(57)【要約】【課題】所定の方向の電界成分を有しない光を、当該所定の方向の電界成分を有するように効率よく変調できる光学素子を備え、当該光学素子、光検出部及び信号処理部が一体化された光検出器を安定して製造できる光検出器の製造方法を提供する。【解決手段】信号処理部３０と、基板１８上に形成された光検出部１０とがバンプ５ａ、５ｂを介して電気的に接続される接続工程と、接続工程の後に、基板１８が薄型化又は除去され、所定面（表面１４ａ）が形成される所定面形成工程と、所定面形成工程の後に、第１の領域Ｒ１、及び所定の方向に垂直な面に沿って第１の領域Ｒ１に対し周期的に配列された第２の領域Ｒ２を含む構造体２１を有するように、且つ第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２が、互いに屈折率が異なり、且ついずれも光に対して透過性を有するように所定面に光学素子２０が形成される光学素子形成工程と、を備えること。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の方向に沿って光が入射したときに前記所定の方向の電界成分を生じさせる光学素子と、前記光学素子によって生じた前記所定の方向の電界成分を検出する光検出部と、前記光検出部と電気的に接続された信号処理部と、を備える、光検出器の製造方法であって、
前記信号処理部と、基板上に形成された前記光検出部とがバンプを介して電気的に接続される接続工程と、
前記接続工程の後に、前記基板が薄型化又は除去され、所定面が形成される所定面形成工程と、
前記所定面形成工程の後に、第１の領域、及び前記所定の方向に垂直な面に沿って前記第１の領域に対し周期的に配列された第２の領域を含む構造体を有するように、且つ前記第１の領域及び前記第２の領域が、互いに屈折率が異なり、且ついずれも前記光に対して透過性を有するように前記所定面に前記光学素子が形成される光学素子形成工程と、を備える、光検出器の製造方法。
【請求項２】
前記所定面形成工程では、前記基板が化学エッチングによって薄型化又は除去される、請求項１記載の光検出器の製造方法。
【請求項３】
前記光検出部は、半導体積層体と、前記半導体積層体を挟む一対のコンタクト層と、を有し、
少なくとも前記半導体積層体に対して前記基板側に位置する前記コンタクト層は、前記化学エッチングに対する耐性を有している、請求項２記載の光検出器の製造方法。
【請求項４】
前記接続工程の後であって、前記所定面形成工程の前に、前記化学エッチングに対する耐性を有するアンダーフィル材が前記信号処理部と前記光検出部との間に充填される工程をさらに備える、請求項２又は３記載の光検出器の製造方法。
【請求項５】
前記第１の領域の屈折率と前記第２の領域の屈折率との差は、２以上である、請求項１〜４のいずれか一項記載の光検出器の製造方法。
【請求項６】
前記第１の領域に対する前記第２の領域の配列の周期は、０．５〜１０μｍである、請求項１〜５のいずれか一項記載の光検出器の製造方法。
【請求項７】
前記第１の領域又は前記第２の領域はゲルマニウムによって形成されている、請求項１〜６のいずれか一項記載の光検出器の製造方法。
【請求項８】
前記光は、赤外線である、請求項１〜７のいずれか一項記載の光検出器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出器の製造方法に関する。
【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）、ＱＤＩＰ（量子ドット赤外光センサ）、ＱＣＤ（量子カスケード型光センサ）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、暗電流が比較的小さい、室温動作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、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共鳴の効果によって、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。
【０００６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１５６５１３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【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).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように、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、当該光を当該積層方向の電界成分を有するように変調する技術が種々提案されており、そのような光の変調の効率化が望まれている。
【００１０】
つまり、半導体積層体の積層方向を所定の方向とした場合に、当該所定の方向の電界成分を有しない光を、当該所定の方向の電界成分を有するように効率よく変調する技術が求められている。
【００１１】
