KR20100118539A - 와이어 그리드 편광자 - Google Patents

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KR20100118539A
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grid polarizer
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light
metal
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KR1020100039359A
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사스와티 바네르지
다까시 후지이
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스미또모 가가꾸 가부시키가이샤
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Abstract

이 와이어 그리드 편광자는 기판 상에 격자선이 되는 다수의 금속의 선을 광의 파장보다 짧은 간격으로 평행하게 배치시켜 이루어지는 와이어 그리드 편광자로서, 격자선의 표면에 금속의 질화물, 금속의 비소화물, 금속의 인 화합물 및 금속과 안티몬의 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 반도체 화합물로 이루어지는 층이 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

와이어 그리드 편광자{WIRE-GRID POLARIZER}
본 발명은 와이어 그리드 편광자에 관한 것이다. 특히, 면광원 조명 장치, 디스플레이 및 프로젝터에 바람직한 와이어 그리드 편광자에 관한 것이다.
와이어 그리드 편광자는 유리 등으로 이루어지는 기판 상에 격자선(grating lines 또는 grid lines)이 되는 다수의 금속선(와이어)을 광의 파장보다 짧은 주기(격자선의 주기는 격자선의 폭과 격자선끼리의 간격의 합)로 평행하게 배치한 회절 격자로 이루어지고, 투과하는 광을 편광광으로 하는 기능이 있다. 와이어 그리드 편광자는 광원으로부터 출사하여, 와이어 그리드 편광자를 투과하는 광 중, 격자선과 평행한 방향으로 전장이 진동하는 광을 반사하고, 격자선과 수직인 방향으로 전장이 진동하는 광을 투과하여, 광원으로부터 출사된 광으로부터 편광광을 생성한다.
여기서, 광의 성분 중, 입사면(광에 굴절, 반사, 회절 등을 발생시키는 면에 수직인 면에서 입사광을 나타내는 직선을 포함하는 면)에 대하여 전장이 수직으로 진동하는 성분을 S편광 성분, 입사면 내에서 전장이 진동하는 성분을 P 편광 성분이라고 한다. 격자선 표면에서 반사되는 것은 주로 S 편광 성분이고, 투과하는 것은 주로 P 편광 성분이다.
예를 들면, 와이어 그리드 편광자가 프로젝터에 이용되는 경우에는, 광원으로부터 출사하여, RGB(적색, 녹색, 청색)의 표시용으로 분리된 광의 각각에 대하여, 편광광을 생성하기 위해서 1개소에서 이용되고, 또한 액정 표시판을 통과한 후의 광 중 액정 표시판에서 편광한 광을 선택적으로 투과시키기 위해서 1개소에서 이용되어, 통상은 액정 표시판을 사이에 두고 2개소에서 이용된다.
종래의 프로젝터의 문제점으로서 고스트 영상을 들 수 있다. 고스트 영상의 발생 원인의 하나로서, 종래의 와이어 그리드 편광자의 격자선의 표면에서 반사된 광이 기판 등에 의해 재차 반사되어, 출사하여 생기는 현상을 들 수 있다. 따라서, 금속의 선을 이용하여 이루어지는 격자선에 의한 반사가 적은 와이어 그리드 편광자가 요구되고 있었다.
이러한 문제점을 해결할 수 있는 와이어 그리드 편광자로서, 알루미늄선으로 이루어지는 격자선의 표면에 SiO2층/Si층/SiO2층의 3층을 적층한 와이어 그리드 편광자가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1(국제공개 WO2009/002792호 공보)참조).
그러나, 알루미늄선을 포함해서 합계 4층으로 이루어지는 격자선을 제조할 필요가 있어, 격자선에 의한 반사가 감소된 와이어 그리드 편광자로서, 보다 단순한 구조를 갖고, 간이하게 제조할 수가 있는 것이 요구되고 있었다.
본 발명의 목적은 격자선에 의한 반사가 감소된 와이어 그리드 편광자로서, 종래보다도 단순한 구조를 갖는 와이어 그리드 편광자를 제공하는 데에 있다.
따라서, 본 발명자는 격자선의 표면에서의 반사가 감소된 와이어 그리드 편광자로서, 보다 단순한 구조를 갖는 것에 대해서 예의 검토한 결과, 격자선에 특정한 반도체 화합물의 층을 설치하여 이루어지는 와이어 그리드 편광자가 격자선의 표면에서의 반사가 감소된 와이어 그리드 편광자가 되는 것을 발견하여, 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.
[1] 본 발명의 와이어 그리드 편광자는 기판 상에 격자선(grating lines 또는 grid lines)이 되는 다수의 금속의 선을 광의 파장보다 짧은 주기로 평행하게 배치시켜 이루어지는 와이어 그리드 편광자로서, 격자선의 표면에 금속의 질화물, 금속의 비소화물, 금속의 인 화합물 및 금속과 안티몬의 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 반도체 화합물로 이루어지는 층이 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
[2] 반도체 화합물의 굴절률의 허수부가 0.2 이상 3.0 이하인 것이 바람직하다.
