(57)【要約】【課題】  赤外光などの被検出光を高速、高感度、低雑音で検出することが可能な光検出装置を提供する。【解決手段】  負の誘電率を有する材料からなり周期構造２２が形成された受光層２１を有し、波長λの被検出光の入射に応じて表面プラズモンを生成するように構成された受光部２０と、受光層２１と一体の負誘電率材料層５０を構成するように受光層２１から伸長された素子設置層５１と、素子設置層５１上で受光層２１の周期構造２２と同じ側であって受光部２０における表面プラズモンの伝搬方向の一方側に設けられ、伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の活性層３５を有してメサ型に形成された量子カスケード検出器３０とを備えて、光検出装置１Ａを構成する。【選択図】  図２
2017011242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負の誘電率を有する材料からなり周期構造が形成された受光層を有し、所定の波長の被検出光の入射に応じて表面プラズモンを生成するように構成された受光部と、
前記負の誘電率を有する材料からなり、前記受光層と一体の負誘電率材料層を構成するように前記受光層から伸長された素子設置層と、
前記素子設置層上で前記受光層の前記周期構造と同じ側であって、前記表面プラズモンの伝搬方向の一方側に設けられ、伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の活性層を有する半導体光検出素子と
を備えることを特徴とする光検出装置。
【請求項２】
前記受光層及び前記素子設置層を含む前記負誘電率材料層と、前記半導体光検出素子とが設置面上に設けられる基板を備え、
前記半導体光検出素子及び前記受光部の前記周期構造は、前記負誘電率材料層に対して前記基板とは反対側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の光検出装置。
【請求項３】
前記受光層の前記周期構造上に、誘電体材料からなる誘電体層が形成されていることを特徴とする請求項２記載の光検出装置。
【請求項４】
前記受光層及び前記素子設置層を含む前記負誘電率材料層と、前記半導体光検出素子とが設置面上に設けられる基板を備え、
前記半導体光検出素子及び前記受光部の前記周期構造は、前記負誘電率材料層に対して前記基板側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の光検出装置。
【請求項５】
前記受光層と前記基板との間に設けられて前記基板上で前記受光層を支持する支持層を備え、
前記支持層の前記基板とは反対側の面上には、前記受光層の前記周期構造に対応する支持側周期構造が形成されていることを特徴とする請求項４記載の光検出装置。
【請求項６】
前記支持層は、半導体材料からなる半導体層であることを特徴とする請求項５記載の光検出装置。
【請求項７】
前記基板の前記設置面とは反対側の裏面上に、前記被検出光に対する反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項記載の光検出装置。
【請求項８】
前記半導体光検出素子は、吸収井戸層として機能する第１井戸層を含むＮ個（Ｎは３以上の整数）の量子井戸層、及びＮ個の量子障壁層からなる単位積層体が多段に積層されることで、前記第１井戸層を含みサブバンド間吸収によって光を検出する吸収領域と、前記サブバンド間吸収によって励起された電子を輸送する輸送領域とが交互に積層されたカスケード構造が形成された前記活性層を有する量子カスケード検出器であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の光検出装置。
【請求項９】
前記受光層及び前記素子設置層を含む前記負誘電率材料層は、金属材料からなる金属層であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の光検出装置。
【請求項１０】
前記受光層は、前記周期構造として、前記半導体光検出素子への前記表面プラズモンの伝搬方向を配列方向として交互に周期的に形成された複数の凸部及び複数の凹部を含む凹凸構造を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項記載の光検出装置。
【請求項１１】
前記受光部を構成する前記受光層は、その前記半導体光検出素子側の所定部分が、前記半導体光検出素子に向けて幅が減少するテーパ形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項記載の光検出装置。
【請求項１２】
１次元アレイ状または２次元アレイ状に配列され、それぞれ前記受光層、前記素子設置層、及び前記半導体光検出素子を有する複数の光検出ユニットを備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項記載の光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の半導体光検出素子を備える光検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
中〜遠赤外領域（例えば、波長３μｍ以上の領域）には、多くの分子に強い吸収が見られ、このような領域は分子の指紋領域として知られている。さらに、波長２μｍ〜５μｍには、大気に対して透過率が高い領域が存在し、このような領域は大気の窓と呼ばれている。これらの特徴を活かし、中〜遠赤外領域の光は、物質の検出、同定等に幅広く応用されている。
【０００３】
赤外光の利用に必須となる赤外用（主に中赤外用）の光検出器としては、例えば、ＨｇＣｄＴｅ（ＭＣＴ）検出器が知られており、実用化されている。しかしながら、ＭＣＴ検出器は、駆動速度が通常数１００ｋＨｚ程度であり、ＭＨｚ以上の高速性を求められる用途には使用することができない。
【０００４】
このような問題を解決する赤外光検出器として、近年、量子カスケード検出器（ＱＣＤ：Quantum Cascade Detector）の研究開発が進められている。量子カスケード検出器は、半導体における伝導帯サブバンド間の電子の高速（サブピコ秒）な遷移を用いていることから、数ＧＨｚ〜数１０ＧＨｚに及ぶ高速な応答が可能であり、また、駆動電圧を必要としないため、大きなノイズは発生しない。このような量子カスケード検出器は、超高速、かつ低ノイズ、高感度な赤外光検出器として有望である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００８／０７５５４２号
【特許文献２】特開２０１１−１３３４７２号公報
【特許文献３】特開２０１１−１２８１６２号公報
【特許文献４】特開２００７−２４８１４１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】A. Harrer et al.,"Plasmonic lens enhanced mid-infrared quantum cascade detector",Appl. Phys. Lett. Vol.105 (2014) pp.171112-1-171112-4
【非特許文献２】Z. Yu et al., "Design ofmidinfrared photodetectors enhanced by surface plasmons on gratingstructures", Appl. Phys. Lett. Vol.89 (2006) pp.151116-1-151116-3
【非特許文献３】N. C. Lindquist et al.,"Periodic modulation of extraordinary optical transmission throughsubwavelength hole arrays using surrounding Bragg mirrors", Phys. Rev. BVol.76 (2007) pp.155109-1-155109-5
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した量子カスケード検出器、もしくはより一般的な量子井戸型赤外光検出器（ＱＷＩＰ：Quantum Well Infrared Photodetector）など、伝導帯サブバンド間の遷移を利用する量子井戸型の光検出器は、サブバンド間における光学遷移の選択則によって光の入射条件に大きな制約を有している。具体的には、量子井戸型光検出器は、量子井戸構造を構成する半導体層の積層方向（成長方向）に沿って電場が振動する偏光（ＴＭ偏光）にしか光感度を持たず、受光面積を広くとることができないため、検出器への効率的な被検出光の導入が困難となっている。
【０００８】
このため、量子井戸型光検出器では、被検出光の入射構成として、へき開端面に光を集光して直接、活性層に入射させる構成、あるいは、活性層を絶縁基板上に成長するとともに、基板を斜めに研磨して研磨面から光を入射させ、電場振動のＴＭ成分による部分的な光学遷移への寄与を、基板及び活性層内部での多重反射によって補う構成等が用いられている。しかしながら、上記の場合、前者の構成では、受光面の幅が活性層厚とほぼ同程度となってしまい、効率的な光の入射が困難となる。また、後者の構成では、基板に入射させた光のうちで感度に寄与しない成分が多く存在するため、同様に効率的な光の入射構成であるとは言い難い。
