JP7733757B2 - 集積光学素子とメタサーフェスの形成方法 - Google Patents

集積光学素子とメタサーフェスの形成方法

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Description

本開示の幾つかの実施形態は、集積光学素子とメタサーフェスの形成方法に関する。
ゲート調整可能なメタサーフェスは一般に反射素子であるため、ゲートに電圧を印加して、構造間に挟まれた透明導電膜のキャリア濃度を操作することができる。その光学特性を変えることで、素子は異なる位置で異なる位相補償（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ）を提供することができ、それにより反射光ビームの角度偏向を調整することができる。しかしながら、ゲート調整可能なメタサーフェスのユニットアンテナは、多くの場合、反射率の低い波長位置に位置するため、素子が反射率の低い帯域位置で動作し、最終的に素子全体の効率が低下する。
本開示の幾つかの実施形態は、発光素子層と、第１方向に沿って配列され、それぞれ複数の孔を有する複数の導電層と、導電層を覆う第１誘電体層と、第１誘電体層を覆う第１透明導電層と、を含み、発光素子層にあるメタサーフェスと、を備える光学素子を提供する。
幾つかの実施形態では、メタサーフェスは、導電層の下にある基板を更に含む。
幾つかの実施形態では、メタサーフェスの第１誘電は基板と接触する。
幾つかの実施形態では、メタサーフェスは、基板と導電層との間にある第２透明導電層と、第２透明導電層と導電層との間にある第２誘電体層と、を更に含む。
幾つかの実施形態では、メタサーフェスの第１誘電体層は、第２誘電体層と接触する。
幾つかの実施形態では、導電層のそれぞれの孔は、第１方向と異なる第２方向に沿って配列される。
幾つかの実施形態では、導電層は、二次元アレイ状に配列される。
幾つかの実施形態では、導電層のそれぞれの孔は、複数の第１孔及び複数の第２孔を含み、第１孔は、第１方向及び第１方向と異なる第２方向に沿って配列され、第２孔のうちの１つは、４つの第１孔の間にあり、第２孔のうちの１つの中心は、２つの隣接する第１孔の中心を結ぶ線の中心と位置合わせされる。
幾つかの実施形態では、孔のうちの１つは、凹型の四角形である。
幾つかの実施形態では、孔のうち１つは、長方形の孔によって接続される２つの円形の孔を含む。
本開示の幾つかの実施形態は、基板に導電材料層を形成する工程と、導電材料層をパターン化して、基板に第１方向に沿って配列され且つ複数の孔を有する複数の導電層を形成する工程と、導電層に第１誘電体層を形成する工程と、第１誘電体層に第１透明導電層を形成する工程と、を含むメタサーフェスの形成方法を提供する。
幾つかの実施形態では、導電層に第１誘電体層を形成する場合、第１誘電体層を導電層の複数の側壁から基板の上面まで延伸させる。
幾つかの実施形態では、基板に金属材料層を形成する前に、基板に第２透明導電層を形成する工程と、第２透明導電層に、第２透明導電層と導電層との間にある第２誘電体層を形成する工程と、を更に含む。
幾つかの実施形態では、導電層に第１誘電体層を形成した後、第１誘電体層を導電層の複数の側壁から第２誘電体層の上面まで延伸させる。
幾つかの実施形態では、導電層のそれぞれの孔は、第１方向に沿って配列される。
幾つかの実施形態では、導電層のそれぞれの孔は、さらに、第１方向と異なる第２方向に沿って配列される。
幾つかの実施形態では、導電層は、二次元アレイ状に配列される。
幾つかの実施形態では、導電層のそれぞれの孔は、複数の第１孔及び複数の第２孔を含み、第１孔は、第１方向及び第１方向と異なる第２方向に沿って配列され、第２孔のうちの１つは、４つの第１孔の間にあり、第２孔のうちの１つの中心は、２つの隣接する第１孔の中心を結ぶ線の中心と位置合わせされる。
幾つかの実施形態では、孔のうちの１つは、凹型の四角形である。
幾つかの実施形態では、孔のうち１つは、長方形の孔によって接続される２つの円形の孔を含む。