[3] 반도체 화합물이 AlAs, GaAs, InGaAs, GaP, InP, GaN, InN, InGaN, AlN, AlGaN, GaSb 및 InGaSb로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 반도체 화합물인 것이 바람직하다.
[4] 와이어 그리드 편광자에 있어서, 투명 기판과, 상기 투명 기판 상에 형성된 스트라이프상의 복수의 금속선과, 상기 금속선 상에 형성된 광 흡수층을 구비하며, 상기 광 흡수층은 반도체 화합물로 구성되고, 상기 광 흡수층을 구성하는 상기 반도체 화합물은 상기 반도체 화합물의 굴절률 nm의 실수부를 nr, 허수부를 nj로 하고, i를 허수 단위로 하고, 굴절률 nm=nr+i×nj로 하며, 상기 광 흡수층의 두께를 dt로 한 경우, 이하의 관계식의 모두가 300 nm 이상 850 nm 이하의 파장 범위 내에서 만족하는 것을 특징으로 한다.
10 nm≤dt≤80 nm,
1.8≤nr≤5.7,
0.001≤nj≤3.0
[5] 본 발명의 와이어 그리드 편광자는 상기 금속선의 상기 배열 주기를 PL로 한 경우, 0<PL<400 nm인 것을 특징으로 한다.
[6] 본 발명의 와이어 그리드 편광자는 1개의 상기 금속선의 폭을 MW로 하고, 상기 금속선의 면내의 충전율 FF=MW/PL로 하면, 이하의 관계식을 추가로 만족하는 것을 특징으로 한다.
0<FF≤50％
[7] 본 발명의 와이어 그리드 편광자는 투명 기판과, 상기 투명 기판 상에 형성된 스트라이프상의 복수의 금속선과, 상기 금속선 상에 형성된 광 흡수층을 구비하며, 상기 광 흡수층은 반도체 화합물로 구성되고, 상기 광 흡수층을 구성하는 상기 반도체 화합물은 상기 반도체 화합물의 굴절률 nm의 실수부를 nr, 허수부를 nj로 하고, i를 허수 단위로 하고, 굴절률 nm=nr+i×nj로 하며, 상기 광 흡수층의 두께를 dt로 한 경우, 이하의 관계식의 모두가 380 nm 이상 780 nm 이하의 파장 범위 내에서 만족하는 것을 특징으로 한다.
20 nm≤dt≤80 nm,
2.5≤nr≤5.7,
0.001≤nj≤3.0
[8] 본 발명의 와이어 그리드 편광자는 상기 금속선의 상기 배열 주기를 PL로 한 경우, 0<PL<400 nm인 것을 특징으로 한다.
[9] 본 발명의 와이어 그리드 편광자는 1개의 상기 금속선의 폭을 MW로 하고, 상기 금속선의 면내의 충전율 FF=MW/PL로 하면, 이하의 관계식을 추가로 만족하는 것을 특징으로 한다.
0<FF≤50％
본 발명의 와이어 그리드 편광자는 종래보다도 단순한 구조를 갖고, 격자선의 표면에서의 반사가 감소되어 있기 때문에, 면광원 조명 장치, 디스플레이 및 프로젝터에 이용한 경우, 출사광의 여분의 반사를 발생시키는 경우가 적다. 특히, 디스플레이와 프로젝터에 이용한 경우, 본 발명의 와이어 그리드 편광자는 고스트의 발생이 적어지기 때문에 공업적으로 유용하다.
도 1은 반도체 화합물의 굴절률의 허수부 nj를 1로 하고, 굴절률의 실수부 nr을 1.8, 2.3, 2.8의 세가지로 변화시킨 경우에 있어서의, 입사광의 파장에 대한 편광자의 반사율의 변화를 계산한 결과를 도시한 도면이다.
도 2는 반도체 화합물의 nr을 2.5로 하고, 입사광의 파장을 480 nm로 하고, 층의 두께는 54 nm로 하고, nj를 변화시킨 경우에 있어서의 편광자의 반사율을 계산한 결과를 도시한 도면이다.
도 3은 반도체 화합물의 nr을 3.5로 하고, 입사광의 파장을 540 nm로 하고, 층의 두께는 38 nm로 하고, nj를 변화시킨 경우에 있어서의 편광자의 반사율을 계산한 결과를 도시한 도면이다.
