JP4694753B2 - 垂直型金属半導体マイクロ共振器による光検出装置およびその製造方法 - Google Patents
垂直型金属半導体マイクロ共振器による光検出装置およびその製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光検出装置およびその製造方法に関する。
以下に、より詳細に述べられるように、本発明の目的である装置によって、波長、超高速、かつ高感度に対する幅広い選択範囲が得られる。
本発明は、例えば、分子の分光学的な検出、さらに好適には、毎秒１００ギガビットより速いか又は等しい非常に高速の光通信といったものに関わる特性の少なくとも一つを利用するようなあらゆる分野に用いることができる。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＳＭ（金属−半導体−金属）型光検出器は、一般に、非常に容易に製造することができ、電界効果トランジスタ内に容易に取り付けられ、比較的速い速度を達成することができるが効率は悪くなる。以下の説明においては、周知の幾つかのＭＳＭ光検出器およびその欠点について考察する。
【０００３】
電極間の距離が１μｍである、ＩｎＧａＡｓをベースとする周知の光検出器の場合には、正孔の走行時間は約１０ｐｓであり、これが２０ＧＨｚより低い遮断周波数に対応している。それ故、正孔の走行時間を短くするには、電極間の距離を短縮しなければならない。電極間の距離が０．１μｍ以下になると、移動はもはや定常的なものとしては捉えることができず、このため、走行時間は、１ｐｓより遥かに短くなる。
【０００４】
電極によって活性領域が覆われているということは、周知のＭＳＭ構造の主な欠点のうちの一つであり、このために、その量子効率が制限されている。さらに、これらの構造に用いられている材料の吸収には限界があるので（吸収長は１μｍ以上）、電極から離れた場所での電荷キャリヤの形成を防止するために、吸収領域の厚さは制限されなければならない。周知の光検出器の量子効率は、この光検出器の電極間の距離が０．１μｍより小さいために非常に低い。
【０００５】
逆に、その外部量子効率が高い周知のＭＳＭ構造は、速度が遅い。
【０００６】
今日では、しかし、（その応答時間が１ｐｓ以下の）超高速光検出器は、（１００ギガビット／秒およびそれ以上の）非常に高速な光通信にとって極めて重要な素子である。求められる性能の水準には、１．３μｍから１．５５μｍの間の波長での高い感度および帯域幅等が含まれる。光検出器の種類（Ｐ（Ｉ）Ｎダイオード、または金属−半導体−金属の構造）がどうであれ、高速を達成するには、電極間の距離は短く（１００ｎｍ以下）ならざるを得ないし、検出されるべき光は、最小限の体積内で吸収されなければならない。
【０００７】
このように、バルクＩｎＧａＡｓ半導体は、１．５５μｍの波長で、約３μｍの固有の吸収長を有する。
【０００８】
ＰＩＮダイオードの場合、およびＭＳＭ構造の場合には、電荷キャリヤの走行時間は、外部量子効率の低下に直接結びついている。
【０００９】
このため、周知の光検出器の設計は、必然的に収量と速度との間の折り合いを図ることが課題である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題である装置は、こういった折り合いを根本的に問うことを目的とし、超小型垂直共振器を用いて、例えば、低容量構造において７０％以上の量子効率を達成でき、その電極間の距離を５０ｎｍ以下にすることができ、１ＴＨｚを超える帯域幅を達成することができるようにするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る装置の原理は、金属／半導体の境界に励起されたエバネッセント波のすみやかな減少を用いて、小体積のＭＳＭ型構造の中に、共鳴によって検出したい光を集約することにある。
【００１２】
表面プラズモン・モードにより、この目的を達成することができる。
【００１３】
周知の構造とは異なり、プラズモンは、水平方向に（すなわち、構造の基層に対して平行に）広がらず、むしろ、構造内の電極の垂直表面に沿って留められたままになる。
【００１４】
正確には、本発明の目的は、伝播媒体内を伝播する予め定められた波長を持つ入射光を検出するための光検出装置を提供することである。この装置は、前記光を吸収しない電気的な絶縁層を備え、この層の上に、半導体材料を有する少なくとも一つの素子と、それぞれ相互に異なる電位にされるように設けられた少なくとも二つのバイアス電極とを備え、前記電極は、前記素子を囲んでいて、前記素子および前記電極により形成された組が、前記入射光を吸収するのに適していて（言い換えれば、素子および／または電極は、この光を吸収するのに適していて）、前記素子および前記電極が、ほぼ平行六面体とされているとともに、同じ方向に延在し、この方向と交差する方向に測られた前記電極および前記素子の寸法は、前記予め定められた波長に基づいて選択され、これにより、二つのモードの少なくとも一方を共鳴させることによって、前記素子および前記電極によって形成される組の内部の光の強度が増加するようになっており、すなわち、第１のモードは、前記組が前記絶縁層ならびに前記伝播媒体とともに共有している境界面の間で共鳴させられる表面プラズモン・モードとされていて、前記第１のモードの共鳴は、前記電極のうちの少なくとも一つと前記素子との間の境界面のところに生成され、前記第１のモードは、前記入射光に伴う磁界成分で、前記電極に平行な一成分により励起され、第２のモードは、前記二つの電極を備えて前記絶縁層に垂直な光導波路の横電気的なモードとされ、前記第２のモードは、前記入射光に伴う電界成分で、前記電極に平行な一成分により励起されるように構成されている。
【００１５】
好適には、表面プラズモン・モードを共鳴させる場合には、λを前記入射光の波長とすると、前記電極の方向に直角な方向に測られた各素子の幅は、λより短く、かつ、０．０２×λより長く、ｎを各素子の平均屈折率とすると、各素子の厚さは、λ／（２ｎ）より薄くされている。
【００１６】
本発明の課題である装置を組み立てるための第１の特定の形態の場合には、電極は、同一の導電材料から形成され、前記絶縁層から垂直に測られて同じ高さを有している。
【００１７】
本発明の課題である装置を組み立てるための第２の特定の形態の場合には、前記電極は、次の二つの特質、すなわち、（ａ）該電極が異なる導電材料から形成されているという特質、ならびに、（ｂ）該電極が前記絶縁層に垂直に測られて異なる高さを有し、これにより、該電極へのバイアス印加時に、速度の遅い電荷キャリヤを収集する電極の略側面上で前記共鳴が起こるようになっているという特質、のうちの少なくとも一方を有している。
【００１８】
装置が備える素子は、半導体ヘテロ構造を有することができる。
【００１９】
装置の構造に対する特定の態様によれば、本発明の課題である装置は、前記絶縁体上に交互に配置されている幾つもの素子および電極を有し、各電極は、単一の金属または二つの異なる金属から形成されている。
【００２０】
この場合、第一の特殊な実施態様において、前記電極は、前記電極の組の中で、一方の端部の電極から他方の端部の電極へ向かって増大する電位とされるように設けられている。
【００２１】
それ故、本発明の課題である装置は、さらに、前記電極と接触していて、前記一組の電極のうちの一方の端部の電極から他方の端部の電極へ延びる、電位を安定させるための抵抗材料を備えている。後者は、高電圧下で一組の素子を分極させる。
【００２２】
第二の特殊な実施態様において、前記電極は、その絶対値が等しく符号が交互に変化する電位とされるように設けられている。
【００２３】
本発明の課題である装置を実施するための好適な形態において、この装置は、さらに、前記絶縁層を横切る、吸収されない前記光を反射するように構成された反射手段を備え、前記絶縁層の厚さは、前記反射手段により反射された光が、各素子および電極により形成される組の中に存在する光の波と同じ位相になり、共鳴に寄与するように選択されている。
【００２４】
第一実施例において、本発明の課題である装置は、その波長が約０．８μｍである入射光を検出するためのものである。この装置は、ＧａＡｓの基層上に形成され、前記素子（６）はＧａＡｓからなり、前記電極は銀からなり、前記絶縁層はＡｌＡｓ、またはＡｌxＧａ1-x材料からなり、このｘは、この材料が前記入射光を吸収しないが、ＧａＡｓを選択的にエッチングすることができるように選択され、前記反射手段は、多層のＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓ反射鏡とされている。
