JP2019197834A - 光検出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で高感度な光検出素子を提供する。【解決手段】光検出素子１は、第１面２ｓを有する半導体部２と、第１面２ｓ上に設けられ、半導体部２との間にショットキー接合を形成する接合体１０と、を備えている。第１面２ｓは、ショットキー接合が形成された接合エリアＡ１と、金属との接合が形成されていない非接合エリアＡ２と、を含む。接合体１０は、ショットキー接合を形成する第１金属層１１と、第１金属層１１上に積層された誘電体層１２と、誘電体層１２上に積層された第２金属層１３と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、光検出素子に関する。

光検出の分野では、近赤外光の検出を安価に実施できる技術の需要が高まってきている。近赤外光の検出は、例えば自動車の自動運転技術への応用などが期待されている。近赤外光の検出が可能な従来の光検出素子としては、例えばＩＩ族〜ＶＩ族の元素を含む化合物半導体を用いた光検出素子が挙げられるが、化合物半導体を用いた光検出素子は製造工程が複雑で高価であった。また、シリコンを用いた一般的なｐｎ接合型の光検出素子では、シリコンのバンドギャップよりも長い波長（１１００ｎｍ以上）の光の検出が困難であり、表面を凹凸化したいわゆるブラックシリコンを用いた光検出素子であっても長波長側の検出限界は１２００ｎｍないし１４００ｎｍ程度であった。

一方、ショットキー接合を用いたショットキー型の光検出素子では、金属膜の内部での光吸収により自由電子が励起され、生成された励起電子（ホットキャリア）がショットキー障壁を超えて半導体側に光電流として流れる。長波長側の検出限界は、ショットキー障壁の高さによって決まるため、シリコンのバンドギャップよりも長い波長の光の検出が可能となっている。このようなショットキー型の光検出素子としては、例えば特許文献１又は特許文献２に記載の光検出素子がある。

特許文献１に記載された光電変換素子は、半導体層と、半導体層の表面の全体を覆うと共に半導体層との間にショットキー界面を形成する導電層と、導電層の表面に形成された金属ナノ構造と、を備えている。金属ナノ構造の表面には、サブミクロンないしはナノオーダーの凹凸が形成されている。

特許文献２に記載された半導体受光素子は、表面プラズモンを形成し得る周期的な凹凸構造を有するショットキー電極と、ショットキー電極の凹凸構造を有する面側に接触して配置された半導体受光層と、半導体受光層に接触して配置された透明電極と、を備えている。

特許第５４３７４８６号公報 特許第４７８９７５２号公報

特許文献１に記載された光電変換素子においては、金属ナノ構造の表面に形成された凹凸が、Ａｕのナノ粒子のクラスター状又はフラクタル状の集合構造とされている。これにより、金属ナノ構造に対して、複数の周期構造を含むようにし、光電変換可能な入射光の波長領域を広くすることを図っている。

しかしながら、この光電変換素子においては、半導体層の表面の全体を覆うように導電層が形成されている。このため、入射光が導電層により遮光される結果、入射光が効率よくショットキー界面に到達しないという問題がある。より具体的には、この光電変換素子にあっては、金属ナノ構造側からの入射光は、金属ナノ構造及び導電層により減衰され、光感度が低下する。これに対して、特許文献１には、導電層の厚さを数ｎｍ程度に薄くすることが好ましいとされているが、この場合には、導電層の面抵抗が著しく高くなってしまう。このため、光電変換後の信号電流が電極に向かう間に導電層において減衰されてしまい、結果的に十分な光感度が得られないおそれがある。

特許文献２に記載された半導体受光素子にあっては、ショットキー電極の凹凸構造の凸部上端表面と、凹凸構造の間隙の両方で増強電場を形成して、ショットキー電極に接触して配置された半導体受光層を余すことなく励起するために、凹凸の高低差を、凹凸構造の周期間隔の１／２０から１／５としている。これにより、変換効率の向上を図っている。

しかしながら、この半導体受光素子においては、半導体受光層の表面に凹凸構造が形成されていることに加えて、半導体受光層をスパッタリング等の堆積法により形成していることから、ショットキー界面の品質の劣化により光感度が低下するおそれがある。

本発明は、そのような事情に鑑みてなされたものであり、安価で高感度な光検出素子を提供することを目的とする。

本発明に係る光検出素子は、第１面を有する半導体部と、第１面上に設けられ、半導体部との間にショットキー接合を形成する接合体と、を備える光検出素子であって、第１面は、ショットキー接合が形成された接合エリアと、金属との接合が形成されていない非接合エリアと、を含み、接合体は、ショットキー接合を形成する第１金属層と、第１金属層上に積層された誘電体層と、誘電体層上に積層された第２金属層と、を有する。

