特許 7587289 プラズモニック電界増強フォトディテクター及びイメージセンサー

(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】2024-11-12

(45)【発行日】2024-11-20

(54)【発明の名称】プラズモニック電界増強フォトディテクター及びイメージセンサー

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/08 20060101AFI20241113BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20241113BHJP

【ＦＩ】

H01L31/08 H

H01L27/146 D

H01L27/146 A

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2022543441

(86)(22)【出願日】2021-01-14

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-03-16

(86)【国際出願番号】 US2021013480

(87)【国際公開番号】W WO2021146457

(87)【国際公開日】2021-07-22

【審査請求日】2022-09-14

(31)【優先権主張番号】16/919,831

(32)【優先日】2020-07-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】62/961,029

(32)【優先日】2020-01-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】522283170

【氏名又は名称】キム，フン

(74)【代理人】

【識別番号】100091683

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼川 俊雄

(74)【代理人】

【識別番号】100179316

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 寛奈

(72)【発明者】

【氏名】キム，フン

【審査官】吉岡 一也

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１７２９０８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－０７６０８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２８０３４５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－０７５４６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１７５５４６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０２３７６１１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－２１２１２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２３２５９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００９／００６５８０１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００９／０２４３５８９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－１７１３９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２９１４７９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－２７１０４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５３７４５４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３１／０２－３１／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入射光を遮蔽し、表面プラズモン（ＳＰ＝Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ）に光波（Ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅ）の光子（Ｐｈｏｔｏｎ）が結合して生成される表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ＝Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ）を生成する金属層と、
生成された前記表面プラズモンポラリトンを吸収し、吸収された前記表面プラズモンポラリトンと局所電界（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ）効果によって励起された電荷がシリコン基板の表面に形成された絶縁膜を介してトンネリングされるようにする光吸収層と、
前記金属層の少なくとも一部が開放されたナノホールに形成された誘電体と、
トンネリングされる電子の電界効果（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）に基づいて光電流を誘起させる半導体層と、
を含み、
前記誘電体は、前記光吸収層の上部に形成されており、
前記表面プラズモンポラリトンは、前記金属層と前記誘電体が出会う周縁部分にＬＳＰ（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ）を形成することを特徴とするフォトディテクター。

【請求項2】

前記光子は、前記金属層によって遮蔽される前記入射光の光子であり、
前記表面プラズモンは、前記誘電体と前記金属層との接合面で生成され、
前記表面プラズモンポラリトンは、前記光子が前記表面プラズモンと相互作用して発生することを特徴とする、請求項１に記載のフォトディテクター。

【請求項3】

前記金属層は、前記ナノホールを通じて発生した前記表面プラズモンポラリトンが前記光吸収層に吸収されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のフォトディテクター。

【請求項4】

前記ナノホールには、空気より誘電率の高い物質が形成されることを特徴とする、請求項３に記載のフォトディテクター。

【請求項5】

前記ナノホールは、Ｓｉ_３Ｎ_４を含む物質で形成されることを特徴とする、請求項３に記載のフォトディテクター。

【請求項6】

前記金属層は、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、及び銀（Ａｇ）のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項２に記載のフォトディテクター。

【請求項7】

前記金属層は、表面から前記光吸収層まで延長され、発生した前記表面プラズモンポラリトンを前記光吸収層にガイドすることを特徴とする、請求項２に記載のフォトディテクター。

【請求項8】

入射光を遮蔽し、表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ＝Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ）を生成する金属表面と、
前記金属表面に形成された金属ナノホールアレイと、
前記金属ナノホールアレイと対応する位置に形成されるディテクターアレイと、
を含み、
前記ディテクターアレイは、
前記金属表面に形成された表面プラズモン（ＳＰ＝Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ）に光波（Ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅ）の光子（Ｐｈｏｔｏｎ）が結合して生成される表面プラズモンポラリトンを吸収し、吸収された前記表面プラズモンポラリトンと局所電界（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ）効果により励起された電荷がシリコン基板の表面に形成された絶縁膜を介してトンネリングされるようにする光吸収層と、
前記金属表面の少なくとも一部が開放された前記金属ナノホールアレイに形成された誘電体と、
トンネリングされる電子の電界効果（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）に基づいて光電流を誘起させる半導体層と、
を含み、
前記誘電体は、前記光吸収層の上部に形成されており、
前記表面プラズモンポラリトンは、前記金属表面と前記誘電体が出会う周縁部分にＬＳＰ（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ）を形成することを特徴とするイメージセンサー。

【請求項9】

前記光子は、前記金属表面によって遮蔽される前記入射光の光子であり、
前記表面プラズモンは、前記誘電体と前記金属表面との接合面で生成され、
前記表面プラズモンポラリトンは、前記光子が前記表面プラズモンと相互作用して発生することを特徴とする、請求項８に記載のイメージセンサー。

【請求項10】

前記金属表面は、
表面から前記光吸収層まで延長され、発生した前記表面プラズモンポラリトンを前記光吸収層にガイドすることを特徴とする、請求項９に記載のイメージセンサー。