本開示の幾つかの実施形態の光学素子を示す模式図である。 図１におけるメタサーフェスの一部を示す上面図である。 幾つかの実施形態における図２のＡ－Ａ線に沿ったメタサーフェスを示す断面図である。 他の幾つかの実施形態における図２のＡ－Ａ線に沿ったメタサーフェスを示す断面図である。 本開示の幾つかの実施形態における図４のメタサーフェスの製造プロセスを示す断面図である。 本開示の幾つかの実施形態における図４のメタサーフェスの製造プロセスを示す断面図である。 本開示の幾つかの実施形態における図４のメタサーフェスの製造プロセスを示す断面図である。 本開示の幾つかの実施形態における図４のメタサーフェスの製造プロセスを示す断面図である。 本開示の他の幾つかの実施形態におけるメタサーフェスの製造プロセスを示す断面図である。 本開示の他の幾つかの実施形態におけるメタサーフェスの製造プロセスを示す断面図である。 他の幾つかの実施形態におけるメタサーフェスを示す上面図である。 他の幾つかの実施形態におけるメタサーフェスを示す上面図である。 他の幾つかの実施形態におけるメタサーフェスを示す上面図である。 幾つかの実施形態における突出構造を示す上面図である。 他の幾つかの実施形態における突出構造を示す上面図である。
本開示の幾つかの実施形態は、革新的な構造のメタサーフェスを備える光学素子を提供する。本開示の幾つかの実施形態のメタサーフェスは透過型メタサーフェスであり、メタサーフェスの突出構造は孔を有する。したがって、本開示の幾つかの実施形態のメタサーフェスは、透過率が高い波長位置で動作でき、メタサーフェスの効率が向上する。
図１は、本開示の幾つかの実施形態の集積光学素子（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ）１００を示す模式図である。集積光学素子１００は、発光素子層２００及びメタサーフェス３００を含む。メタサーフェス３００は、発光素子層２００上にある。発光素子層２００は、任意の形態の発光素子を含む層であってよい。例えば、発光素子層２００は、載置板と、載置板上に配列される発光素子とを含んでよく、発光素子は、発光ダイオードチップ、マイクロ発光ダイオードチップ、有機発光ダイオードチップ、半導体レーザチップ、又は類似のものであってよい。
メタサーフェス３００は、発光素子層２００上にある。本開示の幾つかの実施形態のメタサーフェス３００は、透過型メタサーフェスである。即ち、光源から放射された光はメタサーフェス３００を透過し、メタサーフェス３００は光源から放射された光の光学特性を変えることができる。したがって、メタサーフェス３００は、発光素子層２００の発光方向と一致する（例えば、いずれも上向きに発光する）。
図２は、図１におけるメタサーフェス３００の一部を示す上面図である。メタサーフェス３００は、複数のチャネル、例えばチャネルＣＨ１とＣＨ２を含み、各チャネルは複数の突出構造を含んでよく、例えばチャネルＣＨ１は突出構造Ａ１、Ａ２を含んでよく、チャネルＣＨ２は突出構造Ａ３、Ａ４を含んでよい。幾つかの実施形態では、突出構造Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４は、孔Ｈを含み、突出構造Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４は、第１方向Ｄ１に沿って配列され且つ第２方向Ｄ２に沿って延伸する。幾つかの実施形態では、各突出構造は、一列の孔Ｈを含む。各孔Ｈは１つのユニットアンテナである。孔Ｈの大きさは、メタサーフェス３００を通過可能な光波長範囲を決定することができる。幾つかの実施形態では、孔Ｈはサブ波長構造であり、孔Ｈの孔径は入射光の波長の約１／１０～１／２の間である。
メタサーフェス３００は、入射光の偏向角を変えるために用いられる。光がメタサーフェス３００の下方からメタサーフェス３００に入射した後、偏向角は、
θ＝ｓｉｎ－１（λ／Λ）の関係式で示されてよい。
