特許 7488761 光検出器

(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】

(24)【登録日】2024-05-14

(45)【発行日】2024-05-22

(54)【発明の名称】光検出器

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/10 20060101AFI20240515BHJP

   H01L 31/108 20060101ALI20240515BHJP

【ＦＩ】

H01L31/10 H

H01L31/10 C

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020216822

(22)【出願日】2020-12-25

(65)【公開番号】P2022102216

(43)【公開日】2022-07-07

【審査請求日】2023-06-27

(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

【審査官】桂城 厚

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－００４７７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－００７３３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２２９７７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２１４７１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２７３８３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２８０３４５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１６－０１４４６５４（ＫＲ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３１／００－３１／０３９２

Ｈ０１Ｌ ３１／０８－３１／１１９

Ｈ０１Ｌ ３１／１８－３１／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１導電型の半導体によって構成され、第１面及び前記第１面に対向する第２面を有すると共に、前記第２面から突出する凸部が設けられた半導体ベース部と、
前記半導体ベース部の前記第１面又は前記第２面に設けられた第１の金属電極層と、
第２導電型の半導体によって構成され、前記半導体ベース部の前記第２面を覆う第１の部分と、前記凸部の側面を覆う第２の部分とを有する半導体層と、
前記凸部及び前記半導体層の前記第２の部分を挟むように前記半導体層に密着して設けられた第２の金属電極層と、を備え、
前記凸部、前記半導体層の前記第２の部分、及びこれらを挟む前記第２の金属電極層によってＭＩＭ共振器が形成され、
前記ＭＩＭ共振器の共振器長は、前記半導体ベース部及び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。

【請求項2】

前記半導体層において、前記第２の部分の厚さが前記第１の部分の厚さよりも小さくなっている請求項１記載の光検出器。

【請求項3】

前記半導体層は、前記凸部の頂面を覆う第３の部分を有し、
前記第２の金属電極層は、前記半導体層の前記第３の部分を覆うと共に、前記凸部及び前記半導体層の前記第２の部分を挟む部分同士を繋ぐ電極部分を有する請求項１又は２記載の光検出器。

【請求項4】

前記凸部の頂面には、当該頂面と前記半導体層の前記第２の部分とに跨る絶縁層が設けられ、
前記第２の金属電極層は、前記絶縁層を覆う電極部分を有する請求項１又は２記載の光検出器。

【請求項5】

前記表面プラズモンの波長をλｐとした場合に、前記半導体層の前記第１の部分からの前記凸部の高さＨが、２／８λｐ＜Ｈ＜５／８λｐを満たす請求項１～４のいずれか一項記載の光検出器。

【請求項6】

前記凸部は、前記半導体ベース部の前記第２面の面内方向に一定の間隔で複数設けられており、
前記表面プラズモンの波長をλｐとした場合に、一の凸部の側面から隣の凸部の同側面までのピッチＰが、９／１０λｐ＜Ｐ＜１１／１０λｐを満たす請求項１～５のいずれか一項記載の光検出器。

【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】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５９５２１０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

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、半導体ベース部と金属電極層との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、受光領域となる半導体の空乏層位置の制御を容易化する工夫も必要となる。

【0005】

本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、半導体ベース部と金属電極層との間の短絡の防止及び半導体における空乏層位置の制御の容易化により、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。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一側面に係る光検出器は、第１導電型の半導体によって構成され、第１面及び第１面に対向する第２面を有すると共に、第２面から突出する凸部が設けられた半導体ベース部と、半導体ベース部の第１面又は第２面に設けられた第１の金属電極層と、第２導電型の半導体によって構成され、半導体ベース部の第２面を覆う第１の部分と、凸部の側面を覆う第２の部分とを有する半導体層と、凸部及び半導体層の第２の部分を挟むように半導体層に密着して設けられた第２の金属電極層と、を備え、凸部、半導体層の第２の部分、及びこれらを挟む第２の金属電極層によってＭＩＭ共振器が形成され、ＭＩＭ共振器の共振器長は、半導体ベース部及び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。

