(57)【要約】【課題】従来の光検出器では全く感度のない波長の光を光電変換可能とすることにより、光吸収可能な帯域幅を増大させることができる受光素子を提供する。【解決手段】受光体１１と、受光体１１の表面に積層させた金属性の２つの端子１３とを備え、入射される伝搬光の波長の１/４以下の間隔で２つの端子１３を互いに離間させることにより受光体１１を露出させた近接場光滲出領域１５が形成され、近接場光滲出領域１５は、受光体１１の非吸収波長からなる伝搬光の入射に基づいて近接場光を滲出させ、これを印加されたバイアス電圧に基づいて受光する。【選択図】図４
2009060040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光体と、上記受光体の表面に積層させた金属性の２つの端子とを備え、
入射される伝搬光の波長の１/４以下の間隔で上記２つの端子を互いに離間させることにより受光体を露出させた近接場光滲出領域が形成され、
上記近接場光滲出領域は、上記受光体の非吸収波長からなる伝搬光の入射に基づいて近接場光を滲出させ、これを印加されたバイアス電圧に基づいて受光すること
を特徴とする受光素子。
【請求項２】
上記受光体は、ＧａＮであり、
上記近接場光滲出領域は、波長３６０ｎｍ以上の伝搬光に基づいて、上記近接場光を滲出させること
を特徴とする請求項１記載の受光素子。
【請求項３】
上記近接場光滲出領域は、全面に亘って上記近接場光を滲出させること
を特徴とする請求項１又は２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、受光素子に関し、特に光吸収可能な帯域幅を増大させることができる受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代社会においてセキュリティなどへの光技術の応用といった、多様で高度な社会的要求が高まる中、伝搬光に感度を持たない近接場光のみを検出する受光素子の開発に対するニーズが増加している。近接場光は非断熱過程による光化学反応に代表されるような、伝搬光では遷移できない過程を経た電子遷移が起き、ディテクター等への応用も期待できる（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
また、現状、赤外光に対する感度が高く、ノイズの小さい受光素子は存在しない。上記技術を用いることにより、感度が高く、ノイズの小さな受光素子実現が期待できる。
【非特許文献１】T. Kawazoe、 K. Kobayashi、 S. Takubo、 and M. Ohtsu、 J. Chem. Phys.、 Vol.122、 No.2、January 2005、 pp.024715 1-5
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、従来の光検出器では全く感度のない波長の光を光電変換可能とすることにより、光吸収可能な帯域幅を増大させることができる受光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明を適用した受光素子は、上述した課題を解決するために、受光体と、上記受光体の表面に積層させた金属性の２つの端子とを備え、入射される伝搬光の波長の１/４以下の間隔で上記２つの端子を互いに離間させることにより受光体を露出させた近接場光滲出領域が形成され、上記近接場光滲出領域は、上記受光体の非吸収波長からなる伝搬光の入射に基づいて近接場光を滲出させ、これを印加されたバイアス電圧に基づいて受光することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明では、近接場光が伝搬特性を持たずに、近接場光検出領域において停留し、対を形成し続けるという特性を利用し、対において長時間に亘ってあたかも静止しているように電子を上位準位において留まらせ、バイアス電圧を印加して、光電変換することができる。このため、見かけ上、非吸収波長であるλ１の伝搬光を照射した場合においても、これを近接場光検出領域（受光体）を介して受光することが可能となる。即ち、本発明では、伝搬光では遷移できない近接場光相互作用特有の過程を経た電子遷移を利用し、受光体が吸収を持たない非吸収波長の光電流を検出することができることから、従来の光検出器では全く感度のない波長の光を光電変換可能とすることにより、光吸収可能な帯域幅を増大させることができる。