この光検出素子においては、半導体部の第１面上に、半導体部とショットキー接合を形成する接合体を備えている。そして、接合体は、順に積層された第１金属層、誘電体層、及び、第２金属層を含むいわゆるＭＩＭ構造を有している。しかも、接合体は、半導体部の第１面のうちの接合エリアに設けられる。換言すれば、半導体部の第１面には、金属との接合が形成されていない非接合エリアが設定されている。このため、入射光を、金属層によって遮光されずにショットキー接合部に到達させることができる。よって、例えばシリコン等の安価な材料を半導体部として用いつつ、高感度な光検出を実現可能である。

なお、特許文献１に記載された光電変換素子にあっては、導電層が半導体層の表面の全体を覆っている。したがって、半導体層における導電層と反対側の面からの入射光の検出に対して、金属ナノ構造が影響し難い（入射光が金属ナノ構造を認識し難い）。これに対して、この光検出素子にあっては、半導体部の第１面と反対側の面からの入射光の検出に対しても、第１面側からの入射光の検出と同等、もしくはそれ以上の感度を提供可能である。

本発明に係る光検出素子は、第１面に沿って直線状に延在する複数の接合体を備え、接合体は、第１面に交差する方向からみて、互いの間に非接合エリアが介在するように、延在方向に交差する方向に沿って配列されていてもよい。この場合、光検出の感度について、入射光の偏光方向に対する依存性を持たせることができる。

本発明に係る光検出素子においては、第１面に沿って円環状に延在する複数の接合体を備え、接合体は、第１面に交差する方向からみて、互いの間に非接合エリアが介在するように、同心円状に配列されていてもよい。この場合、光検出の感度について、入射光の偏光方向に対する依存性を抑制できる。

本発明に係る光検出素子においては、接合体は、少なくとも１つの方向について一定のピッチで配列されていてもよい。この場合、接合体の構造が簡素化され、製造が容易化される。よって、より安価に光検出素子を提供できる。また、接合体が等間隔で配列される方向について、第１面内での感度のばらつきが抑制される。

本発明に係る光検出素子においては、接合体は、互いに同一の断面形状を有していてもよい。この場合、接合体の製造が容易化される。よって、より安価に光検出素子を提供できる。

本発明に係る光検出素子においては、半導体部は、シリコンを含んでもよい。この場合、半導体部を安価に製造できる。

本発明によれば、安価で高感度な光検出素子を提供することができる。

第１実施形態に係る光検出素子の平面図である。 図１に示された光検出素子の断面図である。 図１，２に示された光検出素子の吸収スペクトルのシミュレーション結果を示すグラフである。 図１，２に示された光検出素子における入射光に対する吸収分布を示す図である。 図１，２に示された光検出素子の製造方法の主な工程を示す図である。 図１，２に示された光検出素子の製造方法の主な工程を示す図である。 図１，２に示された光検出素子の製造方法の主な工程を示す図である。 実施例に係る光検出素子の反射スペクトル特性を示すグラフである。 当該実施例に係る光検出素子の形状実測値をもとに行ったスペクトル応答シミュレーション結果を示すグラフである。 当該実施例に係る光検出素子の形状実測値をもとに行ったスペクトル応答シミュレーション結果を示すグラフである。 別の実施例に係る光検出素子の分光感度特性を示すグラフである。 第２実施形態に係る光検出素子を示す図である。 第１変形例に係る光検出素子を示す平面図である。 図９に示された光検出素子の断面図である。 第２変形例に係る光検出素子を示す平面図である。 第３変形例に係る光検出素子を示す平面図である。 第４変形例に係る光検出素子を示す平面図である。 第５変形例に係る光検出素子を示す平面図である。 第６変形例に係る光検出素子を示す平面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において、同一の要素同士、或いは、相当する要素同士には、互いに同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。
［第１実施形態］

図１は、第１実施形態に係る光検出素子の平面図である。図２は、図１に示された光検出素子の断面図である。図２の（ａ）は図１のＩＩａ−ＩＩａ線に沿っての断面図であり、図２の（ｂ）は図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線に沿っての断面図である。図１，２に示される光検出素子１は、半導体エネルギーギャップに相当する波長よりも長い波長の光を検出可能な素子として構成されている。光検出素子１は、例えば波長１２００ｎｍ以上の近赤外光の検出に用いられるショットキー接合型の光検出素子である。

光検出素子１は、半導体部２と、絶縁膜３と、電極４，５と、複数（ここでは４つ）の接合体１０と、を備えている。半導体部２は、ここでは、直方体状を呈している。半導体部２は、例えばシリコンを含む。半導体部２は、一例として、ｎ型の導電型を有するＳｉ基板である。半導体部２は、第１面２ｓと、第１面の反対側において第１面２ｓと略平行に延びる第２面２ｒと、を含む。第１面２ｓ及び第２面２ｒには、入射光（例えば近赤外光）Ｌ１，Ｌ２の散乱を防ぐために、鏡面加工が施されていてもよい。光検出素子１は、第１面２ｓ側からの入射光Ｌ１及び第２面２ｒ側からの入射光Ｌ２のいずれも検出可能である。したがって、第１面２ｓ及び第２面２ｒは、いずれも入射面となり得る。

