JP7144188B2 - 反射型動的メタサーフェス - Google Patents

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Description

本発明は、反射型動的メタサーフェスに関するものである。
非特許文献１には、反射型のメタサーフェスに関する技術が開示されている。このメタサーフェスは、金（Ａｕ）からなるミラー層と、該ミラー層上に設けられたＩＴＯ層と、ＩＴＯ層上に設けられたＡｌ２Ｏ３層と、Ａｌ２Ｏ３層上に設けられた金（Ａｕ）からなるナノアンテナとを備える。そして、ミラー層とナノアンテナとの間にバイアスを印加することにより、入力光の位相をバイアスに応じて変調し得ることが記載されている。
Yao-Wei Huang et al., "Gate-tunable conducting oxide metasurfaces", NanoLetters, VoＬ6, pp. 5319-5325 (2016)
近年、光の位相、強度、若しくは偏光を任意に制御し得る構造として、メタサーフェスが注目されている。メタサーフェスは、従来のレンズ等の光学素子と異なり、平坦面に形成された極めて薄い表面構造によって、入力光の位相等を制御することができる。例えば、ＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）型のメタサーフェスは、反射膜としての下部金属膜と、下部金属膜上に設けられた誘電体層と、誘電体層上に設けられた上部金属膜とを備える。上部金属膜の幅及び誘電体層の厚さは、入力光の波長よりも十分に小さい。そして、上部金属膜の両側から誘電体層の表面を露出させ、該誘電体層の表面に光を入力させる。誘電体層に入力した光は、下部金属膜において反射し、誘電体層の表面から外部へ出射する。このような構造においては、上部金属膜の幅に応じて出力光の位相が変化する。このような構造は、静的メタサーフェスと呼ばれる。
或いは、上部金属膜の幅を一定とするとともにＩＴＯなどの透明導電層を追加し、下部金属膜と上部金属膜との間に電圧を印加してもよい。この場合、下部金属膜と上部金属膜との間の電界によって透明導電層の一部が金属化し、下部金属膜と上部金属膜との間の実効屈折率が、金属化した層の厚さに応じて変化する。このような構造においては、金属化した層の厚さに応じて出力光の位相が変化する。従って、印加電圧を任意に変化させることにより、出力光の位相を制御することができる（非特許文献１を参照）。このような構造は、動的メタサーフェスと呼ばれる。
メタサーフェスの応用として、一次元状若しくは二次元状に配列された複数の画素毎に位相を変調する装置が考えられる。メタサーフェスは、例えば従来の回折光学素子（Diffractive Optical Element；ＤＯＥ）と比較して、極めて薄く構成することができ、装置の小型化に寄与できる。また、動的メタサーフェスは、例えば従来の液晶型の空間光変調器（Spatial Light Modulator；ＳＬＭ）と比較して、高速性に優れる（ＭＨｚオーダーの動作）といった利点がある。
本発明は、一次元状若しくは二次元状に配列された複数の画素毎に位相を変調することができる反射型の動的メタサーフェスを提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、本発明の一実施形態による反射型動的メタサーフェスは、透明導電層及び誘電体層を有し、一方の面に光が入力される積層構造体と、積層構造体の一方の面に設けられた第１金属膜と、一方の面と対向する積層構造体の他方の面に設けられ、積層構造体に入力された光を一方の面に向けて反射する第２金属膜と、第１金属膜と第２金属膜との間に印加される電圧を制御する駆動回路と、を備える。一次元状又は二次元状に配列された複数の画素それぞれにおいて、積層構造体は、積層方向から見て第１金属膜を挟む一対の位置にそれぞれ設けられ第１金属膜から露出する一対の部分を含む。第２金属膜は、画素毎に設けられ互いに分離された複数の部分金属膜を含む。この反射型動的メタサーフェスは、第２金属膜の複数の部分金属膜の電圧を個別に制御することにより、光の位相を画素毎に変調する。駆動回路は、第２金属膜を一方の電極としており部分金属膜毎に電圧を保持する複数のキャパシタを有する。第２金属膜は、積層構造体の積層方向において複数のキャパシタの他方の電極と第１金属膜との間に位置する。
この反射型動的メタサーフェスにおいて、積層構造体が一対の部分を含む。該一対の部分は、積層方向から見て第１金属膜を挟む一対の位置にそれぞれ設けられ、第１金属膜から露出する。該一対の部分のうち一方に入力された光は、第２金属膜において反射し、該一対の部分のうちの他方から外部へ出力される。第１金属膜の幅および積層構造体の厚さが光の波長よりも十分に小さい場合、第１金属膜と第２金属膜との間に駆動電圧が印加されると、ギャップ・サーフェス・プラズモン・モードと呼ばれる互いに逆向きの誘導電流が第１金属膜及び第２金属膜のそれぞれに生じ、積層構造体内に強い磁気共鳴（プラズモン共鳴）が生じる。この磁気共鳴によって、第１金属膜と第２金属膜との間を通過する光の位相が変調される。ここで、第１金属膜と第２金属膜との間に駆動電圧が印加されると、透明導電層の誘電体層との界面付近の電子密度が高まる。その結果、透明導電層の該界面付近の部分が金属化して、積層構造体の実効屈折率が変化する。上述した位相変調における変調量は積層構造体の実効屈折率に依存するので、駆動電圧を変化させることにより、実効屈折率を制御し、ひいては出力光の位相を制御することができる。
