TWI828631B - 透過型導波模式共振格子一體型分光裝置及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提升一種透過型導波模式共振格子一體型分光裝置(透過型GMRG一體型分光裝置)，係在由半導體形成的基板上搭載有複數二極體的光檢測器陣列上，依序具有：透明間隙物層、導波層、適其需要設置的透明緩衝層、具有發現表面電漿子的厚度的透過型金屬格子層、及適其需要設置的透明保護膜。

Description

透過型導波模式共振格子一體型分光裝置及其製造方法
本發明依有關於用在光量測/分析、光資訊處理/顯示等的分光裝置及其製造方法。更詳言之，係有關於利用金屬薄膜表面的電漿子共振的透過型導波模式共振格子一體型分光裝置(透過型GMRG一體型分光裝置)及其製造方法。
從前的分光器以使用繞射格子的分光器為主流，因為需要用以分光的空間而小型化有極限。又從前的分光器，為了調整光軸需要人進行微調整，需花上成本。
近年，從Ebbesen等人發現表面電漿子造成的異常透過現象以來，利用金屬的奈米構造的電漿彩色濾光器的研究一直盛行(非專利文獻1)。 　　電漿彩色濾光器具有根據構造能夠製作各種濾光器、能將濾光器厚以數十奈米等級實現等，從前的利用色素的吸收的濾光器所沒有的各種優點。又近年提案有將奈米構造形成模具，對晶圓上的樹脂進行抵壓而形成圖案的奈米壓印技術，在生產性的面也能期待提升。
另一方面，作為新的光學元件，導波模式共振格子(Guided-mode resonant grating：GMRG)(非專利文獻2及非專利文獻3)受到注目。GMRG為子波長格子的波長選擇濾光器。在理論值中，窄頻帶具有100%的反射率。子波長格子為使繞射格子的週期低於光的波長以下者。抑制了繞射波的次數，只產生0次的透過波及反射波。GMRG藉由控制週期及格子寬度等能夠使反射率及透過率特性等變化，報告能應用於光通信用的波長選擇濾光器。GMRG形成的波長選擇元件，與從前的薄膜層積型波長選擇元件相比，以較少層積數表現出同等的波長選擇性，增加層積數而能實現更高度的光學設計。又，因為光學特性由格子週期及格子寬度決定，即便是相同高度的格子，根據格子的圖案化能將具有各種波長選擇特性的複數波長選擇元件在同一基板上總括製作。 [先前技術文獻] [非專利文獻]
[非專利文獻1] Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays”, Nature,Vol.391, 667-669, (1998) 　　[非專利文獻2] Control of optical transmission through metals perforated with subwavelength hole arrays”, Opt. Lett., 24, (1999) 256 　　[非專利文獻3] Reflection and transmission guided-mode resonance filters, Opt.Lett.,14, (2001) 1617
[發明所欲解決的問題]
本發明的課題為提供一種利用電漿子的透過型導波模式共振格子(透過型GMRG)一體型的分光裝置及其製造方法。 [解決問題的手段]
本發明者，就利用電漿子的導波模式透過型共振格子一體型的分光裝置，進行利用計算軟體的設計及製作的裝置的特性評價，得到能期待廣範圍的用途的結果而完成本發明。
亦即，本發明提案有以及的透過型導波模式共振格子一體型分光裝置(GMRG一體型分光裝置)、及其製造方法。 　　[1] 一種透過型導波模式共振格子一體型分光裝置(透過型GMRG一體型分光裝置)，係在由半導體形成的基板上搭載有複數二極體的光檢測器陣列上，依序具有：透明間隙物層、導波層、適其需要設置的透明緩衝層、具有發現表面電漿子的厚度的透過型金屬格子層、及適其需要設置的透明保護膜。 　　[2] 如前項1記載的透過型GMRG一體型分光裝置，其中，前述導波層的折射率，比包夾該導波層的前述透明間隙物層及前述透明緩衝層的折射率還大。 　　[3] 如前項1或2記載的透過型GMRG一體型分光裝置，其中，前述導波層的材料係由：氧化鉿(HfO2 )、氧化鋁(Al2 O3 )、氧化鎂(MgO)、氧化鋯(ZrO2 )、氧化鉭(Ta2 O5 )、氧化鈦(TiO2 )、及高折射率的聚合物中選擇出。 　　[4] 如前項1~3中任一項記載的透過型GMRG一體型分光裝置，其中，前述基板的材料係由：矽(Si)、Ge、InGaAs、GaN、GaAs、AlGaAs、GaAsP、GaP、CIS(由銅、銦、硒形成的化合物半導體)、及CIGS(由銅、銦、鎵及硒形成的化合物半導體)中選擇出。 　　