JP7268880B2 - 透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Description
プラズモニックカラーフィルタは構造により様々なフィルタを製作できること、フィルタ厚を数十ナノメートルオーダーで実現できることなど従来の色素の吸収を用いたフィルタにはない様々な利点をもつ。また近年ではナノ構造をモールドに形成し、ウェハ上の樹脂に押し当てパターンを形成するナノインプリント技術が提案され、生産性の面でも向上が期待できる。
[1] 半導体からなる基板に複数のダイオードが搭載されている光ディテクタアレイ上に、透明スペーサ層、導波層、所望により設ける透明バッファ層、表面プラズモンが発現する厚みを有する透過型金属格子層、及び所望により設ける透明保護膜層を、この順に有することを特徴とする透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス(透過型GMRG一体型分光デバイス)。
[2] 前記導波層の屈折率が、該導波層を挟む前記透明スペーサ層及び前記透明バッファ層の屈折率より大きい前項1に記載の透過型GMRG一体型分光デバイス。
[3] 前記導波層の材料が、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化チタン(TiO2)、窒化シリコン(Si 3 N 4 及びSiN)、酸窒化シリコン(SiON)、炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、及び高屈折率のポリマーから選択される前項1または2に記載の透過型GMRG一体型分光デバイス。
[4] 前記基板の材料が、シリコン(Si)、Ge、InGaAs、GaN、GaAs、AlGaAs、GaAsP、GaP、CIS(銅、インジウム、セレンからなる化合物半導体)、及びCIGS(銅、インジウム、ガリウム及びセレンからなる化合物半導体)から選択される請求項1~3のいずれかに記載の透過型GMRG一体型分光デバイス。
[5] 前記基板がシリコン基板であり、前記透明スペーサ層がSiO2層であり、前記導波層が酸化ハフニウム(HfO2)層であり、前記透明バッファ層がSiO2層である前項1~4のいずれかに記載の透過型GMRG一体型分光デバイス。
[6] 前記透過型金属格子層の金属が、金、銀、アルミニウム、及び銅から選択される前項1~5のいずれかに記載の透過型GMRG一体型分光デバイス。
[7] 前記透過型金属格子層の金属がアルミニウム(Al)であり、格子構造周期Λが100~560nmであり、Λに対するAlドット一辺の長さαの比で表されるフィルファクター(FF)の値が0.4~0.95である前項1~6のいずれかに記載の透過型GMRG一体型分光デバイス。
[8] 透明バッファ層がSiO2層であり、その厚み(tb)が0~300nmである前項1~7のいずれかに記載の透過型GMRG一体型分光デバイス。
[9] 前項1~8のいずれかに記載の透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス(透過型GMRG一体型分光デバイス)を搭載した製品。
[10] 前項1~8のいずれかに記載の透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス(透過型GMRG一体型分光デバイス)の製造方法であって、前記光ディテクタアレイを製作し引き続いて、前記基板上に前記透明スペーサ層、前記導波層、所望により前記透明バッファ層、前記透過型金属格子層、及び所望により前記透明保護膜層をこの順に積層することを特徴とする製造方法。
[11] 前項1~8のいずれかに記載の透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス(透過型GMRG一体型分光デバイス)の製造方法であって、前記光ディテクタアレイを製作し、別途、前記透明スペーサ層となる透明基板上に前記導波層、所望により前記透明バッファ層、前記透過型金属格子層、及び所望により前記透明保護膜層をこの順に積層してなる透過型導波モード共鳴格子構造体を製作し、前記光ディテクタアレイと前記透過型導波モード共鳴格子構造体の透明スペーサ層とを接合することを特徴とする製造方法。
[12] 前記透過型金属格子層(GMRG)の格子パターンまたはそのマスクをナノインプリント 、ステッパーまたは電子線描画を用いて形成する工程を含む前項10または11に記載の透過型GMRG一体型分光デバイスの製造方法。
[13] 透明基板、導波層、所望により設ける透明バッファ層、表面プラズモンが発現する厚みを有する透過型金属格子層、及び所望により設ける透明保護膜を、この順に有することを特徴とする透過型導波モード共鳴格子構造(透過型GMRG構造)。
