JP2017003301A - Photo detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の半導体光検出素子を備える光検出装置に関するものである。 The present invention relates to a photodetection device including a quantum well type semiconductor photodetection element using a conduction band subband level.
中〜遠赤外領域(例えば、波長3μm以上の領域)には、多くの分子に強い吸収が見られ、このような領域は分子の指紋領域として知られている。さらに、波長2μm〜5μmには、大気に対して透過率が高い領域が存在し、このような領域は大気の窓と呼ばれている。これらの特徴を活かし、中〜遠赤外領域の光は、物質の検出、同定等に幅広く応用されている。 In the middle to far infrared region (for example, a region having a wavelength of 3 μm or more), strong absorption is observed in many molecules, and such a region is known as a molecular fingerprint region. Further, in the wavelength range of 2 μm to 5 μm, there is a region having a high transmittance with respect to the atmosphere, and such a region is called an atmospheric window. Taking advantage of these characteristics, light in the mid-to far-infrared region is widely applied to detection and identification of substances.
赤外光の利用に必須となる赤外用(主に中赤外用)の光検出器としては、例えば、HgCdTe(MCT)検出器が知られており、実用化されている。しかしながら、MCT検出器は、駆動速度が通常数100kHz程度であり、GHz以上の高速性を求められる用途には使用することができない。 For example, an HgCdTe (MCT) detector is known and put into practical use as an infrared (mainly mid-infrared) photodetector that is essential for the use of infrared light. However, the MCT detector usually has a driving speed of about several hundreds of kHz, and cannot be used for applications that require a high speed of GHz or higher.
このような問題を解決する赤外光検出器として、近年、量子カスケード検出器(QCD:Quantum Cascade Detector)の研究開発が進められている。量子カスケード検出器は、半導体における伝導帯サブバンド間の電子の高速(サブピコ秒)な遷移を用いていることから、数GHz〜数10GHzに及ぶ高速な応答が可能であり、また、駆動電圧を必要としないため、大きなノイズは発生しない。このような量子カスケード検出器は、超高速、かつ低ノイズ、高感度な赤外光検出器として有望である。 In recent years, research and development of a quantum cascade detector (QCD) has been advanced as an infrared photodetector that solves such problems. Since the quantum cascade detector uses a high-speed (sub-picosecond) transition of electrons between conduction band subbands in a semiconductor, a high-speed response ranging from several GHz to several tens of GHz is possible, and a driving voltage is set. Because it is not necessary, no big noise is generated. Such a quantum cascade detector is promising as an ultra-high speed, low noise, high sensitivity infrared photodetector.
上記した量子カスケード検出器は、サブバンド間における光学遷移の選択則によって光の入射条件に大きな制約を有している。具体的には、量子カスケード検出器は、量子井戸構造を構成する半導体層の積層方向(成長方向)に沿って振動する偏光(TM偏光)にしか光感度を持たず、受光面積を広くとることができないため、検出器への効率的な被検出光の導入が困難となっている。 The quantum cascade detector described above has a great restriction on the light incident condition due to the optical transition selection rule between subbands. Specifically, the quantum cascade detector is sensitive only to polarized light (TM polarized light) that vibrates along the stacking direction (growth direction) of the semiconductor layers constituting the quantum well structure, and has a large light receiving area. Therefore, it is difficult to efficiently introduce light to be detected into the detector.
このため、量子カスケード検出器では、被検出光の入射構成として、へき開端面に光を集光して直接、活性層に入射させる構成、あるいは、活性層を絶縁基板上に成長するとともに、基板を45°に研磨して研磨面から光を入射させ、基板内部での多重反射による光の基板から活性層への染み出しを用いる構成等が用いられている。しかしながら、上記の場合、前者の構成では、受光面の幅が活性層厚とほぼ同程度となってしまい、効率的な光の入射が困難となる。また、後者の構成では、基板に入射させた光のうちで感度に寄与しない成分が多く存在するため、同様に効率的な光の入射構成であるとは言い難い。 For this reason, in the quantum cascade detector, the incident configuration of the light to be detected is a configuration in which light is collected on the cleaved end face and directly incident on the active layer, or the active layer is grown on the insulating substrate and the substrate is A configuration is used in which light is incident from a polished surface after being polished at 45 °, and light is oozed out from the substrate to the active layer by multiple reflection inside the substrate. However, in the above case, with the former configuration, the width of the light receiving surface is almost the same as the thickness of the active layer, making it difficult to efficiently enter light. Further, in the latter configuration, there are many components that do not contribute to sensitivity among the light incident on the substrate, and thus it is difficult to say that the configuration is an efficient light incidence configuration.
したがって、量子カスケード検出器では、上記した受光効率の限界が検出器としての感度向上における課題となっている。また、このような受光効率の問題は、検出器のアレイ化、及びそれによる撮像素子への応答展開に向けても高いハードルとなっている。また、このような問題は、量子カスケード検出器以外にも、例えば量子井戸赤外光検出器(QWIP:Quantum Well Infrared Photodetector)など、伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の半導体光検出素子において、同様に生じる。 Therefore, in the quantum cascade detector, the limit of the light receiving efficiency described above is a problem in improving sensitivity as a detector. In addition, such a problem of light reception efficiency is a high hurdle for arraying detectors and developing response to the image sensor. In addition to quantum cascade detectors, such problems include quantum well semiconductor photodetection using conduction band subband levels, such as quantum well infrared photodetectors (QWIP). The same occurs in the device.
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、赤外光などの被検出光を高速、高感度で検出することが可能な光検出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a photodetection device capable of detecting light to be detected such as infrared light at high speed and with high sensitivity. .
このような目的を達成するために、本発明による光検出装置は、(1)基板と、(2)基板上に設けられ、伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の活性層を有してメサ型に形成された半導体光検出素子と、(3)基板上に半導体光検出素子とともに設けられ、負の誘電率を有する材料からなり周期構造が形成された負誘電率材料層を有し、所定の波長λの被検出光の入射に応じてプラズモンを生成するように構成された受光部とを備え、(4)半導体光検出素子は、受光部におけるプラズモンの伝搬方向の一方側に配置され、その第1面がプラズモンに対する入射面となっているとともに、第1面側において溝構造が形成されており、(5)溝構造は、半導体光検出素子を構成する半導体材料からなる屈折率n1の第1媒質層と、溝構造での溝内にある媒質からなる屈折率n2の第2媒質層とが光入射方向に積層されることで、第1面での波長λの光の反射率を低減する反射低減構造を構成していることを特徴とする。 In order to achieve such an object, a photodetector according to the present invention includes (1) a substrate, and (2) a quantum well type active layer provided on the substrate and using a conduction band subband level. And (3) a negative dielectric constant material layer formed of a material having a negative dielectric constant and having a periodic structure formed on the substrate together with the semiconductor photodetector element. And a light receiving unit configured to generate plasmons in response to incidence of light to be detected having a predetermined wavelength λ, and (4) the semiconductor photodetecting element is on one side of the plasmon propagation direction in the light receiving unit. The first surface is an incident surface for plasmons, and a groove structure is formed on the first surface side. (5) The groove structure is a refraction made of a semiconductor material constituting a semiconductor photodetector element. a first medium layer rate n 1, Mizo構By the second medium layer having a refractive index n 2 formed of a medium located in the groove are stacked on the light incident direction, constituting a reflection reducing structure for reducing the reflectance of light of wavelength λ in the first surface of the at It is characterized by that.
上記した光検出装置では、基板上に設けられたメサ型のQCD、QWIPなどの半導体光検出素子に対し、被検出光の波長λを考慮して設計された負誘電率材料層による周期構造を有する受光部を同一基板上に設けている。そして、受光部の周期構造において、被検出光の入射に応じて表面プラズモンを生成させ、このプラズモンを半導体光検出素子へと伝搬させて、プラズモンに起因する光を光検出素子で検出する構成としている。 In the above-described photodetector, a periodic structure of a negative dielectric constant material layer designed in consideration of the wavelength λ of light to be detected is applied to a semiconductor photodetector element such as a mesa type QCD or QWIP provided on a substrate. The light receiving portion is provided on the same substrate. Then, in the periodic structure of the light receiving unit, a surface plasmon is generated in response to the incident light to be detected, the plasmon is propagated to the semiconductor light detecting element, and the light caused by the plasmon is detected by the light detecting element. Yes.
さらに、このような構成において、上記の光検出装置では、半導体光検出素子で受光部側にあってプラズモンに対する入射面となる第1面側に、反射低減構造として機能する溝構造を形成している。このように、伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の半導体光検出素子に対して、プラズモン機構を利用した受光部を同一基板上に設けるとともに、光検出素子の入射面側に溝構造を用いた反射低減構造を形成する構成によれば、被検出光に対する受光面積を受光部によって拡大するとともに、受光部から半導体光検出素子への光の伝搬、入射効率を反射低減構造によって向上して、赤外光などの被検出光を高速、高感度で検出することが可能な光検出装置を実現することができる。 Further, in such a configuration, in the above-described photodetection device, a groove structure that functions as a reflection reducing structure is formed on the first surface side that is the light-receiving portion side of the semiconductor photodetection element and that is the incident surface for plasmons. Yes. In this way, for the quantum well type semiconductor photodetector using the conduction band subband level, a light receiving unit using the plasmon mechanism is provided on the same substrate, and a groove structure is formed on the incident surface side of the photodetector. According to the configuration that forms the reflection reduction structure using the light receiving area, the light receiving area for the detected light is expanded by the light receiving section, and the propagation and incidence efficiency of light from the light receiving section to the semiconductor photodetecting element is improved by the reflection reducing structure. Thus, it is possible to realize a light detection device capable of detecting light to be detected such as infrared light at high speed and with high sensitivity.
ここで、上記の光検出装置における反射低減構造の具体的な構成については、反射低減構造は、それぞれ第1媒質層及び第2媒質層を含むM層(Mは1以上の整数)の構造層を有し、M層の構造層での第1媒質層の充填率がqとなっているとともに、第1媒質層と第2媒質層との平均屈折率
neff={qn1 2+(1−q)n2 2}1/2
が、第1媒質層及び第2媒質層の屈折率の積の平方根で表される最適屈折率
nopt=(n1n2)1/2
に対して±20%の範囲内となり、層厚lが、最適層厚
lopt=λ/4nopt
に対して±20%の範囲内となる構成を用いることができる。
Here, regarding a specific configuration of the reflection reducing structure in the above-described photodetecting device, the reflection reducing structure is an M layer (M is an integer of 1 or more) including a first medium layer and a second medium layer. And the filling rate of the first medium layer in the M structure layer is q, and the average refractive index of the first medium layer and the second medium layer n eff = {qn 1 2 + (1 -Q) n 2 2 } 1/2
Is the optimum refractive index n opt = (n 1 n 2 ) 1/2 represented by the square root of the product of the refractive indices of the first medium layer and the second medium layer.