[5] 如前項1~4中任一項記載的透過型GMRG一體型分光裝置，其中，前述基板為矽基板，前述透明間隙物層為SiO2 層，前述導波層為氧化鉿(HfO2 )層，前述透明緩衝層為SiO2 層。 　　[6] 如前項1~5中任一項記載的透過型GMRG一體型分光裝置，其中，前述透過型金屬格子層的金屬係由：金、銀、鋁、及銅中選擇出。 　　[7] 如前項1~6中任一項記載的透過型GMRG一體型分光裝置，其中，前述透過型金屬格子層的金屬為鋁(Al)，格子構造週期Λ為100~560nm，以Al點一邊的長度α相對於Λ之比表示的填充因子(FF)之值為0.4~0.95。 　　[8] 如前項1~7中任一項記載的透過型GMRG一體型分光裝置，其中，透明緩衝層為SiO2 層，其厚度(tb )為0~300nm。 　　[9] 一種製品，係搭載如前項1~8中任一項記載的透過型導波模式共振格子一體型分光裝置(透過型GMRG一體型分光裝置)。 　　[10] 一種如前項1~8中任一項記載的透過型導波模式共振格子一體型分光裝置(透過型GMRG一體型分光裝置)的製造方法，係製作前述光檢測器陣列，接著依序層積：形成於前述基板上的前述透明間隙物層、前述導波層、適其需要的前述透明緩衝層、前述透過型金屬格子層、及適其需要的前述透明保護膜。 　　[11] 一種如前項1~8中任一項記載的透過型導波模式共振格子一體型分光裝置(透過型GMRG一體型分光裝置)的製造方法，係製作前述光檢測器陣列，並另外製作在成為前述透明間隙物層的透明基板上依序層積：前述導波層、適其需要的前述透明緩衝層、前述透過型金屬格子層、及適其需要的前述透明保護膜而形成的透過型導波模式共振格子構造體，再將前述光檢測器陣列與前述透過型導波模式共振格子構造體的透明間隙物層接合。 　　[12] 如前項10或11記載的透過型GMRG一體型分光裝置的製造方法，包含：利用奈米壓印、步進器或電子束描繪形成前述透過型金屬格子層(GMRG)的格子圖案或其遮罩的工程。 　　[13] 一種透過型導波模式共振格子構造(透過型GMRG構造)，依序具有：透明基板、導波層、適其需要設置的透明緩衝層、具有發現表面電漿子的厚度的透過型金屬格子層、及適其需要設置的透明保護膜。 [發明的效果]
根據本發明，能夠實現與到目前為止的分光器不同等級的小分光器頭(能放在指尖左右的大小)，能實現可內藏於智慧手機的分光器。能比從前的彩色濾光器實現更多色，成為1/10左右的薄型，能以更高密度配置彩色濾光器。 　　本發明的分光器，因為與從前相比特別小型，且能以半導體微細加工技術低價地大量生產，智慧手機內藏、於穿戴式裝置的組入、機器人內藏等成為可能，各種物品能輕易地分光，能期待應用於各種領域的製品，例如測定血管的非侵襲健康監控、測定皮膚的皮膚保養及化粧的分析、食物的鮮度檢查、水質管理、藥物分析、糖尿病檢查、彩色印刷物及衣服的色分析/管理、顯示器及LED的色分析/管理、食品的安全/品質檢查、氣溶膠及氣體等大氣分析等。
以下，雖參照圖式詳細說明本發明的實施形態，但下記態樣為請求項中記載的範圍的例示，本發明不限於下記之例。
本發明係有關於一種透過型導波模式共振格子一體型分光裝置(透過型GMRG一體型分光裝置)，係在由半導體形成的基板上搭載有複數二極體的光檢測器陣列上，依序具有：透明間隙物層、導波層、適其需要設置的透明緩衝層、具有發現表面電漿子的厚度的透過型金屬格子層、及適其需要設置的透明保護膜。此外，前述複數表示搭載有較佳為2個以上、更佳為2~1000左右、或2~500左右個的二極體。 [GMRG一體型裝置的光學設計] (1)構造週期的設計 　　本發明的一實施態樣的構造的概略剖面圖示於圖1。圖中1為光感測器陣列(矽晶圓)、2為厚度tw 的HfO2 導波層、3為構造週期Λ、Al的點部的一邊長度α、厚度t的光濾光器層、4為厚度t3 的SiO2 間隙物層、5為適其需要設置的緩衝層(厚度tb )、6為厚度t2 的透明保護膜(SiO2 保護膜)。藉由以透明保護膜將金屬格子覆蓋，在層積其他光學濾波器時光學特性也不會受到影響，防止了接觸等造成的損傷。
HfO2 導波層的厚度tw 通常設定在10~500nm的範圍、較佳為20~250nm的範圍、更佳為50~150nm的範圍。前述導波層的厚度tw 超過500nm的話，會發生高次的傳遞模式，成為多重峰值的光譜，會有招致光學特性的劣化之虞。又，材料費及製作成本會上升，産業利用上不佳。圖18中，HfO2 導波層的厚度tw 設定成100nm的厚度。厚度tw 未滿10nm的話，在導波層傳遞的光的基本模式可能會有不存在之虞，作為導波層的機能降低。
