(57)【要約】【課題】設計自由度を低下させることなく、感度の向上を図ることができる受光素子を提供する。【解決手段】受光素子１は、入射光を表面プラズモンに変換する周期構造領域１ａと、周期構造領域１ａの外縁に沿うように配置され、表面プラズモンに応じて電荷を発生する光電変換領域１ｂと、周期構造領域１ａの内側に位置するように配置され、表面プラズモンに応じて電荷を発生する光電変換領域１ｃと、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を表面プラズモンに変換する周期構造領域と、
前記周期構造領域の外縁に沿うように配置され、表面プラズモンに応じて電荷を発生する第一光電変換領域と、
前記周期構造領域の内側に位置するように配置され、表面プラズモンに応じて電荷を発生する第二光電変換領域と、を備えることを特徴とする受光素子。
【請求項２】
前記周期構造領域は、平面視で円形を呈すると共に、同心円状に形成された周期的な凹凸パターンを有しており、
前記第一光電変換領域は、前記周期構造領域の外周に沿うように配置され、
前記第二光電変換領域は、前記周期構造領域の中心部に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
前記第二光電変換領域は、前記周期構造領域の同心円に沿うように更に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の受光素子。
【請求項４】
前記周期構造領域の同心円に沿うように配置されている前記第二光電変換領域は、該同心円に沿って連続していることを特徴とする請求項３に記載の受光素子。
【請求項５】
前記周期構造領域の同心円に沿うように配置されている前記第二光電変換領域は、該同心円に沿って複数点在していることを特徴とする請求項３に記載の受光素子。
【請求項６】
前記周期構造領域は、平面視で矩形を呈すると共に、前記矩形の一辺に平行なライン状に形成された周期的な凹凸パターンを有しており、
前記第一光電変換領域は、前記周期構造領域の互いに対向する一対の辺に沿うように複数配置され、
前記第二光電変換領域は、前記周期構造領域の前記一対の辺の対向方向での中心部に位置し且つ前記一対の辺の平行な方向に沿うように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
【請求項７】
前記周期構造領域は、平面視で矩形を呈すると共に、相似な矩形状に形成された周期的な凹凸パターンを有しており、
前記第一光電変換領域は、前記周期構造領域の四辺に沿うように配置され、
前記第二光電変換領域は、前記周期構造領域の中心部に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
【請求項８】
前記第一光電変換領域は、前記周期構造領域の前記外縁に沿って断続的に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の受光素子。
【請求項９】
前記周期構造領域を有する金属層と、
前記第一光電変換領域と前記第二光電変換領域とを有する半導体層と、を有し、
前記金属層と前記半導体層とは、前記第一光電変換領域と前記第二光電変換領域とに対応する位置においてショットキー接合されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の受光素子。
【請求項１０】
前記金属層は、前記周期構造領域を有する第一金属層と、前記第一金属層と接触すると共に前記第一金属層と前記半導体層との間に位置する第二金属層と、を含み、
前記第二金属層と前記半導体層とは、前記第一光電変換領域と前記第二光電変換領域とに対応する位置においてショットキー接合されていることを特徴とする請求項９に記載の受光素子。
【請求項１１】
前記周期構造領域を有する金属層と、
ｐｎ接合される第一導電型の半導体領域と第二導電型の半導体領域とを含む半導体層と、を有し、
前記第一光電変換領域と前記第二光電変換領域とが、前記第一導電型の半導体領域と前記第二導電型の半導体領域とのｐｎ接合により構成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の受光素子。
【請求項１２】
前記金属層の表面を被覆する誘電体層を更に有することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載の受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