一方、実用上、信号処理回路を含む信号処理部が、半導体積層体を含む光検出部に電気的に接続され、光検出部と信号処理部とが一体化されていることが好ましい。
【００１２】
本発明は、所定の方向の電界成分を有しない光を、当該所定の方向の電界成分を有するように効率よく変調することができる光学素子を備え、当該光学素子、光検出部及び信号処理部が一体化された光検出器を安定して製造することができる光検出器の製造方法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】
【００１３】
本発明の光検出器の製造方法は、所定の方向に沿って光が入射したときに所定の方向の電界成分を生じさせる光学素子と、光学素子によって生じた所定の方向の電界成分を検出する光検出部と、光検出部と電気的に接続された信号処理部と、を備える、光検出器の製造方法であって、信号処理部と、基板上に形成された光検出部とがバンプを介して電気的に接続される接続工程と、接続工程の後に、基板が薄型化又は除去され、所定面が形成される所定面形成工程と、所定面形成工程の後に、第１の領域、及び所定の方向に垂直な面に沿って第１の領域に対し周期的に配列された第２の領域を含む構造体を有するように、且つ第１の領域及び第２の領域が、互いに屈折率が異なり、且ついずれも光に対して透過性を有するように所定面に光学素子が形成される光学素子形成工程と、を備える。
【００１４】
本発明の光検出器においては、所定の方向における一方の側から光学素子に光が入射した場合、当該光は、構造体において所定の方向に垂直な面に沿って周期的に配列された第１の領域及び第２の領域の屈折率の差により変調され、その後、所定の方向における他方の側から出射する。すなわち、所定の方向の電界成分を有しない光を、当該所定の方向の電界成分を有するように効率よく変調することができる。このような光学素子を備えた光検出器の製造方法では、光検出部が基板上に形成されている状態で、光検出部と信号処理部とがバンプを介して接続される。そのため、接続工程において光検出部の破損等が発生し難く、信号処理部と光検出部との電気的な接続の安定化が図られる。したがって、この光検出器の製造方法によれば、所定の方向の電界成分を有しない光を、当該所定の方向の電界成分を有するように効率よく変調することができる光学素子を備え、当該光学素子、光検出部及び信号処理部が一体化された光検出器を安定して製造することができる。
【００１５】
ここで、所定面形成工程では、基板が化学エッチングによって薄型化又は除去されてもよい。基板の薄型化には、機械研磨やＣＭＰ（化学機械研磨）等を利用することも可能である。しかしながら、選択的化学エッチングを利用することで、薄型化によって形成される所定面がより平滑に仕上がるため、その後の光学素子形成工程において光学素子を精度良く形成することができる。
【００１６】
また、光検出部は、半導体積層体と、半導体積層体を挟む一対のコンタクト層と、を有し、少なくとも半導体積層体に対して基板側に位置するコンタクト層は、化学エッチングに対する耐性を有している構成であってもよい。これによれば、コンタクト層を化学エッチングに対するエッチングストッパーとして機能させることができる。したがって、光検出部に対する不要なエッチングが抑制されるだけでなく、光学素子を形成するための所定面を容易に形成することができる。
【００１７】
また、本発明の光検出器の製造方法は、接続工程の後であって、所定面形成工程の前に、化学エッチングに対する耐性を有するアンダーフィル材が信号処理部と光検出部との間に充填される工程をさらに備えてもよい。これによれば、所定面形成工程において光検出部及び信号処理部をエッチングから保護することができる。
【００１８】
ここで、第１の領域の屈折率と第２の領域の屈折率との差は、２以上であってもよい。また、第１の領域及び第２の領域の配列の周期は、０．５〜１０μｍであってもよい。また、第１の領域又は前記第２の領域はゲルマニウムによって形成されていてもよい。これによれば、所定の方向の電界成分を有しない光を、当該所定の方向の電界成分を有するように一層効率よく変調することができる。
【００１９】
また、光検出器が備える光学素子に入射する光は、赤外線であってもよい。これによれば、本発明の光検出器を、赤外光検出器として好適に使用することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、所定の方向の電界成分を有しない光を、当該所定の方向の電界成分を有するように効率よく変調することができる光学素子を備え、当該光学素子、光検出部及び信号処理部が一体化された光検出器を安定して製造することができる光検出器の製造方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態の光検出器の平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿っての断面図である。
【図３】図１の光検出器における光検出ユニットの平面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿っての断面図である。
【図５】図１の光検出器の製造工程を示す断面図である。
