(57)【要約】【課題】分布ブラッグ反射器を形成する際に、分布ブラッグ反射器の各層厚を決定しなければならない。分布ブラッグ反射器の光帯域全域が均一の高反射率になるようにする。【解決手段】分布ブラッグ反射器の各層厚は、λ０／４ｎにより決定できる。ここに、λ０は光帯域の中心波長、ｎは層材の光屈折率である。この方法を用いることにより分布ブラッグ反射器の反射率をλ０近傍に向上させることができるが、λ０から離れた反射率、例えば中心波長に隣接する波長は所望のレベルまで向上させることができない。分布ブラッグ反射器は、第１の厚さに形成された第１層と、第２の厚さに形成された第２層とを含む。分布ブラッグ反射器を形成する方法は、第１層を第１の厚さに形成するステップと、第２層を第２の厚さに形成するステップとを含む。ここで、前記第１および第２の厚さは、分布ブラッグ反射器の光帯域の中心波長に隣接する波長を用いて決定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分布ブラッグ反射器において、
第１の厚さに形成された第１層と、
第２の厚さに形成された第２層とを含み、
前記第１および第２の所定の厚さは、前記分布ブラッグ反射器の光帯域の中心波長に隣接する波長を用いて決定される、分布ブラッグ反射器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小電気機械（ＭＥＭＳ）装置と合わせて使用できる分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子写真カラー印刷アプリケーションにおいて、印刷のカラー精度を測定するシステムを備えていることが望ましい。例えば、カラープリンタと合わせて分光光度計を用いて色検出および測定を行なうことができる。分光光度計はまた、電子写真における色検出および測定にも用いることができる。
【０００３】
ファブリ−ペロー型キャビティ・フィルタを有する分光光度計は、シリコン光検出器と一体化し、次いで、光ファイバを用いて光を垂直に入力させて色を検出することができる。ファブリペロー型キャビティの厚さを静電気的に調整して、透過光信号のスペクトル分布を分解することができる。電荷駆動モードを用いて、電圧駆動モードの使用に起因する静電不安定性を回避するためにファブリ−ペロー型キャビティ・フィルタを調整してもよい。この構成により、電圧駆動モードよりも優れた線形性が得られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）は、発光素子、分光光度計、モジュレータ、および光検出器等の光電子素子の性能を向上させるために広く利用されている。例えば、ＤＢＲを用いて、インライン電子写真カラー測定に利用可能なＭＥＭＳベースの全幅配列ファブリ−ペロー型分光光度計の反射率、例えば解像度を上げることができる。いくつかのＤＢＲアプリケーションの場合、製造コスト等の経済的要因によりＤＢＲ層の数が制約される。
【０００５】
ＤＢＲ群を形成する際に、ＤＢＲの各層の厚さを決定しなければならない。ＤＢＲの光帯域全域にわたり均一になるような高反射率が望まれる。この光帯域全域にわたり均一な高反射率を得るために、ＤＢＲの各層厚は、λ０／４ｎにより決定できる。ここに、λ０はＤＢＲの光帯域の中心波長、ｎは層材の光屈折率である。この方法を用いることによりλ０近傍のＤＢＲの反射率を向上させることができるが、λ０から離れた反射率、例えば中心波長に隣接する波長から離れた反射率を所望のレベルまで向上させることはできない。
【０００６】
上述の問題に基づいて、光帯域全域にわたり均一な高反射率を有する分布ブラッグ反射器システムおよび方法が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
分布ブラッグ反射器は、第１の厚さに形成される第１層と、第２の厚さに形成される第２層とを含む。分布ブラッグ反射器を形成する方法は、第１の厚さに第１層を形成するステップと、第２の厚さに第２層を形成するステップとを含む。第１および第２の厚さは、当該分布ブラッグ反射器の光帯域の中心波長に隣接する波長を用いて決定される。
