(57)【要約】  サブ波長共鳴格子フィルタ（５０８）を含むラマン分光システム（６００）が開示されると共に、集積サブ波長共鳴格子フィルタを有するフォトダイオードが開示される。共鳴格子フィルタ（６０８）は、フィルタリングされる放射波長よりも短い周期的間隔を有し、導波路層（１１０）上に形成される回折素子（１０４）のアレイを含む。他の波長を透過しながら、サンプルから弾性散乱される放射をフィルタリングするために、特定の放射波長を遮断することができるフィルタ（６０８）は、ラマンサンプルとラマン検出器（６０２）との間に配置することができる。そのフィルタによって遮断される波長は、そのフィルタ上に入射する放射に対してフィルタ（６０８）を傾けることによって選択することができる。
2009524017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射源（６０２）と、
前記放射源（６０２）からの放射を受信するように配置される検出器（６１２）と、
前記放射源と前記検出器との間に配置されるサブ波長共鳴格子フィルタ（６０８）とを備え、
前記サブ波長共鳴格子フィルタ（６０８）は、導波路層（１１０）と、回折素子（１０４）のアレイを含む被パターニング層（１０２）とを有することを特徴とするラマンシステム（６００）。
【請求項２】
基板であって、少なくとも１つのフォトダイオードが前記基板内及び前記基板上に形成される能動面を含む、基板と、
集積サブ波長共鳴格子フィルタとを備え、
前記サブ波長共鳴格子フィルタ（１００）は、前記能動面上に形成される導波路層（１１０）と、前記導波路層（１１０）上に形成される回折素子（１０４）のアレイを含む被パターニング層（１０２）とを有することを特徴とする集積フォトダイオードフィルタ。
【請求項３】
前記サブ波長共鳴格子フィルタ（１００）は、単一の被パターニング層を含むことを特徴とする請求項２に記載の集積フォトダイオードフィルタ。
【請求項４】
前記回折素子（１０４）は前記導波路層上に突出する円形の柱状物であり、約５００ｎｍより短い横方向寸法を有するか、又は、約５００ｎｍよりも短い、前記導波路層上の高さを有することを特徴とする請求項２に記載の集積フォトダイオードフィルタ。
【請求項５】
前記被パターニング層（１０２）は、第１の直交する方向及び第２の直交する方向における周期性を有する２次元アレイを含むことを特徴とする請求項２に記載の集積フォトダイオードフィルタ。
【請求項６】
前記第１の直交する方向における前記周期性及び前記第２の直交する方向における前記周期性は等しいことを特徴とする請求項５に記載の集積フォトダイオードフィルタ。
【請求項７】
連続する回折素子（１０４）間の間隔は約５００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項２に記載の集積フォトダイオードフィルタ。
【請求項８】
前記導波路層（１１０）は実質的に平坦な導波路層であることを特徴とする請求項２に記載の集積フォトダイオードフィルタ。
【請求項９】
前記導波路層（１１０）の屈折率は、前記被パターニング層の実効屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の集積フォトダイオードフィルタ。
【請求項１０】
前記被パターニング層（１０２）及び前記導波路層（１１０）は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化ハフニウム及び酸化タンタル、並びにそれらの混合物から成る群から選択される光学的に透過性の誘電体材料から形成されることを特徴とする請求項２に記載の集積フォトダイオードフィルタ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
ラマン分光法では、１つ又は複数の分子から構成されるサンプルが、サンプル上に入射する光子を散乱又は吸収することができる。分子−光子相互作用は、サンプル内の分子のエネルギー状態を一時的に変更することができる。すなわち、双極子許容遷移を通じて、分子のエネルギー状態を初期状態から励起状態に変更することができる。短時間、典型的には約１０-14秒未満の時間が経過した後に、分子は、新たな光子の放出を伴って、その励起状態から緩和することができる。放出される光子及びサンプルによって散乱される光子のエネルギーは、３つのカテゴリのうちの１つに分類することができる。
【０００２】
