(57)【要約】  この光検出器１Ａは、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し、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１０Ａと、光学素子１０Ａに対し所定の方向における一方の側とは反対側の他方の側に配置され、光学素子１０Ａにより生じさせられた所定の方向の電界成分によって電流を生じる半導体積層体４２を有する半導体層４０と、を備え、第２の領域の他方の側の端部は、第１の領域の他方の側の端部よりも他方の側に位置しており、第１の領域は、第２の領域の屈折率よりも大きい屈折率を有する誘電体からなる。
2014174866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の領域、及び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し、前記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、
前記光学素子に対し前記所定の方向における一方の側とは反対側の他方の側に配置され、前記光学素子により生じさせられた前記所定の方向の電界成分によって電流を生じる半導体積層体を有する半導体層と、を備え、
前記第２の領域の前記他方の側の端部は、前記第１の領域の前記他方の側の端部よりも前記他方の側に位置しており、
前記第１の領域は、前記第２の領域の屈折率よりも大きい屈折率を有する誘電体からなる、光検出器。
【請求項２】
前記第１の領域は、ゲルマニウム、又は、ゲルマニウムを含む化合物からなる、請求項１記載の光検出器。
【請求項３】
前記第１の領域は、ゲルマニウムからなる、請求項１記載の光検出器。
【請求項４】
前記半導体層は、前記第２の領域の屈折率よりも大きい屈折率を有する半導体からなる、請求項１〜３のいずれか一項記載の光検出器。
【請求項５】
第１の領域、及び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し、前記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、
前記光学素子に対し前記所定の方向における一方の側とは反対側の他方の側に配置され、前記光学素子により生じさせられた前記所定の方向の電界成分によって電流を生じる半導体積層体を有する半導体層と、を備え、
前記第２の領域の前記他方の側の端部は、前記第１の領域の前記他方の側の端部よりも前記他方の側に位置しており、
前記第１の領域は、前記光により表面プラズモンが励起される金属からなる、光検出器。
【請求項６】
前記半導体層の前記一方の側の表面には、凹部が形成されており、前記第２の領域の前記他方の側の端部は、前記凹部に至っている、請求項１〜５のいずれか一項記載の光検出器。
【請求項７】
前記第２の領域は、複数種の材料からなる、請求項１〜６のいずれか一項記載の光検出器。
【請求項８】
前記半導体積層体は、前記所定の方向に沿って積層された複数の量子カスケード構造を有し、
前記量子カスケード構造のそれぞれは、電子が励起されるアクティブ領域と、前記電子を輸送するインジェクタ領域と、を含む、請求項１〜７のいずれか一項記載の光検出器。
【請求項９】
前記半導体層は、前記半導体積層体の前記一方の側の表面に形成された第１のコンタクト層と、
前記半導体積層体の前記他方の側の表面に形成された第２のコンタクト層と、を更に有する、請求項１〜８のいずれか一項記載の光検出器。
【請求項１０】
前記第１のコンタクト層と電気的に接続された第１の電極と、
前記第２のコンタクト層と電気的に接続された第２の電極と、を更に備える、請求項９記載の光検出器。
【請求項１１】
前記半導体層及び前記光学素子が前記他方の側から順に積層された基板を更に備える、請求項９又は１０記載の光検出器。
【請求項１２】
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、０．５〜５００μｍである、請求項１〜１１のいずれか一項記載の光検出器。
【請求項１３】
前記光は、赤外線である、請求項１〜１２のいずれか一項記載の光検出器。
【請求項１４】
前記光学素子は、前記一方の側から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、請求項１〜１３のいずれか一項記載の光検出器。
【請求項１５】
前記光学素子は、前記半導体積層体を介して前記他方の側から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、請求項１〜１３のいずれか一項記載の光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出器に関する。
【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。【０００７】
