(57)【要約】  表面波を利用した電磁波共振器において、既存技術で過度の困難性なく実現できるとともに、正誘電体領域に電圧を印加できるようにすることで、従来、熱励起しか利用できなかったことによる種々の問題を解消する電磁共振器構造を与えることを課題とする。  この種の電磁波共振器が必要とする負誘電体／正誘電体／負誘電体の接触構造を、負誘電体１表面に、Ｙ軸方向に伸びる正誘電体薄膜３とその中に設けられる負誘電体２の同軸構造を軸方向に切断したような構造を設ける。これにより、正誘電体薄膜３を両側から挟む２つの負誘電体１，２は電気的に絶縁されるため、正誘電体膜３に電圧を印加できる。また、負誘電体１中に設けられ正誘電体膜３を収容する領域のアスペクト比Ｄ／Ｐ１は１．９程度と、十分実現可能な値におさまっている。
2011108562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の（ａ）から（ｃ）を設けた、表面波を利用した電磁波共振器。
（ａ）Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる３次元座標系のＺ軸に沿う方向を電磁波の入出力される主方向としたとき、＋Ｚ方向を向いた表面上にＹ軸方向に伸びる溝を有する第１の負誘電体。
（ｂ）前記第１の負誘電体表面上の溝の内面に設けられた正誘電体薄膜。
（ｃ）前記正誘電体薄膜の前記第１の負誘電体と反対側の面が形成する溝上に設けられた第２の負誘電体。
【請求項２】
前記第１の負誘電体の表面上の前記溝がＸ軸方向に複数配列された、請求項１に記載の電磁波共振器。
【請求項３】
前記複数の溝は周期的に配列された、請求項２に記載の電磁波共振器。
【請求項４】
前記溝は幅が異なる複数の領域を有する、請求項１に記載の電磁波共振器。
【請求項５】
前記複数の領域は、それぞれがＹ軸方向に一定の長さで継続する、請求項４に記載の電磁波共振器。
【請求項６】
前記複数の領域のＹ軸方向の長さを、表面波の波長λｐに対して１／２倍以上、３／２倍以下と選択する、請求項５に記載の電磁波共振器。
【請求項７】
前記正誘電体薄膜の厚さは１０ｎｍ〜０．２ｎｍである、請求項１に記載の電磁波共振器。
【請求項８】
前記第１の負誘電体と前記第２の負誘電体は導電性であるとともに互いに電気的に絶縁された、請求項１に記載の電磁波共振器。
【請求項９】
前記第１の負誘電体及び前記第２の負誘電体は金属である、請求項８に記載の電磁波共振器。
【請求項１０】
前記第１及び前記第２の負誘電体と前記正誘電体薄膜との間の一部に他の膜を介在させるかまたは前記正誘電体膜を一部の領域で他の領域よりも厚くした、請求項１に記載の電磁波共振器。
【請求項１１】
以下の（ａ）から（ｄ）のステップを設けた、表面波を利用した電磁波共振器の製造方法。
（ａ）第１の負誘電体の表面に直線状に伸びる溝を設ける。
（ｂ）前記第１の負誘電体の表面に正誘電体薄膜を設ける。
（ｃ）前記正誘電体薄膜上に第２の負誘電体を設ける。
（ｄ）前記第２の負誘電体を表面から平坦に除去することにより、少なくとも前記正誘電体薄膜の表面が形成する溝を埋めている以外の前記第２の負誘電体を除去する。
【請求項１２】
前記ステップ（ｂ）は原子層堆積法、化学的気相成長法、スパッタリングまたは蒸着法により行われる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ステップ（ｂ）は前記第１の負誘電体の表面を酸化または窒化して酸化物または窒化物の薄膜を形成することにより行われる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記ステップ（ｄ）は化学機械研磨法またはプラズマエッチングにより行われる請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２の負誘電体を一部除去して前記正誘電体薄膜の表面の一部を露出させる、請求項１１から請求項１４の何れかに記載の方法。
【請求項１６】
以下の（ａ）から（ｆ）のステップを設けた、表面波を利用した電磁波共振器の製造方法。
（ａ）基板の表面に直線状に伸びる突起部を設ける。
（ｂ）前記基板の表面に正誘電体薄膜を設ける。
（ｃ）前記正誘電体薄膜上に第１の負誘電体を設ける。
（ｄ）前記基板を除去する。
（ｅ）前記基板が除去された前記正誘電体薄膜上に第２の負誘電体を設ける。
（ｆ）前記第２の負誘電体を表面から平坦に除去することにより、少なくとも前記正誘電体薄膜の前記第２の負誘電体側の表面が形成する溝を埋めている以外の前記第２の負誘電体を除去する。
【請求項１７】
前記ステップ（ｂ）は原子層堆積法、化学的気相成長法、スパッタリングまたは蒸着法により行われる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記基板はシリコンであり、前記ステップ（ｂ）は前記シリコンの酸化物、窒化物または炭化物を形成することにより行われる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記ステップ（ｆ）は化学機械研磨法またはプラズマエッチングにより行われる、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記第２の負誘電体を一部除去して前記正誘電体薄膜の表面の一部を露出させる、請求項１６から請求項１９の何れかに記載の方法。
【請求項２１】
以下の（ａ）から（ｃ）のステップを設けた、表面波を利用した電磁波共振器の製造方法。
（ａ）基板の表面に第２の負誘電体からなるストライプを直線状に設ける。
（ｂ）前記ストライプが設けられた前記基板の表面に正誘電体薄膜を設ける。
（ｃ）前記正誘電体薄膜の表面に第１の負誘電体を設ける。
【請求項２２】
以下のステップ（ｄ）を更に設けた請求項２１に記載の方法。
（ｄ）前記基板を除去する。
【請求項２３】
以下のステップ（ｅ）を更に設けた請求項２２に記載の方法。
（ｅ）前記基板の除去により現れた面を平坦に除去する。
【請求項２４】
前記ステップ（ｅ）は化学機械研磨法またはプラズマエッチングにより行われる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記ステップ（ｂ）は原子層堆積法、化学的気相成長法、スパッタリングまたは蒸着法により行われる、請求項２１から請求項２４の何れかに記載の方法。
【請求項２６】
前記第１の負誘電体を一部除去して前記正誘電体薄膜の表面の一部を露出させる、請求項２１から請求項２４の何れかに記載の方法。
【請求項２７】
請求項１から請求項１０の何れかに記載の電磁波共振器の前記第１の負誘電体と前記第２の負誘電体の間に電圧を印加する電磁波発生素子。
【請求項２８】
印加により生じる電子のエネルギーが前記電磁波共振器の共振波長を有する電磁波の光子のエネルギーの１００〜１７０％になるように電圧を設定した、請求項２７に記載の電磁波発生素子。
【請求項２９】
請求項４から請求項６の何れかに記載の電磁波共振器の前記第１の負誘電体と前記第２の負誘電体の間に電圧を印加して用いるトンネル発光光源であって、前記溝の幅が異なる複数の領域のそれぞれ異なる共鳴波長に対応した印加電圧を切り替えることにより所望の領域だけを発光させることを特徴とする、トンネル発光光源。
【請求項３０】
