超小型電子デバイスの性能を高めるための高速プラズモニックデバイス
本発明の種々の実施の形態はフォトニックデバイスを対象とし、該フォトニックデバイスを用いて、入射ＥＲを収集し、表面プラズモンに変換することができる。該表面プラズモンを用いて、超小型電子デバイスの動作を助長することができる。本発明の一実施の形態において、フォトニックデバイス１００が、上側表面及び下側表面を有する誘電体層１０４と、誘電体層の上側表面の少なくとも一部を覆う平面ナノワイヤネットワーク１０６とを備える。誘電体層の下側表面は、基板１０２の上側表面上に配置され、平面ナノワイヤネットワークは、入射電磁放射を表面プラズモンに変換するように構成され、該表面プラズモンは誘電体層の中を通り抜けて基板の少なくとも一部の中に達する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態はフォトニックデバイスを対象とし、詳細には、超小型電子デバイスの性能を高めるために用いられうる高速プラズマベースデバイスを対象とする。
【背景技術】
【０００２】
近年、集積回路上の超小型電子デバイスの密度が高くなった結果として、これらのデバイスを相互接続するために用いられうる金属信号線の密度が技術的な障害になってきた。
たとえば、信号線の密度が高くなったことから、電子デバイス間の最も長い通信リンクを同期させることが難しくなり、隣接する信号線間のクロストークが問題になってきた。
結果として、信号線を介して電気信号として情報を送信するのではなく、物理学者及び技術者は、電磁放射（「ＥＲ」）内に符号化された同じ情報を、自由空間を通じて又は導波路を介して送信するために用いられうる材料及びデバイスを調査している。
ＥＲ内に符号化された情報を導波路を介して送信することは、信号線を介して電気信号を送信することよりも優れた多数の利点を有する。
第一に、導波路を介して送信されるＥＲの場合、信号線を介して送信される電気信号の場合よりも劣化又は損失がはるかに小さい。
第二に、導波路は、信号線よりもはるかに広い帯域幅に対応するように作られうる。
たとえば、単一のＣｕワイヤ又はＡｌワイヤは単一の電気信号しか送信することができないが、単一の光ファイバは、様々に符号化された約１００以上のＥＲ信号を送信するように構成されうる。
【０００３】
材料科学及び半導体製造技法が進歩したことから、ＣＭＯＳ回路のような電子デバイスと集積されうるフォトニックデバイスを開発して、フォトニック集積回路（「ＰＩＣ」）を形成することができるようになった。
用語「フォトニック」は、電磁スペクトルに及ぶ周波数を有する、古典的に特徴付けられる電磁放射、又は量子化された電磁放射で動作することができるデバイスを指している。
ＰＩＣは、電子集積回路に相当するフォトニック回路であり、半導体材料のウェーハ上に実装されうる。
ＰＩＣを効果的に実装するために、受動フォトニックデバイス及び能動フォトニックデバイスが必要とされる。
導波路及び減衰器が受動フォトニックデバイスの例であり、受動フォトニックデバイスは超小型電子デバイス間でのＥＲ伝搬を誘導するために用いられうる。また、光検出器が能動フォトニックデバイスの例であり、能動フォトニックデバイスは、データをＥＲ内に符号化するか、データで符号化されたＥＲを検出するか、又はＰＩＣの或る特定の超小型電子デバイス構成要素の動作を制御するために用いられうる。
ほとんどの光検出器は、ｐ−ｎ接合半導体フォトダイオード又はｐ−ｉ−ｎ接合半導体フォトダイオードである。
十分なエネルギーを有するＥＲのパルスがフォトダイオードに突き当たるとき、電子−正孔対が生成される。
その際、フォトダイオードの内部電界が、それらの電子及び正孔を、接合部空乏領域を通じて逆の方向に動かして電流を生成し、その電流を用いて、入射ＥＲパルスの存在を確認するか、又は超小型電子デバイスの動作を制御することができる。
たとえば、超小型電子デバイスと電気的に通信するフォトダイオードを用いて、電磁放射の対応するオンパルス及びオフパルスを加えることによって、該デバイスをオン及びオフにすることができる。
しかしながら、フォトダイオードは多くの場合に高い静電容量を有し、増幅器の使用を必要とする場合があり、それによって、多種多様の超小型電子デバイス内にフォトダイオードを実装するのは現実的でなくなる場合がある。
物理学者及び技術者は、或る特定の超小型電子デバイスの性能を高め、動作を助長するために用いられうるフォトニックデバイスが必要であることを認識している。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の種々の実施の形態はフォトニックデバイスを対象とし、該フォトニックデバイスを用いて、入射ＥＲを収集し、表面プラズモンに変換することができる。
該表面プラズモンを用いて、超小型電子デバイスの性能を高め、動作を助長することができる。
本発明の一実施の形態では、フォトニックデバイスが、上側表面及び下側表面を有する誘電体層と、誘電体層の上側表面の少なくとも一部を覆う平面ナノワイヤネットワークとを備える。
誘電体層の下側表面は基板の上側表面上に配置され、平面ナノワイヤネットワークは、入射電磁放射を表面プラズモンに変換するように構成され、該表面プラズモンは誘電体層の中を通り抜けて基板の少なくとも一部の中に達する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１Ａ】本発明の実施形態による、基板によって支持される第１のフォトニックデバイスの等角図である。
【図１Ｂ】本発明の実施形態による、図１Ａに示される第１のフォトニックデバイス及び基板の組立分解等角図である。
【図２】本発明の実施形態による、誘電体層によって支持される六角形の平面ナノワイヤネットワークの平面図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態による、正方形の平面ナノワイヤネットワークを示す図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態による、五角形の平面ナノワイヤネットワークを示す図である。
【図４】本発明の実施形態による、図１に示される線４−４に沿った第１のフォトニックデバイスの断面図である。
【図５】本発明の実施形態による、レンズを有する第１のフォトニックデバイスの断面図である。
【図６Ａ】本発明の実施形態による、図１に示される第１のフォトニックデバイスの平面ナノワイヤネットワーク上に入射する電磁放射を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の実施形態による、図６Ａに示される線６Ｂ−６Ｂに沿った第１のフォトニックデバイスのナノワイヤの断面図である。
【図７Ａ】本発明の実施形態による、基板によって支持される第２のフォトニックデバイスの等角図である。
【図７Ｂ】本発明の実施形態による、図７Ａに示される線７Ｂ−７Ｂに沿った第２のフォトニックデバイスの断面図である。
【図８】本発明の実施形態による、図７Ａに示される第２のフォトニックデバイス上に入射する電磁波の電界成分を示す図である。
【図９Ａ】本発明の実施形態による、基板によって支持される第３のフォトニックデバイスの等角図である。
【図９Ｂ】本発明の実施形態による、図９Ａに示される線９Ｂ−９Ｂに沿った第３のフォトニックデバイスの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本発明の種々の実施形態はフォトニックデバイスを対象とし、該フォトニックデバイスを用いて、入射ＥＲを収集し、表面プラズモンに変換することができる。該表面プラズモンを用いて、超小型電子デバイスの性能を高め、動作を助長することができる。
これらのフォトニックデバイスのサイズは１次元、２次元及び３次元において低減され、且つ依然として相対的に大きなＥＲ捕捉断面を保持することができる。
図１Ａは、本発明の実施形態による、基板１０２によって支持される第１のフォトニックデバイス１００の等角図を示す。
フォトニックデバイス１００は、誘電体層１０４と、誘電体層１０４の上側表面の少なくとも一部を覆う平面ナノワイヤネットワーク１０６とを備えており、オプションの反射防止コーティング１０８も備える場合があり、反射防止コーティング１０８は、平面ナノワイヤネットワーク１０６の、基板１０２と接触していない表面と、誘電体層１０４の、平面ナノワイヤネットワーク１０６によって覆われていない部分とを覆う。
オプションの反射防止コーティング１０８は、入射ＥＲの或る特定の波長の反射率を下げることによって、光検出器の効率を改善しうる。
詳細には、波長λを有する入射ＥＲの反射率を下げるために、約λ／４の厚みを有する反射防止コーティングが作られうる。
【０００７】
