JP2010535406A - プラズモン増強による電磁波放射装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明の複数の実施の形態は、表面プラズモン増強による電磁波放射装置および装置の製造方法に関する。本発明の一実施の形態においては、電磁波放射装置（１００）は多層コア（１０６）、金属デバイス層（１０８）、および基板（１０４）を備える。多層コア（１０６）は内層（１１０）および内層の少なくとも一部を囲む外層（１１２）を有する。金属デバイス層（１０８）は外層の少なくとも一部を囲む。基板（１０４）は内層（１１０）と電気通信を行う下部導電層（１１８）および金属デバイス層（１０８）と電気通信を行う上部導電層（１２２）を有し、これにより、適切な電圧が下部導電層および上部導電層間に印加されると、露出部分が表面プラズモン増強による電磁波を放射する。
Description
本発明の実施の形態は電磁波放射装置に関し、詳細には、光素子に実装可能なプラズモン増強による電磁波放射装置に関する。
近年、集積回路上に配置される超小型電子デバイスの密度が増大したことにより、これらデバイスを相互接続するために使用される金属製信号線の密度に関連する技術的障害が発生している。更に、金属製信号線を用いることにより、消費電力が大幅に増大し、大部分の回路において最上部に配置される最長の接続線を同期するのが困難となる。情報は、電気信号として信号線を介して送信する代わりに、電磁波放射（ＥＲ）に符号化して、例えば光ファイバ、リッジ導波路、フォトニック結晶導波路等の導波路を介して送信してもよい。ＥＲに符号化した情報を導波路を介して送信することは、信号線を介した電気信号の送信に比べて多くの利点を有する。まず、信号線を介して電気信号を送信する場合に比べて、導波路を介して送信されるＥＲの劣化もしくは損失は非常に少ない。次に、信号線に比べて、導波路は非常に高い帯域幅に対応させることが可能である。例えば、１本のＣｕ製もしくはＡｌ製配線は１個の電気信号しか送信できないのに対し、１本の光ファイバは個別に符号化されたＥＲを約１００個以上送信させることが可能である。
今日、材料科学および半導体製造技術の発達により、例えばＣＭＯＳ回路等の電子デバイスに組込み可能な光素子を開発して、光集積回路（ＰＩＣ）を形成することが可能となっている。「フォトニック」という用語は、古典的な定義における電磁波もしくは電磁スペクトルに対応する周波数を有する量子化電磁波により駆動可能な装置に関する。ＰＩＣは、電子集積回路と同等であるが光技術を利用したものであり、半導体材料のウエハ上に実装可能である。ＰＩＣを効果的に実装するため、受動光素子および能動光素子が必要となる。導波路および減衰器は、通常従来のエピタキシャル法およびリソグラフィ法を用いて製造可能な受動光素子の例であり、超小型電子デバイス間のＥＲの伝搬方向を決定するために用いることができる。物理学者および技術者は、例えばＥＲ放射装置および変調器等、ＰＩＣおよび他の光素子に実装可能な能動光素子の必要性を認識している。
本発明の複数の実施の形態は、表面プラズモン増強による電磁波放射装置およびこの装置の製造方法に関する。本発明の一実施の形態においては、電磁波放射装置は多層コア、金属デバイス層、および基板を備える。この多層コアは内層およびこの内層の少なくとも一部を囲む外層を有する。金属デバイス層は外層の少なくとも一部を囲む。基板は内層と電気通信を行う下部導電層および金属デバイス層と電気通信を行う上部導電層を有し、これにより、適切な電圧が下部導電層および上部導電層間に印加されると、露出部分が表面プラズモン増強による電磁波を放射する。