透明SiO2 保護膜的厚度t2 能設定成較佳為0~0.1mm的厚度、更佳為設定成0~10μm、最期望為設定成0~1μm的範圍。保護膜的厚度t2超過0.1mm的話生產成本會提高。保護膜的形成例如除了實施態樣的濺鍍以外，適用以蒸鍍、CVD、旋轉塗佈膜、或特別準備的保護片材(或保護板)覆蓋金屬格子層的方法。一般從成本降低的觀點來看，厚度t2可以是1μm以下。若將保護膜以聚合物材料利用例如旋轉塗佈法形成時，100μm以下較佳。圖18中，厚度t2設定成50nm。
透過型金屬格子層的厚度t通常設定成1~500nm的範圍、較佳為1~100nm的範圍、更佳為10~100nm的範圍。
厚度t未滿1nm的話，會有維持金屬格子層的所期望的均勻性的製作變困難之虞，其結果會有表面電漿子效果降低之虞。厚度t超過500nm的話，材料費及製作成本提高，又產生厚度方向的表面電漿子模式而成為多重峰值的光譜，會招致光學特性的劣化。實施態樣例中厚度t設定成30nm。
圖1中，在鄰接的金屬格子層(光濾光器層)3(厚度t)的間隙中，以空隙或前述透明SiO2保護膜那種透明材質來填充。例如，在金屬格子層(光濾光器層)3(厚度t)的間隙以透明材質填充的構造的情形中，間隙物層(厚度t3)及厚度tb的透明保護膜層的材質以相同材質來形成也可以。又，填充該間隙的透明材質及透明保護膜層、厚度t3的材質及厚度tb層的材質分別以不同材料構成也可以。
光檢測器及形成於其上部的電漿彩色濾光器，可以覆蓋光感測器陣列的受光區域，以與光檢測器的受光區域為相同、或以更大的形狀形成也可以。本發明中，各彩色濾光器使用例如150μm角、光二極體的受光面積使用100μm角。
又，各彩色濾光器的尺寸通常為以5μm角~1mm角、較佳為以50~500μm角、更佳為以50~200μm角的範圍來選定。
各彩色濾光器的形狀除了正方形以外，也可以是長方形、圓形、楕圓形。尺寸可以適時地設計。
形成於光感測器陣列(矽晶圓)上的透明SiO2層的厚度t3通常使用以50nm以上的範圍、較佳為以100~1000nm的範圍、更佳為以100~500nm、又更佳為以100~300nm的範圍設定。厚度t3未滿50nm的話，通過從導波層2浸出的漸消散波在構成光檢測器的材質會有招來漏光、光學特性的劣化之虞。
又，為了降低在透明SiO2層內部的光的干涉、及光檢測器表面反射，透明SiO2層的厚度t3需要是50nm以上的膜厚。圖18中，厚度t3設定成150nm。
本構造中，填充因子(FF=α/Λ)藉由控制各層的厚度的值能夠議論濾光器特性。此外，當與光二極體一體化時，將間隙物的厚度t3適切地設定。
藉由RCWA(rigorous coupled-wave analysis)法依照圖1的計算模型，計算透過Si基板的透過光的比例，估算以本裝置得到的分光特性。使電場為x軸方向的光垂直入射，計算包含m次繞射光的全透過。計算中考慮的傅立葉級數展開的次數對x軸方向設為-6~6次、對y軸方向設為-6~6次、波長間隔設為1nm。作為設計值設為FF=0.8、t=30nm、t2 =50nm、t3 =150nm、tb =0nm，使Λ在250~450nm的範圍變化。圖2表示測定結果。這樣藉由構造週期能夠控制透過的峰值，能得到與透過型GMRG的原理一致的計算結果。又，將Λ以200~460nm的範圍將透過峰值位置相對於構造週期進行標記的圖形示於圖3。從圖形可以得知透過峰值與構造週期呈比例產生偏移。
(2)填充因子(FF)的設計 　　關於FF(a/Λ)所造成的透過峰值的舉動，計算使其變化成FF=0.6~0.9時，該透過峰值會如何變化。作為設計值，設為Λ=350nm、t=30nm、t2 =50nm、t3 =150nm、tb = 0nm。圖4表示測定結果。得知在FF=0.6~0.9的範圍具有透過峰值。又，雖得知透過峰值以外的透過能夠藉由使FF變大而降低，但同時因為透過峰值也變小，故有選定適切值的必要。在FF=0.75~0.85，透過峰值與透過峰值以外的透過之比為最大。作為設計值使用FF=0.8。
格子構造週期Λ通常設定成100~560nm的範圍、較佳為設定成140~540nm的範圍、更佳為設定成160~ 520nm的範圍。填充因子(FF)的值通常設定成0.4~0.95的範圍、較佳為設定成0.6~0.9的範圍、更佳為設定成0.7~0.85的範圍。
(3)緩衝層的設計 　　已知藉由緩衝層的厚度(tb )透過型GMRG能夠控制其透過峰值，相相對於緩衝層的厚度變化的0次光、1次光各透過光的比例表示於圖5、圖6。tb =0nm時，出現強的0次光的透過峰值，得知藉由使tb 變大透過峰值的寬度會變窄的樣子。本發明中，緩衝層的厚度(tb )設定成0~300nm的範圍、較佳為設定成0~200nm的範圍、更佳為設定成0~100nm的範圍。例如，在tb =0~100nm時出現透過峰值，得知其作為濾光器作用。但是，tb =100nm時有出現透過降到20%左右的情形。又，注目於1次光，得知藉由使tb 變大而透過增加的樣子。從該等結果，得知藉由將緩衝層的厚度適切地設為0~100nm，能得到更陡的透過峰值。
