(57)【要約】【課題】垂直方向に入射する光に対し、高い光電変換効率を有する光検出器を提供する。【解決手段】基板と、前記基板上に配置され、前記基板面の法線方向と平行な電場ベクトルを有する特定の波長の光を吸収するように設計された半導体からなる光吸収層が積層されてなり、前記光吸収層の前記基板側に配置された下部コンタクト層と、前記下部コンタクト層と接するように設けられた下部電極と、前記光吸収層の前記基板側と反対側に配置された上部コンタクト層と、前記上部コンタクト層と接するように設けられた上部電極とを備え、前記上部コンタクト層の前記基板側と反対側に、入射される光の半導体層内部における波長以下かつ半波長以上のサイズを有する偏光選択性を有する凹凸形状が、少なくとも一方向に周期的に配置された凹凸構造を備える、光検出器。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置され、前記基板面の法線方向と平行な電場ベクトルを有する特定の波長の光を吸収するように設計された半導体からなる光吸収層が積層されてなり、
前記光吸収層の前記基板側に配置された下部コンタクト層と、
前記下部コンタクト層と接するように設けられた下部電極と、
前記光吸収層の前記基板側と反対側に配置された上部コンタクト層と、
前記上部コンタクト層と接するように設けられた上部電極とを備え、
前記上部コンタクト層の前記基板側と反対側に、入射される光の半導体層内部における波長以下かつ半波長以上のサイズを有する偏光選択性を有する凹凸形状が、少なくとも一方向に周期的に配置された凹凸構造を備える、光検出器。
【請求項２】
前記光吸収層が量子井戸により形成されることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項３】
前記凹凸構造が、前記上部電極に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光検出器。
【請求項４】
前記凹凸構造に空隙が存在しないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項５】
前記凹凸構造の凹部分が空隙となっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項６】
前記凹凸構造が、所定の方向に周期的に配列したストライプ形状である請求項４に記載の光検出器。
【請求項７】
前記凹凸構造が２以上の凹凸周期の方向を有するストライプ形状が交差するメッシュ形状である請求項５に記載の光検出器。
【請求項８】
前記凹凸構造が、凸部が、積層方向からみて略円形であり、かつ、三角格子状に周期的に配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直方向に入射する光に対し、高い光電変換効率を有する光検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体赤外線センサとして、量子井戸を用いたものが知られている（例えば、Ｂ．Ｆ．Ｌｅｖｉｎｅ  ｅｔ  ａｌ．，「Ｐｈｏｔｏｅｘｃｉｔｅｄ  ｅｓｃａｐｅ  ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ，ｏｐｔｉｃａｌ  ｇａｉｎ，ａｎｄ  ｎｏｉｓｅ  ｉｎ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ  ｉｎｆｒａｔｅｄ  ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，７２（９），（１９９２）（非特許文献１）を参照）。非特許文献１に記載された量子井戸を用いた赤外線センサは、電子または正孔のサブバンド間遷移を利用し、入射する赤外光を電流に変換している。量子井戸を用いた赤外線センサの場合、量子井戸の積層方向と平行な電場ベクトルの光にのみサブバンド間遷移が生じるため、基板面に垂直な方向から入射する光に対しては感度を有しない。
【０００３】
