专利名称：光检测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光检测器。
背景技术：
作为现有的光检测器的其中之一，已知的有例如专利文献1(特开2001-108524号公报)中记载的光检测器，它具有将入射光分光为多个波长成分的衍射光栅元件和通过准直透镜而接受各波长成分的光的受光元件。此外，公知有，具有多个波长选择滤光器以替代衍射光栅元件的光检测器。
发明内容
在专利文献1中的光检测器中，由于使用了衍射光栅元件和准直透镜，装置的结构变得复杂而庞大。另一方面，在使用波长选择滤光器的情况下，由于需要用于更换多个波长选择滤光器的结构，因此装置的结构也变得复杂而庞大。
在此，本发明的目的是提供一种结构精简的小型光检测器。
本发明所涉及的光检测器的特征在于具有(1)半导体基板；(2)形成在半导体基板上，具有受光面且产生与受光量相对应的电荷的受光层；以及(3)形成在受光层上，具有与该受光层的受光面相对的贯通孔且发生表面等离子体振子共振的多个天线层，在多个天线层的表面上分别形成有符合规定的规则的图案，在多个天线层中的至少两个中，图案互不相同。
本发明的光检测器具有，发生表面等离子体振子(Plasmon)共振的天线层。当光(hv)入射至该天线层时，包含于入射光(hv)中的规定的波长成分的光与天线层的表面等离子体振子结合，发生表面等离子体振子共振。在表面等离子体振子发生共振时，从天线层的贯通孔输出强的近场光。该近场光的强度和与表面等离子体振子结合的光的强度成比例且大于该光的强度。从天线层的贯通孔输出的近场光通过受光面由受光层接收。受光层产生与受光量相对应的量的电荷。这样，由本发明的光检测器，可以检测出入射于天线层的光(hv)中所包含的特定波长成分的光。此外，受光层接收近场光，但该近场光的强度大于特定的波长成分的光，即与表面等离子体振子结合的光。因此，与受光层直接接收特定波长成分的光的情况相比，可以提高光检测的灵敏度。
在各天线层的表面，按规定的规则形成有图案。在至少两个天线层中图案互不相同。即至少两个天线层具有互不相同的表面结构。已知对应于天线层的表面结构，与表面等离子体振子结合的光的波长成分不同，因此，在具有上述天线层的本发明的光检测器中，可以分别检测出包含于入射光(hv)中的至少两种波长成分的光。
这样，本发明的光检测器可以分别检测出多个波长成分的光。由于本发明的光检测器中半导体基板、受光层以及天线层层叠而成为一个元件，与分别具有衍射光栅元件或波长选择滤光器的光检测器相比，非常小型且装置结构精简。此外，由于受光层以及天线层形成于单片电路上，可以实现制造工序的简略化。此外，由于与表面等离子体振子结合的光的波长成分不同，多个天线层不需要由多种材料形成，而可以由一种材料形成，因此可以降低制造成本。
此外，优选在本发明的光检测器中，各天线层具有多个凸部以及位于该凸部间的凹部，由凸部及凹部形成图案，贯通孔设置于凹部。在这种情况下，通过适当变换凸部的位置，可以改变图案的形状。
此外，优选在本发明的光检测器中，各天线层具有多个贯通孔，且这些多个贯通孔形成图案。在这种情况下，通过适当变换贯通孔的位置等，可以改变图案的形状。
此外，优选在本发明的光检测器中，凸部以规定的间隔设置，且该规定的间隔在多个天线层的至少两个中互不相同。这样，确保在凸部的配置间隔互不相同的天线层上彼此表面上的图案形状互不相同，因此可以确保与表面等离子体振子光结合的光的波长成分不同。因此，确保可以分别检测出多个波长成分的光。
此外，优选在本发明的光检测器中，多个贯通孔以规定的间隔设置，且该规定的间隔在多个天线层的至少两个中互不相同。这样，在具有贯通孔的配置间隔不同的多个天线层的情况下，也可以确保分别检测出多个波长成分的光。
