（284）薄膜ウォームキャリァ赤外レーザー検出素子の試作昭和60年3月レーザーオリジナル薄膜ウォームキャリア赤外レーザー光検出素子の試作原川健一＊・安岡義純＊・蒲生健次＊＊・難波進＊＊（1985年2月7日受理） Fabrication of Thin−Film Warm−Carrier Infrared Laser Detectors Ken−lchi HARAKAWA＊，Yoshizumi YASUOKA＊，Kenli GAMO＊＊ and Susumu NAMBA＊＊（Received February7，1985） The thin−film warm carrier device which has a O、1μm−diam pinhole electric contact was魚bricated by electron beam Iithographic methodassociated with ion−beams。 Thedetectedpropertiesfヒ）rCO21aserradiationweremeasured．Averyclearantennapattemwasobtained fbr an electric field polarized in the plane ofincidence，akhough the detected vokage was small compared with that of point contact warm carrier device。いる。しかし，これらの素子はいずれも先端を 1．はじめに波長1μmから10μmをもつ赤外領域のレー尖らせた直径10μm程度のタングステン線を半導体もしくは金属表面に接触させた構造となっザー光に対する超高速，室温動作の検出器としているため，機械的振動に非常に弱く寿命が短て注目されているものに，アンテナ結合素子がいという欠点を有している。これらの問題点ある。この素子はダイオードのリード線をアンを解決するために，最近発達の著しい微細構造テナとし，電磁波の電界に相当した電流をこの素子製作技術を用いてアンテナを含めた素子全アンテナ上に誘起し，これをダイオードの電流体を薄膜化する試みがなされている。しかし，ア一電圧特性の非線形性によって直接検波する検ンテナと半導体（もしくは金属）との接触面を出器であり，赤外光検出器の中で電磁波直接検タングステンによる点接触機造に匹適するよう波型として分類されている素子である％な小さな構造にするのは困難であり，未だアンこのアンテナ結合素子は検波機構によって，テナ結合素子として十分な特性を有した素子は MoM（Metal−Oxide−Meta1）トンネルダイオー製造されていない。1978年，Heiblumらは金属ド2’3），ショットキーダイオード4’51，ウォームキ薄膜の膜厚を利用した“Edge”MOMを発表し8），ャリア素子劇等に分類され，プラズマ診断や光混合用検出器として欠かせないものとなって翌1979年，118μmCH30Hレーザー光のアンテナパターンの観測に成功している9）。しかし，＊防衛大学校電気工学教室（〒239横須賀市走水1−10−20）＊＊大阪大学基礎工学部（〒560豊中市待兼山1−1）＊ Department of Electrical Engineering，National Defense Academy ＊＊Facalty of Engineering Science，Osaka University 一68一第13巻第3号ザ研究レ（285）この素子では10．6μm CO2レーザー光に対し W Whisker Antenna 10μm ては検出感度を得ることはできなかった。本研究では，絶縁層（Sio2）に開けられたピ舎ンホールを通してアンテナと半導体が接合する新しい構造の薄膜ウォームキャリア素子を製作し，薄膜素子としてはじめで10．6μm CO，レ Meta難Post P−type Germanium ーザー光に対するアンテナパターンの観察に成功したので，その新しい素子の製作法および， CO2レーザー光の検出特性にっいて述べる。 2．素子の製作 Fig．i Schematic configuration of the point 上述の3っの点接触アンテナ結合素子を比較 contact warm−carrier device．