【００２５】
第二実施例において、装置は、その波長が約１．５５μｍである入射光を検出するためのものである。この装置は、 ＩｎＰからなる基層上に形成され、前記素子はＩｎＧａＡｓからなり、前記電極は銀からなり、前記絶縁層はＡｌＩｎＡｓからなり、前記反射手段は、ＧａＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓからなる多層膜反射鏡とされている。ある変形例において、装置は、 ＧａＡｓからなる基層上に形成され、前記素子はＩｎＧａＡｓＮＳｂ合金からなり、前記電極は銀からなり、前記絶縁層はＡｌＡｓまたはＡｌxＧａ1-xＡｓ材料からなり、このｘは、この材料が前記入射光を吸収しないが、ＧａＡｓを選択的にエッチングすることができるように選択され、前記反射手段は、多層のＧａＡｓ／ＡｌＡｓ反射鏡とされている。
【００２６】
第三実施例において、装置は、波長が赤外線領域に含まれる入射光を検出するように構成され、前記電極は、入射光を吸収するために、銀または金からなり、前記素子は、前記入射光を吸収しないように設けられている。
【００２７】
本発明を実施するための第一の特定の形態において、伝播媒体は空気である。
【００２８】
本発明を実施するための第二の特定の形態において、伝播媒体は、各素子の電極がそれに沿って延びている前記方向に平行な導光板である。
【００２９】
本発明は、また、本発明の課題である装置の製造方法に関する。この方法において、前記素子用の所与の厚さの半導体材料が前記絶縁材料上に形成され、前記半導体材料が選択的にエッチングされて、前記電極が設けられる位置にある部分がそれから取り除かれ、この位置に前記電極が形成される。
【００３０】
本発明の課題である上記方法を実施するための第一の特定の形態において、素子が選択的にエッチングされ、次に、電極が形成されるのに同じマスクが使用される。
【００３１】
本発明の課題である上記方法を実施するための第二の特定の形態において、素子を選択的にエッチングするために、一つのマスクが使用され、このマスクが除去され、少なくとも一つの金属を使用して電極が形成され、この金属から余った過剰の材料は、機械的研磨または機械的化学的研磨により除去される。
【００３２】
この場合、本発明を実施するためのある特定の形態において、前記金属の硬度より硬度が大きい材料から前記素子が形成され、前記過剰な金属が、前記素子に対する前記金属の選択的な機械的研磨または機械的化学的研磨により除去される。
【００３３】
本発明を実施するためのある特定の形態において、前記素子に上部層が設けられ、前記金属の硬度より硬度が大きい材料から前記素子の前記上部層が形成されて、前記過剰な金属が、前記素子に対する前記金属の選択的な機械的研磨または機械的化学的研磨により除去される。
【００３４】
また、前記電極を形成するために二つの金属が用いられ、これらの金属が次々に前記絶縁層に対して斜めに蒸着される。
【００３５】
本発明において、二つの電極の間に位置する一つの素子を使用する代わりに、いくつもの電極が間に配置される多数の素子を使用すると、電磁気的なモデル化が遥かに簡単である網目状構造を形成することができることに留意されたい。
【００３６】
こうして、二つずつ緩く結合しているいくつかの垂直なプラズモンに対応する第１のモードが共鳴させられることを示すことができる。
【００３７】
電極の垂直な側面の下端部および上端部は、金属半導体境界面内のプラズモンに対して反射鏡効果を持ち、それにより、ファブリ・ペロー型の共振を確立することができ、そのため、ＴＭ（transverse magnetic）に偏った入射波の最も多くの部分を吸収することができる。
【００３８】
上記モデル化によって、さらに、素子により隔てられた二つの電極の間に形成されている平らな導波路のＴＥ（transverse electric）モードに対して、同じファブリ・ペロー型の共振現象を実際に示し、それにより、いくつかの適当に選択した装置のパラメータに対して、ＴＥに偏った入射光の最も多くの部分を吸収させることが可能となった。
【００３９】
ＴＭ波およびＴＥ波の場合、絶縁層内を透過した波を反射するために、電極の下にブラッグ反射鏡を使用することにより、全部の光を吸収することができる。
【００４０】
図面の構成は、水平表面の（すなわち、絶縁層に対して平行な）プラズモンの励起とは異なり、共鳴が、検出しようとしている入射光波の傾きによる影響をほとんど受けないことを示している。それ故、（多数の素子を使用している場合と比較して）装置の量子効率をほとんど低下させないようにしながら、装置上に光波を強く集束させて、少数の素子（例えば、３〜５）だけを作動させることが可能になる。
【００４１】
さらに、ＴＭ波の場合には、各素子および電極の横方向の寸法に対してはそうではないものの、各素子の厚さは、正確に実現されることが望ましい。
【００４２】
【発明の実施の形態】
本発明は、図面を参照しながら以下に詳述される実施形態に関する記載から、よりよく理解することができよう。この実施形態は、単に理解を容易にするためのものであって、本発明を制限するものではない。
【００４３】
図１の略図および部分斜視図は、本発明の装置を示す。上記装置は、電気的絶縁層２上に配置された略してＭＳＭとも呼ばれる金属−半導体−金属検出器の網目状構造（ネットワーク）（network）を形成する構造部を有している。
【００４４】
この網目状構造は、いくつかの半導体素子６と交互に並ぶ複数の金属電極４からなる組とされている。
【００４５】
これらの電極およびこれらの素子は、ほぼ平行六面体の形をしていて、層２上で同じ方向Ｄに揃っている。
【００４６】
図１に示す実施形態においては、いくつかの半導体素子が設けられている。図示されないある変形例の場合には、二つの電極４の間に位置する一つの半導体素子６が用いられる。
【００４７】
図２は、本発明に係る他の装置の概略的な部分断面図である。図２のこの装置は、ブラッグ反射鏡と呼ばれる多層膜反射鏡８を備えている点を除けば、図１の装置と同じものである。
【００４８】
この多層膜反射鏡は、異なる屈折率ｎAおよびｎBを有する光を吸収しない材料の複数の層が交互に積層されたものである。これらの層のそれぞれの厚さｈAおよびｈBは、反射する波長の範囲に基づいて計算される。
【００４９】
図から分かるように、図２の装置は、基層９上に形成されている。反射鏡８は、この基層と層２との間に形成されている。
【００５０】
図２の装置（そして、従って図１の装置）は、三つの領域（zone）、Ｉ、ＩＩおよびＩＩＩに分割することができる。
【００５１】
以下のように、装置を用いて検出しようとしている入射光波１０は、空気からなる領域Ｉを通って領域ＩＩおよびＩＩＩに達するものとする。
【００５２】
本発明に係る装置は、装置を用いて検出される光が内部を進行する導光板にくっ付けて装置が配置される場合にも、同じように説明することができる。図３は、こういった場合の概略的な部分図である。ここで、符号１２は、上記導光板を示す。この導光板１２は、Ｄの方向、すなわち、電極４および半導体素子６に平行に延びている。
【００５３】
再び図２を参照して、領域ＩＩは、ほぼ長方形の横断面を持つ金属電極４の網目状構造からなる。素子６は、光の波長が既知とされた入射光を吸収する半導体からできている。
【００５４】
図示していない変形例において、各素子６は、入射光を吸収する半導体材料からなる層と、半導体材料を裏打ちする誘電層とからなる。
【００５５】
領域ＩＩＩは、層２に相当し、領域ＩＩ内の半導体による網目状の配置に一致させて、光を吸収しない半導体から形成されている。この領域ＩＩＩは、今まで説明してきたように、領域ＩＩから領域ＩＩＩに透過した光波を反射するブラッグ反射鏡を備えている。
【００５６】
検出対象の入射光１０は、偏ったＴＭ光および偏ったＴＥ光に分割することができるが、この入射光１０は、領域Ｉを通って構造部に達する。偏ったＴＭ光は、領域ＩＩ内の金属と半導体との間の境界面に沿って表面プラズモン・モードを励起する。次に、これらのモードに対応する光波は、領域ＩＩ／ＩＩＩおよびＩＩ／Ｉにおける境界面に向けて反射される。
【００５７】
図２は、ＴＭ波に対するこの共鳴現象を示す概略図である。ここで、共鳴する表面プラズモン１４は、象徴的に示されている。
