(57)【要約】      （修正有）【課題】高感度に入射光を検出する技術を提供する。【解決手段】トランジスタ型光検出器１は、半導体基板１０と、半導体基板１０上に設けられており、入射光が表面プラズモン共鳴するように構成されている周期構造体２２と、ドレイン電極２４と、ソース電極２６と、を備えている。半導体基板１０は、ドレイン電極２４とソース電極２６の間に存在するチャネル１２ａを有している。周期構造体２２は、表面プラズモン共鳴によって発生した電子が半導体基板１０内のチャネル１２ａに注入されるように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられており、入射光が表面プラズモン共鳴するように構成されている周期構造体と、
ドレイン電極と、
ソース電極と、を備えており、
前記半導体基板は、前記ドレイン電極と前記ソース電極の間に存在するチャネルを有しており、
前記周期構造体は、前記表面プラズモン共鳴によって発生した電子が前記半導体基板内の前記チャネルに注入されるように構成されている、トランジスタ型光検出器。
【請求項２】
前記半導体基板の表面上に設けられている絶縁層をさらに備えており、
前記ドレイン電極と前記ソース電極は、前記周期構造体を間に置いて対向する位置関係で前記半導体基板上に配置されており、
前記半導体基板は、
前記ドレイン電極に電気的に接続されている第１導電型のドレイン領域と、
前記ソース電極に電気的に接続されている第１導電型のソース領域と、
前記ドレイン領域と前記ソース領域を隔てる位置関係に配置されているチャネル領域を含む第２導電型のボディ領域と、を有しており、
前記絶縁層は、前記チャネル領域に接しており、
前記周期構造体は、前記表面プラズモン共鳴によって発生した電子が前記絶縁層をトンネルして前記チャネル領域に注入されるように構成されている、請求項１に記載のトランジスタ型光検出器。
【請求項３】
前記ドレイン電極と前記ソース電極は、前記周期構造体を間に置いて対向する位置関係で前記半導体基板上に配置されており、
前記半導体基板は、
第１半導体層と、
前記第１半導体層上に設けられており、前記第１半導体層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第２半導体層と、を有しており、
前記ドレイン電極は、前記第１半導体層と前記第２半導体層の接合面に生成される２次元電子ガス層に電気的に接続されており、
前記ソース電極も、前記第１半導体層と前記第２半導体層の接合面に生成される２次元電子ガス層に電気的に接続されており、
前記周期構造体は、前記表面プラズモン共鳴によって発生した電子が前記第２半導体層をトンネルして前記第１半導体層と前記第２半導体層の接合面に生成される２次元電子ガス層に注入されるように構成されている、請求項１に記載のトランジスタ型光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、表面プラズモン共鳴を利用するトランジスタ型光検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１及び特許文献２は、表面プラズモン共鳴を利用する光検出器を開示する。この光検出器は、半導体基板と、その半導体基板上に設けられている周期構造体と、を備えている。周期構造体は、周期的なパターンを有する金属で構成されており、入射光により表面プラズモン共鳴を起こさせるように構成されている。この光検出器は、周期構造体に入射光が入射すると、表面プラズモン共鳴が起こり、電場増強効果が現われる。この光検出器は、その電場増強効果により、多数の電子がショットキー障壁を超えて半導体基板内に注入するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−２２９７７９号公報
【特許文献２】特開２０１３−６９８９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１及び特許文献２の光検出器は、ショットキーダイオードを流れる光電流を計測して入射光を検出するように構成されている。このような光検出器では、より高感度に入射光を検出する技術が必要とされている。本明細書は、高感度に入射光を検出する技術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】
【０００５】