도 4는 InGaAs로 이루어지는 두께 20 nm의 층을 격자선에 적층하는 실시예 1의 경우의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 InGaSb로 이루어지는 두께 20 nm의 층과 InP로 이루어지는 두께 20 nm의 층을 이 순으로 격자선에 적층하는 실시예 2의 경우의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 6은 InP로 이루어지는 두께 20 nm의 층을 격자선에 적층하는 실시예 3의 경우의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 7은 GaSb로 이루어지는 두께 20 nm의 층과 GaP로 이루어지는 두께 20 nm의 층을 이 순으로 격자선에 적층하는 실시예 4의 경우의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 8은 GaAs로 이루어지는 두께 20 nm의 층을 격자선에 적층하는 실시예 5의 경우의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 9는 와이어 그리드 편광자의 사시도이다.
도 10은 도 9에 도시된 와이어 그리드 편광자의 X-X 화살표 단면도이다.
도 11은 와이어 그리드 편광자의 단면도이다.
이하, 실시 형태에 따른 와이어 그리드 편광자에 대해서 설명한다. 동일 요소에는 동일 부호를 이용하는 것으로 하며, 중복하는 설명은 생략한다.
도 9는 와이어 그리드 편광자 (10)의 사시도이고, 도 10은 도 9에 도시된 와이어 그리드 편광자 (10)의 X-X 화살표 단면도이다. 동 도면에 도시된 바와 같이, x축, y축, 및 z축으로 이루어지는 3차원 직교 좌표계를 설정한다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 와이어 그리드 편광자 (10)은 기판 (1) 상에 회절 격자를 구성하는 스트라이프 (2)를 구비하고 있다. 이 스트라이프 (2)는 격자선(grating lines 또는 grid lines)이 되는 다수의 금속선(격자선) (2A)를 광의 파장보다 짧은 주기로 평행하게 배치시켜 이루어진다. 스트라이프 (2)는 격자선 (2A)의 표면에 적층된 광 흡수층 (2B)를 구비하고 있다. 광 흡수층 (2B)는 금속의 질화물, 금속의 비소화물, 금속의 인 화합물, 및 금속과 안티몬의 화합물로 이루어지는 반도체 화합물의 1종 이상으로 이루어진다.
또한, 광의 진행 방향은 yz 평면(입사면)에 포함되어 있고, 기판 (1)의 두께 방향은 z축이고, 기판 (1)의 주표면은 xy 평면이다. 스트라이프 (2)를 구성하는 격자선 (2A) 및 광 흡수층 (2B)가 연장되어 있는 방향은 각각 x축에 평행이다. 1개의 격자선 (2A)가 연장되는 방향은 TE파 성분(S 편광 성분)의 진동 방향(x축 방향)에 일치하고 있는 것으로 한다.
도 11은 복수의 화합물 반도체층을 구비하는 경우의 와이어 그리드 편광자 (10)의 단면도이다. 이 경우에도 와이어 그리드 편광자 (10)의 평면 구성은 도 9에 도시된 것과 동일하다.
도 11에 도시된 바와 같이, 광 흡수층 (2B)는 2층 이상의 광 흡수층 (2B1), (2B2)를 격자선 (2A) 상에 순차 적층하는 것으로 할 수도 있다. 광 흡수층 (2B1), (2B2)는 각각 금속의 질화물, 금속의 비소화물, 금속의 인 화합물 및 금속과 안티몬의 화합물로 이루어지는 반도체 화합물의 1종 이상으로 이루어진다.
광의 반사를 억제하기 위해서는, 통상이면, 광의 파장 λ의 1/4의 두께의 투명 물질의 층을 설치하면 좋다고 생각한다. 이 경우의 λ/4는 광학 거리이고, 광이 격자선 (2A)에 입사하기 전에 광이 투과하는 물질의 굴절률을 n1로 하고, 상기 투명 물질의 굴절률을 n2로 했을 때, 굴절률 n2를 이용하여 계산되는 광학 거리이다.
그러나, 편광자 (10)의 격자선 (2A)의 상에 광학 거리로 λ/4로 되는 두께의 투명 물질의 층을 설치하더라도 반사를 억제하는 효과가 충분하지 않은 것을 본 발명자는 발견하였다. 그리고, 예의 검토의 결과, 의외로 특정한 반도체 화합물의 층을 격자선 표면에 설치하는 것이 격자선 (2A)의 표면에서의 광의 반사의 억제에 유효한 것을 발견하였다.
