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公開番号2024130550
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-09-30
出願番号2023040350
出願日2023-03-15
発明の名称光半導体デバイス
出願人富士通株式会社
代理人個人,個人
主分類G01J 1/02 20060101AFI20240920BHJP(測定;試験)
要約【課題】異なる波長域の光吸収を個別に増強する光半導体デバイスを提供する。
【解決手段】光半導体装置は、金属層と、前記金属層の上に設けられた第1の誘電体層と、前記第1の誘電体層の表面で第1の方向に延びる第1グラフェンリボンを含む第1グラフェン層と、前記第1グラフェン層を覆う第2の誘電体層と、前記第2の誘電体層の上で前記第1の方向と交わる第2の方向に延びる第2グラフェンリボンを含む第2グラフェン層と、前記第1の誘電体層の所定の深さに設けられ、前記第1グラフェンリボンと前記第2グラフェンリボンのいずれか一方と平行に延びるワイヤーグリッドと、を有する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
金属層と、
前記金属層の上に設けられた第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の表面で第１の方向に延びる第１グラフェンリボンを含む第１グラフェン層と、
前記第１グラフェン層を覆う第２の誘電体層と、
前記第２の誘電体層の上で前記第１の方向と交わる第２の方向に延びる第２グラフェンリボンを含む第２グラフェン層と、
前記第１の誘電体層の所定の深さに設けられ、前記第１グラフェンリボンと前記第２グラフェンリボンのいずれか一方と平行に延びるワイヤーグリッドと、
を有する光半導体デバイス。
続きを表示（約 870 文字）【請求項２】
前記ワイヤーグリッドは前記第１グラフェンリボンと平行に延び、
前記第１グラフェン層と前記第１の誘電体層と前記金属層で第１キャビティが形成される、
請求項１に記載の光半導体デバイス。
【請求項３】
前記第２グラフェンリボンは前記第１グラフェンリボンと直交する方向に延び、前記第２グラフェン層と前記ワイヤーグリッドの間に第２キャビティが形成されている、
請求項２に記載の光半導体デバイス。
【請求項４】
前記ワイヤーグリッドは前記第２グラフェンリボンと平行に延び、
前記第１グラフェン層と前記ワイヤーグリッドの間に第１キャビティが形成される、
請求項１に記載の光半導体デバイス。
【請求項５】
前記第２グラフェンリボンは前記第１グラフェンリボンと直交する方向に延び、前記第２グラフェン層と前記金属層の間に第２キャビティが形成される請求項４に記載の光半導体デバイス。
【請求項６】
前記第１の誘電体層と前記第１グラフェン層の間に、第１ゲート電極と第１絶縁膜がこの順で設けられている、
請求項１から５のいずれか１項に記載の光半導体デバイス。
【請求項７】
前記第２の誘電体層と前記第２グラフェン層の間に、第２ゲート電極と第２絶縁膜がこの順に設けられる請求項１から５のいずれか１項に記載の光半導体デバイス。
【請求項８】
前記第１グラフェン層は、前記第１グラフェンリボンの周期的な配列を含む第１領域と、前記第１グラフェンリボンの前記周期的な配列を有しない第２領域とを有する、
請求項１から５のいずれか１項に記載の光半導体デバイス。
【請求項９】
前記第２グラフェン層は、前記第２グラフェンリボンの周期的な配列を含む第３領域と、前記第２グラフェンリボンの前記周期的な配列を有しない第４領域とを有する、
請求項１から５のいずれか１項に記載の光半導体デバイス。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、光半導体デバイスに関する。
続きを表示（約 2,300 文字）【背景技術】
【０００２】
物質は、その物質がもつ温度に応じた熱輻射光を放出している。室温程度の物質から放射される熱輻射光は、赤外線の波長帯で最も強度が大きい。このため、熱輻射を検出する赤外線センサは、夜間の暗視やサーモグラフィなどに広く用いられている。赤外光を吸収する受光層にグラフェンを適用したデバイスが研究されている。グラフェンは、炭素原子が二次元ハニカム状に配列された層状の材料である。グラフェンは特徴的なエネルギーバンド構造を有するため、紫外域からテラヘルツ帯におよぶ広い波長範囲の光を吸収する。
【０００３】
