(57)【要約】【課題】より効率よく通信波長帯域へ適用可能なポラリトン導波路を提供する。【解決手段】シリコンからなる基板１０１の上に、ｎ型の不純物が高濃度に導入されたシリコンからなる膜厚５０ｎｍ程度のｎ型半導体層１０２、ｐ型の不純物が低濃度に導入されたシリコンからなる膜厚２０ｎｍ程度のｐ型半導体層１０３、及び酸化シリコンからなる膜厚３０〜５０ｎｍ程度の絶縁層１０４がこれらの順に積層されている。また、絶縁層１０４の上に金属からなる幅１μｍ程度の電極層１０５が形成されている。電極層１０５に正の方向にバイアス電圧を印加すると、ｐ型半導体層１０３と絶縁層１０４との界面のバンドが歪み、ｐ型半導体層１０３の側でバンドの底がフェルミエネルギー以下となり反転分布層が形成される。【選択図】  図１
2006343410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、
この第１電極の上に形成されてｎ型の不純物が導入されたｎ型半導体層と、
このｎ型半導体層の上に接して形成されたｐ型の不純物が導入されたｐ型半導体層と、
このｐ型半導体層の上に接して形成された絶縁層と、
この絶縁層の上に形成された第２電極と
を少なくとも備え、
前記ｐ型半導体層の前記絶縁層側の表面に誘起される表面プラズモンポラリトンが導波されることを特徴とするポラリトン導波路。
【請求項２】
請求項１記載のポラリトン導波路において、
前記第１電極と前記ｎ型半導体層との間に配置されて半導体からなるバッファ層を備えることを特徴とするポラリトン導波路。
【請求項３】
請求項１又は２記載のポラリトン導波路において、
前記表面プラズモンポラリトンは、前記第２電極が形成されている幅の間を導波する
ことを特徴とするポラリトン導波路。
【請求項４】
請求項１又は２記載のポラリトン導波路において、
前記ｎ型半導体層は、前記第１電極の周囲に形成され、
前記ｐ型半導体層は、前記ｎ型半導体層の周囲を覆うように形成され、
前記絶縁層は、前記ｐ型半導体層の周囲を覆うように形成され、
前記第２電極は、前記絶縁層の周囲に形成されている
ことを特徴とするポラリトン導波路。
【請求項５】
請求項１又は２記載のポラリトン導波路において、
前記絶縁層は、前記第２電極の周囲に形成され、
前記ｐ型半導体層は、前記絶縁層の周囲を覆うように形成され、
前記ｎ型半導体層は、前記ｐ型半導体層の周囲を覆うように形成され、
前記第１電極は、前記ｎ型半導体層の周囲に形成されている
ことを特徴とするポラリトン導波路。
【請求項６】
請求項１又は２記載のポラリトン導波路において、
前記第２電極の前記ｐ型半導体層とは反対側に形成された他のｐ型半導体層と、
前記第２電極とは反対側の前記他のｐ型半導体層の上に接して形成された他のｎ型半導体層と、
前記他のｐ型半導体層とは反対側の前記他のｎ型半導体層の上に形成された第３電極と、
前記ｐ型半導体層と前記他のｐ型半導体層との対向面を含む領域内に配置されて前記第２電極に形成された開口領域と、
前記第２電極と前記他のｐ型半導体層との間に形成された他の半導体層と
を備え、
前記半導体層と前記他の半導体層とは、前記開口領域で連通して一体に形成され、
前記ｐ型半導体層と前記他のｐ型半導体層との間隔は、前記ｐ型半導体層の前記絶縁層側の表面に誘起される第１表面プラズモンポラリトンと前記他のｐ型半導体層の前記他の半導体層側の表面に誘起される第２表面プラズモンポラリトンとが結合する範囲に形成されている
ことを特徴とするポラリトン導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属表面を伝播する光の伝播損失を低減した光導波路に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信の急速な進展に伴い大規模集積化に向けた超微細光回路実現の期待が高まっており、微細化に向けたいくつかの検討が進められている。従来の誘電体の屈折率差を利用して光閉じこめを行う光導波路技術を革新する手法として、金属導波路（ポラリトン導波路）の応用が提案されている（特許文献１，非特許文献１参照）。これは金属と誘電体との界面に局在しながら界面を伝搬する波動を利用するもので、従来の金属反射を利用する中空導波路とは原理的に異なる。表面を伝搬する波動は、電磁波の一種であり、表面プラズモンポラリトン（Surface Plasmon Polariton:ＳＰＰ）波と呼ばれる。
