(57)【要約】【解決手段】光入射面を有する光フィルタを備えた光学装置である。光学フィルタは、光入射面に対し実質的に直交する方向に向いた複数のナノワイヤのアレイを含み、光フィルタは、光入射面に入射する第１の波長の光を透過するものであり、第１の波長は、複数のナノワイヤの断面形状に基づくものである。ナノワイヤは、一回のリソグラフィステップにより形成される。画像形成装置およびその製造方法である。その画像形成装置は基板上に形成されたナノワイヤアレイを含む。複数のナノワイヤのうちの少なくとも１つのナノワイヤは、自らによって吸収された入射光子に基づいて少なくとも一部分が光電流を生成する光電素子を含む。【選択図】図１２
2015532725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入射面を有する光フィルタを備え、
前記光学フィルタは、前記光入射面に対し実質的に直交する方向に向いた複数のナノワイヤのアレイを含み、
前記光フィルタは、前記光入射面に入射する第１の波長の光を透過するものであり、
前記第１の波長は、前記複数のナノワイヤの断面形状に基づくものである
光学装置。
【請求項２】
前記複数のナノワイヤのアレイは、ポリマーに埋設されている
請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
前記ポリマーは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）である
請求項１記載の光学装置。
【請求項４】
前記複数のナノワイヤの各々は、実質的に円形の断面を有し、
前記第１の波長は、前記複数のナノワイヤにおける半径に基づいている
請求項１記載の光学装置。
【請求項５】
前記複数のナノワイヤの各々は、実質的に楕円形の断面を有すると共に第１の偏光を含む前記第１の波長の光および第２の偏光を含む第２の波長の光を透過するものであり、
前記第１の波長の光は、
請求項１記載の光学装置。
【請求項６】
前記複数のナノワイヤのアレイは複数のサブアレイを有し、
前記複数のサブアレイは、それぞれ、複数のナノワイヤを含み、
前記複数のサブアレイの各々における前記複数のナノワイヤは、同一の断面形状を有する
請求項１記載の光学装置。
【請求項７】
前記光フィルタによって伝達される光を検出するための光検出器を複数含むＣアレイをさらに備えた
請求項１記載の光学装置。
【請求項８】
前記複数のナノワイヤのアレイは複数のサブアレイを有し、
前記複数のサブアレイは、それぞれ、複数のナノワイヤを含み、
前記光検出器アレイにおける各光検出器は、前記複数のサブアレイのうちの１つによって伝達される光を受け取るように構成されている
請求項７記載の光学装置。
【請求項９】
前記複数のナノワイヤは、半導体材料からなる
請求項１記載の光学装置。
【請求項１０】
前記半導体材料は、珪素またはゲルマニウムである
請求項９記載の光学装置。
【請求項１１】
表面を含む基板の上に、前記表面に対し実質的に直交する方向に向いた複数のナノワイヤを形成することと、
ポリマー層の内部に前記複数のナノワイヤを埋め込むことと、
前記ポリマー層および前記複数のナノワイヤを、前記基板から分離することと
を含む光フィルタの製造方法。
【請求項１２】
前記複数のナノワイヤを形成する際に、
前記基板の上に、複数の金属マスクを形成し、
前記基板のうちの前記金属マスク一部により覆われた部分以外の部分をエッチングする
請求項１１記載の光フィルタの製造方法。
【請求項１３】
前記複数の金属マスクを形成する際に、
前記基板の上にレジスト層を形成することと、
前記基板を露出させるために、前記レジスト層の複数の箇所において複数のホールを形成することと、
前記基板と導通する金属材料により、前記複数のホールを少なくとも部分的に充填することと、
前記レジスト層を除去することと
を含む
請求項１２記載の光フィルタの製造方法。
【請求項１４】
基板の上に形成された複数のナノワイヤのアレイを備え、
前記複数のナノワイヤのうちの少なくとも１つのナノワイヤは、自らによって吸収された入射光子に基づいて少なくとも一部分が光電流を生成する光電素子を含む
画像形成装置。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのナノワイヤに含まれる前記光電変換素子は、ｐ−ｎ接合である
請求項１４記載の画像形成装置。
【請求項１６】
前記アレイにおける少なくとも２つの前記ナノワイヤは、特定の波長における入射光子を選択的に吸収するために互いに異なる半径を有する
請求項１４記載の画像形成装置。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのナノワイヤの下方に少なくとも１つの光検出器をさらに備え、
