(57)【要約】【課題】大幅な小型化、長寿命化が図れる光学チョッパなどのよう分析計に好適に用いることができる半導体光変調または分光素子および光変調または分光方法を提供する。【解決手段】支持基板１、絶縁膜２および半導体薄膜３をこの順に積層させてなる半導体素子４と、前記半導体薄膜３に電圧を印加するための電極５，６とを備え、前記半導体薄膜３は、電圧の印加により光を変調または分光する不純物キャリアＣを含有する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板、絶縁膜および半導体薄膜をこの順に積層させてなる半導体素子と、前記半導体薄膜に電圧を印加するための電極とを備え、前記半導体薄膜は、電圧の印加により光を変調または分光する不純物キャリアを含有することを特徴とする半導体光変調または分光素子。
【請求項２】
前記電極は、少なくとも前記絶縁膜および半導体薄膜を挟んで形成されている請求項１に記載の半導体光変調または分光素子。
【請求項３】
前記光が赤外光である請求項１または２に記載の半導体光変調または分光素子。
【請求項４】
不純物キャリアを含有する半導体薄膜に対し、電圧を印加して前記不純物キャリアの状態を変化させ、光の変調または分光を行うことを特徴とする光変調または分光方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、赤外線ガス分析計その他の分析計に使用できる半導体光変調または分光素子および光変調または分光方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平８−３２７９２１号公報
分析計には、種々の光変調素子、分光素子が用いられている。例えば、赤外検出素子としてのパイロ型素子を用いる焦電型パイロ検出器は、抵抗型ボロメータや起電力型サーモパイルとは異なり、温度変化の時間微分に比例した出力を得る必要があり、入射赤外光の変調、チョッピングが不可欠である。
【０００３】
そして、赤外線検出器への入射光をチョッピングする従来の光学チョッパとしては、上記特許文献１に示すように、赤外線を遮光する遮光板（回転羽根）を回転させる回転式チョッパや、電圧を加えると変形する圧電素子を使用した振動式チョッパなどがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の構成からなる従来のいずれのタイプの光学チョッパも、赤外線を遮光するための遮光手段（遮光板など）を、赤外線を遮る位置と遮らない位置との間に繰り返し移動させる必要があり、そのためにある程度の機械的な変位を伴う装置を用いるものであったことから、さらなる小型化、長寿命化を図ることが大変困難となっていた。
【０００５】
ところで、極薄のシリコン層において不純物キャリアに起因する赤外吸収を外部から制御できれば、今までにないタイプの光学チョッパを実現することができ、例えば、その光学チョッパをパイロ型素子と一体化し（組み合わせ）、ＭＥＭＳ技術により小型化を行えば、非常に小型、安価で高感度な赤外センサを構成することが可能となる。
【０００６】
他方、本発明者らは、非常に薄く（数十μｍ）研磨された薄膜状（薄板状）のシリコンウェーハに１００ボルト以上の高電圧を断続的に印加すると、このシリコンウェーハ中の不純物キャリアが除去（移動）され、空乏層が生じることを確認した。また、別の実験により、空乏層化により前記シリコンウェーハが光変調素子・分光素子として作動することを確認した。これらの原理を適用すれば、上述したような非常に優れた光学チョッパを構成することが可能になる。
【０００７】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、大幅な小型化、長寿命化が図れる光学チョッパなどのよう分析計に好適に用いることができる半導体光変調または分光素子および光変調または分光方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の半導体光変調または分光素子は、支持基板、絶縁膜および半導体薄膜をこの順に積層させてなる半導体素子と、前記半導体薄膜に電圧を印加するための電極とを備え、前記半導体薄膜は、電圧の印加により光を変調または分光する不純物キャリアを含有する（請求項１）。
【０００９】
また、上記目的を達成するため、この発明の光変調または分光方法は、不純物キャリアを含有する半導体薄膜に対し、電圧を印加して前記不純物キャリアの状態を変化させ、光の変調または分光を行う（請求項４）。