θは偏向角、λは入射光の波長、Λはメタサーフェス３００の大周期の幅である。ここでの「大周期」は、特定の数のチャネルの全幅を示す。例を挙げると、図２におけるチャネルＣＨ１、ＣＨ２は１つの大周期Λ２を構成することができ、且つ大周期Λ２におけるチャネルＣＨ１、ＣＨ２は同一の偏向角を調整制御するために使用できる。したがって、特定の偏向角度に対して特定の大周期を選択して対応する電圧を印加してよく、大周期における異なるチャネル（例えば大周期Λ２におけるチャネルＣＨ１、ＣＨ２）に異なる電圧が印加される。チャネルに電圧を印加すると、チャネル透明導電層のキャリア濃度が変化し、更に当該チャネルの光学特性が変化する。大周期における異なるチャネルに異なる電圧を印加する場合、異なるチャネル間の透明導電層のキャリア濃度が異なる（例えば、第１方向Ｄ１に沿って徐々に変化する）ため、異なるチャネル間の光学特性が異なる。このようにして、メタサーフェス３００は、異なる位置で異なる位相補償（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ）を提供することができ、それにより入射ビームの角度偏向を調整制御することができる。
各大周期におけるチャネル数は、ビーム調整制御能力の細かさを決定することができる。例を挙げると、各大周期におけるチャネル数が多ければ多いほど、ビーム調整制御能力の細かさが高い。幾つかの実施形態では、各大周期は２つのチャネル、例えばチャネルＣＨ１とチャネルＣＨ２を含んでよく、チャネルＣＨ１は突出構造Ａ１、Ａ２を含んでよく、チャネルＣＨ２は突出構造Ａ３、Ａ４を含んでよい。しかしながら、本開示はそれに限定されない。
図３は、幾つかの実施形態における図２のＡ－Ａ線に沿ったメタサーフェス３００を示す断面図である。メタサーフェス３００は、基板３１０、導電層３４０、誘電体層３５０、及び透明導電層３６０を含む。具体的には、導電層３４０は、基板３１０上にあり、且つ基板３１０と接触する。導電層３４０は特定の形状を有してよく、且つ導電層３４０は孔Ｈを有する。導電層３４０は、突出構造Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４（図２）の形状を決定するために用いられてよい。誘電体層３５０は導電層３４０を等角的に覆い、透明導電層３６０は誘電体層３５０を等角的に覆う。幾つかの実施形態では、誘電体層３５０が更に基板３１０を等角的に覆うため、誘電体層３５０は、基板３１０の上面に沿って導電層３４０の側壁及び上面まで延伸する。即ち、導電層３４０は、誘電体層３５０と基板３１０とに挟まれる。導電層３４０と透明導電層３６０は異なる導電材料で製造され、且つ導電層３４０と透明導電層３６０の導電材料は異なるキャリア濃度を有する。導電層３４０のキャリア濃度は、透明導電層３６０のキャリア濃度よりも大きく、例えば、導電層３４０自体のキャリア濃度は、透明導電層３６０のキャリア濃度よりも２桁以上大きい。幾つかの実施形態では、導電層３４０のキャリア濃度のオーダーは１０２２個／ｍ３であり、透明導電層３６０のキャリア濃度のオーダーは１０２０個／ｍ３である。図３は突出構造Ａ１のみを示す断面図であることに注意されたい。他の突出構造の断面図も図３に示されてよい。したがって、メタサーフェス３００は複数の導電層３４０を含んでよく、導電層３４０は基板３１０上において第１方向Ｄ１に沿って配列され、導電層３４０のそれぞれは、図２に示すように、複数の孔Ｈを有する。また、各突出構造上の透明導電層３６０は互いに接続されないため、後続の操作において、各突出構造上の透明導電層３６０を独立して調整制御することができる。
