３に示すように、周期的ナノ凹凸構造１１は、入射面Ｆから入射した光Ｌに対する縦共振器Ｃ１及び横共振器Ｃ２を構成している。縦共振器Ｃ１は、凹凸の高さ方向に形成される共振器であり、凸部１３の底面と凸部１３の頂面とによって構成されている。また、横共振器Ｃ２は、凹凸の配列方向に形成される共振器であり、凹部１２の内壁面と隣り合う凹部１２の内壁面との同じ位置同士によって構成されている。
【００２８】
周期的ナノ凹凸構造１１における凸部１３の高さ（凹部１２の深さ）Ｔ、凸部１３の配列ピッチＰ、及び凹部の幅Ｄは、例えば縦共振器Ｃ１の共振波長と横共振器Ｃ２の共振波長とが揃うように設定されている。より具体的には、周期的ナノ凹凸構造１１で発生する表面プラズモンの波長をλｐとした場合に、凸部１３の高さＴは３／８λｐ＜Ｔ＜５／８λｐを満たし、凸部１３の配列ピッチＰは９／１０λｐ＜Ｐ＜１１／１０λｐを満たしている。また、凹部１２の幅（ここでは凹部１２の直径）Ｄは、５０ｎｍ＜Ｄ＜λｐ−５０ｎｍを満たしている。ただし、これらの範囲は一例であり、凸部１３の高さＴ、凸部１３の配列ピッチＰ、及び凹部の幅Ｄは、上記範囲外であってもよい。
【００２９】
ショットキー電極５を構成する金属膜１４は、図２に示すように、周期的ナノ凹凸構造１１の全体を覆うように半導体層２の表面２ａ側に設けられている。金属膜１４は、具体的には、周期的ナノ凹凸構造１１における凸部１３の頂面、凹部１２の底面、及び凹部１２の内壁面を覆っている。周期的ナノ凹凸構造１１において、半導体層２と金属膜１４とはショットキー接合されている。半導体層２のうちショットキー接合面の近傍には、金属膜１４とのショットキー接合に伴って空乏層が形成されている。入射面Ｆから入射した光Ｌは、縦共振器Ｃ１及び横共振器Ｃ２に閉じ込められ、金属膜１４の表面を伝搬する伝搬型の表面プラズモンに変換される。光Ｌの振動と表面プラズモンとが共鳴することにより、金属膜１４に光Ｌのエネルギーが吸収される。そして、金属膜１４の内部での光吸収により自由電子が励起され、生成されたホットキャリアがショットキー障壁を超えて半導体層２側に光電流として流れる。
【００３０】
本実施形態では、金属膜１４での光吸収の効率を向上させるため、金属膜１４の厚さは、２０ｎｍ以上となっている。ショットキー接合型の光検出素子の感度（光電流量）は、ホットキャリアの生成数、ホットキャリアがショットキー障壁に到達する確率、及びホットキャリアがショットキー障壁を超える確率の積で表される。ホットキャリアの生成数は、金属膜での光吸収量に依存するため、光検出素子の感度向上には、金属膜での光吸収量を向上させることが有効となる。
【００３１】
励起電子の生成位置からの輸送確率（距離ｒを進む確率）は、ｅｘｐ（−ｒ／Ｌ）で表される。Ｌは、金属膜の内部での平均自由行程であり、およそ３０ｎｍである。励起電子の生成位置から半導体層の界面までの最短距離をｚとすると、距離ｚは、励起電子の生成位置から半導体層の界面までを結ぶ垂線の距離となる。したがって、励起電子の進行方向と垂線との成す角度をθとすると、励起電子の輸送確率は、ｅｘｐ（−ｒ／Ｌｃｏｓθ）となる。電極膜の内部における励起電子の生成位置での光吸収量と輸送確率とを乗算し、更に電極膜の内部全体にわたって体積積分した積算値（以下、当該積算値を「有効吸収量」と称す）は、ショットキー接合型の光検出素子の感度に比例した値となる。
【００３２】
ここで、出願人は、光検出素子の研究を重ねる過程で、より高感度な光検出素子を実現するために、半導体層の材料とショットキー電極の材料との組み合わせに着目をした。出願人は、導電型がｎ型のシリコン（Ｓｉ）によって構成された半導体層と、チタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）によって構成されたショットキー電極と、ニッケル（Ｎｉ）によって構成されたオーミック電極とを用いた光検出素子を試作した。このように導電型がｎ型のシリコンによって構成された半導体層を用いる場合、ｐ型のシリコンによって構成された半導体層を用いる場合と比べて、光検出素子の感度の向上が見込める。