본 발명에 있어서, 격자선 (2A)의 표면에 금속의 질화물, 금속의 비소화물, 금속의 인 화합물, 및 금속과 안티몬의 화합물로 이루어지는 반도체 화합물의 1종 이상으로 이루어지는 광 흡수층 (2B)가 적층되기 전의, 원래의 와이어 그리드 편광자로서는, 공업적으로 통상 이용되는 와이어 그리드 편광자를 사용할 수 있다. 즉, 투명 기판 (1) 상에 다수의 금속의 선 (2A)를 평행하게 배치시켜 이루어지고, 금속선 (2A)의 주기 PL은 입사광의 파장 λ보다 짧다(PL<λ). 또한, 광 흡수층 (2B)가 형성되기 전의 와이어 그리드 편광자에 있어서도, 금속의 선 (2A)의 길이 방향(x축 방향)에 대략 직교하는 평면을 입사면(yz 평면)으로 하는 입사광 IL에 대하여 P 편광 성분을 선택적으로 투과시킴과 함께, S 편광 성분을 주로 반사시키는 기능을 갖는다. 광 흡수층 (2B)의 형성은 와이어 그리드 편광자의 편광의 기능, 즉 와이어 그리드 편광자를 투과한 광은 P 편광이 되는 기능에는 영향을 주지 않는다.
필팩터(fill-factor) FF란 금속의 선 (2A)의 폭 MW를 금속의 선의 주기 PL(금속의 선의 폭+금속의 선끼리의 간격)로 나눈 값, 즉 FF=MW/PL로 정의된다. 또한, 인접하는 금속의 선 (2A) 사이의 간극의 치수를 W로 하면, MW+W=PL이 성립하고 있기 때문에, FF=MW/(MW+W)를 만족하고 있다. 또한, 필팩터 FF는 100％로 하면 광이 투과하지 않고, 0％에서는 편광자로서 기능하지 않기 때문에, 0％<FF<100％일 필요가 있다. 충분히 광을 투과시키는 기능을 갖기 위해서 필팩터 FF는 바람직하게는 0.5 이하(50％ 이하)이다.
본 발명의 와이어 그리드 편광자는 원래의 와이어 그리드 편광자의 격자선 (2A)의 표면에 금속의 질화물, 금속의 비소화물, 금속의 인 화합물 및 금속과 안티몬의 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 반도체 화합물로 이루어지는 광 흡수층 (2B)가 적층되어 이루어진다.
여기서, 특정한 파장의 광에 대한 물질이 갖는 굴절률 nm은 실수부 nr와 허수부 nj로 이루어지고(nm=nr+i×nj, i는 허수 단위를 나타냄), 본원 실시예에서의 시뮬레이션에 있어서도, 반도체 화합물에 따른 nr과 nj를 선택하여 계산을 행하고 있다. 계산을 행하면 nj는 편광자의 격자선의 표면에서의 광의 반사의 억제에 크게 영향을 주는 것을 알았다.
예를 들면, 격자선 (2A)의 주기 PL=155 nm, 격자선 (2A)의 높이 d1=200 nm, 필팩터 FF=0.3, 격자선 (2A)가 형성되어 있는 기판 (1)의 굴절률 n=1.5로 하고, 입사광이 편광자 (10)의 면에 수직으로 입사하는(z축을 따라서 입사함) 것으로 하고, 격자선 (2A)의 표면에 형성한 반도체 화합물의 광 흡수층 (2B)의 두께 d2=80 nm로 하고, 그 반도체 화합물의 nj를 1로 하고, nr=1.8, nr=2.3, nr=2.8의 세가지로 변화시킨 경우에 있어서의 반사율을 계산한 결과는 도 1과 같이 되어, 파장 400 nm 내지 700 nm의 범위에서 반사율이 30％ 이하로 감소하는 것을 알았다. nr의 증가에 따라 반사율의 극소치를 제공하는 파장 λ가 커지지만, nr이 1.8 이상 2.8 이하의 사이에서는 반사율이 30％ 이하로 감소되어 있다.
따라서, 입사광의 파장 λ를 480 nm로 고정하고, nr을 2.5로 하고, 광 흡수층 (2B)의 두께 d2는 54 nm로 하고, nj 이외의 다른 조건은 상기와 마찬가지로 하여 nj를 변화시킨 경우의 TM(Transverse Magnetic; 횡방향 자계)파 성분(여기서는 P 편광 성분으로 함) 투과율과, TE(Transverse Electric; 횡방향 전계)파 성분(여기서는 S 편광 성분으로 함)의 반사율을 계산한 결과는 도 2과 같이 되어, 반사는 nj가 1이 되는 부근에서 가장 억제되는 것을 알았다.
또한, 예를 들면, 입사광의 파장 λ를 540 nm로 하고, nr을 3.5로 하고, 광 흡수층 (2B)의 두께 d2는 38 nm로 하고, nj를 변화시킨 경우의 P 편광 성분의 투과율과 S 편광 성분의 반사율을 계산한 결과는, 도 3과 같이 되어, 역시, 반사는 nj가 1이 되는 부근에서 가장 억제되는 것을 알 수 있다. 또한, d2는 정확하게는 38.571 nm인데, 소수점 이하의 수치를 잘라 버렸다.
