JP6001063B2 - 光学素子及び光検出器 - Google Patents

Description

本発明は、光を透過させて当該光を変調するための光学素子、及びこれを備える光検出器に関する。

量子サブバンド間遷移の光吸収を利用する光検出器として、ＱＷＩＰ（量子井戸型赤外光センサ）、ＱＤＩＰ（量子ドット赤外光センサ）、ＱＣＤ（量子カスケード型光センサ）等が知られている。これらはエネルギーバンドギャップ遷移を利用しないため、波長範囲の設計自由度が大きい、暗電流が小さい、室温動作が可能である等のメリットを有する。

これらの光検出器のうち、ＱＷＩＰとＱＣＤは、量子井戸構造や量子カスケード構造等の周期的な積層構造を有する半導体積層体を備えている。この半導体積層体は、入射する光が半導体積層体の積層方向の電界成分を有する場合にのみ当該電界成分によって電流を生じるため、当該積層方向の電界成分を有しない光（半導体積層体の積層方向から入射する平面波）に対しては光感度を有しない。

従って、ＱＷＩＰ又はＱＣＤで光を検出するには、光の電界の振動方向が半導体積層体の積層方向と一致するように光を入射させる必要がある。例えば、光の進行方向に垂直な波面を有する平面波を検出する場合では、光を半導体積層体の積層方向と垂直な方向から入射させる必要があるため、光検出器としての使用が煩わしいものとなる。

そこで、半導体積層体の積層方向の電界成分を有しない光を検出するために、半導体積層体の表面に金の薄膜を設け、この薄膜に当該光の波長以下の直径を有する孔を周期的に形成した光検出器が知られている（非特許文献１参照）。この例では、金の薄膜における表面プラズモン共鳴の効果によって、半導体積層体の積層方向の電界成分を有するように光を変調している。

また、半導体積層体の表面に光透過層を設け、この光透過層の表面に凹凸パターンからなる回折格子及びこれを覆う反射膜を形成した光検出器が知られている（特許文献１参照）。この例では、当該回折格子及び反射膜による入射光の回折及び反射の効果によって、半導体積層体の積層方向の電界成分を有するように光を変調している。

特開２０００−１５６５１３号公報

W. Wu, et al., "Plasmonic enhanced quantum well infrared photodetector with high detectivity", Appl. Phys. Lett., 96, 161107(2010).

このように、半導体積層体の積層方向の電界成分を有しない光を検出するために、当該光を当該積層方向の電界成分を有するように変調する技術が種々提案されており、そのような光の変調の効率化が望まれている。

つまり、半導体積層体の積層方向を所定の方向とした場合に、当該所定の方向の電界成分を有しない光を、当該所定の方向の電界成分を有するように効率よく変調する技術が求められている。

そこで、本発明は、所定の方向の電界成分を有しない光を、当該所定の方向の電界成分を有するように効率よく変調することができる光学素子、及び、量子井戸構造や量子カスケード構造等を有する半導体積層体を用いて、半導体積層体の積層方向の電界成分を有しない光を検出することができる光検出器を提供することを目的とする。

本発明の光学素子は、所定の方向に沿って光を透過させて当該光を変調するための光学素子であって、第１の領域、及び所定の方向に垂直な面に沿って第１の領域に対し周期的に配列された第２の領域を有する構造体を備え、第１の領域及び第２の領域は、互いに屈折率が異なり、且ついずれも光に対して透過性を有する。

所定の方向に沿ってこの光学素子に光が入射した場合、当該光は、構造体において所定の方向に垂直な面に沿って周期的に配列された第１の領域及び第２の領域の屈折率の差により変調され、その後、所定の方向に沿って出射する。すなわち、所定の方向の電界成分を有しない光を、当該所定の方向の電界成分を有するように効率よく変調することができる。

ここで、第１の領域の屈折率と第２の領域の屈折率との差は、２以上であってもよい。また、第１の領域及び第２の領域の配列の周期は、１〜５００μｍであってもよい。これによれば、所定の方向の電界成分を有しない光を、当該所定の方向の電界成分を有するように一層効率よく変調することができる。

本発明の光学素子に透過させる光は、赤外線であってもよい。これによれば、本発明の光学素子を、赤外光検出器に好適に適用することができる。

本発明の光学素子における構造体は、所定の方向に沿って貫通する複数の貫通孔が設けられた膜体を有し、第１の領域は、膜体における貫通孔間の部分であり、第２の領域は、貫通孔内の空間であってもよい。また、本発明の光学素子における構造体は、所定の方向における一方の側又は他方の側に開口する複数の凹部が設けられた膜体を有し、第１の領域は、膜体における凹部間の部分であり、第２の領域は、凹部内の空間であってもよい。また、本発明の光学素子における構造体は、所定の方向における一方の側又は他方の側に突出する複数の凸部が設けられた膜体を有し、第１の領域は、凸部であり、第２の領域は、凸部間の空間であってもよい。これらのような膜体を有する構造体は、１種類の材料から形成することができるため、低コストであり、製造も容易である。そして、所定の方向の電界成分を有しない光を、当該所定の方向の電界成分を有するように一層効率よく変調することができるように、場合に応じて構造体の態様をこれらのうちから選択することができる。