請求項４から請求項６の何れかに記載の電磁波共振器の前記第１の負誘電体と前記第２の負誘電体の間に電圧を印加して用いる分析器であって、前記溝の幅が異なる複数の領域の放射波長を設定しておき、それぞれの放射波長に対応する印加電圧を切り替えることにより前記設定しておいた波長だけを放射させて検出することを特徴とする、分析器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明は、マイクロ波、ミリ波、テラヘルツ波、赤外線、可視光線、紫外線などの様々な周波数領域において電磁界を増強するために用いられる、波長と同程度かそれより微小な寸法を有する電磁波共振器とその製造方法、およびそれを用いた電磁波発生素子に関するものである。中でも特に、金属材料を用いた、赤外線から紫外線の光領域の電磁波の共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁波共振器は、コヒーレントな電磁波の発生や増幅、周波数選択、電磁界の増強による高感度電磁波検出や各種非線形効果の発現のために不可欠な素子である。【０００３】
中でも、負誘電体と正誘電体との界面に存在する表面波を利用した電磁波共振器は、小さな体積に大きな電磁界を閉じ込めることができるので、特に大きな電磁波発生効果などを持つ構造として注目を集めている。【０００４】
ここで、正誘電体とは、誘電率の実数部が正の値であるもの、負誘電体とは、誘電率の実数部が負の値であるものである。正誘電体は、一般的な非金属材料が該当し、具体的にはガラス、セラミクス、半導体、高分子、液体などが挙げられる。また、上記定義によると、空気やその他の気体、真空の空間も正誘電体と呼べる。一方、負誘電体は、特定の材料からなる物体が特定の周波数帯域においてのみ上記のような性質を有する、というものである。代表的なものに、プラズマ周波数よりも低周波数、つまり可視光線や赤外線領域における金属材料が挙げられる。この他に、遠赤外光領域からテラヘルツ波領域における炭化ケイ素や各種イオン結晶などの大きな格子振動の共鳴を示す材料、超伝導エネルギーギャップよりも低周波数のテラヘルツ波領域からマイクロ波領域における超伝導状態の超伝導材、キャリアが励起された状態のシリコンなどの半導体材料、などがある。【０００５】
また、表面波とは、その電磁界の振幅が界面において最大値を取り、界面から離れるに従って指数関数的に減衰するような分布を持ち、界面に沿って伝搬するような電磁波モードのことである。負誘電体を金属材料とする場合の赤外線、可視光線領域での表面波は表面プラズモンまたは表面プラズモンポラリトン、負誘電体が炭化ケイ素や各種イオン結晶である場合のテラヘルツ波、赤外線領域での表面波は表面ポラリトンまたは表面フォノンポラリトンと呼ばれる。【０００６】
このような電磁波共振器を用いた電磁波発生素子の典型的なものに、例えば特許文献１に開示された、金属矩形空洞を共振器として用いる赤外線発生素子がある。この素子は、金属矩形空洞を配列した格子を加熱することにより、共振器における表面プラズモンの共鳴を誘起し、特定の波長の赤外線の熱放射を増強するものである。【０００７】
［共振器の作製上の問題］
しかしながら、従来の金属矩形空洞型の電磁波共振器では、所定の波長で共鳴を得るためには、幅が狭くて深さの大きな、アスペクト比（深さ／幅）の高い微細構造を作製する必要があった。例えば、特許文献１によれば、波長２．５２μｍを得るためには、幅０．０４１μｍ、深さ０．３７８μｍ、アスペクト比９．２、波長４．０μｍを得るためには、幅０．１μｍ、深さ０．６６μｍ、アスペクト比６．６、波長６．０μｍを得るためには、幅０．１５５μｍ、深さ１．１３μｍ、アスペクト比７．３、という構造が必要である。いずれも、通常のフォトリソグラフィでは実現できないほど幅が小さく、通常のエッチングや型転写では実現できないほどアスペクト比の高い構造である。このような構造を実現するには特別の工夫を要し、容易ではない。【０００８】
［熱放射という原理上の問題］
また、共振器から電磁波を発生させる原理として、熱放射現象を用いることからもいくつかの問題が生じていた。熱放射により得られる最大強度はプランクの法則により厳密に制限されている。高い強度の放射を得るためには共振器の温度を高くすることが必須であるが、そのために利用できる材料が耐熱性の高いものに制限され、多くの設計上の制約が生じていた。先述のような微細でアスペクト比の高い構造を高温環境に維持したり、温度上昇・下降を繰り返すことから、耐久性の面でも厳しい要求に応える必要があった。また、電磁波共振器には一般に離散的な様々な次数の共鳴が現れることが避けられないが、そのいずれもがプランクの法則に従って放射に寄与し、特定の次数の波長だけを放射させることができなかった。さらに、分析システムに赤外線発生素子を利用する場合には、多くの場合、高感度検出のために光源の輝度を変調してロックイン検出することが行われるが、従来の光源はエネルギー源として熱を利用していたために応答が緩慢で、効率の良い分析が難しかった。【０００９】
［熱放射という原理を用いざるを得なかったことの由来となる問題］
そもそも、従来、熱放射を原理として利用せざるを得なかったのは、共振器の根本的な構造に起因するものであった。発光素子に利用できる熱放射以外の発光機構には、半導体中の電子と正孔の再結合発光、無機材料や有機材料におけるエレクトロルミネッセンス、カソードルミネッセンス、トンネル発光などがあるが、これらはいずれも共振器の正誘電体部分に電流を流す必要のある方法である。しかし、従来の共振器構造では、正誘電体領域を取り巻く負誘電体領域がすべて連結されて導通しており、正誘電体領域に電圧を印加して、電流を流すことができなかった。そのため、これらの多彩な発光機構を利用することができなかった。【００１０】
なお、トンネル発光現象については、非特許文献１に記載されているが、トンネル発光素子を共振器構造に組み込むことは示されていない。この文献では低温にて発光実験を行っているが、その後の多くの研究により、室温でも同様の発光が生じることが明らかになっている。【００１１】
また、電磁波共振器の基本となる物理現象は、正誘電体薄膜でできたコアを負誘電体材料でできたクラッドによりはさんだスラブ導波路の伝搬表面波が、導波路の端面で反射されることにより起こる共鳴現象である。この共鳴現象の詳細については特許文献２および非特許文献２に記載されているが、概略、以下のような特徴を有する。【００１２】
正誘電体コアが負誘電体クラッドにはさまれたスラブ導波路には複数のモードの表面波が存在するが、特にその最低次モードの表面波、より正確には、正誘電体と負誘電体の界面に垂直な電界成分を有し、カットオフ周波数を有さないモードの表面波が有用である。この表面波の一つの特徴は、自由空間（導波路外部の空間を指し、空気、真空、液体など、具体的な媒質は問わない）を伝搬する平面波と同じ電磁界の対称性を持つので、導波路端面から平面波を照射するだけで容易に励起できるし、逆に端面から自由空間に電磁波を放射することもできることである。もう一つの特徴は、その表面波の波長λＰが、真空中を伝搬するときの波長（真空波長）λ０に比べて短く、コア厚さＴが小さくなるほどますます短くなることである。具体的な真空波長λ０と表面波波長λＰの関係式は特許文献２に示されている。【００１３】
