JP2020523621A - 電界効果調整可能イプシロンニアゼロ吸収装置 - Google Patents

Abstract

本開示は、放射エネルギの吸収を変えることができる調整可能なＥＮＺ材料のためのシステムおよび方法を提供する。調整可能なＥＮＺ材料は、異なる波長でイプシロンニアゼロ（ＥＮＺ）レジームの誘電率を有する超薄膜導電性層のスタックを特徴的に使用する広帯域吸収装置として働くことができる。導電性材料は、異なる電子濃度を有し、それゆえに広帯域の範囲でエネルギを吸収するための異なるＥＮＺ周波数を有する、少なくとも部分的に透明な導電性酸化物層または遷移金属窒化物層を含むことができる。この層は、深いサブ波長のＥＮＺ膜厚で、高レベルの吸収を達成するために、様々な周波数に直接調整可能である。与えられた電気バイアスは、ＥＮＺ半導体デバイス中で電気蓄積／枯渇領域を形成し、プラズマ周波数をコントロールし、それゆえにデバイス中の高いレベルの吸収を許容する。さらに、層のスタックに対して、キャリア濃度は層毎に変更可能である。

Description

関連出願の相互参照

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連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載

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添付物の参照

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発明の技術分野

本開示は、一般に、例えば放射エネルギのエネルギ吸収のための、イプシロンニアゼロ材料（ＥＮＺ）に関する。特に、本開示は、高効率エネルギ吸収のために、所定の波長で、誘電率がイプシロンニアゼロ（ＥＮＺ）レジームを有する導電性材料を含むＥＮＺ材料のナノ膜厚層に関する。

関連技術の説明

集光性および高解像度の光学技術は、強い光吸収を有する光学的コーティングを必要とする。高レベルの（完全な）吸収は、一般には、高い光損失、大きな膜厚、または形成されたナノ材料またはメタ材料の使用を必要とする。例えばガラスのような最も光学的に誘電性の材料は、可視領域および赤外領域で透明である。対照的に、金属は、高い光損失により光を反射する。いずれのクラスの材料も、満足する解決策を提供せず、材料特性の変更により吸収が設計できる新しい光学材料の開発に大きな興味がある。メタ材料における比較的新しい努力は、集光性および吸収のための選択肢として調査される。なぜならば、それらの正確な形状、地形、大きさ、方向、および配置は、従来の材料では達成できないいくつかにより調査された材料特性を形成するからである。材料の応用に基づく異なる方法で、単位セルを配置することにより、設計で光波長特性を操作できる。しかしながら、技術が複雑で高価である。

近年の研究は、イプシロンニアゼロ（ＥＮＺ）材料が、高性能の超薄膜吸収を行うのに有用であることを示唆している。超薄膜ＥＮＺ層は、（光線より上の）放射性ベレマンモード（radiative Berreman mode）および（光線より下の）バウンドＥＮＺモード（bound ENZ mode）を支持する。それらのモードの励起は、共鳴光吸収に繋がる。ＥＮＺ材料は、一般に金属または半金属を用いて大きくドープされた半導体を含むと考えられる。ＥＮＺ材料の例は、少なくとも部分的に透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）、例えばインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、アルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、遷移金属窒化物等を含む。ＥＮＺ材料中の誘電率は、金属の誘電率から、誘電率が殆どない領域（ＥＮＺレジーム）を通って、誘電体材料の誘電率まで、周波数の違いに応じて変化する。ＥＮＺ材料中で電磁波の非常に低いグループの速度は、励起体積からのエネルギ除去を禁止し、増加した領域と高い損失関数に繋がる。もし、電気的誘電率がドルーデモデル（Drude model）ε＝ε_∞−ω_ｐ ^２／（ω^２＋ｉγω）、ここでω_ｐはプラズマ周波数、γは電子衝突率で、ＥＮＺ（Ｒｅ（ε）＝０）周波数は、γ→０の場合にω_ＥＮＺ≒ω_ｐで、損失関数Ｌ（ω_ＥＮＺ）≒ω_ｐ/γ→無限大である。ＥＮＺ材料は、内在的光損失γ＜＜ω_ｐ、および堆積条件の制御により設計できるプラズマ周波数、および一般には１０^１９から１０^２１ｃｍ^−３の高いキャリア濃度を有する。例えば、ＴＣＯ材料は、他の中で１．３μｍから１．５μｍの通信周波数でＥＮＺレジーム（ENZ regime）を示す。

それゆえに、例えば可視、近ＩＲ、およびＵＶ領域で、高レベルの広帯域吸収が可能なＥＮＺ材料を用いる改良されたシステムおよび方法の必要性は残る。

本開示は、放射エネルギの吸収を変化させることができる調整可能なＥＮＺ材料のためのシステムおよび方法を提供する。調整可能なＥＮＺ材料は、異なる波長において誘電率のイプシロンニアゼロ（ＥＮＺ）レジームを有する超薄膜導電性層のスタックを特徴的に用いた広帯域吸収装置として働く。導電性材料は、異なる電子濃度、それゆえに広帯域範囲のエネルギ吸収に対して異なるＥＮＺ周波数を有する、少なくとも部分的に透明な導電性酸化物層または遷移金属窒化物層を含むことができる。その層は、深いサブ波長のＥＮＺ膜厚で高レベルの吸収を達成するために、様々な周波数に直接調整可能である。適用された電気バイアスは、ＥＮＺ半導体装置中で、電子の蓄積／枯渇領域を形成することができ、プラズマ周波数を制御し、これにより装置中で高レベルの吸収を可能にする。さらに、層のスタックのために、キャリア濃度は、層毎に変えることができる。