[石英基板上的GMRG的製作] (1)石英基板上的GMRG的透過特性 　　實際在製作GMRG一體型裝置前在石英基板上製作GMRG，能夠測定濾光器的透過特性藉此，從計算值與實測值的比較，能夠表示出設計的有意性。圖7表示計算模型。使電場為x軸方向的光垂直入射，計算包含m次繞射光的全透過。計算中考慮的傅立葉級數展開的次數對x軸方向設為-6~6次、對y軸方向設為-6~6次、波長間隔設為1nm。作為設計值設為FF=0.75、t=30nm、t2 =50nm、tb =0nm，使Λ在250~450nm的範圍變化。圖8表示計算結果。得知對應構造週期透過峰值呈現偏移的樣子。圖9表示將該透過峰值位置相對於構造週期進行標記。可以確認到透過峰值與構造週期呈比例產生偏移。
又作為參考，濾光器的0次反射率與吸收率示於圖10、圖11。Al的吸收在波長全域有20%左右。又，得知反射率為最大80%左右與對透過沒幫助的光的大多數作為反射光被放出。
(2)製作 　　在石英基板上製作GMRG。圖12表示製作工程。又，以下表示詳細條件。 　　(a)使用厚度500μm的石英基板。藉由食人魚(Piranhia)洗淨進行金屬及有機物的汙染的除去。 　　(b)~(c)藉由電子線蒸鍍將HfO2 以100nm、藉由濺鍍將Al以30nm成膜。 　　(d)~(e)藉由電子線描繪將奈米點陣列構造圖案化、藉由高速原子線(Fast Atom Beam：FAB)進行Al的蝕刻。條件設為與Al濾光器製作時為相同的條件。 　　(f)利用濺鍍，進行50nm厚度的SiO2 保護膜的濺鍍。
(3)製作結果(FF=0.75) 　　圖13表示製作的GMRG的透過顯微鏡像與SEM像。構造以高精度製作，能夠觀察到透過光對應構造週期發生變化的樣子。又使用分光器進行可見光域中的透過率的測定。作為條件測定從基板側，將隨機的偏光白色光向濾光器垂直入射時的特性。又，參照設為玻璃載台。結果顯示於圖14。又，與透過峰值位置的計算值間的比較示於圖15。從透過特性，能夠確認到對應構造週期能夠控制透過峰值的特性。又，與該峰值位置的計算值間的偏差為50nm以下，能夠高精度製作。不過，透過率比計算值還低20%左右，應該是在計算模型與實際的模型之間有折射率等的誤差。又，與Al濾光器的透過特性相比，透過峰值以外的透過被抑制到很小，確認到作為強的0次光的透過被觀測到。藉此設置導波路層，得到利用與Al濾光器不同的導波模式共振的共振透過，又即便偏光方向為隨機，其結果與計算值高精度地一致，確認到分光精度的高度。
(4)製作結果(與FF=0.6、0.7、0.8的比較) 　　為了調查FF造成的透過特性的變化作為實測值會以何種方式呈現，製作FF=0.6、0.7、0.8時的GMRG。該透過特性的比較示於圖16。又作為參考RCWA法的計算值示於圖17。藉由使FF變大，能確認到與透過峰值為更清楚的設計相同的結果。
[GMRG一體型裝置的製作]。 　　(1)在石英基板上製作GMRG，能確認到與設計相同的濾光器特性。藉此因為能夠實證設計的有意性，藉由實際在光二極體陣列上製作而進行分光裝置的製作。
(2)GMRG一體型裝置的製作工程示於圖18。 　　(a)使用n-Si基板(晶圓)藉由RCA洗淨及氫氟酸將晶圓洗淨(晶圓：N-214、厚度：400±25μm、電阻率：1~5ohm・cm、結晶軸：＜100＞、摻雜物：P) 　　(b)以FAB(高速原子線)將Si蝕刻形成對準標記。 　　(c)將TEOS(Si(OC2 H5 )4 )CVD(chemical vapor deposition)形成的SiO2 保護膜以5nm成膜。 　　(d)為了電極的連接形成n+ 區域(990μm×990μm)。用以下的條件將P離子注入(利用東北大學微系統融合研究開發中心的離子注入裝置(日新離子機器NH-20SR)；離子源：P、劑量：2×1015 ion/cm2 、加速電壓：50kV、注入角度：7°) 　　(e)為了形成p-Si而進行B的離子注入(以中電流型離子注入裝置(ULVAC製，在東北大學微奈米機器研究教育中心測定；離子源：B+ 、劑量：2×1014 ion/cm2 、加速電壓：100kV、注入角度：7°) 　　(f)藉由退火，進行結晶的回復(利用東北大学微系統融合研究開發中心的RTA裝置(Ag Associates AG4100)；環境置換：N2 、溫度：1000℃、時間：30sec)