図３のメタサーフェス３００はシングルゲート構造であり、即ち、電圧Ｖｕを透明導電層３６０に印加してよく、電圧Ｖｇ（Ｖｇは一般に接地電圧である）を導電層３４０に印加してよいため、透明導電層３６０の誘電体層３５０に近い側のキャリア濃度は調整制御されることができる。異なるチャネルの透明導電層３６０に印加されるＶｕが異なるため、異なるチャネル間の透明導電層のキャリア濃度が異なり（例えば図２の第１方向Ｄ１に沿って徐々に変化する）、よって、異なるチャネル間の光学特性が異なる。このようにして、メタサーフェス３００は、異なる位置で異なる位相補償を提供することができ、それにより入射ビームの角度偏向を調整制御することができる。この実施形態では、チャネルが第１方向Ｄ１（図２）に沿って配列され、即ち、チャネルが一次元メタサーフェスを構成するため、入射ビームの角度偏向に対して一次元方向の調整制御を行ってよい。
本開示において、メタサーフェス３００は透過型メタサーフェスであり、メタサーフェス３００の突出構造Ａ１、Ａ２、Ａ３及びＡ４は孔Ｈを有する。反射型メタサーフェスは、通常、反射率が低い波長位置に設計されるため、メタサーフェスの効率が低く、且つ反射型メタサーフェスは余分な迷光と高次回折が発生しやすい。それに対し、メタサーフェス３００のこれらの孔Ｈは、バビネの原理（Ｂａｂｉｎｅｔ’ｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）に基づいて設計されたアンチ構造であり、且つ孔Ｈによってもたらされるプラズマ共鳴モードは透過率が高い波長位置に位置し、それはメタサーフェス３００の全体効率の向上に寄与する。また、本開示のメタサーフェス３００の導電層３４０が孔Ｈを有し、且つ孔Ｈがサブ波長構造であるため、高次回折（例えば、格子回折）の発生を回避することができる。このようにして、透過ビームの品質を向上させることができる。また、本開示のメタサーフェス３００は、透過型メタサーフェスであるため、発光素子層と結合して集積光学素子１００を形成することが容易となる（図１）。メタサーフェスが反射型メタサーフェスであると、発光素子層がメタサーフェス上に位置する。集積光学素子を上向きの発光を維持するようにする場合、発光素子層の存在によって設計上の制約が多くなる。
図４は、他の幾つかの実施形態における図２のＡ－Ａ線に沿ったメタサーフェス３００を示す断面図である。図４のメタサーフェス３００は、図３のメタサーフェス３００と類似するが、図４のメタサーフェス３００が透明導電層３２０と誘電体層３３０とを更に含むことが異なっている。透明導電層３２０は基板３１０と導電層３４０との間にあり、誘電体層３３０は透明導電層３２０と導電層３４０との間にあり、導電層３４０は誘電体層３３０と接触し、基板３１０と接触しない。誘電体層３５０は導電層３４０を等角的に覆い、透明導電層３６０は誘電体層３５０を等角的に覆う。幾つかの実施形態では、誘電体層３５０が更に誘電体層３３０を等角的に覆うため、誘電体層３５０は、誘電体層３３０の上面に沿って導電層３４０の側壁及び上面まで延伸する。導電層３４０と透明導電層３２０、３６０は異なる導電材料で製造され且つ導電層３４０と透明導電層３２０、３６０の導電材料は異なるキャリア濃度を有する。導電層３４０のキャリア濃度は、透明導電層３２０、３６０のキャリア濃度よりも大きく、例えば、導電層３４０自体のキャリア濃度は、透明導電層３２０、３６０のキャリア濃度よりも２桁以上大きい。幾つかの実施形態では、導電層３４０のキャリア濃度のオーダーは１０２２個／ｍ３であり、透明導電層３２０、３６０のキャリア濃度のオーダーは１０２０個／ｍ３である。図４は突出構造Ａ１のみを示す断面図であることに注意されたい。他の突出構造の断面図も図４に示されてよい。したがって、メタサーフェス３００は複数の導電層３４０を含んでよく、導電層３４０は基板３１０上において第１方向Ｄ１に沿って配列され、導電層３４０のそれぞれは、図２に示すように、複数の孔Ｈを有する。また、各突出構造上の透明導電層３６０が互いに接続されておらず、且つ各突出構造下の透明導電層３２０が互いに接続されていないため、後続の操作において、各突出構造上の透明導電層３６０と突出構造下の透明導電層３２０とを独立して調整制御することができる。