このような表面波が導波路の端面に到達した時、表面波は反射され、導波路へと再び戻っていく。この時の反射率はコア厚さＴが小さいほど高くなる。入射波に対してどのような位相関係で反射されるかは、端面の状態により決まる。端面の先が正誘電体で覆われている場合（開放端と呼ぶ）には、端面にて電界が極大になるような位相関係で反射する。従って、伝搬方向の両端が開放端の場合には、ＸＺ断面内での導波路の長さＬが（１／２）λＰ、（２／２）λＰ、（３／２）λＰ、・・・に一致するような飛び飛びの波長λＰの表面波が共鳴する。つまり、このような導波路はこれらの波長を持った表面波に対する共振器として働く。ただし、厳密に言うと、開放端において電界が正確に極大になるわけではなく、多少のしみ出しが起こる。そのため、設計にあたっては若干の補正（気柱の共鳴において有名な開口端補正と同様）が必要である。適切な数値計算手法により、マックスウェル方程式の厳密計算を行い、正誘電体コア内部およびその近傍に蓄積される電磁気的エネルギーが極大になる条件を探せば、目的の真空波長λ０の電磁波がちょうど共鳴するような導波路長を正確に求めることができる。
以上が特許文献２において開示されている電磁波の共鳴現象であるが、特許文献２においては、スラブ導波路が、ＸＺ断面内で直線形状をなしていることを事実上の前提としていた。したがって、スラブ導波路が、直線形状以外の場合に共鳴が維持されることは示唆されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開  ＷＯ  ２００７／１３９０２２  Ａ１
【特許文献２】国際公開  ＷＯ  ２００６／０９３０５６  Ａ１
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ｊ．  Ｌａｍｂｅ  ａｎｄ  Ｓ．  Ｌ．  ＭｃＣａｒｔｈｙ，“Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｆｒｏｍ  Ｉｎｅｌａｓｔｉｃ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ”，  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌｕｍｅ  ３７，  Ｎｕｍｂｅｒ  １４，  ｐｐ．  ９２３−９２５，  １９７６．
【非特許文献２】Ｙ．  Ｋｕｒｏｋａｗａ  ａｎｄ  Ｈ．  Ｔ．  Ｍｉｙａｚａｋｉ，  “Ｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｍｅｔａｌ  ｐｌａｓｍｏｎ  ｎａｎｏｃａｖｉｔｉｅｓ：  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ”，  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ，  Ｖｏｌｕｍｅ  ７５，  Ｎｕｍｂｅｒ  ３，  ０３５４１１，  ２００７．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、表面波を利用した電磁波共振器において、既存技術で過度の困難性なく実現できるとともに、正誘電体領域に電圧を印加できるようにすることで、従来、熱励起しか利用できなかったことによる上述の問題点を解消する電磁共振器構造を与えることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の課題を解決するため、本発明は以下のような手段を提供する。【００１８】
発明１においては、以下の（ａ）から（ｃ）を設けた、表面波を利用した電磁波共振器が与えられる。
（ａ）Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる３次元座標系のＺ軸に沿う方向を電磁波の入出力される主方向としたとき、＋Ｚ方向を向いた表面上にＹ軸方向に伸びる溝を有する第１の負誘電体。
（ｂ）前記第１の負誘電体表面上の溝の内面に設けられた正誘電体薄膜。
（ｃ）前記正誘電体薄膜の前記第１の負誘電体と反対側の面が形成する溝上に設けられた第２の負誘電体。【００１９】
発明２においては、前記第１の負誘電体の表面上の前記溝がＸ軸方向に複数配列された、発明１の電磁波共振器が与えられる。【００２０】
発明３においては、前記複数の溝は周期的に配列された、発明２の電磁波共振器が与えられる。【００２１】
発明４においては、前記溝は幅が異なる複数の領域を有する、発明1から発明３のいずれかの電磁波共振器が与えられる。【００２２】
発明５においては、前記複数の領域は、それぞれがＹ軸方向に一定の長さで継続する、発明４の電磁波共振器が与えられる。【００２３】
発明６においては、前記複数の領域のＹ軸方向の長さを、表面波の波長λｐに対して１／２倍以上、３／２倍以下と選択する、発明５の電磁波共振器が与えられる。【００２４】
発明７においては、前記正誘電体薄膜の厚さは１０ｎｍ〜０．２ｎｍである、発明１から発明６の何れかの電磁波共振器が与えられる。【００２５】
発明８においては、前記第１の負誘電体と前記第２の負誘電体は導電性であるとともに互いに電気的に絶縁された、発明１から発明７の何れかの電磁波共振器が与えられる。【００２６】
発明９においては、前記第１の負誘電体及び前記第２の負誘電体は金属である、発明８の電磁波共振器が与えられる。【００２７】
発明１０においては、前記第１及び前記第２の負誘電体と前記正誘電体薄膜との間の一部に他の膜を介在させるかまたは前記正誘電体膜を一部の領域で他の領域よりも厚くした、発明１から発明９の何れかの電磁波共振器が与えられる。【００２８】
発明１１においては、以下の（ａ）から（ｄ）のステップを設けた、表面波を利用した電磁波共振器の製造方法が与えられる。
（ａ）第１の負誘電体の表面に直線状に伸びる溝を設ける。
（ｂ）前記第１の負誘電体の表面に正誘電体薄膜を設ける。
（ｃ）前記正誘電体薄膜上に第２の負誘電体を設ける。
（ｄ）前記第２の負誘電体を表面から平坦に除去することにより、少なくとも前記正誘電体薄膜の表面が形成する溝を埋めている以外の前記第２の負誘電体を除去する。【００２９】
発明１２においては、前記ステップ（ｂ）は原子層堆積法、化学的気相成長法、スパッタリングまたは蒸着法により行われる、発明１１の方法が与えられる。【００３０】
発明１３においては、前記ステップ（ｂ）は前記第１の負誘電体の表面を酸化または窒化して酸化物または窒化物の薄膜を形成することにより行われる、発明１１の方法が与えられる。【００３１】
発明１４においては、前記ステップ（ｄ）は化学機械研磨法またはプラズマエッチングにより行われる発明１１の方法が与えられる。【００３２】
発明１５においては、前記第２の負誘電体を一部除去して前記正誘電体薄膜の表面の一部を露出させる、発明１１から発明１４の何れかの方法が与えられる。【００３３】
発明１６においては、以下の（ａ）から（ｆ）のステップを設けた、表面波を利用した電磁波共振器の製造方法が与えられる。
（ａ）基板の表面に直線状に伸びる突起部を設ける。
（ｂ）前記基板の表面に正誘電体薄膜を設ける。
（ｃ）前記正誘電体薄膜上に第１の負誘電体を設ける。
（ｄ）前記基板を除去する。
（ｅ）前記基板が除去された前記正誘電体薄膜上に第２の負誘電体を設ける。
（ｆ）前記第２の負誘電体を表面から平坦に除去することにより、少なくとも前記正誘電体薄膜の前記第２の負誘電体側の表面が形成する溝を埋めている以外の前記第２の負誘電体を除去する。【００３４】
発明１７においては、前記ステップ（ｂ）は原子層堆積法、化学的気相成長法、スパッタリングまたは蒸着法により行われる、発明１６の方法が与えられる。【００３５】
発明１８においては、前記基板はシリコンであり、前記ステップ（ｂ）は前記シリコンの酸化物、窒化物または炭化物を形成することにより行われる、発明１６の方法が与えられる。【００３６】