(g)~(h)藉由TEOSCVD將SiO2 的間隙物以150nm成膜(g)。接著藉由電子線蒸鍍(EBevaporation)將HfO2 以100nm成膜(h)。 　　(i)設置緩衝層時將SiO2 以50nm成膜。 　　(j)進行接觸孔部分的SiO2 、HfO2 的蝕刻。接觸孔的尺寸為n+ -Si部分為990μm×990μm、p-Si部分為20μm×20μm。以FAB將HfO2 蝕刻，間隙物部分的SiO2 藉由BHF(Buffered Hydrogen Fluoride)濕式蝕刻。 　　(k)將電極及配線Al-Si(1%)藉由濺鍍以400nm成膜、藉由濕式蝕刻圖案化。 　　(l)藉由濺鍍將Al以30nm成膜，藉由電子束描繪(Electron beam(EB)lithography)將奈米點陣列構造的溝圖案化，藉由FAB蝕刻(條件與在石英基板上的製作相同。) 　　(m)~(n)將SiO2 保護膜藉由濺鍍以50nm成膜(m)、將電極墊片部分的SiO2 蝕刻(n)。
(3)製作結果 　　製作的裝置的陣列部分(5×5)照片示於圖19。製作的濾光器為FF(=α/Λ)=0.8、構造週期為220~460nm(10nm刻痕)的25圖案。濾光器對應圖中的(a)~(y)。又，為了FF的比較，也製作FF=0.75、0.85時的濾光器。圖20表示各陣列部分(3×3)的照片。構造週期為250~425nm(25nm刻痕)的8圖案。濾光器對應圖中的(1)~(8)、(1’)~(8’)。又各1圖案成為沒有濾光器的部分((9)、(9’))。又將各濾光器的SEM像表示於圖21、圖22、圖23。得知以高精度製作構造，藉由構造週期能得到不同的反射光。
(4)光二極體的IV特性 　　利用半導體參數分析儀，測定製作的光二極體的IV特性。此外，測定濾光器成膜前的IV特性。測定的代表的IV特性示於圖24。在所有圖案中，藉由光的入射，能夠觀測到二極體特性向負方向偏移的光電流。雖確認到在0V附近電流難以流動，但藉由測定逆偏壓的電流值能夠測定分光感度特性。
(5)波長感度特性的測定(FF=0.8) 　　利用光研工業(株)的單色儀(SG-100)，對裝置將400~ 700nm波長的光以每10nm入射，將在各波長的IV特性藉由半導體參數分析儀記錄。利用施加逆偏壓-4V時的電流值時的分光感度特性表示於圖25。確認到透過峰值藉由構造週期被控制的樣子。
又，為了測定更廣頻帶的資料，利用分光計器(CEP-25BXS廣頻帶分光感度測定裝置)測定分光感度特性。測定波長域為300~1200nm、測定解析度為10nm。圖26表示測定到的波長感度特性。作為比較也揭載無濾光器的光二極體的波長感度特性。從圖中，在透過峰值中與無濾光器時的感度相比，能夠確認到最大70%左右的感度。又，將能夠確認的峰值位置與計算值間的比較表示於圖27。峰值位置的偏差為50nm以下，能夠高精度地控制裝置的波長感度。
(6)波長感度特性的測定(FF=0.75、0.85) 　　FF的控制在透過峰值的比例與在透過峰值以外的透過光成為取捨關係，需要適切地設定。在FF=0.75~0.85透過峰值與透過峰值以外的透過之比成為最大的最適值已於先前敍述。為了進行該等值的比較，測定FF=0.75、0.85的光二極體陣列的波長感度特性。圖28、圖29分別表示FF=0.75、0.85的波長感度特性。又，Λ=350nm中的FF造成的波長感度特性的比較的樣子表示於圖30。比較該等後，得知在波長或全體感度為FF=0.75者較高，但透過峰值的頻帶寬度為FF=0.85者成為窄頻帶。該結果與計算結果一樣，表現出設計的有意性。
(7)分光特性 (i)入射光的分光特性再構成的原理 　　來自各光感測器的輸出信號，成為在各光二極體受到的能量光譜的積算量，無法將輸出信號分離成各光譜的成分。因此，為了從輸出信號將輸入光的分光特性再構成，需要輸出信號間的演算。為了解出從輸出信號求出輸入信號(入射光的分光光譜)的逆問題，使用吉洪諾夫正規化法(Thikonov regularization)進行分光特性的算出(Parameter Estimation and Inverse Problems, Elsevier Academic (2005)、計算力學與CAE系列10逆問題，培風館(1992))
考慮由n個光感測器構成的分光裝置。各光感測器的光電流為使入射光的分光特性與光感測器的波長感度特性之積與波長相關並積分的值，以行列式如次式(1)來表示。O為在光感測器的光電流[A]的1×n的列向量、S為在光感測器的波長感度特性[A/W]的n×m的行列、I為在入射光的分光特性[W]的1×m的列向量。此外，將分光波長範圍進行m分割。現在，欲將O與S實驗地量測求出I。為了解該逆問題，利用由吉洪諾夫正規化法求出的行列M，從次式(2)的關係算出I。M為m×n的行列。又，因為分光特性不可能會成為負的值，加入以下的式(3)條件。藉由解式(2)及式(3)來算出分光特性。
