ホーム > 特許ランキング > 浜松ホトニクス株式会社
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024057889
(43)【公開日】2024-04-25
(54)【発明の名称】光検出器
(51)【国際特許分類】
H01L 31/10 20060101AFI20240418BHJP
【ＦＩ】
H01L31/10 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022164866
(22)【出願日】2022-10-13
(71)【出願人】
【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
【テーマコード（参考）】
5F149
5F849
【Ｆターム（参考）】
5F149AA02
5F149AA20
5F149AB05
5F149BA05
5F149CA10
5F149CB14
5F149DA44
5F149DA50
5F149FA05
5F149LA01
5F149XB24
5F149XB36
5F849AA02
5F849AA20
5F849AB05
5F849BA05
5F849CA10
5F849CB14
5F849DA44
5F849DA50
5F849FA05
5F849LA01
5F849XB24
5F849XB36
(57)【要約】
【課題】暗電流を抑制しつつ検出感度を向上できる光検出器を提供する。
【解決手段】光検出器１は、第１導電型半導体層２と、第１導電型半導体層２上に設けられた半導体光吸収層３と、半導体光吸収層３上に設けられた第２導電型半導体層４とを備えている。半導体光吸収層３の内部には、入射光Ｉを散乱させることで半導体光吸収層３の内部に局在不均一電場を形成する微細改質部６が第２導電型半導体層４から離間して設けられている。
【選択図】図１
【解決手段】光検出器１は、第１導電型半導体層２と、第１導電型半導体層２上に設けられた半導体光吸収層３と、半導体光吸収層３上に設けられた第２導電型半導体層４とを備えている。半導体光吸収層３の内部には、入射光Ｉを散乱させることで半導体光吸収層３の内部に局在不均一電場を形成する微細改質部６が第２導電型半導体層４から離間して設けられている。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層上に設けられた半導体光吸収層と、
前記半導体光吸収層上に設けられた第２導電型半導体層と、を備え、
前記半導体光吸収層の内部には、入射光を散乱させることで前記半導体光吸収層の内部に局在不均一電場を形成する微細改質部が前記第２導電型半導体層から離間して設けられている光検出器。
前記第１導電型半導体層上に設けられた半導体光吸収層と、
前記半導体光吸収層上に設けられた第２導電型半導体層と、を備え、
前記半導体光吸収層の内部には、入射光を散乱させることで前記半導体光吸収層の内部に局在不均一電場を形成する微細改質部が前記第２導電型半導体層から離間して設けられている光検出器。
【請求項2】
前記微細改質部は、前記第１導電型半導体層に対する前記半導体光吸収層の積層方向に交差する交差方向に配列されている請求項１記載の光検出器。
【請求項3】
前記微細改質部は、前記第１導電型半導体層に対する前記半導体光吸収層の積層方向に複数段に配列されている請求項１記載の光検出器。
【請求項4】
前記微細改質部の周囲は、前記半導体光吸収層によって囲まれている請求項１記載の光検出器。
【請求項5】
前記微細改質部は、改質部及び空洞部の少なくとも一方によって構成されている請求項１記載の光検出器。
【請求項6】
前記第１導電型半導体層に対する前記半導体光吸収層の積層方向に交差する交差方向に対する前記微細改質部の幅は、前記入射光の波長以下となっている請求項１記載の光検出器。
【請求項7】
前記第２導電型半導体層上に設けられ、前記局在不均一電場の形成によって前記半導体光吸収層で生じる光電流を取り出す取出電極を備える請求項１～６のいずれか一項記載の光検出器。
【請求項8】