【請求項11】

金属層にて、入射光を遮蔽し、表面プラズモン（ＳＰ＝Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ）に光波（Ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅ）の光子（Ｐｈｏｔｏｎ）が結合して生成される表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ＝Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ）を生成する段階と、
光吸収層にて、生成された前記表面プラズモンポラリトンを吸収し、吸収された前記表面プラズモンポラリトンと局所電界（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ）効果によって励起された電荷がシリコン基板の表面に形成された絶縁膜を介してトンネリングされるようにする段階と、
半導体層にて、トンネリングされる電子の電界効果（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）に基づいて光電流を誘起させる段階と、
を含み、
前記金属層の少なくとも一部が開放されたナノホールに誘電体が形成されており、
前記誘電体は、前記光吸収層の上部に形成されており、
前記表面プラズモンポラリトンは、前記金属層と前記誘電体が出会う周縁部分にＬＳＰ（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ）を形成することを特徴とする、フォトディテクターの動作方法。

【請求項12】

金属表面にて、入射光を遮蔽し、表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ＝Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ）を生成する段階と、
前記金属表面に形成された金属ナノホールアレイ、及び前記金属ナノホールアレイと対応する位置に形成されるディテクターアレイを用いて、光電流を生成する段階と、
を含み、
前記光電流を生成する段階は、
前記ディテクターアレイにおいて、前記金属表面に形成された表面プラズモン（ＳＰ＝Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ）に光波（Ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅ）の光子（Ｐｈｏｔｏｎ）が結合して生成される表面プラズモンポラリトンを生成する段階と、
光吸収層にて、生成された前記表面プラズモンポラリトンを吸収し、吸収された前記表面プラズモンポラリトンと、局所電界（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ）効果により励起された電荷がシリコン基板の表面に形成された絶縁膜を介してトンネリングされるようにする段階と、
半導体層にて、トンネリングされる電子の電界効果（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）に基づいて光電流を誘起させる段階と、
を含み、
前記金属表面の少なくとも一部が開放された前記金属ナノホールアレイに誘電体が形成されており、
前記誘電体は、前記光吸収層の上部に形成されており、
前記表面プラズモンポラリトンは、前記金属表面と前記誘電体が出会う周縁部分にＬＳＰ（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ）を形成することを特徴とするイメージセンサーの動作方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はプラズモニック電界増強フォトディテクターに関し、より詳細には、光が金属表面の自由電子と相互作用（Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）し、自由電子の集団的振動である表面プラズモン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ，ＳＰ）と光波（Ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅ）とが結合した形態である表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ，ＳＰＰ）を通じて誘電体との境界面に強力な増強電場（Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）を発生させる現象が適用された技術に関する。

【背景技術】

【0002】

フォトディテクターは、一般的なＭＯＳＦＥＴ構造と同様に、ソース、ドレインの間に電流が流れるように標準ＣＭＯＳ工程で製作される。

【0003】

しかしながら、光の入射をゲートに集中させると、光吸収層のあるゲート内のポリシリコンとドーピングされたイオン、酸化膜とシリコン基板との間の界面、シリコン基板などにおける光の励起活動が活発になる。また、この際にエネルギーを吸収した電荷は、酸化膜とシリコン基板との間に形成されるチャンネル領域や駆動電圧がかかっているドレイン電極などで酸化膜をトンネリングし、ゲートにその電荷が入ることになる。このようなトンネリングは、ゲートと酸化膜との間に空乏層を形成させて、ゲート全体の電荷量に変化を起こす。

【0004】

また、トンネリングによる電荷量とゲート電界の変化は、直ちにチャンネルのスレショルド電圧を下げる効果につながる。トンネリング後に、結局、ゲートに入射した光によりトランジスターのチャンネルに光電流が誘起される。なお、光を受け入れるゲートは、光に起因するチャンネルの光電流及び暗電流の大きさ、感度、ダイナミックレンジなどの出力信号の特性の調節、ピクセルリセット機能などを遂行可能に外部電極に連結されている構造で形成される。

【0005】

一般的なフォトディテクターは、ゲートに光を吸収させて光電変換を起こす構造で形成される。

【0006】

このような従来のフォトディテクターは、入射光の波長帯より小さいサイズのゲートには入射光が直接吸収されて光励起をさせることができないため、ディテクターの大きさとその構造を活用したイメージセンサーのピクセルの大きさを小さくすることに限界を有している。

【0007】

また、入射された光により直接励起された電荷から光電変換が発生する内部量子効率もさらに向上させる必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】韓国登録特許第１０－０５４４２３５号公報

【文献】韓国登録特許第１０－０４９９９５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明は、金属層（Ｍｅｔａｌ Ｌａｙｅｒｓ）を入射光と相互作用させ、誘電率が互いに異なる接合面で発生する表面プラズモン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ，ＳＰ）と表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ，ＳＰＰ）を通じて表面プラズモンポラリトンが光電流に直接寄与するように光電変換させることを目的とする。

【0010】

本発明は、入射光と金属層との相互作用により生成された表面プラズモンポラリトンと局所電界（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ）効果により励起された電荷を、絶縁膜を介して別の空間にトンネリングし、空間の電荷量及び空乏層の大きさの変化を起こした後、隣接した電流チャンネルのスレショルド電圧に影響を及ぼすことで、光感知能力を極大化させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

一実施例に係るフォトディテクターは、表面プラズモン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ，ＳＰ）に光波（Ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅ）の光子（Ｐｈｏｔｏｎ）が結合して生成される表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ，ＳＰＰ）を吸収し、光電流を生成することができる。