【0007】

この光検出器では、半導体層の第１の部分が半導体ベース部の第２面を覆うことにより、当該第１の部分に半導体ベース部と第２の金属電極層と間の短絡を防止する機能を持たせることができる。この構成によれば、凸部が設けられた半導体ベース部の第２面に絶縁層を別途形成する工程を省略できるため、製造工程の簡単化が図られる。また、この光検出器では、半導体層の第２の部分が半導体ベース部の第２面から突出する凸部の側面を覆い、さらに、凸部及び半導体層の第２の部分を挟むように第２の金属電極層が設けられることにより、ＭＩＭ共振器が形成されている。受光領域となる半導体の空乏層は、凸部と半導体層との間の界面から凸部の中心側に向かって形成され、空乏層位置は、凸部及び半導体層のキャリア濃度の調整によって容易に制御できる。以上により、この光検出器では、製造歩留まりの向上を実現できる。

【0008】

半導体層において、第２の部分の厚さが第１の部分の厚さよりも小さくなっていてもよい。この場合、ＭＩＭ共振器によって発生する電場において、電場の勾配が急峻な領域を空乏層の範囲内に大きく形成することができる。したがって、入射光の光電変換効率を向上でき、また、検出の応答性を向上できる。

【0009】

半導体層は、凸部の頂面を覆う第３の部分を有し、第２の金属電極層は、半導体層の第３の部分を覆う電極部分を有していてもよい。この構成では、第２の半導体層上に第２の金属電極層を形成した後のリフトオフが不要となる。したがって、製造工程の更なる簡単化が図られる。

【0010】

凸部の頂面には、当該頂面と半導体層の第２の部分とに跨る絶縁層が設けられ、第２の金属電極層は、絶縁層を覆うと共に、凸部及び半導体層の第２の部分を挟む部分同士を繋ぐ電極部分を有していてもよい。この場合、凸部の頂面に半導体層が設けられる形態と比較して、表面プラズモンの共振により形成される電場の利用効率を向上できる。また、例えば半導体ベース部のエッチングに用いるマスクを絶縁層として残すことで、製造工程の複雑化も回避できる。

【0011】

表面プラズモンの波長をλｐとした場合に、半導体層の第１の部分からの凸部の高さＨが、２／８λｐ＜Ｈ＜５／８λｐを満たしていてもよい。凸部の高さＨは、ＭＩＭ共振器における共振器長に対応する。高さＨを上記範囲とすることで、入射光の反射を抑制できる。したがって、入射光の大部分を近接場光の成分とすることが可能となり、凸部での電場の形成効率の向上が図られる。

【0012】

凸部は、半導体ベース部の第２面の面内方向に一定の間隔で複数設けられており、表面プラズモンの波長をλｐとした場合に、一の凸部の側面から隣の凸部の同側面までのピッチＰが、９／１０λｐ＜Ｐ＜１１／１０λｐを満たしていてもよい。この場合、隣り合うＭＩＭ共振器間での干渉光化を利用し、電場の形成効率の向上を実現できる。

【発明の効果】

【0013】

本開示によれば、半導体ベース部と金属電極層との間の短絡の防止及び半導体における空乏層位置の制御の容易化により、製造歩留まりの向上が図られる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】（ａ）は、第１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り、（ｂ）は、その平面図である。

【図2】（ａ）は、図１に示した光検出器の製造工程を示す概略的な断面図であり、（ｂ）は、その後続の工程を示す概略的な断面図である。

【図3】（ａ）は、図２（ｂ）の後続の工程を示す概略的な断面図であり、（ｂ）は、その後続の工程を示す概略的な断面図である。

【図4】（ａ）は、第２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り、（ｂ）は、その平面図である。

【図5】（ａ）は、第３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り、（ｂ）は、その平面図である。

【図6】（ａ）は、第４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り、（ｂ）は、その平面図である。

【図7】（ａ）～（ｃ）は、変形例に係る光検出器の構成を示す平面図である。

【図8】変形例に係る光検出器の構成を示す概略的な断面図である。

【図9】実施例及び比較例に係る光検出器の分光感度の波長特性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

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。
［第１実施形態］

【0016】

図１（ａ）は、第１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り、図１（ｂ）は、その平面図である。同図に示すように、光検出器１Ａは、半導体ベース部２と、第１の半導体層３と、第１の金属電極層４と、第２の半導体層（半導体層）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、便宜上、第１の金属電極層４側を光検出器１Ａの裏面側と規定し、第２の金属電極層６側を光検出器１Ａの表面側と規定する。光検出器１Ａは、入射光Ｉが表面側（第２の金属電極層６側）から入射する表面入射型光検出器となっている。

