反射光学元件的制作方法

1.本发明涉及反射光学元件。


背景技术：

2.lidar(light detection and ranging，光探测和测距)是远程感测技术之一，通过对对象物照射激光并由检测器测定其反射光来测定距离。在面向汽车的自动驾驶化的努力得到发展的近年来，lidar在高度驾驶支援系统(adas：advanced driver assistance system)或者距离测定等用途中，重要度变高。
3.lidar主要包括激光源、机械驱动式反射镜以及检测器。机械驱动式反射镜存在动作速度慢以及反射角度的范围窄这样的课题。进而，与反射镜不同，需要检测器，存在系统变大这样的课题。因此，提出了不使用机械驱动式反射镜的手法。例如，在专利文献1中，提出了具备金属-绝缘体-金属(mim)构造的光调制元件。在该光调制元件中，对绝缘膜施加电压，从而调制折射率，通过拓扑地控制反射的光的相位，从而改变反射光的反射角度。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特表2018-509643号公报
7.非专利文献
8.非专利文献1：zhaona wang,yanyan sun,lu han,dahe liu“general laws of reflection and refraction for subwavelength phase grating”,arxiv:1312.3855.


技术实现要素：

9.在具备金属-绝缘体-金属(mim)构造的光调制元件中，起因于绝缘体的构造而易于产生高次的衍射光。其结果，反射光的强度有可能会下降。
10.本发明是为了解决这样的问题点而完成的，其目的在于提供无需减弱反射光的强度，就能够改变反射光的反射角度的反射光学元件。
11.本发明的反射光学元件是能够变更入射的电磁波的反射方向的反射光学元件，具有绝缘体、层叠构造部、电极部以及反射板。绝缘体具有相互对置的第1主面以及第2主面。层叠构造部相对于绝缘体而配置于第1主面一侧。电极部电连接于层叠构造部，被施加电压。反射板相对于绝缘体而配置于第2主面一侧。层叠构造部具备包括一个以上的第1层叠构造体和一个以上的第2层叠构造体的多个层叠构造体。第1层叠构造体在第1方向上具有第1宽度，在与第1方向交叉的第2方向上延伸。第2层叠构造体与第1层叠构造体在第1方向上隔开间隔地配置，在第1方向上具有第2宽度，在第2方向上延伸。在多个层叠构造体的各个层叠构造中，层叠有电介质层和第1二维材料层。电极部具备包括第1电极和第2电极的多个电极。第1电极电连接于第1层叠构造体中的第1二维材料层，被施加第1电压。第2电极电连接于第2层叠构造体中的第1二维材料层，被施加第2电压。
12.根据本发明的反射光学元件，第1层叠构造体与第2层叠构造体隔开间隔地配置。
第1电压被施加到第1层叠构造体中的第1二维材料层，第2电压被施加到第2层叠构造体中的第1二维材料层。由此，不会减弱产生衍射光而反射的电磁波的强度，第1层叠构造体以及第2层叠构造体各自中的第1二维材料层的折射率发生变化，从而能够在第1层叠构造体以及第2层叠构造体的每个层叠构造体中反射的电磁波的相位发生变化，改变电磁波的反射角度。
附图说明
13.图1是用于说明各实施方式的反射光学元件的原理的图。
14.图2是示出实施方式1的反射光学元件的一个例子的俯视图。
15.图3是该实施方式中的图2所示的剖面线iii-iii处的剖视图。
16.图4是用于说明该实施方式中的反射光学元件的形状的立体图。
17.图5是示出该实施方式中的反射光学元件的制造方法的一个工序的剖视图。
18.图6是示出在该实施方式中在图5所示的工序之后进行的工序的剖视图。
19.图7是示出在该实施方式中在图6所示的工序之后进行的工序的剖视图。
20.图8是示出在该实施方式中在图7所示的工序之后进行的工序的剖视图。
21.图9是示意地示出该实施方式中的反射光学元件的动作的图。
22.图10是示出该实施方式中的一个变形例的反射光学元件的局部剖视图。
23.图11是示出该实施方式中的其它变形例的反射光学元件的局部剖视图。
24.图12是示出实施方式2的反射光学元件的一个例子的剖视图。
25.图13是示出该实施方式中的反射光学元件的另一例子的剖视图。
26.图14是示出该实施方式中的反射光学元件的又一例子的剖视图。
27.图15是示出该实施方式中的反射光学元件的又一例子的部分立体图。
28.图16是示出实施方式3的反射光学元件的一个例子的剖视图。
29.图17是包括用于说明该实施方式中的反射光学元件的效果的曲线图的图。
30.图18是示出实施方式4的反射光学元件的一个例子的俯视图。
31.图19是示出实施方式5的反射光学元件的一个例子的俯视图。
32.图20是该实施方式中的图19所示的剖面线xx-xx处的剖视图。
33.图21是示出该实施方式中的反射光学元件的另一例子的剖视图。
34.图22是示出该实施方式中的反射光学元件的又一例子的剖视图。
35.图23是示出该实施方式中的图22所示的反射光学元件的制造方法的一个工序的剖视图。
36.图24是示出在该实施方式中在图23所示的工序之后进行的工序的剖视图。
37.图25是示出在该实施方式中在图24所示的工序之后进行的工序的剖视图。
38.图26是示出实施方式6的反射光学元件的一个例子的俯视图。
39.图27是该实施方式中的图26所示的剖面线xxvii-xxvii处的剖视图。
40.图28是示出该实施方式中的反射光学元件的另一例子中的电磁波检测部的局部俯视图。
