WO2020255357A1 - 反射光学素子 - Google Patents

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WO2020255357A1
WO2020255357A1 PCT/JP2019/024588 JP2019024588W WO2020255357A1 WO 2020255357 A1 WO2020255357 A1 WO 2020255357A1 JP 2019024588 W JP2019024588 W JP 2019024588W WO 2020255357 A1 WO2020255357 A1 WO 2020255357A1
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WO
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lattice
optical element
laminated structure
electromagnetic wave
reflective optical
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PCT/JP2019/024588
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新平 小川
政彰 嶋谷
昌一郎 福島
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三菱電機株式会社
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    • G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors

Definitions

  • the present invention relates to a reflective optical element.
  • LiDAR Light Detection and Langing
  • ADAS advanced driver assistance systems
  • LiDAR mainly consists of a laser light source, a mechanically driven mirror and a detector.
  • Mechanically driven mirrors have problems in that the operating speed is slow and the range of reflection angles is narrow. Further, a detector is required separately from the mirror, and there is a problem that the system becomes large. Therefore, a method that does not use a mechanically driven mirror has been proposed.
  • Patent Document 1 proposes a light modulation element having a metal-insulator-metal (MIM) structure. In this light modulation element, the refractive index is modulated by applying a voltage to the insulating film, and the phase of the reflected light is topologically controlled, so that the reflection angle of the reflected light can be changed.
  • MIM metal-insulator-metal
  • a light modulation element having a metal-insulator-metal (MIM) structure In a light modulation element having a metal-insulator-metal (MIM) structure, higher-order diffracted light is likely to be generated due to the structure of the insulator. As a result, the intensity of the reflected light may decrease.
  • MIM metal-insulator-metal
  • the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a reflective optical element capable of changing the reflection angle of the reflected light without weakening the intensity of the reflected light. That is.
  • the reflective optical element according to the present invention is a reflective optical element capable of changing the reflection direction of an incident electromagnetic wave, and has an insulator, a laminated structure portion, an electrode portion, and a reflecting plate.
  • the insulator has a first main surface and a second main surface facing each other.
  • the laminated structure portion is arranged on the side of the first main surface with respect to the insulator.
  • the electrode portion is electrically connected to the laminated structure portion and a voltage is applied.
  • the reflector is arranged on the side of the second main surface with respect to the insulator.
  • the laminated structure portion includes a plurality of laminated structures including one or more first laminated structures and one or more second laminated structures.
  • the first laminated structure has a first width in the first direction and extends in a second direction intersecting the first direction.
  • the second laminated structure is arranged at a distance from the first laminated structure in the first direction, has a second width in the first direction, and extends in the second direction.
  • a dielectric layer and a first two-dimensional material layer are laminated in each of the plurality of laminated structures.
  • the electrode portion includes a plurality of electrodes including a first electrode and a second electrode.
  • the first electrode is electrically connected to the first two-dimensional material layer in the first laminated structure, and a first voltage is applied.
  • the second electrode is electrically connected to the first two-dimensional material layer in the second laminated structure, and a second voltage is applied.
  • the first laminated structure and the second laminated structure are arranged at intervals.
  • a first voltage is applied to the first two-dimensional material layer in the first laminated structure
  • a second voltage is applied to the first two-dimensional material layer in the second laminated structure.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing one step of a method for manufacturing a reflective optical element in the same embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 5 in the same embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 6 in the same embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 7 in the same embodiment.
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing a reflection optical element according to a modification.
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing a reflection optical element according to another modification in the same embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing another example of the reflective optical element in the same embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing still another example of the reflective optical element in the same embodiment.
  • FIG. 5 is a partial perspective view showing still another example of the reflective optical element in the same embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of a reflective optical element according to a third embodiment. The figure including the graph for demonstrating the effect of the reflection optical element in the same embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing another example of the reflective optical element in the same embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing still another example of the reflective optical element in the same embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 23 in the same embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 24 in the same embodiment.
  • the plan view which shows an example of the reflection optical element which concerns on Embodiment 6.
  • the cross-sectional view taken along the cross-sectional line XXVII-XXVII shown in FIG. 26.
  • the reflection optical element will be described using a graphene layer as one of the two-dimensional material layers, but variations of the two-dimensional material layer will be described later.
  • the reflective optical element reflects electromagnetic waves using the resonance phenomenon.
  • Resonance phenomena include plasmon resonance phenomena, pseudo-surface plasmon resonance phenomena, metamaterials or plasmonic metamaterial phenomena. These resonance phenomena are treated in the same way from the viewpoint of the effect of the phenomenon, without distinguishing them by name. These phenomena are called surface plasmon resonance, plasmon resonance, or simply resonance.
  • the plasmon resonance phenomenon is a surface plasmon resonance phenomenon or the like, which is an interaction between a metal surface and light.
  • the pseudo-surface plasmon resonance phenomenon is a resonance phenomenon related to a metal surface due to an electromagnetic wave having a wavelength near terahertz, in particular, other than visible light and infrared light.
  • a phenomenon caused by a metamaterial or a plasmonic metamaterial is a resonance phenomenon caused by manipulating an electromagnetic wave having a specific wavelength by a structure having a size equal to or smaller than the wavelength of the electromagnetic wave.
  • the reflection optical element a structure provided with an electromagnetic wave detection unit having a source electrode and a drain electrode and a structure in which a reflection plate is applied as a back gate will be described, but a 4-terminal electrode structure, a top gate structure, etc. It can also be applied to a reflection optical element having the above electrode structure.
  • FIG. 1 schematically shows the basic structure of the reflective optical element 1.
  • the reflective optical element 1 includes an insulating layer 3 as an insulator, a lattice group 5 as a laminated structure portion, a reflector 21, and a voltage applying portion 23 for applying a voltage to the lattice group 5.
  • the lattice group 5 is formed on one main surface side with respect to the insulating layer 3.
  • the lattice group 5 is composed of a plurality of lattices 7 including the lattice 7i and the lattice 7j.
  • Each of the plurality of lattices 7 has a structure in which a dielectric layer 11 and a graphene layer 13 as a two-dimensional material layer are laminated as a laminated structure.
  • the voltage application unit 23 has a function of individually applying a voltage to each of the grid groups 5.
  • the voltage application unit 23 includes, for example, a voltage application unit 23i that applies a first voltage to the grid 7i and a voltage application unit 23j that applies a second voltage to the grid 7j.
  • the reflector 21 is arranged on the side of the other main surface with respect to the insulating layer 3.
  • the phase of the reflected electromagnetic wave is delayed from the phase of the incident electromagnetic wave.
  • the stronger the resonance the larger the amount of phase change.
  • the change in phase will also be determined by the physical shape including the lattice group 5, but the refractive index of the graphene layer 13 can be changed by the voltage applied to the graphene layer 13. Therefore, it is possible to electrically control the phase of the reflected electromagnetic wave.
  • the phase of the electromagnetic wave reflected by each lattice 7 changes depending on the voltage applied to the graphene layer 13 of each lattice 7. .
  • the direction of the wave surface of the reflected electromagnetic wave is determined by the phase of the electromagnetic wave reflected in each lattice 7. That is, the reflection angle can be electrically changed by controlling the phase of the reflected electromagnetic wave by the voltage applied to each lattice 7 so that the wave surface faces the desired reflection angle.
  • each lattice 7 can be regarded as a point, and it can be considered that the reflective optical element 1 is located at the interface.
  • the optical path ACE is an optical path in which an electromagnetic wave reaches a point C from a point A and is reflected at the point C to reach a point E.
  • the optical path ADE is an optical path in which an electromagnetic wave reaches a point D from a point A, is reflected at the point D, and reaches a point E.
  • the interface on which the reflective optical element 1 is arranged is defined as the X-axis (see Non-Patent Document 1).
  • the phase change may be set so as to satisfy the relationship of the equation (3). If the phase of the electromagnetic wave can be changed on the X-axis, the reflection angle ⁇ r can be changed independently of the refractive indexes ni and n r .
  • Embodiment 1 An example of the reflective optical element according to the first embodiment will be described.
  • the insulating layer 3 as an insulator is formed so as to cover one surface of the substrate 19.
  • a lattice group 5 as a laminated structure portion having a plurality of laminated structures is formed so as to be in contact with one main surface (first main surface) of the insulating layer 3.
  • a reflector 21 is formed so as to cover the other surface of the substrate 19.
  • the substrate 19 has a function of holding the entire reflection optical element 1.
  • the substrate 19 is made of, for example, a semiconductor material such as silicon (Si). Specifically, a high resistance silicon substrate can be applied. Further, for example, a substrate or the like whose insulating property is improved by forming a thermal oxide film on the surface of a silicon substrate may be used. In the substrate on which the thermal oxide film is formed, the thermal oxide film may also serve as the insulating layer 3. Further, in order to form the reflector 21, a silicon substrate to which impurities have been added may be used.
  • a II-V group semiconductor may be applied as the substrate 19.
  • materials such as mercury cadmium telluride (HgCdTe), indium antimonide (InSb), and TypeII superlattice may be applied. Substrates to which such materials are applied will have a unique bandgap. The substrate has a unique bandgap, which can produce an optical gate effect. This will be described later.
  • silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN), hafnium oxide (HfO), aluminum oxide, nickel oxide, tantalum oxide, boron nitride (BN) or the like can be applied. ..
  • silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN), hafnium oxide (HfO), aluminum oxide, nickel oxide, tantalum oxide, boron nitride (BN) or the like can be applied. ..
  • boron nitride (BN) has an atomic arrangement similar to that of the graphene layer, even if boron nitride comes into contact with the graphene layer, it does not hinder the transfer of electric charge. Therefore, boron nitride hardly impairs the performance of the graphene layer such as electron mobility, and is preferable as the base film of the graphene layer 9.
  • the reflector 21 is made of a metal such as gold, silver or aluminum.
  • a metal having a high reflectance with respect to the wavelength of the incident electromagnetic wave as the metal in order to give the reflecting plate 21 a function of reflecting electromagnetic waves.
  • the incident electromagnetic wave is an electromagnetic wave in the infrared wavelength range, it is desirable to use aluminum or gold.
  • the lattice group 5 as a laminated structure portion including a plurality of laminated structures includes three or more lattices 7 including the lattice 7a and the lattice 7n.
  • the laminated structure portion includes a plurality of laminated structures from the first laminated structure to the nth laminated structure.
  • the lattice group 5 as a laminated structure portion including a plurality of laminated structures includes a plurality of striped lattices 7 including a lattice 7a as a first lattice and a lattice 7n as a second lattice. ..
  • Each of the grids 7 is spaced apart from each other in the X-axis direction.
  • Each of the lattices 7 has a structure in which a graphene layer 9, a dielectric layer 11, and a graphene layer 13 are laminated as a laminated structure.
  • "n" attached to a reference code is a part of the reference code and is distinguished from the natural number n.
  • the graphene layers 9 and 11 may be a single layer or two or more layers.
  • the single-layer graphene layer is a sheet-like substance of an atomic layer having a lattice structure in which carbon atoms are bonded in a hexagonal shape, and is a typical two-dimensional atomic layer material. Its thickness is one atomic layer and extremely thin.
  • the charge mobility is, for example, about 100 times the charge mobility of silicon, and it is known that the charge mobility is high.
  • the orientation of the lattice vector of the hexagonal lattice in one atomic layer and the hexagonal lattice in the other atomic layer may not match, and the orientation of one lattice vector and the orientation of the other lattice vector may be different.
  • the graphene layer may have a graphene layer in which the orientation of one lattice vector and the orientation of the other lattice vector are completely the same.
  • the graphene layer has a structure composed of a single graphene nanoribbon layer or a structure in which two or more graphene nanoribbon layers are laminated. Further, the graphene layer may have a structure in which graphene nanoribbons are periodically arranged on a plane.
  • the graphene layer may be a non-doped graphene layer to which no impurities are added, or may be a graphene layer doped with p-type or n-type impurities.
  • the lattice group 5 as a laminated structure portion provided with a plurality of laminated structures is formed with an electrode portion having a plurality of electrodes 15 electrically connected to the lattice group 5.
  • the electrodes 15 from the first electrode to the nth electrode are formed in order in the laminated structure from the first laminated structure to the nth laminated structure.
  • electrodes 15 are formed on each of the plurality of lattices 7 so as to come into contact with the upper graphene layer 13.
  • a voltage application unit 23 for individually applying a voltage to each of the plurality of lattices 7 is provided.
  • an electrode 15a is formed on the lattice 7a.
  • a voltage application unit 23a is electrically connected to the electrode 15a.
  • An electrode 15n is formed on the lattice 7n.
  • a voltage application unit 23n is electrically connected to the electrode 15n.
  • the conductivity and the refractive index of each of the graphene layers 13 of the lattice 7 are changed.
  • the optical characteristics of the graphene layer 13 can be electrically changed.
  • An electronic circuit (not shown) for applying a desired voltage is provided in the voltage application unit 23 electrically connected to each of the lattices 7 (graphene layer 13).
  • an electronic circuit there is no limitation on the circuit configuration as long as a voltage sufficient to generate a phase change required for controlling the reflection angle can be applied to each lattice 7.
  • the length in the X-axis direction as the first direction is the width WG
  • the length in the Y-axis direction as the second direction is the extending length L
  • the period (pitch) in the direction is the period PG
  • the thickness of the lattice 7 (Z-axis direction) is the thickness TG
  • the thickness of the electrode 15 is the thickness TE
  • the thickness of the dielectric layer 11 is the thickness TI.
