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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6944315
(24)【登録日】2021年9月14日
(45)【発行日】2021年10月6日
(54)【発明の名称】光検出素子
(51)【国際特許分類】
H01L 31/108 20060101AFI20210927BHJP
【ＦＩ】
H01L31/10 C
【請求項の数】16
【全頁数】24
(21)【出願番号】特願2017-170180(P2017-170180)
(22)【出願日】2017年9月5日
(65)【公開番号】特開2019-47016(P2019-47016A)
(43)【公開日】2019年3月22日
【審査請求日】2020年4月28日
(73)【特許権者】
【識別番号】000236436
【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100140442
【弁理士】
【氏名又は名称】柴山 健一
(74)【代理人】
【識別番号】100148013
【弁理士】
【氏名又は名称】中山 浩光
(72)【発明者】
【氏名】董 偉
(72)【発明者】
【氏名】藤原 弘康
(72)【発明者】
【氏名】中嶋 和利
【審査官】
吉岡 一也
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００７−２７３８３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２００７／１０５５９３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２００２−０３３５０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００８−０５３６１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２０１５／０２２８８３７（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｌ ３１／０２−３１／０３９２，３１／０８−３１／１１９
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
周期的な凸部及び凹部によって構成され、光を表面プラズモンに変換する周期的凹凸構造を一面側に有する半導体層と、
前記周期的凹凸構造に対応して前記半導体層の一面側に設けられた金属膜と、を備え、
前記周期的凹凸構造において、前記凸部の基端側には、前記金属膜とショットキー接合するショットキー接合部が設けられ、前記凸部の先端側には、前記金属膜とショットキー接合しない非ショットキー接合部が設けられ、
前記凸部の頂面には、前記非ショットキー接合部への電流の流入を抑制する絶縁膜が設けられ、
前記金属膜は、前記凹部の底面及び内壁面を覆う第１の部分と、前記第１の部分に連続して前記絶縁膜を覆う第２の部分とを有し、
前記第１の部分によって前記ショットキー接合部が構成され、前記第２の部分によって前記非ショットキー接合部が構成されている光検出素子。
前記周期的凹凸構造に対応して前記半導体層の一面側に設けられた金属膜と、を備え、
前記周期的凹凸構造において、前記凸部の基端側には、前記金属膜とショットキー接合するショットキー接合部が設けられ、前記凸部の先端側には、前記金属膜とショットキー接合しない非ショットキー接合部が設けられ、
前記凸部の頂面には、前記非ショットキー接合部への電流の流入を抑制する絶縁膜が設けられ、
前記金属膜は、前記凹部の底面及び内壁面を覆う第１の部分と、前記第１の部分に連続して前記絶縁膜を覆う第２の部分とを有し、
前記第１の部分によって前記ショットキー接合部が構成され、前記第２の部分によって前記非ショットキー接合部が構成されている光検出素子。
【請求項2】
前記絶縁膜の厚さは、前記凸部の高さ以下となっている請求項１記載の光検出素子。
【請求項3】
周期的な凸部及び凹部によって構成され、光を表面プラズモンに変換する周期的凹凸構造を一面側に有する半導体層と、
前記周期的凹凸構造に対応して前記半導体層の一面側に設けられた金属膜と、を備え、
前記周期的凹凸構造において、前記凸部の基端側には、前記金属膜とショットキー接合するショットキー接合部が設けられ、前記凸部の先端側には、前記金属膜とショットキー接合しない非ショットキー接合部が設けられ、
前記凸部は、絶縁膜によって構成され、
前記金属膜は、前記凹部の底面を覆う第１の部分と、前記凸部を覆う第２の部分とを有し、
前記第１の部分によって前記ショットキー接合部が構成され、前記第２の部分によって前記非ショットキー接合部が構成されている光検出素子。
前記周期的凹凸構造に対応して前記半導体層の一面側に設けられた金属膜と、を備え、
前記周期的凹凸構造において、前記凸部の基端側には、前記金属膜とショットキー接合するショットキー接合部が設けられ、前記凸部の先端側には、前記金属膜とショットキー接合しない非ショットキー接合部が設けられ、
前記凸部は、絶縁膜によって構成され、
前記金属膜は、前記凹部の底面を覆う第１の部分と、前記凸部を覆う第２の部分とを有し、
前記第１の部分によって前記ショットキー接合部が構成され、前記第２の部分によって前記非ショットキー接合部が構成されている光検出素子。
【請求項4】
前記絶縁膜の屈折率は、前記半導体層の屈折率よりも小さくなっている請求項１〜３のいずれか一項記載の光検出素子。
【請求項5】
周期的な凸部及び凹部によって構成され、光を表面プラズモンに変換する周期的凹凸構造を一面側に有する半導体層と、
前記周期的凹凸構造に対応して前記半導体層の一面側に設けられた金属膜と、を備え、
前記周期的凹凸構造において、前記凸部の基端側には、前記金属膜とショットキー接合するショットキー接合部が設けられ、前記凸部の先端側には、前記金属膜とショットキー接合しない非ショットキー接合部が設けられ、
前記金属膜は、前記凹部の底面及び内壁面を覆う第１の部分と、隣り合う凹部における前記第１の部分の一部同士を結ぶように前記凸部の頂面側に設けられた第２の部分とを有し、
前記第１の部分によって前記ショットキー接合部が構成され、前記第２の部分の非形成領域によって前記非ショットキー接合部が構成されている光検出素子。
前記周期的凹凸構造に対応して前記半導体層の一面側に設けられた金属膜と、を備え、
前記周期的凹凸構造において、前記凸部の基端側には、前記金属膜とショットキー接合するショットキー接合部が設けられ、前記凸部の先端側には、前記金属膜とショットキー接合しない非ショットキー接合部が設けられ、
前記金属膜は、前記凹部の底面及び内壁面を覆う第１の部分と、隣り合う凹部における前記第１の部分の一部同士を結ぶように前記凸部の頂面側に設けられた第２の部分とを有し、
前記第１の部分によって前記ショットキー接合部が構成され、前記第２の部分の非形成領域によって前記非ショットキー接合部が構成されている光検出素子。
【請求項6】
周期的な凸部及び凹部によって構成され、光を表面プラズモンに変換する周期的凹凸構造を一面側に有する半導体層と、
前記周期的凹凸構造に対応して前記半導体層の一面側に設けられた金属膜と、を備え、
