光检测器的制造方法

光检测器的制造方法
【专利摘要】本发明所涉及的光检测器(1A)具备：光学元件(10)，具有包含第1区域以及沿着垂直于规定的方向的面相对于第1区域被周期性地排列的第2区域的结构体并且在光沿着规定的方向进行入射的时候使规定的方向的电场成分产生；半导体层叠体(4)，相对于光学元件(10)被配置于与规定的方向上的一侧相反侧的另一侧并且具有由通过由光学元件(10)产生的规定的方向的电场成分而产生电流的量子级联结构；量子级联结构包含具有第1量子高能级以及低于该第1量子高能级的第2量子高能级的活性区域(4b)和输送在活性区域(4b)被激发的电子的喷射区域(4c)。
【专利说明】光检测器

【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种光检测器。

【背景技术】
[0002]作为利用量子子带(sub-band)间跃迁的光吸收的光检测器，众所周知有QWIP (量子讲红外探测器(Quantum well infrared photodetector))、QDIP(量子点红外探测器(Quantum dot infrared photodetector)、QO)(量子级联探测器)等。因为不利用能带隙跃迁，所以其具有波长范围的设计自由度大、暗电流比较小以及能够在室温下动作等的优点。
[0003]在这些光检测器中，QWIP和QCD具备具有量子阱结构或量子级联结构等的周期性的层叠结构的半导体层叠体。该半导体层叠体因为仅在所入射的光具有半导体层叠体的层叠方向的电场成分的情况下由该电场成分而产生电流，所以相对于不具有该层叠方向的电场成分的光(从半导体层叠体的层叠方向进行入射的平面波)不具有光敏性。
[0004]因此，对于由QWIP或者Q⑶来检测光来说，有必要以光的电场的振动方向与半导体层叠体的层叠方向相一致的方式使光入射。例如，在检测具有垂直于光的行进方向的波阵面的平面波的情况下，因为有必要从与半导体层叠体的层叠方向相垂直的方向使光入射，所以作为光检测器的使用变得繁琐。
[0005]因此，为了检测不具有半导体层叠体的层叠方向的电场成分的光而将金的薄膜设置于半导体层叠体的表面并且周期性地将具有该光的波长以下的直径的孔形成于该薄膜的光检测器是为人所知的(参照非专利文献I)。在该例子中，由金的薄膜上的表面等离子体共振的效应来调制光以具有半导体层叠体的层叠方向的电场成分。
[0006]另外，将光透过层设置于半导体层叠体的表面并将由凹凸图形构成的衍射光栅以及覆盖其的反射膜形成于该光透过层的表面的光检测器是为人所知的(参照专利文献I)。在该例子中，由取决于该衍射光栅以及反射膜的入射光的衍射以及反射的效应来调制光以具有半导体层叠体的层叠方向的电场成分。
[0007]另外，以入射面相对于半导体层叠体的层叠方向成为倾斜的方式进行加工的光检测器是为人所知的(参照专利文献2)。在该例子中，通过从该入射面折射而入射的光在芯片内重复全反射，从而以具有半导体层叠体的层叠方向的电场成分的方式调制光。
[0008]另外，原本利用量子阱的光检测器具有能够检测的波长带狭窄等的特性，作为用于实现其波长宽带化的尝试而形成具有不同的屏障(barrier)的厚度以及阱的宽度和高度的构造(参照专利文献3)、以及层叠组成不同的量子阱层并且取出来自各个层的信号(参照非专利文献2)是为人所知的。
[0009]现有技术文献
[0010]专利文献
[0011]专利文献1:日本专利申请公开2000-156513号公报
[0012]专利文献2:日本专利申请公开2012-69801号公报
[0013]专利文献3:日本专利公表2001-524757号公报
[0014]非专利文献
[0015]非专利文献1:W.Wu, et al., “Plasmonic enhanced quantum well infraredphotodetector with high detectivity”，Appl.Phys.Lett.，96，161107 (2010).
[0016]非专利文献2:S.V.Bandara, et al., “Mult1-band and broad-band infrareddetectors based on II1-V materials for spectral imaging instruments，，，InfraredPhys.Technol., 47, 15 (2005).


