JP7196547B2 - 光検出素子、光センサ、及び光検出素子の製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、グラフェンを利用した光検出素子は、感度が最も高いテラヘルツ領域でも10V/W程度の感度しかない。
図1は、光検出素子で使用するグラフェンの分子構造を模式的に示す斜視図である。
図1に示すように、グラフェンは、六角形のセルの各頂点に炭素原子が位置する単原子層の物質である。
感度を向上させるには、グラフェンを複数積層し、各々のグラフェンの光熱電効果を利用すればよいとも考えられる。
しかしながら、このように単純にグラフェンを積層すると、グラフェンとはバンド構造が異なるグラファイトが得られてしまう。
以下に、各実施形態について説明する。
(第1実施形態)
図3A~図9Bは、本実施形態に係る光検出素子の製造途中の断面図である。
そして、図3Cに示すように、例えば塩化鉄溶液で触媒金属層10を溶解して除去し、第1の支持層13の表面にグラフェン11が形成された構造を得る。
次に、図4Aに示す工程について説明する。
この後は、以下のようにしてグラフェン11とスペーサ層17とを交互に複数積層する。
まず、図5Bに示すように、シリコンウエハ20の上に酸化シリコン層21を形成してなる素子用の基板22を用意する。酸化シリコン層21は、その上に後で形成される電極や受光層等の各要素を電気的に絶縁する絶縁層として機能し、50nm~1000nm程度の厚さに形成される。
次いで、図6Aに示すように、スペーサ層17を下にして第2の支持層18を基板22側に密着させる。
その後に、アセトン等の有機溶剤で第2の支持層18を溶解して除去する。
その後に、アセトン等の有機溶剤で第1の支持層13を溶解して除去する。
受光層23における積層数は特に限定されないが、例えばグラフェン11とスペーサ層17をそれぞれ1層~500層、例えば100層程度積層する。
なお、受光層23の最上層をスペーサ層17とすることで、そのスペーサ層17で大気からグラフェン11を保護してもよい。
また、図10は、受光層23におけるグラフェン11とスペーサ層17の各々の分子構造を模式的に示す斜視図である。
図10に示すように、スペーサ層17の材料である六方晶窒化ホウ素は、グラフェン11と同様の六角形のセルを有する。
次に、図7Bに示すように、受光層23の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより島状のマスク層24を形成する。
このような等方的なエッチングにより、基板22の法線方向nに対して傾斜した第1の側面23aと第2の側面23bとが受光層23に形成されることになる。
その後に、図8Bに示すように、アセトン等の有機溶剤によりマスク層24を除去する。
以上により、本実施形態に係る光検出素子30の基本構造が完成する。
なお、このようにグラフェン11の光熱電効果を利用するため、この光検出素子30では冷却が不要となり、そのアプリケーションを広げることができる。
図11は光検出素子30の平面図であって、先の図9Bは図11のI-I線に沿う断面図に相当する。
図11に示すように、受光層23は一辺の長さが1μm~100μm程度の矩形状であって、その相対する側面23a、23bの各々に電極25、26が形成される。
また、各電極25、26同士が電気的に短絡しない程度の十分な絶縁性がある半導体材料でスペーサ層17を形成してもよい。
更に、スペーサ層17の透光性が損なわれないのであれば、単原子層よりも厚い厚さにスペーサ層17を形成してもよい。
同様の理由により、第2の側面23bを法線方向nから傾斜させたことで、第2の電極26と受光層23との間のコンタクト抵抗も低減できる。
また、酸化シリコン層21の表面極性フォノンの影響を更に効果的に排除するために、以下のような構造の受光層23を採用してもよい。
図12は、本実施形態の別の例に係る光検出素子30の断面図である。
特に、酸化シリコン層21は、その表面極性フォノンによってグラフェン11の移動度を大きく低下させてしまうため、このように複数のスペーサ層17のみを積層して移動度の低下を抑制するのが好ましい。
(第2実施形態)
本実施形態では、以下のようにしてグラフェン11と各電極25、26との間のコンタクト抵抗を低減する。
まず、第1実施形態で説明した図3A~図7Bの工程を行うことにより、図13Aに示すように、受光層23の上にマスク層24が形成された構造を得る。
但し、本実施形態では、後で電極を形成する第1の領域R1と第2の領域R2におけるマスク層24に、それぞれ第1の開口24aと第2の開口24bを複数形成する。
その後に、図14Aに示すように、マスク層24を除去する。
以上により、本実施形態に係る光検出素子40の基本構造が完成する。
図16は、光検出素子40の平面図であって、先の図15は図16のII-II線に沿う断面図に相当する。
図16に示すように、第1のホール23xと第2のホール23yの各々は、平面視でグリッド状に配される。
(第3実施形態)
