(57)【要約】      （修正有）【課題】入射光を正確に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、を備えている。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電子障壁層３４をトンネルして半導体基板１０内に注入されるように構成されている。【選択図】図１
2019075462.tif 000002
【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、を備えており、
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電子障壁層をトンネルして半導体基板内に注入されるように構成されている、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おり、前記電子障壁層として機能する絶縁層と、
カソード電極と、をさらに備えており、
前記半導体基板は、
前記絶縁層に接しているｎ型のアノード領域と、
前記アノード領域に接しており、前記アノード領域よりも不純物濃度が濃いｎ型のカソード領域と、を有しており、
前記カソード電極が、前記カソード領域に接している、請求項１に記載の光検出器。
【請求項３】
前記カソード領域が、前記半導体基板の表面に露出しており、
前記カソード電極が、前記半導体基板の表面上に設けられている、請求項２に記載の光検出器。
【請求項４】
前記絶縁層上に設けられており、前記周期構造体から絶縁されているアノード電極をさらに備えている、請求項２又は３に記載の光検出器。
【請求項５】
カソード電極をさらに備えており、
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しており、前記電子障壁層として機能する第２半導体層と、を有しており、
前記カソード電極が、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いる、請求項１に記載の光検出器。
【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。この光検出器では、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、ショットキー障壁を超えて半導体基板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。しかしながら、ショットキー障壁は、リーク電流が多い。このため、特許文献１及び特許文献２の光検出器では、正確な光検出が困難という問題がある。本明細書は、入射光を正確に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】
【０００５】
本明細書が開示する光検出器は、半導体基板及び周期構造体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。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電子障壁層をトンネルして半導体基板内に注入されるように構成されている。この光検出器は、電子障壁層のトンネル効果を利用して半導体基板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。電子障壁層は、ショットキー障壁よりも電子に対して高い障壁を形成することができるので、リーク電流を抑えることができる。このため、光検出器は、入射光を正確に検出することができる。
【０００６】
上記光検出器の一実施形態は、絶縁層とカソード電極をさらに備えていてもよい。絶縁層は、半導体基板の表面上に設けられており、電子障壁層として機能する。この場合、半導体基板は、絶縁層に接するｎ型のアノード領域、及び、アノード領域に接しており、アノード領域よりも不純物濃度が濃いｎ型のカソード領域を有していてもよい。カソード電極が、カソード領域に接する。
【０００７】
上記光検出器の一実施形態は、カソード領域が半導体基板の表面に露出しており、カソード電極が半導体基板の表面上に設けられていてもよい。この光検出器は、横型の光検出器として構成されている。
【０００８】
上記光検出器の一実施形態は、絶縁層上に設けられており、周期構造体から絶縁されているアノード電極をさらに備えていてもよい。この光検出器では、アノード電極に周期構造体よりも低い電圧を印加して用いることができる。これにより、周期構造体の電場増強効果が促進され、赤外受光の超高感度化が可能となる。
【０００９】
上記光検出器の他の一実施形態は、カソード電極をさらに備えていてもよい。この場合、半導体基板は、第１半導体層、及び、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しており、電子障壁層として機能する第２半導体層を有していてもよい。カソード電極が、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。この光検出器は、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】
【００１０】
【図１】第１実施形態の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実施形態の光検出器を製造する方法の一工程を示す。
【図４Ｅ】第１実施形態の光検出器を製造する方法の一工程を示す。
【図５】第１実施形態の光検出器の変形例の要部断面図を模式的に示す。
【図６】第２実施形態の光検出器の要部断面図を模式的に示す。
【図７】第２実施形態の光検出器の変形例の要部断面図を模式的に示す。
【図８】第２実施形態の光検出器の変形例の要部断面図を模式的に示す。
【図９】第２実施形態の光検出器の変形例の要部断面図を模式的に示す。
【図１０】第３実施形態の光検出器の要部断面図を模式的に示す。
【図１１Ａ】第３実施形態の光検出器を製造する方法の一工程を示す。
【図１１Ｂ】第３実施形態の光検出器を製造する方法の一工程を示す。
【図１１Ｃ】第３実施形態の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】
【００１１】
以下、図面を参照して各実施形態の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。
【００１２】
（第１実施形態）
図１〜図３に示されるように、光検出器１は、半導体基板１０、周期構造体２２、カソード電極２４、アノード電極２６、ＬＯＣＯＳ酸化膜３２、絶縁層３４及び層間絶縁膜３６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ＬＯＣＯＳ酸化膜３２、絶縁層３４及び層間絶縁膜３６を取り除き、周期構造体２２、カソード電極２４及びアノード電極２６のレイアウトを表すための平面図である。
【００１３】
