JP2020004774A

JP2020004774A - 光検出器

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Publication number: JP2020004774A
Application number: JP2018120057A
Authority: JP
Inventors: 徹廣畑; Toru Hirohata; 弘康藤原; Hiroyasu Fujiwara
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2018-06-25
Filing date: 2018-06-25
Publication date: 2020-01-09
Anticipated expiration: 2038-06-25
Also published as: JP7034016B2

Abstract

【課題】金属電極層間の短絡を防止できると共に製造工程を容易化でき、製造歩留まりの向上が図られる光検出器を提供する。【解決手段】光検出器１Ａは、半導体層２の一方面２ａに設けられた金属層３と、半導体層２の他方面２ｂに互いに離間して設けられた第１の金属電極層５及び第２の金属電極層６と、を備え、第１のＭＩＭ共振器１１Ａ及び第２のＭＩＭ共振器１１Ｂの接合方向Ｂが半導体層２におけるｐｎ接合の方向Ａと交差し、第１のＭＩＭ共振器１１Ａ及び第２のＭＩＭ共振器１１Ｂの共振器長Ｌは、半導体層２の吸収端波長よりも長い波長を有する入射光Ｉによって表面プラズモンが励起され、且つ表面プラズモンの共振により形成される電場によってフォノンが励起される長さとなっている。【選択図】図１

Description

本発明は、光検出器に関する。

従来、金属層と半導体層との界面における表面プラズモンを利用する光検出器が知られている。例えば特許文献１に記載の光検出器は、第１の金属層と、第１の金属層上に積層された半導体層と、半導体層上に積層された第２の金属層とを有する積層構造体を備えている。この積層構造体は、いわゆるＭｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ（ＭＩＭ）共振器を構成し、Ｉ層としての半導体層は、導電型がｐ型の半導体層と導電型がｎ型の半導体層との積層体によって構成されている。

積層構造体では、光入射によって生じた表面プラズモンが有する局在電場によって半導体層のフォノンが励起される。励起されたフォノンの多段階励起によって半導体層内での電子遷移が可能となり、半導体層内で光吸収が生じる。これが光電子として外部に取り出されることで、半導体層の吸収端波長よりも長い波長の光検出が実現されている。

特許第５９５２１０８号公報

上述のような光検出器においては、半導体層の厚さをナノオーダ程度で形成する必要がある。このため、光検出器の製造歩留まりを高める観点から、半導体層を挟む金属電極層間の短絡をより確実に防止するための工夫を施すことが好ましい。また、光検出器の製造歩留まりを高める観点からは、製造工程を容易化する工夫も必要となる。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、金属電極層間の短絡を防止できると共に製造工程を容易化でき、製造歩留まりの向上が図られる光検出器を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明の一側面に係る光検出器は、半導体層と、半導体層の一方面に設けられた金属層と、半導体層の他方面に互いに離間して設けられた第１の金属電極層及び第２の金属電極層と、を備え、半導体層は、ｐ型及びｎ型の一方の導電型を有して第１の金属電極層に接する第１の半導体層と、ｐ型及びｎ型の他方の導電型を有して第２の金属電極層に接する第２の半導体層と、を含み、金属層と半導体層と第１の金属電極層とによって構成される第１のＭＩＭ共振器の接合方向、及び金属層と半導体層と第２の金属電極層とによって構成される第２のＭＩＭ共振器の接合方向は、半導体層におけるｐｎ接合又はｐｉｎ接合の方向と交差し、第１の金属電極層と半導体層との密着幅によって規定される第１のＭＩＭ共振器の共振器長、及び第２の金属電極層と半導体層との密着幅によって規定される第２のＭＩＭ共振器の共振器長は、半導体層の吸収端波長よりも長い波長を有する入射光によって表面プラズモンが励起され、且つ表面プラズモンの共振により形成される電場によってフォノンが励起される長さとなっている。

この光検出器では、第１のＭＩＭ共振器及び第２のＭＩＭ共振器の接合方向が半導体接合におけるｐｎ接合又はｐｉｎ接合の方向と交差している。このため、この光検出器では、第１のＭＩＭ共振器を構成する第１の金属電極層と、第２のＭＩＭ共振器を構成する第２の金属電極層とをいずれも半導体層の他方面に設ける構成を採用し得る。第１の金属電極層と第２の金属電極層とが同一面に設けられることで、第１の金属電極層及び第２の金属電極層のパターニングが容易となり、短絡が生じる可能性が抑えられると共に、製造工程の容易化が図られる。

また、第１の半導体層は、第１の金属電極層に接する部分において、半導体層の厚さ方向の一部のみに設けられ、半導体層の残余の部分は、第２の半導体層となっていてもよい。このような半導体層は、イオン注入により容易に形成することができる。