受光素子として、入射光を表面プラズモンに変換する周期構造領域と、表面プラズモンに応じて電荷を発生する光電変換領域と、を備えた受光素子が知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された受光素子では、周期構造領域が、平面視で円形を呈すると共に、同心円状に形成された周期的な凹凸パターンを有しており、光電変換領域は、周期構造領域の中心部に配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００８／０７５５４２号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
周期構造領域に発生する表面プラズモンは、周期構造領域の内側に向けてだけでなく、周期構造領域の外側にも向けて伝播する。周期構造領域の外側にも向けて伝播する表面プラズモンは、受光素子の感度には寄与しない。そこで、特許文献１に記載された受光素子では、周期構造領域の外側に、周期構造領域の外側に向けて伝播する表面プラズモンを反射させる領域が配置されている。この領域により、周期構造領域の外側に向けて伝播する表面プラズモンが反射し、周期構造領域の内側に向けて伝播することとなる。
【０００５】
反射された表面プラズモンは、その伝播距離が長くなる。一般に、表面プラズモンは、散逸性が高く、最長伝播距離が短い。このため、反射された表面プラズモンは、伝播の途中で減衰してしまい、光電変換領域に到達することなく、電荷に変換されない懼れがある。また、反射された表面プラズモンは、光電変換領域に到達したとしても、減衰していることから、十分に電荷に変換されない懼れもある。周期構造領域の外側に向けて伝播する表面プラズモンを反射させる構成は、必ずしも、受光素子の感度向上に寄与するとは限らない。
【０００６】
反射された表面プラズモンを受光素子の感度向上に寄与させるためには、その伝播距離が短くなるように周期構造領域のサイズを設定する必要がある。たとえば、特許文献１に記載された受光素子では、周期構造領域の直径を、表面プラズモンの最長伝播距離程度に設定する必要がある。すなわち、反射された表面プラズモンの伝播距離を考慮して周期構造領域のサイズを設定する必要があり、感度向上が受光素子の設計自由度を低下させる要因の一つとなっている。
【０００７】
本発明は、設計自由度を低下させることなく、感度の向上を図ることができる受光素子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】
【０００８】
本発明に係る受光素子は、入射光を表面プラズモンに変換する周期構造領域と、周期構造領域の外縁に沿うように配置され、表面プラズモンに応じて電荷を発生する第一光電変換領域と、周期構造領域の内側に位置するように配置され、表面プラズモンに応じて電荷を発生する第二光電変換領域と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る受光素子では、周期構造領域の外側に向けて伝播する表面プラズモンは、途中で反射することなく第一光電変換領域に到達し、電荷に変換される。周期構造領域の内側に向けて伝播する表面プラズモンは、途中で反射することなく第二光電変換領域に到達し、電荷に変換される。光電変換領域に向かう途中で反射するのに比べ、表面プラズモンの伝播距離が短いため、表面プラズモンを十分に電荷に変換し、感度の向上を図ることができる。反射された表面プラズモンの伝播距離を考慮せずに周期構造領域のサイズを設定できるため、感度向上が設計自由度を低下させる要因とはならない。従って、設計自由度を低下させることなく、感度の向上を図ることができる。
【００１０】
周期構造領域は、平面視で円形を呈すると共に、同心円状に形成された周期的な凹凸パターンを有しており、第一光電変換領域は、周期構造領域の外周に沿うように配置され、第二光電変換領域は、周期構造領域の中心部に位置するように配置されていることが好ましい。この場合、凹凸パターンが同心円状に形成され、いずれの偏光方向の入射光も等しく表面プラズモンに変換されるため、偏光方向に依存しない光検出が可能となる。
【００１１】
第二光電変換領域は、周期構造領域の同心円に沿うように更に配置されていることが好ましい。この場合、周期構造領域の同心円に沿うように配置されている第二光電変換領域においても表面プラズモンが電荷に変換されるため、表面プラズモンの伝播距離を更に短くし、感度の向上を更に図ることができる。
【００１２】
周期構造領域の同心円に沿うように配置されている第二光電変換領域は、該同心円に沿って連続していることが好ましい。この場合、表面プラズモンの伝播距離を更に短くし、感度の向上を更に図ることができる。
【００１３】
周期構造領域の同心円に沿うように配置されている第二光電変換領域は、該同心円に沿って複数点在していることが好ましい。この場合、第二光電変換領域が同心円に沿って連続しているのに比べ、第二光電変換領域の面積を小さくし、応答速度の向上を図ることができる。
【００１４】
