MEMSによるシリコンを用いた光デバイス～赤外線センサや可変偏光フィルタの展開～

電気通信大学大学院情報理工学研究科

機械知能システム学専攻

准教授 菅 哲朗

2017.05.18

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①MEMSシリコン赤外センサの研究

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赤外光検出器（量子型）

化合物半導体の基板はシリコンの10倍の価格シリコンデバイスとの一体形成は困難シリコンで赤外光ディテクタができれば、CMOS可視光ディテクタなどと混在可能シリコン単体では1.1µm以上の赤外波長を検出不可

InSb光起電力素子（インジウムアンチモン）3~5 µm対応

InAsSb光起電力素子（インジウムヒ素アンチモン）～5µm対応

InGaAsフォトダイオード（インジウムガリウムヒ素）0.9～1.7µm対応

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Siベースの赤外検出器に関する先行研究

Knight, et al., Science, 2011.

プラズモンアンテナで光検出波長依存性が大きい高度なナノファブが必要

金ナノアンテナ構造

N型シリコン

アルミ電極

近赤外光

Isc

Y. Ajiki, T. Kan, et al., APL, 2016.

自己組織化ナノピラーアンテナにより、ブロードかつ偏光無依存検出、高い感度ランダムさを排除して、トップダウン構造で解析

菅研究成果

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Au/Siナノピラーアレイによる近赤外検出器全体構造

検出原理

ピラー断面

②ショットキー障壁で電流変換

①アンテナで吸収率増大

以下、菅研究成果

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ファブリケーション←Etch 5sec Depo 5sec

Etch 1sec Depo 1sec↓

500 nm

側壁スムーズさ改善

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光検出実験波長可変レーザにより、単一波長の光を照射、光検出能力評価

波長可変レーザ

Visカットフィルタ

分光器ポートor デバイス

波長可変レーザ

ナノピラー検出器

NIR

VISカットフィルタ

NIRKeithleyソースメータ

LabView制御ソフトウェア 波長制御

電流値

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波長感度特性@近赤外領域

フラットなAuと比較して、ピラー有は約10倍の高感度化Responsivity（電流/入力パワー）はλ1100nmで数mA/W程度実用化に必要な1~2桁程度の高感度化に取り組み中安価に作れる赤外検出素子にニーズはないか

関連特許情報発明の名称：光検出器出願番号：特願 2013-109015出願人：東京大学発明者：下山勲, 松本潔, 菅哲朗, 唐木幸一, 安食嘉晴, 佐々木靖夫, 安達千波矢, 八尋正幸, 濱田明子

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②MEMSシリコン赤外小型分光器

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小型分光器（従来型）

From: http://bwtek.com/spectrometer-part-6-choosing-a-fiber-optic/

④ Diffraction grating

⑤Photodetectors① Entrance slit

② Lens

③Mirror

ただし、依然として光を分散させるために④と➄の間に光路長が必要であり、小型化に限界

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回折格子による表面プラズモン検出

表面プラズモン共鳴（SPR）金と誘電体（空気）界面に生じる、自由電子の共鳴金回折格子に光を当てて励起特定条件（入射角度・光の波長）でシャープな共鳴

格子を半導体上につくることで、共鳴を電流で検出可能

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共鳴条件の特徴

入射波長ごとに違う共鳴角度入射角度を変えて電流計測⇒電流ピーク角度は波長で違う場所に出るデバイス特性をあらかじめ調べておけばスペクトルの逆算が可能

格子間隔3.2μm 回折次数n=-3

入射波長と共鳴角度

入射波長・共鳴角度と電流値

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入射スペクトルの算出方法

⋮=

⋯⋯⋯

⋮ ⋮ ⋮ ⋱ ⋮⋯ ⋮

==

入射波長・共鳴角度と電流値 感度マトリクスとしてデバイス特性抽出

感度算出[A/W]