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型のアノード領域１２及びｎ+型のカソード領域１４を有している。アノード領域１２は、カソード領域１４を取り囲むように設けられている。アノード領域１２は、半導体基板１０の表面に露出する露出部分１２ａを有しており、その露出部分１２ａが絶縁層３４に接している。カソード領域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）、絶縁層３４の周囲を一巡するように、即ち、アノード領域１２の露出部分１２ａの周囲を一巡するように配置されている。カソード領域１４の不純物濃度は、アノード領域１２の不純物濃度よりも濃い。カソード領域１４は、半導体基板１０の表面上に設けられているカソード電極２４にオーミック接触している。
【００１４】
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ＬＯＣＯＳ酸化膜３２を介して半導体基板１０上に配設されており、平面視したときに、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、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、ＬＯＣＯＳ酸化膜３２の表面上において、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。
【００１５】
アノード電極２６は、絶縁層３４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。アノード電極２６は、ＬＯＣＯＳ酸化膜３２の表面上を伸びてアノードパッド部２６ａに電気的に接続されている（図３参照）。アノード電極２６と周期構造体２２の金属配線２２ａは、層間絶縁膜３６によって絶縁されている。アノード電極２６の材料は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）の透明導電膜である。アノード電極２６の材料は、ｎ型シリコンであるアノード領域１２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、アノード電極２６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、アノード電極２６の材料は、ｎ型シリコンであるアノード領域１２にショットキー接触可能な金、ニッケル、銀、チタン又はアルミニウムであってもよい。
【００１６】
絶縁層３４は、半導体基板１０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。絶縁層３４の材料は、例えば酸化シリコンである。絶縁層３４の厚みは、数ｎｍであり、例えば約１〜３ｎｍである。
【００１７】
次に、光検出器１の動作を説明する。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、周期パッド部２２ｂ及びカソード電極２４に接地電圧が印加され、アノードパッド部２６ａに負電圧（例えば、−１０Ｖ）が印加されて用いられる。この状態では、絶縁層３４の電子障壁の存在により、アノード電極２６とカソード電極２４の間に電流は流れない。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３４の電子障壁をトンネルして半導体基板１０内に注入される。半導体基板１０内に注入された電子は、アノード領域１２及びカソード領域１４を介してカソード電極２４に流れる。このように、光検出器１は、アノード電極２６とカソード電極２４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。
【００１８】
光検出器１では、絶縁層３４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３４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、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、光検出器１では、アノード電極２６がｎ型シリコンであるアノード領域１２にショットキー接触可能な材料で形成されているので、アノード電極２６とアノード領域１２の間にショットキーライクなショットキー障壁が形成されている。光検出器１では、このショットキーライクなショットキー接合が逆バイアスされていることから、リーク電流がさらに抑えられている。この点でも、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、光検出器１では、絶縁層３４の表面上にアノード電極２６が設けられている。アノード電極２６には負電圧が印加されており、周期構造体２２よりも低い電圧である。これにより、絶縁層３４の電子障壁は、高く且つ深くなる。このため、赤外光で生成した電子は、その電子障壁をトンネルし易くなる。この結果、光検出器１は、低ノイズ且つ高信号を得ることができる。
【００１９】
次に、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、ｐ型のシリコン単結晶基板にｎ型不純物を導入してアノード領域１２及びカソード領域１４を形成し、半導体基板１０を準備する。
【００２０】
次に、図４Ｂに示されるように、半導体基板１０の表面の一部にＬＯＣＯＳ酸化膜３２を形成する。
【００２１】
次に、図４Ｃに示されるように、半導体基板１０の表面の一部に、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）技術を利用して、絶縁層３４を形成する。
【００２２】
次に、図４Ｄに示されるように、スパッタ技術又はＣＶＤ技術を利用して、ＬＯＣＯＳ酸化膜３２の表面上に周期構造体２２を形成する。
【００２３】
次に、図４Ｅに示されるように、ＣＶＤ技術を利用して、層間絶縁膜３６を形成する。
【００２４】
最後に、スパッタ技術又はＣＶＤ技術を利用して、カソード電極２４及びアノード電極２６を形成し、光検出器１が完成する。
【００２５】
図５に示されるように、カソード領域１４が半導体基板１０の裏層部に形成され、カソード電極２４が半導体基板１０の裏面上に形成されると、縦型の光検出器２が構成される。この光検出器２も、同様にリーク電流が抑えられており、赤外光を正確に検出することができる。
【００２６】
（第２実施形態）
図６に示されるように、光検出器３は、半導体基板１０の表面上に設けられている絶縁層１３２、及び、その絶縁層１３２上に設けられているショットキー電極１４２を備えている。ショットキー電極１４２の表面上には、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。また、半導体基板１０は、ｎ型のｎ型半導体領域１６のみで構成されている。カソード電極２４がｎ型半導体領域１６にオーミック接触している。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の中心部分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アノード電極が設けられていてもよい。
【００２７】