図１Ｂは、本発明の実施形態による、図１Ａに示されるフォトニックデバイス１００及び基板１０２の組立分解等角図を示す。
誘電体層１０４が基板１０２及び反射防止コーティング１０８から切り離して示される。
また図１Ｂは、反射防止コーティング１０８内にある平面ナノワイヤネットワーク１０６の圧痕１１０も明示し、反射防止コーティング１０８が、平面ナノワイヤネットワーク１０６のナノワイヤ間の領域を充填することを示す。
【０００８】
図２は、本発明の実施形態による、誘電体層１０４によって支持される平面ナノワイヤネットワーク１０６の平面図を示す。
平面ナノワイヤネットワーク１０６は、平面ナノワイヤネットワーク１０６の中心から外側に向かって放射状に広がる、概ね均等に離間される６本の放射状ナノワイヤ２０１〜２０６を備える。
放射状ナノワイヤの各対は、概ね平行な４本の横断ナノワイヤによって相互接続され、横断ナノワイヤは、同心の４つのナノワイヤ六角形を形成するように構成され、各放射状ナノワイヤはナノワイヤ六角形２０１〜２０６のそれぞれの頂点を横切る。
たとえば、横断ナノワイヤ２０７は放射状ナノワイヤ２０１及び２０２を相互接続し、横断ナノワイヤ２０７〜２１２は、４つの同心ナノワイヤ六角形のうちの１つを形成し、放射状ナノワイヤ２０１は、４つの同心ナノワイヤ六角形のそれぞれの頂点を横切る。
【０００９】
本発明の他の実施形態では、正多角形を成す種々の平面ナノワイヤネットワークを構成するために、放射状ナノワイヤの数及び隣接する放射状ナノワイヤ間の角度を変更することができる。
たとえば、本発明の実施形態によれば、図３Ａは、概ね均等に離間される４本のナノワイヤから形成される正方形の平面ナノワイヤネットワーク３０２を示し、図３Ｂは、概ね均等に離間される５本のナノワイヤから形成される五角形の平面ナノワイヤネットワーク３０４を示す。
また、本発明の他の実施形態では、不規則な形を成す平面ナノワイヤネットワークを形成するために隣接するナノワイヤ間の角度を変更することができ、隣接する放射状ナノワイヤの任意の対を相互接続する横断ナノワイヤの数を変更することができる。
【００１０】
図４は、本発明の実施形態による、図１に示される線４−４に沿ったフォトニックデバイス１００及び基板１０２の断面図を示す。
図４に示されるように、オプションの反射防止コーティング１０８が、平面ナノワイヤネットワーク１０６のナノワイヤセグメント間の空間を充填する。
本発明の他の実施形態では、より広いエリアにわたって入射する電磁放射をフォトニックデバイス１００上に合焦させるために、フォトニックデバイス１００の上にレンズを配置することができる。
図５は、本発明の実施形態による、フォトニックデバイス１００上にレンズ５０２が配置されているフォトニックデバイス１００の断面図を示す。
本発明の或る特定の実施形態では、レンズ５０２は、ホログラフィックレンズとすることができる。
【００１１】
図４及び図５に示されるように、個々のナノワイヤセグメントが長方形の断面を有する平面ナノワイヤネットワークが示されてきたが、平面ナノワイヤネットワークのナノワイヤは、正方形、円形、楕円形又はより複雑な断面を有しうる。
平面ナノワイヤネットワークのナノワイヤセグメントは、数多くの異なる幅又は直径、及び縦横比又は偏心率も有しうる。
用語「ナノワイヤ」は、サブマイクロスケールワイヤ、マイクロスケールワイヤ、若しくはより大きな直径を有するワイヤを有する平面ナノワイヤネットワークのワイヤを指す場合があるか、又は複数の断面寸法が混在する平面ナノワイヤネットワークのワイヤを指す場合がある。
たとえば、横断ナノワイヤは、ナノスケール寸法を有することができ、一方、放射状ナノワイヤはマイクロスケール寸法を有する。
【００１２】
平面ナノワイヤネットワークは、金属及び半導体物質から構成されうるか、又はこれらのタイプの物質の組み合わせから、及び他のタイプの物質から構成されうる。
たとえば、平面ナノワイヤネットワークは、金、銀、銅、アルミニウム、チタン、プラチナ及びそれらの合金を含む金属から形成されうる。
本発明の平面ナノワイヤネットワークは、機械的なナノインプリンティング及びリソグラフィ技法によって作られうる。
代替的には、平面ナノワイヤネットワークは化学的に合成され得、ラングミュア−ブロジェット工程を含む、１つ又は複数の処理ステップにおいて堆積されうる。
ナノワイヤを作るための他の代替の技法を用いることもできる。
したがって、図１に示されるような平面ナノワイヤネットワークは、複数の既知の工程のうちのいずれかによって作られうる。
【００１３】
基板１０２は、半導体若しくは化合物半導体デバイスを表すことができるか、又はＣＭＯＳデバイスの金属構成要素を表すことができ、フォトニックデバイス１００は、フォトニック特性を利用して（photonically）これらのデバイスの動作を制御するか、又は助長するために用いられうる。
たとえば、基板１０２は、フォトダイオードのｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ−ｎ接合を表すことができ、フォトニックデバイス１００は、フォトダイオードの動作を助長するために用いられうる。
基板１０２は、電界効果トランジスタの金属ゲート又はコンデンサ（capacitor）の底部とすることができ、フォトニックデバイスは、電界効果トランジスタ又はコンデンサの動作を制御するために用いられうる。
【００１４】
フォトニックデバイス１００上に入射する電磁放射のパルスを用いて、基板１０２によって表されるデバイスの動作を以下のように助長することができる。
平面ナノワイヤネットワーク１０６上に入射し、適当な波長範囲内の波長を有する電磁放射が平面ナノワイヤネットワーク１０６のナノワイヤセグメントによって表面プラズモンに変換されるように、フォトニックデバイス１００を構成することができる。
プラズモンは、金属内の電子プラズマ振動の量子化された状態に対応するＥＲのモードである。
表面プラズモンは、金属の表面上に存在する電子励起のモードであり、縦及び横の両方の成分を有する。
表面プラズモンは、高密度の電界及び遅い群速度を特徴付けており、それにより、近接する電子−正孔対の生成速度を大幅に高める。
表面プラズモンは、基板１０２によって表される光電子デバイスのサイズを波長以下の寸法まで縮小することを可能にし、それでも、入射ＥＲの大きな有効断面を保持できるようにする。
物理的寸法が小さくなることの１つの直接の利点は、固有静電容量が低いことであり、それにより、基板１０２によって表されるデバイスが、より高速に動作できるようになる。
基板１０２が、光検出器又は光変換器の吸収層のような、光電子デバイスのアクティブ領域であるとき、基板１０２の厚みを数十ナノメートルまで薄くし、且つ依然として波長厚吸収層の吸収特性を保持することができる。
基板１０２が薄いと、光によって生成されるキャリア（すなわち、電子及び正孔）がそれぞれの電極に、より速く達することができるようになり、それにより、内部量子効率が上がり、且つデバイスの速度が速くなる。
表面プラズモンが、基板１０２の内在するデバイス内に吸収されない場合には、平面ナノワイヤネットワークのナノワイヤセグメントに沿って伝搬した後に、その表面プラズモンは、平面ナノワイヤネットワークのエッジに達すると、金属内に熱として散逸される場合があるか、又は自由空間内に再放射される場合がある。
【００１５】
図６Ａは、本発明の実施形態による、フォトニックデバイス１００の平面ナノワイヤネットワーク１０６上に入射する電磁放射を示す。
その電磁放射は、ナノワイヤと相互作用し、平面ナノワイヤネットワーク１０６及び誘電体層１０４の界面に沿って表面プラズモンを形成する。
その表面プラズモンは、横及び縦の両方の電磁界成分を有する。
磁界成分はその界面に対して平行であり、且つ伝搬方向に対して垂直であるのに対して、電界成分は、表面プラズモン伝搬の方向に対して平行であり、且つその界面に対して垂直である。
図６Ｂは、本発明の実施形態による、図６Ａに示される線６Ｂ−６Ｂに沿ったナノワイヤ６０２の断面図を示す。
曲線６０４は、電界成分がナノワイヤ６０３内に入り込む範囲を表し、曲線６０６は、電界成分が誘電体層１０４の中を通り抜けて、基板１０２内に達する範囲を表す。
曲線６０４及び６０６は、界面６０８から離れるほど、電界成分が如何に指数関数的に減衰するかを示す。
【００１６】
横断ナノワイヤの界面に沿って形成される表面プラズモンの一部は放射状ナノワイヤまで伝搬し、その後、矢印６０１〜６０６によって示されるように、放射状ナノワイヤに沿って、平面ナノワイヤネットワーク１０６の中心に向かって伝搬する。
表面プラズモン強度は、正の干渉効果に起因して、平面ナノワイヤネットワーク１０６の中心に向かうほど著しく大きくなり得る。