第一に、入射光子よりも低いエネルギー（すなわち、低い周波数）を有する放射光子は、「ストークス」放射と呼ばれる。ストークス放射は、分子が入射光子エネルギーを吸収し、励起された回転状態及び／又は振動状態に緩和するときに生じる。サンプル内の各分子種は、固有の１組のストークス放射を生成することができ、その強度は、分子種のサンプル内の密度に比例する。
【０００３】
第二に、入射光子よりも高いエネルギー（すなわち、高い周波数）を有する放射光子は、「アンチストークス」放射と呼ばれる。アンチストークス放射は、入射光子が、既に励起状態にある分子と相互作用するときに生じることがある。分子−光子相互作用中に、分子は、励起状態から、低いエネルギー状態に崩壊することができる。アンチストークス光子は、入射光子のエネルギーに、分子の励起状態と、分子の低いエネルギー状態との間のエネルギー差を加えたエネルギーで放射されるであろう。ストークス放射と同様に、サンプル内の各分子種は、固有の１組のアンチストークス放射を生成することができ、その強度は、分子種のサンプル内の密度に比例する。ストークス及びアンチストークス放射（まとめて、ラマン放射）は、散乱過程に寄与する分子種についての定量的情報を提供することができる。
【０００４】
第三に、弾性散乱される光子は、入射光子と同じエネルギーを有する。弾性散乱に寄与するサンプル分子は、その初期エネルギー状態に戻る。典型的には、弾性（又はレイリー）散乱された光子の強度は、散乱／放射スペクトルを支配する。レイリー散乱される光子の強度を除去又は低減するために、種々のフィルタ構成が用いられてきた。たとえば、トリプルモノクロメータ、エッジフィルタ、ノッチフィルタが用いられてきた。これらのフィルタ構成は費用がかかり、且つ／又は結果として、ラマンスペクトルの少なくとも一部を減衰させる。
【発明の開示】
【０００５】
ラマンシステムは、（ｉ）放射源と、（ｉｉ）放射源からの放射を受信するように配置される検出器と、（ｉｉｉ）放射源と検出器との間に配置されるサブ波長共鳴格子フィルタとを備えており、サブ波長共鳴格子フィルタは、導波路層と、回折素子のアレイを含む被パターニング層とを備える。
【０００６】
１つの例示的なラマンシステムは、（ｉ）サンプルに単一波長の励起放射を照射する手段と、（ｉｉ）励起放射を照射されたサンプルからの散乱放射を検出する手段と、（ｉｉｉ）散乱放射を検出する前に、散乱放射から、固有の放射波長を除去するサブ波長共鳴格子フィルタとを備えており、サブ波長共鳴格子フィルタは、導波路層と、回折素子のアレイを含む被パターニング層とを備える。
【０００７】
ラマン分光法によって化学組成物の１つ又は複数の選択された成分を測定するための方法が開示され、その方法は、（ｉ）１つ又は複数の化学成分を含む化学組成物に概ね単色の放射源を照射すること、（ｉｉ）化学組成物から散乱且つ／又は放射される放射をサブ波長共鳴格子フィルタに通すように方向付けること、並びに（ｉｉｉ）フィルタに通された放射を検出することを含み、サブ波長共鳴格子フィルタは、導波路層と、固有の周期及び固有の高さを有する回折素子のアレイとを備える。
【０００８】
集積フォトダイオードフィルタが、基板と、基板内及び基板上に形成される能動面を含む少なくとも１つのフォトダイオードと、集積サブ波長共鳴格子フィルタとを備えており、サブ波長共鳴格子フィルタは、能動面上に形成される導波路層と、導波路層上に形成される回折素子のアレイを含む被パターニング層とを備える。
【０００９】
添付の図面に関連して、好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読むことができる。なお、図面において、類似の符号は類似の構成要素を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
１つ又は複数のフィルタから構成することができるサブ波長共鳴格子フィルタを含むラマン分光システムが開示される。それらのフィルタは、同じウェーハ又は異なるウェーハ（たとえば、ガラス又は他の適切な材料）から製造することができる。サンプルと検出器との間に配置することができるサブ波長共鳴格子フィルタは、検出器上に入射する弾性散乱放射の強度を低減するために、フィルタ上に入射する特定の放射波長を受け入れないと共に、他の波長を通すために用いることができる。したがって、サブ波長共鳴格子フィルタは、サンプルから放射される弾性散乱光子の強度を大きく低減することができ、一方、適切な分光計によって記録されるラマン散乱放射は、概ね減衰することなくフィルタを通過することができる。
【００１１】