【0012】

一実施例に係るフォトディテクターは、前記吸収された表面プラズモンポラリトンにより発生するトンネリングにより光電流を誘起させ、前記光電流を生成することができる。

【0013】

一実施例に係るフォトディテクターは、入射光を遮蔽し、前記遮蔽される入射光の光子が誘電体との接合面で生成される表面プラズモンと相互作用して表面プラズモンポラリトンを発生する金属層、及び前記発生した表面プラズモンポラリトンを吸収し、前記吸収された表面プラズモンポラリトンと、局所電界（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ）効果により励起された電荷が、絶縁膜を介してトンネリングされるようにする光吸収層、及び前記トンネリングされる電子の電界効果（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）に基づいて光電流を誘起させる半導体層を含むことができる。

【0014】

一実施例に係る前記金属層は、少なくとも一部が開放されたナノホールを含み、前記ナノホールを通じて前記発生した表面プラズモンポラリトンが前記光吸収層に吸収されてよい。

【0015】

一実施例に係る前記ナノホールには、空気より誘電率の高い物質が形成されることを特徴とする。

【0016】

一実施例に係る前記ナノホールは、Ｓｉ_３Ｎ_４を含む物質から形成されてよい。

【0017】

一実施例に係る前記金属層は、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、及び銀（Ａｇ）のうち少なくとも一つを含んでよい。

【0018】

一実施例に係る前記金属層は、表面から前記光吸収層まで延長され、前記発生した表面プラズモンポラリトンを前記光吸収層にガイドすることができる。

【0019】

一実施例に係るイメージセンサーは、金属表面、前記金属表面に形成される金属ナノホールアレイ、及び前記金属ナノホールアレイと対応する位置に形成されるディテクターアレイを含み、前記ディテクターアレイは、前記金属表面で形成された表面プラズモン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ，ＳＰ）に光波（Ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅ）の光子（Ｐｈｏｔｏｎ）が結合して生成される表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ，ＳＰＰ）を吸収し、光電流を生成することができる。

【0020】

一実施例に係る前記ディテクターアレイは、前記吸収された表面プラズモンポラリトンにより発生するトンネリングにより光電流を誘起させて、前記光電流を生成することができる。

【0021】

一実施例に係る前記金属表面は、入射光を遮蔽し、前記遮蔽される入射光の光子が誘電体との接合面で生成される表面プラズモンと相互作用して表面プラズモンポラリトンを発生し、前記ディテクターアレイは、前記発生した表面プラズモンポラリトンを吸収し、前記吸収された表面プラズモンポラリトンと、局所電界（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ）効果により励起された電荷が、絶縁膜を介してトンネリングされるようにする光吸収層、及び前記トンネリングされる電子の電界効果（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）に基づいて光電流を誘起させる半導体層を含むことができる。

【0022】

一実施例に係る前記金属表面は、表面から前記光吸収層まで延長され、前記発生した表面プラズモンポラリトンを前記光吸収層にガイドすることができる。

【0023】

一実施例に係るフォトディテクターの動作方法は、表面プラズモン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ，ＳＰ）に光波（Ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅ）の光子（Ｐｈｏｔｏｎ）が結合して生成される表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ，ＳＰＰ）を吸収する段階、及び前記吸収された表面プラズモンポラリトンを用いて光電流を生成する段階を含むことができる。

【0024】

一実施例に係る前記光電流を生成する段階は、前記吸収された表面プラズモンポラリトンにより発生するトンネリングにより光電流を誘起させて、前記光電流を生成する段階を含むことができる。

【0025】

一実施例に係るイメージセンサーの動作方法は、金属表面に形成される金属ナノホールアレイと、前記金属ナノホールアレイと対応する位置に形成されるディテクターアレイを用いて光電流を生成する段階を含み、前記光電流を生成する段階は、前記ディテクターアレイにおいて、前記金属表面で形成された表面プラズモン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ，ＳＰ）に光波（Ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅ）の光子（Ｐｈｏｔｏｎ）が結合して生成される表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ，ＳＰＰ）を吸収する段階、及び前記吸収した表面プラズモンポラリトンを用いて光電流を生成する段階を含むことができる。

【0026】

一実施例に係る前記光電流を生成する段階は、前記吸収された表面プラズモンポラリトンにより発生するトンネリングにより光電流を誘起させて、前記光電流を生成する段階を含むことができる。

【発明の効果】

【0027】

一実施例によれば、金属層（Ｍｅｔａｌ Ｌａｙｅｒｓ）を入射光と相互作用させ、誘電率が互いに異なる接合面で発生する表面プラズモン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ，ＳＰ）と表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ，ＳＰＰ）を通じて表面プラズモンポラリトンが光電流に直接寄与するように光電変換させることができる。

【0028】

一実施例によれば、入射光と金属層との相互作用により生成された表面プラズモンポラリトンと局所電界（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ）効果により励起された電荷を、絶縁膜を介して別の空間にトンネリングし、空間の電荷量及び空乏層の大きさの変化を起こした後、隣接した電流チャンネルのスレショルド電圧に影響を及ぼすことで、光感知能力を極大化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】本発明の一実施例に係るフォトディテクターの構造を説明する図である。

【図2】本発明の一実施例に係るイメージセンサーを説明する図である。

【図3】エネルギーバンドダイヤグラムの光電流の生成メカニズムを説明する図である。

【図4】光電流チャンネルにおいて、表面プラズモンポラリトンを直接生成する実施例を説明する図である。

【図5】金属組成による表面プラズモンポラリトンを光吸収層まで直接伝播する実施例を説明する図である。

【図6】本発明に係る分光感度（ＩＰＣＥ，Ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｐｈｏｔｏｎ ｔｏ ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

