JP2017500743A - 低雑音の量子的検出素子およびそのような光子検出素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は、一態様にあっては、中心波長λ０の周囲に集中したスペクトル帯の入射放射のための量子的光子検出素子であって、前記放射を受けることを意図した前面を示し、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合を形成する、半導体層のスタックであってカットオフ波長λｃ＞λ０を有する吸収材半導体でできた少なくとも１つの層と、共振光キャビティを形成する、半導体層のスタックと、を含むスタックと、前記入射放射と前記光キャビティとをカップリングする構造とを備え、前記カップリングする構造は、前記中心波長λ０において共振を形成し、前記共振により、前記中心波長において前記吸収材半導体層において８０％を上回る吸収を実現し、放射波長λｒａｄにおいては共振を形成せず、前記放射波長は、動作温度において放射型再性結合率が最大となる波長であることを特徴とする光子検出素子に関する。【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、非常に低雑音の量子的光子検出素子およびそのような光子検出素子の製造方法に関する。特に本発明は、非常に高感度の赤外線光子検出器の設計に適用される。

光学検出器は、光放射を電気信号に変換する。例えば熱型検出器では、光の吸収は吸収物質の温度上昇によって表され、その後電気信号に変換される。この場合、この光電変換は間接的であるかもしれない。これに対し光子（量子的）検出器の場合は、電荷の直接的発生を引き起こし、この電荷は放出される（光電子放出効果）か、または光感受性物質（半導体の一つの例）の中に開放される。

フォトレジスタとフォトダイオードは、半導体検出器で特に主要なものである。フォトレジスタ（またはＬＤＲ：Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｒｅｓｉｓｔｅｒｓ（光依存性抵抗））は、半導体物質の層を備える。フォトレジスタは抵抗として振る舞い、流れる電流を照射光に応じて、増加または減少することができる。フォトダイオードは接合ダイオードであり、所与の電気バイアスの下で、照射光に応じて電流が流れる。フォトダイオードは、例えばドープされたＰ型半導体とドープされたＮ型半導体とからなり、両者の界面で接合（ＰＮ接合と呼ばれる）を形成する。Ｎ型ドープは、結晶に電子供与性不純物（負電荷（電子）密度を増加させる）を導入することによって形成される。Ｐ型ドープは、電子受容性不純物（正電荷（正孔）密度を増加させる）によって形成される。図１ＡはＰＮ結合における電子のエネルギー図である。接合の近くに、空間電荷領域（ｓｐａｃｅ ｃｈａｒｇｅ ｚｏｎｅ）（ＳＣＺ）とも呼ばれる空乏層（自由キャリアがない領域）が存在する。半導体の禁制帯（「ギャップ」）のエネルギーを上回るエネルギーを持つ光子（これは、いわゆるカットオフ波長（λ_ｃ）より短い波長の光といえる）は吸収され、価電子帯から伝導帯へ向かう電子の移動を引き起こす。この移動は、新たな可動電荷の対（すなわち、伝導帯の電子と、価電子帯の正孔）の発生という形で表される。空間電荷領域では、この領域内に広がる電場の作用により、正孔がＰ型領域に向かって加速し、電子がＮ型領域に向かって加速する。正孔と電子とは、それぞれ、Ｐ型領域とＮ型領域における支配的なキャリアとなる。その結果、電子―正孔対の分離が起こり、デバイス内にはＮ型領域からＰ型領域に流れる電流（すなわち光電流）が発生し、ダイオードと逆向きの流れが増加する。このスキームはしばしば、この２つの領域の間にドープを意図しない層（大雑把には「真性半導体」と呼ばれる）を追加する（これによりＳＣＺの厚さを、半導体内の光子の吸収長に近い値まで増加させることができる）ことにより、改善される（「ＰＩＮ」接合）。

図１Ｂは、光束Ｅを照射されたフォトダイオードの電流／電圧特性を示す。ここでＥは、Ｅ_１＜Ｅ_２＜Ｅ_３であるようなＥ_１，Ｅ_２およびＥ_３の値を取ることができる。Ｉは、このダイオードを通過する電流の大きさであり、ダイオードの電極間電圧の関数となる。図１Ｂに示されるように、フォトダイオードの特徴は、その電流／電圧特性が、ダイオードが受ける光束に依存するところにある。特に光照射がない場合は、印加電圧がゼロのとき電流がゼロの接合ダイオードの特性を示す。光束が増していくと、特に負電圧の領域で、負の値の電流増加が観測される。慣習的なＩとＶの方向を選ぶと、積Ｐ＝Ｉ＊Ｖが正の場合、双極子はエネルギーを受け取り、レシーバとして機能する。上記の積が負の場合、双極子はエネルギーを供給し、ジェネレータとして振る舞う。ジェネレータの象限は、光起電領域に一致する。

双極子がレシーバとして機能するとき、このデバイスは次の検出能によって特徴付けられる。
ここでη_ｅｘｔはデバイスの量子効率で、ｊ_ｏｂｓは暗電流密度である。暗電流は
、照射光がないときに光子検出器を流れる電流、と定義する。暗電流の主な原因には、一方では真正の原因（少数キャリアの拡散電流や、電荷の放射型または非放射型の生成−再結合から生じる電流など）と、他方では製造法に関係する原因（半導体の欠陥上の非放射型再結合から生じる電流（これはＳＲＨ電流と呼ばれ、特に表面や界面において強い）など）とがある。

少数キャリアの拡散電流は、当該キャリアの密度勾配に比例し、境界条件、すなわち、一方ではＳＣＺの境界、他方では電気接点の境界における境界条件が課される。電子または正孔が半導体内に均一に分布していない場合、これらは、空間的分散がより均一になるような方向に動く。ＰＮ接合では、ドープされた領域における少数キャリアが均一に分布していないため、これらのキャリアの拡散が起こる。その結果、拡散電流と呼ばれる電流が発生する。

Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｅｓｔ他の１９８０年の論文（「生成−再結合およびトンネリングによる暗電流を制限したＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７フォトダイオード」Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．３７（３），１９８０）は、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ型ヘテロ結合におけるＩｎＰ「バリア層」を用いて、拡散電流を大幅に低減したことを示す。

図２は、このような先行技術による量子的検出器を示す。この検出器は、例えばＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ型のような３つの半導体層１４，１０，１２からなる、ＰＩＮ型ヘテロ結合１を備える。例えばＩｎＧａＡｓの層１０は、例えばＩｎＰの層１４と１２との間に位置する。この層１０は、関心のあるスペクトル帯の吸収材となる半導体物質の層であり、ＰＩＮ接合のＩ領域を形成する。吸収材層の厚さは約２μｍかそれより厚く、すべての入射放射を吸収する。層１４と１２とは、Ｉ領域のいずれかの側面に位置し、Ｉ領域の禁制エネルギー帯より高い禁制エネルギー帯を持つ。このように、これらの層は「バリア層」といわれる層を形成し、Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｅｓｔ他が示したように、ヘテロ接合における拡散電流を強く制限する。Ｐ型領域１６は、イオン拡散や、バリア層１４へ挿入することにより得られる。Ｐ型の各領域は、検出器のピクセルを定義する。後面上の保護層６により、結晶欠陥の効果（空間電荷領域においてＳＲＨ（Ｓｈｏｃｋｌｅｙ−Ｒｅａｄ−Ｈａｌｌ）電流を引き起こす）を制限することができる。導体層３（例えば金属層）により、各ピクセルレベルでの電気接点を実現することができる。電気接点３のそれぞれは、インジウム球７を通して、読み込み回路９と接触する。電気接点３は、各ピクセルに関して、ヘテロ接合で形成された電気回路のアノードを表す。回路のカソードは、電気回路のバリア層１２とのオフセット接点５によって作られ、読み込み回路と接触することができる。バリア層１２は、入射放射を受けることを意図した前面ＦＦを形成する。このバリア層は、反射防止層８で覆われることにより、入射光束（図２では矢印で示される）を可能な限りヘテロ接合に伝えることができる。