前記第１導電型半導体層に対する前記半導体光吸収層の積層方向から見た場合に、前記微細改質部は、前記取出電極と重ならない領域に位置している請求項７記載の光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、光検出器に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、車両の自動運転機能や衝突防止機能に供されるレーザセンシング技術の発展が顕著となっている。これに伴い、赤外域における安価で高性能な光検出器の開発が要求されてきている。例えば波長１．３μｍ以上の短波赤外（ＳＷＩＲ）帯では、ＩｎＧａＡｓを基板とする半導体受光素子が主流である。しかしながら、当該基板を用いた高性能なアレイ型光検出器は、コスト面に問題を抱えている。
【0003】
このような背景の中、ＩｎＧａＡｓに依存しない光検出器として、光吸収層の内部の局在不均一電場を利用する光検出器が開発されてきている。この種の光検出器では、ＩｎＧａＡｓに代えて、例えばＳｉ、Ｇｅといった比較的安価な材料が光吸収層として利用されている。当該材料は、間接遷移半導体であるため、バンドエッジ波長帯付近において感度が低下することが課題となっている。このような課題に対し、光入射に応じて半導体光吸収層の近傍に局在不均一電場が生じる構成を設け、光閉じ込めに伴う電場増強によって感度向上を図る技術が検討されている。局在不均一電場の別の効果には、不確定性原理により半導体内部の電子に大きな波数を与えられることが挙げられる。この効果により、間接遷移の半導体材料で直接的に光学遷移ができるようになることも、光吸収の向上に寄与すると考えられる。
【0004】
局在不均一電場による電場増強を利用した光検出器としては、例えば特許文献１に記載の受光素子が挙げられる。この従来の受光素子では、基板上に第１導電型半導体層、ノンドープ型半導体光吸収層、第２導電型半導体層、導電層がこの順に設けられている。導電層、第２導電型半導体層、及びノンドープ型半導体光吸収層の積層体には、周期的に配列された複数の開口が設けられている。この開口は、入射光の波長以下となる幅を有し、導電層及び第２導電型半導体層を貫通してノンドープ型半導体光吸収層に達するように設けられている。
【0005】
また、例えば特許文献２に記載の受光素子は、半導体層と、当該半導体層の表面に所定の間隔ｄをもって配置され、ＭＳＭ接合を形成する一対の金属電極とを有している。一対の金属電極同士の間隔は、入射光の波長をλとした場合に、λ＞ｄの関係を満たしている。一対の金属電極の少なくとも一方は、半導体層とショットキー接合を形成し、半導体層の屈折率をｎとした場合に、λ／（２ｎ）より小さい深さとなる位置まで半導体層に埋め込まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】国際公開第２００９／０８８０７１号公報
【特許文献2】米国特許出願公開第２００９／０１３４４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
局在不均一電場による電場増強を利用した光検出器の検出感度は、未だにＩｎＧａＡｓを利用した光検出器に及ばない。その一方で、同じ局在不均一電場を利用するにあたっては、不確定性原理により半導体内部の電子に大きな波数を与えることで、直接遷移を実現する手法が考えられる。この原理に基づく光検出器の感度向上にあたっては、半導体光吸収層での局在不均一電場の波数成分を十分に確保する必要がある。局在不均一電場の効果は、局在不均一電場の発生位置と半導体光吸収層での空乏層位置との間の距離が増加することで急速に減衰する。特許文献１に記載の受光素子では、局在不均一電場の発生位置が導電層と第２導電型半導体層との界面付近となるが、当該発生位置は、第２導電型半導体層の厚さの分だけノンドープ型半導体光吸収層から離間している。このため、特許文献１の構造を適用して当該原理に基づく光検出器の感度向上を図ることは難しいと考えられる。
【0008】
特許文献２に記載の受光素子では、金属電極を半導体層に埋め込むことで検出感度の向上が図られている。しかしながら、局在不均一電場の発生位置となる半導体層と光電流の取出電極とが一体化しているため、ショットキー接合に起因する暗電流が比較的大きくなるという問題がある。このため、特許文献２に記載の受光素子では、ＳＮ比の向上が難しいという課題がある。
【0009】