また、この反射型動的メタサーフェスでは、一次元状又は二次元状に配列された複数の画素のそれぞれにおいて、積層構造体が上述した一対の部分を含む。更に、第１金属膜及び第２金属膜の少なくとも一方は、画素毎に設けられ互いに分離された複数の部分金属膜を含んでおり、駆動回路は、第１金属膜及び第２金属膜のうち少なくともいずれかの複数の部分金属膜の電圧を個別に制御する。これにより、画素毎に独立した位相変調が可能になる。従って、上述した反射型動的メタサーフェスによれば、一次元状若しくは二次元状に配列された複数の画素毎に位相を変調することができる。
上述した駆動回路は、部分金属膜毎に電圧を保持する複数のキャパシタを有する。これにより、各部分金属膜に対して逐次的に電圧を設定できるので、駆動回路の構成を簡略化することができる。また、複数のキャパシタは、第２金属膜を一方の電極とし、第２金属膜は、積層構造体の積層方向において複数のキャパシタの他方の電極と第１金属膜との間に位置する。第２金属膜を一方の電極とするキャパシタにより、電圧を保持するための構成を簡易な構成により実現することができる。
上述した積層構造体は、互いに隣接する画素の透明導電層同士を電気的に分離する空隙若しくは絶縁部を更に有してもよい。これにより、互いに隣接する画素間のクロストークを低減することができる。
上述した一対の部分の並び方向は光の偏光方向と一致してもよい。これにより、出力光の位相を効果的に制御することができる。
上述した誘電体層は透明導電層に対して一方の面側に位置してもよい。
上述した駆動回路は、画素毎に設けられた複数のトランジスタを含み、当該反射型動的メタサーフェスは、複数のトランジスタを主面に有する基板を更に備えており、基板は、主面と他方の面とを互いに対向させつつ積層構造体と一体化してもよい。これにより、駆動回路が組み込まれた小型の反射型動的メタサーフェスを提供できる。
上述した駆動回路は第１金属膜を基準電位とし、第１金属膜は、一対の部分の並び方向と交差する方向に並ぶ二以上の画素にわたって延在してもよい。これにより、第１金属膜に基準電位を容易に提供することができる。
上述した誘電体層は、酸化アルミニウム、酸化シリコン、及びフッ化マグネシウムのうち少なくとも一つを含んでもよい。これにより、上述した誘電体層を好適に実現することができる。
上述した透明導電層は、ドーパントにより低抵抗化された、酸化インジウム及び酸化亜鉛のうち少なくとも一方を含んでもよい。これにより、上述した透明導電層の作用を好適に奏することができる。
本発明によれば、一次元状若しくは二次元状に配列された複数の画素毎に位相を変調することができる反射型の動的メタサーフェスを提供できる。
本発明の第１実施形態に係るメタサーフェス１Ａを示す平面図である。 図１のII－II線に沿った断面図である。 （ａ）金属膜６の平面形状を示す図である。（ｂ）金属膜５の平面形状を示す図である。 各画素１０における回路構成を示す図である。 （ａ）～（ｄ）第ｍ行第ｎ列の画素１０における駆動回路２の動作を説明するための図である。 各画素１０における駆動回路２の構造を示す平面図である。 図６のVII－VII線に沿った断面図である。 （ａ）～（ｄ）メタサーフェス１Ａの作製方法の一例における各工程を示す断面図である。 部分金属膜６ａと金属膜５との間の電界によって透明導電層３に金属化層３ａが形成された様子を示す図である。 （ａ）メタサーフェス１Ａの使用例として、出力光の出射角を可変にするビームステアリングを概念的に示す図である。（ｂ）ビームステアリングのための構造を有する回折光学素子（ＤＯＥ）１００の光反射面１０１の形状を示す断面図である。 第１変形例に係るメタサーフェス１Ｂを示す平面図である。 （ａ）金属膜６の平面形状を示す図である。（ｂ）金属膜５Ａの平面形状を示す図である。 駆動回路２Ａの構成を示す図である。 第２変形例に係るメタサーフェス１Ｃの断面構造を示す図である。 更に別の変形例に係るメタサーフェス１Ｄの断面構造を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る発光装置３０の構成を示す断面図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明による反射型動的メタサーフェスの実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る反射型動的メタサーフェス（以下、単にメタサーフェスと称する）１Ａを示す平面図である。「メタサーフェス」とは、光の波長よりも十分に小さい単位構造を平坦な表面上に複数並べて形成することにより、単位構造毎に入射光の位相、強度、もしくは偏光を変化させるものである。メタサーフェスには種々の構造が存在するが、本実施形態のメタサーフェスは、その中でもギャップ・プラズモン型と呼ばれる構造を有する。メタサーフェス１Ａは、互いに交差（例えば直交）する方向Ｄ１及びＤ２に沿って延びる平板状の装置であって、方向Ｄ１及びＤ２の双方と交差（例えば直交）する方向Ｄ３を厚さ方向とする。メタサーフェス１Ａの主面１ａには、複数の画素１０が形成されている。複数の画素１０は、方向Ｄ１を行方向とし、方向Ｄ２を列方向とするＭ行Ｎ列（Ｍ，Ｎは２以上の整数）の二次元状に配列されている。各画素１０の平面形状は矩形状（例えば正方形状）である。各画素１０の一辺の長さＬは、例えば２００～４００ｎｍの範囲内である。メタサーフェス１Ａは、主面１ａに入力される光の位相を画素１０毎に個別に変調することにより、レンズ用途やホログラム形成といった種々の目的に使用される。
図２は、図１のII－II線に沿った断面図であって、メタサーフェス１Ａの断面構造を示している。図２に示されるように、メタサーフェス１Ａは、駆動回路２と、駆動回路２の表面に設けられた金属膜５と、金属膜５上に積層された積層構造体７と、積層構造体７上に設けられた金属膜６とを備える。すなわち、積層構造体７は金属膜５と金属膜６との間に設けられている。