【０００７】
本技術を近赤外光の受光素子に応用すれば、赤外光に対して効率の良い受光素子が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【０００９】
本発明を適用した受光素子１は、例えば図１に示すように、受光体１１と、受光体１１の表面に積層させた金属性の２つの端子１３とを備えている。図２は、本発明を適用した受光素子１における側面図を示している。
【００１０】
受光体１１は、例えばＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体で構成され、ＧａＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉの何れかで構成してもよい。このＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体は、ガリウム（Ｇａ）と窒素（Ｎ）とを含んだ窒化ガリウム系化合物のことであり、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ 、あるいはＡｌＧａＩｎＮ等が挙げられる。これらは、必要に応じてＳｉ、Ｇｅ、Ｏ、Ｓｅ等のＩＶ族およびＶＩ族元素からなるｎ型不純物、又は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃ等のＩＩ族及びＩＶ族元素からなるｐ型不純物を含有させるようにしてもよい。以下では、この受光体１１を構成する材料としてＧａＮを使用する場合を例にとり説明をする。因みに、このＧａＮは、波長３６０ｎｍ未満において吸収波長λ２を有する。
【００１１】
この受光体１１は、例えばＧａＮなどよりなる基板を準備する。ＧａＮよりなる基板は、たとえばＧａＡｓ基板 上にＭＯＶＰＥ法によりＧａＮ層を形成し、その後ＧａＡｓ基板からＧａＮ層を切り出すことにより得られる。
【００１２】
端子１３は、Ａｌ層２１と、Ａｕ層２２とを有している。即ち、受光体１１の表面においてＡｌ層２１が積層され、さらにこの上にＡｕ層２２が積層されている。この端子１３は、真空蒸着法に基づいて、ＧａＮ基板からなる受光体１１上にＡｌ層２１、Ａｕ層２２の順に蒸着させることにより作製される。Ａｌ層２１は、例えば３０ｎｍ程度の膜厚から構成され、Ａｕ層２２は、例えば１００ｎｍ程度の板厚から構成される。Ａｌ層２１は半導体と金属膜の電気特性の改善に寄与するため、必要となる。また、この端子１３は、集束イオンビームによりエッチング加工が施されることにより、２つの端子１３に分割されてなり、さらにこの２つの端子１３は、図１に示す平面図で見たときにそれぞれ先細状となるように加工が施され、その先細状に構成された先端部１３ａを互いに接近させた配置とされる。この端子１３における先端部１３ａの間隙には、近接場光滲出領域１５が形成されている。この近接場光滲出領域１５を形成する先端部１３ａの間隔ｄ１は、入射される伝搬光の波長λ１の１/４以下の間隔で互いに離間させてなる。また、この近接場光滲出領域１５では、受光体１１が露出された状態となっている。
【００１３】
即ち、この受光素子１は、金属性の端子１３の間に、半導体化合物からなる受光体１１が露出した近接場光滲出領域１５が形成された構造とされていることから、金属間に半導体化合物を挟み込んだ、いわゆるＭＳＭ（metal-semiconductor-metal）構造とされている。
【００１４】
次に、本発明を適用した受光素子１により実際に伝搬光を光電変換する方法について図面を用いながら詳細に説明をする。
【００１５】
図３は、本発明を適用した受光素子１により実際に受光動作を行うためのシステム３を示している。このシステム３では、端子１３とその間に形成された近接場光滲出領域１５からなる受光素子１に対してバイアス電圧を負荷する構成としている。即ち、このシステム３は、端子１３に対してバイアス電圧を負荷するための電源３１と、バイアス電圧値を計測するための電圧計３２とが設けられた回路として具体化されている。実際に受光動作を実現するためには、この電源３１を介してバイアス電圧をこの受光素子１に対して印加した状態で伝搬光を照射する。ちなみに、この照射する伝搬光の波長λ１は、３６０ｎｍ以上からなるものとし、吸収波長λ２よりも長いものとする。