図２に示すような拡散電流の小さいヘテロ接合の場合は、生成−再結合電流が支配的となることを示すことができる。

「生成」という用語は、価電子帯を占める電子が、伝導帯の非占有状態に遷移する場合に使われる。これは、温度がゼロでないとき、自発的に発生するプロセスである。熱力学的平衡状態にあるとき、熱的な「生成」は、「再結合」と呼ばれる逆のプロセス、すなわち伝導帯の電子が価電子帯に移るプロセスによって、完全に打ち消される。半導体には、いくつかの生成−再結合プロセスがある。慣習的には放射型プロセスと非放射型プロセスとを区別するが、これは電子−空孔対のエネルギー散逸が、光子放射によって起こるか（放射型）、フォノン放射によって起こるか（非放射型）による。これらすべての生成−再結合現象は、構造内部で、生成−再結合電流と呼ばれる寄生電流を誘導する。

拡散電流の小さいヘテロ接合において、暗電流を低減する課題は、Ｊ．Ａ．Ｔｒｅｚｚａ他の論文（ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓＳＰＩＥ、８０１２：８０１２１Ｙ−８０１２１Ｙ−１２、２０１１）で裏付けられたように、未だに話題となる。この論文では、暗電流の分析と評価が詳細にされ、逆バイアス下における暗電流密度が、電荷の生成−再結合率と空間電荷領域（ここで生成−再結合現象が発生する）の厚さの両方に比例することが示されている。

生成−再結合プロセスは、フォトレジスタにおいても半導体層のレベルで存在し、同様に寄生暗電流を発生することに注意する必要がある。

暗電流を低減する目的で、拡散電流を小さく保ったまま、生成−再結合率を低減するための方法を模索することができる。これは、例えば検出器を冷却する方法でもよいが、これはエネルギー的には高価なものとなる。あるいは電子構造を最適化する方法でもよい。また空間電荷領域の厚さを減らすための方法を模索することもできる。

しかしながら、空間電荷領域の厚さを減らすと、検出器の吸収材が減ることにもなる。

エネルギーを集中させて空間電荷領域の減少を補うために、光共振器を利用することは、赤外線検出の分野（例えば、特許ＥＰ ２ ２７６ ０７２参照）や光電池の分野（例えば、Ｐｏｌｍａｎ、Ａ．、＆ Ａｔｗａｔｅｒ、Ｈ．Ａ．（２０１２）、「超高効率光電池のための光設計理論」、Ｎａｔｕｒｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ、１１（３）、１７４−１７７）では周知である。しかしこれらの文献は、生成−再結合電流の低減を実現する（特に拡散電流が小さい接合において）ための光子検出素子については、何らの開示もしていない。

本発明の目的は、暗電流を低減することにより、最適な検出能を持つ検出器を生み出すことである。これは、生成−再結合現象を劇的に低減できる、特別な構成を有する光共振器を用いることで達成できる。

第１態様による本発明は、中心波長λ_０の周囲に集中したスペクトル帯の入射放射のための量子的光子検出素子であって、前記放射を受けることを意図した前面を示し、
−ＰＮ接合またはＰＩＮ接合を形成する、半導体層のスタックであって
カットオフ波長λ_ｃ＞λ_０を有する吸収材半導体でできた少なくとも１つの層と、
共振光キャビティを形成する半導体層のスタックと、
を含むスタックと、
−前記入射放射と前記光キャビティとをカップリングする構造と、
を備え、
前記カップリングする構造は、
・前記中心波長λ_０において共振を形成し、前記共振により、前記中心波長において前記吸収材半導体層において８０％を上回る吸収を実現し、
・放射波長λ_ｒａｄにおいては共振を形成せず、
前記放射波長は、動作温度において放射型再性結合率が最大となる波長であることを特徴とする光子検出素子に関する。

電気接点により、前記光子検出素子にバイアスをかけることが可能となる。

本特許出願で放射波長と呼ぶ波長λ_ｒａｄは、そこで放射型再結合率が最大となるような波長である。これは不等式、λ_０＜λ_ｒａｄ＜λ_ｃ、を満足する。放射波長において共振がないことを確実にすることで、λ_ｒａｄにおいて光子検出素子の吸収を確実に制限することができる。これにより、生成−再結合電流、すなわち、キルヒホッフの法則に従って吸収率と同じように変化する放射率を、著しく低減することができる。また、放射波長において吸収が減少し、この減少がｅｘｐ（ΔＥ／ｋＴ）を上回ることを確実にすることで、カットオフ波長から大きく離れた波長λ_０においても有効であるようにできる（ΔＥは、波長λ_ｒａｄとλ_０との間におけるエネルギー差）。ある変形態様では、前記入射放射と前記光キャビティとをカップリングする前記構造は、前記吸収材半導体層内での吸収が、前記放射波長で最小となるのに適する。ある変形態様では、この最小吸収は、キャビティにおける***振の結果である。

先行技術の構造では一般に、カットオフ波長は、スペクトル検出帯の中心波長に非常に近いものが選ばれる。その結果、放射型生成−再結合率、すなわち暗電流が制限される。本発明では、意図的に、カットオフ波長として、スペクトル検出帯の中心波長と一定の差を持つものが選ばれる。そして光キャビティは、放射波長において非共振を示す。放射波長の値は、必ずスペクトル検出帯中心波長とカットオフ波長との間にある。

有利には、ある変形態様では、前記入射放射と前記光キャビティとをカップリングする前記構造は、前記放射波長λ_ｒａｄにおいて、前記吸収材半導体層内での吸収が減少するのに適し、前記減少はｅｘｐ（ΔＥ／ｋＴ）を上回る（ΔＥは、前記λ_ｒａｄと前記λ_０との間におけるエネルギー差）。この吸収の減少は、同じ検出器でカップリング構造を持たないものと比較することによって分る。

有利には、スペクトル検出帯の中心波長における前記共振は、前記吸収材半導体層内に存在する。これにより表面あるいは界面での吸収を制限できる。

有利には、前記光子検出器は、前記光キャビティの側面であって、前記前面を支える側と反対側の側面に配置された金属反射層をさらに備える。ある変形態様では、前記金属反射層は、前記光子検出器の電気接点としても機能する。

有利には、前記共振光キャビティは導波路であり、前記カップリング構造は、前面、および／または、後面（すなわち、前記前面を支えるのと反対側）に、カップリング回折格子を備える。

このカップリング回折格子は、誘電体／誘電体（すなわち、誘電体であって、屈折率の実数部分が異なるもの）あるいは誘電体／金属から形成された、１次元または２次元の回折格子であってよい。前記誘電体は、絶縁体あるいは半導体であってよい。

前記カップリング回折格子は、１つのピクセルの大きさに限られてもよく、またピクセルの組全体に及んでもよい。

前記光キャビティが導波路の場合、中心波長λ_０における前記吸収材半導体層での共振は、ガイド−モード共振である。有利には、前記導波路は、放射波長λ_ｒａｄにおいて前記吸収材半導体層で***振を示すが、これは、準−ゼロ吸収につながる破壊的界面（ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）の結果である。

前記導波路の厚さが、導波路における共振の数を決定する。有利には、前記導波路の厚さは、λ_０／８ｎとλ_０／ｎとの間にあり、有利にはλ_０／４ｎと３λ_０／４ｎとの間にある。ここでｎは、前記導波路を形成する半導体の単一の層または複数の層の屈折率の実数部分の平均値である。厚さを十分厚く選ぶことにより、吸収材半導体層において求められる波長における、少なくとも１つの共振の存在を確実にすることができる。厚さを制限することにより、吸収材半導体層における共振の数を制限することができる。その結果、共振波長間の間隔を開け、λ_ｒａｄにおける「共振の節」の発生を促すことができる。

ある変形態様では、前記単一または複数のカップリング回折格子は、周期がλ_０／ｎとλ_０／ｎ_１との間である周期的構造を持つ。ここでｎ_１は、放射が入射する媒質（例えば空気）の屈折率の実数部分である。前記単一または複数の回折格子の、周期に関する条件を与えることにより、導波路を形成する層のスタックにおける回折次数の数を制限することができる。より正確には、入射媒質においては回折次数を０だけに、導波路においては次数を０，−１および＋１だけに制限することができ、これにより再び、共振波長の間隔を開けることができる。さらにこの構成により、検出素子の角度に関して非常に大きい許容範囲を与えることができる。