これに対して、特開２０００−３２３６９４号公報（特許文献１）および西野弘師ら、「量子井戸型赤外線センサ」、Ｆｕｊｉｔｓｕ．５６，４，ｐ３５２−３５７（２００５）（非特許文献２）に記載の光検出器は、垂直方向に入射してきた光を斜め方向に回折させるためのグレーティング（回折格子）構造を有する。入射光を斜め方向に回折させることで、量子井戸の積層方向と垂直方向の電場ベクトルを平行方向の電場ベクトルに変換することで、垂直入射光に感度を持たせることを可能にしている。
【０００４】
さらに、特開２０１２−８３２３８号公報（特許文献２）の量子ドットまたは量子井戸を用いた赤外線センサは正方格子上に配置された円形の孔を表面の電極に設けることで、電極に生じた表面プラズモンを量子ドットまたは量子井戸に結合させることで感度向上を可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３２３６９４号公報
【特許文献２】特開２０１２−８３２３８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｂ．Ｆ．Ｌｅｖｉｎｅ  ｅｔ  ａｌ．，「Ｐｈｏｔｏｅｘｃｉｔｅｄ  ｅｓｃａｐｅ  ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ，ｏｐｔｉｃａｌ  ｇａｉｎ，ａｎｄ  ｎｏｉｓｅ  ｉｎ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ  ｉｎｆｒａｔｅｄ  ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，７２（９），（１９９２）
【非特許文献２】西野弘師ら、「量子井戸型赤外線センサ」、Ｆｕｊｉｔｓｕ．５６，４，ｐ３５２−３５７（２００５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献２に記載の通り、グレーティングによって回折された光は伝搬光となるため、光吸収層の吸収係数が十分高くないと、変換された光の大部分は光吸収層を通り抜けてしまうため、高い光電変換効率を得ることが難しいという問題があった。
【０００８】
また特許文献２に記載の構造は入射光の入射面内の偏光方向に対する選択性を持たず、偏光特性を持たせるためには別途偏光フィルタなどを設けなければならないという問題があった。
【０００９】
本発明は係る問題に鑑みてなされたものであり、垂直方向に入射する光に対し、高い光電変換効率を有す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】
【００１０】
本発明の光検出器は、基板と、前記基板上に配置され、前記基板面の法線方向と平行な電場ベクトルを有する特定の波長の光を吸収するように設計された半導体からなる光吸収層が積層されてなり、前記光吸収層の前記基板側に配置された下部コンタクト層と、前記下部コンタクト層と接するように設けられた下部電極と、前記光吸収層の前記基板側と反対側に配置された上部コンタクト層と、前記上部コンタクト層と接するように設けられた上部電極とを備え、前記上部コンタクト層の前記基板側と反対側に、入射される光の半導体層内部における波長以下かつ半波長以上のサイズを有する偏光選択性を有する凹凸形状が、少なくとも一方向に周期的に配置された凹凸構造を備えることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、入射光の積層方向と垂直な電場ベクトルの偏光を積層方向と平行な電場ベクトルの偏光の光に変換することが可能であり、かつ、凹凸構造の表面近傍に発生する表面波により、前記光吸収層に効率よく光を吸収させることが可能になる。
【００１２】
本発明の光検出器は、光吸収層が量子井戸により形成されていてもよい。この構成によれば、積層方向と平行な電場ベクトルに偏光状態を有する光を効率よく吸収可能な光吸収層が実現できる。
【００１３】
本発明の光検出器は、前記凹凸構造が、前記上部電極または前記下部電極に形成されていてもよい。この構成によれば、電極に入射光の偏光方向を変換する機能を付与することが可能になり作製プロセス数の低減が可能になる。