図４のメタサーフェス３００はダブルゲート構造であり、即ち、異なる電圧ＶｕとＶｂをそれぞれ透明導電層３６０と透明導電層３２０に印加してよく、電圧Ｖｇ（Ｖｇは一般に接地電圧である）を導電層３４０に印加してよいため、透明導電層３６０の誘電体層３５０に近い側のキャリア濃度と透明導電層３２０の誘電体層３３０に近い側のキャリア濃度は調整制御されることができる。異なるチャネルの透明導電層３２０に印加されるＶｂが異なり、且つ異なるチャネルの透明導電層３６０に印加されるＶｕが異なるため、異なるチャネル間の透明導電層のキャリア濃度が異なり（例えば、図２の第１方向Ｄ１に沿って徐々に変化する）、よって、異なるチャネル間の光学特性が異なる。このようにして、メタサーフェス３００は、異なる位置で異なる位相補償を提供することができ、それにより入射ビームの角度偏向を調整制御することができる。幾つかの実施形態では、ダブルゲート構造のメタサーフェス３００は、シングルゲート構造のメタサーフェス３００よりも良好なビーム調整制御能力を提供することができる。この実施形態では、チャネルが第１方向Ｄ１（図２）に沿って配列され、即ち、チャネルが一次元メタサーフェスを構成するため、入射ビームの角度偏向に対して一次元方向の調整制御を行ってよい。
図５～図８は、本開示の幾つかの実施形態における図４のメタサーフェス３００の製造プロセスを示す断面図である。図５を参照し、基板３１０を提供し、基板３１０上に透明導電層３２０を形成し、次に、透明導電層３２０上に誘電体層３３０を形成する。透明導電層３２０及び誘電体層３３０は、基板３１０上の平坦層である。幾つかの実施形態では、基板３１０は、ガラス基板又は他の透明基板であってよく、それにより下の光源がメタサーフェス３００を透過することができる。幾つかの実施形態では、透明導電層３２０は、酸化インジウムスズ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎｏ ｘｉｄｅ；ＩＴＯ）又は他の適切な透明導電材料であってよい。誘電体層３３０は、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２等の高誘電率材料であってよい。幾つかの実施形態では、誘電体層３３０は、原子層堆積によって形成されてよい。
図６を参照し、誘電体層３３０上に金属材料層３４０’を形成する。次に、図７を参照し、金属材料層３４０’をパターン化して導電層３４０を形成する。導電層３４０は第１方向（例えば図２の第１方向Ｄ１）に沿って配列され且つ導電層３４０は複数の孔Ｈを有する。具体的には、パターン化された導電層３４０は、複数の突出構造（例えば図２の突出構造Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４）として形成され、各突出構造は複数の孔Ｈを有する。実際の状況に応じて導電層３４０の形状及び孔Ｈの孔径を決定してよい。幾つかの実施形態では、導電層３４０は、適用対象の波長に応じて適切な材質を選択することができる。例えば、メタサーフェス３００が赤外線に適用される場合、導電層３４０は金であってよく、メタサーフェス３００が紫外線に適用される場合、導電層３４０はアルミニウムであってよく、メタサーフェス３００が青色光に適用される場合、導電層３４０は銀であってよい。
図８を参照し、導電層３４０上に誘電体層３５０を形成する。導電層３４０上に誘電体層３５０を形成した後、誘電体層３５０を導電層３４０の側壁から誘電体層３３０の上面まで延伸させる。誘電体層３５０と誘電体層３３０は導電層３４０を挟んで取り囲む。次に、誘電体層３５０上に透明導電層３６０を形成する。幾つかの実施形態では、誘電体層３５０は、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２等の高誘電率材料であってよい。幾つかの実施形態では、誘電体層３５０は、原子層堆積によって形成されてよい。透明導電層３６０は、酸化インジウムスズ又は他の適切な透明導電材料であってよい。メタサーフェス３００を形成した後、メタサーフェス３００を発光素子層２００上に置いてよい。したがって、メタサーフェス３００は、発光素子層２００が放射する光の物理的特性を調整制御するために用いられてよい。
