(57)【要約】【課題】  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を提供する。【解決手段】  基板１０上に設けられた量子カスケード検出器３０と、基板１０上に設けられ周期構造２２が形成された金属層２１を有し、波長λの被検出光の入射に応じてプラズモンを生成するように構成された受光部２０とを備えて、光検出装置１Ａを構成する。検出器３０は、プラズモンに起因する光の入射面となる第１面３０ａとは反対側の第２面３０ｂ側において溝構造が形成されており、この溝構造は、検出器３０を構成する半導体材料からなる第１媒質層と、溝構造での溝内にある媒質からなる第２媒質層とが光入射方向に積層されることで、第２面３０ｂでの波長λの光の反射率を増大する反射構造６０を構成している。【選択図】  図２
2017005011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられ、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してメサ型に形成された半導体光検出素子と、
前記基板上に前記半導体光検出素子とともに設けられ、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負誘電率材料層を有し、所定の波長λの被検出光の入射に応じてプラズモンを生成するように構成された受光部とを備え、
前記半導体光検出素子は、前記受光部における前記プラズモンの伝搬方向の一方側に配置され、その第１面が前記プラズモンに対する入射面となっているとともに、前記第１面とは反対側の第２面側において溝構造が形成されており、
前記溝構造は、前記半導体光検出素子を構成する半導体材料からなる屈折率ｎ１の第１媒質層と、前記溝構造での溝内にある媒質からなる屈折率ｎ２の第２媒質層とが光入射方向に積層されることで、前記第２面での波長λの光の反射率を増大する反射構造を構成していることを特徴とする光検出装置。
【請求項２】
前記反射構造は、前記第２面での波長λの光の反射率が５０％以上となるように構成さ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】
前記反射構造は、それぞれ前記第１媒質層及び前記第２媒質層を含むＭ層（Ｍは１以上の整数）の構造層を有するとともに、前記第１媒質層の層厚が、最適層厚λ／４ｎ１に対して±４５％の範囲内となり、前記第２媒質層の層厚が、最適層厚λ／４ｎ２に対して±４５％の範囲内となるように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の光検出装置。
【請求項４】
前記反射構造において、前記構造層の層数Ｍは１または２に設定されていることを特徴とする請求項３記載の光検出装置。
【請求項５】
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１〜４のいずれか一項記載の光検出装置。
【請求項６】
前記基板上で前記半導体光検出素子と前記受光部との間に設けられ、負の誘電率を有する材料からなる導波路層を有し、前記受光部で生成された前記プラズモンを前記半導体光検出素子へと伝搬させるように構成された導波路部を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の光検出装置。
【請求項７】
前記導波路部は、前記導波路層と、前記導波路層上に形成された誘電体材料からなる誘電体層とによって構成されていることを特徴とする請求項６記載の光検出装置。
【請求項８】
前記導波路部は、前記受光部から前記半導体光検出素子へと導波路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６または７記載の光検出装置。
【請求項９】
前記導波路部の終端面と、前記半導体光検出素子の前記第１面とは、１μｍ〜１０μｍの範囲内で設定された間隔をあけて配置されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項記載の光検出装置。
【請求項１０】
前記受光部の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１〜９のいずれか一項記載の光検出装置。
【請求項１１】
前記受光部の前記負誘電率材料層は、前記周期構造として、前記半導体光検出素子への前記プラズモンの伝搬方向を配列方向として周期的に形成された複数の溝を含む凹凸構造を有す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】
前記基板上に１次元アレイ状または２次元アレイ状に配列され、それぞれ前記受光部、及び前記反射構造を含む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、ＧＨｚ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
【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、量子カスケード検出器は、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、量子カスケード検出器では、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４５°に研磨して研磨面から光を入射させ、基板内部での多重反射による光の基板から活性層への染み出しを用いる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、量子カスケード検出器では、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。また、このような問題は、量子カスケード検出器以外にも、例えば量子井戸赤外光検出器（ＱＷＩＰ：Quantum Well Infrared Photodetector）など、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おいて、同様に生じる。