【发明内容】

[0017]发明所要解决的技术问题
[0018]这样，有各种方案提出为了检测不具有半导体层叠体的层叠方向的电场成分的光而以具有该层叠方向的电场成分的方式调制该光的技术、以及其波长宽带化的技术。
[0019]然而，非专利文献I所记载的光检测器具有作为量子阱结构的单纯地层叠相等的阱宽的量子阱的QWIP结构，为了将其作为光检测器并使之动作而有必要从外部施加偏置电压，由此引起的暗电流给予光敏性的坏影响不能够忽视。
[0020]另外，在专利文献I所记载的光检测器中，有必要为了获得实际有效的光敏性而无论哪个周期都层叠量子阱结构并且无论哪层都形成光吸收层。
[0021]另外，专利文献2所记载的光检测器，由衍射引起的光的传播方向完全不水平，只有极少一部分停留在有助于光电转换，并且不能够获得充分的光敏性。
[0022]另外，在以波长宽带化为目标的专利文献3以及非专利文献2所记载的光检测器中，因为光吸收所产生的量子阱结构从半导体层叠体的表层分布到深层，所以如果不能够均匀地将对于光电转换来说成为必要的半导体层叠体的层叠方向的电场成分提供给这些层的话则深层(远离光入射的一侧的部分)中的光吸收的贡献会变小。
[0023]因此，本发明的目的在于提供一种能够检测不具有半导体层叠体的层叠方向的电场成分的光并且具有灵敏度的波长带宽阔的光检测器。
[0024]解决问题的技术手段
[0025]本发明的光检测器，具备:光学元件，具有包含第I区域以及沿着垂直于规定的方向的面相对于第I区域被周期性地排列的第2区域的结构体并且在光沿着规定的方向进行入射的时候使规定的方向的电场成分产生；半导体层叠体，相对于光学元件被配置于与规定的方向上的一侧相反侧的另一侧并且具有由通过光学元件产生的规定的方向的电场成分而产生电流的量子级联结构；量子级联结构包含具有第I量子高能级以及低于该第I量子高能级的第2量子高能级的活性(active)区域和输送在活性区域被激发的电子的喷射(injector)区域。
[0026]该光检测器所具备的光学元件在光沿着规定的方向进行入射的时候使规定的方向的电场成分产生。电子在半导体层叠体的量子级联结构中在活性区域被该电场成分激发，由喷射区域来输送该电子，从而在量子级联结构中产生电流。此时，因为活性区域具有第I量子高能级以及低于该第I高能级的第2量子高能级，所以可以检测相当于向各个量子高能级的电子激发能量的两种波长的光。即，可以说该光检测器能够检测不具有半导体层叠体的层叠方向的电场成分的光，并且具有灵敏度的波长带能够扩展。
[0027]在此，半导体层叠体也可以具有沿着规定的方向被层叠的多个量子级联结构。在此情况下，因为在半导体层叠体产生更大的电流，所以光检测器的光敏性变得更高。
[0028]本发明的光检测器也可以进一步具备被形成于半导体层叠体的一侧的表面上的第I接触层、被形成于半导体层叠体的另一侧的表面上的第2接触层。另外，在此情况下，本发明的光检测器也可以进一步具备与第I接触层相电连接的第I电极、与第2接触层相电连接的第2电极。据此，能够高效率地检测在半导体层叠体所产生的电流。
[0029]本发明的光检测器也可以进一步具备第2接触层、半导体层叠体、第I接触层以及光学元件从另一侧按顺序被层叠的基板。据此，能够谋求光检测器的各个结构的稳定化。
[0030]在本发明的光检测器所具备的光学元件中，第I区域可以由沿着规定的方向使光透过并调制该光的电介质构成，也可以由表面等离子体(plasmon)被光激发的金属构成。在任何情况下，因为当光沿着规定的方向入射到光学元件的时候能够使规定的方向的电场成分产生，所以在半导体层叠体所具有的量子级联结构中能够产生电流。
[0031]在本发明的光检测器所具备的光学元件中，相对于第I区域的第2区域的排列的周期也可以是0.5?500 μ m。据此，能够在光沿着规定的方向入射到光学元件的时候进一步有效地使规定的方向的电场成分产生。
[0032]入射到本发明的光检测器所具备的光学元件的光也可以是红外线。据此，能够将本发明的光检测器作为红外光检测器来进行适当使用。
[0033]在本发明的光检测器中，光学元件可以是在光从一侧进行入射的时候使规定的方向的电场成分产生的元件，或者，光学元件也可以是在光经由半导体层叠体从另一侧进行入射的时候使规定的方向的电场成分产生的兀件。
[0034]发明的效果
[0035]根据本发明，能够提供一种能够检测不具有半导体层叠体的层叠方向的电场成分的光并且具有灵敏度的波长带宽阔的光检测器。

【专利附图】

【附图说明】
[0036]图1是本发明的第I实施方式的光检测器的平面图。
[0037]图2是沿着图1的I1-1I线的截面图。
[0038]图3是本发明的第I实施方式的光学元件的平面图。
[0039]图4是沿着图3的IV-1V线的截面图。
[0040]图5是对于量子级联结构中的子带(sub-band)能级结构进行表示的示意图。
[0041]图6是本发明的第I实施方式的光学元件的变形例的平面图。
[0042]图7是本发明的第I实施方式的光学元件的变形例的平面图。
[0043]图8是本发明的第2实施方式的光检测器的截面图。
[0044]图9是本发明的第3实施方式的光检测器的截面图。
