JP6766277B1 - 反射光学素子 - Google Patents

Abstract

反射光学素子（１）は、絶縁層（３）、格子群（５）、裏面電極（２１）および電圧印加部（２３）を備えている。格子群（５）は、格子（７ｉ）と格子（７ｊ）とを含む複数の格子（７）からなる。複数の格子（７）のそれぞれは、誘電体層（１１）とグラフェン層（１３）とが積層された構造を有している。電圧印加部（２３）は、格子群（５）のそれぞれに個別に電圧を印加する機能を有する。電圧印加部（２３）は、格子（７ｉ）に第１電圧を印加する電圧印加部（２３ｉ）と、格子（７ｊ）に第２電圧を印加する電圧印加部（２３ｊ）とを含む。

Description

本発明は、反射光学素子に関する。

ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）は、リモートセンシング技術の一つであり、対象物にレーザ光を照射し、その反射光を検出器によって測定することで距離が測定される。自動車の自動運転化に向けた取り組みが進む近年では、ＬｉＤＡＲは、高度運転支援システム（ＡＤＡＳ：Advanced Driver Assistance System）または距離測定などの用途において、重要度が高くなっている。

ＬｉＤＡＲは、主に、レーザ光源、機械駆動式ミラーおよび検出器から構成される。機械駆動式ミラーは、動作速度が遅いこと、また、反射角度の範囲が狭いことに課題がある。さらに、ミラーと別に、検出器が必要であり、システムが大型化するという課題がある。このため、機械駆動式ミラーを用いない手法が提案されている。たとえば、特許文献１では、金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）構造を備えた光変調素子が提案されている。この光変調素子では、絶縁膜に電圧を印加することによって屈折率を変調し、反射する光の位相をトポロジカルに制御することで、反射光の反射角度が変えられる。

特表２０１８−５０９６４３号公報

Zhaona Wang, Yanyan Sun, Lu Han, Dahe Liu "General laws of reflection and refraction for subwavelength phase grating", arXiv: 1312.3855.

金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）構造を備えた光変調素子では、絶縁体の構造に起因して高次の回折光が生じやすくなる。その結果、反射光の強度が低下するおそれがある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、反射光の強度が弱められることなく、反射光の反射角度を変えることができる反射光学素子を提供することである。

本発明に係る反射光学素子は、入射する電磁波の反射方向を変更可能とする反射光学素子であって、絶縁体と積層構造部と電極部と反射板とを有している。絶縁体は、互いに対向する第１主面および第２主面を有する。積層構造部は、絶縁体に対して第１主面の側に配置されている。電極部は、積層構造部に電気的に接続され、電圧が印加される。反射板は、絶縁体に対して第２主面の側に配置されている。積層構造部は、一つ以上の第１積層構造体と、一つ以上の第２積層構造体とを含む複数の積層構造体を備えている。第１積層構造体は、第１方向に第１幅を有し、第１方向と交差する第２方向に延在する。第２積層構造体は、第１積層構造体とは第１方向に間隔を隔てて配置され、第１方向に第２幅を有し、第２方向に延在する。複数の積層構造体のそれぞれでは、誘電体層と第１二次元材料層とが積層されている。電極部は、第１電極と第２電極とを含む複数の電極を備えている。第１電極は、第１積層構造体における第１二次元材料層に電気的に接続され、第１電圧が印加される。第２電極は、第２積層構造体における第１二次元材料層に電気的に接続され、第２電圧が印加される。第１電圧によって第１積層構造体における第１二次元材料層の屈折率を変化させる。第２電圧によって第２積層構造体における第１二次元材料層の屈折率を変化させる。

本発明に係る反射光学素子によれば、第１積層構造体と第２積層構造体とは間隔を隔てて配置されている。第１積層構造体における第１二次元材料層に第１電圧が印加され、第２積層構造体における第１二次元材料層に第２電圧が印加される。これにより、回折光が生じて反射する電磁波の強度が弱められることはなく、第１積層構造体および第２積層構造体のそれぞれにおける第１二次元材料層の屈折率が変化することで、第１積層構造体および第２積層構造体のそれぞれにおいて反射する電磁波の位相が変化し、電磁波の反射角度を変えることができる。

各実施の形態に係る反射光学素子の原理を説明するための図。 実施の形態１に係る反射光学素子の一例を示す平面図。 同実施の形態において、図２に示す断面線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図。 同実施の形態において、反射光学素子の形状を説明するための斜視図。 同実施の形態において、反射光学素子の製造方法の一工程を示す断面図。 同実施の形態において、図５に示す工程の後に行われる工程を示す断面図。 同実施の形態において、図６に示す工程の後に行われる工程を示す断面図。 同実施の形態において、図７に示す工程の後に行われる工程を示す断面図。 同実施の形態において、反射光学素子の動作を模式的に示す図。 同実施の形態において、一変形例に係る反射光学素子を示す部分断面図。 同実施の形態において、他の変形例に係る反射光学素子を示す部分断面図。 実施の形態２に係る反射光学素子の一例を示す断面図。 同実施の形態において、反射光学素子の他の例を示す断面図。 同実施の形態において、反射光学素子のさらに他の例を示す断面図。 同実施の形態において、反射光学素子のさらに他の例を示す部分斜視図。 実施の形態３に係る反射光学素子の一例を示す断面図。 同実施の形態において、反射光学素子の効果を説明するためのグラフを含む図。 実施の形態４に係る反射光学素子の一例を示す平面図。 実施の形態５に係る反射光学素子の一例を示す平面図。 同実施の形態において、図１９に示す断面線ＸＸ−ＸＸにおける断面図。 同実施の形態において、反射光学素子の他の例を示す断面図。 同実施の形態において、反射光学素子のさらに他の例を示す断面図。 同実施の形態において、図２２に示す反射光学素子の製造方法の一工程を示す断面図。 同実施の形態において、図２３に示す工程の後に行われる工程を示す断面図。 同実施の形態において、図２４に示す工程の後に行われる工程を示す断面図。 実施の形態６に係る反射光学素子の一例を示す平面図。 同実施の形態において、図２６に示す断面線ＸＸＶＩＩ−ＸＸＶＩＩにおける断面図。 同実施の形態において、反射光学素子の他の例における電磁波検出部を示す部分平面図。 同実施の形態において、図２８に示す電磁波検出部の分解部分平面図。

はじめに、各実施の形態に係る反射光学素子の基本構造と、反射の原理について説明する。ここでは、可視光または赤外光（赤外線）を用いて説明するが、反射光学素子では、この可視光および赤外光に加えて、たとえば、Ｘ線、紫外光、近赤外光、テラヘルツ（ＴＨｚ）波、マイクロ波等の領域の電波の検出器としても有効である。この明細書では、このような光および電波を総称して電磁波と記載する。

反射光学素子では、二次元材料層の一つとしてグラフェン層を用いて説明するが、二次元材料層のバリエーションについては後述する。

また、反射光学素子では共鳴現象を利用して電磁波の反射が行われる。共鳴現象には、プラズモン共鳴現象、擬似表面プラズモン共鳴現象、メタマテリアルまたはプラズモニックメタマテリアルによる現象がある。これらの共鳴現象については、特に、名称による区別をせず、その現象が及ぼす効果の観点から同じ扱いとする。これらの現象を、表面プラズモン共鳴、プラズモン共鳴、または、単に共鳴と呼ぶ。

なお、プラズモン共鳴現象とは、金属表面と光との相互作用である表面プラズモン共鳴現象等である。擬似表面プラズモン共鳴現象とは、可視光および赤外光以外の、特に、テラヘルツ近傍の波長を有する電磁波による、金属表面に係る共鳴現象である。メタマテリアルまたはプラズモニックメタマテリアルによる現象とは、電磁波の波長以下のサイズを有する構造によって特定の波長の電磁波を操作することによる共鳴現象である。

さらに、反射光学素子として、ソース電極とドレイン電極とを有する電磁波検出部を備えた構造と、反射板をバックゲートとして適用する構造とを用いて説明するが、４端子電極構造またはトップゲート構造等の電極構造を備えた反射光学素子にも適用することができる。

