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透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス及びその製造方法 UPDATE 外国出願あり

国内特許コード P210017773
整理番号 P20170013-01
掲載日 2021年6月10日
出願番号 特願2019-537584
出願日 平成30年8月16日(2018.8.16)
国際出願番号 JP2018030396
国際公開番号 WO2019039371
国際出願日 平成30年8月16日(2018.8.16)
国際公開日 平成31年2月28日(2019.2.28)
優先権データ
  • 特願2017-161661 (2017.8.24) JP
発明者
  • 金森 義明
  • 羽根 一博
  • 江間 大祐
出願人
  • 国立大学法人東北大学
発明の名称 透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス及びその製造方法 UPDATE 外国出願あり
発明の概要 本発明は、半導体からなる基板に複数のダイオードが搭載されている光ディテクタアレイ上に、透明スペーサ層、導波層、所望により設ける透明バッファ層、表面プラズモンが発現する厚みを有する透過型金属格子層、及び所望により設ける透明保護膜層を、この順に有することを特徴とする透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス(透過型GMRG一体型分光デバイス)を提供する。
従来技術、競合技術の概要

従来の分光器は回折格子を用いた分光器が主流で、分光するために空間が必要なため小型化に限界がある。また従来の分光器は、光軸を調整するために人が微調整するため、コストがかかる。

近年、Ebbesenらによって表面プラズモンによる異常透過現象が発見されて以来、金属のナノ構造を利用したプラズモニックカラーフィルタの研究が盛んに行われている(非特許文献1)。
プラズモニックカラーフィルタは構造により様々なフィルタを製作できること、フィルタ厚を数十ナノメートルオーダーで実現できることなど従来の色素の吸収を用いたフィルタにはない様々な利点をもつ。また近年ではナノ構造をモールドに形成し、ウェハ上の樹脂に押し当てパターンを形成するナノインプリント技術が提案され、生産性の面でも向上が期待できる。

一方、新しい光学素子として導波モード共鳴格子(Guided-mode resonant grating:GMRG)(非特許文献2及び非特許文献3)が注目されている。GMRGはサブ波長格子の波長選択フィルタである。理論値では狭帯域で100%の反射率を持つ。サブ波長格子は回折格子の周期を光の波長以下まで短くしたものである。回折波の次数が抑えられ、0次の透過波と反射波しか生じない。GMRGは周期や格子幅などを制御することによって反射率や透過率特性を変化させることができ、光通信用の波長選択フィルタへの応用が報告されている。GMRGによる波長選択素子は、従来の薄膜積層型波長選択素子と比較して、少ない積層数で同等の波長選択性を示し、積層数を増やすことでより高度な光学設計が可能となる。また、光学特性は格子周期や格子幅で決まるため、同一高さの格子であっても格子のパターニング次第で様々な波長選択特性を持つ複数の波長選択素子を同一基板上に一括製作することができる。

産業上の利用分野

本発明は光計測・分析、光情報処理・表示等に用いる分光デバイス及びその製造方法に関する。更に詳しく言えば、金属薄膜表面のプラズモン共鳴を利用した透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス(透過型GMRG一体型分光デバイス)及びその製造方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
半導体からなる基板に複数のダイオードが搭載されている光ディテクタアレイ上に、透明スペーサ層、導波層、所望により設ける透明バッファ層、表面プラズモンが発現する厚みを有する透過型金属格子層、及び所望により設ける透明保護膜を、この順に有することを特徴とする透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス(透過型GMRG一体型分光デバイス)。

【請求項2】
前記導波層の屈折率が、該導波層を挟む前記透明スペーサ層及び前記透明バッファ層の屈折率より大きい請求項1に記載の透過型GMRG一体型分光デバイス。

【請求項3】
前記導波層の材料が、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化アルミニウム(Al23)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化タンタル(Ta25)、酸化チタン(TiO2)、窒化シリコン(Si34及びSiN)、酸窒化シリコン(SiON)、炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、及び高屈折率のポリマーから選択される請求項1または2に記載の透過型GMRG一体型分光デバイス。

【請求項4】
前記基板の材料が、シリコン(Si)、Ge、InGaAs、GaN、GaAs、AlGaAs、GaAsP、GaP、CIS(銅、インジウム、セレンからなる化合物半導体)、及びCIGS(銅、インジウム、ガリウム及びセレンからなる化合物半導体)から選択される請求項1~3のいずれかに記載の透過型GMRG一体型分光デバイス。

【請求項5】
前記基板がシリコン基板であり、前記透明スペーサ層がSiO2層であり、前記導波層が酸化ハフニウム(HfO2)層であり、前記透明バッファ層がSiO2層である請求項1~4のいずれかに記載の透過型GMRG一体型分光デバイス。

【請求項6】
前記透過型金属格子層の金属が、金、銀、アルミニウム、及び銅から選択される請求項1~5のいずれかに記載の透過型GMRG一体型分光デバイス。

【請求項7】
前記透過型金属格子層の金属がアルミニウム(Al)であり、格子構造周期Λが100~560nmであり、Λに対するAlドット一辺の長さαの比で表されるフィルファクター(FF)の値が0.4~0.95である請求項1~6のいずれかに記載の透過型GMRG一体型分光デバイス。

【請求項8】
透明バッファ層がSiO2層であり、その厚み(tb)が0~300nmである請求項1~7のいずれかに記載の透過型GMRG一体型分光デバイス。

【請求項9】
請求項1~8のいずれかに記載の透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス(透過型GMRG一体型分光デバイス)を搭載した製品。

【請求項10】
請求項1~8のいずれかに記載の透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス(透過型GMRG一体型分光デバイス)の製造方法であって、前記光ディテクタアレイを製作し、引き続いて、前記基板上に前記透明スペーサ層、前記導波層、所望により前記透明バッファ層、前記透過型金属格子層、及び所望により前記透明保護膜層をこの順に積層することを特徴とする製造方法。

【請求項11】
請求項1~8のいずれかに記載の透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス(透過型GMRG一体型分光デバイス)の製造方法であって、前記光ディテクタアレイを製作し、別途、前記透明スペーサ層となる透明基板上に前記導波層、所望により前記透明バッファ層、前記透過型金属格子層、及び所望により前記透明保護膜層をこの順に積層してなる透過型導波モード共鳴格子構造体を製作し、前記光ディテクタアレイと前記透過型導波モード共鳴格子構造体の透明スペーサ層とを接合することを特徴とする製造方法。

【請求項12】
前記透過型金属格子層(GMRG)の格子パターンまたはそのマスクをナノインプリント、ステッパーまたは電子線描画を用いて形成する工程を含む請求項10または11に記載の透過型GMRG一体型分光デバイスの製造方法。

【請求項13】
透明基板、導波層、所望により設ける透明バッファ層、表面プラズモンが発現する厚みを有する透過型金属格子層、及び所望により設ける透明保護膜をこの順に有することを特徴とする透過型導波モード共鳴格子構造(透過型GMRG構造)。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2019537584thum.jpg
出願権利状態 公開
参考情報 (研究プロジェクト等) 金森・岡谷研究室
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