【0017】

光検出器１Ａでは、半導体の吸収端波長（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、半導体内での電子遷移が可能となる。光検出器１Ａでは、半導体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１２５０ｎｍ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。

【0018】

半導体ベース部２は、例えば導電型がｎ型のＳｉからなる半導体によって構成されている。半導体ベース部２は、平面視において矩形の基板であり、第１面２ａ及び第１面２ａに対向する第２面２ｂを有している。ここでは、第１面２ａは、光検出器１Ａの裏面側を向く面であり、第２面２ｂは、光検出器１Ａの表面側を向く面である。半導体ベース部２の厚さ（第１面２ａから第２面２ｂまでの厚さ）は、例えば５０μｍとなっている。

【0019】

第１の半導体層３は、導電型がｎ＋型のＳｉからなる半導体によって構成されている。第１の半導体層３は、半導体ベース部２の第２面２ｂ側の全面にわたって設けられている。第１の半導体層３の厚さは、例えば半導体ベース部２へのドーピングによって第１の半導体層３を形成する場合には、１μｍ程度となっている。その他、例えば厚さ５０μｍのｎ－型のエピタキシャル成長層を有する十分な厚さのｎ＋型の基板を用い、当該基板の透過率の向上のために、ｎ＋型の基板を５０μｍの厚さまで研磨する手法も採り得る。この場合、厚さが５０μｍの半導体ベース部２と、厚さが５０μｍの第１の半導体層３とを得ることができる。

【0020】

半導体ベース部２は、第２面２ｂから突出する凸部７を有している。凸部７の両脇は、それぞれ凹部８となっている。すなわち、半導体ベース部２の第２面２ｂには、凸部７及び凹部８による微細な凹凸構造が設けられている。本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、凸部７は、平面視において矩形状をなし、半導体ベース部２の第２面２ｂの面内方向の一方向に直線状に延在している。図１（ｂ）の例では、凸部７は、半導体ベース部２の第２面２ｂの一端から他端に至るまで延在している。第２面２ｂからの凸部７の高さＨａは、凸部７の幅Ｗよりも大きくなっている。一例として、凸部７の高さＨａは、１６０ｎｍとなっており、凸部７の幅Ｗは、７０ｎｍとなっている。凸部７の高さＨａと凸部７の幅Ｗとの関係は、これに限られず、凸部７の高さＨａが凸部７の幅Ｗと等しくなっていてもよく、凸部７の高さＨａが凸部７の幅Ｗよりも小さくなっていてもよい。

【0021】

凸部７は、突出方向の先端に位置する頂面７ａと、幅Ｗ方向に互いに対向する一対の側面７ｂ，７ｂとを有している。頂面７ａは、半導体ベース部２の第２面２ｂと平行な矩形状の面となっており、側面７ｂは、半導体ベース部２の第２面２ｂと直交する矩形状の面となっている。凸部７の両脇に位置する凹部８の底面は、半導体ベース部２の第２面によって画成され、凹部８の内側面は、凸部７の側面７ｂによって画成されている。

【0022】

第１の金属電極層４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。第１の金属電極層４は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、インジウム（Ｉｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）等の金属によって形成されている。第１の金属電極層４は、これらの金属を含めた化合物材料であってもよい。第１の金属電極層４は、第１の半導体層３の全面に密着し、第１の半導体層３との間でオーミック接合を形成している。第１の金属電極層４の厚さは、例えば１００ｎｍとなっている。第１の金属電極層４は、単層に限られず、複数層で構成されていてもよい。

【0023】

第２の半導体層５は、例えば導電型がＰ＋型のＳｉからなる半導体によって構成されている。第２の半導体層５のキャリア濃度は、半導体ベース部２（凸部７）のキャリア濃度よりも高くなっている。第２の半導体層５は、半導体ベース部２の第２面２ｂを覆う第１の部分１１と、凸部７の側面７ｂを覆う第２の部分１２とを有している。第１の部分１１及び第２の部分１２は、いずれも凹部８に位置している。第１の部分１１は、凹部８の底面において半導体ベース部２の第２面２ｂの全面を覆うように設けられている。第２の部分１２は、凹部８の内側面において凸部７の側面７ｂの全面を覆うように設けられている。第１の部分１１と半導体ベース部２の第２面２ｂとの界面、及び第２の部分１２と凸部７の側面７ｂとの界面では、半導体のｐｎ接合がそれぞれ形成されている。

