(57)【要約】垂直方向に積まれた青色画素、緑色画素、赤色画素を有する垂直式三色センサーが、入射光のうちの少なくとも青色成分および緑色成分を、表面プラズモンに変換して検出する。【選択図】図６
2009528542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の第一の色成分を、第一の表面プラズモンへと変換する、第一の金属／誘電体波型界面と、
前記入射光の第二の色成分を、第二の表面プラズモンへと変換する、第二の金属／誘電体波型界面と、
前記入射光の第三の色成分を、第三の表面プラズモンへと変換する、第三の金属／誘電体波型界面と
を含む、色センサーアレイ。
【請求項２】
前記第一の色成分の波長に応じて定められた第一の周期をそれぞれが有する第一の波型面および第二の波型面を持つ、第一の金属層と、
前記第一の周期を有しており前記第一の金属層の前記第一の波型面に接するような波型面を持つ、第一の誘電体層と、
前記第一の周期を有しており、前記第一の金属層の前記第二の波型面に接することで前記第一の金属／誘電体波型界面を形成するような波型面を持つ、第二の誘電体層と、
前記第二の色成分の波長に応じて定められた第二の周期をそれぞれが有する第一の波型面および第二の波型面を持つ、第二の金属層と、
前記第二の周期を有しており前記第二の金属層の前記第一の波型面に接するような波型面を持つ、第三の誘電体層と、
前記第二の周期を有しており、前記第二の金属層の前記第二の波型面に接することで前記第二の金属／誘電体波型界面を形成するような波型面を持つ、第四の誘電体層と、
前記第三の色成分の波長に応じて定められた第三の周期をそれぞれが有する第一の波型面および第二の波型面を持つ、第三の金属層と、
前記第三の周期を有しており前記第三の金属層の前記第一の波型面に接するような波型面を持つ、第五の誘電体層と、
前記第三の周期を有しており、前記第三の金属層の前記第二の波型面に接することで前記第三の金属／誘電体波型界面を形成するような波型面を持つ、第六の誘電体層と
をさらに含む、請求項１記載の色センサーアレイ。
【請求項３】
前記第二の誘電体層と前記第三の誘電体層に挟まれて配置された、第一の半導体層と、
前記第四の誘電体層と前記第五の誘電体層に挟まれて配置された、第二の半導体層と、
前記第六の誘電体層の、前記第三の金属層が在る側の反対側に配置された、第三の半導体層と
をさらに含む、請求項２記載の色センサーアレイ。
【請求項４】
前記第一の表面プラズモンの電界が、前記第一の半導体層内に展開して、第一の色成分検出電流を前記第一の半導体層に発生させ、
前記第二の表面プラズモンの電界が、前記第二の半導体層内に展開して、第二の色成分検出電流を前記第二の半導体層に発生させ、
前記第三の表面プラズモンの電界が、前記第三の半導体層内に展開して、第三の色成分検出電流を前記第三の半導体層に発生させる
ことを特徴とする、請求項３記載の色センサーアレイ。
【請求項５】
前記第一の金属層、前記第二の金属層、および前記第三の金属層が、Ag からできており且つ厚さが約20nm である、請求項２記載の色センサーアレイ。
【請求項６】
前記第一の色成分が青色成分であり、前記第二の色成分が緑色成分であり、前記第三の
色成分が赤色成分である、請求項１記載の色センサーアレイ。
【請求項７】
前記第一の金属／誘電体波型界面が、前記第二の金属／誘電体波型界面の上に積まれており、
前記第二の金属／誘電体波型界面が、前記第三の金属／誘電体波型界面の上に積まれている
ことを特徴とする、請求項１記載の色センサーアレイ。
【請求項８】
入射光の第一の色成分を、第一の表面プラズモンへと変換する、第一の金属／誘電体波型界面と、
前記入射光の第二の色成分を、第二の表面プラズモンへと変換する、第二の金属／誘電体波型界面と、
前記入射光の第三の色成分を、第三の色成分検出電流へと変換する、検出体と
を含む、色センサーアレイ。
【請求項９】
前記第一の色成分の波長に応じて定められた第一の周期をそれぞれが有する第一の波型面および第二の波型面を持つ、第一の金属層と、
前記第一の周期を有しており前記第一の金属層の前記第一の波型面に接するような波型面を持つ、第一の誘電体層と、
前記第一の周期を有しており、前記第一の金属層の前記第二の波型面に接することで前記第一の金属／誘電体波型界面を形成するような波型面を持つ、第二の誘電体層と、
前記第二の色成分の波長に応じて定められた第二の周期をそれぞれが有する第一の波型面および第二の波型面を持つ、第二の金属層と、
前記第二の周期を有しており前記第二の金属層の前記第一の波型面に接するような波型面を持つ、第三の誘電体層と、
前記第二の周期を有しており、前記第二の金属層の前記第二の波型面に接することで前記第二の金属／誘電体波型界面を形成するような波型面を持つ、第四の誘電体層と
をさらに含む、請求項８記載の色センサーアレイ。
【請求項１０】
前記第二の誘電体層と前記第三の誘電体層に挟まれて配置された、第一の半導体層と、
前記第四の誘電体層の、前記第二の金属層が在る側の反対側に配置された、第二の半導体層と
をさらに含み、
ここで前記検出体が、
前記第二の半導体層の、前記第四の金誘電体層が在る側の反対側に配置された、第五の誘電体層と、
前記第五の誘電体層の、前記第二の半導体層が在る側の反対側に配置された、第三の半導体層と
を含む
ことを特徴とする、請求項９記載の色センサーアレイ。
【請求項１１】
前記第一の表面プラズモンの電界が、前記第一の半導体層内へと展開して、第一の色成分検出電流を前記第一の半導体層中に発生させ、
前記第二の表面プラズモンの電界が、前記第二の半導体層内へと展開して、第二の色成分検出電流を前記第二の半導体層中に発生させ、
前記第三の表面プラズモンの電界が、前記第三の半導体層内へと展開して、第三の色成分検出電流を前記第三の半導体層中に発生させる
ことを特徴とする、請求項１０記載の色センサーアレイ。
【請求項１２】
前記第一の金属層および前記第二の金属層が、Agからできており且つ厚さが約20nmである、請求項９記載の色センサーアレイ。
【請求項１３】
前記第一の色成分が青色成分であり、前記第二の色成分が緑色成分であり、前記第三の色成分が赤色成分である、請求項８記載の色センサーアレイ。
【請求項１４】
前記第一の金属／誘電体波型界面が、前記第二の金属／誘電体波型界面の上に重ねられ、且つ、前記第二の金属／誘電体波型界面が、前記第二の金属／誘電体波型界面の上に重ねられている、請求項８記載の色センサーアレイ。
【請求項１５】
入射光の第一の色成分を第一の表面プラズモンへと変換し、且つ入射光の第二の色成分を第二の表面プラズモンへと変換する、金属／誘電体波型界面と、
前記入射光の第三の色成分を第三の色成分検出電流へと変換する、検出体と
を含む、色センサーアレイ。
【請求項１６】
前記第一の色成分の波長および前記第二の色成分の波長に応じて決まる周期をそれぞれが有する第一の波型面および第二の波型面を持つ、金属層と、
前記周期を有した波型面を持ち、且つ前記金属層の前記第一の波型面と接する、第一の誘電体層と、
前記周期を有した波型面を持ち、且つ前記金属層の前記第二の波型面と接することで、前記金属／誘電体波型界面を形成する、第二の誘電体層と
をさらに含む、請求項１５記載の色センサーアレイ。
【請求項１７】
前記第二の誘電体層の、前記金属層が在るのとは反対側に配置された、第一の半導体層と、
前記第一の誘電体層の、前記第二の誘電体層が在るのとは反対側に配置された、第三の誘電体層と、
前記第三の誘電体層の、前記第一の誘電体層が在るのとは反対側に配置された、第二の半導体層と
を含み、
ここで前記検出体が、
前記第二の半導体層の、前記第三の誘電体層が在るのとは反対側に配置された、第四の誘電体層と、
前記第四の誘電体層の、前記第二の半導体層が在るのとは反対側に配置された、第三の半導体層と
を含む