【００１４】
本発明の光検出器は、前記凹凸構造に空隙が存在しない構成となっていてもよい。この構成によれば、凹凸構造の光吸収層側から入射する光を効率よく光吸収層に結合させることが可能になる。
【００１５】
本発明の光検出器は、前記凹凸構造の凹部分が空隙となっていてもよい。この構成によれば、凹凸構造の光吸収層と反対側から入射する光を効率よく光吸収層に結合させることが可能になる。
【００１６】
本発明の光検出器は、前記凹凸構造が、所定の方向に周期的に配列したストライプ形状であってもよい。この構成によれば、周期構造の存在する方向に電場ベクトルを有する入射光のみを選択的に検出することが可能になり、検出器に偏光選択性を持たせることが可能になる。
【００１７】
本発明の光検出器は、前記凹凸構造が２以上の凹凸周期の方向を有するストライプ形状が交差するメッシュ形状であってもよい。この構成によれば、光検出器に２方向以上の偏光選択性を持たせることが可能になる。
【００１８】
本発明の光検出器は、前記凹凸構造が、各凸部が略円形の平面形状を有し、かつ、三角格子状に周期的に配置されていてもよい。この構成によれば、積層面内の全偏光方向に対して感度を持たせることが可能になる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、入射光の積層方向と垂直な電場ベクトルの偏光を積層方向と平行な電場ベクトルの偏光の光に変換することが可能であり、かつ、金属層表面近傍に発生する表面波により、前記光吸収層に効率よく光を吸収させることが可能な光検出器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態１に係る光検出器１の構造概略図である。
【図２】図１に示した光検出器１の製造方法を段階的に示す図である。
【図３】電磁界シミュレーションのモデルを示す図である。
【図４】電磁界シミュレーションの結果を示す図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｃ）は、上部電極１４の上部コンタクト層１３側の表面の凹凸構造のパターンの例をそれぞれ示す図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は、上部電極１４の凹凸構造の断面のパターンの例を示す図である。
【図７】本実施形態２に係る光検出器２の構造概略図である。
【図８】電磁界シミュレーションのモデルを示す図である。
【図９】電磁界シミュレーションの結果を示す図である。
【図１０】図１０（ａ）〜（ｆ）は、上部電極２２の凹凸構造のパターンの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明について同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２２】
（実施形態１）
図１は、本実施形態１に係る光検出器１の構成を示す概略図である。光検出器１は、基板１０と該基板１０上に形成された下部コンタクト層１１と、該下部コンタクト層１１上に形成される光吸収層１２と、該光吸収層１２上に形成される上部コンタクト層１３と、上部コンタクト層１３の基板１０とは反対側に設けられた上部電極１４と、図１に示すように、下部コンタクト層１１と接する用に設けられた下部電極１５と、を備えている。また、図１に示す実施形態において、光は基板１０側から入射することを想定している。
【００２３】
＜下部コンタクト層＞
下部コンタクト層１１は下部電極１５との電気的な接触を実現するために設けられる。
【００２４】
＜光吸収層＞
光吸収層１２は電子のサブバンド間遷移により入射光を電子に変換（光電変換）する層であり、薄い井戸層（図示せず）の両側に、井戸層よりもバンドギャップの大きな障壁層（図示せず）が交互に積層された量子井戸により形成されていることが好ましい。
【００２５】
＜上部コンタクト層＞
上部コンタクト層１３は、上部電極１４との電気的な接触を実現するために設けられる。図１には、上部コンタクト層１３が、基板１０とは反対側に、入射される光の半導体層内部における波長以下かつ半波長以上のサイズを有する偏光選択性を有する凹凸形状が、少なくとも一方向に周期的に配置された凹凸構造を備える場合を例示している。