発明１９においては、前記ステップ（ｆ）は化学機械研磨法またはプラズマエッチングにより行われる、発明１６の方法が与えられる。【００３７】
発明２０においては、前記第２の負誘電体を一部除去して前記正誘電体薄膜の表面の一部を露出させる、発明１６から発明１９の何れかの方法が与えられる。【００３８】
発明２１においては、以下の（ａ）から（ｃ）のステップを設けた、表面波を利用した電磁波共振器の製造方法が与えられる。
（ａ）基板の表面に第２の負誘電体からなるストライプを直線状に設ける。
（ｂ）前記ストライプが設けられた前記基板の表面に正誘電体薄膜を設ける。
（ｃ）前記正誘電体薄膜の表面に第１の負誘電体を設ける。【００３９】
発明２２においては、以下のステップ（ｄ）を更に設けた発明２１の方法が与えられる。
（ｄ）前記基板を除去する。【００４０】
発明２３においては、以下のステップ（ｅ）を更に設けた発明２２の方法が与えられる。
（ｅ）前記基板の除去により現れた面を平坦に除去する。【００４１】
発明２４においては、前記ステップ（ｅ）は化学機械研磨法またはプラズマエッチングにより行われる、発明２３の方法が与えられる。【００４２】
発明２５においては、前記ステップ（ｂ）は原子層堆積法、化学的気相成長法、スパッタリングまたは蒸着法により行われる、発明２１から発明２４の何れかの方法が与えられる。【００４３】
発明２６においては、前記第１の負誘電体を一部除去して前記正誘電体薄膜の表面の一部を露出させる、発明２１から発明２５の何れかの方法が与えられる。【００４４】
発明２７においては、発明１から発明１０の何れかの電磁波共振器の前記第１の負誘電体と前記第２の負誘電体の間に電圧を印加する電磁波発生素子が与えられる。【００４５】
発明２８においては、印加により生じる電子のエネルギーが前記電磁波共振器の共振波長を有する電磁波の光子のエネルギーの１００〜１７０％になるように電圧を設定した、発明２７の電磁波発生素子が与えられる。【００４６】
発明２９においては、発明４から発明６の何れかの電磁波共振器の前記第１の負誘電体と前記第２の負誘電体の間に電圧を印加して用いるトンネル発光光源であって、前記溝の幅が異なる複数の領域のそれぞれ異なる共鳴波長に対応した印加電圧を切り替えることにより所望の領域だけを発光させることを特徴とする、トンネル発光光源が与えられる。【００４７】
発明３０においては、発明４からは発明６の何れかの電磁波共振器の前記第１の負誘電体と前記第２の負誘電体の間に電圧を印加して用いる分析器であって、前記溝の幅が異なる複数の領域の放射波長を設定しておき、それぞれの放射波長に対応する印加電圧を切り替えることにより前記設定しておいた波長だけを放射させて検出することを特徴とする、分析器が与えられる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明の電磁波共振器は、加工すべき幅や深さなどが比較的大きな寸法でよく、アスペクト比もせいぜい２程度の小さなもので済むので、製造が容易である。それにともないコストも低く、様々な用途に応用可能となる。【００４９】
また、本発明の電磁波共振器では２つの負誘電体領域間を電気的に絶縁することが可能なので、間に挟まれる正誘電体薄膜に電圧を印加し、半導体中の電子と正孔の再結合発光、無機材料や有機材料におけるエレクトロルミネッセンス、カソードルミネッセンス、トンネル発光など、様々な発光機構を利用した電磁波発生素子に応用することができる。【００５０】
中でもトンネル発光を利用した電磁波発生素子に応用した場合には、電圧を印加するだけで、室温のままで発光するので、材料には高い耐熱性が要求されず、設計の自由度が増す上に、素子の信頼性の確保も容易になる。従来研究されてきたトンネル発光素子には共振器構造は組み込まれていなかったので、発光は微弱であったが、本発明では、共振器による輻射場増強作用により、実用的な発光が得られることが期待される。また、そのエネルギー源は熱ではなくて電子のエネルギーそのものなので、電圧の変調により高速な輝度変調が可能である。【００５１】
またトンネル発光では、放射スペクトルが印加電圧に依存して変化することが知られている。特に共振器を用いた本発明においては、印加電圧をちょうど一つの共鳴波長に対応した値に設定すると、その特定の次数の共鳴波長だけを放射させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１の実施例である電磁波共振器のＸＺ断面を示す図である。
【図２】図１に示した電磁波共振器の吸収スペクトルを示す図である。
【図３】図１に示した電磁波共振器を製造する工程を示す図である。
【図４】図１に示した電磁波共振器を製造する代替工程を示す図である。
【図５】本発明の電磁波共振器の端面の詳細な状態の多様性を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施例である電磁波共振器のＸＺ断面を示す図である。
【図７】図６に示した電磁波共振器の吸収スペクトルを示す図である。
【図８】図６に示した電磁波共振器を製造する工程を示す図である。
【図９】本発明の第４の実施例に関わるトンネル発光光源の作製法の概要を示す図である。
【図１０】本発明の第５の実施例に関わるトンネル発光光源の作製法の概要を示す図である。
【図１１】トンネル発光光源の電気的な接続や電流、発光の関係を示す図である。
【図１２】本発明の第７の実施例に関わるトンネル発光光源の作製法の概要を示す図である。
【図１３】従来の非分散型赤外分光分析法による分析器と本発明の光源を用いた分析器を対比した図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。図面中の構成要素内および構成要素間の寸法比は、図面の見やすさのため、それぞれ任意となっている。共通の座標系として、電磁波の入出力される主方向がＺ軸に沿うものとし、＋Ｚ方向に自由空間が拡がり、−Ｚ方向に共振器が配置されるようにＺ軸の向きを定め、それに直交する平面内に互いに直交するＸ軸とＹ軸を取る。電磁波は一般にある角度分布を持って共振器に入射したり出射したりするが、本明細書では、その平均的な伝搬方向を主方向と呼ぶ。
【００５４】
なお、以下では、代表例として、赤外線から可視光線領域の電磁波を対象とし、金属材料を負誘電体として用い、表面波として表面プラズモンを用いた例について説明するが、本発明は、周波数帯域に応じて適宜材料を変更し、当該帯域における電磁波の波長を考慮することにより、マイクロ波、テラヘルツ波など広い範囲の電磁波一般に適用できる。また、以下の例で扱う具体的な金属としては、具体的に名称を挙げたものだけでなく、金、銀、銅、アルミニウム、タングステン、白金、パラジウム、ニッケルなどのいずれか、あるいはそれらの合金に置き換えることができる。第１の負誘電体と第２の負誘電体は同じ材料であっても良いし、異なる材料でも良い。また、正誘電体材料としては、数多くの材料が適用可能であるが、例えばシリカ（酸化ケイ素）、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化タンタル、酸化マグネシウム、酸化ハフニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、フッ化マグネシウムなどが利用できる。ただし、共振器が同じ寸法でも用いる材料によって共鳴の起こる波長や電界増強度などは異なる。
【００５５】