Is within a range of ± 20%, and the layer thickness l is the optimum layer thickness l opt = λ / 4n opt
In contrast, a configuration within a range of ± 20% can be used.
あるいは、反射低減構造は、それぞれ第1媒質層及び第2媒質層を含み、第1媒質層の充填率がq1〜qMのM層(Mは2以上の整数)の構造層を有し、M層の構造層が、第1面側から光入射方向に第1構造層〜第M構造層の順で積層されているとともに、M層の構造層に含まれる第m構造層(mは1以上M以下の整数)での第1媒質層と第2媒質層との平均屈折率
neff,m={qmn1 2+(1−qm)n2 2}1/2
が、第1構造層から第M構造層に向けて段階的に第2媒質層の屈折率n2から第1媒質層の屈折率n1へと近づく構成を用いることができる。
Alternatively, the reflection reducing structure includes a first medium layer and a second medium layer, respectively, and has a structure layer of M layers (M is an integer of 2 or more) having a filling rate of q 1 to q M of the first medium layer. The M structural layers are stacked in the light incident direction from the first surface side in the order of the first structural layer to the Mth structural layer, and the mth structural layer included in the M structural layers (m is The average refractive index of the first medium layer and the second medium layer at 1 to M is an integer n eff, m = {q m n 1 2 + (1-q m ) n 2 2 } 1/2
There can be used a configuration approaching from the refractive index n 2 of the stepwise second medium layer towards the first structural layer to the M structural layer to the refractive index n 1 of the first medium layer.
また、この場合、反射低減構造は、第m構造層での第1媒質層の充填率qmが、0と1との間において間隔Δq=1/(M+1)で等間隔に設定された目標充填率
qt,m=m/(M+1)
に対して±Δq/2の範囲内となり、第m構造層の層厚lmが、充填率qmを目標充填率qt,mと一致させた場合の目標層厚
lt,m=λ/4neff,t,m
に対して±30%の範囲内となる構成としても良い。
Further, in this case, the reflection reduction structure has a target in which the filling rate q m of the first medium layer in the m-th structure layer is set at an equal interval between 0 and 1 with an interval Δq = 1 / (M + 1). Filling rate q t, m = m / (M + 1)
Was within the range of ± [Delta] q / 2 with respect to the layer thickness l m of the m structure layer, filling rate q m the target filling rate q t, target layer thickness l t in the case of match the m, m = lambda / 4n eff, t, m
However, it may be configured to be within a range of ± 30%.
これらの構成を有する反射低減構造によれば、半導体光検出素子の入射面での光の反射率を好適に低減して、受光部から光検出素子へのプラズモンに起因する光の入射効率を充分に向上することができる。また、反射低減構造の具体的な構成については、上記以外にも様々な構成を用いることが可能である。 According to the reflection reducing structure having these configurations, the light reflectance at the incident surface of the semiconductor photodetector element is suitably reduced, and the incident efficiency of light caused by the plasmon from the light receiving portion to the photodetector element is sufficient. Can be improved. In addition to the above, various configurations can be used as the specific configuration of the reflection reducing structure.
また、上記の光検出装置における半導体光検出素子については、吸収井戸層として機能する第1井戸層を含むN個(Nは3以上の整数)の量子井戸層、及びN個の量子障壁層からなる単位積層体が多段に積層されることで、第1井戸層を含みサブバンド間吸収によって光を検出する吸収領域と、サブバンド間吸収によって励起された電子を輸送する輸送領域とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層を有する量子カスケード検出器(QCD)を用いることができる。あるいは、半導体光検出素子として、量子井戸赤外光検出器(QWIP)などのQCD以外の光検出素子を用いても良い。 The semiconductor photodetecting element in the above photodetecting device includes N (N is an integer of 3 or more) quantum well layers including the first well layer functioning as an absorption well layer, and N quantum barrier layers. By stacking unit laminates in multiple stages, an absorption region that includes the first well layer and detects light by intersubband absorption and a transport region that transports electrons excited by intersubband absorption alternately A quantum cascade detector (QCD) having an active layer formed with a stacked cascade structure can be used. Alternatively, as the semiconductor photodetector element, a photodetector element other than QCD such as a quantum well infrared photodetector (QWIP) may be used.
また、上記の光検出装置は、基板上で半導体光検出素子と受光部との間に設けられ、負の誘電率を有する材料からなる導波路層を有し、受光部で生成されたプラズモンを半導体光検出素子へと伝搬させるように構成された導波路部をさらに備える構成としても良い。このように、基板上の受光部及び半導体光検出素子に対して、それらの間に導波路部を設ける構成によれば、受光部で生成されたプラズモンを光検出素子へと高効率で伝搬、入射させることが可能となる。 Further, the above-described photodetection device has a waveguide layer made of a material having a negative dielectric constant, provided between the semiconductor photodetection element and the light-receiving unit on the substrate, and plasmons generated by the light-receiving unit. It is good also as a structure further provided with the waveguide part comprised so that it may propagate to a semiconductor photodetector element. Thus, according to the configuration in which the waveguide portion is provided between the light receiving portion and the semiconductor light detection element on the substrate, the plasmon generated in the light receiving portion is propagated to the light detection device with high efficiency. It becomes possible to make it enter.
この場合、導波路部は、導波路層と、導波路層上に形成された誘電体材料からなる誘電体層とによって構成されていることとしても良い。また、導波路部は、受光部から半導体光検出素子へと導波路幅が減少するテーパ形状に形成されている構成としても良い。これらの構成によれば、導波路部によるプラズモンの伝搬効率を向上することができる。 In this case, the waveguide part may be configured by a waveguide layer and a dielectric layer made of a dielectric material formed on the waveguide layer. The waveguide section may be formed in a tapered shape in which the waveguide width decreases from the light receiving section to the semiconductor light detection element. According to these configurations, it is possible to improve the plasmon propagation efficiency by the waveguide portion.
受光部において周期構造が形成される負誘電率材料層については、具体的には例えば、受光部の負誘電率材料層は、金属材料からなる金属層である構成とすることができる。また、受光部の負誘電率材料層は、周期構造として、半導体光検出素子へのプラズモンの伝搬方向を配列方向として周期的に形成された複数の溝(溝構造)を含む凹凸構造(格子構造)を有する構成とすることができる。 As for the negative dielectric constant material layer in which the periodic structure is formed in the light receiving portion, specifically, for example, the negative dielectric constant material layer of the light receiving portion can be configured to be a metal layer made of a metal material. In addition, the negative dielectric constant material layer of the light receiving section has a concavo-convex structure (lattice structure) including a plurality of grooves (groove structures) periodically formed with the plasmon propagation direction to the semiconductor photodetector as an array direction as a periodic structure. ).
また、上記の光検出装置は、半導体光検出素子が、第1面とは反対側の第2面側において第2溝構造が形成されており、第2溝構造は、第1媒質層と、第2媒質層とが積層されることで、第2面での波長λの光の反射率を増大する反射構造を構成していることとしても良い。このように、半導体光検出素子において、第1面側の反射低減構造に加えて、第2面側にブラッグ反射構造などの反射構造を形成する構成によれば、光検出素子における光の検出効率をさらに向上することができる。 In the above photodetector, the semiconductor photodetector element has a second groove structure formed on the second surface side opposite to the first surface, and the second groove structure includes a first medium layer, A reflection structure that increases the reflectance of light having a wavelength λ on the second surface may be configured by laminating the second medium layer. Thus, in the semiconductor light detection element, according to the configuration in which the reflection structure such as the Bragg reflection structure is formed on the second surface side in addition to the reflection reduction structure on the first surface side, the light detection efficiency in the light detection element Can be further improved.
また、上記の光検出装置は、基板上に1次元アレイ状、または2次元アレイ状に配列され、それぞれ受光部、及び反射低減構造を含む半導体光検出素子を有する複数の光検出ユニットを備える構成としても良い。このような光検出装置は、例えば1次元または2次元の撮像素子として利用することが可能である。 In addition, the above-described photodetecting device includes a plurality of photodetecting units that are arranged in a one-dimensional array or a two-dimensional array on a substrate, and each includes a light receiving unit and a semiconductor photodetecting element including a reflection reducing structure. It is also good. Such a light detection device can be used as, for example, a one-dimensional or two-dimensional imaging device.
本発明の光検出装置によれば、メサ型の半導体光検出素子とともに基板上に設けられた負誘電率材料層による周期構造を有する受光部において、被検出光の入射に応じて表面プラズモンを生成させ、このプラズモンを光検出素子へと伝搬させて、プラズモンに起因する光を光検出素子で検出する構成とするとともに、光検出素子においてプラズモンに起因する光の入射面となる第1面側に、反射低減構造として機能する溝構造を形成することにより、赤外光などの被検出光を高速、高感度で検出することが可能となる。 According to the photodetection device of the present invention, surface plasmons are generated in response to incidence of light to be detected in a light-receiving unit having a periodic structure of a negative dielectric constant material layer provided on a substrate together with a mesa-type semiconductor photodetection element. The plasmon is propagated to the light detection element so that the light caused by the plasmon is detected by the light detection element, and on the first surface side which is the light incident surface caused by the plasmon in the light detection element. By forming a groove structure that functions as a reflection reducing structure, it becomes possible to detect detected light such as infrared light at high speed and with high sensitivity.
以下、図面とともに、本発明による光検出装置の実施形態について、詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。 Hereinafter, embodiments of a photodetection device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
[第1実施形態] [First Embodiment]
図1は、本発明による光検出装置の第1実施形態の構成を示す平面図である。また、図2(a)は、図1に示した光検出装置の断面構成を示すII−II線に沿った側面断面図であり、図2(b)は、光検出装置の側面断面図における被検出光の入射、及びプラズモンの伝搬等について模式的に示す図である。また、図3は、図1に示した第1実施形態の光検出装置における量子カスケード検出器及び反射低減構造の構成を一部拡大して示す(a)平面図、及び(b)側面断面図である。 FIG. 1 is a plan view showing the configuration of the first embodiment of the photodetecting device according to the present invention. 2A is a side cross-sectional view taken along line II-II showing the cross-sectional configuration of the photodetecting device shown in FIG. 1, and FIG. 2B is a side cross-sectional view of the photodetecting device. It is a figure which shows typically about incidence | injection of to-be-detected light, propagation of a plasmon, etc. FIG. 3A is a partially enlarged view showing the configuration of the quantum cascade detector and the reflection reducing structure in the photodetector of the first embodiment shown in FIG. 1, and FIG. 3B is a side sectional view. It is.