図３のメタサーフェス３００の製造プロセスは、図５～図８に示される製造プロセスと類似する。図３のメタサーフェス３００を製造する場合、図５における透明導電層３２０及び誘電体層３３０が省略できることに異なっているため、図６において、基板３１０上に金属材料層３４０’を直接形成することができ、後の工程を続ける。図３のメタサーフェス３００を製造する際、導電層３４０上に誘電体層３５０を形成した後、誘電体層３５０を導電層３４０の側壁から基板３１０の上面まで延伸させる。誘電体層３５０と基板３１０は導電層３４０を挟んで取り囲む。
図９と図１０は、本開示の他の幾つかの実施形態におけるメタサーフェス３００の製造プロセスを示す断面図である。図９及び図１０において、メタサーフェス３００を発光素子層２００上に直接形成してよい。具体的には、図９を参照し、発光素子層２００上に誘電体層２５０を形成する。誘電体層２５０は、酸化シリコン、窒化シリコン等で製造されてよい。
図１０を参照し、誘電体層２５０上にメタサーフェス３００を形成する。メタサーフェス３００の形成方法は、図５～図８に示される製造プロセスと類似する。図１０では、透明導電層３２０が誘電体層２５０上に形成されることに異なっている。このようにして、メタサーフェス３００を発光素子層２００上に直接形成してよい。
図１１は、他の幾つかの実施形態におけるメタサーフェス３００を示す上面図である。図１１のメタサーフェス３００は、図２のメタサーフェス３００と類似するが、図１１のメタサーフェス３００に含まれるチャネル数が、図２のメタサーフェス３００に含まれるチャネル数と異なり、且つ図１１のメタサーフェス３００の各突出構造に含まれる孔Ｈの数も、図２のメタサーフェス３００の各突出構造に含まれる孔Ｈの数と異なることに異なっている。例えば、図１１におけるチャネルＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３は、１つの大周期Λ３を構成することができる。この実施形態では、チャネルＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３に異なる電圧が印加されるため、異なるチャネル間の光学特性が異なる。このようにして、メタサーフェス３００は、異なる位置で異なる位相補償を提供することができ、それにより入射ビームの角度偏向を調整制御することができる。各大周期内に含まれるチャネル数が増加すると、入射ビームの角度偏向をより細かく調整制御することができる。また、図１１のメタサーフェス３００の各突出構造は、２列の孔Ｈを含む。各突出構造の孔Ｈの数は、実際の状況に応じて設計されてよい。
図１２は、他の幾つかの実施形態におけるメタサーフェス３００を示す上面図である。図１２のメタサーフェス３００は、図１１のメタサーフェス３００と類似する。図１２の孔Ｈが第１孔Ｈ１及び第２孔Ｈ２を含み、第１孔Ｈ１が第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２に沿って配列され且つ第２孔Ｈ２が４つの孔Ｈ１の間に配列され且つ第２孔Ｈ２の中心が２つの隣接する第１孔Ｈ１の中心を結ぶ線の中心と位置合わせされることに異なっている。したがって、単位面積において、孔Ｈの数を増加させることで、メタサーフェス３００のビームへの調整制御能力が向上する。