【0024】

図１（ａ）の例では、第１の部分１１の厚さＴ１及び第２の部分１２の厚さＴ２は、互いに等しくなっている。一例として、第１の部分１１の厚さＴ１及び第２の部分１２の厚さＴ２は、４０ｎｍとなっている。凸部７の頂面７ａは、第２の半導体層５には覆われておらず、光検出器１Ａを表面側から見た平面視においては、図１（ｂ）に示すように、一方の側面７ｂを覆う第２の部分１２と、他方の側面７ｂを覆う第２の部分１２とが、頂面７ａと共に半導体ベース部２の第２面２ｂの一端から他端に至るまで延在している。

【0025】

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２の金属電極層６は、例えば金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、インジウム（Ｉｎ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属によって形成されている。第２の金属電極層６は、これらの金属を含めた化合物材料であってもよい。第２の金属電極層６は、凸部７の両脇の凹部８のそれぞれを埋めており、凸部７及び第２の半導体層５の第２の部分１２を挟むように設けられている。第２の金属電極層６は、凹部８の底面側において第２の半導体層５の第１の部分１１に密着すると共に、凹部８の内側面側において第２の半導体層５の第２の部分１２に密着し、第２の半導体層５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、単層に限られず、複数層で構成されていてもよい。

【0026】

図１（ａ）の例では、第２の金属電極層６の高さＫは、第２の半導体層５の第１の部分１１からの凸部７の高さＨ（＝Ｈａ－Ｔ１）と一致している。一例として、第２の金属電極層６の高さＫ及び第１の部分１１からの凸部７の高さＨは、１２０ｎｍとなっている。これにより、第２の金属電極層６の頂面は、凸部７の頂面７ａと面一となっている。また、凸部７の頂面７ａと、頂面７ａの両脇の第２の部分１２，１２とは、第２の金属電極層６から露出した状態となっている（図１（ｂ）参照）。

【0027】

凸部７、第２の半導体層５の第２の部分１２、及びこれらを挟む第２の金属電極層６，６は、図１（ａ）に示すように、Ｍｅｔａｌ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－Ｍｅｔａｌ共振器（以下、「ＭＩＭ共振器」）１３を構成している。ＭＩＭ共振器１３の接合方向Ａは、第２の金属電極層６－第２の半導体層５の第２の部分１２－凸部７－第２の半導体層５の第２の部分１２－第２の金属電極層６が並ぶ方向であり、半導体ベース部２の第２面２ｂの面内方向と一致している。

【0028】

ＭＩＭ共振器１３の共振器長Ｌは、凸部７の側面７ｂに密着している第２の半導体層５の第２の部分１２及び第２の金属電極層６の密着幅によって規定される。図１（ａ）の例では、ＭＩＭ共振器１３の共振器長Ｌは、第２の半導体層５の第１の部分１１からの凸部７の高さＨと一致している。また、ＭＩＭ共振器１３の共振器長Ｌは、第２の金属電極層６の高さＫとも一致している。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。

【0029】

表面プラズモンの波長をλｐとした場合、ＭＩＭ共振器１３の共振器長Ｌ、すなわち、第２の半導体層５の第１の部分１１からの凸部７の高さＨは、２／８λｐ＜Ｈ＜５／８λｐを満たしていることが好ましい。入射光Ｉの波長をλ０とし、半導体ベース部２の誘電率をεｄとし、第２の金属電極層６の誘電率をεｍとした場合、表面プラズモンの波長λｐは、λｐ＝λ０×（（εｍ＋εｄ）／（εｍ－εｄ））^１／２により求めることができる。入射光の波長λ０が１２５０ｎｍである場合、表面プラズモンの波長λｐは、約３４０ｎｍと見積もられる。この場合、第１の部分１１からの凸部７の高さＨは、８５ｎｍ～２１３ｎｍの範囲であることが好ましい。

【0030】

図１（ａ）の例では、第１の部分１１からの凸部７の高さＨが１２０ｎｍであり、波長１２５０ｎｍの光の共鳴に対応する。このとき、ＭＩＭ共振器１３によって凸部７付近に発生する電場は、凸部７の幅方向の両側で最大となり、凸部７の幅方向の中心付近でゼロとなる。したがって、凸部７付近に発生する電場は、凸部７の幅Ｗ程度の狭い領域で最大からゼロまで急峻に変化する。