【００３３】
しかし、この光検出素子では、半導体層とショットキー電極とのショットキー接合が不安定となるという問題が生じた。ここで、出願人は、この問題の原因を探ったところ、半導体層とショットキー電極との間で形成されるダイオードの極性が反対となっており、半導体層とオーミック電極との接合面がショットキー接合面として機能していることが分かった。そこで、出願人は、ｎ型のシリコンによって構成された半導体層と、ニッケルによって構成されたショットキー電極とを用いた光検出素子を試作し、この光検出素子の感度を確認した。その結果、この光検出素子では、ｐ型のシリコンによって構成された半導体層と、Ｔｉ／Ａｕによって構成されたショットキー電極とを用いた場合と比べて、光検出素子の感度が大幅に向上するという知見が得られた。この光検出素子の感度を測定した結果については、後述する。
【００３４】
本実施形態に係る光検出素子１では、導電型がｎ型のシリコンによって半導体層２が構成されており、ショットキー電極５を構成する金属膜１４がニッケルによって構成されているので、導電型がｐ型のシリコンによって半導体層が構成され、Ｔｉ／Ａｕ電極によってショットキー電極が構成される光検出素子と比べて、光検出素子１の感度が大幅に向上することが上記知見より得られている。したがって、上述した構成によれば、近赤外光を十分な感度で検出できる光検出素子１が得られる。
【００３５】
また、半導体層２がシリコンによって構成されることで、光検出素子１を安価に製造できる。また、この光検出素子１では、半導体層２の裏面２ｂ側が光Ｌの入射面Ｆとなっており、半導体層２の表面２ａ側にショットキー電極５を構成する金属膜１４が設けられている。このため、入射面Ｆから入射した光Ｌは、金属膜１４によって遮られることなく、半導体層２と金属膜１４とのショットキー接合面に到達する。したがって、このショットキー接合面に光Ｌを多く入射させるために金属膜１４の厚さを過剰に薄くする必要がないので、断線又は高抵抗化といったリスクを回避することができる。
【００３６】
また、本実施形態では、周期的ナノ凹凸構造１１は、凸部１３及び凹部１２を周期的に有する周期的凹凸構造である。この場合、入射した光Ｌに対する金属膜１４の表面積を拡大することができるので、光検出素子１の感度の向上を図ることができる。
【００３７】
また、本実施形態では、周期的ナノ凹凸構造１１は、凸部１３及び凹部１２がナノオーダーで形成された周期的ナノ凹凸構造である。この場合、入射した光Ｌに対する金属膜１４の表面積を更に拡大することができるので、光検出素子１の感度の更なる向上を図ることができる。
【００３８】
また、本実施形態では、金属膜１４は、周期的ナノ凹凸構造１１の全体を覆うように半導体層２の表面２ａ側に設けられている。この場合、半導体層２と金属膜１４とのショットキー接合面を更に拡大することができるので、光検出素子１の感度の更なる向上を図ることができる。
【００３９】
また、本実施形態では、金属膜１４の厚さが２０ｎｍ以上となっている。金属膜１４の厚さが２０ｎｍ以上である場合、金属膜１４における光Ｌの有効吸収量が最大化され、光検出素子１の感度を向上できる。
【００４０】
また、本実施形態では、周期的ナノ凹凸構造１１における凹部１２は、平面視でマトリクス状の配置パターンを有しており、凹部１２の横断面形状は、円形状となっている（図２参照）。このように、マトリクス状の配置パターンを採用する場合、いずれの偏光方向の光Ｌも等しく表面プラズモンに変換される。したがって、偏光方向に依存しない光検出が可能となる。また、凹部１２の横断面形状として円形状を採用する場合、周期的ナノ凹凸構造１１の周期性を光Ｌが感ずる面積が狭くなるために、広い波長範囲において表面プラズモンに変換される。したがって、広い波長範囲について光検出が可能となる。
【００４１】
［第２実施形態］