ことを特徴とする、請求項１６記載の色センサーアレイ。
【請求項１８】
前記第一の表面プラズモンの電界が、前記第一の半導体層内および前記第二の半導体層内に展開して、第一の色成分検出電流のうちの第一の部分を前記第一の半導体層中に発生させ、且つ前記色成分検出電流のうちの第二の部分を前記第二の半導体層中に発生させ、また、
前記第二の表面プラズモンの電界が、前記第一の半導体層内に展開して、第二の色成分検出電流を前記第一の半導体層中に発生させ、また、
前記第三の色成分の電界が、前記第三の半導体層中に第三の色成分検出電流を発生させる
ことを特徴とする、請求項１７記載の色センサーアレイ。
【請求項１９】
前記金属層が、Agでできており、且つ厚さが約20nmである、請求項１６記載の色センサーアレイ。
【請求項２０】
前記第一の色成分が青色成分であり、
前記第二の色成分が緑色成分であり、
前記第三の色成分が赤色成分である
ことを特徴とする、請求項１５記載の色センサーアレイ。
【請求項２１】
前記金属／誘電体波型界面が、前記検出体の上に積み重ねられている、請求項１５記載の色センサーアレイ。
【請求項２２】
前記第一の表面プラズモンが、長距離結合性表面プラズモンであり、
前記第一の表面プラズモンが、短距離結合性表面プラズモンである
ことを特徴とする、請求項１５記載の色センサーアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（原文に記載なし） 
【背景技術】
【０００２】
センサーアレイは光学機器に広汎に使われている。センサーアレイには画素のアレイが内包されており、この画素のアレイは典型的には可視光に反応し、ときには赤外光に反応することもある。すると、各画素は入射した光を示す信号を発するので、したがってセンサーアレイは、可視光のすべての色を表す単色信号を発することになる。
【０００３】
限界内のあらゆる色は、加色法三原色（赤色・緑色・青色など） の線型組み合わせで表現できる。センサーアレイで色を感知できるようにするには、赤色、緑色、青色のフィルター素子を具えた色フィルターアレイをセンサーアレイに被せて、色フィルターアレイのフィルター素子がそれぞれ、センサーアレイのピクセルのひとつひとつと並ぶようにする。
【０００４】
図１には、赤色素子 12 、緑色素子 14 、青色素子 16 をBayerパターンと呼ばれるやりかたで並べた色フィルターアレイ 10 を示してある。なおBayerパターンとはその発明者にちなんだ名前で、U.S. Patent No. 3,971,065に開示されている。Bayerパターンは、一個の赤色素子 12 と、二個の緑色素子 14 と、一個の青色素子 16 とを有する色フィルター素子の2x2アレイをくりかえしたパターンである。つまり、緑色素子 14 が、赤色素子 12 や青色素子 16 のそれの二倍多いということである。このことは、ヒトの眼の感受性が赤色光や青色光よりも緑色光のほうに鋭いという事実を考慮したものである。色フィルターアレイ 10 はセンサーアレイ 18 に被せられる。図１に示した基本的な構造を具現する色センサーアレイとその変形版は、さまざまな企業が製造している。
【０００５】
赤色素子群 12 は、緑色光と青色光を遮り、赤色光だけがセンサーアレイ 18 の対応する画素へと届いて、赤色成分だけが出力されるようにする。緑色素子 14 は、赤色光と青色光を遮り、緑色光だけがセンサーアレイ 18 の対応する画素へと届いて、緑色成分だけが出力されるようにする。青色素子 16 は、赤色光と緑色光を遮り、青色光だけがセンサーアレイ 18 の対応する画素へと届いて、青色成分だけが出力されるようにする。つまり、色フィルターアレイ10 に入射する光の三分の二が、センサーアレイ 18 に届く前に遮られるわけなので、センサーアレイ 18 の色画像への全体的な検出感度は大幅に低下してしまっている。
【０００６】
センサーアレイ 18 が n x m 個の画素（例えば 480 x 640 画素）を持つ場合には、センサーアレイ 18 の解像度は単色画像について m x n （例えば 480 x 640 画素）となる。しかし、色画像の一個の画素を検出するために必要となるのは、一個の赤色素子 12 と、二個の緑色素子 14 と、一個の青色素子 16 とを有する色フィルター素子の中の一個の 2 x 2 アレイである。このため、色フィルターアレイ 10 とセンサーアレイ 18 を組み合わせたときの、色画像に対する解像度は、 m/2 x n/2 （例えば 480/2 x 640/2 = 240 x 320）となってしまい、色画像に対するセンサーアレイ 18 の解像度は大幅に低下してしまう。
【０００７】
さらには、センサーアレイ 18 中の各画素は、色成分（赤色・緑色・青色）のうちの一成分だけしか出力しないので、モザイク解除アルゴリズムを使って、その画素についてそれ以外の二成分を補間してやる必要がある。こうしたアルゴリズムは、当該技術分野でいくつも知られている。しかし、これらのアルゴリズムはいずれも、補間した色画像にモザ
イク解除にともなう偽色を与えてしまい、画像品質を劣化させてしまう。
【０００８】
図２は、U.S. Patent No. 5,965,875に開示された色センサーアレイ20 の一部であり、赤色画素、緑色画素、および青色画素を垂直（縦）に積み重ねている。これは図１の色センサーアレイで生じた感度の低下と色画像の解像度の低下という問題を解決しようとしたものである。図２に示した基本的な構造を具現する色センサーアレイは、Foveon, Inc.（Santa Clara, Calif.）が製造しており、そうした色センサーアレイとしては、Foveon F7X3-C9110ダイレクトイメージセンサーやFoveon FO18-50-F19 X3ダイレクトイメージセンサーがある。
【０００９】
色センサーアレイ 20 は、「シリコン（珪素）基板の表面へ入射する光が、吸収特性深さに亙って基板内に入り込み、その深さは光の波長に依存して波長が大きくなるにつれて深くなってゆく」、という事実に基づいたものである。つまり、青色光は第一の吸収特性深さに亙って吸収され、緑色光は第一の吸収特性深さよりも深い第二の吸収特性深さに亙って吸収され、そして赤色光は第二の吸収特性深さよりも深い第三の吸収特性深さに亙って吸収される。
【００１０】
色センサーアレイ 20 は、P型シリコン基板 22 を有する。P型シリコン基板 22 中に、N型にドープされたウェル領域 24 を作成することで、赤色光の吸収特性深さの届く先でP型シリコン基板 22 とのpn接合部 26 がつくられる。したがって、このpn接合部 26 は赤色感受性フォトダイオードとして機能し、色センサーアレイ 20 に入射した赤色光を検出する。
【００１１】
N型にドープされたウェル領域 24 中に、P型にドープされたウェル領域 28 を作成することで、緑色光の吸収特性深さの届く先で、N型にドープされたウェル領域 24 とのpn接合部 30 がつくられる。したがって、このpn接合部 30 は緑色感受性フォトダイオードとして機能し、色センサーアレイ 20 に入射した緑色光を検出する。
【００１２】
P型にドープされたウェル領域 28 中に、N型にドープされたウェル領域 32 を作成することで、青色光の吸収特性深さの届く先で、P型にドープされたウェル領域 28 とのpn接合部 34 がつくられる。したがって、このpn接合部 34 は青色感受性フォトダイオードとして機能し、色センサーアレイ 20 に入射した青色光を検出する。
【００１３】
青色についての電流の検出器（"青色電流検出器"）の概念を、青色感受性フォトダイオードとして青色電流 IB を検出するpn接合部 34 を跨いだ青色電流計 36 として図２に示してある。緑色についての電流検出器の概念を、緑色感受性フォトダイオードとして緑色電流 IG を検出するpn接合部 30 を跨いだ緑色電流計 38 として図２に示してある。赤色についての電流検出器の概念を、赤色感受性フォトダイオードとして赤色電流 IR を検出するpn接合部 26 を跨いだ赤色電流計 40 として図２に示してある。