【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）基板と、（２）基板上に設けられ、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してメサ型に形成された半導体光検出素子と、（３）基板上に半導体光検出素子とともに設けられ、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負誘電率材料層を有し、所定の波長λの被検出光の入射に応じてプラズモンを生成するように構成された受光部とを備え、（４）半導体光検出素子は、受光部におけるプラズモンの伝搬方向の一方側に配置され、その第１面がプラズモンに対する入射面となっているとともに、第１面とは反対側の第２面側において溝構造が形成されており、（５）溝構造は、半導体光検出素子を構成する半導体材料からなる屈折率ｎ１の第１媒質層と、溝構造での溝内にある媒質からなる屈折率ｎ２の第２媒質層とが光入射方向に積層されることで、第２面での波長λの光の反射率を増大する反射構造を構成していることを特徴とする。
【００１２】
上記した光検出装置では、基板上に設けられたメサ型のＱＣＤ、ＱＷＩＰなどの半導体光検出素子に対し、被検出光の波長λを考慮して設計された負誘電率材料層による周期構造を有する受光部を同一基板上に設けている。そして、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、このプラズモンを半導体光検出素子へと伝搬させて、プラズモンに起因する光を光検出素子で検出する構成としている。
【００１３】
さらに、このような構成において、上記の光検出装置では、半導体光検出素子で受光部側の第１面とは反対側で光検出素子に入射した光に対する反射面となる第２面側に、反射構造として機能する溝構造を形成している。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、プラズモン機構を利用した受光部を同一基板上に設けるとともに、光検出素子の反射面側に溝構造を用いた反射構造を形成する構成によれば、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、受光部から半導体光検出素子へと入射した光の検出効率を反射構造によって向上して、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を実現することができる。また、半導体光検出素子の反射面側に反射構造を設けることにより、光検出素子の小型化、及び低ノイズ化、動作の高速化が可能となる。
【００１４】
ここで、上記の光検出装置における反射構造の構成、及び光の反射率については、反射構造は、第２面での波長λの光の反射率が５０％以上となるように構成されていることが好ましい。
【００１５】
また、反射構造の具体的な構成としては、反射構造は、それぞれ第１媒質層及び第２媒質層を含むＭ層（Ｍは１以上の整数）の構造層を有するとともに、第１媒質層の層厚が、最適層厚λ／４ｎ１に対して±４５％の範囲内となり、また、第２媒質層の層厚が、最適層厚λ／４ｎ２に対して±４５％の範囲内となる構成を用いることができる。また、この場合、反射構造において、反射構造を構成する構造層の層数Ｍは、１または２に設定されている構成とすることができる。
【００１６】
これらの構成を有する反射構造によれば、半導体光検出素子で入射面とは反対側にある反射面での光の反射率を好適に増大して、受光部から光検出素子へと入射したプラズモンに起因する光の検出効率を充分に向上することができる。また、このような検出効率の向上により、光検出素子の小型化等を好適に実現することができる。また、反射構造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。
【００１７】
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以外の光検出素子を用いても良い。
【００１８】
また、上記の光検出装置は、基板上で半導体光検出素子と受光部との間に設けられ、負の誘電率を有する材料からなる導波路層を有し、受光部で生成されたプラズモンを半導体光検出素子へと伝搬させるように構成された導波路部をさらに備える構成としても良い。このように、基板上の受光部及び半導体光検出素子に対して、それらの間に導波路部を設ける構成によれば、受光部で生成されたプラズモンを光検出素子へと高効率で伝搬、入射させることが可能となる。
【００１９】
この場合、導波路部は、導波路層と、導波路層上に形成された誘電体材料からなる誘電体層とによって構成されていることとしても良い。また、導波路部は、受光部から半導体光検出素子へと導波路幅が減少するテーパ形状に形成されている構成としても良い。これらの構成によれば、導波路部によるプラズモンの伝搬効率を向上することができる。
【００２０】
また、半導体光検出素子と導波路部との配置関係については、導波路部の終端面と、半導体光検出素子の第１面とは、１μｍ〜１０μｍの範囲内で設定された間隔をあけて配置されていることが好ましい。このような構成によれば、光検出素子の活性層と導波路部とが電気的に接触することが防止され、電流のリーク等の発生を抑制することができる。
【００２１】
受光部において周期構造が形成される負誘電率材料層については、具体的には例えば、受光部の負誘電率材料層は、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、受光部の負誘電率材料層は、周期構造として、半導体光検出素子へのプラズモンの伝搬方向を配列方向として周期的に形成された複数の溝（溝構造）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。
【００２２】
また、上記の光検出装置は、基板上に１次元アレイ状、または２次元アレイ状に配列され、それぞれ受光部、及び反射構造を含む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】
【００２３】
本発明の光検出装置によれば、メサ型の半導体光検出素子とともに基板上に設けられた負誘電率材料層による周期構造を有する受光部において、被検出光の入射に応じて表面プラズモンを生成させ、このプラズモンを光検出素子へと伝搬させて、プラズモンに起因する光を光検出素子で検出する構成とするとともに、光検出素子において光の入射面となる第１面とは反対側の第２面側に、反射構造として機能する溝構造を形成することにより、光の検出効率の向上、及び光検出素子の小型化等を実現して、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となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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、及びプラズモンの伝搬について模式的に示す図である。