  • the width WG, thickness TG, period PG, and length L as the first width and the second width are set shorter than the wavelength of the target electromagnetic wave.
  • the width WG, the thickness TG, the period PG, and the length L are set to the same values as the structure of the lattice.
  • the width WG is set to, for example, about several tens of nm.
  • the thickness TG is set to about several tens of nm.
  • the period PG is set to, for example, about several hundred nm.
  • the thickness TE is set to about several tens of nm.
  • the lattice group 5 is arranged so as to be located within the spot diameter of the incident electromagnetic wave.
  • the resonance wavelength can be changed by changing the width WG, length L, period PG, and the like.
  • the width WG is the main parameter for controlling the resonance wavelength. The narrower the width WG, the shorter the resonance wavelength will be shifted.
  • the resonance wavelength can be controlled by changing the thickness TI of the dielectric layer 11. Since resonance (or waveguide mode) occurs between the graphene layer 13 sandwiching the dielectric layer 11 and the graphene layer 9, the thicker the TI of the dielectric layer 11, the longer the wavelength of the incident electromagnetic wave. Become. Further, the narrower the distance (period PG-width WG) between the adjacent grids 7 is, the stronger the resonance is, and the larger the amount of phase change of the reflected electromagnetic wave can be. This is because gap resonance occurs between the adjacent lattices 7.
  • the direction of the electric field of the electromagnetic wave is parallel to the width direction of the lattice 7.
  • the insulating layer 3 is formed on the surface of the substrate 19.
  • the insulating layer 3 may be silicon oxide (SiO 2 ) formed by subjecting the substrate 19 to a thermal oxidation treatment.
  • the insulating layer 3 may be formed by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or a sputtering method.
  • the reflector 21 is formed on the back surface of the substrate 19 by, for example, a sputtering method or a vapor deposition method.
  • the reflector 21 is formed of, for example, gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), nickel (Ni), chromium (Cr), or the like.
  • an adhesion film (not shown) such as chromium (Cr) or titanium (Ti) is formed between the substrate 19 and the reflector 21. May be good.
  • the graphene layer 9 is formed so as to cover the surface of the insulating layer 3, for example, by an epitaxial growth method.
  • the graphene layer previously formed by the CVD method may be transferred and attached to the insulating layer 3. Further, the graphene layer peeled off by mechanical peeling or the like may be transferred and attached.
  • the dielectric layer 11 is formed so as to cover the graphene layer 9 by, for example, a thin-film deposition method or an atomic layer deposition (ALD) method (ALD).
  • ALD atomic layer deposition
  • the dielectric layer 11 for example, silicon oxide film (SiO 2 ), silicon nitride film (SiN), alumina film, tantalum oxide film, ITO film, magnesium fluoride (MgF 2 ), magnesium oxide (MgO), or oxidation. Hafnium (HfO 2 ) and the like are formed.
  • the graphene layer 13 is formed so as to cover the dielectric layer 11.
  • the electrode 15 is formed of, for example, gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), nickel (Ni), chromium (Cr), or the like.
  • an adhesion film (not shown) such as chromium (Cr) or titanium (Ti) is formed between the graphene layer 13 and the electrode 15. May be good.
  • a resist mask (not shown) with an opening in the area where the electrodes are placed is formed.
  • a metal film such as gold (Au) is formed, for example, by a vapor deposition method or a sputtering method.
  • the electrode 15 is formed by removing the resist mask.
  • a resist mask (not shown) for patterning the lattice group is formed by performing a photoengraving process.
  • a resist mask as an etching mask and using a gas such as oxygen plasma or methane, the graphene layer and the dielectric layer are etched.
  • a lattice group 5 composed of a plurality of lattices 7 is patterned. In this way, the main part of the reflective optical element 1 is completed.
  • the reflection optical element 1 by individually applying a voltage from the voltage applying portion 23 to each of the lattices 7 via the electrodes 15, the conductivity and the refractive index of each of the graphene layers 13 of the lattice 7 are increased. It can be changed to electrically change the optical properties of the graphene layer 13.
  • a lattice group 5 As a lattice group 5, it is assumed that a plurality of lattices 7 including lattices 7a, 7i, 7j, and 7n are arranged one-dimensionally along the X axis. To do. By gradually changing the voltage applied to each graphene layer 13 from the lattice 7a to the lattice 7n with respect to the plurality of lattices 7, the conductivity and the refractive index of each graphene layer 13 of the lattice 7 can be changed. Change. As a result, when the electromagnetic wave (arrow Y0) incident on the lattice group 5 is reflected, the phase of the electromagnetic wave changes stepwise along the X axis.
  • the electromagnetic waves can be reflected in a direction different from the direction in which the electromagnetic waves are reflected when the series of DC voltages are applied.
  • the direction in which electromagnetic waves are reflected can be controlled by the voltage applied to the graphene layer 13 of each lattice 7.
  • the dielectric layer 11 forming a part of the lattice 7 is formed in the plurality of lattices 7 at intervals from each other.
  • the phase of the electromagnetic wave reflected at the portion of the dielectric layer located between the lattices does not change as compared with the structure in which the dielectric layers are continuously connected in the plurality of lattices.
  • the reflected wave is dominated only by the phase change in the lattice.
  • the reflected electromagnetic wave is limited to the main mode, and the higher-order diffracted light is eliminated, so that it is possible to suppress a decrease in the intensity of the reflected electromagnetic wave.
  • the electrically floating graphene layer 9 not connected to the electrode 15 is individually formed on a plurality of lattices 7 has been described.
  • the electrically floating graphene layer 9 may be formed so as to be connected to each other between adjacent lattices 7.
  • the dielectric layer 11 and the graphene layer 13 in addition to the grid 7 having a three-layer structure of the graphene layer 9, the dielectric layer 11 and the graphene layer 13, a dielectric layer 17 was further formed so as to cover the graphene layer 13.
  • the grid 7 having a multi-layer structure may be used. Further, even in a reflective optical element in which the electrically floating graphene layer 9 is not formed, the reflection angle can be changed without weakening the intensity of the reflected electromagnetic wave as described at the beginning.
  • Embodiment 2 the reflection optical element 1 in which the width WG, the thickness TG, the period PG, and the length L are set to the same values for each lattice 7 has been described.
  • a reflecting optical element including a grid having different grid stripe shapes will be described.
  • the same members as those of the reflecting optical element 1 shown in FIGS. 2 and 3 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated unless necessary.
  • i and j are natural numbers of 1 or more and n or less different from each other, and one of the three or more laminated structures from the first laminated structure to the nth laminated structure is the i-th laminated structure.
  • the lattice group 5 includes the i-th laminated structure as the i-th lattice and the j-th laminated structure as the j-th lattice.
  • the i-th lattice includes a plurality of i-th laminated structures having a third width and a third length and arranged with a third pitch.
  • the j-th lattice contains a plurality of j-layered structures having a fourth width and a fourth length and arranged with a fourth pitch.
  • "i" and "j" attached to reference numerals are a part of reference numerals and are distinguished from natural numbers i and j.
  • the third width and the fourth width may be different between the i-th grid and the j-th grid.
  • FIG. 12 shows an example of a reflecting optical element 1 provided with lattices 7 having different widths WG.
  • the reflection optical element 1 includes a grid 7a having a width WG1 and a grid 7i having a width WG2 as the grid group 5.
  • the width WG2 is larger than the width WG1.
  • the third pitch (cycle) and the fourth pitch (cycle) may be different between the i-th grid and the j-th grid.
  • FIG. 13 shows an example of a reflection optical element 1 provided with lattices 7 having different period PGs.
  • the reflection optical element 1 includes a lattice 7a having a period PG1 and a lattice 7i having a period PG2 as the lattice group 5.
  • Period PG2 is longer than period PG1.
  • the thickness of the dielectric layer 11 may be different between the i-th lattice and the j-th lattice.
  • FIG. 14 shows an example of a reflective optical element 1 provided with a lattice 7 including dielectric layers having different thickness TIs.
  • the reflection optical element 1 includes a grid 7a having a thickness TI1 and a grid 7i having a thickness TI2 as the grid group 5.
  • the thickness TI1 is thicker than the thickness TI2.
  • the third length and the fourth length may be different between the i-th grid and the j-th grid.
  • FIG. 15 shows an example of a reflecting optical element 1 provided with lattices 7 having different lengths L.
  • the reflection optical element 1 includes a grid 7a having a length L1 and a grid 7i having a length L2 as the grid group 5.
  • the length L2 is longer than the length L1.
  • the phase of the electromagnetic wave reflected by the lattice 7 is basically controlled by the voltage applied to the graphene layer 13. It was also stated that a phenomenon called resonance in which electromagnetic waves strengthen each other occurs between the graphene layer 13 and the graphene layer 9, and the phase of the reflected electromagnetic waves changes. Furthermore, it was stated that the phase of the electromagnetic wave also changes due to the plasmon resonance that occurs around the graphene layer 13.
  • the wavelength of the resonating electromagnetic wave can be changed by changing the physical shape of the lattice 7, and the wavelength corresponding to the resonance can be changed. It is possible to change the phase of the electromagnetic wave it has. Further, since the resonance wavelength can be changed, an electromagnetic wave having a plurality of wavelengths can be reflected.
  • an electromagnetic wave having a wavelength resonating with the lattice 7a having the width WG1 and an electromagnetic wave having a wavelength resonating with the lattice 7i having the width WG2 are reflected targets. can do.
  • the wavelength of the latter is longer than that of the former.
  • an electromagnetic wave having a wavelength resonating with the lattice 7a having a period PG1 and an electromagnetic wave having a wavelength resonating with the lattice 7i having a period PG2 can be reflected.
  • the wavelength of the latter is longer than that of the former.
  • an electromagnetic wave having a wavelength resonating with the lattice 7a having a thickness TI1 and an electromagnetic wave having a wavelength resonating with the lattice 7i having a thickness TI2 can be reflected. It can.
  • the wavelength of the latter is shorter than that of the former.
  • an electromagnetic wave having a wavelength resonating with the lattice 7a having a length L1 and an electromagnetic wave having a wavelength resonating with the lattice 7i having a length L2 are targeted for reflection. Can be done.
  • the wavelength of the latter is longer than that of the former.
  • the electromagnetic wave to be reflected is not limited to the electromagnetic wave having a single wavelength, and the electromagnetic wave having a plurality of wavelengths can be the object to be reflected, and has a wide wavelength range including the electromagnetic wave having a plurality of wavelengths.
  • the reflection angle of electromagnetic waves can be controlled.
  • the physical shape of the lattice 7 including the width WG, the thickness TG, the period PG, and the length L is adjusted. , Optimal resonance can be produced. Further, by periodically changing the physical shape of the lattice 7 including the width WG, the thickness TG, the period PG, and the length L, and applying the same voltage to each lattice, for example, all the same voltage is applied. The reflection angle of electromagnetic waves can be controlled. In this case, all the voltages applied to each grid 7 can be controlled by one voltage application unit 23, and the number of voltage values controlled by the voltage application unit 23 can be reduced.
  • Embodiment 3 a reflection optical element that causes a photoelectric conversion on a substrate and causes an optical gate effect in the graphene layer by an electric change accompanying the photoelectric conversion will be described.
  • a substrate 19 in which photoelectric conversion is generated by an incident electromagnetic wave is applied.
  • the reflector 21 formed on the back surface of the substrate 19 is used as a back electrode, and a back gate voltage Vbg is applied to the reflector 21. Since the other configurations are the same as the configurations of the reflective optical element 1 shown in FIGS. 2 and 3, the same members are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated unless necessary. ..
  • the substrate 19 on which photoelectric conversion occurs has, for example, a band gap equal to or less than the energy (h ⁇ ) of the electromagnetic wave to be reflected.
  • the optical gate effect of the graphene layer due to photoelectric conversion will be described by taking a graphene transistor having the graphene layer as a channel as an example.
  • the graphene transistor includes a source electrode 53, a drain electrode 55, and a graphene layer 9 formed by interposing an insulating layer 3 on a substrate 19.
  • the source electrode 53 and the drain electrode 55 are arranged at a distance from each other.
  • the graphene layer 9 is formed so as to intervene between the source electrode 53 and the drain electrode 55. Channels are formed in the graphene layer 9.
  • a back gate voltage Vbg is applied to the reflector 21.
  • FIG. 17 also graphically shows the relationship between the current Id flowing between the source electrode 53 and the drain electrode 55 and the back gate voltage Vbg.
  • the horizontal axis is the back gate voltage Vbg, and the vertical axis is the current Id.
  • the dotted line graph shows the relationship in the state where electromagnetic waves are not irradiated.
  • the solid line graph shows the relationship in the state of being irradiated with electromagnetic waves.
  • the back gate voltage Vbg when the electromagnetic wave is not irradiated, when the back gate voltage Vbg is changed, it becomes a bipolar transistor operation in a normal graphene layer.
  • the back gate voltage Vbg give Dirac point and V DP, call this voltage the Dirac point voltage.
  • the dilac point is a point where the valence band and the conduction band (band structure) in the graphene layer 9 intersect.
  • the solid line graph shifts the dilac point voltage to a voltage higher than V DP with respect to the dotted line graph.
  • an electromagnetic wave is incident on the substrate 19, holes and electrons are generated on the substrate 19 by photoelectric conversion.
  • One (charge) of the generated holes and electrons goes to the reflector 21, and the other (charge) goes to the insulating layer 3.
  • the substrate 19 is p-type silicon and a negative voltage is applied as the back gate voltage Vbg.
  • the generated holes go to the reflector 21, and the electrons go to the insulating layer 3.
  • the graphene layer 9 is affected by the electrons, and the voltage applied to the graphene layer 9 changes.