【０００３】
光を含む電磁波は、マックスエル（Ｍａｘｗｅｌｌ）の方程式から演繹される電場と磁場とが交番するサイクル構造を有する波動である。このサイクル構造に物質の素励起を組み込んだものがＳＰＰ波である。組み込み対象は、プラズマ振動（プラズモン）である。金属導波路では、伝導電子系がプラズモンを担う媒質となる。
【０００４】
一般に、素励起の電磁波サイクルヘの組み込みは、種々の要因により制限されるが、対称性が破壊される界面では可能となる。プラズマ振動は、進行方向に対して粗密分布を形成する縦波で、バルク金属中では、電子の振動による分極は変位電流と相殺されてｒｏｔＨ＝０となり、横波である電磁波への直接的組み込み（結合）は起こらない。しかし、金属表面では、自由空間側に存在するＴＭ波の電場により、垂直方向の電子の運動でも電子凝集領域が発生し、表面電子密度波（表面プラズモン）が形成される。このとき、表面プラズモンは、電磁場と結合していて電磁波のサイクル構造が形成されている（図７参照）。
【０００５】
表面プラズモンと自由空間の電磁波が結合した状態で伝搬するＳＰＰ波が存在するためには、電磁波の表面局在性が必要である。このためには、垂直方向で界面からのエネルギーの流出がないことが必要である。また、表面に沿った電場及び磁場成分は、連続でなければならない。これらを考慮すると、表面局在の条件を導出することができる。
【０００６】
図８は、誘電率がε1の媒質と誘電率がε2の媒質との界面における電磁波の場の成分を、ＴＭ波とＴＥ波の２つの固有モードに分けて示した説明図である。表面内の磁場Ｈxと、垂直及び進行方向に沿った電場成分Ｅy，Ｅzを有するＴＭモードでは、表面局在性と連続の条件から「２つの媒質の誘電率が異符号である」という条件が導出される。例えば、ε1＞０ならばε2＜０となる必要がある。このときエネルギーの進行方向は、２つの媒質でともにｚ方向であるためには、電場の垂直成分は界面を挟んで反転する必要があるが、これは電磁場では許される条件である。上述したように、金属表面でＳＰＰ波が発生するためには、金属の誘電率が負である必要があることがわかる。以下、金属の誘電率が負となる条件を考察する。
【０００７】
原子束縛性の小さい金属では、金属電子は、電子間相互作用及び結晶格子による散乱が無視できる自由電子ガスとして考えることができる。このような電子の運動方程式は、光の交番電場を外力と考えて、
【０００８】
ｍ（ｄ2／ｄｔ2）ｒ＋ｍγ（ｄ／ｄｔ）ｒ＝−ｅＥ・・・（１）
【０００９】
と示すことができる。なお、（１）式において、ｍは電子質量、ｒは電子の位置（ベクトル）、Ｅは光波の電場、γは電気伝導度に関するパラメータを表す。
【００１０】
角周波数γの光の電場Ｅは、振動項ｅｘｐ（−ｉωｔ）を含んでいること、実効電流密度Ｊを局所電子密度Ｎとその周辺の電子の速度ｄｒ／ｄｔを用いてＪ＝−θＮ（ｄ／ｄｔ）ｒと示せること、さらにこの電流による分極がＰ＝ｉＪ／ωであることを考慮すると、電子系の比誘電率εmは以下の（２）式に示すように導出できる。
【００１１】
εm＝１−（ωp／ω）2×（１−ｉ／ωτ）／｛１＋１／（ωτ）2｝・・・（２）
【００１２】
なお、ここでは、プラズマ振動数：ωp＝｛Ｎe2／（ｍε0）｝1/2、及び緩和時間：τ≡１／γ用いている。
【００１３】
光波と自由電子ガスとの相互作用は、比誘電率の実数部により特徴付けられる。プラズマ振動数を境に、高周波数（短波長）側では比誘電率となるのに対し、低周波数側（長波長）側では負となる。従って、光電子放出等の相互作用を除けば、通常の誘電体と同様に電子系は高周波数領域で光に対して透明媒体として振る舞う。一方、比誘電率が負となる低周波数領域では波数が虚数となるので、通常の電磁波は存在できない。このとき、入射しようとする光は表面で全反射する。