本実施形態の光検出装置1Aは、伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の半導体光検出素子30を備える半導体光検出装置である。このような半導体光検出素子は、上述したように、サブバンド間における光学遷移の選択則によって光の入射条件に大きな制約を有している。以下、光検出装置1Aの構成について、その具体的な構成例とともに説明する。また、以下においては、上記したサブバンド準位を利用した量子井戸型の半導体光検出素子30について、量子カスケード検出器(QCD)を例として説明する。
The
図1〜図3に示す半導体光検出装置1Aは、基板10と、半導体光検出素子である量子カスケード検出器30と、受光部20と、導波路部50とを備えて構成されている。基板10は、例えば矩形状の半導体基板からなり、その一方の面(図2中の上面)の検出器形成領域11a上に量子カスケード検出器30が設けられ、また、受光部形成領域11b上に受光部20及び導波路部50が設けられている。本実施形態では、図2(a)に示すように、受光部形成領域11bは、検出器形成領域11aよりも低い面部分となっている。また、基板10の他方の面(図2中の下面)上には、検出器30の駆動に用いられる下部電極12が形成されている。
1 to 3 includes a
量子カスケード検出器30は、上記したように伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の活性層35を有しており、基板10上においてメサ型に形成されている。図3に示す構成例では、量子カスケード検出器30は、基板10上に下部コンタクト層31、活性層35、クラッド層32、及び上部コンタクト層33を順に形成することで構成されている。また、上部コンタクト層33上には、下部電極12とともに検出器30の駆動に用いられる上部電極13が形成されている。なお、図3(a)においては、上部電極13の図示を省略している。
As described above, the
量子カスケード検出器30の活性層35においては、吸収井戸層として機能する第1井戸層を含むN個(Nは3以上の整数)の量子井戸層、及びN個の量子障壁層からなる単位積層体36(図3(b)参照)が多段に積層されることで、第1井戸層を含みサブバンド間吸収によって光を検出する吸収領域と、サブバンド間吸収によって励起された電子を輸送する輸送領域とが交互に積層されたカスケード構造が形成されている。なお、活性層35に含まれる単位積層体36の構成については、具体的には後述する。
In the
受光部20は、基板10上に検出器30とともに設けられ、負の誘電率を有する材料からなる負誘電率材料層21を有して構成されている。以下においては、負誘電率材料層21について、例えばAu(金)などの金属材料からなる金属層とする。金属層21には、光検出装置1Aでの検出対象となる被検出光の波長λを考慮して設計された周期構造22が形成されている。このように設計された構成の周期構造22により、受光部20は、波長λの被検出光Aの入射(図2(b)参照)に応じて、表面プラズモンを生成するように構成されている。
The
図1、図2に示す構成例では、金属層21には、量子カスケード検出器30へと向かうプラズモンの伝搬方向を配列方向として、複数の溝が周期的に形成されている。これにより、本構成例での周期構造22は、プラズモンの伝搬方向と直交する方向を長手方向とする直線状の凸部22a及び凹部(溝部)22bが複数、交互に形成された凹凸構造(格子構造)となっている。また、受光部20の検出器30とは反対側には、検出器30側へとプラズモンを反射させるブラッグ反射構造25が設けられている。なお、図1では、見易さのため、受光部20と反射構造25とを、破線で区切って示している。
In the configuration example shown in FIGS. 1 and 2, a plurality of grooves are periodically formed in the
量子カスケード検出器30は、受光部20におけるプラズモンの伝搬方向(周期構造22での凸部22a、凹部22bの配列方向)の一方側に配置されており、その第1面(図2中の左側の面)30aが、プラズモン(プラズモンに起因する光)に対する入射面となっている。また、この検出器30の入射面30a側には、検出器30の上面(基板10とは反対側の面)から形成された1または複数の溝からなる溝構造が形成されている。この溝構造は、検出器30を構成する半導体材料からなる屈折率n1の第1媒質層と、溝構造での溝内にある媒質(例えば空気)からなる屈折率n2の第2媒質層とが光入射方向に積層されることで、第1面30aでの波長λの光の反射率を低減する反射低減構造40を構成している。なお、量子カスケード検出器30の第1面30aでの光入射方向は、受光部20でのプラズモンの伝搬方向に対応している。
The
量子カスケード検出器30と、受光部20との間の基板10上には、プラズモン導波路部50が設けられている。導波路部50は、負の誘電率を有する材料からなる導波路層51を有し、図2(b)に矢印A2によって伝搬方向を示すように、受光部20において生成されたプラズモンを検出器30へと伝搬させるように構成されている。
A
本実施形態においては、導波路層51は、受光部20の負誘電率材料層21と同様に、例えばAuなどの金属材料からなる金属層によって構成されており、また、金属導波路層51上には、誘電体材料からなる誘電体層52が形成されている。また、導波路層51及び誘電体層52を含む導波路部50は、図1に示すように、受光部20から量子カスケード検出器30へ向けて次第に導波路幅が減少するテーパ形状に形成されている。また、導波路部50の検出器30側の端面と、検出器30の入射面である第1面30aとは、充分に近接するように配置されている。
In the present embodiment, the
本実施形態による光検出装置1Aの効果について説明する。
The effects of the
図1〜図3に示した光検出装置1Aでは、基板10上に設けられたメサ型の半導体光検出素子である量子カスケード検出器30に対し、被検出光Aの波長λを考慮して設計された金属層21による周期構造22を有する受光部20を同一基板10上に設けている。そして、受光部20の周期構造22において、被検出光の入射に応じて表面プラズモンを生成させ、このプラズモンを量子カスケード検出器30へと伝搬させて、プラズモンに起因する光を検出器30で検出する構成としている。
The
さらに、このような構成において、光検出装置1Aでは、検出器30で受光部20側にある半導体積層方向と平行な側面であって、プラズモンに起因する光に対する入射面となる第1面30a側に、第1面30aと略平行に形成された1または複数の溝からなり反射低減構造40として機能する溝構造を設けている。
Further, in such a configuration, in the
このように、伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の半導体光検出素子である量子カスケード検出器30に対して、プラズモン機構を利用した受光部20を同一基板10上に設けるとともに、検出器30の入射面30a側に溝構造を用いた反射低減構造40を形成する構成によれば、光検出装置1Aへと入射する被検出光Aに対する受光面積を受光部20によって拡大するとともに、受光部20から量子カスケード検出器30への光の伝搬、入射効率を反射低減構造40によって向上して、赤外光などの被検出光Aを高速、高感度で検出することが可能な光検出装置1Aを実現することができる。
In this way, with respect to the
ここで、プラズモン機構を利用した受光部による量子カスケード検出器への光の入射構成については、例えば非特許文献1(A. Harrer et al., Appl. Phys. Lett. Vol.105 (2014) pp.171112-1-171112-4)に記載されている。しかしながら、非特許文献1に記載の構成では、プラズモン導波路の終端面と、検出器の入射面との間で光学インピーダンスの整合がとれておらず、したがって、光の反射による損失が発生する。
Here, regarding the light incident configuration to the quantum cascade detector by the light receiving unit using the plasmon mechanism, for example, Non-Patent Document 1 (A. Harrer et al., Appl. Phys. Lett. Vol.105 (2014) pp .171112-1-171112-4). However, in the configuration described in
通常、量子カスケード検出器等の半導体光検出素子を構成する半導体材料の屈折率は、例えば3.2〜3.3程度であり、空気から光が垂直入射した場合の反射率は、約30%である。このような光の反射を低減するための構成としては、一般に、光入射面に対して誘電体多層膜による低反射コートを施す構成が考えられる。しかしながら、上記のように同一基板上に半導体光検出素子と受光部とを形成する構成では、その構造上の特徴から、プラズモン受光部または導波路部の終端面に近接している検出器の入射面に蒸着等によって誘電体多層膜を形成することは、極めて困難である。 In general, the refractive index of a semiconductor material constituting a semiconductor photodetector element such as a quantum cascade detector is, for example, about 3.2 to 3.3, and the reflectance when light is vertically incident from air is about 30%. It is. As a configuration for reducing such light reflection, generally, a configuration in which a low reflection coating with a dielectric multilayer film is applied to a light incident surface can be considered. However, in the configuration in which the semiconductor photodetecting element and the light receiving unit are formed on the same substrate as described above, the incident of the detector close to the end surface of the plasmon light receiving unit or the waveguide unit is caused by the structural feature. It is extremely difficult to form a dielectric multilayer film on the surface by vapor deposition or the like.
これに対して、上記実施形態による光検出装置1Aでは、量子カスケード検出器30の受光部20側の第1面30aに誘電体多層膜等を形成するのではなく、膜の蒸着等を用いずにエッチングによって形成することが可能な溝構造による光学インピーダンス調整機構を設け、この溝構造を、受光部20及び導波路部50から入射する光に対する反射低減構造40としている。これにより、受光部20からのプラズモンに起因する光を検出器30の内部へと効率的に入射させて、赤外光などの被検出光Aに対して高い検出感度を有する光検出装置1Aを好適に実現することが可能となる。
On the other hand, in the
光検出装置1Aにおいて用いられる伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の半導体光検出素子30については、上記実施形態で例示したように、吸収井戸層として機能する第1井戸層を含むN個の量子井戸層、及びN個の量子障壁層からなる単位積層体が多段に積層されることで、第1井戸層を含みサブバンド間吸収によって光を検出する吸収領域と、サブバンド間吸収によって励起された電子を輸送する輸送領域とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層35を有する量子カスケード検出器(QCD)を好適に用いることができる。
The quantum well
あるいは、上記の半導体光検出素子としては、量子カスケード検出器以外の素子、例えば量子井戸赤外光検出器(QWIP)を用いても良い。QWIPにおいても、サブバンド間における光学遷移の選択則による光の入射条件の制約についてはQCDと同様であり、したがって、光検出装置1Aに関して上述したように、QWIPの検出器30に対して、プラズモン機構を利用した受光部20を同一基板10上に設けるとともに、検出器の入射面30a側に反射低減構造40を形成することにより、被検出光を高速、高感度で検出することが可能な光検出装置を実現することができる。
Alternatively, as the semiconductor photodetection element, an element other than the quantum cascade detector, for example, a quantum well infrared photodetector (QWIP) may be used. Also in QWIP, the restriction on the light incident condition based on the selection rule of the optical transition between subbands is the same as that in QCD. Therefore, as described above with respect to the
ただし、QWIPの場合、素子を駆動するために高い駆動電圧が必要となることから、比較的大きいノイズが発生して、光検出におけるSN比が悪化する場合がある。これに対して、上記実施形態のように、半導体光検出素子としてQCDを用いた場合、駆動電圧を必要としないため、大きなノイズは発生せず、したがって、低ノイズの光検出装置とすることができるという利点がある。 However, in the case of QWIP, since a high driving voltage is required to drive the element, a relatively large noise may be generated, and the SN ratio in light detection may deteriorate. On the other hand, when the QCD is used as the semiconductor photodetecting element as in the above-described embodiment, no driving voltage is required, so that no large noise is generated. Therefore, a low-noise photodetecting device can be obtained. There is an advantage that you can.