本発明による分光器は、従来と比べて格段に小型で、かつ半導体微細加工技術により安価に大量生産できることから、スマートフォン内蔵、ウェアラブルデバイスへの組み込み、ロボット内蔵などが可能となり、様々なものが手軽に分光でき、例えば血管を測定することによる非侵襲健康モニタリング、皮膚を測定することによるスキンケアや化粧の分析、食べ物の鮮度チェック、水質管理、薬物分析、糖尿病検査、カラー印刷物や衣服の色分析・管理、ディスプレイやLEDの色分析・管理、食品の安全・品質検査、エアロゾルやガスなどの大気分析など様々な分野への応用が可能な製品が期待できる。
[GMRG一体型デバイスの光学設計]
(1)構造周期の設計
本発明の一実施態様の構造の概略断面図を図1に示す。図中1はフォトディテクターアレイ(シリコンウエハー)、2は厚さtwのHfO2導波層、3は構造周期Λ、Alのドット部の一辺の長さα、厚さtのフォトフィルタ層、4は厚さt3のSiO2スペーサ層、5は所望により設けるバッファ層(厚さtb)、6は厚さt2の透明保護膜(SiO2保護膜)である。透明保護膜で金属格子層を覆うことにより、他の光学フィルタを積層した場合にも光学特性が影響を受けず接触などによる損傷も防がれる。
厚みtが1nm未満であると金属格子層の所望の均一性を維持した製作が困難になる恐れがあり、その結果表面プラズモン効果の低下となってしまう恐れがある。厚みtが500nmを超える場合には、材料費や製作コスト高となり、また厚み方向の表面プラズモンモードが発生しマルチピークのスペクトルになり、光学特性の劣化を招く恐れが生じる。実施態様例中厚みtは30nmに設定されている。
フォトディテクタとその上部に形成されるプラズモニックカラーフィルタは、フォトディテクターアレイの受光領域を覆っていればよく、フォトディテクタの受光領域と同じ大きさ、または更に大きな形状で形成するのがよい。本発明では、各カラーフィルタは、例えば150μm角、フォトダイオードの受光面積は100μm角で用いられる。
各カラーフィルタの形状は、正方形の他に、長方形、丸形、楕円形であってよい。寸法は適時設計される。
フォトディテクターアレイ(シリコンウエハー)上に形成される透明SiO2層の厚みt3は、通常50nm以上の範囲が用いられ、好ましくは100~1000nmの範囲が良く、更に好ましくは100~500nm、更に望ましくは100~300nmの範囲で設定される。厚みt3が50nm未満であると、導波層2から浸み出すエバネッセント波を介して光ディテクタを構成する材質に光が漏れ、光学特性の劣化を招いてしまう恐れがある。
本構造において、フィルファクタ(FF=α/Λ)、各層の厚さの値を制御することでフィルタ特性を議論することができる。なお、フォトダイオードと一体化するにあたりスペーサの厚さt3を適切に設定する。
FF(a/Λ)による透過ピークの挙動について、FF=0.6~0.9へと変化させたとき、その透過ピークがどのように変化するのかを計算した。設計値として、Λ=350nm、t=30nm、t2=50nm、t3=150nm、tb=0nmとした。計算結果を図4に示す。FF=0.6~0.9の範囲で透過ピークを持つことがわかる。また、透過ピーク以外の透過がFFを大きくしていくことで低減できることがわかるが、同時に透過ピークも小さくなっていくので適切な値を選定する必要がある。FF=0.75~0.85で透過ピークと透過ピーク以外の透過の比が最大となる。設計値としてFF=0.8を用いることとした。
バッファ層の厚さ(tb)により透過型GMRGはその透過ピークを制御できることが知られており、バッファ層の厚さ変化に対する0次光、1次光それぞれの透過光の割合を図5、図6に示す。tb=0nmのとき、強い0次光の透過ピークが現われ、tbを大きくしていくことにより透過ピークの幅が狭くなる様子がわかる。本発明では、バッファ層の厚さ(tb)は、0~300nmの範囲に設定され、好ましくは0~200nmの範囲、更に好ましくは0~100nmの範囲に設定するのがよい。例えば、tb=0~100nmでは、透過ピークが現われ、フィルタとして機能することがわかる。しかし、tb=100nmでは20%程度まで透過が落ち込んでしまうことがある。また、1次光に注目すると、tbを大きくしていくことにより透過が増えていく様子がわかる。これらの結果から、バッファ層の厚さを適切に0~100nmとすることにより、より急峻な透過ピークが得られることがわかる。
(1)石英基板上のGMRGの透過特性