本実施形態では、第2実施形態とは別の構造を採用することにより、グラフェン11と各電極25、26との間のコンタクト抵抗を低減する。
これらの歯25a、26aの長さと幅は特に限定されないが、例えば各歯25a、26aを第1の方向Xに沿って1μm~100μm程度の長さに形成し、各歯25a、26aの幅を0.02μm~5μm程度とする。また、各歯25a、26aは、第1の方向Xに交差する第2の方向Yに沿って間隔をおいて設けられる。第2の方向Yに沿って隣接する第1の歯25a同士の間隔は例えば1μm~20μm程度である。これについては第2の歯26aでも同様である。
図18Aは図17のIII-III線に沿う断面図であり、図18Bは図17のIV-IV線に沿う断面図である。
図18Aに示すように、第1の電極25は、第1実施形態と同様に受光層23の第1の側面23aとその周囲に形成される。
(第4実施形態)
本実施形態では、以下のようにして光検出素子から出力される出力電圧を高める。
このような構造によれば、各受光部D1~D4が直列に接続されるため、光検出素子60から出力される出力電圧を高めることが可能となる。
図20Aは図19のVI-VI線に沿う断面図であり、図20Bは図19のV-V線に沿う断面図である。
図20Aに示すように、VI-VI線に沿う断面には第2の電極26が現れず、第1の電極25が現れる。
このような構造によれば、素子分離溝23eにおいて各電極25、26とグラフェン11の端部11aとを接続することができる。
(第5実施形態)
本実施形態では、第1実施形態で説明した光検出素子を備えた光センサについて説明する。
図21は、本実施形態に係る光センサの斜視図である。なお、図21において、第1~第4実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
この光センサ70は、画像を取得するためのイメージセンサであって、撮像素子71とそれを駆動する駆動素子72とを有する。
なお、撮像素子71と駆動素子72の各々は、バンプ75によって機械的かつ電気的に接続される。
図22は、この光センサ70の等価回路図である。
一方、画素73は、光検出素子30、行選択トランジスタ84、増幅トランジスタ85、入力アンプ87、及び電源88を有する。
次に、この光センサ70を備えた撮像装置について説明する。
図23は、本実施形態に係る撮像装置100の構成図である。
この例では、撮像レンズ102の焦点に光センサ70の各光検出素子30を配置し、光センサ・ドライバ部108で光センサ70を制御しながら、前述の駆動素子72で撮像素子71からの出力を取り出す。
また、A/D変換部104は、光センサ70から出力された画像信号Soutをデジタル信号に変換し、それを後段の感度補正部105に出力する。
このような撮像装置によれば、前述のように光センサ70における光検出素子30の感度が高められているため、撮像対象から出る赤外光が微弱な場合であっても明瞭な赤外像を取得することができる。
(付記1) 基板と、
前記基板の上に形成され、グラフェンと、光を透過する絶縁性のスペーサ層とが交互に複数積層された受光層と、
前記受光層に接する第1の電極と、
前記受光層に接し、前記第1の電極とは材料が異なる第2の電極と、
を有することを特徴とする光検出素子。
(付記2) 前記スペーサ層の材料は、六方晶窒化ホウ素であることを特徴とする付記1に記載の光検出素子。
(付記3) 前記スペーサ層の材料は、遷移金属ダイカルコゲナイドであることを特徴とする付記1に記載の光検出素子。
(付記4) 前記受光層は、前記基板の法線方向に対して傾斜した第1の側面と、前記法線方向に対して傾斜した第2の側面とを有し、
前記第1の側面に前記第1の電極が形成され、かつ前記第2の側面に前記第2の電極が形成されたことを特徴とする付記1に記載の光検出素子。
(付記5) 前記受光層は、第1の領域と第2の領域とを有し、
前記第1の領域における前記受光層に複数の第1のホールが形成され、
前記第2の領域における前記受光層に複数の第2のホールが形成され、
前記第1の電極が複数の前記第1のホール内に形成され、
前記第2の電極が複数の前記第2のホール内に形成されたことを特徴とする付記1に記載の光検出素子。
(付記6) 前記第1のホールと前記第2のホールの各々は、断面視でテーパ状であることを特徴とする付記5に記載の光検出素子。
(付記7) 前記受光層に、複数の第1の溝と複数の第2の溝とが形成され、
前記第1の電極は、複数の前記第1の溝の各々に埋め込まれた複数の第1の歯を備えた櫛歯状であり、
前記第2の電極は、複数の前記第2の溝の各々に埋め込まれた複数の第2の歯を備えた櫛歯状であることを特徴とする付記1に記載の光検出素子。
(付記8) 前記受光層は、素子分離溝によって第1の受光部と第2の受光部とに分離され、
前記第1の受光部と前記第2の受光部ごとに、前記第1の電極と前記第2の電極とが設けられ、
前記第1の受光部の前記第1の電極と、前記第2の受光部の前記第2の電極とが電気的に接続されたことを特徴とする付記1に記載の光検出素子。