図１３は、他の幾つかの実施形態におけるメタサーフェス３００を示す上面図である。図１３のメタサーフェス３００は、複数のチャネルＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ４、ＣＨ５、ＣＨ６、ＣＨ７、ＣＨ８及びＣＨ９を含み、各チャネルは突出構造をそれぞれ含んでよい。突出構造は、第１方向Ｄ１に加えて、第１方向Ｄ１に垂直な第２方向Ｄ２にも沿って配列される。したがって、図１３では、メタサーフェス３００のチャネル（即ち、突出構造）は、平面視において二次元アレイ状に配列される。このようにして、図１３におけるチャネルＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ４、ＣＨ５、ＣＨ６、ＣＨ７、ＣＨ８及びＣＨ９に異なる電圧が印加されるため、異なるチャネル間の光学特性が異なる。このようにして、メタサーフェス３００は、異なる位置で異なる位相補償（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ）を提供することができ、それにより入射ビームの角度偏向を調整制御することができる。チャネルで二次元空間のメタサーフェス３００を構成する場合、入射ビームの角度偏向に対して二次元方向の調整制御を行ってよい。
図１４は、幾つかの実施形態における突出構造ＡＮを示す上面図である。図１４の突出構造ＡＮは、ダンベル状の孔Ｈを有してよい。具体的には、孔Ｈは、長方形の孔によって接続される２つの円形の孔である。突出構造ＡＮ自体は長方形であり、且つ突出構造Ａの第１方向Ｄ１における長さＰｘは４００ｎｍであり、第２方向Ｄ２における長さＰｙは６００ｎｍであり、厚さは１００ｎｍである。孔Ｈのダンベルネックの幅Ｗは１００ｎｍである。突出構造ＡＮが上記形状である場合、突出構造ＡＮは、透過率が高い波長位置で動作することができる。例えば、図１４の突出構造ＡＮを用いて入射ビームの偏向角度を調整制御する場合、入射ビームの波長は約１．５μｍであり、入射ビームの透過率は９２％に達し、位相の調整制御能力は１４１．６度に達することができる。突出構造ＡＮは、一次元アレイ又は二次元アレイに配列されてよいため、突出構造ＡＮで構成されるメタサーフェスは、入射ビームの角度偏向に対して一次元方向又は二次元方向の調整制御を行うことができる。
図１５は、他の幾つかの実施形態における突出構造ＡＮを示す上面図である。図１５の突出構造ＡＮは、ブーメラン状の孔Ｈを有してよい。具体的には、孔Ｈは凹型の四角形であってよい。幾つかの実施形態では、図１５に示すように、凹型の四角形の四隅は直線で構成される。他の幾つかの実施形態では、凹型の四角形の四隅は、丸みを帯びていてよい。
以上より、本開示の幾つかの実施形態の透過型メタサーフェスは、様々な利点を有する。メタサーフェスが孔を有し、且つこれらの孔がバビネの原理（Ｂａｂｉｎｅｔ’ｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）に基づいて設計されてよいため、それによってもたらされるプラズマ共鳴モードは透過率が高い波長位置に位置し、それはメタサーフェスの全体効率の向上に寄与する。また、本開示のメタサーフェスの導電層は、孔を有し、且つ孔がサブ波長構造であるため、高次回折（例えば、格子回折）の発生を回避するために用いられてよい。よって、透過ビームの品質が向上する。また、本開示のメタサーフェスは、透過型メタサーフェスであるため、発光素子層と結合して集積光学素子を形成することが容易となる。発光素子層は、集積光学素子の発光方向に干渉も与えない。
以上は、本開示の一部の実施形態に過ぎず、全ての実施形態ではなく、当業者が本開示の明細書を読むことで本開示の技術的解決手段に対して行う全ての等価な変更は、いずれも本開示の特許請求の範囲に属する。
１００ 集積光学素子
２００ 発光素子層
２５０ 誘電体層
３００ メタサーフェス
３１０ 基板
３２０ 透明導電層
３３０ 誘電体層
３４０ 導電層
３４０’ 金属材料層
３５０ 誘電体層
３６０ 透明導電層
Ａ－Ａ 線
Ａ、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、ＡＮ 突出構造
ＣＨ１～ＣＨ９ チャネル
Ｄ１ 第１方向
Ｄ２ 第２方向
Ｈ 孔
Ｈ１ 第１孔
Ｈ２ 第２孔
Ｐｘ 長さ
Ｐｙ 長さ
Ｗ 幅

Claims (19)

  1. 発光素子層と、
    前記発光素子層上にあるメタサーフェスであって、
    基板と、