実際にGMRG一体型デバイスを製作する前に石英基板上にGMRGを製作することで、フィルタの透過特性の測定が可能である。これにより計算値と実測値との比較から、設計の有意性を示すことができる。図7に計算モデルを示す。電場がx軸方向の光を垂直入射し、m次の回折光を含めた全透過を計算する。計算で考慮したフーリエ級数展開の次数はx軸方向に対して-6~6次、y軸方向に対して-6~6次とし、波長間隔は1nmとした。設計値としてFF=0.75、t=30nm、t2=50nm、tb=0nmとし、Λを250~450nmの範囲で変化させる。計算結果を図8に示す。構造周期に対応して透過ピークがシフトする様子がわかる。この透過ピーク位置を構造周期に対してプロットしたものを図9に示す。これより構造周期に比例して、その透過ピーク位置がシフトすることを確認できる。
石英基板上にGMRGを製作する。製作工程を図12に示す。また以下に詳細な条件を示す。
(a)厚さ500μmの石英基板を用いる。ピラニア(Piranha)洗浄により金属や有機物の汚れの除去を行う。
(b)~(c)電子線蒸着によりHfO2を100nm、スパッタによりAlを30nm成膜する。
(d)~(e)電子線描画によりナノドットアレイ構造をパターニングし、高速原子線(Fast Atom Beam:FAB)によりAlのエッチングを行う。条件はAlフィルタ製作時と同じ条件とする。
(f)スパッタを用いて、50nmの厚さのSiO2保護膜のスパッタリングを行う。
図13に製作したGMRGの透過顕微鏡像とSEM像を示す。構造は精度よく製作され、構造周期に対応して透過光が変化していく様子を観察することができる。また分光器を用いて可視光域における透過率の測定を行った。条件として基板側から、ランダムな偏光の白色光をフィルタに垂直に入射したときの特性を測定した。また、リファレンスはガラスステージとした。結果を図14に示す。また、透過ピーク位置の計算値との比較を図15に示す。透過特性から、構造周期に対応し透過ピークが制御できる特性を確認することができた。また、そのピーク位置の計算値とのずれは50nm以下であり、精度よく製作することができた。しかし、透過率は計算値よりも20%程度低く、計算モデルと実際のモデルの間で屈折率などの誤差があると考えられる。また、Alフィルタの透過特性と比べると、透過ピーク以外の透過が小さく抑えられ、強い0次光の透過として観測されていることが確認された。これにより導波路層を設けることで、Alフィルタとは異なる導波モード共鳴を利用した共鳴透過が得られること、また偏光方向はランダムであるにもかかわらず、その結果は計算値と精度よく一致し分光精度の高さが確認された。
FFによる透過特性の変化が実測値としてどのように現われるのかを調べるために、FF=0.6、0.7、0.8のときのGMRGを製作した。その透過特性の比較を図16に示す。また参考としてRCWA法による計算値を図17に示す。FFを大きくしていくことで、透過ピークがよりはっきりする設計どおりの結果を確認することができた。
(1)石英基板上にGMRGを製作し、設計通りのフィルタ特性を確認することができた。これにより設計の有意性を実証することができたため、実際にフォトダイオードアレイ上に製作することで分光デバイスの製作を行った。
(a)n-Si基板(ウェハ)を用いRCA洗浄及びフッ化水素酸によりウェハの洗浄する(ウェハ:N-214、厚さ:400±25μm、抵抗率:1~5ohm・cm、結晶軸:<100>、ドーパント:P)
(b)FAB(高速原子線)でSiをエッチングしアライメントマークを形成する。
(c)TEOS(Si(OC2H5)4)CVD(chemical vapor deposition)によるSiO2保護膜を5nm成膜する。
(d)電極のコンタクトのためにn+領域(990μm×990μm)を形成する。以下の条件でPをイオン注入する(東北大学マイクロシステム融合研究開発センターのイオン注入装置(日新イオン機器NH-20SR)を利用;イオン源:P、ドーズ量:2×1015ion/cm2、加速電圧:50kV、注入角度:7°)
(e)p-Siを形成するためにBのイオン注入を行う(中電流型イオン注入装置(ULVAC製、東北大学マイクロナノマシニング研究教育センターにて測定;イオン源:B+、ドーズ量:2×1014ion/cm2、加速電圧:100kV、注入角度:7°)
(f)アニールにより、結晶の回復を行う(東北大学マイクロシステム融合研究開発センターのRTA装置(Ag Associates AG4100)を利用;雰囲気置換:N2、温度:1000℃、時間:30sec)
(i)バッファ層を設ける場合は、SiO2を50nm成膜する。
(j)コンタクトホール部分のSiO2、HfO2のエッチングを行う。コンタクトホールの寸法はn+-Si部分が990μm×990μm、p-Si部分が20μm×20μmである。FABでHfO2をエッチングし、スペーサ部分のSiO2はBHF(Buffered Hydrogen Fluoride)によりウェットエッチングする。