１つの例示的なサブ波長共鳴格子フィルタは、約１０よりも大きな消光比を有する（たとえば、フィルタに入射する他の放射波長に対する固有波長の強度の比が、そのフィルタによって、少なくとも１０だけ、より好ましくは少なくとも１００だけ、最も好ましくは少なくとも１０００だけ低減される）。代替のサブ波長共鳴格子フィルタは、少なくとも９０％だけ（たとえば、少なくとも９０、９２、９４、９６、９８、９９又は９９．９％だけ）弾性散乱放射の強度を低減することができる。
【００１２】
離散的な波長識別を提供することができる１つの例示的なサブ波長共鳴格子フィルタは、導波路層に光学的に結合される単一の被パターニング層を含む。被パターニング層（すなわち、格子層）は、導波路層の上に重なることができ、回折素子の繰返しアレイを含む。導波路層は、概ね平坦な層にすることができる。被パターニング層及び導波路層はいずれも、高い屈折率の非吸収性の材料から形成することができる。そのフィルタは、オプションの基板層を含むことができる。基板層は、設けられる場合、導波路層を支持することができる。
【００１３】
被パターニング層は、回折素子の直線（すなわち、１次元）アレイ、又は代替的には、２次元のアレイを含むことができる。回折素子のアレイは、２つの直交する方向（ｘ、ｙ）において周期性がある２次元の格子構造を形成することができる。回折素子として、円柱形の柱状物を用いることができるが、角柱、錐体又は任意の他の適切な形状のような代替の形状を設けることもできる。回折素子は、導波路層上に形成することができる。代替の形態では、回折素子は、被パターニング層内に埋め込むこともできる（すなわち、回折素子は、円形の穴のアレイを含むことができる）。
【００１４】
回折素子は、約５００ｎｍ未満（たとえば、約３５０ｎｍ未満）の少なくとも１つの横方向寸法（たとえば、直径、長さ又は幅）と、約５００ｎｍ未満（たとえば、約３５０ｎｍ未満）の導波路層上の高さ（すなわち、被パターニング層内の深さ）とを有することができる。回折素子の形状は、アスペクト比によって表すことができ、それは、本明細書において定義される場合は、素子の横方向寸法に対する素子の高さの比である。１つの例示的な共鳴格子フィルタは、約０．１〜２、さらに好ましくは約０．２〜１のアスペクト比を有する回折素子の２次元のアレイを含む。
【００１５】
格子が素子の１次元のアレイを含む実施形態では、そのアレイは、ｘ方向において、フィルタリングされる放射波長よりも短い周期Ｄxを有する。格子が素子の２次元のアレイを含む実施形態では、そのアレイは、ｘ方向において周期Ｄxを、ｙ方向において周期Ｄyを有する。Ｄx及びＤyはいずれも、フィルタリングされる放射波長よりも短い。サブ波長周期Ｄx及びＤyは等しくすることができるが、必ずしも等しくする必要はない。
【００１６】
処理される放射波長よりも短くなるように選択される回折素子の周期は、約１．２ミクロン未満（たとえば、約０．２、０．４、０．６、０．８又は１．０ミクロン±０．１ミクロン）にすることができる。その周期は、１つの回折素子上の点から、隣接する回折素子上の対応する点までの距離を測定したものである。したがって、回折素子の周期は、２つの素子間の距離ｄと、周期方向に沿った素子の横方向寸法ｌとの和である。本明細書において用いられる場合、デューティサイクルは、素子の横方向寸法を、アレイ内の周期方向に沿った周期で割った比である。１つの例示的な共鳴格子フィルタは、約５０％のデューティサイクルを有する（すなわち、
【００１７】
【数１】
2009524017.tif 000003
【００１８】
である）が、デューティサイクルは５０％より小さくすることも、大きくすることもできる。
【００１９】
格子層、導波路層、及びオプションの基板層は、光学的に透過性の誘電体材料を含む。格子層は、屈折の実効屈折率、ｎeffを有する。導波路層及びオプションの基板層はそれぞれ、ｎw及びｎsの屈折率を有する。導波路層の屈折率は、格子層の屈折の実効屈折率よりも大きく、且つ、設けられる場合、基板層の屈折率よりも大きくすることができる。「光学的波長」は、所与の媒質内の電磁波の波長として定義され、真空中の波の波長を、媒質の屈折率で割った値に等しい。
【００２０】
格子層及び導波路層は、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化ハフニウム、酸化タンタル等のような材料から形成することができる。格子層及び／又は導波路層はドープすることができる。
【００２１】