本開示は、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検出感度を向上でき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】
上記課題の解決のため、本願発明者らは、局在不均一電場の発生源に着目した。上述したように、局在不均一電場の効果は、局在不均一電場の発生位置と半導体光吸収層での空乏層位置との間の距離が増加することで急速に減衰する。局在不均一電場の発生位置と半導体光吸収層での空乏層位置とを一致或いは近接させる手法としては、例えば半導体層にエッチングで開口を設け、当該開口の内部に局在不均一電場の発生源となる金属構造体を配置する構造が考えられる。
【0011】
しかしながら、半導体光吸収層の表面から空乏層位置までエッチングによる加工を行う場合、空乏層位置の近傍でエッチングに起因する半導体層の欠陥が多く生じ、暗電流が増加してしまうことが考えられる。特に、開口の内壁面において金属構造体と接しない部分は、局在不均一電場の発生に寄与しない（すなわち、光検出器の感度向上に寄与しない）にも関わらず、暗電流の増加要因となってしまうことが考えられる。
【0012】
一方、本願発明者らは、局在不均一電場の発生源として、これまでは金属ナノ構造体を想定してきた。しかしながら、本願発明者らは、更なる研究の結果、金属ナノ構造体に限られず、入射光を散乱させることができる散乱体であれば、局在不均一電場の発生源として用いることができることを突き止めた。ここでの散乱体には、例えばＳｉＯ２やＳｉＮ等の誘電体ナノ構造、アモルファスＳｉ、多孔質Ｓｉといった半導体微細構造が挙げられる。そこで、本願発明者らは、半導体層にエッチングによる加工を行うことなく半導体層に散乱体を配置することができれば、暗電流を抑制しつつ検出感度を向上できるとの知見を得て、本開示に係る光検出器を完成させるに至った。
【0013】
本開示の一側面に係る光検出器の要旨は、以下のとおりである。
【0014】
［１］第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層上に設けられた半導体光吸収層と、前記半導体光吸収層上に設けられた第２導電型半導体層と、を備え、前記半導体光吸収層の内部には、入射光を散乱させることで前記半導体光吸収層の内部に局在不均一電場を形成する微細改質部が前記第２導電型半導体層から離間して設けられている光検出器。
【0015】
この光検出器では、半導体光吸収層の内部に微細改質部が設けられており、当該微細改質部によって入射光が散乱することで局在不均一電場が形成される。これにより、局在不均一電場の発生位置と半導体光吸収層での空乏層位置とを一致若しくは近接させることが可能となり、半導体光吸収層での局在不均一電場の効果を十分に発揮させることができる。したがって、検出感度の向上が図られる。また、この光検出器では、微細改質部を用いることで、半導体光吸収層の表面から空乏層位置に至るエッチングが必ずしも必要ではなくなる。このため、空乏層位置の近傍でエッチングに起因する半導体層の欠陥の発生を回避でき、暗電流の発生を抑制することができる。
【0016】
［２］前記微細改質部は、前記第１導電型半導体層に対する前記半導体光吸収層の積層方向に交差する交差方向に配列されている［１］記載の光検出器。この構成によれば、半導体光吸収層が拡がる方向に広く局在不均一電場を形成できる。したがって、入射光に対する受光面を十分に確保できる。
【0017】
［３］前記微細改質部は、前記第１導電型半導体層に対する前記半導体光吸収層の積層方向に複数段に配列されている［１］又は［２］記載の光検出器。この構成によれば、半導体光吸収層の厚さ方向に深く局在不均一電場を形成できる。したがって、半導体光吸収層において積層方向に空乏層位置が広く存在する場合であっても、局在不均一電場の発生位置と半導体光吸収層での空乏層位置とをより確実に一致若しくは近接させることが可能となる。また、複数段の微細改質部同士の間に非改質部が位置することで、半導体光吸収層の強度も十分に維持できる。
【0018】
［４］前記微細改質部の周囲は、前記半導体光吸収層によって囲まれている［１］～［３］のいずれか記載の光検出器。この構成によれば、微細改質部の周囲の全体を局在不均一電場の形成に寄与させることができる。また、微細改質部の周囲に非改質部が位置することで、半導体光吸収層の強度も十分に維持できる。