【００１４】
色センサーアレイ 20 は、赤色画素、緑色画素、青色画素の順に積み重ねたものからできていると見做せる。しかしこうした積み重ね構造を使うと、色センサーアレイ 20 がクロストークの影響を受けやすくなってしまう。
【００１５】
例えば、緑色光および赤色光は、それぞれ緑色画素と赤色画素へと至る道筋で青色画素を通過する。青色画素は、緑色光および赤色光の吸収特性深さよりも浅いところに在るので、緑色光および赤色光のほとんどが吸収されることなく青色画素を通過することになる。なるのだが 、それはつまり緑色光および赤色光の一部は、青色画素に吸収されてしまうということである。このため、青色電流 IB の一部は色センサーアレイ 20 に入射する緑色光および赤色光から生じてしまう。よって、青色画素が発する青色電流 IBは、色センサーアレイ 20 に入射する青色光を正確に反映したものとは云えない。
【００１６】
同様に、赤色光は、赤色画素へと至る道筋で緑色画素を通過する。緑色画素は、赤色光の吸収特性深さよりも浅いところに在るので、赤色光のほとんどが吸収されることなく緑色画素を通過することになるとは云え、赤色光の一部は緑色画素に吸収されてしまう。このため、緑色電流 IG の一部は色センサーアレイ 20 に入射する赤色光から生じてしまい、しかも緑色光の一部が、緑色画素へ至る前に青色画素に吸収されてしまっている。よって、緑色画素が発する緑色電流 IG は、色センサーアレイ 20 に入射する緑色光を正確に反映したものとは云えない。
【００１７】
そして、赤色光の一部は、赤色画素へ至る前に青色画素および緑色画素に吸収されてしまっている。よってやはり、赤色画素が発する赤色電流 IR は、色センサーアレイ 20 に入射する赤色光を正確に反映したものとは云えない。
【００１８】
しかも、青色画素は緑色画素より小さく、緑色画素は赤色画素より小さいというように青色・緑色・赤色の画素の大きさがそれぞれ違う。すると、色センサーアレイ 20 に入射する青色光の一部は、青色画素の外に行ってしまう。そして色センサーアレイ 20 に入射する緑色光の一部が、緑色画素の外に行ってしまう。このため、色センサーアレイ 20 の青色光および赤色光に対する感度が低下してしまうので、青色電流 IB と緑色電流 IGが本来そうであるべき値よりも小さくなってしまう。したがって、青色電流 IB と緑色電流
IGにはさらなる誤差が入り込んでしまう。
【００１９】
また、図２に示したような垂直に積み重ねた青色・緑色・赤色の画素の全体的な大きさは、図１に示したような色フィルターアレイ 10 内の一個の赤色素子 12 と二個の緑色素子 14 と一個の青色素子 16 から成る 2 x 2 アレイの全体的な大きさよりも小さく、そして図１のセンサーアレイ 18 中の一個の画素よりも大きい。つまり、図２に示したような垂直に積み重ねた青色・緑色・赤色の画素の解像度は、図１に示した色センサーアレイの色画像に対する解像度よりも大きく、且つ、図１に示したセンサーアレイ 18 の単色画像に関する解像度よりも低い。
【００２０】
したがって、単色センサーアレイの一個の画素よりも大きく無い同じ大きさの青色・緑色・赤色の画素を垂直に積み重ね、画素間のクロストークを低減させた、色センサーアレイが渇望されている。
【発明の開示】
【００２１】
本発明は、垂直方向に積まれた青色画素、緑色画素、赤色画素を有する垂直式三色センサーに関する。この三色センサーが、入射光のうちの少なくとも青色成分および緑色成分を、表面プラズモンに変換して検出する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明にかかる実施形態群を詳細に説明してゆく。実施形態の例は付図 に描いており、付図群を通して同様の参照番号は同様の要素を指している。本発明にかかる実施形態群を以降に説明する。
【００２３】
本発明の発明者は、シリコン基板へと入射する光の青色・緑色・赤色の成分の検出に際して、垂直に積み重ねた、青色・緑色・赤色の成分に合わせて調整した三枚の回折格子状（波型または畝型 ）の表面 を使い、その青色・緑色・赤色の成分を表面プラズモンに変換すればよいことに思い至った。そうすると、垂直に積み重ねた青色・緑色・赤色の画素の大きさが、単色センサーアレイ中の一個の画素の大きさを超えてしまわないようにできると考えられる。さらには、図２に示した関連技術にかかる色センサーアレイ 20 と較べ
て、画素間のクロストークを減らすことも可能になると思われる。
【００２４】
表面プラズモンは、金属／誘電体界面に追随するよう束縛されていて、且つ電界と金属の表面電荷の組み合わさった振動であるような、非常に減衰した導波と見做せる。表面プラズモンは、光放射準位でも平面波でもない。と云うのは、表面プラズモンの電界の形は金属／誘電体界面から離れるにつれ指数関数的に減衰するからである。表面プラズモンの電界のことを、evanescent波（近接場光）と呼ぶ。
【００２５】
図３は、エネルギーの縦軸 42 にプロットしたエネルギーに対する、波数の横軸44 にプロットした波数 kz のグラフである。或る界面に平行な波数 k の、Z成分が波数 kz である。
【００２６】
波数 k は、以下の式で定義される。
k = 2π/λ                               ［式1］
ここで λは波長である。
【００２７】
波数 kzは、以下の式で定義される。
kz = (2π/λ)・sinθ                  ［式2］
ここで λは波長、 θ は界面の法線を基準とした入射角である。
【００２８】
ここで云う界面というのは、表面プラズモンが伝搬してゆく金属／誘電体界面のことである。こうした金属／誘電体界面は、誘電体層の表面に入射する光にほぼ平行である。つまり、誘電体層の表面への入射光に乗って入射する光子は、誘電体層を通過して、金属／誘電体界面に到達する。こうした光子の波数 kz,PHOTON は、以下の式で定義される。
kz,PHOTON = (2π/λ)・nd・sinθ    ［式3］
ここで λは光子の真空中での波長であり、 nd は誘電体の屈折率であり、 θ は金属／誘電体界面の法線を基準とした光子の入射角である。
【００２９】
エネルギー E と波長 λ の関係は以下の式で与えられる。
E = c・h/λ                               ［式4］
ここで c は光速、 h はプランク定数である。式4からわかるように、エネルギー E は波長 λ に反比例する。つまり、図３のエネルギー軸 42 に沿ってエネルギーが増加すると、波長が減少するということである。
【００３０】
モーメント p と波数 k の関係は以下の式で与えられる。
【００３１】
【数１】
2009528542.tif 000003
［式5］ 
ここで
【００３２】
【数２】
2009528542.tif 000004
（"h bar"）は、除算したプランク定数（プランク定数を2πで割ったもの）である。式5からわかるように、モーメント p は波数 k に正比例する。つまり、図３の波数軸 44 に沿って波数が増加すると、モーメントも増加するということである。
【００３３】
図３のグラフの各点には、エネルギー（もしくは波長）ならびに波数（もしくはモーメント）を特性として、光子準位を示してある。
【００３４】
