JP5094385B2 - 高応答性高帯域金属−半導体−金属光電デバイス - Google Patents
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Description
方向)を有する表面プラズモンモードである。HSPは誘電体/コンタクト界面の近傍に局在しており、高いフィールド強度と金属ワイヤにおける高い吸収性とを有し、通常は反射率(透過率)における最大値(最小値)を実現する。WRは、伝播回折モードの兆候であり、これも空気/コンタクト又はコンタクト/半導体界面近傍に局在するが、HSPほどではない。WRはHSPのように高いフィールド強度を有せず、ワイヤにおいては低い吸収作用を有する。入射波長が減少(エネルギーが増加)すると、WRは、まずSiと空気中の低い波長(高エネルギー)において、出力が第0番目の入射及び反射モードから回折モードへ次第に転換される点を示す。CMは、溝部の幾何形状により生じる強制されたファブリーペロー共鳴条件を有する、溝部の壁面に対して垂直方向を向いた表面プラズモンである。CMは、溝部内で高いフィールド強度を有する。透過現象の向上は、空気及び半導体におけるCMを介した伝播モードとWRの間のカップリングにより生じると考えられる。
は誘電体/金属界面における誘電体に導かれる単位法線ベクトルである。ここで用いられる単位は、特に断りがない限りcgsである。p偏光及びマクスウェル方程式を用いることにより、以下が求められる。
は、誘電体/金属界面における誘電体材料の誘電率、
である。
は構造の期間60(1つの指状部から次の類似の及び同様に囲まれた指状部までの距離)、θiは入射角、λは波長、εiはi番目の領域の誘電率である。また、モードΦi,nはi=2,3のとき、溝部において直交するモードの組を構成し、以下のとおりとなる。
Claims (31)
- 略規則的なパターンで離間し、外部光波と表面プラズモン波との間を共鳴カップリングし、かつ隣接電極間に電位差を可能にするように構成された複数の第1電極であって、金属を含む複数の第1電極と、
前記複数の第1電極に関する構造であって、前記構造と前記複数の第1電極とが前記表面プラズモン波をサポートし、前記構造及び表面プラズモン波のキャビティモードカップリングが前記複数の第1電極の周囲に前記外部光波を導くことにより前記外部光波を透過する構造と、
前記複数の第1電極に接続され、電気量を検知するセンサと、
を備える外部光波の強さを検知する光学検波器であって、
前記複数の第1電極と関連して重ね合わされた半導体を含む基板と、
隣接する前記複数の第1電極間の間隔に対する前記複数の第1電極の高さが少なくとも1のアスペクト比とを備え、
前記表面プラズモン波は、前記検波器の表面に対して略垂直方向の運動量の要素を有する、外部光波の強さを検知する光学検波器。 - 前記間隔は少なくとも約20ナノメータである、請求項1に記載の光学検波器。
- 前記アスペクト比は少なくとも3である、請求項1に記載の光学検波器。
- 前記アスペクト比は約4より大きく約16より小さい、請求項1に記載の光学検波器。
- 前記アスペクト比は約10より大きく約15より小さい、請求項1に記載の光学検波器。
- 前記基板は、水銀カドミウムテルル、インジウムガリウムヒ素、及びシリコンのいずれか1つを含む、請求項1に記載の光学検波器。
- 前記基板はシリコン・オン・インシュレータ構造を備える、請求項1に記載の光学検波器。
- 前記検波器の表面の面上で90°回転した略規則的なパターンで離間した複数の第2電極であって、前記複数の第1電極及び前記基板と重ね合わされる、複数の第2電極と、
前記複数の第1電極と前記複数の第2電極とが交互に形成された櫛型電極と、
前記複数の第1電極又は前記複数の第2電極の幅と、互いに隣接する前記複数の第1電極間又は前記複数の第2電極間の間隔との和であるピッチと、をさらに備え、
前記複数の第2電極は、前記外部光波と前記表面プラズモン波とを共鳴カップリングするよう構成され、前記表面プラズモン波は、前記検波器の表面に対して略垂直方向の運動量の要素を有する、請求項1に記載の光学検波器。 - 隣接する前記第1及び第2電極間の間隔を略充填する半導体層をさらに備える、請求項1に記載の光学検波器。
- 前記複数の前記第1及び第2電極の高さは少なくとも約50ナノメータである、請求項1に記載の光学検波器。
- 前記複数の前記第1及び第2電極の高さは約50ナノメータ〜約1500ナノメータの範囲にある、請求項1に記載の光学検波器。
- 前記複数の前記第1及び第2電極の高さは約100ナノメータ〜約750ナノメータの範囲にある、請求項1に記載の光学検波器。
- 第1幅を有する第1コンタクト窓、第1誘電率を有する第1コンタクト窓誘電体と、第1コンタクト厚み及び第1コンタクト幅を備える、複数の第1電極の第1アレーと、