【０００９】
したがって、量子井戸型光検出器では、上記した受光効率の限界が、検出器としての感度向上における課題となっている。また、このような受光効率の問題は、検出器のアレイ化、及びそれによる撮像素子への応答展開に向けても高いハードルとなっている。
【００１０】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、赤外光等の被検出光を高速、高感度、低雑音で検出することが可能な光検出装置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】
【００１１】
このような目的を達成するために、本発明による光検出装置は、（１）負の誘電率を有する材料からなり周期構造が形成された受光層を有し、所定の波長λの被検出光の入射に応じて表面プラズモンを生成するように構成された受光部と、（２）負の誘電率を有する材料からなり、受光層と一体の負誘電率材料層を構成するように受光層から伸長された素子設置層と、（３）素子設置層上で受光層の周期構造と同じ側であって、受光部における表面プラズモンの伝搬方向の一方側に設けられ、伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の活性層を有する半導体光検出素子とを備えることを特徴とする。
【００１２】
上記した光検出装置では、負の誘電率を有する材料からなる負誘電率材料層を設け、その第１領域（素子領域）内の部分を素子設置層とし、第２領域（受光部領域）内の部分を受光層とするとともに、受光層において被検出光の波長λを考慮して設計された周期構造を形成することで受光部を構成している。また、素子設置層上で受光層の周期構造と同じ側であって受光部における表面プラズモンの伝搬方向の一方側に、メサ型のＱＣＤ、ＱＷＩＰなどの半導体光検出素子を配置している。
【００１３】
そして、このような構成において、上記した光検出装置では、受光部の周期構造において、被検出光の入射に応じて表面プラズモンを生成させ、この表面プラズモンを半導体光検出素子へと伝搬させて、表面プラズモンに伴う電場を光検出素子で検出する構成としている。このように、伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の半導体光検出素子に対して、表面プラズモン機構を利用した受光部を設けるとともに、受光部を構成する周期構造が形成された受光層と一体の素子設置層上で周期構造と同じ側に光検出素子を配置する構成によれば、被検出光に対する受光面積を受光部によって拡大するとともに、受光部から光検出素子への電場の伝達、入射効率を受光部から光検出素子へと伸長する負誘電率材料層によって向上して、赤外光などの被検出光を高速、高感度、低雑音で検出することが可能な光検出装置を実現することができる。
【００１４】
ここで、上記の光検出装置は、受光層及び素子設置層を含む負誘電率材料層と、半導体光検出素子とが設置面上に設けられる基板を備え、半導体光検出素子、及び受光部の周期構造は、負誘電率材料層に対して基板とは反対側に設けられている構成とすることができる。このような構成では、受光部に設けられた周期構造に対し、基板とは反対側から被検出光が入射する。
【００１５】
また、この場合、受光層の周期構造上に、誘電体材料からなる誘電体層が形成されている構成としても良い。
【００１６】
これらの構成によれば、受光層、素子設置層、及び半導体光検出素子を含む光検出装置を、支持基板とともに好適に構成することができる。
【００１７】
あるいは、上記の光検出装置は、受光層及び素子設置層を含む負誘電率材料層と、半導体光検出素子とが設置面上に設けられる基板を備え、半導体光検出素子、及び受光部の周期構造は、負誘電率材料層に対して基板側に設けられている構成とすることができる。このような構成では、受光部に設けられた周期構造に対し、基板側から基板を介して被検出光が入射する。
【００１８】
また、この場合、受光層と基板との間に設けられて基板上で受光層を支持する支持層を備え、支持層の基板とは反対側の面上には、受光層の周期構造に対応する支持側周期構造が形成されている構成としても良い。また、受光層と基板との間に設けられる支持層は、半導体材料からなる半導体層である構成としても良い。
【００１９】
また、基板を介して被検出光が入射する上記構成では、基板の設置面とは反対側の裏面上に、被検出光に対する反射防止膜が形成されている構成としても良い。
【００２０】
これらの構成によっても、受光層、素子設置層、及び半導体光検出素子を含む光検出装置を、支持基板とともに好適に構成することができる。また、基板を含む光検出装置の具体的な構成については、上記以外にも様々な構成を用いることが可能である。
【００２１】
また、上記の光検出装置における半導体光検出素子については、吸収井戸層として機能する第１井戸層を含むＮ個（Ｎは３以上の整数）の量子井戸層、及びＮ個の量子障壁層からなる単位積層体が多段に積層されることで、第１井戸層を含みサブバンド間吸収によって光を検出する吸収領域と、サブバンド間吸収によって励起された電子を輸送する輸送領域とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層を有する量子カスケード検出器（ＱＣＤ）を用いることができる。あるいは、半導体光検出素子として、量子井戸赤外光検出器（ＱＷＩＰ）などのＱＣＤ以外の量子井戸型の光検出素子を用いても良い。
【００２２】
周期構造が形成された受光層、及び半導体光検出素子を載置する素子設置層を含む負誘電率材料層については、具体的には例えば、負誘電率材料層は、金属材料からなる金属層である構成とすることができる。また、受光層は、周期構造として、半導体光検出素子への表面プラズモンの伝搬方向を配列方向として交互に周期的に形成された複数の凸部及び複数の凹部を含む凹凸構造（格子構造）を有する構成とすることができる。
【００２３】
また、受光部を構成する受光層は、その半導体光検出素子側の所定部分が、半導体光検出素子に向けて幅が減少するテーパ形状に形成されている構成とすることができる。このような構成では、半導体光検出素子を小型化することが可能となる。
【００２４】
また、上記の光検出装置は、１次元アレイ状、または２次元アレイ状に配列され、それぞれ受光層、素子設置層、及び半導体光検出素子を有する複数の光検出ユニットを備える構成としても良い。このような光検出装置は、例えば１次元または２次元の撮像素子として利用することが可能である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の光検出装置によれば、負誘電率材料層の一部分を素子設置層とし、他の部分を受光層とするとともに、受光層において周期構造を形成することで受光部を構成し、素子設置層上で受光層の周期構造と同じ側であって、表面プラズモンの伝搬方向の一方側に半導体光検出素子を配置して、受光部の周期構造において被検出光の入射に応じて表面プラズモンを生成させ、この表面プラズモンを半導体光検出素子へと伝搬させて、表面プラズモンに伴う電場を光検出素子で検出する構成とすることにより、赤外光などの被検出光を高速、高感度、低雑音で検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】光検出装置の第１実施形態の構成を示す平面図である。
【図２】図１に示した光検出装置の（ａ）断面構成を示すII−II線に沿った側面断面図、及び（ｂ）側面断面図における被検出光の入射、及び表面プラズモンの伝搬について模式的に示す図である。
【図３】光検出装置における受光部から量子カスケード検出器への電場の伝達効率の波長依存性を示すグラフである。
【図４】量子カスケード検出器における半導体積層構造の一例を示す図表である。
【図５】量子カスケード検出器における活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）第１実施形態の光検出装置の作製方法を示す図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）第１実施形態の光検出装置の作製方法を示す図である。
【図８】光検出装置の第２実施形態の構成を示す平面図である。
【図９】図８に示した光検出装置の断面構成を示す側面断面図である。
【図１０】光検出装置の第３実施形態の構成を示す側面断面図である。
【図１１】光検出装置の第４実施形態の構成を示す側面断面図である。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）第４実施形態の光検出装置の作製方法を示す図である。
【図１３】（ａ）、（ｂ）第４実施形態の光検出装置の作製方法を示す図である。
【図１４】光検出装置の第５実施形態の構成を示す平面図である。
【図１５】光検出装置の第６実施形態の構成を示す平面図である。
【図１６】光検出装置の第７実施形態の構成を示す平面図である。
【図１７】光検出装置の第８実施形態の構成を示す側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面とともに、本発明による光検出装置の実施形態について、詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２８】