(付記9) 前記受光層の最下層は前記スペーサ層であることを特徴とする付記1に記載の光検出素子。
(付記10) 前記受光層の最上層は前記スペーサ層であることを特徴とする付記1に記載の光検出素子。
(付記11) 前記受光層の最下層から途中の厚さにおいて、上下に隣接する前記スペーサ層の間に前記グラフェンが介在せずに、複数の前記スペーサ層が積層されたことを特徴とする付記1に記載の光検出素子。
(付記12) 基板の上に、グラフェンと、光を透過する絶縁性のスペーサ層とを交互に複数積層することにより受光層を形成する工程と、
前記受光層に接する第1の電極を形成する工程と、
前記第1の電極とは材料が異なる第2の電極を前記受光層に接するように形成する工程と、
を有することを特徴とする光検出素子の製造方法。
(付記13) 前記受光層を形成する工程は、第1の支持層の上に形成された前記グラフェンを前記基板側に転写する工程と、第2の支持層の上に形成された前記スペーサ層を前記基板側に転写する工程とを交互に繰り返すことにより行われることを特徴とする付記12に記載の光検出素子の製造方法。
(付記14) 触媒金属層の上に前記グラフェンを形成する工程と、
前記グラフェンの上に前記第1の支持層を形成する工程と、
前記第1の支持層を形成した後、前記触媒金属層を溶解して除去する工程と、
前記グラフェンを前記基板側に転写する工程の後に、前記第1の支持層を溶解して除去する工程とを更に有することを特徴とする付記13に記載の光検出素子の製造方法。
(付記15) 触媒金属層の上に前記スペーサ層を形成する工程と、
前記スペーサ層の上に前記第2の支持層を形成する工程と、
前記第2の支持層を形成した後、前記触媒金属層を溶解して除去する工程と、
前記スペーサ層を前記基板側に転写する工程の後に、前記第2の支持層を溶解して除去する工程とを更に有することを特徴とする付記13に記載の光検出素子の製造方法。
(付記16) 前記第2の支持層の上に形成された前記スペーサ層を前記基板側に転写する工程において、前記基板を加熱することを特徴とする付記13に記載の光検出素子の製造方法。
(付記17) 平面内に間隔をおいて複数形成され、入射光の強度に応じた出力電圧を出力する画素と、
前記出力電圧を増幅する増幅回路とを備え、
前記画素は、
基板と、
前記基板の上に形成され、グラフェンと、光を透過する絶縁性のスペーサ層とが交互に複数積層された受光層と、
前記受光層に接する第1の電極と、
前記受光層に接し、前記第1の電極とは材料が異なる第2の電極とを有することを特徴とする光センサ。
(付記18) 前記光は赤外光であることを特徴とする付記1に記載の光検出素子。
(付記19) 前記光は赤外光であることを特徴とする付記12に記載の光検出素子の製造方法。
(付記20) 前記光は赤外光であることを特徴とする付記17に記載の光センサ。
Claims (6)
- 基板と、
前記基板の上に形成され、グラフェンと、光を透過する絶縁性のスペーサ層とが交互に複数積層され、複数の第1のホールが形成された第1の領域と複数の第2のホールが形成された第2の領域とを有する受光層と、
前記受光層に接して前記複数の第1のホール内に形成された第1の電極と、
前記受光層に接して前記複数の第2のホール内に形成され、前記第1の電極とは材料が異なる第2の電極と、
を有することを特徴とする光検出素子。 - 前記スペーサ層の材料は、六方晶窒化ホウ素であることを特徴とする請求項1に記載の光検出素子。
- 前記受光層は、前記基板の法線方向に対して傾斜した第1の側面と、前記法線方向に対して傾斜した第2の側面とを有し、
前記第1の側面に前記第1の電極が形成され、かつ前記第2の側面に前記第2の電極が形成されたことを特徴とする請求項1に記載の光検出素子。 - 前記受光層の最下層は前記スペーサ層であることを特徴とする請求項1に記載の光検出素子。
- 基板の上に、グラフェンと、光を透過する絶縁性のスペーサ層とを交互に複数積層し、複数の第1のホールが形成された第1の領域と複数の第2のホールが形成された第2の領域とを有する受光層を形成する工程と、
前記受光層に接して前記複数の第1のホール内に形成された第1の電極を形成する工程と、
前記第1の電極とは材料が異なる第2の電極を前記受光層に接するように前記複数の第2のホール内に形成する工程と、
を有することを特徴とする光検出素子の製造方法。 - 平面内に間隔をおいて複数形成され、入射光の強度に応じた出力電圧を出力する画素と、
前記出力電圧を増幅する増幅回路とを備え、
前記画素は、
基板と、
前記基板の上に形成され、グラフェンと、光を透過する絶縁性のスペーサ層とが交互に複数積層され、複数の第1のホールが形成された第1の領域と複数の第2のホールが形成された第2の領域とを有する受光層と、
前記受光層に接して前記複数の第1のホール内に形成された第1の電極と、
前記受光層に接して前記複数の第2のホール内に形成され、前記第1の電極とは材料が異なる第2の電極とを有することを特徴とする光センサ。
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