前記周期的凹凸構造において、前記凸部の基端側には、前記金属膜とショットキー接合するショットキー接合部が設けられ、前記凸部の先端側には、前記金属膜とショットキー接合しない非ショットキー接合部が設けられ、
前記金属膜は、前記凹部の底面及び内壁面を覆う第１の部分と、隣り合う凹部における前記第１の部分の一部同士を結ぶように前記凸部の頂面側に設けられた第２の部分とを有し、
前記第１の部分によって前記ショットキー接合部が構成され、前記第２の部分の非形成領域によって前記非ショットキー接合部が構成され、
前記第１の部分は、前記凸部の頂面よりも突出する突出部分を有し、
前記第２の部分は、前記突出部分同士を結ぶように前記凸部の頂面から離間して設けられている光検出素子。
前記周期的凹凸構造に対応して前記半導体層の一面側に設けられた金属膜と、を備え、
前記周期的凹凸構造において、前記凸部の基端側には、前記金属膜とショットキー接合するショットキー接合部が設けられ、前記凸部の先端側には、前記金属膜とショットキー接合しない非ショットキー接合部が設けられ、
前記金属膜は、前記凹部の底面及び内壁面を覆う第１の部分と、隣り合う凹部における前記第１の部分の一部同士を結ぶように前記凸部の頂面側に設けられた第２の部分とを有し、
前記第１の部分によって前記ショットキー接合部が構成され、前記第２の部分の非形成領域によって前記非ショットキー接合部が構成され、
前記第１の部分は、前記凸部の頂面よりも突出する突出部分を有し、
前記第２の部分は、前記突出部分同士を結ぶように前記凸部の頂面から離間して設けられている光検出素子。
【請求項7】
周期的な凸部及び凹部によって構成され、光を表面プラズモンに変換する周期的凹凸構造を一面側に有する半導体層と、
前記周期的凹凸構造に対応して前記半導体層の一面側に設けられた金属膜と、を備え、
前記周期的凹凸構造において、前記凸部の基端側には、前記金属膜とショットキー接合するショットキー接合部が設けられ、前記凸部の先端側には、前記金属膜とショットキー接合しない非ショットキー接合部が設けられ、
前記凸部の頂面には、前記半導体層とオーミック接合するオーミック電極が設けられ、
前記金属膜は、前記凹部の底面及び内壁面を覆うように設けられ、
前記金属膜によって前記ショットキー接合部が構成され、前記オーミック電極によって前記非ショットキー接合部が構成されている光検出素子。
前記周期的凹凸構造に対応して前記半導体層の一面側に設けられた金属膜と、を備え、
前記周期的凹凸構造において、前記凸部の基端側には、前記金属膜とショットキー接合するショットキー接合部が設けられ、前記凸部の先端側には、前記金属膜とショットキー接合しない非ショットキー接合部が設けられ、
前記凸部の頂面には、前記半導体層とオーミック接合するオーミック電極が設けられ、
前記金属膜は、前記凹部の底面及び内壁面を覆うように設けられ、
前記金属膜によって前記ショットキー接合部が構成され、前記オーミック電極によって前記非ショットキー接合部が構成されている光検出素子。
【請求項8】
前記金属膜の厚さは、２０ｎｍ以上となっている請求項１〜７のいずれか一項記載の光検出素子。
【請求項9】
前記半導体層は、シリコンによって構成されている請求項１〜８のいずれか一項記載の光検出素子。
【請求項10】
前記金属膜は、アルミニウムを含んで構成されている請求項１〜９のいずれか一項記載の光検出素子。
【請求項11】
前記金属膜は、前記半導体層に接する第１の膜と、当該第１の膜よりも屈折率が小さい第２の膜とを含む複数層の膜によって構成されている請求項１〜１０のいずれか一項記載の光検出素子。
【請求項12】
前記周期的凹凸構造における前記凹部は、平面視でマトリクス状の配置パターンを有している請求項１〜１１のいずれか一項記載の光検出素子。
【請求項13】
前記凹部の横断面形状は、円形状又は矩形状となっている請求項１２記載の光検出素子。
【請求項14】
前記周期的凹凸構造における前記凹部は、平面視でストライプ状の配置パターンを有している請求項１〜１１のいずれか一項記載の光検出素子。
【請求項15】
前記周期的凹凸構造における前記凹部は、平面視で同心円状の配置パターンを有している請求項１〜１１のいずれか一項記載の光検出素子。
【請求項16】
前記周期的凹凸構造における前記凹部は、平面視で同心多角形状の配置パターンを有している請求項１〜１１のいずれか一項記載の光検出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光検出素子に関する。
【背景技術】
【0002】
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、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、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程度であった。
【0003】
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１〜４に記載の光検出素子がある。これらの従来の光検出素子は、半導体層の表面に当該半導体層とショットキー接合する金属膜を設け、半導体層の裏面を光の入射面とする裏面入射型の光検出素子として構成されている。半導体層の表面には、周期的な凹凸構造が設けられており、入射光に対する金属膜の表面積を拡大することで感度の向上が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第４７８９７５２号公報
【特許文献2】特開２０００−１６４９１８号公報
【特許文献3】特開２０１１−７７２７４号公報
【特許文献4】特許第２６５９１８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上述したショットキー接合型の光検出素子の感度（光電流量）は、ホットキャリアの生成数、ホットキャリアがショットキー障壁に到達する確率、及びホットキャリアがショットキー障壁を超える確率の積で表される。ホットキャリアの生成数は、金属膜での光吸収量に依存するため、光検出素子の感度向上には、光吸収量を向上させることが有効となる。
【0006】
一方、周期的な凹凸構造を覆うように金属膜を設ける場合、凹部の底面、凹部の内壁面、及び凸部の頂面に半導体層と金属膜との接合面が形成される。このため、実効的な受光面積である凸部の頂面及び凹部の底面の面積に比べて半導体層と金属膜とのショットキー接合面積が大きなものとなり、暗電流が増加してしまうことが考えられる。したがって、暗電流を抑制しつつ、近赤外光を十分な感度で検出できる光検出素子を実現する技術が望まれる。
【0007】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、暗電流を抑制しつつ、近赤外光を十分な感度で検出できる光検出素子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】
【0008】
出願人は、光検出素子の研究を重ねる過程で、周期的な凹凸構造を覆う金属膜の位置による入射光の光吸収量に着目をした。そして、周期的凹凸構造を有する光検出素子を試作し、位置毎の光吸収量を算出したところ、金属膜における光吸収量には位置毎のばらつきがあり、周期的な凹凸構造の凸部の先端側に対応する領域に比べて凸部の基端側に対応する領域で多くの光吸収が生じていることが分かった。この結果から、光吸収の寄与が高い領域に応じて半導体層と金属膜との接合面を局所的に形成することで、暗電流を抑制しつつ、近赤外光を十分な感度で検出できる光検出素子を実現できるとの知見が得られた。