また、半導体積層体の積層方向に対して入射面が斜めとなるように加工した光検出器が知られている（特許文献２参照）。この例では、当該入射面から屈折して入射した光がチップ内で全反射を繰り返すことによって、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】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１５６５１３号公報
【特許文献２】特開２０１２−６９８０１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【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】
【００１０】
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いる。【００１１】
しかしながら、非特許文献１記載の光検出器は、量子井戸構造として、等しい井戸幅の量子井戸を単純に積層したＱＷＩＰ構造を有しており、これを光検出器として動作させるためには外部からバイアス電圧を印加する必要があり、これによる暗電流が光感度に与える悪影響を無視できない。【００１２】
また、特許文献１記載の光検出器では、実効的な光感度を得るためには量子井戸構造を何周期も積層して、光吸収層を何層も形成する必要がある。【００１３】
また、特許文献２記載の光検出器は、回折による光の伝搬方向は完全には水平にはならず、ごく一部のみが光電変換に寄与するにとどまり、十分な光感度を得ることはできない。【００１４】
そこで、本発明は、量子井戸構造や量子カスケード構造等を有する半導体積層体を用いて、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】
【００１５】
本発明の光検出器は、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し、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、光学素子に対し所定の方向における一方の側とは反対側の他方の側に配置され、光学素子により生じさせられた所定の方向の電界成分によって電流を生じる半導体積層体を有する半導体層と、を備え、第２の領域の他方の側の端部は、第１の領域の他方の側の端部よりも他方の側に位置しており、第１の領域は、第２の領域の屈折率よりも大きい屈折率を有する誘電体からなる。【００１６】
この光検出器が備える光学素子は、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。そして、この電界成分により、半導体積層体に電流が生じる。従って、この光検出器によれば、量子井戸構造や量子カスケード構造等を有する半導体積層体を用いて、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ことができる。【００１７】
ここで、第１の領域は、ゲルマニウムからなっていてもよく、ゲルマニウムを含む化合物からなっていてもよい。また、半導体層は、第２の領域の屈折率よりも大きい屈折率を有する半導体からなっていてもよい。これらによれば、光学素子が、所定の方向の電界成分を有しない光から、所定の方向の電界成分を一層効率よく生じさせることができる。【００１８】
また、本発明の光検出器は、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し、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、光学素子に対し所定の方向における一方の側とは反対側の他方の側に配置され、光学素子により生じさせられた所定の方向の電界成分によって電流を生じる半導体積層体を有する半導体層と、を備え、第２の領域の他方の側の端部は、第１の領域の他方の側の端部よりも他方の側に位置しており、第１の領域は、光により表面プラズモンが励起される金属からなる。【００１９】
この光検出器が備える光学素子は、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。そして、この電界成分により、半導体積層体に電流が生じる。従って、この光検出器によれば、量子井戸構造や量子カスケード構造等を有する半導体積層体を用いて、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ことができる。【００２０】
本発明の光検出器においては、半導体層の一方の側の表面には凹部が形成されており、第２の領域の他方の側の端部は凹部に至っていてもよい。これによれば、光学素子が、所定の方向の電界成分を有しない光から、所定の方向の電界成分を一層効率よく生じさせることができる。【００２１】
また、第２の領域は、複数種の材料からなっていてもよい。この場合でも、本発明の効果が奏される。【００２２】