また、上記構成の光検出装置1Aでは、図1、図2に示したように、基板10上で量子カスケード検出器30と受光部20との間に設けられた導波路層51を有し、受光部20で生成されたプラズモンを検出器30へと伝搬させるように構成された導波路部50をさらに備えることが好ましい。このようにプラズモン導波路部50を設ける構成によれば、受光部20で生成されたプラズモンを検出器30へと高効率で伝搬、入射させて、光検出装置1Aでの被検出光Aの検出効率を向上することが可能となる。ただし、このような導波路部50については、不要であれば設けない構成としても良い。
In addition, as shown in FIGS. 1 and 2, the
また、このように導波路部50が形成されている場合、導波路部50は、金属層などからなる導波路層51と、導波路層51上に形成された誘電体材料からなる誘電体層52とによって構成されていることが好ましい。これにより、導波路部50におけるプラズモンの伝搬を好適に実現することができる。ただし、導波路部50については、誘電体層52を設けずに、金属層などの導波路層51と、導波路層51の上面に接する空気の層とによって、プラズモン導波路を構成しても良い。
When the
また、導波路部50は、図1に示したように、受光部20から量子カスケード検出器30へと導波路幅が減少するテーパ形状に形成されている構成としても良い。このような構成によっても、プラズモン導波路部50による検出器30へのプラズモンの伝搬効率を向上することができる。
Further, as shown in FIG. 1, the
受光部20において周期構造22が形成される負誘電率材料層21としては、具体的には例えば、上記したように、金属材料からなる金属層を用いることができる。また、受光部20の負誘電率材料層21は、周期構造22として、量子カスケード検出器30へのプラズモンの伝搬方向を配列方向として周期的に形成された複数の溝による凹凸構造(格子構造)を有する構成とすることができる。この場合、周期構造22として形成された複数の溝(溝による凸部22a、凹部22b)の形状は、図1に示したように、直線状であることが好ましく、あるいは同心円状である構成としても良い。
Specifically, for example, as described above, a metal layer made of a metal material can be used as the negative dielectric
また、光検出装置1Aにおける反射低減構造40の具体的な構成については、反射低減構造40は、Mを1以上の整数として、それぞれ第1媒質層(半導体層)及び第2媒質層(例えば溝内の空気層)を含むM層の構造層を有し、M層の構造層での第1媒質層の充填率がqとなっているとともに、第1媒質層と第2媒質層との平均屈折率
neff={qn1 2+(1−q)n2 2}1/2
が、第1媒質層及び第2媒質層の屈折率の積の平方根で表される最適屈折率
nopt=(n1n2)1/2
に対して±20%の範囲内となり、層厚lが、最適層厚
lopt=λ/4nopt
に対して±20%の範囲内となる構成を用いることができる。
In addition, regarding the specific configuration of the
Is the optimum refractive index n opt = (n 1 n 2 ) 1/2 represented by the square root of the product of the refractive indices of the first medium layer and the second medium layer.
Is within a range of ± 20%, and the layer thickness l is the optimum layer thickness l opt = λ / 4n opt
In contrast, a configuration within a range of ± 20% can be used.
また、このような構成では、反射低減構造40は、それぞれ第1媒質層及び第2媒質層を含むM層の構造層を有し、M層の構造層での第1媒質層の充填率がqとなっているとともに、第1媒質層と第2媒質層との平均屈折率
neff={qn1 2+(1−q)n2 2}1/2
が、第1媒質層及び第2媒質層の屈折率の積の平方根で表される最適屈折率
nopt=(n1n2)1/2
と略一致し、層厚lが、最適層厚
lopt=λ/4nopt
と略一致する構成とすることが、特に好ましい。
In such a configuration, the
Is the optimum refractive index n opt = (n 1 n 2 ) 1/2 represented by the square root of the product of the refractive indices of the first medium layer and the second medium layer.
And the layer thickness l is the optimum layer thickness l opt = λ / 4n opt
Is particularly preferable.
あるいは、反射低減構造40は、Mを2以上の整数として、それぞれ第1媒質層及び第2媒質層を含み、第1媒質層の充填率がq1〜qMのM層の構造層を有し、それらM層の構造層が、第1面30a側から光入射方向に第1構造層〜第M構造層の順で積層されているとともに、M層の構造層に含まれる第m構造層(mは1以上M以下の整数)での第1媒質層と第2媒質層との平均屈折率
neff,m={qmn1 2+(1−qm)n2 2}1/2
が、第1構造層から第M構造層に向けて段階的に第2媒質層の屈折率n2から第1媒質層の屈折率n1へと近づく構成を用いることができる。
Alternatively, the
There can be used a configuration approaching from the refractive index n 2 of the stepwise second medium layer towards the first structural layer to the M structural layer to the refractive index n 1 of the first medium layer.
また、この場合、反射低減構造40は、第m構造層での第1媒質層の充填率qmが、0と1との間において間隔Δq=1/(M+1)で等間隔に設定された目標充填率
qt,m=m/(M+1)
に対して±Δq/2の範囲内となり、第m構造層の層厚lmが、充填率qmを目標充填率qt,mと一致させた場合の目標層厚
lt,m=λ/4neff,t,m
に対して±30%の範囲内となる構成としても良い。
In this case, in the
Was within the range of ± [Delta] q / 2 with respect to the layer thickness l m of the m structure layer, filling rate q m the target filling rate q t, target layer thickness l t in the case of match the m, m = lambda / 4n eff, t, m
However, it may be configured to be within a range of ± 30%.
また、このような構成では、反射低減構造40は、第m構造層での第1媒質層の充填率qmが、0と1との間において間隔Δq=1/(M+1)で等間隔に設定された目標充填率
qt,m=m/(M+1)
と略一致し、第m構造層の層厚lmが、充填率qmを目標充填率qt,mと一致させた場合の目標層厚
lt,m=λ/4neff,t,m
と略一致する構成とすることが、特に好ましい。
Further, in such a configuration, the
Substantially coincides with, the layer thickness l m of the m structure layer, the target filling rate filling rate q m q t, target layer thickness when was consistent with m l t, m = λ / 4n eff, t, m
Is particularly preferable.
これらの構成を有する反射低減構造40によれば、量子カスケード検出器30の入射面30aでの光の反射率を好適に低減して、受光部20から検出器30へのプラズモンに起因する光の入射効率を充分に向上することができる。また、反射低減構造40の具体的な構成については、上記以外にも様々な構成を用いることができる。なお、反射低減構造40の構成の具体例、及びその構成条件については、さらに後述する。
According to the
図1〜図3に示した光検出装置1Aにおける各部の具体的な構成について、さらに説明する。最初に、被検出光Aの入射に応じて表面プラズモンを生成する受光部20の構成について、具体的に説明する。以下においては、受光部20を構成する負誘電率材料層21について、金属であるAu(金)を材料とするAu層を用いた場合を例として説明する。ただし、負誘電率材料層21については、Au以外の金属等の材料を用いても良い。
The specific configuration of each part in the
受光部20のAu層21においては、図1、図2に直線状の溝構造による凹凸構造を例示したように、光検出装置1Aに入射する被検出光Aの波長λに応じた周期を有する周期構造22が形成される。このような周期構造22における周期は、下記の式(1)によって求めることができる。
ここで、Λは周期構造22の周期、λは入射する被検出光Aの波長、また、εは媒質の誘電率である。
The
Here, Λ is the period of the
ε1とε2とは、周期構造22を構成する異なる2つの媒質の誘電率の実部を示している。例えば、図2に示した構成において、周期構造22を構成する媒質として、凸部22aにおける第1媒質であるAu(金)、及び凹部22bにおける第2媒質である溝内の空気を用いた場合、Auの誘電率はε1=−843.2、空気の誘電率はε2=1となる。また、θは、受光部20で周期構造22が形成されている面(周期構造面)の垂線からみた被検出光Aの入射角度である。
ε 1 and ε 2 indicate real parts of dielectric constants of two different media constituting the
ここで、受光部20の周期構造22に対して、被検出光Aを垂直に入射させる場合を考える。この場合、入射角度がθ=0°となるため、この条件で上記の式(1)をΛについて解くと、下記の式(2)
が得られる。以上から、例えば被検出光Aの波長をλ=4.5μmとした場合、周期構造22の最適な周期Λは、4.49μmと求められる。また、周期構造22となる格子構造(凹凸構造)での凹凸のデューティ比は、例えば50%に設定することができる。また、格子構造での溝深さは、例えば0.5μmに設定することができる。
Here, consider a case in which the detected light A is vertically incident on the
Is obtained. From the above, for example, when the wavelength of the detected light A is λ = 4.5 μm, the optimum period Λ of the
また、被検出光Aの入射によって受光部20で生成されるプラズモンの周期構造面上での伝搬長(伝搬損失により電界強度が1/eになる距離)Lxは、下記の式(3)によって求めることができる。
ここで、ε1’、ε2’は、それぞれ第1媒質であるAu、及び第2媒質である空気の複素誘電率であり、Auについては、上記の実部と合わせてε1=−843.2+229.1i、空気については、ε2=1となる。ただし、iは虚数単位である。
Further, the propagation length (the distance at which the electric field strength becomes 1 / e due to the propagation loss) Lx on the periodic structure surface of the plasmon generated by the
Here, ε 1 ′ and ε 2 ′ are complex dielectric constants of Au as the first medium and air as the second medium, respectively, and ε 1 = −843 together with the above real part for Au. .2 + 229.1i, for air, ε 2 = 1. However, i is an imaginary unit.
