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公開番号2025085235
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-05
出願番号2023198958
出願日2023-11-24
発明の名称光検出素子
出願人浜松ホトニクス株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H10F 30/225 20250101AFI20250529BHJP()
要約【課題】量子効率を向上することができる光検出素子を提供する。
【解決手段】光検出素子1は、光が入射する光入射表面10aを有するアバランシェフォトダイオード10と、光入射表面10a上に形成され、表面プラズモン共鳴により光を回折させるプラズモン構造部20と、を備える。アバランシェフォトダイオード10は、p型の第1半導体領域15と、第1半導体領域15に対して光入射表面10aとは反対側に形成され、第1半導体領域15とpn接合を形成するn型の第2半導体領域16と、を有する。プラズモン構造部20は、第1半導体領域15上に配列された複数の単位構造体21を有する。複数の単位構造体21の各々は、光入射表面10aとは反対側の頂面21aと、光入射表面10aと向かい合う底面21bと、頂面21a及び底面21bに接続された側面21cと、を含む。複数の単位構造体21の各々の高さは、100nm以上250nm以下である。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
光が入射する光入射表面を有するアバランシェフォトダイオードと、前記光入射表面上に形成され、表面プラズモン共鳴により前記光を回折させるプラズモン構造部と、を備え、
前記アバランシェフォトダイオードは、ｐ型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域に対して前記光入射表面とは反対側に形成され、前記第１半導体領域とｐｎ接合を形成するｎ型の第２半導体領域と、を有し、
前記プラズモン構造部は、前記第１半導体領域上に配列された複数の単位構造体を有し、
前記複数の単位構造体の各々は、前記光入射表面とは反対側の頂面と、前記光入射表面と向かい合う底面と、前記頂面及び前記底面に接続された側面と、を含み、
前記複数の単位構造体の各々の高さは、１００ｎｍ以上２５０ｎｍ以下である、光検出素子。
続きを表示（約 860 文字）【請求項２】
前記複数の単位構造体の各々の前記側面は、前記光入射表面と垂直に形成されており、
前記複数の単位構造体の各々の高さは、１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である、請求項１に記載の光検出素子。
【請求項３】
前記複数の単位構造体の各々の前記側面は、前記底面に近づくにつれて広がるように傾斜している、請求項１に記載の光検出素子。
【請求項４】
前記複数の単位構造体の各々の高さは、１２５ｎｍ以上２５０ｎｍ以下である、請求項３に記載の光検出素子。
【請求項５】
前記複数の単位構造体の各々において、前記頂面と前記側面とは、湾曲面を介して互いに接続されている、請求項１又は２に記載の光検出素子。
【請求項６】
前記プラズモン構造部と前記第１半導体領域との間には、二酸化シリコン層が形成されている、請求項１又は２に記載の光検出素子。
【請求項７】
前記プラズモン構造部と前記二酸化シリコン層との間には、金属材料からなる密着層が形成されている、請求項６に記載の光検出素子。
【請求項８】
前記アバランシェフォトダイオードには、前記光入射表面に垂直な方向から見た場合に前記第１半導体領域を囲むように、前記プラズモン構造部により回折された前記光を反射させるトレンチが形成されている、請求項１又は２に記載の光検出素子。
【請求項９】
前記光入射表面に垂直な方向から見た場合に、前記複数の単位構造体は、第１方向に沿って配列されており、前記複数の単位構造体の各々は、前記第１方向に垂直な第２方向に長尺な形状を有している、請求項１又は２に記載の光検出素子。
【請求項１０】
前記プラズモン構造部は、２次回折光が前記光入射表面に垂直な方向に対して７０°以上且つ９０°よりも小さい角度で進行するように構成されている、請求項１又は２に記載の光検出素子。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出素子に関する。