また、以下では、Ｘ軸方向に周期配列された電磁波共振器を示すが、それぞれについて、電磁波共振器は１個だけであっても、また、周期的ではない間隔で配列されたものであっても良い。個数や配列は、共振器の用途やその他各種の条件に従って適宜選択することができる。
【００５６】
また、上では熱励起しなくて良いことを強調したが、もちろんこの素子構造全体を加熱すれば、従来技術としてあげた電磁波共振器と全く同様、熱放射光源などとしても使用できる。
【００５７】
更に、本発明の電磁波共振器の応用として、その上に試料を散布して増強ラマン散乱現象や増強蛍光現象により高感度に分子を検出するバイオチップとして構成することも可能である。また、正誘電体薄膜を半導体や色素薄膜としてレーザーとすることも考えられるなど、広範な応用、変形などが可能であるが、本発明はこれらを全て包含することを意図していることに注意されたい。
【実施例】
【００５８】
［第１の実施例］
図１は、本発明の第１の実施例である電磁波共振器のＸＺ断面を示す図である。第１の負誘電体１の表面には、Ｙ軸方向に直線状に伸びる幅Ｐ１＋Ｔ、深さＤの矩形の溝が、周期Ｐ１＋Ｐ２にて配列されている。この溝部分の内面に沿って、厚さＴの正誘電体薄膜３が形成されている。ここで、厚さＴは、Ｔ＜Ｄ、かつ、Ｔ＜Ｐ１の関係を満たしているため、正誘電体薄膜３の内面にも、さらに、幅Ｐ１−Ｔ、深さＤ−Ｔの矩形の溝が形成されている。この矩形の溝が、第２の負誘電体２にて充填されている。【００５９】
前述したように、正誘電体コアが負誘電体クラッドにはさまれたスラブ導波路には複数のモードの表面波が存在するが、本発明で利用するのは特にその最低次モードの表面波、より正確には、正誘電体と負誘電体の界面に垂直な電界成分を有し、カットオフ周波数を有さないモードの表面波である。なお、上記の表面波には真空波長λ０と表面波波長λＰという二つの波長が登場するが、本発明において単に波長と呼ぶ場合には真空波長λ０を指すものとする。また、厳密には空気中の波長と真空中の波長はわずかに異なるが、その差は極めて小さいので、真空波長とは、事実上、空気中で観測される波長を意図するものとする。【００６０】
先に引用した特許文献２においては、スラブ導波路が、ＸＺ断面内で直線形状をなしていることを事実上の前提としていたのに対して、本発明は、スラブ導波路が曲線形状をなしていたり、極端な場合には途中で直角に折れ曲がっていても、共鳴が維持されるという、新しい知見に基づいている。その場合には、導波路の中心線に沿った長さを導波路の長さＬと考えれば良い。ただし、本発明の場合には、導波路の二つの開放端が同じ平面上に露出しているため、両端面の電界の向きが互いに打ち消し合うような偶数次の共鳴が禁制になる点において、特許文献２の場合とは異なる。本発明においては、導波路の長さＬが表面波の波長λＰに対して、（１／２）λＰ、（３／２）λＰ、（５／２）λＰ、・・・に一致する時に共鳴が起こる。【００６１】
図１の説明に戻って、ここでは第１および第２の負誘電体１、２として金、正誘電体薄膜３として酸化アルミニウムを選択した。また、各部の寸法は、Ｐ１＝Ｐ２＝１３０ｎｍ、Ｄ＝２１７ｎｍ、Ｔ＝５ｎｍとした。この断面構造が、Ｙ軸方向には、これらの寸法よりも十分長い、例えば、５ｍｍの長さに渡って継続している。しかしながら、Ｙ軸方向の長さは、この例では５μｍ程度以上あれば、これから示す光学特性に本質的な影響を与えない。このＹ軸方向の長さの目安としては、この構造の共鳴波長λ０程度以上、と考えればよい。【００６２】
図２には、この共振器に＋Ｚ方向から平行光が入射した場合の吸収スペクトルを示した。この吸収スペクトルは、周期構造のマックスウェルの方程式を数値的に解く厳密結合波解析法により、金の赤外域での複素誘電率の波長依存性を考慮して計算したものである。これまでの研究で、少なくともＴが３ｎｍ以上の領域では、計算結果と実験結果は良く一致することが広く確認されている。図２には２本のスペクトルが表示されおり、それぞれ、異なる偏光方向に対応している。Ｘ偏光した入射光に対しては、この共振器は波長（λ０）５．５μｍにて、ほぼ１００％の吸収を示す。このとき、第１の負誘電体、正誘電体、第２の負誘電体で構成される多層構造が、途中で２回屈曲し、両端面８が開放端となったスラブ導波路７として働き、プラズモン共鳴が生じている。この例では、プラズモン共鳴が吸収増強現象を引き起こし、共鳴点が吸収の極大として観察されている。なお、この特定の実施例では、図からもわかるように、スラブ導波路は金属／誘電体／金属構造をとっている。一方、Ｙ偏光に対しては、負誘電体、正誘電体界面に表面プラズモンは励起できず、この共振器のＸＹ面は単なる金の平板と同じ振る舞いを示す。すなわち、共鳴は起こらず、微弱な吸収しか示さない。【００６３】
図３には、図１の共振器を製造する工程を示した。はじめに、一般的な半導体加工技術を用いて、シリコンにて、幅Ｐ１＋Ｔ、高さＤ’（Ｄ’＞Ｄ）の突起が、周期Ｐ１＋Ｐ２で配列された第１基板４を用意しておく（図３（ａ））。その上に、第１の負誘電体１として、厚さ１００ｎｍ以上の金を直流マグネトロンスパッタリングにより成膜する（図３（ｂ））。これを、エポキシ接着材６にて、ガラス製の第２基板５に接着する（図３（ｃ））。次に、シリコンのみを選択的にエッチングする水酸化カリウム溶液にて第１基板４を溶解する（図３（ｄ））。こうして、第１の負誘電体１表面に、幅Ｐ１＋Ｔ、高さＤ’の溝が、周期Ｐ１＋Ｐ２で配列された状態になった。ここまでの工程は、この構造が得られるのであれば、上記以外のどのような製造方法を用いても良い。例えば、第２基板５上に十分に厚い第１の負誘電体１を成膜しておき、その上に一般的な半導体加工技術にてレジストの周期的なマスクを作製し、ドライエッチング技術で所定の深さまで第１の負誘電体を垂直に掘り、最後にレジストを除去するのでも良い。また、周期的な突起の形成された第１基板４をシリコンではなく、シリコンの原版からナノインプリント技術により転写して作った高分子製のものとすれば、低コストで大量生産することが可能となる。高分子製とした場合には、溶解にはキシレンやトルエンなどの有機溶媒を用いればよい。あるいは、第１基板４は溶解せずに、機械的に剥離しても良い。実際に、金とシリコンや高分子の付着力は一般に弱く、残渣を残さずに剥離することは比較的容易である。【００６４】
図３（ｅ）の工程では、第１の負誘電体１表面上に、正誘電体薄膜３として厚さＴの酸化アルミニウムを原子層堆積（ＡＬＤ）法にて均一に成膜する。この上に、さらに、正誘電体薄膜３の表面でできた溝を十分に充填するだけの膜厚の第２の負誘電体２を成膜し（図３（ｆ））、最後に、最表面から化学機械研磨（ＣＭＰ）法にて、第２の負誘電体２の突出部から削り落としていき、正誘電体薄膜３を露出させ、さらに、正誘電体薄膜３の最上部も削り、第１の負誘電体１の溝深さがＤ’からＤになるまで研磨する（図３（ｇ））。こうして、図１の共振器構造が完成する。【００６５】
第１の負誘電体１として、アルミニウムなどの安定な酸化膜や窒化膜を形成する材料を選んだ場合には、図３（ｅ）の工程を、正誘電体薄膜３を成膜するのではなく、自然酸化やプラズマ酸化、プラズマ窒化などによって第１の負誘電体１から析出させても良い。また、図３（ｅ）の工程（他の実施例の対応する工程でも）では、ＡＬＤ法の他にも、化学的気相成長法、高周波マグネトロンスパッタリング、イオンビームスパッタリング、蒸着法などの各種成膜技術が利用できる。【００６６】