光放射準位もしくは平面波準位（つまり、自由空間で伝搬する光）は、常に絶対に図３の光錐 46 内に在る。光錐 46 は、ありえるすべての光放射準位もしくは平面波準位を表している。エネルギー軸の右側に在る光錐46 の右半分は、前方へと伝播してゆくすべての光子の光放射準位もしくは平面波準位を表している。また、エネルギー軸の左側に在る光錐 46 の左半分は、後方へと伝播してゆく光子の光放射準位もしくは平面波準位を表している。光錐 46 の中心を通るエネルギー軸 42 は、金属／誘電体界面に対して法線方向に伝播してゆく光子の光放射準位もしくは平面波準位を表している。斜線 48 は、金属／誘電体界面に対して平行に前方へと伝播してゆく光子の光放射準位もしくは平面波準位を表している。また、斜線 50 は、金属／誘電体界面に対して平行に後方へと伝播してゆく光子の光放射準位もしくは平面波準位を表している。
【００３５】
金属／誘電体界面に沿って前方へと伝播してゆく表面プラズモンのありえるすべての表面プラズモン準位を、エネルギー軸 42 の右方へと向かう表面プラズモン分散曲線 52 で表している。また、金属／誘電体界面に沿って後方へと伝播してゆく表面プラズモンのありえるすべての表面プラズモン準位を、エネルギー軸 42 の左方へと向かう表面プラズモン分散曲線 54 で表している。表面プラズモン分散曲線 52, 54 のことを、単一界面表面プラズモン分散曲線と呼ぶ。これらの分散曲線上に準位を持つ表面プラズモンは、金属層と誘電体層との間の単一界面にて発生するからである。
【００３６】
図３の kz,SPは、表面プラズモンの波数である。 kz,SPと、表面プラズモンの周波数 f
との関係は、表面プラズモンの分散相関であって、以下の式で与えられる。
【００３７】
【数３】
2009528542.tif 000005
［式6］ 
ここで c は光速、 εm は金属の誘電率、 εd は誘電体の誘電率である。しかしすべての物質でε は周波数の関数であるので、式6は見かけよりも複雑である。図３の表面プラズモン分散曲線 52, 54 に類似した表面プラズモン分散曲線は、周波数 f を式6にしたがって kz,SP の関数としてプロットすることで得られる。図３の表面プラズモン分散曲線 52, 54 は、まったくもって単なる表現に過ぎず、表面プラズモン分散曲線の概略的な外観を描いたものに過ぎない。ともあれ表面プラズモン分散曲線は、常に光錐 46 の外側に在る。
【００３８】
周波数 f と波長 λ の関係は以下の式で与えられる。
f = c/λ                                  ［式7］
ここで c は光速である。この関係式を式6の f に代入すると、以下のように、表面プラ
ズモンの波数 kz,SP と表面プラズモンの波長λ の関係式が得られる。
【００３９】
【数４】
2009528542.tif 000006
［式8］ 
【００４０】
光照射準位を表面プラズモン準位と結びつけるためには、エネルギーとモーメントの双方を保存する必要がある。
【００４１】
エネルギーを保存するには、金属／誘電体界面の法線方向に伝播する（例えば）波長λ0 の光子の光放射準位 56 が、同じ波長λ0 を持つ表面プラズモン準位 58 と結合しなくてはならない。
【００４２】
しかしながら図３のエネルギー軸42 の右側に在る表面プラズモン分散曲線 52 上のすべての表面プラズモン準位の波数 kz,SP （すなわちモーメント p ）は常に、同じエネルギー E （か、波長 λ）でのすべての光放射準位の波数 kz,PHOTON （すなわちモーメント p ）よりも大きくなる。その理由は、表面プラズモン分散曲線 52 が、光錐 46 の外側に在るためである。エネルギー軸 42 の左側にも同じ条件を適用する。したがって、すべての表面プラズモン準位は、放射準位では無い。そして、通常の条件下では、すべての表面プラズモン準位は、モーメントが保存されなくなってしまうので光放射準位と結合できない。ゆえに、通常の条件下では、光放射準位 56 は、表面プラズモン準位 58 と結合できない。
【００４３】
だがしかし、光放射準位 56 が表面プラズモン準位 58 と結合できないという問題は、この金属／誘電体界面に回折格子状（波型） の表面を導入することで克服できる。回折格子状（波型）の表面が存在すると、すべての光子準位の波数が、以下の量だけ変化することになる。
±(2π/Λ)・m                             ［式9］
ここで Λは回折格子状（波型）の表面の周期であり、 m は回折次数（整数 1, 2, 3, ...）である。この論説においては、 m は1に等しいと仮定する。
【００４４】
つまり、図３に示した光放射準位56 で波長 λ0 を有する光子の波数 kz,PHOTON が 2π/Λ 増えるので、同じ波長 λ0 を持つ表面プラズモンの波数 kz,SP と等しくなるのである。すると、光子と表面プラズモンが同じ波長を持つため、持つエネルギーも等しくなる。そして、光子と表面プラズモンの波数も等しくなるので、持つモーメントも等しい。ゆえに、エネルギーもモーメントも保存されるため、光子は表面プラズモンと結合できる。この結合は図３の直線 60 として表している。つまり、波長 λ0 の光子が、金属／誘電体界面に入射すると波長 λ0 の表面プラズモンに変換され、その金属／誘電体界面を伝播する。この条件下での kz,SP と kz,PHOTON の関係は以下の式で与えられる。
kz,SP = kz,PHOTON+ (2π/Λ)                    ［式10］
【００４５】
式10の kz,SP と kz,PHOTON に、式3と式8を代入すると以下のようになる。
【００４６】
【数５】
2009528542.tif 000007
［式11］ 
ここで λ0 は、図３で示した波長λ0 である。式11を解くと、波長 λ0 を有し且つ金属／誘電体界面の法線方向を基準とした入射角 θ を持つ光子を、同じ波長 λ0 で金属／誘電体界面を伝播する表面プラズモンに結合するために必要な、回折格子状（波型）の表面の周期Λを 求められる。
【００４７】
以降で述べる本発明にかかる実施形態群では、周期 Λ を約200nmから2000nmの桁にできるが、必要ならばもっと大きくしてもよいし小さくしてもよい。
【００４８】
以降で述べる本発明にかかる実施形態群では、入射角 θ = 0°、すなわち光が金属／誘電体界面に対して垂直に入射すると仮定する。
【００４９】
図４には、本発明にかかる単色センサーアレイの一部を示している。単色センサーアレイのその他の詳細については当該技術分野にて公知であるので、簡潔にするため図４では省略してある。
【００５０】
単色センサーアレイ 100 は、一方に光入射面を有しその反対側に周期 Λ と深さ d を有する第一の誘電体層 102 と、第一の誘電体層 102 の波型面に合う（つまり周期 Λ および深さ d を持つ）波型面を両側に有する金属層 106 と、誘電体層 102 の波型面に合う（つまり周期 Λ および深さ d を持つ）波型面を一方に有する第二の誘電体層 108 と、半導体層 110 と、を含む。金属層 106 の波型面の片方は、第一の誘電体層 102 の波型面に接触する。金属層106 の波型面のもう一方は、第二の誘電体層 108 の波型面に接触することで、周期 Λ と深さ d を持つ波型金属／誘電体界面112 を、金属層 106 と第二の誘電体層 108 の間につくる。
【００５１】
金属層 106 は、センサーアレイへの使用に適する任意の金属で作成でき、例えば、Ag、Au、Al、Ni、もしくは他の任意の適切な金属で作成できる。Agは表面プラズモンの損失がもっとも少ないのだが、Auよりも反応性が高い。このため、AuはAgよりも表面プラズモンの損失が大きいとは云え、Auを使うほうが適切だと思われる。金属層の厚さは約20nmの桁であるのが好ましい。しかし、できあがる構造体が表面プラズモンを発生できて、金属層に入射する光の実質的な部分を伝達できる程度に金属層を薄くできるような、任意の厚さを用いてもよい。適切な厚みは実験的に決定できるが、（一例として）厚さ50nmのAg金属層では入射する光の数パーセントしか伝達できないと考えられるため、厚すぎる。第一の誘電体層102 および第二の誘電体層 108 は、 SiO2 かもしくは別の任意の適切な誘電体から作成できる。半導体層 110 としては、pn接合層、pin接合層、もしくは、電子-正孔の対をつくりだせるような他の任意の適切な半導体層を使用できる。