此外，优选在本发明的光检测器中，优选贯通孔的宽度比入射光的波长短。这样，通过使贯通孔的宽度变窄，可以确保近场光从贯通孔输出。
此外，优选在本发明的光检测器中，在受光层的两面施加偏压。这样，可以将产生于受光层的电荷作为电流信号输出。
根据本发明，可以提供装置结构精简且小型的光检测器。
图1为表示本发明的光检测器的一个实施方式的结构的平面图。
图2为图1所示的光检测器的II-II线截面图。
图3为表示光的波长与天线层的周期间隔的关系的表。
图4A为表示图1所示的光检测器的制造工序的截面图。
图4B为表示图1所示的光检测器的制造工序的截面图。
图4C为表示图1所示的光检测器的制造工序的截面图。
图4D为表示图1所示的光检测器的制造工序的截面图。
图4E为表示图1所示的光检测器的制造工序的截面图。
图5A为表示图1所示的光检测器的制造工序的截面图。
图5B为表示图1所示的光检测器的制造工序的截面图。
图5C为表示图1所示的光检测器的制造工序的截面图。
图5D为表示图1所示的光检测器的制造工序的截面图。
图6为表示图1所示的光检测器测定的结果的图。
图7A为表示光检测器的变形例的图。
图7B为表示光检测器的变形例的图。
图8为表示天线层的变形例的图。
图9A为表示天线层的变形例的图。
图9B为表示天线层的变形例的图。
图9C为表示天线层的变形例的图。
图10A为表示天线层的变形例的图。
图10B为表示天线层的变形例的图。
图10C为表示天线层的变形例的图。
具体实施例方式
以下，参照附图详细说明本发明所涉及的光检测器的优选实施方式。在此，“上”、“下”等词为根据附图所示状态，为方便说明而使用的用语。
图1为本发明的光检测器的一个实施方式的结构的平面示意图。图2为图1所示的光检测器的II-II线截面图。
如图2所示，光检测器1具有半导体基板2、电极层3、光吸收层(受光层)4、肖特基(Schottky)电极6a、6b、6c、第1绝缘层8、多个(在本实施方式中为3个)天线层(天线区域)11a、11b、11c以及第2绝缘层14。
半导体基板2为由n型硅构成的基板。半导体基板2的一个主面上形成有电极层3，半导体基板2的另一个主面上形成有光吸收层4。
光吸收层4为包含n型硅的单一的层。光吸收层4具有多个(在本实施方式中为3个)台地(mesa)状部，位于台地状部的顶部的面成为受光面4a、4b、4c。从上面看光吸收层4，受光面4a、4b、4c大致呈矩形。受光面4a、4b、4c被肖特基电极6a、6b、6c覆盖。肖特基电极6a、6b、6c非常薄，其厚度为下面将叙述的从天线层11a、11b、11c的贯通孔13输出的光能够透过的程度。
第1绝缘层8覆盖了光吸收层4的上面除去受光面4a、4b、4c的部分。通过第1绝缘层8，光吸收层4上的3个天线层11a、11b、11c形成阵列状。在天线层11a、11b、11c上形成有第2绝缘层14。
天线层11a、11b、11c为发生表面等离子体振子共振的层。天线层11a、11b、11c含有导电性材料。优选Al、Ag、Au、Cr等作为所含有的导电性材料，但在此之外的也可以。天线层11a、11b、11c分别具有多个凸部12以及位于凸部12之间的凹部15。在凹部15上设置有贯通孔13。