なお、最後の研磨工程（これについても、他の実施例の対応する工程においても同様）では、第１の負誘電体１の溝深さＤをナノメートルオーダの精度で作製することが望ましい。このためには、研摩中に適宜研摩面の反射スペクトルを測定し、目的のスペクトル（垂直入射の場合には、目的の共鳴波長で極小値となる）になるまで研摩するとよい。また、湿式のＣＭＰ法の代わりに、乾式のプラズマエッチングなどの方法を用いても良い。その場合には、研磨中にリアルタイムに反射スペクトルをモニターすることも可能である。【００６７】
以上の工程で重要なことは、全行程を通じて、技術的に高度な工程を特に含んでいないことである。先に引用した特許文献１の例では、この例と同様の波長で共鳴を起こすためには、幅１００〜１５５ｎｍ、アスペクト比６．６〜７．３の溝構造を実現する高度な加工技術が必要であった。しかし、図３（ａ）や図３（ｄ）にて作らねばならなかった微細構造は、幅Ｐ１＋Ｔ＝１３５ｎｍ、高さＤ’＝（例えば）２５０ｎｍ、アスペクト比１．９の溝あるいは突起であった。この寸法は一般的なフォトリソグラフィで実現するには小さすぎるが、ナノインプリント技術によって型そのものを転写するか、あるいは、ナノインプリントリソグラフィにてレジストを加工し、ドライエッチングすることにより容易に実現できる領域の寸法である。【００６８】
［第２の実施例］
本発明の第２の実施例として、図４には、図１の共振器を製造する別の工程を示した。はじめに、一般的な半導体加工技術を用いて、シリコンにて、幅Ｐ１−Ｔ、高さＤ’（Ｄ’＞Ｄ）の突起が、周期Ｐ１＋Ｐ２で配列された第１基板４を用意しておく（図４（ａ））。その上に、正誘電体薄膜３として厚さＴの酸化アルミニウムをＡＬＤ法にて均一に成膜する（図４（ｂ））。この工程からスタートするメリットは、ＡＬＤ法ではシリコン上への成膜条件がよく確立しており、その技術をそのまま利用できるためである。次に第１の負誘電体１として、厚さ１００ｎｍ以上の金を直流マグネトロンスパッタリングにより成膜する（図４（ｃ））。これに続く、エポキシ接着材６にて、ガラス製の第２基板５に接着する工程（図４（ｄ））、シリコンのみを選択的にエッチングする水酸化カリウム溶液にて第１基板４を溶解する工程（図４（ｅ））、十分な膜厚の第２の負誘電体２を成膜する工程（図４（ｆ））、ＣＭＰ法にて、第１の負誘電体１の溝深さがＤ’からＤになるまで研磨する工程（図４（ｇ））は、図３の例と同じである。【００６９】
なお、図４（ｂ）の工程では、シリコンの酸化物、窒化物または炭化物を正誘電体薄膜３として析出させるのでも良い。その場合には、最終的な寸法が所望の寸法となるよう、第１基板４の突起寸法は調整しておく必要がある。【００７０】
ところで、本発明の電磁波共振器が共振器として働くためには、必ずしも図１の形状が厳密に実現する必要はない。例えば、図５（ａ）のように、正誘電体薄膜３がまったく研磨されずに残っても構わない。その際に、第２の負誘電体２がわずかに多く研磨されて、共振器最表面に段差が生じても構わない（図５（ｂ））。また、正誘電体薄膜３の垂直壁の部分が周囲の負誘電体部より突出したり（図５（ｃ））、逆に、陥没しても（図５（ｄ））問題はない。現実には、平坦化に有効なＣＭＰ法を用いても、ここで議論している数ｎｍのレベルでは、材料による研磨速度の違いから、これらの状態で加工を終えることの方が自然である。なお、それぞれの場合、このわずかの違いにより共鳴波長は変わりうるが、反射スペクトルをモニターしながら研磨終端点を検出すれば、いずれの場合でも必要とする共振器が得られる。【００７１】
また、現実の使用の上では、応用上支障のない限り、図５（ｅ）のように、最表面にシリカなどの保護薄膜９を成膜し、ナノ構造を露出させないことが望ましい。その場合には、保護薄膜９の屈折率に応じて、共鳴波長が変化するので、最初からその効果を見込んで設計しておく必要がある。【００７２】
なお、図５を参照しながら説明した事項は、他の事項と同様、本願実施例全てに等しく適用されることに注意されたい。【００７３】
［第３の実施例］
図６は、本発明の第３の実施例である電磁波共振器のＸＺ断面を示す図である。第１、第２の実施例との違いは、共振器の断面形状である。本発明で利用している共鳴は、両端面８が開放端となったスラブ導波路７におけるプラズモン共鳴である。共鳴波長λ０は導波路中心軸に沿った長さＬと表面波波長λＰとの関係でほぼ決まり、その導波路がなす形は共鳴にはほとんど影響がない。第１、第２の実施例では、途中で２回、９０度の屈曲を示していたが、それが第３の実施例では半円形の円弧になっただけである。【００７４】
より具体的には、第１の負誘電体１の表面には半径Ｒ＋Ｔ／２の半円形断面を持った溝が、周期２Ｒ＋Ｐ２にて配列されている。この溝部分の内面に沿って、厚さＴの正誘電体薄膜３が形成されている。ここで、厚さＴは、Ｔ＜２Ｒの関係を満たしているため、正誘電体薄膜３の内面にも、さらに、半径Ｒ−Ｔ／２の半円形断面を持った溝が形成されている。この溝が、第２の負誘電体２にて充填されている。【００７５】
ここでも、第１および第２の負誘電体１、２として金、正誘電体薄膜３として酸化アルミニウムを選択した。また、各部の寸法は、Ｒ＝１７８ｎｍ、Ｐ２＝２Ｒ＝３５６ｎｍ、Ｔ＝５ｎｍとした。この断面構造が、Ｙ軸方向には、５μｍ程度以上続いている。図７には、この共振器に＋Ｚ方向から平行光が入射した場合の吸収スペクトルを示した。図２と同様に、厳密結合波解析法により計算した、異なる偏光方向に対応する２本のスペクトルが表示されている。Ｘ偏光した入射光に対しては、この共振器は波長（λ０）６．０μｍにて、５５％の吸収を示す。導波路中心軸に沿った長さＬは第１、第２の実施例とほぼ同じであるので、共鳴の中心波長や鋭さは図２とさほど違わない。図２に比べての大きな違いは吸収ピークが低い点であるが、これは図２の構造に比べて共振器の数が疎なためである。一方、Ｙ偏光に対しては、単なる金の平板と同様に微弱な吸収しか示さない。【００７６】
図８には、図６の共振器を製造する工程を示した。はじめに、シリコン製の第１基板４上に第２の負誘電体２として、金の幅２Ｒ−Ｔ、厚さＲ’（Ｒ’＞Ｒ−Ｔ／２）の、ほぼ半円形の断面を持ったストライプを周期２Ｒ＋Ｐ２にて形成しておく（図８（ａ））。このような構造は、はじめに第１基板４上に厚さＲ’の金を成膜しておき、その上に紫外線硬化樹脂をスピンコートし、適切な形の型を用いた紫外線ナノインプリント法により、紫外線硬化樹脂の断面形状を図８（ａ）と同様の形にしておき、全体をドライエッチングすることにより実現できる。その上に、正誘電体薄膜３として厚さＴの酸化アルミニウムをＡＬＤ法にて均一に成膜する（図８（ｂ））。次に第１の負誘電体１として、厚さ１００ｎｍ以上の金を直流マグネトロンスパッタリングにより成膜する（図８（ｃ））。これに続く、エポキシ接着材６にて、ガラス製の第２基板５に接着する工程（図８（ｄ））、シリコンのみを選択的にエッチングする水酸化カリウム溶液にて第１基板４を溶解する工程（図８（ｅ））、ＣＭＰ法にて、所望のスペクトルが得られるまで研磨する工程（図８（ｆ））は、図３や図４の例と同じである。【００７７】
この製造方法のメリットは、最後のＣＭＰ法をしなくても、第２の負誘電体２を１ユニットずつ切り離す工程が最初の工程で終えてあることである。そのため、共振器としては工程の早い段階で完成している。例えば、図８（ｃ）の段階では、第１基板４側から光を入射すれば、既に共振器になっている。従って、ここで完成するように工程を設計しても良い。シリコンは赤外線を透過するので、このまま第１基板４が保護薄膜９の役割を果たすと考えて良い。また、第２基板４を接着した図８（ｄ）の段階で完成としても良い。これらの場合には、第１基板４の存在により共鳴特性は変化するので、そのことを見込んで設計しておく必要がある。また、さらに、第１基板４を取り外した図８（ｅ）で完成としても良い。【００７８】