導波路層の厚みは、約５００ｎｍ未満（たとえば、約１００、２００、３００又は４００ｎｍ±５０ｎｍ）にすることができる。オプションの基板層は、約０．５ｍｍよりも厚いセラミック材料を含むことができる。例示的な基板材料は、酸化ケイ素（たとえば、石英、石英ガラス）、酸化アルミニウム等を含む。１つの例示的なサブ波長共鳴格子フィルタは、約１ｍｍの厚みを有する石英ガラス基板を含む。
【００２２】
共鳴格子フィルタは、導波路層上に形成される、ただ１つの被パターニング層を含むので、共鳴格子フィルタは、種々の基板材料上に形成することができ、ラマンシステムに組み込むことができる。たとえば、その基板は、サンプルから散乱される放射を集束又は方向付けるために用いられる光学レンズのようなレンズを含むことができる。その基板は、ラマン検出器に組み込まれるフォトダイオード又はフォトダイオードアレイを含むことができる。１つの例示的な実施形態では、サブ波長共鳴格子フィルタは、１つ又は複数のフォトダイオードの能動面エリア上に形成することができる。共鳴格子フィルタは、多素子フォトダイオードアレイ、ＣＣＤタイプアレイ、アクティブピクセルセンサアレイ等の上に形成することができる。
【００２３】
動作中に、ラマンサンプルから散乱される光子は、サブ波長共鳴格子フィルタの格子表面上に導かれ、典型的には、格子層の平面に対して垂直に入射する。フィルタ上に入射する共鳴波長λresにおいて、格子素子からの回折が、導波路の平面においてエバネッセント波を生成する。表面を伝搬する波が格子／導波路領域内に閉じ込められるときに、共鳴が生じることができる。閉じ込められた波が導波路のモード内に結合される場合には、その放射は共鳴し、結果として、狭い帯域幅において入射ビームの全反射が生じるであろう。入射する放射が、共鳴帯域幅内にない場合には、入射ビームのエネルギーの大部分が、フィルタの中を伝搬する（すなわち、フィルタを透過する）であろう。
【００２４】
格子の周期が入射ビームの波長よりも短いことに加えて、格子の実効屈折率ｎeffが格子上の媒質（すなわち、空気）の屈折率よりも高く、且つ、上記のように、導波路層の屈折率が格子層の実効屈折率、及び設けられる場合、基板層の屈折率の両方よりも高い場合には、狭い帯域幅にわたる反射が生じることができる。
【００２５】
主に格子周期の関数である共鳴波長の値は、λres＝ａＤ＋ｂとして表すことができる。ただし、Ｄは格子周期であり、ａ及びｂは定数である。格子の平面に対して垂直に入射するように方向付けられる放射ビームの場合、λres＝λoresである。ただし、λoresは、垂直に入射するように方向付けられる放射のための共鳴波長である。フィルタ表面の平面に対する入射するビームの入射角を変更することによって、フィルタの共鳴反射応答を変調する（すなわち、同調させる）ことができる。
【００２６】
フィルタの帯域幅及び消光比は主に、格子層の厚みの関数である。たとえば、格子構造の厚み（すなわち、高さ）が減少すると、スペクトル応答の半値全幅（ＦＷＨＭ）が減少するであろう。一方、格子構造の厚みが減少すると、減光比も減少するであろう。
【００２７】
回折素子は、導波路層の厚みよりも大きい高さを有することができるが、好ましい共鳴格子フィルタは、導波路層の厚み未満の高さを有する回折素子のアレイを含む。たとえば、導波路層の厚みは、回折素子の厚み（すなわち、高さ）の１．５倍、２倍又は２．５倍大きくすることができる。１つの例示的なラマンシステムは、放射源によって供給される励起波長のための減光比を最大にするように構成される回折素子のアレイを有する共鳴格子フィルタを含む。
【００２８】
格子層及び導波路層は、マグネトロンスパッタ真空蒸着（ＭＳＶＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、噴射熱分解（すなわち、熱分解析出）、大気圧ＣＶＤ（ＡＰＣＶＤ）、低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）、プラズマ助長ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、プラズマアシストＣＶＤ（ＰＡＣＶＤ）、熱若しくは電子ビーム蒸着、陰極アーク堆積、プラズマスプレー堆積、又はウエット化学堆積（たとえば、ゾル−ゲル等）のような利用可能な薄膜堆積技法を用いて形成することができる。利用可能なリソグラフィ（すなわち、パターニング及びエッチング工程）を用いて、回折素子を形成することができる。サブ波長共鳴格子フィルタを形成する１つの例示的な方法は、ナノインプリントリソグラフィ（ＮＩＬ）を用いる。ナノインプリントリソグラフィを用いて、格子層内の回折素子を形成することができる。ナノインプリントリソグラフィを用いて基板上にパターニングされた薄膜を形成することは、米国特許第６，３０９，５８０号及び同第５，７７２、９０５号、並びに米国特許出願第２００４／０１２０６４４号に開示されており、それらの内容全体が、参照により本明細書において開示される。