絶縁膜３は、半導体部２の第１面２ｓに設けられている。ここでは、絶縁膜３は、第１面２ｓに交差（直交）する方向からみて長方形状に形成されており、第１面２ｓの一端部に偏在して設けられている。絶縁膜３は、例えば、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ_２）からなる。絶縁膜３は、例えば、化学気相成長法によって形成される。

電極４は、第１面２ｓ上において、絶縁膜３上に設けられている。電極４は、例えば、第１面２ｓに交差（直交）する方向からみて、絶縁膜３よりも小さな長方形状に形成されている。電極４は、第１面２ｓと接合を形成していない。電極５は、第２面２ｒに設けられている。電極５は、第２面２ｒの縁部に偏在して設けられている。ただし、第２面２ｒを入射面として使用しない場合には、第２面２ｒの全体に電極５を設けてもよい。電極５は、第２面２ｒにおいて、半導体部２との間にオーミック電極を形成している。なお、電極５が設けられる範囲を調整することによって、第２面２ｒに交差する方向からみて、第２面２ｒにおけるオーミック電極が形成されていないエリアが、後述する第１面２ｓにおける接合エリアＡ１に重複しないようにしてもよい。

電極４，５は、光検出素子１のアノード及びカソードを提供する。電極４，５の材料は、例えば、オーミック電極用の金属として、例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ａｌ、Ａｕ、及び、Ｐｔ等が例示される。また、電極４，５は、例えば、Ｔｉ／ＡｕやＮｉ／Ａｕ等の積層構造により構成されてもよい。さらに、電極４，５は、ＮｉＳｉ等のシリサイド（シリコン化合物）や、ＩｎＡｕ等の合金により構成されてもよい。電極４，５は、例えば、真空蒸着法により形成される。

接合体１０は、第１面２ｓに設けられている。接合体１０は、第１面２ｓにおいて、半導体部２との間にショットキー接合を形成している。接合体１０は、互いに離間して配置されている。第１面２ｓにおける接合体１０が設けられていないエリアは、金属との接合が形成されていない。したがって、第１面２ｓは、接合体１０によってショットキー接合が形成された接合エリアＡ１と、金属との接合が形成されていない非接合エリアＡ２と、を含む。非接合エリアＡ２は、外部に露出していてもよいし、例えば、第１面２ｓに対してシリコン窒化物（例えばＳｉＮ）等の透明誘電体膜からなる反射防止膜が形成されることによって、金属以外の物質と接合されていてもよい。すなわち、非接合エリアＡ２は、少なくとも金属から露出することによって、検出の対象となる波長の光に対して実質的に透明であればよい。

接合体１０は、それぞれ、直方体状に形成されており、第１面２ｓに交差（直交）する方向からみて、第１面２ｓにおける絶縁膜３及び電極４が設けられた一端部から他端部にわたって延在する長方形状を呈している。すなわち、接合体１０は、第１面に沿って直線状に延在している。また、接合体１０は、互いに離間しつつ互いに平行になるように、その短手方向に沿って配列されている。すなわち、接合体１０は、第１面２ｓに交差（直交）する方向からみて、互いの間に非接合エリアＡ２が介在するように、その延在方向に交差（直交）する方向に沿って配列されている。接合体１０の断面形状は、互いに同一である。

接合体１０は、第１面２ｓに形成され、第１面２ｓにおいて半導体部２との間にショットキー接合を形成する第１金属層１１と、第１金属層１１上に形成された誘電体層１２と、誘電体層１２上に形成された第２金属層１３と、を含む。第１金属層１１、誘電体層１２、及び、第２金属層１３は、第１面２ｓから順に積層されている。すなわち、接合体１０は、いわゆるＭＩＭ構造を有している。第１金属層１１、誘電体層１２、及び、第２金属層１３のそれぞれのエッジは、互いに一致しており、これらの積層構造によって直方体状の接合体１０が構成されている。なお、接合体１０の一端部は、絶縁膜３及び電極４に重複しており、信号出力用に用いられ得る電極４に電気的に接続されている。なお、電極４の下部（第１面２ｓ側）には絶縁膜３が介在している。このため、暗電流が抑制される。

第１金属層１１の材料は、ショットキー電極用金属として、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、及び、Ｃｒ等が例示される。また、また、第１金属層１１は、例えば、Ｔｉ／ＡｕやＮｉ／Ａｕ等の積層構造により構成されてもよい。さらに、第１金属層１１は、ＰｔＳｉやＮｉＳｉ等のシリサイド（シリコン化合物）により構成されてもよい。第２金属層１３は、第１金属層１１の材料と同一の材料により構成されてもよいし、別の任意の金属から構成されてもよい。

誘電体層１２の材料としては、例えば、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ_２）及びシリコン窒化物（例えばＳｉＮ）、もしくは、フッ化マグネシウム（例えばＭｇＦ_２）や酸化チタン（例えばＴｉＯ_２）等の半導体プロセスにおいて成膜可能な任意の誘電体から構成され得る。さらに、誘電体層１２は、所定の屈折率を有して誘電体として振る舞うＳｉ、Ｇｅ、ＺｎＯ等の半導体に分類される材料から構成されてもよい。