  • a differential current ( ⁇ I ph ) is generated in the current Id for the same backgate voltage Vbg in the case where the electromagnetic wave is not irradiated and the case where the electromagnetic wave is irradiated.
  • the amount of change in the current ( pH ) is estimated to be several hundred to several thousand times larger than that in the case of a normal semiconductor, when estimated from the mobility and the film thickness.
  • the graphene layer 9 is a very thin layer with one atom and has high charge mobility. Therefore, even a slight change in voltage due to photoelectric conversion changes the electron density in the graphene layer 9, and the conductivity of the graphene layer 9 changes. That is, the refractive index of the graphene layer 9 is changed by a slight voltage change caused by the photoelectric conversion on the substrate 19.
  • the refractive index of the graphene layer 13 changes depending on the voltage applied to the graphene layer 13, and the refraction of the graphene layer 9 on the graphene layer 19 side is caused by the photoelectric conversion on the substrate 19.
  • the rate changes. Therefore, in the reflective optical element 1, the change in the phase of the reflected electromagnetic wave can be made larger only when the electromagnetic wave is irradiated than when the photoelectric conversion does not occur.
  • the reflection angle of the electromagnetic wave is the same, the power consumption of the reflecting optical element can be reduced by the amount caused by the photoelectric conversion. On the other hand, if the power is the same, the reflection angle of the electromagnetic wave can be further widened by the amount caused by the photoelectric conversion.
  • Examples of the material of the substrate 19 in which photoelectric conversion occurs due to the optical gate effect include the following materials. From visible light to near infrared light, for example, there is silicon. For infrared in the long wavelength region, there are ferroelectric materials such as, for example, mercury cadmium tellurized (HgCdTe) or lithium niobate (LiNbO 3 ). In the mid-wavelength infrared, for example, there is indium antimonide (InSb).
  • HgCdTe mercury cadmium tellurized
  • LiNbO 3 lithium niobate
  • InSb indium antimonide
  • the material of the substrate 19 on which photoelectric conversion occurs is not limited to these, and any material (substrate) having a band gap equal to or less than the energy of the electromagnetic wave to be reflected may be used.
  • the substrate 19 may be any as long as it can give a voltage change to the graphene layer 9 by the electromagnetic wave incident on the substrate 19.
  • a pn junction may be formed in the substrate 19.
  • quantum dots, nanowires and the like may be used as the material.
  • Embodiment 4 an example of a reflecting optical element in which a lattice is arranged two-dimensionally will be described.
  • a plurality of lattices 7 (lattice group 5) including lattices 7a, 7i, 7j, and 7n are two-dimensionally arranged in a matrix.
  • Each grid 7 has, for example, a width in the X-axis direction and extends in the Y-axis direction.
  • the width WG, length L, period PG, thickness TG, etc. of each lattice 7 are set shorter than the wavelength of the electromagnetic wave.
  • Each grid 7 of the grid group 5 has the same shape in a plan view.
  • a voltage is applied to the grid 7a by the voltage application unit 23a.
  • a voltage is applied to the grid 7i by the voltage application unit 23i.
  • a voltage is applied to the grid 7j by the voltage application unit 23j.
  • a voltage is applied to the lattice 7n by the voltage application unit 23n.
  • the cross-sectional structure of each grid 7 is substantially the same as the cross-sectional structure shown in FIG.
  • the electromagnetic wave to be reflected is laser light, it often has polarized light.
  • the reflecting optical elements are arranged so that the width direction of each lattice 7 and the electric field direction of the electromagnetic wave are the same direction (parallel). Is desirable. Therefore, when an electromagnetic wave whose polarization direction is determined is to be reflected, it is desirable to arrange a plurality of lattices in one dimension and set the length of the lattices to be longer than the wavelength of the electromagnetic wave. ..
  • each of the plurality of lattices 7 has a width in the X-axis direction and extends in the Y-axis direction has been described. Since the width WG and length L (see FIG. 4) of each grid 7 are set shorter than the wavelength of the electromagnetic wave, for example, the widths of the grids 7i and 7n are set parallel to each other in the Y-axis direction. , Even if it is arranged so as to extend in the X-axis direction, the control of the phase of the electromagnetic wave is not affected.
  • each of the lattices 7 of the lattice group 5 a lattice group 5 composed of lattices 7 having the same shape in a plan view is given as an example, but the lattice group 5 includes lattices 7 having different shapes in a plan view. It may be included.
  • Embodiment 5 an example of a reflection optical element provided with an electromagnetic wave detection unit that detects that an electromagnetic wave has been incident will be described.
  • a differential current ( ⁇ I ph ) is generated by photoelectric conversion on the substrate.
  • the electromagnetic wave detection unit detects this differential current ( ⁇ I ph ).
  • an electromagnetic wave detection unit 51 is formed in addition to the lattice group 5.
  • the electromagnetic wave detection unit 51 includes a first detection electrode, a source electrode 53 as a second detection electrode, a drain electrode 55, and a graphene layer 57.
  • the source electrode 53 and the drain electrode 55 are arranged at a distance from each other so as to be in contact with the insulating layer 3.
  • the graphene layer 57 is interposed between the source electrode 53 and the drain electrode 55, and is in contact with the source electrode 53 and the drain electrode 55.
  • the source electrode 53 is electrically connected to the ground potential.
  • a current detection unit 59 and a bias power supply (bias voltage Vd) are electrically connected in series to the drain electrode 55. Since the other configurations are the same as the configurations of the reflecting optical elements shown in FIGS. 2 and 3, the same members are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated unless necessary.
  • the source electrode 53 and the drain electrode 55 are formed so as to be in contact with the insulating layer 3.
  • the source electrode 53 and the drain electrode 55 are formed of, for example, gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), nickel (Ni), chromium (Cr), palladium (Pd), or the like. ..
  • an adhesive film such as chromium (Cr) or titanium (Ti) is used between the source electrode 53 and the drain electrode 55 and the insulating layer 3. (Not shown) may be formed.
  • the size (thickness, size) of the source electrode 53 and the drain electrode 55 is not particularly limited as long as it can output an electric signal.
  • the graphene layer 9 and the dielectric layer 11 are laminated so as to cover the source electrode 53 and the drain electrode 55.
  • the portion of the dielectric layer 11 and the portion of the graphene layer 9 located in the region where the electromagnetic wave detection portion is formed are removed to expose the source electrode 53 and the drain electrode 55.
  • the graphene layer 13 is formed so as to cover the source electrode 53, the drain electrode 55, the dielectric layer 11, and the like.
  • the electrode 15 is formed on the graphene layer 13.
  • the graphene layer 57 of the electromagnetic wave detection unit 51 is patterned by performing a photoengraving process and an etching process.
  • a lattice group 5 including a plurality of lattices 7 is formed. In this way, the main part of the reflective optical element 1 is completed.
  • the graphene layer 57 is caused by the back gate voltage Vbg applied from the reflector 21 and the photoelectric conversion accompanying the incident of the electromagnetic wave. Both voltages with the voltage change are applied. Therefore, in the case where electromagnetic waves are irradiated, Dirac point voltage is shifted from V DP to V DP + V ph (see FIG. 17). As a result, this voltage shift is detected by the current detection unit 59 as a differential current ( ⁇ I ph ). As a result, it is possible to detect that an electromagnetic wave is incident on the reflective optical element 1.
  • the number of electromagnetic wave detection units 51 arranged in the reflection optical element 1 is not limited to one, and a plurality of electromagnetic wave detection units 51 may be arranged. In this case, by arranging the electromagnetic wave detection units 51 in an array, the position where the electromagnetic wave is detected can be determined. It can also be used as an image sensor.
  • the source electrode 53 and the drain electrode 55 are formed on the graphene layer 57.
  • the graphene layer 57 is formed from the same layer as the graphene layer 13 forming the lattice 7.
  • the source electrode 53 and the drain electrode 55 are formed from the same layer as the electrode 15 (see FIG. 19).
  • the insulating layer 3 is formed on the substrate 19.
  • the graphene layer 9 and the dielectric layer 11 are laminated so as to cover the insulating layer 3.
  • the portion of the dielectric layer 11 and the portion of the graphene layer 9 located in the region where the electromagnetic wave detection portion is formed are removed to expose the insulating layer 3.
  • the graphene layer 13 is formed so as to cover the insulating layer 3 and the dielectric layer 11.
  • the electrode 15 is formed on the graphene layer 13.
  • the source electrode 53 and the drain electrode 55 are formed.
  • the lattice group 5 including the plurality of lattices 7 is formed in the region where the lattice group 5 is formed.
  • the graphene layer 13 is patterned to form the graphene layer 57. In this way, the main part of the reflective optical element 1 is completed.
  • the dielectric layer 11 and the graphene layer 13 are laminated on the graphene layer 57.
  • the graphene layer 57, the dielectric layer 11 and the graphene layer 13 are formed from the same layers as the graphene layer 9, the dielectric layer 11 and the graphene layer 13 forming the lattice 7.
  • the source electrode 53 and the drain electrode 55 are formed so as to be in contact with the insulating layer 3.
  • the graphene layer 9, the dielectric layer 11, and the graphene layer 13 are sequentially laminated so as to cover the source electrode 53 and the drain electrode 55.
  • a photoengraving process and an etching process are performed.
  • the lattice group 5 including the plurality of lattices 7 is formed.
  • the graphene layer 13, the dielectric layer 11, and the graphene layer 9 are patterned to form a structure including the graphene layer 57.
  • the electromagnetic wave detection unit 51 can be formed in parallel with the step of forming the lattice group 5, except for the step of forming the source electrode 53 and the drain electrode 55.
  • Embodiment 6 a reflection optical element provided with an electromagnetic wave detection unit according to a modified example will be described.
  • the graphene layer 57 is in contact with the substrate 19.
  • An opening 3a is formed in the insulating layer 3.
  • the graphene layer 57 is in contact with the substrate 19 through the opening 3a. If the graphene layer 57 and the substrate 19 come into contact with each other, there is no restriction on the opening shape of the opening 3a.
  • silicon is applied as the material of the substrate 19.
  • a back gate voltage Vbg is applied to the substrate 19.
  • a bias voltage Vd is applied to the drain electrode 55.
  • the source electrode 53 is electrically connected to the ground potential. The current flowing between the drain electrode 55 and the source electrode 53 is detected by the current detection unit 59.
  • a bias voltage Vd is applied between the drain electrode 55 and the source electrode 53. Therefore, when the electric charge generated in the substrate 19 is injected into the graphene layer 57, the injected electric charge flows from the graphene layer 57 toward the drain electrode 55 or from the graphene layer 57 toward the source electrode 53. It will be. Electromagnetic waves can be detected by detecting the electric charge flowing through the graphene layer 57.
  • the reflecting optical element according to the modified example will be described.
  • the graphene layer due to the band structure, when a bias voltage is applied between one side and the other side of the graphene layer, even if electromagnetic waves are not irradiated, the graphene layer and one side of the graphene layer A current will flow to and from the other side. Therefore, as shown in the graph when the electromagnetic wave is not irradiated in FIG. 17, the minimum value of the current Id becomes a value higher than 0. This current is called dark current.
  • an electrode 61 as a first (2) detection electrode is formed so as to surround the opening 3a of the insulating layer 3. ing.
  • the graphene layer 57 is formed so as to come into contact with the electrode 61 and fill the opening 3a.
  • the graphene layer 57 in contact with the electrode 61 is in contact with the substrate 19, and the substrate 19 is in contact with the reflector 21.
  • the electromagnetic wave detection unit 51 moves between the reflector 21 and the electrode 61. It will function as a kind of diode. Further, in the electromagnetic wave detection unit 51, no bias voltage is applied to the electrode 61.
  • Silicon was mentioned as an example of the material of the substrate 19 of the above-mentioned reflection optical element 1.
  • Examples of the material of the substrate 19 on which photoelectric conversion occurs include the following materials in addition to silicon.
  • Examples thereof include compound semiconductors such as germanium, III-V semiconductors and II-V semiconductors.
  • compound semiconductors such as germanium, III-V semiconductors and II-V semiconductors.
  • mercurium cadmium tellurized (HgCdTe) indium antimonide (InSb), lead selenium (PbSe), lead sulfur (PbS), cadmium sulfur (CdS), gallium nitrogen (GaN), silicon carbide (SiC), topological insulators.
  • HgCdTe mercurium cadmium tellurized
  • InSb indium antimonide
  • PbSe lead selenium
  • PbS lead sulfur
  • CdS gallium nitrogen
  • SiC silicon carbide
  • topological insulators can be mentioned.
  • a substrate containing a quantum well or a quantum dot can be mentioned.
  • a substrate obtained by a simple substance such as a Type II superlattice or a combination of these materials can be mentioned.
  • the electromagnetic wave detection unit 51 can detect the electromagnetic wave with high sensitivity.
  • the electromagnetic wave of a specific wavelength can be detected with high sensitivity.
  • Embodiment 7 In the fifth or sixth embodiment, graphene (graphene layer 57) is mentioned as an example of the material of the two-dimensional material layer applied to the electromagnetic wave detection unit 51 in the reflection optical element 1. Here, variations of the material of the two-dimensional material layer applied to the electromagnetic wave detection unit 51 will be described.
  • the materials for the two-dimensional material layer of the electromagnetic wave detection unit include transition metal dichalcogenide (TMD), black phosphorus (Black Phosphorus), silicene (two-dimensional honeycomb structure with silicon atoms), and germanene (two-dimensional with germanium atoms). Materials such as honeycomb structure) can be applied.
  • transition metal dichalcogenide include transition metal dichalcogenides such as MoS 2 , WS 2 , and WSe 2 .