言い換えると、ナノワイヤネットワークのセグメント内で生成されるプラズモンの一部は、ネットワークの中心において同相で合算され、関連するプラズマ振動を伴う局所的に強い電界が生成される。
基板１０２内に電界が入り込むと、フォトニックデバイス１００の下の基板１０２内で電子−正孔対が生成される量が増加し、且つ速度が速くなり、該生成はフォトニックデバイス１００の中心の真下で最も大きくなる。
小さな空間体積において生じる、この生成レベルの増加及び速度の上昇は、基板１０２によって表される、小さな静電容量のフォトダイオード、電界効果トランジスタのゲート又はコンデンサの動作を助長する。
【００１７】
本発明の他の実施形態では、フォトニックデバイス１００の平面ナノワイヤネットワーク、誘電体層及びオプションの反射防止コーティングを、中心付近に配置される一対の小さな金属電極を有する二次誘電体格子によって置き換えることができる。
図７Ａは、本発明の実施形態による、基板１０２によって支持される第２のフォトニックデバイス７００の等角図である。
フォトニックデバイス７００は、フォトニック格子７０２と、第１の電極７０４及び第２の電極７０６と、電極７０４と電極７０６との間に挟まれるＥＲ吸収材料７０８とを備える。
フォトニック格子７０２は、概ね規則的に離間される正方形の穴から成る格子を含み、それらの穴はフォトニック格子スラブの厚みに及ぶ。
たとえば、穴７１０はフォトニック格子スラブの厚みに及ぶ。
図７Ｂは、本発明の実施形態による、図７Ａに示される線７Ｂ−７Ｂに沿ったフォトニックデバイス７００の断面図を示す。
図７Ｂに示されるように、フォトニック格子７０２は、基板１０２の上側表面によって支持され、電極７０４及び７０６は、フォトニック格子７０２の厚みに及ぶように構成される。
本発明の実施形態は、図７に示されるような正方形格子構成に配列される正方形の穴には限定されない。
それらの穴は、長方形、円形、楕円形又は任意の他の形状とすることができ、フォトニック格子７０２内に入射する電磁放射を捕捉し、集中させるのに適している任意の２次元格子構成に配列することができる。
【００１８】
ＥＲ吸収材料７０８は、ＳｉＯ２を注入された半導体又は化合物半導体のような、半導体、化合物半導体又は多孔質ナノ材料から構成することができる。
電極７０４及び７０６は、金、銀、銅、アルミニウム、チタン、プラチナ、それらの合金、半導体、化合物半導体、又は導電性有機材料から構成することができる。
それらの電極は、所望の波長範囲内の局在プラズモン共鳴を示し、電極と吸収材料７０８との間のギャップ内に強い電界成分を有する。
フォトニック格子７０２は、単一の誘電体、半導体又は化合物半導体から構成されうる。
フォトニック格子のために選択される材料のタイプは、必要とされるフォトニック格子の寸法及び構成に依拠する場合があるか、伝搬方向
【００１９】
【数１】
【００２０】
及び偏波のような、電磁放射の入射ビームに関連するモードパラメータに依拠する場合があるか、又は入射電磁放射の周波数又は波長範囲に依拠する場合がある。
たとえば、フォトニック格子は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、誘電体ポリマー、半導体、化合物半導体、又は任意の他の適当な材料から構成されうる。
化合物半導体は、二元、三元又は四元のＩＩ−ＶＩ半導体化合物又はＩＩＩ−Ｖ半導体化合物でありうる。
たとえば、フォトニック格子７０２は、いずれもＩＩ−ＶＩ半導体化合物であるＺｎＴｅ若しくはＣｄＳｅのいずれか、又はいずれもＩＩＩ−Ｖ半導体化合物であるＧａＡｓ若しくはＩｎＰのいずれかから構成されうる。
フォトニック格子は、２つ以上の層から構成され得、各層は、異なる誘電体、半導体又は半導体化合物材料から構成される場合がある。
たとえば、フォトニック格子７０２は、ＡｌＧａＡｓの２つの層の間に挟まれる単一のＧａＡｓ層から構成される場合がある。
【００２１】
フォトニック格子スラブは、分子ビームエピタキシ又は化学気相堆積（chemical vapor deposition）を用いて形成されうる。
穴の格子は、多数の既知のリソグラフィ技法及びエッチング技法のうちの１つを用いて形成されうる。
たとえば、穴の格子は、反応性イオンエッチング、集束イオンビームミリング、化学支援イオンビームエッチング、電子ビームリソグラフィ、フォトリソグラフィ及びナノインプリンティングリソグラフィを用いてスラブ内に形成され得、それらは全て当該技術分野において既知であり、必要とされる穴のサイズ及び形状に、且つスラブ材料に基づいて選択される場合がある。
それらの穴は空気穴であり得、又はフォトニック格子とは異なる誘電率（dielectric constant）を有する誘電体、半導体又は半導体化合物材料で埋め戻されうる。
それらの穴は、物理気相堆積技法又は化学気相堆積技法を用いて、材料で充填されうる。
【００２２】
一般的に、フォトニック格子の動作機構は誘導共鳴（guided resonance）現象に依拠する。
これらの誘導共鳴は、フォトニック格子スラブ内に強く閉じ込められ、低い反射指数（index）の穴によって生成される周期的な指数（index）コントラストが位相整合機構を提供し、それにより、入射光を閉じ込められたモードに結合できるようにすると共に、誘導モードが自由空間に散乱できるようにし、その共鳴に限られた寿命を与える。
誘導共鳴の共鳴周波数及び寿命は、フォトニック格子の構造によって決定され、それは個々の光学特性を設計するための大きな自由度を与える。
以下は、フォトニック格子の動作に関する一般的な説明であり、フォトニック格子上に入射する電磁放射が、単一の入射電磁波の電界成分に関して表される。
【００２３】
図８は、本発明の実施形態による、フォトニックデバイス７００のフォトニック格子７０２上に入射する電磁波の電界成分を示す。
図８では、軸８０４〜８０６はそれぞれデカルト座標軸
【００２４】
【数２】
【００２５】
を表す。
その電磁波は関連する波数ベクトルを有する。
【００２６】
【数３】
【００２７】
ただし、ｋは入射電磁波８０２の波数であり、パラメータθ及びφは電磁波の入射角である。
入射電磁波は典型的には、フォトニック格子７０２を透過する。
しかしながら、特定の偏波及び波長λの入射電磁波毎に、該電磁波がフォトニック格子７０２を透過しない関連する一対の入射角θ及びφが存在する。
代わりに、これらの電磁波はフォトニック格子の格子構造と結合し、フォトニック格子のｘｙ平面内に周波数共鳴モードを有する。
入射電磁波がフォトニック格子７０２の平面に対して垂直に（normal）向けられる（すなわち、極角φが「０」である）とき、方位角θの変化は、入射電磁波とフォトニック格子との結合に影響を及ぼさない。
一方、入射電磁波がフォトニック格子７０２の平面に対して垂直に向けられないとき、フォトニック格子７０２が入射電磁波８０２に対して透過性である多数の入射角θ及びφが存在する。
たとえば、フォトニック格子７０２上に入射する、特定の偏波及び波長λ０を有する電磁波８０２を考える。
入射電磁波８０２は入射角θ０及びφ０を有し、その入射角の場合に、入射電磁波８０２はフォトニック格子７０２のｘｙ平面内で共鳴周波数ｆ０を有するものと仮定する。
θ０及びφ０以外の入射角を有する電磁波は、フォトニック格子７０２を透過する。
フォトニック格子７０２は、電磁波のためのブラッグ反射体としての役割を果たし、フォトニック格子７０２は、波数ベクトル角θ０及びφ０を有するこの電磁波に対して透過性ではない。
波数ベクトル角θ０及びφ０を有する電磁波は、フォトニック格子７０２に吸収され、その中で循環する。
この共鳴現象は、入射電磁波８０２と、フォトニック格子７０２が対応することができる電磁放射モードとの間の結合の結果である。
【００２８】
共鳴周波数、すなわち共鳴ｆ０は、電磁波が最も大きな振幅Ａｍａｘ又は振動エネルギーＥｍａｘ（≒Ａｍａｘ２）で振動する周波数である。
共鳴周波数ｆ０は、誘電率ε、格子定数、穴幅及びフォトニック格子７０２の厚みによって決定される。
品質係数（「Ｑ値」）は、フォトニック格子の共鳴の鋭さを定量的に評価する１つの方法である。
Ｑ値は、ＥＲが吸収又は放射される前に、そのＥＲが共鳴状態のままでいられる長さの基準である。
Ｑ値は、系が振動する周波数と、系がエネルギーを損失する速度とを比較する。
相対的に大きなＱ値は、系の共鳴周波数に対してエネルギー散逸の速度が低いことを示す。
一般的に、Ｑ値は以下の式によって表すことができる。
【００２９】
【数４】
【００３０】
ただし、Δｆは、物理系の振動エネルギーがｆ０における最大振動エネルギーＥｍａｘの少なくとも半分である周波数範囲である。
【００３１】
フォトニック格子７０２の動作に戻ると、適当な入射角及び波長を有する入射電磁放射を選択して、フォトニック格子７０２との共鳴を引き起こすことができる。
