JP6338747B2 - 電磁波検出器 - Google Patents
電磁波検出器 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6338747B2 JP6338747B2 JP2017134327A JP2017134327A JP6338747B2 JP 6338747 B2 JP6338747 B2 JP 6338747B2 JP 2017134327 A JP2017134327 A JP 2017134327A JP 2017134327 A JP2017134327 A JP 2017134327A JP 6338747 B2 JP6338747 B2 JP 6338747B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electromagnetic wave
- upper metal
- wave detector
- metal pattern
- absorption
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 236
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 236
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 123
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 30
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 16
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 claims description 11
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 2
- -1 transition metal chalcogenide Chemical class 0.000 claims 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 53
- 239000010408 film Substances 0.000 description 51
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 28
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 22
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 22
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 6
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- 229940035637 spectrum-4 Drugs 0.000 description 5
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 4
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 3
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 3
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 229910052798 chalcogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001787 chalcogens Chemical class 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 1
- 230000002500 effect on skin Effects 0.000 description 1
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N molybdenum disulfide Chemical compound S=[Mo]=S CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052982 molybdenum disulfide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical compound [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Description
本発明は、電磁波検出器に関し、特に、入射電磁波の波長から、特定の波長を選択的に除外して吸収し、電気信号に変換する電磁波検出器に関する。
従来の電磁波検出器では、光検出層の材料として半導体材料が用いられるが、半導体材料はバンドギャップを有するので、バンドギャップよりも大きいエネルギーを有する光しか検出することができず、電磁波検出器として最適ではない。
そこで、次世代の光検出器として、金属構造体におけるプラズモン効果を利用して電磁波吸収を行うことが研究されている。例えば、非特許文献１には、下層金属層、絶縁層、周期的なパターンおよび大きさを有する上層金属層、を有する構造体が設けられた検出器が記載されている。かかる検出器では、構造体における光吸収率を測定することで、上層金属層の形状および、絶縁層膜厚に依存した波長の光吸収が可能となっている。
そこで、次世代の光検出器として、金属構造体におけるプラズモン効果を利用して電磁波吸収を行うことが研究されている。例えば、非特許文献１には、下層金属層、絶縁層、周期的なパターンおよび大きさを有する上層金属層、を有する構造体が設けられた検出器が記載されている。かかる検出器では、構造体における光吸収率を測定することで、上層金属層の形状および、絶縁層膜厚に依存した波長の光吸収が可能となっている。
Jiaming Hao et al., APPLIED PHYSICS LETTERS vol. 96, pp. 251104 (2010)
しかしながら、例えば衛星による地球観測、天体撮像、遠隔通信、バイオフォトニック（biophotonic）機器、不要蛍光の除去、火災時中での人観察など、さまざまな分野で、特定の波長を除いた光検知が求められているが、非特許文献１に示す構造では、特定の波長を除いた光検知は不可能である。
一方、ノッチフィルタ等の光学系を使用して特定波長を遮断する方法では、コストが高くなると共に、遮断波長がフィルタの設置角や光の入射角に大きく依存するという問題があった。
一方、ノッチフィルタ等の光学系を使用して特定波長を遮断する方法では、コストが高くなると共に、遮断波長がフィルタの設置角や光の入射角に大きく依存するという問題があった。
そこで、本発明は、所望の波長を除き、その他の広域波長帯の波長に関しては高効率で吸収することができる電磁波検出器の提供を目的とする。
本発明は、電磁波を電気信号に変換して検出する電磁波検出器であって、下層金属層と、下層金属層の上に形成された絶縁層と、絶縁層の上に複数の上層金属層が配置された上層金属パターンと、を含む構造体と、構造体の温度変化を電気信号に変換して検出する信号検知部と、を含み、上層金属パターンは、特定波長の電磁波と表面プラズモン共鳴して特定波長の電磁波を吸収するように形状が決定された少なくとも２種類の上層金属層を含み、上層金属層と絶縁層と上層金属パターンで吸収された２つの電磁波の吸収波長の間に、吸収されない電磁波の非吸収波長帯を有することを特徴とする電磁波検出器である。
本発明にかかる電磁波検出器では、所望の波長を除き、その他の広域波長帯について高効率で電磁波の吸収が可能とある。即ち、非吸収波長帯を持つ電磁波の検出が可能となる。