ここで、半導体部２とオーミック接合を形成する電極５、及び、半導体部２とショットキー接合を形成する第１金属層１１の材料は、半導体部２の材料及び導電型に応じて、上述した種々の材料の中から適宜に組み合わせを選択し得る。例えば、半導体部２が、ｎ型のＳｉから構成される場合には、ショットキー接合を形成する第１金属層１１の材料として、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、及び、Ａｌ等、もしくは、これら金属の積層構造、さらには、これら金属のシリサイドが選択され得るし、オーミック接合を形成する電極５の材料として、Ｔｉ、Ｃｒ、及び、Ｉｎ等、もしくは、ＡｕやＡｌとの積層構造が選択され得る。

また、半導体部２が、ｐ型のＳｉから構成される場合には、ショットキー接合を形成する第１金属層１１の材料として、Ｔｉ及びＣｒ等、もしくは、ＡｕやＡｌとの積層構造、さらには、これら金属のシリサイドが選択され得るし、オーミック接合を形成する電極５の材料として、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、及び、Ｉｎ等、もしくは、これら金属の積層構造が選択され得る。また、上述したように、第１金属層１１の材料と第２金属層１３の材料とは、互いに異なる材料が選択されてもよい。例えば、第１金属層１１の材料として、よりエネルギー吸収の高い金属、または、ショットキー接合に適した金属を選択する一方で、第２金属層１３の材料として、より低コストな金属を選択してもよい。さらに、半導体部２の材料は、Ｓｉに限らず、ＩＶ属のＧｅや、化合物半導体であるＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＮ、及び、ＩｎＧａＮといったように、光半導体として使用される任意の材料とすることができる。

ここで、接合体１０に係るパラメータは、次のように設定されている。すなわち、まず、接合体１０の共振器長Ｌ、及び、誘電体層１２の厚さＴは、Ｌ＝（２Ｎ＋１）・λ_ｐ／２（式１）、λ_ｐ＝λ_０／ｎ_ｅｆｆ（式２）、ｎ_ｅｆｆ＝ｎ（１＋２δ／Ｔ）^１／２（式３）を満たすように設定される。なお、λ_ｐは、表面プラズモンの共振波長であって、基本モードの場合には共振器長の半分の長さになる。λ_０は入射光Ｌ１，Ｌ２の波長、ｎ_ｅｆｆは誘電体層１２の構造パラメータを含む実効的な屈折率である。また、ｎは誘電体層１２の本来の屈折率であり、δは第１金属層１１及び第２金属層１３の表皮深さ（入射光Ｌ１，Ｌ２の強度が１／ｅに減少する距離）である。Ｎは、０もしくは正の整数である。

これにより、波長λ_ｐの入射光Ｌ１，Ｌ２の入射に応じて、表面プラズモン共鳴を生じさせることができる。具体的には、接合体１０の共振器の方向に沿った入射光Ｌ１，Ｌ２の電場振動が、第１金属層１１及び第２金属層１３の自由電子の共鳴的な集団振動を励起し、そのエネルギーが第１金属層１１及び第２金属層１３内に吸収され得る。すなわち、接合体１０は、表面プラズモン共鳴を生じさせるように形成されている。

また、接合体１０は、少なくとも１つの方向（ここでは、接合体１０の短手方向）について一定のピッチ（周期）Ｐで配列されている。そして、ピッチＰは、各々の接合体１０が入射光Ｌ１，Ｌ２のエネルギーを吸収する範囲を越えず、且つ、当該範囲が重なり過ぎないように設定される。これにより、エネルギー吸収の高効率化が実現される。

以上の光検出素子１が、例えば１．５５μｍの波長に合わせて構成されている場合、すなわち、上記の接合体１０のパラメータの設定において波長λ_ｐを１．５５μｍとした場合、接合体１０の共振器の方向に沿った電場振動を有する波長１．５５μｍの近赤外光が入射光Ｌ１，Ｌ２として入射すると、表面プラズモン共鳴が生じ、入射光Ｌ１，Ｌ２のエネルギーが接合体１０に吸収され、第１金属層１１及び第２金属層１３内の自由電子が効率よく励起される。そして、半導体部２とショットキー接合を形成する第１金属層１１内の励起された電子が、ショットキー障壁を越えて半導体部２内に注入されることにより、表面プラズモン共鳴によって増強された信号が、電極４，５を通じて光電変換電流として外部に取り出される。

なお、入射光Ｌ１，Ｌ２の電場振動の方向が、共振器の方向と直交する場合、表面プラズモン共鳴が生じないため、光感度の増強は行われない。したがって、本実施形態に係る光検出素子１のように、接合体１０が一方向に直線状に延びている場合（接合体１０がストライプ状である場合）、入射光Ｌ１，Ｌ２の偏光方向に対して依存性を有することとなる。