天线层11a的贯通孔13与光吸收层4的受光面4a、天线层11b的贯通孔13与光吸收层4的受光面4b、天线层11c的贯通孔13与光吸收层4的受光面4c分别相对。如图1所示，从上面看天线层11a、11b、11c，各贯通孔13大致呈矩形。此外，各贯通孔13的短边的长度(宽)d比入射于天线层11a、11b、11c的光(hv)的波长短。这样，通过使贯通孔13狭窄，可以确保在天线层11a、11b、11c产生的近场光(near-field light)(将在下面详细叙述)从贯通孔13输出。此外，由于本发明的贯通孔13的作用是用于输出使近场光，因此不仅限于物理意义上的孔，也包括光学意义上的孔(光透过的孔径(aperture))。
多个凸部12与贯通孔13同样呈大致矩形。由多个凸部12及位于凸部12之间的凹部15，在天线层11a、11b、11c的表面分别形成符合规定规则的图案。因此，在改变凸部12及凹部15的位置或形状时，图案的形状也改变。在本实施方式中，通过改变凸部12的配置间隔，使天线层11a、11b、11c的表面图案互不相同。
更具体地说，如图1所示，在天线层11a、11b、11c中，凸部12以彼此的长边相对的方式配置成一维。此外，凸部12以贯通孔13为中心，对称地且以规定间隔配置。规定的间隔可具体说明如下例如在天线层11a，不夹住贯通孔13而相邻的凸部12间的中心距离为Λa，夹住贯通孔13而相邻的凸部12间的中心距离为Λa的2倍。在天线层11b、11c中也一样，不夹住贯通孔13而相邻的凸部12间的中心距离分别为Λb、Λc，夹住贯通孔13而相邻的凸部12间的中心距离分别为Λb、Λc的2倍。以下，称这些Λa、Λb、Λc为周期间隔。
天线层11a的周期间隔Λa、天线层11b的周期间隔Λb、天线层11c的周期间隔Λc具有互不相同的值。由于Λa、Λb、Λc不同，因此在天线层11a、11b、11c的表面，形成有互不相同的图案。周期间隔Λa、Λb、Λc可以对应于希望检测的光的波长成分而适宜设定。
在此，说明周期间隔Λa、Λb、Λc的值。考虑波长λ0(＝2πc/ω)的光相对于天线层11a、11b、11c的任意之一(以下称天线层11)大致垂直入射的情况。在这种情况下，天线层11的周期间隔Λ满足下式(1)，就可以在天线层11发生表面等离子体振子共振，
Λ=mλ0ϵa+ϵmetalϵa×ϵmetal...(1)]]>εa为与天线层11相接的电介质的相对介电常数，在真空的情况下εa＝1。εmetal为天线层11的介电常数，εmetal＞0。由此，可以导出下式(2)。Λ＜λ0…(2)根据式(2)，在光的波长λ0大于周期间隔Λ时，在天线层11上发生表面等离子体振子共振。
将式(1)所示的m设定为1，在由Ag或Al形成天线层11的情况下，周期间隔Λ与波长λ0的关系如图3所示。情况(1)表示在天线层11中使用Ag时的数据，情况(2)表示在天线层11中使用Al时的数据(光子能E0(eV)、波长λ0nm、周期间隔Λ(nm))。根据图3，周期间隔Λ＝1234nm的天线层11，以波长λ0＝1240nm的光发生表面等离子体振子共振。在本实施方式中，设定周期间隔Λa、Λb、Λc以使天线层11a以波长λa的光、天线层11b以波长λb的光、天线层11c以波长λc的光发生表面等离子体振子共振。
接着，说明光检测器1的制造工序。首先，如图4A所示，准备在一方主面上形成有电极层3的半导体基板2。在准备的半导体基板2的另一方主面上，层叠光吸收层4。
接着，如图4B所示，在光吸收层4上涂敷光刻胶20后，利用未图示的光掩膜进行曝光及显像处理，以覆盖形成有受光面4a、4b、4c的区域的方式进行光刻胶20的图案形成。接着，如图4C所示，将该光刻胶20作为掩膜，使光吸收层4热氧化，形成第1绝缘层8。形成第1绝缘层8后，除去光刻胶20。
接着，如图4D所示，涂敷光刻胶22后，利用未图示的光掩膜进行曝光及显像处理，以使形成凸部12的区域开口的方式进行光刻胶22的图案形成。接着，如图4E所示，在被光刻胶22罩住的第1绝缘层8及光吸收层4上利用蒸镀形成导电膜24。