[0045]图10是本发明的第4实施方式的光检测器的平面图。
[0046]图11是沿着图10的X1-XI线的截面图。
[0047]图12是本发明的第5实施方式的光检测器的平面图。
[0048]图13是沿着图12的XII1-XIII线的截面图。
[0049]图14是本发明的第6实施方式的光检测器的平面图。
[0050]图15是沿着图13的XV-XV线的截面图。
[0051]图16是关于图8的光学元件的由FDTD法取得的电场强度分布。
[0052]图17是表示量子高能级的数值不同的光敏性光谱的图表。
[0053]图18是表示使量子级联结构的级数变化的情况下的垂直电场强度的累积值的图表。

【具体实施方式】
[0054]以下，参照附图，对本发明的优选的实施方式进行详细的说明。还有，在各图中，将相同符号标注于相同部分或者相当部分，省略重复的说明。还有，本实施方式的光检测器所应该检测的光(入射到光学元件的光)为红外线(波长为I?1000 μ m的光)。
[0055][第I实施方式]
[0056]如图1以及图2所示，光检测器IA具备由η型的InP构成的厚度为300?500 μ m的矩形板状的基板2，并且接触层3，5、半导体层叠体4、电极6，7、光学元件10被层叠于该基板上。该光检测器IA是一种利用半导体层叠体4中的量子子带(sub-band)间跃迁的光吸收的光检测器。
[0057]在基板2的表面2a的整个面上设置有接触层(第2接触层)3。在接触层3的表面3a的整个面上设置有半导体层叠体4。在半导体层叠体4的表面4a的整个面上设置有接触层(第I接触层)5。在接触层5的表面5a的中央设置有具有小于表面5a的整个面的面积的光学元件10。即，光学元件10以在平面视图的情况下被包含于接触层5中的方式被配置。在表面5a中，电极(第I电极)6以包围光学兀件10的方式被环状地形成于未设置有光学元件10的周缘的区域。另一方面，在与基板2的表面2a相反侧的表面2b的整个面上设置有另一个电极(第2电极)7。
[0058]半导体层叠体4是具有配合于想要检测的光的波长进行设计的量子级联结构的半导体层叠体，并且以吸收光来激发电子的活性区域4b位于光学元件10侧的方式而且以担负向一个方向的电子输送的喷射区域4c位于其相反侧的方式被层叠而形成。在此，量子级联结构的厚度为50nm左右。
[0059]在活性区域4b以及喷射区域4c的各个，能带隙互相不同的例如InGaAs以及InAlAs的半导体层以每一层数nm的厚度被交替地层叠。在活性区域4b中的InGaAs的半导体层通过硅等的η型的杂质被掺杂从而起到作为量子阱层的功能，InAlAs的半导体层夹着该InGaAs的半导体层来起到作为量子势垒层的功能。另一方面，在喷射区域4c，杂质没有被掺杂的InGaAs的半导体层和InAlAs的半导体层被交替地层叠。InGaAs以及InAlAs的层叠数例如作为活性区域4b以及喷射区域4c的合计而为16。根据活性区域4b的结构，决定被吸收的光的中心波长(详细内容在后面叙述)。
[0060]为了检测在半导体层叠体4产生的电流，接触层3，5是用于分别电连接半导体层叠体4和电极6，7的层，并且由η型的InGaAs构成。接触层3的厚度优选为0.1?I μ m。另一方面，接触层5的厚度以由后面所述的光学元件10起到的效果容易涉及到量子级联结构的方式尽可能的薄，具体来说，优选为5?lOOnm。电极6，7是由Ti/Au构成的欧姆电极。
[0061]光学元件10是在光从规定的方向上的一侧(光学元件10被设置的一侧)进行入射的时候使规定的方向的电场成分产生的光学元件。如图3以及图4所示，光学元件10具备结构体11，结构体11具有第I区域R1、以及沿着垂直于规定的方向的面、相对于第I区域RU根据对应于入射光的波长而成为0.5?500 μ m(作为入射光的波长以下)的周期d被周期性地排列的第2区域R2。
[0062]结构体11具有设置有从规定的方向上的一侧贯通到另一侧的多个贯通孔12的膜体13。该多个贯通孔12如图3所示成为膜体13的平面视图狭缝(slit)形状。该狭缝形状的贯通孔12在与该狭缝形状的长边方向相垂直的方向上排列成一列。于是，各个贯通孔12如图4所示从规定的方向上的一侧贯通到另一侧(图2中的半导体层叠体4的层叠方向)。还有，膜体13的厚度优选为1nm?2 μ m。
[0063]在此，第I区域Rl是膜体13中的贯通孔12之间的部分13a，具体来说，由金构成。第2区域R2是贯通孔12内的空间S，具体来说，是空气。S卩，在从光学元件10的一侧以平面视图看光检测器IA的情况下(即，在图1中)，接触层5的一部分从贯通孔12露出。
[0064]接着，对量子级联结构进行详细叙述。图5是关于图1以及图2所表示的光检测器IA的量子级联结构中的子带(sub-band)能级结构进行表示的示意图。一个量子级联结构相当于由第I势垒层171、被用于入射光的吸收的吸收阱层141、进行被激发的电子的缓和、输送等的抽出结构部48构成的单位层叠体46。量子级联结构，具体来说，由半导体层叠结构构成，该半导体层叠结构由包含起到作为吸收阱层的功能的第I阱层的η个量子阱层以及η个量子势垒层构成，并且将η设为4以上的整数。抽出结构部48通过除了第I势垒层171和吸收阱层141之外的、第2势垒层?第η势垒层以及第2阱层?第η阱层被交替地层叠来进行构成。换言之，由第I势垒层171、吸收阱层141以及第2势垒层形成活性区域4b，比第2势垒层更后面的结构相当于喷射区域4c。