ある変形態様では、前記カップリング構造は「金属−誘電体−金属（Ｍｅｔａｌ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｅｔａｌ）」構造（ＭＤＭとも呼ばれる）を有することができる。

ある変形態様では、前記光子検出素子は、ＰＮ型またはＰＩＮ型のヘテロ接合を形成する半導体でできた層のスタックを備え、このスタックは前記光キャビティを形成する半導体でできた単一の層または複数の層を有する。

有利には、前記ヘテロ接合はバリア層を備え、これにより拡散電流を大きく低減することができる。

ある変形態様では、少なくとも１つの前記バリア層が、層の少なくとも一部の上に構成され、その結果、前記光キャビティとのカップリングのための回折格子を形成する。本出願人は、この構成により活性表面領域における暗電流が減るため、さらに暗電流の低減を実現できることを示した。

ある変形態様では、第１態様による前記光子検出素子は、赤外線のＩバンド、ＩＩバンドまたはＩＩＩバンドのいずれか１つを検出するのに適する。

第２態様による本発明は、第１態様による量子的光子検出素子の構成部品の組み合わせを有する赤外線検出器に関する。

第３態様による本発明は、第１態様による量子的光子検出器の製造方法に関する。

ある変形態様では、前記方法は、
−エピタキシーされた構造の基板（ａ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｏｆ ａｎ ｅｐｉｔａｘｉｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）上に、半導体でできた層のスタックであって、
カットオフ波長λ_ｃ＞λ_０を有する、吸収材となる半導体でできた少なくとも１つの層と、
誘電体でできた上層と、を含むスタックを形成するステップと、
−カップリング回折格子を形成する誘電体でできた前記上層を構築するステップと、
−前記カップリング回折格子上に、金属反射層を堆積するステップと、
−前記検出素子の前面を形成するために、前記基板を除去するステップと、
を備える方法に関する。

有利には、前記エピタキシーされた構造を形成するステップは、有機金属プロセスによるエピタキシーを含む。

本発明のその他の利点や特徴は、以下の図面を用いた本明細書を読むことで、明確となるだろう。
（すでに説明した）図１Ａは、ＰＮ接合における電子のエネルギー図である。図１Ｂは、フォトダイオードの電流／電圧特性を、照射光の関数として表す図である。 （すでに説明した）先行技術による検出器の例を示す図である。 本明細書に係る検出器の例を示す図である。 本明細書に係る検出素子におけるカップリング構造の例を示す図である。 本明細書に係る検出素子に適した、１次元または２次元のカップリング回折格子の例を示す図である。 典型的な実施例（光共振器が導波路を形成する場合）による、検出素子に組み込まれた光共振器の主要要素を示す略図である。 回折次数が０および±１（正常入射）のときの、図６に示す型の導波路内における、波動の伝搬路を表す基本略図である。 ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ型ヘテロ接合の場合に、図６に示す型の共振器を組み込んだ検出素子の吸収曲線を、波長の関数として表したものである。 図９Ａおよび９Ｂは、それぞれＴＥ偏光およびＴＭ偏光の場合に、スペクトル検出帯の中心波長における、図６の各層での電磁場の分散を算出した図である。図９Ｃおよび９Ｄは、それぞれＴＥ偏光およびＴＭ偏光の場合に、放射波長における、図６の各層での電磁場の分布を算出した図である。 本発明による典型的な検出素子、すなわちＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ型ヘテロ接合による検出素子を示す略図である。 ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ型ヘテロ接合の場合の拡散電流を、それぞれＩｎＰ型接合、ＩｎＧａＡｓ型接合の場合の拡散電流と比較して示す曲線である。 ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ型ヘテロ接合の場合の拡散電流と放射型生成−再結合電流との和を、それぞれＩｎＰ型接合、ＩｎＧａＡｓ型接合の場合の拡散電流と比較して示す曲線である。 図１３Ａは、図１０の型の光子検出素子における静電ポテンシャルの分布を表す略図である。図１３Ｂは、逆バイアスの下で計算された放射型再結合率を、図１３Ａの断面中の光子検出器素子位置の関数として表す曲線である。 図１０に示される型のヘテロ接合において、実験的に検出した電子発光スペクトルである。 それぞれ、図１０で示される構造で形成された光キャビティの吸収スペクトル、ヘテロ接合の電子発光スペクトル、およびキャビティに起因する発光（上記吸収スペクトルと電子発光スペクトルとの積により算出される）と、を表す曲線である。 本明細書に係る典型的な方法の、異なるステップを示す略図である。

図面において、同一の要素には同じ符号を付して示す。図面はイラストによって与えられ、必ずしも縮尺により作図されていない。

図３Ａと３Ｂとは、本明細書に係る量子的光子検出素子の２つの例を示す。

図２に示す例のように、検出器は、例えば結像レンズ（図示しない）の焦点面にマトリックス状に配置された光子検出素子の組（Ｐ_１、Ｐ_２、．．．）を備える。図３Ａおよび３Ｂでは、読み取りやすさのため、ピクセル間の距離を実際より大きく描いてある。光子検出素子は、中心波長λ_０の周囲に集中したスペクトル帯（例えば、赤外線のＩバンド、ＩＩバンドまたはＩＩＩバンドのいずれか１つ、すなわち大気透過スペクトル帯）における入射放射を検出するのに適する。検出器は、光放射（図３Ａおよび３Ｂでは、矢印で表す）を受けることを意図した前面ＦＦと、前面の反対側に配置された読み取り回路９とを備える。各光子検出素子は、例えばインジウム球７（これは多数の検出器「ピクセル」を形成する）を介して読み取り回路と結びつく、第１電気接点３を備える。第２電気接点５はすべてのピクセルに共通であり、これにより各光子検出素子の電気回路を閉じることができる。

これらの例では、各光子検出素子は、ＰＮ型またはＰＩＮ型の接合１を形成する半導体（特にカットオフ波長λ_ｃ＞λ_０における吸収材半導体層１０）でできた層のスタックを備える。有利には、この半導体層のスタックはＰＩＮ型ヘテロ接合を形成する。このとき吸収材半導体層１０は、真性領域Ｉと呼ばれる意図的にドープしない領域を形成する。ヘテロ接合のいくつかの例では（これらについては、後述でより詳細に述べるが）、それ以外の半導体層（層１０の両側面に配置したバリア層１２および１４を含む）を備える。

層６は、次の２つの相補的な役割を持つことができる。一つには、ＳＣＺが検出器の表面を形成する場合、保護層としての役割を果たす。例えば、イオン局所拡散によってＰ＋ドープ領域を作成する場合や、Ｐ＋ドープ領域とＮ型物質との界面にＳＣＺを形成するドーパント（例えば亜鉛）を組み入れる場合などが、これに相当する。また、メサを深くエッチングすることにより、ピクセルを絶縁する場合もこれに相当する。もう一つは、外部媒質からの攻撃に対する保護またはカプセル化としての役割である。これはハイブリッド化（ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）の過程で特に有用であるばかりでなく、検出器の長期の経年劣化を低減する上でも有用である。本明細書では、有利には、各ピクセルは互いに電気的に絶縁されている。これは、ピクセル間でバリア層１４の全部または一部をエッチングするか、または後により詳細に述べるように、ピクセル間のバリア層に水素原子を拡散させて強い電気抵抗を持たせることにより実現できる。ＳＣＺはデバイスの表面に接していない。そのため、製造が容易となり、関連するＳＲＨ型表面電流が既知の先行技術の方法と比べて減少する。しかしながら、検出器の経年劣化に対する保護という、層６の決定的な役割は依然としてある。