광 흡수층(반도체 화합물)이 단층인 경우(dt=d2(도 10)의 경우), 입사광의 파장 λ, 광 흡수층의 굴절률의 실수부 nr, 또는 광 흡수층의 두께 dt에 크게 의존하지 않고, 허수부 nj가 1이 되는 부근에서 반사가 가장 억제된다.
광 흡수층(반도체 화합물)이 2층으로 이루어지는 경우(dt=d21+d22(도 11)의 경우), 입사광의 파장 λ, 광 흡수층의 굴절률의 실수부 nr, 또는 광 흡수층의 두께 dt에 크게 의존하지 않고, 광 흡수층의 제1층 (2B1)의 허수부 nj가 1.85가 되는 부근에서 반사가 가장 억제된다.
입사광의 파장 λ가 300 nm 이상 850 nm 이하의 범위에서, 실수부 nr이 1.8 이상 5.7 이하, 두께 dt가 10 nm 이상 80 nm 이하의 범위의 경우, 허수부 nj가 1인 근방에서, 특히 0.001 이상 3.0 이하의 범위에서 반사율이 낮게 된다.
가시광의 파장 영역(380 nm 내지 780 nm)에서, 두께 dt의 범위로서는 20 nm 이상 80 nm 이하가 바람직하고, 실수부 nr의 범위로서는 2.5 이상 5.7 이하가 바람직하다.　 nj의 범위로서는 0.001 이상 3.0 이하가 바람직하고, 0.2 이상 3.0 이하가 보다 바람직하고, 0.2 이상 2.1 이하가 더욱 바람직하고, 0.3 이상 1.9 이하가 보다 더욱 바람직하다.
또한, 반도체에 있어서는, 굴절률 nm의 실수부 nr은 허수부 nj보다도 커서, nr>nj가 되는 관계가 만족된다.
가시광의 파장역은 380 nm 내지 780 nm이므로, 파장 λ가 400 nm 이상 700 nm 이하인 광을 대상으로 하는 와이어 그리드 편광자의 경우에는, 가시광을 대상으로 하는 장치에 적용하는 것이 가능하다. 이 경우, 주기 PL은 입사광보다도 작은 것으로 하면 편광자의 기능을 발휘하며 주기 PL이 0이 되는 경우는 물리적으로 있을 수 없기 때문에, 격자선의 배열 주기 PL이 만족하는 범위는 가시광의 전체 파장역에 걸쳐 사용하는 경우에 0<PL<360 nm인 것이 바람직하다.
이와 같이 nj의 바람직한 범위를 반도체 화합물에 대해서 산출하면, 반도체 화합물로서는, 굴절률의 허수부 nj는 0.001 이상 3.0 이하가 바람직하고, 0.2 이상 3.0 이하가 보다 바람직하고, 0.2 이상 2.1 이하가 더욱 바람직하고, 0.3 이상 1.9 이하가 보다 더욱 바람직하다.
본 발명에 이용하는 반도체 화합물로서는, III-V족 화합물 반도체에 속하는 화합물 및 II-VI족 화합물 반도체에 속하는 화합물을 들 수 있고, III-V족 화합물 반도체에 속하는 화합물이 바람직하다.
III-V족 화합물 반도체에 속하는 화합물로서는, 구체적으로는 AlAs, GaAs, InGaAs, GaP, InP, GaN, InN, InGaN, AlN, AlGaN, GaSb, InGaSb, AlGaInP, AlGaAsP, InGaAsP, AlInAsP, AlGaAsN, InGaAsN, AlInAsN, GaAsSbN, GaInAsSbP를 들 수 있다. 그 중에서도, 격자선을 구성하는 금속에 적층하여 제조할 때 제조가 용이하다는 점과 가시광에 적합하다는 점에서, InGaAs, InGaN, AlGaN, InGaSb, InP, GaAs, GaSb, GaP가 보다 바람직하고, InGaAs, InGaSb, InP, GaP, GaSb가 더욱 바람직하다.
II-VI족 화합물 반도체에 속하는 화합물에 대해서, 그 구성 원소로서는 II족 원소로서 Mg, Zn, Cd, Hg를 들 수 있고, VI족 원소로서는 O, S, Se, Te를 들 수 있고, 이들을 조합한 화합물 반도체로서, ZnO, CdTe 또는 ZnSe 등이 알려져 있다.
본 발명에 이용하는 와이어 그리드는 공업적으로 통상 실시되고 있는 방법에 의해 투명한 기판 상에 금속의 선을 평행하게 형성함으로써 제조할 수 있다.
가시광에 대하여 투명한 기판 (1)로서는 유리(석영 유리, 불화칼슘 유리를 포함함), 사파이어, 수정, 수지(PMMA(폴리메틸메타크릴레이트), PET(폴리에틸렌테레프탈레이트), PC(폴리카보네이트), PS(폴리스티렌) 등)로 이루어지는 기판을 들 수 있다. 기판 재료의 굴절률의 바람직한 범위는 1.4 내지 1.9이다.