図４は、第２実施形態の周期的ナノ凹凸構造１１Ａの近傍の構成を示す要部拡大断面図である。本実施形態は、凸部１３の頂面に絶縁膜１５が設けられている点において、第１実施形態とは相違する。絶縁膜１５は、例えばフォトリソグラフィを用いて凸部１３の頂面のみにパターニングされている。絶縁膜１５の厚さは、例えば１０ｎｍ〜１５０ｎｍであり、かつ凸部１３の高さＴ以下となっている。絶縁膜１５の厚さは、絶縁膜３の厚さと等しくなっていてもよい。光Ｌに対する絶縁膜１５の屈折率は、光Ｌに対する半導体層２の屈折率よりも小さくなっていることが好ましい。
【００４２】
本実施形態では、絶縁膜１５は、絶縁膜３と同様に、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）によって形成され、周期的ナノ凹凸構造１１Ａの作製の際にマスクとして用いる絶縁膜が絶縁膜１５としてそのまま利用されている。絶縁膜１５の他の構成材料としては、例えばフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などが挙げられる。
【００４３】
ショットキー電極５を構成する金属膜１４は、図４に示すように、周期的ナノ凹凸構造１１Ａ及び絶縁膜１５を覆うように形成されている。金属膜１４は、周期的ナノ凹凸構造１１Ａにおける凸部１３の頂面、凹部１２の底面、凹部１２の内壁面を覆う第１の部分１４Ａと、凸部１３の頂面に設けられた絶縁膜１５を覆う第２の部分１４Ｂとを有している。そして、凸部１３の基端側において、凹部１２の底面及び凹部１２の内壁面が金属膜１４の第１の部分１４Ａとの間でショットキー接合部Ｓ１を構成しており、凸部１３の先端側において、凸部１３の頂面に設けられた絶縁膜１５が金属膜１４の第２の部分１４Ｂとの間で非ショットキー接合部Ｓ２を構成している。
【００４４】
光検出素子の代表的な特性として、感度のほかに暗電流が挙げられる。暗電流は、光検出素子に光が入射しない状態において流れる電流である。暗電流は、低照度領域での光の検出限界に影響するため、光検出素子の特性としては、暗電流が極力小さいことが望ましい。光検出素子において、周期的な凹凸構造を覆うように金属膜を設ける場合、凹部の底面、凹部の内壁面、及び凸部の頂面に半導体層と金属膜との接合面が形成される。このため、実効的な受光面積である凸部の頂面及び凹部の底面の面積に比べて半導体層と金属膜とのショットキー接合面積が大きなものとなり、暗電流が増加してしまうことが考えられる。
【００４５】
ここで、出願人は、光検出素子の研究を重ねる過程で、光吸収量の多い領域で半導体層と金属膜とをショットキー接合させ、光吸収量の低い領域で半導体層と金属膜とをショットキー接合させないことで、光検出素子の感度を維持しつつ、暗電流を抑制できるとの知見を得た。
【００４６】
本実施形態では、周期的ナノ凹凸構造１１Ａを構成する凸部１３の基端側に局所的にショットキー接合部Ｓ１が設けられ、凸部１３の先端側には非ショットキー接合部Ｓ２が設けられている。上述したように、周期的ナノ凹凸構造１１Ａの凸部１３の先端側に対応する領域に比べて、凸部１３の基端側に対応する領域では、より多くの光吸収が生じている。したがって、光吸収の寄与が高い領域にショットキー接合部Ｓ１を設ける一方、光吸収の寄与が低い領域に非ショットキー接合部Ｓ２を設けて半導体層２と金属膜１４とのショットキー接合面積を削減することにより、暗電流を抑制しつつ、近赤外光を十分な感度で検出することができる。
【００４７】
また、凸部１３の頂面に絶縁膜１５による非ショットキー接合部Ｓ２が位置するため、金属膜１４の面積を拡大したとしても半導体層２と金属膜１４とのショットキー接合面積の増加を回避でき、金属膜１４の設計自由度を十分に確保できる。また、凸部１３の頂面に金属膜１４の第２の部分１４Ｂが位置するため、第２の部分１４Ｂでの光の反射によって金属膜１４の第１の部分１４Ａでの光吸収効率を向上できる。さらに、周期的ナノ凹凸構造１１Ａの作製の際にマスクとして用いる絶縁膜を絶縁膜１５としてそのまま利用できるので、製造工程の簡単化が図られる。
【００４８】
また、本実施形態では、絶縁膜１５の厚さが凸部１３の高さＴ以下となっている。これにより、凸部１３の基端側付近の金属膜１４内で生成したホットキャリアが、凹部１２の底面におけるショットキー接合部Ｓ１だけではなく、凹部１２の内壁面のうち、半導体層領域におけるショットキー接合部Ｓ１にも到達することができる。したがって、光検出素子１の感度の更なる向上が図られる。