上記の構成において、第１の半導体層のキャリア濃度は、第２の半導体層のキャリア濃度よりも小さくなっていてもよい。この場合、第１の半導体層の十分な領域を空乏層とすることが可能となり、入射光の光電変換効率を向上できる。

上記の構成において、半導体層の厚さ方向から見て、第１の金属電極層の形成領域が第１の半導体層の形成領域よりも内側に位置していてもよい。これにより、第１の金属電極層と第２の半導体層との接触を防止できる。

また、第１の半導体層は、第１の金属電極層に接する部分において、半導体層の厚さ方向の一部のみに設けられ、第２の半導体層は、第２の金属電極層に接する部分において、半導体層の厚さ方向の一部のみに設けられ、半導体層の残余の部分は、高抵抗ベース層となっていてもよい。このような半導体層は、イオン注入により容易に形成することができる。また、この構成によれば、第１の金属電極層と第２の金属電極層とが金属層を介して短絡してしまうことを防止できる。

上記の構成において、第１の半導体層と第２の半導体層とが互いに離間していてもよい。この場合、半導体層においてＰＩＮ構造が形成されるため、ＰＩＮ構造のＩに相当する高抵抗ベース層を介して空乏層の拡がりを助長することが可能となる。

上記の構成において、第１の半導体層と第２の半導体層とが互いに接していてもよい。この場合、第１の半導体層に対応する第１の金属電極層と、第２の半導体層に対応する第２の金属電極層とを半導体層の他方面上で密に配置することができる。したがって、光検出器の小型化及びアレイ化の点で有意となる。

上記の構成において、半導体層の厚さ方向から見て、第１の金属電極層の形成領域が第１の半導体層の形成領域よりも内側に位置し、第２の金属電極層の形成領域が第２の半導体層の形成領域よりも内側に位置していてもよい。これにより、第１の金属電極層と第２の半導体層及び高抵抗ベース層との接触を防止でき、第２の金属電極層と第１の半導体層及び高抵抗ベース層との接触を防止できる。

また、金属層側に保持部が設けられていてもよい。これにより、金属層、半導体層、第１の金属電極層、及び第２の金属電極層の層厚が薄い場合でもこれらの構成を好適に保持できる。

また、金属層側に保持部が設けられ、保持部と高抵抗ベース層とがＳＯＩ基板によって構成されていてもよい。ＳＯＩ基板を用いることにより、上記構成を有する光検出器を容易に製造できる。

また、半導体層の厚さ方向から見て、第１のＭＩＭ共振器及び第２のＭＩＭ共振器がそれぞれ櫛歯状に設けられていてもよい。この場合、光電変換領域を増加させることができるので、光検出器の受光感度を向上できる。

また、半導体層の厚さ方向から見て、第１のＭＩＭ共振器及び第２のＭＩＭ共振器が渦巻状に設けられていてもよい。この場合、光電変換領域を増加させることができるので、光検出器の受光感度を向上できる。また、共振器の向きが限定されないので、無偏光の入射光の検出が可能となる。

この光検出器では、金属電極層間の短絡を防止できると共に製造工程を容易化でき、製造歩留まりの向上が図られる。

第１実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。第１実施形態に係る光検出器の製造工程の一例を示す概略図である。図２の後続の工程の一例を示す概略図である。第２実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。第３実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。第４実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。第５実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。第６実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。第３実施形態の変形例に係る光検出器の構成を示す概略図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る光検出器の好適な実施形態について詳細に説明する。
［第１実施形態］

図１は、第１実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。図１（ａ）は断面図であり、図１（ｂ）は平面図である。同図に示すように、光検出器１Ａは、半導体層２と、金属層３と、保持部４と、第１の金属電極層５と、第２の金属電極層６とを備えている。本実施形態では、半導体層２の一方面２ａ側に金属層３及び保持部４が設けられており、半導体層２の他方面２ｂ側に第１の金属電極層５及び第２の金属電極層６が設けられている。光検出器１Ａでは、第１の金属電極層５及び第２の金属電極層６が設けられている面が入射光Ｉの入射面となっている。

光検出器１Ａでは、半導体層２の吸収端波長（バンドギャップを超えるエネルギーを有する光の波長）よりも長い波長の光が入射光Ｉとして入射した場合に、当該入射光Ｉによって表面プラズモンが励起され、当該表面プラズモンの共振により形成される電場によってフォノンが励起される。このため、光検出器１Ａでは、入射光Ｉの光子エネルギーに加え、フォノンの多段階励起による光子振動エネルギーを利用することができ、半導体層２内での電子遷移が可能となる。光検出器１Ａでは、半導体層２内で生じた光吸収が光電子として外部に取り出されることで、半導体層２の吸収端波長よりも長い波長の光検出が実現される。ここでは、検出対象である入射光Ｉの波長が１５５０ｎｍである場合を想定し、光検出器１Ａの各構成要素の寸法等を例示する。