本明細書に開示されている本発明の概念に係る実施例に対して特定の構造的又は機能的説明は、単に本発明の概念に係る実施例を説明するための目的で例示されたものであり、本発明の概念に係る実施例は、様々な形態で実施されてよく、本明細書に説明された実施例に限定されない。

【0031】

本発明の概念に係る実施例は、様々な変更を加えることができ、様々な形態を有することができるので、実施例を図面に例示し、本明細書に詳細に説明しようとする。ただし、これは、本発明の概念に係る実施例を特定の開示形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる変更、均等物、又は代替物を含む。

【0032】

第１又は第２などの用語は、様々な構成要素を説明するために使われるが、前記構成要素は前記用語により限定されることはない。前記用語は、ある構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ、例えば本発明の概念による権利範囲から離脱しないまま、第１構成要素は第２構成要素と命名されてよく、同様に第２構成要素は第１構成要素と命名されてもよい。

【0033】

ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いる、又は「接続されて」いると言及されたときは、他の構成要素に直接連結されていたり又は接続されていてもよいが、その中間にさらに他の構成要素が存在してもよいと理解しなければならない。一方、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いる、又は「直接接続されて」いると言及されたときは、その中間にさらに他の構成要素が存在しないものと理解しなければならない。構成要素間の関係を説明するための表現、例えば「～間に」と「直接～間に」又は「～に直接隣接する」なども同様に解釈しなければならない。

【0034】

本明細書で用いられた用語は単に特定の実施例を説明するためのもので、本発明を限定するものではない。単数の表現は、文脈上、明白に異なる意味をもたない限り、複数の表現を含む。本明細書において、「含む」又は「有する」などの用語は、説示された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品又はこれらを組み合わせたものが存在するということを指定しようとするものであって、一つ又はそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部分品又はこれらを組み合わせたものの存在又は付加の可能性を予め排除しないものと理解しなければならない。

【0035】

特に定義がない限り、技術的又は科学的な用語を含め、ここで使われる全ての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同一の意味を有する。一般的に使われる辞典に定義されているような用語は、関連技術の文脈上の意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、本明細書において明白に定義しない限り、理想的又は過度に形式的な意味として解釈されない。

【0036】

以下、実施例について添付図面を参照して詳細に説明する。ただし、特許出願の範囲がこのような実施例により制限されたり限定されるものではない。各図面に提示された同一な参照符号は同一な部材を示す。

【0037】

図１は、本発明の一実施例に係るフォトディテクター１００の構造を説明する図である。

【0038】

一実施例に係るフォトディテクター１００は、表面プラズモン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ，ＳＰ）に光波（Ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅ）の光子（Ｐｈｏｔｏｎ）が結合して生成される表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ，ＳＰＰ）を吸収する段階と、光電流を生成する段階で動作することができる。この際、フォトディテクター１００は、光電流を生成するため、吸収された表面プラズモンポラリトンにより発生するトンネリングにより光電流を誘起させて、光電流を生成することができる。

【0039】

また、フォトディテクター１００は、吸収された表面プラズモンポラリトンにより発生するトンネリングにより光電流を誘起させて、光電流を生成することができる。

【0040】

具体的に、一実施例に係るフォトディテクター１００は、金属層１０２、光吸収層１０４、及び半導体層１０５，１０６，１０７，１０８を含んでよい。

【0041】

金属層１０２は、入射光１０１を遮蔽し、遮蔽される入射光１０１の光子が誘電体との接合面で生成される表面プラズモンと相互作用して、表面プラズモンポラリトンを発生させる。

【0042】

また、光吸収層１０４は、発生した表面プラズモンポラリトンを吸収し、前記吸収された表面プラズモンポラリトンと、局所電界（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ）効果により励起された電荷が、絶縁膜を介して半導体層１０５，１０６，１０７，１０８にトンネリングされるようにする。

【0043】

半導体層１０５，１０６，１０７，１０８は、トンネリングされる電子の電界効果（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）に基づいて光電流を誘起させることができる。

【0044】

そのため、ノードＡ１０６、ノードＢ１０７、ノードＤ１０８は、シリコン基板に不純物のドーピング極性と濃度の差をおき、図１のように形成されてよい。また、絶縁体１０５を挟んでいるノードＣ１０４は、ポリシリコンや金属から形成されてよい。

【0045】

一実施例においては、光が入射される表面部の全体を金属層１０２によりシールドし、ノードＣは光吸収層１０４であって、上部には金属以外の誘電率の大きい誘電体をおき、金属層のないナノホール（Ｎａｎｏ ｈｏｌｅ）１０３を人為的に形成して、フォトディテクター１００を生成することができる。

【0046】

一実施例によると、ナノホール１０３には空気より誘電率の高い物質が形成されてよい。例えば、ナノホール１０３はＳｉ_３Ｎ_４を含む物質から形成されてよい。

【0047】

このような構造で、可視光と近赤外光の光が表面に到達すれば、波長がナノホール１０３のサイズより大きいため、金属のない部分を直接通過してしまい、半導体のエキシトンを生成できない状況となる。

【0048】

その代り、入射光が金属と相互作用（Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を起こし、表面プラズモンポラリトンに変換される。変換された表面プラズモンポラリトンは、表面の金属層１０２と誘電体の界面を伝播（Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）しながらナノホール１０３と出会う。

【0049】

表面プラズモンポラリトンは、金属層１０２と誘電体が出会う周縁部分にＬＳＰ（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ）を形成する。形成された表面プラズモンポラリトンは、強い電界増強（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ）を伴うため、シリコン基板方向への電界を発生させる原因となる。