(k)電極及び配線となるAl-Si(1%)をスパッタにより400nm成膜し、ウェットエッチングによりパターニングする。
(l)スパッタによりAlを30nm成膜し、電子線描画(Electron beam(EB)lithography)によりナノドットアレイ構造の溝をパターニングし、FABによりエッチングする(条件は、石英基板上への製作と同じ。)
(m)~(n)SiO2保護膜をスパッタにより50nm成膜し(m)、電極パッド部分のSiO2をエッチングする(n)。
製作したデバイスのアレイ部分(5×5)の写真を図19に示す。製作したフィルタはFF(=α/Λ)=0.8、構造周期220~460nm(10nm刻み)の25パターンである。フィルタは図中の(a)~(y)に対応している。また、FFの比較のために、FF=0.75、0.85のときのフィルタも製作した。図20にそれぞれのアレイ部分(3×3)の写真を示す。構造周期は250~425nm(25nm刻み)の8パターンである。フィルタは図中の(1)~(8)、(1’)~(8’)に対応している。またそれぞれ1パターンはフィルタのない部分((9)、(9’))となっている。またそれぞれフィルタのSEM像を図21、図22、図23に示す。精度よく構造が製作され、構造周期により異なる反射光が得られていることがわかる。
半導体パラメータアナライザを用いて、製作したフォトダイオードのIV特性を測定した。なお、フィルタ成膜前のIV特性を測定した。測定した代表的なIV特性を図24示す。すべてのパターンにおいて、光が入射することにより、ダイオード特性がマイナス方向へシフトする光電流を観測することができた。0V付近で電流が流れにくくなっていることが確認できるが、逆バイアスの電流値を測定することで分光感度特性を測定することが可能である。
光研工業(株)のモノクロメータ(SG-100)を用いて、デバイスに400~700nmの波長の光を10nmおきに入射し、各波長でのIV特性を半導体パラメータアナライザにより記録する。逆バイアス-4Vをかけたときの電流値を用いたときの分光感度特性を図25に示す。透過ピークが構造周期により、制御される様子を確認できる。
FFの制御は透過ピークの割合と透過ピーク以外での透過光とトレードオフの関係となっており、適切に設定する必要がある。先に、FF=0.75~0.85で透過ピークと透過ピーク以外の透過光の比が最大となる最適値であると述べた。これらの値の比較を行うため、FF=0.75、0.85のフォトダイオードアレイの波長感度特性を測定した。図28、図29にそれぞれFF=0.75、0.85の波長感度特性を示す。また、Λ=350nmにおけるFFによる波長感度特性の比較の様子を図30に示す。これらを比較すると波長域全体にわたり感度はFF=0.75の方が高いが、透過ピークの帯域幅はFF=0.85の方が狭帯域となることがわかる。この結果は計算結果と同様であり、設計の有意性が示された。
(i)入射光の分光特性再構成の原理
各光センサからの出力信号は、各フォトダイオードで受けたエネルギースペクトルの積算量となり,出力信号をスペクトルごとの成分に分離できない。従って、出力信号から入力光の分光特性を再構成するために出力信号間の演算が必要となる。出力信号から入力信号(入射光の分光スペクトル)を求める逆問題を解くために、チコノフの正則化法(Tikhonov regularization)を用いて分光特性の算出を行う(Parameter Estimation and Inverse Problems, Elsevier Academic (2005)、計算力学とCAEシリーズ10 逆問題,培風館(1992))
製作したデバイスにおいて波長感度特性を求めることができたので、デバイスに光を入射したとき、入力光の分光評価が理論的には可能である。ここで扱う波長感度特性はFF=0.8の25パターンの特性であり、波長範囲は400~700nmの可視光域に限定する。実験法として、モノクロメータ式分光光源(SG-100,光研工業(株))を用いて450、500、550、600、650nmの単色光を入射したとき、デバイスで得られる各画素の電流値を用いて、チコノフの正則化法(Tikhonov regularization)を利用して入射スペクトルの再構成を行い分光特性を求める。得られた入力光の分光特性を図31に示す。比較として市販の分光器(Ocean optics)で測定した分光特性を点線で示す。チコノフの正則化法により得られた分光特性のピーク位置は市販の分光器で得られた分光特性のピーク位置とよく一致し期待通りの結果が得られた。しかし青色領域においては算出の精度が低くなっており、デバイスの波長感度が青色領域で低くフィルタの精度が低いことが関係していると考えられる。