【0031】

一例として、第２の半導体層５のキャリア濃度を１×１０^１８ｃｍ^－３以上とし、凸部７のキャリア濃度を１×１０^１７ｃｍ^－３以下とすると、第２の半導体層５の第２の部分１２と凸部７の側面７ｂとによるｐｎ接合の界面から凸部７の幅方向の中心側に１１０ｎｍ以上にわたって空乏層を形成できる。これにより、電場が急峻に変化する領域に空乏層を位置させることが可能となり、入射光Ｉの光電変換を効率良く生じさせることができる。本実施形態では、入射光Ｉの光電変換で得られた光電流は、凸部７の幅方向の中心側から凸部７の両脇の第２の金属電極層６，６のそれぞれに向かって流れることとなる。

【0032】

また、第２の部分１２の厚さＴ２を１００ｎｍ以下とし、凸部７の幅と凸部７を挟む第２の部分１２の幅とを合わせた幅（＝Ｗ＋２×Ｔ２）を２５０ｎｍ以下とすると、ＭＩＭ共振器１３によって凸部７付近に発生する電場を十分に高めることが可能となり、電場が急峻に変化する領域に空乏層を位置させることが容易となる。

【0033】

上述した光検出器１Ａを製造する場合、まず、図２（ａ）に示すように、半導体ベース部２を準備し、半導体ベース部２の一方面において、凸部７の形成位置に対応するレジスト層１５をパターニングする。レジスト層１５のパターニングには、例えば電子線描画装置を用いることができる。次に、半導体ベース部２の一方面側をエッチングする。これにより、図２（ｂ）に示すように、レジスト層１５が形成された部分に凸部７が形成され、レジスト層１５が形成されていない部分に凸部７を挟む凹部８，８が形成される。レジスト材料としては、電子線描画において一般的に用いられる材料、例えば非化学増幅型のポジ型電子線レジストやポリメタクリル酸メチル樹脂などを用いることができる。エッチング手法としては、例えば六フッ化硫黄（ＳＦ_６）と八フッ化シクロブタン（Ｃ_４Ｆ_８）とを用いたドライエッチングが挙げられる。

【0034】

次に、半導体ベース部２の一方面側にドーピングを行い、その後、レジスト層１５を除去する。凹部８の底面部分及び凸部７の側面部分にドーパントが注入されることで、図３（ａ）に示すように、当該注入部分に第２の半導体層５が形成される。すなわち、半導体ベース部２の第２面２ｂを覆う第２の半導体層５の第１の部分１１と、凸部７の側面７ｂを覆う第２の半導体層５の第２の部分１２とが形成される。ドーパントとしては、例えばホウ素（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）等が挙げられる。

【0035】

第２の半導体層５の形成の後、ドーパントの活性化のためのアニーリングを実施する。アニーリングの実施の後、蒸着によって第２の金属電極層６を第２の半導体層５上に形成する。そして、第２の金属電極層６をリフトオフ若しくはエッチバックし、図３（ｂ）に示すように、凸部７の頂面７ａ及び第２の半導体層５の第２の部分１２を第２の金属電極層６から露出させる。この後、半導体ベース部２の第１面２ａ側にドーピングを行うことで、第１の半導体層３を形成し、蒸着によって第１の金属電極層４を第１の半導体層３上に形成することにより、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示した光検出器１Ａが得られる。なお、第１の半導体層３及び第１の金属電極層４の形成は、図２（ａ）に示したレジスト層１５の形成よりも前に実施してもよい。

【0036】

以上説明したように、光検出器１Ａでは、第２の半導体層５の第１の部分１１が半導体ベース部２の第２面２ｂを覆うことにより、当該第１の部分１１を半導体ベース部２と第２の金属電極層６と間の短絡を防止する機能を持たせることができる。この構成によれば、凸部７が設けられた半導体ベース部２の第２面２ｂに絶縁層を別途形成する工程を省略できるため、製造工程の簡単化が図られる。また、光検出器１Ａでは、第２の半導体層５の第２の部分１２が半導体ベース部２の第２面２ｂから突出する凸部７の側面７ｂを覆い、さらに、凸部７及び第２の半導体層５の第２の部分１２を挟むように第２の金属電極層６，６が設けられることにより、ＭＩＭ共振器１３が形成されている。