【0009】
本発明の一側面に係る光検出素子は、周期的な凸部及び凹部によって構成され、光を表面プラズモンに変換する周期的凹凸構造を一面側に有する半導体層と、周期的凹凸構造に対応して半導体層の一面側に設けられた金属膜と、を備え、周期的凹凸構造において、凸部の基端側には、金属膜とショットキー接合するショットキー接合部が設けられ、凸部の先端側には、金属膜とショットキー接合しない非ショットキー接合部が設けられている。
【0010】
この光検出素子では、周期的凹凸構造を構成する凸部の基端側に局所的にショットキー接合部が設けられ、凸部の先端側には非ショットキー接合部が設けられている。ここで、周期的凹凸構造の凸部の先端側に対応する領域に比べて凸部の基端側に対応する領域で多くの光吸収が生じていることが上記知見より得られている。したがって、光吸収の寄与が高い領域にショットキー接合部を設ける一方、光吸収の寄与が低い領域に非ショットキー接合部を設けて半導体層と金属膜とのショットキー接合面積を削減することにより、暗電流を抑制しつつ、近赤外光を十分な感度で検出できる光検出素子が得られる。
【0011】
また、凸部の頂面には、絶縁膜が設けられ、金属膜は、凹部の底面及び内壁面を覆う第１の部分と、絶縁膜を覆う第２の部分とを有し、第１の部分によってショットキー接合部が構成され、第２の部分によって非ショットキー接合部が構成されていてもよい。この場合、凸部の頂面に絶縁膜による非ショットキー接合部が位置するため、金属膜の面積を拡大したとしても半導体層と金属膜とのショットキー接合面積の増加を回避でき、金属膜の設計自由度を十分に確保できる。また、凸部の頂面に金属膜の第２の部分が位置するため、第２の部分での光の反射によって金属膜の第１の部分での光吸収効率を向上できる。さらに、周期的凹凸構造の作製の際にマスクとして用いる絶縁膜をそのまま利用できるので、製造工程の簡単化が図られる。
【0012】
また、絶縁膜の厚さは、凸部の高さ以下となっていてもよい。この場合、凸部の基端側付近の金属膜内で生成したホットキャリアが、凹部の底面におけるショットキー接合部だけではなく、凹部の内壁面のうち、半導体層領域におけるショットキー接合部にも到達することができる。したがって、光検出素子の感度の更なる向上が図られる。
【0013】
凸部は、絶縁膜によって構成され、金属膜は、凹部の底面を覆う第１の部分と、凸部を覆う第２の部分とを有し、第１の部分によってショットキー接合部が構成され、第２の部分によって非ショットキー接合部が構成されていてもよい。この場合、光吸収の寄与が高い凹部の底面領域がショットキー接合部となり、光検出素子の感度を十分に確保できる。また、凸部全体が非ショットキー接合部となるので、金属膜の面積を拡大したとしても半導体層と金属膜とのショットキー接合面積の増加を回避でき、金属膜の設計自由度を十分に確保できる。また、金属膜と接する半導体層の面と絶縁膜と接する半導体層の面がほぼ平坦となるため、格子欠陥を少なくすることが可能となり、暗電流を一層低減できる。
【0014】
また、絶縁膜の屈折率は、半導体層の屈折率よりも小さくなっていてもよい。この場合、金属膜の第１の部分に光を閉じ込め易くなり、光吸収効率を一層向上できる。
【0015】
また、金属膜は、凹部の底面及び内壁面を覆う第１の部分と、隣り合う凹部における第１の部分の一部同士を結ぶように凸部の頂面側に設けられた第２の部分とを有し、第１の部分によってショットキー接合部が構成され、第２の部分の非形成領域によって非ショットキー接合部が構成されていてもよい。この場合、簡単な構成でショットキー接合部及び非ショットキー接合部を実現できる。
【0016】
第１の部分は、凸部の頂面よりも突出する突出部分を有し、第２の部分は、突出部分同士を結ぶように凸部の頂面から離間して設けられていてもよい。この場合、金属膜の第２の部分の面積を拡大したとしても半導体層と金属膜とのショットキー接合面積の増加を回避できる。したがって、金属膜の面積を十分に確保できるので、光検出素子の電気抵抗の低減化が図られる。
【0017】
また、凸部の頂面には、半導体層とオーミック接合するオーミック電極が設けられ、金属膜は、凹部の底面及び内壁面を覆うように設けられ、金属膜によってショットキー接合部が構成され、オーミック電極によって非ショットキー接合部が構成されていてもよい。この場合、凸部の頂面に設けられたオーミック電極での光の反射によって金属膜での光吸収効率を向上できる。また、オーミック電極が凸部の頂面に位置することで、素子面積を低減できる。したがって、光検出素子の小型化、高集積化が可能となる。
【0018】
また、金属膜の厚さは、２０ｎｍ以上となっていてもよい。金属膜の厚さが２０ｎｍ以上である場合、金属膜における光の有効吸収量が最大化され、光検出素子の感度を向上できる。
【0019】
また、半導体層は、シリコンによって構成されていてもよい。これにより、光検出素子を安価に製造できる。
【0020】
また、金属膜は、アルミニウムを含んで構成されていてもよい。この場合、金属膜の製造プロセスが容易なものとなる。
【0021】
また、金属膜は、半導体層に接する第１の膜と、当該第１の膜よりも屈折率が小さい第２の膜とを含む複数層の膜によって構成されていてもよい。この場合、金属膜において半導体層との界面付近に光を閉じ込めることが可能となり、光吸収量を一層向上できる。
【0022】
また、周期的凹凸構造における凹部は、平面視でマトリクス状の配置パターンを有していてもよい。マトリクス状の配置パターンを採用する場合、いずれの偏光方向の光も等しく表面プラズモンに変換される。したがって、偏光方向に依存しない光検出が可能となる。
【0023】
また、凹部の横断面形状は、円形状又は矩形状となっていてもよい。凹部の横断面形状として円形状を採用する場合、周期的凹凸構造の周期性を光が感ずる面積が狭くなるため、広い波長範囲において表面プラズモンに変換される。したがって、広い波長範囲について光検出が可能となる。凹部の横断面形状として矩形状を採用する場合、周期的凹凸構造の周期性を光が感ずる面積が広くなるために、特定の波長において強い表面プラズモンに変換される。したがって、特定の波長について高感度の光検出が可能となる。
【0024】
また、周期的凹凸構造における凹部は、平面視でストライプ状の配置パターンを有していてもよい。ストライプ状の配置パターンを採用する場合、ストライプ状の配置パターンに対して電場ベクトルが直交する光のみが周期的凹凸構造において強い表面プラズモンに変換される。したがって、一つの偏光方向について高感度な光検出が可能となる。
【0025】
また、周期的凹凸構造における凹部は、平面視で同心円状の配置パターンを有していてもよい。同心円状の配置パターンを採用する場合、いずれの偏光方向の光も等しく表面プラズモンに変換される。したがって、偏光方向に依存しない光検出が可能となる。
【0026】
また、周期的凹凸構造における凹部は、平面視で同心多角形状の配置パターンを有していてもよい。同心多角形状の配置パターンを採用する場合、同心多角形状の配置パターンの各辺に対して電場ベクトルが直交する光のみが周期的凹凸構造において強い表面プラズモンに変換される。したがって、二つの偏光方向について高感度な光検出が可能となる。