本発明の光学素子における構造体は、所定の方向に沿って貫通する複数の貫通孔が設けられた膜体と、貫通孔内に埋設された埋設部材と、を有し、第１の領域は、膜体における貫通孔間の部分であり、第２の領域は、埋設部材であってもよい。また、本発明の光学素子における構造体は、所定の方向における一方の側又は他方の側に開口する複数の凹部が設けられた膜体と、凹部内に埋設された埋設部材と、を有し、第１の領域は、膜体における凹部間の部分であり、第２の領域は、埋設部材であってもよい。また、本発明の光学素子における構造体は、所定の方向における一方の側又は他方の側に突出する複数の凸部が設けられた膜体と、凸部間に埋設された埋設部材と、を有し、第１の領域は、凸部であり、第２の領域は、埋設部材であってもよい。これらによれば、膜体と埋設部材との双方の材料を選択することができるため、第１の領域の屈折率と第２の領域の屈折率との差の調整の自由度が高くなる。

本発明の光検出器は、上記光学素子と、光学素子に対して所定の方向における一方の側とは反対側の他方の側に配置され、光学素子を透過した光が有する所定の方向の電界成分によって電流を生じる半導体積層体と、半導体積層体の一方の側の表面に形成された第１のコンタクト層と、半導体積層体の他方の側の表面に形成された第２のコンタクト層と、を備える。

この光検出器は、上記光学素子を備えているため、入射した光が上記光学素子を透過する過程において変調される。変調された光は半導体積層体の積層方向の電界成分を有するため、この電界成分により半導体積層体に電流が生じる。すなわち、この光検出器によれば、量子井戸構造や量子カスケード構造等を有する半導体積層体を用いて、半導体積層体の積層方向の電界成分を有しない光を検出することができる。

本発明の光検出器は、第２のコンタクト層、半導体積層体、第１のコンタクト層及び光学素子が他方の側から順に積層された基板を更に備えていてもよい。これによれば、光検出器の各構成の安定化を図ることができる。

本発明の光検出器は、第１のコンタクト層と電気的に接続された第１の電極と、第２のコンタクト層と電気的に接続された第２の電極と、を更に備えていてもよい。これによれば、半導体積層体で生じる電流を効率的に検出することができる。

本発明の光検出器においては、光学素子が、一方の側から光が入射したときに所定の方向の電界成分を生じさせるものであってもよいし、或いは、光学素子が、半導体積層体を介して他方の側から光が入射したときに所定の方向の電界成分を生じさせるものであってもよい。

本発明によれば、所定の方向の電界成分を有しない光を、当該所定の方向の電界成分を有するように効率よく変調することができる光学素子、及び、量子井戸構造や量子カスケード構造等を有する半導体積層体を用いて、半導体積層体の積層方向の電界成分を有しない光を検出することができる光検出器を提供することができる。

本発明の第１の実施形態の光検出器の平面図である。 図１のII−II線に沿っての断面図である。 本発明の第１の実施形態の光学素子の平面図である。 図３のIV−IV線に沿っての断面図である。 本発明の第１の実施形態の光学素子の変形例の平面図である。 本発明の第２の実施形態の光学素子の断面図である。 本発明の第３の実施形態の光学素子の断面図である。 本発明の第３の実施形態の光学素子の変形例の断面図である。 本発明の第４の実施形態の光学素子の平面図である。 図９のX−X線に沿っての端面図である。 本発明の第５の実施形態の光学素子の平面図である。 本発明の第６の実施形態の光学素子の平面図である。 図１２のXIII−XIII線に沿っての端面図である。 本発明の第６の実施形態の光検出器の断面図である。 図１１の光学素子についてのＦＤＴＤ法による電界強度分布である。 図１１の光学素子についてのＦＤＴＤ法による電界強度分布である。 図１１の光学素子についての屈折率差による電界成分の変換効率を示すグラフである。 図９及び図１０の光学素子についての屈折率差による電界成分の変換効率を示すグラフである。 シミュレーションで用いた光検出器の平面図である。 図１９のXX−XX線に沿っての断面図である。 図１９の光検出器に用いた光学素子についてのＦＤＴＤ法による垂直電界強度スペクトルである。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。なお、本明細書において「屈折率」とは、入射光の波長についての屈折率をいう。また、本実施形態の光検出器が検出するべき光（光学素子に入射する光）は、赤外線（波長が２〜１０００μｍの光）である。