周期構造領域は、平面視で矩形を呈すると共に、矩形の一辺に平行なライン状に形成された周期的な凹凸パターンを有しており、第一光電変換領域は、周期構造領域の互いに対向する一対の辺に沿うように複数配置され、第二光電変換領域は、周期構造領域の一対の辺の対向方向での中心部に位置し且つ一対の辺の平行な方向に沿うように配置されていることが好ましい。この場合、ライン状に形成された凹凸パターンに電界ベクトルが直交する入射光のみが強い表面プラズモンに変換されるため、一つの偏光方向の光のみに対して高感度な光検出が可能となる。
【００１５】
周期構造領域は、平面視で矩形を呈すると共に、相似な矩形状に形成された周期的な凹凸パターンを有しており、第一光電変換領域は、周期構造領域の四辺に沿うように配置され、第二光電変換領域は、周期構造領域の中心部に位置するように配置されていることが好ましい。この場合、矩形状に形成された凹凸パターンの各辺に電界ベクトルが直交する入射光のみが強い表面プラズモンに変換されるため、二つの偏光方向の光のみに対して高感度な光検出が可能となる。
【００１６】
第一光電変換領域は、周期構造領域の外縁に沿って断続的に配置されていることが好ましい。この場合、第一光電変換領域が連続的に配置されているのに比べ、第一光電変換領域の面積を小さくし、応答速度の向上を図ることができる。
【００１７】
周期構造領域を有する金属層と、第一光電変換領域と第二光電変換領域とを有する半導体層と、を有し、金属層と半導体層とは、第一光電変換領域と第二光電変換領域とに対応する位置においてショットキー接合されていることが好ましい。この場合、金属層とのショットキー接合を利用して、半導体層に第一光電変換領域と第二光電変換領域とを構成することができ、受光素子の構造を単純化することができる。
【００１８】
金属層は、周期構造領域を有する第一金属層と、第一金属層と接触すると共に第一金属層と半導体層との間に位置する第二金属層と、を含み、第二金属層と半導体層とは、第一光電変換領域と第二光電変換領域とに対応する位置においてショットキー接合されていることが好ましい。この場合、たとえば、第一金属層には表面プラズモンの発生に適した金属材料を選択し、第二金属層にはショットキー接合に適した金属材料を選択し、感度等の特性の向上を図ることができる。
【００１９】
周期構造領域を有する金属層と、ｐｎ接合される第一導電型の半導体領域と第二導電型の半導体領域とを含む半導体層と、を有し、第一光電変換領域と第二光電変換領域とが、第一導電型の半導体領域と第二導電型の半導体領域とのｐｎ接合により構成されていることが好ましい。この場合、第一光電変換領域と第二光電変換領域とが金属層と半導体層とのショットキー接合により構成されるのに比べ、第一光電変換領域及び第二光電変換領域の耐熱性を高めることができる。
【００２０】
金属層の表面を被覆する誘電体層を更に有することが好ましい。この場合、周期構造領域を環境から保護することができる。誘電体層の誘電率を調整することで、表面プラズモンに変換される入射光の波長を調整することができる。誘電体層の厚さを調整することで、入射光の反射を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る受光素子によれば、設計自由度を低下させることなく、感度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態に係る受光素子を示す平面図である。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】本実施形態に係る受光素子の第一変形例を示す平面図である。
【図４】図３中のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。
【図５】本実施形態に係る受光素子の第二変形例を示す平面図である。
【図６】図５中のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。
【図７】本実施形態に係る受光素子の第三変形例を示す平面図である。
【図８】図７中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図９】本実施形態に係る受光素子の第四変形例を示す平面図である。
【図１０】図９中のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
【図１１】本実施形態に係る受光素子の第四変形例を示す平面図である。
【図１２】図１１中のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う断面図である。
【図１３】本実施形態に係る受光素子の第六変形例を示す平面図である。
【図１４】図１３中のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿う断面図である。
【図１５】本実施形態に係る受光素子の第七変形例を示す平面図である。