【図３】第１実施形態の光検出装置における量子カスケード検出器及び反射構造の構成を一部拡大して示す（ａ）平面図、及び（ｂ）側面断面図である。
【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】反射構造における光の反射率の波長依存性を示すグラフである。
【図７】反射構造における光の反射率の波長依存性を示すグラフである。
【図８】反射構造における光の反射率の波長依存性を示すグラフである。
【図９】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１０】光検出装置の第３実施形態の構成を示す平面図である。
【図１１】光検出装置の第４実施形態の構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
［第１実施形態］
【００２７】
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、及びプラズモンの伝搬等について模式的に示す図である。また、図３は、図１に示した第１実施形態の光検出装置における量子カスケード検出器、及び反射構造の構成を一部拡大して示す（ａ）平面図、及び（ｂ）側面断面図である。
【００２８】
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。
【００２９】
図１〜図３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、導波路部５０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）の検出器形成領域１１ａ上に量子カスケード検出器３０が設けられ、また、受光部形成領域１１ｂ上に受光部２０及び導波路部５０が設けられている。本実施形態では、図２（ａ）に示すように、受光部形成領域１１ｂは、検出器形成領域１１ａよりも低い面部分となっている。また、基板１０の他方の面（図２中の下面）上には、検出器３０の駆動に用いられる下部電極１２が形成されている。
【００３０】
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、基板１０上においてメサ型に形成されている。図３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、クラッド層３２、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、下部電極１２とともに検出器３０の駆動に用いられる上部電極１３が形成されている。なお、図３（ａ）においては、上部電極１３の図示を省略している。
【００３１】
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３（ｂ）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。なお、活性層３５に含まれる単位積層体３６の構成については、具体的には後述する。
【００３２】
受光部２０は、基板１０上に検出器３０とともに設けられ、負の誘電率を有する材料からなる負誘電率材料層２１を有して構成されている。以下においては、負誘電率材料層２１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。金属層２１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。このように設計された構成の周期構造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。
【００３３】
図１、図２に示す構成例では、金属層２１には、量子カスケード検出器３０へと向かうプラズモンの伝搬方向を配列方向として、複数の溝が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２２は、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。また、受光部２０の検出器３０とは反対側には、検出器３０側へとプラズモンを反射させるブラッグ反射構造２５が設けられている。なお、図１では、見易さのため、受光部２０と反射構造２５とを、破線で区切って示している。
【００３４】
量子カスケード検出器３０は、受光部２０における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）の一方側に配置されており、その第１面（図２中の左側の面）３０ａが、プラズモン（プラズモンに起因する光）に対する入射面となっている。また、この検出器３０の入射面３０ａとは反対側で、検出器３０に入射した光の反射面となる第２面３０ｂ側には、検出器３０の上面（基板１０とは反対側の面）から形成された１または複数の溝からなる溝構造が形成されている。
【００３５】
この溝構造は、検出器３０を構成する半導体材料からなる屈折率ｎ１の第１媒質層と、溝構造での溝内にある媒質（例えば空気）からなる屈折率ｎ２の第２媒質層とが光入射方向（光進行方向）に積層されることで、第２面３０ｂでの波長λの光の反射率を増大する反射構造６０を構成している。なお、量子カスケード検出器３０の第１面３０ａでの光入射方向、及び検出器３０の活性層３５内での光進行方向は、受光部２０でのプラズモンの伝搬方向に対応している。
【００３６】
量子カスケード検出器３０と、受光部２０との間の基板１０上には、プラズモン導波路部５０が設けられている。導波路部５０は、負の誘電率を有する材料からなる導波路層５１を有し、図２（ｂ）に矢印Ａ２によって伝搬方向を示すように、受光部２０において生成されたプラズモンを検出器３０へと伝搬させるように構成されている。
【００３７】
本実施形態においては、導波路層５１は、受光部２０の負誘電率材料層２１と同様に、例えばＡｕなどの金属材料からなる金属層によって構成されており、また、金属導波路層５１上には、誘電体材料からなる誘電体層５２が形成されている。また、導波路層５１及び誘電体層５２を含む導波路部５０は、図１に示すように、受光部２０から量子カスケード検出器３０へ向けて次第に導波路幅が減少するテーパ形状に形成されている。また、導波路部５０の検出器３０側の終端面と、検出器３０での入射面である第１面３０ａとは、充分に近接するように配置されている。
【００３８】
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。
【００３９】