【0050】

また、表面プラズモンポラリトンは、入射光から変換された波数（Ｗａｖｅ ｖｅｃｔｏｒ）に基づいて運動量とエネルギーが増加し、ポリシリコン、シリコン酸化膜と基板におけるエキシトン（Ｅｘｉｃｉｔｏｎ）とより効率的に作用し、多くの電荷を励起させる。

【0051】

この際、励起された電荷が金属表面のナノホール１０３の周縁（Ｅｄｇｅ）部分の強力な増強電界（Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）によりシリコン酸化膜をトンネリングしてノードＣ１０４に入り、ノードＣ１０４の全体電荷量を変化させる。

【0052】

結局、ノードＣ１０４の電荷量の変化は、シリコン酸化膜とシリコン界面に形成されている電流チャンネルのスレショルド電圧を変化させ、光電流を誘起する結果につながる。

【0053】

もし、ノードＣ１０４が、多量の電子が流入されるか或いは金属から形成された場合には、入射光により変換される表面プラズモンポラリトンがノードＡ１０６とノードＢ１０７との間に生成され、光電流として直接寄与する場合も考えることができる。

【0054】

本発明では、ナノフォトニックス（Ｎａｎｏ ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ）の世界において光束は一定でなく、光を停止させることもでき、光が金属表面の自由電子と相互作用（Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）して、自由電子の集団的振動である表面プラズモン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ，ＳＰ）及びそれと光波（Ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅ）とが結合した形態である表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ，ＳＰＰ）を通じて、誘電体との境界面に強力な増強電場（Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）を発生させる現象を、フォトディテクターに適用する。

【0055】

このような現象は、一般的な光が金属と相互作用して表面プラズモンポラリトンに変換されたことであるが、光の波長が圧縮されて運動量とエネルギーが増加した形態である新しい物理的性質によって半導体と反応することになる。また、表面金属層のサイズと構造を変化させることによって、表面プラズモンポラリトンの共鳴（Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）スペクトラムや散乱ピーク（Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｐｅａｋ）を制御することも可能になる。そうすると、フォトディテクターの動作及び構造上でいくつかの特殊な量子力学的（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）設計（Ｄｅｓｉｇｎ）を通じて、非常に効率的かつ画期的な光電変換（Ｐｈｏｔｏ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）特性を得ることができる。

【0056】

ＰＮ接合（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）構造を基本とする光ディテクターや既存のＰＡＴ－ＰＤ（Ｐｈｏｔｏｎ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ－Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）の光感知特性は、入射光の光子エネルギーから直接励起された電荷を電流や電圧に変換させる原理を適用している。したがって、ディテクターのサイズや入射光の角度などにより光電変換における内部量子効率が大きく影響され得る。しかし、本発明では、光と金属との相互作用で発生する表面プラズモンポラリトンと量子トンネリング現象を結合した構造及び動作原理を新概念の光ディテクターに適用すれば、その特性をイメージセンサーに拡張することができる。

【0057】

すなわち、金属と誘電体の接合面に存在する表面プラズモン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ）に光を入射させて生成された表面プラズモンポラリトンが、ナノサイズの人為的金属構造体に出会うと、局所的な（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ）電界増強（Ｐｌａｓｍｏｎｉｃ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｎｈａｎｃｅｄ）を起こし、入射光に比べて波数（Ｗａｖｅ ｖｅｃｔｏｒ）が大きくなる現象が発生する。この際、波数が大きくなるということは、入射光に比べてエネルギーと運動量は大きくなり、波長（Ｗａｖｅ ｌｅｎｇｔｈ）は小さくなることを意味するが、入射光が半導体に直接吸収されてエキシトン（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－Ｈｏｌｅ Ｐａｉｒ）を生成するよりは、入射光を金属の表面で表面プラズモンポラリトンに変換し、半導体と相互作用（Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）させて光励起に活用すれば、非常に高い内部量子効率の光電変換特性を得ることができる。これは、表面プラズモンポラリトンを効率的に生成して活用するためには、大きい誘電定数を有する物質を選択する他、構造的に特別に製作もしなければならないという意味でもある。

【0058】

一実施例に係る光電変化の動作原理及び構造は、次の通りである。受光部としては、量子効率（Ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）の低いＰＮ接合で構成されたディテクターを用いない。特に、受光部は、光により金属表面で生成された表面プラズモンポラリトンを、半導体で発生したエキシトン（Ｅｘｃｉｔｏｎ）と相互作用させ、この際に励起された電子（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ）を短時間で、絶縁体を挟んでいる特定空間にトンネリング（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ）させた後、そのトンネリングされた電子の電界（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）効果により光電流（Ｐｈｏｔｏ ｃｕｒｒｅｎｔ）を誘起させる形態の構造で製作する。この際、効率的なトンネリングを発生させる電界は、主に表面プラズモンポラリトンとナノ構造体により生成されたＬＳＰ（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ）とプラズモニック電界強化（Ｐｌａｓｍｏｎｉｃ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｎｈａｎｃｅｄ）効果を主に活用する。より具体的には、部分的に電界増強（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ）が発生するように受光部の表面金属層を数十から数百ナノサイズにオープンしながら残り部分を全て遮蔽（Ｓｈｉｅｌｄ）させる。金属のないオープンされた部分の物質には、主に空気（Ａｉｒ）に比べて誘電率（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｓｔａｎｔ）が大きいＳｉ_３Ｎ_４のような物質を用いて、入射光（Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｌｉｇｈｔ）が誘電体と金属の境界面までうまく到達できるように厚さなどを調節する。そうすると、金属との境界面には光子が表面プラズモンと相互作用し、表面プラズモンポラリトンが発生する。この際、金属表面に伝播される表面プラズモンポラリトンがナノサイズの非金属（ｎｏｎ ｍｅｔａｌｌｉｃ）誘電体に出会うと、ＬＳＰの発生と共に金属が終端する周縁（Ｅｄｇｅ）部分に電界増強現象を起こす。この電界増強が表面プラズモンポラリトンにより励起された電荷をトンネリングさせ、光電流を効率的に誘起させる。