41.图29是该实施方式中的图28所示的电磁波检测部的分解局部俯视图。
42.(符号说明)
43.1：反射光学元件；3：绝缘层；3a：开口部；5：格子群；7、7a、7i、7j、7n：格子；9：石墨烯层；11：电介质层；13：石墨烯层；15、15a、15i、15n：电极；17：电介质层；19：基板；21：反射板；23、23a、23i、23j、23n：电压施加部；31：金属膜；51：电磁波检测部；53：源极电极；55：漏极电极；57：石墨烯层；59：电流探测部；61：电极；71、71a、71i、71j、71n：电磁波。
具体实施方式
44.首先，说明各实施方式的反射光学元件的基本构造和反射的原理。在此，使用可见光或者红外光(红外线)来进行说明，但在反射光学元件中，除了该可见光以及红外光之外，例如，作为x线、紫外光、近红外光、太赫兹(thz)波、微波等区域的电波的检测器也是有效的。在该说明书中，将这样的光以及电波统称为电磁波。
45.在反射光学元件中，作为二维材料层之一而使用石墨烯层进行说明，但关于二维材料层的变形将在后面叙述。
46.另外，在反射光学元件中，利用共振现象来进行电磁波的反射。作为共振现象，有等离子共振现象、伪表面等离子共振现象、基于超材料或者等离子超材料的现象。关于这些共振现象，不特别基于名称进行区分，根据该现象造成的效果的观点，视为相同的处理。将这些现象称为表面等离子共振、等离子共振，或者简称为共振。
47.此外，等离子共振现象是指作为金属表面与光的相互作用的表面等离子共振现象等。伪表面等离子共振现象是指基于可见光以及红外光以外的特别是具有太赫兹附近的波长的电磁波的与金属表面相关的共振现象。基于超材料或者等离子超材料的现象是指利用具有电磁波的波长以下的尺寸的构造对特定的波长的电磁波进行操作而导致的共振现象。
48.进而，作为反射光学元件而使用具备具有源极电极和漏极电极的电磁波检测部的构造和将反射板用作背部栅极的构造来进行说明，但还能够应用于具备4端子电极构造或者顶部栅极构造等电极构造的反射光学元件。
49.在图1的上层，示意地示出反射光学元件1的基本的构造。反射光学元件1具备作为绝缘体的绝缘层3、作为层叠构造部的格子群5、反射板21以及对格子群5施加电压的电压施加部23。
50.格子群5相对于绝缘层3而形成于一个主面一侧。格子群5包括包含格子7i和格子7j的多个格子7。多个格子7分别作为层叠构造体而具有层叠有电介质层11和作为二维材料层的石墨烯层13的构造。
51.电压施加部23具有对格子群5分别单独地施加电压的功能。电压施加部23例如包括对格子7i施加第1电压的电压施加部23i和对格子7j施加第2电压的电压施加部23j。反射板21相对于绝缘层3而配置于另一个主面一侧。
52.接下来，作为反射光学元件1的动作原理，进而包括图2以及图3来说明电磁波(入射光)入射到格子群5的情况。在格子群5中，发生入射的电磁波在石墨烯层13与石墨烯层9之间以及石墨烯层13等与反射板21之间相互增强的被称为共振的现象。另外，在石墨烯层13的周围，特别发生被称为等离子共振的现象。
53.当入射到一个格子7的电磁波发生共振时，反射的电磁波的相位会比入射的电磁波的相位滞后。共振越强，则相位的变化量越大。相位的变化也根据包括格子群5的物理形状决定，但能够利用施加到石墨烯层13的电压使石墨烯层13的折射率变化。因此，能够电控
制反射的电磁波的相位。
54.于是，在反射光学元件1中，在位于入射的电磁波的点内的格子群5中，在各格子7中反射的电磁波的相位会因施加到各格子7的石墨烯层13的电压而变化。根据惠更斯原理，反射的电磁波的波面的朝向由在各格子7反射的电磁波的相位而决定。即，以使波面朝向所期望的反射角度的方式，利用施加到各格子7的电压来控制反射的电磁波的相位，从而能够电性地使反射角度变化。
55.接下来，根据一般化的斯内尔定律，说明电磁波的入射角度以及反射角度和电磁波的相位。如图1所示，设想电磁波从介质i向介质i与介质r的界面入射的情况。反射光学元件1的格子群5等的尺寸被设定成比入射的电磁波的波长短。因此，当从电磁波来看，各格子7分别能够视为点，不妨碍视为反射光学元件1位于界面。
56.在此，作为电磁波的光路，考虑两个光路ace和光路ade。光路ace是电磁波从点a到达点c并在点c处被反射而到达点e的光路。光路ade是电磁波从点a到达点d并在点d处被反射而到达点e的光路。将配置有反射光学元件1的界面视为x轴(参照非专利文献1)。
57.将入射光(电磁波)的波长设为λ，将入射角度设为θi，将反射角度设为θr，将介质i的折射率设为ni，将介质r的折射率设为nr，将点c处的电磁波的相位设为将点d处的电磁波的相位设为将点c与点d之间的距离设为dx，将波数设为k(＝2π/λ)。
58.当光路ade与光路ace无限接近时，相位差是0。这通过以下的式(1)来表示。
[0059][0060]
从式(1)推导出以下的式(2)。
[0061][0062]
进而，从式(2)推导出以下的式(3)。
[0063][0064]
如果入射角度和反射角度确定，则可以以满足式(3)的关系的方式设定相位的变化。如果能够使电磁波的相位在x轴上变化，则能够与折射率ni、nr独立地使反射角度θr变化。
[0065]
在配置于x轴上的格子群5的各格子7所处的坐标中，如果根据式(2)而相位连续地变化，则根据惠更斯原理，能够通过各格子7(坐标)中的相位的变化使衍射的电磁波的波面的行进方向变化。即，能够使电磁波的反射角度变化。以下，在各实施方式中，具体地说明反射光学元件的构造。
[0066]
实施方式1.
[0067]
说明实施方式1的反射光学元件的一个例子。如图2以及图3所示，在反射光学元件1中，作为绝缘体的绝缘层3形成为覆盖基板19的一个表面。以与绝缘层3的一个主面(第1主面)相接的方式形成作为具备多个层叠构造体的层叠构造部的格子群5。以覆盖基板19的另一个表面的方式形成反射板21。
[0068]
基板19具有保持反射光学元件1的整体的功能。基板19例如包含硅(si)等半导体材料。具体而言，能够应用高电阻的硅基板。另外，例如，也可以使用通过在硅基板的表面形成热氧化膜而提高绝缘性的基板等。在形成有热氧化膜的基板中，也可以使该热氧化膜兼
作绝缘层3。进而，也可以为了形成反射板21而使用添加有杂质的硅基板。
[0069]
另外，作为基板19，也可以应用ii-v族半导体。进而，作为基板19的材料，也可以应用碲化汞镉(hgcdte)、锑化铟(insb)、typeii超格子等材料。应用了这样的材料的基板具有固有的带隙。由于基板具有固有的带隙，从而能够产生光栅效应。这将在后面叙述。
[0070]
作为绝缘层3，例如能够应用氧化硅(sio2)、氮化硅(sin)、氧化铪(hfo)、氧化铝、氧化镍、氧化钽或者氮化硼(bn)等。特别是，氮化硼(bn)的原子排列与石墨烯层的原子排列相似，所以即使氮化硼与石墨烯层接触，也不妨碍电荷的移动。因而，氮化硼几乎不会阻碍电子移动度等石墨烯层的性能，作为石墨烯层9的基膜是优选的。
[0071]
反射板21由金、银或者铝等金属形成。在该反射光学元件1中，关于反射板21，为了使其具有使电磁波反射的功能，作为金属，最好使用针对入射的电磁波的波长反射率高的金属。例如，如果入射的电磁波是红外线的波段的电磁波，则最好使用铝或者金。
[0072]
作为具备多个层叠构造体的层叠构造部的格子群5包括包含格子7a和格子7n的三个以上的格子7。在此，当将n设为3以上的自然数时，层叠构造部具备从第1层叠构造体至第n层叠构造体为止的多个层叠构造体。具体而言，作为具备多个层叠构造体的层叠构造部的格子群5具备包括作为第1格子的格子7a以及作为第2格子的格子7n的多个条状的格子7。格子7分别在x轴方向上相互隔开间隔地配置。格子7分别作为层叠构造体而具备使石墨烯层9、电介质层11以及石墨烯层13层叠而成的构造。此外，在该说明书中，对参照符号(例如，7、23等)附加的“n”是参照符号的一部分，与自然数n区分开。
[0073]
石墨烯层9、11既可以是单层，也可以为两层以上。单层的石墨烯层是具有碳原子以六边形形状结合的格子构造的原子一层的片材状的物质，是代表性的二维原子层材料。其厚度是原子一层，极薄。已知电荷移动度例如是硅的电荷移动度的100倍左右，电荷移动度高。
[0074]
在层叠有两个以上的原子层的石墨烯层的情况下，也可以在该石墨烯层所包含的任意的两个原子层中，一个原子层的六方格子的格子矢量的朝向与另一个原子层的六方格子的格子矢量的朝向不一致，一个格子矢量的朝向和另一个格子矢量的朝向存在偏离。另外，也可以是一个格子矢量的朝向与另一个格子矢量的朝向完全一致的石墨烯层。
[0075]
在使用纳米带状的石墨烯作为石墨烯层的情况下，石墨烯层是包括单层的石墨烯纳米带层的构造或者层叠有两个以上的石墨烯纳米带层的构造。另外，作为石墨烯层，也可以设为在平面上周期性地配置有石墨烯纳米带的构造。
[0076]
在周期性地配置有石墨烯纳米带的构造中，在石墨烯纳米带中发生等离子共振，在特定的波长下发生共振，能够增大反射的电磁波的相位的变化量。进而，作为石墨烯层，既可以是未添加杂质的非掺杂的石墨烯层，也可以是掺杂有p型或者n型的杂质的石墨烯层。
[0077]
在作为具备多个层叠构造体的层叠构造部的格子群5中，形成有与该格子群5电连接的具有多个电极15的电极部。作为多个电极15，在从第1层叠构造体至第n层叠构造体为止的层叠构造体中依次形成有从第1电极至第n电极为止的电极15。具体而言，在多个格子7的各个格子中，以与上层的石墨烯层13接触的方式形成电极15。设置有对多个格子7的每个格子施加电压的电压施加部23。例如，在格子7a形成有电极15a。电压施加部23a电连接于该电极15a。在格子7n形成有电极15n。电压施加部23n电连接于该电极15n。
[0078]
如上所述，从电压施加部23经由电极15分别将电压施加到格子7的各个格子，从而格子7的每个格子的石墨烯层13的导电率以及折射率发生变化，能够电性地使石墨烯层13的光学特性变化。
[0079]
在与格子7(石墨烯层13)的每个格子电连接的电压施加部23中，设置有用于施加所期望的电压的电路(未图示)。作为电路，只要能够使对于产生为了控制反射角度所需的相位的变化足够的电压施加到各格子7，电路结构就没有限制。
[0080]
如图4所示，在各格子7中，将作为第1方向的x轴方向的长度设为宽度wg，将作为第2方向的y轴方向的长度设为延伸长度l，将格子7的x轴方向的周期(间距)设为周期pg，将格子7的厚度(z轴方向)设为厚度tg，将电极15的厚度设为厚度te，将电介质层11的厚度设为厚度ti。
[0081]
作为第1宽度以及第2宽度的宽度wg、厚度tg、周期pg以及长度l被设定成比作为对象的电磁波的波长短。在此，关于各格子7，作为格子的构造，宽度wg、厚度tg、周期pg以及长度l分别被设定为相同的值。宽度wg例如被设定为几十nm左右。厚度tg被设定为几十nm左右。周期pg例如被设定为几百nm左右。厚度te被设定为几十nm左右。格子群5以位于入射的电磁波的点径内的方式配置。
[0082]
通过改变宽度wg、长度l、周期pg等，能够改变共振波长。一般而言，在多层构造的格子7(格子群5)中，宽度wg是控制共振波长的主参数。在宽度wg窄的情况下，共振波长会向短波长偏移。
[0083]
另外，通过改变电介质层11的厚度ti，能够控制共振波长。在夹住电介质层11的石墨烯层13与石墨烯层9之间发生共振(或者导波模式)，所以在电介质层11的厚度ti厚的情况下，入射的电磁波的波长成为长波长。进而，在相邻的格子7与格子7的间隔(周期pg-宽度wg)窄的情况下共振强，能够增大反射的电磁波的相位变化量。这是因为在相邻的格子7与格子7之间产生间隙共振。
[0084]
此外，在使多个格子7一维地在一个方向上配置作为格子群5的情况下，在入射的电磁波具有偏光的情况下，以使电磁波的电场的朝向与格子7的宽度方向平行的方式配置反射光学元件和电磁波，从而能够高效地改变电磁波的相位。因而，在该情况下，最好将格子7的长度l设定成比电磁波的波长更长。实施方式1的反射光学元件1如上述那样构成。
[0085]
接下来，说明上述反射光学元件1的制造方法的一个例子。如图5所示，例如，准备包含硅的基板19。基板19具有对置的正面和背面。接下来，在基板19的正面形成绝缘层3。在基板19包含硅的情况下，绝缘层3也可以是通过对基板19进行热氧化处理而形成的氧化硅(sio2)。除了热氧化处理之外，例如，也可以使用cvd(chemical vapor deposition，化学气相沉积)法或者溅射法来形成绝缘层3。
[0086]
接下来，在基板19的背面，例如通过溅射法或者蒸镀法等，形成反射板21。反射板21例如由金(au)、银(ag)、铜(cu)、铝(al)、镍(ni)或者铬(cr)等形成。为了提高基板19与反射板21的粘附性，也可以在基板19与反射板21之间形成铬(cr)或者钛(ti)等粘附膜(未图示)。
[0087]
接下来，如图6所示，以覆盖绝缘层3的正面的方式，例如，通过外延生长法来形成石墨烯层9。除了外延生长法之外，例如，也可以预先将通过cvd法形成的石墨烯层进行转印而紧贴于绝缘层3。另外，也可以将通过机械剥离等剥离的石墨烯层进行转印而紧贴。
[0088]
接下来，以覆盖石墨烯层9的方式，例如，通过蒸镀法或者原子层沉积法(ald：atomic layer deposition)等来形成电介质层11。作为电介质层11，例如形成氧化硅膜(sio2)、氮化硅膜(sin)、氧化铝膜、氧化钽膜、ito膜、氟化镁(mgf2)、氧化镁(mgo)或者氧化铪(hfo2)等。接下来，以覆盖电介质层11的方式形成石墨烯层13。
[0089]
接下来，如图7所示，形成电极15。电极15例如由金(au)、银(ag)、铜(cu)、铝(al)、镍(ni)或者铬(cr)等形成。为了提高石墨烯层13与电极15的粘附性，也可以在石墨烯层13与电极15之间形成铬(cr)或者钛(ti)等粘附膜(未图示)。
[0090]
通过使用照相制版处理或者eb(electron beam，电子束)描绘等，形成在配置电极的区域开口的抗蚀剂掩模(未图示)。在形成抗蚀剂掩模之后，例如通过蒸镀法或者溅射法来形成金(au)等金属膜。之后，通过去除抗蚀剂掩模，从而形成电极15。
[0091]
接下来，通过进行照相制版处理，形成用于对格子群进行构图的抗蚀剂掩模(未图示)。接下来，通过将抗蚀剂掩模作为蚀刻掩模，使用氧等离子或者甲烷等气体，从而对石墨烯层和电介质层进行蚀刻处理。由此，如图8所示，对包括多个格子7的格子群5进行构图。这样，反射光学元件1的主要部分完成。
[0092]
在上述反射光学元件1中，从电压施加部23经由电极15分别将电压施加到格子7的各个格子，从而格子7的每个格子的石墨烯层13的导电率以及折射率发生变化，能够电性地使石墨烯层13的光学特性变化。
[0093]
在此，如图9所示，例如，设想包括格子7a、7i、7j、7n作为格子群5的多个格子7沿着x轴一维地配置的反射光学元件。针对多个格子7，从格子7a向格子7n，使施加到各个石墨烯层13的电压阶梯性地变化，从而格子7的每个格子的石墨烯层13的导电率以及折射率发生变化。由此，在入射到格子群5的电磁波(箭头y0)反射时，电磁波的相位沿着x轴阶梯性地变化。
[0094]
针对各格子7的石墨烯层13，从格子7a向格子7n，同时施加例如每0.1v地逐渐增加(或者减少)的一连串的直流电压，从而反射电磁波的方向被改变。另外，通过同时施加与该一连串的直流电压不同的其它一连串的直流电压，从而能够在与施加一连串的直流电压的情况下的电磁波反射的方向不同的方向上使电磁波反射，能够利用施加到各格子7的石墨烯层13的电压来控制反射电磁波的方向。
[0095]
因此，在各个格子7中反射的电磁波(71、71a、71i、71j、71n)的例如将山与山进行连结的线相对于配置了反射光学元件1的x轴具有斜率。由此，作为在各个格子7中反射的电磁波的整体，会向其倾斜的方向(箭头y1)反射。这样，通过改变施加到多个格子7的每个格子的电压，石墨烯层13的导电率以及折射率根据该电压而变化，其结果是在反射光学元件1中，因电压改变而电磁波的相位发生改变，能够控制反射电磁波的方向。
[0096]
另外，在上述反射光学元件1中，特别是，形成格子7的一部分的电介质层11在多个格子7中相互隔开间隔地形成。由此，与在多个格子中电介质层连续地连结的构造相比，在位于格子与格子之间的电介质层的部分处反射的电磁波的相位不发生变化。由此，在反射波中，仅格子中的相位变化占支配地位。在格子以及位于格子与格子之间的电介质中不产生相位差。因此，防止了电磁波的干扰，高次的衍射光消失，或变得极小。由此，反射的电磁波仅成为主模式，高次的衍射光消失，所以能够抑制反射的电磁波的强度下降。
[0097]
此外，在上述反射光学元件1中，说明了不与电极15连结的电浮动的石墨烯层9分
别形成于多个格子7的情况。如图10所示，作为电浮动的石墨烯层9，也可以形成为在相邻的格子7间相互连结。另外，除了石墨烯层9、电介质层11以及石墨烯层13的三层构造的格子7之外，也可以如图11所示，是以覆盖石墨烯层13的方式还形成电介质层17的多层构造的格子7。另外，即使是在未形成电浮动的石墨烯层9的反射光学元件，也如最开始进行说明那样，无需减弱反射的电磁波的强度，能够改变反射角度。
[0098]
实施方式2.
[0099]
在实施方式1中，说明了关于各格子7而宽度wg、厚度tg、周期pg以及长度l分别被设定为相同的值的反射光学元件1。在此，说明包括格子的条形状不同的格子的反射光学元件。此外，关于与图2以及图3所示的反射光学元件1相同的构件，附加相同的符号，除了必要的情况之外，不重复其说明。
[0100]
在此，将i以及j设为互不相同的1以上且n以下的自然数，将从第1层叠构造体至第n层叠构造体为止的三层以上的层叠构造体中的一个层叠构造体设为第i层叠构造体，将其它层叠构造体设为第j层叠构造体。格子群5包括第i层叠构造体作为第i格子，包括第j层叠构造体作为第j格子。第i格子包括具有第3宽度以及第3长度并以第3间距配置的多个第i层叠构造体。第j格子包括具有第4宽度以及第4长度并以第4间距配置的多个第j层叠构造体。此外，在该说明书中，对参照符号(例如，7、23)附加的“i”、“j”是参照符号的一部分，与自然数i、j区分开。
[0101]
在第i格子和第j格子中，第3宽度与第4宽度也可以不同。具体而言，图12示出具备宽度wg不同的格子7的反射光学元件1的一个例子。如图12所示，反射光学元件1包括具有宽度wg1的格子7a和具有宽度wg2的格子7i作为格子群5。宽度wg2比宽度wg1大。
[0102]
在第i格子和第j格子中，第3间距(周期)与第4间距(周期)也可以不同。具体而言，图13示出具备周期pg不同的格子7的反射光学元件1的一个例子。如图13所示，反射光学元件1包括具有周期pg1的格子7a和具有周期pg2的格子7i作为格子群5。周期pg2比周期pg1长。
[0103]
在第i格子和第j格子中，电介质层11的厚度也可以不同。具体而言，图14示出具备包括厚度ti不同的电介质层的格子7的反射光学元件1的一个例子。如图14所示，反射光学元件1包括具有厚度ti1的格子7a和具有厚度ti2的格子7i作为格子群5。厚度ti1比厚度ti2厚。
[0104]
在第i格子和第j格子中，第3长度与第4长度也可以不同。具体而言，图15示出具备长度l不同的格子7的反射光学元件1的一个例子。如图15所示，反射光学元件1包括具有长度l1的格子7a和具有长度l2的格子7i作为格子群5。长度l2比长度l1长。
[0105]
在实施方式1中，叙述了在格子7中反射的电磁波的相位基本上由施加到石墨烯层13的电压控制。另外，叙述了在石墨烯层13与石墨烯层9之间等发生电磁波相互增强的被称为共振的现象，反射的电磁波的相位发生变化。进而，叙述了由于在石墨烯层13的周围产生的等离子共振，电磁波的相位也发生变化。
[0106]
因此，在反射光学元件1中，除了施加到石墨烯层13的电压之外，还改变格子7的物理形状，从而能够改变共振的电磁波的波长，能够使具有与该共振对应的波长的电磁波的相位变化。另外，能够改变共振的波长，从而能够将具有多个波长的电磁波作为反射对象。
[0107]
具体而言，在图12所示的反射光学元件1中，能够将具有与具有宽度wg1的格子7a
共振的波长的电磁波以及具有与具有宽度wg2的格子7i共振的波长的电磁波作为反射对象。后者的波长比前者的波长长。
[0108]
在图13所示的反射光学元件1中，能够将具有与具有周期pg1的格子7a共振的波长的电磁波和具有与具有周期pg2的格子7i共振的波长的电磁波作为反射对象。后者的波长比前者的波长长。
[0109]
在图14所示的反射光学元件1中，能够将具有与具有厚度ti1的格子7a共振的波长的电磁波和具有与具有厚度ti2的格子7i共振的波长的电磁波作为反射对象。后者的波长比前者的波长短。
[0110]
在图15所示的反射光学元件1中，能够将具有与具有长度l1的格子7a共振的波长的电磁波和具有与具有长度l2的格子7i共振的波长的电磁波作为反射的对象。后者的波长比前者的波长长。
[0111]
这样，作为成为反射对象的电磁波，不限于具有单一的波长的电磁波，能够将具有多个波长的电磁波作为反射对象，能够关于包括具有多个波长的电磁波的宽波段的电磁波而控制其反射角度。
[0112]
另一方面，例如，在如预先决定作为反射对象的电磁波的波长那样的情况下，调整包括宽度wg、厚度tg、周期pg以及长度l的格子7的物理形状，从而能够产生最佳的共振。另外，使包括宽度wg、厚度tg、周期pg以及长度l的格子7的物理形状周期性地变化，作为施加到各格子的电压而例如全部施加相同的电压，从而能够控制电磁波的反射角度。在该情况下，能够利用一个电压施加部23来控制施加到各格子7的所有的电压，能够减少由电压施加部23控制的电压值的数量。
[0113]
实施方式3.
[0114]
在此，说明使基板发生光电变换，通过与该光电变换相伴的电变化使石墨烯层产生光栅效应的反射光学元件。如图16所示，在反射光学元件1中，应用因入射的电磁波而发生光电变换的基板19。形成于基板19的背面的反射板21被用作背面电极，背部栅极电压vbg被施加到反射板21。此外，关于除此以外的结构，与图2以及图3所示的反射光学元件1的结构相同，所以对相同构件附加相同的符号，除了必要的情况之外，不重复其说明。
[0115]
发生光电变换的基板19例如具有作为反射对象的电磁波所具有的能量(hν)以下的带隙。在此，关于与光电变换相伴的石墨烯层的光栅效应，将以石墨烯层为沟道的石墨烯晶体管举为例子进行说明。
[0116]
如图17所示，石墨烯晶体管包括在基板19之上隔着绝缘层3而形成的源极电极53、漏极电极55以及石墨烯层9。源极电极53与漏极电极55隔开距离地配置。石墨烯层9形成为介于源极电极53与漏极电极55之间。在石墨烯层9形成沟道。背部栅极电压vbg被施加到反射板21。
[0117]
在图17中一并用曲线图示出在源极电极53与漏极电极55之间流过的电流id与背部栅极电压vbg的关系。横轴是背部栅极电压vbg，纵轴是电流id。虚线的曲线图是未照射电磁波的状态下的关系。实线的曲线图是照射电磁波的状态下的关系。
[0118]
当关注于未照射电磁波的情况下的虚线的曲线图时，在使背部栅极电压vbg变化的情况下，成为通常的石墨烯层中的两极性的晶体管动作。此时，将提供狄拉克点的背部栅极电压vbg设为v
dp
，将该电压称为狄拉克点电压。此外，狄拉克点是指石墨烯层9中的价电子
带与传导带(频带构造)交叉的点。
[0119]
当关注于照射电磁波的情况下的实线的曲线图时，相对于虚线的曲线图，在实线的曲线图中，狄拉克点电压向比v
dp
高的电压偏移。当电磁波入射到基板19时，在基板19中通过光电变换而产生空穴和电子。所产生的空穴以及电子中的一方(电荷)去往反射板21，另一方(电荷)去往绝缘层3。
[0120]
例如，设想基板19是p型硅并且施加负的电压作为背部栅极电压vbg的情况。所产生的空穴去往反射板21，电子去往绝缘层3。当电子留存于石墨烯层9的正下方的基板19的部分时，石墨烯层9受到其影响，被施加到石墨烯层9的电压发生变化。
[0121]
从反射板21施加的背部栅极电压vbg和与该光电变换相伴的电压变化量这双方的电压会被施加到石墨烯层9。该电压变化量用v
ph
表示。因此，在照射电磁波的情况下，狄拉克点电压从v
dp
偏移到v
dp
v
ph
。
[0122]
由于该偏移，在未照射电磁波的情况和照射电磁波的情况下，相对于相同的背部栅极电压vbg，在电流id中会产生差分电流(δi
ph
)。该电流(i
ph
)的变化量与通常的半导体的情况相比，如果根据移动度和膜厚进行估计，则大几百～几千倍左右。
[0123]
石墨烯层9是原子1层非常薄的层，另外，电荷移动度高。因此，由于与光电变换相伴的轻微的电压变化，石墨烯层9中的电子密度也发生改变，石墨烯层9的导电率会发生改变。即，由于与基板19所产生的光电变换相伴的轻微的电压变化，石墨烯层9的折射率会被改变。
[0124]
由此，在上述反射光学元件1中，除了由于被施加到石墨烯层13的电压而石墨烯层13的折射率发生变化之外，还由于基板19中的光电变换，基板19侧的石墨烯层9的折射率发生变化。因此，在反射光学元件1中，能够仅在照射电磁波时使反射的电磁波的相位的变化比不产生光电变换的情况大。
[0125]
当改变视点时，只要电磁波的反射角度相同，就能够与光电变换所引起的量相应地降低反射光学元件的消耗电力。另一方面，只要是相同的电力，就能够与光电变换所引起的量相应地，使电磁波的反射角度变得更宽。
[0126]
作为通过光栅效应来产生光电变换的基板19的材料，可举出如下材料。在可见光至近红外线中，例如有硅。在长波段的红外线中，例如有碲化汞镉(hgcdte)或者铌酸锂(linbo3)等强电介质材料。在中波段的红外线中，例如有锑化铟(insb)。
[0127]
作为产生光电变换的基板19的材料，并不限于这些，只要是具有作为反射对象的电磁波所具有的能量以下的带隙的材料(基板)即可。另外，只要是能够利用入射到基板19的电磁波对石墨烯层9提供电压变化的基板19即可。例如，也可以在基板19中形成pn结。另外，也可以将量子点或者纳米线等用作材料。
[0128]
实施方式4.
[0129]
在此，说明二维地配置有格子的反射光学元件的一个例子。如图18所示，在反射光学元件1中，包括格子7a、7i、7j、7n的多个格子7(格子群5)以矩阵状二维地配置。各格子7例如在x轴方向上分别具有宽度，在y轴方向上分别延伸。各格子7的宽度wg、长度l、周期pg、厚度tg等(参照图4)被设定成比电磁波的波长短。格子群5的各格子7在俯视的情况下具有相同的形状。
[0130]
由电压施加部23a对格子7a施加电压。由电压施加部23i对格子7i施加电压。由电
压施加部23j对格子7j施加电压。由电压施加部23n对格子7n施加电压。各格子7的剖面构造与图3所示的剖面构造实质上相同。
[0131]
在作为反射对象的电磁波是激光的情况下，具有偏光的情况较多。在该情况下，为了使反射的电磁波的相位高效地变化，最好以使各格子7的宽度的方向与电磁波的电场的方向成为相同的方向(平行)的方式配置反射光学元件。因而，在将偏光的方向确定的电磁波作为反射对象的情况下，最好一维地配置多个格子，并且将格子延伸的长度设定成比电磁波的波长更长。
[0132]
另一方面，在反射对象的电磁波的电场的方向在所有的方向上均匀地分布的无偏光(或者非偏光)的情况下，在一维地配置有多个格子的反射光学元件中，使电磁波的相位变化的效率变差。也就是说，在一维地配置多个格子的情况下，当设想正交的两个方向所代表的偏光时，发生使电磁波的相位变化的高效的作用只是针对某一方的偏光。
[0133]
相对于此，在如图18所示二维地配置多个格子的情况下，针对任意的偏光，都能够发生使电磁波的相位变化的高效的作用。因此，在上述反射光学元件1中，针对无偏光的电磁波，也能够控制电磁波的相位。
[0134]
此外，在图18所示的反射光学元件1中，说明了多个格子7中的每个格子在x轴方向上具有宽度、在y轴方向上延伸的情况。各格子7的宽度wg以及长度l(参照图4)等被设定成比电磁波的波长短，所以即使例如使格子7i以及格子7n以使各自的宽度在y轴方向上平行，在x轴方向上延伸的方式配置，电磁波的相位的控制也不会受到影响。另外，将作为格子群5的各格子7而包括在俯视时具有相同的形状的格子7的格子群5举为例子，但也可以在格子群5中包括在俯视时具有不同的形状的格子7。
[0135]
实施方式5.