高効率吸収装置は、集光技術として、太陽エネルギ収集装置、蒸気発生器およびボイラー、水蒸留、熱放出、効率的な放射検出器、迷反射光を減らす非常に低反射のコーティングを含む光コーティング、高解像度光学機器、カメラ、ＣＭＯＳセンサおよび他のセンサ、偏光子、超薄膜非線形光学媒体として、磁気光学媒体、磁気光学装置、および他の応用として用いても良い。高効率吸収装置は、また高解像度カメラおよび冷却検出エレクトロニクスの品質を向上させることができる。非線形ＥＮＺ媒体は、また超高速ナノスケールコミュニケーション、撮像、およびディスプレイ技術のための再形成が可能で調整可能な設計を促進することができる。

本開示は、電デバイスを提供し、このデバイスは、所定の波長でイプシロンニアゼロ（ＥＮＺ）レジームの誘電率を有し、与えられた電気バイアスに応じて誘電率を変える調整可能なように構成された少なくとも１層の導電性材料を含む。

本開示は、電子デバイスを提供し、このデバイスは、異なるＥＮＺレジームを有する少なくとも２つの層を用いて、所定の波長でイプシロンニアゼロ（ＥＮＺ）レジームの誘電率を有し、異なる周波数で光を吸収するように構成された複数の導電層の積層を含む。

本開示は、所定の波長でイプシロンニアゼロ（ＥＮＺ）レジームの誘電率を有する少なくとも１層の導電体材料を有する電子デバイスを使用する方法を提供し、この方法は、デバイスに電気バイアスを印加する工程と、様々な周波数の光を吸収するようにデバイスを調整する工程とを含む。

本特許または出願ファイルは、少なくとも１つのカラーの図面を含む。カラー写真を有するこの特許または特許出願公開は、請求と必要な料金の支払いを条件に当局により提供される。

光の初期入射から見てスタックの遠位に金属リフレクタを有する多層スタックの例の模式図である。 光の初期入射に高指数材料（high index material）を有する多層スタックの他の例の模式図である。 光の初期入射に高指数材料を有する単層の他の例の模式図である。 固定された励起波長で様々な入射角と比較した、様々な膜厚に対する放射バレマンモードのｐ−分極した励起による、図１Ａに示されたＥＮＺ多層スタックの例の吸収率の模式図である。 固定された励起波長で様々な入射角と比較した、様々な膜厚に対するバウンドＥＮＺモードのｐ−分極した励起による、図１Ｂに示されたＥＮＺ多層スタックの例の吸収率の模式図である。 様々な入射角と比較した、様々な波長に対する放射バレマンモードのｐ−分極した励起による、図１Ａに示されたＥＮＺ多層スタックの例の吸収率の他の模式図である。 様々な入射角と比較した、様々な波長に対するバウンドＥＮＺモードのｐ−分極した励起による、図１Ｂに示されたＥＮＺ多層スタックの例の吸収率の他の模式図である。 固定した入射角の様々な波長に対する、図１Ａに示されたＥＮＺ多層スタックの例を横切る電場強度の模式図である。 固定した入射角の様々な波長に対する、図１Ｂに示されたＥＮＺ多層スタックの例を横切る電場強度の模式図である。 固定した入射角の様々な励起波長と比較した、様々な膜厚に対する放射バレマンモードのｐ−分極した励起による、図１Ａに示されたＥＮＺ多層スタックの例の吸収率の模式図である。 固定された入射角の様々な励起波長と比較した、様々な膜厚に対するバウンドＥＮＺモードのｐ−分極した励起による、図１Ｂに示されたＥＮＺ多層スタックの例の吸収率の模式図である。 ベレマンモードとバウンドＥＮＺモードとを比較する吸収率スペクトルの模式図である。 様々な電子密度を有するナノ層の３つの例の入射光エネルギと比較した吸収率の模式図である。 図３Ｂの様々な電子密度を有するナノ層の３つの例の入射光波長と比較した吸収率の模式図である。 電界効果調整可能なＥＮＺ層を有する金属酸化物半導体（ＭＯＳ）構造の例の模式図である。 図４Ａに示されるＥＮＺを横切って異なるように与えられた電圧に対する、キャリア濃度Ｎの空間分布例の模式図である。 固定した入射角で異なって提供される電圧に対する、図４Ａに示されるデバイスに似たＥＮＺ層の吸収率の例の模式図である。 図１Ｂの構造中で光を用いた初期入射で、高指数材料を有する単層のための、測定された吸収率と波長との模式的な図である。 １５ｎｍ膜厚のＩＴＯナノ層中でベレマンモードの測定された、およびシミュレーションした分散特性の模式図である。 例えば図１Ａおよび図１Ｂに示されたＡＺＯ多層クレッチュマン−ラター構造中のＥＮＺモード励起の模式図である。 例えば図１ＡのようなＡＺＯ多層構造中の放射ベレマンモードの模式図である。 図１Ｂに示すプリズムの無い入射光のための高指数材料を有するバウンドＥＮＺモード構造の模式図である。 図７Ａ−図７Ｃに示すそれぞれの単体ＡＺＯ層の誘電率の実数部分および虚数部分の波長依存性の模式図である。 図７Ｂのベレマンモード構成中の、計算されたｐ−分極した（ＴＭ）ＡＺＯ多層の反射率の模式図である。 ７ＣのＥＮＺモード構成中のＡＺＯ多層の、計算されたＴＭ反射率の模式図である。 ベレマンモード構成を有する広帯域ＡＺＯ吸収装置のためのクレッチュマン−ラター構成中の、ＴＭとｓ−分極した（ＴＥ）反射率とのシミュレーション比の模式図である。 ベレマンモード構成を有する広帯域ＡＺＯ吸収装置のためのクレッチュマン−ラター構成中の、ＴＭとＴＥ反射率との実験的に決定された比の模式図である。 ＥＮＺモード構成を有する広帯域ＡＺＯ吸収装置のためのクレッチュマン−ラター構成中の、ＴＭとＴＥ反射率とのシミュレーションされた比の模式図である。 ＥＮＺモード構成を有する広帯域ＡＺＯ吸収装置のためのクレッチュマン−ラター構成中の、ＴＭとＴＥ反射率との実験的に決定された比の模式図である。 与えられたバイアスにおけるシミュレーションされたＭＯＳ電界効果完全吸収装置の酸化ＩＯＴ界面における電子密度の模式図である。