前記少なくとも１つのナノワイヤは、第２の波長では光子を吸収せず第１の波長で光子を吸収し、
前記光検出器は前記第２の波長で光子を吸収する
請求項１４記載の画像形成装置。
【請求項１８】
ｐｎ接合を構成するｎ型半導体層およびｐ型半導体層を有するエピタキシャル構造を基板上に形成することと、
前記基板の上に、前記エピタキシャル構造に形成されたｐｎ接合をそれぞれ含む複数のナノワイヤのアレイを形成するために前記エピタキシャル構造をエッチングすることと、
前記複数のナノワイヤのアレイにおける前記少なくとも１つのナノワイヤとの電気接点を形成することと
を含む
画像形成装置の製造方法。
【請求項１９】
前記複数のナノワイヤのアレイの表面の少なくとも一部を平坦化するために、前記基板の上にポリマー層を形成すること
をさらに含む
請求項１７に記載の画像形成装置の製造方法。
【請求項２０】
前記ポリマー層はポリメチルメタクリレートからなり、
レジスト層に複数のホールを形成し、複数の場所において前記基板を露出させることと  、
前記基板と導通する金属材料により、前記複数のホールを少なくとも部分的に充填する  ことと、
前記レジスト層を除去することと
を含む
請求項１７に記載の画像形成装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学装置、光フィルタの製造方法ならびに画像形成装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連特許出願）
本出願は、参照によってここに取り入れられる全ての内容について、２０１２年８月１３日に出願したＵＳ出願番号６１／６８２７１７および２０１３年１月２４日に出願したＵＳ出願番号６１／７５６３２０に基づき、ＵＳＣ１１９条（ｅ）の優先権を主張するものである。
（連邦によって後援された研究）
本発明はＤＡＲＰＡ補助金提案番号Ｎ６６００１−１０−１−４００８とＷ９１１ＮＦ−１３−２−００１５とに従ってなされ、ＮＳＦ許可番号はＥＣＣＳ−１３０７５６である。米国政府には、発明において特定の権利を有する。
（発明の背景）
本出願は、一般的な多重スペクトル画像に係り、特に、複数のナノワイヤおよびその形成方法を用いた多重スペクトル画像装置に関する。
【０００３】
ディジタルカメラのような従来のカラー撮像装置は、図１Ａに示したように、カラー画像を形成するために、複数の電荷結合素子（ＣＣＤｓ）のような画素化された複数の単色のイメージセンサを、３つの異なったカラーフィルターと組み合わせて用いている。従来の画像装置は、レンズ１２０、フィルタ１３０および光検出器１４０を有する。異なる色の３つのフィルタ１３０は、通常、図１Ｂに示したように、例えば６５０ｎｍを中心波長とする赤の波長域１３６、５３２ｎｍを中心波長とする緑の波長域１３４および４７３ｎｍを中心波長とする青の波長域１３２をそれぞれ含む可視領域のブロードバンド部分を透過させる。可視領域全体を３色のフィルタによってカバーできるように、各フィルタは十分に広い帯域を有する。撮像装置の各画素は、３つのサブピクセルを有している。各サブピクセルは、関連するそれら３つのフィルタのうちの１つを透過する光の透過量を検出する。図１Ａは、３つのサブピクセルを備えた単一の画素を示している。各サブピクセルはレンズ１２０と、フィルタ１３０と、光検出器１４０とを有している。レンズ１２０は、入射光１１０を集光し、その集めた光をフィルタ１３０を透過するようにガイドする。  各フィルタ１３０は、１つの帯域の色光を透過し、全ての他の色光を実質的にブロックする。対応するフィルタ１３０によって透過させられた光のみを光検出器１４０が検出できるようにするためである。そのような複数の画素のアレイにより、各色に対応したサブピクセルから形成される３つの画像１５０に基づき、カラー画像が形成されるであろう。
【発明の概要】
【０００４】
マルチスペクトル画像は、従来のＲＧＢ画像に比べて狭い帯域幅を有する、３つを超えるフィルタを使用する。したがって、マルチスペクトル画像は、人間の眼の能力を拡張することができる。マルチスペクトル画像の一例が図１Ｃに示されている。図１Ｃには、（より多くの数のフィルタを備えたことを除き）図１Ａに示されたものと同様の方法により検出された、符号１〜８が付された輻射のＮ個のナローバンドが示されている。それらのフィルタによってカバーされた電磁スペクトラムの一部は、紫外域および赤外域の少なくとも一方に至るまで拡張され得る。したがって、従来の可視スペクトルの画像形成装置（例えば図１Ａに示したもの）において得られる情報よりも多くの情報がもたらされる。図１Ｃに示した特定のケースでは、Ｎ＝８として８つの画像が得られる例とし、各ナローバンドフィルタに１つの画像が対応するようにした。８つの画像は、各フィルタの下方に設けられた光検出器のアレイから検出された光電流に基づいて形成される。多重スペクトル画像は、軍需および民需双方において多数のアプリケーションを有する。例えば、遠隔探査、植物マッピング、非侵襲性の生物学的イメージング、顔認証および食物品質管理などである。従来の多重スペクトル画像形成装置は、電動のフィルタホイール、多重画像センサ、および／または多重誘電干渉フィルタを使用したデバイスを含むものである。