(ii)入射光的分光特性評價 　　因為在製作的裝置中能夠求出波長感度特性，將光入射至裝置時，輸入光的分光評價理論上是可能的。在這裡採用的波長感度特性為FF=0.8的25圖案的特性，波長範圍限於400~700nm的可見光域。作為實驗法，使用單色儀式分光光源(SG-100，光研工業(株))入射450、500、550、600、650nm的單色光時，利用以裝置得到的各畫素的電流值，利用吉洪諾夫正規化法(Thikonov regularization)進行入射光譜的再構成求出分光特性。得到的輸入光的分光特性示於圖31。作為比較，將以市售的分光器(Ocean optics)測定到的分光特性以虛線表示。由吉洪諾夫正規化法得到的分光特性的峰值位置與由市售的分光器得到的分光特性的峰值位置相當一致，得到與期望相同的結果。但是在藍色區域中算出的精度變低，可能與裝置的波長感度在藍色區域低而濾光器的精度低有關係。
在本發明中，用於以前述方法製作的裝置金屬格子層的俯視圖的一例示於圖32。電漿彩色濾光器的金屬格子層的上面構造以2維週期的點陣列構成。其中2維週期可以是正方配列或三次旋轉對稱配列(蜂巢構造)。作為點的形狀，例如雖以正方形構成，但除此之外是圓形、三角形形狀也可以。再來，點的反轉構造(亦即，在金屬薄膜週期地挖出正方形、丸形狀、三角形狀的孔的構造)也可以。 　　又，表示各透過型GMRG陣列與光檢測器陣列的關係的分光裝置的一例的概念圖示於圖33(a)。圖33(a)中，在2×2個各光二極體上配置複數形成有分光特性不同的透過型GMRG構造的分光感度特性不同的光感測器。入射光藉由彩色濾光器分光並入射光二極體，將光二極體的輸出信號依序讀出並藉由計算處理算出入射光的分光特性。圖33(b)表示在光二極體上形成的透過型GMRG構造1元件分，亦即光感測器單體的一例的剖面圖。在Si光二極體上隔著間隙物形成透過型GMRG構造。
(8)整理 　　藉由將Si光二極體陣列與GMRG一體化，製作分光裝置。該波長感度特性的峰值位置與設計值高精度地一致，確認到GMRG造成的分光。又，對裝置入射單色光時，從得到裝置的應答進行輸入光的算出實驗。算出的輸入光的峰值位置高精度地一致。 　　上述裝置的分光特性能夠得到與由RCWA法得到的設計值接近的結果，實證了看準濾光器陣列與光二極體陣列的一體化的設計的有意性。又實證了濾光器精度提升造成的分光特性的算出精度的提升。
關於本發明的透過型導波模式共振格子一體型分光裝置及其製造方法，雖參照圖式說明實施的態樣，但本發明並不限於上述之例。 　　關於透過型導波模式共振格子一體型分光裝置(透過型GMRG一體型分光裝置)的製造方法，雖基於圖18說明在由半導體形成的基板上搭載有複數二極體的光檢測器陣列(在矽基板搭載複數二極體的光二極體)上，依序層積：透明間隙物層(SiO2 層)、由HfO2 構成的導波層、適其需要的透明緩衝層、具有發現表面電漿子的厚度的透過型金屬(Al)格子層、及適其需要的透明保護膜的方法，但製作光檢測器陣列，並另外製作在成為前述透明間隙物層(SiO2 層)的透明基板上依序層積：導波層、適其需要的透明緩衝層、透過型金屬(Al)格子層、及適其需要的前述透明保護膜而形成的透過型導波模式共振格子構造體，再將前述光檢測器陣列與前述透過型導波模式共振格子構造體的透明間隙物層接合來製造也可以。
在透過型導波模式共振格子一體型分光裝置(透過型GMRG一體型分光裝置)的製造方法中，金屬格子層(GMRG)，例如能夠利用奈米壓印、步進器(縮小投影型曝光裝置)或電子束描繪形成格子圖案或其遮罩方法形成。 　　在透過型GMRG一體型分光裝置的製造方法中，基板、導波層、透明SiO2 層的蝕刻，除了實施態樣記載的FAB以外，也能夠以離子研磨、反應性離子蝕刻、濕式蝕刻等進行。 　　導波層的材料為比其上下的透明層的折射率還高的材料即可。除了實施態樣記載的HfO2 以外， 例如可以是Al2 O3 、MgO、ZrO2 、Ta2 O5 、TiO2 、高折射率的聚合物。作為高折射率聚合物，例如可以是折射率比1.5還高的聚合物，再來也可以是化學式中含有硫含有置換基(硫醚、砜、噻吩、噻二唑、噻吩等)的公知的高折射率聚合物。
包夾導波層的厚度t3 及厚度tb 的層的材質，可以是透明且折射率比導波層還低者。除實施態樣記載的SiO2 以外，例如可以是MgF2 、氮化矽(Si3 N4 及SiN)、酸氮化矽(SiON)、碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、聚合物(PMMA；Polymethyl methacrylate等)、光阻、EB(電子線)阻、聚乙烯、聚丙烯、環烯烴、PDMS(聚二甲基矽氧烷)等。 　　作為使用於透過型金屬格子層的金屬之例，可以是金、銀、鋁、銅。其中較佳為銀及鋁，考慮成本面的話鋁較佳。