【００４９】
また、本実施形態では、絶縁膜１５の屈折率が半導体層２の屈折率よりも小さくなっている。これにより、金属膜１４の第１の部分１４Ａに光を閉じ込め易くなり、光吸収効率を一層向上できる。
【００５０】
［第３実施形態］
図５は、第３実施形態の周期的ナノ凹凸構造１１Ｂの近傍の構成を示す要部拡大断面図である。本実施形態は、金属膜１４が多層膜となっている点において、第１実施形態とは相違する。金属膜１４は、図５に示すように、半導体層２上に設けられる第１の膜１４Ｃと、第１の膜１４Ｃを覆うように設けられた第２の膜１４Ｄとを含む複数層の膜によって構成されている。
【００５１】
第１の膜１４Ｃは、周期的ナノ凹凸構造１１Ｂの形状に対応するように周期的ナノ凹凸構造１１Ｂの全体を覆っている。すなわち、金属膜１４は、周期的ナノ凹凸構造１１Ｂにおける凸部１３の頂面、凹部１２の底面、及び凹部１２の内壁面を覆っている。第２の膜１４Ｄは、第１の膜１４Ｃを介して周期的ナノ凹凸構造１１Ｂ上に設けられている。
【００５２】
第１の膜１４Ｃは、ニッケル（Ｎｉ）によって構成されており、第２の膜１４Ｄは、第１の膜１４Ｃよりも屈折率が小さい材料によって構成されている。第２の膜１４Ｄの材料としては、例えば、金（Ａｕ）、又はアルミニウム（Ａｌ）等が挙げられる。このような構成によれば、金属膜１４において半導体層２０との界面付近に光を閉じ込めることが可能となり、光吸収量を一層向上できる。
【００５３】
［実施例］
実施例及び比較例として、それぞれの光検出素子の感度を測定した。実施例１は、第１実施形態に対応する。すなわち、実施例１では、半導体層は、ｎ型のシリコン（Ｓｉ）によって構成されており、ショットキー電極を構成する金属膜は、ニッケル（Ｎｉ）によって構成されている。実施例１において、周期的凹凸構造の凸部の高さ（凹部の深さ）を５０ｎｍとし、凹部の配列ピッチを４２５ｎｍとし、凹部の幅（直径）を１４０ｎｍとした。
【００５４】
実施例２は、第２実施形態に対応する。すなわち、実施例２では、半導体層は、ｎ型のシリコンによって構成されており、ショットキー電極を構成する金属膜は、ニッケルによって構成されており、凸部の頂面に絶縁膜が設けられている。実施例２において、周期的凹凸構造の凸部の高さ（凹部の深さ）を５０ｎｍとし、凹部の配列ピッチを４００ｎｍとし、凹部の幅（直径）を１６０ｎｍとした。また、絶縁膜の厚さを３０ｎｍとした。
【００５５】
実施例３は、第３実施形態に対応する。すなわち、実施例３では、半導体層は、ｎ型のシリコンによって構成されており、ショットキー電極を構成する金属膜は、ニッケルによって構成されており、金属膜は第１の膜と第２の膜とを含む複数層の膜によって構成されている。実施例３において、周期的凹凸構造の凸部の高さ（凹部１２の深さ）を５０ｎｍとし、凹部の配列ピッチを４２５ｎｍとし、凹部の幅（直径）を１４０ｎｍとした。また、第１の膜の厚さを１０ｎｍとし、第２の膜の厚さを７０ｎｍとした。
【００５６】
比較例は、半導体層がｐ型のシリコンによって形成されており、ショットキー電極を構成する金属膜がチタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）によって形成されている点で、実施例１とは相違しているが、その他の構成は実施例１と同じである。
【００５７】
図６は、以上の実施例１〜実施例３に係る光検出素子の感度と、比較例に係る光検出素子の感度とを示すグラフである。同図では、横軸に波長を示し、縦軸に感度を対数で示している。横軸の波長範囲は、１１００ｎｍ〜１７００ｎｍであり、縦軸の感度は基準化したものとなっている。同図において、グラフＧ１１は、比較例の結果を示しており、グラフＧ１２は、実施例１の結果を示しており、グラフＧ１３は、実施例２の結果を示しており、グラフＧ１２は、実施例３の結果を示している。
【００５８】