したとき，ウォームキャリア素子はショットキーダイオードに比しCO2レーザー光に対して対して負となる起電力が半導体内部に発生する。感度がよく，MOMダイオードに比べて素子特この起電力は外部電界の方向（電極問の印加電性が安定である71ので，著者らはアンテナ結合圧の極1生）が異なっていても同じ方向であるた素子の中でウォームキャリア素子を取り上げてめ，点電極側に正の電圧が印加された場合に順その薄膜化を行なった。方向となるような，非線形の1−V特性が得ら点接触ウォームキャリア素子の構造をFig．1 れる10）。そして，この1−V特性の非線形性にに示している。同素子は半導体上に金属細線がよって得られる検出電圧は下式のようになる10）。バネの力で点接触（オーム性接触）された構造臨一彫訟屡知・をしており，半導体の裏面には平面電極をもっている。そして点接触された金属細線が赤外レ（1）ーザー光に対してアンテナとして動作し鋤，電流をアンテナ上へ誘起し，誘起された電流が素ここで，E∫はフェ』ルミエネ・ルギー，κはボル子の電流一電圧（1−V）特性の非線形性によツマン定数，T。は半導体の格子温度，τeはエって整流（検波）されて検出電圧が得られるとネルギー緩和時間，μはキャリア移動度，ρは考えられている7｝。この1−V特性の非線形性半導体の抵抗率，71は点電極の接触半経そしてについてはつぎのように考えられている。すな PINは半導体への入射電力である。式（1）からわわち，半導体をはさむ2つの電極の大きさが，かるように，検出電圧y・hは点接触電極の半径 Fig．1のように，際立って違う場合でそれらがオーム性の接触をしている場合，両電極間に外部より電圧が印加されると，半導体内の電界素子を薄膜構造とする場合，点電極の接触半径は点接触電極近傍で大きく平面電極側で小くな解できる。 7、の3乗に反比例一しており，ウォームキャリア 7・を小さくすることがいかに重要であるかが理る。その結果，点接触電極近傍のキヤリアは加点接触部を小さくするために，現在まで，例速，散乱されて温度が高くなり，平面電極側のえば2本の細線を交差させる方法11・12》や絶縁層キャリア温度との聞に差が生ずる。このため，の間にはさまれた金属薄膜の側面にアンテナとキャリア分布はキャリア温度分布に応じて多少なる金属を接触させる方法81等いくつかの方法変位し，点接触電極近傍では多数キャリアが不が提案されているが，これらはいずれもMOM 構造のトンネルダイオードを製作するときに用いられた方法であり，ウォームキャリア素子の足し反対側では過剰となる。このため，p形半導体を用いたときは点接触電極側が平面電極に一69一（286）薄膜ウォームキャリァ赤外レーザー検出素子の試作昭和60年3月 10．6．μm CO2しaser beam（TEMoo） E“ 95擁轍廟t麟＿＿ 3μm （・hmicc・ntact） Antenna 腕勘轡溢黙聴・・＼・一／。H・rce Point contact （φ亀0ユμm：。hmicc。ntact） Fig．2Configuration of the fabricated thin−film warm−carrier device．ように半導体を用いた場合には適さない。そこ電極に対応している。このようにして点対面ので，本研究では半導体上の絶縁層に近年発達の電極対が構成されている。アンテナ長は950μm 著しい集束イオンビームをスポット照射し，そであり，その幅は3μmである。の部分をスパッタエッチングすることによりピ同素子はFig．3に示す工程で製作された。（a）ンホールを形成する方法で点接触部の構造を製まず，鏡面研磨したGeq59−cm p形）上に200 作することとした。このピンホールに接続する nmのSio2スパッター膜と1μm厚のフォトレ薄膜アンテナにはδoω漉アンテナや記o彦アンジスト（AZ−1350J〉を有する試料を準備した。テナ等14）を使用することも考えられるが，本研（b）Geとオーム性接触する平面電極となるレジ究ではウィスカーアンテナを単純に薄膜化したスト部分を紫外線露光した後，・現像を行なってロングワイヤーアンテナを採用することとした。取り除いた。さらに残ったレジストをマスクと以上のことを考慮して設計した素子の構造をし，CHF3ガスを用いてリアクテイブイオンエ Fig．2に示す。図には2つのウォームキャリア素子を並べて示してある。