【発明の効果】
【0027】
本発明によれば、暗電流を抑制しつつ、近赤外光を十分な感度で検出できる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】光検出素子の一実施形態を示す断面図である。
【図3】周期的凹凸構造における凹部の配置パターンを示す平面図である。
【図4】半導体層の界面からの距離と感度及び有効吸収量の比との関係を示す図である。
【図5】（ａ）は、一次評価用の光検出素子の要部を示す概略図であり、（ｂ）は、その光吸収量の分布を示す図である。
【図6】（ａ）は、二次評価用の光検出素子の要部を示す概略図であり、（ｂ）は、その光吸収量の分布を示す図である。
【図7】一次評価用の光検出素子と二次評価用の光検出素子との評価結果を示す図である。
【図8】周期的凹凸構造の変形例を示す要部拡大断面図である。
【図9】周期的凹凸構造の別の変形例を示す平面図である。
【図11】周期的凹凸構造の別の変形例を示す平面図である。
【図21】周期的凹凸構造の更に別の変形例を示す要部拡大断面図である。
【図24】周期的凹凸構造の更に別の変形例を示す要部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る光検出素子の好適な実施形態について詳細に説明する。
【0030】
図１は、光検出素子の一実施形態を示す断面図である。この光検出素子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として構成されている。光検出素子１は、同図に示すように、光検出素子１は、半導体層２と、絶縁膜３と、オーミック電極４と、ショットキー電極５とを備えている。
【0031】
半導体層２は、例えばシリコン（Ｓｉ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）などによって形成される半導体層である。本実施形態では、より安価な製造プロセスの実現のため、ｎ型若しくはｐ型のシリコンによる半導体層２を例示する。光検出素子１は、裏面入射型の光検出素子であり、半導体層２の裏面２ｂが光検出素子１で検出する光Ｌの入射面Ｆとなっている。
【0032】
絶縁膜３は、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）によって半導体層２の表面２ａに形成されている。絶縁膜３の厚さは、例えば１００ｎｍ程度となっている。絶縁膜３には、オーミック電極４と半導体層２とのオーミック接合を実現するための開口部３ａと、ショットキー電極５と半導体層２とのショットキー接合を実現するための開口部３ｂとが設けられている。絶縁膜３は、例えば化学気相成長法などを用いて形成される。開口部３ａ，３ｂの形成には、例えばフォトリソグラフィが用いられる。
【0033】
オーミック電極４は、例えば金（Ａｕ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウム（Ｉｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）等を含む材料によって形成されている。オーミック電極４は、半導体層２の表面２ａにおいて絶縁膜３の開口部３ａを覆うように設けられ、開口部３ａの底面において半導体層２とオーミック接合している。ショットキー電極５は、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、プラチナ（Ｐｔ）等を含む材料によって形成されている。ショットキー電極５は、半導体層２の表面において絶縁膜３の開口部３ｂを覆うように設けられ、開口部３ｂの底面において半導体層２とショットキー接合している。オーミック電極４及びショットキー電極５は、例えば真空蒸着法などを用いて形成される。半導体層２の導電型がｎ型の場合、光検出素子１の動作時には、ショットキー電極５側の電位がオーミック電極４側の電位に比べて低くなるようにバイアス電圧が印加される。半導体層２の導電型がｐ型の場合、光検出素子１の動作時には、ショットキー電極５側の電位がオーミック電極４側の電位に比べて高くなるようにバイアス電圧が印加される。いずれの場合もバイアス電圧をゼロとする場合もある。
【0034】
また、半導体層２の表面２ａにおいて、絶縁膜３の開口部３ｂに対応する位置には、入射面Ｆから入射した光Ｌを表面プラズモンに変換する周期的凹凸構造１１が設けられている。図２は、周期的凹凸構造の近傍（図１における破線部分）の構成を示す要部拡大断面図である。また、図３は、周期的凹凸構造における凹部の配置パターンを示す平面図である。図２及び図３に示すように、周期的凹凸構造１１は、例えば入射面Ｆから入射する光Ｌのスポットサイズと同等以上の領域にナノオーダーで形成された凹部１２及び凸部１３を有している。凹部１２及び凸部１３による凹凸パターンは、例えば電子ビーム露光法、ナノインプリントによるリソグラフィと反応性イオンエッチング若しくはリフトオフとを組み合わせた方法、集束イオンビームを用いた直接加工法などによって形成される。
【0035】
本実施形態では、周期的凹凸構造１１を構成する凹部１２は、図３に示すように、平面視でマトリクス状の配置パターンを有している。同図の例では、凹部１２の行方向の配列ピッチと列方向の配列ピッチとが一致した状態となっている。また、凹部１２は、円柱状をなしており、凹部１２の横断面形状は円形状、凹部１２の縦断面形状は長方形状（図２参照）となっている。このような配置パターンにより、図２に示すように、周期的凹凸構造１１は、入射面Ｆから入射した光Ｌに対する縦共振器Ｃ１及び横共振器Ｃ２を構成している。縦共振器Ｃ１は、凹凸の高さ方向に形成される共振器であり、凸部１３の底面と凸部１３の頂面とによって構成されている。また、横共振器Ｃ２は、凹凸の配列方向に形成される共振器であり、凹部１２の内壁面と隣り合う凹部１２の内壁面との同じ位置同士によって構成されている。
【0036】
周期的凹凸構造１１における凸部１３の高さ（凹部１２の深さ）Ｔ、凸部１３の配列ピッチＰ、及び凹部の幅Ｄは、例えば縦共振器Ｃ１の共振波長と横共振器Ｃ２の共振波長とが揃うように設定されている。より具体的には、周期的凹凸構造１１で発生する表面プラズモンの波長をλｐとした場合に、凸部１３の高さＴは３／８λｐ＜Ｔ＜５／８λｐを満たし、凸部１３の配列ピッチＰは９／１０λｐ＜Ｐ＜１１／１０λｐを満たしている。また、凹部１２の幅（ここでは凹部１２の直径）Ｄは、５０ｎｍ＜Ｄ＜λｐ−５０ｎｍを満たしている。ただし、これらの範囲は一例であり、凸部１３の高さＴ、凸部１３の配列ピッチＰ、及び凹部の幅Ｄは、上記範囲外であってもよい。
【0037】
また、周期的凹凸構造１１における凸部１３の頂面には、絶縁膜１５が設けられている。絶縁膜１５は、例えばフォトリソグラフィを用いて凸部１３の頂面のみにパターニングされている。絶縁膜１５の厚さは、例えば１０ｎｍ〜１５０ｎｍであり、かつ凸部１３の高さＴ以下となっている。絶縁膜１５の厚さは、絶縁膜３の厚さと等しくなっていてもよい。光Ｌに対する絶縁膜１５の屈折率は、光Ｌに対する半導体層２の屈折率よりも小さくなっていることが好ましい。本実施形態では、絶縁膜１５は、絶縁膜３と同様に、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）によって形成され、周期的凹凸構造１１の作製の際にマスクとして用いる絶縁膜が絶縁膜１５としてそのまま利用されている。絶縁膜１５の他の構成材料としては、例えばフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などが挙げられる。