【００１４】
金属の誘電率が負となることが金属性の条件である。この金属性を強めるためには、式（２）からプラズマ振動数を高くすればよいことがわかる。このため、金属導波路においては、電子密度が高く有効質量（ｍ）が小さい金属が望まれる。図９に種々の金属材料の誘電率（実数部）の波長依存性を示す。Ｃｒを除きＡｕ，Ａｇ，Ｔａなどの貴金属系の材料のほか、広い波長帯で強い金属性を示すＡｌが、金属導波路には適用可能である。ただし、Ａｌは表面酸化により電導性が大幅に劣化しやすく、このことが、ＳＰＰ波の伝搬を阻害する要因となりうる。
【００１５】
表面局在するＳＰＰ波は、ＴＭ波であることが判明しているので、次に、電磁場に関する基礎方程式を、上記（１）式（マックスエル方程式）から導出する。ＳＰＰ波に対して指数関数的に減衰する特殊解を仮定して伝搬定数をβとすると、ＳＰＰ波は次のように記述できる。
【００１６】
Ｅ＝Ｅ0ｆ（ｙ）ｅｘｐ［ｉ（βｚ−ωｔ）］；Ｈ＝Ｈ0ｆ（ｙ）ｅｘｐ［ｉ（βｚ−ωｔ）］・・・（３）
ｆ（ｙ）＝ｅｘｐ（−Ｓ1ｙ）；ｙ≧０，＝ｅｘｐ（Ｓ2ｙ）；ｙ≦０・・・（４）
【００１７】
電磁場の各成分をマックスエル方程式に入れて連続の条件と合わせて解くと、伝搬定数βと減衰パラメータ（Ｓ１、Ｓ２）とは、次のように定めることができる。
【００１８】
β＝ｋ0｛（ε1εm）／（ε1＋εm）｝1/2；Ｓ1＝｛β2／（ε1ｋｏ）2｝1/2；Ｓ2＝｛β2／（εmｋｏ）2｝1/2・・・（５）
【００１９】
前述したように、媒質の誘電率が負であることが、ＳＰＰ波を利用できる条件となる。この条件は、通常の金属のほかフリーキャリアを有する半導体でも成立する。ただし、半導体をＳＰＰ波の導波路材料として利用する場合、半導体におけるフリーキャリア密度が問題となる。プラズマ周波数ωpは、フリーキャリアの密度Ｎで「ωp＝｛Ｎｅ2／（ｍε0）｝1/2」として決定され、キャリア密度が小さいとプラズマ周波数も小さくなる。これは、半導体の負の誘電率を持つ波長領域が、超長波長領域に限定されてしまうことを意味している。
【００２０】
しかしながら、半導体中のフリーキャリアの密度を増大させることで、半導体と誘電体との界面で、近赤外から赤外領域のＳＰＰ波を発生させ、発生させたＳＰＰ波を導波させる音が可能となる。このためには、例えば、半導体に価電子数の異なるドーピングを行い、電子数密度を高くして高ドープのｎ型の半導体とすればよい。例えばＳｉの場合には、Ｐをドーピングすることで、図１０に示すように、ｎ型の半導体となる。
【００２１】
金属を負の誘電率側の材料として用いる場合、金属の電子数密度が１０23ｃｍ-3程度であり、プラズマ振動の波長は１６０ｎｍ程度となる。このような波長の短いプラズマ振動では、効率よく結合して効率よく閉じこめることのできる光（ＳＰＰ波）の波長が紫外域となり、通信波長帯で用いられている近赤外の波長では、高い効率が得られない。これに対し、上述したように半導体を負の誘電率側の材料として用いれば、導入する不純物濃度により電子数密度の調整が可能であり、通信波長帯で用いられている波長の光を効率よく結合して効率よくＳＰＰ波を発生（励起）させ、発生したＳＰＰ波を効率よく閉じこめることが可能となる。
【００２２】
【特許文献１】特許第３３９１５２１号公報
【非特許文献１】片桐、他、「超微細光回路に向けたプラズモンモード金属光導波路」、レーザ研究、第３１巻、第４号、２４９頁から２５６頁、２００３年４月。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
しかしながら、高いキャリア密度を実現するために不純物を高濃度で半導体にドーピングすると伝播損失が増大する。すなわち、（５）式におけるβの虚数部から評価される損失係数は、図１１に示すように、金属性が強い近赤外領域で小さくなる傾向にある。特に１．５５μｍ近傍の光ファイバ通信で用いられる波長領域では、酸化の影響がないＡｕ−ＳｉＯ2界面で実用に供し得る１００ｃｍ-1以下の低損失性も得られているが、式（５）により評価できるβの虚数部の源泉である以下の（６）式に示される誘電率の虚数部のように緩和時間の関数として表され、この物理的意味であるキャリアの散乱により、ＳＰＰ波が減衰することが示されている。