接着，如图5A所示，与光刻胶22一同，剥离除去导电膜24中成膜在光刻胶20以及在光刻胶20上的部分。进行剥离除去后，如图5B所示，利用蒸镀形成导电膜26。由此，形成凸部12及凹部15。
成膜导电膜26后，如图5C所示，向导电膜26中存在于受光面4a、4b、4c上的部分照射聚焦离子束，除去该部分的导电膜26。从而形成贯通孔13。经过图4D～图5C的工序，在光吸收层4上层叠了天线层11a、11b、11c。
接着，如图5D所示，利用蒸镀在光吸收层4的受光面4a、4b、4c上成膜肖特基电极6a、6b、6c。成膜肖特基电极6a、6b、6c后，在天线层11a、11b、11c上层叠第2绝缘层14，而完成了图1及图2所示的光检测器1。
接着，说明光检测器1的动作。当光(hv)从第2绝缘层14侧14侧入射时，天线层11a的表面等离子体振子与入射光(hv)中所包含的波长λa的光相结合。此外，天线层11b的表面等离子体振子与入射光(hv)中所包含的波长λb的光相结合，天线层11c的表面等离子体振子与入射光(hv)中所包含的波长λc的光向结合。其结果是，利用天线层11a、11b、11c的表面发生表面等离子体振子的共振。
在发生表面等离子体振子共振时，天线层11a、11b、11c从贯通孔13输出强的近场光。从天线层11a输出的近场光的强度与波长λa的光的强度成比例，且比波长λa的光的强度大。对于从天线层11b、11c输出的近场光的强度也同样，分别与波长λb、λc的光的强度成比例，且比波长λb、λc的光的强度大。位于天线层11a、11b、11c下的光吸收层4通过受光面4a、4b、4c接收从天线层11a、11b、11c输出的近场光。光吸收层4产生与近场光的强度(受光量)相对应的量的电荷。
在光吸收层4的两面，利用外部电路施加有偏压。由此，可以将在光吸收层4产生的电荷作为电流信号从肖特基电极6a、6b、6c取出。偏压依次施加于天线层11a与电极层3之间、天线层11b与电极层3之间以及天线层11c与电极层3之间。
当在天线层11a与电极层3之间施加偏压时，由来自天线层11a的近场光产生的电荷，即作为电流信号从肖特基电极6a向外部输出与波长λa的光的强度向对应的量的电荷。当在天线层11b与电极层3之间施加偏压时，由来自天线层11b的近场光产生的电荷，即作为电流信号从肖特基电极6b向外部输出与波长λb的光的强度相对应的量的电荷。当在天线层11c与电极层3之间施加偏压时，由来自天线层11c的近场光产生的电荷，即作为电流信号从肖特基电极6c向外部输出与波长λc的光的强度相对应的量的电荷。
这样，通过依次从肖特基电极6a、6b、6c输出电流信号，可以得到图6的波长(λ0)与强度(I)的关系的测定结果示意图。在此，偏压的施加顺序不限于上述方式。
如以上说明所述，本实施方式的光检测器1为，将半导体基板2、光吸收层4以及天线层11a、11b、11c层叠而成的一个元件。在光(hv)入射光检测器1的天线层11a、11b、11c时，包含于入射光(hv)中的规定波长成分的光与天线层11a、11b、11c的表面等离子体振子相结合，产生表面等离子体振子共振。在发生表面等离子体振子共振时，从天线层11a、11b、11c的贯通孔13输出强的近场光。近场光通过受光面4a、4b、4c到达光吸收层4，光吸收层4产生与受光强度相对应的量的电荷。