各パラメータを式(3)に代入して伝搬長Lxを計算すると、約2.4mmと求められる。このことから、本構成例において、周期4.49μmの周期構造22における周期数の最大値は、伝搬損失を考慮して例えば500に設定すれば良い。一方、周期数の最小値については、周期構造22における周期数を5周期以上とすることにより、受光部20でのプラズモンの生成、増強の効果が充分に得られると考えられることから(非特許文献2(Z. Yu et al., Appl. Phys. Lett. Vol.89 (2006) pp.151116-1-151116-3)参照)、周期数の最小値を5に設定することが好ましい。また、受光部20における周期構造22の幅L3(図1参照)については、特に制限はなく、例えばL3=1mmに設定することができる。
When the propagation length Lx is calculated by substituting each parameter into the equation (3), it is calculated to be about 2.4 mm. Therefore, in this configuration example, the maximum value of the number of periods in the
このような構成の受光部20において、図2(b)に被検出光A、及びその電場の振動方向A1を模式的に示すように、周期構造22に入射する被検出光Aのうち、周期構造22の溝構造のストライプと垂直な方向の偏光成分によって、点線で囲んで示した凸部22aのエッジ部分22cに増強された電場が生じる。この電場は、光(電磁波)の入射によってAu層21の内部の自由電子が振動し、電子の疎密波が形成されることに起因するものである。このような電子の疎密波と、金属の表面に染み出した入射光とが結合した連成波をプラズモンとよぶ。上記したように、式(2)で示した周期Λと、被検出光Aの入射波長λとをほぼ対応、一致させることで、受光部20の周期構造面上に増強された電場を生成させることができる。
In the
受光部20において被検出光Aの入射に応じて生成されたプラズモンは、Au層21の周期構造22の表面(周期構造面)をストライプと垂直な方向に伝搬する。また、これに付随して、周期構造面上を増強された電場が、周期構造面と垂直な方向に振動しながら伝搬する。このようなメカニズムで生成されたTMモードに相当する電場を、Au/誘電体導波路部50を介して検出器30へと導くことで、光検出装置1Aに入射した被検出光Aを検出するための光感度を得ることができる。
Plasmons generated in response to the incidence of the detected light A in the
受光部20から量子カスケード検出器30への電場の導入は、上記のように検出器30に向かってテーパ形状に形成された導波路部50によって行われる。導波路部50の終端面と、検出器30の入射面30aとは、図2に示すように、例えば1μm〜10μmの間隔をあけて空気の層を介して近接配置され、これにより、プラズモンに起因する光の検出器30への伝搬、入射が可能となっている。ただし、導波路部50と量子カスケード検出器30との配置関係については、図4に光検出装置の変形例の構成を側面断面図によって示すように、空気の層を介さずに導波路部50の終端面と、検出器30の入射面30aとを直接接続する構成としても良い。
The introduction of the electric field from the
導波路部50は、図1に示すように、例えば、入口側(受光部20側)は周期構造22の幅L3と略同じ幅とし、出口側(検出器30側)は検出器30の入射面30aと略同じ幅として形成される。このような構成では、受光部20からのプラズモンが検出器30の入射面に向かって狭窄され、周期構造面上の電場をしぼられた状態で検出器30へと入射させることができる。これにより、光検出装置1Aにおける受光面積(受光部20での周期構造22の面積)を大きく保ちつつ、量子カスケード検出器30を小型化することができる。また、導波路部50のプラズモン導波路長Dは、例えば300μmに設定することができる。
As shown in FIG. 1, for example, the
ここで、プラズモンに付随して伝搬する周期構造面上の電場は、周期構造面から離れるにしたがって指数関数的に減衰する。導波路部50では、このような電場の空間的な広がりを抑制し、量子カスケード検出器30での活性層35の層厚と同程度に電場を閉じ込めた状態で検出器30と結合させることで、光の入射効率を向上することができる。
Here, the electric field on the periodic structure surface propagating along with the plasmon attenuates exponentially as the distance from the periodic structure surface increases. In the
このような条件を実現するためには、上記したようなAu導波路層51及び誘電体層52によるプラズモン導波路構造において、誘電体層52の誘電体材料として屈折率が高い材料を用いれば良い。このような誘電体材料としては、例えばGe(ゲルマニウム)が挙げられる。また、誘電体層52の層厚については、例えば検出器30の活性層35の層厚と同程度またはそれ以下、好ましくは活性層35の層厚の半分以下に設定すれば良い。
In order to realize such conditions, a material having a high refractive index may be used as the dielectric material of the
また、受光部20において被検出光Aの入射に応じて生成されるプラズモンは、周期構造面上をストライプの長手方向と垂直な方向に等方的に伝搬するため、検出器30とは逆の方向にもプラズモンが進行する。これに対し、上記実施形態の光検出装置1Aでは、受光部20に対して検出器30とは反対側にブラッグ反射構造25を設けることで、検出器30とは逆方向に進行する電場を光感度に寄与させる構成としている。この反射構造25は、例えば受光部20の周期構造22と同様にAu層21の凹凸構造によって構成し、周期が波長λの1/2となるようにデューティ比50%で2周期以上の反射構造を形成することが好ましい。
In addition, the plasmon generated in response to the incidence of the detected light A in the
次に、受光部20から導波路部50を介して入射するプラズモンに起因する光を検出する量子カスケード検出器30の構成の具体例について説明する。図5は、量子カスケード検出器30における半導体積層構造の一例を示す図表である。また、図6は、量子カスケード検出器30における活性層35を構成する単位積層体36(図3(b)参照)の構成の一例を示す図である。
Next, a specific example of the configuration of the
本構成例における活性層35の量子井戸構造では、吸収波長をλ=4.5μm(エネルギー275meV)として設計された例を示している。図6においては、活性層35での吸収領域37及び輸送領域38を含む単位積層体36の多段の繰返し構造のうちの一部について、その量子井戸構造、及び伝導帯サブバンド準位によるサブバンド準位構造を示している。また、量子カスケード検出器30における半導体積層構造による素子構造は、例えば、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、または有機金属気相成長(MOCVD:MetalOrganic Chemical Vapor Deposition)法などによる結晶成長で形成することができる。
In the quantum well structure of the
本構成例による量子カスケード検出器30の半導体積層構造では、図1〜図3に示した構成において、半導体基板10として、n型InP基板を用いている。InP基板10としては、具体的には例えば、濃度1×1017cm−3〜1×1018cm−3でSがドープされたInP基板を用いることができる。そして、このInP基板10上に、図3(b)及び図5に示すように、厚さ25nmのInGaAs層及び厚さ0.2nmのInAlAs層から構成される下部コンタクト層31、吸収領域37及び輸送領域38を含む単位積層体36が多段に積層された活性層35、厚さ3000nmのInPクラッド層32、及び厚さ25nmのInP上部コンタクト層33が順次積層されることで、量子カスケード検出器30の素子構造が形成されている。
In the semiconductor stacked structure of the
活性層35の上方には、光を効率的に閉じ込めるためのクラッド層32が設けられている。このクラッド層32は、検出器30の内部に進入した光がメサ構造の上部にある電極13に接触して、損失が生じることを防ぐ機能を有する。クラッド層32としては、具体的には例えば、濃度1×1017cm−3でSiがドープされたInP層を用いることができる。また、クラッド層32の層厚については、対象波長λの1/2以上から波長λと同程度の厚さとすることが好ましい。
A
本構成例における活性層35は、吸収領域37及び輸送領域38を含む単位積層体36が複数周期で繰り返し積層されて構成されている。活性層35における単位積層体36の積層周期数は、例えば、10〜50周期に設定することができる。また、1周期分の単位積層体36は、図5、図6に示すように、7個の量子井戸層361〜367、及び7個の量子障壁層371〜377が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。
The
これらの単位積層体36の各半導体層のうち、量子井戸層361〜367は、それぞれInGaAs層によって構成されている。また、量子障壁層371〜377は、それぞれInAlAs層によって構成されている。これにより、本構成例の活性層35は、InGaAs/InAlAs量子井戸構造によって構成されている。なお、活性層35を構成する各井戸層、障壁層の層厚については、図5に示す通りである。
Among the semiconductor layers of these unit laminated
このような単位積層体36において、第1障壁層371、及び第1井戸層361は、サブバンド間吸収によって光を検出する吸収領域37を構成している。また、第2〜第7障壁層372〜377、及び第2〜第7井戸層362〜367は、サブバンド間吸収によって励起された電子を次周期の吸収領域37bへと輸送する輸送領域38を構成している。また、光吸収に用いられる吸収井戸層として機能する第1井戸層361には、キャリアである電子を供給するために、n型不純物であるSiが濃度1×1018cm−3でドープされている。
In such a unit stacked
このような構成において、単位積層体36は、その図6に示すサブバンド準位構造において、光検出に用いられる伝導帯サブバンド準位として、吸収領域37での光吸収に寄与する検出下準位(detection lower level)L1、検出上準位(detectionupper level)L2、及び輸送領域38での電子輸送に寄与する複数の輸送準位(transportlevels)を有している。
In such a configuration, the
このような単位積層体36を有する活性層35に波長λの光が入射すると、検出下準位L1に存在する電子は、サブバンド間吸収によって検出上準位L2へと励起される。上準位L2に励起された電子は、輸送領域38での複数の輸送準位からなる輸送準位構造を介して、後段の吸収領域37bの検出下準位L1へと輸送、抽出される。このような光吸収による電子励起、励起された電子の緩和、輸送、及び次周期の単位積層体への電子の抽出を、活性層35を構成する複数の単位積層体36で繰り返すことにより、活性層35においてカスケード的な光吸収が起こる。そして、これによって発生する電流を信号として取り出し、その電流量を計測することで、入射光が検出される。
When light of the
活性層35を含む量子カスケード検出器30の半導体積層構造は、例えば反応性イオンエッチング(ドライエッチング)によって基板10に対して垂直にエッチングされ、これによって、図1〜図3に示したメサ構造を有する検出器30が作製される。このときのエッチング深さd(図2(b)参照)は、好ましくは、活性層35の下端よりも200nm〜300nm深い位置となるように設定する。
The semiconductor stacked structure of the
また、これに対し、導波路部50として用いられるAu導波路層51及び誘電体層52の合計層厚を、300nm以上1μm以下となるように設定する。これにより、プラズモン導波路として機能する誘電体層52の位置を、検出器30の活性層35に対応する範囲内に設定することができる。ここで、導波路部50を伝搬する電場は、主に誘電体層52内部及びその上面付近に存在している。このため、検出器30における活性層35と、導波路部50における誘電体層52との高さをそろえることで、検出器30へと効率良く光を入射させることができる。
On the other hand, the total layer thickness of the
メサ構造を有する量子カスケード検出器30のメササイズについては、例えば、入射面30aの幅となる検出器幅L2(図1参照)を50μm、検出器長L1を200μmに設定することができる。検出器長L1は、例えば入射光の強度が検出器30の内部で1/eとなる長さに設定することができる。このような検出器長は、例えば、活性層35へのドーピング量を1×1018cm−1とした場合の波長λ=4.5μmの光に対する吸収係数(51cm−1)から求めることができる。
With respect to the mesa size of the
次に、受光部20における周期構造22、及び導波路部50の作製方法について説明する。上記のように量子カスケード検出器30のメサ構造を形成した後、エッチングによって露出した基板面に、Au層21となるAuを例えば0.6μm以上1μm以下の厚さで蒸着し、フォトリソグラフィ及びドライエッチングを施すことにより、上記の式(2)で求められる周期Λを有する周期構造22を作製する。また、周期構造22での溝深さは、例えば上記したように0.5μmとする。
Next, a method for manufacturing the
このような周期構造22の作製においては、例えば、SiNなどのAu以外の材料を基板面にあらかじめ蒸着しておき、所望の周期で深さ0.5μmの溝を作製し、その上からAuを蒸着するという方法を用いても良い。
In the production of such a
周期構造22を有する受光部20と、メサ型の検出器30との間には、例えば導波路長D=300μmのテーパ形状の導波路部50を作製する。プラズモン導波路に用いられるAu導波路層51は、基板面に直接蒸着する。このとき、SiNなどの材料で検出器30のメサ側面を含む全ての面を保護しておく。導波路の形成のためには、周期構造22と同様にフォトリソグラフィ及びドライエッチングを施す。また、必要に応じて、Au導波路層51上に誘電体層52を蒸着等によって形成する。
Between the
最後に、検出器30を保護していたSiNを除去する。この際に、図2に示すように、導波路部50の終端面と検出器30の入射面30aとの間に、例えば数μmの隙間が形成される。あるいは、図4に示すように、導波路部50の終端面と検出器30の入射面30aとを直接接続させた構成としても良い。このような構成では、導波路部50と検出器30との間に空気による隙間が生じないため、プラズモンに起因する光をより効率良く検出器30へと入射させることができる。この場合の作製方法としては、反射低減構造40を含む検出器30のメサ構造の上部のみにレジストを塗布しておき、導波路部50を構成するAu及び誘電体を蒸着した後に、検出器30のメサ上部のレジストを除去する方法を用いることができる。
Finally, SiN protecting the
次に、量子カスケード検出器30の入射面30a側に形成される反射低減構造40について説明する。受光部20で生成されたTM偏光の光は、導波路部50を伝搬して検出器30の入射面30aへと導かれる。このとき、誘電体層52と空気との界面付近において最も電場強度が高くなっている。したがって、検出器30への光の入射は、空気から検出器30への入射と考えて良い。
Next, the
このように屈折率が異なる媒質同士の界面において、波長λの光の反射率を低減させるには、その界面に厚さl=λ/4n(図2(b)参照)となるように、屈折率nの層を設ければ良い。ここで、検出器30を構成する半導体材料を屈折率n1=nsの第1媒質とし、溝内の空気を屈折率n2=naの第2媒質とすると、反射率低減のための最適屈折率noptは、半導体層(第1媒質層)及び空気層(第2媒質層)の屈折率の積の平方根
nopt=(n1n2)1/2=(nsna)1/2
によって求められる。
In order to reduce the reflectance of light having a wavelength λ at the interface between media having different refractive indexes, the refractive index is refracted so that the thickness of the interface is l = λ / 4n (see FIG. 2B). A layer of rate n may be provided. Here, when the semiconductor material constituting the
Sought by.