  • These materials have a structure similar to graphene, and are materials that allow atoms to be arranged in a single layer in a two-dimensional plane. Therefore, even when these materials are applied, the same action and effect as when the graphene layer is applied can be obtained.
  • the size of the band gap can be adjusted by the number of layers in which the materials are laminated. Therefore, the wavelength of the electromagnetic wave to be detected can be selected according to the number of layers.
  • transition metal dichalcogenides such as MoS 2 , WS 2 , and WSe 2 have a bandgap corresponding to the wavelength range of visible light.
  • Black phosphorus has a bandgap corresponding to the wavelength range of mid-infrared rays.
  • a reflection optical element provided with a wavelength selection type electromagnetic wave detection unit capable of detecting only electromagnetic waves of a specific wavelength.
  • a material such as a transition metal dichalcogenide or black phosphorus has a laminated structure composed of a plurality of layers, and further, by controlling the laminated direction, the polarization dependence of electromagnetic waves can be obtained. This makes it possible to realize a reflection optical element provided with an electromagnetic wave detection unit that selectively detects only electromagnetic waves having a specific polarized light.
  • heterojunction two different materials from these materials may be combined to form a heterojunction.
  • transition metal dichalcogenide and graphene may be combined to form a heterojunction.
  • Black phosphorus and graphene may be combined to form a heterojunction.
  • the same effect as the quantum well effect or tunnel effect in conventional semiconductor materials can be obtained between different materials.
  • noise of the reflective optical element electromagnétique wave detection unit
  • recombination can be reduced.
  • the sensitivity for detecting electromagnetic waves is improved, and the performance as a reflecting optical element can be improved.
  • joining joining of probekite and graphene or joining of different two-dimensional materials may be used.
  • the present invention is effectively used for a reflective optical element to which a two-dimensional material layer is applied.

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Abstract

反射光学素子（１）は、絶縁層（３）、格子群（５）、裏面電極（２１）および電圧印加部（２３）を備えている。格子群（５）は、格子（７ｉ）と格子（７ｊ）とを含む複数の格子（７）からなる。複数の格子（７）のそれぞれは、誘電体層（１１）とグラフェン層（１３）とが積層された構造を有している。電圧印加部（２３）は、格子群（５）のそれぞれに個別に電圧を印加する機能を有する。電圧印加部（２３）は、格子（７ｉ）に第１電圧を印加する電圧印加部（２３ｉ）と、格子（７ｊ）に第２電圧を印加する電圧印加部（２３ｊ）とを含む。

Description

反射光学素子
　本発明は、反射光学素子に関する。
　ＬｉＤＡＲ（Light　Detection　and　Ranging）は、リモートセンシング技術の一つであり、対象物にレーザ光を照射し、その反射光を検出器によって測定することで距離が測定される。自動車の自動運転化に向けた取り組みが進む近年では、ＬｉＤＡＲは、高度運転支援システム（ＡＤＡＳ：Advanced　Driver　Assistance　System）または距離測定などの用途において、重要度が高くなっている。
　ＬｉＤＡＲは、主に、レーザ光源、機械駆動式ミラーおよび検出器から構成される。機械駆動式ミラーは、動作速度が遅いこと、また、反射角度の範囲が狭いことに課題がある。さらに、ミラーと別に、検出器が必要であり、システムが大型化するという課題がある。このため、機械駆動式ミラーを用いない手法が提案されている。たとえば、特許文献１では、金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）構造を備えた光変調素子が提案されている。この光変調素子では、絶縁膜に電圧を印加することによって屈折率を変調し、反射する光の位相をトポロジカルに制御することで、反射光の反射角度が変えられる。
特表２０１８－５０９６４３号公報
Zhaona　Wang,　Yanyan　Sun,　Lu　Han,　Dahe　Liu　"General　laws　of　reflection　and　refraction　for　subwavelength　phase　grating",　arXiv:　1312.3855.
　金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）構造を備えた光変調素子では、絶縁体の構造に起因して高次の回折光が生じやすくなる。その結果、反射光の強度が低下するおそれがある。
　本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、反射光の強度が弱められることなく、反射光の反射角度を変えることができる反射光学素子を提供することである。
　本発明に係る反射光学素子は、入射する電磁波の反射方向を変更可能とする反射光学素子であって、絶縁体と積層構造部と電極部と反射板とを有している。絶縁体は、互いに対向する第１主面および第２主面を有する。積層構造部は、絶縁体に対して第１主面の側に配置されている。電極部は、積層構造部に電気的に接続され、電圧が印加される。反射板は、絶縁体に対して第２主面の側に配置されている。積層構造部は、一つ以上の第１積層構造体と、一つ以上の第２積層構造体とを含む複数の積層構造体を備えている。第１積層構造体は、第１方向に第１幅を有し、第１方向と交差する第２方向に延在する。第２積層構造体は、第１積層構造体とは第１方向に間隔を隔てて配置され、第１方向に第２幅を有し、第２方向に延在する。複数の積層構造体のそれぞれでは、誘電体層と第１二次元材料層とが積層されている。電極部は、第１電極と第２電極とを含む複数の電極を備えている。第１電極は、第１積層構造体における第１二次元材料層に電気的に接続され、第１電圧が印加される。第２電極は、第２積層構造体における第１二次元材料層に電気的に接続され、第２電圧が印加される。
　本発明に係る反射光学素子によれば、第１積層構造体と第２積層構造体とは間隔を隔てて配置されている。第１積層構造体における第１二次元材料層に第１電圧が印加され、第２積層構造体における第１二次元材料層に第２電圧が印加される。これにより、回折光が生じて反射する電磁波の強度が弱められることはなく、第１積層構造体および第２積層構造体のそれぞれにおける第１二次元材料層の屈折率が変化することで、第１積層構造体および第２積層構造体のそれぞれにおいて反射する電磁波の位相が変化し、電磁波の反射角度を変えることができる。
各実施の形態に係る反射光学素子の原理を説明するための図。 実施の形態１に係る反射光学素子の一例を示す平面図。 同実施の形態において、図２に示す断面線ＩＩＩ－ＩＩＩにおける断面図。 同実施の形態において、反射光学素子の形状を説明するための斜視図。 同実施の形態において、反射光学素子の製造方法の一工程を示す断面図。 同実施の形態において、図５に示す工程の後に行われる工程を示す断面図。 同実施の形態において、図６に示す工程の後に行われる工程を示す断面図。 同実施の形態において、図７に示す工程の後に行われる工程を示す断面図。 同実施の形態において、反射光学素子の動作を模式的に示す図。 同実施の形態において、一変形例に係る反射光学素子を示す部分断面図。 同実施の形態において、他の変形例に係る反射光学素子を示す部分断面図。 実施の形態２に係る反射光学素子の一例を示す断面図。 同実施の形態において、反射光学素子の他の例を示す断面図。 同実施の形態において、反射光学素子のさらに他の例を示す断面図。 同実施の形態において、反射光学素子のさらに他の例を示す部分斜視図。 実施の形態３に係る反射光学素子の一例を示す断面図。 同実施の形態において、反射光学素子の効果を説明するためのグラフを含む図。 実施の形態４に係る反射光学素子の一例を示す平面図。 実施の形態５に係る反射光学素子の一例を示す平面図。 同実施の形態において、図１９に示す断面線ＸＸ－ＸＸにおける断面図。 同実施の形態において、反射光学素子の他の例を示す断面図。 同実施の形態において、反射光学素子のさらに他の例を示す断面図。 同実施の形態において、図２２に示す反射光学素子の製造方法の一工程を示す断面図。 同実施の形態において、図２３に示す工程の後に行われる工程を示す断面図。 同実施の形態において、図２４に示す工程の後に行われる工程を示す断面図。 実施の形態６に係る反射光学素子の一例を示す平面図。 同実施の形態において、図２６に示す断面線ＸＸＶＩＩ－ＸＸＶＩＩにおける断面図。 同実施の形態において、反射光学素子の他の例における電磁波検出部を示す部分平面図。 同実施の形態において、図２８に示す電磁波検出部の分解部分平面図。
　はじめに、各実施の形態に係る反射光学素子の基本構造と、反射の原理について説明する。ここでは、可視光または赤外光（赤外線）を用いて説明するが、反射光学素子では、この可視光および赤外光に加えて、たとえば、Ｘ線、紫外光、近赤外光、テラヘルツ（ＴＨｚ）波、マイクロ波等の領域の電波の検出器としても有効である。この明細書では、このような光および電波を総称して電磁波と記載する。
　反射光学素子では、二次元材料層の一つとしてグラフェン層を用いて説明するが、二次元材料層のバリエーションについては後述する。
　また、反射光学素子では共鳴現象を利用して電磁波の反射が行われる。共鳴現象には、プラズモン共鳴現象、擬似表面プラズモン共鳴現象、メタマテリアルまたはプラズモニックメタマテリアルによる現象がある。これらの共鳴現象については、特に、名称による区別をせず、その現象が及ぼす効果の観点から同じ扱いとする。これらの現象を、表面プラズモン共鳴、プラズモン共鳴、または、単に共鳴と呼ぶ。
　なお、プラズモン共鳴現象とは、金属表面と光との相互作用である表面プラズモン共鳴現象等である。擬似表面プラズモン共鳴現象とは、可視光および赤外光以外の、特に、テラヘルツ近傍の波長を有する電磁波による、金属表面に係る共鳴現象である。メタマテリアルまたはプラズモニックメタマテリアルによる現象とは、電磁波の波長以下のサイズを有する構造によって特定の波長の電磁波を操作することによる共鳴現象である。
　さらに、反射光学素子として、ソース電極とドレイン電極とを有する電磁波検出部を備えた構造と、反射板をバックゲートとして適用する構造とを用いて説明するが、４端子電極構造またはトップゲート構造等の電極構造を備えた反射光学素子にも適用することができる。
　図１の上段に、反射光学素子１の基本的な構造を模式的に示す。反射光学素子１は、絶縁体としての絶縁層３、積層構造部としての格子群５、反射板２１および格子群５に電圧を印加する電圧印加部２３を備えている。
　格子群５は、絶縁層３に対して、一方の主面の側に形成されている。格子群５は、格子７ｉと格子７ｊとを含む複数の格子７からなる。複数の格子７のそれぞれは、積層構造体として、誘電体層１１と、二次元材料層としてのグラフェン層１３とが積層された構造を有している。
　電圧印加部２３は、格子群５のそれぞれに個別に電圧を印加する機能を有する。電圧印加部２３は、たとえば、格子７ｉに第１電圧を印加する電圧印加部２３ｉと、格子７ｊに第２電圧を印加する電圧印加部２３ｊとを含む。反射板２１は、絶縁層３に対して、他方の主面の側に配置されている。
　次に、反射光学素子１の動作原理として、電磁波（入射光）が、格子群５に入射する場合について、さらに、図２および図３を含めて説明する。格子群５では、入射した電磁波が、グラフェン層１３とグラフェン層９との間、および、グラフェン層１３等と反射板２１との間で強め合う共鳴と呼ばれる現象が生じる。また、グラフェン層１３の周囲においては、特に、プラズモン共鳴と呼ばれる現象が生じる。
　一つの格子７に入射した電磁波が共鳴すると、反射する電磁波の位相は、入射する電磁波の位相よりも遅れることになる。共鳴が強いほど、位相の変化量が大きくなる。位相の変化は、格子群５を含む物理的な形状によっても決定されることになるが、グラフェン層１３に印加する電圧によって、グラフェン層１３の屈折率を変化させることができる。このため、反射する電磁波の位相を電気的に制御することが可能になる。