【００５８】
領域ＩＩ／ＩＩＩ境界面とブラッグ反射鏡８との間の高さｈmは、領域ＩＩから領域ＩＩＩに伝えられて反射鏡８により反射された波が、媒体ＩＩ内の波（プラズモン）と同じ位相になり、共鳴に寄与するように計算される。
【００５９】
ＴＥ波の光は、二つの電極４の間の平らな導波路の複数のモードを励起する。これらのモードも、領域ＩＩ／ＩＩＩおよび領域ＩＩ／Ｉ境界面の方向に反射され、領域ＩＩ内を伝送される波は、ブラッグ反射鏡８により反射される。
【００６０】
このように、装置の動作は、典型的なＭＳＭ構造の動作に類似している。
【００６１】
いくつかの電位が、それぞれ（図示されぬバイアス手段により）電極に印加され、これらの電位は、（徐々に累加するようにバイアスが印加されることにより）ある電極から次の電極に段々高くなるようにすることもできるし、またはこれらの電位を、ある電極から他の電極へ変わるとき、絶対値は等しいが、符号が交互に変わるようにすることもできる。
【００６２】
領域ＩＩにおける半導体内では、（エネルギーが、半導体内の禁止帯域幅またはギャップより大きい）光が吸収されると、吸収された光子のそれぞれに対して電子−正孔のペアが形成される。電界の影響の下で、電子は、電子に最も近い二つの電極のうち最も高い電位を持つ電極に引き付けられ、正孔は、これらの二つの電極のうち最も低い電位を持つ電極に引き付けられる。電荷のこの移動により、電極内に電流が発生する。
【００６３】
光検出器の応答速度は、電極間の距離、およびこれらの電極が持つ電位により異なる。
【００６４】
入射する光波の一部は、電極を形成する金属内に吸収されることができることに留意されたい。この吸収は、半導体素子６内のキャリヤの生成に一役買っている。励起された電子は、ポテンシャルの障壁を越えることも、またはそうでない場合、トンネル効果により通過することもできる。
【００６５】
種々の材料（電極用の金属、光を吸収する半導体、及び光を吸収しない半導体）は、吸収される入射波の波長に基づいて選択される。例えば、金属電極は、銀から作ることができる、つまり反射率（バルク銀に対して）が高く、そのため強い共鳴が得られる金属から作ることができる。金、プラチナ、アルミニウム、または任意の他の反射率の高い金属も使用することができる。また、後で説明する理由から、電極を二つの金属から作ることもできることに留意されたい。
【００６６】
約０．８μｍの吸収には、吸収性半導体としてはＧａＡｓが選択され、非吸収性半導体としてはＡｌＡｓが選択され（あるいは、ＡｌＡｓの代わりに、ＡｌxＧａ1-xＡｓ材料が選択され、このとき、ｘは、このＡｌxＧａ1-xＡｓ材料が、波長が予め定められている光を吸収しないが、ＧａＡｓを選択的にエッチングすることができるように選択され）、ブラッグ反射鏡がＡｌＡｓおよびＡｌ0,2Ｇａ0,47Ａｓにより形成される。約１．５５μｍの吸収には、吸収性半導体としてはＩｎ0,53Ｇａ0,47Ａｓが選択され、非吸収性半導体としてはＩｎＰが選択され、ブラッグ反射鏡は、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓから形成される。
【００６７】
一方、装置の異なるパラメータ、ｅ（電極の幅）、ｄ（網目状構造のピッチ）、およびｈ（網目状構造の高さ、すなわち、電極および半導体素子の厚さ）、そして絶縁層２の厚さｈm（図２参照）は、ＴＭ波に対して表面プラズモンが励起されるか、あるいは、ＴＥモードが励起されるように調整され、さらに、これらのモードに対するファブリ・ペロ共振が得られるように調整される。また、これらのパラメータは、最適な方法で両方のタイプのモードが同時に励起されるように選択されてもよい。
【００６８】
まず第一に、二つの隣接する電極の間の距離ｄ−ｅ（すなわち、各素子の幅）が、λから０．０２×λの間に入るようにする必要がある。ここで、λは検出対象の光の波長であり、ｈはλ／（２ｎ）より小さい。また、ｎは、素子６の平均屈折率である。こうして、走行時間が短く、容量の小さい装置が得られる。
【００６９】
一例を挙げると、Ｎ個の素子を使用することができ、その場合、２≦Ｎ≦２０であり、ピッチｄは０．１×λと１×λとの間に含まれる。
【００７０】
波長λ＝０．８μｍで、上記材料を使用した場合に、網目状構造のステップとしてｄ＝１５０ｎｍ、重畳率（ｒ＝ｅ／ｄ）としてｒ＝０．５（５０％）、網目状構造の高さとしてｈ＝５５ｎｍ、さらに２０層からなるブラッグ反射鏡を選択すると、ＴＭ波の入射波に対して、完全吸収（９９％以上）が得られる。領域ＩＩ内の半導体が吸収するエネルギーは、約７４％であり、残り（２６％）は金属により吸収される。
【００７１】
ｄ＝１５０ｎｍ、ｒ＝０．４およびｈ＝３０５ｎｍを選択した場合には、ＴＥ波の入射波も全部吸収される。偏っていない波の場合には、パラメータを、ｄ＝１５０ｎｍ、ｒ＝０．５およびｈ＝２１０ｎｍに選択すると、入射波の１６％を反射し、約７２％を半導体内に吸収することができる。
【００７２】
図４および図５の曲線によって、本発明に係る装置の量子効率を特徴付けることができる。
【００７３】
図４は、図２に示す入射角度θ（単位：ラジアン）による反射率Ｔ（単位：％）の変動を示す。ここで、反射率は、装置により反射される光の強度の、装置上へ入射する光の強度に対する比である。なお、このときのパラメータ値は、次の値、すなわち、曲線Ｉに対してはｄ＝０．１５μｍ、ｒ＝０．５およびｈ＝５３ｎｍ、また曲線ＩＩに対してはｈ＝５５ｎｍである。
【００７４】
図５は、ｄ＝０．１５μｍ、ｒ＝０．５およびθ＝０度（垂直入射）の場合に、網目状構造の高さｈに対する反射率Ｔ（単位：％）の変動を示す。
【００７５】
例えば、図２の装置のような本発明に係る装置の製造は、図６Ａないし図６Ｅに概略的に示す５つの段階を通して行われる。
【００７６】
ブラッグ反射鏡の層１６および１８、ＡｌＡｓからなる層２、および層２（図６Ａ）の最上部にあるＧａＡｓからなる層２２は、ＧａＡｓからなる基層９上に、エピタキシー（例えば、分子ジェット・エピタキシー）により形成され、次に、網目状構造のパターン（図６Ｂ）の電子マスキングが行われる。こうして、電極に対応する領域が、マスキングの蒸着２４（例えば、ＰＭＭＡの蒸着）により形成される。次に、反応性イオンによるＧａＡｓからなる層のエッチングが行われる（図６Ｃ）。最後に、電極４を形成するために、真空状態で、銀の層２５が蒸着され（図６Ｄ）、次いで剥離が行われて、図６Ｅに示す構造になる。
【００７７】
製造過程にある構造部に酸素を導入することにより、ＡｌＡｓ上のＧａＡｓ層が選択的にエッチングされる。つまり、ＧａＡｓをエッチングする場合、ＡｌＡｓ層の表面上に薄い酸化物の層が形成され、この酸化物の層によりエッチング速度がかなり遅くなり、この層上でエッチングがストップする。このような選択的なエッチングは、例えばＩｎＧａＡｓの場合には、ＩｎＡｌＡｓの層を導入することによって一般化させることができる。
【００７８】
こうして、共鳴の際に重要な働きをするパラメータｈの数値（図２）は、エピタキシーの際に、およそ単原子層（single layer）（０．５ｎｍ）以内に制御される。
【００７９】
金属蒸着および剥離段階の代わりに、蒸着２４を剥離した後で（図６Ｆ参照）、金属蒸着を行い、さらにダマシン、すなわち、素子６をそのままにしながら機械的研磨または機械的化学的研磨（ＣＭＰ）を行ってもよい。図６Ｆの矢印Ｆは、この研磨の限界を示す。
【００８０】
選択的な研磨を容易に行うために、各素子６は、検出対象の光を吸収する半導体層６ａから作られ、この半導体層６ａの上に、予め誘電体層６ｂが蒸着されていてもよい。この誘電体層６ｂは、例えば、窒化シリコンＳｉ3Ｎ4から作ることができ、その研磨速度は、使用できる銀のような金属の研磨速度と比較した場合、非常に遅い。層６ｂの組に隣接する（そして、金属と誘電体との間の硬度の大きな違いにより、研磨をストップするための層として使用される）誘電体層は、層６ａの組に隣接している光を吸収する半導体層を成長させた後で、スパッタリングにより蒸着することができる。次に、例えばニッケルからなるマスクが蒸着され、このマスクが、誘電体層における（例えば、フッ素エッチングのような）反応性イオン・エッチング中に、さらには、光を吸収する半導体層における（例えば、塩素化エッチングのような）反応性イオン・エッチング中に、素子６に対応する領域を保護するのに使用される。
【００８１】