【0037】

ＭＩＭ共振器１３においては、受光領域となる半導体の空乏層が凸部７と第２の半導体層５の第２の部分１２との間の界面から凸部７の中心側に向かって形成され、空乏層位置は、凸部７及び第２の半導体層５のキャリア濃度の調整によって容易に制御できる。例えば入射光Ｉの共鳴に対応して第１の部分１１からの凸部７の高さＨを変更した場合でも、第２の半導体層５のキャリア濃度を調整することによって、ＭＩＭ共振器１３によって発生する電場の位置と空乏層位置との位置合わせを容易に行うことができる。以上により、光検出器１Ａでは、製造歩留まりの向上を実現できる。

【0038】

また、光検出器１Ａでは、表面プラズモンの波長をλｐとした場合に、第２の半導体層５の第１の部分１１からの凸部７の高さＨが、２／８λｐ＜Ｈ＜５／８λｐを満たしている。凸部７の高さＨは、ＭＩＭ共振器１３における共振器長Ｌに対応する。高さＨを上記範囲とすることで、入射光Ｉの反射を抑制できる。したがって、入射光Ｉの大部分を近接場光の成分とすることが可能となり、凸部７での電場の形成効率の向上が図られる。
［第２実施形態］

【0039】

図４（ａ）は、第２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り、図４（ｂ）は、その平面図である。同図に示すように、第２実施形態に係る光検出器１Ｂは、第２の半導体層５において、第２の部分１２の厚さＴ２が第１の部分１１の厚さＴ１よりも小さくなっている点で、第１実施形態と相違している。

【0040】

このような光検出器１Ｂにおいても、第１実施形態と同様に、半導体ベース部２と第２の金属電極層６との間の短絡の防止及び半導体における空乏層位置の制御の容易化により、製造歩留まりの向上が図られる。また、光検出器１Ｂでは、第２の部分１２の厚さＴ２が第１の部分１１の厚さＴ１よりも小さくなっていることで、ＭＩＭ共振器１３によって発生する電場において、電場の勾配が急峻な領域を空乏層の範囲内に大きく形成することができる。これにより、入射光Ｉの光電変換効率を向上でき、また、検出の応答性を向上できる。電場の勾配が急峻な領域を空乏層の範囲内に大きく形成する観点からは、第２の部分１２の厚さＴ２が第１の部分１１の厚さＴ１の半分以下となっていることが好適である。例えば第１の部分１１の厚さＴ１が４０ｎｍである場合、第２の部分１２の厚さＴ２は、２０ｎｍ若しくはそれ以下であることが好ましい。

【0041】

また、光検出器１Ｂでは、第１実施形態と比較すると、第２の金属電極層６，６の間隔が等しい場合に、第２の部分１２の厚さＴ２を小さくすることで、凸部７の幅Ｗを大きくすることができる。このため、ＭＩＭ共振器１３によって発生する電場において、電場の勾配が急峻な領域を空乏層の範囲内により大きく形成することができる。一方、光検出器１Ｂでは、第１の部分１１の厚さＴ１を厚く残すことで、空乏層が第２の金属電極層６と第２の半導体層５の第１の部分１１との界面から遠く離れるため、界面準位によるリーク電流の発生を抑制できる。かかる構成は、例えば、第２の半導体層５を形成する際のドーパントの注入を、凸部７の突出方向に沿う方向から指向性を持たせて行うことで実現できる。
［第３実施形態］

【0042】

図５（ａ）は、第２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り、図５（ｂ）は、その平面図である。同図に示すように、第３実施形態に係る光検出器１Ｃは、半導体ベース部２の凸部７及び第２の半導体層５が第２の金属電極層６に埋没している点で、第１実施形態と相違している。

【0043】

より具体的には、光検出器１Ｃでは、第２の半導体層５が凸部７の頂面７ａを覆う第３の部分２１を有している。第３の部分２１は、凸部７の頂面７ａの全体にわたって設けられており、凸部７の一方の側面７ｂを覆う第２の部分１２と、凸部７の他方の側面７ｂを覆う第２の部分１２とを連結している。図５（ａ）の例では、第３の部分２１の厚さＴ３は、例えば第１の部分１１の厚さＴ１及び第２の部分１２の厚さＴ２と一致している。光検出器１Ｃにおいて、第２実施形態のように第２の部分１２の厚さＴ２が第１の部分１１の厚さＴ１よりも小さくなっていてもよい。第３の部分２１の厚さＴ３は、第１の部分１１の厚さＴ１又は第２の部分１２の厚さＴ２よりも小さくなっていてもよい。