【００２６】
＜下部電極＞
下部電極１５は、光電変換により発生する電子を取りだすために設けられる。材料はＡｕなどの金属が好ましい。
【００２７】
＜上部電極＞
上部電極１４は、下部電極１５と同様、光電変換により発生する電子を取り出すために設けられるのに加え、上部電極自体が凹凸構造を備える場合には、入射光の偏光方向を変換し、かつ上部電極１４近傍に表面波を発生させる働きを有する。上部電極１４の基板側、すなわち上部コンタクト層１３との界面は後述するとおり周期的な凹凸構造が設けられている。周期的な凹凸構造は、たとえば凹部が半楕円の断面となっている場合などが例示される。図１には、上部電極１４の基板１０側が、上部コンタクト層１３の基板１０とは反対側に形成された凹凸構造を充填するように当該凹凸構造に対応した凹凸構造を有する場合を示している。なお、上部コンタクト層の凹凸構造に隣接して、当該凹凸構造に対応した凹凸構造を有する金属層が設けられ、この金属層に上部電極が積層された構造であってもよい。
【００２８】
＜ドーパント＞
下部コンタクト層１１、上部コンタクト層１３および井戸層はｎ型にドーピングされている。なお、井戸層へのドーピングの代わりに障壁層にドーピングされていてもよいし、その両方にドーピングされていてもよい。
【００２９】
＜外部構成＞
上記各層は、図１に示すように積層され、メサ形状に加工される。一部露出した下部コンタクト層１１の上に下部電極１５が形成される。また、電極以外の側面を覆うようにＳｉＯ２などの絶縁膜１６が形成される。
【００３０】
＜製造方法＞
以下、図１に示される検出器１の製造方法について説明する。
【００３１】
〔１〕作成工程（エピタキシャル層）
図１に示す基板１０、下部コンタクト層１１、光吸収層１２、上部コンタクト層１３はエピタキシャル成長により形成される。ここで、図２は、図１に示した光検出器１の製造方法を段階的に示す図である。
【００３２】
まず、図２（ａ）に示すように、エピタキシャルウエハが形成される。基板１０は半絶縁性ＧａＡｓ基板、下部コンタクト層１１は膜厚１０００ｎｍかつ不純物濃度５×１０１７ｃｍ−３のｎ型ＧａＡｓ層、光吸収層１２は膜厚５ｎｍのｉ−Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ障壁層（図示せず）と膜厚５ｎｍで不純物濃度５×１０１７ｃｍ−３のｎ−ＧａＡｓ量子井戸層（図示せず）を交互に３０層程度積層した多重量子井戸（合計膜厚３００ｎｍ）、上部コンタクト層１３は膜厚５０ｎｍかつ不純物濃度５×１０１７ｃｍ−３のｎ型ＧａＡｓ層である。上記各層は、いずれも有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）または分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）によって、基板１０上にエピタキシャル成長させることによって得られる。
【００３３】
光検出器の作成に際しては、エピタキシャルウエハ上に形成された各エピタキシャル層を選択的にエッチングするためにエッチング停止層や各エピタキシャル層の特性劣化を防ぐためのバッファ層が必要である。従って、実際の作成工程では基板１０上にこれらの層が各エピタキシャル層の間に形成されたエピタキシャルウエハが用いられるが、検出器の原理そのものに及ぼす影響は小さいため、図１ではこれらの層を省略し、模式的に示している。
【００３４】
〔２〕作成工程（リソグラフィプロセス）
次に、上記エピタキシャルウエハに対して図２（ｂ）に示すように、表面から下部コンタクト層１１までウェットエッチングすることによりエピタキシャルウエハの一部を除去され、溝が形成される。次に、絶縁膜１６が形成され、上部コンタクト層１３および下部コンタクト層１５表面の一部の絶縁膜１６はウェットエッチングにより取り除かれる。次に、図２（ｃ）のように下部コンタクト層１１にＡｕＧｅＮｉからなる下部電極１５がリフトオフにより形成される。