［第１の実施形態］
図１及び図２に示されるように、光検出器１は、ＩｎＰからなる矩形板状の基板２を備え、これにコンタクト層３，５と、半導体積層体４と、電極６，７と、光学素子１０とが積層されている。この光検出器１は、半導体積層体４における量子サブバンド間遷移の光吸収を利用する光検出器である。

基板２の表面２ａの全面には、コンタクト層（第２のコンタクト層）３が設けられている。コンタクト層３の表面３ａの中央には、表面３ａの全面よりも小さな面積をもつ半導体積層体４が設けられている。つまり、半導体積層体４は、平面視した場合にコンタクト層３に含まれるように配置されている。表面３ａのうち半導体積層体４が設けられていない周縁の領域には、電極（第２の電極）６が半導体積層体４を囲むように環状に形成されている。

半導体積層体４の表面４ａの全面には、コンタクト層（第１のコンタクト層）５が設けられている。コンタクト層５の表面５ａの中央には、表面５ａの全面よりも小さな面積をもつ光学素子１０が設けられている。つまり、光学素子１０は、平面視した場合にコンタクト層５に含まれるように配置されている。表面５ａのうち、光学素子１０が設けられていない周縁の領域には、電極（第１の電極）７が光学素子１０を囲むように環状に形成されている。

半導体積層体４は、検出しようとする光の波長に合わせて設計された多重量子井戸構造（又は多重量子カスケード構造）を有するものであり、具体的には、互いにエネルギーバンドギャップの異なるＩｎＧａＡｓ及びＩｎＡｌＡｓの半導体層が、一層あたり数ｎｍの厚さで交互に積層されている。

コンタクト層３，５は、半導体積層体４で生じた電流を検出するために、半導体積層体４と電極６，７とをそれぞれ電気的に連絡するための層であり、ＩｎＧａＡｓからなる。電極６，７は、ＡｕＧｅ、又はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ等からなる。

光学素子１０は、所定の方向における一方の側から他方の側に光を透過させて、当該光を変調するための光学素子である。図３及び図４に示されるように、光学素子１０は、構造体１１を備えており、構造体１１は、第１の領域Ｒ１、及び所定の方向に垂直な面に沿って第１の領域Ｒ１に対し入射光の波長に応じて１〜５００μｍとなる周期ｄにより周期的に配列された第２の領域Ｒ２を有する。第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２は、互いに屈折率が異なり、且ついずれも入射する光に対して透過性を有する。

構造体１１は、所定の方向における一方の側から他方の側に貫通する複数の貫通孔１２が設けられた膜体１３を有する。当該複数の貫通孔１２は、図３に示されるように膜体１３に対して平面視三角格子状に配置され、それぞれの貫通孔１２は、円柱形状をなし、図４に示されるように所定の方向における一方の側から他方の側（図２における半導体積層体４の積層方向）に貫通している。なお、膜体１３の厚さは１０ｎｍ〜２μｍであることが好ましい。

ここで、第１の領域Ｒ１は、膜体１３における貫通孔１２間の部分１３ａであり、具体的にはゲルマニウムからなる。第２の領域Ｒ２は、貫通孔１２内の空間Ｓであり、具体的には空気である。つまり、光検出器１を光学素子１０の側から平面視した場合（つまり図１において）、コンタクト層５の一部が貫通孔１２から覗いている。また、第１の領域Ｒ１の屈折率と第２の領域Ｒ２の屈折率との差は、２以上であることが好ましく、３以上であることがより好ましい。本実施形態においては、例えば波長が５μｍの中赤外光について、ゲルマニウムの屈折率は４．０であり、空気の屈折率は１．０であるため、屈折率の差は３．０である。

以上説明したように、光検出器１は、上記光学素子１０を備えているため、所定の方向における一方の側からこの光学素子１０に光が入射した場合（例えば、半導体積層体４の積層方向から平面波が入射した場合）、当該光は、構造体１１において所定の方向に垂直な面に沿って周期的に配列された第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２の屈折率の差により変調され、その後、所定の方向における他方の側から出射する。すなわち、所定の方向の電界成分を有しない光を、当該所定の方向の電界成分を有するように効率よく変調することができる。特に、光学素子１０では複数の貫通孔１２が膜体１３において三角格子状に配置されているために、入射光の偏光方向に対する依存性が低い。また、第１の領域Ｒ１の屈折率と第２の領域Ｒ２の屈折率との差は、２以上であり、第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２の配列の周期ｄは、１〜５００μｍであり、入射光の波長に応じて決められるため、光の変調が一層効率よく行われる。更に、光学素子１０における構造体１１は、一方の側から他方の側に貫通する複数の貫通孔１２が設けられた膜体１３を有し、第１の領域Ｒ１は、膜体１３における貫通孔１２間の部分１３ａであり、第２の領域Ｒ２は、貫通孔１２内の空間Ｓである。このため、当該構造体１１は１種類の材料から形成することができるため、低コストであり、製造も容易である。