図１〜図３に示した光検出装置１Ａでは、基板１０上に設けられた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に対し、被検出光Ａの波長λを考慮して設計された金属層２１による周期構造２２を有する受光部２０を同一基板１０上に設けている。そして、受光部２０の周期構造２２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、このプラズモンを量子カスケード検出器３０へと伝搬させて、プラズモンに起因する光を検出器３０で検出する構成としている。
【００４０】
さらに、このような構成において、光検出装置１Ａでは、検出器３０で受光部２０側にあって半導体積層方向と平行な側面である第１面３０ａが、プラズモンに起因する光に対する入射面となっているとともに、この第１面３０ａとは反対側で検出器３０に入射した光に対する反射面となる第２面３０ｂ側に、第２面３０ｂと略平行に形成された１または複数の溝からなり反射構造６０として機能する溝構造を設けている。
【００４１】
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、プラズモン機構を利用した受光部２０を同一基板１０上に設けるとともに、検出器３０の反射面３０ｂ側に溝構造を用いた反射構造６０を形成する構成によれば、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から量子カスケード検出器３０へと入射した光の検出効率を反射構造６０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。また、このように検出器３０の反射面３０ｂ側に反射構造６０を設けることにより、検出器３０の小型化、及びそれによる低ノイズ化、動作の高速化が可能となる。
【００４２】
ここで、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に記載の光検出器では、実用上、いくつかの課題が残されている。
【００４３】
まず、量子カスケード検出器では、検出器で発生するノイズにおいて、特に室温近傍で熱雑音が支配的となる。熱雑音によるノイズ電流ｉＮは、下記の式（１）
【数１】
2017005011.tif 000003
によって求められる。ここで、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは素子温度、Δｆは帯域幅（ここではΔｆ＝１として良い）、Ｒは素子抵抗である。
【００４４】
上記の式（１）から理解されるように、検出器におけるノイズ電流は、その素子抵抗Ｒに大きく依存している。したがって、検出器の素子サイズ（メサ型の量子カスケード検出器でのメササイズ）を小さくし、その素子抵抗を高くすることによって、熱雑音によるノイズを低減することができる。光検出器の能力を示す比検出能（Ｄ＊）がＳＮ比に基づいて求められるように、ノイズは検出器の性能を大きく左右する要素である。
【００４５】
また、光検出器の素子サイズの縮小は、ノイズの低減に加えて、素子が持つ静電容量の低減にもつながり、したがって、ＲＣ時定数によって決まる応答速度の高速化においても重要となる。上記した非特許文献１では、このような素子サイズの影響、あるいはその最適化について記載されていない。
【００４６】
これに対して、上記実施形態による光検出装置１Ａでは、検出器３０の反射面３０ｂ側に反射構造６０を設けて、検出器３０における光の検出効率を向上することにより、検出器３０の素子サイズの縮小を可能としている。このような構成によれば、検出器３０での素子抵抗を高くすることでノイズを低減するとともに、素子が持つ静電容量を低減して、検出器の低ノイズ化、動作の高速化を実現することが可能となる。
【００４７】
また、検出器端面に形成する反射構造としては、一般に、反射面に対して誘電体多層膜による反射コートを施す構成が考えられる。しかしながら、例えば、上記のように同一基板上に半導体光検出素子と受光部とを形成する構成の光検出装置をアレイ化して撮像素子とする場合、光検出装置の構造上の特徴から、検出器のメサ端面である反射面に蒸着等によって誘電体多層膜を形成することは、極めて困難である。
【００４８】
これに対して、上記実施形態による光検出装置１Ａでは、量子カスケード検出器３０の受光部２０とは反対側の第２面３０ｂに誘電体多層膜等を形成するのではなく、膜の蒸着等を用いずにエッチングによって形成することが可能な溝構造を設け、この溝構造を、受光部２０及び導波路部５０から入射して検出器３０で検出される光に対する反射構造６０としている。これにより、検出器３０での光の検出効率を好適に向上するとともに、素子サイズを縮小して、赤外光などの被検出光Ａに対して高い検出感度を有する高速、低ノイズの光検出装置１Ａを好適に実現することが可能となる。
【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、プラズモン機構を利用した受光部２０を同一基板１０上に設けるとともに、検出器の反射面３０ｂ側に反射構造６０を形成することにより、被検出光Ａ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、上記構成の光検出装置１Ａでは、図１、図２に示したように、基板１０上で量子カスケード検出器３０と受光部２０との間に設けられた導波路層５１を有し、受光部２０で生成されたプラズモンを検出器３０へと伝搬させるように構成された導波路部５０をさらに備えることが好ましい。このようにプラズモン導波路部５０を設ける構成によれば、受光部２０で生成されたプラズモンを検出器３０へと高効率で伝搬、入射させて、光検出装置１Ａでの被検出光Ａの検出効率をさらに向上することが可能となる。ただし、このような導波路部５０については、不要であれば設けない構成としても良い。
【００５３】
また、このように導波路部５０が形成されている場合、導波路部５０は、金属層などからなる導波路層５１と、導波路層５１上に形成された誘電体材料からなる誘電体層５２とによって構成されていることが好ましい。これにより、導波路部５０におけるプラズモンの伝搬を好適に実現することができる。ただし、導波路部５０については、誘電体層５２を設けずに、金属層などの導波路層５１と、導波路層５１の上面に接する空気の層とによって、プラズモン導波路を構成しても良い。
【００５４】
また、導波路部５０は、図１に示したように、受光部２０から量子カスケード検出器３０へと導波路幅が減少するテーパ形状に形成されている構成としても良い。このような構成によっても、プラズモン導波路部５０による検出器３０へのプラズモンの伝搬効率を向上することができる。