詳細な説明

上述の図面および特定の構造の記載された開示および以下の式は、発明者が何を発明したか、または添付の請求項の範囲を制限するために存在するものではない。むしろ、図面および記載された説明は、当業者に、特許の保護が考えられる発明の利用および使用することを教えるために提供される。当業者は、明確さおよび理解のために、発明の商業的な具体例の全ての特徴が記載または示されているわけではないことを理解するであろう。当業者は、また、本開示の範囲を取り込む実際の商業的な具体例の開発では、商業的な具体例の開発者の最終ゴールを達成するために、多くの実行仕様の決定を必要とすることを理解するであろう。そのような実行仕様の決定は、特定の実行または場所、または時間により変わりうる、システム関連の、ビジネス関連の、政治関連の、または他の制約に応じることを含むが、これらに限定されるものではない。開発者の努力は絶対的な意味で複雑で時間を必要とするが、そのような努力は、そうでなければ、この開示の利益を有する当事者にとって、ルーチン作業であろう。ここで開示され教示された発明は、多くのおよび様々な変形および他の形態があり得ることを理解すべきである。これに限定するものではないが、「１つの（ａ）」のような単数の用語の使用は、要素の数を限定することを意図するものではない。さらに、このシステムの様々な方法および具体例は、他と組み合わせて、記載された方法および具体例の変形を形成できる。１つの要素の検討は、複数の要素の検討を含むことができ、また逆もできる。少なくとも１つの項目の参照は、１またはそれ以上の項目を含んでも良い。また、様々な形態の具体例が、解除の理解されるゴールを達成するために、互いに接合して使用しても良い。文脈が求めない限り、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」またはその変形「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」の用語は、少なくとも１つの言及された要素または工程または要素または工程のグループまたはその均等物を含むものと理解されるべきであり、より多くの量または他の要素または工程または要素または工程のグループまたはその均等物を排除すべきではない。デバイスまたはシステムは、多くの方向および配置で使用しても良い。工程の順序は、特に限定されない限り、様々な順序で起こりうる。ここで記載された様々な工程は、他の工程と組み合わせても、言及された工程に組み込んでも、および／または複数の工程に分割しても良い。いくつかの要素は、簡素化のためにデバイス名により表示されるが、システムまたは部分を含むと理解される。例えばプロセッサは、当業者に知られ、特に記載していない関連する成分の処理システムを含む。

本開示は、放射エネルギの吸収を変化させる調整可能なＥＮＺ材料のためのシステムおよび方法を提供する。調整可能なＥＮＺ材料は、異なる波長でイプシロンニアゼロ（ＥＮＺ）レジームの誘電率を有する層を含み超薄膜導電性層のスタックを特徴的に使用する広帯域の吸収装置として働くことができる。導電性材料は、異なる電子濃度を有する少なくとも部分的に透明な導電性酸化物または遷移金属窒化物層を含み、それゆえにエネルギ吸収の様々な広帯域の範囲のための、異なるＥＮＺ周波数を含む。層は直接様々な周波数に調整して、深いサブ波長ＥＮＺ膜厚において高レベルの吸収を達成できる。適用された電気バイアスは、ＥＮＺ半導体デバイス中で電子の蓄積／枯渇領域を形成し、プラズマ周波数を制御し、それゆえにデバイス中で高レベルの吸収を可能とする。さらに、スタック層では、キャリア濃度が層毎に変えることができる。

図１Ａは、光の初期入射から見て積層の遠位に金属リフレクタを有する多層スタックの例の模式図である。図１Ｂは、光の初期入射に高指数材料を有する多層スタックの他の例の模式図である。図１Ｃは、光の初期入射に高指数材料を有する単層の他の例の模式図である。広帯域吸収装置の例は、漸次異なる電子濃度を有し、それゆえに異なるＥＮＺ周波数を有する、超薄膜ＩＴＯ層のスタックを用いることにより形成される。超薄膜ＥＮＺ層は、放射ベレマンモードおよびバウンドＥＮＺモードを支持する。２つの異なる光入射構成中のそれらのモードの励起は、共鳴吸収に繋がる。