積層構造体７は、平坦な膜であって、複数の画素１０にわたって方向Ｄ１及びＤ２に沿って延在している。積層構造体７は、主面７ａおよび裏面７ｂを有する。主面７ａには、被変調光Ｐが入力される。被変調光Ｐは例えばレーザ光であり、直線偏光を有する光である。被変調光Ｐの波長λは４００～１６００ｎｍの範囲内であり、一例では８５０ｎｍである。主面７ａおよび裏面７ｂは、方向Ｄ３において互いに対向する。主面７ａと裏面７ｂとの間隔（すなわち方向Ｄ３における積層構造体７の厚さ）は、被変調光Ｐの波長λよりも十分に小さく設定される。積層構造体７の厚さは、例えば１０～１００ｎｍの範囲内である。積層構造体７は、方向Ｄ３を積層方向として積層された透明導電層３及び誘電体層４を有する。
透明導電層３は、光透過性且つ導電性を有する無機膜である。光透過性とは、メタサーフェス１Ａに入力される波長に対する吸収が極めて低い（例えば光吸収率が２０％以下の）性質をいう。また、導電性とは、電気抵抗率が極めて低い（例えば抵抗率が１０－６Ω・ｍ以下の）性質をいう。本実施形態の透明導電層３は、ドーパントにより低抵抗化された、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）及び酸化亜鉛（Ｚｎ２Ｏ３）のうち少なくとも一方を含む。酸化インジウムに対するドーパントは、例えばＳｎである。Ｓｎがドープされた酸化インジウムは、ＩＴＯと呼ばれる。また、酸化亜鉛に対するドーパントは、例えばＡｌ若しくはＧａである。Ａｌがドープされた酸化亜鉛は、ＡＺＯと呼ばれる。Ｇａがドープされた酸化亜鉛は、ＧＺＯと呼ばれる。透明導電層３の厚さは、例えば３～５０ｎｍの範囲内であり、一例では２０ｎｍである。
誘電体層４は、光透過性且つ絶縁性を有する無機膜である。絶縁性とは、電気抵抗率が極めて高い（例えば抵抗率が１０－６Ω・ｍ以上の）性質をいう。誘電体層４は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、及びフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）のうち少なくとも一つを含む。誘電体層４の厚さは、例えば１～２０ｎｍの範囲内であり、一例では５ｎｍである。本実施形態では、誘電体層４は透明導電層３に対して主面７ａ側に位置する。
なお、本実施形態では裏面７ｂ側に透明導電層３が設けられ、主面７ａ側に誘電体層４が設けられているが、主面７ａ側に透明導電層３が設けられ、裏面７ｂ側に誘電体層４が設けられてもよい。また、本実施形態では透明導電層３が裏面７ｂを構成し、誘電体層４が主面７ａを構成しているが、透明導電層３及び誘電体層４と主面７ａ及び／または裏面７ｂとの間に別の層が更に設けられてもよい。また、透明導電層３と誘電体層４との間に別の層が更に設けられてもよい。
金属膜６は、本実施形態における第１金属膜であって、メタサーフェス構造におけるナノアンテナとしての機能を有する。金属膜６は、積層構造体７の主面７ａ上に設けられている。金属膜６は、例えば金（Ａｕ）といった金属からなる膜である。金属膜６の膜厚は、例えば３０～１００ｎｍの範囲内であり、一例では５０ｎｍである。金属膜６は、複数の部分金属膜６ａを含む。図３の（ａ）は、金属膜６の平面形状を示す図である。同図に示されるように、複数の部分金属膜６ａは、方向Ｄ１に並んでおり、互いに離間している。各部分金属膜６ａは、画素１０の列毎に設けられており、方向Ｄ２に沿って並ぶ二以上の画素１０（本実施形態ではＭ個の画素１０）にわたって延在している。方向Ｄ１における部分金属膜６ａの幅Ｗ１は、同方向における画素１０の長さＬよりも小さく設定され、且つ、被変調光Ｐの波長λよりも十分に小さく設定される。一例では、部分金属膜６ａの幅Ｗ１は４０～３６０ｎｍの範囲内であり、一例では２５０ｎｍである。また、隣り合う部分金属膜６ａ同士の間隔は４０～３６０ｎｍの範囲内であり、一例では１５０ｎｍである。また、部分金属膜６ａの幅Ｗ１と被変調光Ｐの波長λとの比（Ｗ１／λ）は０．０２～１の範囲内である。さらに、部分金属膜６ａの幅Ｗ１と画素１０の一辺の長さＬとの比（Ｗ１／Ｌ）は０．１～０．９の範囲内である。
上記のように、部分金属膜６ａの幅Ｗ１は、画素１０の長さＬよりも小さい。そして、部分金属膜６ａは、方向Ｄ１における画素１０の略中央部分に配置される。従って、図２及び図３の（ａ）に示されるように、積層構造体７は、各画素１０において一対の部分７１，７２を含む。一対の部分７１，７２は、方向Ｄ３から見て部分金属膜６ａを挟む一対の位置にそれぞれ設けられ、金属膜６から露出する。図２に示されるように、一対の部分７１，７２の並び方向（すなわち方向Ｄ１）は、被変調光Ｐの偏光方向Ｐ１と一致する。
金属膜５は、本実施形態における第２金属膜である。金属膜５は、積層構造体７の裏面７ｂ上に設けられている。一例では、金属膜５は裏面７ｂと接している。金属膜５は、積層構造体７に入力された被変調光Ｐを、主面７ａに向けて反射する。金属膜５は、例えば金（Ａｕ）といった金属からなる。金属膜５の膜厚は、例えば１００～２００ｎｍの範囲内であり、一例では１５０ｎｍである。金属膜５は、複数の部分金属膜５ａを含む。図３の（ｂ）は、金属膜５の平面形状を示す図である。複数の部分金属膜５ａは、方向Ｄ１を行方向とし、方向Ｄ２を列方向とするＭ行Ｎ列の二次元状に配列されており、互いに離間している。各部分金属膜５ａは、画素１０毎に設けられており、各画素１０内に位置する。一例では、各部分金属膜５ａの平面形状は矩形状（例えば正方形状）である。一例では、部分金属膜５ａの一辺の長さＷ２は４０～３６０ｎｍの範囲内である。さらに、部分金属膜５ａの一辺の長さＷ２と画素１０の一辺の長さＬとの比（Ｗ２／Ｌ）は０．１～０．９の範囲内である。