この電磁放射は、フォトニック格子７０２内に捕捉され、集中するようになり、その電磁放射は、ＥＲ吸収材料７０８によって吸収されるのに相対的に長い時間を有し、捕捉されたＥＲは、２つの金属電極７０４及び７０６と吸収材料７０８との間でギャッププラズモンを効率的に励起することができる。
ギャッププラズモンに関連する電界成分は、電極７０４及び７０６と吸収材料７０８との間の領域において非常に強く、図６を参照しながら上記で説明されたように電子−正孔対の形成を引き起こす。
電子及び正孔は、電極７０４と７０６との間の短い距離（約１０〜５０ｎｍ）しか進まない。
それゆえ、そのデバイスの量子効率は高く、速度は速いはずである。
【００３２】
図９Ａは、本発明の実施形態による、基板１０２によって支持される第３のフォトニックデバイス９００の等角図を示す。
フォトニックデバイス９００は、４つの同心リング９０１〜９０４、並びに２つの電極７０４と７０６との間に挟まれるＥＲ吸収材料７０８を含む中央領域９０５から構成される。
図９Ｂは、本発明の実施形態による、図９Ａに示される線９Ｂ−９Ｂに沿ったフォトニックデバイス９００の断面図を示す。
図９Ｂは、同心リング９０１と９０２との間のギャップ９０６のような、同心リング９０１〜９０４間のギャップを明示する。
本発明の実施形態は、同心リング９０１〜９０４を有するフォトニックデバイス９００には限定されない。
本発明の他の実施形態では、必要とされるフォトニックデバイスの種類及び形状に応じて、同心楕円が用いられうる。
【００３３】
フォトニックデバイス９００は、単一の誘電体、半導体、又は半導体化合物材料から構成されうる。
フォトニック格子のために選択される材料のタイプは、必要とされるフォトニックデバイスの寸法及び構成に依拠する場合があるか、又は伝搬方向
【００３４】
【数５】
【００３５】
及び偏波のような、電磁放射の入射ビームに関連するモードパラメータに依拠する場合があるか、又は入射電磁放射の周波数又は波長範囲に依拠する場合がある。
そのフォトニックデバイスは、分子ビームエピタキシ又は化学気相堆積を用いて、最初に材料のスラブを堆積することによって形成されうる。
同心リング９０１〜９０４及び中央領域９０５間のギャップは、多数の既知のリソグラフィ技法及びエッチング技法のうちの１つを用いて形成されうる。
たとえば、ギャップは、反応性イオンエッチング、集束イオンビームミリング、化学支援イオンビームエッチング、電子ビームリソグラフィ、フォトリソグラフィ及びナノインプリンティングリソグラフィを用いてスラブ内に形成され得、それらは全て当該技術分野において既知であり、必要とされる穴のサイズ及び形状に、且つスラブ材料に基づいて選択される場合がある。
それらのギャップは空気ギャップであり得、又は同心リング９０１〜９０４とは異なる誘電率を有する誘電体、半導体又は半導体化合物材料で埋め戻されうる。
それらのギャップは、物理気相堆積技法又は化学気相堆積技法を用いて、材料で充填されうる。
【００３６】
適当な入射角及び波長を有する入射電磁放射を選択して、フォトニックデバイス９００との共鳴を引き起こすことができる。
フォトニック格子７０２と同様に、この電磁放射は、フォトニックデバイス９００内に捕捉され、集中するようになる。
ＥＲ吸収材料７０２が、電極７０４及び７０６上の表面プラズモンの形成を支援する。
電極７０４及び７０６と基板１０２との間の界面に形成される表面プラズモンは、図６を参照しながら上記で説明されたように、基板１０２内の電子−正孔対の形成を助長する。
【００３７】
これまでの説明は、本発明を完全に理解してもらうために、説明の目的上、特定の用語を用いた。
しかしながら、本発明を実践するために具体的な細部が不要であることは、当業者には明らかであろう。
本発明の具体的な実施形態のこれまでの説明は、例示し、説明するために提示される。
それらは、本発明を余す所なく述べることも、開示されるのと全く同じ形に限定することも意図していない。
上記の教示に鑑みて、数多くの変更及び変形が可能であることは明らかである。
それらの実施形態は、本発明の原理及びその実際の用途を最もわかりやすく説明し、それにより、当業者が本発明及び種々の実施形態を、検討される特定の使用に適合するように種々の変更を加えて最大限に利用できるようにするために図示及び説明される。
本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物によって規定されることが意図される。
【符号の説明】
【００３８】
１００ フォトニックデバイス
１０２ 基板
１０４ 誘電体層
１０６ 平面ナノワイヤネットワーク
１０８ 反射防止コーティング
２０１〜２０６ 放射状ナノワイヤ
２０７〜２１２ 横断ナノワイヤ
５０２ レンズ
７００ フォトニックデバイス
７０２ フォトニック格子
７０４ 第１の電極
７０６ 第２の電極
７０８ ＥＲ吸収材料
７１０ 穴
９００ フォトニックデバイス
９０１〜９０４ 同心リング
９０５ 中央領域
９０６ ギャップ
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態はフォトニックデバイスを対象とし、詳細には、超小型電子デバイスの性能を高めるために用いられうる高速プラズマベースデバイスを対象とする。
【背景技術】
【０００２】
近年、集積回路上の超小型電子デバイスの密度が高くなった結果として、これらのデバイスを相互接続するために用いられうる金属信号線の密度が技術的な障害になってきた。
たとえば、信号線の密度が高くなったことから、電子デバイス間の最も長い通信リンクを同期させることが難しくなり、隣接する信号線間のクロストークが問題になってきた。
結果として、信号線を介して電気信号として情報を送信するのではなく、物理学者及び技術者は、電磁放射（「ＥＲ」）内に符号化された同じ情報を、自由空間を通じて又は導波路を介して送信するために用いられうる材料及びデバイスを調査している。
ＥＲ内に符号化された情報を導波路を介して送信することは、信号線を介して電気信号を送信することよりも優れた多数の利点を有する。
第一に、導波路を介して送信されるＥＲの場合、信号線を介して送信される電気信号の場合よりも劣化又は損失がはるかに小さい。
第二に、導波路は、信号線よりもはるかに広い帯域幅に対応するように作られうる。
たとえば、単一のＣｕワイヤ又はＡｌワイヤは単一の電気信号しか送信することができないが、単一の光ファイバは、様々に符号化された約１００以上のＥＲ信号を送信するように構成されうる。
【０００３】
材料科学及び半導体製造技法が進歩したことから、ＣＭＯＳ回路のような電子デバイスと集積されうるフォトニックデバイスを開発して、フォトニック集積回路（「ＰＩＣ」）を形成することができるようになった。
用語「フォトニック」は、電磁スペクトルに及ぶ周波数を有する、古典的に特徴付けられる電磁放射、又は量子化された電磁放射で動作することができるデバイスを指している。
ＰＩＣは、電子集積回路に相当するフォトニック回路であり、半導体材料のウェーハ上に実装されうる。
ＰＩＣを効果的に実装するために、受動フォトニックデバイス及び能動フォトニックデバイスが必要とされる。
導波路及び減衰器が受動フォトニックデバイスの例であり、受動フォトニックデバイスは超小型電子デバイス間でのＥＲ伝搬を誘導するために用いられうる。また、光検出器が能動フォトニックデバイスの例であり、能動フォトニックデバイスは、データをＥＲ内に符号化するか、データで符号化されたＥＲを検出するか、又はＰＩＣの或る特定の超小型電子デバイス構成要素の動作を制御するために用いられうる。
ほとんどの光検出器は、ｐ−ｎ接合半導体フォトダイオード又はｐ−ｉ−ｎ接合半導体フォトダイオードである。
十分なエネルギーを有するＥＲのパルスがフォトダイオードに突き当たるとき、電子−正孔対が生成される。
その際、フォトダイオードの内部電界が、それらの電子及び正孔を、接合部空乏領域を通じて逆の方向に動かして電流を生成し、その電流を用いて、入射ＥＲパルスの存在を確認するか、又は超小型電子デバイスの動作を制御することができる。
たとえば、超小型電子デバイスと電気的に通信するフォトダイオードを用いて、電磁放射の対応するオンパルス及びオフパルスを加えることによって、該デバイスをオン及びオフにすることができる。
しかしながら、フォトダイオードは多くの場合に高い静電容量を有し、増幅器の使用を必要とする場合があり、それによって、多種多様の超小型電子デバイス内にフォトダイオードを実装するのは現実的でなくなる場合がある。
物理学者及び技術者は、或る特定の超小型電子デバイスの性能を高め、動作を助長するために用いられうるフォトニックデバイスが必要であることを認識している。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の種々の実施の形態はフォトニックデバイスを対象とし、該フォトニックデバイスを用いて、入射ＥＲを収集し、表面プラズモンに変換することができる。