このような条件で光の反射を抑制するための反射低減構造40を、検出器30を構成する半導体材料と、空気とによって構成する。具体的には、検出器30の入射面30a側にエッチングによって溝構造を形成し、検出器30の半導体材料からなる第1媒質層(半導体層)と、溝構造での溝内にある空気からなる第2媒質層(空気層)とによって反射低減構造40を構成するとともに、半導体層と空気層との体積比を調整することで、反射率の低減条件が満たされるような平均屈折率neffを実現する。なお、メサ型の量子カスケード検出器30に対する溝構造の形成は、垂直エッチングによって行うことが望ましく、例えば、検出器30のメサ構造と同時に作製することが好ましい。
The
まず、半導体層の屈折率をns=3.3、空気層の屈折率をna=1とすると、反射低減構造40の最適屈折率noptは
nopt=(3.3×1)1/2=1.8
と求められる。また、反射低減構造40の最適層厚l=loptは、対象となる光の波長をλ=4.5μmとして
lopt=λ/4nopt=0.63μm
と求められる。したがって、反射低減構造40での平均屈折率neffが上記の最適屈折率noptと一致するように、半導体層と空気層との体積比を設定すれば良い。
First, when the refractive index of the semiconductor layer is n s = 3.3 and the refractive index of the air layer is n a = 1, the optimum refractive index n opt of the
Is required. Further, the optimum layer thickness l = l opt of the
Is required. Therefore, the volume ratio between the semiconductor layer and the air layer may be set so that the average refractive index n eff in the
反射低減構造40の溝構造における半導体層の充填率(半導体材料の体積比率)をqとすると、平均屈折率neffは
neff={qns 2+(1−q)na 2}1/2
によって求められる。この式で、nopt=neffとなるように充填率qの値を求めると、q=0.24が得られる。このような充填率qを最適充填率qoptとする。
When the filling ratio of the semiconductor layer in the groove structure of the reflection reducing structure 40 (volume ratio of the semiconductor material) is q, the average refractive index n eff is n eff = {qn s 2 + (1-q) n a 2} 1 / 2
Sought by. In this equation, when the value of the filling rate q is determined so that n opt = n eff , q = 0.24 is obtained. Such a filling rate q is defined as an optimum filling rate q opt .
厚さlopt=0.63μmの反射低減構造40において、上記の充填率qoptを実現するためには、反射低減構造40に含まれる半導体層の層厚の合計を0.63×0.24=0.15μmとすれば良い。また、残りの層厚0.63−0.15=0.48μmの部分は、溝内の空気層によって構成すれば良い。
In the
図7は、このように設定された層厚lopt、及び屈折率nopt=neffを用いて構成された反射低減構造40における光の反射率の波長依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は対象となる光の波長λ(μm)を示し、縦軸は波長λの光に対する反射率R(%)を示している。図7のグラフによれば、上記構成の反射低減構造40を用いることにより、所望の波長域において光の反射率Rが低減されていることがわかる。
FIG. 7 is a graph showing the wavelength dependence of the light reflectance in the
また、このような反射低減構造40は、具体的には、量子カスケード検出器30を構成する半導体材料からなる半導体層を溝構造における溝内の空気層によって分割する分割数Mを1以上の整数として、それぞれ半導体層(第1媒質層)及び空気層(第2媒質層)を含むM層の構造層によって構成することができる。
Further, such a
図3に示した構成例では、反射低減構造40は、検出器30の半導体層を溝内の空気層によって分割する分割数をM=2に設定し、入射面30a側から順に第1構造層41、第2構造層42の2層の構造層を有して構成されている。第1構造層41は、半導体層41a、及び溝構造による空気層41bによって構成されている。また、第2構造層42は、同様に、半導体層42a、及び空気層42bによって構成されている。このような構成では、半導体層41a、42aの層厚は、それぞれ0.15/2=0.075μmとなる。また、空気層41b、42bの層厚は、それぞれ0.48/2=0.24μmとなる。
In the configuration example shown in FIG. 3, the
なお、上記構成において、分割数をM=1として、単一の構造層41によって反射低減構造40を構成した場合、半導体層41aの層厚は0.15μm、空気層41bの層厚は0.48μmとなる。このような反射低減構造40での分割数Mについては、屈折率の平均化という点では分割数が多い方が望ましいが、溝構造の作製上の加工精度の限界を考慮して分割数Mを設定する必要がある。すなわち、分割数Mの上限は、対象とする光の波長λと、加工精度の限界とに依存する。本実施形態では、反射低減構造40での分割数Mは1または2とすることが好ましい。
In the above configuration, when the number of divisions is M = 1 and the
次に、上記構成において許容される屈折率、層厚等の各パラメータの範囲について説明する。反射低減構造40での光の反射特性は、全体での総層厚l(図2(b)参照)と、半導体層の充填率qから求められる平均屈折率neffとによって決定付けられる。両者は作製上ともに独立に変化するが、入射光が感じる反射低減構造40での光路長に関わるという点では、同様の影響を及ぼす。
Next, the range of each parameter such as the refractive index and the layer thickness allowed in the above configuration will be described. The reflection characteristics of light in the
上記実施形態において達成すべき検出器30の入射面30aでの光の反射率を、対象とする波長λにおいて15%以下とすると、反射低減構造40で許容される層厚l、及び平均屈折率neffの範囲は、それぞれ例えば
0.8×lopt<l<1.2×lopt
0.8×nopt<neff<1.2×nopt
と設定すれば良い。すなわち、平均屈折率neffが、最適屈折率noptに対して±20%の範囲内となり、また、反射低減構造40の全体での層厚lが、最適層厚loptに対して±20%の範囲内となるように、反射低減構造40を構成すれば良い。これは、
0.64×noptlopt<neffl<1.44×noptlopt
となることを意味している。
When the reflectance of light on the
0.8 × n opt <n eff <1.2 × n opt
And set. That is, the average refractive index n eff is in a range of ± 20% with respect to the optimum refractive index n opt , and the total layer thickness l of the
0.64 × n opt l opt <n eff l <1.44 × n opt l opt
Is meant to be.
また、反射低減構造40の屈折率は、半導体材料の充填率qによって決まるため、許容される充填率qの範囲を設定しても良い。ここで、図8は、反射低減構造40における光の反射率の半導体材料の充填率qに対する依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は反射低減構造における半導体材料の充填率qを示し、縦軸は波長λ=4.5μmの光に対する反射率R(%)を示している。また、図8において、グラフB1は、反射低減構造40の層厚をl=loptとした場合の反射率を示し、グラフB2は、層厚をl=0.8×loptとした場合の反射率を示し、グラフB3は、層厚をl=1.2×loptとした場合の反射率を示している。
Further, since the refractive index of the
図8のグラフより、上記実施形態において許容される充填率qの範囲は
0.097<q<0.371
となる。したがって、最適屈折率nopt及び平均屈折率neffから求められる半導体層の最適充填率qoptに対し、充填率qの許容範囲を例えば±50%とし、
0.5×qopt<q<1.5×qopt
と設定すれば良い。
From the graph of FIG. 8, the range of the filling rate q allowed in the above embodiment is 0.097 <q <0.371.
It becomes. Therefore, with respect to the optimum filling factor q opt of the semiconductor layer obtained from the optimum refractive index n opt and the average refractive index n eff , the allowable range of the filling factor q is, for example, ± 50%,
0.5 × q opt <q <1.5 × q opt
And set.
[第2実施形態] [Second Embodiment]
図9は、第2実施形態の光検出装置における量子カスケード検出器及び反射低減構造の構成を一部拡大して示す(a)平面図、及び(b)側面断面図である。本実施形態による光検出装置1Bは、反射低減構造の構成が、第1実施形態の光検出装置1Aとは異なっている。
9A is a plan view and FIG. 9B is a side cross-sectional view showing a partially enlarged configuration of the quantum cascade detector and the reflection reducing structure in the photodetector of the second embodiment. The
本実施形態の光検出装置1Bにおける反射低減構造40は、最適な平均屈折率neffを規定せず、Mを2以上の整数として、それぞれ半導体層(第1媒質層)及び空気層(第2媒質層)を含み、入射面30a側から第1構造層〜第M構造層の順で積層された充填率がq1〜qMのM層の構造層によって反射低減構造40を構成している。そして、このような構成において、反射低減構造40は、各構造層での平均屈折率neffが、第1構造層から第M構造層に向けて段階的に空気層の屈折率n2=naから半導体層の屈折率n1=nsへと近づくように構成されている。
The
図9に示した構成例では、反射低減構造40は、構造層の層数をM=4とし、入射面30a側から順に、それぞれ1組の半導体層及び空気層を含む第1構造層46、第2構造層47、第3構造層48、及び第4構造層49の4層の構造層を有して構成されている。第1〜第4構造層46〜49での半導体層の充填率をそれぞれq1、q2、q3、q4とすると、mを1以上4以下の整数として、第m構造層での平均屈折率neff,mは
neff,m={qmns 2+(1−qm)na 2}1/2
によって求められる。
In the configuration example illustrated in FIG. 9, the
Sought by.