また、半導体積層体は、所定の方向に沿って積層された複数の量子カスケード構造を有し、量子カスケード構造のそれぞれは、電子が励起されるアクティブ領域と、電子を輸送するインジェクタ領域と、を含んでいてもよい。この場合、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輸送されることで、量子カスケード構造に電流を生じる。このため、光検出器を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い。また、このような量子カスケード構造が所定の方向に沿って複数積層されることにより、より大きな電流を生じるため、光検出器の光感度が高くなる。【００２３】
半導体層は、半導体積層体の一方の側の表面に形成された第１のコンタクト層と、半導体積層体の他方の側の表面に形成された第２のコンタクト層と、を更に有していてもよい。また、この場合、第１のコンタクト層と電気的に接続された第１の電極と、第２のコンタクト層と電気的に接続された第２の電極と、を更に備えていてもよい。これらによれば、半導体積層体で生じる電流を効率的に検出することができる。【００２４】
本発明の光検出器は、半導体層及び光学素子が他方の側から順に積層された基板を更に備えていてもよい。これによれば、光検出器の各構成の安定化を図ることができる。【００２５】
本発明の光検出器が備える光学素子において、第１の領域に対する第２の領域の配列の周期は、０．５〜５００μｍであってもよい。これによれば、所定の方向に沿って光が光学素子に入射したときに、所定の方向の電界成分を一層効率よく生じさせることができる。【００２６】
本発明の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。【００２７】
本発明の光検出器においては、光学素子が、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ってもよいし、或いは、光学素子が、半導体積層体を介して他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ってもよい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、量子井戸構造や量子カスケード構造等を有する半導体積層体を用いて、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ことができる光検出器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【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】光学素子の部分拡大断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の光検出器の変形例の断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の光検出器の変形例の断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の光検出器の断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態の光検出器の断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態の光検出器の変形例の平面図である。
【図９】図８のIX−IX線に沿っての断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態の光検出器の変形例の平面図である。
【図１１】図１０のXI−XI線に沿っての断面図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態の光検出器の平面図である。
【図１３】図１２のXIII−XIII線に沿っての断面図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態の光検出器の変形例の平面図である。
【図１５】図１４のXV−XV線に沿っての断面図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態の光検出器の変形例の平面図である。
【図１７】本発明の第５の実施形態の光検出器の断面図である。
【図１８】本発明の第６の実施形態の光検出器の平面図である。
【図１９】図１８のXIX−XIX線に沿っての断面図である。
【図２０】ＦＤＴＤ法による電界強度分布である。
【図２１】半導体層の凹部の深さに応じて計算した電界強度のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、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。なお、本実施形態の光検出器が検出するべき光（光学素子に入射する光）は、赤外線（波長が１〜１０００μｍの光）である。