図３は、図１，２に示された光検出素子の吸収スペクトルのシミュレーション結果を示すグラフである。図３のシミュレーションにおいては、半導体部２をＳｉ基板とし、接合体１０をＡｕとＳｉＯ_２とのＭＩＭ構造とした。また、共振器長Ｌを０，２０μｍとし、誘電体層１２の厚さＴを１０ｎｍとし、ピッチＰを０．３５μｍとした。さらに、入射光を、第１面２ｓ側からの入射光Ｌ１であって波長が１．５５μｍのものとした。図３の結果は、以上の条件のもとでＲＣＷＡ（厳密結合波理論）によって求められたものである。

図３に示されるように、この場合には、１．５５μｍに吸収のピークが生じている。上記の（式１）〜（式３）において、ｎを１．４６とし、δを３０ｎｍとした場合、共振波長であるλ_ｐが１．５５μｍとなり、シミュレーション結果との一致が確認できる。

図４は、図１，２に示された光検出素子における入射光に対する吸収分布を示す図である。図４においては、入射光Ｌ１，Ｌ２の波長を１．５５μｍとし、その入射光Ｌ１，Ｌ２に対する吸収分布をＦＤＴＤ（時間領域差分法）により求めている。図４の（ａ）は、入射光を第１面２ｓ側からの入射光Ｌ１とした場合を示し、図４の（ｂ）は、入射光を第２面２ｒ側からの入射光Ｌ２とした場合を示している。図４の横軸のＸ及び縦軸のＺは、図２の（ａ）に示される直交座標系ＳのＸ軸及びＺ軸に対応しており、それぞれ、光検出素子１におけるＸ軸方向の位置、及び、Ｚ軸方向の位置を示している。図４の（ａ）に示されるように、入射光Ｌ１のエネルギーは、接合体１０において吸収されており、ショットキー接合のための第１金属層１１においても一部が吸収されていることが確認される。

ここで、第２面２ｒにおいては、オーミック電極である電極５が一部のみに設けられており、残部にはオーミック電極が形成されていない。このため、第２面２ｒにおける当該部分から、半導体部２内に入射光Ｌ２を導入可能である。そして、第２面２ｒ側から光検出素子１に導入された入射光Ｌ２は、第１金属層１１と半導体部２とのショットキー接合部に直接（金属を介在させずに）照射される。このため、表面プラズモン共鳴によって接合体１０に吸収されるエネルギーのうち、より多くのエネルギーを第１金属層１１において吸収させることが期待できる。実際に、図４の（ｂ）に示されるように、入射光Ｌ２のエネルギーの大部分が、第１金属層１１において吸収されていることが確認される。

引き続いて、本実施形態に係る光検出素子の製造方法の一例について説明する。図５〜７は、図１，２に示された光検出素子の製造方法の主な工程を示す図である。図５〜７においては、それぞれの（ａ）及び（ｂ）の上部が平面図であり、下部が断面図である。この製造方法においては、まず、図５の（ａ）に示されるように、半導体部２（例えばＳｉ基板）を用意する。続いて、図５の（ｂ）に示されるように、半導体部２の第１面２ｓに対して、例えばプラズマＣＶＤによって、絶縁膜３のための絶縁膜（例えばＳｉＯ_２膜）を形成する。そして、フォトリソグラフィ及びＲＩＥによるドライエッチングによって、当該絶縁膜をパターニングし、絶縁膜３を形成する。

続いて、図６の（ａ）に示されるように、フォトリソグラフィ、金属（例えばＡｕ）の真空蒸着、及びリフトオフによって、絶縁膜３上に電極４を形成する（パターニングする）。続いて、図６の（ｂ）に示されるように、フォトリソグラフィ、金属（例えばＴｉ）の真空蒸着、及びリフトオフによって、第２面２ｒ上に電極５を形成する（パターニングする）。なお、第１面２ｓを入射面として使用する場合には、電極５のパターニングは不要であり、第２面２ｒの全面に電極５を形成してもよい。

続いて、図７に示されるように、ＭＩＭ構造を有する接合体１０を形成する。すなわち、まず、図７の（ａ）に示されるように、第１面２ｓ上にフォトレジスト又は電子線レジストを塗布し、紫外線又は電子線を用いてストライプパターンを形成する。これにより、第１面２ｓ（及び、絶縁膜３、電極４の一部）の上に開口２０ｈが形成されたレジストマスク２０が形成される。ここでは、開口２０ｈの幅が共振器長Ｌとなるようにパターニングを行う。

続いて、図７の（ｂ）に示されるように、例えば電子ビーム真空蒸着装置を用いて、第１金属層１１のための金属（例えばＡｕ）、誘電体層１２のための誘電体（例えばＳｉＮ）、及び、第２金属層１３のための金属（例えばＡｕ）を連続して成膜してＭＩＭ構造の膜を形成する。ここでは、誘電体の膜厚が、誘電体層１２の厚さＴとなるように成膜を行う。そして、レジスト剥離液を用いてレジストマスク２０を剥離してリフトオフを行うことにより、ＭＩＭ構造の膜から接合体１０を形成する。これにより、光検出素子１が形成される。なお、電極４，５のパターニングは、化学エッチング又はドライエッチングを用いてもよい。また、ＭＩＭ構造の膜のパターニングにおいては、予め平坦なＭＩＭ構造の膜を堆積した後に、ドライエッチングを用いて、共振器長Ｌのストライプ状となるように当該膜をパターニングしてもよい。