半導体層２は、第１の半導体層７と、第２の半導体層８とを有している。第１の半導体層７は、導電型がｐ型のＳｉからなる半導体領域であり、第２の半導体層８は、導電型がｎ型のＳｉからなる半導体領域である。本実施形態では、ｎ型のＳｉの一部をｐ型のＳｉにすることで、第１の半導体層７及び第２の半導体層８が形成されている。具体的には、図１（ａ）に示すように、第１の半導体層７は、第２の半導体層８へのイオン注入によって第１の金属電極層５に接する部分において半導体層２の厚さ方向の一部のみに設けられており、半導体層２の残余の部分は、第２の半導体層８となっている。また、第１の半導体層７は、図１（ｂ）に示すように、平面視において、半導体層２の一側に位置する長方形部分７ａと、長方形部分７ａの隅から半導体層２の他側に向かって延びる延出部分７ｂとを有している。第１の半導体層７と第２の半導体層８との界面では、ｐｎ接合が形成されている。このｐｎ接合の方向Ａは、発生したキャリアの主な移動方向であり、第１の金属電極層５と第１の半導体層７との接触面と、第２の金属電極層６と第２の半導体層８との接触面をつなぐ方向である。本実施形態では、ｐｎ接合の方向Ａは、半導体層２の面内方向と一致している。

第２の半導体層８の厚さ（半導体層２の厚さ）は、例えば１００ｎｍとなっており、第１の半導体層７の厚さは、例えば７０ｎｍとなっている。また、第１の半導体層７のキャリア濃度は、第２の半導体層８のキャリア濃度よりも小さくなっている。例えば第１の半導体層７のキャリア濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３となっており、第２の半導体層８のキャリア濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３となっている。

金属層３は、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｇ等の金属によって形成されている。金属層３は、電極としては用いられない層であり、半導体層２の一方面２ａ側の全面にわたって設けられている。金属層３の厚さは、例えば５０ｎｍ程度となっている。

保持部４は、厚さの小さい半導体層２、金属層３、第１の金属電極層５、及び第２の金属電極層６を保持する部分である。本実施形態では、保持部４は、ガラス基板９によって構成されている。保持部４の厚さは、半導体層２等と比較して十分に大きく、例えば０．２ｍｍ程度となっている。保持部４と金属層３とは、接着層１０によって互いに強固に結合されている。接着層１０を構成する接着材料としては、例えばエポキシ樹脂等の接着剤、ベンゾシクロブテン等の有機系樹脂、水ガラス等の無機樹系脂、ハンダ等の金属を用いることができる。

第１の金属電極層５は、光検出器１Ａのアノードとして機能する金属電極層である。また、第２の金属電極層６は、光検出器１Ａのカソードとして機能する金属電極層である。第１の金属電極層５及び第２の金属電極層６は、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｇ等の金属によって形成されている。第１の金属電極層５及び第２の金属電極層６の厚さは、例えば５０ｎｍ程度となっている。第１の金属電極層５は、第１の半導体層７の形成領域に対応して半導体層２の他方面２ｂ上に設けられ、第１の半導体層７との間でオーミック接合を形成している。

本実施形態では、第１の金属電極層５は、図１（ｂ）に示すように、平面視において、第１の金属電極層５は、半導体層２の一側に位置する長方形部分５ａと、長方形部分５ａの隅から半導体層の他側に向かって延びる延出部分５ｂとを有し、第１の半導体層７よりも一回り小さい相似形状を有している。これにより、第１の金属電極層５の形成領域は、半導体層２の厚さ方向から見て、第１の半導体層７の形成領域よりも内側に位置している。すなわち、第１の半導体層７の形成領域の全ての縁は、第１の金属電極層５の全ての縁よりも外側に張り出した状態となっている。なお、光検出器１Ａの感度の確保の観点からは、第１の金属電極層５の縁からの第１の半導体層７の縁の張出幅は、入射光Ｉの波長未満となっていることが好ましい。

第２の金属電極層６は、第２の半導体層８の形成領域に対応して、第１の半導体層７と離間した状態で半導体層２の他方面２ｂ上に設けられ、第２の半導体層８との間でオーミック接合を形成している。第２の金属電極層６は、第１の金属電極層５と同様、図１（ｂ）に示すように、平面視において、半導体層２の他側に位置する長方形部分６ａと、長方形部分６ａの隅から半導体層の一側に向かって延びる延出部分６ｂとを有している。第２の金属電極層６は、半導体層２の他方面２ｂ上において、第１の金属電極層５と点対称に配置されている。第２の金属電極層６の長方形部分６ａは、半導体層２の他側において第１の金属電極層５の長方形部分５ａと平行に設けられている。第２の金属電極層６の延出部分６ｂは、第１の金属電極層５の延出部分５ｂと平行かつ反対向きに延在している。