【００３５】
下部電極１５は下部コンタクト層とオーミック接触がとれる材料であることが好ましい。続いて図２（ｄ）のように上部コンタクト層１３の表面はウェットエッチングによって幅１．５μｍ、周期２．０μｍ、高さ１００ｎｍの凹凸構造が形成され、その後、図２（ｅ）のように上部電極１４がリフトオフにより形成される。
【００３６】
〔３〕パッケージングプロセス
上述までのプロセスにより作成された光検出器１はダイシングによりチップごとに分割され、パッケージングされる。上部電極１４および下部電極１５からは、それぞれ図示しない引き出し配線を通じてパッケージ内の端子へと接続され、外部に設けられた回路へと電気的に接続される。
【００３７】
＜表面波の発生＞
ここで、上部コンタクト層１３の凹凸構造の効果について述べる。凹凸構造に光が照射された場合の定常状態の光の分布について電磁界シミュレーションにより解析を行なった。図３は、計算に用いた、電磁界シミュレーションのモデルを示す図である。図３に示すように、モデルは半導体層２１０と金属層２２０とからなり、金属層２２０の半導体層２１０側の表面の、半導体層２１０の凹凸構造を充填するように当該凹凸構造に対応した凹凸構造は、凸部分断面が長軸（Ｗｍ）１．５μｍ、短軸の半分（ｈ）１００ｎｍの半楕円形状であると仮定し、この半楕円形状が周期（Ｗｐ）２．０μｍの間隔で配置されているものとした。
【００３８】
計算時間短縮のため、計算モデルは断面の二次元（ｘ−ｙ）、計算領域は１周期とし、ｘ方向の境界はすべて周期境界条件とした、また、波源はｙ方向下端に設定し、ｘ方向の電場ベクトルを有する正弦波とした。また、正弦波の波長は中赤外の８μｍとした。さらに、半導体層２１０の屈折率ｎｓｃをＧａＡｓの３．２８とし、金属層２２０の複素屈折率ｎｍはＡｕの８．１８−４９．３ｉとした。
【００３９】
ここで、半導体層２１０内での光の波長は、元の波長を屈折率ｎｓｃで割ったものになるので、波長８μｍの場合、半導体層２１０内での光の波長λは約２．３５μｍである。金属層２２０の半導体層２１０側の表面の凹凸構造の周期が２．０μｍであることから、周期は半導体層２１０内での光の波長よりも１０％程度小さくなっている。
【００４０】
図４は、電磁界シミュレーションの結果を示す図であり、定常状態の光分布について、ｙ方向の電場成分強度｜Ｅｙ｜２を示す。グレーの色が濃い部分が大きな｜Ｅｙ｜２である。図４から分かるとおり、金属層２２０の半導体層２１０側の凹凸構造の凸部両サイドの近傍の表面から６３７ｎｍにわたって強い｜Ｅｙ｜２の集中がみられる。これは、金属層２２０の周期的な凹凸構造に光が照射されたことにより生じる表面波である。なお、このとき生じたのは表面波のみであり、伝搬光は存在しなかった。つまり、上述の各エピタキシャル層の積層方向と垂直な方向（Ｅｘ）の入射光は積層方向と平行な方向の光（Ｅｙ）に変換されていることが分かる。さらに図４で発生が確認される表面波は、金属層２２０極近傍にのみ存在が許され、金属層２２０から離れた場所にはほとんど存在し得ない光であるため、図１に示した光吸収層１２近傍に強く光を局在させることが可能になり、高い光電変換効率が実現可能になる。
【００４１】
本発明者らの計算によると、周期Ｗｐが２．５μｍよりも大きくなると、金属層２２０の半導体層２１０側の表面近傍だけではなく、金属層２２０から離れた半導体層２１０内部にも｜Ｅｙ｜２の存在が認められ、伝搬光が存在することが確認された。光吸収層１２を通り抜けた場合、伝搬光は光電変換できないので実質的に検出感度に寄与しない。つまり、金属層２２０の半導体層２１０側の表面の凹凸構造の周期を、半導体層２１０内での波長である約２．３５μｍ（λ／ｎｓｃ）よりも小さくすることにより、表面波のみを発生することができる。ただし、本発明者らのシミュレーションによると、金属層２２０の半導体層２１０側の表面の凹凸構造の周期が、半導体層２１０内での波長の半分程度より小さくなると、再び伝搬光が発生することが明らかになっており、金属層２２０の半導体層２１０側の表面の凹凸構造の周期が半導体層２１０内での波長よりも小さく、半波長よりも大きいサイズとすることで表面波のみを効率的に発生させることが可能である。