［第１実施形態］
【００２９】
図１は、本発明による光検出装置の第１実施形態の構成を示す平面図である。また、図２（ａ）は、図１に示した光検出装置の断面構成を示すII−II線に沿った側面断面図であり、図２（ｂ）は、光検出装置の側面断面図における被検出光の入射、及び表面プラズモンの伝搬等について模式的に示す図である。
【００３０】
本実施形態の光検出装置１Ａは、伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の半導体光検出素子３０を備える半導体光検出装置である。このような半導体光検出素子は、上述したように、サブバンド間における光学遷移の選択則によって光の入射条件に大きな制約を有している。以下、光検出装置１Ａの構成について、その具体的な構成例とともに説明する。また、以下においては、上記したサブバンド準位を利用した量子井戸型の半導体光検出素子３０について、量子カスケード検出器（ＱＣＤ）を例として説明する。
【００３１】
図１、図２に示す半導体光検出装置１Ａは、基板１０と、半導体光検出素子である量子カスケード検出器３０と、受光部２０とを備えて構成されている。基板１０は、例えば矩形状の半導体基板からなり、その一方の面（図２中の上面）が、量子カスケード検出器３０及び受光部２０が設けられる設置面１１となっている。また、基板１０の設置面１１上には、素子設置領域１１ａ及び受光部設置領域１１ｂが設定されており、素子設置領域１１ａ上に光検出素子である量子カスケード検出器３０が設けられ、また、受光部設置領域１１ｂ上に受光部２０が設けられている。
【００３２】
基板１０の設置面１１上には、上記した素子設置領域１１ａ及び受光部設置領域１１ｂを合わせた領域上に、負の誘電率を有する材料からなる負誘電率材料層５０が形成されている。以下に示す構成例では、この負誘電率材料層５０について、例えばＡｕ（金）などの金属材料からなる金属層とする。また、この金属層５０において、素子設置領域１１ａに対応する第１領域（素子領域）内の部分が素子設置層５１となっており、受光部設置領域１１ｂに対応する第２領域（受光部領域）内の部分が受光部２０を構成する受光層２１となっている。
【００３３】
量子カスケード検出器３０は、上記したように伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の活性層３５を有しており、金属層５０の素子設置層５１上においてメサ型に形成されている。図２に示す構成例では、量子カスケード検出器３０は、基板１０及び素子設置層５１上に、下部コンタクト層３１、活性層３５、及び上部コンタクト層３３を順に形成することで構成されている。また、上部コンタクト層３３上には、金属層からなる検出器３０の上部電極１３が形成されている。また、下部コンタクト層３１に接している金属層５０は、下部電極としても機能している。
【００３４】
量子カスケード検出器３０の活性層３５においては、吸収井戸層として機能する第１井戸層を含むＮ個（Ｎは３以上の整数）の量子井戸層、及びＮ個の量子障壁層からなる単位積層体３６（図２（ａ）参照）が多段に積層されることで、第１井戸層を含みサブバンド間吸収によって光を検出する吸収領域と、サブバンド間吸収によって励起された電子を輸送する輸送領域とが交互に積層されたカスケード構造が形成されている。また、このような構成において、基板１０は、例えば半絶縁性ＩｎＰ基板からなり、コンタクト層３１、３３は、例えばｎ型のＩｎＧａＡｓ層からなる。また、活性層３５は、例えばＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸構造によって構成される。検出器３０における半導体積層構造、及び活性層３５での単位積層体３６の構成については、具体的には後述する。
【００３５】
受光部２０は、基板１０上に量子カスケード検出器３０とともに設けられ、金属層５０に含まれる受光層２１を有して構成されている。また、このような構成において、素子設置層５１は、受光層２１と一体の金属層（負誘電率材料層）５０を構成するように受光層２１から伸長された層となっている。
【００３６】
受光層２１の基板１０とは反対側の面には、光検出装置１Ａでの検出対象となる被検出光の波長λを考慮して設計された周期構造２２が形成されている。このような周期構造２２により、受光部２０は、波長λの被検出光Ａの入射（図２（ｂ）参照）に応じて、表面プラズモンを生成するように構成されている。
【００３７】
図１、図２に示す構成例では、受光層２１には、図２（ｂ）に矢印Ａ２によって示す、量子カスケード検出器３０へと向かう表面プラズモンの伝搬方向を配列方向として、複数の凸部２２ａ、及び複数の凹部２２ｂが交互に周期的に形成、配列されている。これにより、本構成例での周期構造２２は、表面プラズモンの伝搬方向Ａ２と直交する方向を長手方向とする直線状（ストライプ状）の凸部２２ａ及び凹部（溝部）２２ｂが複数、交互に形成された凹凸構造（格子構造）となっている。
【００３８】
また、このような受光部２０に対し、量子カスケード検出器３０は、素子設置層５１上で受光層２１の周期構造２２と同じ側であって、受光部２０における表面プラズモンの伝搬方向（周期構造２２での凸部２２ａ、凹部２２ｂの配列方向）の一方側に設けられている。また、本構成例では、素子設置層５１の高さは、受光層２１の周期構造２２における凸部２２ａの高さと略一致している。このような構成では、受光層２１及び素子設置層５１を含む金属層５０は、受光部２０で生成された表面プラズモンに伴う電場を検出器３０へと伝搬させる表面プラズモン導波路として機能する。
【００３９】
上記構成の光検出装置１Ａについて、被検出光Ａを波長λ＝４．５μｍの赤外光とした場合の各部の形状の一例を示す。受光部２０の周期構造２２での凹凸構造の周期は４μｍ〜５μｍの範囲内で、例えば４．５μｍに設定することができる。また、周期構造２２での凸部２２ａのストライプ幅は２．０μｍ〜２．５μｍの範囲内で、例えば周期の約半分の２．２μｍに設定することができる。また、周期構造２２でのストライプ高さは０．１μｍ〜１．０μｍの範囲内で、例えば０．５μｍに設定することができる。また、周期構造２２のベース部分となる金属受光層２１の層厚は０．１μｍ〜１．０μｍの範囲内で、例えば０．５μｍに設定することができる。
【００４０】
また、量子カスケード検出器３０において、多重量子井戸構造を有する活性層３５の層厚は０．１μｍ〜５．０μｍの範囲内で、例えば２．０μｍに設定することができる。また、下部コンタクト層３１の層厚は０．０１μｍ〜１．０μｍの範囲内で、例えば０．１μｍに設定することができる。また、上部コンタクト層３３の層厚は１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内で、例えば２０ｎｍに設定することができる。また、被検出光Ａが入射する上方から見た受光部２０のサイズは、被検出光の広がり、入射範囲等に応じて任意に設定することが可能であるが、例えば２００μｍ×２００μｍ程度に設定することができる。また、光検出装置１Ａの装置サイズについては、例えば５００μｍ程度、あるいは１ｍｍ程度等に設定しても良い。
【００４１】
本実施形態による光検出装置１Ａの効果について説明する。
【００４２】
図１、図２に示した光検出装置１Ａでは、基板１０上に、負誘電率材料層である金属層５０を設け、その素子領域内の部分を素子設置層５１とし、受光部領域内の部分を受光層２１とするとともに、受光層２１において被検出光Ａの波長λを考慮して設計された周期構造２２を形成することで受光部２０を構成している。また、素子設置層５１上で受光層２１の周期構造２２と同じ側であって受光部２０における表面プラズモンの伝搬方向の一方側に、メサ型の半導体光検出素子である量子カスケード検出器３０を配置している。
【００４３】
そして、このような構成において、光検出装置１Ａでは、受光部２０の周期構造２２において、被検出光Ａの入射に応じて表面プラズモンを生成させ、この表面プラズモンを量子カスケード検出器３０へと伝搬させて、表面プラズモンに伴う電場を検出器３０で検出する構成としている。
【００４４】
このように、伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の半導体光検出素子である量子カスケード検出器３０に対して、表面プラズモン機構を利用した受光部２０を設けるとともに、受光部２０を構成する周期構造２２が形成された受光層２１と一体の素子設置層５１上で周期構造２２と同じ側に検出器３０を配置する構成によれば、光検出装置１Ａへと入射する被検出光Ａに対する受光面積を受光部２０によって拡大するとともに、受光部２０から検出器３０への電場の伝達、入射効率を受光部２０から検出器３０へと伸長する金属層５０によって向上して、赤外光などの被検出光Ａを高速、高感度、低雑音で検出することが可能な光検出装置１Ａを実現することができる。
【００４５】