=

角度毎の電流 デバイス特性マトリクス 入射光

入射スペクトル算出可能

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算出方法の妥当性検証

市販小型分光器（SOL2.2A, BWTEK, USA）と同等波長分解能

波長可変レーザで単一波長照射市販回転ステージで入射角度走査

入射波長：1500 nm 1480, 1510, 1540 nm 1490, 1510, 1530, 1550 nm

W.J. Chen, T. Kan, et al., Optics Express, 2016

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MEMSによる小型化に注力中MEMSワンチップ化

小型・可搬可能な分光器のニーズはないか好適な計測対象を探している

角度走査機構内蔵MEMSアクチュエータ厚さ数mm・縦横1cmの分光器の実現可能性

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②テラヘルツ波制御デバイスの研究

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テラヘルツ電磁波

電波 光テラヘルツ

光（波長～数10μm）と電波（波長～mm以上）の中間発生・検出の難しさから研究・開発の遅れていた周波数帯テラヘルツギャップ、とも

https://en.wikipedia.org/より改変

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THz電磁波のポテンシャルを引き出すために可視光・赤外光と比べ、光学素子のバラエティが不足

可視・赤外 THzアクロマートレンズ 非球面レンズ

多彩なレンズの形状・材料がそろっている

ポリマーが主材料

種類は少ないTsurupicaレンズ

直線偏光板

波長板

波長帯ごとに、複数の偏光状態を形成可能なラインナップがある

PEM（偏光制御）

直線偏光形成用のワイヤグリッド偏光子のみ

素子レベルでは存在せず（高感度計測に必須）

可変焦点レンズ

SLM（位相制御）

THz電磁波活用には、光学素子の充実必要

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キラリティを持つ物質の透過光の偏光状態変化

キラル物質が持つ光学活性

透過率は不変，偏光変化の方向がキラリティ依存キラリティ切り替えにより，偏光状態も反転

右円偏光⇔左円偏光MEMS性能テストとして、偏光フィルタへの展開検証

Left-handedmaterial

CounterclockwiseRotation

Right-handedmaterial

ClockwiseRotation

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人工原子に円偏光を選択透過するマイクロらせん

テラヘルツ波（波長~300 μm）の円偏光を選択透過

T. Kan, et. al., Applied Physics Lettersvol. 102, 221906 , 2013.

T. Kan, et. al., Nature communications,vol. 6, art. no. 8422, 2015.

らせん型人工原子片方の円偏光（左円偏光）のみ通す

人工原子を光の波長よりも密に配置して偏光透過フィルタ偏光制御が必要なテラヘルツ帯での利用ニーズを探索中

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微細加工でマイクロらせんを実際に製作

RIE & vapor HF

Spiral area

Au45nm

Si(top) 300nm

直径150 μm5巻アルキメデススパイラルピッチ170μm

同一スパイラルをアレイ

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透過光の円偏光状態を動的に制御azimuth 35º,ellipticity 34º

azimuth 1º,ellipticity 2º

azimuth -21º,ellipticity -19º

input

直線偏光

ほぼ直線偏光

右円偏光優位

左円偏光優位

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赤外検出器のポイントシリコン製なので安価小形な分光器が構成可能現在、提案可能な具体的用途は分光器用途、小型なのでIoTセンサ的に、分光器を多数環境

中に配置して、ガスモニタリングなどに利用可能

THzメタマテリアルのポイント能動的にTHz光の偏光状態を操作可能な小型素子毒物高感度検知に応用可（光学異性体による毒性検知など）

想定される用途

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実用化に向けた課題

赤外検出器の課題近赤外～中赤外において、検出技術を確立しているが、単画素

分光器は、マクロモデルで検証済みMEMSデバイスの開発が技術的課題、また、周辺回路・光学系の構築が課題だが、原理的困難さは無い

THzメタマテリアルの課題高い偏光変調性能を示しているが、実用化には透過率（現在約10%）を高める必要あり計算による最適構造探索、試作検証が今後の課題

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企業への期待

赤外検出器について

赤外検出器・分光器に関して独自デバイス開発のシーズ技術は有しているが、応用面について知見が少ないデバイスの応用ニーズ・シーンのご提案を期待しています

THzメタマテリアルについて食品・薬品の成分分析への応用など、偏光動的操作利用に関するご提案を期待しています

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お問い合わせ先

電気通信大学

産学官連携センター 今田 智勝

ＴＥＬ ０４２－４４３－５８７１

ＦＡＸ ０４２－４４３－５７２６

e-mail imada@sangaku.uec.ac.jp