金属蒸着およびダマシンを行わなければならない場合には、基層に対して傾斜しているいくつかのソースを用い、二つの異なる金属を使用して行なう二つの金属の蒸着２５ａおよび２５ｂ（図６Ｇおよび図６Ｈ参照）により、二つの金属を含む素子を形成することができる（図７参照）。
【００８２】
本発明の課題である装置は、一方では、可視光線から赤外線（数ミクロン）の範囲内の広い波長範囲に適応することができ、他方では、広い範囲の半導体材料から作ることができる。
【００８３】
電荷の移動ならびに装置の速度を向上させるために、例えば、ヘテロ構造（エピタキシャル層）の形で、領域ＩＩ（図２）内に異なるタイプの半導体を使用することができる。
【００８４】
計算により、台形ないし部分的に丸くなった電極の部分によって、装置の機能は基本的に変化しないことが分かっている。一方、素子の高さｈは、重要な役割を果たす。
【００８５】
各素子６に誘電体層を追加しても、装置の機能は、基本的には変化しないが、いくつかの層のそれぞれの高さは再調整する必要があり、この高さは重要な役割を果たす。
【００８６】
最も負の電極の共鳴を助けて、これにより速度の遅い電荷キャリヤ（現在説明している例の場合は、正孔）の経路を、速い電荷キャリヤ（電子）の経路に対して短くするために、いくつかの非対称な電極を使用することもできる。
【００８７】
すでに説明したように、二つの独立した目的を持つ電極に対して、二つの異なる金属を使用することができる。一方の金属は、上記の金属に類似の金属で、最も負の電極上の共鳴を助長するためのものであり、他方の金属は、二つのタイプのキャリヤのそれぞれに対する障壁の高さを最適にし、それにより、暗電流を低減するためのものである。
【００８８】
素子６用の半導体の禁止帯域よりエネルギーが低い（波長がより大きい）いくつかの光子に対して、金属内にキャリヤが生成されることもあるが、これは、本発明の適用範囲を広げる。
【００８９】
図７は、本発明に係る他の装置の斜視図である。この図においても、絶縁層およびブラッグ反射鏡８が示されている。
【００９０】
図には、素子６も同様に示されている。素子６は、この例の場合には、二つの異なる金属からなる隣り合う二つの部分２６および２８に分かれた電極によって、それぞれ分離されている。この図を見れば、素子６は、部分２６と部分２８との間、すなわち、二つの異なる金属の間に収容されていることが分かる。
【００９１】
図７においては、符号３０および３１は、装置の両端部において層２２から余った不要の部分を示す。
【００９２】
図には、カソード接点３２およびアノード接点３４も示されており、これらのカソード接点３２およびアノード接点３４は、端部のところで電極に接触している。このアノード接点およびカソード接点は、それぞれの電極に接触してこれらの電極からの電位を安定させる抵抗素子３６により相互に接続されている。
【００９３】
図７の装置を動作させるために、これらの接点３２，３４の間に電圧が印加される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る装置の概略的な部分斜視図である。
【図２】 本発明に係る他の装置の概略的な部分断面図である。
【図３】 本発明に係る他の装置の概略的な部分断面図である。
【図４】 本発明に係る装置の素子および電極によって形成される網目状構造の高さの二つの異なる値に対して、検出対象の光の入射角度による屈折率の変動を示す図である。
【図５】 本発明に係る装置の網目状構造の高さによる屈折率の変動を示す。
【図６Ａ】 本発明に係る方法のいくつかの変形例の略図である。
【図６Ｂ】 本発明に係る方法のいくつかの変形例の略図である。
【図６Ｃ】 本発明に係る方法のいくつかの変形例の略図である。
【図６Ｄ】 本発明に係る方法のいくつかの変形例の略図である。
【図６Ｅ】 本発明に係る方法のいくつかの変形例の略図である。
【図６Ｆ】 本発明に係る装置の製造方法の段階の略図である。
【図６Ｇ】 本発明に係る装置の製造方法の段階の略図である。
【図６Ｈ】 本発明に係る装置の製造方法の段階の略図である。
【図７】 本発明に係るもう一つの装置の概略的な側面図である。
【符号の説明】
Ｉ・・・伝播媒体（空気）
２・・・絶縁層
４・・・電極
６・・・半導体素子（素子）
６ａ・・・半導体素子（素子）
６ｂ・・・誘電体層
８・・・ブラッグ反射鏡（反射手段）
１０・・・入射する光
１２・・・伝播媒体（導光板）
【発明の属する技術分野】
本発明は、光検出装置およびその製造方法に関する。
以下に、より詳細に述べられるように、本発明の目的である装置によって、波長、超高速、かつ高感度に対する幅広い選択範囲が得られる。
本発明は、例えば、分子の分光学的な検出、さらに好適には、毎秒１００ギガビットより速いか又は等しい非常に高速の光通信といったものに関わる特性の少なくとも一つを利用するようなあらゆる分野に用いることができる。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＳＭ（金属−半導体−金属）型光検出器は、一般に、非常に容易に製造することができ、電界効果トランジスタ内に容易に取り付けられ、比較的速い速度を達成することができるが効率は悪くなる。以下の説明においては、周知の幾つかのＭＳＭ光検出器およびその欠点について考察する。
【０００３】
電極間の距離が１μｍである、ＩｎＧａＡｓをベースとする周知の光検出器の場合には、正孔の走行時間は約１０ｐｓであり、これが２０ＧＨｚより低い遮断周波数に対応している。それ故、正孔の走行時間を短くするには、電極間の距離を短縮しなければならない。電極間の距離が０．１μｍ以下になると、移動はもはや定常的なものとしては捉えることができず、このため、走行時間は、１ｐｓより遥かに短くなる。
【０００４】
電極によって活性領域が覆われているということは、周知のＭＳＭ構造の主な欠点のうちの一つであり、このために、その量子効率が制限されている。さらに、これらの構造に用いられている材料の吸収には限界があるので（吸収長は１μｍ以上）、電極から離れた場所での電荷キャリヤの形成を防止するために、吸収領域の厚さは制限されなければならない。周知の光検出器の量子効率は、この光検出器の電極間の距離が０．１μｍより小さいために非常に低い。
【０００５】
逆に、その外部量子効率が高い周知のＭＳＭ構造は、速度が遅い。
【０００６】
今日では、しかし、（その応答時間が１ｐｓ以下の）超高速光検出器は、（１００ギガビット／秒およびそれ以上の）非常に高速な光通信にとって極めて重要な素子である。求められる性能の水準には、１．３μｍから１．５５μｍの間の波長での高い感度および帯域幅等が含まれる。光検出器の種類（Ｐ（Ｉ）Ｎダイオード、または金属−半導体−金属の構造）がどうであれ、高速を達成するには、電極間の距離は短く（１００ｎｍ以下）ならざるを得ないし、検出されるべき光は、最小限の体積内で吸収されなければならない。
【０００７】
このように、バルクＩｎＧａＡｓ半導体は、１．５５μｍの波長で、約３μｍの固有の吸収長を有する。
【０００８】
ＰＩＮダイオードの場合、およびＭＳＭ構造の場合には、電荷キャリヤの走行時間は、外部量子効率の低下に直接結びついている。
【０００９】
このため、周知の光検出器の設計は、必然的に収量と速度との間の折り合いを図ることが課題である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題である装置は、こういった折り合いを根本的に問うことを目的とし、超小型垂直共振器を用いて、例えば、低容量構造において７０％以上の量子効率を達成でき、その電極間の距離を５０ｎｍ以下にすることができ、１ＴＨｚを超える帯域幅を達成することができるようにするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る装置の原理は、金属／半導体の境界に励起されたエバネッセント波のすみやかな減少を用いて、小体積のＭＳＭ型構造の中に、共鳴によって検出したい光を集約することにある。
【００１２】
表面プラズモン・モードにより、この目的を達成することができる。
【００１３】
周知の構造とは異なり、プラズモンは、水平方向に（すなわち、構造の基層に対して平行に）広がらず、むしろ、構造内の電極の垂直表面に沿って留められたままになる。
【００１４】