該表面プラズモンを用いて、超小型電子デバイスの性能を高め、動作を助長することができる。
本発明の一実施の形態では、フォトニックデバイスが、上側表面及び下側表面を有する誘電体層と、誘電体層の上側表面の少なくとも一部を覆う平面ナノワイヤネットワークとを備える。
誘電体層の下側表面は基板の上側表面上に配置され、平面ナノワイヤネットワークは、入射電磁放射を表面プラズモンに変換するように構成され、該表面プラズモンは誘電体層の中を通り抜けて基板の少なくとも一部の中に達する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１Ａ】本発明の実施形態による、基板によって支持される第１のフォトニックデバイスの等角図である。
【図１Ｂ】本発明の実施形態による、図１Ａに示される第１のフォトニックデバイス及び基板の組立分解等角図である。
【図２】本発明の実施形態による、誘電体層によって支持される六角形の平面ナノワイヤネットワークの平面図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態による、正方形の平面ナノワイヤネットワークを示す図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態による、五角形の平面ナノワイヤネットワークを示す図である。
【図４】本発明の実施形態による、図１に示される線４−４に沿った第１のフォトニックデバイスの断面図である。
【図５】本発明の実施形態による、レンズを有する第１のフォトニックデバイスの断面図である。
【図６Ａ】本発明の実施形態による、図１に示される第１のフォトニックデバイスの平面ナノワイヤネットワーク上に入射する電磁放射を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の実施形態による、図６Ａに示される線６Ｂ−６Ｂに沿った第１のフォトニックデバイスのナノワイヤの断面図である。
【図７Ａ】本発明の実施形態による、基板によって支持される第２のフォトニックデバイスの等角図である。
【図７Ｂ】本発明の実施形態による、図７Ａに示される線７Ｂ−７Ｂに沿った第２のフォトニックデバイスの断面図である。
【図８】本発明の実施形態による、図７Ａに示される第２のフォトニックデバイス上に入射する電磁波の電界成分を示す図である。
【図９Ａ】本発明の実施形態による、基板によって支持される第３のフォトニックデバイスの等角図である。
【図９Ｂ】本発明の実施形態による、図９Ａに示される線９Ｂ−９Ｂに沿った第３のフォトニックデバイスの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本発明の種々の実施形態はフォトニックデバイスを対象とし、該フォトニックデバイスを用いて、入射ＥＲを収集し、表面プラズモンに変換することができる。該表面プラズモンを用いて、超小型電子デバイスの性能を高め、動作を助長することができる。
これらのフォトニックデバイスのサイズは１次元、２次元及び３次元において低減され、且つ依然として相対的に大きなＥＲ捕捉断面を保持することができる。
図１Ａは、本発明の実施形態による、基板１０２によって支持される第１のフォトニックデバイス１００の等角図を示す。
フォトニックデバイス１００は、誘電体層１０４と、誘電体層１０４の上側表面の少なくとも一部を覆う平面ナノワイヤネットワーク１０６とを備えており、オプションの反射防止コーティング１０８も備える場合があり、反射防止コーティング１０８は、平面ナノワイヤネットワーク１０６の、基板１０２と接触していない表面と、誘電体層１０４の、平面ナノワイヤネットワーク１０６によって覆われていない部分とを覆う。
オプションの反射防止コーティング１０８は、入射ＥＲの或る特定の波長の反射率を下げることによって、光検出器の効率を改善しうる。
詳細には、波長λを有する入射ＥＲの反射率を下げるために、約λ／４の厚みを有する反射防止コーティングが作られうる。
【０００７】
図１Ｂは、本発明の実施形態による、図１Ａに示されるフォトニックデバイス１００及び基板１０２の組立分解等角図を示す。
誘電体層１０４が基板１０２及び反射防止コーティング１０８から切り離して示される。
また図１Ｂは、反射防止コーティング１０８内にある平面ナノワイヤネットワーク１０６の圧痕１１０も明示し、反射防止コーティング１０８が、平面ナノワイヤネットワーク１０６のナノワイヤ間の領域を充填することを示す。
【０００８】
図２は、本発明の実施形態による、誘電体層１０４によって支持される平面ナノワイヤネットワーク１０６の平面図を示す。
平面ナノワイヤネットワーク１０６は、平面ナノワイヤネットワーク１０６の中心から外側に向かって放射状に広がる、概ね均等に離間される６本の放射状ナノワイヤ２０１〜２０６を備える。
放射状ナノワイヤの各対は、概ね平行な４本の横断ナノワイヤによって相互接続され、横断ナノワイヤは、同心の４つのナノワイヤ六角形を形成するように構成され、各放射状ナノワイヤはナノワイヤ六角形２０１〜２０６のそれぞれの頂点を横切る。
たとえば、横断ナノワイヤ２０７は放射状ナノワイヤ２０１及び２０２を相互接続し、横断ナノワイヤ２０７〜２１２は、４つの同心ナノワイヤ六角形のうちの１つを形成し、放射状ナノワイヤ２０１は、４つの同心ナノワイヤ六角形のそれぞれの頂点を横切る。
【０００９】
本発明の他の実施形態では、正多角形を成す種々の平面ナノワイヤネットワークを構成するために、放射状ナノワイヤの数及び隣接する放射状ナノワイヤ間の角度を変更することができる。
たとえば、本発明の実施形態によれば、図３Ａは、概ね均等に離間される４本のナノワイヤから形成される正方形の平面ナノワイヤネットワーク３０２を示し、図３Ｂは、概ね均等に離間される５本のナノワイヤから形成される五角形の平面ナノワイヤネットワーク３０４を示す。
また、本発明の他の実施形態では、不規則な形を成す平面ナノワイヤネットワークを形成するために隣接するナノワイヤ間の角度を変更することができ、隣接する放射状ナノワイヤの任意の対を相互接続する横断ナノワイヤの数を変更することができる。
【００１０】
図４は、本発明の実施形態による、図１に示される線４−４に沿ったフォトニックデバイス１００及び基板１０２の断面図を示す。
図４に示されるように、オプションの反射防止コーティング１０８が、平面ナノワイヤネットワーク１０６のナノワイヤセグメント間の空間を充填する。
本発明の他の実施形態では、より広いエリアにわたって入射する電磁放射をフォトニックデバイス１００上に合焦させるために、フォトニックデバイス１００の上にレンズを配置することができる。
図５は、本発明の実施形態による、フォトニックデバイス１００上にレンズ５０２が配置されているフォトニックデバイス１００の断面図を示す。
本発明の或る特定の実施形態では、レンズ５０２は、ホログラフィックレンズとすることができる。
【００１１】
図４及び図５に示されるように、個々のナノワイヤセグメントが長方形の断面を有する平面ナノワイヤネットワークが示されてきたが、平面ナノワイヤネットワークのナノワイヤは、正方形、円形、楕円形又はより複雑な断面を有しうる。
平面ナノワイヤネットワークのナノワイヤセグメントは、数多くの異なる幅又は直径、及び縦横比又は偏心率も有しうる。
用語「ナノワイヤ」は、サブマイクロスケールワイヤ、マイクロスケールワイヤ、若しくはより大きな直径を有するワイヤを有する平面ナノワイヤネットワークのワイヤを指す場合があるか、又は複数の断面寸法が混在する平面ナノワイヤネットワークのワイヤを指す場合がある。
たとえば、横断ナノワイヤは、ナノスケール寸法を有することができ、一方、放射状ナノワイヤはマイクロスケール寸法を有する。
【００１２】
平面ナノワイヤネットワークは、金属及び半導体物質から構成されうるか、又はこれらのタイプの物質の組み合わせから、及び他のタイプの物質から構成されうる。
たとえば、平面ナノワイヤネットワークは、金、銀、銅、アルミニウム、チタン、プラチナ及びそれらの合金を含む金属から形成されうる。
本発明の平面ナノワイヤネットワークは、機械的なナノインプリンティング及びリソグラフィ技法によって作られうる。
代替的には、平面ナノワイヤネットワークは化学的に合成され得、ラングミュア−ブロジェット工程を含む、１つ又は複数の処理ステップにおいて堆積されうる。
ナノワイヤを作るための他の代替の技法を用いることもできる。
したがって、図１に示されるような平面ナノワイヤネットワークは、複数の既知の工程のうちのいずれかによって作られうる。
【００１３】