【0038】
ショットキー電極５を構成する金属膜１４は、図２に示すように、周期的凹凸構造１１及び絶縁膜１５を覆うように形成されている。すなわち、金属膜１４は、周期的凹凸構造１１における凸部１３の頂面、凹部１２の底面、凹部１２の内壁面を覆う第１の部分１４Ａと、凸部１３の頂面に設けられた絶縁膜１５を覆う第２の部分１４Ｂとを有している。このような金属膜１４の構成により、周期的凹凸構造１１において、凸部１３の基端側には、金属膜１４とショットキー接合するショットキー接合部Ｓ１が形成されている。
【0039】
また、凸部１３の先端側には、金属膜１４とショットキー接合しない非ショットキー接合部Ｓ２が形成されている。本実施形態では、凸部１３の基端側において、凹部１２の底面及び凹部１２の内壁面が金属膜１４の第１の部分１４Ａとの間でショットキー接合部Ｓ１を構成しており、凸部１３の先端側において、凸部１３の頂面に設けられた絶縁膜１５が金属膜１４の第２の部分１４Ｂとの間で非ショットキー接合部Ｓ２を構成している。
【0040】
金属膜１４は、本実施形態のように半導体層２をシリコンで形成する場合には、シリコンプロセスによる製造容易性を考慮し、アルミニウム（Ａｌ）による単層膜とすることが好適である。また、金属膜１４は、多層膜であってもよい。この場合、金属膜１４は、半導体層２に接する第１の膜と、当該第１の膜よりも屈折率が小さい第２の膜とを含む複数層の膜によって構成されていてもよい。第１の膜と第２の膜との材料の組み合わせは、例えばチタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）／銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）／金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）などが挙げられる。
【0041】
半導体層２のうちショットキー接合部Ｓ１の近傍には、金属膜１４とのショットキー接合に伴って空乏層が形成されている。入射面Ｆから入射した光Ｌは、縦共振器Ｃ１及び横共振器Ｃ２に閉じ込められ、金属膜１４の表面を伝搬する伝搬型の表面プラズモンに変換される。光Ｌの振動と表面プラズモンとが共鳴することにより、金属膜１４に光Ｌのエネルギーが吸収される。そして、金属膜１４の内部での光吸収により自由電子が励起され、生成されたホットキャリアがショットキー障壁を超えて半導体層２側に光電流として流れる。
【0042】
本実施形態では、金属膜１４での光吸収の効率を向上させるため、金属膜１４の厚さは、２０ｎｍ以上となっている。ショットキー接合型の光検出素子の感度（光電流量）は、ホットキャリアの生成数、ホットキャリアがショットキー障壁に到達する確率、及びホットキャリアがショットキー障壁を超える確率の積で表される。ホットキャリアの生成数は、金属膜での光吸収量に依存するため、光検出素子の感度向上には、金属膜での光吸収量を向上させることが有効となる。
【0043】
励起電子の生成位置からの輸送確率（距離ｒを進む確率）は、ｅｘｐ（−ｒ／Ｌ）で表される。Ｌは、金属膜の内部での平均自由行程であり、およそ３０ｎｍである。励起電子の生成位置から半導体層の界面までの最短距離をｚとすると、距離ｚは、励起電子の生成位置から半導体層の界面までを結ぶ垂線の距離となる。したがって、励起電子の進行方向と垂線との成す角度をθとすると、励起電子の輸送確率は、ｅｘｐ（−ｒ／Ｌｃｏｓθ）となる。電極膜の内部における励起電子の生成位置での光吸収量と輸送確率とを乗算し、更に電極膜の内部全体にわたって体積積分した積算値（以下、当該積算値を「有効吸収量」と称す）は、ショットキー接合型の光検出素子の感度に比例した値となる。
【0044】
有効吸収量を用いた金属膜での光吸収量の評価のため、ショットキー電極として周期的なスリット構造を備えた光検出素子のサンプルを作製した。この評価用の光検出素子は、シリコン（Ｓｉ）による半導体層上に厚さ３７０ｎｍのショットキー電極を形成し、集束イオンビーム装置によってショットキー電極に幅１００ｎｍ、周期８５０ｎｍでスリットを形成したものである。スリットは、貫通スリットであり、半導体層の表面が露出するように形成した。
【0045】
サンプルは、ショットキー電極を構成する金属膜を金（Ａｕ）による単層で構成したものと、半導体層側からチタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）の二層で構成したものの２種類を作製した。後者では、チタン（Ｔｉ）層の厚さは、２ｎｍとした。これらの２種類のサンプルについて感度比を実験にて求めたところ、約０．５４であった。両サンプルの感度の差異は、電極構成膜の差によって金属膜の内部での光の空間分布及び光吸収の空間分布が異なり、有効吸収量に差が生じたことに起因すると考えられる。したがって、両サンプルの感度比は、両サンプルの有効吸収量の比と同等であると結論付けられる。
【0046】
図４は、半導体層の界面からの距離と感度及び有効吸収量の比との関係を示す図である。同図では、横軸に半導体層の界面からの距離ｈｅｆｆを示し、縦軸に感度比及び有効吸収量の比を示している。図４におけるプロットは、上記２種類のサンプルについての半導体層の界面から距離ｈｅｆｆまでの有効吸収量の比をシミュレーションによって求めたものである。この結果から、距離ｈｅｆｆが増加すると共に有効吸収量の比は増加し、距離ｈｅｆｆが２０ｎｍ以上となると、有効吸収量の比が一定となることが分かる。また、距離ｈｅｆｆが２０ｎｍ以上の場合の有効吸収量の比は、およそ０．５４であり、実験によって求めた感度比（図４における点線で示す値）と略一致している。
【0047】
この結果から、金属膜の厚さが２０ｎｍに満たない場合には、有効吸収量が不足し、光検出素子の感度が十分に得られないことが分かる。また、金属膜の厚さが２０ｎｍ以上である場合には、有効吸収量が最大化され、光検出素子の感度を向上できることが分かる。このことは、ショットキー接合型の光検出素子の感度の向上には、半導体層の界面から２０ｎｍまでの範囲での金属膜の有効吸収量を増加させることが有効であることを意味している。
【0048】
一方、光検出素子の代表的な特性としては、感度のほかに暗電流が挙げられる。暗電流は、光検出素子に光が入射しない状態において流れる電流である。暗電流は、低照度領域での光の検出限界に影響するため、光検出素子の特性としては、暗電流が極力小さいことが望ましい。光検出素子において、周期的な凹凸構造を覆うように金属膜を設ける場合、凹部の底面、凹部の内壁面、及び凸部の頂面に半導体層と金属膜との接合面が形成される。このため、実効的な受光面積である凸部の頂面及び凹部の底面の面積に比べて半導体層と金属膜とのショットキー接合面積が大きなものとなり、暗電流が増加してしまうことが考えられる。
【0049】