[0065]还有，本实施方式的光检测器IA是仅具有一级量子级联结构的光检测器，但是，在图5中，为了便于说明，表示量子级联结构被层叠为多级的状况。单位层叠体46的各个从前级的单位层叠体46a侧按顺序由第I势垒层171、第I阱层即吸收阱层141、以及抽出结构部48所构成。在单位层叠体46中，由这样的结构，形成了取决于量子阱结构的能级结构即子带(sub-band)能级结构。
[0066]本实施方式中的单位层叠体46在其子带能级结构中具有起因于吸收阱层141的检测低能级(基底能级)Lla和检测高能级(高激发能级)Llb、以及起因于除了吸收阱层141之外的抽出结构部48各个阱层的第2能级L2、第3能级L3、第4能级L4、……、第η能级Ln。第2能级L2?第η能级Ln是例如起因于第2阱层?第η阱层并由量子力学地耦合的结果而生成的能级。在这些能级中，检测低能级Lla、检测高能级Llb是关于由子带间的电子激发引起的光吸收的能级。另外，第2能级L2?第η能级Ln构成关于由光吸收被激发的电子的缓和、输送、抽出的抽出能级结构(缓和能级结构)。
[0067]在此，检测低能级Lla是例如对应于吸收阱层141中的基底能级的能级。另外，检测高能级Llb是高于检测低能级Lla的能级，例如是对应于吸收阱层141中的激发能级的能级。另外，第2能级L2?第η能级Ln是例如起因于各个第2阱层?第η阱层中的基底能级的能级。还有，关于构成抽出能级结构的第2能级L2?第η能级Ln，通常以从吸收阱层141侧的第2能级L2朝着后级的单位层叠体46b侧的第η能级Ln依次能量变低的方式被设定。但是，这些能级的能量顺序如果可以进行电子的输送的话则可以在一部分被替换。
[0068]另外，关于各个子带能级的能量间隔，检测高能级Llb与电子抽出用的第2能级L2的能量间隔ΔE12,考虑共振隧穿效应(resonant tunneling effect),以能级间的稱合变得充分大的方式被设定。该能级间的稱合的大小能够根据能级间的反交叉(ant1-crossing)的能隙进行评价。
[0069]第2能级L2与第3能级L3的能量间隔Δ E23以相对于纵向光学声子(longitudinaloptical phonon) (L0声子)的能量Εω满足成为E1以上且2 XE1以下的下述的条件的方式进行设定。
[0070]Elo 彡 Δ E23 ^ 2 X Elo
[0071]另外，第3能级L3与第4能级L4的能量间隔Λ E34以满足小于Ew的下述的条件的方式进行设定。
[0072]Δ E34 < Elo
[0073]在此，LO声子的能量Εω例如在作为量子阱层的半导体材料而设想InGaAs的情况下为Euj = 34meV。另外，LO声子的能量Εω在将量子阱层设定成GaAs的情况下为6meV，在设定成InAs的情况下为32meV，基本上与以上所述的34meV为相同程度。另外，关于上述的能级间的能量间隔ΛΕ23、AE34的Εω的设定条件是考虑了抽出能级结构中的电子的输送的高速化、高效率华的设定条件。
[0074]在这样的子带能级结构中，在光被入射之前，使用被掺杂了的半导体层，从而电子被蓄积于吸收阱层141的检测低能级Lla。检测对象的光h u如果被入射到量子级联结构、更为具体来说被入射到吸收阱层141的话，则存在于检测低能级Lla的电子由于在子带之间的光吸收而被激发到检测高能级Llb。在检测高能级Llb被激发的电子由共振隧穿效应而被高速地抽出到第2能级L2,进一步通过由第2能级L2?第η能级Ln构成的抽出能级结构，并经过从第2能级L2到第3、第4能级L3、L4的LO声子散射等的缓和过程，以高速被输送、抽出到后级的单位层叠体46b的吸收阱层的检测低能级Lla。
[0075]如以上所述构成的光检测器IA因为具备由具有自由电子的金构成的第I区域Rl以及由空气构成的第2区域R2在结构体11中沿着垂直于规定的方向的面被周期性地排列的光学元件10，所以在光从规定的方向上的一侧入射到该光学元件10的情况(例如在平面波从半导体层叠体4的层叠方向进行入射的情况)下，表面等离子体由于表面等离子体共振而被激发。此时，产生规定的方向的电场成分。再有，光学元件10中的结构体11具有设置有从一侧贯通到另一侧的多个贯通孔12的膜体13，第I区域Rl是膜体13中的贯通孔12之间的部分13a，第2区域R2是贯通孔12内的空间S。因此，该结构体11因为能够由一种材料形成，所以制造也容易，成本也能够降低。
[0076]于是，通过如以上所述表面等离子体被激发而产生的规定的方向的电场成分因为也是半导体层叠体4的层叠方向的电场成分，所以通过在半导体层叠体4的量子级联结构中电子在被形成于光学元件10侧的最表面的活性区域4b被该电场成分激发并且该电子由喷射区域4c而朝着一个方向被输送，从而在量子级联结构中产生电流。该电流通过电极6，7而被检测出。即，根据该光检测器1A，能够检测不具有半导体层叠体4的层叠方向的电场成分的光。还有，因为从电极6提供电子，所以满足电流连续的条件。