本発明の実施の形態では、電磁波検出器について赤外波長域を用いて説明するが、本発明は、赤外線以外の波長域、例えば可視、近赤外、テラヘルツ（ＴＨｚ）、マイクロ波、電波領域の波長域の検出器としても有効である。本発明の実施の形態において、光は電磁波とも記載する。また、各実施の形態では、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。本発明の吸収体を適用する検出器には、熱型としてはボロメータ、サーモパイル、ＳＯＩ（Silicon-on-Insulator）ダイオード型、焦電型、あるいは吸収した熱によって発生した歪みを検知する検知器などあらゆる形式の検知器が含まれる。熱型以外では、以下で述べる絶縁層を半導体（含む量子井戸、量子ドット）に変更すれば、量子型の検出器にも適用できる。
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００の斜視図である。図２は、図１の電磁波検出器１００の断面図（一部）である。また、図３は、図１を上面から見た場合の上面図である。
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００の斜視図である。図２は、図１の電磁波検出器１００の断面図（一部）である。また、図３は、図１を上面から見た場合の上面図である。
図１〜図３に示すとおり、電磁波検出器１００は、平坦な表面を有する下層金属層１と、下層金属層１上に形成された絶縁層２と、絶縁層２上に周期性を持って形成され、周期的に配列された上層金属パターン３と、の３つの構造と、この３つの構造で吸収された光を電気信号に変換する信号検知構造９を有する。
上層金属パターン３および下層金属層１は、表面プラズモン共鳴を生じやすい材料から形成されることが好ましく、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ等の金属から形成される。換言すれば、負の誘電率を有する材料が望ましい。但し、変換損失の大きな金属を用いた場合、吸収率特性における半値幅が広がるなど波長選択性、つまり単色性が劣化することがある。よって、金属の種類は必要とされる検知波長の半値幅などによって、適宜選択される。また、逆に損失の大きな金属を用いることで広範な波長域を検知するような、ブロードな吸収をもたせることが可能になる。
絶縁層２は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム、酸化ニッケル、シリコン等の絶縁物から形成されることが好ましい。また、ＳｉやＧａＡｓなどの半導体においても同様の効果がある。
上層金属パターン３は、ある特定波長を除いた光を吸収する機能を持つ、少なくとも２種以上の異なる形状または大きさで形成されている。なお、配置される上層金属パターン３の数は、適宜選択できる。また、上層金属パターン３の配置は、２次元マトリックス状の配置では、正方格子状、三角格子状、六法格子状などの配置が可能である。あるいは１次元の配置などでもよい。ここでは、代表例として正方格子状の配置について説明する。
なお、図２において、信号検知構造９は下層金属層１の下部に配置しているが、下層金属層１、絶縁層２、上層金属パターン３で吸収された光を電気信号に変換できればよく、側面、もしくは各層中に配置しても良い。
次に、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００の、光吸収の原理について説明する。図４は、電磁波検出器に電磁波が入射したときの電磁界の振る舞いを示す概念図である。電磁波検出器１００に光（電磁波）が入射した場合、入射面に周期的に形成された上層金属パターン３によって共鳴する共鳴波長の光が、入射した光の中から選択される。選択された波長の光のうち、絶縁層２に導かれる導波モードの光がさらに選択される。
次に、上層金属パターン３と下層金属層１との間に挟まれた絶縁層２内で共鳴が発生し、ここでも共鳴波長の光が選択される。ここで、絶縁層２は、入射光の波長に比べて非常に薄いため、絶縁層２の厚さ方向の共鳴は支配的にはならない。よって、実質的には上層金属パターン３の面内方向（絶縁層２の表面に平行な方向）の共鳴が支配的になる。ここでは上層金属パターン３は正方形であるため、正方形の一辺に沿った方向の共鳴が支配的になる。
つまり、正方形一辺の長さＬと吸収ピーク波長λの関係は、
λ＝ｎ×Ｌ
となる。ここで、ｎは正の定数である。
つまり、正方形一辺の長さＬと吸収ピーク波長λの関係は、
λ＝ｎ×Ｌ
となる。ここで、ｎは正の定数である。
電磁波検出器１００の入射面側では、以上のような共鳴が生じる。これは、特に、表面プラズモン共鳴、プラズモン共鳴、あるいは可視域以外での金属表面における共鳴という意味で、擬似表面プラズモン共鳴と呼ばれる。また、同様に波長以下の構造により、特定の波長を操作するという意味で、メタマテリアル、プラズモニックメタマテリアル、アンテナなどと呼ばれることもある。但し、本質的には、既に述べたように、上層金属パターン３の表面における共鳴による吸収である。よって、本発明の明細書では、特にこれらの名称を区別せず、現象面からは同じとする。明細書中では、これらの共鳴を表面プラズモン共鳴、プラズモン共鳴、あるいは単に共鳴と呼ぶ。
このように、特定の波長におけるプラズモン共鳴によって、上層金属パターン３の周辺に光が強く局在することになる。このとき、局在した光は、電磁波検出器１００中で主に熱として蓄積される。
図５は、電磁波検出器１００に光（電磁波）が入射したときの光吸収スペクトルである。図５に示すように、図４に示す電磁波検出器１００では、上層金属パターン３の正方形一辺の長さに対応した波長成分のみが吸収される。このとき、選択的に吸収される光の波長は、上層金属パターン３の配置周期Ｓによって大きく変化しないことが知られている。ただし、周期より小さい波長の入射電磁波では、回折されて反射される場合があるため、吸収が生じないかまたは弱くなる。よって、上層金属パターン３の配置周期Ｓを選択吸収波長λよりも小さく設定することで、吸収率を減少させることなく、特定波長の光吸収が可能となる。
また、図５に示した電磁波吸収スペクトルの鋭さは、上層金属パターン３の形状の作製精度や端面形状の均一性、膜厚の均一性、金属の種類、および絶縁層２の膜厚、を調整することにより変化する。これらを調整することで、ブロードな吸収スペクトルを持たせたり、鋭い吸収スペクトルを持たせたりすることができる。
電磁波検出器１００で検出できる光の波長は、絶縁層２の膜厚ｄや材質、上層金属パターン３の膜厚ｈによっても影響を受ける。非特許文献１で示された結果では、絶縁層２の膜厚ｄ＝１０ｎｍ、上層金属パターン３の膜厚ｈ＝４０ｎｍ、上層金属パターン３の配置周期Ｓ＝３１０ｎｍのとき、一辺１７０ｎｍの上層金属パターンで、吸収波長１．５８μｍの吸収ピークが得られており、実測吸収率は８８％（理論値９７％）という結果が報告されている。つまり、上層金属パターン３配置周期は１．５８μｍまで拡大させたとしても、目的とする波長の光吸収率は低下しないことが予想できる。
ここでは、上層金属パターン３はそれぞれ孤立して配置された例をあげたが、特定波長の光を吸収できるのであればこれに限らない。例えば、複数の上層金属パターン３が一部でつながった形状でも良いし、図６に示すように、上層金属パターン３の存在している箇所と部分とし存在していない部分が反転している（ドットパターンに対して、アンチドットパターン。つまり、金属板に貫通孔（図７の白抜き部分）が周期的に形成されているパターン）ような、一部分のみ上層金属層が除去されたパターンでも良い。その際、上層金属パターン３における吸収波長スペクトルは、除去パターンの周期や大きさ、形状などにより影響を受けることとなる。
次に、上層金属パターン３の膜厚：ｈについて述べる。上層金属パターン３の膜厚ｈが厚くなると、厚さ方向にも共鳴が生じるため、高さ方向にも共鳴が生じる。よって、検出効率の入射角度依存性が大きくなる。この結果、特定波長においては垂直入射以外の光を吸収しなくなり、検出出力が低下する傾向にある。つまり、少なくともｈ＜Ｌ（上層金属パターン３の一辺の長さ）を満たし、膜厚ｈはできるだけ薄くすることが好ましい。
膜厚ｈの下限について説明する。膜厚ｈが、検出波長に対して、
δ＝（２／μσω）１／２
μ、σはそれぞれ上層金属パターン３の透磁率および電気伝導率
ωは検出波長を有する電磁波の角振動数