そして、上記のように変調された光は、半導体積層体４の積層方向の電界成分を有するため、この電界成分が半導体積層体４の多重量子井戸構造（又は多重量子カスケード構造）に吸収されて光電子を発生させ、これが電極６，７を介して電流として検出される。すなわち、この光検出器１によれば、半導体積層体４の積層方向の電界成分を有しない光を検出することができる。また、本発明の光検出器は、コンタクト層３，５、半導体積層体４、及び光学素子１０を支持する基板２を更に備えているため、光検出器１の各構成が安定化されている。そして、光検出器１は、コンタクト層５に形成された電極７と、コンタクト層３に形成された電極６と、を更に備えており、かつ、光学素子１０が一方の側から見た場合にコンタクト層５に含まれるように配置されており、半導体積層体４が、一方の側から見た場合にコンタクト層３に含まれるように配置されており、電極７は、コンタクト層５の一方の側の表面５ａのうち光学素子１０が設けられていない領域に、光学素子１０を囲むように環状に形成され、電極６は、コンタクト層３の一方の側の表面３ａのうち半導体積層体４が設けられていない領域に、半導体積層体４を囲むように環状に形成されている。これにより、半導体積層体４で生じる電流を効率的に検出することができる。

更に、非特許文献１記載の光検出器では、入射光（ここでは赤外線）の一部が金の薄膜により遮光されるうえ、表面プラズモン共鳴自体もエネルギー損失が大きいため、光感度の低下を招く。また、表面プラズモン共鳴は、金属中の自由電子が光の電界成分等と結合した結果生じる振動の共鳴状態をいうことから、表面プラズモン共鳴を利用するためには、光が入射する面に自由電子が存在することが不可欠であるという制限がある。これに対し、本実施形態の光検出器１では、第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２がいずれも入射光に対して透過性を有し、且つ光の変調に表面プラズモン共鳴を利用しないため、非特許文献１記載の光検出器でみられた光感度の低下が生じず、且つ使用材料が自由電子を有する金属に制限されない。

また、特許文献１記載の光検出器では、光透過層の表面に回折格子を形成するため、光検出器としての設計の自由度が低い。これに対し、本実施形態の光検出器１では、光学素子１０はコンタクト層５とは別に形成されるものであるため、所望の屈折率を有する材料の選択、並びに、光学素子１０の形成及び加工の技術の選択の幅が広い。従って、本実施形態の光検出器１は、入射光の波長や所望の光感度等に応じた設計の自由度が高い。

なお、上記第１の実施形態の光検出器１は、その光学素子１０を別の態様とすることもできる。例えば、図５に示されるように、光学素子１０において、膜体１３に設けられた複数の貫通孔１２の配置を、三角格子状に替えて正方格子状とすることもできる。これによれば、三角格子状の配置の場合と比べて、入射光が直線偏光の場合に光を変調する効率が高い。

また、上記光検出器１では、所定の方向における一方の側から光学素子１０に光が入射した場合について説明したが、光検出器１の裏面側（所定の方向における他方の側）から光を入射させて、その光を検出することも可能である。これにより、光学素子１０による入射光の反射及び吸収を回避することができるため、一層の光感度の増大が可能になる。更に、パッケージ、サブマウント或いは集積回路等に光検出器１をフリップチップボンディングにより搭載した状態で、簡便に光を入射させることができるため、特にイメージセンサ等への発展の可能性が広がるというメリットがある。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。第２の実施形態の光検出器が第１の実施形態の光検出器１と異なる点は、光学素子として、光学素子１０に替えて図６に示される光学素子２０を用いる点である。

光学素子２０は、構造体２１を備えており、構造体２１は、第１の領域Ｒ１、及び第１の領域Ｒ１に対し、第１の実施形態における光学素子１０と同様に周期的に配列された第２の領域Ｒ２を有する。第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２は、互いに屈折率が異なり、且ついずれも入射する光に対して透過性を有する。

構造体２１は、所定の方向における一方の側から他方の側に貫通する複数の貫通孔２２が設けられた膜体２３と、その貫通孔２２内に埋設された埋設部材２４とを有する。当該複数の貫通孔２２及び埋設部材２４は、第１の実施形態における光学素子１０と同様に膜体２３に対して平面視三角格子状に配置され、それぞれの貫通孔２２及び埋設部材２４は、円柱形状をなし、図６に示されるように所定の方向における一方の側から他方の側（図２における半導体積層体４の積層方向）に貫通している。なお、膜体２３の厚さは１０ｎｍ〜２μｍであることが好ましい。