駆動回路２は、複数のトランジスタ２５を有する基板状の部材である。駆動回路２は、メタサーフェス１Ａの外部から金属膜５と金属膜６との間に印加される電圧を制御する。より詳細には、駆動回路２は、複数の部分金属膜６ａの電位を共通の基準電位（ＧＮＤ電位）とするとともに、複数の部分金属膜５ａの電圧を、トランジスタ２５を用いて個別に制御する。駆動回路２は、積層構造体７に対して裏面７ｂ側に位置する。各トランジスタ２５は、各画素１０に対応して設けられており、方向Ｄ３から見て各画素１０内に位置する。トランジスタ２５は、例えば誘電体からなる基板上に設けられた薄膜トランジスタである。各トランジスタ２５上には、絶縁膜を介して部分金属膜５ａが設けられている。
図４は、各画素１０における回路構成を示す図である。図４に示されるように、駆動回路２は、Ｍ本のゲート駆動配線２３と、Ｎ本の電圧供給配線２４とを更に有する。Ｍ本のゲート駆動配線２３は、行方向（すなわち方向Ｄ１）に沿ってそれぞれ延在しており、互いに列方向（すなわち方向Ｄ２）に並んでいる。Ｎ本の電圧供給配線２４は、列方向（すなわち方向Ｄ２）に沿ってそれぞれ延在しており、互いに行方向（すなわち方向Ｄ１）に並んでいる。第ｍ行（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）のゲート駆動配線２３は、第ｍ行に位置する画素１０毎に設けられたトランジスタ２５の制御端子（ゲート）と電気的に接続されている。第ｎ列（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）の電圧供給配線２４は、第ｎ列に位置する画素１０毎に設けられたトランジスタ２５の一方の電流端子（例えばソース）と電気的に接続されている。トランジスタ２５の他方の電流端子（例えばドレイン）は、画素１０内の配線を介して当該画素１０の部分金属膜５ａと電気的に接続されている。
また、本実施形態の駆動回路２は、画素１０毎に設けられた複数のキャパシタ２６を更に有する。キャパシタ２６は、本実施形態における電圧保持部の例であって、画素１０の部分金属膜５ａに印加される電圧を部分金属膜５ａ毎に保持する。なお、電圧保持部としては、キャパシタ以外にも電圧を保持可能な種々の構成を適用できる。キャパシタ２６は、例えば駆動回路２の内部に形成された平行平板キャパシタである。キャパシタ２６の一方の電極は部分金属膜５ａに接続され、他方の電極は定電位領域（例えば基準電位領域）に接続されている。なお、後述するように、部分金属膜５ａがキャパシタ２６の一方の電極を兼ねてもよい。
図５の（ａ）～（ｄ）は、第ｍ行第ｎ列の画素１０における駆動回路２の動作を説明するための図である。図５の（ａ）～（ｄ）において、有意の電圧値を有する部分を破線で示している。まず、図５の（ａ）に示される状態では、第ｍ行のゲート駆動配線２３、及び第ｎ列の電圧供給配線２４のいずれにも電圧は印加されておらず、トランジスタ２５は非導通状態となっている。次に、図５の（ｂ）に示されるように、第ｍ行のゲート駆動配線２３に所定のゲート電圧Ｖｇが印加されると、トランジスタ２５は導通状態となり、トランジスタ２５を介して第ｎ列の電圧供給配線２４と部分金属膜５ａとが相互に接続される。続いて、図５の（ｃ）に示されるように、第ｎ列の電圧供給配線２４に駆動電圧Ｖｄが印加される。駆動電圧Ｖｄの電圧値は、メタサーフェス１Ａに呈示される所望の位相変調パターンに基づいて、各画素１０毎に独立して設定される。これにより、駆動電圧Ｖｄがトランジスタ２５を介して部分金属膜５ａに印加されると同時に、該駆動電圧Ｖｄがキャパシタ２６によって保持される。その後、図５の（ｄ）に示されるように、第ｍ行のゲート駆動配線２３からゲート電圧Ｖｇが印加されなくなり、また、第ｎ列の電圧供給配線２４からの駆動電圧Ｖｄの供給が停止する。このとき、トランジスタ２５は再び非導通状態となるが、キャパシタ２６によって、部分金属膜５ａの電圧が駆動電圧Ｖｄに保持される。このような動作を全ての画素１０に対して逐次行い、駆動回路２が複数の部分金属膜５ａの駆動電圧Ｖｄを個別に制御することにより、所望の位相変調パターンがメタサーフェス１Ａに呈示され、被変調光Ｐの位相が画素１０毎に変調される。
図６は、各画素１０における駆動回路２の構造を示す平面図である。また、図７は、図６のVII－VII線に沿った断面図であって、各画素１０における駆動回路２の断面構造を示す。図６及び図７に示されるように、駆動回路２は、第１導電型（例えばｐ型）の半導体層２１と、半導体層２１上に設けられた絶縁層２７，２８とを有する。半導体層２１は、半導体基板そのものであってもよいし、異種基板上に形成された半導体膜（単結晶膜、多結晶膜、或いはアモルファス膜）であってもよい。半導体層２１の表面２１ｃ（すなわち半導体基板の主面、若しくは異種基板及び半導体膜からなる基板状部材の主面）には、トランジスタ２５が設けられている。半導体層２１が異種基板上に形成された半導体膜である場合、トランジスタ２５は薄膜トランジスタと呼ばれる。半導体層２１を構成する半導体基板、若しくは異種基板及び半導体層２１を構成する半導体膜は、表面２１ｃと積層構造体７の裏面７ｂ（図２を参照）とを互いに対向させつつ、積層構造体７と一体化している。
一例として、半導体層２１は、第１導電型（例えばｐ型）の不純物が添加されたＳｉによって主に構成される。半導体層２１内には、第２導電型（例えばｎ型）の半導体領域２１ａ，２１ｂが形成されている。半導体領域２１ａ，２１ｂは、第２導電型の不純物が添加されたＳｉによって主に構成される。半導体領域２１ａ，２１ｂは、互いに間隔をあけて配置され、半導体層２１の表面２１ｃにおいて露出している。半導体領域２１ａは、表面２１ｃ上に設けられたトランジスタ２５のソース電極２５ｂとオーミック接触を成す。半導体領域２１ｂは、表面２１ｃ上に設けられたトランジスタ２５のドレイン電極２５ｃとオーミック接触を成す。ソース電極２５ｂ及びドレイン電極２５ｃは、表面２１ｃ上において間隔をあけて並んで配置されている。