手前の素子はアンテナの中心を通る断面で切ったものを示したものッチングを行ない基板面を露出させた（このときの条件は，イオン電流0．27mA，加速電圧1 で，奥の素子は上部から見た図で素子に対する分である）。（c）Allをスパッタ蒸着した後，ア CO2レーザー光照射実験の様子を示している。セトンによりフォトレジストを取り除き平面電素子の構造は15Ω一cmのp形ゲルマニウム（Ge）極部のみにAuを残した。その後300℃∼350℃ 基板の上に200nmの厚さにスパッタ蒸着された Sio，を有し，そのSio2上に素子のアンテナと得た。（d）電子ビームレジスト（PMMA）を1μm その端子電極が配置されている。そしてアンテの厚さにスピンコートした後，マーカを基準ナの先端部は直径約0．1μmのピンホールを通しとしてアンテナ部とその端子電極および対向す kV，ガス圧6×10−5Torr，エッチング1時間30 に加熱し，AuとGeの良好なオーミック接触をてGe基板とオーミック接触している。また，る平面電極部（図（b）で製作した電極部）を電アンテナ先端の50μm先にはSio2を貫通して基板とオーミックに接触した平面電極（1mm×1 子ビームにより露光，現像してレジストパター mm）が配置され，この電極が点接触構造の裏面したアンテナの根本部分と先端部のレジストパンを得た。Fig．4（a），（b）にこのようにして製作一70一第13巻第3号ザ研究レ（287） SIO2 リV、 S UV−resist ＿綱趨 Sio2 Ge （a） Ge （a）（b） Au Sio2 （c） Gざ EB−reslst （d） Pinhole 惹（b） Fig．4SIM image of PMMA pattem：（a）base （e） ‘e、 Thin。film antenna o｛the antenna（magnification：1000），（b）top of the antenna（magnificaton： 10000）． Fig．3Fabrication process of the thin−film Warm−Carrier deViCe．ターンを示している。このレジストパターン上作法についてもう少し詳しく述べる。当初，ピへCrを5∼10nm蒸着した。Crの蒸着は後のンホールの製作は電子ビーム露光技術とイオン工程で蒸着するAuとSio2の密着性を改善すシャワーによるリアクティブイオンエッチングる上で非常に重要である。次に集束イオンビーを組み合わせた方法で行なった。しかし，電子ムを用いてアンテナの先端部にSio2を貫通しビーム露光でPMMAに直径0．2μm以下の穴をたピンホールを形成した。イオンとしてGaを開けることは困難であった。さらにそのPMMA 用いることは，GaがGeに対してアクセプタとをレジストとしてリアクティブエッチングによして働き，オーミックな接触を得る上で有利である。（e）以上の試料にAuを80∼100nmスパッってSio，に穴を開けるためには穴の直径に比してSio2とレジストを合わせた厚さが薄い場タ蒸着し，トリクロルエチレンを用いてPMMA 合でなければむずかしく，著者らの技術では200 を除去することによって素子が完成した。 nmの厚さのSio2膜に直径0．6μmの穴を開けるのが限界であった。また，この工程では製作上記の素子製作において最も重要な工程は，アンテナとGeを接触させるためにアンテナの先端に製作するピンホールであるので，その製したピンホールの上に位置合わせを行なってアンテナを露光しなければならず，マーカを用い一71一（288）昭和60年3月薄膜ウォームキャリア赤外レーザー検出素子の試作た電子ビームによる多重露光が必要で，工程数が多くなってしまった。この問題点を解決したきた。また，集束イオンビームを使うことによって，薄膜ウォームキャリア素子の製作工程をのは集束イオンビームの使用によってである。前述の電子ビーム露光とリアクティブイオンエごの装置は液体金属イオン源から放出される金ッチングを組み合わせた方法による27工程から属イオンから所望のイオンを選択し，これを100 17工程まで減少できた。 kVで加速した後，レンズ系で集束して試料に集束イオンビームを用いてピンホールを製作照射する装置で，現在イオンビームを直径180 する際，再現性をもたせるということは素子特 nmまで集束することができ、る13）。