【０００５】
（発明のサマリー）
したがって、いくつかの実施態様は光学フィルタを備えた光学装置に関するものである。その光学フィルタは、その光学フィルタの光入射面に対してそれぞれ垂直に配向した複数のナノワイヤのアレイを有する。ここで、光学フィルタは、光入射面に入射する光を第１の波長で伝播する。第１の波長とは、複数のナノワイヤの断面積の基づくものである。
【０００６】
いくつかの実施態様は、光学フィルタの製造方法に関するものである。その製造方法は、複数のナノワイヤを基板上に形成することと、それらの複数のナノワイヤを１つのポリマー層に埋設することと、そのポリマー層および複数のナノワイヤを基板から分離することとを含んでいる。ここで、複数のナノワイヤは、基板の表面に対して垂直に配向している。複数のナノワイヤを形成することには、複数のメタリックマスクを基板上に形成することと、それらの複数のメタリックマスクによって覆われていない部分の基板をエッチングすることとが含まれる。
【０００７】
いくつかの実施態様は、撮像装置に関するものである。その撮像装置は、基板上に設けられた複数のナノワイヤのアレイを含んでいる。ここで、少なくとも１つのナノワイヤは、少なくとも１つのナノワイヤにより吸収された入射光子に基づき、光電流を少なくとも一部において生成する光電素子を含んでいる。少なくとも１つの光電子は、ｐｎ接合またはｐｉｎ接合であってもよい。アレイにおける少なくとも２つのナノワイヤは、特定の波長で選択的に入射光子を吸収するように、互いに異なる半径を有していてもよい。
【０００８】
いくつかの実施態様は、撮像装置の製造方法に関するものである。その製造方法は、ｐｎ接合を構成するｎ型半導体層およびｐ型半導体層が基板の上に設けられたエピタキシャル構造を形成することと、そのエピタキシャル構造をエッチングすることにより基板上に複数のナノワイヤのアレイを形成することと、複数のナノワイヤのアレイにおいて少なくとも１つのナノワイヤとの電気的接触を形成することとを含むとよい。ここで、各ナノワイヤはｐｎ接合を含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
添付の図面は、一定の比率で描かれることを意図していない。各図において、いろいろな図に図示される各々の同一であるかほとんど同一の構成要素については、同様の数字によって表されている。また、明確さを確保するため、すべての構成要素が必ずしもすべての図面中においてラベルを付されているとは限らない。
【図１Ａ】図１Ａは、従来のカラー画像形成装置の一部を表す概略図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、従来のカラー画像における３つのブロードフィルタを表したものである。
【図１Ｃ】図１Ｃは、多重スペクトラムカラー画像の多重ナローバンドフィルタを表したものである。
【図２Ａ】図２Ａは、いくつかの実施態様に関するナノワイヤを用いたフィルタの断面構造を表す概略図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、いくつかの実施態様に関するナノワイヤを用いたフィルタを上方から眺めた構造を表す概略図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、いくつかの実施態様に関する、エッチングされたナノワイヤについての走査電子顕微鏡画像である。
【図３】図３は、半径が異なるナノワイヤからなるフィルタについて、波長の関数としてのフィルタ透過性の実験的な測定値を表す特性図である。
【図４Ａ】図４Ａは、いくつかの実施態様に関する、楕円形の断面を有するナノワイヤを表したものである。
【図４Ｂ】図４Ｂは、いくつかの実施態様に関する、楕円ナノワイヤのスペクトル反応に依存する分極を表したものである。
【図５Ａ】図５Ａは、いくつかの実施態様に関する、複数のサブピクセルを備えた画像形成装置の模式的ダイヤグラムを表したものである。
【図５Ｂ】図５Ｂは、いくつかの実施態様に関する、複数のサブピクセルを備えた画像形成装置の模式的ダイヤグラムを表したものである。
【図６】図６（Ａ）−６（Ｃ）は、いくつかの実施態様に関する、ナノワイヤフィルタの製造方法を表したものである。
【図７】図７は、いくつかの実施態様に関する、ナノワイヤフィルタの製造方法のフローチャートを表したものである。