ここで、表面プラズモン機構を利用した受光部による量子カスケード検出器への光の入射構成については、例えば非特許文献１（A. Harrer et al., Appl. Phys. Lett. Vol.105 (2014)pp.171112-1-171112-4）に記載されている。しかしながら、非特許文献１に記載の構成では、表面プラズモン導波路が検出器の入射面直前で切断されており、この不連続な切断面と検出器の入射面との間での光学インピーダンスの不整合などにより光の損失が発生し、受光部から検出器への光もしくは電場の伝達効率、及び装置全体での光検出感度が低下する。
【００４６】
これに対して、上記実施形態による光検出装置１Ａでは、受光部２０における金属受光層２１を伸長して素子設置層５１とし、この素子設置層５１上で受光層２１での周期構造２２と同じ側に量子カスケード検出器３０を設置している。これにより、受光部２０から検出器３０へと伸長する金属層５０を、受光部２０で生成された表面プラズモンを検出器３０へと伝搬させる表面プラズモン導波路として機能させ、受光部２０からの表面プラズモンに伴う電場を検出器３０の内部へと効率的に伝達、入射させて、赤外光等の被検出光Ａに対して高い検出感度を有する光検出装置１Ａを好適に実現することが可能となる。
【００４７】
図３は、シミュレーションによって求めた、光検出装置における受光部から量子カスケード検出器への電場の伝達効率の波長依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は対象となる光の波長λ（μｍ）を示し、縦軸は受光部から量子カスケード検出器への電場の伝達効率を示している。また、図３において、グラフＢ１は、上記した構成を有する光検出装置における電場の伝達効率を示し、グラフＢ２は、非特許文献１に記載された従来の構成を有する光検出装置における電場（光）の伝達効率を示している。
【００４８】
図３のグラフより、従来構成の光検出装置では、グラフＢ２に示すように、表面プラズモン導波路での損失をほぼ無視できる程度に設計した場合であっても、検出器への伝達効率は３％程度にとどまっている。一方、上記構成の光検出装置において構造の最適化を行うことにより、グラフＢ１に示すように、電場の伝達効率は３０％に達するまで向上されている。
【００４９】
光検出装置１Ａにおいて用いられる伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の半導体光検出素子３０については、上記実施形態で例示したように、吸収井戸層として機能する第１井戸層を含むＮ個の量子井戸層、及びＮ個の量子障壁層からなる単位積層体３６が多段に積層されることで、第１井戸層を含みサブバンド間吸収によって光を検出する吸収領域と、サブバンド間吸収によって励起された電子を輸送する輸送領域とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層３５を有する量子カスケード検出器（ＱＣＤ）を好適に用いることができる。
【００５０】
あるいは、上記の半導体光検出素子としては、量子カスケード検出器以外の素子、例えば量子井戸赤外光検出器（ＱＷＩＰ）を用いても良い。ＱＷＩＰにおいても、サブバンド間における光学遷移の選択則による光の入射条件の制約についてはＱＣＤと同様であり、したがって、光検出装置１Ａに関して上述したように、ＱＷＩＰの検出器３０に対して、表面プラズモン機構を利用した受光部２０を設けるとともに、受光部２０を構成する周期構造２２が形成された受光層２１と一体の素子設置層５１上で周期構造２２と同じ側に検出器３０を配置することにより、被検出光を高速、高感度で検出することが可能な光検出装置を実現することができる。
【００５１】
ただし、ＱＷＩＰの場合、素子を駆動するために高い駆動電圧が必要となることから、比較的大きいノイズが発生して、光検出におけるＳＮ比が悪化する場合がある。これに対して、上記実施形態のように、半導体光検出素子としてＱＣＤを用いた場合、駆動電圧を必要としないため、大きなノイズは発生せず、したがって、低ノイズの光検出装置とすることができるという利点がある。
【００５２】
また、上記実施形態の光検出装置１Ａでは、受光部２０及び量子カスケード検出器３０等に加えて、受光層２１及び素子設置層５１を含む金属層５０と、検出器３０とが設置面１１上に設けられる基板１０をさらに備える構成としている。また、このように基板１０を備える構成において、検出器３０、及び受光部２０の周期構造２２は、金属層５０に対して基板１０とは反対側（金属層５０の上面側）に設けられている。
【００５３】
このような構成によれば、受光部２０、素子設置層５１、及び量子カスケード検出器３０を含む光検出装置１Ａを、基板１０とともに好適に構成することができる。また、この構成では、図２（ｂ）に示すように、受光部２０の受光層２１に設けられた周期構造２２に対し、基板１０とは反対側（図中の上方）から被検出光Ａが入射する。なお、図２に示す構成では、金属層５０は基板１０の直上に設けられているが、必要に応じて、基板１０と金属層５０との間に他の層を介在させても良い。
【００５４】
周期構造２２が形成された受光層２１、及び量子カスケード検出器３０を載置する素子設置層５１を含む負誘電率材料層５０としては、具体的には例えば、上記したように、金属材料からなる金属層を用いることができる。また、受光部２０における負誘電率材料層である受光層２１は、周期構造２２として、量子カスケード検出器３０への表面プラズモンの伝搬方向を配列方向として交互に周期的に形成された複数の凸部２２ａ及び複数の凹部２２ｂを含む凹凸構造（格子構造）を有する構成とすることができる。この場合、受光層２１において、周期構造２２として形成された複数の凸部２２ａ、複数の凹部２２ｂの形状は、図１に示したように、直線状であることが好ましく、あるいは同心円状である構成としても良い。
【００５５】
図１、図２に示した光検出装置１Ａにおける各部の具体的な構成について、さらに説明する。最初に、被検出光Ａの入射に応じて表面プラズモンを生成する受光部２０の構成について、具体的に説明する。以下においては、受光部２０を構成する受光層２１を含む負誘電率材料層５０について、金属であるＡｕ（金）を材料とするＡｕ層を用いた場合を例として説明する。ただし、負誘電率材料層５０については、Ａｕ以外の金属等の材料を用いても良い。
【００５６】
受光部２０のＡｕ受光層２１においては、図１、図２に直線状の凸部２２ａ、凹部２２ｂによる凹凸構造を例示したように、光検出装置１Ａに入射する被検出光Ａの波長λに応じた周期を有する周期構造２２が形成される。このような周期構造２２における周期は、下記の式（１）によって求めることができる。
【数１】
2017011242.tif 000003
ここで、Λは表面プラズモンの波長に相当する周期構造２２の周期、λは入射する被検出光Ａの波長、また、εは媒質の誘電率である。
【００５７】
ε１とε２とは、周期構造２２を構成する異なる２つの媒質の誘電率の実部を示している。例えば、図２に示した構成において、周期構造２２を構成する媒質として、凸部２２ａにおける第１媒質であるＡｕ（金）、及び凹部２２ｂにおける第２媒質である溝内の空気を用いた場合、波長４．５μｍにおけるＡｕの誘電率はε１＝−８４３．２、空気の誘電率はε２＝１となる。また、θは、受光部２０で周期構造２２が形成されている面（周期構造面）の垂線からみた被検出光Ａの入射角度である。
【００５８】
ここで、受光部２０の周期構造２２に対して、被検出光Ａを垂直に入射させる場合を考える。この場合、入射角度がθ＝０°となるため、この条件で上記の式（１）をΛについて解くと、下記の式（２）
【数２】
2017011242.tif 000004
が得られる。以上から、例えば、被検出光Ａの波長をλ＝４．５μｍとした場合、周期構造２２の最適な周期Λは、４．５μｍと求められる。また、周期構造２２となる格子構造（凹凸構造）での凹凸のデューティ比は、例えば５０％に設定することができる。また、格子構造での溝深さは、例えば０．５μｍに設定することができる。
【００５９】
また、被検出光Ａの入射によって受光部２０で生成される表面プラズモンの周期構造面上での伝搬長（伝搬損失により電界強度が１／ｅになる距離）Ｌｘは、下記の式（３）によって求めることができる。
【数３】
2017011242.tif 000005
ここで、ε１’、ε２’は、それぞれ第１媒質であるＡｕ、及び第２媒質である空気の複素誘電率であり、Ａｕについては、上記の実部と合わせてε１＝−８４３．２＋２２９．１ｉ、空気については、ε２＝１となる。ただし、ｉは虚数単位である。
【００６０】
各パラメータを式（３）に代入して伝搬長Ｌｘを計算すると、約２．４ｍｍと求められる。このことから、本構成例において、周期４．５μｍの周期構造２２における周期数の最大値は、伝搬損失を考慮して例えば５００に設定すれば良い。一方、周期数の最小値については、周期構造２２における周期数を５周期以上とすることにより、受光部２０での表面プラズモンの生成、増強の効果が充分に得られると考えられることから（非特許文献２（Z. Yu et al., Appl. Phys. Lett. Vol.89 (2006) pp.151116-1-151116-3）参照）、周期数の最小値を５に設定することが好ましい。また、受光部２０における周期構造２２の幅については、特に制限はなく、適宜に設定することができる。
【００６１】