図１の上段に、反射光学素子１の基本的な構造を模式的に示す。反射光学素子１は、絶縁体としての絶縁層３、積層構造部としての格子群５、反射板２１および格子群５に電圧を印加する電圧印加部２３を備えている。

格子群５は、絶縁層３に対して、一方の主面の側に形成されている。格子群５は、格子７ｉと格子７ｊとを含む複数の格子７からなる。複数の格子７のそれぞれは、積層構造体として、誘電体層１１と、二次元材料層としてのグラフェン層１３とが積層された構造を有している。

電圧印加部２３は、格子群５のそれぞれに個別に電圧を印加する機能を有する。電圧印加部２３は、たとえば、格子７ｉに第１電圧を印加する電圧印加部２３ｉと、格子７ｊに第２電圧を印加する電圧印加部２３ｊとを含む。反射板２１は、絶縁層３に対して、他方の主面の側に配置されている。

次に、反射光学素子１の動作原理として、電磁波（入射光）が、格子群５に入射する場合について、さらに、図２および図３を含めて説明する。格子群５では、入射した電磁波が、グラフェン層１３とグラフェン層９との間、および、グラフェン層１３等と反射板２１との間で強め合う共鳴と呼ばれる現象が生じる。また、グラフェン層１３の周囲においては、特に、プラズモン共鳴と呼ばれる現象が生じる。

一つの格子７に入射した電磁波が共鳴すると、反射する電磁波の位相は、入射する電磁波の位相よりも遅れることになる。共鳴が強いほど、位相の変化量が大きくなる。位相の変化は、格子群５を含む物理的な形状によっても決定されることになるが、グラフェン層１３に印加する電圧によって、グラフェン層１３の屈折率を変化させることができる。このため、反射する電磁波の位相を電気的に制御することが可能になる。

そうすると、反射光学素子１では、入射する電磁波のスポット内に位置する格子群５において、各格子７において反射する電磁波の位相が、各格子７のグラフェン層１３に印加する電圧によって変化することになる。ホイヘンスの原理から、反射する電磁波の波面の向きは、各格子７において反射する電磁波の位相によって決定される。すなわち、所望の反射角度に波面が向くように、反射する電磁波の位相を各格子７に印加する電圧によって制御することで、反射角度を電気的に変化させることができる。

次に、電磁波の入射角度および反射角度と電磁波の位相とについて、一般化されたスネルの法則に基づいて説明する。図１に示すように、媒質Ｉから媒質Ｉと媒質Ｒとの界面に向かって電磁波が入射する場合を想定する。反射光学素子１の格子群５等のサイズは、入射する電磁波の波長よりも短く設定されている。このため、電磁波からみると、各格子７は、それぞれ点として捉えることができ、反射光学素子１は、界面に位置していると考えて差支えない。

ここで、電磁波の光路として、２つの光路ＡＣＥと光路ＡＤＥとを考える。光路ＡＣＥは、電磁波が、点Ａから点Ｃに到達し、点Ｃにおいて反射されて点Ｅに到達する光路である。光路ＡＤＥは、電磁波が、点Ａから点Ｄに到達し、点Ｄにおいて反射されて点Ｅに到達する光路である。反射光学素子１が配置されている界面をＸ軸とする（非特許文献１参照）。

入射光（電磁波）の波長をλ、入射角度をθ_ｉ、反射角度をθ_ｒ、媒質Ｉの屈折率をｎ_ｉ、媒質Ｒの屈折率をｎ_ｒ、点Ｃにおける電磁波の位相をφ、点Ｄにおける電磁波の位相をφ＋ｄφ、点Ｃと点Ｄとの間の距離をｄｘ、波数をｋ（＝２π／λ）とする。

光路ＡＤＥと光路ＡＣＥとが無限に接近すると位相差は０になる。このことは、以下の式（１）、
｛ｋ・ｎ_ｉ・ｄｘ・ｓｉｎθ_ｉ＋（φ＋ｄφ）｝−（ｋ・ｎ_ｉ・ｄｘ・ｓｉｎθ_ｒ＋φ）＝０ … （１）
によって表される。

式（１）から、以下の式（２）、
ｓｉｎθ_ｒ−ｓｉｎθ_ｉ＝λ／（２・π・ｎ_ｉ）・ｄφ／ｄｘ … （２）
が導かれる。

さらに、式（２）から、以下の式（３）、
ｄφ／ｄｘ＝２・π／λ・ｎ_ｉ・（ｓｉｎθ_ｒ−ｓｉｎθ_ｉ） … （３）
が導かれる。

入射角度と反射角度とが決まれば、式（３）の関係を満たすように、位相の変化を設定すればよい。Ｘ軸上において、電磁波の位相を変化させることができれば、屈折率ｎ_ｉ、ｎ_ｒとは独立に、反射角度θ_ｒを変化させることができる。

Ｘ軸上に配置された格子群５の各格子７が位置する座標において、式（２）により、位相が連続的に変化すれば、ホイヘンスの原理により、各格子７（座標）における位相の変化によって、回折した電磁波の波面の進行方向を変化させることができる。すなわち、電磁波の反射角度を変化させることができることになる。以下、各実施の形態において、反射光学素子の構造について具体的に説明する。

実施の形態１．
実施の形態１に係る反射光学素子の一例について説明する。図２および図３に示すように、反射光学素子１では、絶縁体としての絶縁層３が、基板１９の一方の表面を覆うように形成されている。絶縁層３の一方の主面（第１主面）に接するように、複数の積層構造体を備えた積層構造部としての格子群５が形成されている。基板１９の他方の表面を覆うように、反射板２１が形成されている。

基板１９は、反射光学素子１の全体を保持する機能を有する。基板１９は、たとえば、シリコン（Ｓｉ）等の半導体材料からなる。具体的には、高抵抗のシリコン基板を適用することができる。また、たとえば、シリコン基板の表面に熱酸化膜を形成することで絶縁性を高めた基板等を用いてもよい。熱酸化膜が形成された基板では、その熱酸化膜が絶縁層３を兼ねるようにしてもよい。さらに、反射板２１を形成するために、不純物を添加したシリコン基板を用いてもよい。

また、基板１９として、ＩＩ−Ｖ族半導体を適用してもよい。さらに、基板１９の材料として、テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）、ＴｙｐｅＩＩ超格子等の材料を適用してもよい。このような材料を適用した基板は、固有のバンドギャップを有することになる。基板が、固有のバンドギャップを有することで、光ゲート効果を生じさせることができる。これについては、後述する。

絶縁層３として、たとえば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ）、酸化アルミニウム、酸化ニッケル、酸化タンタル、または、ボロンナイトライド（ＢＮ）等を適用することができる。特に、ボロンナイトライド（ＢＮ）は、原子配列がグラフェン層の原子配列と似ているため、ボロンナイトライドがグラフェン層と接触しても、電荷の移動を妨げない。したがって、ボロンナイトライドは、電子移動度等のグラフェン層の性能を阻害することはほとんどなく、グラフェン層９の下地膜として好ましい。

反射板２１は、金、銀またはアルミニウム等の金属によって形成されている。この反射光学素子１では、反射板２１は、電磁波を反射させる機能をもたせるために、金属としては、入射する電磁波の波長に対して反射率が高い金属を用いることが望ましい。たとえば、入射する電磁波が赤外線の波長域の電磁波であれば、アルミニウムまたは金を用いることが望ましい。

複数の積層構造体を備えた積層構造部としての格子群５は、格子７ａと格子７ｎとを含む三以上の格子７を含む。ここで、ｎを３以上の自然数とすると、積層構造部は、第１積層構造体から第ｎ積層構造体までの複数の積層構造体を備えている。具体的に、複数の積層構造体を備えた積層構造部としての格子群５は、第１格子としての格子７ａおよび第２格子としての格子７ｎを含む複数のストライプ状の格子７を備えている。格子７のそれぞれは、Ｘ軸に方向に互いに間隔を隔てて配置されている。格子７のそれぞれは、積層構造体として、グラフェン層９、誘電体層１１およびグラフェン層１３を積層させた構造を備えている。なお、この明細書において、参照符号（たとえば、７、２３など）に付されている「ｎ」は、参照符号の一部であり、自然数ｎとは区別される。