【0059】

ところが、入射光がエネルギーと運動量の大きい表面プラズモンポラリトンに変換されてエキシトンと相互作用をしても、シリコンのバンドギャップエネルギーより小さいエネルギーを有する長波長帯、例えば１２００ｎｍ以上の波長のエキシトンの励起は、次のように別途の処理をしなければならない。

【0060】

まず、光が吸収（Ａｂｓｏｒｂ）される経路の特定部分に人為的な（Ａｒｔｉｆｉａｌ）局所界面準位（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｔａｔｅｓ）をシリコンのバンドギャップの内部に生成させる。普通は、装置を製造する前段階で、いくつかのシリコン基板の表面クリーニングなどにより初期シリコンのダングリングボンド（ｄａｎｇｌｉｎｇ ｂｏｎｄ）の結合状態（Ｂｏｎｄｉｎｇ ｓｔａｔｅ）を調整（Ｃｏｎｔｒｏｌ）することによって、長波長の吸収にエキシトンがうまく形成されるように制御する。ところが、別途のＮ、Ｇｅのような物質の１～２モノレイヤをシリコン表面と結合させた後、酸化膜（Ｏｘｉｄｅ Ｌａｙｅｒ）を形成して、局所準位（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｓｔａｔｅｓ）を別途に生成させることもできる。このようにバンドギャップの内部に形成された局所量子準位（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｓｔａｔｅｓ）は、表面プラズモンポラリトンとの相互作用を通じて電子正孔対（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－Ｈｏｌｅ Ｐａｉｒ）を遷移（Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）し、また、電気的信号に変換（Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）できるようになる。

【0061】

そうすると、このような場合、普通は局所量子準位（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｓｔａｔｅｓ）の密度が高くないため、効率的な光電変換（Ｐｈｏｔｏ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）特性は期待しにくい。ところが、本発明では、１２００ｎｍ以上の長波長を有する入射光がエキシトンを直接生成させず、金属と先に接触させて表面プラズモンポラリトンを発生させ、入射光の波数（Ｗａｖｅ ｖｅｃｔｏｒ）より表面プラズモンポラリトンの波数が大きくなる現象を用いた光電変換を行わせる。

【0062】

すなわち、入射光が、振動数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）は同一であるが光速（Ｌｉｇｈｔ Ｓｐｅｅｄ）が変わった表面プラズモンポラリトンに変換され、ナノサイズの受光部（Ｌｉｇｈｔ Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ Ａｒｅａ）に伝播（Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）されることが可能になり、局所量子準位（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｓｔａｔｅｓ）に捕獲された（Ｔｒａｐｐｅｄ）電子を非常に効率的に励起（Ｅｘｃｉｔｅ）させることが可能になる。

【0063】

一般的な光ディテクターであるＰＮ接合ダイオードの場合は、光吸収層（受光部）の面積が受光効率に直接的な影響を与えるため、高感度特性のためには光入射面積を大きくせざるを得ないのが現状である。しかし、本発明のように、ナノサイズの金属薄膜のナノホールの周辺で発生するプラズモン電界強化効果によりトンネリングされた電荷により、ゲートの電荷量が変わって光電流が誘起される構造及び動作原理上では、かえって光吸収面積が小さいほど光電変換効率が向上する。

【0064】

これは、入射光の波数（Ｗａｖｅ ｖｅｃｔｏｒ）より金属との相互作用で生成された表面プラズモンポラリトンの波数が大きくなり、エキシトンを励起させられるエネルギーと運動量が増加したからである。すなわち、金属ホールの大きさが小さくなると、単位面積当たりに発生する局所電界（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ）の密度が増加し、励起された電荷が酸化膜をトンネリングする確率がより大きくなり、それによる光電流も大量に生成されるため、光電変換効率が大きくなるのである。この際、金属層としては、一般にアルミニウムを用いることができるが、金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）のような貴金属（Ｐｒｅｃｉｏｕｓ Ｍｅｔａｌ）を表面にさらにコーティングし、表面プラズモンポラリトンの生成をより活性化させることもできる。

【0065】

図２は、本発明の一実施例に係るイメージセンサー２００を説明する図である。

【0066】

一実施例に係るイメージセンサー２００は、金属表面２０２、金属表面２０２に形成される金属ナノホールアレイ２０１、及び金属ナノホールアレイ２０１と対応する位置に形成されるディテクターアレイ２０３を含むことができる。

【0067】

また、一実施例に係るイメージセンサー２００の動作方法は、金属表面に形成される金属ナノホールアレイと、金属ナノホールアレイと対応する位置に形成されるディテクターアレイを用いて光電流を生成することができる。