【図１６】図１５中のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う断面図である。
【図１７】本実施形態に係る受光素子の第八変形例を示す平面図である。
【図１８】図１７中のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明を省略する。
【００２４】
図１は、本実施形態に係る受光素子を示す平面図であり、図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図１及び図２に示されるように、受光素子１は、半導体層２と、半導体層３と、絶縁体層４と、金属層５と、電極層６と、を有している。
【００２５】
半導体層２は、リン化インジウム（ＩｎＰ）からなり、ｎ型で高キャリア濃度の半導体層である。また、半導体層３は、リン化インジウムと格子整合するインジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）からなり、ｎ型で低キャリア濃度の半導体層である。半導体層３は、半導体層２の一方面２ａ上に積層されている。半導体層３の厚さは、たとえば１００ｎｍ〜１μｍである。キャリア濃度とは、室温における不純物濃度を意味する。高キャリア濃度とは１×１０１８ｃｍ−３以上のキャリア濃度を意味し、低キャリア濃度とは１×１０１６ｃｍ−３未満のキャリア濃度を意味する。
【００２６】
絶縁体層４は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等からなる。絶縁体層４は、半導体層３の一方面３ａ上に積層されている。絶縁体層４の厚さは、たとえば略１００ｎｍである。
【００２７】
金属層５は、金、銀、又はアルミニウム等からなる。金属層５は、絶縁体層４の一方面４ａ上に積層されている。金属層５の厚さは、たとえば５０ｎｍ〜５００ｎｍである。
【００２８】
金属層５には、一方面５ａの略中央に位置する複数の同心円に沿って、一方面５ａから突出し、上記同心円の径方向に沿って等間隔に並ぶ複数の凸部５ｂが形成されている。各凸部５ｂは、上記同心円の円周に直交する平面において矩形の断面形状を呈している。凸部５ｂ同士の間は、一方面５ａを底面とする凹部５ｅとなっている。上記同心円の径方向に沿って、凸部５ｂと凹部５ｅとが交互に並ぶことで、同心円状の周期的な凹凸パターンＰ１が構成されている。
【００２９】
凹凸パターンＰ１のピッチは、検出対象とする光の波長に合わせて設定される。ピッチは、波長の０．５倍〜１倍程度の値であることが好適である。たとえば、波長が１．２６μｍ〜１．６２５μｍである光通信用の光を検出対象とする場合には、ピッチを０．６μｍ〜１．６μｍの範囲で最適な値とするのが好適である。好適なピッチは、金属層５の材料や厚さ等によって異なる。後述のように、金属層５の一方面５ａ上に誘電体層を積層する場合には、好適なピッチは誘電体層の材料や厚さ等によっても異なる。ピッチとは、たとえば平面視における凸部５ｂの中心線同士の間隔又は凹部５ｅの中心線同士の間隔を意味する。凸部５ｂと凹部５ｅとの幅の比率や、凸部５ｂの突出量は、計算式や予備実験等に基づいて好適な値に設定される。
【００３０】
凹凸パターンＰ１に光が入射すると、表面プラズモンが発生する。凹凸パターンＰ１により、平面視で円形を呈する周期構造領域１ａが構成されている。すなわち、金属層５は、入射光を表面プラズモンに変換する周期構造領域１ａを有し、周期構造領域１ａは凹凸パターンＰ１を有している。周期構造領域１ａのサイズは、入射光のスポットサイズと同等以上とされている。これにより、入射光の全体を表面プラズモンに変換することが可能となっている。
【００３１】
金属層５には、凹凸パターンＰ１の中心部で一方面５ａから窪んだ凹部５ｃが形成され、凹凸パターンＰ１の外周で一方面５ａから窪んだ凹部５ｄが形成されている。凹部５ｄは、凹凸パターンＰ１の外周に沿って連続し、平面視で円形を呈している。凹部５ｃ，５ｄが形成されている部分での金属層５の厚さは、たとえば１０ｎｍ〜１００ｎｍである。
【００３２】
凹部５ｃ，５ｄに対応する部分では絶縁体層４が除去され、金属層５と半導体層３とがショットキー接合されている。半導体層３のうちショットキー接合面の近傍の部分には、金属層５とのショットキー接合に伴って空乏層が構成されている。凹部５ｃに対応して周期構造領域１ａの中心部に位置する空乏層は、表面プラズモンに応じて電荷を発生する光電変換領域１ｃを構成している。凹部５ｄに対応して周期構造領域１ａの外周に沿う空乏層は、表面プラズモンに応じて電荷を発生する光電変換領域１ｂを構成している。すなわち、半導体層３は、光電変換領域１ｂ，１ｃ    を有している。
【００３３】