又，關於構成光檢測器的材料(基板)，也不限於實施態樣記載的將可見光作為對象的矽材料，用紫外、近紅外、紅外等其他波長區域的光二極體、熱電偶、熱電堆、輻射熱測定計、熱敏電阻、焦電元件、電容麥克風型氣動檢出元件、戈萊單元型氣動檢出元件也可以實施。如作為具體的材料，例如，可以是Ge、InGaAs、PbS (硫化鉛)、InAs、InAsSb、InSb、GaN、GaAs、AlGaAs、GaAsP、GaP、InP、GaSb、CIS(由銅、銦、硒形成的化合物半導體)、CIGS(由銅、銦、鎵及硒形成的化合物半導體)、HgCdTe、PbSe等。 　　作為前述基板，可以由矽(Si)、Ge、InGaAs、GaN、GaAs、AlGaAs、GaAsP、GaP、CIS(由銅、銦、硒形成的化合物半導體)、及CIGS(由銅、銦、鎵及硒形成的化合物半導體)中選擇出。 　　再來，光二極體用的電極及配線的材質除了實施態樣記載的Al-Si以外，金、銀、銅、鋁、高摻雜矽等具有流動電流性質者即可。
以上就本發明的透過型GMRG一體型分光裝置進行說明，但在光檢測器陣列上構築的新穎的透過型導波模式共振格子構造可以作為各種用途的彩色濾光器等利用。亦即，依序具有：透明基板、導波層、適其需要設置的透明緩衝層、具有發現表面電漿子的厚度的透過型金屬格子層、及適其需要設置的透明保護膜的透過型導波模式共振格子構造(透過型GMRG構造)也包含於本案發明中。
1‧‧‧光感測器陣列(矽晶圓)2‧‧‧HfO2導波層3‧‧‧光濾光器層4‧‧‧SiO2間隙物層5‧‧‧緩衝層6‧‧‧SiO2保護膜
[圖1] 本發明的GMRG一體型分光裝置的構造的一例的概略剖面圖。 　　[圖2] 表示透過Si光二極體的全透過光的比例的計算值(FF=0.8、t=30nm、t2 =50nm、t3 =150nm、tb =0nm)。 　　[圖3] 表示相對於構造週期的透過峰值的位置(FF= 0.8、t=30nm、t2 =50nm、t3 =150nm、tb =0nm)。 　　[圖4] 表示透過Si光二極體的全透過光的FF造成的變化(Λ=350nm、t=30nm、t2 =50nm、t3 =150nm、tb =0nm)。 　　[圖5] 表示透過Si光二極體的0次繞射光的比例(Λ= 300nm)。 　　[圖6] 表示透過Si光二極體的1次繞射光的比例(Λ= 300nm)。 　　[圖7] 表示石英基板上濾光器的計算模型的一例。 　　[圖8] 表示石英基板上GMRG的透過率的計算值(0次光)。 　　[圖9] 表示相對於構造週期(格子週期)的透過峰值波長的關係。 　　[圖10] 表示石英基板上GMRG的透過率的計算值(0次光)。 　　[圖11] 表示石英基板上GMRG的吸收率的計算值。 　　[圖12] 表示石英基板上的GMRG的製作工程的一例。 　　[圖13] 表示石英基板上的GMRG的透過顯微鏡像與SEM像。(a)Λ=250nm、(b)Λ=350nm、(c)Λ=350nm、(d)Λ= 400nm、(e)Λ=450nm) 　　[圖14] 表示GMRG的透過特性。 　　[圖15] 表示相對於格子週期的透過峰值波長的測定值(■)與計算值(◇)的比較。 　　[圖16] 表示GMRG的透過特性的FF造成的變化的實測值(Λ=350nm)。 　　[圖17] 表示GMRG的透過特性的FF造成的變化的計算值(Λ=350nm)。 　　[圖18] 表示GMRG一體型裝置的製作工程的一例。 　　[圖19] 製作的裝置的照片例(FF=0.8)。 　　[圖20] (A)為陣列部分的顯微鏡像的一例(FF=0.75)、(B)為陣列部分的顯微鏡像的一例(FF=0.85)。 　　[圖21] 製作的裝置的照片例(FF=0.8)。(a)Λ=220nm、(b)230nm、(c)240nm、(d)250nm、(e)260nm、(f)270nm、(g)280nm、(h)290nm、(i)300nm、(j)310nm、(k)320nm、(l)330nm、(m)340nm、(n)350nm、(o)360nm、(p)370nm、(q)380nm、(r)390nm、(s)400nm、(t)410nm、(u)420nm、(v)430nm、(w)440nm、(x)450nm、(y)460nm 　　[圖22] 製作的裝置的照片例(FF=0.75)。(1)Λ=250 nm、(2)275nm、(3)300nm、(4)325nm、(5)350nm、(6)375nm、(7)400nm、(8)425nm 　　[圖23] 製作的裝置的照片例(FF=0.85)。