【００３１】
［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１Ａは、ｎ型のＩｎＰからなる厚さ３００〜５００μｍの矩形板状の基板２を備え、これに所定の方向に沿って、半導体層４０と、電極６，７と、光学素子１０Ａとが積層されている。この光検出器１Ａは、半導体層４０における量子サブバンド間遷移の光吸収を利用する光検出器である。
【００３２】
基板２の一方の側（所定の方向における一方の側）の表面２ａの全面には、半導体層４０が設けられている。半導体層４０は、基板２の表面２ａから順に、コンタクト層（第２のコンタクト層）４１と、複数の量子カスケード構造が積層された半導体積層体４２と、コンタクト層（第１のコンタクト層）４３とが積層されて形成されている。半導体層４０の表面４０ａの中央には、表面４０ａの全面よりも小さな領域において光学素子１０Ａが設けられている。つまり、光学素子１０Ａは、平面視した場合に半導体層４０の表面４０ａに含まれるように配置されている。半導体層４０の表面４０ａのうち、光学素子１０Ａが設けられていない周縁の領域には、電極（第１の電極）６が光学素子１０Ａを囲むように環状に形成されている。一方、基板２の表面２ａとは反対側（所定の方向における他方の側）の表面２ｂの全面には、もう一つの電極（第２の電極）７が設けられている。
【００３３】
半導体積層体４２における複数の量子カスケード構造はそれぞれ、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４２ａが光学素子１０Ａ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４２ｂ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４２においては、アクティブ領域４２ａとインジェクタ領域４２ｂ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。
【００３４】
アクティブ領域４２ａ及びインジェクタ領域４２ｂ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４２ａ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ウェル層として機能し、ＩｎＡｌＡｓの層は、当該ＩｎＧａＡｓの層を挟んでバリア層として機能する。一方、インジェクタ領域４２ｂ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４２ａ及びインジェクタ領域４２ｂの合計として、例えば１６である。アクティブ領域４２ａの構造によって、吸収される光の中心波長が決まる。
【００３５】
コンタクト層４１，４３は、半導体積層体４２で生じた電流を検出するために、半導体積層体４２と電極７，６とをそれぞれ電気的に連絡するための層であり、ｎ型のＩｎＧａＡｓからなる。コンタクト層４１の厚さは０．１〜１μｍが好ましい。一方、コンタクト層４３の厚さは、後述する光学素子１０Ａによる効果が量子カスケード構造に及びやすいように、可能な限り薄く、具体的には５〜１００ｎｍが好ましい。なお、電極６，７は、Ｔｉ／Ａｕからなるオーミック電極である。
【００３６】
光学素子１０Ａ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１０Ａは、構造体１１を備えており、構造体１１は、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に対し入射光の波長に応じて０．５〜５００μｍ（入射光の波長以下とする。）となる周期ｄにより周期的に配列された第２の領域Ｒ２を有する。光検出器１Ａが検出する光の波長領域は光学素子の周期ｄによって決まるため、半導体積層体４２で電子が励起される中心波長を含むように設計される。
【００３７】
第１の領域Ｒ１は、誘電体（例えばゲルマニウム；屈折率＝４．０）からなり、所定の方向に厚さを有し、所定の方向に垂直な面に沿って棒状に延びる棒状体１３ａをなしている。棒状体１３ａは、第２の領域Ｒ２である空間（空気）Ｓとともに、ストライプ状をなしている（図１も参照）。図３に示されるように、空間Ｓの他方の側の端部Ｓａは、棒状体１３ａの他方の側の端部１３ｂよりも他方の側に突出している。なお、第１の領域Ｒ１の厚さは１０ｎｍ〜２μｍであることが好ましい。
【００３８】