[0077]如果详细叙述量子级联结构中的作用的话，则如以下所述。在光检测器IA中，在量子级联结构中，第I阱层?第η阱层以及第I势垒层?第η势垒层被交替地层叠。于是，在吸收阱层141中，设置关于由光吸收引起的子带间的电子激发的检测低能级Lla、检测高能级Llb，在抽出结构部48，设置关于向下一个周期的单位层叠体46b的电子的输送、抽出的由第2能级L2?第η能级Ln构成的抽出能级结构。根据这样的能级结构，能够适当地实现子带间的光吸收、以及由通过光吸收而产生的电流的取出进行的光检测动作。
[0078]另外，在以上所述的结构中，通过利用共振隧穿效应使由在阱层141上的光吸收而被激发到检测高能级Llb的电子向第2能级移动、缓和，从而高速地抽出电子并且在由第2能级L2?第η能级Ln构成的抽出能级构造中以满足以下所述条件的方式设定第2能级L2与第3能级L3的能量间隔:
[0079]Elo 彡 Δ E23 ^ 2 X Elo
[0080]在这样的结构中，由于共振隧穿效应而从检测高能级Llb向第2能级L2移动的电子通过LO声子散射而从第2能级L2以高速被抽出到第3以后的能级。由此，能够抑制在高能级Llb被激发的电子不被输送到后级的单位基层体46b而再次在低能级Lla进行缓和，并且能够提高光检测动作的效率。
[0081]再有，在以上所述结构中，以满足下述条件的方式设定第3能级L3与第4能级L4的能量间隔:
[0082]Δ E34 < Elo
[0083]这样，根据将第3能级L3与第4能级L4的能量间隔设定成小于LO声子的能量并且使这些能级接近的结构，能够将包含第3、第4能级L3、L4的多个能级作为由LO声子散射得到的来自第2能级L2的电子的抽出目的地的能级来发挥功能。由此，能够使抽出能级结构中的电子的输送稳定化、高速化。
[0084]另外，在如上所述将电子的抽出目的地设为多个能级的结构中，电子的抽出结构的设计被容易化并且可以实现在检测器的制造的时候的特性的稳定化、对晶体生长波动的自由度提高、以及合格率的提高等。根据以上所述，通过高效地将在吸收阱层141中由光吸收而被激发的载流子电子作为正向电流而发挥功能，从而能够适当地实现相对于入射光的光检测灵敏度提高了的量子级联型光检测器。
[0085]于是，在量子级联结构中，电子可以从检测低能级Lla被激发到检测高能级Llb，另外，电子也可以从检测低能级Lla被激发到第2能级L2。这样，因为吸收阱层141具有电子激发能量不同的2个量子高能级，所以能够检测相当于向各个量子高能级的电子激发能量的两种波长的光。即，光检测器IA可以说扩展了具有灵敏度的波长带。还有，存在应用于量子级联激光器的例子，作为在量子级联结构中使电子被激发的量子高能级形成 2 个能级的技术，已知有 Kazuue Fujita, et al,.“High-performance, homogeneousbroad-gain quantum cascade lasers based on dual-upper-state design，，, Appl.Phys.Lett.，96，241107(2010)。
[0086]另外，光检测器IA因为进一步具备支撑接触层3，5、半导体层叠体4、以及光学元件10的基板2，所以能够使光检测器IA的各个构件稳定化。
[0087]作为利用表面等离子体共振的光检测器，众所周知有上述非专利文献I所记载的光检测器，但是该光检测器因为作为量子阱结构而采用单纯地层叠相等的阱宽的量子阱的QWIP结构，所以为了将其作为光检测器并使其动作而有必要从外部施加偏置电压，从而不能够忽视由此引起的暗电流给予光敏性的不良影响。相对于此，本实施方式的光检测器IA因为喷射区域4c以朝着一个方向输送在活性区域4b被激发的电子的方式被设计，所以没有必要为了使其动作而从外部施加偏置电压，被光激发的电子在没有偏置电压的状态下在量子能级之间散乱移动，所以暗电流极小。另外，在本实施方式的光检测器IA中，因为在量子级联结构中，活性区域4b相对于喷射区域4c被形成于一侧，即被形成于设置有光学元件10的一侧的最表面，所以能够较强地受到由光学元件10产生的规定的方向的电场成分的影响。因此，根据该光检测器1A，能够以高灵敏度检测比不具有半导体层叠体的层叠方向的电场成分更微小强度的光。例如，作为中红外光检测器，与使用了一直以来为人所知的PbS(Se)或HgCdTe的检测器相比较，能够检测出更弱的光。
[0088]另外，在上述专利文献I所记载的光检测器中，因为在光透过层的表面形成衍射光栅，所以作为光检测器的设计的自由度低。相对于此，在本实施方式的光检测器IA中，因为光学元件10与接触层5分开形成，所以表面等离子体被激发的材料的选择、光学元件10的形成以及加工的技术的选择变宽。因此，本实施方式的光检测器IA的对应于入射光的波长或所希望的光敏性等的设计的自由度大。