で表される表皮効果の厚さδ（skin depth）の２倍程度の厚さ（波長によって変化するが、赤外域においては、数１０ｎｍ程度から数１００ｎｍ程度）以上であれば、一般に入射光の漏れ出しが充分に小さいといえる。よって、膜厚ｈの最低膜厚は、上記条件を満たさなければならない。以下の解析に示すように、赤外波長域に対しては、膜厚ｈが数１０〜１００ｎｍ程度以上であれば十分な吸収が生じ、２００ｎｍ程度あれば十分である。このように、上層金属パターン３の膜厚が薄い場合、表面プラズモン共鳴は、主として、上層金属パターン３の面内方向において生じ、吸収する入射光の波長は、上層金属パターン３の大きさにより決まる。
δ＝（２／μσω）１／２
μ、σはそれぞれ上層金属パターン３の透磁率および電気伝導率
ωは検出波長を有する電磁波の角振動数
で表される表皮効果の厚さδ（skin depth）の２倍程度の厚さ（波長によって変化するが、赤外域においては、数１０ｎｍ程度から数１００ｎｍ程度）以上であれば、一般に入射光の漏れ出しが充分に小さいといえる。よって、膜厚ｈの最低膜厚は、上記条件を満たさなければならない。以下の解析に示すように、赤外波長域に対しては、膜厚ｈが数１０〜１００ｎｍ程度以上であれば十分な吸収が生じ、２００ｎｍ程度あれば十分である。このように、上層金属パターン３の膜厚が薄い場合、表面プラズモン共鳴は、主として、上層金属パターン３の面内方向において生じ、吸収する入射光の波長は、上層金属パターン３の大きさにより決まる。
これに対して、膜厚ｈが厚くなり、Ｌの１／４より大きくなった場合、膜厚方向（面内方向に垂直な方向）にも共鳴が発生し、吸収特性の入射角度依存性が大きくなる。また共鳴方向が一か所ではないことから、吸収波長が多波長化するという問題が生じる。
上述のように上層金属パターン３の膜厚が非常に薄い場合、吸収波長は主として面内方向の共鳴によって決定されるため、結果的に、吸収波長の入射角依存性が小さくなる。この結果、入射角が変化しても、吸収波長、吸収率などの吸収特性の変化は殆どおこらなくなる。
上述のように上層金属パターン３の膜厚が非常に薄い場合、吸収波長は主として面内方向の共鳴によって決定されるため、結果的に、吸収波長の入射角依存性が小さくなる。この結果、入射角が変化しても、吸収波長、吸収率などの吸収特性の変化は殆どおこらなくなる。
一方、下層金属層１の膜厚は、入射光の透過が起こらないことが望ましく、選択吸収を行う波長の２倍程度、もしくはそれ以上の膜厚であることが望ましい。
次に、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００の動作原理について説明する。図１に示すとおり、上層金属パターン３は上層金属パターンＡ５１〜上層金属パターンＩ５９の９種類を含んで周期的に構成されている。これら上層金属パターンＡ５１〜上層金属パターンＩ５９の少なくとも２種類以上の異なる形状または大きさで形成されており、先に述べたとおり、各パターンの正方形一辺の長さに対応した波長成分のみが吸収される。
このとき、上層金属パターンＡ５１〜上層金属パターンＤ５４を第１吸収ユニット１４とし、それぞれのパターンにおける吸収スペクトル合算がフラットになり、広帯域で吸収がなされるよう、正方形一辺長Ｌと吸収ピーク波長λを設定する。同様に、上層金属パターンＥ５５〜上層金属パターンＩ５９を第２吸収ユニット１５とし、吸収スペクトル合算がフラットになり、広帯域で吸収がなされるよう、正方形一辺長Ｌと吸収ピーク波長λを設定する。
図７は、このときの電磁波検出器３における光吸収スペクトルである。先に述べたとおり、各上層金属パターンの一辺の長さに対応した波長の光が選択的に吸収され、第１吸収ユニット１４では第１広域吸収帯１２、第２吸収ユニット１５では第２広域吸収帯１３が得られ、第１広域吸収帯１２と第２広域吸収帯１３はそれぞれオーバーラップしないような波長域をカバーするように設定する。これにより、非吸収波長帯５を有する電磁波検出器トータル吸収スペクトル４を得ることができる。
このとき、それぞれの上層金属パターン配置間隔が選択吸収波長以下に設置することで、吸収波長２５１〜２５４の４つの吸収率をそれぞれ低下させることなく維持できる。このため、広帯域で高い吸収率を持つ電磁波検出器の設計が可能であり、上層金属パターン３の設計により非吸収波長帯５を設置できる。
図７では、第１吸収ユニット１４では第１広域吸収帯１２、第２吸収ユニット１５では第２広域吸収帯１３を得ることで、１つの非吸収波長帯５を得たが、非吸収波長帯を複数得られるよう設計しても良い。図８に２つの吸収波長帯を得られる構造を示す。また、図９に、図８の構造により得られる吸収波長スペクトルを示す。
上層金属パターン３の設計により、第１吸収ユニット１４、第２吸収ユニット１５、第３吸収ユニット１６を形成することで、第１広域吸収帯１２、第２広域吸収帯１３、第３広域吸収帯１７が得られる。第１広域吸収帯１２と第２広域吸収帯１３の間で第１非吸収波長帯１８と、第２広域吸収帯１３と第３広域吸収帯１７の間で第２非吸収波長帯１９を有する、磁波検出器トータル吸収スペクトル４を得ることができる。
上層金属パターン３のパターン数は、本実施の形態では９つと記載したが、広帯域で高い吸収率が得られ、非吸収波長帯５を得られるパターン構成であれば良く、９つに限らない。例えば、９つより多くても良いし、１つのパターンで広帯域の波長が検知できるのであれば９つよりも少なくても良い。
上記金属パターン３のパターン配置方法は、周期的で、かつ同じパターンのものが選択吸収波長以下の間隔で配置されていれば良く、図３に示すようなパターン配置に限らない。例えば、図１０のように配置パターンを変更しても良いし、図１１のように各上層金属パターンの間隔が比較的均一になるように第１吸収ユニット１２と第２吸収ユニット１３を固めて配置しなくても良い。また、小さな面積の上層金属パターンは選択吸収波長λが小さくなるため、配置周期Ｓを小さく保つ必要がある。その場合は、図１２のように配置個数を上層金属パターンごとに変化させても良い。
また、上記例では上層金属パターン３が周期的に配置された固まりを、２×２のアレイ状に配置した例を記載しているが、それに限らない。例えば、図１３のように１周期のみを配置しても良い。検知面積を縮小し、微細なアレイセンサとして形成する際に有効である。また、３×３、４×４と、任意で配置することができる。これは、大面積で平均化した信号成分を取得する際に有効である。
上層金属パターン３の形状は、図１４に示すように、円形、長方形、楕円形、三角形、同心円状、ブルズアイ（Bullseye）、十字型、Ｈ型、スプリットリング等の形状で形成されても良い。本実施の形態では、正方形を代表例として記載している。三角形、長方形、楕円形などの非対称形状では、吸収波長に偏向依存性が生じるため、この作用を利用して偏向検知素子としても良い。
また、同心円の形状を有している上層金属パターン３においても特定波長が得られるという特徴を利用して、図１５に示すような複数の同心円状パターンを形成しても良い。図１５のような同心円状パターンでは、図１６に示すように、同心円外周パターン７０で得られる吸収波長２７０と、同心円内部パターン７１で得られる吸収波長２７１は異なっており、この特徴を生かして複数波長の吸収を行っても良い。このように、上層金属パターン３については複数の波長で共鳴を有する形状を用いても良い。
次に、信号検知構造９について述べる。図１７は、本実施の形態にかかる信号検知構造９を示す断面図である。図１７の構造では、下層金属層１の下部に感熱層１０が配置される。感熱層１０は、下層金属層１、絶縁層２、上層金属パターン３で特定波長の光が吸収されたことにより発生した温度変化により、電気信号を発生する。この電気信号を電気信号取り出し部８から取り出す。
このとき、感熱層１０の例としては、抵抗体の抵抗値、ダイオードなどが挙げられるが、温度変化により特性が変化する構造体であればよく、それらに限らない。
また、信号検知構造１０の配置は、下層金属層１の下部に限らず、側面、もしくは光の吸収を著しく低下させない範囲で上部に設置しても良い。