グラフェン層９、１１は、単層であってもよいし、二層以上であってもよい。単層のグラフェン層は、炭素原子が六角形状に結合した格子構造を有する原子一層のシート状の物質であり、代表的な二次元原子層材料である。その厚さは、原子一層であり極めて薄い。電荷移動度は、たとえば、シリコンの電荷移動度の１００倍程度であり、電荷移動度が高いことが知られている。

原子層が二層以上に積層されたグラフェン層の場合、そのグラフェン層に含まれる任意の２つの原子層では、一方の原子層における六方格子の格子ベクトルの向きと他方の原子層における六方格子の格子ベクトルの向きとが一致しておらず、一方の格子ベクトルの向きと他方の格子ベクトルの向きとにずれがあってもよい。また、一方の格子ベクトルの向きと他方の格子ベクトルの向きとが、完全に一致しているグラフェン層でもよい。

グラフェン層として、ナノリボン状のグラフェンを用いる場合には、グラフェン層は、単層のグラフェンナノリボン層からなる構造、または、二層以上のグラフェンナノリボン層を積層した構造となる。また、グラフェン層として、平面上にグラフェンナノリボンを周期的に配置した構造としてもよい。

グラフェンナノリボンを周期的に配置した構造では、グラフェンナノリボンにおいてプラズモン共鳴が発生し、特定の波長において共鳴が生じ、反射する電磁波の位相の変化量を大きくすることができる。さらに、グラフェン層としては、不純物が添加されていないノンドープのグラフェン層でもよいし、ｐ型またはｎ型の不純物がドープされたグラフェン層でもよい。

複数の積層構造体を備えた積層構造部としての格子群５には、その格子群５に電気的に接続される、複数の電極１５を有する電極部が形成されている。複数の電極１５として、第１積層構造体から第ｎ積層構造体までの積層構造体に、順に、第１電極から第ｎ電極までの電極１５が形成されている。具体的に、複数の格子７のそれぞれに、上層のグラフェン層１３に接触するように、電極１５が形成されている。複数の格子７のそれぞれに対して、個々に電圧を印加する電圧印加部２３が設けられている。たとえば、格子７ａには電極１５ａが形成されている。その電極１５ａに電圧印加部２３ａが電気的に接続されている。格子７ｎには電極１５ｎが形成されている。その電極１５ｎに電圧印加部２３ｎが電気的に接続されている。

上述したように、格子７のそれぞれに対して、電圧印加部２３から電極１５を介して個々に電圧を印加することで、格子７のそれぞれのグラフェン層１３の導電率および屈折率が変化し、グラフェン層１３の光学特性を電気的に変化させることができる。

格子７（グラフェン層１３）のそれぞれに電気的に接続される電圧印加部２３には、所望の電圧を印加するための電子回路（図示せず）が設けられている。電子回路としては、各格子７に対して、反射角度を制御するために必要とされる位相の変化を生じさせるのに十分な電圧を印加させることができれば、回路構成に制限はない。

図４に示すように、各格子７において、第１方向としてのＸ軸方向の長さを幅ＷＧ、第２方向としてのＹ軸方向の長さを延在長さＬ、格子７のＸ軸方向の周期（ピッチ）を周期ＰＧ、格子７の厚さ（Ｚ軸方向）を厚さＴＧ、電極１５の厚さを厚さＴＥ、誘電体層１１の厚さを厚さＴＩとする。

第１幅および第２幅としての幅ＷＧ、厚さＴＧ、周期ＰＧおよび長さＬは、対象とする電磁波の波長よりも短く設定されている。ここでは、各格子７について、格子の構造として、幅ＷＧ、厚さＴＧ、周期ＰＧおよび長さＬのそれぞれは、同じ値に設定されている。幅ＷＧは、たとえば、数十ｎｍ程度に設定されている。厚さＴＧは、数十ｎｍ程度に設定されている。周期ＰＧは、たとえば、数百ｎｍ程度に設定されている。厚さＴＥは、数十ｎｍ程度に設定されている。格子群５は、入射する電磁波のスポット径内に位置するように配置されている。

幅ＷＧ、長さＬ、周期ＰＧ等を変えることで、共鳴波長を変えることができる。一般的に、多層構造の格子７（格子群５）では、幅ＷＧが共鳴波長を制御する主パラメータとなる。幅ＷＧが狭い方が、共鳴波長は短波長にシフトすることになる。

また、誘電体層１１の厚さＴＩを変えることで、共鳴波長を制御することができる。誘電体層１１を挟み込むグラフェン層１３とグラフェン層９との間で共鳴（または導波モード）が生じるため、誘電体層１１の厚さＴＩが厚い方が、入射する電磁波の波長は長波長になる。さらに、隣り合う格子７と格子７との間隔（周期ＰＧ−幅ＷＧ）は、狭い方が共鳴が強くなり、反射する電磁波の位相変化量を大きくすることができる。これは、隣り合う格子７と格子７との間において、ギャップ共鳴が生じるためである。

なお、格子群５として複数の格子７を一次元的に一方向に配置させる場合において、入射する電磁波が偏光を有する場合では、格子７の幅方向に対して、電磁波の電界の向きが平行になるように、反射光学素子と電磁波とを配置することで、電磁波の位相を効率的に変えることができる。したがって、この場合には、格子７の長さＬを電磁波の波長よりも長く設定することが望ましい。実施の形態１に係る反射光学素子１は、上記のように構成される。

次に、上述した反射光学素子１の製造方法の一例について説明する。図５に示すように、たとえば、シリコンからなる基板１９を用意する。基板１９には、対向する表面と裏面とを有する。次に、基板１９の表面に絶縁層３を形成する。基板１９がシリコンからなる場合、絶縁層３は、基板１９に熱酸化処理を行うことによって形成された酸化シリコン（ＳｉＯ_２）でもよい。熱酸化処理の他に、たとえば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法またはスパッタ法用いて絶縁層３を形成してもよい。

次に、基板１９の裏面に、たとえば、スパッタ法または蒸着法等によって、反射板２１を形成する。反射板２１は、たとえば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）またはクロム（Ｃｒ）等から形成される。基板１９と反射板２１との密着性を上げるために、基板１９と反射板２１との間に、クロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）等の密着膜（図示せず）を形成するようにしてもよい。

次に、図６に示すように、絶縁層３の表面を覆うように、たとえば、エピタキシャル成長法によってグラフェン層９が形成される。エピタキシャル成長法の他に、たとえば、あらかじめ、ＣＶＤ法によって形成したグラフェン層を転写して、絶縁層３に貼り付けるようにしてもよい。また、機械剥離等によって剥離されたグラフェン層を転写して貼り付けてもよい。

次に、グラフェン層９を覆うように、たとえば、蒸着法または原子層堆積法（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）等によって、誘電体層１１が形成される。誘電体層１１として、たとえば、酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）、アルミナ膜、酸化タンタル膜、ＩＴＯ膜、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、酸化マグネシム（ＭｇＯ）、または、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）等が形成される。次に、誘電体層１１を覆うようにグラフェン層１３が形成される。

次に、図７に示すように、電極１５が形成される。電極１５は、たとえば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）またはクロム（Ｃｒ）等から形成される。グラフェン層１３と電極１５との密着性を上げるために、グラフェン層１３と電極１５との間に、クロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）等の密着膜（図示せず）を形成するようにしてもよい。

写真製版処理またはＥＢ（Electron Beam）描画等を用いることによって、電極を配置する領域を開口したレジストマスク（図示せず）が形成される。レジストマスクを形成した後、金（Ａｕ）等の金属膜が、たとえば、蒸着法またはスパッタ法によって形成される。その後、レジストマスクを除去することで、電極１５が形成される。

次に、写真製版処理を行うことによって、格子群をパターニングするためのレジストマスク（図示せず）が形成される。次に、レジストマスクをエッチングマスクとして、酸素プラズマまたはメタン等のガスを用いることによって、グラフェン層と誘電体層とにエッチング処理が行われる。これにより、図８に示すように、複数の格子７からなる格子群５がパターニングされる。こうして、反射光学素子１の主要部分が完成する。