【図８】図８は、いくつかの実施態様に関する、基板の上に複数のナノワイヤを形成する方法のフローチャートを表したものである。
【図９】図９は、いくつかの実施態様に関する、シリコンナノワイヤ光検出器の概略図である。
【図１０】図１０（Ａ）−１０（Ｃ）は、いくつかの実施態様に関する、ナノワイヤ光検出器の製造方法を表したものである。
【図１１】図１１は、いくつかの実施態様に関する、ナノワイヤ光検出器の製造方法におけるフローチャートを表したものである。
【図１２】図１２は、いくつかの実施態様に関する、ナノワイヤ光検出器および従来の光検出器の双方を備えた画像形成装置を表したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（発明の詳細な説明）
本願発明の発明者は、従来の多重スペクトル画像形成装置が高価であり、および／または大きく、そして、より簡単かつ効率的に製造されうる、より効率的な多重スペクトル画像形成装置 が必要であると認識していた。
したがって、いくつかの実施態様は、単一のリソグラフィ工程によって形成される複数のシリコンナノワイヤからなるフィルタに関するものである。
そのナノワイヤフィルタは、特定の波長で光をフィルタに通すために、ナノワイヤによる光の波長依存的な吸収および散乱を利用する。特定の波長で吸収および散乱がなされた光は、そのフィルタにより伝播が妨げられる。特定のナノワイヤによって吸収された光の波長は、そのナノワイヤの半径に比例し、より大きな半径であれば吸収された光の波長も大きくなる。よって、ナノワイヤフィルタは、減法（subtractive）カラーフィルタであり、図１Ｃに示した例と反対に狭い波長域の光を遮断する。図１Ｃに示した例は、ナローバンドフィルタであり、狭い波長域の光のみを透過させるものである。減法カラーフィルタであるにもかかわらず 、多重スペクトル像を形成するために、ナノワイヤフィルタは、例えばＣＣＤアレイのようなイメージセンサに取り付けられるかもしれない。
【００１１】
発明者は、ナノワイヤ の半径に基づき、特定の波長で光を透過させるナノワイヤフィルタを形成する利点はフィルタが一回のフォトリソグラフィステップのみで形成されうるということである、と認識した。互いに異なる半径を有するナノワイヤを異なる部分に含むフィルタでさえ、一回のフォトリソグラフィステップだけが必要とされる。これは、例えば、誘電体からなる複数の層を正確に積層して形成することを要求する多層誘電干渉フィルタと比較して有利である。 異なった波長を透過させる異なった部分を含む多層誘電干渉フィルタのプロセスは、さらに複雑であり、複数のリソグラフィ工程が必要となるかもしれない。
【００１２】
この発明者は、イメージセンサによる検出の前にフィルタを使用することは、弱い光レベルの環境下で不十分なパフォーマンスとなることを認識している。大部分の光がフィルタで吸収されるか反射されるので、入射光線のうちの極めて一部のみが検出されるからである。
【００１３】
いくつかの実施態様は、複数のナノワイヤからなるアレイがポリマー層に埋設された構造を有する光学装置に関するものである。例示であってこれに限定されるものではないが、その光学装置は、光学フィルタ、光学フィルタを含む画像形成装置または光学フィルタを含む表示装置である場合がある。図２Ａは、光学フィルタ２００を側方の断面を表している。光学フィルタ２００は、１つのポリマー層２１２に埋設された複数のナノワイヤ２１０を備えている。ナノワイヤ２１０は、適切な何らかの材料によって形成され得る。フィルタを透過する光の波長の付近において比較的高い屈折率を有する材料を使うことが好ましい場合がある。例えば、ナノワイヤのピーク吸収波長の２．０よりも大きい屈折率が好ましい。ナノワイヤのピーク吸収波長の３．０よりも大きい屈折率が、より好ましい。いくつかの実施態様では、ナノワイヤ２１０は半導体材料から形成されてもよい。例示であってこれに限定されるものではないが、その半導体材料は例えばシリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）またはインジウム・ヒ化ガリウム（ＩｎＧａＡｓ）である。その半導体材料は、望ましい透過波長に基づいて選択され得るものである。例えば、シリコンは、可視光（約３８０ｎｍから７５０ｎｍの範囲）と近赤外線（ＮＩＲ）（約７５０ｎｍから１．４μｍの範囲）の用途に選ばれるかもしれない。一方、ゲルマニウムは、短波赤外線（ＳＷＩＲ）（約１．４μｍから３．０μｍにわたる）で使用するために選ばれるかもしれない。
【００１４】