絶縁層１３２の材料は、例えば酸化シリコンである。絶縁層１３２の厚みは、数ｎｍであり、例えば約１〜３ｎｍである。
【００２８】
ショットキー電極１４２の材料は、ｎ型半導体領域１６の材料であるｎ型シリコンに対してショットキー接触可能な材料であり、例えばニッケル、金、銀、アルミニウム又はチタンである。ショットキー電極１４２の厚みは、約１〜３ｎｍである。
【００２９】
次に、光検出器３の動作を説明する。光検出器３は、ショットキー電極１４２に接地電圧が印加され、カソード電極２４に正電圧（例えば、+１０Ｖ）が印加されて用いられる。この状態では、ショットキー電極１４２とｎ型半導体領域１６の間のショットキーライクなショットキー障壁及び絶縁層１３２の電子障壁の存在により、ショットキー電極１４２とカソード電極２４の間に電流は流れない。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絶縁層１３２の電子障壁をトンネルして半導体基板１０内に注入される。半導体基板１０内に注入された電子は、ｎ型半導体領域１６を介してカソード電極２４に流れる。このように、光検出器３は、ショットキー電極１４２とカソード電極２４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。
【００３０】
光検出器３では、ショットキー電極１４２のショットキー障壁に加えて、絶縁層１３２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、光検出器３は、赤外光を正確に検出することができる。
【００３１】
図７に示されるように、カソード電極２４が半導体基板１０の裏面上に形成されると、縦型の光検出器４が構成される。また、図８に示されるように、ショットキー電極１４２が周期構造体２２の金属配線２２ａを被覆するように構成されていてもよい。この光検出器５は、半導体基板１０の裏面から入射する赤外光を検出することができる。また、図９に示されるように、カソード電極２４が半導体基板１０の裏面上に形成され、そのカソード電極２４の材料がＩＴＯ（Indium Tin Oxide）の透明導電膜で形成されると、縦型であって半導体基板１０の裏面から入射する赤外光を検出する光検出器６が構成される。
【００３２】
（第３実施形態）
図１０に示されるように、光検出器７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。
【００３３】
光検出器７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。ショットキー電極１４２は、バリア層１０６に対してショットキー接触可能な材料である。カソード電極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。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の中心部分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アノード電極が設けられていてもよい。
【００３４】
次に、光検出器７の動作を説明する。光検出器７は、ショットキー電極１４２に接地電圧が印加され、カソード電極２４に正電圧（例えば、+１０Ｖ）が印加されて用いられる。この状態では、ショットキー電極１４２とバリア層１０６の間のショットキー障壁及びバリア層１０６の電子障壁の存在により、ショットキー電極１４２とカソード電極２４の間に電流は流れない。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は、２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）を介してカソード電極２４に流れる。このように、光検出器７は、ショットキー電極１４２とカソード電極２４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。
【００３５】
光検出器７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、光検出器７は、赤外光を正確に検出することができる。また、光検出器７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、この光検出器７は、赤外光を高速に検出することができる。
【００３６】
光検出器７は、バリア層１０６の材料が窒化アルミニウムであることを１つの特徴とする。この場合、バリア層１０６の厚みが薄くても、電子走行層１０４に２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）を生成することができる。このため、バリア層１０６は、電子障壁層として機能するとともに、電子走行層１０４に２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）を生成することができる。
【００３７】
次に、光検出器７の製造方法を説明する。まず、図１１Ａ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。
【００３８】
次に、図１１Ｂ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の表面上にカソード電極２４を形成する。
【００３９】
次に、図１１Ｃ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。
【００４０】
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、光検出器７が完成する。
【００４１】
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】
【００４２】
１：光検出器
１０：半導体基板
１２：アノード領域
１４：カソード領域
２２：周期構造体
２２ａ：金属配線
２４：カソード電極
２６：アノード電極
３２：ＬＯＣＯＳ酸化膜
３４：絶縁層
３６：層間絶縁膜
【図１】
2019075462.tif 000003
【図２】
2019075462.tif 000004
【図３】
2019075462.tif 000005
【図４Ａ】
2019075462.tif 000006
【図４Ｂ】
2019075462.tif 000007
【図４Ｃ】
2019075462.tif 000008
【図４Ｄ】
2019075462.tif 000009
【図４Ｅ】
2019075462.tif 000010
【図５】
2019075462.tif 000011
【図６】
2019075462.tif 000012
【図７】
2019075462.tif 000013
【図８】
2019075462.tif 000014
【図９】
2019075462.tif 000015
【図１０】
2019075462.tif 000016
【図１１Ａ】
2019075462.tif 000017
【図１１Ｂ】
2019075462.tif 000018
【図１１Ｃ】
2019075462.tif 000019