【０００８】
ＤＢＲは、分光光度計、光検出器、可変レーザー、可変半導体発光ダイオードおよび／または可変有機発光ダイオードに利用できる。
【０００９】
半導体光検出器のＤＢＲは、光検出器の性能を向上させるべく反射率が均一に増大するように形成することができる。さらに、発光ダイオードのＤＢＲはエレクトロルミネセンスを増大させて、発光ダイオードの性能を向上させるべく形成することができる。
【００１０】
ＤＢＲ群は、反射率が高く且つ波長域が狭いスペクトルフィルタとして用いることができる。しかし、ＤＢＲの層の組の厚さを最適化することにより、波長帯域の反射率を向上させることができる。例えば、１組、２組、または３組のＳｉ／ＳｉＯ２ＤＢＲの各層厚を約４００ｎｍ〜７００ｎｍにおける光帯域用に最適化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に述べる分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）システムおよび方法は、微小電気機械（ＭＥＭＳ）装置と合わせて使用できる。便宜上、以下に述べるＤＢＲシステムおよび方法は分光光度計において使用される。しかし、ＤＢＲシステムおよび方法は本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、例えば光検出器、可変レーザー、可変半導体発光ダイオード、可変有機発光ダイオード等、ＤＢＲ群を使用する他の任意の機器で使用できる点を理解されたい。
【００１２】
図１は、分光光度計１００を示す例証的な図である。分光光度計１００は、ｐ−ｉ−ｎフォトダイオードである光検出器１７５を有する基板１８５を含んでいてよい。分光光度計１００は、シリコンウェハ１９０であってエッチングされた凹部１９２を有するシリコンウェハ１９０を含んでいてよい。円形孔１９５をエッチングする前にリソグラフィ・パターニングが実行されてもよい。円形孔１９５の大きさは、光ファイバ１９９の直径をマッチングさせることにより決定できる。ファブリ−ペロー型キャビティ・フィルタ１１０を用いてよく、このフィルター１１０は、下部分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）１２０として用いられ、３組の四分の一波長Ｓｉ−ＳｉＮｘスタック１１５と、エアギャップ・キャビティ１２５と、そして上部ＤＢＲ１３０として用いられ、２組の四分の一波長Ｓｉ−ＳｉＮｘスタック１１５とを含んでいてよい。インジウム酸化スズ（ＩＴＯ）を用いて、透過型下部電極１３５および透過型上部電極１４０を形成するために用いてもよい。
【００１３】
上部ＤＢＲ１３０は、透過型下部電極１３５および透過型上部電極１４０の全体にわたり１００ボルトの範囲の電圧を印加するか、あるいは透過型下部電極１３５および透過型上部電極１４０に１０−１１クーロンの範囲の電荷を印加することにより変形されてエアギャップ・キャビティ１２５の高さを約３００〜５００ｎｍ程度変化させることができる。電極１３５および１４０はコンデンサを形成する。ファブリ−ペロー型キャビティ・フィルタ１１０には、静電容量が付随していてよい。エアギャップ・キャビティ１２５の高さが低くなるにつれて、ファブリ−ペローの透過のピークは、エアギャップ・キャビティ１２５の高さが減少すると左方の短波長側へ遷移する。
【００１４】
図２は、ＤＢＲ付きおよびＤＢＲ無し装置により得られた反射率を比較した例証的なグラフである。多くの光電子アプリケーションにおいて、装置の性能は光反射率に極めて大きく依存する。例えば、上述のファブリ−ペロー型キャビティに基づく分光光度計１００（シリコンと空気間の反射率は約０．３）でＤＢＲ無しの場合、図２の線２０１に示すようなキャビティを通る透過（反射率）が得られる。線２０１の幅が広い形状から、分光光度計１００の解像度が低いとの結果が得られる。しかし、分光光度計１００にＤＢＲを組み込むことにより、装置の反射率が上がる。例えば、ＤＢＲを用いて反射率を０．９に増した場合、図２の線２０２に示すように、反射率の全スペクトル線幅を約１０ｎｍ帯域まで狭めることができる。０．９および１０ｎｍ帯域の反射率は大多数のカラー分光光度計の要件を満たす。