ナノワイヤ２１０は任意の形状をとりうる。ナノワイヤ２１０は第１の方向に沿って長手方向をなすように延在し、任意の好ましい長さを有している。例示であってこれに限定されるものではないが、各ナノワイヤは１．０μｍから２．０μｍの長さを有している。第１の方向に対して垂直なナノワイヤの断面領域は、そのナノワイヤのスペクトル感度（spectral response）を決定する。図２Ｂは、ポリマー２１２に埋設された円形のナノワイヤ２１０のアレイを上方から眺めたものである。図２Ｂにおけるナノワイヤは、円形のような形状の断面を有している。この実施態様はこれに限定されるものではない。例えば、いくつかの実施態様は楕円形、正方形、矩形またはその他の任意の形状の断面を含むものである。円形の断面形状のナノワイヤは、同様に、任意の分極の光に応答する。円形のナノワイヤを透過する波長は、そのナノワイヤの半径で規定される。これに対し、楕円の断面形状を有するナノワイヤは、光の分極化に依存して、異なる波長を透過する。楕円の短軸に沿って配向された分極を伴う光は、楕円の長軸（主軸）に沿って配向された分極を伴う光と比べ、より低い波長でピーク吸収しがちである。
【００１５】
任意の好ましい数のナノワイヤがアレイに含まれる。また、アレイにおけるナノワイヤの相互の好ましい間隔も任意である。図２Ａおよび図２Ｂは、１．０μｍの等間隔で並ぶ複数のナノワイヤを示している。 図２Ｃは、基板上において１．０μｍの等間隔で並ぶ複数のシリコンナノワイヤのアレイを表す走査電子顕微鏡画像である。しかしながら、本実施態様はこれに限定されるものではない。いくつかの実施態様では、５００ｎｍの間隔で複数のナノワイヤが配置される。図２Ｂは、第１の方向および第２の方向（それぞれ図２Ｂにおいて垂直方向および水平方向で表される）の双方において等間隔である場合を示す。しかしながら、ナノワイヤの相互間隔は均一でなくともよい。ナノワイヤの相互間隔は、アレイにおける位置に依存して異なっていてもよい。例えば、ナノワイヤのアレイにおける第１のサブアレイは第１の間隔を有し、ナノワイヤのアレイにおける第２のサブアレイは第２の間隔を有していてもよい。任意の好ましい数のナノワイヤおよびサブアレイが用いられてもよい。本実施態様はアレイに含まれる複数のナノワイヤの特定の間隔およびアレイに含まれる複数のナノワイヤの特定の数に限定されるものではない。
【００１６】
ナノワイヤ２１０は、断面において任意の好ましい寸法をとりうる。例えば、可視光およびＮＩＲスペクトルを吸収する円形のシリコンナノワイヤは、４５ｎｍ〜８０ｎｍの範囲の径を有するとよい。そのようなナノワイヤによって吸収される光の波長は、円形の断面の半径に比例している。図３は、異なる半径を有するいろいろな円形状シリコンナノワイヤにおける、入射する光の波長に対するフィルタ透過性の実験的な測定値を表している。図３において、チャンネル１〜８は、それぞれ半径が４５ｎｍ，５０ｎｍ，５５ｎｍ，６０ｎｍ， ６５ｎｍ，７０ｎｍ，７５ｎｍ，８０ｎｍである場合を示している。例として、４５ｎｍの半径を有する円形断面のシリコンナノワイヤは、約４７０ｎｍのピーク吸収波長を有しておより、８０ｎｍの半径を有する円形断面のシリコンナノワイヤは、約８７０ｎｍのピーク吸収波長を有している。
【００１７】
本実施態様の光学フィルタ２００は、任意の好ましいポリマー２１２を有している。この実施態様では、フィルタを透過する光が光検出器により検出され、ポリマー２１２が検出されるスペクトルレンジにおいて実質的に透明であるとよい。いくつかの実施態様では、ポリマーはポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）であるとよい。
【００１８】
上述したように、いくつかの実施態様では断面の形状が楕円であるナノワイヤが使用されうる。そのような態様では、ナノワイヤのスペクトル感度が入射光の分極に依存している。図４Ａは、楕円の断面のナノワイヤ４０２を含むフィルタ４００を示している。各ナノワイヤの断面は楕円であり、短軸が１００ｎｍであり長軸が２００ｎｍである。フィルタ４００に入射する光は、水平方向４１０へ分極されて楕円の短軸に沿って配向するか、垂直方向４１２へ分極されて楕円の長軸に沿って配向する。図４Ｂは、水平方向に分極した光および垂直方向へ分極した光の双方の波長の関数としてのフィルタの透過性能によってフィルタのスペクトル感度を示している。水平方向の光の吸収ピークは約５１０ｎｍであり、垂直方向の光の吸収ピークは約６５０ｎｍである。長軸および短軸の任意の好ましい長さが適用されうることは理解されるべきである。
【００１９】