【００５５】
また、量子カスケード検出器３０と導波路部５０との配置関係については、導波路部５０の検出器３０側の終端面と、検出器３０の導波路部５０側の第１面３０ａとは、１μｍ〜１０μｍの範囲内で設定された間隔をあけて配置されていることが好ましく、さらに、２μｍ〜１０μｍの範囲内で設定された間隔をあけて配置されていることが好ましい。このような構成によれば、検出器３０の活性層３５と、導波路部５０の導波路層５１とが電気的に接触することが防止され、電流のリーク等の発生を抑制することができる。
【００５６】
受光部２０において周期構造２２が形成される負誘電率材料層２１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の負誘電率材料層２１は、周期構造２２として、量子カスケード検出器３０へのプラズモンの伝搬方向を配列方向として周期的に形成された複数の溝による凹凸構造（格子構造）を有する構成とすることができる。この場合、周期構造２２として形成された複数の溝（溝による凸部２２ａ、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。
【００５７】
また、光検出装置１Ａにおける反射構造６０の構成、及び光の反射率については、反射構造６０は、光の反射面となる第２面３０ｂでの波長λの光の反射率が５０％以上となるように構成されていることが好ましい。
【００５８】
また、反射構造６０の具体的な構成としては、反射構造６０は、Ｍを１以上の整数として、それぞれ第１媒質層及び第２媒質層を含むＭ層の構造層を有するとともに、第１媒質層の層厚が、最適層厚ｌｏｐｔ，１＝λ／４ｎ１に対して±４５％の範囲内となり、第２媒質層の層厚が、最適層厚ｌｏｐｔ，２＝λ／４ｎ２に対して±４５％の範囲内となる構成を用いることができる。また、この場合、反射構造６０において、反射構造６０を構成する構造層の層数Ｍは、１または２に設定されている構成とすることができる。
【００５９】
これらの構成を有する反射構造６０によれば、量子カスケード検出器３０において入射面３０ａとは反対側の反射面３０ｂでの光の反射率を好適に増大させて、受光部２０から検出器３０へと入射したプラズモンに起因する光の検出効率を充分に向上することができる。また、このような検出効率の向上により、検出器３０の小型化等を好適に実現することができる。また、反射構造６０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。なお、反射構造６０の構成の具体例、及びその構成条件については、さらに後述する。
【００６０】
図１〜図３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を構成する負誘電率材料層２１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２１については、Ａｕ以外の金属等の材料を用いても良い。
【００６１】
受光部２０のＡｕ層２１においては、図１、図２に直線状の溝構造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（２）によって求めることができる。
【数２】
2017005011.tif 000004
ここで、Λは周期構造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。
【００６２】
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、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。
【００６３】
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（２）をΛについて解くと、下記の式（３）
【数３】
2017005011.tif 000005
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、４．４９μｍ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。
【００６４】
また、被検出光Ａの入射によって受光部２０で生成される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（４）によって求めることができる。
【数４】
2017005011.tif 000006
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。
【００６５】
各パラメータを式（４）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４．４９μｍ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Ｌ３（図１参照）については、特に制限はなく、例えばＬ３＝１ｍｍに設定することができる。
【００６６】
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の溝構造のストライプと垂直な方向の偏光成分によって、点線で囲んで示した凸部２２ａのエッジ部分２２ｃ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、金属の表面に染み出した入射光とが結合した連成波をプラズモンとよぶ。上記したように、式（３）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。
【００６７】
受光部２０において被検出光Ａの入射に応じて生成されたプラズモンは、Ａｕ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、Ａｕ／誘電体導波路部５０を介して検出器３０へと導くことで、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。
【００６８】
受光部２０から量子カスケード検出器３０への電場の導入は、上記のように検出器３０に向かってテーパ形状に形成された導波路部５０によって行われる。導波路部５０の終端面と、検出器３０の入射面３０ａとは、図２に示すように、例えば１μｍ〜１０μｍの間隔、あるいはさらに２μｍ〜１０μｍの間隔をあけて、空気の層を介して近接配置されている。これにより、プラズモンに起因する光の検出器３０への伝搬、入射が可能となっている。また、これにより、検出器３０と導波路部５０との接触が防止される。