【００１５】
図３は、２組のＳｉ−ＳｉＯ２ＤＢＲを試験して得られた反射率を示す例証的なグラフである。ＤＢＲは、異種材料により良好な光コントラストが得られるため、屈折率が交互に上下する一組の層を含むように形成することができる。例えば、ＤＢＲの層は、ＳｉおよびＳｉＯ２から形成することができる。Ｓｉの屈折率は約３．５、ＳｉＯ２の屈折率は約１．４５である。２組のＳｉ−ＳｉＯ２ＤＢＲの層厚は、ＤＢＲ用マクスウェル方程式を用いて正確に管理することができる。具体的には、各ＤＢＲ層ｉの厚さｌｉはその屈折率ｎｉおよび中心波長λ０により決定できる。
（数１）
ｌｉ＝λ０／４ｎｉ  式（１）
【００１６】
図３に、層厚が式（１）を用いて決定されるＳｉ基板上で２組のＳｉ−ＳｉＯ２ＤＢＲを試験して得られたデータを示す。ＤＢＲの各層厚は、図３の位置Ａで約８５０ｎｍの中心波長λ０を用いて決定されて、０．８超の高屈折率を実現できる。８５０ｎｍの高反射率は受容できるが、図３の位置Ｂに示すような８６８ｎｍ付近の反射率は受容できない。実際、図３の位置Ｂにおける反射率では、分光光度計等の装置で問題が生じる恐れがある。
【００１７】
ＳｉおよびＳｉＯ２以外のその他材料を用いて、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、ＤＢＲ層を形成できる点を理解されたい。例えば、ＤＢＲ層をＧａＡＳおよびＡＩＡｓ、あるいはポリシリコンおよび窒化ケイ素Ｓｉ３Ｎ４で形成してもよい。これらの材料をＤＢＲ層の形成に用いた場合、屈折率コントラストがＳｉおよびＳｉＯ２を用いて得られた屈折率コントラストより低ければＤＢＲの形成により多くの層が必要とされることがある。
【００１８】
図４は、層厚が式（１）に従い決定された１組のＳｉ−ＳｉＯ２層をＤＢＲが含む場合に得られた反射率を示す例証的なグラフである。以下の議論では例示目的でのみ４００ｎｍ〜７００ｎｍの光帯域を用いており、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく任意の帯域を用いてもよい点を理解されたい。図４に示すように、４００ｎｍ〜７００ｎｍ光帯域の中心波長λ０は５５０ｎｍである。Ｓｉ向けに式（１）で用いた屈折率ｎｉは３．４２であり、ＳｉＯ２向けに用いた屈折率ｎｉは１．４５である。その結果、ＤＢＲのＳｉ層の厚さは４０．２ｎｍであり、ＳｉＯ２層の厚さは９４．８ｎｍである。上述のように、分光光度計等の装置の性能は、光学反射、例えば均一且つ高反射率に極めて大きく依存する。図４に示す反射率は、４００ｎｍ〜４５０ｎｍ付近でより低く、不均一なため受容できない。この問題が生じるのは、式（１）を用いた層の形成では単一波長、例えば５５０ｎｍでの反射率しか考慮していないためである。しかし、反射率の均一性は、４００ｎｍ〜７００ｎｍの光帯域内の中心波長ではない異なる波長群に基づいてＤＢＲの各層の厚さを変えることにより、光帯域全体にわたり向上させることができる。
【００１９】
図５は、層厚変化がある１組のＳｉ−ＳｉＯ２層を含み、且つ４００ｎｍ〜７００ｎｍの光帯域内の中心波長ではない波長λａを用いたＤＢＲ５００を示す例証的な図である。Ｓｉ−ＳｉＯ２層は、基板５０１上に形成されている。図４で用いた層厚を変化させることにより、反射率はより均一になる。図５に示すように（λａ＝約５１０ｎｍの場合）、Ｓｉ層５０３を厚さ３７．３ｎｍに形成し、ＳｉＯ２層５０２を厚さ８７．９ｎｍに形成することができる。Ｓｉの屈折率が変化し得るため、各々の層厚には余裕度が含まれていてよい。例えば、Ｓｉ層５０３の厚さは３７．３ｎｍ±２ｎｍ、ＳｉＯ２層５０２の厚さは８７．９±１ｎｍであってよい。このように、各層の層厚を次式により決定できる。
（数２）
ｌｉ＝λａ／４ｎｉ  式（２）
【００２０】