本発明の複数の実施の形態は、表面プラズモン増強による電磁波放射（ＳＰＥ・ＥＲＥ）装置およびＳＰＥ・ＥＲＥ装置の製造方法に関する。ＳＰＥ・ＥＲＥ装置は、例えば発光ダイオード等の典型的なＥＲ放射源に比べて、非常に速い速度および高い効率で変調されたＥＲを生成可能なＥＲ源を含む。ＳＰＥ・ＥＲＥ装置は、様々な異なるＰＩＣにおいて、変調されたＥＲの放射源として用いることが可能である。以下に説明する複数の装置および製造方法の実施の形態において、同じ材料を含む構造的に類似の部材には同一の参照番号を付し、簡略化を目的として、その構造および機能に関する説明は繰り返さない。
図１Ａは、本発明の実施の形態によるＳＰＥ・ＥＲＥ装置１００の等角図を示す。ＳＰＥ・ＥＲＥ装置１００は、積層基板１０４によって支持されて、この積層基板１０４と電気通信する多層ＥＲ源１０２を備える。ＥＲ源１０２は、多層コア１０６、および多層コア１０６の少なくとも一部を囲むよう構成される金属デバイス層１０８を含む。多層コア１０６は、内層１１０、および内層１１０の少なくとも一部を囲む外層１１２を含む。多層コア１０６はまた、内層１１０および外層１１２間に配置される中間層１１４、および金属デバイス層１０８の少なくとも一部を囲む任意選択の外層１１６を含んでいてもよい。積層基板１０４は、下部導電層１１８、中央誘電層１２０、および上部導電層１２２を含んでいてもよい。中央誘電層１２０は、上部導電層１２２および下部導電層１１８間の絶縁層として機能する。上部導電層１２２は金属デバイス層１０８の延長部からなっていてもよく、もしくは上部導電層１２２は金属デバイス層１０８と電気通信を行う半導体もしくは導体を備えていてもよい。下部導電層１１８は、シリコン・オン・インシュレータ基板のＳｉ層からなっていてもよく、この場合、以下に図２を参照して説明するように、Ｓｉ層は内層１１０と電気通信を行う。
図１Ｂは、本発明の実施の形態によるＥＲ源１０２の平面図を示す。図１Ａ−１Ｂに示すように、多層コア１０６の層１０８、１１０、１１２、および１１４は、以下に図３を参照して説明するように、ＥＲ源１０２内部で生成される電磁波を放射するために露出している。なお、図１に示すＥＲ源１０２は円筒形に制限されるものではない。例えば、ＥＲ源１０２は楕円形、正方形、矩形、変形六角形、もしくはその他適切な断面形状を有していてもよい。
任意選択の外層１１６は金属もしくは半導体からなっていてもよく、任意選択の外層１１６および中央層１２０はＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、もしくはその他適切な誘電材料からなっていてもよい。金属デバイス層１０８は金、チタン、ニッケル、クロミウム、白金、パラジウム、アルミニウム、もしくはその他適切な金属製導体もしくは金属合金からなっていてもよい。多層コア１０６および下部導電層１１８は、間接バンドギャップ型元素半導体、もしくは直接もしくは間接バンドギャップ型化合物半導体からなっていてもよい。元素半導体はＳｉおよびＧｅを含む。化合物半導体は通常ＩＩＩ−Ｖ材料からなり、この場合、ローマ数字ＩＩＩおよびＶは元素周期表の３族および５族の原子を表わす。化合物半導体は、半導体を構成するＩＩＩ族およびＶ族原子の量に基づき分類可能である。例えば、二元化合物半導体はＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、およびＧａＰは含む。三元化合物半導体はＧａＡｓyＰ1-yを含み、この場合、ｙは０〜１の範囲である。また、四元化合物半導体はＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-yを含み、この場合、ｘおよびｙはそれぞれ０〜１の範囲である。
特定の波長を有する電磁波を放射するため、化合物半導体の元素組成は変更してもよい。例えば、ＧａＡｓは電磁スペクトルの赤外部分の波長を有する電磁波を放射する直接バンドギャップ型ＩＩＩ−Ｖ族半導体であり、ＧａＰは電磁スペクトルの別の部分の波長を有する電磁波を放射する間接バンドギャップ型半導体である。四元半導体は、電磁スペクトルのその他の部分の電磁波を放射するために用いてもよい。例えば、電磁スペクトルの赤色、黄色、および橙色可視部分の波長を有する電磁波を放射するよう、ＩｎＡｌＧａＰ系半導体の元素量を変更してもよく、電磁スペクトルの青色および緑色可視部分の波長を有する電磁波を放射するよう、ＡｌＧａＩｎＮ系半導体の元素量を変更してもよい。