本明細書が開示するトランジスタ型光検出器は、半導体基板、周期構造体、ドレイン電極及びソース電極を備えることができる。周期構造体は、半導体基板上に設けられており、入射光が表面プラズモン共鳴するように構成されている。半導体基板は、ドレイン電極とソース電極の間に存在するチャネルを有している。周期構造体は、表面プラズモンによって高エネルギーとなった電子が半導体基板内のチャネルに注入されるように構成されている。このトランジスタ型光検出器は、トランジスタ動作を利用して光電流を計測するように構成されている。このため、トランジスタ型光検出器は、トランジスタの増幅作用によって高感度に入射光を検出することができる。
【０００６】
上記トランジスタ型光検出器の一実施形態は、半導体基板の表面上に設けられている絶縁層をさらに備えていてもよい。このトランジスタ型光検出器では、ドレイン電極とソース電極が、周期構造体を間に置いて対向する位置関係で半導体基板上に配置されていてもよい。この場合、半導体基板は、ドレイン電極に電気的に接続されている第１導電型のドレイン領域と、ソース電極に電気的に接続されている第１導電型のソース領域と、ドレイン領域とソース領域を隔てる位置関係に配置されているチャネル領域を含む第２導電型のボディ領域と、を有していてもよい。ボディ領域のチャネル領域がチャネルとして機能する。このトランジスタ型光検出器では、周期構造体が、表面プラズモン共鳴によって発生した電子が絶縁層をトンネルしてチャネル領域に注入されるように構成されている。このトランジスタ型光検出器は、ＭＯＳ型トランジスタ動作を利用して光電流を計測することができる。また、このトランジスタ光検出器は、絶縁層のトンネル効果を利用してチャネル領域内に注入された電子による光電流を計測するように構成されている。このため、このトランジスタ型光検出器では、リーク電流が抑えられているので、入射光を正確に検出することができる。
【０００７】
上記トランジスタ型光検出器の他の一実施形態では、ドレイン電極とソース電極が、周期構造体を間に置いて対向する位置関係で半導体基板上に配置されていてもよい。この場合、半導体基板は、第１半導体層と、第１半導体層上に設けられており、第１半導体層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第２半導体層と、を有していてもよい。ドレイン電極は、第１半導体層と第２半導体層の接合面に生成される２次元電子ガス層に電気的に接続されている。ソース電極も、第１半導体層と第２半導体層の接合面に生成される２次元電子ガス層に電気的に接続されている。２次元電子ガス層がチャネルとして機能する。このトランジスタ型光検出器では、周期構造体は、表面プラズモン共鳴によって発生した電子が第２半導体層をトンネルして第１半導体層と第２半導体層の接合面に生成される２次元電子ガス層に注入されるように構成されている。このトランジスタ型光検出器は、ＨＥＭＴ型トランジスタ動作を利用して光電流を計測することができる。また、このトランジスタ光検出器は、第２半導体層のトンネル効果を利用して２次元電子ガス層に注入された電子による光電流を計測するように構成されている。このため、このトランジスタ型光検出器では、リーク電流が抑えられているので、入射光を正確に検出することができる。さらに、このトランジスタ型光検出器は、２次元電子ガス層を流れる光電流を計測するように構成されている。このため、このトランジスタ型光検出器は、入射光を高速に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態のトランジスタ型光検出器の要部断面図を模式的に示しており、図３のI-I線に対応した要部断面図を示す。
【図２】第１実施形態のトランジスタ型光検出器の要部断面図を模式的に示しており、図３のII-II線に対応した要部断面図を示す。
【図３】第１実施形態のトランジスタ型光検出器の要部平面図を模式的に示しており、半導体基板上の周期構造体及び各電極のレイアウトを示す要部平面図を示す。
【図４Ａ】第１実施形態のトランジスタ型光検出器を製造する方法の一工程を示す。
【図４Ｂ】第１実施形態のトランジスタ型光検出器を製造する方法の一工程を示す。
【図４Ｃ】第１実施形態のトランジスタ型光検出器を製造する方法の一工程を示す。
【図４Ｄ】第１実施形態のトランジスタ型光検出器を製造する方法の一工程を示す。
【図５】第２実施形態のトランジスタ型光検出器の要部断面図を模式的に示す。
【図６Ａ】第２実施形態のトランジスタ型光検出器を製造する方法の一工程を示す。
【図６Ｂ】第２実施形態のトランジスタ型光検出器を製造する方法の一工程を示す。