【００１０】
上記の構成により、大幅な小型化、長寿命化が図れる光学チョッパなどのよう分析計に好適に用いることができる半導体光変調または分光素子および光変調または分光方法を提供することができる。
【００１１】
すなわち、前記半導体薄膜に対して印加する電圧を調整（制御）するだけで、半導体薄膜に入射する光を断続、あるいは変調することができ、従来のように機械的、物理的な変位を伴う装置を用いる必要がない。また、前記半導体薄膜の光が透過する部位における不純物キャリアの濃度（密度）の変化に伴って半導体薄膜が干渉により遮断する光波長領域も変化するため、透過させる光波長領域を選択することも可能となる。
【００１２】
また、前記光変調または分光素子は、半導体プロセスで製作することが可能であることから非常に安価に製作でき、さらに、もちろん単独で用いることもできるが、焦電型赤外線検出器に組み込むことも可能であり、例えば、パイロ型素子と一体化し（組み合わせ）、ＭＥＭＳ技術により小型化を行えば、非常に小型、安価で高感度な赤外線（熱型）検出器を実現することが可能となる。
【００１３】
また、前記電極は、少なくとも前記絶縁膜および半導体薄膜を挟んで形成されているとしてもよい（請求項２）。
【００１４】
この場合には、前記２つの電極に印加した電圧が及ぼす前記半導体薄膜内に存在する不純物キャリアへの影響が大きくなり、光変調または分光素子の性能が非常に高まることとなる。
【００１５】
さらに、前記変調または分光の対象とする光が赤外光であるとしてもよい（請求項３）。この場合には、赤外線（熱型）検出器への組み込みに最適なものとなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の詳細を、図を参照しながら説明する。
図１（Ａ）および（Ｂ）は、この発明の一実施例に係る半導体光変調または分光素子（以下、光変調素子という）Ｄの構成を概略的に示す説明図である。
前記光変調素子Ｄは、その内部を透過する光を変調又は分光（以下、変調等という）するものであり、ここでいう光の変調は、透過可能な光波長域を変化（シフト）させる変調のみならず、前記光の透過率を変化させ、ひいてはチョッピングする変調をも意味する。
【００１７】
そして、前記光変調素子Ｄは、支持基板１および絶縁膜２および半導体薄膜３を下側からこの順に積層させてなる半導体素子４と、この半導体素子４の外面に形成される電極５，６とを備え、前記電極５，６には電圧を印加するための印加手段７が接続されている。
【００１８】
前記支持基板１は、その厚さが５００μｍ程度となっており、変調等の対象とする光（本実施例では赤外光）を透過させる半導体基板であり、例えば、シリコン基板である。なお、前記支持基板１として、ゲルマニウム基板など変調等の対象とする光を透過させる他の半導体基板を用いてもよい。また、前記支持基板１は、ｐ型であってもよいし、ｎ型であってもよい。
【００１９】
前記絶縁膜２は、前記支持基板１の表面（上面）に形成される酸化膜であり、本実施例ではＳｉＯ２  （酸化シリコン）からなっている。また、前記絶縁膜２の厚さは０．５μｍ程度となっている。
【００２０】
なお、前記絶縁膜２を、酸化シリコンにより形成するのではなく、例えば、空気層によって形成してもよい。また、高誘電材料（誘電率の高い材料）を用いて前記絶縁膜２を形成すれば、すなわち、絶縁膜２が高い誘電率を持つように構成すれば、前記印加手段７によって印加する電圧を小さくすることができるというメリットが得られる。
【００２１】
前記半導体薄膜３は、前記絶縁膜２の上部（支持基板１と反対側の面側）においてエピタキシャル成長させた厚さ１０μｍ程度のシリコン単結晶体に、所定の濃度範囲のＰ（リン）等の不純物をドープして不純物キャリアＣを持たせたｎ型のシリコン薄膜からなる。前記不純物キャリアＣは、変調等の対象とする光（赤外線）を吸収する因子となるものである。すなわち、前記半導体薄膜３は、変調等の対象とする光（赤外光）を透過させる単結晶体（シリコン単結晶層）に前記光を吸収する不純物キャリアＣを含ませた状態としてなる。
【００２２】
前記半導体薄膜３は光変調素子Ｄの要となる部分であり、半導体薄膜３の膜厚と不純物濃度との関係が重要となる。すなわち、前記半導体薄膜３の厚さを数μｍ〜数百μｍ程度とした場合、所定の比抵抗（例えば、０．００５〜０．０２Ω・ｃｍ程度）となるように、シリコン単結晶層にドープする不純物の濃度を設定すればよい。
【００２３】