上述した反射光学素子１では、格子７のそれぞれに対して、電圧印加部２３から電極１５を介して個々に電圧を印加することで、格子７のそれぞれのグラフェン層１３の導電率および屈折率が変化し、グラフェン層１３の光学特性を電気的に変化させることができる。

ここで、図９に示すように、たとえば、格子群５として、格子７ａ、７ｉ、７ｊ、７ｎを含む複数の格子７が、Ｘ軸に沿って一次元に配置されている反射光学素子を想定する。複数の格子７に対して、格子７ａから格子７ｎへ向かって、それぞれのグラフェン層１３に印加する電圧を段階的に変化させることで、格子７のそれぞれのグラフェン層１３の導電率および屈折率が変化する。これにより、格子群５に入射した電磁波（矢印Ｙ０）が反射する際に、電磁波の位相がＸ軸に沿って段階的に変化する。

各格子７のグラフェン層１３に対して、格子７ａから格子７ｎへ向かって、たとえば、０．１Ｖずつ徐々に増加（または減少）する一連の直流電圧を同時に印加することで、電磁波を反射させる方向が変えられる。また、その一連の直流電圧とは異なる他の一連の直流電圧を同時に印加することで、一連の直流電圧を印加した場合の電磁波が反射する方向とは異なる方向に電磁波を反射させることができ、各格子７のグラフェン層１３に印加する電圧によって、電磁波を反射させる方向を制御することができる。

このため、それぞれの格子７において反射する電磁波（７１、７１ａ、７１ｉ、７１ｊ、７１ｎ）の、たとえば、山と山とを結んだ線は、反射光学素子１が配置されているＸ軸に対して傾きを有することになる。これにより、それぞれの格子７において反射する電磁波の全体としては、その傾いた方向（矢印Ｙ１）へ向かって反射することになる。こうして、複数の格子７のそれぞれに印加する電圧を変えることによって、グラフェン層１３の導電率および屈折率がその電圧に応じて変化する結果、反射光学素子１では、電圧によって電磁波の位相が変わり、電磁波を反射させる方向を制御することができる。

また、上述した反射光学素子１では、特に、格子７の一部を成す誘電体層１１が、複数の格子７において、互いに間隔を隔てて形成されている。これにより、複数の格子において誘電体層が連続的に繋がっている構造と比べると、格子と格子との間に位置する誘電体層の部分において反射する電磁波の位相には変化が生じない。これにより、反射波は格子における位相変化のみが支配的となる。格子と、格子と格子の間に位置する誘電体とにおいては位相差が生じない。このため、電磁波の干渉が防止されて、高次の回折光がなくなるか、極めて小さくなる。これにより、反射する電磁波は主モードのみとなり、高次の回折光がなくなるため、反射する電磁波の強度が低下するのを抑制することができる。

なお、上述した反射光学素子１では、電極１５に繋がっていない電気的にフローティングなグラフェン層９は、複数の格子７に個々に形成されている場合について説明した。図１０に示すように、電気的にフローティングなグラフェン層９としては、隣り合う格子７間において互いに繋がるように形成されていてもよい。また、図１１に示すように、グラフェン層９、誘電体層１１およびグラフェン層１３の三層構造の格子７の他に、グラフェン層１３を覆うように、さらに、誘電体層１７が形成された多層構造の格子７でもよい。また、電気的にフローティングなグラフェン層９が形成されていない反射光学素子であっても、冒頭で説明したように、反射する電磁波の強度を弱めることなく、反射角度を変えることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、各格子７について、幅ＷＧ、厚さＴＧ、周期ＰＧおよび長さＬのそれぞれが、同じ値に設定されている反射光学素子１について説明した。ここでは、格子のストライプ形状が異なる格子を含む反射光学素子について説明する。なお、図２および図３に示す反射光学素子１と同一部材については同じ符号を付し、必要である場合を除き、その説明を繰り返さないこととする。

ここで、ｉおよびｊを、互いに異なる１以上ｎ以下の自然数とし、第１積層構造体から第ｎ積層構造体までの三以上の積層構造体のうち、一の積層構造体を第ｉ積層構造体とし、他の積層構造体を第ｊ積層構造体とする。格子群５は、第ｉ積層構造体を第ｉ格子として含み、第ｊ積層構造体を第ｊ格子として含む。第ｉ格子は、第３幅および第３長さを有し、第３ピッチをもって配置された、複数の第ｉ積層構造体を含む。第ｊ格子は、第４幅および第４長さを有し、第４ピッチをもって配置された、複数の第ｊ積層構造体を含む。なお、この明細書において、参照符号（たとえば、７、２３）に付されている「ｉ」、「ｊ」は、参照符号の一部であり、自然数ｉ、ｊとは区別される。

第ｉ格子と第ｊ格子とでは、第３幅と第４幅とが異なっていてもよい。具体的に、図１２に、幅ＷＧが異なる格子７を備えた反射光学素子１の一例を示す。図１２に示すように、反射光学素子１は、格子群５として、幅ＷＧ１を有する格子７ａと、幅ＷＧ２を有する格子７ｉとを含む。幅ＷＧ２は幅ＷＧ１よりも大きい。

第ｉ格子と第ｊ格子とでは、第３ピッチ（周期）と第４ピッチ（周期）とが異なっていてもよい。具体的に、図１３に、周期ＰＧが異なる格子７を備えた反射光学素子１の一例を示す。図１３に示すように、反射光学素子１は、格子群５として、周期ＰＧ１を有する格子７ａと、周期ＰＧ２を有する格子７ｉとを含む。周期ＰＧ２は周期ＰＧ１よりも長い。

第ｉ格子と第ｊ格子とでは、誘電体層１１の厚さが異なっていてもよい。具体的に、図１４に、厚さＴＩが異なる誘電体層を含む格子７を備えた反射光学素子１の一例を示す。図１４に示すように、反射光学素子１は、格子群５として、厚さＴＩ１を有する格子７ａと、厚さＴＩ２を有する格子７ｉとを含む。厚さＴＩ１は、厚さＴＩ２よりも厚い。

第ｉ格子と第ｊ格子とでは、第３長さと第４長さとが異なっていてもよい。具体的に、図１５に、長さＬが異なる格子７を備えた反射光学素子１の一例を示す。図１５に示すように、反射光学素子１は、格子群５として、長さＬ１を有する格子７ａと、長さＬ２を有する格子７ｉとを含む。長さＬ２は長さＬ１よりも長い。

実施の形態１では、格子７において反射する電磁波の位相は、基本的には、グラフェン層１３に印加する電圧によって制御されることを述べた。また、グラフェン層１３とグラフェン層９との間などにおいて、電磁波が強め合う共鳴と呼ばれる現象が生じ、反射する電磁波の位相が変化することを述べた。さらに、グラフェン層１３の周囲において生じるプラズモン共鳴によっても、電磁波の位相が変化することを述べた。

このことから、反射光学素子１では、グラフェン層１３に印加する電圧の他に、格子７の物理的形状を変えることで、共鳴する電磁波の波長を変えることができ、その共鳴に対応した波長を有する電磁波の位相を変化させることができることになる。また、共鳴する波長を変えることができることで、複数の波長を有する電磁波について、反射対象とすることができる。

具体的には、図１２に示される反射光学素子１では、幅ＷＧ１を有する格子７ａに共鳴する波長を有する電磁波と、幅ＷＧ２を有する格子７ｉに共鳴する波長を有する電磁波とを、反射対象とすることができる。後者の波長は、前者の波長よりも長い。

図１３に示される反射光学素子１では、周期ＰＧ１を有する格子７ａに共鳴する波長を有する電磁波と、周期ＰＧ２を有する格子７ｉに共鳴する波長を有する電磁波とを、反射対象とすることができる。後者の波長は、前者の波長よりも長い。

図１４に示される反射光学素子１では、厚さＴＩ１を有する格子７ａに共鳴する波長を有する電磁波と、厚さＴＩ２を有する格子７ｉに共鳴する波長を有する電磁波とを、反射対象とすることができる。後者の波長は、前者の波長よりも短い。