また、各透過型GMRGアレイと光ディテクタアレイとの関係を示す分光デバイスの一例の概念図を図33(a)に示す。図33(a)中、2×2個の各フォトダイオード上に分光特性の異なる透過型GMRG構造が形成された分光感度特性の異なる光センサが複数配置されている。入射光はカラーフィルタにより分光されてフォトダイオードに入射し、フォトダイオードの出力信号を順次読み出して計算処理により入射光の分光特性を算出する。図33(b)に、フォトダイオード上に形成された透過型GMRG構造1素子分、すなわち光センサ単体の一例の断面図を示す。Siフォトダイオード上にスペーサを介して透過型GMRG構造が形成されている。
SiフォトダイオードアレイとGMRGを一体化することにより、分光デバイスを製作した。その波長感度特性のピーク位置は設計値と精度よく一致し、GMRGによる分光を確認した。また、デバイスに単色光を入射したとき、得られたデバイスの応答から入力光の算出実験を行った。算出された入力光のピーク位置は精度よく一致した。
上記デバイスの分光特性はRCWA法で得られた設計値と近い結果で得ることができ、フィルタアレイとフォトダイオードアレイの一体化を見据えた設計の有意性を実証した。またフィルタ精度向上による分光特性の算出精度の向上を実証した。
透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス(透過型GMRG一体型分光デバイス)の製造方法については、図18に基づいて半導体からなる基板に複数のダイオードが搭載されている光ディテクタアレイ(シリコン基板に複数のダイオードが搭載されているフォトダイオード)に、透明スペーサ層(SiO2層)、HfO2からなる導波層、層所望により透明バッファ層、表面プラズモンが発現する厚みを有する透過型金属(Al)格子層、及び所望により透明保護膜をこの順に積層する方法を説明したが、光ディテクタアレイを製作し、別途、前記透明スペーサ層(SiO2層)となる透明基板上に導波層、所望により透明バッファ層、透過型金属(Al)格子層、及び所望により前記透明保護膜層をこの順に積層してなる透過型導波モード共鳴格子構造体を製作し、前記光ディテクタアレイと前記透過型導波モード共鳴格子構造体の透明スペーサ層とを接合して製造することもできる。
透過型GMRG一体型分光デバイスの製造方法においては、基板、導波層、透明SiO2層のエッチングは、実施態様に記載したFABの他、イオンミリング、反応性イオンエッチング、ウェットエッチングなどで行うことができる。
導波層の材料は、その上下の透明層の屈折率より高い材料であればよい。実施態様に記載したHfO2の他に、例えばAl2O3、MgO、ZrO2、Ta2O5、TiO2、Si 3 N 4 、SiN、SiON、SiC、GaN、及び高屈折率のポリマーが挙げられる。高屈折率ポリマーとしては、例えば屈折率が1.5よりも高いポリマーが挙げられ、更に硫黄含有置換基(チオエーテル、スルホン、チオフェン、チアジアゾール、チアントレン等)を化学式に含有する公知の高屈折率ポリマーが挙げられる。
透過型金属格子層に使用する金属の例としては、金、銀、アルミニウム、銅が挙げられる。中でも銀及びアルミニウムが好ましく、コスト面を考慮すると特にアルミニウムが好ましい。
前記基板としては、シリコン(Si)、Ge、InGaAs、GaN、GaAs、AlGaAs、GaAsP、GaP、CIS(銅、インジウム、セレンからなる化合物半導体)及びCIGS(銅、インジウム、ガリウム及びセレンからなる化合物半導体)から選択することが好ましい。
更に、フォトダイオード用の電極及び配線の材質は、実施態様に記載したAl-Siの他に、金、銀、銅、アルミニウム、高ドープシリコンなど電流を流す性質を有するものであればよい。
2 HfO2導波層
3 フォトフィルタ層
4 SiO2スペーサ層
5 バッファ層
6 SiO2保護膜
Claims (15)
- 半導体からなる基板に複数のダイオードが搭載されている光ディテクタアレイ上に、該光ディテクタアレイに接して、透明スペーサ層、導波層、及び表面プラズモンが発現する厚みを有する透過型金属格子層をこの順に有し、
前記透明スペーサ層の厚みが50nm以上であり、前記導波層の厚みが10~500nmであることを特徴とする透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス。 - 前記透明スペーサ層の厚みが100~300nmであり、前記導波層の厚みが20~250nmである請求項1に記載の透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス。