【００６９】
導波路部５０は、図１に示すように、例えば、入口側（受光部２０側）は周期構造２２の幅Ｌ３と略同じ幅とし、出口側（検出器３０側）は検出器３０の入射面３０ａと略同じ幅として形成される。このような構成では、受光部２０からのプラズモンが検出器３０の入射面に向かって狭窄され、周期構造面上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１Ａ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。また、導波路部５０のプラズモン導波路長Ｄは、例えば３００μｍに設定することができる。
【００７０】
ここで、プラズモンに付随して伝搬する周期構造面上の電場は、周期構造面から離れるにしたがって指数関数的に減衰する。導波路部５０では、このような電場の空間的な広がりを抑制し、量子カスケード検出器３０での活性層３５の層厚と同程度に電場を閉じ込めた状態で検出器３０と結合させることで、光の入射効率を向上することができる。
【００７１】
このような条件を実現するためには、上記したようなＡｕ導波路層５１及び誘電体層５２によるプラズモン導波路構造において、誘電体層５２の誘電体材料として屈折率が高い材料を用いれば良い。このような誘電体材料としては、例えばＧｅ（ゲルマニウム）が挙げられる。また、誘電体層５２の層厚については、例えば検出器３０の活性層３５の層厚と同程度またはそれ以下、好ましくは活性層３５の層厚の半分以下に設定すれば良い。
【００７２】
また、受光部２０において被検出光Ａの入射に応じて生成されるプラズモンは、周期構造面上をストライプの長手方向と垂直な方向に等方的に伝搬するため、検出器３０とは逆の方向にもプラズモンが進行する。これに対し、上記実施形態の光検出装置１Ａでは、受光部２０に対して検出器３０とは反対側にブラッグ反射構造２５を設けることで、検出器３０とは逆方向に進行する電場を光感度に寄与させる構成としている。この反射構造２５は、例えば受光部２０の周期構造２２と同様にＡｕ層２１の凹凸構造によって構成し、周期が波長λの１／２となるようにデューティ比５０％で２周期以上の反射構造を形成することが好ましい。
【００７３】
次に、受光部２０から導波路部５０を介して入射する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（図３（ｂ）参照）の構成の一例を示す図である。
【００７４】
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２７５ｍｅＶ）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。
【００７５】
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３に示した構成において、半導体基板１０として、ｎ型ＩｎＰ基板を用いている。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ＳがドープされたＩｎＰ基板を用いることができる。そして、このＩｎＰ基板１０上に、図３（ｂ）及び図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。
【００７６】
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。このクラッド層３２は、検出器３０の内部に進入した光がメサ構造の上部にある電極１３に接触して、損失が生じることを防ぐ機能を有する。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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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３に示したメサ構造を有する検出器３０が作製される。このときのエッチング深さｄ（図２（ｂ）参照）は、好ましくは、活性層３５の下端よりも２００ｎｍ〜３００ｎｍ深い位置となるように設定する。
【００８３】
また、これに対し、導波路部５０として用いられるＡｕ導波路層５１及び誘電体層５２の合計層厚を、３００ｎｍ以上１μｍ以下となるように設定する。これにより、プラズモン導波路として機能する誘電体層５２の位置を、検出器３０の活性層３５に対応する範囲内に設定することができる。ここで、導波路部５０を伝搬する電場は、主に誘電体層５２内部及びその上面付近に存在している。このため、検出器３０における活性層３５と、導波路部５０における誘電体層５２との高さをそろえることで、検出器３０へと効率良く光を入射させることができる。
【００８４】
メサ構造を有する量子カスケード検出器３０のメササイズについては、例えば、入射面３０ａの幅となる検出器幅Ｌ２（図１参照）を５０μｍ、検出器長Ｌ１を２００μｍに設定することができる。検出器長Ｌ１は、例えば入射光の強度が検出器３０の内部で１／ｅとなる長さに設定することができる。このような検出器長は、例えば、活性層３５へのドーピング量を１×１０１８ｃｍ−１とした場合の波長λ＝４．５μｍの光に対する吸収係数（５１ｃｍ−１）から求めることができる。
【００８５】
次に、受光部２０における周期構造２２、及び導波路部５０の作製方法について説明する。上記のように量子カスケード検出器３０のメサ構造を形成した後、エッチングによって露出した基板面に、Ａｕ層２１となるＡｕを例えば０．６μｍ以上１μｍ以下の厚さで蒸着し、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、上記の式（３）で求められる周期Λを有する周期構造２２を作製する。また、周期構造２２での溝深さは、例えば上記したように０．５μｍとする。
【００８６】
このような周期構造２２の作製においては、例えば、ＳｉＮなどのＡｕ以外の材料を基板面にあらかじめ蒸着しておき、所望の周期で深さ０．５μｍの溝を作製し、その上からＡｕを蒸着するという方法を用いても良い。
【００８７】
周期構造２２を有する受光部２０と、メサ型の検出器３０との間には、例えば導波路長Ｄ＝３００μｍのテーパ形状の導波路部５０を作製する。プラズモン導波路に用いられるＡｕ導波路層５１は、基板面に直接蒸着する。このとき、ＳｉＮなどの材料で検出器３０のメサ側面を含む全ての面を保護しておく。導波路の形成のためには、周期構造２２と同様にフォトリソグラフィ及びドライエッチングを施す。また、必要に応じて、Ａｕ導波路層５１上に誘電体層５２を蒸着等によって形成する。