設計は、固定された設計に比較して機能的で調整可能であり、形成されたメタ材料と比較して比較的容易で有利に形成できるデバイス、制限された領域を有するメタ材料の複雑に設計されたナノ構造に比較して大きな領域で使用できる材料、および例えば約１００ｎｍ以下、約４０ｎｍ以下、約２０ｎｍ以下、または約１０ｎｍ以下、そしてその間のいずれかの値の全スタック膜厚を有する超薄膜デバイスを有利に提供できると信じられる。

図１Ａおよび図１Ｂに示されるＥＮＺ多層スタックの例は、４つのＩＴＯナノ層からなり、図１Ａに示された層に対応して図１ＢでＮ１〜Ｎ４と名付ける。ナノスケールＩＴＯ多層スタックは、例えば、原子層堆積により形成されても良い。層Ｎ１は、角度θで入射光が最初にそこを通ってＥＮＺスタックに入るＥＮＺ層である。図１Ａでは、多層スタックの上から下に向かって、電子濃度が減少し、ＥＮＺ波長が増加する。図１ＡのＥＮＺ多層スタックは、例えば、薄い金のリフレクタにより支持される。図１Ｂでは、多層スタックの下から上に向かって、電子濃度が減少し、ＥＮＺ波長が増加する。図１ＢのＥＮＺ多層スタックは、例えば、プリズムの薄い高指数ガラスにより支持される。図１Ｃは、ＩＴＯ層と金属リフレクタ（例えば金）を有する、プリズムの薄い高指数ガラス（例えばガドリウムガリウムガメット：ＧＧＧ）を示す。図１Ｃは、図１Ａおよび図１Ｂの要素を含み、放射ベレマンモードの励起の他の図である。図は、高指数ガラスと金属リフレクタとの間の単層を示すが、記載された構造は多層スタックに変形できる。

超薄層は、与えられる電気バイアスに応答する。なぜならば、層の蓄積領域中の電子の蓄積は、より少ない応答性の厚い層よりむしろ超薄層でより多くの効果を有するからである。層の膜厚は、限定無しで、波長の約１／５０倍以下の膜厚、波長の約１／７５倍以下の膜厚、波長の約１／１００倍以下の膜厚、それらの間のいずれかの膜厚以下を含む、考慮されたサブ波長膜厚でも良い。代わりに、層の膜厚は、より詳しくは以下で述べる、層の上の蓄積領域の比として表しても良い。層中の蓄積領域の膜厚に対する層の膜厚の比は、限定するものではないが、２０：１以下、５：１以下、１：１以下、およびその間のいずれかの比以下でも良い。更に代わりとして、層の膜厚は、単に測定値として表しても良く、例えば。４０ｎｍ以下、２０ｎｍ以下、１０ｎｍ以下、８ｎｍ以下、５ｎｍ以下、２ｎｍ以下、およびその間のいずれかの値以下でも良い。

構造の例は特徴的に層のスタックを示すが、ここで記載された原理は、単層にも適用できることを理解すべきである。単一の超薄層は、ＥＮＺ領域中で所望の周波数を吸収するために、所定の材料およびキャリア濃度で形成しても良い。単層はドープされるか、そうでなければ、層のＥＮＺ領域に影響する異なった量の電気バイアスを与えることにより、吸収容量を変えることができるように形成される。

層のスタックは、ＥＮＺ領域の拡張範囲を提供し、これによりスタックを通る所定の光の吸収の範囲を広げる。スタックに与えられる電気バイアスは、一般に層の蓄積領域に影響し、層のＥＮＺ領域および吸収および結果のスタックの吸収に影響する。

例１
入射角度およびＩＴＯ膜厚および波長の関数として、ｐ−分極（ＴＭ）光吸収率が、図２Ａ〜図２Ｆに示される。吸収率は、ＩＭＤソフトウエアを用いて計算される。ＩＴＯの光学特性は、自由電子ドルーデモデル（Drude model）を用いてモデリングされる。強度のスケールバーは、多くの図の右にある。

図２Ａは、固定された励起波長で様々な入射角と比較した、様々な膜厚に対する放射バレマンモードのｐ−分極した励起による、図１Ａに示されたＥＮＺ多層スタックの例の吸収率の模式図である。例えば、ＩＴＯナノ層のキャリア濃度は、Ｎ１＝１×１０^２１ｃｍ^−３、Ｎ２＝８×１０^２０ｃｍ^−３、Ｎ３＝６．１×１０^２０ｃｍ^−３、およびＮ４＝４．９×１０^２０ｃｍ^−３である。吸収率は、構造の放射ベレマンモードの励起に帰する。励起波長は、例として、１０２０ｎｍに固定される。図は、最高吸収率が、ＥＮＺ多層中の約１０〜３０ｎｍの間のＩＴＯ膜厚を用いて達成できることを示す。