その上，イオ性のばらっきを抑えるという点で重要なことでンビームで試料表面を走査することによって，ある。特に，素子をアレイに配置する場合には，その際発生する2次電子をとらえて，電子顕微素子特性をそろえる必要がある。著者らは，吸鏡でSEM像を見るようにSIM（Scanninglon 収電流をモニタしながらイオンビーム照射を制 Microscopy）像をとらえることができる。また御する方法でピンホールを製作した。吸収電流走査している集束イオンビームをスポット照射とは，プローブ電流（イオンビームの電流），2 に切り替えると一点がスパッタエッチングされ次電子電流（イオンが照射されたときに発生る。このように集束イオンビーム装置は，試料する2次電子による電流で，正イオンの場合にを見ることと加工することが同時に行なえるたはプローブ電流と同じ方向に流れる〉等を加えめ，マーカを用いることなく仕意の場所に穴を合わせたものであり，材料の違い，ピンホール開けることができる利点をもっている。本実験の深さ等によりイオンによる2次電子のイールでは，Fig．4（a）に示すようにジ1000倍の倍率ドが変化するため，これによる吸収電流の変化でアンテナ部のレジストパターンを探し出し，をモニタすればSio2膜が貫通してGeが現われ次にアンテナを追ってアンテナ先端部を探し出たかどうかがわかるはずである。Fig．6に，Ge した後，IOOOO倍の倍率にしてFig．4（b〉に示すようにアンテナ先端をCRT中央にセットして，上に厚さ90nmのSiO2をもった試料に100keV のGaイオンを照射したときの吸収電流と照射走査している集束イオンビームをスポット照射時問の関係を示している。図から，吸収電流はに切り替えることによってピンホールを製作した。製作したピンホールのSIM像をFig．5に示ロ Sio2（900A）／Ge 80 ！p ：22pA パくしているが，集束イオンビーちを使うことによ 8 って直径0．1μmのピンホールが容易に製作で 10 芒60 豊ヨ ↑ Absorption current リ 40 ⊂ o ■；二 B 820 Resistance 建！パ q Σ ロ 1 Φ り ⊂ φ ツ辺 O．1ω Φ α O 0 50 100σ01 ！rradiation time（sec．） Fig．6Changes of the absorption current and the res量stance of the device with t三me when Fig．5SIM image of the fabricated pinho壼e． the Ga ion beams are三rradia、ted on S iO2 film．一72一第13巻第3号レザー研究照射時間とともに増加し，最高値を経て徐々に（289）（＜㊦0 3 減少することがわかる。この吸収電流一Gaイ癖蓮ォン照射時問プロファイルのどの時点でSiO2 が貫通するのかを確認する●ため，次の実験を行 30 0 ㊦、。盆 δ なった。Gaイオン照射開始後，吸収電流一Ga イオン照射時間プロファイルの特徴的な所で照 10 射を止め，図2（e）の処理を行なった4個の試一〇．3 輌0，2 −O．1 料を作り，各々の試料の抵抗値を測定した。そ 0 0．1 02、 Q3 の結果をFig．6に“○”印で示している。Fig。司oVdtage（V） 6の吸収電流の変化と素子抵抗の変化を比較すると，吸収電流が最高点を通過した直後で素子抵抗が急減することがわかる・同様な実験を一20 一30 SiO2膜厚180nm，270nm，360nm，450nmの各試料について行なった結果，吸収電流とイオン Fig。7 1−V characterist ic of the thin−fi至m 照射時間の関係はSiO・膜厚，プローブ電流によって多少異なるが，すべての試料で吸収電流 Warm−Carrier（ieViCe．が最高点を通過した直後で試料抵抗が急減するに順方向となっていて，ショットー接合によるというFig．6と同様の結果を得た。このことは， 1−V特性とは順方向の極性が逆である。このこ Gaイオン照射による吸収電流が最大となった点で，ピンホールがGeまで達していることを示している。そこで，本研究では吸収電流をモニターし，それが最高点を通過した直後に集束とは，製作した素子が当初の設計どおりウォーている。