金属層５とのショットキー接合を利用して、半導体層３に光電変換領域１ｂ，１ｃを構成することで、受光素子１の構造が単純化されている。凹部５ｃ，５ｄを形成することで、光電変換領域１ｂ，１ｃにおける金属層５の厚さが最適化され、光電変換効率が高められている。
【００３４】
一方面５ａのうち、凹部５ｄよりも外側の部分は、ボンディングワイヤー等を接続する電極７として用いられる。周期構造領域１ａを有する金属層５を利用して電極７を構成することで、受光素子１の構造が更に単純化されている。
【００３５】
電極層６は、金・ゲルマニウム合金（ＡｕＧｅ）／金（Ａｕ）からなる。電極層６は、半導体層２の他方面２ｂ上に積層され、半導体層２に対してオーミック接合されている。電極層６の厚さは、たとえば１００ｎｍ〜１μｍである。
【００３６】
このようにして、周期構造領域１ａと光電変換領域１ｂ，１ｃとを備える受光素子１が構成されている。
【００３７】
続いて、受光素子１の製造方法を説明する。まず、リン化インジウム（ＩｎＰ）からなりｎ型で高キャリア濃度の半導体基板を準備し、半導体層２とする。次に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等により、半導体層２の一方面２ａ上に、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）からなるｎ型で低キャリア濃度の半導体層３を形成する。
【００３８】
次に、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等により、半導体層３の一方面３ａ上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からなる絶縁体層４を形成する。絶縁体層４のうち、光電変換領域１ｂ，１ｃに対応する部分を、フォトリソグラフィ等により除去する。
【００３９】
次に、真空蒸着等により、絶縁体層４の一方面４ａ上に金、銀、又はアルミニウム等からなる金属層５を形成する。このとき、絶縁体層４が除去された部分において、金属層５と半導体層３とをショットキー接合する。
【００４０】
次に、電子ビーム露光法、ナノインプリントによるリソグラフィと反応性イオンエッチングもしくはリフトオフとを組み合わせた方法、又は集束イオンビームを用いた直接加工法等によって、金属層５の一方面５ａに凹凸パターンＰ１及び凹部５ｃ，５ｄを形成する。
【００４１】
次に、真空蒸着等により、半導体層２の他方面２ｂ上に、金・ゲルマニウム合金（ＡｕＧｅ）／金（Ａｕ）からなる電極層６を形成し、半導体層２と電極層６とをオーミック接合する。電極層６を形成するのは、半導体層３を形成する前、絶縁体層４を形成する前、金属層５を形成する前、又は凹凸パターンＰ１及び凹部５ｃ，５ｄを形成する前であってもよい。
【００４２】
続いて、受光素子１の動作を説明する。受光素子１は、金属層５側の電位が電極層６側の電位よりも低くなるようにバイアス電圧を印加して用いられる。検出対象の光は周期構造領域１ａに入射し、電界ベクトルが凹凸パターンＰ１と交差する入射光は表面プラズモンに変換される。凹凸パターンＰ１は同心円状であることから、入射光の電界ベクトルは、凹凸パターンＰ１のいずれかの部分と必ず交差することになる。これにより、いずれの偏光方向の入射光も等しく表面プラズモンに変換されるため、偏光方向に依存しない光検出が可能となる。
【００４３】
表面プラズモンは、入射光の電界ベクトルの方向に沿い、周期構造領域１ａの内側及び外側に向けて伝播する。周期構造領域１ａの外側に向けて伝播する表面プラズモンは、途中で反射することなく光電変換領域１ｂに到達し、電荷に変換される。周期構造領域１ａの内側に向けて伝播する表面プラズモンは、途中で反射することなく光電変換領域１ｃに到達し、電荷に変換される。光電変換領域１ｂ，１ｃに向かう途中で反射するのに比べ、表面プラズモンの伝播距離が短いため、表面プラズモンを十分に電荷に変換し、感度の向上を図ることができる。反射された表面プラズモンの伝播距離を考慮せずに周期構造領域１ａのサイズを設定できるため、感度向上が設計自由度を低下させる要因とはならない。従って、設計自由度を低下させることなく、感度の向上を図ることができる。
【００４４】
続いて、本実施形態の変形例について説明する。図３は、受光素子１の第一変形例を示す平面図であり、図４は、図３中のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。図３及び図４に示されるように、第一変形例は、周期構造領域１ａの内側に、周期構造領域１ａの同心円に沿って連続するように配置された光電変換領域２０ｃを更に構成したものである。
【００４５】
金属層５には、凹凸パターンＰ１の内側で、一方面５ａから窪んだ凹部３０ｃが形成されている。凹部３０ｃは、凹凸パターンＰ１の同心円に沿って連続し、平面視で円形を呈している。凹部３０ｃの深さは、凹部５ｃ，５ｄの深さと同等となっている。凹部３０ｃに対応する部分では絶縁体層４が除去され、金属層５と半導体層３とがショットキー接合されている。これにより、周期構造領域１ａの同心円に沿って連続するように配置され、表面プラズモンに応じて電荷を発生する光電変換領域２０ｃが構成されている。