【0044】

また、光検出器１Ｃでは、第２の金属電極層６は、第２の半導体層５の第３の部分２１を覆う電極部分２２を有している。電極部分２２は、第２の半導体層５の第３の部分２１の全面にわたって設けられ、凸部７の一方の側面７ｂ側に位置する電極部分と、凸部７の他方の側面７ｂ側に位置する電極部分とを光検出器１Ｃの表面側で連結している。電極部分２２の厚さに特に制限はないが、図５（ａ）の例では、電極部分２２の厚さは、第２の半導体層５の第３の部分２１の厚さＴ３と一致している。

【0045】

このような光検出器１Ｃにおいても、第１実施形態と同様に、半導体ベース部２と第２の金属電極層６との間の短絡の防止及び半導体における空乏層位置の制御の容易化により、製造歩留まりの向上が図られる。この構成では、第２の半導体層５上に第２の金属電極層６を形成した後のリフトオフが不要となる。したがって、製造工程の更なる簡単化が図られる。

【0046】

光検出器１Ｃでは、表面側に凸部７が露出しないため、入射光Ｉが裏面側（第１の金属電極層４側）から入射する裏面入射型光検出器として用いることが好適である。この場合、光検出器１Ｃでは、裏面側から見た場合に第１の金属電極層４が凸部７と重ならないように、第１の金属電極層４に開口部２５を設けておくことが好ましい。光検出器１Ｃを裏面入射型とする場合、光の透過防止のために電極部分２２の厚さを３０ｎｍ以上としておくことが好ましい。
［第４実施形態］

【0047】

図６（ａ）は、第２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り、図６（ｂ）は、その平面図である。同図に示すように、第４実施形態に係る光検出器１Ｄは、凸部７の頂面７ａを覆う層が第２の半導体層５の第３の部分２１ではなく、絶縁層２７である点で第３実施形態と相違している。

【0048】

具体的には、光検出器１Ｄでは、凸部７の頂面７ａにおいて、当該頂面７ａと、凸部７の一方の側面７ｂを覆う第２の部分１２と、凸部７の他方の側面７ｂを覆う第２の部分１２とに跨る絶縁層２７が設けられている。また、第２の金属電極層６は、絶縁層２７を覆う電極部分２２を有している。電極部分２２は、絶縁層２７の全面にわたって設けられ、凸部７の一方の側面７ｂ側に位置する電極部分と、凸部７の他方の側面７ｂ側に位置する電極部分とを光検出器１Ｄの表面側で連結している。

【0049】

このような光検出器１Ｄにおいても、第１実施形態と同様に、半導体ベース部２と第２の金属電極層６との間の短絡の防止及び半導体における空乏層位置の制御の容易化により、製造歩留まりの向上が図られる。また、第３実施形態と同様に、第２の金属電極層６を形成した後のリフトオフが不要となるため、製造工程の更なる簡単化が図られる。光検出器１Ｄでは、凸部７の頂面７ａに第２の半導体層５が設けられる形態と比較して、表面プラズモンの共振により形成される電場の利用効率を向上できる。また、例えば半導体ベース部２のエッチングに用いるレジスト層１５（図２（ａ）及び図２（ｂ）参照）を絶縁層２７として残すことで、製造工程の複雑化も回避できる。

【0050】

光検出器１Ｄにおいても、表面側に凸部７が露出しないため、入射光Ｉが裏面側（第１の金属電極層４側）から入射する裏面入射型光検出器として用いることが好適である。光検出器１Ｄにおいても、裏面側から見た場合に第１の金属電極層４が凸部７と重ならないように、第１の金属電極層４に開口部２５を設けておくことが好ましい。
［変形例］

【0051】

本開示は、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、凸部７が半導体ベース部２の第２面２ｂの面内方向の一方向に直線状に延在しているが、凸部７は、例えば図７（ａ）に示すように、断面正方形状をなしていてもよい。この場合、偏光方向が互いに直交する入射光Ｉの検出が可能となる。すなわち、この構成では、偏光方向が凸部７の一の辺の長さＷ１方向に沿う入射光Ｉ、及び偏光方向が一の辺に直交する辺の長さＷ２方向に沿う入射光Ｉの検出が可能となる。凸部７の断面形状は、正方形状に限られず、円形状などの他の形状であってもよい。