図１５に示される反射光学素子１では、長さＬ１を有する格子７ａに共鳴する波長を有する電磁波と、長さＬ２を有する格子７ｉに共鳴する波長を有する電磁波とを、反射の対象とすることができる。後者の波長は、前者の波長よりも長い。

このように、反射対象となる電磁波としては、単一の波長を有する電磁波に限られず、複数の波長を有する電磁波を反射対象にすることができ、複数の波長を有する電磁波を含む広い波長域の電磁波について、その反射角度を制御することができる。

一方、たとえば、反射対象とされる電磁波の波長があらかじめ決められているような場合においては、幅ＷＧ、厚さＴＧ、周期ＰＧおよび長さＬを含む格子７の物理的形状を調整することによって、最適な共鳴を生じさせることができる。また、幅ＷＧ、厚さＴＧ、周期ＰＧおよび長さＬを含む格子７の物理的形状を周期的に変化させて、各格子に印加する電圧として、たとえば、すべて同じ電圧を印加することによって、電磁波の反射角度を制御することができる。この場合には、各格子７に印加するすべての電圧を一つの電圧印加部２３によって制御することができ、電圧印加部２３によって制御する電圧値の数を少なくすることもできる。

実施の形態３．
ここでは、基板に光電変換を生じさせ、その光電変換に伴う電気変化によってグラフェン層に光ゲート効果を生じさせる反射光学素子について説明する。図１６に示すように、反射光学素子１では、入射する電磁波によって光電変換が生じる基板１９が適用されている。基板１９の裏面に形成された反射板２１は裏面電極として使用され、反射板２１にはバックゲート電圧Ｖｂｇが印加される。なお、これ以外の構成については、図２および図３に示す反射光学素子１の構成と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。

光電変換が生じる基板１９は、たとえば、反射対象とする電磁波の有するエネルギー（ｈν）以下のバンドギャップを有する。ここで、光電変換に伴うグラフェン層の光ゲート効果について、グラフェン層をチャネルとしたグラフェントランジスタを例に挙げて説明する。

図１７に示すように、グラフェントランジスタは、基板１９の上に絶縁層３を介在させて形成されたソース電極５３、ドレイン電極５５およびグラフェン層９を含む。ソース電極５３とドレイン電極５５とは、距離を隔てて配置されている。グラフェン層９は、ソース電極５３とドレイン電極５５と間に介在するように形成されている。グラフェン層９には、チャネルが形成される。反射板２１には、バックゲート電圧Ｖｂｇが印加される。

図１７に、併せて、ソース電極５３とドレイン電極５５間に流れる電流Ｉｄと、バックゲート電圧Ｖｂｇとの関係をグラフに示す。横軸はバックゲート電圧Ｖｂｇであり、縦軸は電流Ｉｄである。点線のグラフは、電磁波が照射されていない状態での関係である。実線のグラフは、電磁波が照射されている状態での関係である。

電磁波が照射されていない場合の点線のグラフに注目すると、バックゲート電圧Ｖｂｇを変化させた場合、通常のグラフェン層における両極性のトランジスタ動作となる。このとき、ディラックポイントを与えるバックゲート電圧ＶｂｇをＶ_ＤＰとし、この電圧をディラックポイント電圧と呼ぶ。なお、ディラックポイントとは、グラフェン層９中の価電子帯と伝導帯（バンド構造）とが交差する点をいう。

電磁波が照射されている場合の実線のグラフに注目すると、実線のグラフは点線のグラフに対して、ディラックポイント電圧がＶ_ＤＰよりも高い電圧へシフトする。基板１９に電磁波が入射すると、基板１９には光電変換によってホールと電子とが発生する。発生したホールおよび電子のうちの一方（電荷）が反射板２１へ向かい、他方（電荷）が絶縁層３へ向かう。

たとえば、基板１９がｐ型シリコンであり、バックゲート電圧Ｖｂｇとしてマイナスの電圧を印加している場合を想定する。発生したホールは反射板２１ヘ向かい、電子は絶縁層３へ向かう。グラフェン層９の直下の基板１９の部分に電子が溜まると、グラフェン層９は、その影響を受けて、グラフェン層９に印加される電圧が変化する。

グラフェン層９には、反射板２１から印加されているバックゲート電圧Ｖｂｇと、その光電変換に伴う電圧変化分との双方の電圧が印加されることになる。この電圧変化分は、Ｖｐｈで表される。このため、電磁波が照射されている場合では、ディラックポイント電圧は、Ｖ_ＤＰからＶ_ＤＰ＋Ｖ_ｐｈへシフトすることになる。

このシフトによって、電磁波が照射されていない場合と電磁波が照射されている場合とでは、同じバックゲート電圧Ｖｂｇに対して、電流Ｉｄに差分電流（ΔＩ_ｐｈ）が生じることになる。この電流（Ｉ_ｐｈ）の変化量は、通常の半導体の場合と比較して、移動度と膜厚とから見積もると、数百〜数千倍程度大きくなる。

グラフェン層９は、原子１層の非常に薄い層であり、また、電荷移動度が高い。このため、光電変換に伴うわずかな電圧変化によっても、グラフェン層９中の電子密度が変わり、グラフェン層９の導電率が変わることになる。すなわち、基板１９に生じる光電変換に伴うわずかな電圧変化によって、グラフェン層９の屈折率が変えられることになる。

これにより、上述した反射光学素子１では、グラフェン層１３に印加される電圧によってグラフェン層１３の屈折率が変化するのに加えて、基板１９における光電変換によって、基板１９側のグラフェン層９の屈折率が変化する。このため、反射光学素子１では、電磁波が照射されたときにだけ、反射する電磁波の位相の変化を、光電変換が生じない場合よりも大きくすることができる。

見方を変えると、電磁波の反射角度が同じであれば、光電変換に起因する分、反射光学素子の消費電力を下げることができることになる。一方、同じ電力であれば、光電変換に起因する分、電磁波の反射角度をより広げることができることになる。

光ゲート効果によって光電変換が生じる基板１９の材料としては、次のような材料が挙げられる。可視光から近赤外線では、たとえば、シリコンがある。長波長域の赤外線では、たとえば、テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）またはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）等の強誘電体材料がある。中波長域の赤外線では、たとえば、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）がある。

光電変換が生じる基板１９の材料としては、これらに限られるものではなく、反射対象とされる電磁波の有するエネルギー以下のバンドギャップを有する材料（基板）であればよい。また、基板１９に入射した電磁波によって、グラフェン層９に電圧変化を与えることができる基板１９であればよい。たとえば、基板１９中にｐｎ接合が形成されていてもよい。また、量子ドットまたはナノワイヤ等を材料として用いてもよい。

実施の形態４．
ここでは、格子が二次元的に配置された反射光学素子の一例について説明する。図１８に示すように、反射光学素子１では、格子７ａ、７ｉ、７ｊ、７ｎを含む複数の格子７（格子群５）が、マトリクス状に二次元的に配置されている。各格子７は、たとえば、Ｘ軸方向に幅をそれぞれ有し、Ｙ軸方向にそれぞれ延在する。各格子７の幅ＷＧ、長さＬ、周期ＰＧ、厚さＴＧ等（図４参照）は、電磁波の波長よりも短く設定されている。格子群５の各格子７は、平面視的に同じ形状を有する。

格子７ａには、電圧印加部２３ａによって電圧が印加される。格子７ｉには、電圧印加部２３ｉによって電圧が印加される。格子７ｊには、電圧印加部２３ｊによって電圧が印加される。格子７ｎには、電圧印加部２３ｎによって電圧が印加される。各格子７の断面構造は、図３に示される断面構造と実質的に同じである。

反射対象とされる電磁波がレーザ光の場合には、偏光を有する場合が多い。この場合に、反射する電磁波の位相を効率的に変化させるには、各格子７の幅の方向と電磁波の電界の方向とが、同じ方向（平行）になるように、反射光学素子を配置させることが望ましい。したがって、偏光の方向が決定している電磁波を反射対象とする場合には、複数の格子を一次元に配置するとともに、格子が延在する長さを電磁波の波長よりも長く設定することが望ましい。