- 前記透明スペーサ層の厚みが、前記導波層から浸み出すエバネッセント波が前記光ディテクタアレイに漏れ出ない厚みであり、前記導波層の厚みが、基本モードの光のみが導波する厚みである、請求項1又は2に記載の透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス。
- 前記導波層と前記透過型金属格子層との間に透明バッファ層を有する請求項1~3のいずれかに記載の透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス。
- 前記導波層の屈折率が、該導波層を挟む前記透明スペーサ層及び前記透明バッファ層の屈折率より大きい請求項4に記載の透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス。
- 前記基板がシリコン基板であり、前記透明スペーサ層がSiO2層であり、前記導波層が酸化ハフニウム(HfO2)層であり、前記透明バッファ層がSiO2層である請求項4又は5に記載の透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス。
- 前記透過型金属格子層上に透明保護膜を有する請求項1~6のいずれかに記載の透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス。
- 前記導波層の材料が、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化チタン(TiO2)、窒化シリコン(Si3N4及びSiN)、酸窒化シリコン(SiON)、炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、及び高屈折率のポリマーから選択される請求項1~5のいずれかに記載の透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス。
- 前記基板の材料が、シリコン(Si)、Ge、InGaAs、GaN、GaAs、AlGaAs、GaAsP、GaP、CIS(銅、インジウム、セレンからなる化合物半導体)、及びCIGS(銅、インジウム、ガリウム及びセレンからなる化合物半導体)から選択される請求項1~5のいずれかに記載の透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス。
- 前記透過型金属格子層の金属が、金、銀、アルミニウム、及び銅から選択される請求項1~9のいずれかに記載の透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス。
- 前記透過型金属格子層の金属がアルミニウム(Al)であり、格子構造周期Λが100~560nmであり、Λに対するAlドット一辺の長さαの比で表されるフィルファクター(FF)の値が0.4~0.95である請求項1~10のいずれかに記載の透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイス。
- 請求項1~11のいずれかに記載の透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイスを搭載した製品。
- 請求項1に記載の透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイスの製造方法であって、前記光ディテクタアレイを製作し、引き続いて、前記光ディテクタアレイ上に、該光ディテクタアレイに接して、前記透明スペーサ層、前記導波層、及び前記透過型金属格子層をこの順に積層することを特徴とする製造方法。
- 請求項1に記載の透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイスの製造方法であって、前記光ディテクタアレイを製作し、別途、前記透明スペーサ層となる透明基板上に前記導波層、及び前記透過型金属格子層をこの順に積層してなる透過型導波モード共鳴格子構造体を製作し、前記光ディテクタアレイと前記透過型導波モード共鳴格子構造体の透明スペーサ層とを接合することを特徴とする製造方法。
- 前記透過型金属格子層の格子パターンまたはそのマスクをナノインプリント、ステッパーまたは電子線描画を用いて形成する工程を含む請求項13又は14に記載の透過型導波モード共鳴格子一体型分光デバイスの製造方法。