ここで、第１の領域Ｒ１は、膜体２３における貫通孔２２間の部分２３ａであり、第２の領域Ｒ２は、埋設部材２４である。第１の領域Ｒ１を構成する材料としては、第１の実施形態における光学素子１０と同様の材料が挙げられる。埋設部材２４を構成するための材料としては、二酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム等が挙げられる。二酸化シリコンは、例えば波長５μｍの中赤外光についての屈折率が１．３である。この場合、第１の領域Ｒ１の材料としては、その波長における屈折率が３．３以上の材料が用いられることが好ましく、例えば波長５μｍの中赤外線についての屈折率が３．４であるシリコンが、第１の領域Ｒ１を構成する材料として好ましい。

光学素子２０では、上記のとおり膜体２３と埋設部材２４との双方の材料を選択することができるため、第１の領域Ｒ１の屈折率と第２の領域Ｒ２の屈折率との差の調整の自由度が高い。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。第３の実施形態の光検出器が第１の実施形態の光検出器１と異なる点は、光学素子として、光学素子１０に替えて図７に示される光学素子３０を用いる点である。

光学素子３０は、構造体３１を備えており、構造体３１は、第１の領域Ｒ１、及び第１の領域Ｒ１に対し、第１の実施形態における光学素子１０と同様に周期的に配列された第２の領域Ｒ２を有する。第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２は、互いに屈折率が異なり、且ついずれも入射する光に対して透過性を有する。

構造体３１は、一方の側に開口する複数の凹部３２を有する。当該複数の凹部３２は、第１の実施形態における光学素子１０と同様に膜体３３に対して平面視三角格子状に配置され、それぞれの凹部３２は、円柱形状をなしている。なお、膜体３３の厚さは１０ｎｍ〜２μｍであることが好ましい。

ここで、第１の領域Ｒ１は、膜体３３における凹部３２間の部分３３ａであり、第２の領域Ｒ２は、凹部３２内の空間Ｓである。第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２を構成する材料としては、第１の実施形態における光学素子と同様の材料が挙げられる。

光学素子３０では、上記のとおり、所定の方向における一方の側から他方の側に貫通する貫通孔を有していないため、空気中の微粒子等が一方の側から他方の側に物理的に通過することがない。つまり、このような光学素子３０が適用された本実施形態の光検出器においては、光学素子３０が光検出器の表面保護材として働くため、光検出器の劣化が抑制される。

なお、上記第３の実施形態の光検出器は、その光学素子３０を別の態様とすることもできる。例えば、図８に示されるように、光学素子３０において、複数の凹部３２が一方の側でなく他方の側に開口するものであってもよい。また、第２の実施形態における光学素子２０のように、凹部３２に埋設部材が埋設されていてもよい。

［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。第４の実施形態の光検出器が第１の実施形態の光検出器１と異なる点は、光学素子として、光学素子１０に替えて図９及び図１０に示される光学素子４０を用いる点である。

光学素子４０は、構造体４１を備えており、構造体４１は、第１の領域Ｒ１、及び第１の領域Ｒ１に対し、第１の実施形態における光学素子１０と同様に周期的に配列された第２の領域Ｒ２を有する。第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２は、互いに屈折率が異なり、且ついずれも入射する光に対して透過性を有する。

構造体４１は、一方の側に突出する複数の凸部４３ａが設けられた膜体４３を有する。当該複数の凸部４３ａは、第１の実施形態における光学素子１０と同様に膜体４３に対して平面視三角格子状に配置され、それぞれの凸部４３ａは、円柱形状をなし、図９及び図１０に示されるように所定の方向における他方の側から一方の側に突出している。なお、膜体４３の厚さ（凸部４３ａの高さを含めた厚さ）は１０ｎｍ〜２μｍであることが好ましい。

ここで、第１の領域Ｒ１は、膜体４３における凸部４３ａであり、第２の領域Ｒ２は、凸部４３ａ間の空間Ｓである。第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２を構成する材料としては、第１の実施形態における光学素子１０と同様の材料が挙げられる。

なお、上記第４の実施形態の光検出器は、その光学素子４０を別の態様とすることもできる。例えば、光学素子４０において、複数の凸部４３ａが一方の側から他方の側に突出するものであってもよい。また、第２の実施形態における光学素子２０のように、凸部４３ａ間に埋設部材が埋設されていてもよい。

［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。第５の実施形態の光検出器が第１の実施形態の光検出器１と異なる点は、光学素子として、光学素子１０における貫通孔の形状を、円柱形状に替えて図１１に示されるようにスリット形状とした点である。