一方、反射対象の電磁波の電界の方向がすべての方向に均一に分布している無偏光（または非偏光）の場合には、複数の格子が一次元に配置された反射光学素子では、電磁波の位相を変化させる効率が悪くなる。つまり、複数の格子を一次元に配置させた場合に、直交する二方向に代表される偏光を想定すると、電磁波の位相を変化させる効率的な作用を生じるのは、いずれか一方の偏光に対してだけになってしまう。

これに対して、図１８に示すように、複数の格子を二次元的に配置させた場合には、いずれの偏光に対しても、電磁波の位相を変化させる効率的な作用を生じさせることができる。このことから、上述した反射光学素子１では、無偏光な電磁波に対しても、電磁波の位相を制御することができることになる。

なお、図１８に示す反射光学素子１では、複数の格子７のそれぞれは、Ｘ軸方向に幅を有し、Ｙ軸方向に延在する場合について説明した。各格子７の幅ＷＧおよび長さＬ（図４参照）等は、電磁波の波長よりも短く設定されていることから、たとえば、格子７ｉおよび格子７ｎを、それぞれの幅をＹ軸方向に平行にし、Ｘ軸方向に延在するように配置させても、電磁波の位相の制御が影響を受けることはない。また、格子群５の各格子７として、平面視的に同じ形状を有する格子７からなる格子群５を例に挙げたが、格子群５には、平面視的に異なる形状を有する格子７が含まれていてもよい。

実施の形態５．
ここでは、電磁波が入射したことを検出する電磁波検出部を備えた反射光学素子の一例について説明する。

実施の形態３において、光ゲート効果を生じる基板を適用した反射光学素子では、基板における光電変換によって、差分電流（ΔＩ_ｐｈ）が生じることを述べた。電磁波検出部では、この差分電流（ΔＩ_ｐｈ）が検出される。

図１９および図２０に示すように、反射光学素子１では、格子群５に加えて、電磁波検出部５１が形成されている。電磁波検出部５１は、第１検出電極および第２検出電極としてのソース電極５３およびドレイン電極５５とグラフェン層５７とを含む。ソース電極５３およびドレイン電極５５は、絶縁層３に接するように、互いに距離を隔てて配置されている。グラフェン層５７は、ソース電極５３とドレイン電極５５との間に介在し、ソース電極５３とドレイン電極５５とに接触している。

ソース電極５３は接地電位に電気的に接続されている。ドレイン電極５５には、電流検知部５９とバイアス電源（バイアス電圧Ｖｄ）とが電気的に直列に接続されている。なお、これ以外の構成については、図２および図３に示す反射光学素子の構成と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。

次に、上述した反射光学素子１の製造方法の一例について簡単に説明する。絶縁層３に接するように、ソース電極５３とドレイン電極５５とが形成される。ソース電極５３およびドレイン電極５５は、たとえば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）またはパラジウム（Ｐｄ）等から形成される。

ソース電極５３およびドレイン電極５５と絶縁層３との密着性を上げるために、ソース電極５３およびドレイン電極５５と絶縁層３との間に、クロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）等の密着膜（図示せず）を形成するようにしてもよい。また、ソース電極５３およびドレイン電極５５のサイズ（厚さ、大きさ）としては、電気信号を出力することができるサイズであれば、特に制限はない。

次に、ソース電極５３とドレイン電極５５を覆うように、グラフェン層９と誘電体層１１とが積層される。次に、電磁波検出部が形成される領域に位置する誘電体層１１の部分およびグラフェン層９の部分が除去されて、ソース電極５３とドレイン電極５５とを露出させる。

次に、ソース電極５３、ドレイン電極５５および誘電体層１１等を覆うように、グラフェン層１３が形成される。次に、グラフェン層１３の上に電極１５が形成される。次に、写真製版処理およびエッチング処理を行うことによって、電磁波検出部５１のグラフェン層５７がパターニングされる。また、複数の格子７を含む格子群５が形成される。こうして、反射光学素子１の主要部分が完成する。

上述した反射光学素子１では、実施の形態３において説明したのと同様に、グラフェン層５７には、反射板２１から印加されているバックゲート電圧Ｖｂｇと、電磁波の入射に伴う光電変換に起因する電圧変化分との双方の電圧が印加される。このため、電磁波が照射されている場合では、ディラックポイント電圧は、Ｖ_ＤＰからＶ_ＤＰ＋Ｖ_ｐｈへシフトする（図１７参照）。これにより、この電圧のシフトが差分電流（ΔＩ_ｐｈ）として、電流検知部５９によって検知されることになる。その結果、反射光学素子１に電磁波が入射しことを検知することができる。

また、反射光学素子１に配置する電磁波検出部５１の数としては、１つだけに限られず、複数配置させてもよい。この場合、電磁波検出部５１をアレイ状に配置することで、電磁波が検出された位置を判別することができる。また、画像センサとして使用することも可能である。

次に、反射光学素子１の一変形例について説明する。図２１に示すように、電磁波検出部５１では、グラフェン層５７の上にソース電極５３およびドレイン電極５５が形成されている。グラフェン層５７は、格子７を形成するグラフェン層１３と同じ層から形成されている。ソース電極５３およびドレイン電極５５は、電極１５（図１９参照）と同じ層から形成されている。

次に、この反射光学素子１の製造方法の一例について簡単に説明する。基板１９上に絶縁層３が形成される。その絶縁層３を覆うように、グラフェン層９と誘電体層１１とが積層される。次に、電磁波検出部が形成される領域に位置する誘電体層１１の部分およびグラフェン層９の部分が除去されて、絶縁層３を露出させる。

次に、絶縁層３および誘電体層１１を覆うように、グラフェン層１３が形成される。次に、格子群５が形成される領域では、グラフェン層１３の上に電極１５が形成される。電磁波検出部５１が形成される領域では、ソース電極５３およびドレイン電極５５が形成される。

次に、写真製版処理およびエッチング処理を行うことによって、格子群５が形成される領域では、複数の格子７を含む格子群５が形成される。電磁波検出部５１が形成される領域では、グラフェン層１３がパターニングされて、グラフェン層５７形成される。こうして、反射光学素子１の主要部分が完成する。

反射光学素子１の他の変形例について説明する。図２２に示すように、電磁波検出部５１では、グラフェン層５７の上に誘電体層１１とグラフェン層１３とが積層されている。グラフェン層５７、誘電体層１１およびグラフェン層１３は、格子７を形成するグラフェン層９、誘電体層１１およびグラフェン層１３とそれぞれ同じ層から形成されている。

次に、この反射光学素子１の製造方法の一例について簡単に説明する。図２３に示すように、絶縁層３に接するように、ソース電極５３とドレイン電極５５とが形成される。次に、図２４に示すように、ソース電極５３とドレイン電極５５を覆うように、グラフェン層９、誘電体層１１およびグラフェン層１３が順次積層される。

次に、図２５に示すように、写真製版処理およびエッチング処理が行われる。これにより、格子群５が形成される領域では、複数の格子７を含む格子群５が形成される。電磁波検出部５１が形成される領域では、グラフェン層１３、誘電体層１１およびグラフェン層９がパターニングされて、グラフェン層５７を含む構造が形成される。

次に、電極（図示せず）等が形成されて、反射光学素子１の主要部分が完成する。なお、この反射光学素子１では、電磁波検出部５１におけるグラフェン層１３は、電気的にフローティングとされる。この製造方法では、ソース電極５３およびドレイン電極５５を形成する工程以外は、格子群５を形成する工程と並行して電磁波検出部５１を形成することができる。

実施の形態６．
ここでは、変形例に係る電磁波検出部を備えた反射光学素子について説明する。図２６および図２７に示すように、反射光学素子１における電磁波検出部５１では、グラフェン層５７が基板１９と接触している。絶縁層３には開口部３ａが形成されている。グラフェン層５７は、開口部３ａを介して基板１９に接触している。グラフェン層５７と基板１９とが接触すれば、開口部３ａの開口形状に制約はない。

基板１９の材料として、たとえば、シリコンが適用されている。基板１９には、バックゲート電圧Ｖｂｇが印加される。ドレイン電極５５には、バイアス電圧Ｖｄが印加される。ソース電極５３は、接地電位に電気的に接続されている。ドレイン電極５５とソース電極５３との間に流れる電流が、電流検知部５９によって検知される。