在天线层11a、11b、11c的表面，由多个凸部12以及位于凸部12之间的凹部15形成符合规定规则的图案。在天线层11a、11b、11c中图案互不相同。这是由于天线层11a、11b、11c的周期间隔Λa、Λb、Λc互不相同。表面图案不同意味着表面结构不同，因此，在天线层11a、11b、11c中，与表面等离子体振子结合的光的波长成分也互不相同。其结果是可以分别检测出多个波长成分(上述的λa、λb、λc)的光。
由于光检测器1为一个元件，与分别具备衍射光栅元件或波长选择滤光器等和受光元件的光检测器相比，非常小型且装置的结构精简。此外，通过将光吸收层4以及天线层11a、11b、11c形成为单片，可以实现制造工序的简单化。此外，由于天线层11a、11b、11c可以由同一材料形成，因此可以降低制造成本。此外，虽然光吸收层4接收近场光，但是该近场光的强度大于发生表面等离子体振子共振的规定波长成分的光(上述的波长λa、λb、λc的光)。因此，与直接接收规定的波长成分的光的情况相比，可以提高光检测的灵敏度。
本发明不仅限于上述实施方式，可以进行各种变化。例如，虽然本实施方式的光吸收层4设定为单一层，但光吸收层也可以具有叠层的结构，还可以具有异质结构层。此外，本实施方式的光吸收层4含有n型硅，此外也可以包含Ge、SiC、钻石半导体等n型硅以外的半导体、还可以包含GaAs、GaP、InP、InAs、InSb、GaN、AlN、InN等III-V族化合物半导体以及它们的混晶，还可以包含ZnO、ZnSe、ZnS、CdSe、CdS、HgCd、HgTe等II-VI族化合物半导体以及它们的混晶，或者有机半导体等。这些都可以根据所检测的光的波长成分或作为光检测器的用途，而适宜地选择。
此外，本实施方式的光吸收层4形成于半导体基板2上，也可以形成于玻璃、蓝宝石等具有绝缘性的透明基板上。
此外，本实施方式的光检测器1是在光吸收层4的受光面4a、4b、4c上形成肖特基电极6a、6b、6c，即所谓的肖特基型，也可以是PN接合型或光导电型。在采用PN接合型或光导电型的情况下，也可以不设置肖特基电极6a、6b、6c，而使受光面4a、4b、4c露出。
此外，本实施方式的电极层3形成于半导体基板2的一方主面上，也可以与天线层11a、11b、11c一起形成在半导体基板2的另一方主面上。在这种情况下，光检测器1呈平版(planer)型结构。
此外，本实施方式的天线层11a、11b、11c的凸部12以及凹部15可以如图2所示形成于第2绝缘层14侧，也可以如图7A所示形成于第1绝缘层8侧。
此外，本实施方式的天线层11a、11b、11c形成于半导体基板2的另一方主面上，也可以如图7B所示，还形成于半导体基板2的一方主面上。此外，也可以在天线层11a、11b、11c的周围形成布拉格反射层。此外，如图8所示天线层11a、11b、11c也可以形成为一体。
此外，本实施方式的光检测器1具有三个天线层11a、11b、11c，但天线层的数目不限于此。在具有更多表面图案不同的天线层的情况下，可以检测出更多的波长成分的光。此外，在具有多个表面图案相同的天线层的情况下，通过将各天线层的输出重叠，可以检测出微小的光。
此外，天线层11a、11b、11c的表面图案不仅限于本实施方式的图案。例如，也可以是如图9A所示的，通过使大致呈矩形的凸部12以等间隔一维排列在位于凸部12之间的凹部15上分别设置大致呈矩形的贯通孔13而形成的图案。此外，也可以是如图9B所示，通过以大致呈圆形的贯通孔13为中心、在其周围将大致呈圆形的凸部12以等间隔二维排列而形成的图案。此外，也可以是如图9C所示的，通过将大致呈圆形的贯通孔13以及大致呈圆形的凸部12交替且等间隔二维排列而形成的图案。此外，也可以是如图10A所示的，将由贯通孔13以及多个凸部12构成的靶状(也称靶心)的式样以规定的间隔二维排列而形成的图案。图10B为将图10A变形为大致矩形状的图案。