当該スリット形状の貫通孔１２は、スリット形状の長手方向と垂直な方向に一列に並んでいる。この光学素子１０は、図５に示される光学素子１０と比べて、入射光が直線偏光の場合に光を変調する効率が更に高いという特徴を有する。

［第６の実施形態］
本発明の第６の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。第６の実施形態の光検出器が第１の実施形態の光検出器１と異なる点は、光学素子として、光学素子１０に替えて図１２及び図１３に示される光学素子５０を用いる点である。

光学素子５０は、構造体５１を備えており、構造体５１は、第１の領域Ｒ１、及び第１の領域Ｒ１に対し、周期的に配列された第２の領域Ｒ２を有する。第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２は、互いに屈折率が異なり、且ついずれも入射する光に対して透過性を有する。

構造体５１は、所定の方向に高さを有する同一形状の複数の円柱体５３ａが、所定の方向に垂直な面に沿って平面視三角格子状に配置されて構成されている。なお、円柱体５３ａの高さは１０ｎｍ〜２μｍであることが好ましい。

ここで、第１の領域Ｒ１は、円柱体５３ａであり、第２の領域Ｒ２は、円柱体５３ａ間の空間Ｓである。第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２を構成する材料としては、それぞれ、第１の実施形態における光学素子１０の第２の領域Ｒ２及び第１の領域Ｒ１と同様の材料が挙げられる。

なお、上記第６の実施形態の光検出器は、その光学素子５０を別の態様とすることもできる。例えば、複数の円柱体５３ａの配置を、三角格子状に替えて正方格子状とすることもできる。また、第１の領域を構成する部分を、所定の方向に高さを有する複数の円柱体ではなく、所定の方向と垂直な方向に延びる複数の棒状体とし、これを第５の実施形態における光学素子のスリット形状のように同一平面上に配置して構造体を構成することもできる。

［第７の実施形態］
本発明の第７の実施形態として、光検出器の他の形態について説明する。第７の実施形態の光検出器１００が第１の実施形態の光検出器１と異なる点は、図１４に示されるように、コンタクト層５が、半導体積層体４の表面４ａの全面に設けられていることに替えて、電極７の直下のみに設けられている点、及び、これに伴い光学素子１０が半導体積層体４の表面４ａに直接設けられている点である。後述する計算結果（図１６）から明らかなように、光が光学素子を透過した際に所定の方向の電界成分が最も強く現れるのは、光学素子における光の出射側表面付近である。従って、本実施形態の光検出器１００は、光学素子１０と半導体積層体４とが直接接しているために、第１の実施形態の光検出器１と比べて、光の検出感度が高い。

なお、上記第７の実施形態の光検出器１００は、その光学素子１０を別の態様とすることもできる。例えば、当該光学素子１０に替えて、上記第２〜第６の実施形態における光学素子を適用することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、第１の領域及び第２の領域を構成する材料として、文献（M.Choi et al., "A terahertz metamaterial with unnaturally high refractive index", Nature, 470, 369(2011).）に開示されているような、微細加工技術により誘電率と透磁率を人工的に操作したメタマテリアルと呼ばれる材料を用いてもよい。

また、本発明の光検出器においては、光学素子が、所定の方向における一方の側から光が入射したときに当該所定の方向の電界成分を生じさせるものであってもよいし、或いは、光学素子が、半導体積層体を介して所定の方向における他方の側から光が入射したときに当該所定の方向の電界成分を生じさせるものであってもよい。つまり、本発明の光学素子は、所定の方向に沿って光が入射したときに当該所定の方向の電界成分を生じさせるものである。

本発明における光学素子について、光が出射する側の近傍における電界強度分布を計算した。また、本発明における光学素子について、第１の領域と第２の領域の屈折率差を変化させた場合に、所定の方向の電界成分への変換効率がどのように変化するかを計算した。

[電界強度分布]
図１３に示される光学素子１０を対象とした。光学素子１０の厚さ、並びに第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２の構成材料及び寸法は次のとおりである。
光学素子の厚さ…０．５μｍ
第１の領域…ゲルマニウム（屈折率４．０）、幅０．７μｍ
第２の領域…空気（屈折率１．０）、幅が０．８μｍ

電界強度分布の計算は、ＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain）法（有限差分時間領域法）と呼ばれる逐次近似法にて行った。結果を図１５及び図１６に示す。ここで入射光は、波長５μｍの平面波であり、図１５及び図１６における下方から上方に向けて（つまり所定の方向に）入射させた。図１５は光学素子１０における第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２がなす面に（つまり所定の方向に垂直な面に）沿った方向の電界成分の強度を、図１６は当該面に垂直な電界成分の強度をそれぞれ示している。