グラフェンは、原子層１層の物質であることから、光吸収効率はたかだか数％程度であり、光センサの材料としては光電変換効率が低い。グラフェンを光センサに応用するために、光吸収を増強する様々な構造が提案されている。光吸収を増強する構造の一つとして、グラフェンにキャビティまたは光共振器を付加する構造がある。この構造では、位相整合条件が満たされる場合に、理論上、光を完全に吸収することができる。単純なグラフェン層とキャビティの構造では、吸収できる光の波長はテラヘルツ帯に制限される。赤外線に対して完全吸収を実現するために、リボン状の周期構造に加工されたグラフェンとキャビティを組み合わせた構成が提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
Rasoul Alace, Mohamed Farhat, Carsten Rockstuhl, and Falk Lederer, "A perfect absorber made of a graphene micro-ribbon metamaterial," Optics Express, Vol. 20, No. 27, 28017 (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
熱輻射光を検出する場合、２つの異なる波長の入射光量を個別に検出したいという需要がある。熱輻射光を単一の波長帯でのみ検出すると、遠方の高温物体による輻射と、近くの低温物体による輻射を区別できないからである。２つの異なる波長域の光量を個別に検出することで、高温物体と低温物体の間に距離の違いがあっても、目標とする物体を識別することができる。それぞれの波長での輻射量の比は、物体の温度によって異なるため、目標の温度を持つ物体の存在を抽出できるからである。
【０００６】
キャビティを付加して光吸収を増強する構造において、キャビティの長さは、吸収を高める目標の光の波長に合わせて設計する必要がある。基本的に、ある波長に合わせて設計されたキャビティは、別の波長の光吸収増強には適さない。異なる波長の輻射光を個別に検出する場合、それぞれの波長で光吸収を増強できる構成が望まれる。本開示のひとつの側面で、異なる波長域の光吸収を個別に増強する光半導体デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態によれば、光半導体デバイスは、
金属層と、
前記金属層の上に設けられた第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の表面で第１の方向に延びる複数の第１グラフェンリボンを含む第１グラフェン層と、
前記第１グラフェン層を覆う第２の誘電体層と、
前記第２の誘電体層の上で前記第１の方向と交わる第２の方向に延びる複数の第２グラフェンリボンを含む第２グラフェン層と、
前記第１の誘電体層の所定の深さに設けられ、前記第１グラフェンリボンと前記第２グラフェンリボンのいずれか一方と平行に延びるワイヤーグリッドと、
を有する。
【発明の効果】
【０００８】
異なる波長域の光吸収を個別に増強する光半導体デバイスが実現される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
実施形態の光半導体デバイスの模式図である。
光半導体デバイスの動作原理を示す図である。
光半導体デバイスの動作原理を示す図である。
実施例１の光半導体デバイスの上面模式図である。
図４のIV－IVラインに沿った断面模式図である。
実施例２の光半導体デバイスの上面模式図である。。
図６のVI－VIラインに沿った断面模式図である。
実施例３の光半導体デバイスの上面模式図である。
図８の第１グラフェン層と第２グラフェン層の平面形状を示す図である。
図８のVIII－VIIIラインに沿った断面模式図である。
光半導体デバイスアレイの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下で、図面を参照しながら発明を実施するための形態を説明する。下記で述べる実施形態は、発明の技術思想を具体化するための例示であり、本発明を下記の構成や数値に限定するものではない。図面中、同一の機能を有する構成要素には、同一符号を付して、重複する記載を省略する場合がある。異なる実施形態や構成例の間での部分的な置換または組み合わせは可能である。各図面が示す各部材の大きさ、位置関係等は、発明の理解を容易にするために誇張して描かれている場合がある。位置関係で「上に」または「下に」というときは積層方向の上下を指し、絶対的な方向ではない。
（【００１１】以降は省略されています）

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