　そうすると、反射光学素子１では、入射する電磁波のスポット内に位置する格子群５において、各格子７において反射する電磁波の位相が、各格子７のグラフェン層１３に印加する電圧によって変化することになる。ホイヘンスの原理から、反射する電磁波の波面の向きは、各格子７において反射する電磁波の位相によって決定される。すなわち、所望の反射角度に波面が向くように、反射する電磁波の位相を各格子７に印加する電圧によって制御することで、反射角度を電気的に変化させることができる。
　次に、電磁波の入射角度および反射角度と電磁波の位相とについて、一般化されたスネルの法則に基づいて説明する。図１に示すように、媒質Ｉから媒質Ｉと媒質Ｒとの界面に向かって電磁波が入射する場合を想定する。反射光学素子１の格子群５等のサイズは、入射する電磁波の波長よりも短く設定されている。このため、電磁波からみると、各格子７は、それぞれ点として捉えることができ、反射光学素子１は、界面に位置していると考えて差支えない。
　ここで、電磁波の光路として、２つの光路ＡＣＥと光路ＡＤＥとを考える。光路ＡＣＥは、電磁波が、点Ａから点Ｃに到達し、点Ｃにおいて反射されて点Ｅに到達する光路である。光路ＡＤＥは、電磁波が、点Ａから点Ｄに到達し、点Ｄにおいて反射されて点Ｅに到達する光路である。反射光学素子１が配置されている界面をＸ軸とする（非特許文献１参照）。
　入射光（電磁波）の波長をλ、入射角度をθｉ、反射角度をθｒ、媒質Ｉの屈折率をｎｉ、媒質Ｒの屈折率をｎｒ、点Ｃにおける電磁波の位相をφ、点Ｄにおける電磁波の位相をφ＋ｄφ、点Ｃと点Ｄとの間の距離をｄｘ、波数をｋ（＝２π／λ）とする。
　光路ＡＤＥと光路ＡＣＥとが無限に接近すると位相差は０になる。このことは、以下の式（１）、
　｛ｋ・ｎｉ・ｄｘ・ｓｉｎθｉ＋（φ＋ｄφ）｝－（ｋ・ｎｉ・ｄｘ・ｓｉｎθｒ＋φ）＝０　…　（１）
によって表される。
　式（１）から、以下の式（２）、
　ｓｉｎθｒ－ｓｉｎθｉ＝λ／（２・π・ｎｉ）・ｄφ／ｄｘ　…　（２）
が導かれる。
　さらに、式（２）から、以下の式（３）、
　ｄφ／ｄｘ＝２・π／λ・ｎｉ・（ｓｉｎθｒ－ｓｉｎθｉ）　…　（３）
が導かれる。
　入射角度と反射角度とが決まれば、式（３）の関係を満たすように、位相の変化を設定すればよい。Ｘ軸上において、電磁波の位相を変化させることができれば、屈折率ｎｉ、ｎｒとは独立に、反射角度θｒを変化させることができる。
　Ｘ軸上に配置された格子群５の各格子７が位置する座標において、式（２）により、位相が連続的に変化すれば、ホイヘンスの原理により、各格子７（座標）における位相の変化によって、回折した電磁波の波面の進行方向を変化させることができる。すなわち、電磁波の反射角度を変化させることができることになる。以下、各実施の形態において、反射光学素子の構造について具体的に説明する。
　実施の形態１．
　実施の形態１に係る反射光学素子の一例について説明する。図２および図３に示すように、反射光学素子１では、絶縁体としての絶縁層３が、基板１９の一方の表面を覆うように形成されている。絶縁層３の一方の主面（第１主面）に接するように、複数の積層構造体を備えた積層構造部としての格子群５が形成されている。基板１９の他方の表面を覆うように、反射板２１が形成されている。
　基板１９は、反射光学素子１の全体を保持する機能を有する。基板１９は、たとえば、シリコン（Ｓｉ）等の半導体材料からなる。具体的には、高抵抗のシリコン基板を適用することができる。また、たとえば、シリコン基板の表面に熱酸化膜を形成することで絶縁性を高めた基板等を用いてもよい。熱酸化膜が形成された基板では、その熱酸化膜が絶縁層３を兼ねるようにしてもよい。さらに、反射板２１を形成するために、不純物を添加したシリコン基板を用いてもよい。
　また、基板１９として、ＩＩ－Ｖ族半導体を適用してもよい。さらに、基板１９の材料として、テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）、ＴｙｐｅＩＩ超格子等の材料を適用してもよい。このような材料を適用した基板は、固有のバンドギャップを有することになる。基板が、固有のバンドギャップを有することで、光ゲート効果を生じさせることができる。これについては、後述する。
　絶縁層３として、たとえば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ）、酸化アルミニウム、酸化ニッケル、酸化タンタル、または、ボロンナイトライド（ＢＮ）等を適用することができる。特に、ボロンナイトライド（ＢＮ）は、原子配列がグラフェン層の原子配列と似ているため、ボロンナイトライドがグラフェン層と接触しても、電荷の移動を妨げない。したがって、ボロンナイトライドは、電子移動度等のグラフェン層の性能を阻害することはほとんどなく、グラフェン層９の下地膜として好ましい。
　反射板２１は、金、銀またはアルミニウム等の金属によって形成されている。この反射光学素子１では、反射板２１は、電磁波を反射させる機能をもたせるために、金属としては、入射する電磁波の波長に対して反射率が高い金属を用いることが望ましい。たとえば、入射する電磁波が赤外線の波長域の電磁波であれば、アルミニウムまたは金を用いることが望ましい。
　複数の積層構造体を備えた積層構造部としての格子群５は、格子７ａと格子７ｎとを含む三以上の格子７を含む。ここで、ｎを３以上の自然数とすると、積層構造部は、第１積層構造体から第ｎ積層構造体までの複数の積層構造体を備えている。具体的に、複数の積層構造体を備えた積層構造部としての格子群５は、第１格子としての格子７ａおよび第２格子としての格子７ｎを含む複数のストライプ状の格子７を備えている。格子７のそれぞれは、Ｘ軸に方向に互いに間隔を隔てて配置されている。格子７のそれぞれは、積層構造体として、グラフェン層９、誘電体層１１およびグラフェン層１３を積層させた構造を備えている。なお、この明細書において、参照符号（たとえば、７、２３など）に付されている「ｎ」は、参照符号の一部であり、自然数ｎとは区別される。
　グラフェン層９、１１は、単層であってもよいし、二層以上であってもよい。単層のグラフェン層は、炭素原子が六角形状に結合した格子構造を有する原子一層のシート状の物質であり、代表的な二次元原子層材料である。その厚さは、原子一層であり極めて薄い。電荷移動度は、たとえば、シリコンの電荷移動度の１００倍程度であり、電荷移動度が高いことが知られている。
　原子層が二層以上に積層されたグラフェン層の場合、そのグラフェン層に含まれる任意の２つの原子層では、一方の原子層における六方格子の格子ベクトルの向きと他方の原子層における六方格子の格子ベクトルの向きとが一致しておらず、一方の格子ベクトルの向きと他方の格子ベクトルの向きとにずれがあってもよい。また、一方の格子ベクトルの向きと他方の格子ベクトルの向きとが、完全に一致しているグラフェン層でもよい。
　グラフェン層として、ナノリボン状のグラフェンを用いる場合には、グラフェン層は、単層のグラフェンナノリボン層からなる構造、または、二層以上のグラフェンナノリボン層を積層した構造となる。また、グラフェン層として、平面上にグラフェンナノリボンを周期的に配置した構造としてもよい。
　グラフェンナノリボンを周期的に配置した構造では、グラフェンナノリボンにおいてプラズモン共鳴が発生し、特定の波長において共鳴が生じ、反射する電磁波の位相の変化量を大きくすることができる。さらに、グラフェン層としては、不純物が添加されていないノンドープのグラフェン層でもよいし、ｐ型またはｎ型の不純物がドープされたグラフェン層でもよい。
　複数の積層構造体を備えた積層構造部としての格子群５には、その格子群５に電気的に接続される、複数の電極１５を有する電極部が形成されている。複数の電極１５として、第１積層構造体から第ｎ積層構造体までの積層構造体に、順に、第１電極から第ｎ電極までの電極１５が形成されている。具体的に、複数の格子７のそれぞれに、上層のグラフェン層１３に接触するように、電極１５が形成されている。複数の格子７のそれぞれに対して、個々に電圧を印加する電圧印加部２３が設けられている。たとえば、格子７ａには電極１５ａが形成されている。その電極１５ａに電圧印加部２３ａが電気的に接続されている。格子７ｎには電極１５ｎが形成されている。その電極１５ｎに電圧印加部２３ｎが電気的に接続されている。
　上述したように、格子７のそれぞれに対して、電圧印加部２３から電極１５を介して個々に電圧を印加することで、格子７のそれぞれのグラフェン層１３の導電率および屈折率が変化し、グラフェン層１３の光学特性を電気的に変化させることができる。
　格子７（グラフェン層１３）のそれぞれに電気的に接続される電圧印加部２３には、所望の電圧を印加するための電子回路（図示せず）が設けられている。電子回路としては、各格子７に対して、反射角度を制御するために必要とされる位相の変化を生じさせるのに十分な電圧を印加させることができれば、回路構成に制限はない。
　図４に示すように、各格子７において、第１方向としてのＸ軸方向の長さを幅ＷＧ、第２方向としてのＹ軸方向の長さを延在長さＬ、格子７のＸ軸方向の周期（ピッチ）を周期ＰＧ、格子７の厚さ（Ｚ軸方向）を厚さＴＧ、電極１５の厚さを厚さＴＥ、誘電体層１１の厚さを厚さＴＩとする。
　第１幅および第２幅としての幅ＷＧ、厚さＴＧ、周期ＰＧおよび長さＬは、対象とする電磁波の波長よりも短く設定されている。ここでは、各格子７について、格子の構造として、幅ＷＧ、厚さＴＧ、周期ＰＧおよび長さＬのそれぞれは、同じ値に設定されている。幅ＷＧは、たとえば、数十ｎｍ程度に設定されている。厚さＴＧは、数十ｎｍ程度に設定されている。周期ＰＧは、たとえば、数百ｎｍ程度に設定されている。厚さＴＥは、数十ｎｍ程度に設定されている。格子群５は、入射する電磁波のスポット径内に位置するように配置されている。
　幅ＷＧ、長さＬ、周期ＰＧ等を変えることで、共鳴波長を変えることができる。一般的に、多層構造の格子７（格子群５）では、幅ＷＧが共鳴波長を制御する主パラメータとなる。幅ＷＧが狭い方が、共鳴波長は短波長にシフトすることになる。
　また、誘電体層１１の厚さＴＩを変えることで、共鳴波長を制御することができる。誘電体層１１を挟み込むグラフェン層１３とグラフェン層９との間で共鳴（または導波モード）が生じるため、誘電体層１１の厚さＴＩが厚い方が、入射する電磁波の波長は長波長になる。さらに、隣り合う格子７と格子７との間隔（周期ＰＧ－幅ＷＧ）は、狭い方が共鳴が強くなり、反射する電磁波の位相変化量を大きくすることができる。これは、隣り合う格子７と格子７との間において、ギャップ共鳴が生じるためである。
　なお、格子群５として複数の格子７を一次元的に一方向に配置させる場合において、入射する電磁波が偏光を有する場合では、格子７の幅方向に対して、電磁波の電界の向きが平行になるように、反射光学素子と電磁波とを配置することで、電磁波の位相を効率的に変えることができる。したがって、この場合には、格子７の長さＬを電磁波の波長よりも長く設定することが望ましい。実施の形態１に係る反射光学素子１は、上記のように構成される。
　次に、上述した反射光学素子１の製造方法の一例について説明する。図５に示すように、たとえば、シリコンからなる基板１９を用意する。基板１９には、対向する表面と裏面とを有する。次に、基板１９の表面に絶縁層３を形成する。基板１９がシリコンからなる場合、絶縁層３は、基板１９に熱酸化処理を行うことによって形成された酸化シリコン（ＳｉＯ２）でもよい。熱酸化処理の他に、たとえば、ＣＶＤ（Chemical　Vapor　Deposition）法またはスパッタ法用いて絶縁層３を形成してもよい。
　次に、基板１９の裏面に、たとえば、スパッタ法または蒸着法等によって、反射板２１を形成する。反射板２１は、たとえば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）またはクロム（Ｃｒ）等から形成される。基板１９と反射板２１との密着性を上げるために、基板１９と反射板２１との間に、クロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）等の密着膜（図示せず）を形成するようにしてもよい。
　次に、図６に示すように、絶縁層３の表面を覆うように、たとえば、エピタキシャル成長法によってグラフェン層９が形成される。エピタキシャル成長法の他に、たとえば、あらかじめ、ＣＶＤ法によって形成したグラフェン層を転写して、絶縁層３に貼り付けるようにしてもよい。また、機械剥離等によって剥離されたグラフェン層を転写して貼り付けてもよい。
　次に、グラフェン層９を覆うように、たとえば、蒸着法または原子層堆積法（ＡＬＤ：Atomic　Layer　Deposition）等によって、誘電体層１１が形成される。誘電体層１１として、たとえば、酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）、アルミナ膜、酸化タンタル膜、ＩＴＯ膜、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、酸化マグネシム（ＭｇＯ）、または、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）等が形成される。次に、誘電体層１１を覆うようにグラフェン層１３が形成される。
　次に、図７に示すように、電極１５が形成される。電極１５は、たとえば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）またはクロム（Ｃｒ）等から形成される。グラフェン層１３と電極１５との密着性を上げるために、グラフェン層１３と電極１５との間に、クロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）等の密着膜（図示せず）を形成するようにしてもよい。
　写真製版処理またはＥＢ（Electron　Beam）描画等を用いることによって、電極を配置する領域を開口したレジストマスク（図示せず）が形成される。レジストマスクを形成した後、金（Ａｕ）等の金属膜が、たとえば、蒸着法またはスパッタ法によって形成される。その後、レジストマスクを除去することで、電極１５が形成される。
　次に、写真製版処理を行うことによって、格子群をパターニングするためのレジストマスク（図示せず）が形成される。次に、レジストマスクをエッチングマスクとして、酸素プラズマまたはメタン等のガスを用いることによって、グラフェン層と誘電体層とにエッチング処理が行われる。これにより、図８に示すように、複数の格子７からなる格子群５がパターニングされる。こうして、反射光学素子１の主要部分が完成する。
　上述した反射光学素子１では、格子７のそれぞれに対して、電圧印加部２３から電極１５を介して個々に電圧を印加することで、格子７のそれぞれのグラフェン層１３の導電率および屈折率が変化し、グラフェン層１３の光学特性を電気的に変化させることができる。
　ここで、図９に示すように、たとえば、格子群５として、格子７ａ、７ｉ、７ｊ、７ｎを含む複数の格子７が、Ｘ軸に沿って一次元に配置されている反射光学素子を想定する。複数の格子７に対して、格子７ａから格子７ｎへ向かって、それぞれのグラフェン層１３に印加する電圧を段階的に変化させることで、格子７のそれぞれのグラフェン層１３の導電率および屈折率が変化する。これにより、格子群５に入射した電磁波（矢印Ｙ０）が反射する際に、電磁波の位相がＸ軸に沿って段階的に変化する。