【図６】図１の光検出器の製造工程を示す断面図である。
【図７】図１の光検出器の製造工程を示す断面図である。
【図８】図１の光検出器の製造工程を示す断面図である。
【図９】図１の光検出器の製造工程を示す断面図である。
【図１０】図１の光検出器の製造工程を示す断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態の光検出器における光検出ユニットの平面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態の光検出器における光検出ユニットの平面図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態の光検出器における光検出ユニットの平面図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態の光検出器における光検出ユニットの断面図である。
【図１５】図１３の光学素子についてのＦＤＴＤ法による電界強度分布である。
【図１６】図１３の光学素子についてのＦＤＴＤ法による電界強度分布である。
【図１７】図１３の光学素子についての屈折率差による電界成分の変換効率を示すグラフである。
【図１８】参考形態の光検出器における光検出ユニットの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。便宜上、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。各図は模式的に示されたものであり、必ずしも実際の寸法比率を忠実に反映しているものではない。なお、本実施形態の光検出器が検出する光（光学素子に入射する光）は、赤外線（波長が約１〜１０００μｍの光）である。
【００２３】
［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１００は、マトリクス状にアレイ化された複数の光検出ユニット１Ａを備えている。光検出器１００における光検出層１１０と信号処理層１３０とは、バンプ群１０５を介したフリップチップボンディングによって電気的に接続されている。光検出器１００には、所定の方向に沿って光が入射したときに所定の方向の電界成分を生じさせる光学素子層１２０が形成されている。光検出層１１０と信号処理層１３０との間にはアンダーフィル材が充填されており、これによりアンダーフィル層１０７が形成されている。このように、光検出層１１０をフリップチップボンディングによって集積化することにより、デッドスペースを最小限に抑えて、光電変換領域を効率よく確保することができる。このような光検出器１００によって、いわゆるフィルファクターの大きな二次元イメージセンサを実現することができる。以下、便宜上、単体の光検出ユニット１Ａについて、その構成及び製造方法の詳細な説明をするが、光検出ユニット１Ａがアレイ化された光検出器１００についても、同様の構成及び製造方法となる。
【００２４】
図３及び図４に示されるように、光検出ユニット１Ａは、光電変換を担う半導体である光検出部１０と、光検出部１０における光の入射する側の面に形成された光学素子２０と、光検出部１０と電気的に接続された信号処理部３０と、を備えている。ここで、光検出器１００における、光検出層１１０は光検出部１０によって構成され、光学素子層１２０は光学素子２０によって構成され、信号処理層１３０は信号処理部３０によって構成されるものである。なお、この光検出ユニット１Ａは、光検出部１０における量子サブバンド間遷移の光吸収を利用するものある。
【００２５】
光検出部１０は、バンドギャップの異なる２つの半導体層が交互に積層された量子井戸構造を備える半導体積層体１１と、半導体積層体１１の積層方向の両面に積層されたコンタクト層１３及びコンタクト層１４とにより、半導体構造を形成している。半導体積層体１１における量子井戸構造は、ＩｎＧａＡｓからなる井戸層とＩｎＡｌＡｓからなる障壁層とが交互に形成されるもので、少なくとも１層の井戸層が含まれるものである。この半導体積層体１１に１０〜１００層程度の井戸層が含まれていると、光検出の感度が高くなる。なお、井戸層のキャリヤ濃度は、１×１０１６〜１×１０１７ｃｍ−３程度である。
【００２６】
コンタクト層１３，１４は、半導体積層体１１で生じた電流を検出するための電気的な接続に用いられる層であり、ｎ型のＩｎＧａＡｓやＩｎＰからなる。コンタクト層１３，１４の厚さは１０ｎｍ〜１μｍ程度であり、キャリヤ濃度は１×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３程度である。
【００２７】
コンタクト層１３の表面１３ａの１か所には、コンタクト電極１６ａが形成されている。また、光検出部１０は、半導体積層体１１とコンタクト層１３とを貫通するスルーホール部１５が形成されることで、コンタクト層１４の裏面１４ｂ（半導体積層体１１側の面）の一部が露出している。この露出部分には、コンタクト電極１６ｂが形成されている。このスルーホール部１５は、光電変換が行われる半導体積層体１１を除去することで形成されるため、可能な限り小さくすることが望ましい。なお、コンタクト電極１６ａ，１６ｂは、Ｔｉ／ＡｕやＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ、あるいはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ等からなるオーミック電極である。