また，零バイァス時の素子抵抗は23k Ωで，タングステンウィスカーを点接触させたイオンビームの照射を止める方法で穴開けを行ウォームキャリア素子とほぼ同程度の抵抗であなった。この方法で素子を製作することにより，る。このことは，集束イオンビームにより点接素子間の抵抗値の差が非常に小さくなり，再現触並みの接触が薄膜でも実現できたことを示し性よくピンホールを作れるようになった。ている。ムキャリア素子として動作していることを示し次に，Fig．7の1−V特性を示した素子でCO2 3．素子の特性レーザー光に対する検出特性を測定した。測定上記のようにして製作された素子は，点接触系をFig．8に示す。ブリュースタウィンドウに構造素子でタングステン線をp形Geに接触した直後の素子と同様に抵抗値が高く，また素子チョップされて試料に照射されている。レーザ間の抵抗値のばらつきも大きかった・しかし，ー光パワーはチョッピングブレードで反射されこれらの素子に5Vの直流電圧で1∼2回のボるCO2レーザー光をモニタして調整されている。ンディングを行なうことにより素子抵抗が小さ試料台は，レーザー光を軸として90。回転させくなり，素子間の抵抗値のばらつきも少なくなることができ，試料を固定している板をレーザった（Fig．6の抵抗は，このようにボンデインー光の偏波面に対して水平および垂直にさせるグを加えたあとの値である）。Fig．7にボンデことができる。また，試料を固定している板はイング後の薄膜ウォームキャリア素子の1−V 特性を示す。同特性は，前述のウォームキャリことができ，レーザー光に対する入射角依存性より水平偏波されたCO2レーザー光は機械的にレーザー光入射方向に対して角度を変化させるア素子の理論10）から予想されるように，点接触（アンテナパターン）が測定できるようにして側（アンテナ側）に正の電圧が印加されたときある。検出信号はロックインアンプを介してシン一73一（290）薄膜ウォームキャリア赤外レーザー検出素子の試作昭和60年3月 ReferenceSigna1 Oscilloscope イ『’・、／ Power Brewster Window 図onitor 顯廻レ瓢ず 6 ’Focusing 8 ノ O Lens O O O ．讐1圃、、 CO Laser 2 グ on 図ovable ノ Stage pen−Rec・rder Chopping Blade F量g．8Exper圭mental setup employed to abserve the antenna characteristics．分 u10 ハ霞 Eお ε 塁α5 評o．5 E〃 CO2Laser 一 o ＞ Φ beam E⊥ 畢薫、、（で Φ e 1 ハゲリ覧 ’、 Φ E⊥ 、 ’1 へツ Φ o ツ Φ o 0 ∼ 、 ∼ 8 9 Φ ボり x、 Eδ E〃 5 Φ 、一一一一一Theoretical 而 σ u Measured Φ1．0 ．製 ’ 0 5 10 15 20 ！ncident Angしe（deg．） V＼パ〈へへ爪 5 10 15 20 1ncident Angte（deg．） Fig．91ncident angle dependence of the detected Fig．100bserved antenna pattern and theoretical voltage． curvesfor10．6μmCO21aserradiation．クロスコープおよびペンレコーダで測定してい1 垂直な場合には検出電圧も小さく，入射角の増る。加とともに単調増加していることがわかる。こ F三g．9にこのようにして測定した検出電圧ののことは，検出電圧が薄膜アンテナを介して得入射角依存性を示す。図の“○”印はレーザーられたものであることを示している。光が入射面に平行に偏波された場合で， “②” アンテナ特性をさらに検討するために，Fig．印はレーザー光が入射面に垂直に偏波された場 10にFig．9の入射面と平行に偏波されたレーザー光に対する検出電圧入射角依存性を実線で示合である。図は偏波面が入射面に対して平行なときの第1ローブのピーク値で正規化されていしている。また，薄膜アンテナ（アンテナ長る。図から，入射面と平行に偏波されているレ 950μm）が10．6μmレーザー光に対して進行波ーザー光に対しては，検出電圧は入射角度依存アンテナとして動作すると仮定したときの検出性を有しているが，入射光の偏波面が入射面と電圧の理論値を破線で示している。