本発明の所定の実施の形態においては、内層１１０はｐ型半導体からなっていてもよく、外層１１２はｎ型半導体からなっていてもよい。また、本発明の他の実施の形態においては、内層１１０はｎ型半導体からなっていてもよく、外層１１２はｐ型半導体からなっていてもよい。すなわち、内層１１０および外層１１２はｐｎダイオードにおける２つの層を形成する。「ｐ型半導体」という用語は、「正孔」と呼ばれる正のフリーキャリアの数を増やすため、例えばボロンを含むシリコン等の電子受容性不純物をドープした真性半導体をさし、「ｎ型半導体」という用語は、自由電子の数を増やすため、例えばヒ素を含むシリコン等の電子供与性不純物をドープした真性半導体をさす。正孔および電子はそれぞれ異なる種類の電荷担体である。中間層１１４は、ｐ型半導体およびｎ型半導体の接合点もしくは接合部に形成される空乏領域からなっていてもよい。以下に説明するように、内層１１０および外層１１２間のキャリア濃度差により空乏領域にわたって電場が形成される。キャリアは高濃度の領域から低濃度の領域へ拡散する。詳細には、多層コア１０６のｐ型半導体に発生した正孔は、多層コア１０６の、ｐ型半導体より低濃度の正孔を有するｎ型半導体にある程度拡散する。同様に、多層コア１０６のｎ型半導体からの電子は、多層コア１０６の、ｐ型半導体より高濃度の電子を有するｐ型半導体にある程度拡散する。電荷担体は拡散する際、電荷担体を形成したドーパントがイオン化したものを後に残す。この電荷担体の移動は、多層コア１０６においてｎ型半導体層およびｐ型半導体層の間に形成される電場が、電荷担体の一部を電荷担体の拡散率と同じ割合で押し返すと停止し、代わりに中間層１１４である空乏領域を残す。中間層１１４の厚さは、内層１１０および外層１１２内のドーパント濃度に依存する。本発明のその他の実施の形態においては、中間層１１４は真性半導体を備えていてもよく、その場合、内層１１０、中間層１１４、および外層１１２はＰＩＮダイオードの３つの層を形成する。
図２は、本発明の実施の形態による、図１に示す線２−２に沿ったＳＰＥ・ＥＲＥ装置１００の断面図を示す。図２に示すように、ＥＲ源１０２は基板１０４により支持される。金属デバイス層１０８の内面は外層１１２の外面に接触し、金属製の素子層１０８の下部は外側に水平に伸長して基板１０４の上部導電層１２２を形成する。図２に示すように、上部導電層１２２および金属デバイス層１０８は、１個の金属片からなっていてもよい。しかしながら、本発明のその他の実施の形態においては、上部導電層１２２は異なる金属層もしくは半導体層からなっていてもよい。そのような実施の形態においては、金属デバイス層１０８および上部導電層１２２は相互に電気通信を行う。内層１１０の一部は中央誘電層１２０に設けられる開口部２０２を通過し、内層１１０の底面は下部導電層１１８と接触しており、これにより内層１１０は下部導電層１１８と電気通信可能となる。図１を参照して上述したように、下部導電層１１８はシリコン・オン・インシュレータ基板のＳｉ層からなっていてもよい。中央誘電層１２０は、上部導電層１２２および下部導電層１１８間に絶縁層を形成する。上部導電層１２２および下部導電層１１８は電源２０４と電気通信を行う。