ソース電極２５ｂ，ドレイン電極２５ｃを除く表面２１ｃ上の領域は、絶縁層２７によって覆われている。なお、図６では、理解を容易にする為、絶縁層２７の必要な部分のみ図示している。絶縁層２７は、例えばＳｉＯ２といった絶縁性のシリコン化合物を主に含む。絶縁層２７上には、トランジスタ２５のゲート電極２５ａが設けられている。ゲート電極２５ａは、半導体層２１における半導体領域２１ａと半導体領域２１ｂとの間に位置する領域と、絶縁層２７を挟んで対向している。ゲート電極２５ａは、絶縁層２７上に設けられた絶縁層２８によって覆われている。図７に示されるように、絶縁層２８は、駆動回路２の全体を保護する保護膜である。絶縁層２８は、例えばＳｉＯ２を主に含む。絶縁層２８上には、当該画素１０の部分金属膜５ａが設けられている。
図６に示されるように、ソース電極２５ｂは、表面２１ｃ上に設けられた電圧供給配線２４に接続されている。ゲート電極２５ａは、絶縁層２７上に設けられた配線を介してゲート駆動配線２３に接続されている。また、図７に示されるように、ドレイン電極２５ｃは、絶縁層２７，２８を貫通する配線２５ｄを介して部分金属膜５ａに接続されている。
キャパシタ２６は、部分金属膜５ａの一部と、その直下の半導体層２１と、それらの間に介在する誘電体層２９とによって構成されている。なお、半導体層２１は定電位（例えば基準電位）に規定されている。この場合、部分金属膜５ａはキャパシタ２６の一方の電極を兼ね、半導体層２１はキャパシタ２６の他方の電極を兼ねる。誘電体層２９は、絶縁層２７，２８に形成された開口を埋め込むように設けられている。誘電体層２９の下面は半導体層２１に接しており、誘電体層２９の上面は部分金属膜５ａに接している。誘電体層２９は、例えばＳｉＯ２を主に含む。
図８の（ａ）～（ｄ）は、メタサーフェス１Ａの作製方法の一例における各工程を示す断面図である。なお、同図においては、一つの画素１０を代表して示しているが、他の画素１０も当該画素１０と並行して、同様の方法により作製される。まず、図８の（ａ）に示されるように、第１工程として駆動回路２を準備する。駆動回路２は、トランジスタを有する基板上に配線層を形成する周知の方法によって作製される。このとき、駆動回路２上の配線層に、複数の部分金属膜５ａを含む金属膜５を形成しておく。次に、図８の（ｂ）に示されるように、金属膜５上に透明導電層３を例えばスパッタ法といった物理蒸着法を用いて形成する。具体的には、透明導電層３の材料からなるターゲットを真空チャンバ内に設置し、高電圧によりイオン化された不活性ガスをターゲットに衝突させ、透明導電層３の材料を飛散させて成膜する。透明導電層３がＩＴＯからなる場合、誘電体層４の材料は例えばＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，及びＨｆＯ２のうち少なくとも一つである。続いて、図８の（ｃ）に示されるように、透明導電層３上に誘電体層４を例えば原子層堆積（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ）法を用いて形成する。具体的には、誘電体層４を構成する元素毎に、成膜装置内への原料ガスの投入及びパージを行い、例えば数オングストロームの厚さの成膜を繰り返し行う。誘電体層４がＳｉＯ2からなる場合、ＡＬＤの材料は例えばＴＤＭＡＳ及び酸素プラズマである。続いて、図８の（ｄ）に示されるように、複数の部分金属膜６ａを含む金属膜６を、例えばリフトオフ法を用いて誘電体層４上に形成する。具体的には、まず、誘電体層４の上にレジストを塗布し、複数の部分金属膜６ａに対応する複数の開口を形成する。次に、レジストの複数の開口を含む誘電体層４の全面に金属膜（例えばＡｕ膜）を蒸着する。そして、レジストを除去することにより、レジスト上に堆積した金属膜を除去する。以上の工程を経て、本実施形態のメタサーフェス１Ａが作製される。
以上に説明した本実施形態のメタサーフェス１Ａによって得られる効果について説明する。メタサーフェス１Ａは、光反射膜としての金属膜５と、透明導電層３及び誘電体層４を含む積層構造体７と、有限の幅Ｗ１を有する複数の部分金属膜６ａからなる金属膜６とがこの順に積層されたＭＩＭ構造を備える。この場合、図２及び図３に示されたように、積層構造体７は一対の部分７１，７２を含む。一対の部分７１，７２は、積層方向（方向Ｄ３）から見て部分金属膜６ａを挟む一対の位置にそれぞれ設けられ、金属膜６から露出する。メタサーフェス１Ａの外部から積層構造体７の一方の部分７１（または７２）に入力された被変調光Ｐは、金属膜５において反射し、積層構造体７の他方の部分７２（または７１）からメタサーフェス１Ａの外部へ出力される。このとき、部分金属膜６ａと金属膜５との間に駆動電圧Ｖｄが印加されると、ギャップ・サーフェス・プラズモン・モードと呼ばれる互いに逆向きの誘導電流が部分金属膜６ａ及び金属膜５の双方に生じ、積層構造体７内に強い磁気共鳴（プラズモン共鳴）が生じる。この磁気共鳴によって、部分金属膜６ａと金属膜５との間を通過する被変調光Ｐの位相が変調される。
ここで、以下の数式（１）は、磁気共鳴による被変調光Ｐの位相変調量φ、部分金属膜６ａの幅ｗ（＝Ｗ１）、被変調光Ｐの波長λ、および積層構造体７の実効屈折率Ｎｇｓｐの関係を表す。なお、ｍは整数である。
Figure 0007144188000001
数式（１）から明らかなように、位相変調量φは、積層構造体７の実効屈折率Ｎｇｓｐに依存する。そして、部分金属膜６ａと金属膜５との間に印加される駆動電圧Ｖｄを変化させることによって、実効屈折率Ｎｇｓｐを制御することができる。その理由は次の通りである。部分金属膜６ａと金属膜５との間に駆動電圧Ｖｄが印加されると、図９に示されるように、部分金属膜６ａと金属膜５との間の電界によって透明導電層３の誘電体層４との界面付近の電子密度が高まる。その結果、透明導電層３の該界面付近の部分が、金属化した層３ａに変化する。この層３ａは被変調光Ｐと反応するので、積層構造体７の実効屈折率Ｎｇｓｐが変化する。