【００１６】
伝搬光をこの受光素子１に対して照射すると、図４に示すように近接場光滲出領域１５において近接場光が滲出する。この近接場光は、Ａｌ層２１と受光体１１との界面において滲出するものである。具体的には、伝搬光を照射すると、Ａｌ層２１における近接場光滲出領域１５に対する端面近傍から近接場光が滲出する。この近接場光の滲出メカニズムは、例えば、特開２００７−２３５５７４号等に記載されている。このような近接場光が近接場光検出領域１５を挟み込む両側の端子１３の端部から滲出し、最終的には図４に示すように両側から滲出してきた近接場光が互いに結合して、近接場光滲出領域１５全面に亘って滲出された状態となる。
【００１７】
間隔ｄ１を入射される伝搬光の波長λ１の１/４以下で構成している結果、伝搬光に基づいて近接場光をこの近接場光検出領域１５全面において滲出させることが可能となる。この間隔ｄ１が伝搬光の波長λ１の１/４を超えるサイズで構成されている場合には、間隔ｄ１がより広くなってしまうことから、近接場光検出領域１５を挟み込む両側の端子１３の端部から滲出してくる近接場光が結合できなくなること、伝搬光成分が増加することなどにより、特に検出領域に用いられる材料の伝搬光に対する吸収の小さい波長領域での効率の低下が起こる。このため、間隔ｄ１は、伝搬光の波長λ１の１/４以下で構成されていることが望ましい。
【００１８】
受光体１１は、この滲出させた近接場光を吸収し、光電変換し、電気信号として取り出されることになる。
【００１９】
ここで本発明は、吸収波長λ２が３６０ｎｍ未満である受光体１１に対して、３６０ｎｍ以上の波長λ１からなる伝搬光を照射し、これを光電変換している。即ち、受光体１１に対して非吸収波長の伝搬光が入射されても、これを光電変換可能としたフォトディテクタとして実現することができる。以下、その動作メカニズムについて説明をする。
【００２０】
図５は、本発明を適用した受光素子１による動作メカニズムを説明するためのバンドモデルを示している。
【００２１】
入射された伝搬光に基づいて滲出された近接場光は、伝搬する性質のものではないことから、近接場光検出領域１５においてしばらくの間に亘ってとどめることが可能となる。また、近接場光が生成される領域はそこを構成する材料の素励起のコヒーレンス長が検出領域と同等に長い場合、光によって結合したコヒーレントな領域となり、材料の素励起（電子正孔対）が空間的に見分けの付かない空間（領域）を形成する。その結果、図５における近接場光検出領域１５においてたとえバンド間のエネルギーに達しないような長波長の光であっても、近接場光に基づく電子４２と正孔４３の対４１が生成できることになる。また、電子正孔の発生過程として非断熱過程（例えば、特開２００４−１０７７４４もおこる。近接場光に基づいて励起された電子４２と下位準位に位置する正孔４３とが生成され、その後励起された電子４２は下位準位に放出されて正孔４３と結合することにあるが、上述したように近接場光がこの近接場光検出領域１５において停留していることから、再び電子４２が励起される。このプロセスが繰り返し実行されると、あたかも電子４２が上位準位において留まっており、正孔４３が下位準位に留まっているように振舞うことになり、これが対４１を形成するものとなる。
【００２２】
かかる状態の下で、上述したバイアス電圧を印加すると、近接場光滲出領域１５において量子井戸５１、５２に相当するバンドの傾きを急峻にすることができる。その結果、対４１を形成しつつあたかも静止している電子４２は伝導帯へ、また正孔４３は価電子帯へ容易に移動することができ、これらが光電変換されることになる。実際に、この電子-正孔対４１を構成するエネルギー差Ｅｇは、入射された伝搬光の波長λ１に対応したものである。
【００２３】