図３Ａおよび３Ｂに示す例では、各光子検出素子はさらに、前面ＦＦ（入射放射を受けることを意図する）の反対側に配置された金属反射層３０と、カップリング構造４（例えば、構造化された誘電体で作られたカップリング回折格子）とを具備する。反射層３０と入射面との間に、構造を持たない誘電体層の組があり、有利にはこれらの組としては、屈折率の実数部分の値が互いに近いものが選ばれる。これらの組は、所与の厚さｅを持つ共振光キャビティ２（例えば導波路）を形成する。図３Ａおよび３Ｂでは、入射放射と光キャビティとをカップリングするためのカップリング構造４は、カップリング回折格子で形成される。このカップリング構造４は、中心波長λ_０における共振（すなわち、吸収材半導体層１０に局在した準−全吸収（＞８０％））と、波長λ_ｒａｄ（本明細書では放射波長と呼ばれ、この波長で放射型再結合率が最大になる）における吸収材半導体層での吸収の減少とを生むのに適したものである。

半導体層における放射型再結合率Ｒは、以下の関係式で与えられる。

ここでＥ＝ｈｃ／λは、波長λで放射された光子のエネルギーである（ｈはプランク定数、ｃは光速）。Ｅ_ｇは吸収材半導体の禁制帯エネルギー（またはギャップ）（Ｅ_ｇ＝ｈｃ／λ_ｃ）、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度である。このように、放射型再結合率が最大となる入射光子エネルギーＥ_ｒａｄは、式（１）の微分係数がゼロのときのエネルギー、すなわち以下のエネルギーである。

これは、λ＝λ_ｒａｄのときに相当する（λ_ｒａｄは「放射波長」と呼ばれる）。

実際に選択される吸収材半導体は必ず、そのカットオフ波長λ_ｃが、光子検出素子の対象のスペクトル検出帯の中心波長より長いものである。周辺温度においては、放射波長は、カットオフ波長より必ず短いがしかし非常に近い。従って放射波長は厳密な意味で、光キャビティの共振波長と、吸収材半導体のカットオフ波長λ_ｃとの間の値を取る。

本出願人は、以下に述べるように、λ_ｒａｄにおける吸収の（従って、放射の）減少がｅｘｐ（ΔＥ／ｋＴ）を上回るときに、生成−再結合電流が減少することを解明した。ここでΔＥは、λ_０とλ_ｒａｄとの間のエネルギー差である。

実際、λ_ｒａｄにおける吸収−放射の減少がｅｘｐ（Ｅ_０−Ｅ_ｒａｄ／ｋＴ）を上回るということは、暗電流の減少が増加（すなわち、禁制帯幅（Ｅ_０−Ｅ_ｒａｄ）の減少に起因する増加）を上回ることを表す。共振光キャビティを組み込むことにより、吸収材半導体層を（例えばＩｎＧａＡｓ層の場合、数１０ナノメートルと数１００ナノメートルとの間に）減らすことができる。例えば、先行技術の構造に比べて、何倍も厚さを減らすことができる。これは、ＳＣＺの厚の減少を表す。ＳＣＺの減少により、一方では放射型再結合電流が、他方ではＳＲＨ型の非放射型再結合電流が、同じ比率で減少することになる。この結果、暗電流は著しく（ほぼ一桁）減少する。

さらに前面ＦＦの反射防止層は、もはや不要となる。逆に、誘電体層１２と入射媒質（例えば空気）との界面における反射を最大化し、光キャビティにおいて共振が生成できるためには、この反射防止層はない方がよい。

有利には、光キャビティが誘電体の複数の層から形成される場合、これらの誘電体間の屈折率の実数部分の値は、２０％より狭い範囲で相違する。これにより、界面における寄生反射が回避できる。

図３Ａと３Ｂの例では、金属の反射層３０はさらに、電気接点３（これは、各ピクセルに関し、ヘテロ接合により形成される電気回路のアノードを表す）を形成するという役割も持つ。電気接点３は、インジウム球と接触可能である。電気接点３はさらに、選択的に、インジウム球とハイブリッド化するための層３１を備える。図２の例のように、回路のカソードがオフセット接点５により形成される。オフセット接点５は例えば、バリア層１２との電気的接点において導体層５０と、読み取り回路との接触を可能とする導体層５１とを備える。

図３Ａに示すように、カップリング構造は、回折格子を後面に備えてもよい。この構造化は、金属層内にカップリング回折格子を形成するように行ってもよいし、半導体層（例えばバリア層１４）内に行ってもよい。図３Ｂに示すように、カップリング構造は、カップリング回折格子を前面に備えてもよい。このカップリング構造は、図３Ｂのように半導体層１２上に回折格子を成長させるか、または、半導体層１２を直接構造化することで得られる。カップリング構造は、回折格子を前面と後面とに備えてもよい。その他のカップリング回折格子、例えば、金属−誘電体回折格子などもあり得る。

さらに、カップリング回折格子は、１つのピクセルの大きさに限られてもよく（図３Ａ）、またピクセルの組全体に及んでもよい（図３Ｂ）。

図４Ａから４Ｃは、本明細書に係る光子検出素子を製造するのに適したカップリング構造の、選択可能なバリエーションである。

これらの図では簡単化のため、誘電体層や光キャビティ２の形成層（単一または複数）は省略し、単に層１０としてまとめている。さらにいずれの場合も反射層３０は、後面上に配置したもののみを表示している。

図４Ａの例は、単一のカップリング回折格子を、前面に備えるカップリング構造を示す。回折格子４は、放射の少なくとも一部（図４Ａでは、波数ベクトルｋで示す）が通過できるように、透明または半透明である。この回折格子は例えば、異なる屈折率を有する２つの誘電体（半導体、絶縁体、または空気など）４１と４３の交代で形成される。

図４Ｃは、単一のカップリング回折格子を、後面に備えるカップリング構造を示す。回折格子４は例えば、少なくとも一方が導電性を有する２つの誘電体の交代で形成される。あるいは、金属、半導体、誘電体（半導体、絶縁体、または空気など）の交代で形成されてもよい。

図４Ｂは、２つの回折格子４Ａと４Ｂとを、それぞれ前面と後面とに備えるカップリング構造の典型例を示す。図４Ａの例のように、前面の回折格子は、透明または一部透明である。後面の回折格子は、少なくとも１つの導体を備える。複数（すわなち２つ以上）の回折格子があることで、特に***振の生成を促すことができる。

図５Ａから５Ｅは、カップリング回折格子における、複数の可能な１次元または２次元の回折格子の形状を示す。

図３から５で示したカップリング回折格子に代えて、カップリング構造は、例えば特許出願ＦＲ２９５９３５２に記載されているような金属−誘電体−金属（ＭＤＭ）型の構造を備えることもできる。後者の場合、周期的構造は必須ではないが、技術的理由からはより強く推奨されることに注意されたい。実際ＭＤＭ型の構造は、それぞれナノアンテナとして機能する。

図６は、本明細書に係る光子検出素子の変形態様であり、後面にカップリング回折格子を備える導波路型光キャビティを組み込んだものの光学的ダイヤグラムを示す。ここに描かれた光子検出素子の光学的ダイヤグラムは、光照射が入射する媒質（例えば空気）領域Ａと、導波路領域Ｂと、カップリング回折格子領域Ｃと、金属ミラー領域Ｄとを含む。

構造的には、光子検出素子は、１つまたは複数の構造を持たない半導体層１０，１２（厚さはそれぞれｈ_Ｂ１，ｈ_Ｂ２）を備え、これが導波路を形成する。近い屈折率を持つ層の組は、光学的に見れば、一定の平均屈折率を持つ単層Ｂと同種である。検出素子はさらに、１次元または２次元で、厚さがｈ_Ｃの周期的回折格子（領域Ｃ）を備える。これは例えば、一方では導波路と同種の半導体４４と、他方では電気的絶縁体である誘電体４２とから構成される。回折格子は、周期ｐと充填率ｗ／ｐにより特徴付けられる。最後に検出素子は、反射層３０（領域Ｄ）を備える。有利には、これは金属層（例えば、金）であり、オーミック接点としての役割と、光学ミラーとしての役割の両方を持つ。実現される共振は、ガイドモード共振である。この共振は導波路内で発生し、入射波とガイドモードとのカップリングにより得られる。このカップリングは、周期的回折格子により確実なものとなる。