【００８８】
最後に、検出器３０を保護していたＳｉＮを除去する。この際に、図２に示すように、導波路部５０の終端面と検出器３０の入射面３０ａとの間に、例えば数μｍの隙間が形成される。この導波路部５０と検出器３０との間の隙間については、上記したように、１μｍ〜１０μｍの範囲内で設定された間隔、あるいはさらに、２μｍ〜１０μｍの範囲内で設定された間隔を有することが好ましい。これにより、検出器３０と、導波路部５０とが接触することが防止され、電流のリーク等の発生を抑制することができる。
【００８９】
次に、量子カスケード検出器３０において入射面３０ａとは反対側の反射面３０ｂ側に形成される反射構造６０について説明する。検出器３０の反射面３０ｂ側では、上述したようにエッチング等によって溝構造を作製し、この溝構造をブラッグ反射器として機能する反射構造６０として用いている。なお、メサ型の量子カスケード検出器３０に対する溝構造の形成は、垂直エッチングによって行うことが望ましく、例えば、検出器３０のメサ構造と同時に作製することが好ましい。
【００９０】
このようなブラッグ反射構造６０は、高屈折率層と低屈折率層との組合せによって実現することができる。具体的には、反射構造６０の高屈折率層としては、検出器３０を構成する半導体材料からなる屈折率ｎ１＝ｎｓの第１媒質層が用いられる。また、低屈折率層としては、溝構造での溝内にある媒質、例えば空気からなる屈折率ｎ２＝ｎａの第２媒質層が用いられる。
【００９１】
また、反射構造６０の理想的な構成としては、構造層の層数をＭとして、それぞれ第１媒質層及び第２媒質層を含むＭ層の構造層によって反射構造６０を構成するとともに、各構造層における第１媒質層（半導体層）の層厚を、最適層厚
ｌｏｐｔ，１＝λ／４ｎ１
と略一致させ、また、第２媒質層（例えば溝内の空気層）の層厚を、最適層厚
ｌｏｐｔ，２＝λ／４ｎ２
と略一致させる構成とすれば良い。
【００９２】
図３に示した構成例では、反射構造６０は、構造層の層数（ブラッグ反射器の周期数）をＭ＝２に設定して、反射面３０ｂ側から順に第１構造層６１、第２構造層６２の２層の構造層を有して構成されている。第１構造層６１は、半導体層６１ａ、及び溝構造による空気層６１ｂによって構成されている。また、第２構造層６２は、同様に、半導体層６２ａ、及び空気層６２ｂによって構成されている。
【００９３】
また、このような構成において、対象となる光の波長をλ＝４．５μｍ、半導体層の屈折率をｎ１＝ｎｓ＝３．３、空気層の屈折率をｎ２＝ｎａ＝１とすると、反射構造６０での半導体層６１ａ、６２ａのそれぞれの最適層厚は
ｌｏｐｔ，１＝ｌｏｐｔ，ｓ＝λ／４ｎｓ＝０．３３μｍ
となる。また、空気層６１ｂ、６２ｂのそれぞれの最適層厚は
ｌｏｐｔ，２＝ｌｏｐｔ，ａ＝λ／４ｎａ＝１．１３μｍ
となる。
【００９４】
図６は、このように設定された層厚ｌｏｐｔ，ｓ、ｌｏｐｔ，ａを有する半導体層、空気層によって構成された反射構造６０における光の反射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、縦軸は波長λの光に対する反射率Ｒ（％）を示している。また、図６において、グラフＢ１は、反射構造６０に含まれる第１媒質層及び第２媒質層からなる構造層の層数をＭ＝１とした場合の反射率を示し、グラフＢ２は、反射構造６０に含まれる構造層の層数をＭ＝２とした場合の反射率を示している。
【００９５】
このグラフでは、波長λ＝４．５μｍの光に対し、反射構造６０の構造層の層数Ｍ＝１とした構成では反射率はＲ＝９０％、層数Ｍ＝２とした構成では反射率はＲ＝９９％となっている。したがって、反射構造６０を構成する構造層の層数（第１、第２媒質層の周期数）については、第１、第２媒質層が２周期あれば、充分な反射率が得られることがわかる。したがって、反射構造６０を構成する構造層の層数Ｍについては、上述したように、Ｍ＝１、またはＭ＝２に設定することが好ましい。
【００９６】
このように、検出器３０の反射面３０ｂ側に反射構造６０を形成して、反射面３０ｂでの光の反射率を高くすることにより、検出器３０の内部で検出対象の光を往復させることが可能となる。この場合、例えば、検出器３０の検出器長Ｌ１（図１参照）を、波長λの入射光の強度が検出器３０内で１／ｅになる長さの１／２（例えば１００μｍ）程度に設定することが可能となる。これにより、メサ型の検出器３０の面積を小さくすることができ、上述したように、素子抵抗の増大によるノイズ（熱雑音）の抑制、高速応答に向けた静電容量の低減等が可能となる。
【００９７】
次に、上記構成において許容される第１媒質層、第２媒質層の層厚の範囲について説明する。通常、量子カスケード検出器等の半導体光検出素子を構成する半導体材料の屈折率は、例えば３〜３．３程度であり、空気から光が垂直入射した場合の反射率は、約３０％である。これに対して、検出器３０の反射面３０ｂ側における反射構造６０は、波長λの光の反射率が５０％以上となるように構成することが好ましい。このような反射率の好適範囲を考慮すると、反射構造６０を構成する第１、第２媒質層の層厚については、それぞれ上記した最適層厚ｌｏｐｔ＝λ／４ｎに対して、±４５％の範囲内となるように設定することが好ましい。
【００９８】
図７は、反射構造６０を構成する半導体層、空気層の層厚ｌｓ、ｌａを、それぞれ最適層厚ｌｏｐｔ，ｓ、ｌｏｐｔ，ａに対して＋４５％に設定した場合の、反射構造６０における光の反射率の波長依存性を示すグラフである。図７において、グラフＣ１は、反射構造６０に含まれる第１媒質層及び第２媒質層からなる構造層の層数をＭ＝１とした場合の反射率を示し、グラフＣ２は、反射構造６０に含まれる構造層の層数をＭ＝２とした場合の反射率を示している。
【００９９】
図８は、反射構造６０を構成する半導体層、空気層の層厚ｌｓ、ｌａを、それぞれ最適層厚ｌｏｐｔ，ｓ、ｌｏｐｔ，ａに対して−４５％に設定した場合の、反射構造６０における光の反射率の波長依存性を示すグラフである。図８において、グラフＤ１は、反射構造６０に含まれる第１媒質層及び第２媒質層からなる構造層の層数をＭ＝１とした場合の反射率を示し、グラフＤ２は、反射構造６０に含まれる構造層の層数をＭ＝２とした場合の反射率を示している。これらの図７、図８における構成条件は、上記した層厚の許容範囲において、ともに最適条件から最も離れた条件となっている。
【０１００】
これらの図７、図８に示すグラフから、反射構造６０を構成する第１媒質層、第２媒質層の層厚は、最適層厚に対して±４５％の範囲内であれば、それぞれ独立に変化していても良いことがわかる。したがって、反射構造６０の構成としては、上述したように、第１媒質層の層厚が、最適層厚ｌｏｐｔ，１＝λ／４ｎ１に対して±４５％の範囲内となり、第２媒質層の層厚が、最適層厚ｌｏｐｔ，２＝λ／４ｎ２に対して±４５％の範囲内となるように構成されていれば良い。