この計算結果によれば、入射光が光学素子１０における第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２を透過するときに変調され、所定の方向の電界成分を有しない光の少なくとも一部が、当該所定の方向の電界成分を有するようになったことを確認することができた。そして、図１６によれば、所定の方向の電界成分は、光学素子１０の近傍に、且つ光学素子１０の出射側表面のうち第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２との境界付近から入射光が出射する方向に延びて、局在することが分かった。一方、この入射光の変調により所定の方向の電界成分に変換されなかった電界成分は、第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２を透過した光とともに光学素子１０の遠方へ伝播することを確認することができた。

換言すれば、図１６から明らかなように、自由空間を伝播する光には生じ得ない、光の伝播方向の電界成分が生じていることが分かる。また、図１５に示されるように第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２がなす面に沿った電界成分が光学素子１０から離れたところまで伝播しているのに対し、図１６に示されるように所定の方向の電界成分は光学素子１０の近傍に局在している。このことから、光学素子１０による作用が、特許文献１に開示されているような単純な回折によるものではないことが分かる。

そして、この計算結果によれば、所定の方向の電界成分を有しない光を当該所定の方向の電界成分を有するように変調するためには、光学素子の材料が必ずしも金属でなくてもよい（自由電子の介在は必要ない）ことが分かる。すなわち、誘電体のように自由電子を持たない材料からなる周期構造を利用した場合でも、金属を利用した場合と同様もしくはそれ以上の効果が得られることが、シミュレーションによって導き出された。

［屈折率差による電界成分の変換効率］
次に、第１の領域と第２の領域の屈折率差を変化させた場合に、所定の方向の電界成分への変換効率がどのように変化するかを計算した。上記光学素子１０の厚さを０．２μmに変更し、且つ第１の領域Ｒ１の屈折率を変化させた場合に、所定の方向に垂直な方向の電界成分を所定の方向の電界成分へと変換する効率がどのように変化するかを計算した。結果を図１７に示す。図１７によれば、第１の領域の屈折率ｎが１．０、すなわち第２の領域である空気と同じである場合には所定の方向の電界成分は生じていないが、第１の領域Ｒ１の屈折率を大きくするに従い所定の方向の電界成分の強度が大きくなる様子が分かる。

また、図９及び図１０に示される光学素子４０を用いて同様に、電界成分の変換効率を計算した。光学素子４０のうち、第１の領域Ｒ１の直径を１．７５μｍ、厚さを０．２５μｍとし、第２の領域Ｒ２との周期ｄを２．９μｍに設定した。第１の領域Ｒ１の屈折率を変化させた場合に、所定の方向に垂直な方向の電界成分を所定の方向の電界成分へと変換する効率がどのように変化するかを計算した。結果を図１８に示す。図１８によれば、第１の領域の屈折率ｎが１．０、すなわち空気と同じである場合には所定の方向の電界成分は生じていないが、第１の領域Ｒ１の屈折率を大きくするに従い所定の方向の電界成分の強度が大きくなる様子が分かる。また、その電界成分の強度の大きさは、図１７に計算結果を示した図１１の光学素子１０の場合に比べて、４倍の強度が得られている。

［第１の領域と第２の領域の幅比の変化に応じた電界強度の変化］
第１の領域（ゲルマニウム）及び第２の領域（空気）の周期を３．２μｍで一定とし、これらの幅比を変化させた場合に、垂直電界強度のスペクトルがどのように変化するかを、ＦＤＴＤ法で計算した。なお、第１の領域及び第２の領域の厚さは０．８μｍとした。

図１９及び図２０に示された光学素子５０及び光検出器２００を対象とした。光学素子５０は、所定の方向に垂直な方向に延びる複数の棒状体５３ｂ（第１の領域Ｒ１）が、空間Ｓ（第２の領域Ｒ２）とともにストライプを形成するように同一平面上に互いに平行に配置されたものである。光検出器２００は、光検出器１と比べて、光学素子５０が用いられている点、及び、ｎ型のＩｎＰからなる基板２が用いられ、第２の電極６が基板２の表面２ａとは反対側の表面２ｂの全面に設けられている点が異なっている。

図２１にシミュレーションの結果を示す。図２１において、Ｄはゲルマニウムの線幅（μｍ）を示している。この結果によれば、ゲルマニウムの線幅が空気の線幅以上である場合（つまり、第１の領域の幅が第２の領域の幅以上である場合）において、赤外領域の入射光に対して垂直電界強度が大きくなる傾向にあることがわかる。例えば、ゲルマニウム：空気の比が２．８：０．４から３．１：０．１までの波長領域において鋭いピークが見られる。特に、ゲルマニウムの線幅が３．０μｍのときに、波長３．７μｍ又は５．３μｍの赤外光の入射によって、最大の垂直電界強度が得られることが分かる。このようなシミュレーションを利用すれば、第１の領域及び第２の領域の周期と線幅（もしくは径）との関係、或いは二種の線幅の相互関係について、入射光の波長において得られる電界強度が最大になるように、光学素子を設計することが可能である。