より低い光学指数を持つ物質により囲まれた薄い半導体層は、実際に導波路として振る舞う。波はこの導波路をガイドモードで伝搬する。このガイドモードは、層内（すなわち、界面Ａ／ＢとＢ／Ｃとの間）を往復後の位相変化が０（モジュロ２πで）という点で特徴付けられる。入射波がこれらのモードの１つとカップリングすると、共振が発生する。このとき入射エネルギーは、このモード（光子は複数回の往復をする）に蓄積される。その結果導波路の電磁場成分は増し、従って捕獲される光子の吸収確率（電場の２乗に比例する）も増す。入射波と導波路のモードとをカップリングするために、導波路の一方の側面、かつ／または、他方の側面に、周期的または非周期的カップリング構造が導入される。図６の例ではカップリングは、回折格子による回折の次数の少なくとも１つが導波路のモードの少なくとも１つと一致するように、導波路の後面を周期的に構成することにより行われる。

変形態様ではこの周期は、導波路の回折格子による回折の次数が３つ（０、＋１および−１）に限られるように、選ばれる。

図７は、導波路の回折格子による回折の次数が３つ（０、＋１および−１）の場合に、導波路に正常入射があったときの、入射波と２つの回折モード（０次に関連するモードと、＋１次と−１次との対称的組み合わせに関連するモード）との間の交流（ｅｘｃｈａｎｇｅｓ）を示す。この場合、層内の往復に関する回折モードの位相変化は０（モジュロ２πで）である。すなわち、以下の関係が成り立つ。

ここで、ｍは関心のある回折モードである。ｒ_Ａ／Ｂ ^（ｍ）とｒ_Ｃ／Ｂ ^（ｍ）とはそれぞれ、この回折モードにおける界面Ａ／ＢおよびＢ／Ｃでの反射係数である。図７では共振は、導波路のモード０とモード（＋１，−１）とのカップリングに関係する。ＴＥ共振とＴＭ共振との重ね合わせは、有利には、この２つの偏光の反射係数ｒ_Ｃ／Ｂ ^（ｍ）に関連する位相を、回折格子パラメータ（周期ｐ、充填率ｗ／ｐおよび厚さｈ_Ｃ）とともに調整することにより得られる。

こうして、構造の光学的パラメータを変えることにより、関心のあるスペクトル帯の中心波長において最大吸収（共振）を得て、逆に放射波長において低吸収、有利には最小吸収（***振）を得ることができる。

有利には、本明細書に係る光子検出素子の光学共振器では、スペクトル検出帯の中心波長においてファブリ−ペロー型共振を得ることと、回折格子による＋１次および−１次の回折を用いて、共振電場を導波路に横方法に閉じ込めることとを、求めるのがよい。

定義によれば、ファブリ−ペロー共振は、２つの界面（図７における、Ａ／ＢとＢ／Ｃ）間を１往復した後で、導波路内の基本モードの積み重ねによる位相が０（モジュロ２πで）のときに起こる。これは、導波路内に定常波が発生し、波の腹（場が最大のところ）と節（場が最小のところ）とが垂直方向に連続することにより、特徴付けられる。目的は、吸収層に少なくとも１つの共振の節が存在し、その結果、そこで著しい吸収が起きる、従って１次のファブリ−ペロー共振が起きることである。０次では、共振の節が、１つだけ空気／導波路の界面に存在する。１次でもこの共振の節はあるが、この界面からλ／２ｎのところにもさらに共振の節が存在する。この第２の共振の節こそ、活性層レベルで存在が求められるものである。

この共振器の構造を実現するためには、導波路の厚さを３λ_０／４ｎのオーダに選ぶことができる。ここでｎは、導波路を形成する媒体の指数である。０、＋１および−１の次数が必要なため、回折格子は、その周期をλ_０／ｎとλ_０との間の値に定めることができる。こうすると、次数０、＋１および−１は導波路内を伝搬し（ｐ＞λ_０／ｎであるため）、次数＋１と−１とは空気との界面で全反射し（ｐ＜λ_０であるため）、電場分布に対して大きく寄与することができるだろう。回折格子のその他のパラメータについては、充填率を５０％に取り、厚さをλ_０／４ｎのオーダに取ることができる。この条件下では、ＴＥまたはＴＭ偏光のために求められるファブリ−ペロー共振は、波長がλ_０に近いところに存在する。これを確認する目的で、共振が入射角と独立であることを検証するか、または、導波路内を１往復したモード０の位相が共振時に本当に０（モジュロ２πで）であるかを検証することができる。従って、積（ｐ^（０）ｒ_Ｂ／Ｃ ^（０）ｐ^（０）ｒ_Ａ／Ｂ ^（０））についての位相（これは、層内を１往復した後の、０次の利得に相当する）を調べる必要がある。ここで上記の記号は図７に従う。一旦各偏光（ＴＥおよびＴＭ）について共振が確認されると、導波路と回折格子の厚さを、回折格子の周期と充填率とともに調整する必要がある。これにより、λ_０におけるＴＥおよびＴＭ偏光下の共振を重ね合わせることができる。

このステップの結論として、同一の共振メカニズムの結果、それぞれの偏光について、λ_０において共振のピークが存在する。構造内の電場は、空気／導波路界面における第１の共振の節と、λ_０／２ｎにおける第２の共振の節（前記第１の共振の節の下の節）とによって特徴付けられる。この２つの節は、回折格子の半周期内に横方向に閉じ込められ、回折格子の導体部分（金属または半導体）の上方に位置する。通常のファブリ−ペロー共振では、モード０の波のみがキャビティ内を伝搬し、電場は水平方向（ｘ）に一定である。得られる閉じ込めは、＋１次と−１次との対称的組み合わせに関連する電場が、モード０に関連する電場の他に存在することによって説明される。これら２つの場の項の和（モード０に関連する場はｘ方向で一定で、モード±１に関連する場はｃｏｓ（２πｘ／ｐ）で変化する。ただしｐは回折格子の周期）は、ｘ＝ｘ０で最大、ｘ＝ｘ０＋ｐ／２で最小となる場を発生させる。ここでｘ０は、回折格子の半導体部分の中央である。

回折格子の導体部分の上に電場を横方向に閉じ込めることにより、暗電流をさらに低減することができる。実際本出願人は、ヘテロ接合の後面を構造化することにより、エッチング部分のレベルにある領域を電気的に不活性にできることを明らかにした。さらに、これらの領域はいかなる暗電流も発生させないこと、すなわち充填率が５０％の場合、総暗電流が５０％低減することを明らかにした。しかしながら、この領域に吸収される光子は、いかなる光電流も発生しない。高い量子効率を保つためには、すべての光子が、ヘテロ接合の電気的活性部分で吸収されると有利である。これは、上記で示した共振の場合に相当する。

図８は吸収スペクトルを示し、図９Ａおよび９Ｂはそれぞれ、ＴＥ偏光（図９Ａ）およびＴＭ偏光（図９Ｂ）の下での、光子検出素子の各領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ（その簡略化した光学的ダイヤグラムを図６と７とに示す）における、共振波長での電場｜Ｅ｜^２のマップを示す。パラメータは、１．５μｍ付近の赤外線のIバンドで、光子検出素子（ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ型ヘテロ接合を形成する半導体層の組による）を扱うのに最適化するように選ぶ。より正確には、例えばＢ−スプラインモード法（ＢＭＭ：Ｂ−Ｓｐｌｉｎｅ ｍｏｄａｌ ｍｅｔｈｏｄ）あるいはフーリエモード法（ＦＭＭ：Ｆｏｕｒｉｅｒ ｍｏｄａｌ ｍｅｔｈｏｄ）などに基づく電磁気シミュレーションコードによる、数値シミュレーションにより得る。このシミュレーションは、ｎ（ＩｎＰ）＝３．２、ｎ（誘電体）＝２、ｎ（空気）＝１の指数値を用いて行われた。ＩｎＧａＡｓと金の指数は、それぞれ、以下の２つの論文で与えられる理論公式を用いて算出した（Ｓａｄａｏ、Ａｄａｃｈｉ．ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎP、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓおよびＩＮ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ1−ｙ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、６６（１２）：６０３０−６０４０．１９８９）およびＡｌｅｋｓａｎｄａｒ Ｄ．Ｒａｋｉｃ、Ａｌｅｋｓａｎｄｒａ Ｂ。Ｄｊｕｒｉｓｉｃ、Ｊｏｖａｎ Ｍ．Ｅｌａｚａｒ、ａｎｄ Ｍａｒｉａｎ Ｌ．Ｍａｊｅｗｓｋｉ．垂直キャビティ光電気デバイスのための金属フィルムの光学特性．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、３７（２２）：５２７１−５２８３、１９９８）。構造のその他の光学パラメータは、以下の表１で与えられる。