　各格子７のグラフェン層１３に対して、格子７ａから格子７ｎへ向かって、たとえば、０．１Ｖずつ徐々に増加（または減少）する一連の直流電圧を同時に印加することで、電磁波を反射させる方向が変えられる。また、その一連の直流電圧とは異なる他の一連の直流電圧を同時に印加することで、一連の直流電圧を印加した場合の電磁波が反射する方向とは異なる方向に電磁波を反射させることができ、各格子７のグラフェン層１３に印加する電圧によって、電磁波を反射させる方向を制御することができる。
　このため、それぞれの格子７において反射する電磁波（７１、７１ａ、７１ｉ、７１ｊ、７１ｎ）の、たとえば、山と山とを結んだ線は、反射光学素子１が配置されているＸ軸に対して傾きを有することになる。これにより、それぞれの格子７において反射する電磁波の全体としては、その傾いた方向（矢印Ｙ１）へ向かって反射することになる。こうして、複数の格子７のそれぞれに印加する電圧を変えることによって、グラフェン層１３の導電率および屈折率がその電圧に応じて変化する結果、反射光学素子１では、電圧によって電磁波の位相が変わり、電磁波を反射させる方向を制御することができる。
　また、上述した反射光学素子１では、特に、格子７の一部を成す誘電体層１１が、複数の格子７において、互いに間隔を隔てて形成されている。これにより、複数の格子において誘電体層が連続的に繋がっている構造と比べると、格子と格子との間に位置する誘電体層の部分において反射する電磁波の位相には変化が生じない。これにより、反射波は格子における位相変化のみが支配的となる。格子と、格子と格子の間に位置する誘電体とにおいては位相差が生じない。このため、電磁波の干渉が防止されて、高次の回折光がなくなるか、極めて小さくなる。これにより、反射する電磁波は主モードのみとなり、高次の回折光がなくなるため、反射する電磁波の強度が低下するのを抑制することができる。
　なお、上述した反射光学素子１では、電極１５に繋がっていない電気的にフローティングなグラフェン層９は、複数の格子７に個々に形成されている場合について説明した。図１０に示すように、電気的にフローティングなグラフェン層９としては、隣り合う格子７間において互いに繋がるように形成されていてもよい。また、図１１に示すように、グラフェン層９、誘電体層１１およびグラフェン層１３の三層構造の格子７の他に、グラフェン層１３を覆うように、さらに、誘電体層１７が形成された多層構造の格子７でもよい。また、電気的にフローティングなグラフェン層９が形成されていない反射光学素子であっても、冒頭で説明したように、反射する電磁波の強度を弱めることなく、反射角度を変えることができる。
　実施の形態２．
　実施の形態１では、各格子７について、幅ＷＧ、厚さＴＧ、周期ＰＧおよび長さＬのそれぞれが、同じ値に設定されている反射光学素子１について説明した。ここでは、格子のストライプ形状が異なる格子を含む反射光学素子について説明する。なお、図２および図３に示す反射光学素子１と同一部材については同じ符号を付し、必要である場合を除き、その説明を繰り返さないこととする。
　ここで、ｉおよびｊを、互いに異なる１以上ｎ以下の自然数とし、第１積層構造体から第ｎ積層構造体までの三以上の積層構造体のうち、一の積層構造体を第ｉ積層構造体とし、他の積層構造体を第ｊ積層構造体とする。格子群５は、第ｉ積層構造体を第ｉ格子として含み、第ｊ積層構造体を第ｊ格子として含む。第ｉ格子は、第３幅および第３長さを有し、第３ピッチをもって配置された、複数の第ｉ積層構造体を含む。第ｊ格子は、第４幅および第４長さを有し、第４ピッチをもって配置された、複数の第ｊ積層構造体を含む。なお、この明細書において、参照符号（たとえば、７、２３）に付されている「ｉ」、「ｊ」は、参照符号の一部であり、自然数ｉ、ｊとは区別される。
　第ｉ格子と第ｊ格子とでは、第３幅と第４幅とが異なっていてもよい。具体的に、図１２に、幅ＷＧが異なる格子７を備えた反射光学素子１の一例を示す。図１２に示すように、反射光学素子１は、格子群５として、幅ＷＧ１を有する格子７ａと、幅ＷＧ２を有する格子７ｉとを含む。幅ＷＧ２は幅ＷＧ１よりも大きい。
　第ｉ格子と第ｊ格子とでは、第３ピッチ（周期）と第４ピッチ（周期）とが異なっていてもよい。具体的に、図１３に、周期ＰＧが異なる格子７を備えた反射光学素子１の一例を示す。図１３に示すように、反射光学素子１は、格子群５として、周期ＰＧ１を有する格子７ａと、周期ＰＧ２を有する格子７ｉとを含む。周期ＰＧ２は周期ＰＧ１よりも長い。
　第ｉ格子と第ｊ格子とでは、誘電体層１１の厚さが異なっていてもよい。具体的に、図１４に、厚さＴＩが異なる誘電体層を含む格子７を備えた反射光学素子１の一例を示す。図１４に示すように、反射光学素子１は、格子群５として、厚さＴＩ１を有する格子７ａと、厚さＴＩ２を有する格子７ｉとを含む。厚さＴＩ１は、厚さＴＩ２よりも厚い。
　第ｉ格子と第ｊ格子とでは、第３長さと第４長さとが異なっていてもよい。具体的に、図１５に、長さＬが異なる格子７を備えた反射光学素子１の一例を示す。図１５に示すように、反射光学素子１は、格子群５として、長さＬ１を有する格子７ａと、長さＬ２を有する格子７ｉとを含む。長さＬ２は長さＬ１よりも長い。
　実施の形態１では、格子７において反射する電磁波の位相は、基本的には、グラフェン層１３に印加する電圧によって制御されることを述べた。また、グラフェン層１３とグラフェン層９との間などにおいて、電磁波が強め合う共鳴と呼ばれる現象が生じ、反射する電磁波の位相が変化することを述べた。さらに、グラフェン層１３の周囲において生じるプラズモン共鳴によっても、電磁波の位相が変化することを述べた。
　このことから、反射光学素子１では、グラフェン層１３に印加する電圧の他に、格子７の物理的形状を変えることで、共鳴する電磁波の波長を変えることができ、その共鳴に対応した波長を有する電磁波の位相を変化させることができることになる。また、共鳴する波長を変えることができることで、複数の波長を有する電磁波について、反射対象とすることができる。
　具体的には、図１２に示される反射光学素子１では、幅ＷＧ１を有する格子７ａに共鳴する波長を有する電磁波と、幅ＷＧ２を有する格子７ｉに共鳴する波長を有する電磁波とを、反射対象とすることができる。後者の波長は、前者の波長よりも長い。
　図１３に示される反射光学素子１では、周期ＰＧ１を有する格子７ａに共鳴する波長を有する電磁波と、周期ＰＧ２を有する格子７ｉに共鳴する波長を有する電磁波とを、反射対象とすることができる。後者の波長は、前者の波長よりも長い。
　図１４に示される反射光学素子１では、厚さＴＩ１を有する格子７ａに共鳴する波長を有する電磁波と、厚さＴＩ２を有する格子７ｉに共鳴する波長を有する電磁波とを、反射対象とすることができる。後者の波長は、前者の波長よりも短い。
　図１５に示される反射光学素子１では、長さＬ１を有する格子７ａに共鳴する波長を有する電磁波と、長さＬ２を有する格子７ｉに共鳴する波長を有する電磁波とを、反射の対象とすることができる。後者の波長は、前者の波長よりも長い。
　このように、反射対象となる電磁波としては、単一の波長を有する電磁波に限られず、複数の波長を有する電磁波を反射対象にすることができ、複数の波長を有する電磁波を含む広い波長域の電磁波について、その反射角度を制御することができる。
　一方、たとえば、反射対象とされる電磁波の波長があらかじめ決められているような場合においては、幅ＷＧ、厚さＴＧ、周期ＰＧおよび長さＬを含む格子７の物理的形状を調整することによって、最適な共鳴を生じさせることができる。また、幅ＷＧ、厚さＴＧ、周期ＰＧおよび長さＬを含む格子７の物理的形状を周期的に変化させて、各格子に印加する電圧として、たとえば、すべて同じ電圧を印加することによって、電磁波の反射角度を制御することができる。この場合には、各格子７に印加するすべての電圧を一つの電圧印加部２３によって制御することができ、電圧印加部２３によって制御する電圧値の数を少なくすることもできる。
　実施の形態３．
　ここでは、基板に光電変換を生じさせ、その光電変換に伴う電気変化によってグラフェン層に光ゲート効果を生じさせる反射光学素子について説明する。図１６に示すように、反射光学素子１では、入射する電磁波によって光電変換が生じる基板１９が適用されている。基板１９の裏面に形成された反射板２１は裏面電極として使用され、反射板２１にはバックゲート電圧Ｖｂｇが印加される。なお、これ以外の構成については、図２および図３に示す反射光学素子１の構成と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。
　光電変換が生じる基板１９は、たとえば、反射対象とする電磁波の有するエネルギー（ｈν）以下のバンドギャップを有する。ここで、光電変換に伴うグラフェン層の光ゲート効果について、グラフェン層をチャネルとしたグラフェントランジスタを例に挙げて説明する。
　図１７に示すように、グラフェントランジスタは、基板１９の上に絶縁層３を介在させて形成されたソース電極５３、ドレイン電極５５およびグラフェン層９を含む。ソース電極５３とドレイン電極５５とは、距離を隔てて配置されている。グラフェン層９は、ソース電極５３とドレイン電極５５と間に介在するように形成されている。グラフェン層９には、チャネルが形成される。反射板２１には、バックゲート電圧Ｖｂｇが印加される。
　図１７に、併せて、ソース電極５３とドレイン電極５５間に流れる電流Ｉｄと、バックゲート電圧Ｖｂｇとの関係をグラフに示す。横軸はバックゲート電圧Ｖｂｇであり、縦軸は電流Ｉｄである。点線のグラフは、電磁波が照射されていない状態での関係である。実線のグラフは、電磁波が照射されている状態での関係である。
　電磁波が照射されていない場合の点線のグラフに注目すると、バックゲート電圧Ｖｂｇを変化させた場合、通常のグラフェン層における両極性のトランジスタ動作となる。このとき、ディラックポイントを与えるバックゲート電圧ＶｂｇをＶＤＰとし、この電圧をディラックポイント電圧と呼ぶ。なお、ディラックポイントとは、グラフェン層９中の価電子帯と伝導帯（バンド構造）とが交差する点をいう。
　電磁波が照射されている場合の実線のグラフに注目すると、実線のグラフは点線のグラフに対して、ディラックポイント電圧がＶＤＰよりも高い電圧へシフトする。基板１９に電磁波が入射すると、基板１９には光電変換によってホールと電子とが発生する。発生したホールおよび電子のうちの一方（電荷）が反射板２１へ向かい、他方（電荷）が絶縁層３へ向かう。
　たとえば、基板１９がｐ型シリコンであり、バックゲート電圧Ｖｂｇとしてマイナスの電圧を印加している場合を想定する。発生したホールは反射板２１ヘ向かい、電子は絶縁層３へ向かう。グラフェン層９の直下の基板１９の部分に電子が溜まると、グラフェン層９は、その影響を受けて、グラフェン層９に印加される電圧が変化する。
　グラフェン層９には、反射板２１から印加されているバックゲート電圧Ｖｂｇと、その光電変換に伴う電圧変化分との双方の電圧が印加されることになる。この電圧変化分は、Ｖｐｈで表される。このため、電磁波が照射されている場合では、ディラックポイント電圧は、ＶＤＰからＶＤＰ＋Ｖｐｈへシフトすることになる。
　このシフトによって、電磁波が照射されていない場合と電磁波が照射されている場合とでは、同じバックゲート電圧Ｖｂｇに対して、電流Ｉｄに差分電流（ΔＩｐｈ）が生じることになる。この電流（Ｉｐｈ）の変化量は、通常の半導体の場合と比較して、移動度と膜厚とから見積もると、数百～数千倍程度大きくなる。
　グラフェン層９は、原子１層の非常に薄い層であり、また、電荷移動度が高い。このため、光電変換に伴うわずかな電圧変化によっても、グラフェン層９中の電子密度が変わり、グラフェン層９の導電率が変わることになる。すなわち、基板１９に生じる光電変換に伴うわずかな電圧変化によって、グラフェン層９の屈折率が変えられることになる。
　これにより、上述した反射光学素子１では、グラフェン層１３に印加される電圧によってグラフェン層１３の屈折率が変化するのに加えて、基板１９における光電変換によって、基板１９側のグラフェン層９の屈折率が変化する。このため、反射光学素子１では、電磁波が照射されたときにだけ、反射する電磁波の位相の変化を、光電変換が生じない場合よりも大きくすることができる。
　見方を変えると、電磁波の反射角度が同じであれば、光電変換に起因する分、反射光学素子の消費電力を下げることができることになる。一方、同じ電力であれば、光電変換に起因する分、電磁波の反射角度をより広げることができることになる。
　光ゲート効果によって光電変換が生じる基板１９の材料としては、次のような材料が挙げられる。可視光から近赤外線では、たとえば、シリコンがある。長波長域の赤外線では、たとえば、テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）またはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）等の強誘電体材料がある。中波長域の赤外線では、たとえば、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）がある。
　光電変換が生じる基板１９の材料としては、これらに限られるものではなく、反射対象とされる電磁波の有するエネルギー以下のバンドギャップを有する材料（基板）であればよい。また、基板１９に入射した電磁波によって、グラフェン層９に電圧変化を与えることができる基板１９であればよい。たとえば、基板１９中にｐｎ接合が形成されていてもよい。また、量子ドットまたはナノワイヤ等を材料として用いてもよい。
　実施の形態４．
　ここでは、格子が二次元的に配置された反射光学素子の一例について説明する。図１８に示すように、反射光学素子１では、格子７ａ、７ｉ、７ｊ、７ｎを含む複数の格子７（格子群５）が、マトリクス状に二次元的に配置されている。各格子７は、たとえば、Ｘ軸方向に幅をそれぞれ有し、Ｙ軸方向にそれぞれ延在する。各格子７の幅ＷＧ、長さＬ、周期ＰＧ、厚さＴＧ等（図４参照）は、電磁波の波長よりも短く設定されている。格子群５の各格子７は、平面視的に同じ形状を有する。
　格子７ａには、電圧印加部２３ａによって電圧が印加される。格子７ｉには、電圧印加部２３ｉによって電圧が印加される。格子７ｊには、電圧印加部２３ｊによって電圧が印加される。格子７ｎには、電圧印加部２３ｎによって電圧が印加される。各格子７の断面構造は、図３に示される断面構造と実質的に同じである。
　反射対象とされる電磁波がレーザ光の場合には、偏光を有する場合が多い。この場合に、反射する電磁波の位相を効率的に変化させるには、各格子７の幅の方向と電磁波の電界の方向とが、同じ方向（平行）になるように、反射光学素子を配置させることが望ましい。したがって、偏光の方向が決定している電磁波を反射対象とする場合には、複数の格子を一次元に配置するとともに、格子が延在する長さを電磁波の波長よりも長く設定することが望ましい。
　一方、反射対象の電磁波の電界の方向がすべての方向に均一に分布している無偏光（または非偏光）の場合には、複数の格子が一次元に配置された反射光学素子では、電磁波の位相を変化させる効率が悪くなる。つまり、複数の格子を一次元に配置させた場合に、直交する二方向に代表される偏光を想定すると、電磁波の位相を変化させる効率的な作用を生じるのは、いずれか一方の偏光に対してだけになってしまう。