図５Ａおよび図５Ｂは、コンパクトで効率的な多重スペクトル画像形成装置を形成するためのモノクロイメージセンサに関してナノワイヤフィルタがどのように使用されるかを示したものである。図５Ａは、いくつかの実施態様に関する画像形成装置５００におけるサブピクセルのアレイを示したものである。そのイメージセンサはサブピクセルのアレイにセグメント化されている。破線で示されたサブピクセル５０２は、サブピクセルの定義を例示している。４つのサブピクセルからなる１つのユニットセルは、１つのピクセルを規定する。ここでは、破線で示されたピクセル５０４が１つのピクセルを定義を例示している。１つのピクセルにおける各サブピクセルは、それぞれ、λ１，λ２，λ３，λ４で示したように異なった範囲の波長を検出する。このユニットセルは、全部で６４個のサブピクセルからなる４×４個のピクセルが繰り返し配列されたアレイからなる。図５Ａの具体例は例示であって本実施態様はこれに限定されるものではない。任意の数のピクセルおよび任意の数のサブピクセルがイメージセンサアレイに適用可能である。画像形成装置の望ましいアプリケーション、および検出されるスペクトル範囲に基づく数が選択されてもよい。
【００２０】
図５Ｂは、３×３個のピクセルを含む画像形成装置５５０を示している。ここで、各ピクセルは３行×３列で配列された９個のサブピクセルを含んでいる。この画像形成装置５５０は、モノクロイメージセンサ５６０と、フィルタ５７０とを含んでいる。フィルタは、ＰＤＭＳに埋設された複数のナノワイヤを有している。サブピクセルの各々は、複数のナノワイヤ５７２のアレイを含んでいる。特定のサブピクセルのナノワイヤは同じ径を有しており、したがって同じ波長の光を級数するようになっている。一例として、図５Ｂでは、第１の径を有する第１のサブピクセルにおけるナノワイヤのアレイ５７２ａと、第１の径よりも大きな第２の径を有する第２のサブピクセルにおけるナノワイヤのアレイ５７２ｂとを示している。
【００２１】
フィルタ５７０は、任意の好ましい方法によりモノクロイメージセンサ５６０に添付されるかもしれない。いくつかの実施態様では、フィルタ５７０は、モノクロイメージセンサ５６０の表面の検出に直接適用される。その他の実施態様では、１以上の光素子がフィルタ５７０とモノクロイメージセンサ５６０との間に設けられてもよい。
【００２２】
上述のように、フィルタ５７０における複数のナノワイヤは、単一のリソグラフィ工程において形成されうる。ナノワイヤのアレイは複数のサブアレイに分けられ、各サブアレイは１つのサブピクセルに関連付けされる。１つのサブピクセルと関連する１つのサブアレイには任意の数のナノワイヤが含まれうる。例えば、いくつかの実施態様では、１つのサブピクセルが２４μｍ×２４μｍであり、そのサブピクセルが２４×２４個のナノワイヤのサブアレイを１つ含んでいる。すなわち、５７６個のナノワイヤが１つのサブアレイに含まれる。フィルタ全体に関連するアレイは任意の好ましい数のサブアレイを含んでいる。例えば、１つのピクセルを表す１つのユニットセルは、任意の数のサブピクセルを含んでなり、各サブピクセルは異なった１組の波長を透過する。よって、３×３個のピクセルからなる画像形成装置５５０（図５Ｂ）における各ユニットセル（ピクセル）は、サブピクセルのアレイを３×３個含み、９個の異なった光を透過するようになっている。
【００２３】
図６Ａ−Ｃは、いくつかの実施態様に関するナノワイヤフィルタの製造方法を例示しており、図７に関連している。図７は、いくつかの実施態様に関するナノワイヤフィルタの製造方法７００を表すフローチャートである。
【００２４】
工程７１０では、複数のナノワイヤ６０４が基板６０２の第１の表面に形成される。複数のナノワイヤ６０４は、各々の長手方向が基板６０２の第１の表面に対し垂直となるように垂直に配列される。上述したように、ナノワイヤは任意の好ましい長さおよび形状で形成されうる。ナノワイヤ６０４は、複数のサブアレイの中に形成される。各サブアレイは同一の径を有する複数のナノワイヤを含んでいる。しかし、異なるサブアレイにおけるナノワイヤは、互いに異なる径を有している。ナノワイヤ６０４は、円形や楕円形などの任意の好ましい断面形状を有している。いくつかの実施態様では、ナノワイヤ６０４は、それ自身が形成される基板の材料と同じ材料により形成される。他の実施態様では、ナノワイヤ６０４は基板６０２とは異なる材料により形成されてもよい。基板の上でナノワイヤをつくる典型的な方法の１つの詳細は、図８と共に以下に記す。
【００２５】
工程７２０では、複数のナノワイヤが１つのポリマー層６０６に埋設される。ＰＤＭＳのような任意の適切なポリマーが使用される。複数のナノワイヤは任意の適切な方法でそのポリマー層に埋設される。例えばＰＤＭＳは、垂直に立設した複数のナノワイヤを備えウェハの上にスピンコートされてもよい。その後、ＰＤＭＳ層６０６はキュアされ、冷却される。
【００２６】
工程７３０では、複数のナノワイヤ６０４を埋設したポリマー層６０６が、基板６０２から分離される。これは任意の適切な方法により行われる。例えばポリマー層６０６は、レイザー（ｒａｚｏｒ）ブレード６１０のようなカッティングデバイスにより基板６０２から切り離される。基板６０２からポリマー層６０６を切り離すことは、１つのフィルタを残すことになる。そのフィルタはポリマー層６０６からなり、他の層から影響を受けない両面を有する（基板層は例えば切り離されている）。この上面および下面の一方は光入射面として使用され、他方は光射出面として使用することができる。