【００４２】
上述のとおり、光検出器１の上部コンタクト層１３の厚さが５０ｎｍ程度の場合、上部コンタクト層１３を挟んで光吸収層１２に表面波を重ね合わせることが可能になり、効率の高い光検出器１が実現可能である。
【００４３】
＜その他の材料＞
各層の材料がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）であり、かつ、検出中心波長λ＝８μｍの場合について上述したが、本発明者らは半導体層２１０の材料として、上述のＧａＡｓ以外に、下記表１に示した半導体層２１０および波長λについても計算を行ない、上述の半導体層がＧａＡｓの場合と同様、金属層２２０表面近傍５００ｎｍ程度の領域においてｙ方向の電場成分の表面波が発生し、かつ伝搬光が存在しないことを確認した。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
たとえば、半導体層２１０の材料としてＧａＮを想定する場合、基板１０の材料はＧａＮもしくはサファイア、下部コンタクト層１１および上部コンタクト層１３の材料はＧａＮ、光吸収層１２の障壁層はＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ、井戸層はＧａＮとなる。膜厚およびドーピング濃度は上述のＧａＡｓの場合と同様である。
【００４６】
＜その他＞
上述の材料、Ａｌ組成、ドーピング濃度はあくまでも一例であり、ターゲットとなる波長や結晶成長のしやすさ、プロセスのしやすさなどの要因を踏まえて、他の組成、ドーピング濃度、材料を用いることも可能である。
【００４７】
＜三次元形状＞
図４に示したとおり、上部電極１４（金属層２２０に相当）の上部コンタクト層１３（半導体層２１０に相当）側の表面に設けられた凹凸構造が周期的に並んでいる方向と平行な電場成分（Ｅｘ）が照射されると、Ｅｙ成分を有する表面波が生じる。図１〜図４の奥行き方向も含めて三次元的に上部電極１４の凹凸構造をデザインすることにより様々な偏光特性を持たせることが可能になる。ここで、図５（ａ）〜（ｃ）は、上部電極１４の上部コンタクト層１３側（ｙ方向とは反対側）の表面の凹凸構造のパターンの例をそれぞれ示す図である。
【００４８】
図５（ａ）は、半楕円状の断面を有する凹凸構造をｘ方向にのみ周期的に配置した場合である（前記凹凸構造に空隙が存在せず、かつ、所定の方向に周期的に配列したストライプ形状である場合）。この場合、ｘ方向の電場成分（Ｅｘ）が照射された場合のみｙ方向の電場成分（Ｅｙ）の表面波が発生するため、光検出器１はｘ方向の電場成分のみを選択して検出することが可能になる。また、たとえば図５（ａ）の凹凸構造の方向を場所により様々な方向に形成すれば、複数の偏光方向に感度を有する検出器１が実現できる。
【００４９】
図５（ｂ）は、凹凸構造がそれぞれ積層方向からみると略円形状をしており、ｘ方向、ｚ方向に四角格子状に配置されている。この場合、ｘ方向、ｚ方向どちらも同じ周期となるため、Ｅｘ、Ｅｚともに検出することが可能になり、ｘ−ｚ面内の電場ベクトルを有する光、つまり、図１に示したとおり、検出器１に対して垂直に入射された光を検出することが可能になる。
【００５０】
図５（ｃ）は図５（ｂ）に示された凹凸形状と１つ１つは同一であるが、三角格子上に配置されている。このような配置になると、ｘ−ｚ面内の電場成分であれば同じ強度でＥｙに変換されるため、ｘ−ｚ面内の偏光無依存な光検出が可能になる。
【００５１】
＜異なる断面形状＞
ここまで、上部電極１４の断面構造として、半楕円形状の凸部を仮定していたが、上部コンタクト層１３内における光の波長以下の周期を有する凹凸構造であれば、半楕円形状の場合と同様に、上部電極１４近傍のみにＥｙの表面波を発生できることを本発明者らはシミュレーションにより確認しており、他の構造も可能である。ここで、図６（ａ）〜図６（ｃ）は、上部電極１４の凹凸構造の断面のパターンの例を示す図である。たとえば、図６（ａ）のような断面が三角形状、図６（ｂ）のような断面が台形状、図６（ｃ）のような断面が四角形状のいずれも可能であるし、その他の形状も可能である。このように、本発明の光検出器が備える、上部コンタクト層の基板側の凹凸構造は、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、上部コンタクト層に直接形成されたものでなくともよい。また、凸部の高さが変わっても同様に表面波の発生はシミュレーションで確認できており、表１に示した高さｈ以外も可能である。