以上説明したように、光検出素子１においては、半導体部２の第１面２ｓ上に、半導体部２とショットキー接合を形成する接合体１０を備えている。そして、接合体１０は、順に積層された第１金属層１１、誘電体層１２、及び、第２金属層１３を含むいわゆるＭＩＭ構造を有している。しかも、接合体１０は、半導体部２の第１面２ｓのうちの接合エリアＡ１に設けられる。換言すれば、半導体部２の第１面２ｓには、金属との接合が形成されていない非接合エリアＡ２が設定されている。このため、入射光Ｌ１，Ｌ２を、金属層によって遮光されずにショットキー接合部に到達させることができる。よって、例えばシリコン等の安価な材料を半導体部２として用いつつ、高感度な光検出を実現可能である。

なお、光検出素子１にあっては、半導体部２の第１面２ｓと反対側の第２面２ｒからの入射光Ｌ２の検出に対しても、入射光Ｌ２は接合体１０を認識できるので、第１面２ｓ側からの入射光Ｌ１の検出と同等、もしくはそれ以上の感度を提供可能である。

また、光検出素子１は、第１面２ｓに沿って直線状に延在する複数の接合体１０を備えている。接合体１０は、第１面２ｓに交差する方向からみて、互いの間に非接合エリアＡ２が介在するように、延在方向に交差する方向に沿って配列されている。このため、光検出の感度について、入射光Ｌ１，Ｌ２の偏光方向に対する依存性を持たせることができる。したがって、偏光方向の依存性を利用する状況において好適に採用され得る。

また、光検出素子１においては、接合体１０は、その延在方向に交差する方向について一定のピッチＰで配列されている。このため、接合体１０の構造が簡素化され、製造が容易化される。よって、より安価に光検出素子１を提供できる。また、接合体１０が等間隔で配列される方向について、第１面２ｓ内での感度のばらつきが抑制される。

さらに、光検出素子１においては、接合体１０は、互いに同一の断面形状を有している。このため、接合体１０の製造が容易化される。よって、より安価に光検出素子１を提供できる。

なお、上述したように、光検出素子１においては、半導体部２は、シリコンを含んでもよい。この場合、半導体部２を安価に製造できる。

ここで、図８は、実施例に係る光検出素子の反射スペクトル特性を示すグラフである。図８のグラフは、第１面２ｓ側から入射光Ｌ２を入射したときの反射スペクトル特性を示す。この例では、共振器長Ｌが１．０３μｍ、誘電体層１２の厚さＴが１６０ｎｍ、ピッチＰが１．２９μｍであった（いずれも実測値）。ＭＩＭの表面プラズモン共鳴としては二次の条件、すなわち、上記（式１）でＮ＝２に該当する形状となる。図８に示されるように、計測された反射率は、波長１．５２μｍで最少となり、１６％を示した。この波長を中心に入射光Ｌ２が吸収されていることが分かる。

図９及び図１０は、当該実施例に係る光検出素子の形状実測値をもとに行ったスペクトル応答シミュレーション結果を示すグラフである。図９，１０に示されるように、実測されたスペクトル特性とはやや異なるが、反射率が波長１．５７μｍでほぼ０となり、かつ、吸収率が波長１．５６μｍで最大の７２％となっている。

図１１は、別の実施例に係る光検出素子の分光感度特性を示すグラフである。図１１に示されるように、波長１．５７μｍを中心に光感度の増強が観測されていることが分かる。簡易的に直線（破線）で示した増強がない場合の光感度に比べて、１ケタ以上の感度増強が認められる。なお、図８〜１１に示したデータは、あくまで、本実施形態に係る光検出素子１の効果の一端を示すためのものに過ぎず、各値を最適化した場合を示すものではない。
［第２実施形態］

引き続いて、光検出素子の第２実施形態について説明する。図１２は、第２実施形態に係る光検出素子を示す図である。図１２の（ａ）は平面図であり、図１２の（ｂ）は図１２の（ａ）のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿っての断面図である。図１２に示されるように、光検出素子１Ａは、第１実施形態に係る光検出素子１と比較して、接合体１０の形状、及び、接合体１０の形状に応じた絶縁膜３及び電極４の形状において、光検出素子１と相違している。光検出素子１Ａの他の構成は、光検出素子１と同様である。

図１２に示されるように、光検出素子１Ａは、第１面２ｓに沿って円環状に延在する複数の接合体１０と、その円環の中心に位置する円形状の接合体１０と、を備えている。接合体１０は、第１面２ｓに交差する方向からみて、互いの間に非接合エリアＡ２が介在するように、同心円状に配列されている。それぞれの接合体１０の共振器長Ｌ、ピッチＰ、及び厚さＴは、第１実施形態と同様である。また、接合体１０は、その円形に直交する断面内において、互いに同一の断面形状を有している。