上述した金属層３、半導体層２、第１の金属電極層５、及び第２の金属電極層６は、いわゆるＭｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ（ＭＩＭ）共振器を構成している。光検出器１Ａでは、金属層３、半導体層２、及び第１の金属電極層５が第１のＭＩＭ共振器１１Ａを構成している。また、光検出器１Ａでは、金属層３、半導体層２、及び第２の金属電極層６が第２のＭＩＭ共振器１１Ｂを構成している。第１のＭＩＭ共振器１１Ａ及び第２のＭＩＭ共振器１１Ｂの接合方向Ｂは、金属層３、半導体層２、第１の金属電極層５、及び第２の金属電極層６の並ぶ方向であり、半導体層２の厚さ方向と一致し、第１の半導体層７と第２の半導体層８との間のｐｎ接合の方向Ａと交差（直交）している。

第１のＭＩＭ共振器１１Ａの共振器長Ｌは、第１の半導体層７に密着している第１の金属電極層５の密着幅で規定される。また、第２のＭＩＭ共振器１１Ｂの共振器長Ｌは、第２の半導体層８に密着している第２の金属電極層６の密着幅で規定される。ここでは、第１の金属電極層５の長方形部分５ａの短手方向の幅及び第２の金属電極層６の長方形部分６ａの短手方向の幅が共振器長Ｌと一致する。第１のＭＩＭ共振器１１Ａの共振器長Ｌと第２のＭＩＭ共振器１１Ｂの共振器長Ｌとは、互いに等しくなっている。

共振器長Ｌは、半導体層の吸収端波長よりも長い波長を有する入射光Ｉによって表面プラズモンが励起され、且つ表面プラズモンの共振により形成される電場によってフォノンが励起される長さとなっている。光検出器１Ａでは、第１のＭＩＭ共振器１１Ａ及び第２のＭＩＭ共振器１１Ｂの共振器長Ｌは、励起される表面プラズモンの波長λｐの１／２の整数倍となっている。なお、第１のＭＩＭ共振器１１Ａの共振器長Ｌ及び第２のＭＩＭ共振器１１Ｂの共振器長Ｌ、すなわち、第１の半導体層７に密着している第１の金属電極層５の密着幅及び第２の半導体層８に密着している第２の金属電極層６の密着幅は、半導体層２の他方面２ｂの面内方向において一定の長さにわたって保たれる必要がある。

第１のＭＩＭ共振器１１Ａ及び第２のＭＩＭ共振器１１Ｂでの表面プラズモンの波長λｐの目安としては、下記式（１）がある。式（１）中、ｎは第１の半導体層７及び第２の半導体層８の屈折率、Ｗは第１の半導体層７及び第２の半導体層８の幅（長方形部分７ａ，８ａの短手方向の幅）、δは第１の金属電極層５及び第２の金属電極層６への入射光Ｉの表皮深さ、λ_０は入射光Ｉの波長である。

…（１）

図１の例では、第１のＭＩＭ共振器１１Ａ及び第２のＭＩＭ共振器１１Ｂの共振器長Ｌは、１９０ｎｍであり、波長１５５０ｎｍの光の共鳴に対応する。このとき、第１のＭＩＭ共振器１１Ａによって第１の半導体層７内に発生する電場は、第１の半導体層７の幅方向の両端で最大となり、幅方向の中心部でゼロとなる。したがって、第１の半導体層７で発生する電場は、９５ｎｍ程度の領域で最大からゼロまで急峻に変化していることになる。

また、上述したように、第１の半導体層７のキャリア濃度は、第２の半導体層８のキャリア濃度よりも小さくなっている。具体的には、第２の半導体層８のキャリア濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３となっているのに対し、第１の半導体層７のキャリア濃度は１×１０^１７ｃｍ^−３となっている。この場合、空乏層をｐｎ接合の界面から第１の半導体層７の幅方向に約１１０ｎｍにわたって形成できる。

図２は、光検出器の製造工程の一例を示す概略図である。また、図３は、その後続の工程の一例を示す概略図である。光検出器１Ａを作製する場合、まず、図２（ａ）に示すように、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１２を準備する。ＳＯＩ基板１２は、高抵抗のＳｉからなる半導体層１３と、絶縁層１４と、ｎ型のＳｉからなる半導体層１５とを有する基板である。次に、蒸着等によってＳＯＩ基板１２の半導体層１５上に金属層３を形成する。さらに、保持部４となるガラス基板９を用意し、図２（ｂ）に示すように、接着層１０によって金属層３上に保持部４を結合する。