【0019】
［５］前記微細改質部は、改質部及び空洞部の少なくとも一方によって構成されている［１］～［４］のいずれか記載の光検出器。この場合、微細改質部によって入射光を高い効率で散乱させることができる。したがって、半導体光吸収層での局在不均一電場の効果を更に高めることができる。
【0020】
［６］前記第１導電型半導体層に対する前記半導体光吸収層の積層方向に交差する前記交差方向に対する前記微細改質部の幅は、前記入射光の波長以下となっている［１］～［５］のいずれか記載の光検出器。この構成によれば、入射光に起因する散乱光を微細改質部と半導体光吸収層との界面付近に好適に生じさせることができる。したがって、半導体光吸収層での局在不均一電場の効果を更に高めることができる。
【0021】
［７］前記第２導電型半導体層上に設けられ、前記局在不均一電場の形成によって前記半導体光吸収層で生じる光電流を取り出す取出電極を備える［１］～［６］のいずれか記載の光検出器。この構成によれば、半導体光吸収層で生じる光電流を取り出すにあたって、半導体光吸収層と取出電極とが接する場合に比べて、ショットキー接合に起因する暗電流の発生を抑制することができる。
【0022】
［８］前記第１導電型半導体層に対する前記半導体光吸収層の積層方向から見た場合に、前記微細改質部は、前記取出電極と重ならない領域に位置している［７］記載の光検出器。この場合、微細改質部に向かう入射光が取出電極で遮られることが抑制されるため、入射光に対する受光面を十分に確保できる。また、半導体光吸収層において、取出電極の直下に非改質部が位置するため、半導体光吸収層の強度も十分に維持できる。
【発明の効果】
【0023】
本開示によれば、暗電流を抑制しつつ検出感度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、図面を参照しながら、本開示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。
【0026】
以下に示す光検出器の実施形態及び図面では、検出対象となる入射光の入射領域の一つの構成単位を要部として示している。実際の光検出器では、これらの構成単位が所定のピッチでアレイ化されていてもよい。
【0027】
図１は、本開示の一実施形態に係る光検出器の構成を示す概略的な断面図である。図２は、その平面図である。同図に示すように、光検出器１は、第１導電型半導体層２と、半導体光吸収層３と、第２導電型半導体層４と、一対の取出電極５Ａ，５Ａと、一対の取出電極５Ｂ，５Ｂとを備えて構成されている。
【0028】
本実施形態では、説明の便宜上、第１導電型半導体層２側を光検出器１の裏面と規定し、第２導電型半導体層４側を光検出器１の表面と規定する。本開示の光検出器は、表面入射型検出器及び裏面入射型検出器のいずれであってもよい。図１の例では、光検出器１は、入射光Ｉが表面から入射する表面入射型検出器となっている。
【0029】
また、本実施形態では、説明の便宜上、互いに直交するＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸を規定する。Ｚ軸は、第１導電型半導体層２、半導体光吸収層３、及び第２導電型半導体層４の積層方向、すなわち、第１導電型半導体層２に対する半導体光吸収層３の積層方向に延びる軸である。Ｘ軸及びＹ軸は、前述の積層方向に交差する交差方向に延びる軸である。Ｘ軸は、取出電極５Ａ，５Ａ同士及び取出電極５Ｂ，５Ｂ同士を結ぶ方向に沿っている。Ｙ軸は、取出電極５Ａ，５Ａ及び取出電極５Ｂ，５Ｂのそれぞれの延在方向に沿っている。
【0030】
光検出器１では、半導体の吸収端波長（バンドギャップ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によって散乱光が発生する。そして、発生した散乱光によって局在不均一電場が生じる。光検出器１では、局在不均一電場の効果を利用することで、半導体内での直接的な光学遷移が可能となり、半導体内での十分な光吸収を生じさせることができる。光検出器１では、半導体内で生じた光吸収が光電流として外部に取り出されることで、半導体の吸収端波長よりも長い波長の光検出を実現できる。ここでは、検出対象である入射光Ｉの波長が１２００ｎｍ近辺である場合を想定し、光検出器１の各構成要素の寸法等を例示する。