図１８と図１９に、他の信号検知構造９を示す。図１８の構造では、絶縁層２と上部金属パターン３の間にグラフェン層７を設置し、その外部に電気信号取り出し部８を設置する。このとき、入射光により絶縁層２と上部金属パターン３の間で電磁場の局在が起こり、その電磁場をグラフェンにより吸収する。通常の光入射におけるグラフェン層の光吸収率は通常２．３％であるのに対して、共振器中に設置されたグラフェン層７では、共振器中ではグラフェン層７に対して電磁波が入射を繰り返すため、最終的に局在した光を全て（１００％）吸収することができる。つまり、入射光を熱成分に変換することなく、電気信号に変換することができる。グラフェン層７は、絶縁層２の中間に配置しても同様の効果が得られる。
一方、図１９の構造では、下層金属層１と絶縁層２と上層金属パターン３で吸収した熱成分を、熱伝達体２１を通して感熱体２２で電気信号に変換する。感熱体２２は断熱支持脚２３により中空状態に保たれている。そして、この断熱支持脚２３における熱の伝達を弱める、即ち、断熱支持脚２３を微細構造とすることで、感熱体２２における感度向上が可能である。ここで、感熱体２２としてはＳＯＩダイオード構造、ボロメータなどを利用することができる。なお、電気信号の取り出し構造は、図１７〜図１９に示した３例に限らない。
次に、本発明の実施の形態にかかる電磁波検出器１００の製造方法について、図２０ａ〜図２０ｅを参照しながら説明する。
まず、始めに、図２０ａに示すように、信号検知構造９を形成する。先に述べたように、信号検知構造９は、温度変化により抵抗値が変化する抵抗体や、温度変化により特性の変化するダイオードなどで形成されることが好ましいが、温度変化により特性が変化する構造であればこれらに限らない。また、信号検知構造９の下部に支持基板としてＳｉウエハ、金属膜等を使用しても良いが、その際、支持基板からの放熱が懸念され、光吸収による温度変化が小さくなってしまう。温度変化を顕著にするため、中空保持とすることが好ましい。
次に、図２０ｂに示すように、信号検知構造９の上に下層金属層１を堆積する。先に述べたように、下層金属層１の材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ等の負の誘電率を有する材料が望ましい。膜厚は、上面からの入射光が透過しない膜厚であればよい。
次に、図２０ｃに示すように、下層金属層１の上に、例えば酸化膜、窒化膜、有機溶剤などからなる絶縁層２を形成する。その際、絶縁層２の表面は、下層金属層１の表面と平行かつ平坦な形状で形成することが好ましく、ＣＭＰ研磨や熱処理などの平坦化処理を実施してもよい。
次に、図２０ｄに示すように、絶縁層２の上に、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ等の負の誘電率を有する材料からなる上層金属を堆積する。
次に、図２０ｅに示すように、上部金属を加工して、上層金属パターン３を形成する。加工の際には、写真製版処理、エッチング、またはリフトオフ等の半導体プロセスを使用することができる。
以上の工程により、本実施の形態１にかかる電磁波検出器１００が作製される。
実施の形態２．
図２１は、本実施の形態２にかかる電磁波検出器の上面金属パターンである。図２１の構造では、周期的に配置された上層金属パターンの一部の領域において、周期性を乱したパターン欠陥領域１１が設けられている。これにより、広帯域波長帯の中に非吸収波長を導入することが可能となる。特に、フォトニック結晶などの周期構造を利用した光デバイスに対応できるように、周期構造において周期を乱す領域（特に、「欠陥領域」と呼ばれることが多い。）においては、欠陥領域に対応した結合あるいは非結合モードが発生し、広い波長域中に欠陥モードを高効率に導入することができる。
図２１は、本実施の形態２にかかる電磁波検出器の上面金属パターンである。図２１の構造では、周期的に配置された上層金属パターンの一部の領域において、周期性を乱したパターン欠陥領域１１が設けられている。これにより、広帯域波長帯の中に非吸収波長を導入することが可能となる。特に、フォトニック結晶などの周期構造を利用した光デバイスに対応できるように、周期構造において周期を乱す領域（特に、「欠陥領域」と呼ばれることが多い。）においては、欠陥領域に対応した結合あるいは非結合モードが発生し、広い波長域中に欠陥モードを高効率に導入することができる。
本実施の形態２にかかる構造においても、図２２に示すように、広い波長域、例えば、中赤外〜長波長赤外をカバーするような波長域中に、非結合（吸収の生じない）欠陥モードを導入することが可能となる。このような非結合欠陥モードを利用することで、特定の波長のみを吸収しない、つまり特定の波長のみを検知しない検出器の実現が可能である。
次に、欠陥領域の構成について説明する。例えば、図２１のように、構造物が周期的に配置されている場合、特定の構造物を除去することによって欠陥領域を導入することが可能である。欠陥領域の近傍では、配置周期がその他の領域と異なることになる。このため、周期性が乱された領域が形成される。
より具体的に述べると、上層金属パターンが、例えば３μｍ周期で配置されている場合、その中の一つの上層金属パターンを除去する。この除去された領域が欠陥領域に相当する。なぜなら、欠陥周囲の上層金属パターンの配置周期は６μｍとなり、欠陥領域においては他の上層金属パターンと配置周期が異なる領域が形成されるからである。
次に、本実施の形態にかかる、欠陥領域を有する構造における非結合欠陥モードについて簡単に述べる。既に述べたように、上面金属パターンでは、パターンの配置周期以下の波長は全て回折されて、吸収されない。よって欠陥領域を導入することによって、６μｍの波長において、吸収が生じなくなるか、弱くなる。このように、欠陥領域を導入することで、吸収されない波長を導入することが可能になる。
欠陥領域の導入については、図２１に示すようなパターンの一部を除去する除去型の配置が可能である。また、例えば、図２３に示すように、特定の２つの上層金属パターンのみ中心間の距離を近づけるか、あるいは遠ざけるなどの方法によって周期性を乱した構造、つまり欠陥領域を導入することも可能である。また、図２１に示すような周期構造を含む単位ユニットが更に周期的に配置されているようなスーパラティス構造の場合、欠陥領域が周期的に構成される。図２４に示すように、欠陥はこのような周期的な配置（左図）でも良いし、スーパラティス内に単一の領域（右図）としてもよい。欠陥の構成については、要求される検出器の仕様、目的とする波長によって適宜選択すればよい。
実施の形態３．
図２５ａおよび図２５ｂは、本実施の形態３にかかる電磁波検出器１００の断面図である。実施の形態１と異なる点は、絶縁層２の一部を加工工程により除去している点であり、他の構造は同じである。図２５ａは隣接する上層金属パターン３の間の下部に存在する絶縁層２を完全に除去しており、図２５ｂは隣接する上層金属パターン３の間の下部に存在する絶縁層２を部分的に除去している。
図２５ａおよび図２５ｂは、本実施の形態３にかかる電磁波検出器１００の断面図である。実施の形態１と異なる点は、絶縁層２の一部を加工工程により除去している点であり、他の構造は同じである。図２５ａは隣接する上層金属パターン３の間の下部に存在する絶縁層２を完全に除去しており、図２５ｂは隣接する上層金属パターン３の間の下部に存在する絶縁層２を部分的に除去している。
ここで、電磁波検出器１００の性能値の一つである熱時定数と、それを決定する熱容量について説明する。熱容量とは、系に対して熱の出入りがあったとき、系の温度がどの程度変化するかを表す状態量である。本発明における熱容量は、信号検知構造９と下層金属層１、絶縁層２、上層金属パターン３のそれぞれの密度ρと体積Ｖを掛け合わせたものの和である。つまり、各層の体積Ｖが大きい場合、熱容量は大きくなる。
一方、熱時定数とは、電磁波検出器１００の性能値の一つであり、入力された熱成分に対しての電磁波検出器１００自体の温度変化追従時間のことである。この熱時定数は、上述の熱容量に比例した値となる。つまり、熱容量が大きい構造では、入力された熱成分に対して追従する時間が遅くなり、熱容量が小さい構造では、逆に速くなる。
高速移動するもの、もしくは温度上昇や温度低下が速いものを観察する際に、熱時定数は重要な性能指標となる。熱時定数が小さいほど、検知対象の温度変化追従性が高いといえる。