【図６Ｃ】第２実施形態のトランジスタ型光検出器を製造する方法の一工程を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して各実施形態のトランジスタ型光検出器を説明する。なお、実質的に共通する構成要素については共通の符号を付し、その説明を省略することがある。
【００１０】
（第１実施形態）
図１〜図３に示されるように、トランジスタ型光検出器１は、半導体基板１０、周期構造体２２、ドレイン電極２４、ソース電極２６、ゲート電極２８、絶縁層３２及び層間絶縁膜３４を備えている。なお、図３は、半導体基板１０上に設けられている絶縁層３２及び層間絶縁膜３４を取り除き、周期構造体２２、ドレイン電極２４、ソース電極２６及びゲート電極２８のレイアウトを表すための平面図である。
【００１１】
図１及び図２に示されるように、半導体基板１０は、シリコン単結晶の半導体基板であり、ｎ型のボディ領域１２、ｐ型のドレイン領域１４及びｐ型のソース領域１６を有している。ボディ領域１２は、ドレイン領域１４及びソース領域１６を取り囲むように設けられている。ボディ領域１２は、半導体基板１０の表面に露出するチャネル領域１２ａを有しており、そのチャネル領域１２ａがドレイン領域１４とソース領域１６を隔てる位置関係に配置されているとともに絶縁層３２に接している。換言すると、ドレイン領域と１４とソース領域１６は、チャネル領域１２ａを間に置いて対向する位置関係に配置されている。ドレイン領域１４は、半導体基板１０の表層部に設けられており、半導体基板１０の表面上に設けられているドレイン電極２４にオーミック接触している。ソース領域１６も、半導体基板１０の表層部に設けられており、半導体基板１０の表面上に設けられているソース電極２６にオーミック接触している。ドレイン電極２４とソース電極２６は、周期構造体２２を間に置いて対向する位置関係で半導体基板１０の表面上に配置されている。
【００１２】
周期構造体２２は、半導体基板１０の表面上に設けられている絶縁層３２を介して半導体基板１０上に配設されており、半導体基板１０の表面に対して直交する方向から観測したときに（以下、「平面視したときに」という）、同心円状に形成された複数の金属配線２２ａを有している（図３参照）。これら金属配線２２ａは、径方向に沿って周期的に現れるパターンを有している。このような金属配線パターンは、ブルズアイ構造とも称される。なお、周期構造体２２は、ブルズアイ構造に限られず、他の様々な周期的なパターンで構成され得る。周期構造体２２の金属配線２２ａの材料は、例えばアルミニウム、銀又は金である。周期構造体２２の金属配線２２ａの幅２２Ｗａ及び径方向のピッチ幅２２Ｗｂは、測定対象の入射光に合わせて適宜調整される（図３参照）。この例では、トランジスタ型光検出器１は、波長が約１．６μｍの赤外光を測定対象としており、金属配線２２ａの幅Ｗ２２ａは約０．８〜１．６μｍであり、ピッチ幅２２Ｗｂは約０．８〜１．６μｍである。周期構造体２２の金属配線２２ａの各々は、周期パッド部２２ｂに電気的に接続されている（図３参照）。なお、この例では、周期構造体２２は、複数の金属配線２２ａによって構成されているが、この例に代えて、金属層の表面に金属配線２２ａに対応した凸部が形成されるように構成されていてもよい。
【００１３】
ゲート電極２８は、絶縁層３２の表面上に設けられており、周期構造体２２の中心部に配置されている。ゲート電極２８は、層間絶縁膜３４の表面上を伸びてゲートパッド部２８ａに電気的に接続されている（図３参照）。ゲート電極２８と周期構造体２２の金属配線２２ａは、層間絶縁膜３４によって絶縁されている。ゲート電極２８の材料は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）の透明導電膜である。ゲート電極２８の材料は、ｎ型シリコンであるチャネル領域１２ａにショットキー接触可能な材料であるのが望ましい。なお、この例のトランジスタ型光検出器１は、半導体基板１０の表面側から赤外光が入射するように構成されているが、この例に代えて、半導体基板１０の裏面側から赤外光が入射するように構成する場合、ゲート電極２８の材料は透明導電膜でなく、他の種類の導電膜であってもよい。例えば、ゲート電極２８の材料は、ｎ型シリコンであるチャネル領域１２ａにショットキー接触可能な金、ニッケル、銀又はチタンであってもよい。
【００１４】
絶縁層３２は、半導体基板１０の表面上に設けられており、ゲート電極２８と半導体基板１０を隔てるとともに、周期構造体２２と半導体基板１０も隔てている。絶縁層３２の材料は、例えば酸化シリコンである。絶縁層３２の厚みは、数ｎｍであり、例えば約１〜３ｎｍである。
【００１５】