【0068】

なお、光電流を生成するため、一実施例に係るイメージセンサー２００の動作方法は、ディテクターアレイにおいて、前記金属表面で形成された表面プラズモン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ，ＳＰ）に光波（Ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅ）の光子（Ｐｈｏｔｏｎ）が結合して生成される表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ，ＳＰＰ）を吸収する段階と、吸収した表面プラズモンポラリトンを用いて光電流を生成する段階とを含むことができる。

【0069】

一実施例に係る金属表面２０２は、入射光を遮蔽し、遮蔽される入射光の光子が誘電体との接合面で生成される表面プラズモンと相互作用し、表面プラズモンポラリトンを発生することができる。

【0070】

また、一実施例に係るディテクターアレイ２０３は、光吸収層２０６と半導体層２０７，２０８，２０９，２１０を含むことができる。

【0071】

ノードＣで示される光吸収層２０６は、発生した表面プラズモンポラリトンを吸収し、前記吸収された表面プラズモンポラリトンと、局所電界（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ）効果により励起された電荷が、絶縁膜を介してトンネリングされるようにすることができる。

【0072】

また、半導体層２０７，２０８，２０９，２１０は、トンネリングされる電子の電界効果（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）に基づいて光電流を誘起させることができる。

【0073】

例えば、ディテクターアレイ２０３は、金属表面２０２で形成された表面プラズモン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ，ＳＰ）に光波（Ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅ）の光子（Ｐｈｏｔｏｎ）が結合して生成される表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ，ＳＰＰ）を吸収し、光電流を生成することができる。

【0074】

一実施例によれば、ディテクターアレイ２０３の真上に金属ナノホールアレイ２０１を形成させることができる。形成される各金属ナノホール間の距離は、少なくとも数マイクロメーターであり、実質的に表面プラズモンポラリトンが伝播されて隣接した金属ナノホールまで影響を及ぼしにくい構造である。

【0075】

図２に示すように、表面プラズモンポラリトンは、入射光２０４から変換された波数（Ｗａｖｅ ｖｅｃｔｏｒ）に基づいて運動量とエネルギーが増加する。また、運動量とエネルギーが増加された表面プラズモンポラリトンは、ポリシリコン、シリコン酸化膜と基板におけるエキシトン（Ｅｘｉｃｉｔｏｎ）とより効率的に作用し、多くの電荷を励起させることができる。

【0076】

この際、励起された電荷が金属表面の金属ナノホール２０１の周縁（Ｅｄｇｅ）部分の強力な増強電界（Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）によりシリコン酸化膜をトンネリングして光吸収層に該当するノードＣ２０６に入り、ノードＣ２０６の全体電荷量を変化させることができる。また、変化された全体電荷量により、酸化膜と隣接した部分に空乏領域が生成されてチャンネルの電界に影響を及ぼす。結局、ノードＣ２０６における電荷量の変化は、シリコン酸化膜とシリコン界面に形成されている電流チャンネルのスレショルド電圧を変化させて、光電流を誘起する結果につながる。また、ノードＣ２０６の電圧を外部で調節すれば、感度、ダイナミックレンジ、信号の線形性などの出力特性なども自由に調節することができる。

【0077】

図３は、エネルギーバンドダイヤグラムの光電流生成メカニズムを説明する図である。

【0078】

図３は、フォトディテクター３００に対する３０１方向の断面によるエネルギー準位に基づく動作原理、３０２方向の断面によるエネルギー準位に基づく動作原理を説明する図である。

【0079】

まず、図面符号３１０においては、表面プラズモンポラリトンがポリシリコンゲート（Ｐｏｌｙ－Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｇａｔｅ）、ストレインドシリコン層（Ｓｔｒａｉｎｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｌａｙｅｒ）、バルクシリコン（Ｂｕｌｋ Ｓｉｌｉｃｏｎ）でそれぞれのエネルギー準位と相互作用し、電子－正孔対（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－Ｈｏｌｅ Ｐａｉｒ）を生成させることができる。また、電子－正孔対（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－Ｈｏｌｅ Ｐａｉｒ）の生成と同時に励起された電子は、図面符号３１０に示すように電界によりシリコン界面に形成されたチャンネルとノードＢなどで酸化膜をトンネリングする。また、電子は、トンネリングと共にＰ型にドーピングされたノードＣと酸化膜間のノードＣ領域を空乏化させる。

【0080】

図面符号３２０をみると、このように電子のトンネリングにより空乏化が発生したノードＣは、全体電荷量が変わる。これは、実質的にノードＡ、ノードＢ間のスレショルド電圧（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｖｏｌｔａｇｅ）に影響を及ぼすことになる。これは、ノードＣの電荷量の変化に影響を受ける電流チャンネル間の電界の大きさが変わったことと同一な効果があり、チャンネルコンダクタンス（Ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ）の変化量による光電流がチャンネルを通じて生成されることになる。

【0081】

この際、最終的にチャンネルコンダクタンスに影響を及ぼすのは、結局表面プラズモンポラリトンにより励起された電子のトンネリングによる現象である。すなわち、表面プラズモンポラリトンとの相互作用により各エネルギー準位が実質的に光ディテクターの波長反応特性を決定することになる。もし、光の入射が中断され、ダーク（Ｄａｒｋ）状態に置かれて表面プラズモンポラリトンの発生と相互作用が消えると、トンネリングされてノードＣを空乏化させた電子が再びノードＡとチャンネル領域に再トンネリングし、ノードＣの電荷量が元の状態に復元される。また、空乏層が減る方向に進み、チャンネルにおける表面プラズモンポラリトンによる光電流も自然に消える。