これに対して、量子井戸５１、５２のバンドギャップ差は、近接場光検出領域１５ひいては受光体１１の材質に基づくものである。受光体１１の材質としてのＧａＮは、波長３６０ｎｍ未満において吸収波長λ２を有するため、この近接場光検出領域１５におけるバンドギャップ差もかかる吸収波長に基づく値となる。波長λ１は、ＧａＮの吸収波長λ２よりも長いことから、かかる波長λ２に基づくバンドギャップ差は、λ１に基づくエネルギー差Ｅｇよりも大きくなり、通常の波長λ１の伝搬光を照射しただけでは、電子を伝導帯へ励起させることができず、光電変換を実現できない。
【００２４】
しかしながら、本発明では、近接場光が伝搬特性を持たずに、近接場光検出領域１５において停留し、対４１を形成し続けるという特性を利用し、対４１において長時間に亘ってあたかも静止しているように電子４２を上位準位において発生させ、バイアス電圧を印加して、光電変換することができる。このため、見かけ上、非吸収波長であるλ１の伝搬光を照射した場合においても、これを近接場光検出領域１５（受光体１１）を介して受光することが可能となる。即ち、本発明では、伝搬光では遷移できない近接場光相互作用特有の過程を経た電子遷移を利用し、受光体１１が吸収を持たない非吸収波長の光電流を検出することができることから、従来の光検出器では全く感度のない波長の光を光電変換可能とすることにより、光吸収可能な帯域幅を増大させることができる。もちろん、一度生成された電子正孔対はその材料特性に従った寿命を持つため、高いバイアス電圧を印加することにより、増幅させることができるのは通常のＭＳＭ素子と同様である。
【実施例１】
【００２５】
ＧａＮ基板からなる受光体１１上に真空蒸着法によりＡｌ層２１を３０ｎｍ、Ａｕ層２２を３００ｎｍ堆積させてし、集束イオンビームによりエッチングすることでｄ１が１２０ｎｍであるスリット構造型の近接場光滲出領域１５を持つ受光素子１を作製した。次に端子１３間において２．８５Ｖのバイアス電圧を印加し、受光体１１としてのＧａＮの非吸収波長である、波長λ１が４０７ｎｍである伝搬光を照射した。その結果、入射光強度１．７４μＷに対して４．６ｎＡの光電流を得ることができた。これは、量子効率１％に相当するものであった。ちなみに、この光電変換効率は、上述のようにバイアス電圧を印加することにより更に向上させることが可能となる。
【００２６】
図６は、波長λ１が４０７ｎｍの入射光強度（μＷ）に対する光電流の出力信号強度（ｎＡ）の関係を示している。バイアス電圧は、２．８５Ｖ以外に、比較のため、１．８５Ｖ、３．８５Ｖとした場合も示した。また図７は、バイアス電圧が２．８５Ｖである入射光強度（μＷ）に対する光電流の出力信号強度（ｎＡ）の関係における、波長毎の依存性を示している。ここで波長λ１は、４０７ｎｍ、４５７ｎｍ、５３２ｎｍとしている。図６、７に示すように、バイアス電圧を変化させても、また波長λ１を４０７〜５３２ｎｍの間で変化させても、光電流を検出することができることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明を適用した受光素子の平面図である。
【図２】本発明を適用した受光素子における側面図である。
【図３】本発明を適用した受光素子により実際に受光動作を行うためのシステムを示す図である。
【図４】近接場光滲出領域において近接場光が滲出した状態を示す図である。
【図５】本発明を適用した受光素子による動作メカニズムを説明するためのバンドモデル図である。
【図６】波長λ１が４０７ｎｍの入射光強度（μＷ）に対する光電流の出力信号強度（ｎＡ）の関係を示す図である。
【図７】バイアス電圧が２．８５Ｖである入射光強度（μＷ）に対する光電流の出力信号強度（ｎＡ）の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  受光素子
３  システム
１１  受光体
１３  端子
１５  近接場光滲出領域
２１  Ａｌ層
２２  Ａｕ層
３１  電源
３２  電圧計
【図１】
2009060040.tif 000003
【図２】
2009060040.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2009060040.tif 000007
【図６】
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【図７】
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