ここで、図２に示す実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と、図２５ａおよび図２５ｂに示す電磁波検出器１００とを比べた場合、後者のほうが、絶縁層２を部分的に除去している分、熱容量は小さくなり、熱時定数が小さく、高性能な電磁波検出器となる。一方、表面プラズモン効果としては、本実施の形態の電磁波検出器１００で除去した絶縁層２の部分は、電磁波閉じ込め効果に影響を与えないため、高効率な光閉じ込め効果は保たれる。
図２６に示すように、下層金属層１と上層金属パターン３の間の絶縁層２の内、一部を除去しても良い。これにより、更に熱時定数が小さく、高性能の電磁波検出器１００が得られる。また、絶縁層２が空気層に代わるため、空気層の方が絶縁層より屈折率が低く、絶縁層２に比較して空気層中の光学的な波長が大きくなる。よって、空気層の厚さ、つまり絶縁層２の高さｈの変化に対する共鳴波長の変化が少なくなる。このため、図２６のような構成とすることで、更に高性能化が可能となる。
実施の形態４．
図２７ａおよび図２７ｂは、本実施の形態４にかかる電磁波検出器１００の断面図である。実施の形態１の電磁波検出器１００と異なる点は、下層電極層１の一部を除去している点であり、他の構造は同じである。図２７ａは隣接する上層金属パターン３の間の下部に存在する下層金属層１を完全に除去しており、図２７ｂは隣接する上層金属パターン３の間の下部に存在する下層金属層１を部分的に除去している。
図２７ａおよび図２７ｂは、本実施の形態４にかかる電磁波検出器１００の断面図である。実施の形態１の電磁波検出器１００と異なる点は、下層電極層１の一部を除去している点であり、他の構造は同じである。図２７ａは隣接する上層金属パターン３の間の下部に存在する下層金属層１を完全に除去しており、図２７ｂは隣接する上層金属パターン３の間の下部に存在する下層金属層１を部分的に除去している。
ここで、図２に示す実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と、図２７ａおよび図２７ｂに示す電磁波検出器１００とを比べた場合、後者のほうが、下層電極層１を部分的に除去している分、熱容量は小さく押さえることができ、熱時定数が小さく、高性能な電磁波検出器が得られる。一方、表面プラズモン効果としては、上層金属パターン３下部の下層金属層１が存在していれば、本実施の形態で除去した下層電極層１の部分は電磁波閉じ込め効果に影響を与えないため、高効率な光閉じ込め効果は保たれる。
なお、実施の形態３、４の構造は、同時に実施することでさらに高い効果が得られる。また、例えば、図２８に示すように、絶縁層２の一部を除去しても良い。上層金属パターン３、絶縁層２、下層金属層１の形状が安定して保てるように、一部分のみを残すように形状加工してよい。
実施の形態５．
図２９は、本実施の形態５にかかる電磁波検出器１００の断面図である。実施の形態１の電磁波検出器１００と異なる点は、上層金属パターン３の代わりに、上層非金属パターン２０を設置している点であり、他の構造は同じである。
図２９は、本実施の形態５にかかる電磁波検出器１００の断面図である。実施の形態１の電磁波検出器１００と異なる点は、上層金属パターン３の代わりに、上層非金属パターン２０を設置している点であり、他の構造は同じである。
上層金属パターン３は、表面プラズモン共鳴を生じやすい材料であれば良く、金属に限られない。このため、本実施の形態では、金属でない上層非金属パターン２０を用いる。例えば、グラフェンは、非金属でありながら電気伝導度が極めて小さく、プラズモン共鳴を生じさせることができるため、グラフェンからなる上層非金属パターン２０を用いるとで、高効率な光閉じ込め効果が保たれる。また、上層非金属パターン２０は、グラフェンとほぼ同等の２次元性を有する二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）などの遷移金属ダイカルコゲナイド（ＭＸ２）であってもよい。ここで、遷移金属ダイカルコゲナイド（ＭＸ２）は、遷移金属（Ｍ＝Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏなど）とカルコゲン（Ｘ＝Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）からなる。
また、グラフェンは原子１層で成り立っているため、金属薄膜を用いる構造よりも熱容量は小さく抑えることができ、熱時定数が小さく、高性能な電磁波検出器１００が得られる。
実施の形態６．
図３０は、本実施の形態６にかかる電磁波検出器１００の斜視図である。実施の形態１の電磁波検出器１００と異なる点は、上層金属パターン３の内、一部を他の金属材料に置き換えている点であり、他の構造は同一である。
図３０は、本実施の形態６にかかる電磁波検出器１００の斜視図である。実施の形態１の電磁波検出器１００と異なる点は、上層金属パターン３の内、一部を他の金属材料に置き換えている点であり、他の構造は同一である。
上層金属パターン３の金属材料として、Ｎｉなどの変換損失の大きな金属を用いた場合、吸収率特性の半値幅が広がるなど波長選択性、つまり単色性が劣化する。この特性を利用し、さらに広帯域な光吸収を可能とすることができる。例えば、上層金属パターン３のうち、最も長波長側の表面プラズモン吸収を行う上層金属パターンＡ５１を、材料のみ異なる上層金属パターンＡ７２とし、最も短波長側の表面プラズモン吸収を行う上層金属パターンＩ５９を、材料のみ異なる上層金属パターンＩ７３に変更する。
図３１に、このときの光吸収スペクトルを示す。材料を変更することにより、上層金属パターンＡ７２による吸収スペクトル２７２、上層金属パターンＩ７３による吸収スペクトル２７３は、図７に示す上層金属パターンＡ５１による吸収スペクトル２５１、上層金属パターンＩ５９による吸収スペクトル２５９よりも、幅広い波長域に吸収スペクトルを持ち、結果として、更なる広帯域波長の光吸収が可能となる。
実施の形態７．
図３２は、本実施の形態７にかかる電磁波検出器１００の断面図である。実施の形態１の電磁波検出器１００と異なる点は、上層金属パターンの下の絶縁層２の膜厚が互いに異なるようにした点で、他の構造は同じである。一例として、図３２では、上層金属パターン３の大きさおよび形状が同じであるが、絶縁層２膜厚が互いに異なる絶縁膜Ａ６０〜絶縁膜Ｄ６３の４種類を配置しており、絶縁膜Ａ６０の膜厚が最も厚く、絶縁膜Ｄ６３の膜厚が最も薄い。
図３２は、本実施の形態７にかかる電磁波検出器１００の断面図である。実施の形態１の電磁波検出器１００と異なる点は、上層金属パターンの下の絶縁層２の膜厚が互いに異なるようにした点で、他の構造は同じである。一例として、図３２では、上層金属パターン３の大きさおよび形状が同じであるが、絶縁層２膜厚が互いに異なる絶縁膜Ａ６０〜絶縁膜Ｄ６３の４種類を配置しており、絶縁膜Ａ６０の膜厚が最も厚く、絶縁膜Ｄ６３の膜厚が最も薄い。
図３３は、絶縁層２の膜厚と吸収スペクトルの波長ピーク値の関係を模式的に示したグラフである。絶縁層２の膜厚ｄが薄いほど、吸収スペクトルの波長ピーク値は長波長側にシフトする。この関係性を利用し、広域吸収帯および非吸収波長帯を設定できる。
図３４は、本実施の形態にかかる電磁波検出器１００で得られる吸収スペクトルを示す。絶縁膜Ａ６０による吸収スペクトル２６０から、絶縁膜Ｄ６３による吸収スペクトル２６３までは、それぞれ異なった波長ピークを示しており、吸収スペクトル２６０と吸収スペクトル２６１で第１広域吸収帯１２、吸収スペクトル２６３と吸収スペクトル２６４で第２広域吸収帯１３を形成する。第１広域吸収帯１２と第２広域吸収帯１３はそれぞれオーバーラップしないように設定する。これにより、非吸収波長帯５を有する電磁波検出器トータル吸収スペクトル４を得ることができる。つまり、上層金属パターン３の大きさ、または形状を変更した場合と同様の効果を有した電磁波検出器１００を得ることができる。
絶縁膜２の膜厚の調整だけでも、広域吸収帯と非吸収波長帯を得ることができるが、上層金属パターン３の大きさや形状を調整する実施の形態１の手段と組み合わせることで、さらに広帯域の光吸収が可能となる。
次に、本実施の形態にかかる電磁波検出器１００の製造方法について、図３５ａ〜図３５ｉを用いて説明する。
まず、はじめに、図３５ａ〜図３５ｃに示す工程において、実施例１の図２０ａ〜図２０ｃと同じ工程を用いて、信号検知構造９、下層金属層１、絶縁層２を形成する。