ここで、出願人は、光検出素子の研究を重ねる過程で、周期的な凹凸構造を覆う金属膜の位置による入射光の光吸収量に着目し、周期的凹凸構造を有する一次評価用の光検出素子を試作した。一次評価用の光検出素子は、図５（ａ）に示すように、凹部１０２及び凸部１０３を有する周期的凹凸構造１０１をシリコンからなる半導体層１０４の一面に形成し、さらに、周期的凹凸構造１０１を覆うように金属膜１０５を形成したものである。一次評価用の光検出素子では、周期的凹凸構造１１１において、凹部１０２の底面及び内壁面、凸部１０３の頂面が金属膜１０５とショットキー接合するショットキー接合部となっている。凹部１０２の断面形状は、円形状であり、凸部１０３の高さ（凹部１０２の深さ）は、５０ｎｍである。凹部１０２の配列ピッチは、４００ｎｍ、凹部１０２の幅（直径）は、１６０ｎｍである。また、金属膜１０５の構成材料は、金（Ａｕ）であり、厚さは、３０ｎｍである。
【0050】
図５（ｂ）は、一次評価用の光検出素子における光吸収量の空間部分のシミュレーション結果を示す図である。当該シミュレーションでは、一次評価用の光検出素子に波長１５００ｎｍの近赤外光を入射させ、金属膜１０５の各位置での光吸収量を算出した。同図に示す結果から、光吸収量が高い領域は、凹部１０２内に集中していることが分かる。凹部１０２内に位置する金属膜１０５での光吸収量は、金属膜１０５の全体での光吸収量の約７８％を占めていた。この結果から、光吸収量の多い領域で半導体層と金属膜とをショットキー接合させ、光吸収量の低い領域で半導体層と金属膜とをショットキー接合させないことで、光検出素子の感度を維持しつつ、暗電流を抑制できるとの知見が得られた。
【0051】
図６（ａ）に示す二次評価用の光検出素子は、上記知見に基づいて作製したものである。同図に示すように、この二次評価用の光検出素子は、凹部１１２及び凸部１１３を有する周期的凹凸構造１１１をシリコンからなる半導体層１１４の一面に形成し、凸部１１３の頂面に窒化ケイ素（ＳｉＮ）からなる絶縁膜１１６を厚さ２５ｎｍで形成し、さらに、周期的凹凸構造１１１及び絶縁膜１１６を覆うように金属膜１１５を形成したものである。すなわち、二次評価用の光検出素子では、金属膜１１５とショットキー接合するショットキー接合部が凸部１１３の基端側に設けられると共に、金属膜１１５とショットキー接合しない非ショットキー接合部が凸部１１３の先端側に設けられている。周期的凹凸構造１１１における凹凸パターンは、一次評価用の光検出素子と同じとした。
【0052】
図６（ｂ）は、二次評価用の光検出素子における光吸収量の空間部分のシミュレーション結果を示す図である。また、図７は、一次評価用の光検出素子と二次評価用の光検出素子との評価結果を示す図である。図６（ｂ）では、絶縁膜１１６に相当する部分を破線で示している。図７に示すように、一次評価用の光検出素子では、凹部１０２の１ピッチ当たりのショットキー接合面積が０．１８５μｍ２であるのに対し、二次評価用の光検出素子では、凹部１１２の１ピッチ当たりのショットキー接合面積が０．０３２６μｍ２であり、ショットキー接合面積が１８％未満に抑えられている。二次評価用の光検出素子では、ショットキー接合面積が抑えられることで、一次評価用の光検出素子に比べて暗電流が十分に抑制される。
【0053】
また、一次評価用の光検出素子では、入射した光に対する金属膜１０５の全体の光吸収量が０．８、凹部１０２内に位置する金属膜１０５での光吸収量（全体の光吸収量に対する比）が０．６２、有効吸収量は０．２３であった。これに対し、二次評価用の光検出素子では、入射した光に対する金属膜１１５の全体の光吸収量が０．９、凹部１１２内に位置する金属膜１１５での光吸収量（全体の光吸収量に対する比）が０．７８、有効吸収量は０．３１であった。二次評価用の光検出素子では、一次評価用の光検出素子に比べて有効吸収量が約３５％向上している。この結果から、金属膜１１５とショットキー接合しない非ショットキー接合部を凸部１１３の先端側に設ける構成を採用することにより、光検出素子において約３５％の感度向上が見込まれることが分かる。
【0054】
また、図６（ｂ）に示すように、二次評価用の光検出素子では、凹部１１２の底面と内壁面との境界部分近傍で光吸収量が特に高まっていることが分かる。これは、半導体層１１４の構成材料であるシリコン（Ｓｉ）よりも屈折率の低い絶縁膜１５により、凹部１１２の底面と内壁面との境界部分近傍に光が効率的に閉じ込められることに起因するものと考えられる。このことも、二次評価用の光検出素子での有効吸収量の増加に寄与していると推察される。
【0055】
以上説明したように、光検出素子１では、周期的凹凸構造１１を構成する凸部１３の基端側に局所的にショットキー接合部Ｓ１が設けられ、凸部１３の先端側には非ショットキー接合部Ｓ２が設けられている。上述したように、周期的凹凸構造１１の凸部１３の先端側に対応する領域に比べて、凸部１３の基端側に対応する領域では、より多くの光吸収が生じている。したがって、光吸収の寄与が高い領域にショットキー接合部Ｓ１を設ける一方、光吸収の寄与が低い領域に非ショットキー接合部Ｓ２を設けて半導体層２と金属膜１４とのショットキー接合面積を削減することにより、暗電流を抑制しつつ、近赤外光を十分な感度で検出できる光検出素子１が得られる。
【0056】
また、本実施形態では、凸部１３の頂面には、絶縁膜１５が設けられている。また、金属膜１４は、凹部１２の底面及び内壁面を覆う第１の部分１４Ａと、絶縁膜１５を覆う第２の部分１４Ｂとを有している。そして、金属膜１４の第１の部分１４Ａによってショットキー接合部Ｓ１が構成され、第２の部分１４Ｂによって非ショットキー接合部Ｓ２が構成されている。このような構成により、凸部１３の頂面に絶縁膜１５による非ショットキー接合部Ｓ２が位置するため、金属膜１４の面積を拡大したとしても半導体層２と金属膜１４とのショットキー接合面積の増加を回避でき、金属膜１４の設計自由度を十分に確保できる。また、凸部１３の頂面に金属膜１４の第２の部分１４Ｂが位置するため、第２の部分１４Ｂでの光の反射によって金属膜１４の第１の部分１４Ａでの光吸収効率を向上できる。さらに、周期的凹凸構造１１の作製の際にマスクとして用いる絶縁膜を絶縁膜１５としてそのまま利用できるので、製造工程の簡単化が図られる。
【0057】
また、本実施形態では、絶縁膜１５の厚さが凸部１３の高さＴ以下となっている。これにより、凸部１３の基端側付近の金属膜１４内で生成したホットキャリアが、凹部１２の底面におけるショットキー接合部Ｓ１だけではなく、凹部１２の内壁面のうち、半導体層領域におけるショットキー接合部Ｓ１にも到達することができる。したがって、光検出素子１の感度の更なる向上が図られる。
【0058】
また、本実施形態では、絶縁膜１５の屈折率が半導体層２の屈折率よりも小さくなっている。これにより、金属膜１４の第１の部分１４Ａに光を閉じ込め易くなり、光吸収効率を一層向上できる。
【0059】
また、本実施形態では、金属膜１４の厚さが２０ｎｍ以上となっていてもよい。金属膜１４の厚さが２０ｎｍ以上である場合、金属膜１４における光Ｌの有効吸収量が最大化され、光検出素子１の感度を向上できる。
【0060】
また、本実施形態では、半導体層２は、シリコンによって構成されている。これにより、安価な製造プロセスを実現でき、光検出素子１を安価に製造できる。金属膜１４がアルミニウムを含んで構成される場合、シリコンプロセスによる金属膜１４の製造容易性を確保できる。また、半導体層２に接する第１の膜と、当該第１の膜よりも屈折率が小さい第２の膜とを含む複数層の膜によって金属膜１４を構成する場合、金属膜１４において半導体層２との界面付近に光を閉じ込めることが可能となり、光吸収量を一層向上できる。
【0061】