【0031】
第１導電型半導体層２は、例えば導電型がｎ型のＳｉからなり、キャリア濃度が高い低抵抗半導体（ｎ＋）によって構成されている。第１導電型半導体層２は、積層方向から見て矩形状をなしている（図２参照）。第１導電型半導体層２は、第１面２ａ及び第１面２ａと反対の第２面２ｂを有している。第１面２ａは、光検出器１の裏面を向く面であり、第２面２ｂは、光検出器１の表面を向く面である。第１導電型半導体層２の厚さは、例えば１μｍ以上５０μｍ以下となっている。
【0032】
半導体光吸収層３は、例えば導電型がｐ型のＳｉからなり、キャリア濃度が低い高抵抗半導体（ｐ－）によって構成されている。半導体光吸収層３は、積層方向から見て矩形状をなしている。半導体光吸収層３は、第１面３ａ及び第１面３ａと反対の第２面３ｂを有している。第１面３ａは、光検出器１の裏面を向く面であり、第２面３ｂは、光検出器１の表面を向く面である。
【0033】
半導体光吸収層３は、第１導電型半導体層２の第２面２ｂの全面を覆うように設けられている。半導体光吸収層３と第１導電型半導体層２との界面では、半導体のｐｎ接合が形成されている。半導体光吸収層３の厚さは、第１導電型半導体層２及び半導体光吸収層３のキャリア濃度に応じて定まる。本実施形態では、半導体光吸収層３の厚さは、例えば５０ｎｍ以上１００μｍ以下となっている。
【0034】
第２導電型半導体層４は、例えば導電型がｐ型のＳｉからなり、キャリア濃度が高い低抵抗半導体（ｐ＋）によって構成されている。第２導電型半導体層４は、積層方向から見て矩形状をなしている。第２導電型半導体層４は、第１面４ａ及び第１面４ａと反対の第２面４ｂを有している。第２導電型半導体層４の厚さは、例えば１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となっている。
【0035】
取出電極５Ａ，５Ｂは、局在不均一電場の形成によって半導体光吸収層３で生じる光電流を取り出す電極である。取出電極５Ａは、光検出器１のカソードとして機能する電極層である。取出電極５Ａは、第１導電型半導体層２の第１面２ａに設けられている。取出電極５Ａは、積層方向から見て矩形状をなしている。取出電極５Ａは、例えば第２導電型半導体層４と重なる位置で、第１導電型半導体層２の第１面２ａの一方辺から他方辺に至るように、当該第１面２ａの面内方向の一方向（ここではＹ軸方向）に直線状に延在している（図２参照）。
【0036】
取出電極５Ａは、例えばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、インジウム（Ｉｎ）等の金属によって形成されている。取出電極５Ａは、これらの金属を含む化合物材料によって構成されていてもよい。取出電極５Ａは、単層に限られず、複数層で構成されていてもよい。
【0037】
取出電極５Ｂは、光検出器１のアノードとして機能する電極である。取出電極５Ｂは、第２導電型半導体層４の第２面４ｂに設けられている。取出電極５Ｂは、半導体光吸収層３から離間して配置されており、後述する微細改質部６に対して十分に離間して配置されている。取出電極５Ｂは、取出電極５Ａと同様に、積層方向から見て矩形状をなしている。取出電極５Ｂは、第２導電型半導体層４の第２面４ｂの一方辺から他方辺に至るように、当該第２面４ｂの面内方向の一方向（ここではＹ軸方向）に直線状に延在している（図２参照）。
【0038】
取出電極５Ｂは、例えば金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）等の金属によって形成されている。取出電極５Ｂは、これらの金属を含む化合物材料によって構成されていてもよい。取出電極５Ｂは、単層に限られず、複数層で構成されていてもよい。
【0039】
続いて、上述した半導体光吸収層３の構成について更に詳細に説明する。
【0040】
図１に示すように、半導体光吸収層３の内部には、入射光Ｉを散乱させることで半導体光吸収層３の内部に局在不均一電場を形成する微細改質部６が設けられている。微細改質部６は、Ｓｉによって構成される半導体光吸収層３をレーザ光Ｆ（図４参照）によって改質することによって形成されている。微細改質部６は、第１導電型半導体層２に対する半導体光吸収層３の積層方向に交差する交差方向に配列されている。