さらに、この光検出素子１Ａにおいては、接合体１０の共振器長Ｌ及びピッチＰが、接合体１０の周方向に沿って一定である。このため、この光検出素子１Ａにおいては、光検出の感度について、入射光Ｌ１，Ｌ２の偏光方向に対する依存性を抑制できる。なお、光検出素子１Ａにおいては、絶縁膜３及び電極４が、接合体１０の径方向に沿って延在しており、それぞれの接合体１０が電極４に電気的に接続されている。

以上の実施形態は、本発明に係る光検出素子の一実施形態を説明したものである。したがって、本発明に係る光検出素子は、上述した光検出素子１，１Ａに限定されない。本発明に係る光検出素子は、上述した光検出素子１，１Ａを任意に変更したものとすることができる。引き続いて、光検出素子の変形例について説明する。

図１３は、第１変形例に係る光検出素子を示す平面図である。図１４は、図１３に示された光検出素子の断面図である。図１４の（ａ）は図１３のＩＸａ−ＩＸａ線に沿っての断面図であり、図１４の（ｂ）は図１３のＩＸｂ−ＩＸｂ線に沿っての断面図である。図１３，１４に示されるように、光検出素子１Ｂは、第１実施形態に係る光検出素子１と比較して、接合体１０の形状、及び、接合体１０の形状に応じた絶縁膜３及び電極４の形状において、光検出素子１と相違している。光検出素子１Ｂの他の構成は、光検出素子１と同様である。

光検出素子１Ｂは、複数の円形状（円柱状）の接合体１０を備えている。接合体１０は、第１面２ｓに交差する方向からみて互いの間に非接合エリアＡ２が介在するように配列されている。接合体１０は、第１面２ｓに沿っており、且つ、互いに交差（直交）する２方向について、一定のピッチ（周期）Ｐで配列されている。また、接合体１０は、その円形に直交する断面内において、互いに同一の断面形状を有している。なお、光検出素子１Ｂにおいては、絶縁膜３及び電極４が、接合体１０の１つの配列方向に沿って延在しており、それぞれの接合体１０が電極４に電気的に接続されている。

さらに、光検出素子１Ｂにおいては、接合体１０の直径が共振器長Ｌとされている。このため、それぞれの接合体１０に着目したとき、共振器長Ｌは、接合体１０の周方向に一定である。このため、この光検出素子１Ｂにおいては、各々の接合体１０による光検出の感度について、入射光Ｌ１，Ｌ２の偏光方向に対する依存性を抑制できる。

図１５は、第２変形例に係る光検出素子を示す平面図である。図１５に示される光検出素子１Ｃは、図１３，１４に示された光検出素子１Ｂと比較して、接合体１０の配列の点で異なり、他の点で一致している。すなわち、光検出素子１Ｃにおいては、複数の円形状（円柱状）の接合体１０が、三角格子状に配列されている。より具体的には、ここでは、接合体１０は、第１面２ｓに沿っており、且つ、互いに４５°の角度で交差する２方向について、一定のピッチ（周期）Ｐで配列されている。このため、接合体１０の配列間隔に対する入射光Ｌ１，Ｌ２の偏光方向の依存性を光検出素子１Ｂと比較してさらに抑えることができる。

図１６は、第３変形例に係る光検出素子を示す平面図である。図１６に示される光検出素子１Ｄは、第１実施形態に係る光検出素子１と比較して、接合体１０の形状について光検出素子１と相違している。光検出素子１Ｄの他の構成は、光検出素子１と同様である。光検出素子１Ｄは、第１面２ｓに沿って直線状に延在する複数の接合体１０を備えている。また、接合体１０は、第１面２ｓに交差する方向からみて、互いの間に非接合エリアが介在するように、延在方向に交差する方向に沿って配列されている。

特に、光検出素子１Ｄにおいては、接合体１０が、互いに異なる共振器長Ｌを有している。より具体的には、接合体１０の共振器長Ｌは、第１面２ｓの一方側から他方側に向かうにつれて大きくなっている。また、それぞれの接合体１０に着目すると、その延在方向に沿って共振器長Ｌが一定である。つまり、光検出素子１Ｄは、互いに段階的に異なる複数の共振器長Ｌを有している。このため、光検出素子１Ｄにおいては、共振波長の帯域が拡大され、より広い波長範囲において光電変換信号を増強できる。なお、ここでは、接合体１０のピッチＰが一定でないが、ピッチＰが一定であってもよい。

図１７は、第４変形例に係る光検出素子を示す平面図である。図１８は、第５変形例に係る光検出素子を示す平面図である。図１７に示される光検出素子１Ｅ、及び、図１８に示される光検出素子１Ｆは、第１実施形態に係る光検出素子１と比較して、接合体１０の形状について光検出素子１と相違している。光検出素子１Ｅ，１Ｆの他の構成は、光検出素子１と同様である。光検出素子１Ｅ，１Ｆは、第１面２ｓに沿って延在する複数の接合体１０を備えている。また、接合体１０は、第１面２ｓに交差する方向からみて、互いの間に非接合エリアが介在するように、延在方向に交差する方向に沿って配列されている。