更に、本実施形態のメタサーフェス１Ａでは、画素１０毎に設けられ互いに分離された複数の部分金属膜５ａを金属膜５が含んでおり、駆動回路２は、複数の部分金属膜５ａの駆動電圧Ｖｄを個別に制御する。これにより、図９に示されるように、透明導電層３における金属化層３ａの厚さを各画素１０毎に独立して制御できるので、画素１０毎に独立した位相変調が可能になる。すなわち、本実施形態のメタサーフェス１Ａによれば、二次元状に配列された複数の画素１０毎に位相を変調することができる。
図１０の（ａ）は、メタサーフェス１Ａの使用例として、出力光の出射角を可変にするビームステアリングを概念的に示す図である。この例では、方向Ｄ１（またはＤ２）に沿って位相変調量φを画素１０毎に一定量ずつ変化させることにより、出力光の波面Ｐａをメタサーフェス１Ａの表面に対して傾斜させる。このとき、波面Ｐａの法線と、メタサーフェス１Ａの表面の法線との成す角θ（すなわち出力光の出射角）は、画素１０毎の位相変調量φの変化量に応じて定まる。該変化量が大きいほど出力光の出射角θは大きくなり、該変化量が小さいほど出力光の出射角θは小さくなる。従って、画素１０毎の位相変調量φの変化量を制御することによって、出力光の出射角θを任意の角度に設定することができる。
図１０の（ｂ）は、ビームステアリングのための構造を有する回折光学素子（ＤＯＥ）１００の光反射面１０１の形状を示す断面図である。回折光学素子１００では、光反射面１０１に周期的な凹凸を設け、凸部に斜面１０２を形成することによって出力光（反射光）の出射角を制御する。しかしながらこのような構成では、光反射面１０１の凹凸構造が、例えば２００μｍといった厚さｔ２を有することとなる。これに対し、本実施形態のメタサーフェス１Ａは例えば５０ｎｍといった厚さｔ１を有し、回折光学素子１００と比較して極めて薄く構成することができる。従って、メタサーフェス１Ａを備える装置の小型化に寄与できる。
本実施形態のように、駆動回路２は、部分金属膜５ａ毎に電圧を保持する複数の電圧保持部（キャパシタ２６）を有してもよい。これにより、各部分金属膜５ａに対して逐次的に電圧を設定できるので、駆動回路２の構成を簡略化することができる。この場合、複数の電圧保持部は、金属膜５を一方の電極とするキャパシタ２６であってもよい。これにより、電圧保持部を簡易な構成により実現することができる。
本実施形態のように、一対の部分７１，７２の並び方向（換言すると、部分金属膜６ａの幅方向）は、被変調光Ｐの偏光方向Ｐ１と一致してもよい。これにより、表面プラズモンが好適に励起され、出力光の位相を効果的に制御することができる。
本実施形態のように、誘電体層４は透明導電層３に対して主面７ａ側に位置してもよい。これにより、上側に設けられている金属構造の形状を反映した蓄積層が形成されるため、電子濃度が高くなることが期待できる。
本実施形態のように、駆動回路２は、画素１０毎に設けられた複数のトランジスタ２５を含み、メタサーフェス１Ａは、複数のトランジスタ２５を主面に有する基板を備えており、該基板は、その主面と裏面７ｂとを互いに対向させつつ積層構造体７と一体化してもよい。これにより、駆動回路が組み込まれた小型の反射型動的メタサーフェスを提供できる。
本実施形態のように、駆動回路２は金属膜６を基準電位とし、金属膜６は、一対の部分７１，７２の並び方向と交差する方向に並ぶ二以上の画素１０にわたって延在してもよい。これにより、金属膜６に基準電位を提供するための配線が被変調光Ｐ及び出力光の進路を妨げることを抑制しつつ、金属膜６に基準電位を容易に提供することができる。従って、簡易な構造によってメタサーフェス１Ａの出力効率の低下を抑制できる。
本実施形態のように、誘電体層４は、酸化アルミニウム、酸化シリコン、及びフッ化マグネシウムのうち少なくとも一つを含んでもよい。これにより、上述した誘電体層４を好適に実現することができる。
本実施形態のように、透明導電層３は、ドーパントにより低抵抗化された、酸化インジウム及び酸化亜鉛のうち少なくとも一方を含んでもよい。これにより、上述した透明導電層３の作用を好適に奏することができる。
（第１変形例）
図１１は、上記実施形態の第１変形例に係るメタサーフェス１Ｂを示す平面図である。メタサーフェス１Ｂの主面１ａには、上記実施形態の複数の画素１０に代えて、複数（Ｎ個）の画素２０が形成されている。複数の画素２０は、方向Ｄ１に沿って一次元状に並んで配列されている。各画素２０の平面形状は矩形状（例えば並び方向と交差する方向Ｄ２を長手方向とする長方形状）である。方向Ｄ１における各画素２０の幅Ｌは、上記実施形態の画素１０の一辺の長さＬと同様である。なお、メタサーフェス１ＢのII－II断面の構造は、上記実施形態と同様（図２を参照）である。
図１２の（ａ）は、金属膜６の平面形状を示す図である。金属膜６は、積層構造体７の主面７ａ上に設けられており、上記実施形態と同様に複数の部分金属膜６ａを含む。複数の部分金属膜６ａは、方向Ｄ１に並んでおり、互いに離間している。各部分金属膜６ａの平面形状は矩形状（例えば方向Ｄ２を長手方向とする長方形状）である。但し、本実施形態では画素２０もまた方向Ｄ２を長手方向とする長方形状であるため、各部分金属膜６ａは各画素２０毎に設けられ、各画素２０内に位置する。方向Ｄ１における部分金属膜６ａの幅Ｗ１は上記実施形態と同様である。本変形例においても、部分金属膜６ａの幅Ｗ１は、画素１０の長さＬよりも小さい。そして、部分金属膜６ａは、方向Ｄ１における画素２０の略中央部分に配置される。従って、積層構造体７は、各画素２０において一対の部分７１，７２を含む。