図２に示されるように、半導体層４０の一方の側の中央表面には、コンタクト層４３の一部をストライプ状に残し、他の部分を除去することによって凹部が形成されている（いわゆるリセス形状とされている）。光学素子１０Ａは、他方の側に突出した第２の領域Ｒ２の端部Ｓａが当該凹部に至るようにして、半導体層４０上に設けられている。このとき、光学素子１０Ａの第１の領域Ｒ１の他方の側の端部１３ｂは、ストライプ状に残されたコンタクト層４３の一方の側の表面に接し、他方の側に突出した第２の領域Ｒ２の端部Ｓａは、ストライプ状に残されたコンタクト層４３同士の側面に挟まれる恰好となる。なお、凹部の深さは５〜５００ｎｍが好ましい。
【００３９】
このような半導体層４０の表面４０ａの形状及び光学素子１０Ａの形状は、凹部形成前の平坦なコンタクト層の全面に誘電体を積層した後、ドライエッチングにより、誘電体及びコンタクト層をストライプ状にパターン形成することにより作製することができる。なお、このドライエッチングは、半導体積層体４２にまで達してもよい。図２には、ドライエッチングが半導体積層体４２のアクティブ領域４２ａの一部に達した様子が描かれている。
【００４０】
なお、上記光検出器１Ａにおいて、各材料の屈折率の大きさの関係は、第１の領域Ｒ１＞半導体層４０＞第２の領域Ｒ２となっている。
【００４１】
以上のように構成された光検出器１Ａは、上記光学素子１０Ａを備えているため、所定の方向における一方の側からこの光学素子１０Ａに光が入射した場合（例えば、半導体積層体４２の積層方向から平面波が入射した場合）、当該光は、構造体１１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、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。この電界の大きさは、半導体層４０の表面４０ａに凹部が形成されていることにより、凹部が形成されていない場合に比べて増強されている。また、各材料の屈折率の大きさの関係は、第１の領域Ｒ１＞半導体層４０＞第２の領域Ｒ２となっていること、第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２の配列の周期ｄが０．５〜５００μｍであること等から、光の変調が一層効率よく行われる。
【００４２】
光学素子１０Ａ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４２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、量子カスケード構造におけるアクティブ領域４２ａで電子が励起され、この電子がインジェクタ領域４２ｂ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。この電流が電極６，７を介して検出される。すなわち、この光検出器１Ａによれば、半導体積層体４２の積層方向の電界成分を有しない光を検出することができる。なお、電極６からは電子が供給されるため、電流連続の条件が満たされる。
【００４３】
また、所定の方向の電界成分は、後述するシミュレーションから明らかなように、光学素子１０Ａと半導体層４０の界面において最も強度が高くなるが、半導体層４０の深い領域においてもその強度はゼロではなく、深くなるに従って減衰しながらも存在している。半導体積層体４２は量子カスケード構造を多段に有しているため、深い領域に届いている電界成分によっても光励起電子を有効に発生させる。このため、光検出器の光感度が一層高められているといえる。
【００４４】
また、本発明の光検出器１Ａは、半導体層４０及び光学素子１０Ａを支持する基板２を更に備えているため、光検出器１Ａの各構成が安定化されている。
【００４５】
従来、非特許文献１記載の光検出器が知られているが、当該光検出器は、量子井戸構造として、等しい井戸幅の量子井戸を単純に積層したＱＷＩＰ構造を採用しているため、これを光検出器として動作させるためには外部からバイアス電圧を印加する必要があり、これによる暗電流が光感度に与える悪影響を無視できない。これに対して本実施形態の光検出器１Ａは、インジェクタ領域４２ｂが、アクティブ領域４２ａ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。従って、この光検出器１Ａによれば、半導体積層体４２の積層方向の電界成分を有しないより微小な強さの光を高い感度で検出することができる。例えば、中赤外光検出器として従来から知られているＰｂＳ（Ｓｅ）やＨｇＣｄＴｅを用いた検出器に比べて、より弱い光を検出することが可能になる。
【００４６】
また、非特許文献１記載の光検出器では、所定の方向の電界成分を生じさせるために表面プラズモン共鳴を利用している。これによれば、入射光（ここでは赤外線）の一部が金の薄膜により遮光されるうえ、表面プラズモン共鳴自体もエネルギー損失が大きい傾向があり、光感度の低下を招く場合がある。更に、表面プラズモン共鳴は、金属中の自由電子が光の電界成分等と結合した結果生じる振動の共鳴状態をいうことから、表面プラズモン共鳴を利用するためには、光が入射する面に自由電子が存在することが不可欠であるという制限がある。これに対し、本実施形態の光検出器１Ａでは、第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２がいずれも入射光に対して透過性を有し、且つ光の変調に表面プラズモン共鳴を利用しないため、非特許文献１記載の光検出器で懸念される光感度の低下が生じず、且つ使用材料が自由電子を有する金属に制限されないという利点がある。
【００４７】
また、上記特許文献１記載の光検出器では、光透過層の表面に回折格子を形成するため、光検出器としての設計の自由度が低い。これに対し、本実施形態の光検出器１Ａでは、光学素子１０Ａは半導体層４０とは別に形成されるものであるため、材料の選択、並びに、光学素子１０Ａの形成及び加工の技術の選択の幅が広い。従って、本実施形態の光検出器１Ａは、入射光の波長や所望の光感度等に応じた設計の自由度が高い。
【００４８】
なお、上記第１の実施形態の光検出器１Ａは、図４に示されるように、光学素子１０Ａに、ＳｉＯ２やＳｉＮ等の絶縁材料からなるパッシベーション膜１０ａを施してもよい。この場合、第２の領域Ｒ２は、空気とパッシベーション膜１０ａという複数種の材料からなる。パッシベーション膜１０ａを設けることによって、所定の方向の電界成分の発生効率が多少低下することが予測されるが、光学素子１０Ａの表面を水分等によるダメージから守ることができるため、素子の劣化を防ぐ効果がある。
【００４９】
また、上記第１の実施形態の光検出器１Ａは、図５に示されるように、量子カスケード構造が多段ではなく一段であってもよい。この場合でも、上記電界の増強効果が奏されるため、実効的な光感度が得られる。
【００５０】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図６に示される第２の実施形態の光検出器１Ｂが第１の実施形態の光検出器１Ａと異なる点は、半導体積層体が、量子カスケード構造に替えて、通常の量子井戸構造を有する点である。
【００５１】
本実施形態における半導体積層体４４は、検出しようとする光の波長に合わせて設計された多重量子井戸構造を有するものであり、厚さは５０ｎｍ〜１μｍ程度である。具体的には、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。
【００５２】
以上のように構成された光検出器１Ｂは、電極６，７を通じて外部からバイアス電圧が印加されると、半導体積層体４４内にポテンシャル傾斜が形成される。光学素子の作用により生じた所定の方向の電界成分により、量子井戸構造において電子が励起され、この電子がポテンシャル傾斜によって電極６，７を介して検出される。すなわち、この光検出器１Ｂによれば、半導体積層体４４の積層方向の電界成分を有しない光を検出することができる。なお、電極６からは電子が供給されるため、電流連続の条件が満たされる。また、本実施形態では、上記電界の増強効果が奏されるため、バイアス電圧による暗電流が光感度に与える影響が相対的に小さくなるため、光感度が良好に保たれる。
【００５３】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図７に示される第３の実施形態の光検出器１Ｃが第２の実施形態の光検出器１Ｂと異なる点は、半導体層４０が、その表面４０ａ（ただし、電極６の直下を除く。）にコンタクト層を有しない点である。
【００５４】
後述するシミュレーションから明らかなように、所定の方向の一方側から光学素子１０Ａに入射した光から生じる所定の方向の電界成分が最も強く現れるのは、光学素子１０Ａにおける他方側の表面付近である。従って、本実施形態の光検出器１Ｃは、光学素子１０Ａと半導体積層体４４とが直接接しているために、コンタクト層４３が介在している場合と比べて光感度が高い。
【００５５】
なお、上記第３の実施形態の光検出器１Ｃは、図８及び図９に示されるように、コンタクト層を、光学素子１０Ａの棒状体１３ａの長手方向の両端部において棒状体１３ａ間を架け渡すように設けた態様としてもよい。また、図１０及び図１１に示されるように、半導体層４０の表面４０ａに凹部を形成するに際し、コンタクト層４３の途中でドライエッチングを止めて、コンタクト層４３が半導体層４０の全面に残るように凹部を形成した態様としてもよい。この態様においては、コンタクト層４３をあらかじめ厚めに成膜しておいてもよい。コンタクト層４３を残すことにより、電極６と電極７との間の電流の流れがよりスムーズになり、損失を一層減らすことができる。
【００５６】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図１２及び図１３に示される第４の実施形態の光検出器１Ｄが第２の実施形態の光検出器１Ｂと異なる点は、光学素子１０Ａに替えて、形状の異なる光学素子１０Ｂを備えている点である。
【００５７】
光学素子１０Ｂは、誘電体（例えばゲルマニウム）からなる第１の領域Ｒ１（棒状体１３ａ）が、第２の領域Ｒ２である空間（空気）Ｓとともに、ストライプ状をなしている。各第１の領域Ｒ１は、その長手方向の両端部において、第１の領域Ｒ１を構成する誘電体材料によって互いに連結されている。換言すれば、光学素子１０Ｂは、誘電体からなる膜体にスリット状の孔が周期的に設けられた形状をしている。スリット状の孔からは、半導体層４０の表面４０ａが覗いている。このような態様であっても、光検出器１Ｄは機能を発揮する。
【００５８】
なお、上記第４の実施形態の光検出器１Ｄは、その光学素子１０Ｂを別の態様とすることもできる。例えば、図１４及び図１５に示されるように、第１の領域Ｒ１を、所定の方向に高さを有する円柱体１３ｃとし、所定の方向に垂直な面に沿って平面視正方格子状に配置して構成することもできる。このとき、第２の領域Ｒ２は、円柱体１３ｃ間の空間Ｓである。上記第４の実施形態の光検出器１Ｄでは、所定の方向の電界成分を生じさせることができる光が、スリット形状の貫通孔が並ぶ方向に偏光を有する光に限られていたが、図１４及び図１５に示された光学素子１０Ｂを備える光検出器１Ｄでは、第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２が二次元方向に周期的に配列しているため、所定の方向の電界成分を生じさせることができる光の偏光方向が二種類に増加することになる。
【００５９】
また、当該円柱体１３ｃの配置を、正方格子状に替えて、図１６に示されるように、三角格子状とすることもできる。これによれば、正方格子状の配列に比べて、入射光の偏光方向に対する依存性が更に小さくなる。
【００６０】
［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図１７に示される第５の実施形態の光検出器１Ｅが第２の実施形態の光検出器１Ｂと異なる点は、光学素子１０Ａに替えて、金からなる光学素子１０Ｃを備えている点である。
【００６１】
このように構成された光検出器１Ｅは、自由電子を有する金からなる第１の領域Ｒ１及び空気からなる第２の領域Ｒ２が所定の方向に垂直な面に沿って周期的に配列された光学素子１０Ｃを備えているため、所定の方向における一方の側からこの光学素子１０Ｃに光が入射した場合、表面プラズモン共鳴により表面プラズモンが励起される。このとき、所定の方向の電界成分が生じ、以下、第２の実施形態の光検出器１Ｂと同様の作用により、光を検出することができる。
【００６２】
［第６の実施形態］
本発明の第６の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。図１８及び図１９に示される第６の実施形態の光検出器１Ｆが第２の実施形態の光検出器１Ｂと異なる点は、基板として半絶縁性タイプのＩｎＰ基板２ｃを使用している点、半導体積層体４４がコンタクト層４１の表面４１ａの全面よりも小さな面積をもち、コンタクト層４１の表面４１ａの全面ではなく中央に設けられている点、及び、電極７が、コンタクト層４１の表面４１ａのうち半導体積層体４４が設けられていない周縁の領域に、半導体積層体４４を囲むように環状に形成されている点である。このような電極７は、コンタクト層４１、半導体積層体４４、コンタクト層４３を一旦積層した後で、コンタクト層４３及び半導体積層体４４をエッチング除去してコンタクト層４１の表面４１ａを露出させることにより形成可能である。
【００６３】
更に、光検出器１Ｆでは、基板２ｃのコンタクト層４１とは反対側の表面に電極が設けられていないため、光検出器１Ｆの裏面側（所定の方向における他方の側）から光を入射させて、その光を検出することが可能になる。これにより、光学素子１０Ａによる入射光の反射及び吸収を回避することができるため、一層の光感度の増大が可能になる。また、このように電磁誘導の小さな半絶縁性タイプの基板２ｃを用いることにより、低ノイズ化や高速化、あるいはアンプ回路等との集積回路が実現しやすくなる。更に、パッケージ、サブマウント或いは集積回路等に光検出器１Ｆをフリップチップボンディングにより搭載した状態で、簡便に光を入射させることができるため、特にイメージセンサ等への発展の可能性が広がるというメリットがある。
【００６４】
なお、本実施形態においても基板としてｎ型のＩｎＰ基板を用いることもできる。
【００６５】
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。上記実施形態は、光学素子の態様と半導体層の態様とを自由に組み合わせることができる。例えば、第３の実施形態、第４の実施形態又は第５の実施形態における光学素子と、第１の実施形態における量子カスケード構造（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態様、又は量子カスケード構造が一段である態様）とを組み合わせてもよい。
【００６６】
また、上記実施形態では、ＩｎＰ基板上に形成した半導体積層体が、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積層構造を適用することができる。
【００６７】
また、第１の実施形態では、光学素子１０Ａの材料である屈折率の高い誘電体としてゲルマニウム（Ｇｅ）を示したが、これに限られるものではない。他の材料としては、例えば、ゲルマニウムを含む化合物が挙げられる。その一例として、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）が挙げられる。第５の実施形態では、光学素子１０Ａの材料として金（Ａｕ）を示したが、アルミニウム（Ａｌ）や銀（Ａｇ）などの電気抵抗が低い他の金属であってもよい。また、上記各実施形態におけるオーミック電極６，７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。
【００６８】
また、上記実施形態では第２の領域が空気である態様を示したが、屈折率が第１の領域＞第２の領域となる限りにおいて、第２の領域を空気以外の材料で構成された態様としてもよい。このとき、屈折率が第１の領域＞半導体層＞第２の領域となる材料であればなお良い。
【００６９】
また、本発明の光検出器においては、光学素子が、所定の方向における一方の側から光が入射したときに当該所定の方向の電界成分を生じさせるものであってもよいし、或いは、光学素子が、半導体積層体を介して所定の方向における他方の側から光が入射したときに当該所定の方向の電界成分を生じさせるものであってもよい。つまり、本発明の光学素子は、所定の方向に沿って光が入射したときに当該所定の方向の電界成分を生じさせるものである。
【実施例】
【００７０】
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シミュレーションにより計算した。【００７１】
第１の実施形態の光学素子１０Ａ及び半導体層４０を対象とした。各寸法は次のとおりに設定した。
周期ｄ＝１．６μｍ
第１の領域…ゲルマニウム（屈折率４．０）、厚さ０．８μｍ、幅０．８μｍ
第２の領域…空気（屈折率１．０）、厚さ０．８３μｍ、幅が０．８μｍ
コンタクト層の厚さ…２０μｍ
半導体積層体の厚さ…５０ｎｍ
半導体層に形成された凹部の深さ…３０ｎｍ【００７２】
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２０に示す。ここで入射光は、波長５．２μｍの平面波であり、図２０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。偏光方向は、光学素子１０Ａの棒状体１３ａが並ぶ方向とした。図２０は光学素子１０Ａ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）垂直な電界成分の強度を示している。【００７３】
入射光は一様な平面波であり、その電界成分は横方向にしか存在しない。図２０によれば、第１の領域（ゲルマニウム）と第２の領域（空気）との周期的な配列により、入射光に含まれていなかった所定方向の電界成分が新たに生じていることが分かる。また、所定の方向の電界成分は、光学素子１０Ａと半導体層４０の界面において最も強度が高くなることがわかる。【００７４】
図２１に、光吸収層である半導体積層体４２の内部のある点における所定の方向の電界強度を、半導体層の凹部の深さに応じて計算した結果をグラフとして示す。凹部の深さ以外の形状及び寸法は、図２０の計算に用いたものと同じである。このモデルでは、凹部の深さが３０ｎｍの時に垂直電界強度が最も大きくなることがわかる。また凹部の深さが１００ｎｍの場合でも、凹部が全く形成されていない場合（すなわち、第２の領域の他方の側の端部が、第１の領域の他方の側の端部よりも他方の側に突出していない場合）に比べると、より大きな電界が生じることがわかる。
【符号の説明】
【００７５】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ…光検出器、２，２ｃ…基板、６…電極（第１の電極）、７…電極（第２の電極）、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…光学素子、１１…構造体、１３ｂ…端部（第１の領域の他方の側の端部）、４０…半導体層、４０ａ…表面（半導体層の一方の側の表面）、４１…コンタクト層（第２のコンタクト層）、４２，４４…半導体積層体、４２ａ…アクティブ領域、４２ｂ…インジェクタ領域、４３…コンタクト層（第１のコンタクト層）、Ｒ１…第１の領域、Ｒ２…第２の領域、Ｓａ…端部（第２の領域の他方の側の端部）。
【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２１】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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