【００２８】
光学素子２０は、所定の方向における一方の側から光が入射したときに、所定の方向の電界成分を生じさせるものである。図３に示されるように、光学素子２０は、光検出部１０におけるコンタクト層１４の表面１４ａ上の空間（空気；屈折率＝１．０）（第１の領域Ｒ１）と、コンタクト層１４の表面１４ａに沿って所定のパターン（間隙）で周期的に配列された光学素子構成体２３（第２の領域Ｒ２）とを含む構造体２１によって形成されている。構造体２１は、平面視正方形状をなす複数の光学素子構成体２３が、縦横に等しい距離で平面視正方格子状に配列されることで構成されている。
【００２９】
光学素子構成体２３は、光に対して透過性を有する高屈折率の誘電体（例えばゲルマニウム；屈折率＝４．０）によって形成されている。そして、光学素子に対する入射光の波長が２〜１０μｍ付近の中赤外光のとき、光学素子構成体２３の配列の周期ｄは０．５〜１０μｍ程度であり、光学素子構成体２３の大きさＬ（一辺の長さ）は０．２〜８μｍ程度となる。なお、光学素子構成体２３の厚さは０．１μｍ以下でもよいが、できれば０．１〜２μｍ程度が望ましい。また、第１の領域Ｒ１の屈折率と第２の領域Ｒ２の屈折率との差は、２以上であることが好ましく、３以上であることがより好ましい。本実施形態においては、例えば波長が５μｍの中赤外光について、ゲルマニウムの屈折率は４．０であり、空気の屈折率は１．０であるため、屈折率の差は３．０である。
【００３０】
信号処理部３０は、光検出部１０から出力される電気信号の処理を行うための集積回路チップであり、例えばＳｉベースのＣＭＯＳ−ＩＣで構成されている。信号処理部３０の光検出部１０側の表面には、光検出部１０と電気的に接続するための電極３４ａ，３４ｂが、コンタクト電極１６ａ，１６ｂと対向するように設けられている。信号処理部３０の電極３４ａ，３４ｂと光検出部のコンタクト電極１６ａ，１６ｂとは、フリップチップボンディングにより、バンプ５ａ、５ｂを介して電気的に接続されている。また、信号処理部３０と光検出部１０との間の空隙にはアンダーフィル材７が充填されている。これにより、対向する信号処理部３０の表面と光検出部１０の表面とが保護されるとともに、光検出ユニット１Ａの機械的強度が保たれる。バンプ５ａ，５ｂとしては、例えば、金（Ａｕ）やハンダ材が使われている。なお、ハンダ材を用いる場合には、環境規制物質である鉛を含まない材質が望ましい。アンダーフィル材７としては、例えば、応力がコントロールされた耐酸性のエポキシ樹脂が用いられる。
【００３１】
以上のように構成された光検出ユニット１Ａは、上記光学素子２０を備えているため、所定の方向における一方の側から光学素子２０に光が入射した場合（例えば、半導体積層体１１の積層方向から平面波が入射した場合）、当該光は、光学素子２０（構造体２１）の作用により変調され、その後、所定の方向における他方の側から出射する。このとき、所定の方向の電界成分を有しない光が、当該所定の方向の電界成分を有するように効率よく変調される。
【００３２】
本実施の形態では、光学素子２０に入射した光は、構造体２１において所定の方向に垂直な面に沿って周期的に配列された第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２の屈折率の差により変調され、その後、光検出部１０側に出射する。光学素子２０の上記作用により生じた所定の方向の電界成分は、半導体積層体１１の積層方向の電界成分でもあるため、この電界成分により、電子が下位の量子準位からトンネル輸送が可能な上位の量子準位へ、もしくは伝導帯へと励起される。半導体積層体１１には、あらかじめコンタクト層１３、１４を通じてバイアス電圧が印加されており、量子井戸構造に電位勾配が生じるようになっている。これによって、励起された電子は、電気信号としてコンタクト層１３，１４、コンタクト電極１６ａ，１６ｂ、バンプ５ａ，５ｂ及び電極３４ａ，３４ｂを通って信号処理部３０に輸送される。そして、信号処理部３０の集積回路によって電気信号が信号処理されて、出力信号が得られる。
【００３３】
次に、図５〜１０を参照して光検出ユニット１Ａの製造方法について説明する。まず、図５に示されるように、ＭＢＥやＭＯＣＶＤ等の結晶成長装置を用いて、ＩｎＰからなる半導体の基板１８上に、コンタクト層１４、半導体積層体１１及びコンタクト層１３を順次結晶成長させ、光検出部１０の基となる半導体構造１０Ａを作製する。
【００３４】
続いて、図６に示されるように、フォトリソグラフィとドライエッチング法、もしくはウエットエッチング法を用いて、コンタクト層１３の一部と半導体積層体１１の一部とを、コンタクト層１４の裏面１４ｂ（半導体積層体１１側の面）が露出するまでエッチングする。このエッチングされた部分がスルーホール部１５となる。そして、エッチングによって露出した裏面１４ｂにコンタクト電極１６ｂを形成するとともに、コンタクト層１３の表面１３ａの一部にコンタクト電極１６ａを形成する。これにより、ボンディング前の段階での光検出部１０Ｂが形成される。なお、コンタクト電極は、一回のプロセスで形成しても、二回のプロセスで形成しても構わない。
【００３５】
続いて、図７に示されるように、別途用意された信号処理部３０の電極３４ａ，３４ｂにそれぞれバンプ５ａ、５ｂを乗せる。そして、図８に示されるように、準備された光検出部１０Ｂのコンタクト電極１６ａ，１６ｂが形成された面と信号処理部３０の電極３４ａ，３４ｂが形成された面とが対向するようにし（図６から図８にかけて光検出部１０Ｂは上下反転している。）、コンタクト電極１６ａと電極３４ａとの位置及びコンタクト電極１６ｂと電極３４ｂとの位置を合わせてボンディングする（接続工程）。これにより、信号処理部３０の電極３４ａ，３４ｂと光検出部１０Ｂのコンタクト電極１６ａ，１６ｂとは、バンプ５ａ、５ｂを介して電気的に接続される。ボンディング後、信号処理部３０と光検出部１０との間の空隙にアンダーフィル材７を充填する。
【００３６】
続いて、図９に示されるように、光検出部１０Ｂの元々の基板１８をエッチングによって除去し、コンタクト層１４の表面１４ａ（所定面）を露出させる（所定面形成工程）。これにより、信号処理部３０と電気的に接続された光検出部１０が形成される。
【００３７】
ＩｎＰからなる基板１８のエッチングには、塩酸系エッチャント（例えば塩酸原液）が用いられる。コンタクト層１４がＩｎＧａＡｓによって形成されている場合、ＩｎＧａＡｓは塩酸系エッチャントに対する耐性がありエッチングされないため、コンタクト層１４がエッチングストッパーとして機能する。これにより、ＩｎＰからなる基板１８のみを選択的にエッチングすることができる。
【００３８】
コンタクト層１４がＩｎＰによって形成されている場合、そのままでは、塩酸系エッチャントによってコンタクト層１４もエッチングされてしまう。そこで、このような場合には、基板１８とコンタクト層１４との間に、基板１８をエッチングする際のエッチングストッパーとしてＩｎＧａＡｓ層（図示省略）を予め積層しておく。これにより、基板１８を塩酸系エッチャントによってエッチングする際には、ＩｎＧａＡｓ層がエッチングストッパーとして機能することで、基板１８のみを選択的にエッチングすることができる。そして、基板１８を除去した後は、硫酸系エッチャント（例えば硫酸と過酸化水素の混合液を水で希釈した溶液）によって、ＩｎＧａＡｓ層がエッチングされる。この場合、ＩｎＰは、硫酸系エッチャントに対する耐性があるため、コンタクト層１４がエッチングストッパーとして機能する。これにより、ＩｎＧａＡｓ層のみを選択的にエッチングすることができる。このように、コンタクト層１４は、ＩｎＧａＡｓによって形成されている場合と、ＩｎＰによって形成されている場合とのいずれであっても、エッチングによる所定面形成工程における最終的なエッチングストッパーとして機能する。
【００３９】
ここで、信号処理部３０と光検出部１０との間に充填されているアンダーフィル材７は、耐酸性を備えるエポキシ樹脂からなる。そのため、アンダーフィル材７は、薄型化処理における塩酸系エッチャント及び硫酸系エッチャントに対して耐性を備えることになる。そのため、所定面形成工程において、信号処理部３０と光検出部１０との間にエッチャントが入り込むことを抑制することができる。
【００４０】
所定面形成工程に続いて、図１０に示されるように、コンタクト層１４の表面１４ａ（所定面）に対して、光学素子構成体２３（ゲルマニウム）が周期的に配列するように形成（積層）される。これにより、光検出部１０の所定面に光学素子２０が形成されることになり、光検出ユニット１Ａが完成する。
【００４１】
以上説明したように、光検出ユニット１Ａ（光検出器１００）の製造方法では、光検出部１０が基板１８上に形成されている状態で、光検出部１０Ｂと信号処理部３０とがバンプ５ａ，５ｂを介して接続される。そのため、接続工程において光検出部１０の破損等が発生し難く、信号処理部３０と光検出部１０との電気的な接続の安定化が図られる。したがって、所定の方向の電界成分を有しない光を、当該所定の方向の電界成分を有するように効率よく変調することができる光学素子２０、光検出部１０及び信号処理部３０が一体化された光検出ユニット１Ａを安定して製造することができる。
【００４２】
また、基板１８の薄型化に選択的化学エッチングを利用することで、薄型化によって形成される所定面（実施形態においてはコンタクト層１４の表面）が、機械研磨やＣＭＰ等を利用する場合に比べて、より平滑に仕上がるため、その後の光学素子形成工程において光学素子２０を精度良く形成することができる。
【００４３】
また、半導体積層体１１に積層されるコンタクト層１４は、エッチングに対する耐性を有しているため、コンタクト層１４を所定面形成工程における最終的なエッチングストッパーとして機能させることができる。したがって、光検出部１０に対する不要なエッチングが抑制されるだけでなく、光学素子２０を形成するための所定面を容易に形成することができる。
【００４４】
また、所定面形成工程が行われる前に、アンダーフィル材７が信号処理部３０と光検出部１０との間に充填されているため、所定面形成工程において光検出部１０（コンタクト層１３，１４、半導体積層体１１）及び信号処理部３０をエッチングから保護することができる。
【００４５】
また、第１の領域Ｒ１の屈折率と第２の領域Ｒ２の屈折率との差は、２以上であり、第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２の配列の周期ｄは、０．５〜１０μｍであり、入射光の波長に応じて決められるため、光の変調が一層効率よく行われる。
【００４６】
本発明の第２〜第５の実施形態として、光検出ユニットの他の形態について、図１１〜図１４を参照しながら説明する。なお、ここでは、第１の実施形態と異なる構成についてのみ説明する。
【００４７】
［第２の実施形態］
図１１に示される第２の実施形態の光検出ユニット１Ｂが第１の実施形態の光検出ユニット１Ａと異なる点は、光学素子２０Ｂとして、平面視正方形状の光学素子構成体２３に替えて、平面視円形状の光学素子構成体２３Ｂを備えている点である。このように、光学素子構成体２３Ｂの形状を平面視円形状にすることによって、平面視正方形状の場合よりも入射光に対する偏光方向を小さくすることができる。なお、この場合、光学素子構成体２３Ｂの大きさＬは、光学素子構成体２３Ｂの直径である。
【００４８】
このような第２の実施形態の光検出ユニット１Ｂも第１の実施形態と同様の製造方法によって製造することができる。すなわち、図５〜図１０に示される製造方法において、所定面形成工程で形成された所定面（表面１４ａ）に対して、光学素子構成体２３Ｂが所定の配列をなすように形成されることで、光検出ユニット１Ｂを製造することができる。
【００４９】
［第３の実施形態］
図１２に示される第３の実施形態の光検出ユニット１Ｃが第１の実施形態の光検出ユニット１Ａと異なる点の一つは、第２の実施例同様、平面視円形状の光学素子構成体２３Ｃを備えている点である。もう一つは、光学素子構成体２３Ｃが、平面視正方格子状に配列するのではなく、平面視三角格子状に配列することで光学素子２０Ｃを構成していることである。配列の周期ｄ（格子間隔）は、任意の１個の光学素子構成体２３Ｃに着目したときに、その周囲に６０°間隔で配置される６個の光学素子構成体２３Ｃの全てにおいて等しくなっている。半導体積層体１１の積層方向の電界成分の生成効率は格子間隔にも依存するため、正方格子状の第１及び第２の実施形態に比べて、さらに偏光依存性の解消が期待できる。
【００５０】
このような第３の実施形態の光検出ユニット１Ｃも第１の実施形態と同様の製造方法によって製造することができる。すなわち、図５〜図１０に示される製造方法において、所定面形成工程で形成された所定面（表面１４ａ）に対して、光学素子構成体２３Ｃが所定の配列をなすように形成されることで、光検出ユニット１Ｃを製造することができる。
【００５１】
［第４の実施形態］
図１３に示される第４の実施形態の光検出ユニット１Ｄが第１の実施形態の光検出ユニット１Ａと異なるのは、一方向に延びる長方形状に形成された光学素子構成体２３Ｄが、平面視ストライプ形状に配列して光学素子２０Ｄを構成している点である。これにより、偏光方向が既知の直線偏光入射光によって効率よく半導体積層体１１の積層方向の電界成分を生成する。なお、この場合、光学素子構成体２３Ｄの大きさＬは、光学素子構成体２３Ｄの幅である。
【００５２】
このような第４の実施形態の光検出ユニット１Ｄも第１の実施形態と同様の製造方法によって製造することができる。すなわち、図５〜図１０に示される製造方法において、所定面形成工程で形成された所定面（表面１４ａ）に対して、光学素子構成体２３Ｄが所定の配列をなすように形成されることで、光検出ユニット１Ｄを製造することができる。
【００５３】
［第５の実施形態］
図１４に示される第５の実施形態の光検出ユニット１Ｅが第１の実施形態の光検出ユニット１Ａと異なるのは、半導体積層体１１に代えて、量子カスケード構造を備える半導体積層体１１Ｅとなっている点である。半導体積層体１１Ｅにおける量子カスケード構造は、検出しようとする光の波長に合わせて設計されており、光を吸収して電子が励起されるアクティブ領域が光学素子２０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がその反対側に位置するように積層されて形成されている。半導体積層体１１Ｅにおいては、アクティブ領域とインジェクタ領域とを一組とする厚さ５０ｎｍ程度の量子カスケード構造が、所定の方向に沿って多段に積層されている。
【００５４】
アクティブ領域及びインジェクタ領域のそれぞれでは、互いにエネルギーバンドギャップの異なるＩｎＧａＡｓ及びＩｎＡｌＡｓの層が、一層あたり数ｎｍの厚さで交互に積層されている。アクティブ領域におけるＩｎＧａＡｓの層は、シリコン等のｎ型の不純物がドープされることで井戸層として機能し、ＩｎＡｌＡｓの層は、当該ＩｎＧａＡｓの層を挟んで障壁層として機能する。一方、インジェクタ領域では、不純物がドープされていないＩｎＧａＡｓの層とＩｎＡｌＡｓの層とが交互に積層されている。ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＡｌＡｓの積層数は、アクティブ領域及びインジェクタ領域の合計として、例えば１６である。アクティブ領域の構造によって、吸収される光の中心波長が決まる。