【0041】
本実施形態では、微細改質部６は、半導体光吸収層３の第１面３ａ及び第２面３ｂの面内方向であるＸ軸方向及びＹ軸方向に格子状に配列されている。Ｘ軸方向及びＹ軸方向に隣り合う微細改質部６，６同士は、所定の間隔をもって離間している。したがって、微細改質部６のそれぞれの周囲は、レーザ光Ｆによる改質の影響を受けていない非改質部である半導体光吸収層３によって囲まれた状態となっている。
【0042】
微細改質部６が配列される配列領域Ｒは、図２に示すように、積層方向から見て矩形状をなしている。配列領域Ｒは、Ｘ軸方向において取出電極５Ｂ，５Ｂよりも内側に位置している。すなわち、配列領域Ｒは、Ｘ軸方向において、取出電極５Ｂ，５Ｂに挟まれた領域に位置している。これにより、配列領域Ｒに位置する微細改質部６のそれぞれは、積層方向から見た場合に、取出電極５Ｂ，５Ｂと重ならない領域に位置している。
【0043】
このような構成により、光検出器１の表面側から半導体光吸収層３に向かう入射光Ｉが取出電極５Ｂ，５Ｂに遮られることを抑制できる。なお、光検出器１を裏面入射型光検出器とする場合には、微細改質部６が配列される配列領域Ｒを、Ｘ軸方向において取出電極５Ａ，５Ａよりも内側に位置させればよい。これにより、光検出器１の裏面側から半導体光吸収層３に向かう入射光Ｉが取出電極５Ａ，５Ａに遮られることを抑制できる。
【0044】
微細改質部６は、改質部７及び空洞部８の少なくとも一方によって構成されている。本実施形態では、図３に示すように、一つの改質部７及び一つの空洞部８の組を単位として一つの微細改質部６が構成されている。本実施形態では、微細改質部６のそれぞれにおいて、改質部７と空洞部８とは、積層方向に並んだ状態となっている。改質部７は、半導体光吸収層３の第２面３ｂ側に位置しており、空洞部８は、半導体光吸収層３の第１面３ａ側に位置している。
【0045】
微細改質部６のそれぞれにおいて、改質部７と空洞部８とは、積層方向に接していてもよく、積層方向に離間していてもよい。改質部７と空洞部８とが積層方向に離間している場合、改質部７及び空洞部８のそれぞれが、レーザ光Ｆによる改質の影響を受けていない非改質部である半導体光吸収層３によって囲まれた状態となる。
【0046】
改質部７及び空洞部８のそれぞれは、入射光Ｉを散乱させる散乱体として機能する。改質部７は、例えばアモルファスＳｉによって構成されている。このアモルファスＳｉは、半導体光吸収層３を構成するＳｉがレーザ光Ｆによって改質されることによって形成されている。空洞部８は、半導体光吸収層３を構成するＳｉがレーザ光Ｆによって消失することによって形成されている。微細改質部６が配列される配列領域Ｒの全体で見れば、微細改質部６のそれぞれの空洞部８は、半導体光吸収層３の内部に多孔質Ｓｉ構造を形成している。
【0047】
積層方向に対する微細改質部６の長さＬは、半導体光吸収層３における空乏層位置の範囲に合わせて調整されている。ここでは、長さＬは、改質部７及び空洞部８を含めた長さである。すなわち、長さＬは、改質部７における第２面３ｂ側の端から空洞部８における第１面３ａ側の端までの長さである。一例として、長さＬは、１μｍ～２０μｍ程度となっている。
【0048】
交差方向に対する微細改質部６の幅Ｗは、入射光Ｉの波長以下となっている。ここでは、幅Ｗは、交差方向に対する改質部７及び空洞部８の幅が最大となる部分の幅である。本実施形態では、入射光Ｉの波長が１２００ｎｍ近辺となっており、幅Ｗは、数百ｎｍ～１０００ｎｍ程度となっている。
【0049】
交差方向に対する微細改質部６の配列ピッチＰ１は、入射光Ｉに対する散乱体として機能と半導体光吸収層３の強度とのバランスを考慮して調整される。ここでは、配列ピッチＰ１は、一の微細改質部６の中心位置から、一の微細改質部６の隣の微細改質部６の中心位置までの長さである。一例として、配列ピッチＰ１は、１μｍ～５０μｍ程度となっている。
【0050】