なお、これ以外の構成については、図１９および図２０に示す反射光学素子１と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。

次に、上述した反射光学素子１における電磁波検出部５１の動作について説明する。基板１９に電磁波が入射すると、基板１９には光電変換によってホールと電子とが発生する。発生したホールおよび電子のうちの一方（電荷）が反射板２１へ向かい、他方（電荷）がグラフェン層５７へ向かう。グラフェン層５７へ向かった電荷（電子またはホール）は、グラフェン層５７に注入される。

ドレイン電極５５とソース電極５３との間では、バイアス電圧Ｖｄが印加されている。このため、基板１９において発生した電荷がグラフェン層５７に注入されると、注入された電荷はグラフェン層５７からドレイン電極５５へ向かって流れるか、または、グラフェン層５７からソース電極５３へ向かって流れることになる。このグラフェン層５７に流れる電荷を検知することで、電磁波を検出することができる。

次に、変形例に係る反射光学素子について説明する。グラフェン層では、バンド構造に起因して、グラフェン層の一方側と他方側との間にバイアス電圧が印加されている状態では、電磁波が照射されていない状態であってもグラフェン層の一方側と他方側との間で電流が流れることになる。このため、図１７における電磁波が照射されていない場合のグラフに示されているように、電流Ｉｄの最小値が０よりも高い値になる。この電流は、暗電流と呼ばれている。

図２８および図２９に示すように、変形例に係る反射光学素子の電磁波検出部５１では、絶縁層３の開口部３ａを取り囲むように、第１（２）検出電極としての電極６１が形成されている。その電極６１に接触するとともに、開口部３ａに充填される態様で、グラフェン層５７が形成されている。電極６１に接触するグラフェン層５７は基板１９に接触し、基板１９は反射板２１に接触している。

このため、光電変換によって基板１９に電荷（電子とホール）が生じ、基板１９とグラフェン層５７との間に電流が流れると、電磁波検出部５１は、反射板２１と電極６１との間で、一種のダイオードとして機能することになる。また、この電磁波検出部５１では、電極６１にはバイアス電圧は印加されていない。

これにより、光電変換によって基板１９に電荷（電子とホール）が生じない限り、基板１９とグラフェン層５７との間に電流が流れることはなくなる。その結果、暗電流を抑えることができ、ノイズを抑えて電磁波の検出性能を向上させることができる。

上述した反射光学素子１の基板１９の材料の一例として、シリコンを挙げた。光電変換が生じる基板１９の材料としては、シリコンの他に、次のような材料が挙げられる。

ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族半導体またはＩＩ−Ｖ族半導体等の化合物半導体が挙げられる。また、テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）、鉛セレン（ＰｂＳｅ）、鉛硫黄（ＰｂＳ）、カドミウム硫黄（ＣｄＳ）、ガリウム窒素（ＧａＮ）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）、トポロジカル絶縁体が挙げられる。さらに、量子井戸または量子ドットを含む基板が挙げられる。さらに、ＴｙｐｅＩＩ超格子等の材料の単体またはそれらの材料を組み合わせた基板が挙げられる。

たとえば、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）では、赤外線の波長域において光電変換が可能になる。このため、赤外線の波長域において、電磁波検出部５１による電磁波の検知を高感度で行うことができる。基板１９の材料を、反射対象とする電磁波の波長に応じて変えることで、特定の波長の電磁波を高感度に検出することができる。

実施の形態７．
実施の形態５または実施の形態６では、反射光学素子１における電磁波検出部５１に適用される二次元材料層の材料の一例として、グラフェン（グラフェン層５７）を挙げた。ここでは、その電磁波検出部５１に適用される二次元材料層の材料のバリエーションについて説明する。

電磁波検出部の二次元材料層の材料としては、遷移金属ダイカルコゲナイド（ＴＭＤ：Transition Metal Dichalcogenide）、黒リン（Black Phosphorus）、シリセン（シリコン原子による二次元ハニカム構造）、ゲルマネン（ゲルマニウム原子による二次元ハニカム構造）等の材料を適用することができる。遷移金属ダイカルコゲナイドとしては、たとえば、ＭｏＳ_２、ＷＳ_２、ＷＳｅ_２等の遷移金属ダイカルコゲナイドが挙げられる。

これらの材料は、グラフェンと類似の構造を有しており、原子を二次元面内に単層で配列することが可能な材料である。したがって、これらの材料を適用した場合においても、グラフェン層を適用した場合と同様の作用効果を得ることができる。

遷移金属ダイカルコゲナイドまたは黒リン等の材料は、バンドギャップを有する。このため、暗電流（オフ電流）はほぼなくなり、反射光学素子（電磁波検出部）のノイズを抑えることができる。これにより、電磁波を検出する感度が向上し、反射光学素子としての性能を向上させることができる。

また、これらの材料では、材料を積層する層数によって、バンドギャップの大きさを調整することができる。このため、検出する電磁波の波長を、その層数によって選択することができる。たとえば、ＭｏＳ_２、ＷＳ_２、ＷＳｅ_２等の遷移金属ダイカルコゲナイドでは、可視光の波長域に相当するバンドギャップを有する。黒リンは、中赤外線の波長域に相当するバンドギャップを有する。これにより、特定の波長の電磁波のみを検出することができる波長選択型の電磁波検出部を備えた反射光学素子を得ることができる。

これらの材料を適用することで、従来の半導体検出器のように、半導体材料の組成によってバンドギャップをコントロールする必要がなくなり、製造工程を簡略化することができる。また、典型的な波長選択法とされる光学フィルタを用いる必要もない。このため、光学部品の点数を削減することができるとともに、電磁波が光学フィルタを通過することに伴う電磁波の損失も低減することができる。

遷移金属ダイカルコゲナイドまたは黒リン等の材料では、複数の層からなる積層構造とし、さらに、その積層方向を制御することで、電磁波の偏光依存性を得ることができる。これにより、特定の偏光を有する電磁波だけを選択的に検出する電磁波検出部を備えた反射光学素子を実現することができる。

さらに、これらの材料の中から異なる２つの材料を組み合わせて、ヘテロ接合を形成するようにしてもよい。また、遷移金属ダイカルコゲナイドとグラフェンとを組み合わせてヘテロ接合を形成してもよい。黒リンとグラフェンとを組み合わせてヘテロ接合を形成してもよい。

ヘテロ接合を形成することで、異なる材料間において、従来の半導体材料における量子井戸効果またはトンネル効果と同じ効果を得ることができる。これにより、反射光学素子（電磁波検出部）のノイズを抑えることができるとともに、再結合を低減することができる。その結果、電磁波を検出する感度が向上し、反射光学素子としての性能を向上させることができる。

特に、熱雑音が支配的となる赤外線の波長域においては、トンネル効果を利用した熱雑音の低減は大きな効果を奏する。また、ヘテロ接合により常温動作も可能となる。また、トンネル電流が流れない構造であっても、グラフェンと２次元材料とを積層することによって、暗電流を抑制する効果が生じる。特に、グラフェンは原子層材料でるため、グラフェンと他の２次元材料とを積層することで、結果に起因する暗電流を抑制する効果があり、電磁波検出部の感度を向上させることができる。

また、接合として、プロベスカイトとグラフェンとの接合、異なる２次元材料の接合を用いてもよい。

なお、各実施の形態において説明した、電磁波検出部を含む反射光学素子については、必要に応じて種々組み合わせることが可能である。

今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、二次元材料層を適用した反射光学素子に有効に利用される。

１ 反射光学素子、３ 絶縁層、３ａ 開口部、５ 格子群、７、７ａ、７ｉ、７ｊ、７ｎ 格子、９ グラフェン層、１１ 誘電体層、１３ グラフェン層、１５、１５ａ、１５ｉ、１５ｎ 電極、１７ 誘電体層、１９ 基板、２１ 反射板、２３、２３ａ、２３ｉ、２３ｊ、２３ｎ 電圧印加部、３１ 金属膜、５１ 電磁波検出部、５３ ソース電極、５５ ドレイン電極、５７ グラフェン層、５９ 電流検知部、６１ 電極、７１ ７１ａ、７１ｉ、７１ｊ、７１ｎ 電磁波。