正確には、本発明の目的は、伝播媒体内を伝播する予め定められた波長を持つ入射光を検出するための光検出装置を提供することである。この装置は、前記光を吸収しない電気的な絶縁層を備え、この層の上に、半導体材料を有する少なくとも一つの素子と、それぞれ相互に異なる電位にされるように設けられた少なくとも二つのバイアス電極とを備え、前記電極は、前記素子を囲んでいて、前記素子および前記電極により形成された組が、前記入射光を吸収するのに適していて（言い換えれば、素子および／または電極は、この光を吸収するのに適していて）、前記素子および前記電極が、ほぼ平行六面体とされているとともに、同じ方向に延在し、この方向と交差する方向に測られた前記電極および前記素子の寸法は、前記予め定められた波長に基づいて選択され、これにより、二つのモードの少なくとも一方を共鳴させることによって、前記素子および前記電極によって形成される組の内部の光の強度が増加するようになっており、すなわち、第１のモードは、前記組が前記絶縁層ならびに前記伝播媒体とともに共有している境界面の間で共鳴させられる表面プラズモン・モードとされていて、前記第１のモードの共鳴は、前記電極のうちの少なくとも一つと前記素子との間の境界面のところに生成され、前記第１のモードは、前記入射光に伴う磁界成分で、前記電極に平行な一成分により励起され、第２のモードは、前記二つの電極を備えて前記絶縁層に垂直な光導波路の横電気的なモードとされ、前記第２のモードは、前記入射光に伴う電界成分で、前記電極に平行な一成分により励起されるように構成されている。
【００１５】
好適には、表面プラズモン・モードを共鳴させる場合には、λを前記入射光の波長とすると、前記電極の方向に直角な方向に測られた各素子の幅は、λより短く、かつ、０．０２×λより長く、ｎを各素子の平均屈折率とすると、各素子の厚さは、λ／（２ｎ）より薄くされている。
【００１６】
本発明の課題である装置を組み立てるための第１の特定の形態の場合には、電極は、同一の導電材料から形成され、前記絶縁層から垂直に測られて同じ高さを有している。
【００１７】
本発明の課題である装置を組み立てるための第２の特定の形態の場合には、前記電極は、次の二つの特質、すなわち、（ａ）該電極が異なる導電材料から形成されているという特質、ならびに、（ｂ）該電極が前記絶縁層に垂直に測られて異なる高さを有し、これにより、該電極へのバイアス印加時に、速度の遅い電荷キャリヤを収集する電極の略側面上で前記共鳴が起こるようになっているという特質、のうちの少なくとも一方を有している。
【００１８】
装置が備える素子は、半導体ヘテロ構造を有することができる。
【００１９】
装置の構造に対する特定の態様によれば、本発明の課題である装置は、前記絶縁体上に交互に配置されている幾つもの素子および電極を有し、各電極は、単一の金属または二つの異なる金属から形成されている。
【００２０】
この場合、第一の特殊な実施態様において、前記電極は、前記電極の組の中で、一方の端部の電極から他方の端部の電極へ向かって増大する電位とされるように設けられている。
【００２１】
それ故、本発明の課題である装置は、さらに、前記電極と接触していて、前記一組の電極のうちの一方の端部の電極から他方の端部の電極へ延びる、電位を安定させるための抵抗材料を備えている。後者は、高電圧下で一組の素子を分極させる。
【００２２】
第二の特殊な実施態様において、前記電極は、その絶対値が等しく符号が交互に変化する電位とされるように設けられている。
【００２３】
本発明の課題である装置を実施するための好適な形態において、この装置は、さらに、前記絶縁層を横切る、吸収されない前記光を反射するように構成された反射手段を備え、前記絶縁層の厚さは、前記反射手段により反射された光が、各素子および電極により形成される組の中に存在する光の波と同じ位相になり、共鳴に寄与するように選択されている。
【００２４】
第一実施例において、本発明の課題である装置は、その波長が約０．８μｍである入射光を検出するためのものである。この装置は、ＧａＡｓの基層上に形成され、前記素子（６）はＧａＡｓからなり、前記電極は銀からなり、前記絶縁層はＡｌＡｓ、またはＡｌxＧａ1-x材料からなり、このｘは、この材料が前記入射光を吸収しないが、ＧａＡｓを選択的にエッチングすることができるように選択され、前記反射手段は、多層のＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓ反射鏡とされている。
【００２５】
第二実施例において、装置は、その波長が約１．５５μｍである入射光を検出するためのものである。この装置は、 ＩｎＰからなる基層上に形成され、前記素子はＩｎＧａＡｓからなり、前記電極は銀からなり、前記絶縁層はＡｌＩｎＡｓからなり、前記反射手段は、ＧａＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓからなる多層膜反射鏡とされている。ある変形例において、装置は、 ＧａＡｓからなる基層上に形成され、前記素子はＩｎＧａＡｓＮＳｂ合金からなり、前記電極は銀からなり、前記絶縁層はＡｌＡｓまたはＡｌxＧａ1-xＡｓ材料からなり、このｘは、この材料が前記入射光を吸収しないが、ＧａＡｓを選択的にエッチングすることができるように選択され、前記反射手段は、多層のＧａＡｓ／ＡｌＡｓ反射鏡とされている。
【００２６】
第三実施例において、装置は、波長が赤外線領域に含まれる入射光を検出するように構成され、前記電極は、入射光を吸収するために、銀または金からなり、前記素子は、前記入射光を吸収しないように設けられている。
【００２７】
本発明を実施するための第一の特定の形態において、伝播媒体は空気である。
【００２８】
本発明を実施するための第二の特定の形態において、伝播媒体は、各素子の電極がそれに沿って延びている前記方向に平行な導光板である。
【００２９】
本発明は、また、本発明の課題である装置の製造方法に関する。この方法において、前記素子用の所与の厚さの半導体材料が前記絶縁材料上に形成され、前記半導体材料が選択的にエッチングされて、前記電極が設けられる位置にある部分がそれから取り除かれ、この位置に前記電極が形成される。
【００３０】
本発明の課題である上記方法を実施するための第一の特定の形態において、素子が選択的にエッチングされ、次に、電極が形成されるのに同じマスクが使用される。
【００３１】
本発明の課題である上記方法を実施するための第二の特定の形態において、素子を選択的にエッチングするために、一つのマスクが使用され、このマスクが除去され、少なくとも一つの金属を使用して電極が形成され、この金属から余った過剰の材料は、機械的研磨または機械的化学的研磨により除去される。
【００３２】
この場合、本発明を実施するためのある特定の形態において、前記金属の硬度より硬度が大きい材料から前記素子が形成され、前記過剰な金属が、前記素子に対する前記金属の選択的な機械的研磨または機械的化学的研磨により除去される。
【００３３】
本発明を実施するためのある特定の形態において、前記素子に上部層が設けられ、前記金属の硬度より硬度が大きい材料から前記素子の前記上部層が形成されて、前記過剰な金属が、前記素子に対する前記金属の選択的な機械的研磨または機械的化学的研磨により除去される。
【００３４】
また、前記電極を形成するために二つの金属が用いられ、これらの金属が次々に前記絶縁層に対して斜めに蒸着される。
【００３５】
本発明において、二つの電極の間に位置する一つの素子を使用する代わりに、いくつもの電極が間に配置される多数の素子を使用すると、電磁気的なモデル化が遥かに簡単である網目状構造を形成することができることに留意されたい。
【００３６】
こうして、二つずつ緩く結合しているいくつかの垂直なプラズモンに対応する第１のモードが共鳴させられることを示すことができる。
【００３７】
電極の垂直な側面の下端部および上端部は、金属半導体境界面内のプラズモンに対して反射鏡効果を持ち、それにより、ファブリ・ペロー型の共振を確立することができ、そのため、ＴＭ（transverse magnetic）に偏った入射波の最も多くの部分を吸収することができる。
【００３８】
上記モデル化によって、さらに、素子により隔てられた二つの電極の間に形成されている平らな導波路のＴＥ（transverse electric）モードに対して、同じファブリ・ペロー型の共振現象を実際に示し、それにより、いくつかの適当に選択した装置のパラメータに対して、ＴＥに偏った入射光の最も多くの部分を吸収させることが可能となった。
【００３９】
ＴＭ波およびＴＥ波の場合、絶縁層内を透過した波を反射するために、電極の下にブラッグ反射鏡を使用することにより、全部の光を吸収することができる。