上述のような微細改質部６は、図４に示すように、例えば二光子吸収によるレーザ加工技術を用いて形成することができる。図４の例では、光検出器１の表面、すなわち、第２導電型半導体層４の第２面４ｂ側から半導体光吸収層３に向けてレーザ光Ｆを照射している。加工に用いるレーザ光Ｆとしては、半導体光吸収層３を構成するＳｉに対する透過性を有する波長のレーザ光であればよい。レーザ光Ｆとしては、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ（波長：１０６４ｎｍ）を用いることができる。
【0051】
レーザ光Ｆをレンズ１０によって集光することで、第２導電型半導体層４にレーザ光Ｆによる改質の影響を与えることなく、半導体光吸収層３における狙い位置のみを改質することができる。予め設定された配列領域Ｒにおいてレーザ光Ｆの照射位置をＸ軸方向及びＹ軸方向に走査することにより、配列領域Ｒにおいて複数の微細改質部６が形成される。
【0052】
レーザ光Ｆの照射条件は、形成する微細改質部６の寸法、深さなどに応じて適宜調整される。一例として、レーザ光Ｆの照射条件は、以下のように設定される。
・出力：１００μＪ／パルス
・パルス幅：数十ｎｓ～数百ｎｓ
・繰返周波数：１００ｋＨｚ
・集光スポットサイズ：３．１４×１０－８ｃｍ２
・偏光状態：直線偏光
・出力：１００μＪ／パルス
・パルス幅：数十ｎｓ～数百ｎｓ
・繰返周波数：１００ｋＨｚ
・集光スポットサイズ：３．１４×１０－８ｃｍ２
・偏光状態：直線偏光
【0053】
以上説明したように、光検出器１では、半導体光吸収層３の内部に微細改質部６が設けられており、当該微細改質部６によって入射光Ｉが散乱することで局在不均一電場が形成される。これにより、局在不均一電場の発生位置と半導体光吸収層３での空乏層位置とを一致若しくは近接させることが可能となり、半導体光吸収層３での局在不均一電場の効果を十分に発揮させることができる。したがって、光検出器１では、検出感度の向上が図られる。また、光検出器１では、微細改質部６を用いることで、半導体光吸収層３の表面から空乏層位置に至るエッチングが必ずしも必要ではなくなる。このため、空乏層位置の近傍でエッチングに起因する半導体層の欠陥の発生を回避でき、暗電流の発生を抑制することができる。
【0054】
本実施形態では、微細改質部６の形成に二光子吸収によるレーザ加工技術を用いている。このため、ナノパターニングやドライエッチングといった複雑な半導体プロセス技術は不要であり、光検出器１の製造工程の簡単化が図られる。このことは、光検出器１の製造歩留まりの向上にも寄与する。また、光検出器１では、微細改質部６によって散乱体を形成しており、取出電極５Ａ，５Ｂを除いて金属の使用を省くことができる。したがって、金属による入射光Ｉの吸収損失を好適に抑制できると共に、光検出器１の製造コストの低減化が図られる。
【0055】
光検出器１では、微細改質部６が第１導電型半導体層２に対する半導体光吸収層３の積層方向に交差する交差方向に配列されている。これにより、半導体光吸収層３が拡がるＸ軸方向及びＹ軸方向に広く局在不均一電場を形成できる。したがって、入射光Ｉに対する受光面を十分に確保できる。
【0056】
光検出器１では、微細改質部６の周囲が半導体光吸収層３によって囲まれている。これにより、微細改質部６の周囲の全体を局在不均一電場の形成に寄与させることができる。また、微細改質部６の周囲にレーザ光Ｆによる改質の影響を受けていない非改質部が位置することで、半導体光吸収層３の強度も十分に維持できる。
【0057】
光検出器１では、微細改質部６が改質部７及び空洞部８によって構成されている。これにより、微細改質部６によって入射光Ｉを高い効率で散乱させることができる。したがって、半導体光吸収層３での局在不均一電場の効果を更に高めることができる。
【0058】
光検出器１では、交差方向に対する微細改質部６の幅Ｗが入射光Ｉの波長以下となっている。これにより、入射光Ｉに起因する散乱光を微細改質部６と半導体光吸収層３との界面付近に好適に生じさせることができる。したがって、半導体光吸収層３での局在不均一電場の効果を更に高めることができる。
【0059】
光検出器１では、局在不均一電場の形成によって半導体光吸収層３で生じる光電流を取り出す取出電極５Ｂが第２導電型半導体層４上に設けられている。この構成によれば、半導体光吸収層３で生じる光電流を取り出すにあたって、半導体光吸収層３と取出電極５Ｂとが接する場合に比べて、ショットキー接合に起因する暗電流の発生を抑制することができる。