図１２の（ｂ）は、金属膜５Ａの平面形状を示す図である。メタサーフェス１Ｂは、上記実施形態の金属膜５に代えて、金属膜５Ａを備える。金属膜５Ａは、本変形例における第２金属膜である。金属膜５Ａの構成は、次の点を除いて、上記実施形態の金属膜５と同様である。すなわち、本変形例の金属膜５Ａは、複数の部分金属膜５ｂを含む。複数の部分金属膜５ｂは、方向Ｄ１に並んでおり、互いに離間している。各部分金属膜５ｂの平面形状は矩形状（例えば方向Ｄ２を長手方向とする長方形状）である。各部分金属膜５ｂは、画素２０毎に設けられており、各画素２０内に位置する。なお、方向Ｄ１（短手方向）における各部分金属膜５ｂの幅Ｗ３は、上記実施形態の部分金属膜５ａの一辺の長さＷ２と同様である。
図１３は、駆動回路２Ａの構成を示す図である。メタサーフェス１Ｂは、上記実施形態の駆動回路２に代えて、駆動回路２Ａを備える。本変形例の駆動回路２Ａは、１本のゲート駆動配線２３と、Ｎ本の電圧供給配線２４とを有する。ゲート駆動配線２３は、画素２０の並び方向（方向Ｄ１）に沿って延在している。Ｎ本の電圧供給配線２４は、画素２０の並び方向と交差する方向（方向Ｄ２）に沿ってそれぞれ延在しており、方向Ｄ１に並んでいる。ゲート駆動配線２３は、画素２０毎に設けられたトランジスタ２５の制御端子（ゲート）と電気的に接続されている。第ｎ列（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）の電圧供給配線２４は、第ｎ列に位置する画素２０に設けられたトランジスタ２５の一方の電流端子（例えばソース）と電気的に接続されている。トランジスタ２５の他方の電流端子（例えばドレイン）は、画素２０内の配線を介して当該画素２０の部分金属膜５ｂと電気的に接続されている。
また、駆動回路２Ａは、画素２０毎に設けられた複数のキャパシタ２６を更に有する。キャパシタ２６は、本変形例における電圧保持部の例であって、画素２０の部分金属膜５ｂに印加される電圧を部分金属膜５ｂ毎に保持する。なお、キャパシタ２６の具体的な構成は、上記形態と同様である。
本変形例のように、複数の画素は一次元状に配列されてもよい。このような場合であっても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
（第２変形例）
図１４は、上記実施形態の第２変形例に係るメタサーフェス１Ｃの断面構造を示す図である。本変形例では、互いに隣接する画素１０（若しくは２０）の積層構造体７の間に空隙８が設けられており、各画素１０（若しくは２０）の積層構造体７が空間的に互いに分離されている。この空隙８は、互いに隣接する画素１０（若しくは２０）の透明導電層３同士を電気的に分離するために設けられる。これにより、或る画素１０（若しくは２０）の部分金属膜５ａ（５ｂ）と金属膜６との間に駆動電圧Ｖｄが印加された際に、隣接する画素１０（若しくは２０）の透明導電層３に電子が漏れることを防ぐことができる。従って、互いに隣接する画素１０（若しくは２０）間のクロストークを低減することができる。なお、空隙８を形成する際には、空隙８に対応する開口を有するマスクを積層構造体７上に形成し、該マスクを介して積層構造体７をエッチングするとよい。
図１５は、更に別の変形例に係るメタサーフェス１Ｄの断面構造を示す図である。この例においては、上述した空隙８に代えて、互いに隣接する画素１０（若しくは２０）の積層構造体７の間に絶縁部９が設けられている。絶縁部９は、例えばＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４といった絶縁性材料を主に含む。このような構成であっても、互いに隣接する画素１０（若しくは２０）間のクロストークを効果的に低減することができる。なお、絶縁部９は、上述した空隙８を積層構造体７に形成した後、該空隙８を絶縁性材料によって埋め込むことにより好適に形成される。
（第２実施形態）
図１６は、本発明の第２実施形態に係る発光装置３０の構成を示す断面図である。本実施形態の発光装置３０は、第１実施形態のメタサーフェス１Ａと、導光層３１と、面発光素子３２とを備える。面発光素子３２は、例えば垂直共振器面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER：ＶＣＳＥＬ）やフォトニック結晶面発光レーザ（PhotonicCrystal Surface Emitting LASER：ＰＣＳＥＬ）といった面発光型の半導体発光素子である。面発光素子３２は、光を出力する発光面３２ａを有し、発光面３２ａと積層構造体７の主面７ａとが対向するように、メタサーフェス１Ａ上に配置されている。
導光層３１は、メタサーフェス１Ａと面発光素子３２との間に設けられ、メタサーフェス１Ａと面発光素子３２との間の光損失を低減する。導光層３１は、メタサーフェス１Ａ側の面３１ａと、面発光素子３２側の面３１ｂとを有する。面３１ａは積層構造体７の主面７ａに接しており、面３１ｂは面発光素子３２の発光面３２ａに接している。主面７ａ上に設けられた金属膜６の複数の部分金属膜６ａは、導光層３１に埋め込まれている。導光層３１の屈折率は、積層構造体７の主面７ａを構成する層（本実施形態では誘電体層４）の屈折率と同じか、それよりも小さい。これにより、発光面３２ａから出力された光Ｐは、導光層３１から積層構造体７へ低い損失にて入力される。導光層３１は、例えば誘電体によって構成される。誘電体層４がＡｌ２Ｏ３を主に含む場合、導光層３１は例えばＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、及びＣａＦ２のうち少なくとも一つを主に含む。また、誘電体層４がＳｉＯ２を主に含む場合、導光層３１は例えばＳｉＯ２、ＭｇＦ２、及びＣａＦ２のうち少なくとも一つを主に含む。また、誘電体層４がＭｇＦ２を主に含む場合、導光層３１は例えばＭｇＦ２及びＣａＦ２のうち少なくとも一つを主に含む。