[0136]
在此，说明具备检测电磁波入射的情况的电磁波检测部的反射光学元件的一个例子。
[0137]
在实施方式3中，叙述了在应用了发生光栅效应的基板的反射光学元件中，通过基板中的光电变换产生差分电流(δi
ph
)。在电磁波检测部中检测该差分电流(δi
ph
)。
[0138]
如图19以及图20所示，在反射光学元件1中，除了形成有格子群5之外，还形成有电磁波检测部51。电磁波检测部51包括作为第1检测电极以及第2检测电极的源极电极53以及漏极电极55和石墨烯层57。源极电极53以及漏极电极55以与绝缘层3相接的方式相互隔开距离地配置。石墨烯层57介于源极电极53与漏极电极55之间，与源极电极53以及漏极电极55接触。
[0139]
源极电极53电连接于接地电位。电流探测部59以及偏置电源(偏置电压vd)串联地电连接于漏极电极55。此外，关于除此以外的结构，与图2以及图3所示的反射光学元件的结构相同，所以对相同构件附加相同的符号，除了必要的情况之外，不重复其说明。
[0140]
接下来，简单地说明上述反射光学元件1的制造方法的一个例子。以与绝缘层3相接的方式形成源极电极53和漏极电极55。源极电极53以及漏极电极55例如由金(au)、银(ag)、铜(cu)、铝(al)、镍(ni)、铬(cr)或者钯(pd)等形成。
[0141]
也可以为了提高源极电极53以及漏极电极55与绝缘层3的粘附性，在源极电极53以及漏极电极55与绝缘层3之间形成铬(cr)或者钛(ti)等粘附膜(未图示)。另外，作为源极电极53以及漏极电极55的尺寸(厚度、大小)，只要是能够输出电信号的尺寸，就不特别限
制。
[0142]
接下来，以覆盖源极电极53和漏极电极55的方式，层叠石墨烯层9和电介质层11。接下来，位于形成电磁波检测部的区域的电介质层11的部分以及石墨烯层9的部分被去除，使源极电极53和漏极电极55露出。
[0143]
接下来，以覆盖源极电极53、漏极电极55以及电介质层11等的方式形成石墨烯层13。接下来，在石墨烯层13之上形成电极15。接下来，通过进行照相制版处理以及蚀刻处理，对电磁波检测部51的石墨烯层57进行构图。另外，形成包括多个格子7的格子群5。这样，反射光学元件1的主要部分完成。
[0144]
在上述反射光学元件1中，与在实施方式3中说明的情况同样地，从反射板21施加的背部栅极电压vbg和与电磁波的入射相伴的光电变换所引起的电压变化量这双方的电压被施加到石墨烯层57。因此，在照射电磁波的情况下，狄拉克点电压从v
dp
偏移到v
dp
v
ph
(参照图17)。由此，该电压的偏移会作为差分电流(δi
ph
)而被电流探测部59探测到。其结果，能够探测电磁波入射到反射光学元件1的情况。
[0145]
另外，作为配置于反射光学元件1的电磁波检测部51的数量，不限于仅1个，也可以配置多个。在该情况下，通过将电磁波检测部51配置成阵列状，能够判别检测到电磁波的位置。另外，还能够用作图像传感器。
[0146]
接下来，说明反射光学元件1的一个变形例。如图21所示，在电磁波检测部51中，在石墨烯层57之上形成有源极电极53以及漏极电极55。石墨烯层57由与形成格子7的石墨烯层13相同的层形成。源极电极53以及漏极电极55由与电极15(参照图19)相同的层形成。
[0147]
接下来，简单地说明该反射光学元件1的制造方法的一个例子。在基板19上形成绝缘层3。以覆盖该绝缘层3的方式层叠石墨烯层9与电介质层11。接下来，位于形成电磁波检测部的区域的电介质层11的部分以及石墨烯层9的部分被去除而使绝缘层3露出。
[0148]
接下来，以覆盖绝缘层3以及电介质层11的方式形成石墨烯层13。接下来，在形成有格子群5的区域，在石墨烯层13之上形成电极15。在形成有电磁波检测部51的区域，形成源极电极53以及漏极电极55。
[0149]
接下来，通过进行照相制版处理以及蚀刻处理，在形成有格子群5的区域形成包括多个格子7的格子群5。在形成有电磁波检测部51的区域对石墨烯层13进行构图，形成石墨烯层57。这样，反射光学元件1的主要部分完成。
[0150]
说明反射光学元件1的其它变形例。如图22所示，在电磁波检测部51中，在石墨烯层57之上层叠有电介质层11和石墨烯层13。石墨烯层57、电介质层11以及石墨烯层13由与形成格子7的石墨烯层9、电介质层11以及石墨烯层13分别相同的层形成。
[0151]
接下来，简单地说明该反射光学元件1的制造方法的一个例子。如图23所示，以与绝缘层3相接的方式形成源极电极53和漏极电极55。接下来，如图24所示，以覆盖源极电极53和漏极电极55的方式，依次层叠石墨烯层9、电介质层11以及石墨烯层13。
[0152]
接下来，如图25所示，进行照相制版处理以及蚀刻处理。由此，在形成有格子群5的区域，形成包括多个格子7的格子群5。在形成有电磁波检测部51的区域，对石墨烯层13、电介质层11以及石墨烯层9进行构图，形成包括石墨烯层57的构造。
[0153]
接下来，形成电极(未图示)等，反射光学元件1的主要部分完成。此外，在该反射光学元件1中，电磁波检测部51中的石墨烯层13被设为电浮动。在该制造方法中，除了形成源
极电极53以及漏极电极55的工序以外，能够与形成格子群5的工序并行地形成电磁波检测部51。
[0154]
实施方式6.