続きを表示（約 2,000 文字）【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、アバランシェ増倍を利用した固体撮像素子が記載されている。特許文献１には、固体撮像素子を構成するシリコン基板の表面に金属ナノ粒子を配置することで表面プラズモン共鳴を発生させることが記載されている（図２３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
国際公開第２０１７／０３８５４２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者らは、上述したような構造には量子効率の向上の観点において改善の余地があることを見出した。本発明は、量子効率を向上することができる光検出素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の光検出素子は、［１］「光が入射する光入射表面を有するアバランシェフォトダイオードと、前記光入射表面上に形成され、表面プラズモン共鳴により前記光を回折させるプラズモン構造部と、を備え、前記アバランシェフォトダイオードは、ｐ型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域に対して前記光入射表面とは反対側に形成され、前記第１半導体領域とｐｎ接合を形成するｎ型の第２半導体領域と、を有し、前記プラズモン構造部は、前記第１半導体領域上に配列された複数の単位構造体を有し、前記複数の単位構造体の各々は、前記光入射表面とは反対側の頂面と、前記光入射表面と向かい合う底面と、前記頂面及び前記底面に接続された側面と、を含み、前記複数の単位構造体の各々の高さは、１００ｎｍ以上２５０ｎｍ以下である、光検出素子」である。
【０００６】
この光検出素子では、アバランシェフォトダイオードが、ｐ型の第１半導体領域と、第１半導体領域に対して光入射表面とは反対側に形成され、第１半導体領域とｐｎ接合を形成するｎ型の第２半導体領域と、を有している。このようにｐ型の半導体領域がｎ型の半導体領域上に形成されたいわゆるＰｏｎＮ型の構成においては、ｐ型の半導体領域における光吸収量が少なくなりやすい。この点、この光検出素子では、プラズモン構造部によって入射光を回折させることで、ｐ型の第１半導体領域における光路長を増加させることができ、その結果、光吸収量を増加させて量子効率を向上することができる。また、この光検出素子では、プラズモン構造部を構成する各単位構造体が頂面、底面及び側面を有し、各単位構造体の高さが、１００ｎｍ以上２５０ｎｍ以下となっている。これにより、プラズモン構造部において局在型表面プラズモン共鳴を生じさせることができ、入射光を好適に回折させることができる。その結果、光吸収量を増加させて量子効率を向上するとの上記作用効果を顕著に奏することができる。よって、この光検出素子によれば、量子効率を向上することができる。
【０００７】
本発明の光検出素子は、［２］「前記複数の単位構造体の各々の前記側面は、前記光入射表面と垂直に形成されており、前記複数の単位構造体の各々の高さは、１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である、［１］に記載の光検出素子」であってもよい。この場合、側面が垂直に形成される場合において局在型表面プラズモン共鳴を生じさせることができ、入射光を好適に回折させることができる。
【０００８】
本発明の光検出素子は、［３］「前記複数の単位構造体の各々の前記側面は、前記底面に近づくにつれて広がるように傾斜している、［１］に記載の光検出素子」であってもよい。この場合、表面プラズモン共鳴が生じる波長範囲を広くすることができる。また、例えば製造過程等において頂面と側面との間の境界部に形状不良等が生じた場合（例えば角部が欠けたり丸くなってしまった場合）、所望の機能が奏されなくなってしまう可能性があるが、側面が傾斜している場合、例えば側面が垂直に形成されている場合と比べて、そのような形状不良の影響を抑制することができる。
【０００９】
本発明の光検出素子は、［４］「前記複数の単位構造体の各々の高さは、１２５ｎｍ以上２５０ｎｍ以下である、［３］に記載の光検出素子」であってもよい。この場合、側面が傾斜している場合において局在型表面プラズモン共鳴を生じさせることができ、入射光を好適に回折させることができる。
【００１０】
本発明の光検出素子は、［５］「前記複数の単位構造体の各々において、前記頂面と前記側面とは、湾曲面を介して互いに接続されている、［１］～［４］のいずれかに記載の光検出素子」であってもよい。この場合、外力を受けた場合でもプラズモン構造部が壊れにくくなり、光検出素子の安定性を向上することができる。
（【００１１】以降は省略されています）

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