特に、光検出素子１Ｅ，１Ｆにおいては、接合体１０が、接合体１０の延在方向に交差する方向のサイズ（共振器長Ｌ）が、接合体１０の延在方向に沿って連続的に変化している。これにより、それぞれの接合体１０に着目すると、共振器長Ｌが連続的に変化している。すなわち、光検出素子１Ｅ，１Ｆは、連続的に異なる無数の共振器長Ｌを有することになる。このため、光検出素子１Ｅ，１Ｆにおいては、共振波長の帯域が連続的に拡大される。

なお、光検出素子１Ｅにおいては、接合体１０は、第１面２ｓに交差する方向からみて、三角形状に形成されている。また、光検出素子１Ｅにおいては、接合体１０は、その三角形状が互い違いになりように配列されている。光検出素子１Ｅにおいては、互いに隣り合う接合体１０の間の間隔は、接合体１０の延在方向に沿って一定であるが、ピッチＰは異なっている。ただし、ピッチＰを一定にしてもよい。

一方で、光検出素子１Ｆにおいては、接合体１０は、第１面２ｓに交差する方向からみて、接合体１０の延在方向に交差する方向のサイズ（共振器長Ｌ）が相対的に大きい部分と、相対的に小さい部分とが交互に現れるように、波状に形成されている。そして、複数の接合体１０は、１つの接合体のサイズの大きな部分と他の接合体１０のサイズの小さな部分とが交互になるように配列されている。この場合にも、互いに隣り合う接合体１０の間の間隔は、接合体１０の延在方向に沿って一定であるが、ピッチＰは異なっている。ただし、ピッチＰを一定にしてもよい。

以上の変形例では、接合体１０が一方向に延在しており、且つ、その延在方向に沿って共振器長Ｌが変化する例について説明した。これに対して、例えば、図１３や図１５に示されたような円形状（円柱状）の接合体１０に対して、共振器長Ｌが異なるように構成してもよい。すなわち、互いに直径が異なる複数の接合体１０を用いるようにしてもよい。

図１９は、第６変形例に係る光検出素子を示す平面図である。図１９に示される光検出素子１Ｇは、第１実施形態に係る光検出素子１と比較して、電極５の位置について光検出素子１と相違している。光検出素子１Ｇの他の構成は、光検出素子１と同様である。光検出素子１Ｇにおいては、電極５が第１面２ｓ上に形成されている。これにより、電気信号を取り出すための外部回路との電気接続が、半導体部２の同一面（ここでは第１面２ｓ）で行うことができるため、フリップチップボンディング等の特殊なアセンブリ方法にも対応しやすくなる。さらに、第２面２ｒ側から入射光Ｌ２が入射する場合には、第２面２ｒの全面を光入射面とすることができるため、入射光Ｌ２の位置合わせが簡便になるとともに、電極５による入射光Ｌ２のロスをなくすことができる。

なお、以上の光検出素子１〜１Ｇにおいては、半導体部２の光入射面（第１面２ｓ又は第２面２ｒ）に対して、ＳｉＮ等の透明誘電体膜からなる反射防止膜を形成してもよい。ただし、接合体１０が形成された側の面（上記の例では第１面２ｓ）に反射防止膜を形成する場合には、形成された反射防止膜が表面プラズモン共鳴に影響を抑制するための設計が必要となる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ…光検出素子、２…半導体部、２ｓ…第１面、１０…接合体、１１…第１金属層、１２…誘電体層、１３…第２金属層、Ａ１…接合エリア、Ａ２…非接合エリア。

Claims (6)

1. 第１面を有する半導体部と、前記第１面上に設けられ、前記半導体部との間にショットキー接合を形成する接合体と、を備える光検出素子であって、
   前記第１面は、前記ショットキー接合が形成された接合エリアと、金属との接合が形成されていない非接合エリアと、を含み、
   前記接合体は、前記ショットキー接合を形成する第１金属層と、前記第１金属層上に積層された誘電体層と、前記誘電体層上に積層された第２金属層と、を有する、
   光検出素子。
2. 前記第１面に沿って直線状に延在する複数の前記接合体を備え、
   前記接合体は、前記第１面に交差する方向からみて、互いの間に前記非接合エリアが介在するように、延在方向に交差する方向に沿って配列されている、
   請求項１に記載の光検出素子。
3. 前記第１面に沿って円環状に延在する複数の前記接合体を備え、
   前記接合体は、前記第１面に交差する方向からみて、互いの間に前記非接合エリアが介在するように、同心円状に配列されている、
   請求項１に記載の光検出素子。
4. 前記接合体は、少なくとも１つの方向について一定のピッチで配列されている、
   請求項２又は３に記載の光検出素子。
5. 前記接合体は、互いに同一の断面形状を有している、
   請求項２〜４のいずれか一項に記載の光検出素子。
6. 前記半導体部は、シリコンを含む、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の光検出素子。