【０１０１】
［第２実施形態］
【０１０２】
図９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。本実施形態による光検出装置１Ｂは、プラズモン受光部、及び導波路部の構成が、第１実施形態の光検出装置１Ａとは異なっている。
【０１０３】
本実施形態では、基板１０上において、受光部２０と量子カスケード検出器３０との間の導波路部５０（図１参照）が設けられておらず、周期構造２２が形成された金属層２１を有する受光部２０を検出器３０の近傍まで拡大するとともに、そのうちの検出器３０側の所定の部分を、プラズモン導波路としても機能するテーパ部２３として構成している。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を高速、高感度で検出することが可能となる。
【０１０４】
［第３実施形態］
【０１０５】
図１０は、光検出装置の第３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１Ｃ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）に対し、第１受光部２０１、第１導波路部５０１、及び第１ブラッグ反射構造２５１が設けられている。同様に、第２入射面（図中の左側の面）に対し、第２受光部２０２、第２導波路部５０２、及び第２ブラッグ反射構造２５２が設けられている。また、検出器３０において、第１、第２入射面に対向する第１、第２反射面３０ｅ、３０ｆ側には、それぞれ上記実施形態と同様の溝構造からなる反射構造６０１、６０２が設けられている。
【０１０６】
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２０１、２０２を設ける構成は、光検出装置１Ｃ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１０に示す構成では、第１受光部２０１での周期構造の配列方向と、第２受光部２０２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。
【０１０７】
また、図１０に示す構成では、検出器３０の第１入射面に対し、受光部２０１及び導波路部５０１の全体が、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入射面に対し、受光部２０２及び導波路部５０２の全体が、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。光検出装置１Ｃでは、このような構成により、光検出装置の省スペース化、小型化が図られている。
【０１０８】
なお、第１、第２受光部２０１、２０２の周期構造については、図１０では互いに分離して形成された構成となっているが、これらの周期構造は、一体に接続されて形成されている構成としても良い。また、図９に示した構成と同様に、導波路部５０１、５０２を受光部２０１、２０２のテーパ部によって置き換える構成としても良い。
【０１０９】
［第４実施形態］
【０１１０】
図１０に示した光検出装置１Ｃ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。
【０１１１】
図１１は、光検出装置の第４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１Ｄでは、受光部２０１、２０２、及び反射構造を含む量子カスケード検出器３０を有し、図１０に示した光検出装置１Ｃと同様に構成された装置部分を光検出ユニット１５とし、このような光検出ユニット１５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１Ｄは、例えば２次元の撮像素子として利用することが可能である。
【０１１２】
このように複数の光検出ユニット１５を配列したアレイ状の構成では、画素に対応する光検出ユニットのサイズを可能な限り小さくすることが望まれる。この場合、量子カスケード検出器３０の素子サイズを、例えば５０μｍ×５０μｍとすることができる。また、光検出ユニット１５全体での画素サイズを、例えば１００μｍ×１００μｍとすることができる。なお、図１１の光検出装置１Ｄでは、光検出ユニット１５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１５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。
【０１１３】
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、受光部、導波路部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。
【０１１４】
また、半導体光検出素子の第２面側に形成される反射構造については、上記した実施形態では、第１媒質層が半導体材料からなる半導体層、第２媒質層が溝内にある空気からなる空気層である構成を例示しているが、第２媒質層については、例えば空気層以外の気体媒質層としても良い。また、溝内に誘電体材料などの所定材料を充填した層を第２媒質層として用いても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
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】
【０１１６】
１Ａ〜１Ｄ…光検出装置、１０…基板、１１ａ…検出器形成領域、１１ｂ…受光部形成領域、１２…下部電極、１３…上部電極、１５…光検出ユニット、
２０…受光部、２１…金属層（負誘電率材料層）、２２…周期構造、２２ａ…凸部、２２ｂ…凹部、２３…テーパ部、２５…ブラッグ反射構造、
３０…量子カスケード検出器（半導体光検出素子）、３０ａ…第１面（入射面）、３０ｂ…第２面（反射面）、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…反射構造、６１…第１構造層、６２…第２構造層、
５０…導波路部、５１…導波路層、５２…誘電体層。
【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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