基板１０２は、半導体若しくは化合物半導体デバイスを表すことができるか、又はＣＭＯＳデバイスの金属構成要素を表すことができ、フォトニックデバイス１００は、フォトニック特性を利用して（photonically）これらのデバイスの動作を制御するか、又は助長するために用いられうる。
たとえば、基板１０２は、フォトダイオードのｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ−ｎ接合を表すことができ、フォトニックデバイス１００は、フォトダイオードの動作を助長するために用いられうる。
基板１０２は、電界効果トランジスタの金属ゲート又はコンデンサ（capacitor）の底部とすることができ、フォトニックデバイスは、電界効果トランジスタ又はコンデンサの動作を制御するために用いられうる。
【００１４】
フォトニックデバイス１００上に入射する電磁放射のパルスを用いて、基板１０２によって表されるデバイスの動作を以下のように助長することができる。
平面ナノワイヤネットワーク１０６上に入射し、適当な波長範囲内の波長を有する電磁放射が平面ナノワイヤネットワーク１０６のナノワイヤセグメントによって表面プラズモンに変換されるように、フォトニックデバイス１００を構成することができる。
プラズモンは、金属内の電子プラズマ振動の量子化された状態に対応するＥＲのモードである。
表面プラズモンは、金属の表面上に存在する電子励起のモードであり、縦及び横の両方の成分を有する。
表面プラズモンは、高密度の電界及び遅い群速度を特徴付けており、それにより、近接する電子−正孔対の生成速度を大幅に高める。
表面プラズモンは、基板１０２によって表される光電子デバイスのサイズを波長以下の寸法まで縮小することを可能にし、それでも、入射ＥＲの大きな有効断面を保持できるようにする。
物理的寸法が小さくなることの１つの直接の利点は、固有静電容量が低いことであり、それにより、基板１０２によって表されるデバイスが、より高速に動作できるようになる。
基板１０２が、光検出器又は光変換器の吸収層のような、光電子デバイスのアクティブ領域であるとき、基板１０２の厚みを数十ナノメートルまで薄くし、且つ依然として波長厚吸収層の吸収特性を保持することができる。
基板１０２が薄いと、光によって生成されるキャリア（すなわち、電子及び正孔）がそれぞれの電極に、より速く達することができるようになり、それにより、内部量子効率が上がり、且つデバイスの速度が速くなる。
表面プラズモンが、基板１０２の内在するデバイス内に吸収されない場合には、平面ナノワイヤネットワークのナノワイヤセグメントに沿って伝搬した後に、その表面プラズモンは、平面ナノワイヤネットワークのエッジに達すると、金属内に熱として散逸される場合があるか、又は自由空間内に再放射される場合がある。
【００１５】
図６Ａは、本発明の実施形態による、フォトニックデバイス１００の平面ナノワイヤネットワーク１０６上に入射する電磁放射を示す。
その電磁放射は、ナノワイヤと相互作用し、平面ナノワイヤネットワーク１０６及び誘電体層１０４の界面に沿って表面プラズモンを形成する。
その表面プラズモンは、横及び縦の両方の電磁界成分を有する。
磁界成分はその界面に対して平行であり、且つ伝搬方向に対して垂直であるのに対して、電界成分は、表面プラズモン伝搬の方向に対して平行であり、且つその界面に対して垂直である。
図６Ｂは、本発明の実施形態による、図６Ａに示される線６Ｂ−６Ｂに沿ったナノワイヤ６０２の断面図を示す。
曲線６０４は、電界成分がナノワイヤ６０３内に入り込む範囲を表し、曲線６０６は、電界成分が誘電体層１０４の中を通り抜けて、基板１０２内に達する範囲を表す。
曲線６０４及び６０６は、界面６０８から離れるほど、電界成分が如何に指数関数的に減衰するかを示す。
【００１６】
横断ナノワイヤの界面に沿って形成される表面プラズモンの一部は放射状ナノワイヤまで伝搬し、その後、矢印６０１〜６０６によって示されるように、放射状ナノワイヤに沿って、平面ナノワイヤネットワーク１０６の中心に向かって伝搬する。
表面プラズモン強度は、正の干渉効果に起因して、平面ナノワイヤネットワーク１０６の中心に向かうほど著しく大きくなり得る。
言い換えると、ナノワイヤネットワークのセグメント内で生成されるプラズモンの一部は、ネットワークの中心において同相で合算され、関連するプラズマ振動を伴う局所的に強い電界が生成される。
基板１０２内に電界が入り込むと、フォトニックデバイス１００の下の基板１０２内で電子−正孔対が生成される量が増加し、且つ速度が速くなり、該生成はフォトニックデバイス１００の中心の真下で最も大きくなる。
小さな空間体積において生じる、この生成レベルの増加及び速度の上昇は、基板１０２によって表される、小さな静電容量のフォトダイオード、電界効果トランジスタのゲート又はコンデンサの動作を助長する。
【００１７】
本発明の他の実施形態では、フォトニックデバイス１００の平面ナノワイヤネットワーク、誘電体層及びオプションの反射防止コーティングを、中心付近に配置される一対の小さな金属電極を有する二次誘電体格子によって置き換えることができる。
図７Ａは、本発明の実施形態による、基板１０２によって支持される第２のフォトニックデバイス７００の等角図である。
フォトニックデバイス７００は、フォトニック格子７０２と、第１の電極７０４及び第２の電極７０６と、電極７０４と電極７０６との間に挟まれるＥＲ吸収材料７０８とを備える。
フォトニック格子７０２は、概ね規則的に離間される正方形の穴から成る格子を含み、それらの穴はフォトニック格子スラブの厚みに及ぶ。
たとえば、穴７１０はフォトニック格子スラブの厚みに及ぶ。
図７Ｂは、本発明の実施形態による、図７Ａに示される線７Ｂ−７Ｂに沿ったフォトニックデバイス７００の断面図を示す。
図７Ｂに示されるように、フォトニック格子７０２は、基板１０２の上側表面によって支持され、電極７０４及び７０６は、フォトニック格子７０２の厚みに及ぶように構成される。
本発明の実施形態は、図７に示されるような正方形格子構成に配列される正方形の穴には限定されない。
それらの穴は、長方形、円形、楕円形又は任意の他の形状とすることができ、フォトニック格子７０２内に入射する電磁放射を捕捉し、集中させるのに適している任意の２次元格子構成に配列することができる。
【００１８】
ＥＲ吸収材料７０８は、ＳｉＯ２を注入された半導体又は化合物半導体のような、半導体、化合物半導体又は多孔質ナノ材料から構成することができる。
電極７０４及び７０６は、金、銀、銅、アルミニウム、チタン、プラチナ、それらの合金、半導体、化合物半導体、又は導電性有機材料から構成することができる。
それらの電極は、所望の波長範囲内の局在プラズモン共鳴を示し、電極と吸収材料７０８との間のギャップ内に強い電界成分を有する。
フォトニック格子７０２は、単一の誘電体、半導体又は化合物半導体から構成されうる。
フォトニック格子のために選択される材料のタイプは、必要とされるフォトニック格子の寸法及び構成に依拠する場合があるか、伝搬方向
【００１９】
【数１】
【００２０】
及び偏波のような、電磁放射の入射ビームに関連するモードパラメータに依拠する場合があるか、又は入射電磁放射の周波数又は波長範囲に依拠する場合がある。
たとえば、フォトニック格子は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、誘電体ポリマー、半導体、化合物半導体、又は任意の他の適当な材料から構成されうる。
化合物半導体は、二元、三元又は四元のＩＩ−ＶＩ半導体化合物又はＩＩＩ−Ｖ半導体化合物でありうる。
たとえば、フォトニック格子７０２は、いずれもＩＩ−ＶＩ半導体化合物であるＺｎＴｅ若しくはＣｄＳｅのいずれか、又はいずれもＩＩＩ−Ｖ半導体化合物であるＧａＡｓ若しくはＩｎＰのいずれかから構成されうる。
フォトニック格子は、２つ以上の層から構成され得、各層は、異なる誘電体、半導体又は半導体化合物材料から構成される場合がある。
たとえば、フォトニック格子７０２は、ＡｌＧａＡｓの２つの層の間に挟まれる単一のＧａＡｓ層から構成される場合がある。
【００２１】
フォトニック格子スラブは、分子ビームエピタキシ又は化学気相堆積（chemical vapor deposition）を用いて形成されうる。
穴の格子は、多数の既知のリソグラフィ技法及びエッチング技法のうちの１つを用いて形成されうる。
たとえば、穴の格子は、反応性イオンエッチング、集束イオンビームミリング、化学支援イオンビームエッチング、電子ビームリソグラフィ、フォトリソグラフィ及びナノインプリンティングリソグラフィを用いてスラブ内に形成され得、それらは全て当該技術分野において既知であり、必要とされる穴のサイズ及び形状に、且つスラブ材料に基づいて選択される場合がある。
それらの穴は空気穴であり得、又はフォトニック格子とは異なる誘電率（dielectric constant）を有する誘電体、半導体又は半導体化合物材料で埋め戻されうる。