［第４の実施例］
図９には、本発明の第４の実施例として、これまで示してきた電磁波共振器を利用したトンネル発光光源の作製法の概要を示す。共振器を製造する工程として、ここでは図３に示した方法を前提としているが、特別な事情がない限り、以下に説明する方法その他は本明細書に記載したものを含めた電磁共振器の他の作製方法に対しても適用することができることに注意されたい。まず、図９（ａ）のような第１基板４を用いて、第１の負誘電体１としての金の成膜（図３（ｂ））、第２基板５への接着材６での固定（図３（ｃ））、第１基板４の溶解または剥離（図３（ｄ））を経て、図９（ｂ）の格子を製造する。ここで、格子は第２基板５上全面に形成せずに周囲に余白部が残してある。これは後に電極を接続するためである。第１の負誘電体１への電極を接続する領域として、図９（ｂ）に示すように、後に溶解できるフォトレジストなどにて、マスク１０を外周部に設けておく。【００７９】
この後、この全面に正誘電体薄膜３（図３（ｅ））、および、第２の負誘電体２を成膜し（図３（ｆ））、最後に、最表面からＣＭＰ法にて、所定の深さまで研磨する（図３（ｇ））。ここでマスク１０を溶解して除去した状態が図９（ｃ）である。マスク１０を除去した部分は第１の負誘電体１が露出しているので、ここに第１電極１１を接続する。その他の部分は第２の負誘電体２が露出しているので、外周部の適切なところに第２電極１２を接続する。【００８０】
図９（ｃ）の最表面は大半が第２の負誘電体２で覆われているが、格子の部分については、正誘電体薄膜３で覆われた形で第１の負誘電体１のストライプ状の領域が露出している。これらの領域は第１電極１１と導通している。【００８１】
［第５の実施例］
図１０には、本発明の第５の実施例として、図８で示した工程により製造した電磁波共振器を利用したトンネル発光光源の作製法の概要を示す。図８の工程で第１の負誘電体１と第２の負誘電体２との間に電圧を印加できる電磁波共振器を製造するためには、図８（ａ）の工程にて、ＸＹ面内で見たときに、第２の負誘電体２のストライプを、いわゆる櫛形電極状に１つに束ねるようなパターンに形成しておくと良い。図１０（ａ）では、第２の負誘電体２のストライプが、共通の矩形パターン部２ａに連結され、ストライプが矩形パターンから櫛の歯状に並行して突出した状態になっている。ここで、第２の負誘電体２への電極を接続する領域として、後に溶解できるフォトレジストなどにて、マスク１０を矩形パターン部２ａ上に設けておく。
この後、この全面に正誘電体薄膜３（図８（ｂ））、および、第１の負誘電体１を成膜する（図８（ｃ））。最後に、マスク１０を溶解して除去した状態が図１０（ｂ）である。マスク１０を除去した部分は第２の負誘電体２の矩形パターン部２ａが露出しているので、ここに第２電極１２を接続する。その他の部分は第１の負誘電体１が露出しているので、適切なところに第１電極１１を接続する。両電極間に電圧を加えて生じるトンネル発光は第１基板４を通して図１０では下方向（＋Ｚ方向）に放射される。【００８２】
ところで、これまで示してきた図１、図３、図４、図５、図６、および図８を見る限り、第１の負誘電体１と第２の負誘電体２とは電気的には導通していないはずである。しかし現実には、正誘電体薄膜３に生じた欠陥や、成膜時に基板側面などに回り込んだ金属などを通じて、両者が電気的に導通することがある。素子面積が大きくなると、これを回避することはますます困難になる。この対策として、図が過度に複雑になることを避けるため図９や図１０にはそのことを反映していないが、現実には、第１の負誘電体１と第２の負誘電体２とが正誘電体薄膜３を介して対向する部分が光源として動作するために必要最小限の領域だけに制限されるよう、それぞれ負の誘電体の成膜時に、フォトレジストなどで適切にマスキングを施すことなどにより、不用意な導通が起こらず、絶縁が維持されるよう、配慮せねばならない。つまり、これらの電磁波共振器がその用途に必要とされる動作を行うために表面波の定在波が存在する必要がある部分を除いた箇所では、第１及び／または第２の負誘電体と正誘電体薄膜が直接接触しないようにその間に別の膜を介在させるか、あるいは所要箇所以外の正誘電体膜を厚くするのが好ましい。また、このことにより、両電極間のキャパシタンスが過度に高くなり、応答速度が低下することを防ぐ効果もある。【００８３】
図１１には、第４の実施例のトンネル発光光源の電気的な接続を示す。電圧源１３により、正誘電体薄膜３を介して対向した第１の負誘電体１と第２の負誘電体２との間に電圧が印加される。正誘電体薄膜３の膜厚Ｔが１０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以下の時、正誘電体薄膜３にはトンネル電流１４が流れる。これがスラブ導波路７の表面プラズモンモードを励起し、端面８から空間に光として放射される。なお、正誘電体薄膜３の膜厚Ｔの下限は好ましくは０．２ｎｍである。ここで、従来のトンネル発光光源では、どのような電圧でも、それに対応した波長の光が放射された。ところが、本発明の光源では、スラブ導波路７の長さＬが、その表面プラズモンモードの波長λＰに対して同程度であり、両端面８の間に、ちょうど定在波が形成されるような場合に共鳴が起こる。従って、本発明の光源では、ちょうど共鳴が起こるような特別な波長λ０に対応した、特別な電圧の場合にのみＸ軸方向に直線偏光１６した発光１５が起こることとなる。その関係は以下のようになる。
ｅＶ＝ｈｃ／λ０
ここで、左辺は電子のエネルギー、右辺は発生する電磁波の光子のエネルギー、ｅ：素電荷、Ｖ：電圧源１３の電圧、ｈ：プランク定数、ｃ：真空中の光速度、λ０：共鳴波長である。【００８４】
実際には、トンネルする電子のエネルギーは、トンネル中のフォノン散乱などによりｅＶから変化していることや、プラズモン共鳴はＱ値（共鳴の鋭さ）がさほど大きくなく、波長はその程度にあいまいな値であることなどから、印加すべき電圧は上記の式と厳密に一致するわけではない。具体的には、例えば図２に示したλ０＝５．５μｍ（Ｖ＝０．２２５Ｖに対応）で共鳴する共振器からこの波長のトンネル発光を得るためには、印加電圧を０．２５〜０．３０Ｖ程度とすべきである。より一般的に言えば、電子のエネルギーが共鳴波長の電磁波の光子のエネルギーの１００〜１７０％の、より好ましくは１００〜１４０％の範囲に収まるように電圧を設定することが望ましい。【００８５】
従来、特に波長２μｍから１０μｍの領域の赤外波長域では、特定の波長を放射する良い光源が存在しなかった。本発明の光源は、この波長の光を出す上で特に障害もなく、また、室温動作、高速変調が可能で、直線偏光した光を放射できる。【００８６】
［第６の実施例］
本発明の第６の実施例は、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ発光）を利用した光源である。これは、図９において、正誘電体層３の部分を単なる絶縁膜とするのではなく、発光材料とすればよい。例えば、有機エレクトロルミネッセンス材料として知られているトリス（８−キノリノラト）アルミニウムや、同様の有機電子輸送材料、有機正孔輸送材料、有機発光材料からなる多層構造体、無機エレクトロルミネッセンス材料として知られている、ＺｎＳ：Ｍｎ、ＺｎＳ：Ｃｕなどを用いればよい。この目的のためには、正誘電体薄膜３の膜厚Ｔはトンネル電流を流す場合ほど小さい必要はなく、それぞれの発光材料に適切な値とすればよい。さらに、それぞれの発光材料の発光中心波長で共鳴が起こるように各部の寸法を設計する必要がある。この実施例においては、ＥＬ発光による光がスラブ導波路７の表面プラズモンモードを励起することにより、導波路端面８から光が放出される。【００８７】