【００２９】
図１は、サブ波長共鳴格子フィルタの断面概略図である。サブ波長共鳴格子フィルタ１００は、被パターニング層１０２と、導波路層１１０と、オプションの基板層１２０とを備える。単一の被パターニング層１０２は、それぞれが上側表面１０２ａを有する回折素子１０４のアレイを含む。導波路層１１０及び基板層１２０はそれぞれ、上側表面１１０ａ及び１２０ａと、下側表面１１０ｂ及び１２０ｂとを含む。格子層１０２及び導波路層１１０は、同じ材料又は異なる材料を含むことができる。
【００３０】
サブ波長共鳴格子フィルタは、反射防止コーティング層（図示せず）を含むことができる。反射防止コーティングは、少なくとも表面１０２ａ、１１０ａ、１１０ｂ、１２０ａ又は１２０ｂのうちの１つの上に形成することができる。
【００３１】
図２は、１．５ミクロンスペクトル領域において動作するように設計される１つの例示的な１次元共鳴格子フィルタの走査型電子顕微鏡写真を示す。そのフィルタは、窒化ケイ素導波路層上に形成される直線的な窒化ケイ素回折素子のアレイを含む。窒化シリコンは、プラズマ助長化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）を用いて、石英ガラス基板上に堆積され、格子構造は、ナノインプリントリソグラフィを用いて形成された。
【００３２】
窒化ケイ素の全厚（格子層＋導波路層）は約３５０ｎｍである。格子構造の高さは約５０ｎｍである。格子の周期は約１．０４ミクロンであり、回折素子の幅は約５００ｎｍである（すなわち、共鳴格子フィルタのデューティサイクルは約１である）。窒化ケイ素の屈折率は約１．９であり、石英ガラス基板の屈折率は１．４６である。１次元フィルタのスペクトル応答が図３に示される。
【００３３】
図３は、図２に示される例示的なフィルタ上に垂直に入射する横方向電界（ＴＥ）偏光放射のためのスペクトル反射率対波長のプロットを示す（曲線Ａ）。約１５３２ｎｍの共鳴波長λoresにおいて、約９８％のピーク反射率、及び約０．３８ｎｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）が記録された。そのデータ（曲線Ａ）は、図２に示されるフィルタのための製造パラメータを用いて厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）に基づいて計算された理論的な応答（曲線Ｂ）と一致する。側波帯の振動は、石英ガラス基板の上側表面及び下側表面におけるフレネル反射に起因する。さらなるＦＣＷＡ計算である、曲線Ｃによって示されるように、基板の少なくとも一方の側を反射防止コーティングでコーティングすることによって、フレネル反射を除去することができる。
【００３４】
図４は、１．５ミクロンスペクトル領域において動作するように設計される２次元共鳴格子フィルタの走査型電子顕微鏡写真を示す。そのフィルタは、窒化ケイ素導波路層上に形成される窒化ケイ素柱状物のアレイを含む。柱状物アレイの周期はｘ及びｙの両方向に沿って約１．０５５ミクロンである。各柱状物は約５００ｎｍの直径と、約５０ｎｍの導波路層上の高さとを有する。導波路層の厚みは約３５０ｎｍである。
【００３５】
２つの直交する偏光のためのスペクトル応答（フィルタを表面法線に沿って９０度だけ回転させる前及び後に測定を実行することによって達成される）が図５に示される。約１５１７ｎｍの共鳴波長λoresにおいて、約８８％のピーク反射率及び約０．９５ｎｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）が記録された。柱状物アレイは、２つの垂直な方向に沿って同じ周期及びデューティサイクルを有するので、フィルタのスペクトル応答は、垂直な入射における偏光にはほとんど依存しない。
【００３６】