격자선 (2A)를 구성하는 금속선의 재료로서는, 알루미늄, 금, 은, 백금, 팔라듐, 니켈, 크롬, 망간, 티탄을 들 수 있고, 스테인리스, 하스텔로이, 두랄루민 등의 합금을 이용할 수도 있다.
투명한 기판 상에 금속의 선을 평행하게 형성하기 위해서는, 증착법이나 스퍼터링법 등의 방법을 사용할 수 있다. 즉, 투명한 기판 상에 스트라이프상의 라인 패턴을 포토레지스트로 형성하고, 이 위에 증착법이나 스퍼터링법으로 금속을 퇴적하고, 광 흡수층 (2B)의 형성 후에 포토레지스트를 제거하면 된다.
격자선이 되는 금속의 선 (2A)의 표면에 금속의 질화물, 금속의 비소화물, 금속의 인 화합물 및 금속과 안티몬의 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 반도체 화합물로 이루어지는 광 흡수층 (2B)를 적층하기 위해서는, 증착법이나 스퍼터링법 등의 방법을 사용할 수 있다. 즉, 상술한 스트라이프상의 라인 패턴 상에 금속층을 퇴적한 후, 이 위에 반도체 화합물층을 증착법이나 스퍼터링법으로 퇴적한 후, 포토레지스트를 제거하면 된다.
(실시예)
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위해서 실시예를 기술하는데, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다.
모든 실시예, 비교예에 있어서, 편광도의 광의 파장에 따른 변화를 계산기 시뮬레이션에 의해 구하였다. 계산에 이용한 프로그램은 발명자 등이 새롭게 제조한 FDTD(Finite Difference Time Domain; 유한 차분 시간 영역)법의 계산용의 프로그램으로서, 맥스웰(맥스웰)의 방정식을 풀어 시뮬레이션을 행하였다. 또한, 이 계산 결과를 시판되고 있는 시뮬레이션 소프트 「GSOLVER(Grating Solver Development Company; 그레이팅 솔버 디벨롭먼트 컴파니 제조)」로 확인한 바, 동일한 결과가 얻어졌기 때문에, 신뢰성이 얻어지는 연산이 행하여지고 있다는 것이 판명되었다.
FDTD법은 연산 대상이 되는 FDTD 영역을 복수의 셀로 분할하고, 맥스웰(Maxwell) 방정식 내의 공간 및 시간 미분을 유한 차분에 의해서 근사함으로써 맥스웰 방정식을 직접 푸는 하나의 연산 수법이다.　 광은 전자파로서 전계 성분 E와 자계 성분 H를 갖고 있고, 맥스웰 방정식은 이들 매개변수의 관계를 규정하고 있기 때문에, 맥스웰 방정식을 이용하여 광의 거동을 연산할 수 있다.　 FDTD법은, 예를 들면 일본 특허 공개 제2000-105259호 공보나 일본 특허 공개 제2000-227450호 공보에서 알려져 있고, 연산의 안정화를 목적으로 하여, 본 예에서는 일본 특허 공개 제2009-223669호 공보에 기재된 것을 이용했지만, 모두 맥스웰 방정식을 이용한 시뮬레이션이기 때문에 동일한 결과가 얻어진다.　
또한, 전계 성분 E가 얻어진 경우, 재료의 비유전율을 ε로 하면, 전속 밀도 D=εE로 주어지는데, ε=(nr+inj)2=1+ωp 2/(ω(-(i/τc)-ω))을 만족하고 있다.　 ω는 광의 각주파수, ωp는 플라즈마 각주파수, τc는 충돌 시간인데, ωp 및 τc는 드루드(Drude) 모델의 일차 특성 매개변수이다.　 플라즈마 각주파수 ωp는 금속 중의 광의 입사에 의해서 생긴 전계에 자유 전자의 진동이 추종할 수 없게 되는 한계의 주파수이다.　
또한, 실시예 및 비교예에 있어서의 굴절률의 데이터는 이하의 문헌에 기재된 것을 채용하였다.　 또한, 알루미늄의 굴절률은 이하의 문헌 (4)의 투과율 데이터를 일차의 드루드 모델에 피팅함으로써 일차의 드루드 매개변수(ωp=3.039×1016, τc=6.244×10-15 s)로부터 구하였다.　
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실시예 및 비교예에 있어서의 공통 조건으로서, 격자선 (2A)는 알루미늄으로 이루어지는 것으로 하고, 격자선 (2A)의 두께 d1=200 nm, 격자선 (2A) 및 이 위에 적층되는 광 흡수층 (2B)(2B1, 2B2)의 주기 PL=155 nm, 필팩터 FF=0.3으로 하였다. 기판 (1)의 굴절률 n=1.5, 재료는 유리이고, 시뮬레이션에서는 기판의 두께는 흡수 경계 조건을 사용하여 무한으로 하여 고정하였다.　 기판의 두께는 파장보다도 크고, 0.5 mm까지 되는 경우도 있다.