【００２４】
εm(i)＝（ωp／ω）2×［ωτ／｛１＋（ωτ）2｝］・・・（６）
【００２５】
また、誘電率の虚数部は、図１２に示すように、光周波数が低くなるにつれ（波長が長くなるにつれ）指数関数的に増大する傾向にある。これは、周波数が低下するにつれ電子が交番電場に追従して長距離を移動することにより多くの散乱を受けるためである。見かけ上ＳＰＰの伝播損失が長波長側で低下するのは、誘電率の実数部が負でその絶対値が大きくなるからであって、損失の本質である誘電率の虚数部自体が小さくなることに起因したものではない。以上に説明したように、負の誘電率側の材料として半導体を用いたポラリトン導波路では、通信波長帯への適用が可能であるが、効率があまり高くないという問題があった。
【００２６】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より効率よく通信波長帯域へ適用可能なポラリトン導波路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明に係るポラリトン導波路は、第１電極と、この第１電極の上に形成されてｎ型の不純物が導入されたｎ型半導体層と、このｎ型半導体層の上に接して形成されたｐ型の不純物が導入されたｐ型半導体層と、このｐ型半導体層の上に接して形成された絶縁層と、この絶縁層の上に形成された第２電極とを少なくとも備え、ｐ型半導体層の絶縁層側の表面に誘起される表面プラズモンポラリトンが導波されるようにしたものである。第１電極に負、第２電極に正となるように電圧を印加すると、ｐ型半導体層の絶縁層側近傍に電子数密度が高くされた反転分布層が形成される。なお、第１電極とｎ型半導体層との間に配置されて半導体からなるバッファ層を備えるようにしてもよい。
【００２８】
上記表面プラズモンポラリトンは、第２電極が形成されている幅の間を導波するので、導波路としたい部分の併せて第２電極を形成すればよい。また、上記ポラリトン導波路において、ｎ型半導体層は、第１電極の周囲に形成され、ｐ型半導体層は、ｎ型半導体層の周囲を覆うように形成され、絶縁層は、ｐ型半導体層の周囲を覆うように形成され、第２電極は、絶縁層の周囲に形成されているようにし、円筒状の導波路が構成されているようにしてもよい。また、絶縁層は、第２電極の周囲に形成され、ｐ型半導体層は、絶縁層の周囲を覆うように形成され、ｎ型半導体層は、ｐ型半導体層の周囲を覆うように形成され、第１電極は、ｎ型半導体層の周囲に形成されているようにして円筒状の導波路が構成されているようにしてもよい。
【００２９】
また、上記ポラリトン導波路において、第２電極のｐ型半導体層とは反対側に形成された他のｐ型半導体層と、第２電極とは反対側の他のｐ型半導体層の上に接して形成された他のｎ型半導体層と、他のｐ型半導体層とは反対側の他のｎ型半導体層の上に形成された第３電極と、ｐ型半導体層と他のｐ型半導体層との対向面を含む領域内に配置されて第２電極に形成された開口領域と、第２電極と他のｐ型半導体層との間に形成された他の半導体層とを備え、半導体層と他の半導体層とは、開口領域で連通して一体に形成され、ｐ型半導体層と他のｐ型半導体層との間隔は、ｐ型半導体層の絶縁層側の表面に誘起される第１表面プラズモンポラリトンと他のｐ型半導体層の他の半導体層側の表面に誘起される第２表面プラズモンポラリトンとが結合する範囲に形成されているようにしてもよい。