［第７の実施例］
これまでのすべての実施例では、共振器のＸＺ面内での断面形状はＹ軸方向には一定であるとしてきた。しかし、ＸＺ面内での断面形状（ここでは一部の寸法が異なるものも断面形状が異なるものと表現する）の異なる共振器をＹ軸方向に順次連結した構造にすることにより、新たに独特の効果を期待することができる。具体的な例を図１２に示す。ここで、基本的な構造や作製方法については図９に準ずるものとする。図９と異なるのは、Ｙ軸方向の位置によって、ＸＺ面内の断面の寸法が異なることである。図１２（ａ）のＡＡ’およびＢＢ’で切断したＸＺ断面をそれぞれ図１２（ｂ）、図１２（ｃ）に示す。それぞれの断面を持つ領域をＡ領域、Ｂ領域と呼ぶこととする。第１の負誘電体１上の矩形溝の深さＤ、正誘電体薄膜３の厚さＴは両領域で共通であるが、溝の幅が異なり、Ａ領域、Ｂ領域でそれぞれＰ１Ａ＋Ｔ、Ｐ１Ｂ＋Ｔである。ここで、溝の周期については両領域で共通である（Ｐ１Ａ＋Ｐ２Ａ＝Ｐ１Ｂ＋Ｐ２Ｂ）。両領域ではスラブ導波路７Ａ、７Ｂの長さが、ＬＡ＝Ｐ１Ａ＋２Ｄ−ＴとＬＢ＝Ｐ２Ｂ＋２Ｄ−Ｔと異なる。従って、Ａ領域とＢ領域は異なる真空波長λ０Ａ、λ０Ｂで共鳴する。図１２（ａ）に示すように、Ｙ軸方向にＡ領域、Ｂ領域が継続する長さをそれぞれＷＡ、ＷＢとする。【００８８】
このような構造は、一つの構造で複数の共鳴波長を持つこととなるが、主に２つの独特な効果を発揮する。第１の効果は単一モード共振器が実現できることである。これまで、共振器の主方向であるＺ軸に沿った方向についての光学特性について議論してきたが、厳密に言うと、これまで示してきた共振器は、特にＹＺ面内では、異なる方向には少しずつ異なる波長λ０で共鳴する。このことは、発光素子として利用する場合には、Ｚ軸からＹ軸方向に外れるに従って異なる波長の光を放射することを意味し、バイオチップなどとして利用する場合には、Ｚ軸から外れるに従って、所定の励起波長で効率良く分子検出ができなくなることを意味する。これはＹ軸方向に均一な構造が表面波長λｐに比べて十分に長い距離続く場合、正確にＸＺ面内においては特定の波長λｐの表面波だけが共鳴できるが、ＸＺ面内に収まらないＹ軸方向成分を持った表面波はその進む向きによって様々な波長で共鳴し、すなわち、この共振器はマルチモード共振器として働いているからである。ここで、特にＹ軸方向の領域の長さＷ（ＷＡ、ＷＢのいずれか、あるいは両方）を、表面波の波長λｐに対して１／２倍以上、３／２倍以下と選ぶと、その領域は単一モード共振器として働くこととなり、方向による共鳴波長の変化も抑制される。ただし、ここでの領域長さＷの厳密な寸法については、［００１３］で述べたλｐと導波路の長さＬの関係と同様、マックスウェル方程式の厳密計算により若干の補正が必要である。【００８９】
もう一つの効果は、特にトンネル発光光源として用いる場合に、印加電圧により複数の放射波長を高速に切り替えられることである。実施例４にて示した通り、本共振器を用いたトンネル発光光源では、共鳴波長に対応した特別な印加電圧の時に特に効率の良い発光が得られる。Ａ領域とＢ領域は共鳴波長が異なるので、それぞれに対応した電圧を切り替えれば、所望の領域だけを発光させることができる。このような光源は従来存在しなかった。【００９０】
赤外線の吸収を用いて主に気体や液体中の特定の分子の濃度を計測する非分散型赤外分光分析法では、対象分子が吸収する波長λ０Ａと吸収しない波長λ０Ｂの２つの波長の信号の透過率の比を利用して濃度を算出する。従来は図１３（ａ）のように、一つの黒体光源に対して２つの検出器を用意し、それぞれの検出器の前に、それぞれ、λ０Ａ、λ０Ｂだけを透過するバンドパスフィルタを設けていた。この場合、黒体光源は分析に必要とするλ０Ａ、λ０Ｂに限らず、プランク則に従い、広い範囲の波長の赤外光を連続的に放射し、その大半は分析に利用されることなく捨て去られており、非常にエネルギー効率の悪い分析手法であった。図１３（ａ）中にはこの放射スペクトルも示した。さらに、赤外域で狭い波長範囲だけを透過するバンドパスフィルタは、赤外域で利用可能な薄膜材料が非常に限られる上に、波長が長いのに対応して各層を厚く成膜せねばならないため、コストのかかる部品であった。また、一般に利用可能な赤外検出器は感度が低いため、通常は光源の輝度を矩形電圧により変調し（図１３（ａ）中に駆動波形を示す）、ロックイン検出する必要があったが、光源が熱光源であるために非常に緩慢な変調しかできず（一般に１Ｈｚ以下）、高速に応答する分析器は実現することが困難であった。【００９１】
それに対して、本発明の光源を用いると、図１３（ｂ）に示したように、単に１個の検出器を対向しておくだけで分析器が実現できる。本光源は共振器の設計で決まる特定の波長しか放射しないため、高価なフィルタは必要ない。しかも、２波長を電圧の切替により切り替えられるので、Ａ領域、Ｂ領域の放射波長を図１３（ｂ）中のスペクトル図に示すようにそれぞれλ０Ａ、λ０Ｂに設定しておき、それぞれに対応する印加電圧ＶＡ、ＶＢを交互に切り替えることにより（この駆動波形も図１３（ｂ）中に示す）、交互にλ０Ａ、λ０Ｂだけが放射され、同期して検出すると、一つの検出器で二つの波長の透過率を測定することができる。しかも、本光源は熱を用いないため、切り替え周波数を（少なくとも１Ｈｚ以上、典型的には数ｋＨｚかそれ以上）に向上することができ、それだけ高速応答可能な分析器が実現できる。【００９２】
以上、断面形状の異なる領域がＡ領域とＢ領域の２種類という事例について議論してきたが、断面形状の異なる領域が３つ以上あっても良い。また、各領域の長さＷＡ、ＷＢは異なっていても共通であっても構わないし、各領域が周期的に交互に並んでいる必要は必ずしもない。また、各領域は要するに異なる導波路長Ｌを持てばよいのであり、図１２で示したように一部の寸法が異なるのでも良いし、例えば図１のような矩形断面と図６のような半円形断面の領域を組み合わせたものでも良い。
【産業上の利用可能範囲】
【００９３】
本発明は、第一に、レーザー光源、エレクトロルミネッセンス光源、熱放射光源、高感度分析チップなどの実現を可能とする、新しい電磁波共振器を提供する。
【００９４】
また、特に室温で動作し、高速変調可能で、様々な波長に対応できる直線偏光した光が放射できるので、特に波長２μｍから１０μｍの領域の赤外線を利用して空気中の二酸化炭素濃度などを計測する環境計測において、多大な利用価値を有する。
【符号の説明】
【００９５】
１  第１の負誘電体
２  第２の負誘電体
３  正誘電体薄膜
４  第１基板
５  第２基板
６  接着材
７  スラブ導波路
８  導波路端面
９  保護薄膜
１０  マスク
１１  第１電極
１２  第２電極
１３  電圧源
１４  トンネル電流
１５  放射された光
１６  偏光方向（電界方向）
１７  気体セル
１８  赤外検出器
１９  バンドパスフィルタ
２０  黒体光源
２１  本発明による２波長光源
【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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【国際調査報告】
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