【００４６】
光電変換領域２０ｃにおいても、表面プラズモンが電荷に変換されるため、表面プラズモンの伝播距離を更に短くし、感度の向上を更に図ることができる。また、光電変換領域２０ｃは、周期構造領域１ａの同心円に沿って連続しているため、表面プラズモンの伝播距離を更に短くし、感度の向上を更に図ることができる。
【００４７】
図５は、本実施形態に係る受光素子の第二変形例を示す平面図であり、図６は、図５中のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。図５及び図６に示されるように、第二変形例は、第一変形例の光電変換領域２０ｃを、周期構造領域１ａの同心円に沿って複数点在するように配置された光電変換領域２１ｃに替えたものである。
【００４８】
金属層５には、凹凸パターンＰ１の内側で、一方面５ａから窪んだ凹部３１ｃが形成されている。凹部３１ｃは、凹凸パターンＰ１の同心円に沿って複数点在している。凹部３１ｃの深さは、凹部５ｃ，５ｄの深さと同等となっている。凹部３１ｃに対応する部分では絶縁体層４が除去され、金属層５と半導体層３とがショットキー接合されている。これにより、周期構造領域１ａの同心円に沿って複数点在するように配置され、表面プラズモンに応じて電荷を発生する光電変換領域２１ｃが構成されている。
【００４９】
同心円に沿って連続した光電変換領域２０ｃを採用するのに比べ、光電変換領域２１ｃの面積を小さくし、応答速度の向上を図ることができる。
【００５０】
図７は、本実施形態に係る受光素子の第三変形例を示す平面図であり、図８は、図７中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う断面図である。図７及び図８に示されるように、第三変形例は、平面視における周期構造領域１ａ及び凹凸パターンＰ１の形状を変更し、それぞれ周期構造領域２２ａ及び凹凸パターンＰ２としたものである。これに伴って、光電変換領域１ｂ，１ｃ及び凹部５ｃ，５ｄが、それぞれ光電変換領域２２ｂ，２２ｃ及び凹部３２ｃ，３２ｄに替わっている。
【００５１】
金属層５には、互いに平行な複数のラインに沿って、一方面５ａから突出し、上記ラインと直交する方向に沿って等間隔に並ぶ複数の凸部３２ｂが形成されている。各凸部３２ｂは、上記ラインに直交する平面において矩形の断面形状を呈している。凸部３２ｂ同士の間は、一方面５ａを底面とする凹部３２ｅとなっている。上記ラインと直交する方向に沿って、凸部３２ｂと凹部３２ｅとが交互に並ぶことで、平行なライン状の周期的な凹凸パターンＰ２が構成されている。凹凸パターンＰ２により、平面視で矩形を呈する周期構造領域２２ａが構成されている。周期構造領域２２ａは、一方面５ａの略中央に位置している。
【００５２】
光電変換領域２２ｂ及び凹部３２ｄは、周期構造領域１ａの四辺のうち、凹凸パターンＰ２に平行な一対の辺に沿うように複数配置されている。光電変換領域２２ｃ及び凹部３２ｄは、上記一対の辺の対向方向での中心部に位置し且つ上記一対の辺の平行な方向に沿うように配置されている。
【００５３】
周期構造領域２２ａでは、凹凸パターンＰ２に電界ベクトルが直交する入射光のみが強い表面プラズモンに変換される。このため、一つの偏光方向の光のみに対して高感度な光検出が可能となる。また、凹凸パターンＰ２に電界ベクトルが直交する入射光は、凹凸パターンＰ２全体で表面プラズモンに変換される。このため、直線偏光状態の光を検出対象とする場合には、同心円状に形成された凹凸パターンＰ１を採用するよりも高感度化を図ることができる。
【００５４】
凹凸パターンＰ２に電界ベクトルが直交する入射光は、凹凸パターンＰ２に直交する方向に伝播する。このため、光電変換領域２２ｂ，２２ｃと凹凸パターンＰ２とを平行にすることで、発生した表面プラズモンの多くを光電変換領域２２ｂ，２２ｃに伝播させ、電荷に変換することができる。
【００５５】
図９は、本実施形態に係る受光素子の第四変形例を示す平面図であり、図１０は、図９中のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。図９及び図１０に示されるように、第四変形例は、平面視における周期構造領域１ａ及び凹凸パターンＰ１の形状を変更し、それぞれ周期構造領域２３ａ及び凹凸パターンＰ３としたものである。これに伴って、光電変換領域１ｂ，１ｃ及び凹部５ｃ，５ｄが、それぞれ光電変換領域２３ｂ，２３ｃ及び凹部３３ｃ，３３ｄに替わっている。
【００５６】