このような構成の受光部２０において、図２（ｂ）に被検出光Ａ、及びその電場の振動方向Ａ１を模式的に示すように、周期構造２２に入射する被検出光Ａのうち、周期構造２２での凹凸構造のストライプと垂直な方向の偏光成分によって、凸部２２ａのエッジ部分に増強された電場が生じる。この電場は、光（電磁波）の入射によってＡｕ受光層２１の内部の自由電子が振動し、電子の疎密波が形成されることに起因するものである。このような電子の疎密波と、入射光の電場とが結合した連成波を表面プラズモンとよぶ。上記したように、式（２）で示した周期Λと、被検出光Ａの入射波長λとをほぼ対応、一致させることで、受光部２０における受光層２１の周期構造面上に増強された電場を生成させることができる。
【００６２】
受光部２０において被検出光Ａの入射に応じて上記のように生成された表面プラズモンは、図２（ｂ）に矢印Ａ２によって示したように、受光層２１の周期構造２２の表面（周期構造面）をストライプと垂直な方向に伝搬する。また、これに付随して、周期構造面上を増強された電場が、周期構造面と垂直な方向に振動しながら伝搬する。このようなメカニズムで生成されたＴＭモードに相当する電場を量子カスケード検出器３０へと導き、検出器３０の内部へと伝達、入射させることで、光検出装置１Ａに入射した被検出光Ａを検出するための光感度を得ることができる。
【００６３】
ここで、表面プラズモンに付随して伝搬する負誘電率材料層５０上の電場は、負誘電率材料層から離れるにしたがって指数関数的に減衰する。したがって、このように負誘電率材料層５０上を伝搬される電場が検出器３０の内部へと高効率で伝達されるように、受光部２０と検出器３０との配置関係、例えば周期構造２２が形成された受光層２１と、検出器３０の活性層３５との配置関係を設定することが好ましい。
【００６４】
次に、受光部２０から入射する表面プラズモンに起因する光を検出する量子カスケード検出器３０の構成の具体例について説明する。図４は、量子カスケード検出器３０における半導体積層構造の一例を示す図表である。また、図５は、量子カスケード検出器３０における活性層３５を構成する単位積層体３６の構成の一例を示す図である。
【００６５】
本構成例における活性層３５の量子井戸構造では、吸収波長をλ＝４．５μｍ（エネルギー２７６ｍｅＶ）として設計された例を示している。図５においては、活性層３５での吸収領域３７及び輸送領域３８を含む単位積層体３６の多段の繰返し構造のうちの一部について、その量子井戸構造、及び伝導帯サブバンド準位によるサブバンド準位構造を示している。また、量子カスケード検出器３０における半導体積層構造による素子構造は、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、または有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：MetalOrganic Chemical Vapor Deposition）法などによる結晶成長で形成することができる。
【００６６】
本構成例による量子カスケード検出器３０の半導体積層構造では、図１、図２に示した構成において、半導体基板１０として、半絶縁性ＩｎＰ基板を用いている。そして、この基板１０上に設けられた負誘電率材料層５０上（素子設置層５１上）に、図２、図４に示すように、厚さ２５ｎｍのＩｎＧａＡｓ層及び厚さ０．２ｎｍのＩｎＡｌＡｓ層から構成される下部コンタクト層３１、吸収領域３７及び輸送領域３８を含む単位積層体３６が多段に積層された活性層３５、厚さ３０００ｎｍのＩｎＰクラッド層３２、及び厚さ２５ｎｍのＩｎＰ上部コンタクト層３３が順次積層されることで、量子カスケード検出器３０の素子構造が形成されている。
【００６７】
なお、半導体基板１０としては、ｎ型ＩｎＰ基板を用いても良い。この場合、ＩｎＰ基板１０としては、具体的には例えば、濃度１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３でＳｉがドープされたＩｎＰ基板を用いることができる。
【００６８】
活性層３５の上方には、光を効率的に閉じ込めるためのクラッド層３２が設けられている。クラッド層３２としては、具体的には例えば、濃度１×１０１７ｃｍ−３でＳｉがドープされたＩｎＰ層を用いることができる。また、クラッド層３２の層厚については、対象波長λの１／２以上から波長λと同程度の厚さとすることが好ましい。なお、このようなクラッド層３２については、不要であれば設けない構成としても良い。図２においては、検出器３０においてクラッド層３２が設けられていない構成を例示している。
【００６９】
本構成例における活性層３５は、吸収領域３７及び輸送領域３８を含む単位積層体３６が複数周期で繰り返し積層されて構成されている。活性層３５における単位積層体３６の積層周期数は、例えば、１０〜５０周期に設定することができる。また、１周期分の単位積層体３６は、図４、図５に示すように、７個の量子井戸層３６１〜３６７、及び７個の量子障壁層３７１〜３７７が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。
【００７０】
これらの単位積層体３６の各半導体層のうち、量子井戸層３６１〜３６７は、それぞれＩｎＧａＡｓ層によって構成されている。また、量子障壁層３７１〜３７７は、それぞれＩｎＡｌＡｓ層によって構成されている。これにより、本構成例の活性層３５は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井戸構造によって構成されている。なお、活性層３５を構成する各井戸層、障壁層の層厚については、図４に示す通りである。
【００７１】
このような単位積層体３６において、第１障壁層３７１、及び第１井戸層３６１は、サブバンド間吸収によって光を検出する吸収領域３７を構成している。また、第２〜第７障壁層３７２〜３７７、及び第２〜第７井戸層３６２〜３６７は、サブバンド間吸収によって励起された電子を次周期の吸収領域３７ｂへと輸送する輸送領域３８を構成している。また、光吸収に用いられる吸収井戸層として機能する第１井戸層３６１には、キャリアである電子を供給するために、ｎ型不純物であるＳｉが濃度１×１０１８ｃｍ−３でドープされている。
【００７２】
このような構成において、単位積層体３６は、その図５に示すサブバンド準位構造において、光検出に用いられる伝導帯サブバンド準位として、吸収領域３７での光吸収に寄与する検出下準位（detection lower level）Ｌ１、検出上準位（detectionupper level）Ｌ２、及び輸送領域３８での電子輸送に寄与する複数の輸送準位（transportlevels）を有している。
【００７３】
このような単位積層体３６を有する活性層３５に波長λの光が入射すると、検出下準位Ｌ１に存在する電子は、サブバンド間吸収によって検出上準位Ｌ２へと励起される。上準位Ｌ２に励起された電子は、輸送領域３８での複数の輸送準位からなる輸送準位構造を介して、後段の吸収領域３７ｂの検出下準位Ｌ１へと輸送、抽出される。このような光吸収による電子励起、励起された電子の緩和、輸送、及び次周期の単位積層体への電子の抽出を、活性層３５を構成する複数の単位積層体３６で繰り返すことにより、活性層３５においてカスケード的な光吸収が起こる。そして、これによって発生する電流を信号として取り出し、その電流量を計測することで、入射光が検出される。
【００７４】
活性層３５を含む量子カスケード検出器３０の半導体積層構造は、例えば反応性イオンエッチング（ドライエッチング）によって基板１０に対して垂直にエッチングされ、これによって、図１、図２に示したメサ構造を有する検出器３０が作製される。
【００７５】
次に、上記した構成を有する光検出装置１Ａの作製方法について説明する。ここで、図６（ａ）〜（ｃ）、図７（ａ）〜（ｃ）は、図１、図２に示した第１実施形態の光検出装置１Ａの作製方法を示す図であり、各工程における側面断面図を示している。
【００７６】
図６、図７に示す作製方法では、まず、半絶縁性ＩｎＰなどからなる基板１０の設置面１１上に、金属層５０の一部となる第１Ａｕ層５０１を真空蒸着等によって形成する（図６（ａ））。ここでは、基板１０と金属層５０との間の絶縁性を確実にするために、基板１０と第１Ａｕ層５０１との間に別途、ＳｉＯ２、ＳｉＮ等の絶縁材料からなる絶縁膜を形成しても良い。
【００７７】
一方、上記の基板１０及びＡｕ層５０１とは別にＩｎＰ基板１０１を用意し、ＭＢＥ、ＭＯＣＶＤなどの方法を用いて、ＩｎＰ基板１０１上に必要に応じて犠牲層１０２を結晶成長し、さらに犠牲層１０２上に、量子カスケード検出器を構成するコンタクト層３３、活性層３５、コンタクト層３１を形成する。また、コンタクト層３１上に、金属層５０の一部となる第２Ａｕ層５０２を真空蒸着等によって形成する（図６（ｂ））。なお、Ａｕ層５０１、５０２の成膜工程は、同時に行っても良い。
【００７８】
図６（ａ）、（ｂ）に示す工程で作成された２枚の半導体ウエハを、Ａｕ層５０１、５０２同士を接触させて貼り合わせ、適度な荷重をかけて加熱処理することにより、それらを一体化する（図６（ｃ））。このとき、第１Ａｕ層５０１、及び第２Ａｕ層５０２により、金属層５０が形成される。
【００７９】
次に、基板１０１及び犠牲層１０２を選択的化学エッチングによって除去し、さらに、フォトリソグラフィ、及び化学エッチングまたはドライエッチングを施してコンタクト層３１、活性層３５、及びコンタクト層３３の一部をエッチング除去することにより、メサ型の量子カスケード検出器３０を形成する（図７（ａ））。このとき、金属層５０のうちで、検出器３０を載置している部分が素子設置層５１となり、それ以外の露出したうちの一部分が受光層２１となる。さらに、コンタクト層３３上に、Ａｕ層からなる上部電極１３を真空蒸着等によって形成する（図７（ｂ））。