Claims (17)

1. 入射する電磁波の反射方向を変更可能とする反射光学素子であって、
   互いに対向する第１主面および第２主面を有する絶縁体と、
   前記絶縁体に対して前記第１主面の側に配置された積層構造部と、
   前記積層構造部に電気的に接続され、電圧が印加される電極部と、
   前記絶縁体に対して前記第２主面の側に配置された反射板とを有し、
   前記積層構造部は、
   第１方向に第１幅を有し、前記第１方向と交差する第２方向に延在する、二つ以上の第１積層構造体と、
   前記第１積層構造体とは前記第１方向に間隔を隔てて配置され、前記第１方向に第２幅を有し、前記第２方向に延在する、二つ以上の第２積層構造体とを含む複数の積層構造体を備え、
   複数の前記積層構造体のそれぞれでは、誘電体層と第１二次元材料層とが積層されており、
   前記電極部は、
   前記第１積層構造体における前記第１二次元材料層に電気的に接続され、第１電圧が印加される第１電極と、
   前記第２積層構造体における前記第１二次元材料層に電気的に接続され、第２電圧が印加される第２電極とを含む複数の電極を備え、
   前記第１積層構造体および前記第２積層構造体のそれぞれは、第２二次元材料層を含み、
   前記第２二次元材料層の上に、前記誘電体層を介在させて前記第１二次元材料層が積層配置され、
   前記第１積層構造体間において、前記第１二次元材料層、前記誘電体層および前記第２二次元材料層が互いに分離されており、
   前記第２積層構造体間において、前記第１二次元材料層、前記誘電体層および前記第２二次元材料層が互いに分離されており、
   前記第１電圧によって前記第１積層構造体における前記第１二次元材料層の屈折率を変化させ、
   前記第２電圧によって前記第２積層構造体における前記第１二次元材料層の屈折率を変化させ、
   前記積層構造部は、前記第１積層構造体を複数の格子とする格子群である第１格子と、前記第２積層構造体を複数の格子とする格子群である第２格子とを含み、
   前記絶縁体と前記反射板との間には、前記電磁波が入射することによって光電変換が生じる基板が配置された、反射光学素子。
2. 前記第１積層構造体と前記第２積層構造体とは同じ構造である、請求項１記載の反射光学素子。
3. 前記第１格子は、前記第１方向に前記第１幅を有し、前記第２方向に第１長さを有し、前記第１方向に第１ピッチをもって配置された、複数の前記第１積層構造体を含み、
   前記第２格子は、前記第１方向に前記第２幅を有し、前記第２方向に第２長さを有し、前記第１方向に第２ピッチをもって配置された、複数の前記第２積層構造体を含む、請求項１記載の反射光学素子。
4. 前記第１格子および前記第２格子では、前記第１幅と前記第２幅とが異なる第１条件、前記第１長さと前記第２長さとが異なる第２条件、前記第１ピッチと前記第２ピッチとが異なる第３条件、前記第１格子における前記誘電体層の厚さと前記第２格子における前記誘電体層の厚さとが異なる第４条のうちの少なくともいずれかの条件が設定された、請求項３記載の反射光学素子。
5. 前記第１格子および前記第２格子では、前記第１条件が設定された、請求項４記載の反射光学素子。
6. 複数の前記積層構造体は、
   ｎを３以上の自然数とすると、
   前記第１積層構造体および前記第２積層構造体を含む、前記第１積層構造体から第ｎ積層構造体までの三以上の積層構造体を含み、
   複数の前記電極は、前記第１電極および前記第２電極を含む、前記第１積層構造体から前記第ｎ積層構造体までの三以上の前記積層構造体に形成された、前記第１電極から第ｎ電極までの三以上の電極を含む、請求項１記載の反射光学素子。
7. 前記積層構造部は、三以上の前記積層構造体のそれぞれを複数の格子として含み、
   ｉおよびｊを、互いに異なる１以上ｎ以下の自然数とし、前記第１積層構造体から前記第ｎ積層構造体までの三以上の前記積層構造体のうち、一の積層構造体を第ｉ積層構造体とし、他の積層構造体を第ｊ積層構造体とすると、
   前記積層構造部は、
   前記第ｉ積層構造体を第ｉ格子として含み、
   前記第ｊ積層構造体を第ｊ格子として含み、
   前記第ｉ格子は、前記第１方向に第３幅を有し、前記第２方向に第３長さを有し、前記第１方向に第３ピッチをもって配置された、複数の前記第ｉ積層構造体を含み、
   前記第ｊ格子は、前記第１方向に第４幅を有し、前記第２方向に第４長さを有し、前記第１方向に第４ピッチをもって配置された、複数の前記第ｊ積層構造体を含む、請求項６記載の反射光学素子。
8. 前記第ｉ格子および前記第ｊ格子では、前記第３幅と前記第４幅とが異なる第５条件、前記第３長さと前記第４長さとが異なる第６条件、前記第３ピッチと前記第４ピッチとが異なる第７条件、前記第ｉ格子における前記誘電体層の厚さと前記第ｊ格子における前記誘電体層の厚さとが異なる第８条のうちの少なくともいずれかの条件が設定された、請求項７記載の反射光学素子。
9. 前記積層構造部は、一次元および二次元のいずれかの態様で複数配置された、請求項１〜８のいずれか１項に記載の反射光学素子。
10. 前記第１二次元材料層および前記第２二次元材料層のいずれかは、単層および二層以上のいずれかの原子層からなる、請求項１記載の反射光学素子。
11. 入射する電磁波の反射方向を変更可能とする反射光学素子であって、
    互いに対向する第１主面および第２主面を有する絶縁体と、
    前記絶縁体に対して前記第１主面の側に配置された積層構造部と、
    前記積層構造部に電気的に接続され、電圧が印加される電極部と、
    前記絶縁体に対して前記第２主面の側に配置された反射板とを有し、
    前記積層構造部は、
    第１方向に第１幅を有し、前記第１方向と交差する第２方向に延在する、一つ以上の第１積層構造体と、
    前記第１積層構造体とは前記第１方向に間隔を隔てて配置され、前記第１方向に第２幅を有し、前記第２方向に延在する、一つ以上の第２積層構造体とを含む複数の積層構造体を備え、
    複数の前記積層構造体のそれぞれでは、誘電体層と第１二次元材料層とが積層されており、
    前記電極部は、
    前記第１積層構造体における前記第１二次元材料層に電気的に接続され、第１電圧が印加される第１電極と、
    前記第２積層構造体における前記第１二次元材料層に電気的に接続され、第２電圧が印加される第２電極とを含む複数の電極を備え、
    前記第１電圧によって前記第１積層構造体における前記第１二次元材料層の屈折率を変化させ、
    前記第２電圧によって前記第２積層構造体における前記第１二次元材料層の屈折率を変化させ、
    前記絶縁体と前記反射板との間には、前記電磁波が入射することによって光電変換が生じる基板が配置された、反射光学素子。
12. 前記第１二次元材料層および前記第２二次元材料層のいずれかは、グラフェン、遷移金属ダイカルゴゲナイト、黒リン、シリセン、グラフェンナノポリンおよびボロフェンからなる群から選ばれるいずれかの材料を含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の反射光学素子。
13. 前記第１二次元材料層は、グラフェン、遷移金属ダイカルゴゲナイト、黒リン、シリセン、グラフェンナノポリンおよびボロフェンからなる群から選ばれるいずれかの材料を含む、請求項１１に記載の反射光学素子。
14. 前記電磁波を検出する電磁波検出部を備え、
    前記電磁波検出部は、
    前記基板上に形成された第１検出電極および第２検出電極と、
    前記第１検出電極と前記第２検出電極との間に介在するように形成された第３二次元材料層とを含む、請求項１または１１に記載の反射光学素子。
15. 前記第３二次元材料層は前記基板に接触している、請求項１４記載の反射光学素子。
16. 前記電磁波検出部は、前記基板における複数の箇所に配置された、請求項１４または１５に記載の反射光学素子。
17. 前記積層構造部は、前記電磁波の波長よりも短いサイズをもって形成された、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の反射光学素子。

Images