次に、図３５ｄ〜図３５ｆに示すように、絶縁層２の表面が部分的に露出するように写真製版その他の保護膜（例えばフォトレジスト）を形成した後、露出部をエッチングで部分的に除去する。この工程を繰り返すことにいり、絶縁膜２を階段状にエッチングし、階段状に膜厚の異なる絶縁層２を形成する。エッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでも良い。また、エッチングストップ層を絶縁層２にあらかじめ形成していても良い。
次に、図３５ｇに示すように、保護膜（例えばフォトレジスト）を除去した後に、上層金属層を堆積する。
次に、図３５ｈに示すように、上部金属層をパターニングして、上層金属パターン３を形成する。
最後に、図３５ｉに示すように、上層金属パターン３の下部を残して絶縁層２を除去する。以上の工程で、図３２に示す、絶縁層２の膜厚が互いに異なる電磁波検出器が得られる。
なお、図３５ｉに示した、絶縁層２の一部を除去する工程を省略して、上層金属パターン３の下部以外の絶縁層２を除去しなくても、表面プラズモン共鳴は正常に行われる。一方で、図３５ｉに示す除去工程を行うことで、実施の形態３に示したように、熱時定数の低減が可能となる。
また、実施の形態２に示すように、欠陥領域を配置することで広域吸収帯と非吸収波長帯を形成してもよい。具体的には、絶縁層２がある膜厚を有する領域において、上層金属パターン３をずらしたり、除去したりする。
また、実施の形態６に示すように、一部の上層金属パターン３を別金属に変更することで、広域吸収帯と非吸収波長帯を形成してもよい。
また、実施の形態２に示すように、欠陥領域を配置することで広域吸収帯と非吸収波長帯を形成してもよい。具体的には、絶縁層２がある膜厚を有する領域において、上層金属パターン３をずらしたり、除去したりする。
また、実施の形態６に示すように、一部の上層金属パターン３を別金属に変更することで、広域吸収帯と非吸収波長帯を形成してもよい。
実施の形態８．
図３６は、本実施の形態８にかかる電磁波検出器１００の断面図である。実施の形態１の電磁波検出器１００と異なる点は、上層金属パターン３の膜厚を、それぞれ変化させている点であり、他の構造は同じである。
図３６は、本実施の形態８にかかる電磁波検出器１００の断面図である。実施の形態１の電磁波検出器１００と異なる点は、上層金属パターン３の膜厚を、それぞれ変化させている点であり、他の構造は同じである。
本実施の形態では、上層金属パターン３として、それぞれの膜厚が異なる金属膜Ａ６４〜金属膜Ｄ６７を配置し、それぞれの金属膜厚ｈは、正方形で形成されている上層金属パターン３の一辺長Ｌの１／４よりも大きく設定されている。
実施の形態１で述べたように、金属膜厚ｈが、正方形で形成されている上層金属パターン３の一辺長Ｌの１／４よりも大きく設定されている場合、上層金属パターン３の一辺長Ｌに依存した、横方向の共振モードだけでなく、金属膜厚ｈに依存した、縦方向の共振モードが発生し、吸収ピークが複数発生する。本実施の形態では、この効果を利用して、広域吸収帯および非吸収波長帯を設定している。
図３７は、図３６に示す金属膜Ａ６４の吸収スペクトルである。金属膜Ａ６４の正方形一辺長をａ１、膜厚をａ２としたとき、寸法ａ１に依存した金属膜Ａ６４の横方向表面プラズモンによる吸収スペクトル２６４と、寸法ａ２に依存した金属膜Ａ６４の縦方向表面プラズモンによる吸収スペクトル３６４の、２つのピーク波長を有する光吸収が発生する。
図３８は、互いに膜厚の異なる金属膜Ａ６４〜金属膜Ｄ６７の４種類の金属膜を配置したときの吸収スペクトルである。４種類の上層金属パターン３から、４種類の横方向表面プラズモンによる吸収スペクトル２６４〜２６７と、４種類の縦方向表面プラズモンによる吸収スペクトル３６４〜３６７の、合計８種類の吸収スペクトルが得られる。
図３８に示すように、４種類の横方向表面プラズモンによる吸収スペクトル２６４〜２６７で第１広域吸収帯１２を形成し、他の４種類の縦方向表面プラズモンによる吸収スペクトル３６４〜３６７で第２広域吸収帯１３を形成し、第１広域吸収帯１２と第２広域吸収帯１３はそれぞれオーバーラップしないように設定する。これにより、非吸収波長帯５を有する電磁波検出器トータル吸収スペクトル４を得ることができる。つまり、上層金属パターン３の大きさ、または形状を変更した場合と同様の効果を得ることができる。
上層金属パターン３の膜厚調整だけでも、広域吸収帯と非吸収波長帯を得ることができるが、上層金属パターン３の大きさや形状を調整する実施の形態１の手段と組み合わせることで、さらに広帯域の光吸収が可能となる。
なお、上層金属パターン３は全体が金属でなくてもよい。例えば、図３９に示すように、上層金属パターンの一部が絶縁物で形成されていてもよい。これにより、製造コストの低減や、熱容量低減による熱時定数の低減が可能となる。
次に、本実施の形態にかかる電磁波検出器１００の製造方法について、図４０ａ〜図４０ｉを用いて説明する。
まず、はじめに、図４０ａ〜図４０ｃに示す工程において、実施の形態１の図２０ａ〜図２０ｃと同じ工程を用いて、信号検知構造９、下層金属層１、絶縁層２を形成する。
次に、図４０ｄに示すように、上層金属層を堆積する。
次に、図４０ｅに示すように、フォトレジスト等のマスク層で上方金属層３の一部を覆い、スパッタ等で更に上方金属層を全面に堆積する。この後、マスク層を除去して、マスク層の上の上方金属層もリフトオフで除去する。
次に、図４０ｆに示すように、より広い部分をマスク層で覆った後、スパッタ等で上方金属層を全面に堆積する。この後、マスク層を除去して、マスク層上の上方金属層もリフトオフで除去する。
同様に、図４０ｇに示すように、より広い部分をマスク層で覆った後、スパッタ等で上方金属層を全面に堆積した後、マスク層を除去して、マスク層上の上方金属層もリフトオフで除去する。
次に、図４０ｈのようにマスク層を形成した後、図４０ｉのように上部金属層をパターニングして上部金属パターンを形成する。最後にマスク層を除去することにより、図３６に示すような、互いの膜厚が異なる上部金属パターンが形成できる。これにより、本実施の形態８にかかる電磁波検出器１００が完成する。
また、実施の形態２に示すように、欠陥領域を配置することで広域吸収帯と非吸収波長帯を形成してもよい。具体的には、上層金属パターン３がある膜厚を有する領域において、上層金属パターン３をずらしたり、除去したりする。
また、実施の形態６に示すように、一部の上層金属パターン３を別金属に変更することで、広域吸収帯と非吸収波長帯を形成してもよい。
また、実施の形態２に示すように、欠陥領域を配置することで広域吸収帯と非吸収波長帯を形成してもよい。具体的には、上層金属パターン３がある膜厚を有する領域において、上層金属パターン３をずらしたり、除去したりする。
また、実施の形態６に示すように、一部の上層金属パターン３を別金属に変更することで、広域吸収帯と非吸収波長帯を形成してもよい。
実施の形態９．
図４１は、全体が１０１で表される、本実施の形態９にかかる電磁波検出器アレイの斜視図である。実施の形態１〜８のいずれかで述べた１種類の電磁波検出器１００を２次元状（マトリックス状）に配置することで、全面均一な非吸収波長帯５を有する電磁波検出器トータル吸収スペクトル４を有する２次元イメージセンサを得ることができる。
図４１は、全体が１０１で表される、本実施の形態９にかかる電磁波検出器アレイの斜視図である。実施の形態１〜８のいずれかで述べた１種類の電磁波検出器１００を２次元状（マトリックス状）に配置することで、全面均一な非吸収波長帯５を有する電磁波検出器トータル吸収スペクトル４を有する２次元イメージセンサを得ることができる。
例えば、非吸収波長帯５が１種類であり、かつ明確な場合において、本実施の形態にかかる電磁波検出器アレイ１０１が有効である。火災時の人検知センサの場合を例に挙げると、都市ガスやガソリンなどが引火した際の炎は、波長４．４μｍ付近でピークを持つＣＯ２共鳴放射と呼ばれる特徴的な放射スペクトルを有する。このため、非吸収波長帯５を４．４μｍ近傍に設定しておけば、炎の有無に関係なく、人の存在を感知することができる。
実施の形態１０．