実験値は，一74一第13巻第3号（291）レザ研究 3 た薄膜ウォームキャリア素子を製作した。この素子は，アンテナと半導体の接触半径がO．05μm 以下であり，従来報告された薄膜素子の中では最も小さい接触半径をもった素子である。ハ＞ 4 ） 2 Φ 次に，試作した素子を使ってCO2レーザー光 o 可に対する検出実験を行ない，薄膜素子として初ご o めて10．6μmCO2レーザー光に対するアンテナ指向性の観測に成功した。このことは，Sio、＞で Φ も Φ1 上の薄膜細線が点接触構造のタングステンウィ葛 o スカーと同様CO2レーザー光に対してアンテナとして動作し得ることを示している。しかし，検出感度の値は点接触構造の素子に比べ3∼4 桁小さく，今後感度向上のための素子製作条件 O α1 02 CO2Laser Power（W）の検討が必要である。 Fig．111nput power dependence of the detected voltage．おわりに，薄膜ウォームキャリア素子を製作谷の部分が零にはなっておらず，熱起電力等の重な御助言をいただいた理化学研究所の塩川高アンテナに依存しないと思われる成分が含まれ雄氏に感謝の意を表する。するに当り，集束イオンビーム装置について貴ているものの，第1ローブから第5ローブまで参考文献そのピークの位置が理論値と一致している。このことは，薄膜ウォームキャリア素子の薄膜細 1）安岡，井上：赤外線技術9（1984）36．線が点接触構造のタングステンウィスカーと同 2）A．Sanchez，C．F，Davis，Jr．，K．C．Liu and A．Javan＝様10．6μm CO2レーザー光に対して進行波アン J．Appl。Phys。49（i978）5270． 3）Y．Yasuoka， T．Sakurada， D．P．Siu and T．K．テナとして動作することを示している。しかし，アンテナを介さないと考えられる信号が非常に大きく，特性そのものに関しては今後の改善が Gustafson：J，Appl．Phys．50（1978）5860． 4）Dah−Wen Tsang and S．E Schw＆rz：Appl．Phys． Lett．30（1977）263． 5）N。Inoue，K．Harakawaand Y。Yasuoka：AppL Phys，必要である。 Lett．42（1983）268． CO2レーザー光の入射角をFig．10の第1ローブに固定し，CO2レーザー光の入射パワーを 178．変化したときの検出電圧の変化をFig．11に示している。図から入射パワー0．25Wまでは検出電圧は入射パワーに比例することがわかる。しか 6）L．W，Aukerman and J。W，Erler：Opt．Lett．1（1977） 7）安岡，原川＝レーザー研究10（1982）200． 8）M，Heiblum，S．Y．Wang，J．R．Whinnery and T。K． Gustafson：IEEE J．Quantum Electron．QE。14（1978） 159， 9）Y，Yasuoka、M，Heiblum and T．K。Gusta飴on：Appl．し，検出電圧は，O．2WのCO2レーザー入力に対して2．3μVとタングステンウィスカーを用いた点接触構造素子に比べて3∼4桁低く，感 Phys，Lett．34（し979）823、度向上のための研究が今後必要である。 F、J。Bachner and D、L Smythe：AppL Phys，Lett．24 10）R。L Harrison and J．Zucker：Proc．IEEE54d966） 588． ll）J。G。Small，G．M．Elchinger，A．Javan，A．Sanchez、（1974）275。 4．結論 12）E．Weisendanger and F．KneubOhi：Appl，Phys．13 （1977）343．電子ビーム，集束イオンビーム等を用いた微細加工技術により，Si o、上のアンテナをピンホールを通して基板のGeと接触する構造をし B）T．Shiokawa，Y．Aoyagi，P．H．Kim、K．Toyoda and S．Namba：Jpn．J．AppL Phys．23（1984）L232． 14）水野：信学誌67（1984）896．一75一