図10は、図9に示した反射低減構造40における第1〜第4構造層46〜49の構成の一例を示す図表である。本構成例では、反射低減構造40を構成する第m構造層(第m層)での半導体材料の充填率qmを、0と1との間において間隔Δq=1/(M+1)=0.2で等間隔に設定された目標充填率qt,m
qt,m=m/(M+1)=0.2×m
と一致するように設定している。このとき、第1〜第4構造層46〜49での半導体材料の充填率q1〜q4は、図10に示すように、それぞれ0.2、0.4、0.6、0.8となる。また、空気層の屈折率をna=1、半導体層の屈折率をns=3.3とすると、第1〜第4構造層46〜49での平均屈折率neff,1〜neff,4は、それぞれ1.7、2.2、2.6、3.0となる。
FIG. 10 is a chart showing an example of the configuration of the first to fourth structure layers 46 to 49 in the
q t, m = m / (M + 1) = 0.2 × m
Is set to match. At this time, the filling rates q 1 to q 4 of the semiconductor material in the first to fourth structure layers 46 to 49 are 0.2, 0.4, 0.6, and 0.8, respectively, as shown in FIG. It becomes. Further, n a = 1 the refractive index of the air layer, and the refractive index of the semiconductor layer and n s = 3.3, the average refractive index in the first to fourth
また、本構成例では、半導体層及び空気層を含む第m構造層の全体での層厚lmを、充填率qmを目標充填率qt,mと一致させた場合の目標層厚
lt,m=λ/4neff,t,m
=λ/4{qt,mns 2+(1−qt,m)na 2}1/2
と一致するように設定している。このとき、第1〜第4構造層46〜49での層厚l1〜l4は、それぞれ662nm、511nm、433nm、375nmとなる。また、各構造層における半導体層、及び空気層のそれぞれの層厚は、図10に示すように、構造層の全体での層厚lm、及び半導体層の充填率qmから求めることができる。図11は、このように設定された構成条件での反射低減構造40における光の反射率の波長依存性を示すグラフである。
Further, in the present configuration example, the layer thickness l m in the entire of the m structure layer including the semiconductor layer and the air layer, the target layer thickness in the case where the filling rate q m is equal to the target filling rate q t, m l t, m = λ / 4n eff, t, m
= Λ / 4 {q t, m n s 2 + (1-q t, m) n a 2} 1/2
Is set to match. At this time, the
図9、図10に示した構成例では、反射低減構造40を構成する溝構造のうち、最も精密な加工を要する溝が、第4構造層49における厚さ75nmの空気層となっている。このような溝構造は、例えば集束イオンビーム(FIB:Focused Ion Beam)装置を用いて作製することができる。具体的には、量子カスケード検出器30のメサ構造を作製する際には、溝構造の作製は行わず、別途、FIBを用いて加工を行えば良い。
In the configuration example shown in FIGS. 9 and 10, the groove requiring the most precise processing among the groove structures constituting the
また、反射低減構造40を構成するM層の構造層のそれぞれでの半導体層の充填率q1〜qMは、上記の構成例のように、0と1との間において等間隔で段階的に増加させていくことが好ましい。このような構成では、構造層の層数Mを大きくすると必然的に要求される溝構造の加工精度が高くなっていくが、層数Mの上限は対象とする光の波長λに依存する。また、構造層の最小の層数Mは2である。
Further, the filling rates q 1 to q M of the semiconductor layers in each of the M structural layers constituting the
次に、上記構成において許容される充填率、層厚等の各パラメータの範囲について説明する。反射低減構造40の第1〜第M構造層において、第m構造層での半導体層の充填率qmは、上記のように間隔Δqで等間隔に設定された目標充填率qt,mに対して、±Δq/2の範囲内となるように設定することが好ましい。例えば、上記した構成例における第1構造層46では、等間隔での目標充填率の設計値qt,1=0.2に対して、充填率q1は0.1〜0.3の範囲内で設定されていれば良い。また、第m構造層の層厚lmは、充填率qmを目標充填率qt,mと一致させた場合の目標層厚lt,m=λ/4neff,t,mに対して、±30%の範囲内となるように設定することが好ましい。
Next, the range of each parameter such as the filling rate and the layer thickness allowed in the above configuration will be described. In the first to M-th structure layers of the
図12は、図10の構成例から構成条件を一定範囲で変更した反射低減構造40における光の反射率の波長依存性を示すグラフである。図12において、グラフC1は、図10の構成条件から充填率qを全て0.1増加させ、層厚lを全て30%増加させた場合の反射率を示し、グラフC2は、図10の構成条件から充填率qを全て0.1減少させ、層厚lを全て30%減少させた場合の反射率を示している。
FIG. 12 is a graph showing the wavelength dependence of the reflectance of light in the
[第3実施形態] [Third Embodiment]
図13は、光検出装置の第3実施形態の構成を示す平面図である。本実施形態による光検出装置1Cは、プラズモン受光部、及び導波路部の構成が、第1実施形態の光検出装置1Aとは異なっている。
FIG. 13 is a plan view showing the configuration of the third embodiment of the photodetector. The
本実施形態では、基板10上において、受光部20と量子カスケード検出器30との間の導波路部50(図1参照)が設けられておらず、周期構造22が形成された金属層21を有する受光部20を検出器30の近傍まで拡大するとともに、そのうちの検出器30側の所定の部分を、プラズモン導波路としても機能するテーパ部23として構成している。このような構成の光検出装置1Cによっても、第1実施形態の光検出装置1Aと同様に、赤外光などの被検出光を高速、高感度で検出することが可能となる。
In the present embodiment, the waveguide layer 50 (see FIG. 1) between the
[第4実施形態] [Fourth Embodiment]
図14は、光検出装置の第4実施形態の構成を示す平面図である。本実施形態による光検出装置1Dでは、略正方形状の基板10上において、その1つの角部(図中の右下の角部)側にメサ型の量子カスケード検出器30が設けられている。また、この検出器30の第1入射面(図中の上側の面)30cに対し、第1受光部201、第1導波路部501、及び第1ブラッグ反射構造251が設けられている。同様に、第2入射面(図中の左側の面)30dに対し、第2受光部202、第2導波路部502、及び第2ブラッグ反射構造252が設けられている。また、検出器30の入射面30c、30d側には、それぞれ上記実施形態と同様の溝構造からなる反射低減構造401、402が設けられている。
FIG. 14 is a plan view showing the configuration of the fourth embodiment of the photodetecting device. In the
このように、量子カスケード検出器30に対して2方向に受光部201、202を設ける構成は、光検出装置1Dにおける光感度の偏光依存性(図2(b)参照)を解消する上で有効である。特に、図14に示す構成では、第1受光部201での周期構造の配列方向と、第2受光部202での周期構造の配列方向とが、基板10上において互いに直交している。これにより、光感度の偏光依存性を好適に解消することができる。
As described above, the configuration in which the
また、図14の構成では、検出器30の第1入射面30cに対し、受光部201及び導波路部501の全体が、検出器30に向けて幅が減少するテーパ形状に形成されている。同様に、検出器30の第2入射面30dに対し、受光部202及び導波路部502の全体が、検出器30に向けて幅が減少するテーパ形状に形成されている。図14の光検出装置1Dでは、このような構成により、光検出装置の省スペース化、小型化が図られている。
Further, in the configuration of FIG. 14, the entire
なお、第1、第2受光部201、202の周期構造については、図14では互いに分離して形成された構成となっているが、これらの周期構造は、一体に接続されて形成されている構成としても良い。また、図13に示した構成と同様に、導波路部501、502を受光部201、202のテーパ部によって置き換える構成としても良い。
Note that the periodic structures of the first and second
[第5実施形態] [Fifth Embodiment]
図14に示した光検出装置1Dは、上記したように省スペース化等が図られていることから、量子カスケード検出器を含む光検出装置のアレイ化、及びそれによる撮像素子等への応答展開においても有効である。
Since the
図15は、光検出装置の第5実施形態の構成を示す平面図である。本実施形態による光検出装置1Eでは、受光部201、202、及び反射低減構造を含む量子カスケード検出器30を有し、図14に示した光検出装置1Dと同様に構成された装置部分を光検出ユニット15とし、このような光検出ユニット15を複数、2次元アレイ状に配列する構成としている。このような構成の光検出装置1Eは、例えば2次元の撮像素子として利用することが可能である。
FIG. 15 is a plan view showing the configuration of the fifth embodiment of the photodetecting device. The
このように複数の光検出ユニット15を配列したアレイ状の構成では、画素に対応する光検出ユニットのサイズを可能な限り小さくすることが望まれる。この場合、量子カスケード検出器30の素子サイズを、例えば50μm×50μmとすることができる。また、光検出ユニット15全体での画素サイズを、例えば100μm×100μmとすることができる。なお、図15の光検出装置1Eでは、光検出ユニット15を基板上に2次元アレイ状に配列した構成を示したが、光検出ユニット15を1次元アレイ状に配列して1次元の撮像素子として利用可能な構成としても良い。
In such an array configuration in which a plurality of
[第6実施形態] [Sixth Embodiment]
図16は、光検出装置の第6実施形態の構成を示す側面断面図である。本実施形態による光検出装置1Fでは、基板10上の量子カスケード検出器30において、第1面30a側の反射低減構造40に加えて、第1面30aとは反対側の第2面30b側において、反射構造60が設けられている。
FIG. 16 is a side sectional view showing the configuration of the sixth embodiment of the photodetecting device. In the
このような構成によれば、反射構造60での光の反射によって、検出器30の内部で光を往復させることが可能となり、検出器30における光の検出効率を向上することができる。また、この場合、検出器30の検出器長L1(図1参照)を、波長λの入射光の強度が検出器30内で1/eになる長さの1/2(例えば100μm)程度に設定することが可能となる。これにより、メサ型の量子カスケード検出器30の面積を小さくすることができ、素子抵抗の増大による熱雑音の低減が可能となる。また、このように検出器30を小型化した場合、高速応答に向けた静電容量の低減が可能となる。
According to such a configuration, the light can be reciprocated inside the
具体的には、検出器30の第2面30b側には、第2溝構造が形成されている。この溝構造は、検出器30を構成する半導体材料からなる屈折率n1の第1媒質層(半導体層)と、溝構造での溝内にある媒質からなる屈折率n2の第2媒質層(例えば空気層)とが積層されることで、第2面30bでの波長λの光の反射率を増大するブラッグ反射構造60を構成している。なお、反射構造60を構成する第2溝構造の形成方法については、上述した反射低減構造40における溝構造の形成方法と同様である。
Specifically, a second groove structure is formed on the
反射構造60を構成する第1、第2媒質層のそれぞれの好適な層厚は、対象とする光の波長をλ、媒質の屈折率をnとして、λ/4nによって求められる。例えば、被検出光の波長をλ=4.5μm、第1媒質層を屈折率n1=3.3の半導体層とした場合、半導体層の好適な層厚は0.33μmとなる。また、第2媒質層を屈折率n2=1の空気層とした場合、空気層の好適な層厚は1.13μmとなる。また、第1、第2媒質層の実際の層厚については、上記した理想的な層厚に対して、例えば±45%の範囲内で設定すれば良い。これにより、反射構造60での光の反射率を50%以上とすることができる。
A suitable layer thickness of each of the first and second medium layers constituting the
図17は、反射構造60における光の反射率の波長依存性を示すグラフである。図17において、グラフD1は、反射構造60に含まれる第1媒質層及び第2媒質層からなる構造層の層数を1とした場合の反射率を示し、グラフD2は、反射構造60に含まれる構造層の層数を2とした場合の反射率を示している。このグラフでは、波長λ=4.5μmの光に対し、反射構造60の構造層の層数=1とした構成では反射率はR=90%、層数=2とした構成では反射率はR=99%となっている。したがって、反射構造60を構成する構造層の層数(第1、第2媒質層の周期数)については、2層あれば十分な反射率が得られることがわかる。
FIG. 17 is a graph showing the wavelength dependence of the light reflectance in the
本発明による光検出装置は、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した実施形態では、半導体光検出素子として、量子カスケード検出器(QCD)を例示しているが、上述したように、伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の半導体光検出素子であれば、例えば量子井戸赤外光検出器(QWIP)などの、QCD以外の光検出素子を用いても良い。また、半導体光検出素子、受光部、導波路部等の装置各部の具体的な構成については、上記した実施形態で例示したもの以外にも、様々な構成を用いることが可能である。 The light detection device according to the present invention is not limited to the above-described embodiments and configuration examples, and various modifications are possible. For example, in the above-described embodiment, the quantum cascade detector (QCD) is exemplified as the semiconductor photodetecting element. However, as described above, the quantum well type semiconductor photodetecting element using the conduction band subband level is used. If so, for example, a photodetection element other than QCD, such as a quantum well infrared photodetector (QWIP), may be used. Various configurations other than those exemplified in the above-described embodiment can be used as specific configurations of each unit of the device such as the semiconductor light detection element, the light receiving unit, and the waveguide unit.