[0155]
在此，说明具备变形例的电磁波检测部的反射光学元件。如图26以及图27所示，在反射光学元件1中的电磁波检测部51中，石墨烯层57与基板19接触。在绝缘层3形成有开口部3a。石墨烯层57经由开口部3a而与基板19接触。只要石墨烯层57与基板19接触，开口部3a的开口形状就没有制约。
[0156]
作为基板19的材料，例如应用了硅。背部栅极电压vbg被施加到基板19。偏置电压vd被施加到漏极电极55。源极电极53电连接于接地电位。在漏极电极55与源极电极53之间流过的电流被电流探测部59探测到。
[0157]
此外，关于除此以外的结构，与图19以及图20所示的反射光学元件1相同，所以对相同构件附加相同的符号，除了必要的情况之外，不重复其说明。
[0158]
接下来，说明上述反射光学元件1中的电磁波检测部51的动作。当电磁波入射到基板19时，在基板19中通过光电变换产生空穴和电子。所产生的空穴以及电子中的一方(电荷)去往反射板21，另一方(电荷)去往石墨烯层57。去往石墨烯层57的电荷(电子或者空穴)被注入到石墨烯层57。
[0159]
在漏极电极55与源极电极53之间施加偏置电压vd。因此，当在基板19中产生的电荷被注入到石墨烯层57时，被注入的电荷会从石墨烯层57向漏极电极55流动，或者，会从石墨烯层57向源极电极53流动。通过探测在该石墨烯层57中流过的电荷，能够检测电磁波。
[0160]
接下来，说明变形例的反射光学元件。在石墨烯层中，在起因于频带构造而偏置电压被施加到石墨烯层的一侧与另一侧之间的状态下，即使是未照射电磁波的状态，也会在石墨烯层的一侧与另一侧之间流过电流。因此，如图17中的未照射电磁波的情况下的曲线图所示，电流id的最小值是比0高的值。该电流被称为暗电流。
[0161]
如图28以及图29所示，在变形例的反射光学元件的电磁波检测部51中，以包围绝缘层3的开口部3a的方式，形成作为第1(2)检测电极的电极61。在与该电极61接触并且填充于开口部3a的状态下形成石墨烯层57。与电极61接触的石墨烯层57与基板19接触，基板19与反射板21接触。
[0162]
因此，当通过光电变换在基板19中产生电荷(电子和空穴)，在基板19与石墨烯层57之间流过电流时，电磁波检测部51会在反射板21与电极61之间作为一种二极管发挥功能。另外，在该电磁波检测部51中，偏置电压未被施加到电极61。
[0163]
由此，只要不通过光电变换在基板19中产生电荷(电子和空穴)，在基板19与石墨烯层57之间就不会流过电流。其结果，能够抑制暗电流，能够抑制噪声而提高电磁波的检测性能。
[0164]
作为上述反射光学元件1的基板19的材料的一个例子，举出硅。作为发生光电变换的基板19的材料，除了硅之外，还可举出如下材料。
[0165]
可举出锗、iii-v族半导体或者ii-v族半导体等化合物半导体。另外，可举出碲化汞镉(hgcdte)、锑化铟(insb)、硒化铅(pbse)、硫化铅(pbs)、硫化镉(cds)、氮化镓(gan)、碳化硅(sic)、拓扑绝缘体。进而，可举出包括量子阱或者量子点的基板。进而，可举出typeii超晶格等材料的单体或者将这些材料进行组合而成的基板。
[0166]
例如，在锑化铟(insb)中，在红外线的波段能够进行光电变换。因此，在红外线的波段，能够高灵敏度地进行由电磁波检测部51进行的电磁波的探测。通过根据作为反射对象的电磁波的波长来改变基板19的材料，能够高灵敏度地检测特定的波长的电磁波。
[0167]
实施方式7.
[0168]
在实施方式5或者实施方式6中，作为应用于反射光学元件1中的电磁波检测部51的二维材料层的材料的一个例子，举出石墨烯(石墨烯层57)。在此，说明应用于该电磁波检测部51的二维材料层的材料的变形。
[0169]
作为电磁波检测部的二维材料层的材料，能够应用过渡金属二硫属化物(tmd：transition metal dichalcogenide)、黑磷(black phosphorus)、硅烯(基于硅原子的二维蜂巢构造)、锗烯(基于锗原子的二维蜂巢构造)等材料。作为过渡金属二硫属化物，例如可举出mos2、ws2、wse2等过渡金属二硫属化物。
[0170]
这些材料具有与石墨烯类似的构造，是能够在二维面内以单层排列原子的材料。因而，在应用这些材料的情况下，也能够得到与应用石墨烯层的情况同样的作用效果。
[0171]
过渡金属二硫属化物或者黑磷等材料具有带隙。因此，暗电流(关断电流)大致消失，能够抑制反射光学元件(电磁波检测部)的噪声。由此，检测电磁波的灵敏度提高，能够提高作为反射光学元件的性能。
[0172]
另外，在这些材料中，能够根据对材料进行层叠的层数来调整带隙的大小。因此，能够根据该层数来选择检测的电磁波的波长。例如，在mos2、ws2、wse2等过渡金属二硫属化物中，具有与可见光的波段相当的带隙。黑磷具有与中红外线的波段相当的带隙。由此，能够得到具备能够仅检测特定的波长的电磁波的波长选择型的电磁波检测部的反射光学元件。
[0173]
通过应用这些材料，无需如以往的半导体检测器那样，利用半导体材料的组成来控制带隙，能够简化制造工序。另外，也无需使用作为典型的波长选择法的光学滤波器。因此，能够削减光学部件的件数，并且能够还降低与电磁波通过光学滤波器相伴的电磁波的损耗。
[0174]
在过渡金属二硫属化物或者黑磷等材料中，设为包括多层的层叠构造，进而控制其层叠方向，从而能够得到电磁波的偏光依赖性。由此，能够实现具备仅选择性地检测具有特定的偏光的电磁波的电磁波检测部的反射光学元件。
[0175]
进而，也可以从这些材料之中将不同的两个材料进行组合来形成异质结。另外，也可以将过渡金属二硫属化物与石墨烯进行组合来形成异质结。也可以将黑磷与石墨烯进行组合来形成异质结。
[0176]
通过形成异质结，从而能够在不同的材料间，得到与以往的半导体材料中的量子阱效应或者隧道效应相同的效应。由此，能够抑制反射光学元件(电磁波检测部)的噪声，并且能够降低重新结合。其结果，检测电磁波的灵敏度提高，能够提高作为反射光学元件的性能。
[0177]
特别是，起到在热噪音占支配地位的红外线的波段，利用隧道效果的热噪音的降低大的效果。另外，还能够利用异质结进行常温动作。另外，即使是不流过隧道电流的构造，将石墨烯与2维材料进行层叠，从而产生抑制暗电流的效果。特别是，石墨烯是原子层材料，所以通过将石墨烯与其它2维材料进行层叠，从而具有抑制结果所引起的暗电流的效果，能
够提高电磁波检测部的灵敏度。
[0178]
另外，作为接合，也可以使用钙钛矿与石墨烯的接合、不同的2维材料的接合。
[0179]
此外，关于在各实施方式中说明的包括电磁波检测部的反射光学元件，能够根据需要而进行各种组合。
[0180]
本次公开的实施方式是例示，并不限于此。本发明不是通过在上述中说明的范围示出，而是通过权利要求书示出，意图包括与权利要求书等同的意义以及范围的所有的变更。
[0181]
工业上的可利用性
[0182]
本发明有效地用于应用了二维材料层的反射光学元件。