【００２７】
上述したように、ナノワイヤ６０４は基板６０２の上に任意の適切な方法により形成される。図８は基板６０２の上にナノワイヤ６０４を形成するための方法８００のフローチャートを示す。工程８１０では、レジスト層が基板の第１の面の上に形成される。ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などの任意の適切なレジストを用いることができる。
【００２８】
工程８２０では、要求される複数のナノワイヤの寸法および形状を有する複数のホールが、レジスト層における要求される場所に形成される。これらのホールは任意の適切な方法により形成される。例えば、エレクトロンビームリソグラフィが、現像の際にレジスト層の望ましい場所を露出させるために用いられてもよい。レジスト層の露出部分は洗い流されてもよい。レジスト層に残存するホールは、下層としての基板の表面を露出させる。
【００２９】
工程８３０では、複数のホールが少なくとも部分的にハードマスク材料により埋められる。任意の適切なハードマスク材料が用いられる。好ましくは、ハードマスク材料は、基板の材料のエッチングレートよりも低いエッチングレートを有するとよい。例えば、ハードマスク材料として、金属材料が用いられてもよい。いくつかの実施態様では、ホールを埋めるためにアルミニウムが用いられる。ホールには、任意の適切な方法によりアルミニウムが充填される。例えば、アルミニウムは、熱蒸着装置（thermal evaporator）を用いて蒸着される。
【００３０】
工程８４０では、レジスト層が除去され、アルミニウムなどのハードマスクにより覆われた場所以外の基板の表面が露出される。レジスト層は任意の適切な方法（ウェハ全体をアセトンに浸漬するような方法）により除去され得る。本実施態様はアセトンを使用する場合に限定されるものではない。レジスト材料を溶解する任意の液体が適用可能である。
【００３１】
工程８５０では、ハードマスクによって覆われていない基板の部分がエッチングされる。任意の適切なエッチングプロセスが使用され得る。いくつかの実施態様では、反応性イオンエッチングが用いられ、例えばエッチャントとしてＳＦ6および／またはＣ4Ｆ8が用いられる。エッチングののち、複数のナノワイヤが基板材料と同じ材料から形成され、基板と一体的に取りつけられる。
【００３２】
いくつかの実施態様では、ｐｎ接合やｐｉｎ接合などの光電素子が、半導体ナノワイヤの内部に形成される。光電素子が存在するとき、複数のナノワイヤは、ナノワイヤの径などの断面積の特性によって制御されるスペクトル感度を持つ光検出器として振る舞う。
【００３３】
図９は、ｐｉｎ接合を有する単一のナノワイヤ光検出器９００の典型的な構成例を示している。ナノワイヤ９００は、任意の半導体材料から形成される。一例であってこれに限定されるものではないが、半導体材料としてシリコンやゲルマニウムが適用され得る。ナノワイヤ９００は、第１導電型の基板９１０と、第１導電型の第１のナノワイヤ部分９２０と、内在する第２のナノワイヤ部分９２０と、第２導電型の第３のナノワイヤ部分９４０と、透明導電体９５０と、ナノワイヤを包むポリマー層９６０とを有する。一例として、第１導電型はｎ型であり、第２導電型はｐ型である。しかしながら、本実施態様はこれに限定されるものではない。例えば以下に述べるように、基板はｎ型半導体（ｎ+）とであってもよい。
【００３４】
図９に示したように、基板９１０および第１のナノワイヤ部分９２０は同じドープ特性を有するｎ型半導体である。真性領域９３０もまたｎ型であるが、ドナー（ｎ-）の濃度は低い。第３のナノワイヤ部分９４０はｐ型半導体である（ｐ+）。この構造は光ダイオード検出器として振る舞う。ナノワイヤへの光入射は吸収され、ナノワイヤの断面の特性により規定される。光が吸収されたとき、光電流が形成される。このような方法により、ナノワイヤによって吸収される波長の光量は、量的に計ることができる可能性がある。
【００３５】
ナノワイヤの部分は任意の適切な寸法を有する。一例であってこれに限定されるものではないが、ナノワイヤの全体の長さは２．０μｍ〜３．０μｍであり、ナノワイヤ同士の間隔は１．０μｍであるとよい。第１のナノワイヤ部分９２０は、６００ｎｍの長さであり、第２の真性領域９２０は１４００ｎｍの長さであり、第３のナノワイヤ部分９４０は１００ｎｍの長さである。ナノワイヤの径は、各ナノワイヤが吸収するように設計された光の波長に基づき、８０ｎｍ−１４０ｎｍの範囲で変化する。
【００３６】
ナノワイヤは、スペーサとして機能するＰＭＭＡなどのポリマー９６０に埋設され得る。本実施態様はＰＭＭＡに限定されるものではなく、任意のポリマーが用いられてもよい。