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように、本発明によれば、ｎ型の不純物が導入されたｎ型半導体層と、この上に接して形成されたｐ型の不純物が導入されたｐ型半導体層と、この上に接して形成された絶縁層とにより、ｐ型半導体層の絶縁層側近傍に電子数密度が高くされた反転分布層が形成されるようにしたので、より効率よく通信波長帯域へ適用可能なポラリトン導波路が実現できるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるポラリトン導波路の構成例を示す斜視図である。図１に示すポラリトン導波路は、例えばシリコンからなる基板１０１の上に、ｎ型の不純物が高濃度に導入されたシリコンからなる膜厚５０ｎｍ程度のｎ型半導体層１０２、ｐ型の不純物が低濃度に導入されたシリコンからなる膜厚２０ｎｍ程度のｐ型半導体層１０３、及び酸化シリコンからなる膜厚３０〜５０ｎｍ程度の絶縁層１０４がこれらの順に積層されている。
【００３２】
加えて、図１に示すポラリトン導波路では、絶縁層１０４の上に金属からなる幅１μｍ程度の電極層１０５が形成されている。ｎ型半導体層１０２は、例えばリン（Ｐ）が不純物として１０18ｃｍ-3程度導入されている。また、ｐ型半導体層１０３は、例えばボロン（Ｂ）が１０13ｃｍ-3程度導入されている。なお、例えば、基板１０１に不純物を導入して導電性を付与することで、電極層１０５の対となる他方の電極することができる。また、図示しない金属電極を、基板１０１の裏面側に配置し、電極層１０５の対となる他方の電極としてもよい。この場合、基板１０１が、半導体バッファ層となる。ところで、シリコンに限らず、他の半導体材料を用いるようにしてもよいことは、言うまでもない。
【００３３】
図１に示すポラリトン導波路における層厚方向のバンドダイアグラムを図２に示す。ｎ型半導体層１０２とｐ型半導体層１０３との接合部分では、フェルミエネルギーＥFを同一にしようとするケミカルポテンシャルの力が働くため、図２に示すように、接合界面でバンドが大きく歪んでいる。ｎ型半導体層１０２ではドーピングにより放出された電子が、伝導体に存在する。一方、ｐ型半導体層１０３では、ドーパントが価電子帯の電子を吸収するため、少数のキャリア（正孔）が価電子帯に存在するのみである。
【００３４】
このようなｐ型半導体層１０３の外側に絶縁層１０４を介して電極層１０５を配置し、正の方向にバイアス電圧を印加すると、ｐ型半導体層１０３と絶縁層１０４との界面のバンドが歪み、ｐ型半導体層１０３の側でバンドの底がフェルミエネルギー以下となり反転分布層２０１が形成される。このようにして形成された反転部分層２０１は、ｐ型半導体層１０３の絶縁層１０４側のごく表面の浅い部分に形成されるため、蓄積する電子数密度は高くなる。このため、この反転分布層２０１と絶縁層１０４との界面にＳＰＰ波が発生し得る。さらに、ｐ型半導体層１０３層を薄くすると、ｎ型半導体層１０２に蓄積している電子をトンネルにより反転分布層２０１に移動させることができる。
【００３５】
ＳＰＰ波は界面に局在し、特に負の誘電率を持つ媒質（半導体層）側では高々数ナノメートルの領域に存在し、半導体側でＳＰＰ波が存在するのはｐ型半導体層１０３の領域である。このため、図２に示すようなバンド構成では、高濃度のドーピングを施した電子供給領域（ｎ型半導体層１０２）と、低濃度のドーピングで電子散乱源の数を減らして緩和時間を増大させたＳＰＰ波伝播領域（ｐ型半導体層１０３）とを分離することが可能となる。従って、図１に示す構成のポラリトン導波路によれば、高キャリア密度と低損失（低抵抗）を同時に達成することができる。
【００３６】
上述した構成の図１に示すポラリトン導波路によれば、反転分布層２０１は電極層１０５が配置されている領域に形成される。従って、図１に示すポラリトン導波路では、電極層１０５が配置されている領域にＳＰＰ波が導波する。また、図１に示すポラリトン導波路では、例えば、一方の端部より光が入射すると、端部に露出するｐ型半導体層１０３の表面で、表面プラズモンと入射光とが結合したＳＰＰ波が発生（誘起）し、発生したＳＰＰ波が導波路を導波する。また、他方の端部において、導波してきたＳＰＰ波による表面プラズモンより光が励起されて出力（発振）する。
【００３７】
ところで、半導体がシリコンの場合、不純物のドーピングの限界は、１０19ｃｍ-3程度であり、金属の電子数密度１０23ｃｍ-3に比較して４桁ほど小さい。しかしながら、前述したように形成される反転分布層２０１は、表面より数ナノメートルの領域に電子を閉じこめているので、この領域では、電子数密度が大幅に増大した状態とされている。特に、反転分布層２０１は、絶縁層１０４の側の表面のポテンシャルが最も低く、伝導帯端が尖っている三角形状のポテンシャル分布となっているので、電子が表面に集中しやすい状態となっている。
【００３８】
ここで、電子数密度（ρ）は、「ρ＝Ｎ／Ｌ3・・・（７）」で示され、さらに、表面電子数密度（ρs）は、「ρs＝Ｎ／Ｌ2」で示され、ρ＝Ｌρsという関係がある。ドーパントから１個の電子が供給されるとして１０15ｃｍ-2程度の表面電子数密度を仮定すると、反転分布層２０１は、層厚が１ｎｍ程度であるので、ここに電子が集約されるものと考えると、反転分布層２０１の電子数密度は、１０22ｃｍ-2と試算される。従って、反転分布層２０１が形成される半導体層の表面におけるプラズマ周波数は、金属を用いた場合のプラズマ周波数の高々１／３倍程度に減少するだけである。典型的な金属であるＡｕのプラズマ波長は約１６０ｎｍなので、反転分布層２０１におけるプラズマ波長は４８０ｎｍ程度となり、半導体（ｐ型半導体層１０３）の表面の反転分布層２０１においては、可視から近赤外領域のＳＰＰ波を発生させて導波させることが可能となる。
【００３９】
次に、本発明の実施の形態における他のポラリトン導波路について説明する。図３は、本発明の実施の形態における他のポラリトン導波路の構成例を模式的に示す断面図である。図３に示すポラリトン導波路は、中央部に配置された中心電極層３０１と、この周囲に配置された半導体バッファ層３０２と、この周囲に配置されたｎ型半導体層３０３と、この周囲に配置されたｐ型半導体層３０４と、この周囲に配置された絶縁層３０５と、この周囲に配置された外周電極層３０６とから構成されている。中心電極層３０１は、直径が数μｍから数十μｍ程度の金属線から構成することできる。また、中心電極層３０１は、導電性材料からなる直径が数十ｎｍ程度の細線から構成してもよく、例えば、カーボンナノチューブから構成することも可能である。
【００４０】
半導体バッファ層３０２，ｎ型半導体層３０３，及びｐ型半導体層３０４は、例えばシリコンから構成されている。ｎ型半導体層３０３は、例えばリン（Ｐ）が不純物として１０18ｃｍ-3程度導入され、ｐ型半導体層３０４は、例えばボロン（Ｂ）が１０13ｃｍ-3程度導入されている。また、絶縁層３０５は、例えば酸化シリコンなどの酸化物、もしくはポリイミドなどの有機樹脂であればよい。半導体バッファ層３０２，ｎ型半導体層３０３，及びｐ型半導体層３０４の各半導体層は、層厚が数十ｎｍ程度である。これに対し、外周電極層３０６による影響を抑制するために、絶縁層３０５は、数百ｎｍから数μｍ程度と厚い方がよい。なお、外周電極層３０６は、例えば金属から構成されていればよい。
【００４１】
図３に示すポラリトン導波路においても、図１に示すポラリトン導波路と同様に、中心電極層３０１と外周電極層３０６との間に、正の方向にバイアス電圧を印加する（外周電極層３０６が正）ことで、ｐ型半導体層３０４の絶縁層３０５側の表面に反転分布層が形成され、ｐ型半導体層３０４の表面には、反転分布層の電子数密度に対応するプラズマ波長の表面プラズモンが誘起される。従って、図３に示すポラリトン導波路では、ｐ型半導体層３０４の絶縁層３０５側の表面をＳＰＰ波が導波する。図３に示すポラリトン導波路では、例えば、一方の端部より光が入射すると、端部に露出するｐ型半導体層３０４の界面（表面）で、表面プラズモンと光とが結合したＳＰＰ波が発生（誘起）し、発生したＳＰＰ波が導波路を導波する。このＳＰＰ波のモード形状は、円筒状となる。このような図３に示すポラリトン導波路によれば、従来の石英系の光ファイバの直径（１２５μｍ）よりも、１０分の１以下と大幅に細くすることが可能である。
【００４２】