また、半導体光検出素子の第1面側に形成される反射低減構造、及び第2面側に形成される反射構造については、上記した実施形態では、第1媒質層が半導体材料からなる半導体層、第2媒質層が溝内にある空気からなる空気層である構成を例示しているが、第2媒質層については、例えば空気層以外の気体媒質層としても良い。また、溝内に誘電体材料などの所定材料を充填した層を第2媒質層として用いても良い。 In addition, regarding the reflection reducing structure formed on the first surface side and the reflection structure formed on the second surface side of the semiconductor photodetector element, in the above-described embodiment, the first medium layer is a semiconductor layer made of a semiconductor material. Although the configuration in which the second medium layer is an air layer made of air in the groove is illustrated, the second medium layer may be a gas medium layer other than the air layer, for example. In addition, a layer in which a groove is filled with a predetermined material such as a dielectric material may be used as the second medium layer.
本発明は、赤外光などの被検出光を高速、高感度で検出することが可能な光検出装置として利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a light detection device that can detect light to be detected such as infrared light with high speed and high sensitivity.
1A〜1F…光検出装置、10…基板、11a…検出器形成領域、11b…受光部形成領域、12…下部電極、13…上部電極、15…光検出ユニット、
20…受光部、21…金属層(負誘電率材料層)、22…周期構造、22a…凸部、22b…凹部、23…テーパ部、25…ブラッグ反射構造、
30…量子カスケード検出器(半導体光検出素子)、30a…第1面(入射面)、30b…第2面、31…下部コンタクト層、32…クラッド層、33…上部コンタクト層、35…活性層、36…単位積層体、37…吸収領域、38…輸送領域、
40…反射低減構造、41…第1構造層、42…第2構造層、46…第1構造層、47…第2構造層、48…第3構造層、49…第4構造層、60…反射構造、
50…導波路部、51…導波路層、52…誘電体層。
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
40: reflection reduction structure, 41: first structure layer, 42: second structure layer, 46: first structure layer, 47: second structure layer, 48: third structure layer, 49: fourth structure layer, 60: Reflective structure,
50: Waveguide portion, 51: Waveguide layer, 52: Dielectric layer.
Claims (12)
前記基板上に設けられ、伝導帯サブバンド準位を利用した量子井戸型の活性層を有してメサ型に形成された半導体光検出素子と、
前記基板上に前記半導体光検出素子とともに設けられ、負の誘電率を有する材料からなり周期構造が形成された負誘電率材料層を有し、所定の波長λの被検出光の入射に応じてプラズモンを生成するように構成された受光部とを備え、
前記半導体光検出素子は、前記受光部における前記プラズモンの伝搬方向の一方側に配置され、その第1面が前記プラズモンに対する入射面となっているとともに、前記第1面側において溝構造が形成されており、
前記溝構造は、前記半導体光検出素子を構成する半導体材料からなる屈折率n1の第1媒質層と、前記溝構造での溝内にある媒質からなる屈折率n2の第2媒質層とが光入射方向に積層されることで、前記第1面での波長λの光の反射率を低減する反射低減構造を構成していることを特徴とする光検出装置。 A substrate,
A semiconductor photodetecting element provided on the substrate and having a quantum well type active layer using a conduction band subband level and formed in a mesa type;
A negative dielectric constant material layer formed of a material having a negative dielectric constant and formed with a periodic structure is provided on the substrate together with the semiconductor photodetecting element, and in response to incident light to be detected having a predetermined wavelength λ A light receiving portion configured to generate plasmons;
The semiconductor photodetecting element is disposed on one side of the light receiving portion in the propagation direction of the plasmon, and the first surface is an incident surface with respect to the plasmon, and a groove structure is formed on the first surface side. And
The groove structure includes a first medium layer having a refractive index n 1 made of a semiconductor material constituting the semiconductor photodetecting element, and a second medium layer having a refractive index n 2 made of a medium in the groove in the groove structure. Are arranged in the light incident direction to form a reflection reducing structure that reduces the reflectance of light of wavelength λ on the first surface.
前記第1媒質層と前記第2媒質層との平均屈折率
neff={qn1 2+(1−q)n2 2}1/2
が、前記第1媒質層及び前記第2媒質層の屈折率の積の平方根で表される最適屈折率
nopt=(n1n2)1/2
に対して±20%の範囲内となり、層厚lが、最適層厚
lopt=λ/4nopt
に対して±20%の範囲内となるように構成されていることを特徴とする請求項1記載の光検出装置。 The reflection reducing structure has a structure layer of M layers (M is an integer of 1 or more) including the first medium layer and the second medium layer, respectively, and the first medium layer in the structure layer of the M layers The filling rate of is q,
Average refractive index of the first medium layer and the second medium layer n eff = {qn 1 2 + (1−q) n 2 2 } 1/2
Is the optimum refractive index n opt = (n 1 n 2 ) 1/2 represented by the square root of the product of the refractive indices of the first medium layer and the second medium layer.
Is within a range of ± 20%, and the layer thickness l is the optimum layer thickness l opt = λ / 4n opt
The photodetection device according to claim 1, wherein the photodetection device is configured to be within a range of ± 20% with respect to.
前記M層の構造層に含まれる第m構造層(mは1以上M以下の整数)での前記第1媒質層と前記第2媒質層との平均屈折率
neff,m={qmn1 2+(1−qm)n2 2}1/2
が、前記第1構造層から前記第M構造層に向けて段階的に前記第2媒質層の屈折率n2から前記第1媒質層の屈折率n1へと近づくように構成されていることを特徴とする請求項1記載の光検出装置。 Each of the reflection reduction structures includes the first medium layer and the second medium layer, and the first medium layer has a structure layer of M layers (M is an integer of 2 or more) having a filling factor of q 1 to q M. And the M layer structure layer is laminated in the order of the first structure layer to the Mth structure layer from the first surface side,
The m structure layer (m is an integer of 1 to M) Average refractive index n eff of the first medium layer and the second medium layer in included in the structural layers of the M layer, m = {q m n 1 2 + (1-q m ) n 2 2 } 1/2
But it is configured so as to approach from the refractive index n 2 of the stepwise the second medium layer toward the second M structure layer from said first structural layer to the refractive index n 1 of the first medium layer The photodetection device according to claim 1.
qt,m=m/(M+1)
に対して±Δq/2の範囲内となり、前記第m構造層の層厚lmが、充填率qmを目標充填率qt,mと一致させた場合の目標層厚
lt,m=λ/4neff,t,m
に対して±30%の範囲内となるように構成されていることを特徴とする請求項3記載の光検出装置。 In the reflection reducing structure, the filling rate q m of the first medium layer in the m-th structure layer is set to be equal to an interval of Δq = 1 / (M + 1) between 0 and 1. q t, m = m / (M + 1)
It was within the range of ± [Delta] q / 2 with respect to the first thickness l m of the m structure layer, filling rate q m the target filling rate q t, target layer thickness l t in the case of match the m, m = λ / 4n eff, t, m
The photodetection device according to claim 3, wherein the photodetection device is configured to be within a range of ± 30%.
前記第2溝構造は、前記第1媒質層と、前記第2媒質層とが積層されることで、前記第2面での波長λの光の反射率を増大する反射構造を構成していることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項記載の光検出装置。 The semiconductor photodetector element has a second groove structure formed on the second surface side opposite to the first surface,
The second groove structure constitutes a reflective structure in which the first medium layer and the second medium layer are stacked to increase the reflectance of light having a wavelength λ on the second surface. The photodetection device according to any one of claims 1 to 10, wherein
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022059260A1 (en) * | 2020-09-16 | 2022-03-24 | 浜松ホトニクス株式会社 | Photodetector and beating spectroscopy device |
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2015
- 2015-06-05 JP JP2015114656A patent/JP2017003301A/en active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022059260A1 (en) * | 2020-09-16 | 2022-03-24 | 浜松ホトニクス株式会社 | Photodetector and beating spectroscopy device |
| JP2022049350A (en) * | 2020-09-16 | 2022-03-29 | 浜松ホトニクス株式会社 | Photodetector and beat spectroscopic device |
| CN116195073A (en) * | 2020-09-16 | 2023-05-30 | 浜松光子学株式会社 | Photodetector and Photospectroscopic Device |
| US20230307562A1 (en) * | 2020-09-16 | 2023-09-28 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photodetector and beating spectroscopy device |
| JP7613857B2 (en) | 2020-09-16 | 2025-01-15 | 浜松ホトニクス株式会社 | Photodetector and beat spectrometer |
| CN116195073B (en) * | 2020-09-16 | 2025-12-05 | 浜松光子学株式会社 | Photodetector and optical beam splitter |
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