次に、トランジスタ型光検出器１の動作を説明する。トランジスタ型光検出器１は、図示省略の制御回路からの制御信号に基づいて、ドレイン電極２４に正電圧（例えば、＋５Ｖ）が印加され、ボディ領域１２及びソース電極２６に接地電圧が印加され、ゲートパッド部２８ａに閾値電圧未満の正電圧又は負電圧（例えば、−１０Ｖ）が印加され、周期パッド部２２ｂに負電圧（例えば、−２０Ｖ）が印加されて用いられる。ゲート電極２８に閾値電圧未満の電圧が印加されているので、チャネル領域１２ａに反転層が形成されていない。この状態では、トランジスタ型光検出器１はオフであり、ドレイン電極２４とソース電極２６の間に電流が流れない。半導体基板１０の表面側に赤外光が入射すると、周期構造体２２は、入射してきた赤外光と表面プラズモン共鳴を起こす。表面プラズモン共鳴によって発生した電子は、周期構造体２２の中心側に向けて伝播する。表面プラズモン共鳴の電場増強効果により、周期構造体２２の中心部において多数の電子が集中する。電子密度は、赤外光の光強度に依存する。多数の電子が、強電界によって先鋭化した絶縁層３２の電子障壁をトンネルして半導体基板１０内のチャネル領域１２ａに注入される。これにより、チャネル領域１２ａに注入された電子によってドレイン領域１４とソース領域１６の間が導通し、トランジスタ型光検出器１がオンする。このように、トランジスタ型光検出器１は、ドレイン電極２４とソース電極２６の間を流れる電流値から赤外光の光強度を検出することができる。
【００１６】
上記したように、トランジスタ型光検出器１は、ＭＯＳ型トランジスタ動作を利用して光電流を計測するように構成されている。このため、トランジスタ型光検出器１は、トランジスタの増幅作用によって高感度に赤外光を検出することができる。また、トランジスタ型光検出器１では、絶縁層３２が電子障壁層として機能している。電子障壁層は、電子に対して高い電子障壁を形成することができるので、絶縁層３２を介して流れるリーク電流を抑えることができる。このため、トランジスタ型光検出器１は、赤外光を正確に検出することができる。また、トランジスタ型光検出器１では、ゲート電極２８に閾値未満の正電圧又は負電圧が印加されており、周期構造体２２よりも高い電圧である。これにより、ブルズアイ構造の周期構造体２２による電場増強効果がさらに促進され、赤外受光の超高感度化が可能となる。
【００１７】
次に、トランジスタ型光検出器１の製造方法を説明する。まず、図４Ａに示されるように、ｎ型のシリコン単結晶基板にｐ型不純物を導入してボディ領域１２、ドレイン領域１４及びソース領域１６を形成し、半導体基板１０を準備する。
【００１８】
次に、図４Ｂに示されるように、ＣＶＤ技術を利用して、半導体基板１０の表面の一部に絶縁層３２を形成する。
【００１９】
次に、図４Ｃに示されるように、スパッタ技術又はＣＶＤ技術を利用して、絶縁層３２の表面上に周期構造体２２を形成する。
【００２０】
次に、図４Ｄに示されるように、ＣＶＤ技術を利用して、層間絶縁膜３４を形成する。
【００２１】
最後に、スパッタ技術又はＣＶＤ技術を利用して、ドレイン電極２４、ソース電極２６及びゲート電極２８を形成し、トランジスタ型光検出器１が完成する。
【００２２】
（第２実施形態）
図５に示されるように、トランジスタ型光検出器２は、積層構造体の半導体基板１００を備えていることを特徴とする。半導体基板１００は、シリコン基板１０２、シリコン基板１０２の表面上に設けられているアンドープの窒化ガリウムの電子走行層１０４、及び、電子走行層１０４の表面上に設けられている窒化アルミニウム又は窒化アルミニウムガリウムのバリア層１０６を有している。電子走行層１０４とバリア層１０６はヘテロ接合しており、そのヘテロ接合面のうちの電子走行層１０４側に２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）が生成されている。
【００２３】
トランジスタ型光検出器２では、バリア層１０６の表面上にショットキー電極１４２が設けられており、そのショットキー電極１４２の表面上に周期構造体２２が設けられている。このため、ショットキー電極１４２と周期構造体２２は同電位である。ドレイン電極２４は、バリア層１０６の表面上に設けられており、２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）と電気的に接続されている。ソース電極２６も、バリア層１０６の表面上に設けられており、２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）と電気的に接続されている。ドレイン電極２４とソース電極２６は、周期構造体２２を間に置いて対向する位置関係で半導体基板１０の表面上に配置されている。なお、この例では、ショットキー電極１４２の表面上に周期構造体２２が設けられているが、この例に代えて、周期構造体２２の中心部のみにショットキー電極が設けられていてもよく、第１実施形態のように、周期構造体２２の中心部に周期構造体２２から絶縁されているゲート電極が設けられていてもよい。