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FR3100618B1 (fr) * | 2019-09-11 | 2022-07-22 | Psa Automobiles Sa | Elément de couverture de l’ouverture de projection d’un dispositif d’affichage tête-haute |
WO2021168208A1 (en) * | 2020-02-19 | 2021-08-26 | Profusa, Inc. | Optical filter device, system, and methods for improved optical rejection of high angle of incidence (aoi) light |
WO2022047549A1 (en) * | 2020-09-07 | 2022-03-10 | The University Of Melbourne | Filter array detector array spectrometer |
KR102475560B1 (ko) * | 2020-11-12 | 2022-12-09 | 한국과학기술원 | 향상된 성능을 갖는 박막화된 초격자 광검출기 및 그의 제조 방법 |
CN114966964B (zh) * | 2022-04-29 | 2023-05-02 | 同济大学 | 一种高制备容差导模共振带通滤波器及制备方法 |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009025558A (ja) | 2007-07-19 | 2009-02-05 | Tohoku Univ | 波長選択素子及びその製造方法 |
JP2009038352A (ja) | 2007-07-06 | 2009-02-19 | Canon Inc | 光検出素子及び撮像素子、光検出方法及び撮像方法 |
JP2010225944A (ja) | 2009-03-24 | 2010-10-07 | Toshiba Corp | 固体撮像装置 |
JP2012163395A (ja) | 2011-02-04 | 2012-08-30 | Ricoh Co Ltd | 分光装置 |
US20160284923A1 (en) | 2015-03-23 | 2016-09-29 | Michael C. Johnson | Deposition approaches for emitter layers of solar cells |
JP2017503203A (ja) | 2013-12-23 | 2017-01-26 | セエスウエム サントル スイス デレクトロニクエ ドゥ ミクロテクニク ソシエテ アノニム−ルシェルシェ エ デブロップマン | 導波モード共鳴デバイス |
WO2017033184A1 (en) | 2015-08-26 | 2017-03-02 | Ibrahim Abdulhalim | Resonant periodic structures and methods of using them as filters and sensors |
JP2017103445A (ja) | 2015-12-04 | 2017-06-08 | 采▲ぎょく▼科技股▲ふん▼有限公司VisEra Technologies Company Limited | 黄色フィルタユニットを有するイメージセンサー |
JP2017123451A (ja) | 2016-01-04 | 2017-07-13 | 采▲ぎょく▼科技股▲ふん▼有限公司VisEra Technologies Company Limited | イメージセンサおよび画像取込装置 |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8111401B2 (en) * | 1999-11-05 | 2012-02-07 | Robert Magnusson | Guided-mode resonance sensors employing angular, spectral, modal, and polarization diversity for high-precision sensing in compact formats |
US7474396B2 (en) * | 2006-01-17 | 2009-01-06 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Raman spectroscopy system and method using a subwavelength resonant grating filter |