【００４０】
図面の構成は、水平表面の（すなわち、絶縁層に対して平行な）プラズモンの励起とは異なり、共鳴が、検出しようとしている入射光波の傾きによる影響をほとんど受けないことを示している。それ故、（多数の素子を使用している場合と比較して）装置の量子効率をほとんど低下させないようにしながら、装置上に光波を強く集束させて、少数の素子（例えば、３〜５）だけを作動させることが可能になる。
【００４１】
さらに、ＴＭ波の場合には、各素子および電極の横方向の寸法に対してはそうではないものの、各素子の厚さは、正確に実現されることが望ましい。
【００４２】
【発明の実施の形態】
本発明は、図面を参照しながら以下に詳述される実施形態に関する記載から、よりよく理解することができよう。この実施形態は、単に理解を容易にするためのものであって、本発明を制限するものではない。
【００４３】
図１の略図および部分斜視図は、本発明の装置を示す。上記装置は、電気的絶縁層２上に配置された略してＭＳＭとも呼ばれる金属−半導体−金属検出器の網目状構造（ネットワーク）（network）を形成する構造部を有している。
【００４４】
この網目状構造は、いくつかの半導体素子６と交互に並ぶ複数の金属電極４からなる組とされている。
【００４５】
これらの電極およびこれらの素子は、ほぼ平行六面体の形をしていて、層２上で同じ方向Ｄに揃っている。
【００４６】
図１に示す実施形態においては、いくつかの半導体素子が設けられている。図示されないある変形例の場合には、二つの電極４の間に位置する一つの半導体素子６が用いられる。
【００４７】
図２は、本発明に係る他の装置の概略的な部分断面図である。図２のこの装置は、ブラッグ反射鏡と呼ばれる多層膜反射鏡８を備えている点を除けば、図１の装置と同じものである。
【００４８】
この多層膜反射鏡は、異なる屈折率ｎAおよびｎBを有する光を吸収しない材料の複数の層が交互に積層されたものである。これらの層のそれぞれの厚さｈAおよびｈBは、反射する波長の範囲に基づいて計算される。
【００４９】
図から分かるように、図２の装置は、基層９上に形成されている。反射鏡８は、この基層と層２との間に形成されている。
【００５０】
図２の装置（そして、従って図１の装置）は、三つの領域（zone）、Ｉ、ＩＩおよびＩＩＩに分割することができる。
【００５１】
以下のように、装置を用いて検出しようとしている入射光波１０は、空気からなる領域Ｉを通って領域ＩＩおよびＩＩＩに達するものとする。
【００５２】
本発明に係る装置は、装置を用いて検出される光が内部を進行する導光板にくっ付けて装置が配置される場合にも、同じように説明することができる。図３は、こういった場合の概略的な部分図である。ここで、符号１２は、上記導光板を示す。この導光板１２は、Ｄの方向、すなわち、電極４および半導体素子６に平行に延びている。
【００５３】
再び図２を参照して、領域ＩＩは、ほぼ長方形の横断面を持つ金属電極４の網目状構造からなる。素子６は、光の波長が既知とされた入射光を吸収する半導体からできている。
【００５４】
図示していない変形例において、各素子６は、入射光を吸収する半導体材料からなる層と、半導体材料を裏打ちする誘電層とからなる。
【００５５】
領域ＩＩＩは、層２に相当し、領域ＩＩ内の半導体による網目状の配置に一致させて、光を吸収しない半導体から形成されている。この領域ＩＩＩは、今まで説明してきたように、領域ＩＩから領域ＩＩＩに透過した光波を反射するブラッグ反射鏡を備えている。
【００５６】
検出対象の入射光１０は、偏ったＴＭ光および偏ったＴＥ光に分割することができるが、この入射光１０は、領域Ｉを通って構造部に達する。偏ったＴＭ光は、領域ＩＩ内の金属と半導体との間の境界面に沿って表面プラズモン・モードを励起する。次に、これらのモードに対応する光波は、領域ＩＩ／ＩＩＩおよびＩＩ／Ｉにおける境界面に向けて反射される。
【００５７】
図２は、ＴＭ波に対するこの共鳴現象を示す概略図である。ここで、共鳴する表面プラズモン１４は、象徴的に示されている。
【００５８】
領域ＩＩ／ＩＩＩ境界面とブラッグ反射鏡８との間の高さｈmは、領域ＩＩから領域ＩＩＩに伝えられて反射鏡８により反射された波が、媒体ＩＩ内の波（プラズモン）と同じ位相になり、共鳴に寄与するように計算される。
【００５９】
ＴＥ波の光は、二つの電極４の間の平らな導波路の複数のモードを励起する。これらのモードも、領域ＩＩ／ＩＩＩおよび領域ＩＩ／Ｉ境界面の方向に反射され、領域ＩＩ内を伝送される波は、ブラッグ反射鏡８により反射される。
【００６０】
このように、装置の動作は、典型的なＭＳＭ構造の動作に類似している。
【００６１】
いくつかの電位が、それぞれ（図示されぬバイアス手段により）電極に印加され、これらの電位は、（徐々に累加するようにバイアスが印加されることにより）ある電極から次の電極に段々高くなるようにすることもできるし、またはこれらの電位を、ある電極から他の電極へ変わるとき、絶対値は等しいが、符号が交互に変わるようにすることもできる。
【００６２】
領域ＩＩにおける半導体内では、（エネルギーが、半導体内の禁止帯域幅またはギャップより大きい）光が吸収されると、吸収された光子のそれぞれに対して電子−正孔のペアが形成される。電界の影響の下で、電子は、電子に最も近い二つの電極のうち最も高い電位を持つ電極に引き付けられ、正孔は、これらの二つの電極のうち最も低い電位を持つ電極に引き付けられる。電荷のこの移動により、電極内に電流が発生する。
【００６３】
光検出器の応答速度は、電極間の距離、およびこれらの電極が持つ電位により異なる。
【００６４】
入射する光波の一部は、電極を形成する金属内に吸収されることができることに留意されたい。この吸収は、半導体素子６内のキャリヤの生成に一役買っている。励起された電子は、ポテンシャルの障壁を越えることも、またはそうでない場合、トンネル効果により通過することもできる。
【００６５】
種々の材料（電極用の金属、光を吸収する半導体、及び光を吸収しない半導体）は、吸収される入射波の波長に基づいて選択される。例えば、金属電極は、銀から作ることができる、つまり反射率（バルク銀に対して）が高く、そのため強い共鳴が得られる金属から作ることができる。金、プラチナ、アルミニウム、または任意の他の反射率の高い金属も使用することができる。また、後で説明する理由から、電極を二つの金属から作ることもできることに留意されたい。
【００６６】
約０．８μｍの吸収には、吸収性半導体としてはＧａＡｓが選択され、非吸収性半導体としてはＡｌＡｓが選択され（あるいは、ＡｌＡｓの代わりに、ＡｌxＧａ1-xＡｓ材料が選択され、このとき、ｘは、このＡｌxＧａ1-xＡｓ材料が、波長が予め定められている光を吸収しないが、ＧａＡｓを選択的にエッチングすることができるように選択され）、ブラッグ反射鏡がＡｌＡｓおよびＡｌ0,2Ｇａ0,47Ａｓにより形成される。約１．５５μｍの吸収には、吸収性半導体としてはＩｎ0,53Ｇａ0,47Ａｓが選択され、非吸収性半導体としてはＩｎＰが選択され、ブラッグ反射鏡は、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓから形成される。
【００６７】
一方、装置の異なるパラメータ、ｅ（電極の幅）、ｄ（網目状構造のピッチ）、およびｈ（網目状構造の高さ、すなわち、電極および半導体素子の厚さ）、そして絶縁層２の厚さｈm（図２参照）は、ＴＭ波に対して表面プラズモンが励起されるか、あるいは、ＴＥモードが励起されるように調整され、さらに、これらのモードに対するファブリ・ペロ共振が得られるように調整される。また、これらのパラメータは、最適な方法で両方のタイプのモードが同時に励起されるように選択されてもよい。
【００６８】
まず第一に、二つの隣接する電極の間の距離ｄ−ｅ（すなわち、各素子の幅）が、λから０．０２×λの間に入るようにする必要がある。ここで、λは検出対象の光の波長であり、ｈはλ／（２ｎ）より小さい。また、ｎは、素子６の平均屈折率である。こうして、走行時間が短く、容量の小さい装置が得られる。
【００６９】
一例を挙げると、Ｎ個の素子を使用することができ、その場合、２≦Ｎ≦２０であり、ピッチｄは０．１×λと１×λとの間に含まれる。
【００７０】