図６に示されるように、ｐ型のシリコンによる半導体層と、Ｔｉ／Ａｕによる金属膜とを用いた比較例（グラフＧ１１参照）と比べて、ｎ型のシリコンによる半導体層と、ニッケルによる金属膜とを用いた実施例１（グラフＧ１２参照）では、波長１１５０ｎｍ以上の光に対する感度が１桁近く高い値になっていることが分かる。また、実施例３（グラフＧ１４参照）では、実施例１及び実施例２（グラフＧ１２及びグラフＧ１３参照）に比べて、各波長の光に対する感度が高くなっていることが分かる。これは、実施例３において、金属膜が第１の膜と第２の膜とを含む複数層の膜によって構成されることで、前述したように、光吸収量を一層向上できたためと考えられる。
【００５９】
［変形例］
図７は、周期的ナノ凹凸構造１１Ｃの変形例を示す要部拡大断面図である。本変形例は、第２実施形態を第３実施形態に組み合わせた構成を例示する。すなわち、本変形例では、周期的ナノ凹凸構造１１Ｃにおける凸部１３の頂面に絶縁膜１５が設けられると共に、周期的ナノ凹凸構造１１Ｃを覆う金属膜１４が多層膜となっている。前述したように、絶縁膜１５は、例えばフォトリソグラフィを用いて凸部１３の頂面のみにパターニングされており、絶縁膜１５の厚さは、例えば１０ｎｍ〜１５０ｎｍであり、かつ凸部１３の高さＴ以下となっている。
【００６０】
ショットキー電極５を構成する金属膜１４は、図７に示すように、周期的ナノ凹凸構造１１における凸部１３の頂面、凹部１２の底面、凹部１２の内壁面を覆う第１の部分１４Ａと、凸部１３の頂面に設けられた絶縁膜１５を覆う第２の部分１４Ｂとを有している。そして、凸部１３の基端側において、凹部１２の底面及び凹部１２の内壁面が金属膜１４の第１の部分１４Ａとの間でショットキー接合部Ｓ１を構成しており、凸部１３の先端側において、凸部１３の頂面に設けられた絶縁膜１５が金属膜１４の第２の部分１４Ｂとの間で非ショットキー接合部Ｓ２を構成している。
【００６１】
また、金属膜１４は、半導体層２上に設けられる第１の膜１４Ｃと、第１の膜１４Ｃを覆うように設けられた第２の膜１４Ｄとを含む複数層の膜によって構成される多層膜となっている。前述したように、第１の膜１４Ｃは、ニッケル（Ｎｉ）によって構成されており、第２の膜１４Ｄは、第１の膜１４Ｃよりも屈折率が小さい材料によって構成されている。
【００６２】
本変形例によれば、光吸収の寄与が高い領域にショットキー接合部Ｓ１を設ける一方、光吸収の寄与が低い領域に非ショットキー接合部Ｓ２を設けて半導体層２と金属膜１４とのショットキー接合面積を削減することにより、暗電流を抑制しつつ、近赤外光を十分な感度で検出できる。また、金属膜１４の第２の膜１４Ｄが第１の膜１４Ｃよりも屈折率が小さい材料によって構成されることにより光吸収量を一層向上できる。
【００６３】
本発明は、上記の各実施形態、各実施例、及び変形例に限られるものではない。例えば、周期的ナノ凹凸構造１１は、凹部１２及び凸部１３がナノオーダーで形成されたものでなくてもよい。すなわち、周期的ナノ凹凸構造１１は、単に周期的な凹部１２及び凸部１３を有する周期的凹凸構造であってもよい。さらに、周期的ナノ凹凸構造１１は、凹部１２及び凸部１３の配置に周期性を有しない凹凸構造であってもよい。
【００６４】
また、上記の各実施形態、各実施例、及び変形例では、半導体層２の表面２ａにオーミック電極４及びショットキー電極５が露出した状態となっているが、オーミック電極４及びショットキー電極５の表面に絶縁性の保護膜を形成してもよい。この場合、素子組立時の周期的ナノ凹凸構造１１の保護、及びオーミック電極４の短絡防止といった技術的効果が得られる。さらに、入射面Ｆには、反射防止膜を設けてもよい。これにより、光Ｌの入射効率を向上できる。
【００６５】
さらに、半導体層２を薄化し、検出領域を近赤外光〜可視光の範囲に拡大することも可能である。半導体層２の薄化に伴い、光検出素子１の小型化による応答速度の向上、入射面Ｆから入射した光Ｌの素子内での拡散距離が短くなることによる空間分解能の向上も図られる。半導体層２の薄化は、半導体層２の裏面２ｂの全体にわたってもよく、周期的ナノ凹凸構造１１に対応する領域のみを薄化してもよい。前者の場合には、半導体層２の裏面２ｂにガラス基板を設ける構成としてもよい。