図２は、固定された励起波長で様々な入射角と比較した、様々な膜厚に対するバウンドＥＮＺモードのｐ−分極した励起による、図１Ｂに示されたＥＮＺ多層スタックの例の吸収率の模式図である。吸収率は、クレッチュマン−ラター構造中の、バウンドＥＮＺモードの励起に帰する。クレッチュマン−ラター構造は、光と金属表面の自由電子との間の共鳴を達成するために使用される。この構造では、高い屈折率を有する高誘電率材料のプリズムが、金属膜と界面を有する。プリズムを通って伝達するソースからの光は、金属膜の上に入射する。全入射反射の結果として、金属膜を通っていくつかが漏れ、誘電体媒体中でエバネッセント波を形成する。エバネッセント波は、それが少なくなる、より光学的に密度の小さい媒体の中に、特徴的な距離だけ進入する。励起波長は、例えば１５４０ｎｍに固定される。図は、ＥＮＺ多層中で約８〜１２ｎｍの間で最も高い吸収が得られ、これにより図２Ａの結果に比べて非常に小さい膜厚の周辺に狭くなる。

図２Ｃは、様々な入射角と比較した、様々な波長に対する放射バレマンモードのｐ−分極した励起による、図１Ａに示されたＥＮＺ多層スタックの例の吸収率の他の模式図である。例示目的で、４つのＩＴＯ層の膜厚は、等しくて１１ｎｍに固定する。周波数の変化は、入射角の比較的小さい範囲となり、反対に、高レベルの吸収率が達成できる。９５％より大きい吸収率が、多層スタックで観察される。

図２Ｄは、様々な入射角と比較した、様々な波長に対するバウンドＥＮＺモードのｐ−分極した励起による、図１Ｂに示されたＥＮＺ多層スタックの例の吸収率の他の模式図である。例として、４つのＩＴＯ層膜厚は、等しくて１１ｎｍに固定される。例示のパラメータは、約６０°の入射角より上で共鳴光吸収率となる。吸収率の最適レベルは、図２Ｃに示されるベレマンモードによる吸収率を超えて、１０００〜１５００ｎｍの波長範囲に広がる。９５％より大きい吸収率は、多層スタックで観察される。

図２Ｅは、固定した入射角の様々な波長に対する、図１Ａに示されたＥＮＺ多層スタックの例を横切る電場強度の模式図である。入射角は、例えば６４°であった。深さゼロは、入射光に面する多層の表面に対応する。

図２Ｆは、固定した入射角のそれぞれの層への様々な波長に対する、図１Ｂに示されたＥＮＺ多層スタックの例を横切る電場強度の模式図である。入射角は、例えば６４°であった。深さゼロは、入射光に面する多層の表面に対応する。ＥＮＺ波長において内部ＩＴＯ層で、大きな場の強度の増大がある。

図２Ｇは、固定された入射角の様々な励起波長と比較した、様々な膜厚に対する放射バレマンモードのｐ−分極した励起による、図１Ａに示されたＥＮＺ多層スタックの例の吸収率の模式図である。入射角は７０°であった。広帯域の吸収が、ＥＮＺ多層中の約１０〜３０ｎｍのＩＴＯ膜厚で達成できる。

図２Ｈは、固定された入射角の様々な励起波長と比較した、様々な膜厚に対するバウンドＥＮＺモードのｐ−分極した励起による、図１Ｂに示されたＥＮＺ多層スタックの例の吸収率の模式図である。図は、約１０００〜１５００ｎｍのバンド幅を有する、高吸収（９０％以上、好適には９５％以上、より好適には９９％以上）を示す。

図３Ａは、ベレマンモードとバウンドＥＮＺモードとを比較する吸収率スペクトルの模式図である。左から始まって、第１の曲線は、放射ベレマンモードの結果を示し、第２の曲線は、バウンドＥＮＺモードの結果を示す。例えば、層は、８ｎｍ膜厚のＩＴＯ層である。図は、光レベルの吸収は、材料の非常に小さな膜厚において見られることを示す。図は、また、ベレマンモードのより狭い範囲に比較して、バウンドＥＮＺモードは１．１〜１．６μｍの広帯域波長範囲で吸収率を拡大することを示す。５００ｎｍ波長範囲以上に対して、９５％より大きな吸収率が、バウンドＥＮＺモードで見られる。

図３Ｂは、様々な電子密度を有するナノ層の３つの例の入射光エネルギと比較した吸収率の模式図である。図３Ｃは、図３Ｂの様々な電子密度を有するナノ層の３つの例の入射光波長と比較した吸収率の模式図である。限定されることなく、例えば、材料は、入射角６０°において、５×１０^２０ｃｍ^−３、１×１０^２１ｃｍ^−３、および２×１０^２１ｃｍ^−３の電子密度を有するＩＴＯである。影の部分は、ベレマンモードを表す。影の無い線は、バウンドＥＮＺモードを表す。吸収率の幅は、電気誘電率のドルーデモデル中の電子衝突率に比例する。

例２
図４Ａは、電界効果調整可能なＥＮＺ層を有する金属酸化物半導体（ＭＯＳ）構造の例の模式図である。調整可能な吸収は、電界効果により可能になる。ＭＯＳ構造は、ＴＣＯを有する電子電界効果トランジスタに類似しても良い。金属とＴＣＯとの間にバイアスを加えた場合、ＴＣＯ−絶縁体界面のＴＣＯ中に電子蓄積が起きる。電子蓄積は、ＴＣＯの複雑な誘電体定数を変える、電子蓄積は、プラズマとＥＮＺ周波数を増加させ、それにより、波長の吸収ピークのブルーシフトに繋がる。ポアソン式およびドリフト拡散式を自己整合的に解く商業的なデバイスシミュレータが、ＭＯＳデバイス中の電子分布を計算するために使用された。