此外，在本实施方式的光检测器1中，天线层11a、11b、11c的表面图案是由多个凸部12以及位于凸部12之间的凹部15形成。天线层11a、11b、11c的表面图案也可以由多个贯通孔13形成。如图10C所示，在通过将贯通孔13以等间隔(规定的间隔)二维排列而在天线层11a、11b、11c的表面形成图案的情况下，通过改变贯通孔13的位置或配置间隔，可以分别改变天线层11a、11b、11c的图案的形状。此外，在图9A～9C以及图10A～10C所示的变形例中，在贯通孔13的下面形成有光吸收层4的受光面。
此外，在本实施方式的光检测器1中，通过外部电路在天线层11a、11b、11c与电极层3之间依次施加了偏压。取代该外部电路，在光检测器1中也可以具有用于依次施加偏压的移位寄存器电路等。此外，本实施方式的光检测器1还可以具有电流电压转换电路。在这种情况下，可以将通过肖特基电极6a、6b、6c输出的电流信号转换为电压信号向外部输出。此外，本实施方式的光检测器1也可以还具有用于校正由温度变化等引起的灵敏度特性的变化的电路。
权利要求
1.一种光检测器，其特征在于，具有半导体基板；形成在所述基板上，具有受光面且产生与受光量相对应的电荷的受光层；以及形成在所述受光层上，具有与该受光层的受光面相对的贯通孔且发生表面等离子体振子共振的多个天线区域；在所述多个天线区域的表面上分别形成有符合规定规则的图案；在所述多个天线区域中的至少两个中，所述图案互不相同。
2.如权利要求1所述的光检测器，其特征在于，所述各天线区域具有多个凸部和位于该凸部间的凹部，所述凸部及所述凹部形成所述图案，所述贯通孔设置于所述凹部。
3.如权利要求1所述的光检测器，其特征在于，所述各天线区域具有多个所述贯通孔，该多个贯通孔形成所述图案。
4.如权利要求2所述的光检测器，其特征在于，所述凸部以规定的间隔配置，该规定的间隔在所述多个天线区域中的至少两个中互不相同。
5.如权利要求3所述的光检测器，其特征在于，所述贯通孔以规定的间隔配置，该规定的间隔在所述多个天线区域中的至少两个中互不相同。
6.如权利要求1所述的光检测器，其特征在于，所述贯通孔的宽度小于入射光的波长。
7.如权利要求1所述的光检测器，其特征在于，所述受光层，在其两面上施加偏压。
8.一种光检测器，其特征在于，具有半导体基板；形成在所述半导体基板上的光吸收层；以及形成在所述光吸收层上，与入射光相对应发生等离子体振子共振的多个天线区域；在各个所述天线区域的表面上形成有规定的图案；在所述多个天线区域中的至少两个中，所述图案互不相同。
全文摘要
当光入射光检测器(1)的天线层(11a、11b、11c)时，包含于入射光中的规定波长成分的光与天线层(11a、11b、11c)的表面等离子体振子结合，发生表面等离子体振子共振。由此，从天线层(11a、11b、11c)的贯通孔(13)输出近场光。从各贯通孔(13)输出的近场光通过受光面(4a、4b、4c)到达光吸收层(4)。光吸收层(4)产生与受光量相对应的电荷。由于天线层(11a、11b、11c)的凸部12的周期间隔(Λa、Λb、Λc)互不相同，在每个天线层(11a、11b、11c)与表面等离子体振子结合的光的波长成分都不同。因此，可以检测出多个波长成分的光。
文档编号G01J3/00GK101071077SQ20071010228
公开日2007年11月14日 申请日期2007年5月10日 优先权日2006年5月10日
发明者新垣实, 广畑彻, 藤原弘康, 樋口彰 申请人:浜松光子学株式会社