１，１００，２００…光検出器、２…基板、３，５…コンタクト層、４…半導体積層体、６，７…電極、１０，２０，３０，４０，５０…光学素子、１１，２１，３１，４１，５１…構造体、１２，２２…貫通孔、１３，２３，３３，４３…膜体、１３ａ，２３ａ…貫通孔間の部分、２３ａ…凹部間の部分、２４…埋設部材、３２…凹部、３３ａ…凹部間の部分、４３ａ…凸部、Ｒ１…第１の領域、Ｒ２…第２の領域、Ｓ…空間。

Claims (12)

1. 所定の方向に沿って波長が２〜１０００μｍの光を透過させて当該光を変調するための光学素子であって、
   ゲルマニウムからなる第１の領域、及び前記所定の方向に垂直な面に沿って前記第１の領域に対し周期的に配列された第２の領域を有する構造体を備え、
   前記第１の領域及び前記第２の領域は、互いに屈折率が異なり、且ついずれも前記光に対して透過性を有し、
   前記所定の方向の電界成分を有しない光を、前記所定の方向の電界成分を有するように変調する、光学素子と、
   前記光学素子に対して前記所定の方向における一方の側とは反対側の他方の側に配置され、前記光学素子を透過した前記光が有する前記所定の方向のみの電界成分によって電流を生じる半導体積層体と、
   前記半導体積層体の前記一方の側の表面に形成された第１のコンタクト層と、
   前記半導体積層体の前記他方の側の表面に形成された第２のコンタクト層と、を備え、
   前記第２のコンタクト層、前記半導体積層体、前記第１のコンタクト層及び前記光学素子が前記他方の側から順に積層された基板を更に備え、
   前記光学素子は、前記第１のコンタクト層、前記第２のコンタクト層、前記半導体積層体及び前記基板とは別体として形成されているものである、光検出器。
2. 前記第１の領域の屈折率と前記第２の領域の屈折率との差は、２以上である、請求項１記載の光検出器。
3. 前記第１の領域に対する前記第２の領域の配列の周期は、１〜５００μｍである、請求項１又は２記載の光検出器。
4. 前記構造体は、前記所定の方向に沿って貫通する複数の貫通孔が設けられた膜体を有し、
   前記第１の領域は、前記膜体における前記貫通孔間の部分であり、
   前記第２の領域は、前記貫通孔内の空間である、請求項１〜３のいずれか一項記載の光検出器。
5. 前記構造体は、前記所定の方向に沿って貫通する複数の貫通孔が設けられた膜体と、前記貫通孔内に埋設された埋設部材と、を有し、
   前記第１の領域は、前記膜体における前記貫通孔間の部分であり、
   前記第２の領域は、前記埋設部材である、請求項１〜３のいずれか一項記載の光検出器。
6. 前記構造体は、前記所定の方向における一方の側又は他方の側に開口する複数の凹部が設けられた膜体を有し、
   前記第１の領域は、前記膜体における前記凹部間の部分であり、
   前記第２の領域は、前記凹部内の空間である、請求項１〜３のいずれか一項記載の光検出器。
7. 前記構造体は、前記所定の方向における一方の側又は他方の側に開口する複数の凹部が設けられた膜体と、前記凹部内に埋設された埋設部材と、を有し、
   前記第１の領域は、前記膜体における前記凹部間の部分であり、
   前記第２の領域は、前記埋設部材である、請求項１〜３のいずれか一項記載の光検出器。
8. 前記構造体は、前記所定の方向における一方の側又は他方の側に突出する複数の凸部が設けられた膜体を有し、
   前記第１の領域は、前記凸部であり、
   前記第２の領域は、前記凸部間の空間である、請求項１〜３のいずれか一項記載の光検出器。
9. 前記構造体は、前記所定の方向における一方の側又は他方の側に突出する複数の凸部が設けられた膜体と、前記凸部間に埋設された埋設部材と、を有し、
   前記第１の領域は、前記凸部であり、
   前記第２の領域は、前記埋設部材である、請求項１〜３のいずれか一項記載の光検出器。
10. 前記第１のコンタクト層と電気的に接続された第１の電極と、
    前記第２のコンタクト層と電気的に接続された第２の電極と、を更に備える、請求項１〜９のいずれか一項記載の光検出器。
11. 前記光学素子は、前記一方の側から光が入射したときに前記所定の方向の電界成分を生じさせる、請求項１〜１０のいずれか一項記載の光検出器。
12. 前記光学素子は、前記半導体積層体を介して前記他方の側から光が入射したときに前記所定の方向の電界成分を生じさせる、請求項１〜１０のいずれか一項記載の光検出器。