この数値シミュレーションは、Ｂ−スプラインモード法に基づくＢＭＭコードを用いて実行した（以下を参照。Ｐ.Ｂｏｕｃｈｏｎ ｅｔ ａｌ．、「Ｂ−スプライン法に基づく、サブ波長回折格子のための高速モード法」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ａ、２７（４）：６９６−７０２、２０１０）。

この数値シミュレーションによって、この型の構造は、ＴＥおよびＴＭ偏光に関し、λ＝１．５μｍにおける準−完全吸収と、λ_ｒａｄ＝１．６２μｍにおける減衰吸収を示すことをが分った。

図８は、表１に記載の寸法のデバイスに正常入射があった場合の計算結果であり、それぞれＴＭおよびＴＥモードにおける全吸収スペクトルを、１１０および１１４で示す。１．５μｍにおいて、ＴＥおよびＴＭの下での準−完全吸収（言い換えれば共振）が見られる。同じ図に、半導体層１０のみでの吸収スペクトルの計算結果を、１１２および１１６で示す。１．６μｍより短い波長域では、光キャビティ内の全吸収スペクトルと、半導体層１０のみでの吸収スペクトルは同様に振る舞う。導体層１０は光電流を吸収、従って生成する。金属部分での吸収による損失があるため、若干の相違はある。λ_０＝１．５μｍのとき、ＩｎＧａＡｓの３１５ｎｍのところで、８０％の有効な吸収が見られる。これは、非共振吸収に比べて２．５倍の検出能が得られたことに相当する。先行技術では、放射は片道の行程で吸収され、２μｍの厚さの半導体層の場合８０％が吸収される。本出願に記載のデバイスでは、吸収は先行技術で得られるのと同じだが、暗電流が６倍小さく、検出能は２．５倍である。

すでに説明した通り、ガイドモード共振は、導波路内を反対方向に伝搬する波（水平および垂直）の組み合わせの結果生じる定常波の出現に関係する。これらの干渉は、電場の局所的な極値により特徴付けられる。図９Ａおよび９Ｂは、ＴＥおよびＴＭ偏光に関し、図８の１．５μｍのところで観測される共振についての、電場｜Ｅ｜^２のマップを示す。吸収は、｜Ｅ｜^２に比例し、半導体が十分小さい禁制帯幅（Ｅ_ｇ）（λ＜λ_ｃ、ただしλ_ｃ＝１．２４／Ｅ_ｇ）を示す場合にのみ有効である。図９Ａおよび９Ｂで、２つの共振の節（図で白い部分）が、回折格子の半周期内に横方向に閉じ込められて、吸収体半導体層内で回折格子の導体部分（金属または半導体）の上方にある様子が見られる。図９Ｃおよび９Ｄは、ＴＥおよびＴＭ偏光に関し、放射波長λ_ｒａｄ＝１．６２μｍにおける電場｜Ｅ｜^２のマップを示す。放射波長における非共振の結果、この波長では上記とは逆に、吸収材半導体層内に電場が存在しない様子が見られる。

図１０は、ヘテロ接合の特定の例を示す略図である。これは例えば、赤外線のＩバンドを検出するのに適したＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ型ヘテロ接合であって、このヘテロ接合のバリア層の１つが、例えば図６の光学的ダイヤグラムで示すカップリング回折格子としての機能を持つものである。

この例では、より正確には、ヘテロ接合はＰＩＮ接合を形成するために、Ｐ型領域（層４４、１７、１５および１３の組）と、真性領域Ｉ（１０）と、Ｎ型領域（層１１と１２の組）とを備える。真性領域は、禁制帯幅が入射光子のエネルギーより小さい半導体でできた吸収層である。好ましくは、入射波長λ_０は、放射波長（上記の式（３）参照）より短い。これにより、より良好な吸収が得られるだけでなく、放射性放出と吸収とをスペクトル的に識別することができる。真性領域１０は、本検出素子の活性領域である。例えば０．８ｅＶでの検出を目的とする場合は、真性領域１０を、０．７４ｅＶの禁制帯幅エネルギーを持つＩｎＧａＡｓ層で形成することができる。Ｐ型領域とＮ型領域は準−中立領域（ＱＮＺｓ：ｑｕａｓｉ−ｎｅｕｔｒａｌｉｔｙ ｚｏｎｅｓ）と呼ばれ、それぞれＰ型とＮ型に強くドープした半導体層で構成される。特にこれらの領域は、複数の層で構成することができる。それらの層の中の１つは他の層より著しく厚く、ボディ層（それぞれ、Ｎ型領域では１５と４４、Ｐ型領域では１２）を形成する。好ましくはＱＮＺのボディ層（有利にはＩｎＰ）の禁制帯幅は、真性領域１０の禁制帯幅より大きい（例えば、１０ｋ_ＢＴより大きい。ここでｋ_Ｂはボルマン定数、Ｔはデバイスの温度）。Ｐ型およびＮ型にドープした領域内のその他の層、すなわちＱＮＺのボディ層より薄い厚さの層（１１，１３および１７）は、真性領域層と同じ材料（例えばＩｎＧａＡｓ）で形成される。この薄いＩｎＧａＡｓ層により、特に、電子輸送のための良好な条件（低い接触抵抗と、多数キャリアのより効率的な収集）を得ることができる。真性領域より著しく広い禁制帯幅を持つ、ドープされたボディ層により、少数キャリアに関連する拡散電流を低減することができる。例えばＮ型領域において、ＩｎＰ層は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰとの界面で、価電子帯と伝導帯の両方にポテンシャル障壁を導入するという効果を持つだろう。価電子帯のポテンシャル障壁は、ＱＮＺに流入する電流密度を低減するのに十分な程度大きい。この領域における少数キャリアの勾配も同じ比率で減少し、その結果、この領域における拡散電流も同じ比率で減少する。伝導帯のポテンシャル障壁は、電子がトンネル効果で通り抜けられるのに十分な程度小さい。これにより、障壁の両側の電子集団の熱力学的平衡が保証される。従って、多数キャリアは効率的に収集される一方、少数キャリアの拡散は大きく（ｅｘｐ（ΔＥ_ｇ／ｋ_ＢＴ）に近い倍数で）減少する。従って、光電流の収集を妨げることなく、暗電流が減少する。構造内には、２つの電気接点層１８と１９が存在する。これらの電気接点は、低い接触抵抗を保証するために、小さい禁制帯幅を持つ半導体（例えばＩｎＧａＡｓ）で作られる。光入射面では、接点１９は、検出器または検出器マトリックスの縁までオフセットされる。この結果、入射光子束に対して全く陰を作ることがなく、また製造を容易にすることができる。上面では、接点は、この側面のバリアとなるように構成される。Ｐドープされた上層は、そのほぼすべての厚さにわたってエッチングが施されることにより構成される。上側バリア内の層１７は、エッチングの停止層としての役割を持つ。これにより、製造過程におけるコントロールができる。この層は、暗電流に対しては何の効果も持たない。表２は、本特許出願に係る低雑音量子的検出素子のための、半導体構造の典型的な組成を示す。

その他にも暗電流の原因が存在する。デバイスの境界での非放射型再結合プロセスを主な原因とする、表面電流である。本構成はこれを大きく低減する。これは、空間電荷領域（主にＩｎＧａＡｓでできている）と、デバイスの自由表面との接触をすべて除去することによる。実際、本デバイスの最上部の構造は、弱くドープし大きなギャップを持つ半導体層（ここでは水素化したＩｎＰ）を残しており、これは低い表面再結合率を示す（〜５０００ｃｍ／ｓ）。