それらの穴は、物理気相堆積技法又は化学気相堆積技法を用いて、材料で充填されうる。
【００２２】
一般的に、フォトニック格子の動作機構は誘導共鳴（guided resonance）現象に依拠する。
これらの誘導共鳴は、フォトニック格子スラブ内に強く閉じ込められ、低い反射指数（index）の穴によって生成される周期的な指数（index）コントラストが位相整合機構を提供し、それにより、入射光を閉じ込められたモードに結合できるようにすると共に、誘導モードが自由空間に散乱できるようにし、その共鳴に限られた寿命を与える。
誘導共鳴の共鳴周波数及び寿命は、フォトニック格子の構造によって決定され、それは個々の光学特性を設計するための大きな自由度を与える。
以下は、フォトニック格子の動作に関する一般的な説明であり、フォトニック格子上に入射する電磁放射が、単一の入射電磁波の電界成分に関して表される。
【００２３】
図８は、本発明の実施形態による、フォトニックデバイス７００のフォトニック格子７０２上に入射する電磁波の電界成分を示す。
図８では、軸８０４〜８０６はそれぞれデカルト座標軸
【００２４】
【数２】
【００２５】
を表す。
その電磁波は関連する波数ベクトルを有する。
【００２６】
【数３】
【００２７】
ただし、ｋは入射電磁波８０２の波数であり、パラメータθ及びφは電磁波の入射角である。
入射電磁波は典型的には、フォトニック格子７０２を透過する。
しかしながら、特定の偏波及び波長λの入射電磁波毎に、該電磁波がフォトニック格子７０２を透過しない関連する一対の入射角θ及びφが存在する。
代わりに、これらの電磁波はフォトニック格子の格子構造と結合し、フォトニック格子のｘｙ平面内に周波数共鳴モードを有する。
入射電磁波がフォトニック格子７０２の平面に対して垂直に（normal）向けられる（すなわち、極角φが「０」である）とき、方位角θの変化は、入射電磁波とフォトニック格子との結合に影響を及ぼさない。
一方、入射電磁波がフォトニック格子７０２の平面に対して垂直に向けられないとき、フォトニック格子７０２が入射電磁波８０２に対して透過性である多数の入射角θ及びφが存在する。
たとえば、フォトニック格子７０２上に入射する、特定の偏波及び波長λ０を有する電磁波８０２を考える。
入射電磁波８０２は入射角θ０及びφ０を有し、その入射角の場合に、入射電磁波８０２はフォトニック格子７０２のｘｙ平面内で共鳴周波数ｆ０を有するものと仮定する。
θ０及びφ０以外の入射角を有する電磁波は、フォトニック格子７０２を透過する。
フォトニック格子７０２は、電磁波のためのブラッグ反射体としての役割を果たし、フォトニック格子７０２は、波数ベクトル角θ０及びφ０を有するこの電磁波に対して透過性ではない。
波数ベクトル角θ０及びφ０を有する電磁波は、フォトニック格子７０２に吸収され、その中で循環する。
この共鳴現象は、入射電磁波８０２と、フォトニック格子７０２が対応することができる電磁放射モードとの間の結合の結果である。
【００２８】
共鳴周波数、すなわち共鳴ｆ０は、電磁波が最も大きな振幅Ａｍａｘ又は振動エネルギーＥｍａｘ（≒Ａｍａｘ２）で振動する周波数である。
共鳴周波数ｆ０は、誘電率ε、格子定数、穴幅及びフォトニック格子７０２の厚みによって決定される。
品質係数（「Ｑ値」）は、フォトニック格子の共鳴の鋭さを定量的に評価する１つの方法である。
Ｑ値は、ＥＲが吸収又は放射される前に、そのＥＲが共鳴状態のままでいられる長さの基準である。
Ｑ値は、系が振動する周波数と、系がエネルギーを損失する速度とを比較する。
相対的に大きなＱ値は、系の共鳴周波数に対してエネルギー散逸の速度が低いことを示す。
一般的に、Ｑ値は以下の式によって表すことができる。
【００２９】
【数４】
【００３０】
ただし、Δｆは、物理系の振動エネルギーがｆ０における最大振動エネルギーＥｍａｘの少なくとも半分である周波数範囲である。
【００３１】
フォトニック格子７０２の動作に戻ると、適当な入射角及び波長を有する入射電磁放射を選択して、フォトニック格子７０２との共鳴を引き起こすことができる。
この電磁放射は、フォトニック格子７０２内に捕捉され、集中するようになり、その電磁放射は、ＥＲ吸収材料７０８によって吸収されるのに相対的に長い時間を有し、捕捉されたＥＲは、２つの金属電極７０４及び７０６と吸収材料７０８との間でギャッププラズモンを効率的に励起することができる。
ギャッププラズモンに関連する電界成分は、電極７０４及び７０６と吸収材料７０８との間の領域において非常に強く、図６を参照しながら上記で説明されたように電子−正孔対の形成を引き起こす。
電子及び正孔は、電極７０４と７０６との間の短い距離（約１０〜５０ｎｍ）しか進まない。
それゆえ、そのデバイスの量子効率は高く、速度は速いはずである。
【００３２】
図９Ａは、本発明の実施形態による、基板１０２によって支持される第３のフォトニックデバイス９００の等角図を示す。
フォトニックデバイス９００は、４つの同心リング９０１〜９０４、並びに２つの電極７０４と７０６との間に挟まれるＥＲ吸収材料７０８を含む中央領域９０５から構成される。
図９Ｂは、本発明の実施形態による、図９Ａに示される線９Ｂ−９Ｂに沿ったフォトニックデバイス９００の断面図を示す。
図９Ｂは、同心リング９０１と９０２との間のギャップ９０６のような、同心リング９０１〜９０４間のギャップを明示する。
本発明の実施形態は、同心リング９０１〜９０４を有するフォトニックデバイス９００には限定されない。
本発明の他の実施形態では、必要とされるフォトニックデバイスの種類及び形状に応じて、同心楕円が用いられうる。
【００３３】
フォトニックデバイス９００は、単一の誘電体、半導体、又は半導体化合物材料から構成されうる。
フォトニック格子のために選択される材料のタイプは、必要とされるフォトニックデバイスの寸法及び構成に依拠する場合があるか、又は伝搬方向
【００３４】
【数５】
【００３５】
及び偏波のような、電磁放射の入射ビームに関連するモードパラメータに依拠する場合があるか、又は入射電磁放射の周波数又は波長範囲に依拠する場合がある。
そのフォトニックデバイスは、分子ビームエピタキシ又は化学気相堆積を用いて、最初に材料のスラブを堆積することによって形成されうる。
同心リング９０１〜９０４及び中央領域９０５間のギャップは、多数の既知のリソグラフィ技法及びエッチング技法のうちの１つを用いて形成されうる。
たとえば、ギャップは、反応性イオンエッチング、集束イオンビームミリング、化学支援イオンビームエッチング、電子ビームリソグラフィ、フォトリソグラフィ及びナノインプリンティングリソグラフィを用いてスラブ内に形成され得、それらは全て当該技術分野において既知であり、必要とされる穴のサイズ及び形状に、且つスラブ材料に基づいて選択される場合がある。
それらのギャップは空気ギャップであり得、又は同心リング９０１〜９０４とは異なる誘電率を有する誘電体、半導体又は半導体化合物材料で埋め戻されうる。
それらのギャップは、物理気相堆積技法又は化学気相堆積技法を用いて、材料で充填されうる。
【００３６】
適当な入射角及び波長を有する入射電磁放射を選択して、フォトニックデバイス９００との共鳴を引き起こすことができる。
フォトニック格子７０２と同様に、この電磁放射は、フォトニックデバイス９００内に捕捉され、集中するようになる。
ＥＲ吸収材料７０２が、電極７０４及び７０６上の表面プラズモンの形成を支援する。
電極７０４及び７０６と基板１０２との間の界面に形成される表面プラズモンは、図６を参照しながら上記で説明されたように、基板１０２内の電子−正孔対の形成を助長する。
【００３７】
これまでの説明は、本発明を完全に理解してもらうために、説明の目的上、特定の用語を用いた。
しかしながら、本発明を実践するために具体的な細部が不要であることは、当業者には明らかであろう。
本発明の具体的な実施形態のこれまでの説明は、例示し、説明するために提示される。
それらは、本発明を余す所なく述べることも、開示されるのと全く同じ形に限定することも意図していない。
上記の教示に鑑みて、数多くの変更及び変形が可能であることは明らかである。
それらの実施形態は、本発明の原理及びその実際の用途を最もわかりやすく説明し、それにより、当業者が本発明及び種々の実施形態を、検討される特定の使用に適合するように種々の変更を加えて最大限に利用できるようにするために図示及び説明される。
本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物によって規定されることが意図される。
【符号の説明】
【００３８】
１００ フォトニックデバイス
１０２ 基板
１０４ 誘電体層
１０６ 平面ナノワイヤネットワーク
１０８ 反射防止コーティング