本実施形態において、面発光素子３２の発光面３２ａから光Ｐが出力されると、光Ｐは導光層３１を通過して積層構造体７の主面７ａに入力する。そして、第１実施形態において説明した作用にて、メタサーフェス１Ａが光Ｐの位相を画素毎に変調する。変調後の光Ｐは、再び導光層３１を通過して面発光素子３２に戻り、面発光素子３２の発光面３２ａとは反対側の面から発光装置３０の外部へ向けて出力される。
本実施形態の発光装置３０によれば、第１実施形態のメタサーフェス１Ａを備えることによって、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。加えて、メタサーフェス１Ａと面発光素子３２とが一体に構成されているので、これらを別体として構成する場合と比較して、レンズ等の光学系を省略することができる。従って、発光装置の構成を簡易化することができ、また光学系を調整する作業を省くことができる。
本発明による反射型動的メタサーフェスは、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態及び各変形例では、駆動回路と、積層構造体並びに第１金属膜及び第２金属膜とが一体化した構成について説明したが、本発明において、駆動回路と、積層構造体並びに第１金属膜及び第２金属膜とは互いに別体として構成されてもよい。また、上記実施形態及び各変形例では、被変調光が入力される面とは反対側の面に設けられる第２金属膜が、画素毎に設けられ互いに分離された複数の部分金属膜を有している形態について説明したが、被変調光が入力される面に設けられる第１金属膜が、画素毎に設けられ互いに分離された複数の部分金属膜を有してもよい。或いは、第１金属膜及び第２金属膜の双方が、画素毎に設けられ互いに分離された複数の部分金属膜を有してもよい。いずれの構成であっても、上記実施形態及び各変形例と同様の効果を奏することができる。
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…メタサーフェス、１ａ…主面、２，２Ａ…駆動回路、３…透明導電層、３ａ…金属化層、４…誘電体層、５，５Ａ，６…金属膜、５ａ，５ｂ，６ａ…部分金属膜、７…積層構造体、７ａ…主面、７ｂ…裏面、８…空隙、９…絶縁部、１０，２０…画素、２１…半導体層、２１ａ，２１ｂ…半導体領域、２１ｃ…表面、２３…ゲート駆動配線、２４…電圧供給配線、２５…トランジスタ、２５ａ…ゲート電極、２５ｂ…ソース電極、２５ｃ…ドレイン電極、２５ｄ…配線、２６…キャパシタ、２７，２８…絶縁層、２９…誘電体層、３０…発光装置、３１…導光層、３２…面発光素子、３２ａ…発光面、７１，７２…部分、Ｐ…被変調光、Ｐ１…偏光方向、Ｐａ…波面、Ｖｄ…駆動電圧、Ｖｇ…ゲート電圧、θ…出射角。

Claims (8)

  1. 透明導電層及び誘電体層を有し、一方の面に光が入力される積層構造体と、
    前記積層構造体の前記一方の面に設けられた第１金属膜と、
    前記一方の面と対向する前記積層構造体の他方の面に設けられ、前記積層構造体に入力された前記光を前記一方の面に向けて反射する第２金属膜と、
    前記第１金属膜と前記第２金属膜との間に印加される電圧を制御する駆動回路と、
    を備え、
    一次元状又は二次元状に配列された複数の画素それぞれにおいて、前記積層構造体は、積層方向から見て前記第１金属膜を挟む一対の位置にそれぞれ設けられ前記第１金属膜から露出する一対の部分を含み、
    前記第２金属膜は、前記画素毎に設けられ互いに分離された複数の部分金属膜を含み、
    前記駆動回路が、前記第２金属膜の前記複数の部分金属膜の電圧を個別に制御することにより、光の位相を前記画素毎に変調し、
    前記駆動回路は、前記第２金属膜を一方の電極としており前記部分金属膜毎に電圧を保持する複数のキャパシタを有し、
    前記第２金属膜は、前記積層構造体の前記積層方向において前記複数のキャパシタの他方の電極と前記第１金属膜との間に位置する、反射型動的メタサーフェス。
  2. 前記積層構造体は、互いに隣接する前記画素の前記透明導電層同士を電気的に分離する空隙若しくは絶縁部を更に有する、請求項１に記載の反射型動的メタサーフェス。
  3. 前記一対の部分の並び方向が前記光の偏光方向と一致する、請求項１または２に記載の反射型動的メタサーフェス。
  4. 前記誘電体層は前記透明導電層に対して前記一方の面側に位置する、請求項１～３のいずれか１項に記載の反射型動的メタサーフェス。
  5. 前記駆動回路は、前記画素毎に設けられた複数のトランジスタを含み、
    当該反射型動的メタサーフェスは、前記複数のトランジスタを主面に有する基板を更に備えており、
    前記基板は、前記主面と前記他方の面とを互いに対向させつつ前記積層構造体と一体化している、請求項１～４のいずれか１項に記載の反射型動的メタサーフェス。
  6. 前記駆動回路は前記第１金属膜を基準電位とし、
    前記第１金属膜は、前記一対の部分の並び方向と交差する方向に並ぶ二以上の前記画素にわたって延在している、請求項１～５のいずれか１項に記載の反射型動的メタサーフェス。
  7. 前記誘電体層は、酸化アルミニウム、酸化シリコン、及びフッ化マグネシウムのうち少なくとも一つを含む、請求項１～６のいずれか１項に記載の反射型動的メタサーフェス。
  8. 前記透明導電層は、ドーパントにより低抵抗化された、酸化インジウム及び酸化亜鉛のうち少なくとも一方を含む、請求項１～７のいずれか１項に記載の反射型動的メタサーフェス。
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