【００２４】
次に、トランジスタ型光検出器２の動作を説明する。トランジスタ型光検出器２は、ドレイン電極２４に正電圧（例えば、＋５Ｖ）が印加され、ソース電極２６に接地電圧が印加され、ショットキー電極１４２に閾値電圧未満の正電圧が印加されて用いられる。ショットキー電極１４２に閾値電圧未満の正電圧が印加されているので、ショットキー電極１４２の下方の電子走行層１０４の一部及びバリア層１０６の一部が空乏化され、この部分に２次元電子ガス層が生成されない。この状態では、トランジスタ型光検出器２はオフであり、ドレイン電極２４とソース電極２６の間に電流が流れない。半導体基板１０の表面側に赤外光が入射すると、周期構造体２２は、赤外光と表面プラズモン共鳴を起こす。表面プラズモン共鳴により発生した電子は、周期構造体２２の中心側に向けて伝播する。表面プラズモン共鳴の電場増強効果により、周期構造体２２の中心部において多数の電子が集中する。電子密度は、赤外光の光強度に依存する。多数の電子が、強電界により先鋭化したショットキー電極１４２のショットキー障壁をトンネルし、さらに、強電界により先鋭化したバリア層１０６の電子障壁をトンネルして半導体基板１００内に注入される。半導体基板１００内に注入された電子によって２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）が生成され、トランジスタ型光検出器２がオンする。このように、トランジスタ型光検出器２は、ドレイン電極２４とソース電極２６の間を流れる電流値から赤外光の光強度を検出することができる。
【００２５】
上記したように、トランジスタ型光検出器２は、ＨＥＭＴ型トランジスタ動作を利用して光電流を計測するように構成されている。このため、トランジスタ型光検出器２は、トランジスタの増幅作用によって高感度に赤外光を検出することができる。また、トランジスタ型光検出器２では、ショットキー電極１４２のショットキー障壁に加えて、バリア層１０６が電子障壁層として機能しており、リーク電流が抑えられている。このため、トランジスタ型光検出器２は、赤外光を正確に検出することができる。また、トランジスタ型光検出器２は、２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）を流れる電流を計測するように構成されている。２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）の移動度が高いことから、このトランジスタ型光検出器２は、赤外光を高速に検出することができる。なお、上記では、赤外光が半導体基板１０の表面側に入射すると説明したが、赤外光はシリコン及び窒化物を透過可能なので、半導体基板１０の裏面側から赤外光が入射してもよい。
【００２６】
次に、トランジスタ型光検出器２の製造方法を説明する。まず、図６Ａに示されるように、ＭＯＣＶＤ技術を利用して、シリコン基板１０２の表面から電子走行層１０４及びバリア層１０６をこの順で積層して半導体基板１００を準備する。
【００２７】
次に、図６Ｂに示されるように、スパッタ技術又はＣＶＤ技術を利用して、半導体基板１００の表面上にドレイン電極２４及びソース電極２６を形成する。
【００２８】
次に、図６Ｃに示されるように、スパッタ技術又はＣＶＤ技術を利用して、半導体基板１００の表面上にショットキー電極１４２を形成する。
【００２９】
最後に、スパッタ技術又はＣＶＤ技術を利用して、ショットキー電極１４２の表面上に周期構造体２２を形成し、トランジスタ型光検出器２が完成する。
【００３０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３１】
１：トランジスタ型光検出器
１０：半導体基板
１２：ボディ領域
１２ａ：チャネル領域
１４：ドレイン領域
１６：ソース領域
２２：周期構造体
２２ａ：金属配線
２４：ドレイン電極
２６：ソース電極
２８：ゲート電極
３２：絶縁層
３４：層間絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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