광은 공기 중을 투과하여, 편광자의 면(기판의 면)에 대하여 수직으로 입사하는 것으로 하였다. 편광도 η는 다음 수학식 1에 의해 산출하였다.
Figure pat00001
여기서, tp는 TM파 성분(여기서는 P 편광 성분으로 함)의 투과율, ts는 TE파 성분(여기서는 S 편광 성분으로 함)의 투과율이다. 또한, 1개의 격자선이 연장되는 방향은 TE파 성분의 진동 방향(x축 방향)에 일치하고 있는 것으로 한다.
(실시예 1)
도 10에 도시되는 구조에 있어서, InGaAs로 이루어지는 두께 d2=20 nm의 광 흡수층 (2B)를 격자선 (2A) 상에 적층한 경우에 대해서 계산하였다. 즉, 이하의 매개변수를 이용하였다.
Figure pat00002
결과를 도 4에 도시하였다. 도 4의 곡선의 a는 P 편광 성분의 투과율, b는 편광도, c는 P 편광 성분과 S 편광 성분의 합계의 반사율을 나타낸다. 전파장 영역에 걸쳐 반사가 억제되고, 특히 300 내지 500 nm에서 반사율은 10％ 이하로 저하하였다. 한편, P 편광 성분의 투과율은 전파장 영역에 걸쳐 80％ 이상이 되었다. 편광도는 300 내지 700 nm에서 0.986 내지 1.000이 되었다.
(실시예 2)
도 11에 도시되는 구조에 있어서, InGaSb로 이루어지는 두께 d21=20 nm의 광 흡수층 (2B1)과 InP로 이루어지는 두께 d22=20 nm의 광 흡수층 (2B2)를 이 순으로 격자선 (2A) 상에 적층하는 경우에 대해서 계산하였다. 즉, 이하의 매개변수를 이용하였다.
Figure pat00003
결과를 도 5에 도시하였다. 도 5의 곡선의 a는 P 편광 성분의 투과율, b는 편광도, c는 P 편광 성분과 S 편광 성분의 합계의 반사율을 나타낸다. 전파장 영역에 걸쳐 반사율은 10％ 이하라는 낮은 값으로 억제되었다. 한편, P 편광 성분의 투과율은 전파장 영역에 걸쳐 80％ 이상이 되었다. 편광도는 0.999 내지 1.000이 되었다.
(실시예 3)
도 10에 도시된 구조에 있어서, InP로 이루어지는 두께 d2=20 nm의 광 흡수층 (2B)를 격자선 (2A) 상에 적층하는 경우에 대해서 계산하였다. 결과를 도 6에 도시하였다. 즉, 이하의 매개변수를 이용하였다.
Figure pat00004
도 6의 곡선의 a는 P 편광 성분의 투과율, b는 편광도, c는 P 편광 성분과 S 편광 성분의 합계의 반사율을 나타낸다. 전파장 영역에 걸쳐 억제되고, 특히 300 내지 450 nm에서는 반사율은 10％ 이하로 저하하였다. 한편, P 편광 성분의 투과율은 전파장 영역에 걸쳐 70％ 이상이 되었다. 편광도는 300 내지 700 nm에서 0.984 내지 1.000이 되었다.
(실시예 4)
도 11에 도시된 구조에 있어서, GaSb로 이루어지는 두께 d21=20 nm의 광 흡수층 (2B1)과 GaP로 이루어지는 두께 d22=20 nm의 광 흡수층 (2B2)를 이 순으로 격자선 (2A) 상에 적층하는 경우에 대해서 계산하였다. 즉, 이하의 매개변수를 이용하였다.
Figure pat00005
결과를 도 7에 도시하였다. 도 7의 곡선의 a는 P 편광 성분의 투과율, b는 편광도, c는 P 편광 성분과 S 편광 성분의 합계의 반사율을 나타낸다. 전파장 영역에 걸쳐 억제되고, 특히 440 내지 640 nm에서는 반사율은 10％ 이하 440 nm 이하의 단파장 영역에서도 20％로 저하하였다. 한편, P 편광 성분의 투과율은 전파장 영역에 걸쳐 80％ 이상이 되었다. 편광도는 300 내지 700 nm에서 0.992 내지 1.000이 되었다.
(실시예 5)
GaAs로 이루어지는 두께 d2=20 nm의 광 흡수층 (2B)를 격자선 (2A) 상에 적층하는 경우에 대해서 계산하였다. 즉, 이하의 매개변수를 이용하였다.