【0052】

また、半導体ベース部２の第２面２ｂ側の凸部７及び凹部８による微細な凹凸構造は、周期的構造をなしていてもよい。この場合、例えば図７（ｂ）に示すように、半導体ベース部２の第２面２ｂの面内方向の一方向に直線状に延在する複数の凸部７が延在方向と直交する方向に一定の間隔で配列されていてもよい。また、例えば図７（ｃ）に示すように、断面正方形状の複数の凸部７が第２面２ｂの面内方向に一定の間隔で格子状に配列されていてもよい。

【0053】

図７（ｂ）及び図７（ｃ）のように凸部７を一定の間隔で配列する場合、表面プラズモンの波長をλｐとしたときに、一の凸部７の側面７ｂから隣の凸部７の同側面７ｂまでのピッチＰ（図８参照）が、９／１０λｐ＜Ｐ＜１１／１０λｐを満たすことが好ましい。凸部７のピッチＰが上記範囲を満たす場合、隣り合うＭＩＭ共振器１３，１３間での干渉光化を利用し、電場の形成効率の向上を実現できる。一例として、凸部７のピッチＰは、３５０ｎｍである。

【0054】

上記実施形態では、第１の金属電極層４が光検出器の裏面側に位置し、第２の金属電極層が光検出器１の表面側に位置する構成を例示したが、金属電極層の構成は、これに限られるものではない。例えば半導体ベース部２の第２面２ｂの一部を第２の半導体層５及び第２の金属電極層６から露出させ、当該露出部分において第１の半導体層３と同様な半導体層を形成し、当該半導体層上に第１の金属電極層４を配置してもよい。また、例えば半導体ベース部２の第２面２ｂの一部を第２の半導体層５及び第２の金属電極層６から露出させ、平面視において第２の金属電極層６と重ならない位置において、第１の半導体層３を貫通して半導体ベース部２に至る貫通部分を半導体ベース部２の第１面２ａ側の第１の金属電極層４に設ける構成としてもよい。

【0055】

上記実施形態では、半導体ベース部２の導電型がｎ、第１の半導体層３の導電型がｎ＋、第２の半導体層５の導電型がＰ＋となっているが、これらの導電型が反転していてもよい。導電型を反転させる場合、半導体ベース部２の導電型がｐ、第１の半導体層３の導電型がＰ＋、第２の半導体層５の導電型がｎ＋となる。
［実施例］

【0056】

図９は、実施例及び比較例に係る光検出器の分光感度特性を示すグラフである。同図のグラフは、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示した光検出器１Ａと同等の構成を有するサンプル（実施例）と、半導体ベース部２の第２面２ｂに凸部７を設けず、第２面２ｂに第２の半導体層５と第２の金属電極層６とを平坦に積層したサンプル（比較例）とにおいて、それぞれの分光感度の波長特性を比べたものである。グラフの横軸は波長であり、縦軸は分光感度（比較例の分光感度を１とする正規化値）である。

【0057】

同図に示すように、Ｓｉの吸収帯である波長１０００ｎｍ以下の範囲では、実施例においてＭＩＭ共振器によって凸部付近に発生する電場が十分でなく、比較例に対する分光感度の有意な差は見られなかった。波長１０００ｎｍよりも長波長側では、Ｓｉの吸収体のエッジに相当するため、Ｓｉの吸収が急激に低下し、入射光に対してＳｉがほぼ透明となる。この波長範囲において、実施例では、ＭＩＭ共振器によって凸部付近に発生する電場が生じ、当該電場が急峻に変化する領域に空乏層を位置させることで、入射光Ｉの光電変換を効率良く実施できる。図９の結果から、波長１０５０ｎｍ～１２００ｎｍの範囲において実施例の分光感度が比較例の約１．３倍となっており、良好な分光感度が得られていることが確認できた。

【符号の説明】

【0058】

１Ａ～１Ｄ…光検出器、２…半導体ベース部、２ａ…第１面、２ｂ…第２面、４…第１の金属電極層、５…第２の半導体層（半導体層）、６…第２の金属電極層、７…凸部、７ａ…頂面、７ｂ…側面、１１…第１の部分、１２…第２の部分、１３…ＭＩＭ共振器、２１…第３の部分、２２…電極部分、２７…絶縁層、Ｉ…入射光、Ｌ…共振器長、Ｔ１…第１の部分の厚さ、Ｔ２…第２の部分の厚さ、Ｈ…第１の部分からの凸部の高さ、Ｐ…ピッチ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】