波長λ＝０．８μｍで、上記材料を使用した場合に、網目状構造のステップとしてｄ＝１５０ｎｍ、重畳率（ｒ＝ｅ／ｄ）としてｒ＝０．５（５０％）、網目状構造の高さとしてｈ＝５５ｎｍ、さらに２０層からなるブラッグ反射鏡を選択すると、ＴＭ波の入射波に対して、完全吸収（９９％以上）が得られる。領域ＩＩ内の半導体が吸収するエネルギーは、約７４％であり、残り（２６％）は金属により吸収される。
【００７１】
ｄ＝１５０ｎｍ、ｒ＝０．４およびｈ＝３０５ｎｍを選択した場合には、ＴＥ波の入射波も全部吸収される。偏っていない波の場合には、パラメータを、ｄ＝１５０ｎｍ、ｒ＝０．５およびｈ＝２１０ｎｍに選択すると、入射波の１６％を反射し、約７２％を半導体内に吸収することができる。
【００７２】
図４および図５の曲線によって、本発明に係る装置の量子効率を特徴付けることができる。
【００７３】
図４は、図２に示す入射角度θ（単位：ラジアン）による反射率Ｔ（単位：％）の変動を示す。ここで、反射率は、装置により反射される光の強度の、装置上へ入射する光の強度に対する比である。なお、このときのパラメータ値は、次の値、すなわち、曲線Ｉに対してはｄ＝０．１５μｍ、ｒ＝０．５およびｈ＝５３ｎｍ、また曲線ＩＩに対してはｈ＝５５ｎｍである。
【００７４】
図５は、ｄ＝０．１５μｍ、ｒ＝０．５およびθ＝０度（垂直入射）の場合に、網目状構造の高さｈに対する反射率Ｔ（単位：％）の変動を示す。
【００７５】
例えば、図２の装置のような本発明に係る装置の製造は、図６Ａないし図６Ｅに概略的に示す５つの段階を通して行われる。
【００７６】
ブラッグ反射鏡の層１６および１８、ＡｌＡｓからなる層２、および層２（図６Ａ）の最上部にあるＧａＡｓからなる層２２は、ＧａＡｓからなる基層９上に、エピタキシー（例えば、分子ジェット・エピタキシー）により形成され、次に、網目状構造のパターン（図６Ｂ）の電子マスキングが行われる。こうして、電極に対応する領域が、マスキングの蒸着２４（例えば、ＰＭＭＡの蒸着）により形成される。次に、反応性イオンによるＧａＡｓからなる層のエッチングが行われる（図６Ｃ）。最後に、電極４を形成するために、真空状態で、銀の層２５が蒸着され（図６Ｄ）、次いで剥離が行われて、図６Ｅに示す構造になる。
【００７７】
製造過程にある構造部に酸素を導入することにより、ＡｌＡｓ上のＧａＡｓ層が選択的にエッチングされる。つまり、ＧａＡｓをエッチングする場合、ＡｌＡｓ層の表面上に薄い酸化物の層が形成され、この酸化物の層によりエッチング速度がかなり遅くなり、この層上でエッチングがストップする。このような選択的なエッチングは、例えばＩｎＧａＡｓの場合には、ＩｎＡｌＡｓの層を導入することによって一般化させることができる。
【００７８】
こうして、共鳴の際に重要な働きをするパラメータｈの数値（図２）は、エピタキシーの際に、およそ単原子層（single layer）（０．５ｎｍ）以内に制御される。
【００７９】
金属蒸着および剥離段階の代わりに、蒸着２４を剥離した後で（図６Ｆ参照）、金属蒸着を行い、さらにダマシン、すなわち、素子６をそのままにしながら機械的研磨または機械的化学的研磨（ＣＭＰ）を行ってもよい。図６Ｆの矢印Ｆは、この研磨の限界を示す。
【００８０】
選択的な研磨を容易に行うために、各素子６は、検出対象の光を吸収する半導体層６ａから作られ、この半導体層６ａの上に、予め誘電体層６ｂが蒸着されていてもよい。この誘電体層６ｂは、例えば、窒化シリコンＳｉ3Ｎ4から作ることができ、その研磨速度は、使用できる銀のような金属の研磨速度と比較した場合、非常に遅い。層６ｂの組に隣接する（そして、金属と誘電体との間の硬度の大きな違いにより、研磨をストップするための層として使用される）誘電体層は、層６ａの組に隣接している光を吸収する半導体層を成長させた後で、スパッタリングにより蒸着することができる。次に、例えばニッケルからなるマスクが蒸着され、このマスクが、誘電体層における（例えば、フッ素エッチングのような）反応性イオン・エッチング中に、さらには、光を吸収する半導体層における（例えば、塩素化エッチングのような）反応性イオン・エッチング中に、素子６に対応する領域を保護するのに使用される。
【００８１】
金属蒸着およびダマシンを行わなければならない場合には、基層に対して傾斜しているいくつかのソースを用い、二つの異なる金属を使用して行なう二つの金属の蒸着２５ａおよび２５ｂ（図６Ｇおよび図６Ｈ参照）により、二つの金属を含む素子を形成することができる（図７参照）。
【００８２】
本発明の課題である装置は、一方では、可視光線から赤外線（数ミクロン）の範囲内の広い波長範囲に適応することができ、他方では、広い範囲の半導体材料から作ることができる。
【００８３】
電荷の移動ならびに装置の速度を向上させるために、例えば、ヘテロ構造（エピタキシャル層）の形で、領域ＩＩ（図２）内に異なるタイプの半導体を使用することができる。
【００８４】
計算により、台形ないし部分的に丸くなった電極の部分によって、装置の機能は基本的に変化しないことが分かっている。一方、素子の高さｈは、重要な役割を果たす。
【００８５】
各素子６に誘電体層を追加しても、装置の機能は、基本的には変化しないが、いくつかの層のそれぞれの高さは再調整する必要があり、この高さは重要な役割を果たす。
【００８６】
最も負の電極の共鳴を助けて、これにより速度の遅い電荷キャリヤ（現在説明している例の場合は、正孔）の経路を、速い電荷キャリヤ（電子）の経路に対して短くするために、いくつかの非対称な電極を使用することもできる。
【００８７】
すでに説明したように、二つの独立した目的を持つ電極に対して、二つの異なる金属を使用することができる。一方の金属は、上記の金属に類似の金属で、最も負の電極上の共鳴を助長するためのものであり、他方の金属は、二つのタイプのキャリヤのそれぞれに対する障壁の高さを最適にし、それにより、暗電流を低減するためのものである。
【００８８】
素子６用の半導体の禁止帯域よりエネルギーが低い（波長がより大きい）いくつかの光子に対して、金属内にキャリヤが生成されることもあるが、これは、本発明の適用範囲を広げる。
【００８９】
図７は、本発明に係る他の装置の斜視図である。この図においても、絶縁層およびブラッグ反射鏡８が示されている。
【００９０】
図には、素子６も同様に示されている。素子６は、この例の場合には、二つの異なる金属からなる隣り合う二つの部分２６および２８に分かれた電極によって、それぞれ分離されている。この図を見れば、素子６は、部分２６と部分２８との間、すなわち、二つの異なる金属の間に収容されていることが分かる。
【００９１】
図７においては、符号３０および３１は、装置の両端部において層２２から余った不要の部分を示す。
【００９２】
図には、カソード接点３２およびアノード接点３４も示されており、これらのカソード接点３２およびアノード接点３４は、端部のところで電極に接触している。このアノード接点およびカソード接点は、それぞれの電極に接触してこれらの電極からの電位を安定させる抵抗素子３６により相互に接続されている。
【００９３】
図７の装置を動作させるために、これらの接点３２，３４の間に電圧が印加される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る装置の概略的な部分斜視図である。
【図２】 本発明に係る他の装置の概略的な部分断面図である。
【図３】 本発明に係る他の装置の概略的な部分断面図である。
【図４】 本発明に係る装置の素子および電極によって形成される網目状構造の高さの二つの異なる値に対して、検出対象の光の入射角度による屈折率の変動を示す図である。
【図５】 本発明に係る装置の網目状構造の高さによる屈折率の変動を示す。
【図６Ａ】 本発明に係る方法のいくつかの変形例の略図である。
【図６Ｂ】 本発明に係る方法のいくつかの変形例の略図である。
【図６Ｃ】 本発明に係る方法のいくつかの変形例の略図である。
【図６Ｄ】 本発明に係る方法のいくつかの変形例の略図である。
【図６Ｅ】 本発明に係る方法のいくつかの変形例の略図である。
【図６Ｆ】 本発明に係る装置の製造方法の段階の略図である。
【図６Ｇ】 本発明に係る装置の製造方法の段階の略図である。
【図６Ｈ】 本発明に係る装置の製造方法の段階の略図である。
【図７】 本発明に係るもう一つの装置の概略的な側面図である。
【符号の説明】
Ｉ・・・伝播媒体（空気）
２・・・絶縁層
４・・・電極
６・・・半導体素子（素子）
６ａ・・・半導体素子（素子）
６ｂ・・・誘電体層
８・・・ブラッグ反射鏡（反射手段）
１０・・・入射する光
１２・・・伝播媒体（導光板）
Claims (22)