また、本実施形態では、周期的凹凸構造１１における凹部１２は、平面視でマトリクス状の配置パターンを有しており、凹部１２の横断面形状は、円形状となっている（図３参照）。このように、マトリクス状の配置パターンを採用する場合、いずれの偏光方向の光Ｌも等しく表面プラズモンに変換される。したがって、偏光方向に依存しない光検出が可能となる。また、凹部１２の横断面形状として円形状を採用する場合、周期的凹凸構造１１の周期性を光Ｌが感ずる面積が狭くなるために、広い波長範囲において表面プラズモンに変換される。したがって、広い波長範囲について光検出が可能となる。
【0062】
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、半導体層２の表面２ａにオーミック電極４及びショットキー電極５が設けられているが、オーミック電極４は、半導体層２の裏面２ｂに設けられていてもよい。この場合、入射面Ｆに対応してオーミック電極４に開口部を設けてもよく、光Ｌに対する透明性を有する材料によってオーミック電極４を形成してもよい。透明性を有する電極材料としては、例えば酸化インジウムスズなどが挙げられる。
【0063】
また、上記実施形態では、半導体層２の表面２ａにオーミック電極４及びショットキー電極５が露出した状態となっているが、オーミック電極４及びショットキー電極５の表面に絶縁性の保護膜を形成してもよい。この場合、素子組立時の周期的凹凸構造１１の保護、及びオーミック電極４の短絡防止といった技術的効果が得られる。さらに、入射面Ｆには、反射防止膜を設けてもよい。これにより、光Ｌの入射効率を向上できる。
【0064】
さらに、半導体層２を薄化し、検出領域を近赤外光〜可視光の範囲に拡大することも可能である。半導体層２の薄化に伴い、光検出素子１の小型化による応答速度の向上、入射面Ｆから入射した光Ｌの素子内での拡散距離が短くなることによる空間分解能の向上も図られる。半導体層２の薄化は、半導体層２の裏面２ｂの全体にわたってもよく、周期的凹凸構造１１に対応する領域のみを薄化してもよい。前者の場合には、半導体層２の裏面２ｂにガラス基板を設ける構成としてもよい。
【0065】
更なる応用構造として、周期的凹凸構造１１において、マトリクス状に配置された凹部１２の行方向の配列ピッチと列方向の配列ピッチとを互いに異なるようにしてもよい。この場合、偏光方向の異なる２つの波長の光の検出が可能となる。また、半導体層２の表面２ａに周期的凹凸構造１１を複数設け、光検出素子１をアレイ化してもよい。この場合、周期的凹凸構造１１毎に凹部１２の配列ピッチを変えることで、複数の波長の検出が可能となり、光検出素子１を分光センサとして機能させることができる。
【0066】
また、上記実施形態では、周期的凹凸構造１１において横断面形状が円形状の凹部１２がマトリクス状に配置されているが、周期的凹凸構造１１の配置パターンはこれに限られるものではない。例えば凹部１２は、千鳥状の配置パターンを有していてもよい。また、例えば凹部１２の横断面形状は、矩形状、三角形状などの他の形状であってもよい。凹部１２の縦断面形状も、四角形状に限られず、台形状、三角形状などの他の形状であってもよい。凹部１２の底面は、平坦面に限られず、凹状に湾曲或いは球形となっていてもよい。凹部の横断面形状として矩形状を採用する場合、周期的凹凸構造１１の周期性を光Ｌが感ずる面積が広くなるために、特定の波長において強い表面プラズモンに変換される。したがって、特定の波長について高感度の光検出が可能となる。
【0067】
また、図２では、凸部１３の頂面に絶縁膜１５を設ける構成を例示したが、図８に示すように、周期的凹凸構造１１の凸部１３自体を絶縁膜１５によって構成してもよい。この場合、光吸収の寄与が高い凹部１２の底面領域がショットキー接合部Ｓ１となり、光検出素子１の感度を十分に確保できる。また、凸部１３全体が非ショットキー接合部Ｓ２となるので、金属膜１４の面積を拡大したとしても半導体層２と金属膜１４とのショットキー接合面積の増加を回避でき、金属膜１４の設計自由度を十分に確保できる。また、金属膜１４と接する半導体層２の面と、絶縁膜１５と接する半導体層２の面とがほぼ平坦となるため、格子欠陥を少なくすることが可能となり、暗電流を一層低減できる。なお、図示しないが、周期的凹凸構造１１における凹部１２の底面領域の高さが、半導体層２の表面２ａと一致していてもよい。この場合、半導体層２の表面２ａを平坦とすることができ、製造容易性を確保できる。
【0068】
また、図９に示すように、周期的凹凸構造１１における凹部１２は、平面視でストライプ状の配置パターンを有していてもよい。ストライプ状の配置パターンを採用する場合、ストライプ状の配置パターンに対して電場ベクトルが直交する光Ｌのみが周期的凹凸構造１１において強い表面プラズモンに変換される。したがって、一つの偏光方向について高感度な光検出が可能となる。
【0069】
なお、図示しないが、周期的凹凸構造１１における凹部１２は、平面視で同心円状の配置パターンを有していてもよく、平面視で同心多角形状の配置パターンを有していてもよい。同心円状の配置パターンを採用する場合、いずれの偏光方向の光Ｌも等しく表面プラズモンに変換される。したがって、偏光方向に依存しない光検出が可能となる。例えば同心四角形状の配置パターンを採用する場合、同心四角形状の配置パターンの各辺に対して電場ベクトルが直交する光Ｌのみが周期的凹凸構造１１において強い表面プラズモンに変換される。したがって、二つの偏光方向について高感度な光検出が可能となる。
【0070】
また、上記実施形態では、絶縁膜１５を用い、金属膜１４が周期的凹凸構造１１の全面を覆うように設けられているが、絶縁膜１５を用いず、金属膜１４は、凹部１２の底面及び内壁面を覆う第１の部分１４Ａと、隣り合う凹部１２，１２の底面及び内壁面を覆う第１の部分１４Ａの一部同士を結ぶように凸部１３の頂面側に設けられた第２の部分１４Ｂとを有していてもよい。
【0071】
図１０は、このような変形例に係る周期的凹凸構造の近傍の構成を示す要部拡大断面図である。また、図１１は、その平面図である。図１０（ａ）は、図１０におけるＡ−Ａ線断面であり、図１０（ｂ）は、図１１におけるＢ−Ｂ線断面である。図１０及び図１１に示すように、周期的凹凸構造２１では、凹部１２が平面視でストライプ状の配置パターンを有している。金属膜１４の第１の部分１４Ａは、凹部１２の底面及び内壁面を覆うように設けられている。これにより、凸部１３の基端側にショットキー接合部Ｓ１が形成されている。
【0072】
一方、金属膜１４の第２の部分１４Ｂは、凸部１３の頂面において凹部１２の延在方向と略直交する向きに設けられ、隣り合う凹部１２，１２の底面及び内壁面を覆う第１の部分１４Ａの頂面同士を接続している。ここでは、第２の部分１４Ｂは、凹部１２の幅Ｄよりも幅広の帯状をなしている。第２の部分１４Ｂの形成領域では、図１０（ａ）及び図１１に示すように、第２の部分１４Ｂが凸部１３の頂面を覆うように設けられ、凸部１３の頂面と第２の部分１４Ｂとの間でショットキー接合部Ｓ１が形成されている。第２の部分１４Ｂの非形成領域では、図１０（ｂ）及び図１１に示すように、凸部１３の頂面が金属膜１４から露出し、非ショットキー接合部Ｓ２が形成されている。
【0073】