　これに対して、図１８に示すように、複数の格子を二次元的に配置させた場合には、いずれの偏光に対しても、電磁波の位相を変化させる効率的な作用を生じさせることができる。このことから、上述した反射光学素子１では、無偏光な電磁波に対しても、電磁波の位相を制御することができることになる。
　なお、図１８に示す反射光学素子１では、複数の格子７のそれぞれは、Ｘ軸方向に幅を有し、Ｙ軸方向に延在する場合について説明した。各格子７の幅ＷＧおよび長さＬ（図４参照）等は、電磁波の波長よりも短く設定されていることから、たとえば、格子７ｉおよび格子７ｎを、それぞれの幅をＹ軸方向に平行にし、Ｘ軸方向に延在するように配置させても、電磁波の位相の制御が影響を受けることはない。また、格子群５の各格子７として、平面視的に同じ形状を有する格子７からなる格子群５を例に挙げたが、格子群５には、平面視的に異なる形状を有する格子７が含まれていてもよい。
　実施の形態５．
　ここでは、電磁波が入射したことを検出する電磁波検出部を備えた反射光学素子の一例について説明する。
　実施の形態３において、光ゲート効果を生じる基板を適用した反射光学素子では、基板における光電変換によって、差分電流（ΔＩｐｈ）が生じることを述べた。電磁波検出部では、この差分電流（ΔＩｐｈ）が検出される。
　図１９および図２０に示すように、反射光学素子１では、格子群５に加えて、電磁波検出部５１が形成されている。電磁波検出部５１は、第１検出電極および第２検出電極としてのソース電極５３およびドレイン電極５５とグラフェン層５７とを含む。ソース電極５３およびドレイン電極５５は、絶縁層３に接するように、互いに距離を隔てて配置されている。グラフェン層５７は、ソース電極５３とドレイン電極５５との間に介在し、ソース電極５３とドレイン電極５５とに接触している。
　ソース電極５３は接地電位に電気的に接続されている。ドレイン電極５５には、電流検知部５９とバイアス電源（バイアス電圧Ｖｄ）とが電気的に直列に接続されている。なお、これ以外の構成については、図２および図３に示す反射光学素子の構成と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。
　次に、上述した反射光学素子１の製造方法の一例について簡単に説明する。絶縁層３に接するように、ソース電極５３とドレイン電極５５とが形成される。ソース電極５３およびドレイン電極５５は、たとえば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）またはパラジウム（Ｐｄ）等から形成される。
　ソース電極５３およびドレイン電極５５と絶縁層３との密着性を上げるために、ソース電極５３およびドレイン電極５５と絶縁層３との間に、クロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）等の密着膜（図示せず）を形成するようにしてもよい。また、ソース電極５３およびドレイン電極５５のサイズ（厚さ、大きさ）としては、電気信号を出力することができるサイズであれば、特に制限はない。
　次に、ソース電極５３とドレイン電極５５を覆うように、グラフェン層９と誘電体層１１とが積層される。次に、電磁波検出部が形成される領域に位置する誘電体層１１の部分およびグラフェン層９の部分が除去されて、ソース電極５３とドレイン電極５５とを露出させる。
　次に、ソース電極５３、ドレイン電極５５および誘電体層１１等を覆うように、グラフェン層１３が形成される。次に、グラフェン層１３の上に電極１５が形成される。次に、写真製版処理およびエッチング処理を行うことによって、電磁波検出部５１のグラフェン層５７がパターニングされる。また、複数の格子７を含む格子群５が形成される。こうして、反射光学素子１の主要部分が完成する。
　上述した反射光学素子１では、実施の形態３において説明したのと同様に、グラフェン層５７には、反射板２１から印加されているバックゲート電圧Ｖｂｇと、電磁波の入射に伴う光電変換に起因する電圧変化分との双方の電圧が印加される。このため、電磁波が照射されている場合では、ディラックポイント電圧は、ＶＤＰからＶＤＰ＋Ｖｐｈへシフトする（図１７参照）。これにより、この電圧のシフトが差分電流（ΔＩｐｈ）として、電流検知部５９によって検知されることになる。その結果、反射光学素子１に電磁波が入射しことを検知することができる。
　また、反射光学素子１に配置する電磁波検出部５１の数としては、１つだけに限られず、複数配置させてもよい。この場合、電磁波検出部５１をアレイ状に配置することで、電磁波が検出された位置を判別することができる。また、画像センサとして使用することも可能である。
　次に、反射光学素子１の一変形例について説明する。図２１に示すように、電磁波検出部５１では、グラフェン層５７の上にソース電極５３およびドレイン電極５５が形成されている。グラフェン層５７は、格子７を形成するグラフェン層１３と同じ層から形成されている。ソース電極５３およびドレイン電極５５は、電極１５（図１９参照）と同じ層から形成されている。
　次に、この反射光学素子１の製造方法の一例について簡単に説明する。基板１９上に絶縁層３が形成される。その絶縁層３を覆うように、グラフェン層９と誘電体層１１とが積層される。次に、電磁波検出部が形成される領域に位置する誘電体層１１の部分およびグラフェン層９の部分が除去されて、絶縁層３を露出させる。
　次に、絶縁層３および誘電体層１１を覆うように、グラフェン層１３が形成される。次に、格子群５が形成される領域では、グラフェン層１３の上に電極１５が形成される。電磁波検出部５１が形成される領域では、ソース電極５３およびドレイン電極５５が形成される。
　次に、写真製版処理およびエッチング処理を行うことによって、格子群５が形成される領域では、複数の格子７を含む格子群５が形成される。電磁波検出部５１が形成される領域では、グラフェン層１３がパターニングされて、グラフェン層５７形成される。こうして、反射光学素子１の主要部分が完成する。
　反射光学素子１の他の変形例について説明する。図２２に示すように、電磁波検出部５１では、グラフェン層５７の上に誘電体層１１とグラフェン層１３とが積層されている。グラフェン層５７、誘電体層１１およびグラフェン層１３は、格子７を形成するグラフェン層９、誘電体層１１およびグラフェン層１３とそれぞれ同じ層から形成されている。
　次に、この反射光学素子１の製造方法の一例について簡単に説明する。図２３に示すように、絶縁層３に接するように、ソース電極５３とドレイン電極５５とが形成される。次に、図２４に示すように、ソース電極５３とドレイン電極５５を覆うように、グラフェン層９、誘電体層１１およびグラフェン層１３が順次積層される。
　次に、図２５に示すように、写真製版処理およびエッチング処理が行われる。これにより、格子群５が形成される領域では、複数の格子７を含む格子群５が形成される。電磁波検出部５１が形成される領域では、グラフェン層１３、誘電体層１１およびグラフェン層９がパターニングされて、グラフェン層５７を含む構造が形成される。
　次に、電極（図示せず）等が形成されて、反射光学素子１の主要部分が完成する。なお、この反射光学素子１では、電磁波検出部５１におけるグラフェン層１３は、電気的にフローティングとされる。この製造方法では、ソース電極５３およびドレイン電極５５を形成する工程以外は、格子群５を形成する工程と並行して電磁波検出部５１を形成することができる。
　実施の形態６．
　ここでは、変形例に係る電磁波検出部を備えた反射光学素子について説明する。図２６および図２７に示すように、反射光学素子１における電磁波検出部５１では、グラフェン層５７が基板１９と接触している。絶縁層３には開口部３ａが形成されている。グラフェン層５７は、開口部３ａを介して基板１９に接触している。グラフェン層５７と基板１９とが接触すれば、開口部３ａの開口形状に制約はない。
　基板１９の材料として、たとえば、シリコンが適用されている。基板１９には、バックゲート電圧Ｖｂｇが印加される。ドレイン電極５５には、バイアス電圧Ｖｄが印加される。ソース電極５３は、接地電位に電気的に接続されている。ドレイン電極５５とソース電極５３との間に流れる電流が、電流検知部５９によって検知される。
　なお、これ以外の構成については、図１９および図２０に示す反射光学素子１と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。
　次に、上述した反射光学素子１における電磁波検出部５１の動作について説明する。基板１９に電磁波が入射すると、基板１９には光電変換によってホールと電子とが発生する。発生したホールおよび電子のうちの一方（電荷）が反射板２１へ向かい、他方（電荷）がグラフェン層５７へ向かう。グラフェン層５７へ向かった電荷（電子またはホール）は、グラフェン層５７に注入される。
　ドレイン電極５５とソース電極５３との間では、バイアス電圧Ｖｄが印加されている。このため、基板１９において発生した電荷がグラフェン層５７に注入されると、注入された電荷はグラフェン層５７からドレイン電極５５へ向かって流れるか、または、グラフェン層５７からソース電極５３へ向かって流れることになる。このグラフェン層５７に流れる電荷を検知することで、電磁波を検出することができる。
　次に、変形例に係る反射光学素子について説明する。グラフェン層では、バンド構造に起因して、グラフェン層の一方側と他方側との間にバイアス電圧が印加されている状態では、電磁波が照射されていない状態であってもグラフェン層の一方側と他方側との間で電流が流れることになる。このため、図１７における電磁波が照射されていない場合のグラフに示されているように、電流Ｉｄの最小値が０よりも高い値になる。この電流は、暗電流と呼ばれている。
　図２８および図２９に示すように、変形例に係る反射光学素子の電磁波検出部５１では、絶縁層３の開口部３ａを取り囲むように、第１（２）検出電極としての電極６１が形成されている。その電極６１に接触するとともに、開口部３ａに充填される態様で、グラフェン層５７が形成されている。電極６１に接触するグラフェン層５７は基板１９に接触し、基板１９は反射板２１に接触している。
　このため、光電変換によって基板１９に電荷（電子とホール）が生じ、基板１９とグラフェン層５７との間に電流が流れると、電磁波検出部５１は、反射板２１と電極６１との間で、一種のダイオードとして機能することになる。また、この電磁波検出部５１では、電極６１にはバイアス電圧は印加されていない。
　これにより、光電変換によって基板１９に電荷（電子とホール）が生じない限り、基板１９とグラフェン層５７との間に電流が流れることはなくなる。その結果、暗電流を抑えることができ、ノイズを抑えて電磁波の検出性能を向上させることができる。
　上述した反射光学素子１の基板１９の材料の一例として、シリコンを挙げた。光電変換が生じる基板１９の材料としては、シリコンの他に、次のような材料が挙げられる。
　ゲルマニウム、ＩＩＩ－Ｖ族半導体またはＩＩ－Ｖ族半導体等の化合物半導体が挙げられる。また、テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）、鉛セレン（ＰｂＳｅ）、鉛硫黄（ＰｂＳ）、カドミウム硫黄（ＣｄＳ）、ガリウム窒素（ＧａＮ）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）、トポロジカル絶縁体が挙げられる。さらに、量子井戸または量子ドットを含む基板が挙げられる。さらに、ＴｙｐｅＩＩ超格子等の材料の単体またはそれらの材料を組み合わせた基板が挙げられる。
　たとえば、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）では、赤外線の波長域において光電変換が可能になる。このため、赤外線の波長域において、電磁波検出部５１による電磁波の検知を高感度で行うことができる。基板１９の材料を、反射対象とする電磁波の波長に応じて変えることで、特定の波長の電磁波を高感度に検出することができる。
　実施の形態７．
　実施の形態５または実施の形態６では、反射光学素子１における電磁波検出部５１に適用される二次元材料層の材料の一例として、グラフェン（グラフェン層５７）を挙げた。ここでは、その電磁波検出部５１に適用される二次元材料層の材料のバリエーションについて説明する。
　電磁波検出部の二次元材料層の材料としては、遷移金属ダイカルコゲナイド（ＴＭＤ：Transition　Metal　Dichalcogenide）、黒リン（Black　Phosphorus）、シリセン（シリコン原子による二次元ハニカム構造）、ゲルマネン（ゲルマニウム原子による二次元ハニカム構造）等の材料を適用することができる。遷移金属ダイカルコゲナイドとしては、たとえば、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２等の遷移金属ダイカルコゲナイドが挙げられる。
　これらの材料は、グラフェンと類似の構造を有しており、原子を二次元面内に単層で配列することが可能な材料である。したがって、これらの材料を適用した場合においても、グラフェン層を適用した場合と同様の作用効果を得ることができる。
　遷移金属ダイカルコゲナイドまたは黒リン等の材料は、バンドギャップを有する。このため、暗電流（オフ電流）はほぼなくなり、反射光学素子（電磁波検出部）のノイズを抑えることができる。これにより、電磁波を検出する感度が向上し、反射光学素子としての性能を向上させることができる。
　また、これらの材料では、材料を積層する層数によって、バンドギャップの大きさを調整することができる。このため、検出する電磁波の波長を、その層数によって選択することができる。たとえば、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２等の遷移金属ダイカルコゲナイドでは、可視光の波長域に相当するバンドギャップを有する。黒リンは、中赤外線の波長域に相当するバンドギャップを有する。これにより、特定の波長の電磁波のみを検出することができる波長選択型の電磁波検出部を備えた反射光学素子を得ることができる。
　これらの材料を適用することで、従来の半導体検出器のように、半導体材料の組成によってバンドギャップをコントロールする必要がなくなり、製造工程を簡略化することができる。また、典型的な波長選択法とされる光学フィルタを用いる必要もない。このため、光学部品の点数を削減することができるとともに、電磁波が光学フィルタを通過することに伴う電磁波の損失も低減することができる。
　遷移金属ダイカルコゲナイドまたは黒リン等の材料では、複数の層からなる積層構造とし、さらに、その積層方向を制御することで、電磁波の偏光依存性を得ることができる。これにより、特定の偏光を有する電磁波だけを選択的に検出する電磁波検出部を備えた反射光学素子を実現することができる。
　さらに、これらの材料の中から異なる２つの材料を組み合わせて、ヘテロ接合を形成するようにしてもよい。また、遷移金属ダイカルコゲナイドとグラフェンとを組み合わせてヘテロ接合を形成してもよい。黒リンとグラフェンとを組み合わせてヘテロ接合を形成してもよい。