図６に概略的に示されている１つの例示的なラマンシステム６００は、放射源６０２と、光学系６０３のような、サンプル６０４に放射源の放射を送信及び集束する手段と、光学系６０６のような、放出される放射を収集する手段と、サブ波長共鳴格子フィルタ６０８のような、放出される放射から所望の波長を除去する手段と、プロセッサ６１０のような、放出される放射を成分波長に分散又は分離する手段と、検出器６１２のような、放射を検出する手段とを備えることができる。放射源を制御し、データを収集し、且つ／又はサンプル特定情報等を与える、コンピュータ６１４のような手段を設けることができる。サブ波長共鳴格子フィルタ６０８は、フィルタ取付台６１６のような、入射ビームに対して共鳴格子フィルタの向きを制御する手段を含むことができる。そのラマンシステムは、表面増強ラマンシステムを含むことができる。
【００３７】
１つの例示的な放射源６０２はレーザであり、それは、高輝度の単色放射を放出することができる。サンプルからのラマン散乱を引き起こすために用いることができるレーザは、ヘリウム−ネオン、窒素、アルゴンイオン、及びクリプトンイオンレーザのようなガスレーザと、ルビーレーザ又はネオジム・イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ−ＹＡＧ）レーザのような固体レーザと、色素レーザと、シングルモード及びマルチモードのダイオードレーザのようなダイオードレーザとを含む。レーザからの出力の強度は、マルチパスセル、又は利得媒質を有する空胴を通じてレーザビームを反射することによって高めることができる。例示的な光学系６０３、６０６は、レンズ、ミラー、プリズム、及び他の光学系（たとえば、光ファイバ）を含む。
【００３８】
プロセッサ６１０は、散乱する放射を成分波長に分離することができる分光器とすることができ、その分光器は、散乱する放射を集束及び平行にするのに適しているフーリエ変換分光器又は他の分光器を含むことができる。放射源及び／又は送信／集束手段を、共鳴格子フィルタ、分光器、及び／又は光検出器と光学的に位置合わせする基準レーザ（図示せず）を与えることができる。
【００３９】
光検出器６１２は、フォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）又は電荷結合デバイス（ＣＣＤ）を含むことができる。アレイ光検出器は、散乱するスペクトルの領域を同時に観測することができる多数の光学素子を含む。また、集積サブ波長共鳴格子フィルタを備えるフォトダイオードも開示される。
【００４０】
図７は、集積共鳴格子フィルタを備える１つの例示的なフォトダイオードの断面図を示す。そのフォトダイオードは、ＶＬＳＩ（超大規模集積回路）工程又はＵＬＳＩ（超々大規模集積回路）工程を用いて製造することができる。基板７００は、ドープされた半導体材料（たとえば、シリコン又はガリウムヒ素）を含む。基板７００は、ｐ型又はｎ型にドープされることがあるが、本明細書では、例示的なフォトダイオードは、ｐ型基板を参照しながら説明されるであろう。約１ミクロン〜１００ミクロンの厚みを有することができるｐ型エピタキシャル層７０２は、基板７００上に形成される。ｎ＋電気コンタクト領域７０４、ｐ＋チャネルストップ領域７０６、及びドープされた（たとえば、リンをドープされるか、又はヒ素をドープされる）欠陥のないｎ型領域７０８が、エピタキシャル層内に形成され、フィールド酸化膜層７１０が、エピタキシャル層上に形成される。保護酸化物層７１２がエピタキシャル層上に形成され、導電層（たとえば、アルミニウム層）７１４が、電気コンタクト領域７０４上、及びフィールド酸化膜層７１０上に形成される。保護酸化物層７１２の厚みは、約５０ｎｍ〜約５００ｎｍにすることができる。導電層７１４を用いて、電気コンタクト（たとえば、バイアワイヤボンド、図示せず）を形成することができる。サブ波長共鳴格子フィルタ７１８が、保護酸化物層７１２上（すなわち、フォトダイオード能動面上）に形成される。導電性（たとえば、金−クロム）電気コンタクト層７２０を、フォトダイオードの背面に形成することができる。
【００４１】
集積フォトダイオードフィルタは、基板（半導体、プラスチック、ガラス又は他の適切な基板等）と、半導体基板内及び半導体基板上に形成される能動面を含む少なくとも１つのフォトダイオードと、集積サブ波長共鳴格子フィルタとを備え、サブ波長共鳴格子フィルタは、能動面上に形成される導波路層と、導波路層上に形成される回折素子のアレイを含む被パターニング層とを含む。共鳴格子フィルタは、単一のフォトダイオード、又はフォトダイオードアレイのいずれか１つ又は複数のフォトダイオードを覆うように構成することができる。
【００４２】