図３は、本発明の実施の形態による多層コア１０６および金属デバイス層１０８の断面図を示す。ＳＰＥ・ＥＲＥ装置１００の動作を簡潔に説明するため、図２の断面図には図示しないが、電源２０４は内層１１０および金属デバイス層１０８に直接接続される。内層１１０がｐ型半導体であり、外層１１２がｎ型半導体であると仮定すると、内層１１０に印加される正電圧および外層１１２に印加される負電圧により外層１１２内の電子が中間層１１４の方へ流れ、内層１１０内の正孔が中間層１１４の方へ流れる。その結果、中間層１１４の幅が減少する。印加される電圧が十分に高い場合、「再結合」と呼ばれる過程において電子が中間層１１４内もしくは近傍で正孔と結合してエネルギを放出する。電圧が印加されている間、電子および正孔は層１１０および１１２を介して流れ続け、中間層１１４内もしくは近傍で再結合する。多層コア１０６が間接半導体を備える場合、放出されるエネルギの一部は放射されず、残りのエネルギが光子として放出される。一方、多層コア１０６が直接半導体を備える場合、エネルギの大部分が光子として放出される。これは、通常、ＥＲが発光ダイオードから放出されるのと同じ過程である。
多層コア１０６内に光子を形成する代わりに、電子正孔対は再結合して、外層１１２および金属デバイス層１０８間の接合部３０２に沿って伝搬する表面プラズモンとなる。プラズモンとは、金属における電子プラズマ振動の量子化状態に対応するＥＲのモードである。表面プラズモンとは金属表面に存在する電子励起のモードであり、縦成分および横成分を有する。表面プラズモンは高密度の電場を形成し、群速度を低下することが可能なため、電子正孔対の放射性再結合率が大幅に上昇する。設計が適切であれば、電子正孔対は大体の場合、崩壊して光子ではなく表面プラズモンモードに変わり、非放射性のチャネルは通らない。その結果、装置の再結合率および放射効率が向上する。配線に沿って伝搬した後、配線の終端に到達すると表面プラズモン自体は自由空間内に崩壊して伝播する。
図３は、多層コア１０６および金属製の素子層１０８の接合部３０２に沿って上方に伝搬する表面プラズモン部３０４および３０６の概略図を含む。表面プラズモンは横方向のおよび縦方向の電磁場成分を有する。磁場成分は接合部３０２に平行および伝搬方向に垂直であり、電場成分は表面プラズモンの伝搬方向に平行および接合部３０２に垂直である。曲線３０８は電場成分が金属製の素子層１０８内で伸長する方向を示し、曲線３１０は電場成分が多層コア１０６内で伸長する方向を示す。曲線３０８および３１０は、電場成分が接合部３０２から指数関数的に崩壊する過程を示す。金属デバイス層１０８に係る誘電率は多層コア１０６に係る誘電率より高いため、電場成分の金属デバイス層１０８における侵入深さは多層コア１０６における侵入深さより浅い。
ＳＰＥ・ＥＲＥ装置１００の実施の形態は、典型的な発光ダイオードに比べて、より効果的にＥＲを生成し、より速くＥＲを変調可能である。表面プラズモンは、多層コア１０６内で発生する電子／正孔の再結合のプロセスを加速する。その結果、ＥＲ源１０２は、ＥＲ源１０２に印加される電圧を変更することにより高速ＥＲ放射変調器として駆動されてもよい。すなわち、ＥＲ源１０２に印加される電圧を変更することによりＥＲ出力が変調され、これにより、放出されるＥＲ内にアナログもしくはデジタル情報を形成することが可能であり、放出されるＥＲは検出器へ向けて放射されてもよい。更に、ＥＲ源１０２は、例えば発光ダイオード等の典型的な電磁波放射ダイオードに比べて、非常に高い比率で変調可能である。更に、ＥＲ源１０２は、放射性再結合率の非放射性再結合率に対する比率を大幅に上昇可能なため、例えば発光ダイオード等の典型的なＥＲ放射ダイオードより効率的にＥＲを放射可能である。すなわち、接合部３０２に沿って表面プラズモンを形成することにより、ＥＲ源１０２は、典型的なＥＲ放射ダイオードにより生成されるＥＲに比べてより速く変調可能な、より高強度のＥＲを放射可能である。
図４Ａ−４Ｉは、本発明の実施の形態による、図１に示すＳＰＥ・ＥＲＥ装置１００の製造方法における各工程に対応する等角図および断面図を示す。まず、図４Ａの等角図および図４Ｂの断面図に示すように、化学的蒸着（ＣＶＤ）、物理的蒸着、熱酸化、もしくはスピンオングラスにより下部導電層１１８上に中央誘電層１２０を形成してもよい。
次に、図４Ｃの等角図および図４Ｄの断面図に示すように、まず、例えばブロック共重合体リソグラフィ、ナノインプリントリソグラフィ、もしくは電子ビームリソグラフィにより開口部２０２を規定し、その後、反応性イオンエッチング、化学支援イオンビームエッチング、もしくはウェットエッチングにより開口部２０２を規定した領域から誘電材料を除去して、中央誘電層１２０に開口部２０２を形成してもよい。本発明のその他の実施の形態においては、開口部２０２は収束イオンビームミリングにより形成してもよい。開口部２０２が、下部導電層１１８の上面の一部を露出する。
次に、図４Ｅに示すように、例えばガルバニ置換等の公知の方法により、開口部２０２内にシード粒子４０２を形成してもよい。シード粒子４０２は、金、チタン、ニッケル、クロミウム、白金、パラジウム、アルミニウム、もしくはその他適切な金属製導体もしくは金属合金からなっていてもよい。次に、図４Ｆに示すように、ＣＶＤを用いて、公知の気相−液相−固相（ＶＬＳ）成長機構もしくは気相−固相−固相（ＶＳＳ）成長機構により内層１１０を形成してもよい。例えば、ＩｎＡｓからなる内層１１０を形成するため、気相反応物質であるＩｎ（ＣＨ3）3およびＡｓＨ3によるＣＶＤを用いてもよい。気相反応物質であるＩｎ（ＣＨ3）3およびＡｓＨ3を継続的に供給することにより過飽和が発生し、これにより、余剰の液相ＩｎＡｓが最終的にはシード粒子２０２の下方で沈殿する。余剰のＩｎＡｓ材料は過飽和シード粒子２０２から基板に沈殿し、これによりシード粒子２０２を基板から分離し、内層１１０である柱上の材料を形成する。内層１１０の長さは、気相反応物質への暴露時間長を変更することにより制御可能である。内層１１０を形成する間、ＣＶＤ反応室にｐ型もしくはｎ型ドーパントを付加してｐ型半導体である内層１１０もしくはｎ型半導体である内層１１０を形成してもよい。もしくは、内層１１０を注入もしくはドーパント拡散、もしくはアニーリングを伴う注入により形成した後、ｐ型もしくはｎ型ドーパントによりドープしてもよい。
次に、図４Ｇに示すように、内層１１０の外面を囲む外層１１２はＣＶＤにより形成してもよい。外層１１２は、外層１１２が形成されている間、ｐ型もしくはｎ型ドーパントを反応室に導入している際にドープしてもよい。もしくは、形成し終わった外層１１２に、ドーパント拡散もしくはアニーリングを伴う注入により、ドーパントを付加してもよい。上述したように、中間層１１４は空乏層の結果として形成してもよく、もしくは、外層１１２を形成する前に、ＣＶＤにより内層１１０上に真性半導体層１１４（図示せず）を蒸着し、その後外層１１２を形成することにより中間層１１４を形成してもよい。
次に、図４Ｈに示すように、金属層４０４は露出している表面の略全体にＣＶＤもしくはＭＢＤにより蒸着される。図４Ｉに示すように、金属層４０４上に任意選択の層４０６を蒸着してもよい。任意選択の層４０６は金属、半導体、もしくは誘電材料からなっていてもよく、ＣＶＤ、例えばスパッタリング、電子ビーム蒸着、ＭＢＤ等の物理的蒸着、もしくはスピンオングラスにより蒸着してもよい。金属製の素子層１０８の一部および内層１１０および外層１１２の一部を平坦化技術により露出して、図１および図２に示すＳＰＥ・ＥＲＥ装置１００を形成してもよい。
上述の、説明を目的とした記載においては、本発明の完全な理解のために具体的な用語を使用している。しかしながら当業者にとって、本発明を実施するために具体的な詳細は必要ないことは明らかである。上述の記載においては、本発明の具体的な実施の形態は例示および説明を目的として示す。実施の形態は本発明の全てを網羅している訳ではなく、また、本発明を開示した形態に制限するものでもない。上述の教示に基づく様々の改良および変更が可能であることは明らかである。本明細書における実施の形態は、本発明の原理および実用的な用途を最適に説明し、これにより、当業者が本発明および様々の実施の形態に意図する特定の用途に適合するよう様々の改良を加えて最適に利用できるよう開示および説明されている。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲およびその均等物により規定されるものとする。