さらにピクセル同士は、同じ方法（すなわちＰ型領域を、ＩｎＧａＡｓ層でできた停止層までエッチングすること）により、互いに間隔を開ける。変形態様では、Ｐ型領域をエッチングせずに、表面から水素原子の拡散を行うこともできる。

このアプローチを実証する目的で、図１１は、図１０に示す構造の電流−電圧｜Ｉ｜（｜Ｖ｜）特性を計算し、等価なＩｎＧａＡｓ接合およびＩｎＰ接合の場合と比較した様子を示す（ドーピングレベルと厚さは保存する）。いずれの場合も、放射型再結合は人為的に除いてある。曲線１０１、１０２はＩｎＧａＡｓ接合の電流−電圧特性を示し、それぞれ順バイアスと逆バイアスの下のものである。曲線１０３、１０４はＩｎＰ接合の電流−電圧特性を示し、それぞれ順バイアスと逆バイアスの下のものである。曲線１０５、１０６はＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰヘテロ接合の電流−電圧特性を示し、それぞれ順バイアスと逆バイアスの下のものである。ＩｎＧａＡｓＰＩＮ接合を「サンドイッチする」ＩｎＰのバリアを挿入することで、実際に拡散電流を１０桁のオーダで（ここではΔＥ_ｇ＝２３ｋ_ＢＴ）低減することができる。このように、提案した構造（図１０）は、ＩｎＧａＡｓ接合と同じ吸収を示す一方、ＩｎＰ接合と同程度の拡散電流を示す。

図１２は、同じ構造についてであるが、今度は放射型再結合現象を考慮して計算した電流−電圧特性を示す。ＩｎＰ接合（曲線１０３、１０４）とＩｎＧａＡｓ接合（曲線１０１、１０２）の電流−電圧特性については、放射型再結合を考慮せずに計算した場合と同様である様子が見られる。これらの構造の場合、拡散電流が支配的である。これに対し、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰヘテロ接合における拡散電流の非常に大きな低減は、放射型再結合現象（曲線１０５、１０６）の寄与が支配的であることを示す。このように、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰヘテロ接合の暗電流は、ＩｎＧａＡｓ接合のものと比べて、３桁小さいものに低減することができる。

図１３Ａと１３Ｂは、構造の放射型生成−再結合現象に対する効果を示すものである。図１３Ａは、逆バイアス（検出器動作）の下での、図１０に示すものと同様のデバイス内における静電ポテンシャルの分布を表す。パラメータは、表２に記載したものを用いた。Ｎ型領域（層１２）は比較的一定の負ポテンシャルを持ち、Ｐ型領域（層４４）は比較的一定の正ポテンシャルを持つ。空間電荷領域（層１０）では、ポテンシャルは変化する。矢印の付いた線は、電気力線を示す。層４４の構造化された部分のレベルに存在する強い場の影響の下で、固有の密度で生成された電子空孔対は、半導体のパッドにより収集される。図１３Ｂは、逆バイアス下での放射型再結合率Ｒをモデル化したものを、図１３Ａの断面Ｓによるデバイス内の位置の関数として表す。逆バイアス下では、電子空孔対が生成される状態にあり、再結合率は負である。０．２μｍ（ここは、半導体パッド間の中間の領域である）付近を中心とした、放射型再結合率の減少が見られる。このように、構造が再結合率に与える影響が見られる。構造を持たないデバイスの場合の平坦な再結合率プロファイルに対し、回折格子の構造を調整することにより、再結合率プロファイルを変えることができる。

図１４は、図１０に示すＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰヘテロ接合を備えるフォトダイオードについて、表２で与えられるパラメータと０．５７Ｖの順バイアスの下で、電子発光スペクトルを計算したものである。このスペクトルの印加電圧に対する依存性は非常に小さいことを、実験的に示すことができる。特に波長λ_ｒａｄで得られるその最大値は、一定のままである。図１４は、暗電流を発生させる放射型プロセスを、波長の関数として表す（「ヘテロ構造の発光」といってもよい）。この図にプロットされた関数は、次のように表される：
Ｅ_ｇ＝０．７５ｅＶ、ここでＥ＝ｈｃ／λ、Ｒは放射型再結合率。

先に説明したように光共振器を組み込むことにより、図１１から１４に示した放射型再結合効果に関連する生成−再結合電流を、非常に明らかに低減することができる。

一方では、本明細書に係る光共振器を用いて、領域Ｉ（吸収材半導体の活性層）の厚さを減らすことができる。これに対応する暗電流密度の部分が、厚さの減少と同じ比率で減少する。これに伴い、検出器の量子効率も減少してしまう。領域Ｉの厚さの低減の値は、これらの相反する効果が折り合うように選ぶのが有利である。他方で、ＩｎＧａＡｓには約５０ｎｍという限界値が存在する。これを下回ると、トンネル効果によりバンドからバンドへ通り抜ける電流成分の寄与が、暗電流の増加を引き起こす。先に説明した構造ではＩｎＧａＡｓ層の厚さは３００ｎｍだったが、これを５０ｎｍまで減らす一方、ＩｎＰバリア層の厚さを増すことでエピタキシー層の厚さを一定に保つことにより、暗電流密度を６倍低減することができる。

さらに、光共振器の寸法設計（キャビティとカップリング構造のパラメータ）は、λ_ｒａｄ（放射型再結合はここで最大となる。上記式（２）を参照）において、自由空間とのカップリングを減らすように行うのがよい。これは、この領域におけるキャリアの寿命を増すためである。この寸法設計は有利には、検出デバイスを、検出波長λ_０（自由空間との最大カップリング）で共振を示し、放射波長λ_ｒａｄ（自由空間との最小カップリング）で***振を示す光共振器内に置くことを伴う。有用であるためには、特に、上記のλ_ｒａｄでの吸収の減少が、ｅｘｐ（ΔＥ／ｋＴ）を上回るようにする（ΔＥは、λ_ｒａｄとλ_０との間のエネルギー差）。

図１５は、キャビティの吸収を全入射角について平均化したもの（曲線１２２）、ヘテロ接合の発光（曲線１２０）、および、キャビティに起因する発光（これは、上記２つのスペクトルの積を取ることによって得られる）を波長の関数として示したものである。本明細書で説明した光共振器が追求する効果、すなわち、関心のあるスペクトルの中心波長（ここではλ_０＝１．５μｍ）における最大吸収と、放射波長における吸収減少とが、実際に見られる。

図１６Ａから１６Ｇは、本発明による検出素子の製造に関する典型的な実施形態（例えば、単結晶半導体層に適したもの）を示す。

第１ステップ（図１６Ａ）では、半導体（例えば、選択的にＧａＩｎＡｓまたはＩｎＰ）でできた層２１、１２、１０、１５、１７および４４のスタックが、好適な基板（例えばＩｎＰでできた）上に、エピタキシーにより形成される。第１停止層２１（例えばＩｎＧａＡｓでできた）がＩｎＰの基板上にエピタキシーされる。層１５、１０および１９は、求められる検出素子の形成に適したものである。ＰＩＮ接合を形成するためには、Ｎ−ドープしたＩｎＰ層１５、真性層１０およびＰ−ドープ層１９が、それぞれ必要である。真性層は、典型的には７０ｎｍであってよい。Ｎドーピング層１９は、典型的には、典型的に３ｘ１０^１８ｃｍ^−３で炭素トーピングされた、２００ｎｍの大きさのものであってよい。Ｎドーピング層１５は、典型的には、典型的に３ｘ１０^１８ｃｍ^−３でシリコントーピングされた、２００ｎｍの大きさのものであってよい。第２ステップ（図１６Ｂ）では、ＩｎＰ層４４の上にリソグラフィすることにより、マスク６０の形成が行われる。このマスクにより、特に、カップリング回折格子の形状を定義することができる。第３ステップ（図１６Ｃ）では、反応性イオンエッチングとウェットエッチングにより、ＩｎＰ層がエッチングされる。このときＩｎＧａＡｓ層は、エッチングの停止層として機能する。次に、マスクの剥離が行われる。第４ステップ（図１６Ｄ）では、平坦化樹脂４２（誘電体）のスピンコーティングが行われる。第５ステップ（図１６Ｅ）では、平坦になるまで、この誘電体が反応性イオンエッチングされる。第６ステップ（図１６Ｆ）では、金でできた金属層３０の堆積が行われる。第７ステップでは、この試料が、接着（エポキシ、陽極接合、等）によりホスト基板上に付けられる。最後に、第８ステップで、基板２が停止層２１まで剥離され、続けてこの停止層２１が湿式プロセス（ｗｅｔ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）により剥離される。外部攻撃（水素化、長期にわたる大気暴露）からこのデバイスを保護し、経年劣化を低減することを目的に、最後のステップで、素材領域の周囲に樹脂の堆積することによりカプセル化してもよい。