【００５２】
（実施形態２）
続いて、図７〜１０を用いて、本実施形態２に係る光検出器２について説明する。なお、実施形態１と同一の要素については同一の番号を付し、説明を省略する。図７は、実施形態２に係る光検出器２の構成を示す概略図である。図１に示した例のように、凹凸構造には空隙が存在しなくともよいが、図７に示す例のように凹凸構造の凹部分が空隙となっていてもよい。
【００５３】
光検出器２は、上部電極２２以外の構成は検出器１と同様の構成であるが、光の入射方向は上部電極２２の空気側を想定している。
【００５４】
＜上部電極＞
図７に示す例の光検出器２において、上部電極２２は、光電変換により発生する電子を取りだすために設けられるのに加え、入射光の偏光方向を変換し、かつ上部電極２２の半導体内部近傍に表面波を発生させる働きを有する。上部電極２２は一部に穴があけられており周期的な穴２４０が設けられている。
【００５５】
エピタキシャルウエハは実施形態１の検出器１と同じである。作成プロセスは下部電極１５の形成まで（図２（ｃ））は検出器１と同様である。光検出器２の場合、上部コンタクト層１３への凹凸構造を形成するプロセスは不要であり、下部電極１５形成前後、もしくは同時に穴２４０のあいた上部電極２２がリフトオフにより形成される。本発明の光検出器が備える、上部コンタクト層の基板側と反対側の凹凸構造は、図７に示す例のように、上部コンタクト層に直接形成されたものでなくともよい。
【００５６】
＜表面波の発生＞
実施形態１と同様に電磁界シミュレーションの結果を示しながら、穴２４０の効果について述べた。図８に計算に用いたモデルを示す。モデルは半導体層（ＧａＡｓ）２１０と金属層（Ａｕ）２２０と空気層２３０とからなり、金属層２２０は幅（Ｗｍ）０．５μｍ、高さ（ｈ）１００ｎｍの金属層が周期（Ｗｐ）２．０μｍの間隔で配置されているものとした。計算時間短縮のため、計算モデルは断面の２次元（ｘ−ｙ）、計算領域は１周期とし、ｘ方向の境界はすべて周期境界条件とした。また、波源はｙ方向上端の空気層中に設定し、ｘ方向の電場ベクトルを有する正弦波とした。また、正弦波の波長は中赤外の８μｍとした。さらに、半導体層２１０の屈折率ｎｓｃをＧａＡｓの３．２８とし、金属層２２０の複素屈折率ｎｍはＡｕの８．１８−４９．３ｉ、空気の屈折率を１とした。ここで、半導体層２１０内での光の波長は、元の波長を屈折率ｎｓｃで割ったものになるので、波長８μｍの場合、半導体層２１０内での光の波長λは約２．３５μｍである。金属層２２０表面の凹凸周期が２．０μｍであることから、周期は半導体層２１０内での光の波長よりも１０％程度小さくなっている。
【００５７】
図９に定常状態の光分布について、ｙ方向の電場成分強度｜Ｅｙ｜２を示す。図９において、グレーの色が濃い部分が大きな｜Ｅｙ｜２である。図９から分かるとおり、穴周囲の金属層２２０の半導体層２１０側の表面近傍６３０ｎｍ付近にわたって強い｜Ｅｙ｜２の集中がみられる。これは、金属層２２０の空気層２３０を介在した周期構造に光が照射されることで発生した表面プラズモンが金属層２２０の裏側まで伝搬することにより生じる表面波である。
【００５８】
光検出器２は光が照射される上部電極２２の面と逆方向に表面波を発生させることが可能である。また、光検出器１と同様に凹凸構造の周期を、半導体内での波長である約２．３５μｍ（λ／ｎｓｃ）よりも小さくすることにより、表面波のみを発生することができる。上述のとおり、光検出器２の上部コンタクト層１３の厚さが５０ｎｍ程度の場合、上部コンタクト層１３を挟んで光吸収層１２に表面波を重ね合わせることが可能になり、効率の高い光検出器２が実現可能である。
【００５９】
＜その他の材料＞