保持部４の結合後、図３（ａ）に示すように、研削或いはエッチングによりＳＯＩ基板１２を薄化する。このとき、ＳＯＩ基板１２の半導体層１３及び絶縁層１４（図２（ａ）及び図２（ｂ）参照）を薄化により除去し、半導体層１５のみを残存させる。そして、イオン注入により、半導体層１５におけるｎ型のＳｉの一部をｐ型のＳｉにすることで、図３（ｂ）に示すように、第１の半導体層７及び第２の半導体層８を形成し、半導体層２を得る。この後、蒸着等によって半導体層２上に第１の金属電極層５及び第２の金属電極層６をパターン形成し、図１に示した光検出器１Ａを得る。

以上説明したように、光検出器１Ａでは、第１のＭＩＭ共振器１１Ａ及び第２のＭＩＭ共振器１１Ｂの接合方向Ｂが第１の半導体層７及び第２の半導体層８のｐｎ接合の方向Ａと交差している。このため、光検出器１Ａでは、第１のＭＩＭ共振器１１Ａを構成する第１の金属電極層５と、第２のＭＩＭ共振器１１Ｂを構成する第２の金属電極層６とをいずれも半導体層２の他方面２ｂに設ける構成を採用し得る。第１の金属電極層５と第２の金属電極層６とが半導体層２の他方面２ｂにおいて同一面に設けられることで、第１の金属電極層５及び第２の金属電極層６のパターニングが容易となり、短絡が生じる可能性が抑えられる。また、光検出器１Ａでは、ＳＯＩ基板１２などを用いることで製造工程の容易化が図られる。したがって、光検出器１Ａでは、製造歩留まりの向上が図られる。

また、光検出器１Ａでは、第１の金属電極層５に接する部分において、第１の半導体層７が半導体層２の厚さ方向の一部のみに設けられ、半導体層２の残余の部分が第２の半導体層８となっている。このような半導体層２は、第２の半導体層８で構成した半導体層へのイオン注入により容易に形成することができる。

また、光検出器１Ａでは、第１の半導体層７のキャリア濃度が第２の半導体層８のキャリア濃度よりも小さくなっている。これにより、第１の半導体層７の十分な領域を空乏層とすることが可能となり、入射光Ｉの光電変換効率を向上できる。

また、光検出器１Ａでは、半導体層２の厚さ方向から見て、第１の金属電極層５の形成領域が第１の半導体層７の形成領域よりも内側に位置している。これにより、第１の金属電極層５と第２の半導体層８との接触を防止できる。

また、光検出器１Ａでは、金属層３側にガラス基板９による保持部４が設けられている。これにより、層厚が薄い金属層３、半導体層２、第１の金属電極層５、及び第２の金属電極層６を好適に保持できる。
［第２実施形態］

図４は、第２実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。図４（ａ）は断面図であり、図４（ｂ）は平面図である。同図に示すように、第２実施形態に係る光検出器１Ｂは、半導体層２の構成が第１実施形態と相違している。

より具体的には、光検出器１Ｂの半導体層２では、ｐ型のＳｉの一部をｎ型のＳｉにすることで、第１の半導体層７及び第２の半導体層８が形成されている。具体的には、図４（ａ）に示すように、第２の半導体層８は、第１の半導体層７へのイオン注入によって第２の金属電極層６に接する部分において半導体層２の厚さ方向の一部のみに設けられており、半導体層２の残余の部分は、第１の半導体層７となっている。

第２の半導体層８は、図４（ｂ）に示すように、平面視において、半導体層２の他側に位置する長方形部分８ａと、長方形部分８ａの隅から半導体層２の一側に向かって延びる延出部分８ｂとを有している。第２の金属電極層６の形成領域は、半導体層２の厚さ方向から見て、第２の半導体層８の形成領域よりも内側に位置している。すなわち、第２の半導体層８の形成領域の全ての縁は、第２の金属電極層６の全ての縁よりも外側に張り出した状態となっている。

本実施形態では、第２の半導体層８のキャリア濃度は、第１の半導体層７のキャリア濃度よりも小さくなっている。例えば第１の半導体層７のキャリア濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３となっており、第２の半導体層８のキャリア濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３となっている。このような光検出器１Ｂにおいても、第１実施形態と同様の作用効果が奏され、製造歩留まりの向上が図られる。
［第３実施形態］

図５は、第３実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。図３（ａ）は断面図であり、図３（ｂ）は平面図である。同図に示すように、第３実施形態に係る光検出器１Ｃは、半導体層２の構成が第１実施形態と更に相違している。

より具体的には、光検出器１Ｂの半導体層２では、高抵抗のＳｉからなる高抵抗ベース層１６の一部をｐ型のＳｉ及びｎ型のＳｉとすることで、第１の半導体層７及び第２の半導体層８が形成されている。具体的には、図５（ａ）に示すように、第１の半導体層７は、高抵抗ベース層１６へのイオン注入によって第１の金属電極層５に接する部分において半導体層２の厚さ方向の一部のみに設けられており、第２の半導体層８は、高抵抗ベース層１６へのイオン注入によって第２の金属電極層６に接する部分において半導体層２の厚さ方向の一部のみに設けられている。半導体層２の残余の部分は、高抵抗ベース層１６となっている。高抵抗ベース層１６の例としては、例えば真性半導体が挙げられる。