[0089]另外，在以检测波长的宽带化为目标的上述专利文献3以及非专利文献2所记载的光检测器中，因为光吸收所产生的量子阱结构从半导体层叠体的表面分布到深层，所以如果不能够均匀地将对于光电转换来说成为必要的半导体层叠体的层叠方向的电场成分提供给这些层的话则深层(远离光入射的一侧的部分)中的光吸收的贡献变小。相对于此，在本实施方式的光检测器IA中，因为具有光吸收所产生的量子阱层的活性区域4b存在于在半导体层叠体4中被限定的深度，所以能够高效率地捕捉到由光学元件10的作用而产生的规定的方向的电场成分，并且半导体层叠体4上的光电转换的效率变高。
[0090]还有，上述第I实施方式的光检测器IA也能够将该光学元件10做成其他的形态。例如，如图6所示，在光学元件10中也能够将被设置于膜体13的多个贯通孔12的形状做成圆柱形状并且将其配置做成平面视图正方格子状。在上述实施方式的光检测器IA中，能够使表面等离子体激发的光限于狭缝形状的贯通孔在排列方向上具有偏振光的光，但是，在具备图6所表示的光学元件10的本实施方式的光检测器中，因为在二维方向上周期性地排列第I区域Rl以及第2区域R2，所以能够使表面等离子体激发的入射光的偏振光方向增加到两个种类。
[0091]另外，替代正方格子状，也能够将该圆柱形状的多个贯通孔的配置如图7所示做成三角格子状。由此，与正方格子状的排列相比较，相对于入射光的偏振光方向的依赖性变得更小。
[0092][第2实施方式]
[0093]作为本发明的第2实施方式，对光检测器的其他的方式进行说明。图8所表示的第2实施方式的光检测器IB与第I实施方式的光检测器IA不同的地方在于,作为光学兀件，替代由金构成的光学元件10而具备由折射率大的电介质构成的光学元件20。
[0094]该光学元件20是用于从规定的方向上的一侧到另一侧使光透过并调制该光的光学元件，第I区域Rl由折射率大的电介质构成。第I区域(电介质)Rl的折射率与第2区域(空气)R2的折射率之差优选为2以上，更加优选为3以上。例如关于波长为5 μ m的中红外光，锗的折射率为4.0，空气的折射率为1.0。在此情况下，折射率之差为3。还有，光学元件20中的膜体13的厚度优选为1nm?2 μ m。
[0095]这样构成的光检测器IB因为具备上述光学元件20，所以在光从规定的方向上的一侧入射到该光学元件20的情况(例如在平面波从半导体层叠体4的层叠方向进行入射的情况)下，该光根据在结构体11中沿着垂直于规定的方向的面被周期性地排列的第I区域Rl与第2区域R2的折射率之差而被调制，之后，从规定的方向上的另一侧射出。即，能够以具有规定的方向的电场成分的方式有效地调制不具有该规定的方向的电场成分的光。另外，第I区域Rl的折射率与第2区域的折射率之差为2以上，第I区域Rl以及第2区域R2的排列的周期d为0.5?500 μ m，因为对应于入射光的波长而被决定，所以能够更加有效地进行光的调制。
[0096]另外，在上述第I实施方式的光检测器中，不仅入射光(在这里是红外线)的一部分被金的薄膜遮光，而且表面等离子体共振自身也会有能量损失变大的趋势，并且会有招致光敏性的降低的情况。再有，表面等离子体共振因为是指金属中的自由电子与光的电场成分等相结合的结果所产生的振动的共振状态，所以为了利用表面等离子体共振而存在自由电子存在于光进行入射的面上是不可或缺的等的限制。相对于此，在本实施方式的光检测器IB中，因为第I区域Rl以及第2区域R2均是相对于入射光具有透过性并且在光的调制中不利用表面等离子体共振，所以不会发生在第I实施方式的光检测器中所担忧的光敏性的降低，并且存在使用材料不被限制于具有自由电子的金属的优点。
[0097]还有,上述第2实施方式的光检测器IB与第I实施方式的光检测器IA相同能够将该光学元件20做成其他的形态。即，在光学元件20中，将被设置于膜体的多个贯通孔的形状做成圆柱形状，并且还能够将其配置做成平面视正方格子状或者三角格子状。另外，也可以将二氧化硅、氮化硅、氧化铝等埋设于贯通孔而构成第2区域。
[0098][第3实施方式]
[0099]作为本发明的第3实施方式，对光检测器的其他的方式进行说明。图9所表示的第3实施方式的光检测器IC与第I实施方式的光检测器IA的不同之处在于，替代接触层5被设置于半导体层叠体4的表面4a整个面，接触层5仅被设置于电极6的正下方；以及伴随于此光学元件10被直接设置于半导体层叠体4的表面4a。另外，也可以替代光学元件10而应用第2实施方式中的光学元件20。如由后面所述的计算结果而可知的那样，由从规定的方向的一侧入射到光学兀件的光生成的规定的方向的电场成分最强显现的是光学兀件中的另一侧的表面附近。因此，本实施方式的光检测器IC因为光学元件10与半导体层叠体4直接相接，所以光敏性比第I实施方式的光检测器IA高。
[0100][第4实施方式]
[0101]作为本发明的第4实施方式，对光检测器的其他的方式进行说明。图10以及图11所表不的第4实施方式的光检测器ID与第3实施方式的光检测器IC的不同之处在于，由形成光学元件10的材料(在这里是金)构成的介在构件1a被配置于接触层5与电极6之间，并且该介在构件1a进入到接触层5的内侧的侧面与光学元件10之间的区域，并电连接光学元件10与接触层5以及电极6。由此，即使是在光学元件10被直接设置于半导体层叠体4的表面4a的情况下，也能够抑制由于串联电阻的损耗引起的光敏性的降低。