上述のとおり、各層の材料がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）であり、かつ検出中心波長λ＝８μｍの場合について述べたが、発明者は半導体層２１０の材料として、上述のＧａＡｓ以外に、下記表２に示すように半導体層２１０および波長λについても計算を行ない、上述の半導体層がＧａＡｓの場合と同様、金属層２２０表面近傍５００ｎｍ程度の領域においてｙ方向の電場成分の表面波が発生し、かつ伝搬光が存在しないことを確認した。
【００６０】
【表２】
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【００６１】
例えば、半導体層材料２１０としてＧａＮを想定する場合、基板１０の材料はＧａＮもしくはサファイア、下部コンタクト層１１及び上部コンタクト層１３の材料はＧａＮ、光吸収層１２の障壁層はＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ、井戸層はＧａＮとなる。膜厚及びドーピング濃度は上述のＧａＡｓの場合と同様である。
【００６２】
＜三次元形状＞
図１０（ａ）〜（ｆ）には、実施の形態２に係る光検出器２の上部電極２２の凹凸構造のパターンの例を示す図である。
【００６３】
図１０（ａ）には、ストライプ状の上部電極２２をｘ方向にのみ周期的に配置した場合を示している。この場合、ｘ方向の電場成分（Ｅｘ）が照射された場合のみｙ方向の電場成分（Ｅｙ）の表面波が発生するため、光検出器２はｘ方向の電場成分のみを選択して検出することが可能になる。
【００６４】
図１０（ｂ）はストライプ状の上部電極２２がｘ方向と、ｘ方向から４５度傾いてｘ方向に周期的に配置したメッシュ状の場合である（凹凸構造の凹部分が空隙であり、かつ、凹凸構造が２以上の凹凸周期の方向を有するストライプ形状が交差するメッシュ形状である場合）。この場合、ｘ方向の電場成分（Ｅｘ）及び、ｘ方向から４５度傾いた電場成分の表面波が発生するため、光検出器２はｘ方向と４５度傾いたの電場成分を選択して検出することが可能になる。
【００６５】
図１０（ｃ）円盤状の構造がｘ方向、ｚ方向に四角格子状に配置されている。また、図１０（ｄ）は円形の穴が、ｘ方向、ｚ方向に三角格子状に配置されている（凹凸構造の凹部分が空隙であり、かつ、凹凸構造が、凸部が、積層方向からみて略円形であり、かつ、三角格子状に周期的に配置されている場合）。この場合、ｘ方向、ｚ方向どちらも同じ周期となるため、Ｅｘ、Ｅｚともに検出することが可能になり、ｘ−ｚ面内の電場ベクトルを有する光、つまり、図１に示したとおり、光検出器に対して垂直に入射された光を検出することが可能になる。
【００６６】
図１０（ｅ）は円板状の構造が、図１０（ｆ）は円形の穴がそれぞれ三角格子上に配置されている。このような配置になると、ｘ−ｚ面内の電場成分であれば同じ強度でＥｙに変換されるため、ｘ−ｚ面内の偏光無依存な光検出が可能になる。
【００６７】
図１０（ｄ）、図１０（ｆ）のように円形の穴をパターニングすれば上部電極全体を電気的に接続することが容易である。一方で、図１０（ｃ）、図１０（ｅ）の場合は図１０（ｄ）、図１０（ｆ）の場合と比べて開口を大きくとりやすい。
【００６８】
また、図１０（ａ）、図１０（ｃ）、図１０（ｆ）はそれぞれの電極が電気的に接続されるよう、図示しない配線により接続してもよいし、各電極のうち、一部のみを光検出器２の出力として取り出し、残りの上部電極２２を電極としては用いずに偏光方向の変換のみに用いてもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１  光検出器、２  光検出器、１０  基板、１１  下部コンタクト層、１２  光吸収層、１３  上部コンタクト層、１４  上部電極、１５  下部電極、１６  絶縁膜、２２  上部電極、２１０  半導体層、２２０  金属層。
【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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