【００５５】
以上のように構成された光検出ユニット１Ｅにおいて、中赤外光が光学素子２０の上面から入射すると、当該光は、構造体２１において所定の方向に垂直な面に沿って周期的に配列された第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２の屈折率の差により変調され、その後、光検出部１０Ｅ側に出射する。光学素子２０の上記作用により生じた所定の方向の電界成分は、半導体積層体１１Ｅの積層方向の電界成分でもあるため、この電界成分により、半導体積層体１１Ｅの量子カスケード構造において光学素子２０側の最表面に形成された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。そして、この電流が信号処理部３０の集積回路によって信号処理されて、出力信号が得られる。
【００５６】
このような光検出ユニット１Ｅでは、インジェクタ領域が、アクティブ領域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。
【００５７】
このような第５の実施形態の光検出ユニット１Ｅも第１の実施形態と同様の製造方法によって製造することができる。すなわち、図５〜図１０に示される製造方法において、基板１８上に、光検出部１０Ｅの基となる半導体構造を作製する際に、半導体積層体１１に代えて、量子カスケード構造を備える半導体積層体１１Ｅを形成することで、光検出ユニット１Ｅを製造することができる。
【００５８】
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、ＩｎＰ基板上に形成した半導体積層体１１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。
【００５９】
また、光検出器１００として、複数の光検出ユニット１Ａがマトリクス状（二次元）にアレイ化されて構成されている形態を示したが、これに限られるものではない。例えば、光検出ユニット１Ａがライン状（一次元）にアレイ化されることで光検出器を構成してもよいし、光検出ユニット１Ａが単体で光検出器を構成してもよい。
【００６０】
また、所定面形成工程として、基板１８をエッチングによって除去することで、コンタクト層１４の表面１４ａを所定面として露出させる方法を示したがこれに限定されない。例えば、光検出部が形成された基板を一定の厚さまで薄くすることによって、薄型化された基板の表面を所定面としてもよい。
【００６１】
また、第１の領域Ｒ１が空間（空気）、第２の領域がゲルマニウムである例を示したが、これに限定されない。第１の領域と第２の領域とは、互いに屈折率が異なり光に対する透光性を備えていればよく、例えば、第１の領域として、二酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム等を用いてもよい。
【００６２】
また、光学素子２０等を形成する光学素子構成体２３等として屈折率の高い誘電体であるゲルマニウム（Ｇｅ）を示したが、これに限られるものではない。また、上記各実施形態における各電極を構成する金属についてもここ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。
【００６３】
また、上記の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用することができる。例えば、第５の実施形態において、光学素子２０を第２〜第４の実施形態の光学素子２０Ｂ〜２０Ｄに代えてもよい。また、各実施形態において、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２とを入れ替えてもよい。この場合、例えば、光検出器の表面にゲルマニウム層が形成され、このゲルマニウム層に周期的に配列される空間（孔）が設けられるものである。
【００６４】
［参考形態］
図１８に示される参考形態の光検出ユニット１Ｆが第１の実施形態の光検出ユニット１と異なるのは、ゲルマニウムからなる光学素子構成体２３に代えて、金（Ａｕ）からなる光学素子構成体２３Ｆによって光学素子２０Ｆを構成している点である。光学素子構成体２３Ｆの形状及び配列は、第１の実施の形態における光学素子構成体２３と同様である。この場合、光学素子２０Ｆにおける第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２との屈折率の差ではなく、光学素子２０Ｆによる表面プラズモン効果によって所定方向の電界成分が生成される。
【００６５】
このような参考形態における光検出ユニット１Ｆも本実施形態と同様の製造方法によって製造することができる。すなわち、図５〜図１０に示される製造方法において、所定面形成工程で形成された所定面（表面１４ａ）に対して、光学素子構成体２３Ｆが所定の配列をなすように形成されることで、光検出ユニット１Ｆを製造することができる。なお、上記の他の実施形態における光学素子２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄの材料のみを金などの金属にすることで、他の参考形態における光検出ユニットを形成することができる。