【００８０】
続いて、フォトリソグラフィもしくはナノインプリント及びドライエッチングを施すことにより、受光部２０を構成する受光層２１に周期構造２２を形成する（図７（ｃ））。これにより、基板１０、受光部２０、素子設置層５１、及び量子カスケード検出器３０を含む光検出装置が作製される。なお、ストライプ状の周期構造２２の形成においては、別の材料、例えばＳｉＮ等の絶縁材料からなる凹凸構造を作成し、その上からＡｕをコーティング成膜することで、周期構造２２を形成しても良い。
【００８１】
［第２実施形態］
【００８２】
図８は、光検出装置の第２実施形態の構成を示す平面図である。また、図９は、図８に示した光検出装置の断面構成を示す側面断面図である。本実施形態による光検出装置１Ｂは、受光部２０の構成が、第１実施形態の光検出装置１Ａとは異なっている。
【００８３】
本実施形態では、受光部２０において、受光層２１の周期構造２２上に、誘電体材料からなる誘電体層２３が形成されている。この場合、誘電体層２３の誘電体材料としては、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮ等を用いることができる。このような構成の光検出装置１Ｂによっても、第１実施形態の光検出装置１Ａと同様に、赤外光などの被検出光Ａを高速、高感度、低雑音で検出することが可能となる。
【００８４】
特に、図８、図９に示す構成では、受光部２０から検出器３０の内部への表面プラズモンの電場の伝達効率を向上することができる。すなわち、受光部２０で生成されて検出器３０へと伝搬する表面プラズモン波は、周期構造２２を含む受光層２１での第１媒質である金属と、受光層２１の上方にある第２媒質との界面から遠ざかるにしたがって強度が減衰するが、表面プラズモン波の幅は波長程度の広がりを有している。
【００８５】
ここで、被検出光Ａの波長λと、表面プラズモンの波長に相当する周期構造２２の周期Λとの関係を示す上記の式（２）において、周期構造２２の第２媒質が空気である第１実施形態の構成では、ε２は空気の誘電率であってε２＝１であり、したがって、周期構造２２の周期Λは波長λとほぼ等しくなる。この場合、光検出装置１Ａに入射する被検出光Ａの波長をλ＝４．５μｍとすると、励起される表面プラズモンの波長Λも約４．５μｍであり、同程度の空間的な広がりを有していることとなる。
【００８６】
一方、表面プラズモンが伝達、入射される量子カスケード検出器３０の厚さは例えば２．０μｍ程度である。したがって、周期構造２２が金属及び空気から構成される第１実施形態の構成では、表面プラズモンが入射する検出器３０の厚さが、表面プラズモンの空間的な広がりよりも薄くなってしまう可能性がある。この場合、受光部２０から検出器３０への電場の伝達効率が制限され、被検出光Ａに対する検出感度が低下してしまう。
【００８７】
これに対して、周期構造２２の金属ストライプアレイを誘電体層２３でコーティングする本実施形態による光検出装置１Ｂでは、表面プラズモンの波長Λを短くすることができる。例えば、誘電体層２３をある条件で成膜されたＳｉＮ層とした場合、ＳｉＮ層の波長λ＝４．５μｍでの誘電率は２．６程度である。この場合、表面プラズモンの波長Λは、上記式（２）から２．８μｍ程度となり、誘電体層２３が設けられていない場合と比べてかなり短波長化される。これにより、本実施形態による光検出装置１Ｂによれば、表面プラズモンの空間的な広がりが小さくなることにより、受光部２０から検出器３０への電場の伝達効率を高めることができる。
【００８８】
なお、図８、図９に示したように、受光部２０において金属受光層２１に加えて誘電体層２３を設ける構成では、光検出装置の作製において、受光層２１上に周期構造２２を作成した後に、プラズマＣＶＤ法による成膜と、フォトリソグラフィ、及び化学エッチングまたはドライエッチングによるパターニングとを行うことにより、誘電体層２３を形成することができる。
【００８９】
［第３実施形態］
【００９０】
図１０は、光検出装置の第３実施形態の構成を示す側面断面図である。本実施形態による光検出装置１Ｃは、量子カスケード検出器３０を載置する素子設置層５１の構成が、第１実施形態の光検出装置１Ａとは異なっている。
【００９１】
本実施形態では、素子設置層５１の高さは、受光層２１の周期構造２２における凹部２２ｂの高さと略一致している。このような構成の光検出装置１Ｃによっても、第１実施形態の光検出装置１Ａと同様に、赤外光などの被検出光Ａを高速、高感度で検出することが可能となる。なお、本構成では、光検出装置の作製において、検出器３０のコンタクト層３３上にＡｕ上部電極１３を形成する際に、合わせて受光層２１の一部となるＡｕ層を形成し、その後に周期構造２２の形成を行うと良い。
【００９２】
［第４実施形態］
【００９３】
図１１は、光検出装置の第４実施形態の構成を示す側面断面図である。図１１に示す光検出装置１Ｄは、基板１０と、量子カスケード検出器３０と、受光部２５とを備えて構成されている。基板１０の設置面１１上には、素子設置領域１１ａ及び受光部設置領域１１ｂが設定されており、素子設置領域１１ａ上に量子カスケード検出器３０が設けられ、また、受光部設置領域１１ｂ上に受光部２５が設けられている。
【００９４】
基板１０の設置面１１の上方には、設置面１１から所定の距離をおいて、負誘電率材料層である金属層５５が形成されている。この金属層５５において、素子設置領域１１ａに対応する領域内の部分が素子設置層５６となっており、受光部設置領域１１ｂに対応する領域内の部分が受光部２５を構成する受光層２６となっている。
【００９５】
量子カスケード検出器３０は、金属層５５の素子設置層５６と、基板１０の設置面１１との間においてメサ型に形成されている。図１１に示す構成例では、量子カスケード検出器３０は、基板１０上に、下部コンタクト層３１、活性層３５、及び上部コンタクト層３３を順に形成することで構成されている。また、本構成では、活性層３５及び上部コンタクト層３３の受光部２５とは反対側の一部が除去されており、露出した下部コンタクト層３１上に、金属層からなる下部電極１４が形成されている。また、上部コンタクト層３３に接している金属層５５は、上部電極としても機能している。
【００９６】
受光部２５は、基板１０上に量子カスケード検出器３０とともに設けられ、受光層２６を有して構成されている。また、このような構成において、素子設置層５６は、受光層２６と一体の金属層５５を構成するように受光層２６から伸長された層となっている。受光層２６の基板１０側の面には、被検出光Ａの波長λを考慮して設計された周期構造２７が形成されている。このような周期構造２７により、受光部２５は、波長λの被検出光Ａの入射に応じて、表面プラズモンを生成するように構成されている。
【００９７】
図１１に示す構成例では、受光層２６には、量子カスケード検出器３０へと向かう表面プラズモンの伝搬方向を配列方向として、複数の凸部２７ａ、及び複数の凹部２７ｂが交互に周期的に形成されている。これにより、本構成例での周期構造２７は、表面プラズモンの伝搬方向と直交する方向を長手方向とする直線状の凸部２７ａ、及び凹部２７ｂが複数、交互に形成された凹凸構造（格子構造）となっている。
【００９８】
また、このような受光部２５に対し、量子カスケード検出器３０は、素子設置層５６上で受光層２６の周期構造２７と同じ側であって、受光部２５における表面プラズモンの伝搬方向の一方側に設けられている。また、本構成例では、素子設置層５６の高さは、受光層２６の周期構造２７における凹部２７ｂの高さと略一致している。このような構成においては、受光層２６及び素子設置層５６を含む金属層５５は、受光部２５で生成された表面プラズモンを検出器３０へと伝搬させる表面プラズモン導波路として機能する。
【００９９】
また、基板１０から所定の距離をおいて金属層５５が設けられている本構成では、受光部２５と基板１０との間に、基板１０上で受光層２６を支持する支持層２８が設けられている。この支持層２８としては、例えばＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓなどの半導体材料からなる半導体層、あるいはＳｉＯ２、ＳｉＮなどの絶縁材料からなる絶縁層を用いることができる。また、支持層２８の基板１０とは反対側の面上には、受光層２６の周期構造２７に対応する支持側周期構造２９が形成されている。
【０１００】
また、本実施形態の光検出装置１Ｄでは、図１１に被検出光Ａ、及びその電場の振動方向Ａ１を示すように、受光層２６の下面側に設けられている周期構造２７に対し、被検出光Ａは基板１０側から基板１０を介して入射される。このような構成に対応して、基板１０の裏面１２上には、受光部２５に対応する領域に、被検出光に対する反射防止膜１５が形成されている。また、このように基板１０側から光が入射する構成では、基板１０として、半絶縁性の半導体基板を用いることが好ましい。このような構成の光検出装置１Ｄによっても、第１実施形態の光検出装置１Ａと同様に、赤外光などの被検出光Ａを高速、高感度、低雑音で検出することが可能となる。
【０１０１】