この場合、絶縁膜１５を省いた簡単な構成でショットキー接合部Ｓ１及び非ショットキー接合部を実現できる。図１１に示した構成では、隣り合う凹部１２，１２を覆う第１の部分１４Ａ，１４Ａ同士が、凹部１２の幅Ｄよりも幅広の帯状をなす第２の部分１４Ｂによって集中的に接続されているが、図１２に示すように、凹部１２の幅Ｄよりも幅狭の帯状をなす第２の部分１４Ｂを一定の間隔をもって複数設け、隣り合う凹部１２，１２を覆う第１の部分１４Ａ，１４Ａ同士を複数の第２の部分１４Ｂによって分散して接続してもよい。
【0074】
また、図１１では、凹部１２が平面視でストライプ状の配置パターンを有しているが、凹部１２は、平面視で同心円状の配置パターンを有していてもよく、平面視で同心四角形状の配置パターンを有していてもよい。さらに、図３に示したようなマトリクス状の配置パターンを有していてもよい。同心円状の配置パターンを採用する場合、例えば図１３に示すように、凹部１２の底面及び内壁面を覆うように金属膜１４の第１の部分１４Ａを設けると共に、凹部１２の幅Ｄよりも幅広の帯状をなす第２の部分１４Ｂを同心円の中心から径方向の一方向に延在させてもよい。また、例えば図１４に示すように、凹部１２の底面及び内壁面を覆うように金属膜１４の第１の部分１４Ａを設けると共に、凹部１２の幅Ｄよりも幅狭の帯状をなす第２の部分１４Ｂを同心円の中心から径方向の複数方向に延在させてもよい。
【0075】
同心四角形状の配置パターンを採用する場合、例えば図１５に示すように、凹部１２の底面及び内壁面を覆うように金属膜１４の第１の部分１４Ａを設けると共に、凹部１２の幅Ｄよりも幅広の帯状をなす第２の部分１４Ｂを同心四角形の中心から一辺の中央部分にかけて延在させてもよい。また、例えば図１６に示すように、凹部１２の底面及び内壁面を覆うように金属膜１４の第１の部分１４Ａを設けると共に、凹部１２の幅Ｄよりも幅狭の帯状をなす第２の部分１４Ｂを同心四角形の中心から四辺の中央部分にかけてそれぞれ延在させてもよい。
【0076】
マトリクス状の配置パターンを採用する場合、例えば図１７に示すように、凹部１２の底面及び内壁面を覆うように金属膜１４の第１の部分１４Ａを設けると共に、凹部１２の幅Ｄよりも幅狭の帯状をなす第２の部分１４Ｂを各凹部１２の中心を通るように格子状に設けてもよい。また、更なる変形として、例えば図１８に示すように、千鳥状の配置パターンを採用してもよい。この場合も、凹部１２の底面及び内壁面を覆うように金属膜１４の第１の部分１４Ａを設けると共に、凹部１２の幅Ｄよりも幅狭の帯状をなす第２の部分１４Ｂを各凹部１２の中心を通るように格子状に設けてもよい。さらに、例えば図１９に示すように、絶縁膜１５を組み合わせた構成を採用してもよい。この場合、凸部１３の頂面に絶縁膜１５を設けると共に、凹部１２の内部全体に金属膜１４の第１の部分１４Ａを設け、凹部１２の幅Ｄよりも幅狭の帯状をなす第２の部分１４Ｂを各凹部１２の中心を通るように格子状に設けてもよい。また、第２の部分１４Ｂは、絶縁膜１５の開口部分を介して凹部１２の開口面で第１の部分１４Ａと接続すればよい。
【0077】
更なる変形例として、図２０に示すように、金属膜１４の第１の部分１４Ａに凸部１３の頂面よりも突出する突出部分１４Ｃを設け、隣り合う突出部分１４Ｃ，１４Ｃ同士を結ぶように第２の部分１４Ｂを凸部１３の頂面から離間して設けてもよい。この場合の凹部１２及び金属膜１４の配置パターンは、図１１〜図１８に示した各パターンと同様のパターンを採り得る。このような構成によれば、第２の部分１４Ｂが離間することによって凸部１３の頂面に非ショットキー接合部Ｓ２が位置するため、金属膜１４の第２の部分１４Ｂの面積を拡大したとしても半導体層２と金属膜１４とのショットキー接合面積の増加を回避できる。したがって、金属膜１４の面積を十分に確保できるので、光検出素子１の電気抵抗の低減化が図られる。なお、図１０〜図１９に示した各形態においても、図８に示したように、凸部１３自体を絶縁膜１５によって構成してもよい。
【0078】
また、凸部１３の頂面に絶縁膜１５を設ける構成に代えて、凸部１３の頂面に半導体層２とオーミック接合するオーミック電極３２を設ける構成としてもよい。この場合、オーミック電極４は省略可能である。図２１は、このような変形例に係る周期的凹凸構造の近傍の構成を示す要部拡大断面図である。また、図２２は、その平面図である。図２１及び図２２に示すように、周期的凹凸構造３１では、凹部１２が平面視でストライプ状の配置パターンを有している。金属膜１４は、凹部１２の底面及び内壁面のうち凸部１３の頂面付近を除く部分を覆うように設けられている。これにより、凸部１３の基端側にショットキー接合部Ｓ１が形成されている。
【0079】
一方、オーミック電極３２は、隣り合う凹部１２，１２間に位置する凸部１３の頂面にストライプ状のパターンで設けられている。オーミック電極３２の厚さは、例えば凸部１３の高さＴよりも小さく、かつ絶縁膜３の厚さと同程度か僅かに小さい厚さとなっている。凹部１２の内壁面のうち凸部１３の頂面付近が金属膜１４で覆われておらず、凸部１３の頂面にオーミック電極３２が設けられていることにより、凸部１３の先端側に非ショットキー接合部Ｓ２が形成されている。このような構成によれば、凸部１３の頂面に設けられたオーミック電極３２での光Ｌの反射によって金属膜１４での光吸収効率を向上できる。また、オーミック電極３２が凸部１３の頂面に位置することで、素子面積を低減できる。したがって、光検出素子１の小型化、高集積化が可能となる。
【0080】
図２１及び図２２に示す例では、金属膜１４は、凹部１２の幅Ｄよりも幅狭の帯状をなす連結部分３３を有している。連結部分３３は、周期的凹凸構造３１の一端側において凹部１２の延在方向と交差する向きに設けられている。この連結部分３３により、隣り合う凹部１２，１２内の金属膜１４，１４が連結されている。また、オーミック電極３２は、凹部１２の幅Ｄよりも幅狭の帯状をなす連結部分３４を有している。連結部分３４は、周期的凹凸構造３１の他端側において凹部１２の延在方向と交差する向きに設けられている。この連結部分３４により、凹部１２を挟んで隣り合うオーミック電極３２，３２が連結されている。この形態は、例えば図２３に示すように、凹部１２が平面視でマトリクス状の配置パターンを有する場合にも適用可能である。
【0081】
更なる変形例として、例えば図２４及び図２５に示すように、絶縁膜３５を組み合わせた構成を採用してもよい。この例では、金属膜１４の連結部分３３は、凹部１２の延在方向と交差する向きに一定の間隔で複数設けられている。また、連結部分３３の形成位置では、凸部１３の頂面に設けられたオーミック電極３２を覆うように絶縁膜１５が形成されている。オーミック電極３２の連結部分３４（図２５参照）は、金属膜１４の連結部分３３と交互になるように、凹部１２の延在方向と交差する向きに一定の間隔で複数設けられている。この形態も、例えば図２６に示すように、凹部１２が平面視でマトリクス状の配置パターンを有する場合にも適用可能である。
【0082】
なお、上記実施形態では、半導体層の裏面に光の入射面を有する裏面入射型の光検出素子を例示しているが、本発明は、半導体層の表面に光の入射面を有する表面入射型の有する表面入射型の光検出素子に適用することもできる。
【符号の説明】
【0083】
１…光検出素子、２…半導体層、１１，２１，３１…周期的凹凸構造、１４…金属膜、１４Ａ…第１の部分、１４Ｂ…第２の部分、１４Ｃ…突出部分、１５，３５…絶縁膜、３２…オーミック電極、Ｌ…光、Ｓ１…ショットキー接合部、Ｓ２…非ショットキー接合部、Ｔ…凸部の高さ。