図４Ｂは、図４Ａに示されるＥＮＺを横切って異なるように与えられた電圧に対する、電子濃度Ｎの空間分布例の模式図である。例示のＭＯＳデバイスは、金属基板、８ｎｍ膜厚のＩＴＯ単層、およびそれらの間の５ｎｍ膜厚の誘電体絶縁層を含む。誘電体絶縁層は、例えばハフニウム二酸化物（ＨｆＯ_２）であり、一般に高い誘電率の値を有する。この例では、ＩＴＯの背景キャリア濃度は、Ｎ０＝６×１０^２０ｃｍ^−３である。ＨｆＯ_２／ＩＴＯ界面におけるＩＴＯのキャリア濃度は、与えられた５Ｖのバイアスでは、バルク値と比較して十分に増加／減少し、可視またはＮＩＲで使える波長において、異なる与えられたバイアスに対する誘電率εｒの変化に繋がる。ＩＴＯの誘電率は、枯渇／蓄積層の形成により、ＨｆＯ_２／ＩＴＯ界面の約１〜２ｎｍ内の範囲で実質的に変化する。このように、「完全な」吸収（ここでは、少なくとも９５％、または有利には少なくとも約９７％、またはより有利には少なくとも約９９％）は、コンピュータ中のトランジスタのような一般的なＭＯＳデバイスの空間電化領域ζ_Ｄに近づく膜厚ｔを有する超薄膜ナノ層で可能である。低い与えられた電場において：
ｔ＜１０ｎｍ〜ζ_Ｄ≒１〜２ｎｍ
となる。

図５は、固定された入射角で、異なって提供される電圧に対する、図４Ａに示されるデバイスに似たＥＮＺ層の吸収率の例の模式図である。挿入図は、吸収率のバラツキをパーセント（％）で表す。図は、２×１０^２１ｃｍ^−３の電子濃度と３１ｃｍ^２／（Ｖｓ）の移動度を有する超薄層４ｎｍＩＴＯ層の吸収率を示す。入射媒体はＴｉＯ_２（ルチル）であり、光の入射角は６０°である。バイアスの値は、例えば５Ｖのバイアス（左の曲線）およびバイアス無し（右の曲線）である。垂直の点線は、ＥＮＺ波長を示す。

例えば３００％より大きい、より大きな吸収変化は、蓄積層中のより大きな場の拡大により観察される。それらの結果は、超薄層の調整可能なＥＮＺ吸収装置および薄膜モジュレータの開発への道を開く。

例３
図６Ａは、図１Ｂの構造中で光を用いた初期入射で、高い指数材料を有する単層のための、測定された吸収率と波長との模式的な図である。実験は、超薄層ベレマン吸収装置およびＥＮＺ吸収装置の吸収および枯渇から形成された。

図６Ｂは、１５ｎｍ膜厚のＩＴＯナノ層中でベレマンモードの測定したおよびシミュレーションした分散特性の模式図である。

ＩＴＯ膜は、シリカ基板上にラジオ周波数（ＲＦ）マグネトロンスパッタリングで成長させた。スパッタリング温度および処理圧力は、それぞれ４００℃と５ｍＴｏｒｒであった。ＲＦパワーは５０ＷでＡｒ流速は４０ｓｃｃｍであった。

サンプルの吸収率を測定するために、６００〜１７００ｎｍの広帯域波長範囲を有する超連続（ＳＣ）レーザからの線形に分極されたコリメート光を、図１Ｃに示すようなクレッチュマン−ラザー構造中のＧＧＧカップリングプリズムの手段により、ＩＴＯナノ層に入射させた。カップリングプリズムおよびテスト標本固定具は、モーターで回転するステージ（回転角度θ）の上に搭載された。ＩＴＯナノ層からの反射光は、第２の回転ステージ（回転角度２θ）に固定されたマルチモード光ファイバにより集められた。入射光のｓ−分極状態およびｐ−分極状態の双方に対して、反射光は、光スペクトル分析器により記録された。組み立ては、０．０１°の角度精度を有する広い角度範囲での反射率測定を可能にした。

図６Ａは、クレッチュマン−ラター構造中のベレマンモード（落ち込む前の上方の線）励起とＥＮＺモード（落ち込む前の下方の線）励起の双方に対して、２つのＩＴＯナノ層から測定された実験的なスペキュラ反射率を示す。ベレマンモードは、例えば図１Ｃに示された構造を使用できる。ＥＮＺモードは、例えば図１Ｂと類似するが、単層を有する構造を使用できる。反射率の落ち込みは、ＩＴＯナノ層中でのＥＮＺ共鳴光の吸収による。９９．５％（−２３ｄＢ）の吸収率が、ベレマンモードおよびＥＮＺモードの双方に対して、１０ｎｍから５０ｎｍまでのサブ波長膜厚を有するＩＴＯナノ層中で観察された。ベレマンモードは、４７．６°の入射角において１５ｎｍ膜厚のＩＴＯ中で観察され、ＥＮＺモードは、４３．７°の入射角において８０ｎｍ膜厚のＩＴＯ中で観察される。測定されたベレマンモードの分散特性は、図６Ｂにプロットされる（丸で表示）。特性は、シミュレーションした依存性（線で示す）と良く一致する。小さな矛盾は、指数マッチング液とＧＧＧプリズムの小さな反射指数のミスマッチに帰する。単層の吸収装置の良好な一致は、分析の正確性を表す。