【0082】

図４は、光電流チャンネルにおいて、表面プラズモンポラリトンを直接生成する実施例４００を説明する図である。

【0083】

入射光により生成された表面プラズモンポラリトンは、金属層４０１の表面を伝播するが、金属ナノホールと誘電率が異なる誘電体に出会うと、表面プラズモンポラリトンの波数が変わる現象が発生する。このように、新しく生成された表面プラズモンポラリトンは、半導体基板４０３の方向に伝播される。この際、ナノホールのサイズによって共鳴周波数（Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）が変化するので、検出しようとする入射光の波長によってナノホールの大きさを調節することができる。

【0084】

特に、新しく生成された表面プラズモンポラリトンをシリコン基板と酸化膜４０２の間のチャンネルまで誘導すれば、ノードＡとノードＢの間の電極にはバイアスがかかっており、表面プラズモンポラリトンが直接光電流としてノードＢを通じて流れていく。

【0085】

そして、ノードＣに多量の電子がトンネリングされ、金属と類似の特性を有する。このような電子は、ノードＣと接触した酸化膜４０２誘電体の境界面に表面プラズモンポラリトンが直接誘起される現象が発生し、表面プラズモンポラリトンとエキシトン（Ｅｘｉｃｉｔｏｎ）との相互作用による現象に加え、光電流に直接寄与する状況を作り出すことができる。

【0086】

図５は、金属組成による表面プラズモンポラリトンを光吸収層まで直接伝播する実施例を説明する図である。

【0087】

一実施例に係る金属表面５０１は、表面から光吸収層５０２まで延長されて発生した表面プラズモンポラリトンを光吸収層５０２にガイドすることができる。

【0088】

ディテクターアレイは、金属表面で形成された表面プラズモン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ，ＳＰ）に光波（Ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅ）の光子（Ｐｈｏｔｏｎ）が結合して生成される表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ，ＳＰＰ）を吸収し、光電流を生成することができる。

【0089】

実施例５００は、表面プラズモンポラリトンによる光電変換をより極大化する方案であり、金属表面５０１を半導体の深さ方向に延長し、表面プラズモンポラリトンをガイドできる構造である。表面プラズモンポラリトンがノードＣに直接接触すると、ナノホールのＬＳＰ効果に加え、表面プラズモンポラリトンが直接チャンネルに電界増強（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ）をすることができる。したがって、電荷のトンネリングによるスレショルド電圧の変調に依存しなくても、効率的な光電流の誘起を行うことができる。また、酸化膜とその界面に存在するストレインド層（Ｓｔｒａｉｎｅｄ Ｌａｙｅｒ）に表面プラズモンポラリトンが相互作用する確率がより高くなり、効率よく拡張された長波長反応特性を得ることができる。

【0090】

図６は、本発明に係る分光感度（Ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｐｈｏｔｏｎ ｔｏ ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ＩＰＣＥ）を示すグラフ６００である。

【0091】

グラフ６００の横軸は波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）（ｎｍ）であり、縦軸は効率（Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）のことを示す。

【0092】

グラフ６００では、入射光と金属層との相互作用による表面プラズモンポラリトンが発生させた増強電場（Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）とトンネリング効果を活用した光電変換効率性を確認することができる。具体的に、グラフ６００は、２００ｎｍサイズのナノホール金属層を有するディテクター構造に入射光の波長帯を変えながらＩＰＣＥを測定した結果である。グラフ６００の測定値は、入力された入射光の光子数に対して光電変換された出力電流の電荷数を百分率で計算したものである。

【0093】

グラフ６００に見られるように、入射光の光子が半導体に直接吸収されてエキシトンを生成できない４５０～９５０ｎｍ領域で非常に高い光電変換効率（６０００～１６０００％）を示すことが確認できる。

【0094】

特に、グラフ６００において、入射光の波長が大きくなるほど効率が高くなることは、ナノホールサイズにより、ＬＳＰの増強電場（Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）の共鳴条件（Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）が入射光の８００ｎｍ波長帯の付近にあることが分かる。

【0095】

結局、本発明によると、金属層（Ｍｅｔａｌ Ｌａｙｅｒｓ）を入射光と相互作用させて、誘電率が互いに異なる接合面で発生する表面プラズモン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ，ＳＰ）と表面プラズモンポラリトン（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎ，ＳＰＰ）を通じて、表面プラズモンポラリトンが光電流に直接寄与するように光電変換させることができる。

【0096】

また、入射光と金属層との相互作用により生成された表面プラズモンポラリトンと局所電界（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ）効果により励起された電荷を、絶縁膜を介して別の空間にトンネリングし、空間の電荷量及び空乏層の大きさの変化を起こした後、隣接した電流チャンネルのスレショルド電圧に影響を及ぼして、光感知能力を極大化させることができる。

【0097】

以上のように、実施例がたとえ限定された図面により説明されたが、該当技術分野で通常の知識を有する者であれば、上記の記載から様々な修正及び変形が可能である。例えば、説明された技術が説明された方法と異なる順序で行われたり、及び／又は説明されたシステム、構造、装置、回路などの構成要素が説明された方法と異なる形態で結合又は組合せられたり、他の構成要素又は均等物によって代替又は置換されても適切な結果が達成可能である。

【0098】

そのため、他の具現、他の実施例及び特許請求の範囲と均等なものも、後述する特許請求の範囲に属する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】