Figure pat00006
결과를 도 8에 도시하였다. 도 8의 곡선의 a는 P 편광 성분의 투과율, b는 편광도, c는 P 편광 성분과 S 편광 성분의 합계의 반사율을 나타낸다. 전파장 영역에 걸쳐 억제되고, 특히 300 내지 460 nm에서는 반사율은 10％ 이하로 저하하였다. 한편, P 편광 성분의 투과율은 전파장 영역에 걸쳐 70％ 이상이 되었다. 편광도는 300 내지 700 nm에서 0.986 내지 1.000이 되었다.
이상, 광 흡수층 (2B)는 두께가 충분히 있는 경우에는 광을 흡수할 수가 있지만, 하한치로서 20 nm 이상의 두께가 있으면 적어도 80 nm 이하의 두께에서 굴절률이 2.5≤nr≤5.7, 0.001≤nj≤3.0이면, 가시광(파장 380 nm 내지 780 nm)에서 충분히 반사가 억제되고, 10 nm≤dt≤80 nm, 1.8≤nr≤5.7, 및 0.001≤nj≤3.0이면, 자외선부터 적외선의 범위(파장 300 nm 내지 850 nm)에서 충분히 반사가 억제된다. 또한, 광 흡수층 (2B)의 재료로서는, InGaAs, InGaSb, InP, GaSb, GaP, GaAs에 대한 반사율이 감소한다는 취지의 데이터가 나타내어졌는데, 이 외에 광 흡수층 (2B)의 재료로서 AlAs, GaN, InN, InGaN, AlN 또는 AlGaN을 이용한 경우에 있어서도, 자외선(파장이 380 nm 미만)의 영역에서 반사율을 30％ 이상 감소시킬 수 있다.

Claims (9)

  1. 기판 상에 격자선이 되는 다수의 금속의 선을 광의 파장보다 짧은 간격으로 평행하게 배치시켜 이루어지는 와이어 그리드 편광자로서, 격자선의 표면에 금속의 질화물, 금속의 비소화물, 금속의 인 화합물, 및 금속과 안티몬의 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 반도체 화합물로 이루어지는 층이 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
  2. 제1항에 있어서, 반도체 화합물의 굴절률의 허수부가 0.001 이상 3.0 이하인 와이어 그리드 편광자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 반도체 화합물이 AlAs, GaAs, InGaAs, GaP, InP, GaN, InN, InGaN, AlN, AlGaN, GaSb 및 InGaSb로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 반도체 화합물인 와이어 그리드 편광자.
  4. 투명 기판과,
    상기 투명 기판 상에 형성된 스트라이프상의 복수의 금속선과,
    상기 금속선 상에 형성된 광 흡수층을 구비하며,
    상기 광 흡수층은 반도체 화합물로 구성되고,
    상기 광 흡수층을 구성하는 상기 반도체 화합물은 상기 반도체 화합물의 굴절률 nm의 실수부를 nr, 허수부를 nj로 하고, i를 허수 단위로 하고, 굴절률 nm=nr+i×nj로 하며, 상기 광 흡수층의 두께를 dt로 한 경우, 이하의 관계식:
    10 nm≤dt≤80 nm
    1.8≤nr≤5.7,
    0.001≤nj≤3.0
    의 모두가 300 nm 이상 850 nm 이하의 파장 범위 내에서 만족하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 금속선의 상기 배열 주기를 PL로 한 경우, 0<PL<400 nm인 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    1개의 상기 금속선의 폭을 MW로 하고,
    상기 금속선의 면내의 충전율 FF=MW/PL로 하면,
    이하의 관계식:
    0<FF≤50％
    를 추가로 만족하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
  7. 투명 기판과,
    상기 투명 기판 상에 형성된 스트라이프상의 복수의 금속선과,
    상기 금속선 상에 형성된 광 흡수층을 구비하며,
    상기 광 흡수층은 반도체 화합물로 구성되고,
    상기 광 흡수층을 구성하는 상기 반도체 화합물은 상기 반도체 화합물의 굴절률 nm의 실수부를 nr, 허수부를 nj로 하고, i를 허수 단위로 하고, 굴절률 nm=nr+i×nj로 하며, 상기 광 흡수층의 두께를 dt로 한 경우, 이하의 관계식:
    20 nm≤dt≤80 nm
    2.5≤nr≤5.7
    0.001≤nj≤3.0
    의 모두가 380 nm 이상 780 nm 이하의 파장 범위 내에서 만족하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 금속선의 상기 배열 주기를 PL로 한 경우, 0<PL<400 nm인 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    1개의 상기 금속선의 폭을 MW로 하고,
    상기 금속선의 면내의 충전율 FF=MW/PL로 하면,
    이하의 관계식:
    0<FF≤50％
    를 추가로 만족하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
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