本実施形態では、半導体層２において、第１の半導体層７と第２の半導体層８とは、互いに離間した状態となっている。これにより、第１の半導体層７と第２の半導体層８との間には、高抵抗ベース層１６が介在し、第１の半導体層７と高抵抗ベース層１６との界面、及び第２の半導体層８と高抵抗ベース層１６との界面では、ｐｉｎ接合が形成されている。ｐｉｎ接合の方向Ａは、第１実施形態におけるｐｎ接合の方向Ａと同じであり、半導体層２の面内方向と一致し、第１のＭＩＭ共振器１１Ａ及び第２のＭＩＭ共振器１１Ｂの接合方向Ｂに交差（直交）している。

第１の金属電極層５の形成領域は、第１実施形態と同様に、半導体層２の厚さ方向から見て、第１の半導体層７の形成領域よりも内側に位置している。また、第２の金属電極層６の形成領域は、第２実施形態と同様に、半導体層２の厚さ方向から見て、第２の半導体層８の形成領域よりも内側に位置している。これにより、第１の金属電極層５と第２の半導体層８及び高抵抗ベース層１６との接触を防止でき、第２の金属電極層６と第１の半導体層７及び高抵抗ベース層１６との接触を防止できる。例えば真性半導体である高抵抗ベース層１６に対して第１の金属電極層５及び第２の金属電極層６を接触させないことで、光検出器としての機能を十分に発揮させることができる。なお、本実施形態では、第１の半導体層７のキャリア濃度と第２の半導体層８のキャリア濃度とが互いに等しくなっている。例えば第１の半導体層７のキャリア濃度及び第２の半導体層８のキャリア濃度は、いずれも１×１０^１８ｃｍ^−３となっている。

このような光検出器１Ｃにおいても、第１実施形態と同様の作用効果が奏され、製造歩留まりの向上が図られる。また、光検出器１Ｃの構成によれば、第１の金属電極層５と第２の金属電極層６とが金属層３を介して短絡してしまうことを防止できる。このような構成は、第１の金属電極層５及び第２の金属電極層６と金属層３との間の半導体層（ここでは、高抵抗ベース層１６）が薄い場合に特に有意である。さらに、光検出器１Ｃでは、半導体層２において第１の半導体層７と第２の半導体層８とが互いに離間している。これにより、半導体層２においてＰＩＮ構造が形成されるため、ＰＩＮ構造のＩに相当する高抵抗ベース層１６を介して空乏層の拡がりを助長することが可能となる。
［第４実施形態］

図６は、第４実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。図６（ａ）は断面図であり、図６（ｂ）は平面図である。同図に示すように、第４実施形態に係る光検出器１Ｄは、保持部４の構成が主として第１実施形態と更に相違している。

より具体的には、光検出器１Ｄでは、保持部４がガラス基板９ではなく、ＳＯＩ基板１２の半導体層１３及び絶縁層１４（図２（ａ）参照）を用いて構成されている。半導体層２の一方面２ａには、少なくとも第１の半導体層７、第１の金属電極層５、第２の半導体層８、及び第２の金属電極層６と対向するように金属層３が設けられている。また、半導体層２の一方面２ａには、金属層３を囲むように絶縁層１４が設けられており、絶縁層１４上に半導体層１３が設けられている。この半導体層１３の厚さは、ガラス基板９の場合と同様に、半導体層２等と比較して十分に大きく、例えば０．２ｍｍ程度となっている。

このような光検出器１Ｄを製造する場合、ＳＯＩ基板１２を用い、例えばイオン注入による第１の半導体層７及び第２の半導体層８の形成、蒸着による第１の金属電極層５及び第２の金属電極層６のパターン形成の後、半導体層２の一方面２ａが露出するように半導体層１３及び絶縁層１４の中央部分を薄化する。その後、半導体層２の一方面２ａに金属層３を蒸着することにより、光検出器１Ｄを得る。

このような光検出器１Ｄにおいても、第１実施形態と同様の作用効果が奏され、製造歩留まりの向上が図られる。また、ガラス基板９に代えてＳＯＩ基板１２の一部をそのまま保持部４として用いることにより、光検出器１Ｄを容易に製造することができる。なお、図６に例示した半導体層２では、第３実施形態と同様に、高抵抗のＳｉからなる高抵抗ベース層１６の一部をｐ型のＳｉ及びｎ型のＳｉとすることで第１の半導体層７及び第２の半導体層８が形成されているが、半導体層２の構成は、第１実施形態と同様にｎ型のＳｉの一部をｐ型のＳｉとしたものであってもよく、第２実施形態と同様に、ｐ型のＳｉの一部をｎ型のＳｉとしたものであってもよい。
［第５実施形態］