【００６６】
更なる応用構造として、周期的ナノ凹凸構造１１において、マトリクス状に配置された凹部１２の行方向の配列ピッチと列方向の配列ピッチとを互いに異なるようにしてもよい。この場合、偏光方向の異なる２つの波長の光の検出が可能となる。また、半導体層２の表面２ａに周期的ナノ凹凸構造１１を複数設け、光検出素子１をアレイ化してもよい。この場合、周期的ナノ凹凸構造１１毎に凹部１２の配列ピッチを変えることで、複数の波長の検出が可能となり、光検出素子１を分光センサとして機能させることができる。
【００６７】
また、上記の各実施形態、各実施例、及び変形例では、周期的ナノ凹凸構造１１において横断面形状が円形状の凹部１２がマトリクス状に配置されているが、周期的ナノ凹凸構造１１の配置パターンはこれに限られるものではない。例えば凹部１２は、千鳥状の配置パターンを有していてもよい。また、例えば凹部１２の横断面形状は、矩形状、三角形状などの他の形状であってもよい。凹部１２の縦断面形状も、四角形状に限られず、台形状、三角形状などの他の形状であってもよい。凹部１２の底面は、平坦面に限られず、凹状に湾曲或いは球形となっていてもよい。凹部１２の横断面形状として矩形状を採用する場合、周期的ナノ凹凸構造１１の周期性を光Ｌが感ずる面積が広くなるために、特定の波長において強い表面プラズモンに変換される。したがって、特定の波長について高感度の光検出が可能となる。
【００６８】
また、周期的ナノ凹凸構造１１における凹部１２は、平面視でストライプ状の配置パターンを有していてもよい。ストライプ状の配置パターンを採用する場合、ストライプ状の配置パターンに対して電場ベクトルが直交する光Ｌのみが周期的ナノ凹凸構造１１において強い表面プラズモンに変換される。したがって、一つの偏光方向について高感度な光検出が可能となる。なお、図示しないが、周期的ナノ凹凸構造１１における凹部１２は、平面視で同心円状の配置パターンを有していてもよく、平面視で同心多角形状の配置パターンを有していてもよい。同心円状の配置パターンを採用する場合、いずれの偏光方向の光Ｌも等しく表面プラズモンに変換される。したがって、偏光方向に依存しない光検出が可能となる。例えば同心四角形状の配置パターンを採用する場合、同心四角形状の配置パターンの各辺に対して電場ベクトルが直交する光Ｌのみが周期的ナノ凹凸構造１１において強い表面プラズモンに変換される。したがって、二つの偏光方向について高感度な光検出が可能となる。
【００６９】
また、周期的ナノ凹凸構造１１における凹部１２は、平面視で同心円状の配置パターンを有していてもよい。同心円状の配置パターンを採用する場合、いずれの偏光方向の光Ｌも等しく表面プラズモンに変換される。したがって、偏光方向に依存しない光検出が可能となる。
【００７０】
さらに、周期的ナノ凹凸構造１１における凹部１２は、平面視で同心多角状の配置パターンを有していてもよい。同心多角形状の配置パターンを採用する場合、同心多角形状の配置パターンの各辺に対して電場ベクトルが直交する光Ｌのみが周期的ナノ凹凸構造１１において強い表面プラズモンに変換される。したがって、二つの偏光方向について高感度な光検出が可能となる。周期的ナノ凹凸構造１１における凹部１２の形状は、同心四角形状に限らず、同心三角形状、同心六角形状といった他の多角形状であってもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１…光検出素子、２…半導体層、４…オーミック電極、５…ショットキー電極、１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ…周期的ナノ凹凸構造、１４…金属膜、１４Ａ…第１の部分、１４Ｂ…第２の部分、１４Ｃ…第１の膜、１４Ｄ…第２の膜、１５…絶縁膜、Ｌ…光。
【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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