図４２は、全体が１０１で表される、本実施の形態１０にかかる電磁波検出器アレイの斜視図である。実施の形態９で示した電磁波検出器アレイ１０１と異なる点は、電磁波検出器１０２〜電磁波検出器１０５の４種類を２次元アレイ状に配置している点である。
図４２は、全体が１０１で表される、本実施の形態１０にかかる電磁波検出器アレイの斜視図である。実施の形態９で示した電磁波検出器アレイ１０１と異なる点は、電磁波検出器１０２〜電磁波検出器１０５の４種類を２次元アレイ状に配置している点である。
図４３は、図４１で示す電磁波検出器アレイ１０１の吸収スペクトルある。電磁波検出器１０２〜電磁波検出器１０５は、それぞれ異なった非吸収波長帯５を有する電磁波検出器トータル吸収スペクトル４０２〜４０５を有するように設計されているため、一度の撮像で、複数種の画像取得が可能となる。
検出したい非吸収波長帯５が複数種存在する場合、本実施の形態にかかる電磁波検出器アレイ１０１は有効に作用する。例えば、さまざまな波長分析を必要とする天体観測において、一度の撮像で多くの波長情報を得ることができる。
実施の形態１〜１０で述べたように、本発明にかかる電磁波検出器では、上層金属パターン−絶縁層−下層金属層の３層構造により、表面プラズモンモードが上層金属パターンの近傍に局在するキャビティが形成される。また、このプラズモン共鳴波長は、上層金属パターンの形状や大きさにより決定されるため、波長選択的な電磁波吸収が行われる。
つまり、上層金属パターンの平面上の大きさは、表面プラズモン共鳴により検知する電磁波の波長と対応しており、複数の上層金属パターンでは、それらに対応する複数の異なった電磁波吸収スペクトルを有し、それら吸収スペクトルの合算により複数の広域吸収帯を形成する。複数の広域光吸収帯がそれぞれ競合しない波長領域をカバーすることで、１つもしくは複数の非吸収波長帯を形成している。
このような効果により、所望の波長を除き、その他の広域波長帯に関しては高効率に吸収することができる電磁波検出器を提供できる。本発明にかかる電磁波検出器を用いることにより、異なった形状または大きさで形成される複数種の上層金属パターンにおいて、目的波長の電磁波のみを吸収しない、つまり非吸収波長帯を持つ光検知が可能となる。
１ 下層金属層、２ 絶縁層、３ 上層金属パターン、４ 電磁波検出器トータル吸収スペクトル、５ 非吸収波長帯、６ 電磁波吸収スペクトルピーク、７ グラフェン層、８ 電気信号取り出し部、９ 信号検知構造、１０ 感熱層、１１ パターン欠陥、１２ 第１広域吸収帯、１３ 第２広域吸収帯、１４ 第１吸収ユニット、１５ 第２吸収ユニット、１６ 第３吸収ユニット、１７ 第３広域吸収帯、１８ 第１非吸収波長帯
１９ 第２非吸収波長帯、２０ 上層非金属パターン、２１ 熱伝達体、２２ 感熱体
２３ 断熱支持脚、１００ 電磁波検出器。
１９ 第２非吸収波長帯、２０ 上層非金属パターン、２１ 熱伝達体、２２ 感熱体
２３ 断熱支持脚、１００ 電磁波検出器。
Claims (10)
- 電磁波を電気信号に変換して検出する電磁波検出器であって、
下層金属層と、該下層金属層の上に形成された絶縁層と、該絶縁層の上に上層金属層が周期的に配置された上層金属パターンと、を含む構造体と、
該構造体の温度変化を電気信号に変換して検出する信号検知部と、を含み、
該上層金属パターンの下方の該絶縁層は、特定波長の電磁波と表面プラズモン共鳴して該特定波長の電磁波を吸収するようにその膜厚が決定された少なくとも２種類の膜厚の絶縁層を含み、
該下層金属層と該絶縁層と該上層金属パターンで吸収された２つの電磁波の吸収波長の間に、吸収されない電磁波の非吸収波長帯を有することを特徴とする電磁波検出器。 - 電磁波を電気信号に変換して検出する電磁波検出器であって、
下層金属層と、該下層金属層の上に形成された絶縁層と、該絶縁層の上に上層金属層が周期的に配置された上層金属パターンと、を含む構造体と、
該構造体の温度変化を電気信号に変換して検出する信号検知部と、を含み、
該上層金属パターンは、特定波長の電磁波と表面プラズモン共鳴して該特定波長の電磁波を吸収するようにその膜厚が決定された少なくとも２種類の膜厚の該上層金属層を含み、
該上層金属層と該絶縁層と該上層金属パターンで吸収された２つの電磁波の吸収波長の間に、吸収されない電磁波の非吸収波長帯を有することを特徴とする電磁波検出器。 - 上記上層金属パターンは、一定の周期で配置された上記上層金属層と、その間に、異なる周期で配置された該上層金属層とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の電磁波検出器。
- 上記上層金属パターンは、互いに異なる金属材料からなる上記上層金属層を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の電磁波検出器。
- 上記上層金属パターンは、グラフェンまたは遷移金属カルコゲナイドからなることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁波検出器。
- 上記上層金属パターンの下方の上記絶縁層の膜厚は、それ以外の該絶縁層の膜厚より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の電磁波検出器。
- 上記上層金属パターンと上記下層金属層の間に配置されている上記絶縁層の、少なくとも一部が除去されていることを特徴とする請求項６に記載の電磁波検出器。
- 上記上層金属パターンの下方の上記下層金属層の膜厚は、それ以外の該下層金属層の膜厚より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の電磁波検出器。
- 請求項１〜８のいずれかに記載の電磁波検出器がマトリックス状に配置されたことを特徴とする電磁波検出器アレイ。
- 互いに異なる非吸収波長帯を有する少なくとも２つの電磁波検出器を含むことを特徴とする請求項９に記載の電磁波検出器アレイ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017134327A JP6338747B2 (ja) | 2017-07-10 | 2017-07-10 | 電磁波検出器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017134327A JP6338747B2 (ja) | 2017-07-10 | 2017-07-10 | 電磁波検出器 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2013263930A Division JP6193754B2 (ja) | 2013-12-20 | 2013-12-20 | 電磁波検出器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2017215330A JP2017215330A (ja) | 2017-12-07 |
| JP6338747B2 true JP6338747B2 (ja) | 2018-06-06 |
Family
ID=60576834
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2017134327A Active JP6338747B2 (ja) | 2017-07-10 | 2017-07-10 | 電磁波検出器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6338747B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109411898B (zh) * | 2018-10-22 | 2021-04-23 | 桂林电子科技大学 | 一种基于石墨烯的太赫兹双频带可调吸波器 |
| CN110137273B (zh) * | 2019-05-21 | 2021-08-20 | 湖南工学院 | 亚波长金属光栅结构的石墨烯光电探测器 |
| CN111192891B (zh) * | 2020-01-15 | 2023-08-04 | 宁波飞芯电子科技有限公司 | 硅光检测器、测距方法及装置 |