金属層５には、一方面５ａの略中央に位置し且つ互いに相似な複数の矩形に沿って、一方面５ａから突出し、上記矩形の各辺と直交する方向に沿って等間隔に並ぶ複数の凸部３３ｂが形成されている。各凸部３３ｂは、上記矩形の各辺に直交する平面において矩形の断面形状を呈している。凸部３３ｂ同士の間は、一方面５ａを底面とする凹部３３ｅとなっている。上記矩形の各辺と直交する方向に沿って、凸部３３ｂと凹部３３ｅとが交互に並ぶことで、相似な矩形状の周期的な凹凸パターンＰ３が構成されている。凹凸パターンＰ３により、平面視で矩形を呈する周期構造領域２３ａが構成されている。
【００５７】
光電変換領域２３ｂ及び凹部３３ｄは、周期構造領域２３ａの四辺に沿うように配置されている。光電変換領域２３ｃ及び凹部３３ｃは、周期構造領域２３ａの中心部に位置するように配置されている。
【００５８】
周期構造領域２３ａでは、凹凸パターンＰ３の各辺に電界ベクトルが直交する入射光のみが強い表面プラズモンに変換される。このため、二つの偏光方向の光のみに対して高感度な光検出が可能となる。また、直線偏光状態の光を検出対象とする場合には、凹凸パターンＰ３のいずれかの辺を入射光の電界ベクトルに直交させればよい。このため、平行なライン状に形成された凹凸パターンＰ２を採用するのに比べ、入射光に対する受光素子１の配置の自由度が高くなる。
【００５９】
図１１は、本実施形態に係る受光素子の第四変形例を示す平面図であり、図１２は、図１１中のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う断面図である。図１１及び図１２に示されるように、第五変形例は、光電変換領域１ｂ及び凹部５ｄを、周期構造領域１ａの外縁に沿って断続的に配置された光電変換領域２４ｂ及び凹部３４ｄに替えたものである。この場合、連続的に配置された光電変換領域１ｂを採用するのに比べ、光電変換領域２４ｂの面積を小さくし、応答速度の向上を図ることができる。
【００６０】
図１３は、本実施形態に係る受光素子の第六変形例を示す平面図であり、図１４は、図１３中のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿う断面図である。図１３及び図１４に示されるように、第六変形例は、金属層５を二層構造としたものである。金属層５は、凹凸パターンＰ１を有する金属層８と、金属層８と接触すると共に金属層８と半導体層３との間に位置する金属層９と、を含んでいる。光電変換領域１ｂ，１ｃに対応する位置では、金属層９と半導体層３とがショットキー接合されている。
【００６１】
この場合、たとえば、金属層８には表面プラズモンの発生に適した金属材料を選択し、金属層９にはショットキー接合に適した金属材料を選択し、感度等の特性の向上を図ることができる。表面プラズモンの発生に適した金属材料は、たとえば金、銀、又はアルミニウム等であり、ショットキー接合に適した金属材料は、たとえばチタンやクロム等である。金属層９の厚さは、たとえば１００ｎｍとすることが好適である。
【００６２】
図１５は、本実施形態に係る受光素子の第七変形例を示す平面図であり、図１６は、図１５中のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う断面図である。図１５及び図１６に示されるように、第七変形例は、光電変換領域１ｂ，１ｃを、ｐ型半導体とｎ型半導体のｐｎ接合により構成したものである。半導体層３は、絶縁体層４と半導体層２との間に位置する半導体領域１０と、絶縁体層４が除去された部分において半導体領域１０と金属層５との間に位置する半導体領域１１と、を含んでいる。
【００６３】
半導体領域１０は、たとえばインジウムガリウム砒素からなる低キャリア濃度のｎ型半導体領域である。半導体領域１０の厚さは、たとえば１００ｎｍ〜１μｍである。半導体領域１１は、リン化インジウムからなる高キャリア濃度のｐ型半導体領域である。半導体領域１１の厚さは、絶縁体層４の厚さと略同等とされ、金属層５が形成される面が平滑化されている。光電変換領域１ｂ，１ｃは、半導体領域１０と半導体領域１１とのｐｎ接合により構成されている。
【００６４】
金属層５は、凹凸パターンＰ１を有する金属層１２と、金属層１２と接触すると共に金属層１２と半導体層３との間に位置する電極層１３と、を含んでいる。光電変換領域１ｂ，１ｃに対応する位置では、電極層１３と半導体領域１１とがオーミック接合されている。金属層１２は、金、銀、又はアルミニウム等からなる。電極層１３は、クロム（Ｃｒ）／金（Ａｕ）又は金・亜鉛合金（ＡｕＺｎ）／金（Ａｕ）等からなる。電極層１３の厚さは、たとえば１００ｎｍである。
【００６５】
第七変形例の半導体層３、絶縁体層４、及び金属層５を形成する手順を説明する。まず、ＭＯＣＶＤ等により、半導体層２の一方面２ａ上に、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）からなるｎ型で低キャリア濃度の半導体領域１０を形成する。
【００６６】