また、上記実施形態の光検出装置１Ｄでは、受光部２５及び量子カスケード検出器３０等に加えて、受光層２６及び素子設置層５６を含む金属層５５と、検出器３０とが設置面１１上に設けられる基板１０をさらに備える構成としている。また、このように基板１０を備える構成において、検出器３０、及び受光部２５の周期構造２７は、金属層５５に対して基板１０側（金属層５５の下面側）に設けられている。
【０１０２】
このような構成によっても、受光部２５、素子設置層５６、及び量子カスケード検出器３０を含む光検出装置１Ｄを、基板１０とともに好適に構成することができる。また、この構成では、図１１に示すように、受光部２５の受光層２６に設けられた周期構造２７に対し、基板１０側（図中の下方）から基板１０を介して被検出光Ａが入射する。
【０１０３】
また、上記構成では、基板１０の設置面１１とは反対側の裏面１２上に、被検出光Ａに対する反射防止膜１５が形成されている。このような構成によれば、受光部２５に対して基板１０側から入射する被検出光Ａの基板１０の裏面１２での反射を抑制して、被検出光Ａの検出効率を向上することができる。
【０１０４】
また、上記構成では、受光部２５と基板１０との間に、基板１０上で受光層２６を支持するとともに支持側周期構造２９を有する支持層２８が設けられている。また、このように受光部２５と基板１０との間に設けられる支持層２８については、半導体材料からなる半導体層とすることが好ましい。
【０１０５】
このような構成では、受光部２５及び基板１０の間に設けられた支持層２８と、検出器３０とが、同質の半導体材料によって構成されることとなる。この場合、受光層２６の周期構造２７において生成されて、受光層２６と支持層２８との界面に沿って伝搬する表面プラズモンは、支持層２８と検出器３０との界面において屈折率のギャップがほとんどない、ほぼ連続な媒質中を伝搬する。これにより、受光部２５から検出器３０への表面プラズモンの電場の伝達効率をさらに向上することができる。
【０１０６】
また、受光層２６の周期構造２７側に支持層２８が設けられている本実施形態による光検出装置１Ｄでは、図９に示した光検出装置１Ｂと同様に、表面プラズモンの波長Λを短くすることができる。例えば、支持層２８をＩｎＰ半導体層とした場合、ＩｎＰ層の波長λ＝４．５μｍでの誘電率は９．５程度である。この場合、表面プラズモンの波長Λは、上記式（２）から被検出光の波長λの約１／３の１．５μｍ程度となる。
【０１０７】
次に、上記した構成を有する光検出装置１Ｄの作製方法について説明する。ここで、図１２（ａ）〜（ｃ）、図１３（ａ）、（ｂ）は、図１１に示した第４実施形態の光検出装置１Ｄの作製方法を示す図であり、各工程における側面断面図を示している。
【０１０８】
図１２、図１３に示す作製方法では、まず、基板１０の設置面１１上に、ＭＢＥ、ＭＯＣＶＤなどの方法を用いて、量子カスケード検出器を構成するコンタクト層３１、活性層３５、コンタクト層３３を形成する。さらに、コンタクト層３３上に、プラズマＣＶＤ法等により、ＳｉＮ、ＳｉＯ２などからなるマスク層１０３を成膜する（図１２（ａ））。
【０１０９】
次に、フォトリソグラフィ、及び化学エッチングまたはドライエッチングを施して、マスク層１０３、及びコンタクト層３１、活性層３５、コンタクト層３３の一部を除去する（図１２（ｂ））。そして、マスク層１０３を残したまま、２回目の結晶成長を行って、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓなどからなる半導体層を成膜する。
【０１１０】
このとき、半導体層は、マスク層１０３上には結晶として成長されず、基板１０の設置面１１上のみにおいて結晶として成長される。その後、フッ酸などの酸を用いてエッチング処理を行って、マスク層１０３とともに非結晶層を除去することにより、基板１０が露出している領域にのみ半導体支持層２８が形成される（図１２（ｃ））。このような手法は、選択成長法と呼ばれている。なお、支持層２８として、半導体層の代わりに絶縁層を形成する場合には、通常の方法、すなわち、プラズマＣＶＤ法による成膜と、フォトリソグラフィ、及び化学エッチングまたはドライエッチングによるパターニングとを行うことにより、絶縁層を形成することができる。
【０１１１】
続いて、フォトリソグラフィ及びドライエッチングを施すことにより、支持層２８に支持側周期構造２９となる凹凸構造を形成する。また、量子カスケード検出器の下部電極を形成するために、コンタクト層３３及び活性層３５の一部を除去して、コンタクト層３１を露出させておく（図１３（ａ））。そして、この状態で金属層を成膜することにより、支持側周期構造２９に対応する周期構造２７を有する受光層２６、及び素子設置層５６を含む金属層５５と、量子カスケード検出器３０の下部電極１４とが形成される。
【０１１２】
最後に、基板１０の裏面１２上に反射防止膜１５を形成する（図１３（ｂ））。これにより、基板１０、受光部２５、素子設置層５６、及び量子カスケード検出器３０を含む光検出装置が作製される。このような光検出装置の作製方法では、半導体結晶成長工程を２回行う必要があるが、図６、図７に示した作製方法にあるような、基板同士を貼り合わせる工程が不要となり、装置の作製が容易となる。また、基板の貼り合わせ工程における半導体結晶へのダメージ発生のおそれがなく、製造時の歩留り向上が期待できる。
【０１１３】
［第５実施形態］
【０１１４】
図１４は、光検出装置の第５実施形態の構成を示す平面図である。本実施形態による光検出装置１Ｅでは、受光部２０を構成する受光層２１のうちで、その量子カスケード検出器３０側の所定部分が、検出器３０に向けて幅が減少するテーパ形状に形成されたテーパ部２４となっている。
【０１１５】
このような構成では、受光部２０からの表面プラズモンが検出器３０に向かって狭窄され、表面プラズモンの電場をしぼられた状態で検出器３０へと入射させることができる。これにより、光検出装置１Ｅにおける受光面積（受光部２０での周期構造２２の面積）を大きく保ちつつ、量子カスケード検出器３０を小型化することができる。この場合、検出器３０における素子抵抗の増大による低ノイズ化、及び高速応答動作の実現に向けた静電容量の低減が可能となる。
【０１１６】
［第６実施形態］
【０１１７】
図１５は、光検出装置の第６実施形態の構成を示す平面図である。本実施形態による光検出装置１Ｆでは、略正方形状の基板１０上において、その１つの角部（図中の右下の角部）側にメサ型の量子カスケード検出器３０が設けられている。また、この検出器３０の第１入射面（図中の上側の面）３０ａに対し、第１受光部２０ａが設けられている。同様に、第２入射面（図中の左側の面）３０ｂに対し、第２受光部２０ｂが設けられている。
【０１１８】
このように、量子カスケード検出器３０に対して２方向に受光部２０ａ、２０ｂを設ける構成は、光検出装置１Ｆにおける光感度の偏光依存性（図２（ｂ）参照）を解消する上で有効である。特に、図１５に示す構成では、第１受光部２０ａでの周期構造の配列方向と、第２受光部２０ｂでの周期構造の配列方向とが、基板１０上において互いに直交している。これにより、光感度の偏光依存性を好適に解消することができる。
【０１１９】
また、図１５の構成では、検出器３０の第１入射面３０ａに対し、受光部２０ａが、検出器３０に向けて幅が減少するテーパ形状に形成されている。同様に、検出器３０の第２入射面３０ｂに対し、受光部２０ｂが、検出器３０に向けて幅が減少するテーパ形状に形成されている。図１５の光検出装置１Ｆでは、このような構成により、光検出装置１Ｆの省スペース化、小型化が図られている。
【０１２０】
この場合、検出器３０の小型化により、検出器３０における素子抵抗の増大による低ノイズ化、及び高速応答動作の実現に向けた静電容量の低減が可能となる。なお、第１、第２受光部２０ａ、２０ｂにおける周期構造については、図１５では一体に接続されて形成されている構成となっているが、これらの周期構造は、互いに分離して形成されている構成としても良い。
【０１２１】
［第７実施形態］
【０１２２】
図１５に示した光検出装置１Ｆは、上記したように省スペース化等が図られていることから、量子カスケード検出器を含む光検出装置のアレイ化、及びそれによる撮像素子等への応答展開においても有効である。
【０１２３】
図１６は、光検出装置の第７実施形態の構成を示す平面図である。本実施形態による光検出装置１Ｇでは、受光部２０ａ、２０ｂ、及び量子カスケード検出器３０を有し、図１５に示した光検出装置１Ｆと同様に構成された装置部分を光検出ユニット１８とし、このような光検出ユニット１８を複数、２次元アレイ状に配列する構成としている。このような構成の光検出装置１Ｇは、例えば２次元の撮像素子として利用することができる。
【０１２４】
なお、図１６の光検出装置１Ｇでは、複数の光検出ユニット１８が縦横に隙間なく配列されているが、実際には、配線電極等を形成するためにある程度の隙間が必要となる場合がある。また、図１６では、光検出ユニット１８を基板上に２次元アレイ状に配列した構成を示したが、光検出ユニット１８を１次元アレイ状に配列して１次元の撮像素子として利用可能な構成としても良い。
【０１２５】
また、図１４、図１５、図１６に示した実施形態では、図１、図２に示した光検出装置１Ａに基づいた構成を示しているが、このような構成に限らず、例えば図１１に示した光検出装置１Ｄに対して、図１４、図１５、図１６に示した構成を適用しても良い。