【0060】
光検出器１では、積層方向から見た場合に、微細改質部６が取出電極５Ｂと重ならない領域に位置している。このような構成によれば、微細改質部６に向かう入射光Ｉが取出電極５Ｂで遮られることが抑制されるため、入射光Ｉに対する受光面を十分に確保できる。また、半導体光吸収層３において、取出電極５Ｂの直下に半導体光吸収層３の非改質部が位置するため、半導体光吸収層３の強度も十分に維持できる。
【0061】
本開示は、上記実施形態に限られるものではない。例えば図５に示すように、微細改質部６が第１導電型半導体層２に対する半導体光吸収層３の積層方向に複数段に配列されていてもよい。図５の例では、微細改質部６は、積層方向に所定の間隔をもって２段に配列されている。微細改質部６は、積層方向に所定の間隔をもって３段以上に配列されていてもよい。微細改質部６が配列される配列領域Ｒ，Ｒ間には、レーザ光Ｆによる改質の影響を受けていない非改質部が位置している。
【0062】
このような構成によれば、半導体光吸収層３の厚さ方向に深く局在不均一電場を形成できる。したがって、半導体光吸収層３において積層方向に空乏層位置が広く存在する場合であっても、局在不均一電場の発生位置と半導体光吸収層３での空乏層位置とをより確実に一致若しくは近接させることが可能となる。また、複数段の微細改質部６，６同士の間に非改質部が位置することで、半導体光吸収層３の強度も十分に維持できる。
【0063】
積層方向に対する微細改質部６の配列ピッチＰ２は、入射光Ｉに対する散乱体として機能と半導体光吸収層３の強度とのバランスを考慮して調整される。ここでは、配列ピッチＰ２は、図６に示すように、一方の配列領域Ｒにおける微細改質部６の空洞部８の第１面３ａ側の端から他方の配列領域Ｒにおける微細改質部６の改質部７の第２面３ｂ側の端までの長さである。配列ピッチＰ２は、例えば積層方向に対する微細改質部６の長さＬの１倍～５倍程度であってもよい。
【0064】
複数段の微細改質部６の形成には、上記実施形態と同様に、二光子吸収によるレーザ加工技術を用いることができる。また、当該レーザ加工技術に空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）を用いた多点レーザ加工技術を組み合わせることが好適である。この場合、複数段の微細改質部６をレーザ光Ｆの一度の走査で形成することができ、光検出器１の製造工程の複雑化を回避できる。
【0065】
上記実施形態では、積層方向から見て微細改質部６が格子状に配列されている構成を例示したが、微細改質部６の配列はこれに限られない。例えば微細改質部６は、積層方向から見て千鳥状に配列されていてもよく、ランダムに配列されていてもよい。微細改質部６が配列される配列領域Ｒは、積層方向から見て必ずしも矩形状をなしていなくてもよい。配列領域Ｒは、積層方向から見て、円形、楕円形、三角形、多角形などの他の形状をなしていてもよい。
【0066】
上記実施形態では、改質部７及び空洞部８の双方によって微細改質部６が構成されているが、微細改質部６は、改質部７及び空洞部８のいずれか一方によって構成されていてもよい。また、上記実施形態では、微細改質部６の形成にあたって、第２導電型半導体層４の第２面４ｂ側から半導体光吸収層３に向けてレーザ光Ｆを照射しているが、第１導電型半導体層２の第１面２ａ側から半導体光吸収層３に向けてレーザ光Ｆを照射してもよい。この場合、微細改質部６における改質部７及び空洞部８の位置関係は、図３の場合と反転することとなる。さらに、上記実施形態では、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型として各半導体層を例示したが、第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型としてもよい。
【符号の説明】
【0067】
１…光検出器、２…第１導電型半導体層、３…半導体光吸収層、４…第２導電型半導体層、５Ｂ…取出電極、６…微細改質部、７…改質部、８…空洞部、Ｉ…入射光。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】