Claims (10)
- 内層（１１０）と、前記内層の少なくとも一部を囲む外層（１１２）とを有する多層コア（１０６）と、
前記外層の少なくとも一部を囲むように構成される金属デバイス層（１０８）と、
前記内層と電気通信を行う下部導電層（１１８）と前記金属デバイス層と電気通信を行う上部導電層（１２２）とを有し、これにより、前記下部導電層および前記上部導電層間に適切な電圧が印加されると露出部分が表面プラズモン増強による電磁波を放射する基板（１０４）とを備えることを特徴とする電磁波放射装置（１００）。 - 前記多層コア（１０６）が、
ｐ型半導体である前記内層（１１０）およびｎ型半導体である前記外層（１１２）、又はｎ型半導体である前記内層（１１０）およびｐ型半導体である前記外層（１１２）のいずれかをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。 - 前記内層（１１０）および前記外層（１１２）間に配置されることにより、空乏領域であるか又は真性半導体からなっていてもよい中間層（１１４）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 前記上部導電層（１２２）は金属層もしくは半導体層のいずれかをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 前記下部導電層（１１８）はシリコン・オン・インシュレータ基板のＳｉ層もしくは半導体層のいずれかをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 半導体基板（１１８）上に、上面および底面を有する誘電層（１２０）を前記上面および底面が前記半導体基板に接続されるよう形成し、
前記誘電層の前記上面上に、前記誘電層を介して伸長し、前記半導体基板と電気的に接触する内層および前記内層の少なくとも一部を囲む外層を含む多層コア（１０６）を形成し、
前記多層コア上に金属層（１０８）を蒸着することを含むことを特徴とする電磁波放射装置（１００）の製造方法。 - 前記電磁波放射装置を平坦化して、前記内層、前記外層、および前記金属層の一部を露出し、前記多層コアの露出部分を形成することにより上面を形成することを更に含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
- 前記多層コアを形成することは、
前記誘電層（１２０）に開口部（２０２）を形成し、
前記開口部内にシード材料（４０２）を蒸着し、
前記シード材料が前記開口部内で核として機能し柱状の前記内層（１１０）を形成するための前記開口部内に、前記柱状の前記内層（１１０）を形成し、
前記外層（１１２）を蒸着することとをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。 - 前記金属層上に、化学的蒸着もしくは物理的蒸着のいずれかを使用することにより金属、半導体、もしくは誘電材料からなる任意選択の層を蒸着することをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
- 前記開口部内に柱状の前記内層を形成することは、気相−液相−固相処理をさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
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