次に、本発明の実施の形態における他のポラリトン導波路について説明する。図４は、本発明の実施の形態における他のポラリトン導波路の構成例を模式的に示す断面図である。図４に示すポラリトン導波路は、中央部に配置された中心電極層４０１と、この周囲に配置された絶縁層４０２と、この周囲に配置されたｐ型半導体層４０３と、この周囲に配置されたｎ型半導体層４０４と、この周囲に配置された半導体バッファ層４０５と、この周囲に配置された外周電極層４０６とから構成されている。中心電極層４０１は、直径が数μｍから数十μｍ程度の金属線から構成することできる。同様に、外周電極層４０６は、例えば金属から構成されていればよい。
【００４３】
絶縁層４０２は、例えば酸化シリコンなどの酸化物、もしくはポリイミドなどの有機樹脂であればよい。また、ｐ型半導体層４０３，ｎ型半導体層４０４，及びバッファ層４０５は、例えばシリコンから構成されている。ｐ型半導体層４０３は、例えばボロン（Ｂ）が１０13ｃｍ-3程度導入され、ｎ型半導体層４０４は、例えばリン（Ｐ）が不純物として１０18ｃｍ-3程度導入されている。なお、ｐ型半導体層４０３，ｎ型半導体層４０４，及びバッファ層４０５の各半導体層は、層厚が数十ｎｍ程度であればよい。
【００４４】
図４に示すポラリトン導波路においても、図１及び図３に示すポラリトン導波路と同様に、外周電極層４０６と中心電極層４０１との間に、正の方向にバイアス電圧を印加する（中心電極層４０１が正）ことで、ｐ型半導体層４０３の絶縁層４０２側の表面に反転分布層が形成され、ｐ型半導体層４０３の表面には、反転分布層の電子数密度に対応するプラズマ波長の表面プラズモンが誘起される。従って、図４に示すポラリトン導波路では、ｐ型半導体層４０３の絶縁層４０２側の表面をＳＰＰ波が導波する。図４に示すポラリトン導波路では、例えば、一方の端部より入射した光が、端部に露出するｐ型半導体層４０３の界面（表面）で、表面プラズモンと光とが結合したＳＰＰ波が発生（誘起）し、発生したＳＰＰ波が導波路を導波する。なお、図３，４に示すポラリトン導波路は、断面の形状が真円である必要はなく、例えば、楕円形状であってもよい。
【００４５】
に、本発明の実施の形態における他のポラリトン導波路について説明する。図５は、本発明の実施の形態における他のポラリトン導波路の構成例を模式的に示す断面図である。図５に示すポラリトン導波路は、まず、例えばシリコンからなる基板５０１の上に、金属からなる下部電極層５０２を備えている。また、下部電極層５０２の上に、下部ｎ型半導体層５０３、下部ｐ型半導体層５０４、絶縁層５０５、上部ｐ型半導体層５０６、上部ｎ型半導体層５０７、及び上部電極５０８がこれらの順に積層され、これらで図５の紙面の法線方向（導波方向）に延在する導波路構造体が形成されている。また、絶縁層５０５の層厚方向の中間部には、中央部に開口領域を備えたグリッド電極５０９が設けられている。グリッド電極５０９の開口領域は、導波路構造体の導波方向に延在して開口している。
【００４６】
なお、下部ｎ型半導体層５０３及び上部ｎ型半導体層５０７は、ｎ型の不純物（例えばＰ）が高濃度（例えば５０18ｃｍ-3程度）に導入されたシリコンから構成され、膜厚５０ｎｍ程度に形成されている。また、下部ｐ型半導体層５０４及び上部ｐ型半導体層５０６は、ｐ型の不純物が低濃度に導入されたシリコンから構成され、膜厚２０ｎｍ程度に形成されている。また、絶縁層５０５は、酸化シリコンから構成されて膜厚５０ｎｍ程度に形成されている。なお、下部電極層５０２の上に、下部ｎ型半導体層５０３、下部ｐ型半導体層５０４、絶縁層５０５、上部ｐ型半導体層５０６、上部ｎ型半導体層５０７、及び上部電極５０８は、リッジ状の構造体に形成されている必要はない。ＳＳＰ波を導波させようとする導波路において、グリッド電極５０９の開口領域が導波方向に形成されていればよい。
【００４７】