【００５２】
光入射面 104 へ入射する光子 114 は、第一の誘電体層 102 および金属層 106 へと貫入し、金属／誘電体波型界面 112 に到達すると表面プラズモン 116 に変換される。この表面プラズモン 116 は、金属層 106 と第二の誘電体層 108 の間の単一の界面（要するに金属／誘電体界面 112 ）で発生するので、「単一界面表面プラズモン」と呼ぶ。表面プラズモン 116 は、光入射面 104 にほぼ平行な金属／誘電体界面 112 に沿って伝播する。光子 114 の波長は、可視光、赤外線、および紫外線の範囲内の任意のものとすることができる。だが、本発明を色センサーアレイに適用する際には、光子 114 の波長は、青色光、緑色光、および赤色光のうちのいずれか一種類となるであろう。
【００５３】
上述した式11を使って、金属／誘電体波型界面 112 の周期 Λ を、光子 114 の波長と入射角 θ = 0°から計算する。
【００５４】
金属／誘電体波型界面 112 の深さ d は、光子 114 と表面プラズモン 116 との結合効率に影響する。平坦な形状では結合がまったく起きないので、深さ d が浅すぎると結合はほとんど起きない。また、深さ d が（例えば光子 114 の波長の桁程度にまで）深すぎると、結合効率が落ちてしまうことになる。最適な深さ d は使用する特定の構成に依存することになるので、実験から決定するとよい。
【００５５】
表面プラズモン 116 は、成分 118 および成分 120 を有するevanescent波を発する。成分 118 は、金属／誘電体界面 112 を起点に金属層 106 に向かうものである。また成分 120 は、金属／誘電体波型界面 112 を起点にして、第二の誘電体層 108 を通り半導体層 110 へと向かうものである。evanescent波は電界形状を有しており、図では電界ゼロを表す基準軸 122 に関連して示してある。evanescent波の金属層 106 へと延びる成分
118 、および第二の誘電体層 108 を通り半導体層 110 へと延びる成分 120 は、それぞれ 124, 126 として示したように指数関数的に減衰してゆく。ここでは第二の誘電体層 108 を通り半導体層 110 へ向かう成分 120 は、金属層 106 へ向かう成分 118 よりも減衰がゆるやかである。
【００５６】
evanescent波の第二の誘電体層 108 を通り半導体層 110 へ向かう成分 120 は、半導体層 110 内に正孔 128 と電子 130 からなる電子-正孔対を形成する可能性がある。これが発生すると、表面プラズモン 116 が吸収される。電子-正孔対の形成が、表面プラズモン 116 の経路長に依存している──つまり、経路長が大きくなればなるほど電子-正孔対の形成率が上がる、という可能性も考えられる。表面プラズモン 116 が吸収される際につくられる電子 130 は、半導体層 110 中に生じる光検出電流 IL に寄与する。光検出電流 ILを成す電子を、電荷収集構造体（図４では簡潔にするため省いてある）で集める。電荷収集構造体は当該技術分野で公知である。
【００５７】
図４に示した単色センサーアレイ100 では、波長 λ0 に合わせて調整した一枚の回折格子状（波型）面 112 を使い、波長 λ0 の光子を波長λ0 の表面プラズモンへと変換することで、波長 λ0 を持つ入射光を検出する。しかしながら、色センサーアレイを用意するにあたっては、青色・緑色・赤色の入射光成分（波長はそれぞれλB 、 λG 、および λR ）を検出する必要がある。
【００５８】
こうしたことを実現するには、波長 λB 、 λG 、および λR にそれぞれ合わせて調整した三枚の回折格子状（波型）面を具えた色センサーアレイを用意して、波長λB 、 λG 、および λR の光子を、波長λB 、 λG 、および λR の表面プラズモンへと変換することで、青色（波長λB ）・緑色（波長 λG ）・赤色（ λR ）の入射光成分を検出するようにする。
【００５９】
図５は図３の変形例である。ここでは、金属／誘電体界面の法線方向に入射し且つ波長λB を有し且つ波数 kz,PHOTON = 0 である青色光子と、同じ波長 λB を有し且つ波数 kz,SP B = 2π/ΛB である表面プラズモンとの、結合 62 を示してある。なお、この波数 kz,SP B の値は、（入射角 θ = 0°として）式11にしたがって計算した周期ΛB を有する回折格子状（波型）面を金属／誘電体界面に導入したことにより、可能となったものである。
【００６０】
また、図５には、金属／誘電体界面の法線方向に入射し且つ波長 λG を有し且つ波数kz,PHOTON = 0 である緑色光子と、同じ波長 λG を有し且つ波数 kz,SP G = 2π/ΛG で
ある表面プラズモンとの、結合 64 を示してある。なお、この波数 kz,SP G の値は、（入射角 θ = 0°として）式11にしたがって計算した周期ΛG を有する回折格子状（波型）面を金属／誘電体界面に導入したことにより、可能となったものである。
【００６１】
また、図５には、金属／誘電体界面の法線方向に入射し且つ波長 λR を有し且つ波数 kz,PHOTON = 0 である赤色光子と、同じ波長 λR を有し且つ波数 kz,SP R = 2π/ΛR である表面プラズモンとの、結合 64 を示してある。なお、この波数 kz,SP R の値は、（入射角 θ = 0°として）式11にしたがって計算した周期ΛR を有する回折格子状（波型）面を金属／誘電体界面に導入したことにより、可能となったものである。
【００６２】
図６には、図５に示した原理で機能する、本発明にかかる色センサーアレイの一部を示している。この色センサーアレイは、青色積層 202 と、緑色積層 222 と、赤色積層 242
とを含む。色センサーアレイのその他の詳細については当該技術分野では公知であるので、簡潔にするため図６では省略している。
【００６３】
青色積層 202 には、周期 ΛB の第一の波型構造体をつくる第一の誘電体層 204 、第一の金属層 206 、および第二の誘電体層 208 、ならびに、第一の半導体層 210 、が含まれる。色センサーアレイ200 に入射する青色光子 212 が、第一の金属層 206 と第二の誘電体層 208 に挟まれた第一の金属／誘電体波型界面 216 に到達すると、表面プラズモン214 に変換される。この表面プラズモン 214 は、第一の金属／誘電体波型界面 216 に沿って伝播し、その伝播につれて、電界形状 218 を有する表面プラズモン 214 のevanescent波が、第一の半導体層 210 内に電子-正孔対をつくりだす。そしてこの電子が、青色検出電流 IB に寄与する。
【００６４】
緑色積層 222 には、周期 ΛG の第二の波型構造体をつくる第三の誘電体層 224 、第二の金属層 226 、および第四の誘電体層 228 、ならびに、第二の半導体層 230 、が含まれる。色センサーアレイ200 に入射する緑色光子 232 が、第二の金属層 226 と第四の誘電体層 228 に挟まれた第二の金属／誘電体波型界面 236 に到達すると、表面プラズモン234 に変換される。この表面プラズモン 234 は、第二の金属／誘電体波型界面 236 に沿って伝播し、その伝播につれて、電界形状 238 を有する表面プラズモン 234 のevanescent波が、第二の半導体層 230 内に電子-正孔対をつくりだす。そしてこの電子が、緑色検出電流 IG に寄与する。