上記支持基板１、絶縁膜２および半導体薄膜３を有する半導体素子４は、例えば、シリコン基板表面に酸化膜層を形成し、さらにその上部にエピタキシャル成長したシリコン単結晶層を有するいわゆるＳＯＩウェーハ（基板）に対して、前記シリコン単結晶層に不純物イオン（リン）を打ち込む（ドープする）ことにより形成できる。
【００２４】
なお、前記半導体薄膜３は、ｎ型に限るものではなく、例えば、不純物としてボロンをドープすることによりｐ型としたものでもよい。また、半導体薄膜３は、単結晶体に限らず、多結晶体又はアモルファス構造であってもよい。
【００２５】
前記電極５，６は、少なくとも前記絶縁膜２および半導体薄膜３を挟んで形成されている。詳しくは、前記電極５，６は、それぞれ金属膜よりなり、光を透過させないように構成されている。また、前記電極５は、前記支持基板１の外面（下面）に形成され、前記電極６は、前記半導体薄膜３の外面（上面）に形成される。すなわち、本実施例では、前記電極５，６は、上記支持基板１、絶縁膜２および半導体薄膜３を有する半導体素子４を挟んで形成されている。そして、図２に示すように、各電極５，６は、平面視においてほぼ口形状をしており、中央部にそれぞれ透過窓部５ａ，６ａを有している。
【００２６】
前記印加手段７は、前記電極５，６に所定の電圧（例えば、３〜１００Ｖ程度）を印加するためのものであり、また、切換スイッチ８をＯＮ状態およびＯＦＦ状態に切り換えることにより、電極５，６に電圧がかかる状態とかからない状態とに切り換わるように構成されている。
【００２７】
次に、前記光変調素子Ｄを用いた光変調または分光方法について説明する。
まず、図１（Ａ）に示すように、前記切換スイッチ８をＯＦＦ状態とすると、前記電極６の透過窓部６ａから半導体薄膜３内に入射した光は、半導体薄膜３内に含まれ、半導体薄膜３内全体にわたってほぼ均一に分布した不純物キャリアＣにより、吸収されることとなる。
【００２８】
続いて、図１（Ｂ）に示すように、前記切換スイッチ８をＯＮ状態とすると、前記半導体薄膜３および絶縁膜２を挟んで配置された２つの電極５，６に電圧が印加されることとなるため、電圧が印加されたコンデンサと同様の状態となり、前記半導体薄膜３内の不純物キャリアＣは電極６にて覆われた周縁部（電極６付近）へと移動し、前記電極６にて覆われない中央部分（透過窓部６ａの下側に相当する部分、以下、光透過部位という）付近における不純物キャリアＣの密度（キャリア密度）は著しく低下し、不純物キャリアＣが空乏化した状態となる。
【００２９】
従って、前記電極５，６に電圧を印加した状態では、前記電極６の透過窓部６ａから半導体薄膜３内に入射した光は、半導体薄膜３内に含まれる不純物キャリアＣにほとんど吸収されることなく、半導体薄膜３の光透過部位を透過し、その下側の絶縁膜２および支持基板１をも透過することとなる。
【００３０】
その後、再び、図１（Ａ）に示すように、前記切換スイッチ８をＯＦＦ状態とすると、半導体薄膜３の周縁部へと移動していた不純物キャリアＣは元の状態、すなわち、半導体薄膜３内全体にわたってほぼ均一に分布した状態となり、前記電極６の透過窓部６ａから半導体薄膜３内に入射した光は、前記不純物キャリアＣにより吸収されることとなる。
【００３１】
上記のように、不純物キャリアＣを含む半導体薄膜３を有する半導体素子４に対し、電圧を印加する状態および印加しない状態に（ＯＮ，ＯＦＦに）切り換えることにより、前記半導体素子４を透過するほぼ全波長域の光の透過率を変化させる変調を行うことができ、ひいては前記電圧のＯＮ，ＯＦＦを繰り返すことで前記光のチョッピングを行う（光学チョッパとして機能させる）ことが可能となる。
【００３２】
また、前記電極５，６に印加する電圧の大きさを可変とし、これを調整することにより、前記半導体薄膜３の光透過部位における不純物キャリアＣの密度（キャリア密度）を変化させれば、前記半導体薄膜３の光透過部位付近の屈折率が変化することから、図３に示すように、前記半導体素子４を透過する光の波長域が変化（シフト）する変調が行われることとなる。なお、図３は、横軸に前記半導体素子４を透過する光の波長（μｍ）、縦軸に前記光の透過率（％）をとって、透過スペクトルの変化を示すグラフであり、実線は電極５，６に印加した電圧が低いときのスペクトル、破線は高いときのスペクトルである。
【００３３】