第2幅を有する第2コンタクト窓、第2誘電率を有する第2コンタクト窓誘電体、第2コンタクト厚み及び第2コンタクト幅を備える、複数の第2電極の第2アレーであって、複数の前記第2電極が前記第1アレーに対して直線的に移動され、複数の前記第1電極と互いにかみ合っている、第2アレーと、
前記第1アレーと前記第2アレーとを含み、前記第1電極と前記第2電極とが交互に形成された櫛型電極と、を備える波長域内の入射光波の強さを検知する光デバイスであって、
前記第1電極又は前記第2電極の幅と、互いに隣接する前記第1電極間又は前記第2電極間の間隔との和であるピッチと、
前記第1アレー及び前記第2アレーに関する構造であって、前記入射光波と少なくとも局在表面プラズモン波のキャビティモードを含む局所的な電磁共鳴とを共鳴カップリングする構造と、
前記第1アレー及び前記第2アレーを有する前記構造が重ね合わされた基板と、
前記第1電極及び前記第2電極に接続され、電気量を検知するセンサと、
を備える、波長域内の入射光波の強さを検知する光デバイス。 - 前記基板は、IV元素半導体、III−V元素半導体、及びII−VI元素半導体のいずれか1つを含む、請求項13に記載の光デバイス。
- 前記基板は、水銀カドミウムテルル、インジウムガリウムヒ素、及びシリコンのいずれか1つを含む、請求項14に記載の光デバイス。
- 前記基板は水銀カドミウムテルルを含み、前記第1電極及び前記第2電極はアルミニウムを含み、前記第1誘電率は1.75〜4.0の範囲にあってかつ前記第2誘電率よりも大きい、請求項15に記載の光デバイス。
- 前記構造は少なくとも前記キャビティモードと水平表面プラズモンモードとを含むハイブリッドモードと共鳴カップリングし、前記波長域は少なくとも約2.0マイクロメータ〜約4.0マイクロメータの範囲を含む、請求項16に記載の光デバイス。
- 前記構造はハイブリッドモードと共鳴カップリングし、前記波長域は少なくとも4.0マイクロメータ〜約15マイクロメータの範囲を含み、前記第1幅及び第2幅はそれぞれ、はそれぞれ、0.5マイクロメータ〜0.9マイクロメータの範囲にあり、第1コンタクト厚みと第2コンタクト厚みはそれぞれ、0.45マイクロメータ〜0.85マイクロメータの範囲にあり、第1コンタクト幅と第2コンタクト幅はそれぞれ、0.2マイクロメータ〜0.5マイクロメータの範囲にある、請求項16に記載の光デバイス。
- 前記基板はシリコンを含み、前記構造は少なくとも前記キャビティモードと水平表面プラズモンモードとを含むハイブリッドモードと共鳴カップリングし、前記波長域は約830ナノメータ〜少なくとも約850ナノメータの範囲を含み、さらに、前記第1コンタクト幅と前記第2コンタクト幅はそれぞれ、前記第1幅と前記第2幅よりも大きい、請求項14に記載の光デバイス。
- 前記第1電極及び前記第2電極は金からなり、前記第1誘電率は1.75〜4.0の範囲にあって前記第2誘電率よりも大きい、請求項19に記載の光デバイス。
- 前記第1コンタクト厚み及び前記第2コンタクト厚みはそれぞれ、0.075〜0.2マイクロメータの範囲にある、請求項20に記載の光デバイス。
- 前記第1幅と前記第2幅はそれぞれ、0.075マイクロメータ〜0.25マイクロメータの範囲にある、請求項20に記載の光デバイス。
- 前記基板はシリコン・オン・インシュレータ構造を含む、請求項14に記載の光デバイス。
- 前記基板はシリコンを含み、前記第2誘電率は前記第1誘電率よりも大きく、前記第1コンタクト幅と前記第2コンタクト幅は、それぞれ、前記第1幅と前記第2幅よりも大きい。請求項14に記載の光デバイス。
- 前記第1電極及び前記第2電極は金属を含み、前記第1コンタクト厚み及び前記第2コンタクト厚みのうち少なくとも1つは、少なくとも100nmである、請求項24に記載の光デバイス。
- 前記第2誘電率は1.75〜4.0の範囲にある、請求項24に記載の光デバイス。
- 前記第1コンタクト幅は前記第1幅の少なくとも2倍であり、約0.2マイクロメータ〜約0.4マイクロメータの範囲にある、請求項25に記載の光デバイス。
- 830nm〜850nmの動作波長域で少なくとも0.25A/Wの応答性と少なくとも30GHzの帯域幅を有する、請求項23に記載の光デバイス。
- 前記第2誘電率は前記第1誘電率よりも大きく、前記第1コンタクト幅は前記第1幅よりも大きい、請求項23に記載の光デバイス。
- 前記第2コンタクト窓誘電体はシリコン酸化物であり、前記第1コンタクト幅は前記第1幅の少なくとも2倍であり、第1コンタクト厚み及び第2コンタクト厚みはそれぞれ、少なくとも100nmである、請求項23に記載の光デバイス。
- 前記基板はシリコン最上層と絶縁体層とを含み、前記シリコン最上層は約300ナノメータ〜約400nmの範囲にあり、前記絶縁体層は約25nm〜約75nmの範囲にある、請求項30に記載の光デバイス。
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