図７は、第５実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。図７（ａ）は断面図であり、図７（ｂ）は平面図である。同図に示すように、第５実施形態に係る光検出器１Ｅは、第１のＭＩＭ共振器１１Ａ及び第２のＭＩＭ共振器１１Ｂの形状が第１実施形態と更に相違している。

光検出器１Ｅでは、半導体層の厚さ方向から見て、第１のＭＩＭ共振器１１Ａ及び第２のＭＩＭ共振器１１Ｂがそれぞれ櫛歯状に設けられている。より具体的には、図７（ｂ）に示すように、第１のＭＩＭ共振器１１Ａにおいて、第１の半導体層７の長方形部分７ａ及び延出部分７ｂの対、及び第１の金属電極層５の長方形部分５ａ及び延出部分５ｂの対が連続して設けられている。また、第２のＭＩＭ共振器１１Ｂにおいて、第２の半導体層８の長方形部分８ａ及び延出部分８ｂの対、及び第２の金属電極層６の長方形部分６ａ及び延出部分６ｂの対が連続して設けられている。第１のＭＩＭ共振器１１Ａにおける長方形部分５ａ，７ａと第２のＭＩＭ共振器１１Ｂにおける長方形部分６ａ，８ａとは、交互に配置されている。

このような光検出器１Ｅにおいても、第１実施形態と同様の作用効果が奏され、製造歩留まりの向上が図られる。また、光電変換領域を増加させることができるので、受光感度を向上できる。なお、図７に例示した半導体層２では、第３実施形態と同様に、高抵抗のＳｉからなる高抵抗ベース層１６の一部をｐ型のＳｉ及びｎ型のＳｉとすることで第１の半導体層７及び第２の半導体層８が形成されているが、半導体層２の構成は、第１実施形態と同様にｎ型のＳｉの一部をｐ型のＳｉとしたものであってもよく、第２実施形態と同様にｐ型のＳｉの一部をｎ型のＳｉとしたものであってもよい。
［第６実施形態］

図８は、第６実施形態に係る光検出器の構成を示す概略図である。図８（ａ）は断面図であり、図８（ｂ）は平面図である。同図に示すように、第６実施形態に係る光検出器１Ｆは、第１のＭＩＭ共振器１１Ａ及び第２のＭＩＭ共振器１１Ｂの形状が第１実施形態と更に相違している。

光検出器１Ｆでは、半導体層の厚さ方向から見て、第１のＭＩＭ共振器１１Ａ及び第２のＭＩＭ共振器１１Ｂがそれぞれ渦巻状に設けられている。より具体的には、図８（ｂ）に示すように、第１のＭＩＭ共振器１１Ａにおいて、第１の半導体層７の長方形部分７ａ及び第１の金属電極層５の長方形部分５ａが半導体層２の一側に配置され、第１の半導体層７の延出部分７ｂ及び第１の金属電極層５の延出部分５ｂが半導体層２の中央部分で時計回りに渦巻状をなしている。また、第２のＭＩＭ共振器１１Ｂにおいて、第２の半導体層８の長方形部分８ａ及び第２の金属電極層６の長方形部分６ａが半導体層２の他側に配置され、第２の半導体層８の延出部分８ｂ及び第２の金属電極層６の延出部分６ｂが、第１の半導体層７の延出部分７ｂ及び第１の金属電極層５の延出部分５ｂと交互に並ぶように、半導体層２の中央部分で時計回りに渦巻状をなしている。この構成では、第１のＭＩＭ共振器１１Ａの共振器長Ｌは、渦巻状をなす第１の金属電極層５の延出部分５ｂの幅と一致し、第２のＭＩＭ共振器１１Ｂの共振器長Ｌは、渦巻状をなす第２の金属電極層６の延出部分６ｂの幅と一致する。

このような光検出器１Ｆにおいても、第１実施形態と同様の作用効果が奏され、製造歩留まりの向上が図られる。また、光電変換領域を増加させることができるので、受光感度を向上できる。さらに、この構成では、共振器の向きが限定されないので、無偏光の入射光Ｉの検出が可能となる。なお、図８に例示した半導体層２では、第３実施形態と同様に、高抵抗のＳｉからなる高抵抗ベース層１６の一部をｐ型のＳｉ及びｎ型のＳｉとすることで第１の半導体層７及び第２の半導体層８が形成されているが、半導体層２の構成は、第１実施形態と同様にｎ型のＳｉの一部をｐ型のＳｉとしたものであってもよく、第２実施形態と同様にｐ型のＳｉの一部をｎ型のＳｉとしたものであってもよい。
［変形例］