【００６５】
赤色積層 242 には、周期 ΛR の第三の波型構造体をつくる第五の誘電体層 244 、第三の金属層 246 、および第六の誘電体層 248 、ならびに、第三の半導体層 250 、が含まれる。色センサーアレイ200 に入射する青色光子 252 が、第二の金属層 246 と第六の誘電体層 248 に挟まれた第三の金属／誘電体波型界面 256 に到達すると、表面プラズモン254 に変換される。この表面プラズモン 254 は、第三の金属／誘電体波型界面 256 に沿って伝播し、その伝播につれて、電界形状 258 を有する表面プラズモン 254 のevanescent波が、第三の半導体層 250 内に電子-正孔対をつくりだす。そしてこの電子が、赤色検出電流 IR に寄与する。
【００６６】
図６に示した金属層は、Ag、Au、Al、Ni、もしくは他の任意の適切な金属から作成でき、その厚みは20nmの桁であるのが好ましい。しかし、できあがる構造体が表面プラズモンを発生できて、金属層に入射する光の実質的な部分を伝達できる程度に金属層を薄くできるような、任意の厚さを用いてもよい。図６に示した誘電体層は、 SiO2 かもしくは別の任意の適切な誘電体から作成できる。図６に示した半導体層としては、pn接合層、もしくはpin接合層、または、電子-正孔の対をつくりだせるような他の任意の適切な半導体層を使用できる。青色検出電流 IB 、緑色検出電流 IG、および赤色検出電流 IRを成す電子を、電荷収集構造体（図６では簡潔にするため省いてある）で集める。電荷収集構造体は当該技術分野で公知である。
【００６７】
青色検出電流 IBは、緑色と赤色のクロストークの影響を受けやすい。この理由は、緑色光と赤色光が、青色検出電流 IB が生じる第一の半導体層 210 を通過するために、緑色光と赤色光の平面波が第一の半導体層 210 内に電子-正孔対をつくりだしてしまうので、青色検出電流 IB の一部が緑色光と赤色光から実際に生じてしまう、ということである。しかし、青色光で生じる表面プラズモン 214 のevanescent波の電界は、第一の半導体層 210 を通過する緑色光および赤色光の平面波の電界よりも強い。このため、本発明にかかる色センサーアレイ 200 での青色検出電流 IBの緑色と赤色のクロストークは、図２に示した関連技術にかかる色センサーアレイ 20 でのそれよりも弱い。
【００６８】
同様に、緑色検出電流 IGは、赤色のクロストークの影響を受けやすい。この理由は、赤色光が、緑色検出電流 IG が生じる第二の半導体層 230 を通過するために、赤色光の平面波が第二の半導体層 230 内に電子-正孔対をつくりだしてしまうので、緑色検出電流
IG の一部が赤色光から実際に生じてしまう、ということである。しかし、緑色光で生じる表面プラズモン 234 のevanescent波の電界は、第二の半導体層 230 を通過する赤色光の平面波の電界よりも強い。このため、本発明にかかる色センサーアレイ 200 での緑色検出電流 IB の赤色のクロストークは、図２に示した関連技術にかかる色センサーアレイ
20 でのそれよりも弱い。
【００６９】
図６に示した色センサーアレイ200 を構築するには通常、青色積層 202 、緑色積層 222 、および赤色積層 242 を別々に構築してから、それら三個の構成単位をまとめて積み重ねることが必要となる。こういう構築作業は面倒なものである。そこで、積み重ねるべき構成単位の数を減らすのが望ましいと考えられる。
【００７０】
図７は、本発明にかかる色センサーアレイ 300 を示しており、これは図６の色センサーアレイ 200 の変形例であって、青色積層202 、緑色積層 222 、および赤色積層 302 を含んでいる。色センサーアレイのその他の詳細については当該技術分野では公知であるので、簡潔にするため図７では省略している。
【００７１】
図７の青色積層 202 および緑色積層 222 は、図６のものと同じである。
【００７２】
図７の赤色積層 302 は、図６の赤色積層 242 を置き換えたものであって、第五の誘電体層 304 と第三の半導体層 306 を含んでいる。ここで第五の誘電体層 304 は、 SiO2 かもしくは別の任意の適切な誘電体から作成でき、また、第三の半導体層 306 としては、pn接合層、もしくはpin接合層、または、電子-正孔の対をつくりだせるような他の任意の適切な半導体層を使用できる。赤色積層 302 は、図６の赤色積層 242 とは違って、表面プラズモンを発生する波型構造体は有していない。その代わり、赤色光子 252 の平面波の電界が、半導体層306 中に電子-正孔対を通常の方法で発生させて、その電子が赤色検出電流 IR に寄与する。光検出電流 IR を成す電子を、電荷収集構造体（図７では簡潔にするため省いてある）で集める。 電荷収集構造体は当該技術分野で公知である。
【００７３】
図７の緑色積層 222 および赤色積層 302 は、一個の構成単位として構築される。これを青色積層 202 と積み重ねることで、色センサーアレイ 300 をつくることができる。つまり、構成単位を二つだけ積み重ねればよいので、図７の色センサーアレイ 300 は、図６の色センサーアレイ200 よりも構築するのが簡単である。しかしながらこの構築作業でも二つの構成単位を積み重ねる必要があるため、構築作業がいくらか面倒であると云える。よって、併せて積み重ねる作業がまったく無いようなやりかたが望ましいと考えられる。
【００７４】
図６の色センサーアレイ 200 および図７の色センサーアレイ 300 についての別の考えられる欠点としては、緑色光が第一の金属層 206 を通過しなくてはならず、且つ赤色光が第一の金属層 206 および第二の金属層 226 を通過しなくてはならない、ということがある。第一の金属層 206 および第二の金属層 226 の厚さは光の伝播にとって充分な程度に薄くするわけであるが、緑色光と赤色光にいくらか損失が出るのは避けられない。すると、色センサーアレイ 200 および色センサーアレイ 300 の緑色光と赤色光への感度が落ちてしまうわけである。つまり 、緑色光と赤色光が通過せざるをえない金属層の数を最小限にするのが望ましいと云える。
【００７５】
二個もしくは三個の構成単位を併せて積み重ねる必要を無くして、青色光および緑色光を検出して金属層の数をひとつだけに減らすためには、単一の金属層から発生する長距離結合性表面プラズモンおよび短距離結合性表面プラズモンを使えばよい。
【００７６】
屈折率が同じかほぼ同じである二つの誘電体層に挟まれた金属層を、或る程度の厚さ（Agでは約100nm）以下にまで薄くするので、図３の単一界面表面プラズモン分散曲線 52, 54 は、図８に示したように、長距離結合性表面プラズモン（LRCSP）分散曲線 68, 70 と短距離結合性表面プラズモン（SRCSP）分散曲線 72, 74 に分割される。金属層をさらに薄くしてゆくにつれて、LRCSP分散曲線 68, 70 は光錐 46 に近づいて 回転してゆき、そしてSRCSP分散曲線 72, 74 は、LRCSP分散曲線 68, 70 よりも高速に、光錐 46 から離れて回転してゆく。つまり、LRCSP分散曲線 68, 70 とSRCSP分散曲線 72, 74 との間隔は、金属層が薄くになるにしたがって大きくなってゆくのである。
【００７７】
LRCSP分散曲線 68, 70 とSRCSP分散曲線 72, 74 は、（単一界面表面プラズモン分散曲線 52, 54 と同様に）光錐 46 の外側に在る。ゆえに通常の条件下では、光錐 46 内の光放射準位は、LRCSP分散曲線 68, 70 上のLRCSP準位ともSRCSP分散曲線 72, 74 上のSRCSP準位とも結合することができない。だがしかし、光放射準位がLRCSP準位およびSRCSP準位と結合できないという問題は、図３で述べたように金属／誘電体界面に回折格子状（波型）の表面を導入することで克服できる。