(1’)Λ=250 nm、(2’)275nm、(3’)300nm、(4’)325nm、(5’)350nm、(6’)375nm、(7’)400nm、(8’)425nm 　　[圖24] 表示製作的光二極體的IV特性例的(圖19中(p)的光二極體) 　　[圖25] 表示製作的裝置的波長感度特性的一例(波長範圍：400~700nm)。 　　[圖26] 表示製作的裝置的波長感度特性的一例(波長範圍：300~1200nm)。 　　[圖27] 表示峰值波長對格子週期的波長感度特性的實測值(◆)與計算值(□)的比較。 　　[圖28] 表示製作的裝置的波長感度特性的一例(FF= 0.75)。 　　[圖29] 表示製作的裝置的波長感度特性的一例(FF= 0.85)。 　　[圖30] 比較FF=0.75、0.8、0.85中的波長感度特性的圖形(Λ=350nm)。 　　[圖31] 表示藉由本發明的裝置再構成的入射光的分光特性(圖中的實線)與以市售的分光器測定到的入射光的分光特性(圖中的虛線)的比較。 　　[圖32] 表示透過型金屬格子層的俯視圖的一例。 　　[圖33]表示各彩色濾光片陣列與光檢測器陣列的關係的分光裝置的概念的斜視圖(a)及側剖面圖(b)。
1‧‧‧光感測器陣列(矽晶圓)
2‧‧‧HfO2導波層
3‧‧‧光濾光器層
4‧‧‧SiO2間隙物層
5‧‧‧緩衝層
6‧‧‧SiO2保護膜

Claims (13)

  1. 一種透過型導波模式共振格子一體型分光裝置，係在由半導體形成的基板上搭載有複數二極體的光檢測器陣列上，與該光檢測器陣列接觸，依序具有：透明間隙物層、導波層、及具有發現表面電漿子的厚度的透過型金屬格子層；前述透過型金屬格子層由金屬構成。
  2. 如請求項1記載的透過型導波模式共振格子一體型分光裝置，其中，在前述導波層與前述透過型金屬格子層之間，具有透明緩衝層。
  3. 如請求項1或2記載的透過型導波模式共振格子一體型分光裝置，其中，前述導波層的折射率，比包夾該導波層的前述透明間隙物層及前述透明緩衝層的折射率還大。
  4. 如請求項1或2記載的透過型導波模式共振格子一體型分光裝置，其中，前述基板為矽基板，前述透明間隙物層為SiO2層，前述導波層為氧化給(HfO2)層，前述透明緩衝層為SiO2層。
  5. 如請求項1或2記載的透過型導波模式共振格子一體型分光裝置，其中，在前述透過型金屬格子層上具有透明保 護層。
  6. 如請求項1或2記載的透過型導波模式共振格子一體型分光裝置，其中，前述導波層的材料係由：氧化鉿(HfO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鎂(MgO)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鉭(Ta2O5)、氧化鈦(TiO2)、氮化矽(Si3N4及SiN)、酸氮化矽(SiON)、碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、及高折射率的聚合物中選擇出。
  7. 如請求項1或2記載的透過型導波模式共振格子一體型分光裝置，其中，前述基板的材料係由：矽(Si)、Ge、InGaAs、GaN、GaAs、AlGaAs、GaAsP、GaP、CIS(由銅、銦、硒形成的化合物半導體)、及CIGS(由銅、銦、鎵及硒形成的化合物半導體)中選擇出。
  8. 如請求項1或2記載的透過型導波模式共振格子一體型分光裝置，其中，前述透過型金屬格子層的金屬係由：金、銀、鋁、及銅中選擇出。
  9. 如請求項1或2記載的透過型導波模式共振格子一體型分光裝置，其中，前述透過型金屬格子層的金屬為鋁(Al)，格子構造週期A為100~560nm，以Al點一邊的長度α相對於Λ之比表示的填充因子(FF)之值為0.4~0.95。
  10. 一種製品，係搭載如請求項1~9中任一項記載的透過型導波模式共振格子一體型分光裝置。
  11. 一種如請求項1記載的透過型導波模式共振格子一體型分光裝置的製造方法，係製作前述光檢測器陣列，接著在前述光檢測器陣列上，與該光檢測器陣列接觸，依序層積：前述透明間隙物層、前述導波層、及前述透過型金屬格子層。
  12. 一種如請求項1記載的透過型導波模式共振格子一體型分光裝置的製造方法，係製作前述光檢測器陣列，並另外製作在成為前述透明間隙物層的透明基板上依序層積：前述導波層、及前述透過型金屬格子層而形成的透過型導波模式共振格子構造體，再將前述光檢測器陣列與前述透過型導波模式共振格子構造體的透明間隙物層接合。
  13. 如請求項11或12記載的透過型導波模式共振格子一體型分光裝置的製造方法，包含：利用奈米壓印、步進器或電子束描繪形成前述透過型金屬格子層(GMRG)的格子圖案或其遮罩的工程。
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