例４
図７Ａは、例えば図１Ａおよび図１Ｂに示されたＡＺＯ多層クレッチュマン−ラター構造中のＥＮＺモード励起の模式図である。図７Ｂは、例えば図１ＡのようなＡＺＯ多層構造中の放射ベレマンモードの模式図である。図７Ｃは、図１Ｂに示すプリズムの無い入射光のための高指数材料を有するバウンドＥＮＺモード構造の模式図である。

実験は、多層広帯域のＥＮＺ「完全な吸収装置」の吸収および枯渇からなる。結果は、＞９９％の吸収率を有する広帯域ＥＮＺ吸収装置を実験的に行い、ここで記載された広帯域完全吸収設計の実験的な可能性を検証する。それぞれのＡＺＯ層の膜厚およびキャリア濃度が正確に制御できるため、ＡｌドープされたＺｎＯ（ＡＺＯ）材料が、この実験で使用された。ＡＺＯナノ層は、原子層堆積（ＡＬＤ）により成長させ、良好な均一性と表面平坦性を有する超薄膜を提供した。ＡＬＤで堆積したＡＺＯ膜の膜厚および電子濃度は、堆積サイクルの数およびジエチル亜鉛−Ｈ_２Ｏのトリメチルアルミニウム−Ｈ_２Ｏに対する堆積比を変えることにより制御した。２０：１、３０：１、および３５：１の堆積比を有する３つのＡＺＯナノ層が、図７Ａ〜図７Ｃに示す広帯域吸収装置を構成する。ＡＺＯ膜の複雑な誘電率が、コントロールサンプルの上でエリプソメトリにより測定され、図８Ａに示され、また以下に述べられる。結果は、誘電率ゼロが、ＡＺＯ３、ＡＺＯ２、およびＡＺＯ１のそれぞれに対して、１４９７ｎｍ、１５７１ｎｍ、および１７００ｎｍに位置した。

図８Ａは、図７Ａ〜図７Ｃに示す、エリプソメトリにより得られた、２５０℃で堆積したそれぞれの単層ＡＺＯ層の誘電率の実数部分（real part）と虚数部分（imaginary part）の波長依存性の模式図である。図８Ｂは、図７Ｂのベレマンモード構成中に広帯域ＥＮＺ吸収率を有する計算されたｐ−分極した（ＴＭ）ＡＺＯ多層の反射率の模式図である。図８Ｃは、図７ＣのＥＮＺモード構成中に広帯域ＥＮＺ吸収率を有するＡＺＯ多層の、計算されたＴＭ反射率の模式図である。点線は、設計された多層スタック中の層と等しい膜厚を有する個々のＡＺＯナノ層のそれぞれの反射率を示す。反射率は４３°の入射角で示され、これは４１．８°の全反射の臨界角より大きい。広帯域の吸収を達成するために、パラメータスイープが、３つのＡＺＯ層の膜厚の最適化のために使用される。４３°の入射角では、（下部、中央部、上部の層に対する）最適膜厚は、ベレマンモードでは８０ｎｍ、６０ｎｍ、および５０ｎｍ、ＥＮＺモードでは８０ｎｍ、６０ｎｍ、および３０ｎｍである。図８Ｃおよび図８Ｃに示すように、反射率の最小値は、ＥＮＺモードによる共鳴光吸収による。４３°の吸収（＞９０％）のバンド幅は、ベレマンモードで２１４ｎｍ、近赤外領域でのＥＮＺモードで２９４ｎｍである。

図９Ａは、ベレマンモード構成を有する広帯域ＡＺＯ吸収装置のためのクレッチュマン−ラター構成中の、ＴＭとｓ−分極した（ＴＥ）反射率とのシミュレーション比の模式図である。図９Ｂは、ベレマンモード構成を有する広帯域ＡＺＯ吸収装置のためのクレッチュマン−ラター構成中の、ＴＭとＴＥ反射率との実験的に決定された比の模式図である。図９Ｃは、ＥＮＺモード構成を有する広帯域ＡＺＯ吸収装置のためのクレッチュマン−ラター構成中の、ＴＭとＴＥ反射率とのシミュレーションされた比の模式図である。図９Ｄは、図６ＢのＴＭとＴＥ反射率との実験的に決定された比の模式図である。図６Ｂは、１５ｎｍ薄膜ＩＴＯナノ層中のベレマンモードの測定したおよびシミュレーションした分散特性である。

ＴＥおよびＴＭ反射率スペクトルは、４１°〜５２°の入射角範囲で、クレッチュマン−ラター構成中で測定した。ＴＭ／ＴＥ反射率比が計算されて、シミュレーションした反射率の比と比較された。シミュレーションは、コントロールサンプル上でエリプソメトリにより測定された、多層スタックの成分たるＡＺＯ層の実際の膜厚および光学的特性を考慮した。比較は、測定結果とシミュレーション結果との間で良好な一致を示す。ＡＺＯ層の膜厚は、ＡＺＯ１、ＡＺＯ２、およびＡＺＯ３のそれぞれについて８２ｎｍ、５７ｎｍ、および５７ｎｍであった。４１．８°の全反射の臨界角は、図９Ｃおよび図９Ｄに見られる。図は、シミュレーション結果と測定結果との間で良好な一致を示す。