図５に示すポラリトン導波路では、グリッド電極５０９に正、下部電極層５０２及び上部電極５０８に負の電圧を印加することで、下部ｐ型半導体層５０４及び上部ｐ型半導体層５０６の絶縁層５０５側の表面より反転分布層が形成されるようになる。このことにより、下部ｐ型半導体層５０４の絶縁層５０５側の表面及び上部ｐ型半導体層５０６の絶縁層５０５側の表面には、各々ＳＰＰ波が発生可能となる。
【００４８】
また、図５に示すポラリトン導波路では、絶縁層５０５の膜厚が薄くされ、両方のＳＰＰ波が、同位相で結合された状態とされている。なお、グリッド電極５０９の中央部には開口領域が設けられて電場が通過可能とされ、上述した両方のＳＰＰ波の結合を可能としている。このような構成とされた図５に示すポラリトン導波路では、導波するＳＰＰ波（ポラリトン）の断面方向の電磁場の分布は、図６に示すように、下部ｐ型半導体層５０４の絶縁層５０５側の表面及び上部ｐ型半導体層５０６の絶縁層５０５側の表面の両者において極大値を持つ。
【００４９】
ここで、下部電極層５０２と上部電極５０８との間隔によらず、常に両方のＳＰＰ波が存在する結合モードが存在することが知られている。この結合モードの中には、両者の位相が１８０°ずれて結合した状態のものもあり、このような場合、下部ｐ型半導体層５０４と上部ｐ型半導体層５０６との間隔が小さすぎると、ＳＰＰ波が消滅してしまう。これに対し、前述したように同位相で結合するモードでは、真空波長以下の狭い領域でもＳＳＰ波が存在可能であるため、図５に示すポラリトン導波路は、非常に小さな寸法とすることが可能であり、微小光回路を構成する上で有用である。なお、開口領域の寸法（幅）は、下部ｐ型半導体層５０４と上部ｐ型半導体層５０６との間隔に適合させて適宜設定すればよい。
【００５０】
なお、グリッド電極５０９の開口領域において、導波するＳＳＰ波の波長と整合する間隔のメッシュ（網目）が形成されていてもよい。言い換えると、ＳＳＰ波が導波する方向にこの波長と整合する間隔で、開口領域に掛け渡されている複数の架橋部が形成されていてもよい。また、言い換えると、ＳＳＰ波が導波する方向にこの波長と整合する間隔で、グリッド電極５０９に複数の開口部が形成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態におけるポラリトン導波路の構成例を示す斜視図である。
【図２】図１に示すポラリトン導波路における層厚方向のバンドダイアグラムを示すバンド図である。
【図３】本発明の実施の形態における他のポラリトン導波路の構成例を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態における他のポラリトン導波路の構成例を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態における他のポラリトン導波路の構成例を模式的に示す断面図である。
【図６】図５に示すポラリトン導波路を導波するＳＰＰ波（ポラリトン）の断面方向の電磁場の分布を示す分布図である。
【図７】表面プラズモンが電磁場と結合していて電磁波のサイクル構造が形成されている状態を示す説明図である。
【図８】誘電率がε1の媒質と誘電率がε2の媒質との界面における電磁波の場の成分を、ＴＭ波とＴＥ波の２つの固有モードに分けて示した説明図である。
【図９】種々の金属材料の誘電率（実数部）の波長依存性を示す特性図である。
【図１０】Ｐがドーピングされてｎ型とされたＳｉの状態を説明するための説明図である。
【図１１】各金属導波路における（５）式におけるβの虚数部から評価される損失係数を説明するための特性図である。
【図１２】誘電率の虚数部が、光周波数が低くなるにつれ（波長が長くなるにつれ）指数関数的に増大する状態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０１…基板、１０２…ｎ型半導体層、１０３…ｐ型半導体層、１０４…絶縁層、１０５…電極層、２０１…反転分布層。
【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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