【０１２６】
［第８実施形態］
【０１２７】
図１７は、光検出装置の第８実施形態の構成を示す側面断面図である。本実施形態による光検出装置１Ｈは、第２素子設置層５２、及び第２半導体光検出素子である第２量子カスケード検出器６０を備える点で、第１実施形態の光検出装置１Ａとは異なっている。
【０１２８】
図１７に示す光検出装置１Ｈは、基板１０と、量子カスケード検出器３０と、受光部２０と、第２量子カスケード検出器６０とを備えて構成されている。基板１０の設置面１１上には、素子設置領域１１ａ、受光部設置領域１１ｂ、及び第２素子設置領域１１ｃが設定されており、素子設置領域１１ａ上に量子カスケード検出器３０が設けられ、受光部設置領域１１ｂ上に受光部２０が設けられ、また、第２素子設置領域１１ｃ上に量子カスケード検出器６０が設けられている。
【０１２９】
また、２つの素子設置領域１１ａ、１１ｃは、受光部設置領域１１ｂを挟むように両側に設定されている。具体的には、素子設置領域１１ａは、第１実施形態と同様に、受光部２０における表面プラズモンの伝搬方向の一方側（図１７中の右側）に設定されている。また、第２素子設置領域１１ｃは、受光部２０における表面プラズモンの伝搬方向の他方側（図１７中の左側）に設定されている。
【０１３０】
基板１０の設置面１１上には、素子設置領域１１ａ、受光部設置領域１１ｂ、及び第２素子設置領域１１ｃを合わせた領域上に、負誘電率材料層である金属層５０が形成されている。また、この金属層５０において、素子設置領域１１ａに対応する素子領域内の部分が素子設置層５１となっており、受光部設置領域１１ｂに対応する受光部領域内の部分が受光部２０を構成する受光層２１となっており、また、第２素子設置領域１１ｃに対応する第２素子領域内の部分が第２素子設置層５２となっている。
【０１３１】
量子カスケード検出器３０は、伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の活性層３５を有しており、素子設置層５１上においてメサ型に形成されている。図１７に示す構成例では、検出器３０は、素子設置層５１上に、下部コンタクト層３１、活性層３５、及び上部コンタクト層３３を順に形成することで構成されている。また、上部コンタクト層３３上には、金属層からなる検出器３０の上部電極１３が形成されている。
【０１３２】
量子カスケード検出器６０は、伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の活性層６５を有しており、第２素子設置層５２上においてメサ型に形成されている。図１７に示す構成例では、検出器６０は、第２素子設置層５２上に、下部コンタクト層６１、活性層６５、及び上部コンタクト層６３を順に形成することで構成されている。また、上部コンタクト層６３上には、金属層からなる検出器６０の上部電極１６が形成されている。この量子カスケード検出器６０は、量子カスケード検出器３０と同様の構成を有している。
【０１３３】
ここで、受光部２０において生成される表面プラズモンは、受光部２０から両方向に伝搬する。これに対して、本実施形態の光検出装置１Ｈでは、受光部２０における表面プラズモンの伝搬方向の一方側に、素子設置層５１及び量子カスケード検出器３０を設けるとともに、表面プラズモンの伝搬方向の他方側に、素子設置層５２及び量子カスケード検出器６０を追加的に設けている。このような構成とすることにより、光検出において約２倍の信号量を得ることができる。
【０１３４】
なお、図１７に示した実施形態では、図１、図２に示した光検出装置１Ａに基づいた構成を示しているが、このような構成に限らず、例えば図１１に示した光検出装置１Ｄ等、他の実施形態の光検出装置に対して、図１７に示した構成を適用しても良い。
【０１３５】
また、受光部２０における表面プラズモンの伝搬方向の他方側の構成については、上記の追加的な量子カスケード検出器６０を設けずに、表面プラズモンを量子カスケード検出器３０へと反射する反射構造を設ける構成としても良い。非特許文献３（N. C. Lindquist et al., Phys. Rev. B Vol.76 (2007)pp.155109-1-155109-5）を参照すると、受光部におけるストライプアレイ構造（凹凸構造）の約半分の周期のストライプアレイを数ペア分形成することにより、このような表面プラズモンの反射構造を実現することができる。これにより、反射構造で反射された表面プラズモン信号を、本来の検出器３０で検出することが可能となり、それによる信号量の増加が期待できる。
【０１３６】
また、例えば、図１６に示したアレイ状の構成では、隣接する光検出ユニット１８への信号の伝搬を防ぐために、受光部２０ａ、２０ｂに対して検出器３０とは反対側に、表面プラズモンを反射する反射構造を設けることが有効である。この場合の反射構造の構成については、非特許文献３を参照して上述した通りである。これにより、隣接する光検出ユニット１８への信号漏えいを防止するとともに、反射構造で反射された信号を、本来の検出器３０で検出することが可能となり、それによる信号量の増加が期待できる。ただし、図１６に関して上述したように、隣接する光検出ユニット１８間に配線等のための隙間が設けられている場合、この隙間によって信号漏えいを防止することが可能であれば、反射構造を設けない構成としても良い。
【０１３７】
本発明による光検出装置は、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した実施形態では、半導体光検出素子として、量子カスケード検出器（ＱＣＤ）を例示しているが、上述したように、伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の半導体光検出素子であれば、例えば量子井戸赤外光検出器（ＱＷＩＰ）などの、ＱＣＤ以外の光検出素子を用いても良い。また、半導体光検出素子、受光層、及び負誘電率材料層等の装置各部の具体的な構成については、上記した実施形態で例示したもの以外にも、様々な構成を用いることが可能である。
【０１３８】
また、上記した構成例では、半導体基板としてＩｎＰ基板を用い、量子カスケード検出器の活性層をＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓによって構成した例を示したが、基板、及び半導体光検出素子の活性層の構成については、具体的には様々な構成、半導体材料系を用いて良い。そのような半導体材料系としては、上記したＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ以外にも、例えばＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮなど、様々な材料系を用いることが可能である。また、基板についても、ＩｎＰ以外にＧａＡｓ、ＧａＮ、あるいはサファイアなど、量子井戸構造を形成する材料系に適したものを適宜用いることができる。
【０１３９】
また、負誘電率材料層を構成する金属材料については、上記したＡｕ以外にも、例えばＡｌ、Ａｇなど、様々な材料を用いて良い。また、負誘電率材料層における負の誘電率を有する材料として、金属材料以外にも、例えば高不純物濃度の半導体材料などの他の材料を用いても良い。
【０１４０】
また、受光層における周期構造については、直線状の凸部、凹部を１次元的に配列した凹凸構造を例示しているが、このような構成以外にも、光感度の偏光依存性を低減するなどの目的により、例えば円形状、正方形状、長方形状の凸部、凹部を２次元的に配列した構成など、具体的には様々な構成を用いることができる。また、素子設置層上で受光層の周期構造と同じ側に設けられる半導体光検出素子については、表面プラズモンの伝搬方向の一方側に少なくとも設けられていれば良く、例えば図１７の実施形態に示したように、表面プラズモンの伝搬方向の両方側に半導体光検出素子を設ける構成としても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１４１】
本発明は、赤外光などの被検出光を高速、高感度で検出することが可能な光検出装置として利用可能である。
【符号の説明】
【０１４２】
１Ａ〜１Ｈ…光検出装置、１０…基板、１１…設置面、１１ａ…素子設置領域、１１ｂ…受光部設置領域、１１ｃ…第２素子設置領域、１２…裏面、１３…上部電極、１４…下部電極、１５…反射防止膜、１６…上部電極、１８…光検出ユニット、
２０、２５…受光部、２１、２６…受光層、２２、２７…周期構造、２２ａ、２７ａ…凸部、２２ｂ、２７ｂ…凹部、２３…誘電体層、２４…テーパ部、２８…支持層、２９…支持側周期構造、
３０…量子カスケード検出器（半導体光検出素子）、３１…下部コンタクト層、３２…クラッド層、３３…上部コンタクト層、３５…活性層、３６…単位積層体、３７…吸収領域、３８…輸送領域、６０…第２量子カスケード検出器（第２半導体光検出素子）、
５０、５５…負誘電率材料層（金属層）、５１、５６…素子設置層、５２…第２素子設置層。
【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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