JP5195112B2 (ja) * | 2008-07-18 | 2013-05-08 | 株式会社リコー | 屈折率センサ、屈折率センサアレイおよびバイオセンサ |
US9279938B2 (en) * | 2009-11-06 | 2016-03-08 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | Dual band color filter |
FR2959021B1 (fr) * | 2010-04-15 | 2012-07-27 | Commissariat Energie Atomique | Filtre optique mono ou multi-frequentiel et detecteur comportant un tel filtre |
CN103245996B (zh) | 2013-05-16 | 2015-11-25 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种阵列式多光谱滤光片及其制作方法 |
CA2951550A1 (en) * | 2014-06-09 | 2015-12-17 | Stc.Unm | Integrated bound-mode spectral/angular sensors |
TWI566918B (zh) * | 2015-07-29 | 2017-01-21 | 財團法人工業技術研究院 | 立體列印系統 |
CN106896436A (zh) * | 2017-02-24 | 2017-06-27 | 南京大学 | 基于铝光栅耦合氮化硅薄膜波导的颜色滤波器及制备方法 |
-
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Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009038352A (ja) | 2007-07-06 | 2009-02-19 | Canon Inc | 光検出素子及び撮像素子、光検出方法及び撮像方法 |
JP2009025558A (ja) | 2007-07-19 | 2009-02-05 | Tohoku Univ | 波長選択素子及びその製造方法 |
JP2010225944A (ja) | 2009-03-24 | 2010-10-07 | Toshiba Corp | 固体撮像装置 |
JP2012163395A (ja) | 2011-02-04 | 2012-08-30 | Ricoh Co Ltd | 分光装置 |
JP2017503203A (ja) | 2013-12-23 | 2017-01-26 | セエスウエム サントル スイス デレクトロニクエ ドゥ ミクロテクニク ソシエテ アノニム−ルシェルシェ エ デブロップマン | 導波モード共鳴デバイス |
US20160284923A1 (en) | 2015-03-23 | 2016-09-29 | Michael C. Johnson | Deposition approaches for emitter layers of solar cells |
WO2017033184A1 (en) | 2015-08-26 | 2017-03-02 | Ibrahim Abdulhalim | Resonant periodic structures and methods of using them as filters and sensors |
JP2017103445A (ja) | 2015-12-04 | 2017-06-08 | 采▲ぎょく▼科技股▲ふん▼有限公司VisEra Technologies Company Limited | 黄色フィルタユニットを有するイメージセンサー |
JP2017123451A (ja) | 2016-01-04 | 2017-07-13 | 采▲ぎょく▼科技股▲ふん▼有限公司VisEra Technologies Company Limited | イメージセンサおよび画像取込装置 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
TAN, C. et al.,Hybrid waveguide-surface plasmon polariton modes in a guided-mode resonance grating,OPTICS COMMUNICATIONS,2012年07月20日,Vol.285,pp.4381-4386 |
Also Published As
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