【００７８】
図８は図３の変形例である。ここでは、金属／誘電体界面の法線方向に入射してきた波長λB を有し波数 kz,PHOTON = 0 である青色光子の、同じ波長 λB を有し且つ（金属／誘電体界面に周期 Λ を持つ回折格子状（波型）の表面を導入することによって）波数 kz,LRCSP B = 2π/Λ となったLRCSPとの、結合 76 を示してある。
【００７９】
また図８には、金属／誘電体界面の法線方向に入射してきた波長 λG を有し波数 kz,PHOTON = 0 である緑色光子の、同じ波長 λG を有し且つ（金属／誘電体界面に周期 Λ を持つ回折格子状（波型）の表面を導入することによって）波数 kz,SRCSP B = 2π/Λ となったSRCSPとの、結合 78 も示してある。
【００８０】
図９には、第一の誘電体層 80 と金属層 82 と第二の誘電体層 84 とが、周期Λ の波型構造をつくりだしている様子を示してある。金属層 82 と第一の誘電体層 80 との間の界面で発生する表面プラズモンの電界が、金属層 82 と第二の誘電体層 84 との間の界面で発生する表面プラズモンの電界と重なりあって結合して、対称な電界形状 86 か反対称な電界形状 88 かのいずれかを有する結合性表面プラズモンが生じるようにする上で充分な程度に、金属層 82 を薄くする。結合性表面プラズモンの発生を可能とするためには、第一の誘電体層 80 と第二の誘電体層 84 とは、同じかほぼ同じ屈折率を持つ必要がある。
【００８１】
対称な電界形状 86 内では、二種の表面プラズモンの電界は、金属層 82 中で同じ極性を有するので、金属層 82 中で足し合わされ、金属層 82 中の電界がゼロになることはな
い。こうすると、結合性表面プラズモンの電界を金属層 82 の中に効率よく引き込むため、この結合性表面プラズモンの全体的な吸収損失は、図４の単一界面表面プラズモン 116 に較べて大きくなる。これは、金属層 82 中での吸収損失が、第一の誘電体層80 および第二の誘電体層 84 での吸収損失よりも著しく大きいためである。吸収損失の増大により、結合性表面プラズモンの寿命が縮むので、結合性表面プラズモンが吸収されるまでに伝播できる距離が短くなる。この理由から、対称な電界形状 86 を持つ結合性表面プラズモンのことを、短距離結合性表面プラズモン（SRCSP）と呼ぶ。図８ではSRCSP準位は、SRCSP分散曲線 72, 74 上に在る。
【００８２】
反対称な電界形状 88 内では、二種の表面プラズモンの電界は、金属層 82 中で逆の極性を有するので、金属層 82 中で互いに打ち消しあい、金属層 82 中の電界がゼロになる。こうすると、結合性表面プラズモンの電界を金属層 82 から効率よく押し出されるため、この結合性表面プラズモンの全体的な吸収損失は、図４の単一界面表面プラズモン 116 に較べて小さくなる。これは、金属層 82 中での吸収損失が、第一の誘電体層80 および第二の誘電体層 84 での吸収損失よりも著しく小さいためである。吸収損失の減少により、結合性表面プラズモンの寿命が伸びるので、結合性表面プラズモンが吸収されるまでに伝播できる距離が長くなる。この理由から、反対称な電界形状 80 を持つ結合性表面プラズモンのことを、長距離結合性表面プラズモン（LRCSP）と呼ぶ。図８ではLRCSP準位は、LRCSP分散曲線 68, 70 上に在る。
【００８３】
二種の表面プラズモンの電界が重なりあって互いに結合して結合性表面プラズモンをつくりだし、図８のLRCSP分散曲線 68, 70 とSRCSP分散曲線 72, 74 とを充分に引き離すことで、青色光子とLRCSPとの結合ならびに緑色光子とSRCSPとの結合ができるようにする上で充分な程度に、金属層 82 を薄くする必要がある。金属層 82 がAgでできている場合には、適切な厚さは約20nmの桁である。その場合、SRCSPの対称な電界形状 86 が、第一の誘電体層 80 内および第二の誘電体層 84 内に約100nm展開する。また、LRCSPの反対称な電界形状 88 が、第一の誘電体層 80 内および第二の誘電体層 84 内に約150nm展開する。金属層 82 が何かほかの金属（Au、Al、Ni、もしくは別の適切な金属など）からできているなら、適切な厚さを実験から決定できる。第一の誘電体層 80 および第二の誘電体層 84 は、 SiO2 もしくは他の任意の誘電体材料から作成できる。
【００８４】
図１０に示したのは、図８と図９に示した原理にしたがって動作する、本発明にかかる色センサーアレイ 400 の一部である。色センサーアレイ400 は、青色／緑色積層 402 と、赤色積層 432 とを有する。色センサーアレイのその他の詳細については当該技術分野では公知であるので、簡潔にするため図１０では省略している。
【００８５】
青色／緑色積層 402 には、周期 Λ の波型構造体をつくる第一の誘電体層 404 、金属層 406 、および第二の誘電体層 408 が含まれ、さらには、第一の半導体層 410 、第三の誘電体層 412 、および第二の半導体層 414 も含まれる。
【００８６】
色センサーアレイ 400 に入射する青色光子 416 は、金属層 406 と第一の誘電体層 404 に挟まれた第一の金属／誘電体波型界面 420 、および金属層 406 と第二の誘電体層 408 に挟まれた第二の金属／誘電体波型界面 422 に到達すると、長距離結合性表面プラズモン（LRCSP） 418 へと変換される。LRCSP 418 は、第一の金属／誘電体波型界面 420 および第二の金属／誘電体波型界面 422 に沿って伝播する。その伝播につれて、反対称な電界形状 424 を有するLRCSP 418 のevanescent波が、第一の半導体層 410 中に電子-正孔対をつくりだしてその電子が青色検出電流のうちの第一の部分 aIB に寄与することになるか、あるいは、第二の半導体層 414 中に電子-正孔対をつくりだしてその電子が青色検出電流のうちの第二の部分 bIB に寄与することになる。なおここで a < 1 、 b < 1
、 a + b = 1 である。電子-正孔対の発生は量子的相互作用であるので、電子-正孔対が
、第一の半導体層 410 中か第二の半導体層 414 中のいずれか一方に発生する可能性もある。
【００８７】
色センサーアレイ 400 に入射する緑色光子 426 は、金属層 406 と第一の誘電体層 404 に挟まれた第一の金属／誘電体波型界面 420 、および金属層 406 と第二の誘電体層 408 に挟まれた第二の金属／誘電体波型界面 422 に到達すると、短距離結合性表面プラズモン（SRCSP） 428 へと変換される。SRCSP 428 は、第一の金属／誘電体波型界面 420 および第二の金属／誘電体波型界面 422 に沿って伝播する。その伝播につれて、対称な電界形状 430 を有するSRCSP 428 のevanescent波が、第二の半導体層 414 中に電子-正孔対をつくりだしてその電子が緑色検出電流 IG に寄与することになる。
【００８８】
赤色積層 432 は、第四の誘電体層 434 および第三の半導体層 436 を有する。赤色積層 432 は、図６の赤色積層 242 とは異なり、表面プラズモンを発生する波型構造体を持っていない。その代わりに、赤色光子 438 の平面波の電界が、半導体層436 中に通常のやりかたで電子-正孔対を発生させ、その電子が赤色検出電流 IR に寄与する。
【００８９】
第一の半導体層で生じる総検出電流 IT は、 IT= IG + aIB である。つまり、 IG = IT
- aIB である。また、総青色検出電流 IB は、 IB = aIB + bIBである。青色検出電流のうちの第二の部分 bIBは、第二の半導体層 412 中に発生する検出電流に過ぎないので、直接に測定可能である。 a/b の値がわかるなら、 IG は IG = IT - (a/b)(bIB) から求められ、また IB は IB = (a/b)(bIB) + bIBから求められる。
【００９０】
a/b の値 はいろいろなやりかたで決定できる。例えば、第一の半導体層 410 中のLRCSP 418 の電界形状 424 の強度と、第二の半導体層 414 中のLRCSP 418 の電界形状 424 の強度との比を、図１０に示した構造体の寸法に基づいて計算することで、 a/b の値の見積りが可能である。
【００９１】
あるいは別の手法として、色センサーアレイ 400 に青色光のみを照射し、青色検出電流の第一の部分 aIB と青色検出電流の第二の部分 bIB とを測定してから、 a/b = (aIB)/(bIB) から a/b を算出してもよい。
【００９２】
図１０の金属層 406 は、Ag、Au、Al、Ni、もしくは他の適切な金属から作成できる。金属層 406 がAgでできている場合には、適切な厚さは約20nmの桁である。しかし、できあがる構造体が表面プラズモンを発生できて、金属層 406 に入射する光の実質的な部分を伝達できる程度に金属層 406 を薄くできるような、任意の厚さを用いてもよい。図１０の誘電体層は、 SiO2もしくは他の任意の適切な誘電体から作成できる。とは云え、結合性表面プラズモンの発生を可能とするためには、金属層 406 を挟む第一の誘電体層 404 と第二の誘電体層 408 とは、同じかほぼ同じ屈折率を持つ必要がある。図１０に示した半導体層としては、pn接合層、もしくはpin接合層、または、電子-正孔の対をつくりだせるような他の任意の適切な半導体層を使用できる。総検出電流 IT 、青色検出電流のうちの第二の部分bIB 、および赤色検出電流 IRを成す電子は、電荷収集構造体（図１０では簡潔にするため省いてある）で集める。電荷収集構造体は当該技術分野で公知である。
【００９３】
図１０の青色／緑色積層 402 および赤色積層 432 は、一個の構成単位として構築可能である。つまり、図６の色センサーアレイ 200 および図７の色センサーアレイ 300 の構築のように二個以上の構成単位を併せて積み重ねる必要が、無いということである。
【００９４】
さらには、図１０の色センサーアレイ 400 には金属層が一枚しかないので、緑色光と赤色光の損失が低減される。したがって、色センサーアレイ 400 の緑色光と赤色光に対する感度は、図６に示した色センサーアレイ 200 および図７に示した色センサーアレイ 
300 に較べて向上している。
【００９５】
図４、図６、図７、図９、および図１０に示した金属／誘電体波型界面は、正弦曲線形状を持つようにしてもよい。こうした形状は、標準的なホログラフィック法および蝕刻法を用いてつくることができる。別の手法として、これらの金属／誘電体波型界面が、非正弦曲線形状（矩形形状など）を持つようにしてもよい。そうした非正弦曲線形状もまた標準的な光刻法 で作成できる。非正弦曲線形状を使うと、正弦曲線形状に較べて、より広範囲の波長および／もしくはより広範囲の入射角に亙って、表面プラズモンを発生可能になる。さらに効率を高めるには、金属／誘電体波型界面を二次元回折格子（bi-gratings）にすればよい。この二次元回折格子とは、溝が直交する二軸方向に展開しているものである。
【００９６】
本発明にかかる少数の実施形態だけを記載し説明してきたが、当業者には、本発明の原理と本質から逸脱することなく、これらの実施形態に対して変形を加えられ、そして本発明の範囲は請求項およびその均等な特徴 によって定義される、ということが正しく理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
本発明の実施形態は、付随する図面と組み合わせて説明する。
【図１】関連技術にかかる、色センサーアレイを示す。
【図２】関連技術にかかる、別の色センサーアレイの一部を示す。
【図３】エネルギー対波数のグラフであって、光錐内にある光放射準位もしくは平面波準位と、単一界面表面プラズモン分散曲線上の表面プラズモン準位との相関を観ており、さらには、光子と表面プラズモンとの結合も示している。
【図４】本発明にかかる、単色センサーアレイの一部を示している。
【図５】エネルギー対波数のグラフであって、光錐内にある光放射準位もしくは平面波準位と、単一界面表面プラズモン分散曲線上の表面プラズモン準位との相関を観ており、さらには、青色・緑色・赤色の光子と表面プラズモンとの結合も示している。
【図６】本発明にかかる、色センサーアレイの一部を示している。
【図７】本発明にかかる、別の色センサーアレイの一部を示している。
【図８】エネルギー対波数のグラフであって、光錐内にある光放射準位もしくは平面波準位と、長距離結合性表面プラズモン（LRCSP）分散曲線上および短距離結合性表面プラズモン（SRCSP）分散曲線上の表面プラズモン準位との相関を観ており、さらには、青色光子と長距離結合性表面プラズモンとの結合、ならびに緑色光子と短距離結合性表面プラズモンとの結合も示している。
【図９】短距離結合性表面プラズモンの対称形電界と、長距離結合性表面プラズモンの反対称形電界を示している。
【図１０】本発明にかかる、別の色センサーアレイの一部を示している。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年10月31日(2008.10.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
赤色積層 242 には、周期 ΛR の第三の波型構造体をつくる第五の誘電体層 244 、第三の金属層 246 、および第六の誘電体層 248 、ならびに、第三の半導体層 250 、が含まれる。色センサーアレイ 200 に入射する赤色光子 252 が、第三の金属層 246 と第六の誘電体層 248 に挟まれた第三の金属／誘電体波型界面 256 に到達すると、表面プラズモン 254 に変換される。この表面プラズモン 254 は、第三の金属／誘電体波型界面 256 に沿って伝播し、その伝播につれて、電界形状 258 を有する表面プラズモン 254 のevanescent波が、第三の半導体層 250 内に電子-正孔対をつくりだす。そしてこの電子が、赤色検出電流 IR に寄与する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７６】
反対称な電界形状 88 内では、二種の表面プラズモンの電界は、金属層 82 中で逆の極性を有するので、金属層 82 中で互いに打ち消しあい、金属層 82 中の電界がゼロになる。こうすると、結合性表面プラズモンの電界を金属層 82 から効率よく押し出されるため、この結合性表面プラズモンの全体的な吸収損失は、図４の単一界面表面プラズモン 116 に較べて小さくなる。これは、金属層 82 中での吸収損失が、第一の誘電体層80 および第二の誘電体層 84 での吸収損失よりも著しく小さいためである。吸収損失の減少により、結合性表面プラズモンの寿命が伸びるので、結合性表面プラズモンが吸収されるまでに伝播できる距離が長くなる。この理由から、反対称な電界形状 88 を持つ結合性表面プラズモンのことを、長距離結合性表面プラズモン（LRCSP）と呼ぶ。図８ではLRCSP準位は、LRCSP分散曲線 68, 70 上に在る。
【国際調査報告】
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