上記の構成からなる光変調素子Ｄおよびこの光変調素子Ｄを用いた光変調または分光方法では、半導体素子４の外面に設けられた電極５，６に印加する電圧を制御するだけで、半導体素子４に入射する光（赤外光）を断続、あるいは変調することができ、従来のように機械的、物理的な変位を伴う装置を用いる必要がないため、大幅な小型化が図れる光学チョッパの実現を可能とし、また、前記半導体薄膜３の光透過部位における不純物キャリアの濃度（密度）の変化に伴って半導体素子４が干渉により遮断する光波長領域（赤外波長領域）も変化するため、被測定対象となる光波長領域を選択することも可能となる。
【００３４】
また、前記光変調素子Ｄは、半導体プロセスで製作することが可能であることから非常に安価に製作でき、さらに、もちろん種々の分析計で用いることもできるが、焦電型赤外線検出器に組み込むことも可能であり、例えば、パイロ型素子と一体化し（組み合わせ）、ＭＥＭＳ技術により小型化を行えば、非常に小型、安価で高感度な赤外線（熱型）検出器を実現することが可能となる。
【００３５】
なお、上記実施例では、前記電極５を、前記支持基板１の外面（下面）に形成してあるが、このような構成に限るものではなく、例えば、図４（Ａ）および（Ｂ）に示すように、前記電極５を、絶縁膜２における半導体薄膜３側の面と反対側の面（支持基板１側の面）に形成してもよい。この場合の前記光変調素子Ｄの作動並びに光変調素子Ｄを用いた光変調または分光方法も、上記と同様であることから、その説明は省略する。
【００３６】
また、前記電極５，６は、平面視においてほぼ口形状をしており、中央部にそれぞれ透過窓部５ａ，６ａを有しているものに限られず、例えば、図５（Ａ）に示すように、平面視がほぼ櫛形となる部位を複数有し、各部位の隙間が、光を透過させる透過窓部５ａ，６ａとなるように構成されていてもよく、また、図５（Ｂ）に示すように、平面視において行列状に配置される複数の透過窓部５ａ，６ａを有するほぼ格子状をしていてもよい。
【００３７】
さらに、上記実施例に示した光変調素子Ｄにおいて、それぞれの入出射側両面（表裏両面）、すなわち、前記半導体薄膜３の上面（表面）と支持基板１の下面（裏面）とのいずれか一方または両方に、反射防止膜を形成して、反射光を減少させるようにしてもよく、また、出射側の面（裏面）に反射膜を形成して反射鏡とするように構成してもよい。さらに、前記支持基板１の一部、例えば、光透過部位となる中央部における下部分などをエッチングにより除去し、半導体素子４に入射した光をより透過させるように構成してもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、大幅な小型化、長寿命化が図れる光学チョッパなどのよう分析計に好適に用いることができる半導体光変調または分光素子および光変調または分光方法を提供することができる。
【００３９】
すなわち、前記半導体薄膜に対して印加する電圧を調整（制御）するだけで、半導体薄膜に入射する光を断続、あるいは変調することができ、従来のように機械的、物理的な変位を伴う装置を用いる必要がない。また、前記半導体薄膜の光が透過する部位における不純物キャリアの濃度（密度）の変化に伴って半導体薄膜が干渉により遮断する光波長領域も変化するため、透過させる光波長領域を選択することも可能となる。
【００４０】
また、前記光変調または分光素子は、半導体プロセスで製作することが可能であることから非常に安価に製作でき、さらに、もちろん単独で用いることもできるが、焦電型赤外線検出器に組み込むことも可能であり、例えば、パイロ型素子と一体化し（組み合わせ）、ＭＥＭＳ技術により小型化を行えば、非常に小型、安価で高感度な赤外線（熱型）検出器を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）および（Ｂ）は、この発明の一実施例に係る半導体光変調または分光素子の構成を概略的に示す説明図である。
【図２】上記実施例における電極の構成を概略的に示す平面図である。
【図３】透過スペクトルの変化を概略的に示すグラフである。
【図４】（Ａ）および（Ｂ）は、前記半導体光変調または分光素子の変形例の構成を概略的に示す説明図である。
【図５】（Ａ）および（Ｂ）は、前記電極の変形例および他の変形例の構成を概略的に示す平面図である。
【符号の説明】
１…支持基板、２…絶縁膜、３…半導体薄膜、４…半導体素子、５，６…電極、Ｃ…不純物キャリア、Ｄ…光変調素子。
【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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