    前記基板上にあり、第１方向に沿って配列される複数の導電層であって、前記基板が前記複数の導電層と前記発光素子層との間にあり、前記複数の導電層のそれぞれが複数の孔を有する、複数の導電層と、
    前記複数の導電層のうちの１つの導電層の前記孔を等角的に覆う第１誘電体層と、
    前記第１誘電体層および前記複数の導電層のうちの前記１つの導電層の前記孔を等角的に覆う第１透明導電層と、
    を含む、メタサーフェスと、
    を備える集積光学素子。
  2. 前記メタサーフェスの前記第１誘電体層は、前記基板と接触する請求項１に記載の集積光学素子。
  3. 前記メタサーフェスは、
    前記基板と前記導電層との間にある第２透明導電層と、
    前記第２透明導電層と前記導電層との間にある第２誘電体層と、
    を更に含む請求項１に記載の集積光学素子。
  4. 前記メタサーフェスの前記第１誘電体層は、前記第２誘電体層と接触する請求項３に記載の集積光学素子。
  5. 前記導電層のそれぞれの前記孔は、前記第１方向と異なる第２方向に沿って配列される請求項１に記載の集積光学素子。
  6. 前記導電層は、二次元アレイ状に配列される請求項１に記載の集積光学素子。
  7. 前記導電層のそれぞれの前記孔は、複数の第１孔及び複数の第２孔を含み、前記第１孔は、前記第１方向及び前記第１方向と異なる第２方向に沿って配列され、前記第２孔のそれぞれは、４つの前記第１孔の間にあり、前記第２孔のそれぞれの中心は、２つの隣接する前記第１孔の中心を結ぶ線の中心と位置合わせされる請求項１に記載の集積光学素子。
  8. 前記孔のそれぞれは、凹型の四角形である請求項１に記載の集積光学素子。
  9. 前記孔のそれぞれは、長方形の孔によって接続される２つの円形の孔を含む請求項１に記載の集積光学素子。
  10. 前記発光素子層上に基板を形成する工程と、
    前記基板上に導電材料層を形成する工程と、
    前記導電材料層をパターン化して、前記基板に第１方向に沿って配列され且つ複数の孔を有する複数の導電層を形成する工程と、
    前記導電層に第１誘電体層を等角的に形成する工程と、
    前記第１誘電体層および前記複数の導電層のうちの１つの導電層の前記孔上に第１透明導電層を等角的に形成する工程と、
    を含むメタサーフェスの形成方法。
  11. 前記導電層に前記第１誘電体層を形成する際、前記第１誘電体層を前記導電層の複数の側壁から前記基板の上面まで延伸させる請求項１０に記載の方法。
  12. 前記基板に前記導電材料層を形成する前に、
    前記基板に第２透明導電層を形成する工程と、
    前記第２透明導電層に、前記第２透明導電層と前記導電層との間にある第２誘電体層を形成する工程と、
    を更に含む請求項１０に記載の方法。
  13. 前記導電層に前記第１誘電体層を形成した後、前記第１誘電体層を前記導電層の複数の側壁から前記第２誘電体層の上面まで延伸させる請求項１２に記載の方法。
  14. 前記導電層のそれぞれの前記孔は、第１方向に沿って配列される請求項１０に記載の方法。
  15. 前記導電層のそれぞれの前記孔は、さらに、前記第１方向と異なる第２方向に沿って配列される請求項１０に記載の方法。
  16. 前記導電層は、二次元アレイ状に配列される請求項１０に記載の方法。
  17. 前記導電層のそれぞれの前記孔は、複数の第１孔及び複数の第２孔を含み、前記第１孔は、前記第１方向及び前記第１方向と異なる第２方向に沿って配列され、前記第２孔のそれぞれは、４つの前記第１孔の間にあり、前記第２孔のそれぞれの中心は、２つの隣接する前記第１孔の中心を結ぶ線の中心と位置合わせされる請求項１０に記載の方法。
  18. 前記孔のそれぞれは、凹型の四角形である請求項１０に記載の方法。
  19. 前記孔のそれぞれは、長方形の孔によって接続される２つの円形の孔を含む請求項１０に記載の方法。
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