| JP2023024079A (ja) * | 2021-08-06 | 2023-02-16 | ソニーグループ株式会社 | 固体撮像装置 |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101395462B (zh) * | 2006-03-15 | 2011-08-31 | 欧姆龙株式会社 | 表面等离子体共振传感器用芯片和表面等离子体共振传感器 |
| JP4621270B2 (ja) * | 2007-07-13 | 2011-01-26 | キヤノン株式会社 | 光学フィルタ |
| JP2009070768A (ja) * | 2007-09-18 | 2009-04-02 | Nippon Shokubai Co Ltd | 光電変換素子とその製造方法 |
| JP2009250951A (ja) * | 2008-04-11 | 2009-10-29 | Fujifilm Corp | 電場増強光デバイス |
| EP2372348A1 (en) * | 2010-03-22 | 2011-10-05 | Imec | Methods and systems for surface enhanced optical detection |
| JP5494954B2 (ja) * | 2010-03-29 | 2014-05-21 | 学校法人 東洋大学 | 分析用基板及びその製造方法 |
| JP5740125B2 (ja) * | 2010-09-29 | 2015-06-24 | 株式会社東芝 | 半導体発光素子 |
| CN103946986A (zh) * | 2011-11-14 | 2014-07-23 | 太平洋银泰格拉泰德能源公司 | 用于电磁能量收集的设备、系统和方法 |
| JP2013113655A (ja) * | 2011-11-28 | 2013-06-10 | Fujifilm Corp | センシング装置およびこれを用いたセンシング方法 |
| JP5871829B2 (ja) * | 2012-03-06 | 2016-03-01 | 三菱電機株式会社 | 光電変換素子および光電変換素子アレイ |
| JP2012177696A (ja) * | 2012-03-28 | 2012-09-13 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体光素子および半導体光装置 |
| JP2013231682A (ja) * | 2012-05-01 | 2013-11-14 | Seiko Epson Corp | 光学デバイス及び検出装置 |
| WO2013175470A1 (en) * | 2012-05-21 | 2013-11-28 | Ramot At Tel-Aviv University Ltd. | Nanoshell, method of fabricating same and uses thereof |
-
2017
- 2017-07-10 JP JP2017134327A patent/JP6338747B2/ja active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2017215330A (ja) | 2017-12-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6193754B2 (ja) | 電磁波検出器 | |
| JP6161554B2 (ja) | 電磁波検出器および電磁波検出器アレイ | |
| JP6338747B2 (ja) | 電磁波検出器 | |
| JP2015045629A5 (ja) | ||
| CN111525023B (zh) | 红外探测器及其制备方法 | |
| US9444002B2 (en) | Graphene transistor optical detector based on metamaterial structure and application thereof | |
| KR102040149B1 (ko) | 적외선 검출기 | |
| US8598528B2 (en) | Infrared detector based on suspended bolometric micro-plates | |
| JP6549119B2 (ja) | 選択的波長赤外吸収体を有する焦電性窒化アルミニウムｍｅｍｓ赤外センサ | |
| US20180374981A1 (en) | Metamaterial Thermal Pixel for Limited Bandwidth Electromagnetic Sourcing and Detection | |
| KR101861147B1 (ko) | 적외선 검출기 | |
| US9476774B2 (en) | Uncooled microbolometer pixel and array for configurable broadband and multi-frequency terahertz detection | |
| US20210381900A1 (en) | Photonic- and phononic-structured pixel for electromagnetic radiation and detection | |
| JP6184366B2 (ja) | 電磁波センサ装置 | |
| US20200191655A1 (en) | Photonic- and Phononic-structured pixel for electromagnetic radiation and detection | |
| US11828911B1 (en) | Metamaterial absorber integrated long-wave infrared focal plane array (LWIRFPA) | |
| US8067737B1 (en) | Photonic detector, imaging system and method employing plasmonic resonance absorption | |
| TWI512963B (zh) | 光偵測器 | |
| Chen et al. | A plasmonic infrared photodetector with narrow bandwidth absorption | |
| JP2004354380A (ja) | ミリ電磁波またはサブミリ電磁波のためのアンテナと最適化キャビティとを備えてなる輻射検出デバイスならびにその製造方法 | |
| US8125043B2 (en) | Photodetector element | |
| WO2018049675A1 (en) | Metamaterial based electromagnetic radiation detector | |
| CN110095185B (zh) | 一种集成亚波长金属环吸收结构的太赫兹波探测微桥结构及其制备方法 | |
| US10663350B1 (en) | Two-dimensional phononic metamaterial filter structure for ultra-low-background detectors | |
| Alkorjia et al. | Metasurface-enabled uncooled silicon germanium oxide infrared microbolometers for long-wave infrared detection |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20180323 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20180410 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20180508 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6338747 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |