JP2006343410A - Polariton waveguide - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属表面を伝播する光の伝播損失を低減した光導波路に関する。 The present invention relates to an optical waveguide with reduced propagation loss of light propagating on a metal surface.
情報通信の急速な進展に伴い大規模集積化に向けた超微細光回路実現の期待が高まっており、微細化に向けたいくつかの検討が進められている。従来の誘電体の屈折率差を利用して光閉じこめを行う光導波路技術を革新する手法として、金属導波路(ポラリトン導波路)の応用が提案されている(特許文献1,非特許文献1参照)。これは金属と誘電体との界面に局在しながら界面を伝搬する波動を利用するもので、従来の金属反射を利用する中空導波路とは原理的に異なる。表面を伝搬する波動は、電磁波の一種であり、表面プラズモンポラリトン(Surface Plasmon Polariton:SPP)波と呼ばれる。
With the rapid development of information and communication, there is an increasing expectation for the realization of ultra-fine optical circuits for large-scale integration, and several studies for miniaturization are underway. Application of metal waveguides (polariton waveguides) has been proposed as a technique to innovate optical waveguide technology that confines light using the refractive index difference of a conventional dielectric (see
光を含む電磁波は、マックスエル(Maxwell)の方程式から演繹される電場と磁場とが交番するサイクル構造を有する波動である。このサイクル構造に物質の素励起を組み込んだものがSPP波である。組み込み対象は、プラズマ振動(プラズモン)である。金属導波路では、伝導電子系がプラズモンを担う媒質となる。 An electromagnetic wave including light is a wave having a cycle structure in which an electric field and a magnetic field are deduced from Maxwell's equations. An SPP wave is obtained by incorporating elementary excitation of a substance into this cycle structure. The object of incorporation is plasma vibration (plasmon). In a metal waveguide, a conduction electron system is a medium that bears plasmons.
一般に、素励起の電磁波サイクルヘの組み込みは、種々の要因により制限されるが、対称性が破壊される界面では可能となる。プラズマ振動は、進行方向に対して粗密分布を形成する縦波で、バルク金属中では、電子の振動による分極は変位電流と相殺されてrotH=0となり、横波である電磁波への直接的組み込み(結合)は起こらない。しかし、金属表面では、自由空間側に存在するTM波の電場により、垂直方向の電子の運動でも電子凝集領域が発生し、表面電子密度波(表面プラズモン)が形成される。このとき、表面プラズモンは、電磁場と結合していて電磁波のサイクル構造が形成されている(図7参照)。 In general, incorporation of elementary excitation into the electromagnetic wave cycle is limited by various factors, but is possible at interfaces where symmetry is broken. Plasma vibration is a longitudinal wave that forms a dense distribution with respect to the traveling direction. In bulk metal, the polarization due to the vibration of electrons cancels the displacement current and becomes rotH = 0, and is directly incorporated into an electromagnetic wave that is a transverse wave ( Bonding does not occur. However, on the metal surface, due to the electric field of the TM wave existing on the free space side, an electron aggregation region is generated even by the movement of electrons in the vertical direction, and surface electron density waves (surface plasmons) are formed. At this time, the surface plasmon is combined with an electromagnetic field to form an electromagnetic cycle structure (see FIG. 7).
表面プラズモンと自由空間の電磁波が結合した状態で伝搬するSPP波が存在するためには、電磁波の表面局在性が必要である。このためには、垂直方向で界面からのエネルギーの流出がないことが必要である。また、表面に沿った電場及び磁場成分は、連続でなければならない。これらを考慮すると、表面局在の条件を導出することができる。 In order for an SPP wave that propagates in a state where surface plasmons and electromagnetic waves in free space are combined to exist, surface localization of the electromagnetic waves is necessary. For this purpose, it is necessary that there is no outflow of energy from the interface in the vertical direction. Also, the electric and magnetic field components along the surface must be continuous. Considering these, the condition for surface localization can be derived.
図8は、誘電率がε1の媒質と誘電率がε2の媒質との界面における電磁波の場の成分を、TM波とTE波の2つの固有モードに分けて示した説明図である。表面内の磁場Hxと、垂直及び進行方向に沿った電場成分Ey,Ezを有するTMモードでは、表面局在性と連続の条件から「2つの媒質の誘電率が異符号である」という条件が導出される。例えば、ε1>0ならばε2<0となる必要がある。このときエネルギーの進行方向は、2つの媒質でともにz方向であるためには、電場の垂直成分は界面を挟んで反転する必要があるが、これは電磁場では許される条件である。上述したように、金属表面でSPP波が発生するためには、金属の誘電率が負である必要があることがわかる。以下、金属の誘電率が負となる条件を考察する。 FIG. 8 is an explanatory diagram showing the electromagnetic wave field component at the interface between the medium having a dielectric constant of ε 1 and the medium having a dielectric constant of ε 2 divided into two eigenmodes of TM wave and TE wave. In the TM mode having the magnetic field H x in the surface and the electric field components E y and E z along the vertical and traveling directions, “the dielectric constants of the two media have different signs” from the surface localization and continuity conditions. The condition is derived. For example, if ε 1 > 0, ε 2 <0 needs to be satisfied. At this time, in order for the energy traveling direction to be the z direction in the two media, the vertical component of the electric field needs to be reversed across the interface, but this is a condition permitted in the electromagnetic field. As described above, it is understood that in order for the SPP wave to be generated on the metal surface, the dielectric constant of the metal needs to be negative. Hereinafter, the conditions under which the dielectric constant of the metal is negative will be considered.
原子束縛性の小さい金属では、金属電子は、電子間相互作用及び結晶格子による散乱が無視できる自由電子ガスとして考えることができる。このような電子の運動方程式は、光の交番電場を外力と考えて、 In metals with low atomic binding properties, metal electrons can be considered as free electron gases in which the interaction between electrons and scattering by the crystal lattice can be ignored. Such an equation of motion of electrons considers the alternating electric field of light as an external force,
m(d2/dt2)r+mγ(d/dt)r=−eE・・・(1) m (d 2 / dt 2 ) r + mγ (d / dt) r = −eE (1)
と示すことができる。なお、(1)式において、mは電子質量、rは電子の位置(ベクトル)、Eは光波の電場、γは電気伝導度に関するパラメータを表す。 Can be shown. In equation (1), m is the electron mass, r is the electron position (vector), E is the electric field of the light wave, and γ is a parameter related to the electrical conductivity.
角周波数γの光の電場Eは、振動項exp(−iωt)を含んでいること、実効電流密度Jを局所電子密度Nとその周辺の電子の速度dr/dtを用いてJ=−θN(d/dt)rと示せること、さらにこの電流による分極がP=iJ/ωであることを考慮すると、電子系の比誘電率εmは以下の(2)式に示すように導出できる。 The electric field E of the light having the angular frequency γ includes the vibration term exp (−iωt), and the effective current density J is determined as J = −θN (local electron density N and the velocity of the surrounding electrons dr / dt J = −θN ( In view of the fact that it can be expressed as d / dt) r and that the polarization due to this current is P = iJ / ω, the relative permittivity ε m of the electron system can be derived as shown in the following equation (2).
εm=1−(ωp/ω)2×(1−i/ωτ)/{1+1/(ωτ)2}・・・(2) ε m = 1− (ω p / ω) 2 × (1-i / ωτ) / {1 + 1 / (ωτ) 2 } (2)
なお、ここでは、プラズマ振動数:ωp={Ne2/(mε0)}1/2、及び緩和時間:τ≡1/γ用いている。 Here, the plasma frequency: ω p = {Ne 2 / (mε 0 )} 1/2 and the relaxation time: τ≡1 / γ are used.
光波と自由電子ガスとの相互作用は、比誘電率の実数部により特徴付けられる。プラズマ振動数を境に、高周波数(短波長)側では比誘電率となるのに対し、低周波数側(長波長)側では負となる。従って、光電子放出等の相互作用を除けば、通常の誘電体と同様に電子系は高周波数領域で光に対して透明媒体として振る舞う。一方、比誘電率が負となる低周波数領域では波数が虚数となるので、通常の電磁波は存在できない。このとき、入射しようとする光は表面で全反射する。 The interaction between the light wave and the free electron gas is characterized by the real part of the dielectric constant. With the plasma frequency as a boundary, the dielectric constant is on the high frequency (short wavelength) side, whereas it is negative on the low frequency (long wavelength) side. Therefore, except for interactions such as photoelectron emission, the electronic system behaves as a transparent medium with respect to light in a high frequency region, as in a normal dielectric. On the other hand, in the low frequency region where the relative permittivity is negative, the wave number becomes an imaginary number, and therefore normal electromagnetic waves cannot exist. At this time, the light to be incident is totally reflected on the surface.
金属の誘電率が負となることが金属性の条件である。この金属性を強めるためには、式(2)からプラズマ振動数を高くすればよいことがわかる。このため、金属導波路においては、電子密度が高く有効質量(m)が小さい金属が望まれる。図9に種々の金属材料の誘電率(実数部)の波長依存性を示す。Crを除きAu,Ag,Taなどの貴金属系の材料のほか、広い波長帯で強い金属性を示すAlが、金属導波路には適用可能である。ただし、Alは表面酸化により電導性が大幅に劣化しやすく、このことが、SPP波の伝搬を阻害する要因となりうる。 The metallic condition is that the dielectric constant of the metal is negative. It can be seen from equation (2) that the plasma frequency should be increased in order to enhance this metallicity. For this reason, in a metal waveguide, a metal having a high electron density and a small effective mass (m) is desired. FIG. 9 shows the wavelength dependence of the dielectric constant (real part) of various metal materials. In addition to precious metal materials such as Au, Ag, and Ta except for Cr, Al that exhibits strong metallic properties in a wide wavelength band can be applied to the metal waveguide. However, the conductivity of Al is likely to be greatly deteriorated due to surface oxidation, and this may be a factor that inhibits the propagation of SPP waves.
表面局在するSPP波は、TM波であることが判明しているので、次に、電磁場に関する基礎方程式を、上記(1)式(マックスエル方程式)から導出する。SPP波に対して指数関数的に減衰する特殊解を仮定して伝搬定数をβとすると、SPP波は次のように記述できる。 Since the surface-localized SPP wave has been found to be a TM wave, a basic equation related to the electromagnetic field is derived from the above equation (1) (Maxell equation). Assuming a special solution that attenuates exponentially with respect to the SPP wave, if the propagation constant is β, the SPP wave can be described as follows.
E=E0f(y)exp[i(βz−ωt)];H=H0f(y)exp[i(βz−ωt)]・・・(3)
f(y)=exp(−S1y);y≧0,=exp(S2y);y≦0・・・(4)
E = E 0 f (y) exp [i (βz−ωt)]; H = H 0 f (y) exp [i (βz−ωt)] (3)
f (y) = exp (−S 1 y); y ≧ 0, = exp (S 2 y); y ≦ 0 (4)
電磁場の各成分をマックスエル方程式に入れて連続の条件と合わせて解くと、伝搬定数βと減衰パラメータ(S1、S2)とは、次のように定めることができる。 When each component of the electromagnetic field is put into the Maxell equation and solved together with the continuous condition, the propagation constant β and the attenuation parameters (S1, S2) can be determined as follows.
β=k0{(ε1εm)/(ε1+εm)}1/2;S1={β2/(ε1ko)2}1/2;S2={β2/(εmko)2}1/2・・・(5) β = k 0 {(ε 1 ε m ) / (ε 1 + ε m )} 1/2 ; S 1 = {β 2 / (ε 1 ko) 2 } 1/2 ; S 2 = {β 2 / (ε m ko) 2 } 1/2 (5)
前述したように、媒質の誘電率が負であることが、SPP波を利用できる条件となる。この条件は、通常の金属のほかフリーキャリアを有する半導体でも成立する。ただし、半導体をSPP波の導波路材料として利用する場合、半導体におけるフリーキャリア密度が問題となる。プラズマ周波数ωpは、フリーキャリアの密度Nで「ωp={Ne2/(mε0)}1/2」として決定され、キャリア密度が小さいとプラズマ周波数も小さくなる。これは、半導体の負の誘電率を持つ波長領域が、超長波長領域に限定されてしまうことを意味している。 As described above, the negative permittivity of the medium is a condition for using the SPP wave. This condition also holds for semiconductors having free carriers in addition to ordinary metals. However, when a semiconductor is used as a waveguide material for SPP waves, the free carrier density in the semiconductor becomes a problem. The plasma frequency ω p is determined as “ω p = {Ne 2 / (mε 0 )} 1/2 ” based on the free carrier density N, and the plasma frequency decreases as the carrier density decreases. This means that the wavelength region having a negative dielectric constant of the semiconductor is limited to the ultra-long wavelength region.
しかしながら、半導体中のフリーキャリアの密度を増大させることで、半導体と誘電体との界面で、近赤外から赤外領域のSPP波を発生させ、発生させたSPP波を導波させる音が可能となる。このためには、例えば、半導体に価電子数の異なるドーピングを行い、電子数密度を高くして高ドープのn型の半導体とすればよい。例えばSiの場合には、Pをドーピングすることで、図10に示すように、n型の半導体となる。 However, by increasing the density of free carriers in the semiconductor, it is possible to generate SPP waves in the near-infrared to infrared region at the interface between the semiconductor and the dielectric, and to sound the generated SPP waves. It becomes. For this purpose, for example, the semiconductor may be doped with a different number of valence electrons to increase the electron number density to make a highly doped n-type semiconductor. For example, in the case of Si, doping with P results in an n-type semiconductor as shown in FIG.
金属を負の誘電率側の材料として用いる場合、金属の電子数密度が1023cm-3程度であり、プラズマ振動の波長は160nm程度となる。このような波長の短いプラズマ振動では、効率よく結合して効率よく閉じこめることのできる光(SPP波)の波長が紫外域となり、通信波長帯で用いられている近赤外の波長では、高い効率が得られない。これに対し、上述したように半導体を負の誘電率側の材料として用いれば、導入する不純物濃度により電子数密度の調整が可能であり、通信波長帯で用いられている波長の光を効率よく結合して効率よくSPP波を発生(励起)させ、発生したSPP波を効率よく閉じこめることが可能となる。 When a metal is used as a material on the negative dielectric constant side, the electron number density of the metal is about 10 23 cm −3 and the wavelength of plasma vibration is about 160 nm. In such short-wavelength plasma oscillation, the wavelength of light (SPP wave) that can be efficiently coupled and confined efficiently is in the ultraviolet region, and high efficiency is achieved at the near-infrared wavelength used in the communication wavelength band. Cannot be obtained. On the other hand, if a semiconductor is used as a material on the negative dielectric constant side as described above, the electron number density can be adjusted by the impurity concentration to be introduced, and light having a wavelength used in the communication wavelength band can be efficiently used. It is possible to efficiently generate (excite) the SPP wave by coupling and efficiently confine the generated SPP wave.
しかしながら、高いキャリア密度を実現するために不純物を高濃度で半導体にドーピングすると伝播損失が増大する。すなわち、(5)式におけるβの虚数部から評価される損失係数は、図11に示すように、金属性が強い近赤外領域で小さくなる傾向にある。特に1.55μm近傍の光ファイバ通信で用いられる波長領域では、酸化の影響がないAu−SiO2界面で実用に供し得る100cm-1以下の低損失性も得られているが、式(5)により評価できるβの虚数部の源泉である以下の(6)式に示される誘電率の虚数部のように緩和時間の関数として表され、この物理的意味であるキャリアの散乱により、SPP波が減衰することが示されている。 However, if a semiconductor is doped with a high concentration of impurities in order to realize a high carrier density, propagation loss increases. That is, as shown in FIG. 11, the loss coefficient evaluated from the imaginary part of β in the equation (5) tends to be small in the near infrared region where the metallic property is strong. In particular, in the wavelength region used for optical fiber communication in the vicinity of 1.55 μm, a low loss of 100 cm −1 or less that can be practically used at the Au—SiO 2 interface that is not affected by oxidation is obtained. It is expressed as a function of relaxation time like the imaginary part of the dielectric constant shown in the following equation (6), which is the source of the imaginary part of β that can be evaluated by: It has been shown to decay.
εm (i)=(ωp/ω)2×[ωτ/{1+(ωτ)2}]・・・(6) ε m (i) = (ω p / ω) 2 × [ωτ / {1+ (ωτ) 2 }] (6)
また、誘電率の虚数部は、図12に示すように、光周波数が低くなるにつれ(波長が長くなるにつれ)指数関数的に増大する傾向にある。これは、周波数が低下するにつれ電子が交番電場に追従して長距離を移動することにより多くの散乱を受けるためである。見かけ上SPPの伝播損失が長波長側で低下するのは、誘電率の実数部が負でその絶対値が大きくなるからであって、損失の本質である誘電率の虚数部自体が小さくなることに起因したものではない。以上に説明したように、負の誘電率側の材料として半導体を用いたポラリトン導波路では、通信波長帯への適用が可能であるが、効率があまり高くないという問題があった。 Further, as shown in FIG. 12, the imaginary part of the dielectric constant tends to increase exponentially as the optical frequency becomes lower (as the wavelength becomes longer). This is because as the frequency decreases, the electrons follow the alternating electric field and travel a long distance to receive more scattering. Apparently, the SPP propagation loss decreases on the long wavelength side because the real part of the dielectric constant is negative and its absolute value increases, and the imaginary part of the dielectric constant itself, which is the essence of the loss, decreases. It is not caused by. As described above, a polariton waveguide using a semiconductor as a material on the negative dielectric constant side can be applied to a communication wavelength band, but has a problem that efficiency is not so high.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より効率よく通信波長帯域へ適用可能なポラリトン導波路を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a polariton waveguide that can be more efficiently applied to a communication wavelength band.
本発明に係るポラリトン導波路は、第1電極と、この第1電極の上に形成されてn型の不純物が導入されたn型半導体層と、このn型半導体層の上に接して形成されたp型の不純物が導入されたp型半導体層と、このp型半導体層の上に接して形成された絶縁層と、この絶縁層の上に形成された第2電極とを少なくとも備え、p型半導体層の絶縁層側の表面に誘起される表面プラズモンポラリトンが導波されるようにしたものである。第1電極に負、第2電極に正となるように電圧を印加すると、p型半導体層の絶縁層側近傍に電子数密度が高くされた反転分布層が形成される。なお、第1電極とn型半導体層との間に配置されて半導体からなるバッファ層を備えるようにしてもよい。 The polariton waveguide according to the present invention is formed in contact with the first electrode, the n-type semiconductor layer formed on the first electrode and doped with n-type impurities, and the n-type semiconductor layer. A p-type semiconductor layer doped with p-type impurities, an insulating layer formed on and in contact with the p-type semiconductor layer, and a second electrode formed on the insulating layer. The surface plasmon polariton induced on the surface of the insulating layer side of the type semiconductor layer is guided. When a voltage is applied so that the first electrode is negative and the second electrode is positive, an inversion distribution layer having an increased electron number density is formed in the vicinity of the insulating layer side of the p-type semiconductor layer. A buffer layer made of a semiconductor may be provided between the first electrode and the n-type semiconductor layer.
上記表面プラズモンポラリトンは、第2電極が形成されている幅の間を導波するので、導波路としたい部分の併せて第2電極を形成すればよい。また、上記ポラリトン導波路において、n型半導体層は、第1電極の周囲に形成され、p型半導体層は、n型半導体層の周囲を覆うように形成され、絶縁層は、p型半導体層の周囲を覆うように形成され、第2電極は、絶縁層の周囲に形成されているようにし、円筒状の導波路が構成されているようにしてもよい。また、絶縁層は、第2電極の周囲に形成され、p型半導体層は、絶縁層の周囲を覆うように形成され、n型半導体層は、p型半導体層の周囲を覆うように形成され、第1電極は、n型半導体層の周囲に形成されているようにして円筒状の導波路が構成されているようにしてもよい。 Since the surface plasmon polariton is guided through the width in which the second electrode is formed, the second electrode may be formed together with a portion to be a waveguide. In the polariton waveguide, the n-type semiconductor layer is formed around the first electrode, the p-type semiconductor layer is formed to cover the periphery of the n-type semiconductor layer, and the insulating layer is the p-type semiconductor layer. The second electrode may be formed around the insulating layer to form a cylindrical waveguide. The insulating layer is formed around the second electrode, the p-type semiconductor layer is formed to cover the periphery of the insulating layer, and the n-type semiconductor layer is formed to cover the periphery of the p-type semiconductor layer. The first electrode may be formed around the n-type semiconductor layer to form a cylindrical waveguide.
また、上記ポラリトン導波路において、第2電極のp型半導体層とは反対側に形成された他のp型半導体層と、第2電極とは反対側の他のp型半導体層の上に接して形成された他のn型半導体層と、他のp型半導体層とは反対側の他のn型半導体層の上に形成された第3電極と、p型半導体層と他のp型半導体層との対向面を含む領域内に配置されて第2電極に形成された開口領域と、第2電極と他のp型半導体層との間に形成された他の半導体層とを備え、半導体層と他の半導体層とは、開口領域で連通して一体に形成され、p型半導体層と他のp型半導体層との間隔は、p型半導体層の絶縁層側の表面に誘起される第1表面プラズモンポラリトンと他のp型半導体層の他の半導体層側の表面に誘起される第2表面プラズモンポラリトンとが結合する範囲に形成されているようにしてもよい。 The polariton waveguide is in contact with another p-type semiconductor layer formed on the opposite side of the second electrode to the p-type semiconductor layer and on the other p-type semiconductor layer opposite to the second electrode. A third electrode formed on the other n-type semiconductor layer formed on the opposite side of the other p-type semiconductor layer, the p-type semiconductor layer, and the other p-type semiconductor. An opening region disposed in a region including a surface facing the layer and formed in the second electrode, and another semiconductor layer formed between the second electrode and another p-type semiconductor layer, The layer and the other semiconductor layer are integrally formed in communication with each other in the opening region, and the interval between the p-type semiconductor layer and the other p-type semiconductor layer is induced on the surface of the p-type semiconductor layer on the insulating layer side. A first surface plasmon polariton and a second surface plasmon polariton induced on the surface of another p-type semiconductor layer on the other semiconductor layer side; It may be formed in a range bound to.
以上説明したように、本発明によれば、n型の不純物が導入されたn型半導体層と、この上に接して形成されたp型の不純物が導入されたp型半導体層と、この上に接して形成された絶縁層とにより、p型半導体層の絶縁層側近傍に電子数密度が高くされた反転分布層が形成されるようにしたので、より効率よく通信波長帯域へ適用可能なポラリトン導波路が実現できるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, an n-type semiconductor layer into which an n-type impurity has been introduced, a p-type semiconductor layer into which a p-type impurity has been formed formed in contact therewith, Since the inversion distribution layer having a high electron number density is formed in the vicinity of the insulating layer side of the p-type semiconductor layer by the insulating layer formed in contact with the semiconductor layer, it can be applied to the communication wavelength band more efficiently. An excellent effect that a polariton waveguide can be realized is obtained.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態におけるポラリトン導波路の構成例を示す斜視図である。図1に示すポラリトン導波路は、例えばシリコンからなる基板101の上に、n型の不純物が高濃度に導入されたシリコンからなる膜厚50nm程度のn型半導体層102、p型の不純物が低濃度に導入されたシリコンからなる膜厚20nm程度のp型半導体層103、及び酸化シリコンからなる膜厚30〜50nm程度の絶縁層104がこれらの順に積層されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a configuration example of a polariton waveguide according to an embodiment of the present invention. In the polariton waveguide shown in FIG. 1, for example, an n-
加えて、図1に示すポラリトン導波路では、絶縁層104の上に金属からなる幅1μm程度の電極層105が形成されている。n型半導体層102は、例えばリン(P)が不純物として1018cm-3程度導入されている。また、p型半導体層103は、例えばボロン(B)が1013cm-3程度導入されている。なお、例えば、基板101に不純物を導入して導電性を付与することで、電極層105の対となる他方の電極することができる。また、図示しない金属電極を、基板101の裏面側に配置し、電極層105の対となる他方の電極としてもよい。この場合、基板101が、半導体バッファ層となる。ところで、シリコンに限らず、他の半導体材料を用いるようにしてもよいことは、言うまでもない。
In addition, in the polariton waveguide shown in FIG. 1, an
図1に示すポラリトン導波路における層厚方向のバンドダイアグラムを図2に示す。n型半導体層102とp型半導体層103との接合部分では、フェルミエネルギーEFを同一にしようとするケミカルポテンシャルの力が働くため、図2に示すように、接合界面でバンドが大きく歪んでいる。n型半導体層102ではドーピングにより放出された電子が、伝導体に存在する。一方、p型半導体層103では、ドーパントが価電子帯の電子を吸収するため、少数のキャリア(正孔)が価電子帯に存在するのみである。
FIG. 2 shows a band diagram in the layer thickness direction in the polariton waveguide shown in FIG. The junction between the n-
このようなp型半導体層103の外側に絶縁層104を介して電極層105を配置し、正の方向にバイアス電圧を印加すると、p型半導体層103と絶縁層104との界面のバンドが歪み、p型半導体層103の側でバンドの底がフェルミエネルギー以下となり反転分布層201が形成される。このようにして形成された反転部分層201は、p型半導体層103の絶縁層104側のごく表面の浅い部分に形成されるため、蓄積する電子数密度は高くなる。このため、この反転分布層201と絶縁層104との界面にSPP波が発生し得る。さらに、p型半導体層103層を薄くすると、n型半導体層102に蓄積している電子をトンネルにより反転分布層201に移動させることができる。
When the
SPP波は界面に局在し、特に負の誘電率を持つ媒質(半導体層)側では高々数ナノメートルの領域に存在し、半導体側でSPP波が存在するのはp型半導体層103の領域である。このため、図2に示すようなバンド構成では、高濃度のドーピングを施した電子供給領域(n型半導体層102)と、低濃度のドーピングで電子散乱源の数を減らして緩和時間を増大させたSPP波伝播領域(p型半導体層103)とを分離することが可能となる。従って、図1に示す構成のポラリトン導波路によれば、高キャリア密度と低損失(低抵抗)を同時に達成することができる。
The SPP wave is localized at the interface, and is present in the region of several nanometers at most on the medium (semiconductor layer) side having a negative dielectric constant, and the SPP wave is present on the semiconductor side in the region of the p-
上述した構成の図1に示すポラリトン導波路によれば、反転分布層201は電極層105が配置されている領域に形成される。従って、図1に示すポラリトン導波路では、電極層105が配置されている領域にSPP波が導波する。また、図1に示すポラリトン導波路では、例えば、一方の端部より光が入射すると、端部に露出するp型半導体層103の表面で、表面プラズモンと入射光とが結合したSPP波が発生(誘起)し、発生したSPP波が導波路を導波する。また、他方の端部において、導波してきたSPP波による表面プラズモンより光が励起されて出力(発振)する。
According to the polariton waveguide shown in FIG. 1 having the above-described configuration, the
ところで、半導体がシリコンの場合、不純物のドーピングの限界は、1019cm-3程度であり、金属の電子数密度1023cm-3に比較して4桁ほど小さい。しかしながら、前述したように形成される反転分布層201は、表面より数ナノメートルの領域に電子を閉じこめているので、この領域では、電子数密度が大幅に増大した状態とされている。特に、反転分布層201は、絶縁層104の側の表面のポテンシャルが最も低く、伝導帯端が尖っている三角形状のポテンシャル分布となっているので、電子が表面に集中しやすい状態となっている。
When the semiconductor is silicon, the impurity doping limit is about 10 19 cm −3, which is about four orders of magnitude smaller than the metal electron density of 10 23 cm −3 . However, since the
ここで、電子数密度(ρ)は、「ρ=N/L3・・・(7)」で示され、さらに、表面電子数密度(ρs)は、「ρs=N/L2」で示され、ρ=Lρsという関係がある。ドーパントから1個の電子が供給されるとして1015cm-2程度の表面電子数密度を仮定すると、反転分布層201は、層厚が1nm程度であるので、ここに電子が集約されるものと考えると、反転分布層201の電子数密度は、1022cm-2と試算される。従って、反転分布層201が形成される半導体層の表面におけるプラズマ周波数は、金属を用いた場合のプラズマ周波数の高々1/3倍程度に減少するだけである。典型的な金属であるAuのプラズマ波長は約160nmなので、反転分布層201におけるプラズマ波長は480nm程度となり、半導体(p型半導体層103)の表面の反転分布層201においては、可視から近赤外領域のSPP波を発生させて導波させることが可能となる。
Here, the electron number density (ρ) is expressed by “ρ = N / L 3 (7)”, and the surface electron number density (ρ s ) is “ρ s = N / L 2 ”. And there is a relationship of ρ = Lρ s . Assuming a surface electron number density of about 10 15 cm −2 on the assumption that one electron is supplied from the dopant, the
次に、本発明の実施の形態における他のポラリトン導波路について説明する。図3は、本発明の実施の形態における他のポラリトン導波路の構成例を模式的に示す断面図である。図3に示すポラリトン導波路は、中央部に配置された中心電極層301と、この周囲に配置された半導体バッファ層302と、この周囲に配置されたn型半導体層303と、この周囲に配置されたp型半導体層304と、この周囲に配置された絶縁層305と、この周囲に配置された外周電極層306とから構成されている。中心電極層301は、直径が数μmから数十μm程度の金属線から構成することできる。また、中心電極層301は、導電性材料からなる直径が数十nm程度の細線から構成してもよく、例えば、カーボンナノチューブから構成することも可能である。
Next, another polariton waveguide in the embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of another polariton waveguide in the embodiment of the present invention. The polariton waveguide shown in FIG. 3 includes a
半導体バッファ層302,n型半導体層303,及びp型半導体層304は、例えばシリコンから構成されている。n型半導体層303は、例えばリン(P)が不純物として1018cm-3程度導入され、p型半導体層304は、例えばボロン(B)が1013cm-3程度導入されている。また、絶縁層305は、例えば酸化シリコンなどの酸化物、もしくはポリイミドなどの有機樹脂であればよい。半導体バッファ層302,n型半導体層303,及びp型半導体層304の各半導体層は、層厚が数十nm程度である。これに対し、外周電極層306による影響を抑制するために、絶縁層305は、数百nmから数μm程度と厚い方がよい。なお、外周電極層306は、例えば金属から構成されていればよい。
The
図3に示すポラリトン導波路においても、図1に示すポラリトン導波路と同様に、中心電極層301と外周電極層306との間に、正の方向にバイアス電圧を印加する(外周電極層306が正)ことで、p型半導体層304の絶縁層305側の表面に反転分布層が形成され、p型半導体層304の表面には、反転分布層の電子数密度に対応するプラズマ波長の表面プラズモンが誘起される。従って、図3に示すポラリトン導波路では、p型半導体層304の絶縁層305側の表面をSPP波が導波する。図3に示すポラリトン導波路では、例えば、一方の端部より光が入射すると、端部に露出するp型半導体層304の界面(表面)で、表面プラズモンと光とが結合したSPP波が発生(誘起)し、発生したSPP波が導波路を導波する。このSPP波のモード形状は、円筒状となる。このような図3に示すポラリトン導波路によれば、従来の石英系の光ファイバの直径(125μm)よりも、10分の1以下と大幅に細くすることが可能である。
Also in the polariton waveguide shown in FIG. 3, a bias voltage is applied in the positive direction between the
次に、本発明の実施の形態における他のポラリトン導波路について説明する。図4は、本発明の実施の形態における他のポラリトン導波路の構成例を模式的に示す断面図である。図4に示すポラリトン導波路は、中央部に配置された中心電極層401と、この周囲に配置された絶縁層402と、この周囲に配置されたp型半導体層403と、この周囲に配置されたn型半導体層404と、この周囲に配置された半導体バッファ層405と、この周囲に配置された外周電極層406とから構成されている。中心電極層401は、直径が数μmから数十μm程度の金属線から構成することできる。同様に、外周電極層406は、例えば金属から構成されていればよい。
Next, another polariton waveguide in the embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of another polariton waveguide in the embodiment of the present invention. The polariton waveguide shown in FIG. 4 includes a
絶縁層402は、例えば酸化シリコンなどの酸化物、もしくはポリイミドなどの有機樹脂であればよい。また、p型半導体層403,n型半導体層404,及びバッファ層405は、例えばシリコンから構成されている。p型半導体層403は、例えばボロン(B)が1013cm-3程度導入され、n型半導体層404は、例えばリン(P)が不純物として1018cm-3程度導入されている。なお、p型半導体層403,n型半導体層404,及びバッファ層405の各半導体層は、層厚が数十nm程度であればよい。
The insulating
図4に示すポラリトン導波路においても、図1及び図3に示すポラリトン導波路と同様に、外周電極層406と中心電極層401との間に、正の方向にバイアス電圧を印加する(中心電極層401が正)ことで、p型半導体層403の絶縁層402側の表面に反転分布層が形成され、p型半導体層403の表面には、反転分布層の電子数密度に対応するプラズマ波長の表面プラズモンが誘起される。従って、図4に示すポラリトン導波路では、p型半導体層403の絶縁層402側の表面をSPP波が導波する。図4に示すポラリトン導波路では、例えば、一方の端部より入射した光が、端部に露出するp型半導体層403の界面(表面)で、表面プラズモンと光とが結合したSPP波が発生(誘起)し、発生したSPP波が導波路を導波する。なお、図3,4に示すポラリトン導波路は、断面の形状が真円である必要はなく、例えば、楕円形状であってもよい。
Also in the polariton waveguide shown in FIG. 4, a bias voltage is applied in the positive direction between the outer
に、本発明の実施の形態における他のポラリトン導波路について説明する。図5は、本発明の実施の形態における他のポラリトン導波路の構成例を模式的に示す断面図である。図5に示すポラリトン導波路は、まず、例えばシリコンからなる基板501の上に、金属からなる下部電極層502を備えている。また、下部電極層502の上に、下部n型半導体層503、下部p型半導体層504、絶縁層505、上部p型半導体層506、上部n型半導体層507、及び上部電極508がこれらの順に積層され、これらで図5の紙面の法線方向(導波方向)に延在する導波路構造体が形成されている。また、絶縁層505の層厚方向の中間部には、中央部に開口領域を備えたグリッド電極509が設けられている。グリッド電極509の開口領域は、導波路構造体の導波方向に延在して開口している。
Next, another polariton waveguide in the embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of another polariton waveguide in the embodiment of the present invention. The polariton waveguide shown in FIG. 5 includes a
なお、下部n型半導体層503及び上部n型半導体層507は、n型の不純物(例えばP)が高濃度(例えば5018cm-3程度)に導入されたシリコンから構成され、膜厚50nm程度に形成されている。また、下部p型半導体層504及び上部p型半導体層506は、p型の不純物が低濃度に導入されたシリコンから構成され、膜厚20nm程度に形成されている。また、絶縁層505は、酸化シリコンから構成されて膜厚50nm程度に形成されている。なお、下部電極層502の上に、下部n型半導体層503、下部p型半導体層504、絶縁層505、上部p型半導体層506、上部n型半導体層507、及び上部電極508は、リッジ状の構造体に形成されている必要はない。SSP波を導波させようとする導波路において、グリッド電極509の開口領域が導波方向に形成されていればよい。
The lower n-
図5に示すポラリトン導波路では、グリッド電極509に正、下部電極層502及び上部電極508に負の電圧を印加することで、下部p型半導体層504及び上部p型半導体層506の絶縁層505側の表面より反転分布層が形成されるようになる。このことにより、下部p型半導体層504の絶縁層505側の表面及び上部p型半導体層506の絶縁層505側の表面には、各々SPP波が発生可能となる。
In the polariton waveguide shown in FIG. 5, by applying a positive voltage to the
また、図5に示すポラリトン導波路では、絶縁層505の膜厚が薄くされ、両方のSPP波が、同位相で結合された状態とされている。なお、グリッド電極509の中央部には開口領域が設けられて電場が通過可能とされ、上述した両方のSPP波の結合を可能としている。このような構成とされた図5に示すポラリトン導波路では、導波するSPP波(ポラリトン)の断面方向の電磁場の分布は、図6に示すように、下部p型半導体層504の絶縁層505側の表面及び上部p型半導体層506の絶縁層505側の表面の両者において極大値を持つ。
Further, in the polariton waveguide shown in FIG. 5, the insulating
ここで、下部電極層502と上部電極508との間隔によらず、常に両方のSPP波が存在する結合モードが存在することが知られている。この結合モードの中には、両者の位相が180°ずれて結合した状態のものもあり、このような場合、下部p型半導体層504と上部p型半導体層506との間隔が小さすぎると、SPP波が消滅してしまう。これに対し、前述したように同位相で結合するモードでは、真空波長以下の狭い領域でもSSP波が存在可能であるため、図5に示すポラリトン導波路は、非常に小さな寸法とすることが可能であり、微小光回路を構成する上で有用である。なお、開口領域の寸法(幅)は、下部p型半導体層504と上部p型半導体層506との間隔に適合させて適宜設定すればよい。
Here, it is known that there is a coupling mode in which both SPP waves always exist regardless of the distance between the
なお、グリッド電極509の開口領域において、導波するSSP波の波長と整合する間隔のメッシュ(網目)が形成されていてもよい。言い換えると、SSP波が導波する方向にこの波長と整合する間隔で、開口領域に掛け渡されている複数の架橋部が形成されていてもよい。また、言い換えると、SSP波が導波する方向にこの波長と整合する間隔で、グリッド電極509に複数の開口部が形成されていてもよい。
In the opening region of the
101…基板、102…n型半導体層、103…p型半導体層、104…絶縁層、105…電極層、201…反転分布層。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
この第1電極の上に形成されてn型の不純物が導入されたn型半導体層と、
このn型半導体層の上に接して形成されたp型の不純物が導入されたp型半導体層と、
このp型半導体層の上に接して形成された絶縁層と、
この絶縁層の上に形成された第2電極と
を少なくとも備え、
前記p型半導体層の前記絶縁層側の表面に誘起される表面プラズモンポラリトンが導波されることを特徴とするポラリトン導波路。 A first electrode;
An n-type semiconductor layer formed on the first electrode and doped with an n-type impurity;
A p-type semiconductor layer doped with a p-type impurity formed on and in contact with the n-type semiconductor layer;
An insulating layer formed on and in contact with the p-type semiconductor layer;
And at least a second electrode formed on the insulating layer,
A polariton waveguide characterized in that surface plasmon polariton induced on the surface of the p-type semiconductor layer on the insulating layer side is guided.
前記第1電極と前記n型半導体層との間に配置されて半導体からなるバッファ層を備えることを特徴とするポラリトン導波路。 The polariton waveguide according to claim 1, wherein
A polariton waveguide comprising a buffer layer made of a semiconductor and disposed between the first electrode and the n-type semiconductor layer.
前記表面プラズモンポラリトンは、前記第2電極が形成されている幅の間を導波する
ことを特徴とするポラリトン導波路。 The polariton waveguide according to claim 1 or 2,
The surface plasmon polariton is guided through a width in which the second electrode is formed. A polariton waveguide.
前記n型半導体層は、前記第1電極の周囲に形成され、
前記p型半導体層は、前記n型半導体層の周囲を覆うように形成され、
前記絶縁層は、前記p型半導体層の周囲を覆うように形成され、
前記第2電極は、前記絶縁層の周囲に形成されている
ことを特徴とするポラリトン導波路。 The polariton waveguide according to claim 1 or 2,
The n-type semiconductor layer is formed around the first electrode,
The p-type semiconductor layer is formed to cover the periphery of the n-type semiconductor layer,
The insulating layer is formed so as to cover the periphery of the p-type semiconductor layer,
The polariton waveguide, wherein the second electrode is formed around the insulating layer.
前記絶縁層は、前記第2電極の周囲に形成され、
前記p型半導体層は、前記絶縁層の周囲を覆うように形成され、
前記n型半導体層は、前記p型半導体層の周囲を覆うように形成され、
前記第1電極は、前記n型半導体層の周囲に形成されている
ことを特徴とするポラリトン導波路。 The polariton waveguide according to claim 1 or 2,
The insulating layer is formed around the second electrode;
The p-type semiconductor layer is formed to cover the periphery of the insulating layer,
The n-type semiconductor layer is formed to cover the periphery of the p-type semiconductor layer,
The polariton waveguide, wherein the first electrode is formed around the n-type semiconductor layer.
前記第2電極の前記p型半導体層とは反対側に形成された他のp型半導体層と、
前記第2電極とは反対側の前記他のp型半導体層の上に接して形成された他のn型半導体層と、
前記他のp型半導体層とは反対側の前記他のn型半導体層の上に形成された第3電極と、
前記p型半導体層と前記他のp型半導体層との対向面を含む領域内に配置されて前記第2電極に形成された開口領域と、
前記第2電極と前記他のp型半導体層との間に形成された他の半導体層と
を備え、
前記半導体層と前記他の半導体層とは、前記開口領域で連通して一体に形成され、
前記p型半導体層と前記他のp型半導体層との間隔は、前記p型半導体層の前記絶縁層側の表面に誘起される第1表面プラズモンポラリトンと前記他のp型半導体層の前記他の半導体層側の表面に誘起される第2表面プラズモンポラリトンとが結合する範囲に形成されている
ことを特徴とするポラリトン導波路。
The polariton waveguide according to claim 1 or 2,
Another p-type semiconductor layer formed on the opposite side of the second electrode from the p-type semiconductor layer;
Another n-type semiconductor layer formed on and in contact with the other p-type semiconductor layer opposite to the second electrode;
A third electrode formed on the other n-type semiconductor layer opposite to the other p-type semiconductor layer;
An opening region formed in the second electrode and disposed in a region including a facing surface of the p-type semiconductor layer and the other p-type semiconductor layer;
Another semiconductor layer formed between the second electrode and the other p-type semiconductor layer,
The semiconductor layer and the other semiconductor layer are integrally formed in communication with each other in the opening region,
The distance between the p-type semiconductor layer and the other p-type semiconductor layer is the first surface plasmon polariton induced on the surface of the p-type semiconductor layer on the insulating layer side and the other of the other p-type semiconductor layers. A polariton waveguide characterized by being formed in a range in which the second surface plasmon polariton induced on the surface on the semiconductor layer side of the substrate is coupled.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005166991A JP2006343410A (en) | 2005-06-07 | 2005-06-07 | Polariton waveguide |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008187168A (en) * | 2006-12-27 | 2008-08-14 | Fraunhofer Ges Zur Foerderung Der Angewandten Forschung Ev | Wiring network between semiconductor structures, integrated circuit, and method for transmitting signal |
US8116600B2 (en) | 2007-02-19 | 2012-02-14 | Nec Corporation | Optical phase modulation element and optical modulator using the same |
CN105074545A (en) * | 2013-02-21 | 2015-11-18 | 住友大阪水泥股份有限公司 | Optical waveguide element and method for manufacturing optical waveguide element |
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2005
- 2005-06-07 JP JP2005166991A patent/JP2006343410A/en active Pending
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