　ヘテロ接合を形成することで、異なる材料間において、従来の半導体材料における量子井戸効果またはトンネル効果と同じ効果を得ることができる。これにより、反射光学素子（電磁波検出部）のノイズを抑えることができるとともに、再結合を低減することができる。その結果、電磁波を検出する感度が向上し、反射光学素子としての性能を向上させることができる。
　特に、熱雑音が支配的となる赤外線の波長域においては、トンネル効果を利用した熱雑音の低減は大きな効果を奏する。また、ヘテロ接合により常温動作も可能となる。また、トンネル電流が流れない構造であっても、グラフェンと２次元材料とを積層することによって、暗電流を抑制する効果が生じる。特に、グラフェンは原子層材料でるため、グラフェンと他の２次元材料とを積層することで、結果に起因する暗電流を抑制する効果があり、電磁波検出部の感度を向上させることができる。
　また、接合として、プロベスカイトとグラフェンとの接合、異なる２次元材料の接合を用いてもよい。
　なお、各実施の形態において説明した、電磁波検出部を含む反射光学素子については、必要に応じて種々組み合わせることが可能である。
　今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。
　本発明は、二次元材料層を適用した反射光学素子に有効に利用される。
　１　反射光学素子、３　絶縁層、３ａ　開口部、５　格子群、７、７ａ、７ｉ、７ｊ、７ｎ　格子、９　グラフェン層、１１　誘電体層、１３　グラフェン層、１５、１５ａ、１５ｉ、１５ｎ　電極、１７　誘電体層、１９　基板、２１　反射板、２３、２３ａ、２３ｉ、２３ｊ、２３ｎ　電圧印加部、３１　金属膜、５１　電磁波検出部、５３　ソース電極、５５　ドレイン電極、５７　グラフェン層、５９　電流検知部、６１　電極、７１　７１ａ、７１ｉ、７１ｊ、７１ｎ　電磁波。

Claims (18)

  1. 　入射する電磁波の反射方向を変更可能とする反射光学素子であって、
    　互いに対向する第１主面および第２主面を有する絶縁体と、
    　前記絶縁体に対して前記第１主面の側に配置された積層構造部と、
    　前記積層構造部に電気的に接続され、電圧が印加される電極部と、
    　前記絶縁体に対して前記第２主面の側に配置された反射板と
    を有し、
    　前記積層構造部は、
    　第１方向に第１幅を有し、前記第１方向と交差する第２方向に延在する、一つ以上の第１積層構造体と、
    　前記第１積層構造体とは前記第１方向に間隔を隔てて配置され、前記第１方向に第２幅を有し、前記第２方向に延在する、一つ以上の第２積層構造体と
    を含む複数の積層構造体を備え、
    　複数の前記積層構造体のそれぞれでは、誘電体層と第１二次元材料層とが積層されており、
    　前記電極部は、
    　前記第１積層構造体における前記第１二次元材料層に電気的に接続され、第１電圧が印加される第１電極と、
    　前記第２積層構造体における前記第１二次元材料層に電気的に接続され、第２電圧が印加される第２電極と
    を含む複数の電極を備えた、反射光学素子。
  2. 　前記第１積層構造体と前記第２積層構造体とは同じ構造である、請求項１記載の反射光学素子。
  3. 　前記第１積層構造体および前記第２積層構造体のそれぞれは、第２二次元材料層を含み、
    　前記第２二次元材料層の上に、前記誘電体層を介在させて前記第１二次元材料層が積層配置された、請求項１記載の反射光学素子。
  4. 　前記積層構造部は、前記第１積層構造体を第１格子として含み、前記第２積層構造体を第２格子として含む、複数の格子からなる格子群である、請求項１～３のいずれか１項に記載の反射光学素子。
  5. 　前記第１格子は、前記第１方向に前記第１幅を有し、前記第２方向に第１長さを有し、前記第１方向に第１ピッチをもって配置された、複数の前記第１積層構造体を含み、
    　前記第２格子は、前記第１方向に前記第２幅を有し、前記第２方向に第２長さを有し、前記第１方向に第２ピッチをもって配置された、複数の前記第２積層構造体を含む、請求項４記載の反射光学素子。
  6. 　前記第１格子および前記第２格子では、前記第１幅と前記第２幅とが異なる第１条件、前記第１長さと前記第２長さとが異なる第２条件、前記第１ピッチと前記第２ピッチとが異なる第３条件、前記第１格子における前記誘電体層の厚さと前記第２格子における前記誘電体層の厚さとが異なる第４条のうちの少なくともいずれかの条件が設定された、請求項５記載の反射光学素子。
  7. 　前記第１格子および前記第２格子では、前記第１条件が設定された、請求項６記載の反射光学素子。
  8. 　複数の前記積層構造体は、
    　ｎを３以上の自然数とすると、
    　前記第１積層構造体および前記第２積層構造体を含む、前記第１積層構造体から第ｎ積層構造体までの三以上の積層構造体を含み、
    　複数の前記電極は、前記第１電極および前記第２電極を含む、前記第１積層構造体から前記第ｎ積層構造体までの三以上の前記積層構造体に形成された、前記第１電極から第ｎ電極までの三以上の電極を含む、請求項１記載の反射光学素子。
  9. 　前記積層構造部は、三以上の前記積層構造体のそれぞれを格子として含む、三以上の格子からなる格子群であり、
    　ｉおよびｊを、互いに異なる１以上ｎ以下の自然数とし、前記第１積層構造体から前記第ｎ積層構造体までの三以上の前記積層構造体のうち、一の積層構造体を第ｉ積層構造体とし、他の積層構造体を第ｊ積層構造体とすると、
    　前記格子群は、
    　前記第ｉ積層構造体を第ｉ格子として含み、
    　前記第ｊ積層構造体を第ｊ格子として含み、
    　前記第ｉ格子は、前記第１方向に第３幅を有し、前記第２方向に第３長さを有し、前記第１方向に第３ピッチをもって配置された、複数の前記第ｉ積層構造体を含み、
    　前記第ｊ格子は、前記第１方向に第４幅を有し、前記第２方向に第４長さを有し、前記第１方向に第４ピッチをもって配置された、複数の前記第ｊ積層構造体を含む、請求項８記載の反射光学素子。
  10. 　前記第ｉ格子および前記第ｊ格子では、前記第３幅と前記第４幅とが異なる第５条件、前記第３長さと前記第４長さとが異なる第６条件、前記第３ピッチと前記第４ピッチとが異なる第７条件、前記第ｉ格子における前記誘電体層の厚さと前記第ｊ格子における前記誘電体層の厚さとが異なる第８条のうちの少なくともいずれかの条件が設定された、請求項９記載の反射光学素子。
  11. 　前記積層構造部は、一次元および二次元のいずれかの態様で複数配置された、請求項１～１０のいずれか１項に記載の反射光学素子。
  12. 　前記第１二次元材料層および前記第２二次元材料層のいずれかは、単層および二層以上のいずれかの原子層からなる、請求項３記載の反射光学素子。
  13. 　前記絶縁体と前記反射板との間には、前記電磁波が入射することによって光電変換が生じる基板が配置された、請求項１～１２のいずれか１項に記載の反射光学素子。
  14. 　前記第１二次元材料層および前記第２二次元材料層のいずれかは、グラフェン、遷移金属ダイカルゴゲナイト、黒リン、シリセン、グラフェンナノポリンおよびボロフェンからなる群から選ばれるいずれかの材料を含む、請求項３または１２に記載の反射光学素子。
  15. 　前記電磁波を検出する電磁波検出部を備え、
    　前記電磁波検出部は、
    　前記基板上に形成された第１検出電極および第２検出電極と、
    　前記第１検出電極と前記第２検出電極との間に介在するように形成された第３二次元材料層と
    を含む、請求項１３記載の反射光学素子。
  16. 　前記第３二次元材料層は前記基板に接触している、請求項１５記載の反射光学素子。
  17. 　前記電磁波検出部は、前記基板における複数の箇所に配置された、請求項１５または１６に記載の反射光学素子。
  18. 　前記積層構造部は、前記電磁波の波長よりも短いサイズをもって形成された、請求項１～１７のいずれか１項に記載の反射光学素子。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11927777B2 (en) 2019-12-14 2024-03-12 Luminar Technologies, Inc. Plasma dispersion effect for metasurface tuning
US20230332942A1 (en) * 2020-10-26 2023-10-19 Mitsubishi Electric Corporation Electromagnetic wave detector and electromagnetic wave detector array

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170153527A1 (en) * 2015-11-27 2017-06-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Beam steering device and system including the same
US20180062341A1 (en) * 2016-08-29 2018-03-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Laser beam steering device and system including the same
JP2018509643A (ja) * 2015-02-03 2018-04-05 サムスン エレクトロニクス カンパニー リミテッド ゲート構造を含む光変調素子
US20180136537A1 (en) * 2016-11-16 2018-05-17 Samsung Electronics Co., Ltd. Two-dimensional light modulating device and electronic apparatus including the same
US20180196137A1 (en) * 2017-01-10 2018-07-12 Samsung Electronics Co., Ltd. Optical modulating device and system employing same

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19913220C2 (de) * 1999-03-24 2001-07-05 Gsf Forschungszentrum Umwelt Verfahren zur Detektion von Spurenstoffen und/oder Umgebungseigenschaften
US7009752B1 (en) * 2003-01-21 2006-03-07 Lockheed Martin Corporation Actively-supported multi-degree of freedom steerable mirror apparatus and method
US7898789B1 (en) * 2009-11-02 2011-03-01 Philip Onni Jarvinen Extra electric energy for day-night cycle solar aircraft
US9632216B2 (en) 2015-02-03 2017-04-25 Samsung Electronics Co., Ltd. Optical modulating device having gate structure
US10816828B2 (en) * 2016-11-02 2020-10-27 Samsung Electronics Co., Ltd. Multi-stack graphene structure and device including the same
US10509297B2 (en) * 2017-01-27 2019-12-17 California Institute Of Technology Continuous beam steering with multiple-gated reconfigurable metasurfaces
KR102372090B1 (ko) * 2017-07-13 2022-03-08 삼성전자주식회사 광변조 소자와 그 동작방법 및 광변조 소자를 포함하는 장치

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018509643A (ja) * 2015-02-03 2018-04-05 サムスン エレクトロニクス カンパニー リミテッド ゲート構造を含む光変調素子
US20170153527A1 (en) * 2015-11-27 2017-06-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Beam steering device and system including the same
US20180062341A1 (en) * 2016-08-29 2018-03-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Laser beam steering device and system including the same
US20180136537A1 (en) * 2016-11-16 2018-05-17 Samsung Electronics Co., Ltd. Two-dimensional light modulating device and electronic apparatus including the same
US20180196137A1 (en) * 2017-01-10 2018-07-12 Samsung Electronics Co., Ltd. Optical modulating device and system employing same

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CARRASCO ET AL.: "Tunable graphene reflective cells for THz reflectarrays and generalized law of reflection", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 102, no. 104103, 15 March 2013 (2013-03-15), pages 1 - 4, XP012170081, DOI: 10.1063/1.4795787 *
SHIMATANI, MASAAKI ET AL.: "Development of broadband graphene photodetectors (I)-Photocurrent enhancement using Si/Si02 substrate gating effect in visible range", LECTURE PREPRINTS THE 78TH JSAP AUTUMN MEETING, 25 August 2017 (2017-08-25) *

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