【００６６】
［実施例］
本発明における光学素子について、光が出射する側の近傍における電界強度分布を計算した。また、本発明における光学素子について、第１の領域と第２の領域の屈折率差を変化させた場合に、所定の方向の電界成分への変換効率がどのように変化するかを計算した。
【００６７】
［電界強度分布］
図１３に示される光学素子２０Ｄを対象とした。光学素子２０Ｄの厚さ、並びに第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２の構成材料及び寸法は次のとおりである。なお、この場合の配列の周期ｄは１．５μｍである。
光学素子の厚さ…０．５μｍ
第１の領域…空気（屈折率１．０）、幅が０．８μｍ
第２の領域…ゲルマニウム（屈折率４．０）、幅が０．７μｍ
【００６８】
電界強度分布の計算は、ＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain）法（有限差分時間領域法）と呼ばれる逐次近似法にて行った。結果を図１５及び図１６に示す。ここで入射光は、波長５μｍの平面波であり、図１５及び図１６における下方から上方に向けて（つまり所定の方向に）入射させた。図１５は光学素子２０Ｄにおける第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２がなす面に（つまり所定の方向に垂直な面に）沿った方向の電界成分の強度を、図１６は当該面に垂直な電界成分の強度をそれぞれ示している。
【００６９】
この計算結果によれば、入射光が光学素子２０Ｄにおける第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２を透過するときに変調され、所定の方向の電界成分を有しない光の少なくとも一部が、当該所定の方向の電界成分を有するようになったことを確認することができた。そして、図１４によれば、所定の方向の電界成分は、光学素子２０Ｄの近傍に、且つ光学素子２０Ｄの出射側表面のうち第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２との境界付近から入射光が出射する方向に延びて、局在することが分かった。
【００７０】
換言すれば、図１６から明らかなように、自由空間を伝播する光には生じ得ない、光の伝播方向の電界成分が生じていることが分かる。また、図１５に示されるように第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２がなす面に沿った電界成分が光学素子２０Ｄから離れたところまで伝播しているのに対し、図１６に示されるように所定の方向の電界成分は光学素子２０Ｄの近傍に局在している。このことから、光学素子２０Ｄによる作用が、特許文献１に開示されているような単純な回折によるものではないことが分かる。
【００７１】
［屈折率差による電界成分の変換効率］
次に、第１の領域と第２の領域の屈折率差を変化させた場合に、所定の方向の電界成分への変換効率がどのように変化するかを計算した。上記光学素子２０Ｄの厚さを０．２μｍに変更し、且つ第２の領域Ｒ２の屈折率を変化させた場合に、所定の方向に垂直な方向の電界成分を所定の方向の電界成分へと変換する効率がどのように変化するかを計算した。結果を図１７に示す。図１７によれば、第２の領域Ｒ２の屈折率が１．０、すなわち第１の領域である空気と同じである場合には所定の方向の電界成分は生じていないが、第２の領域Ｒ２の屈折率を大きくするに従い所定の方向の電界成分の強度が大きくなる様子が分かる。
【符号の説明】
【００７２】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ…光検出ユニット（光検出器）、５ａ，５ｂ…バンプ、７…アンダーフィル材、１０…光検出部、１１，１１Ｅ…半導体積層体、１３，１４…コンタクト層、１４ａ…表面（所定面）、１８…基板、２０，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ…光学素子、２１…構造体、３０…信号処理部、３４ａ，３４ｂ…電極、１００…光検出器、１０５…バンプ群（バンプ）、１０７…アンダーフィル層（アンダーフィル材）、１１０…光検出層（光検出部）、１３０…信号処理層（信号処理部）、ｄ…周期、Ｒ１…第１の領域、Ｒ２…第２の領域。
【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１７】
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【図１８】
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【図１５】
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【図１６】
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