２０１〜２０６ 放射状ナノワイヤ
２０７〜２１２ 横断ナノワイヤ
５０２ レンズ
７００ フォトニックデバイス
７０２ フォトニック格子
７０４ 第１の電極
７０６ 第２の電極
７０８ ＥＲ吸収材料
７１０ 穴
９００ フォトニックデバイス
９０１〜９０４ 同心リング
９０５ 中央領域
９０６ ギャップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニックデバイス（１００）であって、
上側表面及び下側表面を有する誘電体層（１０４）であって、該誘電体層の前記下側表面は基板（１０２）の上側表面上に配置される、誘電体層と、
前記誘電体層の前記上側表面の少なくとも一部を覆い、入射電磁放射を、前記誘電体層の中を通り抜けて前記基板の少なくとも一部の中に達する表面プラズモンに変換するように構成される平面ナノワイヤネットワーク（１０６）と
を備えるフォトニックデバイス。
【請求項２】
前記平面ナノワイヤネットワーク（１０６）の上側表面及び側面と、前記誘電体層（１０４）の少なくとも一部とを覆う反射防止コーティング（１０８）
をさらに備える請求項１に記載のフォトニックデバイス。
【請求項３】
前記平面ナノワイヤネットワーク（１０６）は、
複数の放射状ナノワイヤ（２０１〜２０６）であって、各ナノワイヤラジアルバーが前記平面ナノワイヤネットワークの中央領域から外側に向かって延在する、複数の放射状ナノワイヤと、
複数の横断ナノワイヤ（２０７〜２１２）であって、各ナノワイヤクロスバーが２つの隣接するナノワイヤラジアルバーを接続する、複数の横断ナノワイヤと
をさらに備える
請求項１に記載のフォトニックデバイス。
【請求項４】
前記ナノワイヤラジアルバー及び前記ナノワイヤクロスバーは、入射電磁放射を表面プラズモンに変換するために、概ね多角形の構成又は任意の他の適当な構成を形成するように配列される
請求項３に記載のフォトニックデバイス。
【請求項５】
前記基板（１０２）は、
コンデンサの底部、
電界効果トランジスタのゲート、
フォトダイオード、
光変換器、及び
表面プラズモンによって変更されるコンダクタンスを有する任意の適当な材料
のうちの１つをさらに含む
請求項１に記載のフォトニックデバイス。
【請求項６】
フォトニックデバイス（７００）であって、
基板の上側表面上に配置されるフォトニック格子（７０２）であって、特定の波長範囲にわたる入射電磁放射を該フォトニック格子内に集中させるように構成される複数の開口部（７１０）を有するフォトニック格子と、
前記フォトニック格子内に埋め込まれる少なくとも２つの電極（７０４、７０６）と、
前記フォトニック格子内に集中する電磁放射が前記少なくとも２つの電極上で表面プラズモンに変換されるように、前記少なくとも２つの電極間に配置される電磁放射吸収材料（７０８）であって、該表面プラズモンは前記基板の少なくとも一部の中に達することができる、電磁放射吸収材料と
を備えるフォトニックデバイス。
【請求項７】
前記フォトニック格子（７０２）は
誘電体材料のスラブ
をさらに備える
請求項６に記載のフォトニックデバイス。
【請求項８】
前記複数の開口部（７１０）は、
前記フォトニック格子を通って延在する複数の概ね規則的に離間される穴
をさらに含む
請求項６に記載のフォトニックデバイス。
【請求項９】
前記複数の開口部（７１０）は、
誘電体材料の同心リング間に複数の概ね均等に離間される開口部
をさらに含む
請求項６に記載のフォトニックデバイス。
【請求項１０】
前記電磁放射吸収材料（７０８）は、
半導体と、
化合物半導体と、
多孔質ナノ材料と、
有機材料と
をさらに含む
請求項６に記載のフォトニックデバイス。
【請求項１】
フォトニックデバイス（１００）であって、
上側表面及び下側表面を有する誘電体層（１０４）であって、該誘電体層の前記下側表面は基板（１０２）の上側表面上に配置される、誘電体層と、
前記誘電体層の前記上側表面の少なくとも一部を覆い、入射電磁放射を、前記誘電体層の中を通り抜けて前記基板の少なくとも一部の中に達する表面プラズモンに変換するように構成される平面ナノワイヤネットワーク（１０６）と
を備えるフォトニックデバイス。
【請求項２】
前記平面ナノワイヤネットワーク（１０６）の上側表面及び側面と、前記誘電体層（１０４）の少なくとも一部とを覆う反射防止コーティング（１０８）
をさらに備える請求項１に記載のフォトニックデバイス。
【請求項３】
前記平面ナノワイヤネットワーク（１０６）は、
複数の放射状ナノワイヤ（２０１〜２０６）であって、各ナノワイヤラジアルバーが前記平面ナノワイヤネットワークの中央領域から外側に向かって延在する、複数の放射状ナノワイヤと、
複数の横断ナノワイヤ（２０７〜２１２）であって、各ナノワイヤクロスバーが２つの隣接するナノワイヤラジアルバーを接続する、複数の横断ナノワイヤと
をさらに備える
請求項１に記載のフォトニックデバイス。
【請求項４】
前記ナノワイヤラジアルバー及び前記ナノワイヤクロスバーは、入射電磁放射を表面プラズモンに変換するために、概ね多角形の構成又は任意の他の適当な構成を形成するように配列される
請求項３に記載のフォトニックデバイス。
【請求項５】
前記基板（１０２）は、
コンデンサの底部、
電界効果トランジスタのゲート、
フォトダイオード、
光変換器、及び
表面プラズモンによって変更されるコンダクタンスを有する任意の適当な材料
のうちの１つをさらに含む
請求項１に記載のフォトニックデバイス。
【請求項６】
フォトニックデバイス（７００）であって、
基板の上側表面上に配置されるフォトニック格子（７０２）であって、特定の波長範囲にわたる入射電磁放射を該フォトニック格子内に集中させるように構成される複数の開口部（７１０）を有するフォトニック格子と、
前記フォトニック格子内に埋め込まれる少なくとも２つの電極（７０４、７０６）と、
前記フォトニック格子内に集中する電磁放射が前記少なくとも２つの電極上で表面プラズモンに変換されるように、前記少なくとも２つの電極間に配置される電磁放射吸収材料（７０８）であって、該表面プラズモンは前記基板の少なくとも一部の中に達することができる、電磁放射吸収材料と
を備えるフォトニックデバイス。
【請求項７】
前記フォトニック格子（７０２）は
誘電体材料のスラブ
をさらに備える
請求項６に記載のフォトニックデバイス。
【請求項８】
前記複数の開口部（７１０）は、
前記フォトニック格子を通って延在する複数の概ね規則的に離間される穴
をさらに含む
請求項６に記載のフォトニックデバイス。
【請求項９】
前記複数の開口部（７１０）は、
誘電体材料の同心リング間に複数の概ね均等に離間される開口部
をさらに含む
請求項６に記載のフォトニックデバイス。
【請求項１０】
前記電磁放射吸収材料（７０８）は、
半導体と、
化合物半導体と、
多孔質ナノ材料と、
有機材料と
をさらに含む
請求項６に記載のフォトニックデバイス。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【公表番号】特表２０１１−５０１４３３（Ｐ２０１１−５０１４３３Ａ）
【公表日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５２９９４１（Ｐ２０１０−５２９９４１）
【出願日】平成２０年１０月１５日（２００８．１０．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０１１７８３
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０５１７３２
【国際公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【出願人】（５０３００３８５４）ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル．ピー． (1,145)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月１５日（２００８．１０．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０１１７８３
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０５１７３２
【国際公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【出願人】（５０３００３８５４）ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル．ピー． (1,145)
【Ｆターム（参考）】
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