次に、ＰＥＣＶＤ等により、半導体領域１０の一方面１０ａ上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からなる絶縁体層４を形成する。絶縁体層４のうち、光電変換領域１ｂ，１ｃに対応する部分を、フォトリソグラフィ等により除去する。
【００６７】
次に、ＭＯＣＶＤ等により、半導体領域１０の一方面１０ａ上にリン化インジウムからなるｐ型で高キャリア濃度の半導体領域１１を形成する。半導体領域１１は、一方面１０ａのうち、絶縁体層４が除去されて露出した部分のみに形成される。これにより、絶縁体層４が除去された部分が半導体領域１１によって埋められる。
【００６８】
次に、真空蒸着等により、絶縁体層４の一方面４ａ上に、クロム（Ｃｒ）／金（Ａｕ）又は金・亜鉛合金（ＡｕＺｎ）／金（Ａｕ）等からなる電極層１３を形成し、電極層１３と半導体領域１１とをオーミック接合する。真空蒸着により、電極層１３の一方面１３ａ上に金、銀、又はアルミニウム等からなる金属層１２を形成する。
【００６９】
光電変換領域１ｂ，１ｃをｐｎ接合により構成すると、光電変換領域１ｂ，１ｃをショットキー接合により構成するのに比べ、光電変換領域１ｂ，１ｃの耐熱性を高めることができる。このため、たとえば、光電変換領域１ｂ，１ｃを構成した後に高温の熱処理が行われる場合に適している。
【００７０】
図１７は、本実施形態に係る受光素子の第八変形例を示す平面図であり、図１８は、図１７中のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線に沿う断面図である。図１７及び図１８に示されるように、第八変形例は、金属層５の一方面５ａ上に、透明な誘電体層１４を積層したものである。誘電体層１４は、一方面５ａの全域を被覆し、一方面５ａの範囲内に位置する凹凸パターンＰ１及び凹部５ｃ，５ｄも被覆している。すなわち、誘電体層１４は、周期構造領域１ａ及び光電変換領域１ｂ，１ｃに対応する位置において、金属層５の表面を被覆している。誘電体層１４は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）、又はこれらの中間体である酸化窒化ケイ素（ＳｉＯｘＮｙ）等からなる。誘電体層１４の厚さは、たとえば１００ｎｍ〜２００ｎｍである。
【００７１】
誘電体層１４により、周期構造領域１ａ及び光電変換領域１ｂ，１ｃを環境から保護することができる。誘電体層１４の誘電率を調整することで、表面プラズモンに変換される入射光の波長を調整することができる。たとえば、酸化窒化ケイ素（ＳｉＯｘＮｙ）のｘ−ｙ比を調整することで、誘電体層１４の誘電率を調整することができる。誘電体層１４の厚さを調整することで、入射光の反射を抑制することができる。
【００７２】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではない。たとえば、半導体層２，３の材料は、上述した材料に限られず、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）等であってもよい。ガリウム砒素の方がインジウムガリウム砒素に比べてバンドギャップが大きく、ショットキー接合部のショットキー障壁を高くすることができる。これにより、暗電流を小さくできるため、たとえば可視光を受光するのに適している。
【００７３】
凸部５ｂ，３２ｂ，３３ｂを形成する代わりに、一方面５ａから窪んだ凹部を形成することで凹凸パターンＰ１，Ｐ２，Ｐ３を構成してもよい。また、凸部５ｂ，３２ｂ，３３ｂ同士の間に、一方面５ａから窪んだ凹部を更に形成してもよい。
【００７４】
受光素子１は、光電変換領域１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂの外側に、周期構造領域１ａ，２２ａ，２３ａとは別の周期構造領域を更に備えていてもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１…受光素子、１ａ，２２ａ，２３ａ…周期構造領域、１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂ…光電変換領域、１ｃ，２０ｃ，２１ｃ，２２ｃ，２３ｃ…光電変換領域、３…半導体層、５…金属層、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…凹凸パターン、８…金属層、９…金属層、１０…半導体領域、１１…半導体領域。
【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１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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