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記各実施形態において、金属層３と半導体層２の一方面２ａとの間に絶縁層を形成してもよい。このような絶縁層を設けることで、第１の金属電極層５と第２の金属電極層６とが金属層３を介して短絡することを防止できる。絶縁層は、例えばＳｉＯ_２などによって形成され得る。

また、例えば第３実施形態では、半導体層２において第１の半導体層７と第２の半導体層８とが互いに離間しているが、例えば図９に示すように、半導体層２において第１の半導体層７と第２の半導体層８とが互いに接していてもよい。この場合、第１の半導体層７に対応する第１の金属電極層５と、第２の半導体層８に対応する第２の金属電極層６とを半導体層２の他方面２ｂ上で密に配置することができる。したがって、光検出器の小型化及びアレイ化の点で有意となる。半導体層２において第１の半導体層７と第２の半導体層８とが互いに接する構成は、第４実施形態〜第６実施形態に適用してもよい。

１Ａ〜１Ｆ…光検出器、２…半導体層、２ａ…一方面、２ｂ…他方面、３…金属層、４…保持部、５…第１の金属電極層、６…第２の金属電極層、７…第１の半導体層、８…第２の半導体層、１１Ａ…第１のＭＩＭ共振器、１１Ｂ…第２のＭＩＭ共振器、１２…ＳＯＩ基板、１６…高抵抗ベース層、Ａ…ｐｎ接合又はｐｉｎ接合の方向、Ｂ…ＭＩＭ共振器の接合方向、Ｉ…入射光。

Claims

半導体層と、
前記半導体層の一方面に設けられた金属層と、
前記半導体層の他方面に互いに離間して設けられた第１の金属電極層及び第２の金属電極層と、を備え、
前記半導体層は、ｐ型及びｎ型の一方の導電型を有して前記第１の金属電極層に接する第１の半導体層と、ｐ型及びｎ型の他方の導電型を有して前記第２の金属電極層に接する第２の半導体層と、を含み、
前記金属層と前記半導体層と前記第１の金属電極層とによって構成される第１のＭＩＭ共振器の接合方向、及び前記金属層と前記半導体層と前記第２の金属電極層とによって構成される第２のＭＩＭ共振器の接合方向は、前記半導体層におけるｐｎ接合又はｐｉｎ接合の方向と交差し、
前記第１の金属電極層と前記半導体層との密着幅によって規定される前記第１のＭＩＭ共振器の共振器長、及び前記第２の金属電極層と前記半導体層との密着幅によって規定される前記第２のＭＩＭ共振器の共振器長は、前記半導体層の吸収端波長よりも長い波長を有する入射光によって表面プラズモンが励起され、且つ前記表面プラズモンの共振により形成される電場によってフォノンが励起される長さとなっている光検出器。
前記第１の半導体層は、前記第１の金属電極層に接する部分において、前記半導体層の厚さ方向の一部のみに設けられ、
前記半導体層の残余の部分は、前記第２の半導体層となっている請求項１記載の光検出器。
前記第１の半導体層のキャリア濃度は、前記第２の半導体層のキャリア濃度よりも小さくなっている請求項２記載の光検出器。
前記半導体層の厚さ方向から見て、前記第１の金属電極層の形成領域が前記第１の半導体層の形成領域よりも内側に位置している請求項２又は３記載の光検出器。
前記第１の半導体層は、前記第１の金属電極層に接する部分において、前記半導体層の厚さ方向の一部のみに設けられ、
前記第２の半導体層は、前記第２の金属電極層に接する部分において、前記半導体層の厚さ方向の一部のみに設けられ、
前記半導体層の残余の部分は、高抵抗ベース層となっている請求項１記載の光検出器。
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とが互いに離間している請求項５記載の光検出器。
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とが互いに接している請求項６記載の光検出器。
前記半導体層の厚さ方向から見て、前記第１の金属電極層の形成領域が前記第１の半導体層の形成領域よりも内側に位置し、前記第２の金属電極層の形成領域が前記第２の半導体層の形成領域よりも内側に位置している請求項５〜７のいずれか一項記載の光検出器。
前記金属層側に保持部が設けられている請求項１〜８のいずれか一項記載の光検出器。
前記金属層側に保持部が設けられ、
前記保持部と前記高抵抗ベース層とがＳＯＩ基板によって構成されている請求項５〜８のいずれか一項記載の光検出器。
前記半導体層の厚さ方向から見て、前記第１のＭＩＭ共振器及び前記第２のＭＩＭ共振器がそれぞれ櫛歯状に設けられている請求項１〜１０のいずれか一項記載の光検出器。
前記半導体層の厚さ方向から見て、前記第１のＭＩＭ共振器及び前記第２のＭＩＭ共振器が渦巻状に設けられている請求項１〜１０のいずれか一項記載の光検出器。