[0102][第5实施方式]
[0103]作为本发明的第5实施方式，对光检测器的其他的方式进行说明。图12以及图13所表不的第5实施方式的光检测器IE与第I实施方式的光检测器IA的不同之处在于,作为基板2c而使用半绝缘性类型的InP基板、半导体层叠体4具有小于接触层3的表面3a的整个面的面积并且被设置于接触层3的表面3a的中央而不是整个面、以及电极7以包围半导体层叠体4的方式被环状地形成于接触层3的表面3a中没有设置半导体层叠体4的周缘的区域。这样的电极7能够通过在一旦层叠了接触层3、半导体层叠体4、接触层5之后蚀刻除去接触层5以及半导体层叠体4而使接触层3的表面3a露出来进行形成。通过使用电磁感应小的半绝缘性类型的基板2c，从而可以容易实现低噪音化及高速化或者放大器电路等的集成电路。
[0104]再有，在光检测器IE中，因为电极没有被设置于基板2c的与接触层3相反侧的表面，所以从光检测器IE的背面侧(规定的方向上的另一侧)使光入射，从而可以检测该光。由此，因为能够避免由光学元件10引起的入射光的反射以及吸收，所以可以进一步增大光敏性。再有，在由倒装接合(flip-chip bonding)将光检测器IE搭载于封装体(package)、散热基板(Submount)或者集成电路等的状态下，因为能够简便地使光入射，所以特别是会有向图像传感器等的发展的可能性变宽等的优点。
[0105]还有，即使是在本实施方式中也能够使用作为基板的η型的InP基板。
[0106][第6实施方式]
[0107]作为本发明的第6实施方式，对光检测器的其他的方式进行说明。图14以及图15所表不的第6实施方式的光检测器IF与第2实施方式的光检测器IB的不同之处在于,作为光学元件而使用形状不同的光学元件30、以及半导体层叠体4具有沿着规定的方向进行层叠的多个量子级联结构。具体来说，如图5所示，量子级联结构(即，单位层叠体46)以多级进行层叠。
[0108]光学元件30是在垂直于规定的方向的方向上进行延伸的多个棒状体33a(第I区域Rl)以与空间S(第2区域R2) —起形成条纹的方式在同一平面上被互相平行地配置的光学兀件。
[0109]规定的方向的电场成分如由后面所述的模拟而可知的那样，在接近于光学元件30的表层的部分强度最高，但是，即使是在半导体层叠体4的深的区域其强度也不为零，而是随着变深即使衰减但也还是存在。半导体层叠体4因为具有多级量子级联结构，所以即使由达到深的区域的电场成分也能够有效地使光激发电子产生。因此，本实施方式的光检测器可以说光敏性更高。
[0110]以上，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但是，本发明并不丝毫限定于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，作为形成于InP基板上的量子级联结构，采纳了由InAlAs和InGaAs构成的例子,但是也可以由InP和InGaAs构成，也可以由形成于GaAs基板上的AlGaAs和GaAs构成，除此之外，能够应用由GaN和InGaN构成的例子等、形成有量子能级的所有半导体层。
[0111]另外，在第I实施方式中，作为光学元件10的材料显示了金(Au)，但是也可以是铝(Al)或银(Ag)等的电阻低的其他的金属。另外，在第2实施方式中，作为光学元件10的材料即折射率高的电介质，显示了锗(Ge)，但是，并不限定于此。另外，关于构成上述各实施方式中的欧姆电极6，7的金属也不限定于以上所述的。这样，在通常所考虑的器件形状的变化范围内，可以应用本发明。
[0112]另外，也可以替代第4以及第5实施方式的光检测器中的光学元件10，应用第2实施方式中的光学元件20，作为构成第I区域以及第2区域的材料，也可以使用文献(M.Choi et al., “A terahertz metamaterial with unnaturally high refractiveindex”，Nature, 470，369 (2011).)所公开的那样的、被称作为由高精密加工技术人工地操作介电常数和导磁率的超材料(metamaterial)的材料。
[0113]另外，在本发明的光检测器中，光学元件可以是在光从规定的方向上的一侧进行入射的时候使该规定的方向的电场成分产生的光学元件，或者，光学元件也可以是在光通过半导体层叠体从规定的方向上的另一侧进行入射的时候使该规定的方向的电场成分生成的光学元件。即，本发明的光学元件是在光沿着规定的方向进行入射的时候使该规定的方向的电场成分产生的光学元件。
[0114]再有，关于光学元件中的第I区域Rl以及第2区域R2，被周期性地排列的方向上的尺寸比(宽度比)没有特别的限制。例如，可以将第I区域Rl的宽度构成为小于第2区域R2的宽度，反过来，也可以将第I区域Rl的宽度构成为大于第2区域R2的宽度。配合于各种各样的目的，能够进行自由的设计。
[0115]实施例
[0116]关于本发明中的光学元件，通过模拟计算在光射出的一侧的附近的电场强度分布。
[0117]将图8所表示的光学元件20作为对象。光学元件20的厚度、以及第I区域Rl及第2区域R2的构成材料及尺寸如以下所述。