図６は、図５に示す１対のＤＢＲを用いて得られた反射性を示す例証的なグラフである。図６に示すように、均一な反射率が４００ｎｍ〜７００ｎｍの帯域全体にわたり大幅に向上しており、４００ｎｍ〜４５０ｎｍ付近の図４に示す低反射率はもはや存在しない。
【００２１】
図７は、ＤＢＲが、式（１）に従い層厚の変化が無い２組のＳｉ−ＳｉＯ２層を含み、中心波長λ０＝５５０ｎｍを用いて得られた反射性を示す例証的なグラフである。Ｓｉに屈折率ｎｉ３．４２、ＳｉＯ２に屈折率ｎｉ１．４５を用いて、ＤＢＲの２個のＳｉ層を各々厚さ４０．２ｎｍに形成でき、ＤＢＲの２個のＳｉＯ２層を各々厚さ９４．８ｎｍに形成できる。その結果、図７に示す反射率は再び、４００ｎｍ〜４５０ｎｍ付近でより低く、不均一なため受容できない。しかし、ＳｉおよびＳｉＯ２の４個の層の厚さを変化させて、光帯域全体にわたり反射率の均一性を向上させることができる。
【００２２】
図８は、層厚に変化がある２組のＳｉ−ＳｉＯ２層を含み、且つ４００ｎｍ〜７００ｎｍの光帯域内に中心を持たない複数の波長群を用いるＤＢＲ８００を示す例証的な図である。Ｓｉ−ＳｉＯ２層８０２〜８０５は、図７で述べた屈折率を用いて基板８０１上に形成されている。しかし、図７で用いた層厚を変化させることにより、反射率はより均一になる。図８に示すように（λａ＝約５００ｎｍ）、最上位の組におけるＳｉ層８０２の層厚を３６．５±２ｎｍに形成でき、最上位の組におけるＳｉＯ２層８０３の層厚を８６．２±１ｎｍに形成できる。第２組（λａ＝約５２０ｎｍ）のＳｉ層８０４の層厚を３８．０±２ｎｍに形成でき、第２組のＳｉＯ２層８０５の層厚を８９．７±１ｎｍに形成できる。その結果、２組のＤＢＲの均一な反射率を、光帯域全体にわたり大幅に向上させることができる。図９は、図８に示す２対のＤＢＲを用いて得られた反射性を示す例証的なグラフである。図９に示すように、反射率は光帯域全体にわたり、図７における反射率よりも均一であり、４００ｎｍ〜４５０ｎｍ帯域付近の受容できない不均一な反射率はもはや存在しない。
【００２３】
図１０は、ＤＢＲが式（１）に従い層厚に変化が無い３組のＳｉ−ＳｉＯ２層を含み、且つ中心波長λ０＝５５０ｎｍを用いた場合に得られた反射性を示す例証的なグラフである。Ｓｉの屈折率ｎｉとして３．４２、ＳｉＯ２の屈折率ｎｉとして１．４５を用い、ＤＢＲの３個のＳｉ層は各々厚さ４０．２ｎｍであり、ＤＢＲの３個のＳｉＯ２層は各々厚さ９４．８ｎｍである。その結果、図１０に示す反射率は、４１０ｎｍ〜４５０ｎｍ付近でより低く、不均一なため受容できない。しかし、ＳｉおよびＳｉＯ２の６層の厚さを変化させて、光帯域全体にわたり反射率の均一性を向上させることができる。
【００２４】
図１１は、層厚に変化がある３組のＳｉ−ＳｉＯ２層を含み、４００ｎｍ〜７００ｎｍの光帯域内に中心を持たない複数の波長群を用いるＤＢＲ１１００を示す例証的な図である。図１１に示すように（λａ＝約５００ｎｍの場合）、最上位の組のＳｉ層１１０２を厚さ３６．５±２ｎｍに形成でき、最上位の組のＳｉＯ２層１１０３を厚さ８６．２±１ｎｍに形成できる。第２組のＳｉ層１１０４は（λａ＝５１０ｎｍの場合）厚さ３７．３±２ｎｍに形成でき、第２組のＳｉＯ２層１１０５を厚さ８７．９±１ｎｍに形成できる。第３組のＳｉ層１１０６は厚さ３８．０±２ｎｍに形成でき（λａ＝約５２０ｎｍの場合）、第３組のＳｉＯ２層１１０７を厚さ８９．７±１ｎｍに形成できる。その結果、ＤＢＲについて均一な反射率が光帯域全体にわたり得られる。図１２に、図１１に示す３組のＤＢＲにより得られた反射率の例証的なグラフを示す。図１２に示すように、光帯域全体にわたり図９における反射率よりも均一であり、４１０ｎｍ〜４５０ｎｍ帯域付近の受容できない不均一な反射率はもはや存在しない。
【００２５】
既に図１０に示したように、式（１）だけに従い形成された３組のＤＢＲの場合、反射率は４１０ｎｍ〜４５０ｎｍ付近でより低いため、受容できない。しかし、層の各対は、異なる反射率に基づいて選択された波長により形成されていてよい。例えば、第２組の層の層厚を後述の式（３）に従い決定できる。
（数３）
ｌｉ＝λ１／４ｎｉ  式（３）