- 伝播媒体（Ｉ、１２）内を伝播する、予め定められた波長を有して入射する光（１０）を検出するための光検出装置において、
前記光を吸収しない電気的な絶縁層（２）を備え、この層の上に、半導体材料を有する少なくとも一つの素子（６）と、それぞれ相互に異なる電位にされるように設けられた少なくとも二つのバイアス電極（４）とを備え、前記電極は、前記素子を囲んでいて、前記素子および前記電極により形成された組が、前記入射光を吸収するのに適していて、前記素子および前記電極が、ほぼ平行六面体とされているとともに、同じ方向（Ｄ）に延在し、この方向と交差する方向に測られた前記電極および前記素子の寸法は、前記入射光に対して二つのモードの少なくとも一方を共鳴させて前記素子および前記電極によって形成される組の内部の光の強度が増加するように、前記予め定められた波長の関数として選択されていて、第１のモードは、前記組が前記絶縁層ならびに前記伝播媒体とともに共有している境界面の間で共鳴させられる表面プラズモン・モードとされていて、前記第１のモードの共鳴は、前記電極のうちの少なくとも一つと前記素子との間の境界面のところに生成され、前記第１のモードは、前記入射光に伴う磁界成分で、前記電極に平行な一成分により励起され、第２のモードは、前記二つの電極を備えて前記絶縁層に垂直な光導波路の横電気的なモードとされ、前記第２のモードは、前記入射光に伴う電界成分で、前記電極に平行な一成分により励起されるように構成されていることを特徴とする光検出装置。 - 請求項１記載の装置において、
前記表面プラズモン・モードが共鳴させられ、λを前記入射光の波長とすると、前記方向（Ｄ）に直角な方向に測られた各素子の幅（ｄ−ｅ）は、λより短く、かつ、０．０２×λより長く、ｎを各素子の平均屈折率とすると、各素子の厚さ（ｈ）は、λ／（２ｎ）より薄くされていることを特徴とする装置。 - 請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の装置において、
前記電極は、同一の導電材料から形成され、前記絶縁層から垂直に測られて同じ高さを有していることを特徴とする装置。 - 請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の装置において、
前記電極（４）は、次の二つの特質、すなわち、
（ａ）該電極が異なる導電材料から形成されているという特質、ならびに、
（ｂ）該電極が前記絶縁層に垂直に測られて異なる高さを有し、これにより、該電極へのバイアス印加時に、速度の遅い電荷キャリヤを収集する電極の略側面上で前記共鳴が起こるようになっているという特質、
のうちの少なくとも一方を有していることを特徴とする装置。 - 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の装置において、
前記素子は、半導体ヘテロ構造を有していることを特徴とする装置。 - 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の装置において、
前記絶縁体上に交互に配置されている幾つもの素子および電極を有し、各電極は、単一の金属または二つの異なる金属から形成されていることを特徴とする装置。 - 請求項６記載の装置において、
前記電極は、前記電極の組の中で、一方の端部の電極から他方の端部の電極へ向かって増大する電位とされるように設けられていることを特徴とする装置。 - 請求項７記載の装置において、
さらに、前記電極と接触していて、前記一組の電極のうちの一方の端部の電極から他方の端部の電極へ延びる、電位を安定させるための抵抗材料（３６）を備えていることを特徴とする装置。 - 請求項６記載の装置において、
前記電極は、その絶対値が等しく符号が交互に変化する電位とされるように設けられていることを特徴とする装置。 - 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の装置において、
前記絶縁層を横切る、吸収されない前記光を反射するように構成された反射手段（８）をさらに備え、前記絶縁層の厚さ（ｈm）は、前記反射手段（８）により反射された光が、各素子および電極により形成される組の中に存在する光の波と同じ位相になり、共鳴に寄与するように選択されていることを特徴とする装置。 - 請求項１０記載の装置において、
波長が約０．８μｍである入射光を検出するように構成され、該装置がＧａＡｓの基層上に形成され、前記素子（６）はＧａＡｓからなり、前記電極は銀からなり、前記絶縁層はＡｌＡｓ、またはＡｌxＧａ1-x材料からなり、このｘは、この材料が前記入射光を吸収しないが、ＧａＡｓを選択的にエッチングすることができるように選択され、前記反射手段は、多層のＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓ反射鏡とされていることを特徴とする装置。 - 請求項１０記載の装置において、
波長が約１．５５μｍである入射光を検出するように構成され、該装置がＩｎＰからなる基層上に形成され、前記素子はＩｎＧａＡｓからなり、前記電極は銀からなり、前記絶縁層はＡｌＩｎＡｓからなり、前記反射手段は、ＧａＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓからなる多層膜反射鏡とされていることを特徴とする装置。 - 請求項１０記載の装置において、
波長が約１．５５μｍである入射光を検出するように構成され、該装置がＧａＡｓからなる基層上に形成され、前記素子はＩｎＧａＡｓＮＳｂ合金からなり、前記電極は銀からなり、前記絶縁層はＡｌＡｓまたはＡｌxＧａ1-xＡｓ材料からなり、このｘは、この材料が前記入射光を吸収しないが、ＧａＡｓを選択的にエッチングすることができるように選択され、前記反射手段は、多層のＧａＡｓ／ＡｌＡｓ反射鏡とされていることを特徴とする装置。 - 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の装置において、
波長が赤外線領域に含まれる入射光を検出するように構成され、前記電極は、入射光を吸収するために、銀または金からなり、前記素子は、前記入射光を吸収しないように設けられていることを特徴とする装置。 - 請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の装置において、
前記伝播媒体は、空気（Ｉ）とされていることを特徴とする装置。 - 請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の装置において、
前記伝播媒体は、各素子の電極がそれに沿って延びている前記方向（Ｄ）に平行な導光板（１２）とされていることを特徴とする装置。 - 前記素子用の所与の厚さの半導体材料を前記絶縁層（２）上に成長させ、前記半導体材料を選択的にエッチングして、前記電極（４）を設けようとしている位置にある部分をそれから取り除くようにし、この位置に前記電極を形成する、請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の光検出装置を製造するための方法。
- 請求項１７記載の方法において、
前記素子を選択的にエッチングし、次に、前記電極（４）を形成することを同じマスクを使用して行うことを特徴とする方法。 - 請求項１７記載の方法において、
マスクを使用して前記素子を選択的にエッチングし、前記マスクを除去し、少なくとも一つの金属を用いて前記電極（４）を形成し、前記金属から余った過剰な材料を、機械的研磨または機械的化学的研磨によって除去することを特徴とする方法。 - 請求項１９記載の方法において、
前記金属の硬度より硬度が大きい材料から前記素子を形成して、前記過剰な金属を、前記素子に対する前記金属の選択的な機械的研磨または機械的化学的研磨により除去することを特徴とする方法。 - 請求項１９記載の方法において、
前記素子に上部層（６ｂ）を設け、前記金属の硬度より硬度が大きい材料から前記素子の前記上部層を形成して、前記過剰な金属を、前記素子に対する前記金属の選択的な機械的研磨または機械的化学的研磨により除去することを特徴とする方法。 - 請求項１９記載の方法において、
前記電極を形成するために二つの金属を用い、これらの金属を次々に前記絶縁層（２）に対して斜めに蒸着することを特徴とする方法。
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