例５
図１０は、与えられたバイアスにおけるシミュレーションされたＭＯＳ電界効果完全吸収装置の４つの組み合わせの、酸化物−ＩＴＯ界面における電子密度の模式図である。この例では、与えられるバイアスは５Ｖである。ＩＴＯバルクの電子密度は、１×１０^２１ｃｍ^−３である。ＭＯＳ構造は、実線はＡｇ−ＨｆＯ_２−ＩＴＯ、破線はＡｕ−ＨｆＯ_２−ＩＴＯ、点線はＡｇ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＩＴＯ、一点鎖線はＣｕ−ＨｆＯ_２−ＩＴＯである。金属の仕事関数は、銀は４．２６ｅＶ、金は５．１ｅＶ、銅は４．６５ｅＶである。ハフニウム酸化物の誘電定数は２５で、アルミニウム酸化物の誘電定数は２５である。

上述の発明の１またはそれ以上の範囲を用いる他の更なる具体例は、請求の範囲に記載された、開示された発明から離れることなく発明することができる。例えば、様々なＴＣＯ材料以外のＥＮＺ材料、異なる誘電率のＥＮＺレジームのための異なるドーピング金属または半金属、ドーピングのレベル、適用する電気バイアスのレベル、膜厚、層の間のパーセントとしてのドーピングのレベル、および他の変更は、請求の範囲および他の変更の範囲内に維持しながら可能である。

本発明は、好ましいそして他の具体例の文脈内で開示したが、本発明の全ての具体例が記載された訳ではない。記載された具体例の明らかな変形および代替えは、当業者が行えるであろう。開示された、および開示されていない具体例は、出願人により考えられた発明の範囲または適応性を限定または制限することを意図せず、むしろ、特許法に従って、出願人は、以下の請求の範囲または均等の範囲内にあるそのような変形および改良を全て保護することを意図する。

Claims (21)

1. 所定の波長でイプシロンニアゼロ（ＥＮＺ）レジームの誘電率を有し、適用された電気バイアスにより誘電率が変化するように調整可能に形成された、少なくとも１層の導電性材料を含む電子デバイス。
2. 導電性材料は、金属または半金属がドープされ、イプシロンニアゼロ（ＥＮＺ）レジームの誘電率のために材料中にキャリア濃度を形成する、少なくとも１つの部分的に透明な半導体材料を含む請求項１に記載のデバイス。
3. 半導体材料は、少なくとも１層の、透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）材料を含む請求項１に記載のデバイス。
4. 異なるキャリア濃度を有する少なくとも２つの層を含む請求項１に記載のデバイス。
5. 異なるＥＮＺレジームを有する少なくとも２つの層を含む請求項１に記載のデバイス。
6. 少なくとも１層は、入射光のサブ波長の膜厚を有する請求項１に記載のデバイス。
7. さらに、少なくとも１層に接続された酸化層と、少なくとも１層から遠位で酸化層に接続された金属層とを含み、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）形状を形成する請求項１に記載のデバイス。
8. ＭＯＳ形状は、ＭＯＳ形状に電気バイアスを与えることにより、光の吸収周波数が調整可能な請求項７に記載のデバイス。
9. さらに、少なくとも１層に接続された金属リフレクタを含む請求項１に記載のデバイス。
10. さらに、少なくとも１層の前に光を受けるように形成された高指数の材料を含む請求項１に記載のデバイス。
11. 異なるＥＮＺレジームを有し、異なる周波数で光を吸収するように形成された少なくとも２つの層を備えた、所定の波長でイプシロンニアゼロ（ＥＮＺ）レジームの誘電率を有する複数の導電性層のスタックを含む電子デバイス。
12. 複数の層の少なくとも１つは、キャリア濃度を形成するために、少なくとも１つの金属または半金属がドープされた半導体材料を含む請求項１１に記載のデバイス。
13. 所定の量の電気バイアスをデバイスに与えることにより、異なる誘電率に調整可能な請求項１１に記載のデバイス。
14. さらに、少なくとも１層に接続された金属リフレクタを含む請求項１１に記載のデバイス。
15. さらに、少なくとも１層の前に光を受けるように形成された高指数の材料を含む請求項１１に記載のデバイス。
16. 少なくとも１層は、入射光のサブ波長の膜厚を有する請求項１１に記載のデバイス。
17. さらに、少なくとも１層に接続された酸化層と、少なくとも１層から遠位で酸化層に接続された金属層とを含み、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）形状を形成する請求項１１に記載のデバイス。
18. ＭＯＳ形状は、ＭＯＳ形状に電気バイアスを与えることにより、異なる光の周波数を吸収するように調整可能な請求項１７に記載のデバイス。
19. 所定の波長でイプシロンニアゼロ（ＥＮＺ）レジームの誘電率を有する少なくとも１層の導電性材料を含む電子デバイスを使用する方法であって、
    デバイスに電気バイアスを与える工程と、様々な周波数の光を吸収するようにデバイスを調整する工程と、を含む方法。
20. 少なくとも１つの層は、所定の波長でイプシロンニアゼロ（ＥＮＺ）レジームの誘電率となるために、金属または半金属がドープされて材料中にキャリア濃度を形成する半導体材料を含む請求項１９に記載の方法。
21. デバイスは、異なるＥＮＺレジームを有する少なくとも２つの層を含み、さらに、少なくとも２つの層を通る異なる周波数の入射光を吸収する工程を含む請求項１９に記載の方法。

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