ラマン分光法を用いてサンプルの化学組成物を測定する１つの例示的な方法は、化学組成物に概ね単色の放射源を照射すること、化学組成物から散乱及び／又は放射される放射をサブ波長共鳴格子フィルタに通すように方向付けること、並びにフィルタ内を透過する放射を検出することを含み、サブ波長共鳴格子フィルタは固有の周期及び固有の高さを有する回折構造及び導波路層を含む。
【００４３】
フィルタ内を透過する弾性散乱する放射の強度を最小限に抑えるために、回折構造の周期及び／又は回折構造の高さは、放射源及び／又は１つ若しくは複数の化学成分の関数として求めることができる。
【００４４】
共鳴格子フィルタの吸収帯と一致するように放射源を同調させることができるか、又は、より好ましくは、放射源の出力波長と一致するように共鳴格子フィルタを同調させることができる。たとえば、フィルタに入射するビームに対してフィルタの向きを変更することによって、共鳴格子フィルタの共鳴波長を変更することができる。
【００４５】
垂直な入射（Φ＝９０度）では、フィルタは、共鳴波長、λoresを遮断するために用いることができる。しかしながら、入射ビームとフィルタの平面との間の角度が９０度未満になるように、入射ビームに対してフィルタを位置合わせする（たとえば、傾ける）ことによって、フィルタは、共鳴応答において対称なシフトを示すことができる。最大で約５度までの傾斜角の場合、フィルタは、２つの波長において、入射する放射を遮断することができる。垂直でない入射の場合の２つの反射ピークの共鳴波長は、λres＝λores±λと表すことができる。ただし、λは共鳴波長の変化である。１つの例示的な実施形態では、共鳴格子フィルタを最大で約５度だけ傾けることによって、共鳴波長の値は、最大で４０ｎｍだけ増加（及び減少）することができる。約５度よりも大きく垂線から外れると、典型的には、共鳴フィルタ特性は壊れる。したがって、１つの例示的なラマンシステムは、サブ波長共鳴格子フィルタと、フィルタに入射する放射のビームに対してフィルタの向き（すなわち、傾斜角）を調整するための制御手段とを備える。
【００４６】
サブ波長共鳴格子フィルタを含むラマンシステムはさらに、放射又は散乱されたビームを共鳴格子フィルタに通すように方向付けるフィードバック制御システムと、フィルタに通される後に放射を取り込むように配置される光検出器と、放射又は散乱されたビームに対して共鳴格子フィルタの向きを制御する手段とを組み込むことによって、改良することができる。共鳴格子フィルタの遮断波長を放射源の動作波長に同調させることによって、光検出器に達する動作波長の強度を低減することができる。
【００４７】
共鳴格子フィルタの傾斜角を制御する手段は、フィルタ取付台を含むことができ、フィードバック回路を通じて光検出器に接続することができる。所与の波長において光検出器に突き当たる放射の強度を最小にするために、利用可能なフィードバック方法を用いて、共鳴格子フィルタの傾斜角を制御することができる。
【００４８】
本発明の精神及び不可欠な特徴から逸脱することなく、本発明を他の具体的な形態で具現できることは当業者には理解されよう。それゆえ、現時点で開示されている実施形態は、あらゆる点で例示と見なされ、限定するものとは見なされない。本発明の範囲は、上記の説明ではなく、添付の特許請求の範囲によって示され、その意味及び範囲及び均等物の中に入る全ての変更が、本発明に含まれることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】１つの例示的なサブ波長共鳴格子フィルタの断面概略図である。
【図２】ナノインプリントリソグラフィによって形成される１つの例示的な１次元サブ波長共鳴格子フィルタの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【図３】１つの例示的な１次元サブ波長共鳴格子フィルタのためのスペクトル反射率を示す図である。
【図４】ナノインプリントリソグラフィによって形成される１つの例示的な２次元サブ波長共鳴格子フィルタの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【図５】１つの例示的な２次元サブ波長共鳴格子フィルタのためのスペクトル反射率を示す図である。
【図６】１つの例示的なサブ波長共鳴格子フィルタを含むラマンシステムの概略図である。
【図７】サブ波長共鳴格子フィルタを含む単一フォトダイオードの概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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