ここに、λ１は、所望の光帯域にわたり反射性が最も低い波長である。第１組の層の厚さは、依然として式（１）に従い決定できる。第３組の層の層厚は後述の式（４）に従い決定できる。
（数４）
ｌｉ＝λ２／４ｎｉ  式（４）
ここにλ２は、式（３）に従い第２組の層厚が調整された後の、光帯域全体にわたり反射性が最も低い波長である。この方法は、ＤＢＲを形成する際に必要な層すべてについて繰り返すことができる。
【００２６】
図１３は、第１および第３組の層の層厚が式（１）に従い決定されていて、第２組の層の層厚が式（３）に従い決定されている場合に得られた反射性を示す例証的なグラフである。図１３に示すように、反射率は４００ｎｍ付近ではるかに高い。６５０ｎｍ超において反射率の減少が生じるが、ＤＢＲについて全体的な反射率は０．７を超える。図１４は、第１組の層の層厚が式（１）に従い決定され、第２組の層の層厚が式（３）に従い決定され、第３組の層の層厚が式（４）に従い決定されて得られた反射性を示す例証的なグラフである。図１４に示すように、ＤＢＲの反射率は図１３で用いたＤＢＲと比較して６５０ｎｍ超ではるかに高い。さらに、図１４における全体的な反射率は、図１３における全体的な反射率と比較して大幅に高いままであり、且つより均一である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】分光光度計の例証的な図である。
【図２】ＤＢＲ付き装置およびＤＢＲ無し装置により得られた反射率を比較する例証的なグラフである。
【図３】２組のＳｉ−ＳｉＯ２ＤＢＲの試験により得られた反射率を示す例証的なグラフである。
【図４】層厚がλ０／４ｎで決定される１組のＳｉ−ＳｉＯ２層をＤＢＲが含む場合に得られた反射率を示す例証的なグラフである。
【図５】層厚がλ０／４ｎからずれている１組のＳｉ−ＳｉＯ２層を含むＤＢＲの例証的な図である。
【図６】図５の１組のＤＢＲにより得られた反射率の例証的なグラフである。
【図７】層厚がλ０／４ｎで決定される２組のＳｉ−ＳｉＯ２層をＤＢＲが含む場合に得られた反射率の例証的なグラフである。
【図８】層厚がλ０／４ｎからずれている２組のＳｉ−ＳｉＯ２層を含むＤＢＲの例証的な図である。
【図９】図８の２組のＤＢＲにより得られた反射率の例証的なグラフである。
【図１０】層厚がλ０／４ｎで決定される３組のＳｉ−ＳｉＯ２層をＤＢＲが含む場合に得られた反射率の例証的なグラフである。
【図１１】層厚がλ０／４ｎからずれている３組のＳｉ−ＳｉＯ２層を含むＤＢＲの例証的な図である。
【図１２】図１１の３組のＤＢＲにより得られた反射率の例証的なグラフである。
【図１３】各組の層の層厚が、異なる反射率に基づいて選択された波長に従い決定される場合に得られた反射率を示す例証的なグラフである。
【図１４】各組の層の層厚が、異なる反射率に基づいて選択された波長に従い決定される場合に得られた反射率を示す別の例証的なグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１００  分光光度計、１１０  ファブリ−ペロー型キャビティ・フィルタ、１１５  四分の一波長Ｓｉ／ＳｉＮｘスタック、１２０  下部分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、１２５  エアギャップ・キャビティ、１３０  上部ＤＢＲ、１３５  透過型下部電極、１４０  透過型上部電極、１７５  光検出器、１８５  基板、１９０  シリコンウェハ、１９２  凹部、１９５  円形孔、１９９  光ファイバ、２０１，２０２  線、５００  ＤＢＲ、５０１  基板、５０２  ＳｉＯ２層、５０３  Ｓｉ層、８００  ＤＢＲ、８０１  基板、８０２，８０４  Ｓｉ層、８０３，８０５  ＳｉＯ２層、１１００  ＤＢＲ、１１０２，１１０４，１１０６  Ｓｉ層、１１０３，１１０５，１１０７  ＳｉＯ２層。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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