上記の方法でエピタキシーした単結晶半導体層は、例えば、ガリウムヒ素層（ＧａＡｓ）とこれに関連する合金層（例えばアルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ））、インジウムリン層（ＩｎＰ）とこれに関連する合金層（例えばインジウムガリウムヒ素ＩｎＧａＡｓ）、ガリウムアンチモン層（ＧａＳｂ）とインジウムヒ素層（ＩｎＡｓ）、特にＩｎＡｓ／ＧａＳｂの超格子（ｓｕｐｅｒ−ｇｒａｔｉｎｇ）とこれに関連する合金（例えばアルミニウムガリウムヒ素アンチモンＡｌＧａＳｂ）、シリコン層（Ｓｉ）、などを備えてもよい。

同じ方法は、他のスペクトル帯を検出するのに適した他のヘテロ接合に適用することができる。例えば、以下のものである。
− λ≒１．５μｍにおけるＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ；
− λ≒０．９μｍにおけるＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ；
− λ≒０．９μｍにおけるＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ；
− ３−５μｍ帯での［ＳＲ ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ］／［ＳＲ ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ］；
− ３−５μｍおよび８−１２μｍ帯でのＨｇＣｄＴｅ／ＨｇＣｄＴｅ；
− λ≒１．５μｍにおけるＩｎＰとＩｎＡｌＡｓ／ＧａＡｓＳｂ

主に赤外線検出器の枠組みの中で説明したが、本発明は同様に、可視光、特に太陽光発電の応用にも適用できる。デバイスの製造に適する光子検出素子も上で説明した検出デバイスと実質的に同じであるが、こちらは順バイアスである。実際、太陽エネルギーの電気エネルギーへの変換効率は、光キャリアの放射型再結合を含むいくつかの要因による制限を受ける。以下の論文に従ってこれらの再結合を除去することにより、太陽電池の効率において、約７％の利得が得られるだろう（Ｐｏｌｍａｎ、Ａ．、＆ Ａｔｗａｔｅｒ、Ｈ.Ａ．（２０１２）．Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｆｏｒ ｕｌｔｒａｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ．Ｎａｔｕｒｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ、１１（３）、１７４−１７７）。

いくつかの典型的な実施形態を通して説明したが、本量子的検出素子およびその製造方法は、選択可能な変形、改良、拡張を含む。これらは当然当業者には明らかである。

Claims (15)

1. 中心波長λ_０の周囲に集中したスペクトル帯の入射放射のための量子的光子検出素子であって、前記放射を受けることを意図した前面を示し、
   −ＰＮ接合またはＰＩＮ接合を形成する、半導体層のスタックであって
   カットオフ波長λ_ｃ＞λ_０を有する吸収材半導体でできた少なくとも１つの層と、
   共振光キャビティを形成する半導体層のスタックと、
   を含むスタックと、
   −前記入射放射と前記光キャビティとをカップリングする構造と、
   を備え、
   前記カップリングする構造は、
   ・前記中心波長λ_０において共振を形成し、前記共振により、前記中心波長において前記吸収材半導体層において８０％を上回る吸収を実現し、
   ・放射波長λ_ｒａｄにおいては共振を形成せず、
   前記放射波長は、動作温度において放射型再性結合率が最大となる波長である
   ことを特徴とする光子検出素子。
2. 請求項１に記載の光子検出素子であって、
   前記中心波長における共振は、前記吸収材半導体層内に存在する
   ことを特徴とする光子検出素子。
3. 請求項１または２に光子検出素子であって、
   前記入射放射と前記光キャビティとをカップリングする前記構造は、前記放射波長λ_ｒａｄにおいて、前記吸収材半導体層内での吸収が減少するのに適し、
   前記減少はｅｘｐ（ΔＥ／ｋＴ）を上回り、
   前記ΔＥは、前記λ_ｒａｄと前記λ_０との間におけるエネルギー差である
   ことを特徴とする光子検出素子。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の光子検出素子であって、
   前記入射放射と前記光キャビティとをカップリングする前記構造は、前記放射波長λ_ｒａｄにおいて、前記収材半導体層内で***振を形成する
   ことを特徴とする光子検出素子。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の光子検出素子であって、
   前記光キャビティは導波路であり、前記カップリング構造は、前面、および／または、後面に、カップリング回折格子を備え、
   前記後面は前記光キャビティの側面であって、前記前面を支えるのと反対側である
   ことを特徴とする光子検出素子。
6. 請求項５に記載の光子検出素子であって、
   前記導波路の厚さは、λ_０／８ｎとλ_０／ｎとの間にあり、有利にはλ_０／４ｎと３λ_０／４ｎとの間にあり、
   前記ｎは、前記導波路を形成する半導体の単一の層または複数の層の屈折率の実数部分の平均値である
   ことを特徴とする光子検出素子。
7. 請求項５または６に記載の光子検出素子であって、
   前記単一または複数のカップリング回折格子は、周期がλ_０／ｎとλ_０／ｎ_１との間である周期的構造を持ち、
   前記ｎは、前記導波路を形成する半導体の単一の層または複数の層の屈折率の実数部分の平均値であり、
   前記ｎ_１は、放射が入射する媒質の屈折率の実数部分である
   ことを特徴とする光子検出素子。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の光子検出素子であって、
   前記光キャビティの側面であって、前記前面を支える側と反対側の側面に配置された金属反射層をさらに備える
   ことを特徴とする光子検出素子。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の光子検出素子であって、
   ＰＮ型またはＰＩＮ型のヘテロ接合を形成する半導体でできた層のスタックを備え、
   前記スタックは前記光キャビティを形成する半導体でできた単一の層または複数の層を有する
   ことを特徴とする光子検出素子。
10. 請求項９に記載の光子検出素子であって、
    前記ヘテロ接合はバリア層を備える
    ことを特徴とする光子検出素子。
11. 請求項１０に記載の光子検出素子であって、
    少なくとも１つの前記バリア層が、層の少なくとも一部の上に構成され、その結果、前記光キャビティとのカップリングのための回折格子を形成する
    ことを特徴とする光子検出素子。
12. 請求項１から１１のいずれかに記載の光子検出素子であって、
    赤外線のＩバンド、ＩＩバンドまたはＩＩＩバンドのいずれか１つを検出するのに適する
    ことを特徴とする光子検出素子。
13. 赤外線検出器であって、
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の量子的光子検出素子の構成部品の組み合わせを有する
    ことを特徴とする赤外線検出器。
14. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の量子的光子検出素子を製造する方法であって、
    −エピタキシーされた構造の基板（ａ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｏｆ ａｎ ｅｐｉｔａｘｉｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）上に、半導体でできた層のスタックであって、
    カットオフ波長λ_ｃ＞λ_０を有する、吸収材となる半導体でできた少なくとも１つの層と、
    誘電体でできた上層と、を含むスタックを形成するステップと、
    −カップリング回折格子を形成する誘電体でできた前記上層を構築するステップと、
    −前記カップリング回折格子上に、金属反射層を堆積するステップと、
    −前記検出素子の前面を形成するために、前記基板を除去するステップと、
    を備えることを特徴とする方法。
15. 請求項１４に記載の製造方法であって、
    前記エピタキシーされた構造を形成するステップは、有機金属プロセスによるエピタキシーを含む
    ことを特徴とする方法。