[0118]光学元件的厚度:0.5μπι
[0119]周期(1=1.5μηι
[0120]第I区域:锗(折射率4.0)、宽度0.7μπι
[0121]第2区域:空气(折射率1.0)、宽度0.8μπι
[0122]电场强度分布的计算由被称作为FDTD (Finite-Difference Time-Domain)法(时域有限差分法)的逐步近似法来进行。结果被表示于16中。在此，入射光为波长5.2μπι的平面波，从图16中的下方向上方(即规定的方向)入射。偏振光方向为光学兀件20的狭缝形状进行排列的方向。图16表示垂直于光学元件20中的第I区域Rl以及第2区域R2所成的面(即垂直于规定的方向的面)的电场成分的强度。
[0123]入射光为均匀的平面波，其电场成分仅存在于横向上。根据图16，可以了解到由第I区域(锗)与第2区域(空气)的周期性的排列，会新产生不包含于入射光的规定的方向的电场成分。另外，根据其强度分布，可以了解到垂直电场强度强的区域集中于接近于光学元件20的表层的范围，据此可知，在量子级联结构中活性区域4b形成于尽可能接近于半导体层叠体4的表层的部分，会获得更加高的光敏性。
[0124]另外，实际制作具备由锗构成的光学元件的光检测器，并制作出其光敏性光谱。将其光敏性光谱表示于图17中。在此，所制作出的光检测器，光学元件的材质为锗，形状为条纹状(图3的形状)。作为光学元件的尺寸，周期为1.5 μ m，宽度为0.8 μ m。半导体结构是由InGaAs的讲层和InAlAs的势鱼层所构成。基板为η型的InP。
[0125]根据图7，可以观测到在活性区域的量子阱层内的量子高能级为I个能级的现有例子中光敏性峰值为I个，但是，在设置有2个量子高能级的本发明的实例中可以观测到相当于向各个能级的电子激发能量的2个光敏性峰值。
[0126]另外，一边使量子级联结构的级数变化一边计算半导体层叠体内整体所产生的垂直电场强度的累积值的一个例子被表示于图18。根据图18，可以了解到至少级数到50级为止垂直电场强度与级数一起增加，垂直电场强度在50级以上的级数的情况下成为饱和趋势。根据该结果，可以了解到量子级联结构的级数优选为数十级。
[0127]符号的说明
[0128]1A, IB, 1C, ID, IE, IF…光检测器、2，2c…基板、3，5…接触层、4…半导体层叠体、4b…活性区域、4c...喷射区域、6，7…电极、10，20，30…光学元件、11…结构体、Rl…第I区域、R2...第2区域。
【权利要求】
1.一种光检测器，其特征在于: 具备: 光学元件，具有包含第I区域以及沿着垂直于规定的方向的面相对于所述第I区域被周期性地排列的第2区域的结构体并且在光沿着所述规定的方向入射的时候使所述规定的方向的电场成分产生: 半导体层叠体，相对于所述光学元件被配置于与所述规定的方向上的一侧相反侧的另一侧并且具有由通过所述光学元件产生的所述规定的方向的电场成分而产生电流的量子级联结构， 所述量子级联结构包含: 具有第I量子高能级以及低于该第I量子高能级的第2量子高能级的活性区域；以及 输送在所述活性区域被激发的电子的喷射区域。
2.如权利要求1所述的光检测器，其特征在于: 所述半导体层叠体具有沿着所述规定的方向被层叠的多个所述量子级联结构。
3.如权利要求1或者2所述的光检测器，其特征在于: 还具备: 被形成于所述半导体层叠体的所述一侧的表面的第I接触层；以及 被形成于所述半导体层叠体的所述另一侧的表面的第2接触层。
4.如权利要求3所述的光检测器，其特征在于: 还具备: 与所述第I接触层相电连接的第I电极；以及 与所述第2接触层相电连接的第2电极。
5.如权利要求3或者4所述的光检测器，其特征在于: 还具备: 所述第2接触层、所述半导体层叠体、所述第I接触层以及所述光学元件从所述另一侧按顺序被层叠的基板。
6.如权利要求1?5中任意一项所述的光检测器,其特征在于: 所述第I区域由沿着所述规定的方向使所述光透过并调制该光的电介质所构成。
7.如权利要求1?5中任意一项所述的光检测器,其特征在于: 所述第I区域由表面等离子体被所述光激发的金属所构成。
8.如权利要求1?7中任意一项所述的光检测器，其特征在于: 相对于所述第I区域的所述第2区域的排列的周期是0.5?500 μ m。
9.如权利要求1?8中任意一项所述的光检测器，其特征在于: 所述光是红外线。
10.如权利要求1?9中任意一项所述的光检测器，其特征在于: 所述光学兀件在光从所述一侧入射的时候使所述规定的方向的电场成分产生。
11.如权利要求1?9中任意一项所述的光检测器，其特征在于: 所述光学元件在光经由所述半导体层叠体从所述另一侧入射的时候使所述规定的方向的电场成分产生。
【文档编号】G01J1/02GK104285135SQ201380025424
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年5月10日 优先权日:2012年5月16日
【发明者】中嶋和利, 山西正道, 藤田和上, 新垣实, 广畑彻, 山下博行, 赤堀亘 申请人:浜松光子学株式会社