透明導電体９５０は、ポリマー層９６０の上に配置され、ナノワイヤ光検出器９００のために電気的コンタクトを形成するｐ型の第３のナノワイヤ部分９４０の上方に設けられる。一例であってこれに限定されるものではないが、透明導電体９５０はインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）により形成されてもよい。
【００３７】
図９に示したナノワイヤ光検出器９００は、任意の適切な方法により形成される。図１０Ａ〜１０Ｃは、ナノワイヤ光検出器９００の形成方法の１つを例示するものであり、図１１に関連して記載されている。図１１は、ナノワイヤ光検出器９００を形成する方法を記述しているフローチャートである。
【００３８】
工程１１１０では、基板、ｎ型層およびｐ型層を有するエピタキシャル構造が形成される。これは、任意の適切な方法により実現され得る。たとえば、ｎ型基板１０１０およびｎ-シリコンエピタキシャル層１０２０を含むシリコンエピタキシャルウェハが出発点として用いられてもよい。ｎ-シリコンエピタキシャル層は、任意の適切な厚さを有するとよい。一例であってこれに限定されるものではないが、例えば初期の厚さが１．５μｍであってもよい。ｐ型層１０３０は、ボロンの拡散を用いてｎ-シリコンエピタキシャル層の上部に不純物を添加することにより形成され得る。この不純物添加はｎ-シリコンエピタキシャル層の全体の厚みを減らして、ｐ−ｉ−ｎ接合の基本的な構造を作る。
【００３９】
工程１１２０では、メタリックマスク１０４０がｐ型層１０３０の上面に追加される。そのメタリックマスクは所望の間隔で所望の寸法もしくは形状を有するように形成される。このメタリックマスクはまた、任意の適切な方法により形成される。例えば、ナノワイヤフィルタの形成に関する上記の記述に用いられたテクニックが実行され、メタリックマスク１０４０が形成される。工程１１３０では、エピタキシャル構造のうちメタリックマスク１０４０により覆われていない部分が除去され、ｐ−ｉ−ｎ接合を有するナノワイヤ１０５０が形成される。この工程は反応性イオンエッチングのような、任意の適切な方法により実施される。しかしながら、任意のドライエッチングを用いてもよい。
【００４０】
工程１１４０では、ポリマー層１０６０が、ナノワイヤ１０５０を埋設するように形成される。任意の適切なポリマーが用いられる。図１０Ｃに示した例では、ＰＭＭＡが使用されている。ＰＭＭＡ層１０６０は、エッチトウェハの上にスピンコーティングにより形成され、そのウェハがキュアされることにより形成される。工程１１５０では、電気的コンタクト１０７０が少なくともナノワイヤ１０５０が形成された部分の上に形成される。この工程は、任意の適切な方法により実施されるとよい。いくつかの実施態様では、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）がそのデバイスの上に４０ｎｍの厚さとなるようにスパッタされる。任意の適切な導電性材料が電気的コンタクト１０７０を形成するために用いられるとよい。好ましくは、その材料は検出対象となる波長域の光を透過するものであるとよい。
【００４１】
上述のナノワイヤ光検出器は、１つのナノワイヤ光検出器が第１の波長を検出し、第２のナノワイヤ光検出器が第１の波長と異なる第２の波長を検出するような配列で形成されるとよい。さらに、ナノワイヤ光検出器を有する画像形成装置に入射する光は、従来の光検出器のアレイ（例えばＣＣＤアレイ）の上方にナノワイヤ光検出器を含むことによって効率的に検出される。このように、画像形成装置に入射する光のほとんどを検出することができる。
【００４２】
図１２は、従来の光検出器１２２０より上に設けられたナノワイヤ光検出器１２３０，１２４０，１２５０を備えた典型的な画像形成装置１２００を例示したものである。各ナノワイヤ光検出器が異なる波長を検出するように、各ナノワイヤ光検出器は互いに異なる径を有している。例として、３つの異なるナノワイヤ光検出器のみを示す。単純にするため、ナノワイヤ光検出器１２３０，１２４０，１２５０は、それぞれ、矢印で示したように赤色光、緑色光、青色光を吸収する。任意の数の異なるナノワイヤ光検出器が使用される可能性があることを理解すべきであり、それらのナノワイヤ光検出器が赤色光、緑色光、青色光を検出することに限定されるものでもない。任意の適当な波長の光であっても、検出される可能性がある。
【００４３】
赤色光を検出するナノワイヤ光検出器１２３０に注目すると、赤色以外の他の波長の光はナノワイヤ光検出器１２３０を透過することが図示されている。よって、ナノワイヤ光検出器１２３０の下方に設けられた光検出器１２２０は、ナノワイヤ光検出器１２３０の光入射面と反対側の面と接し、ナノワイヤ光検出器１２３０を透過した光を検出する。従来の光検出器１２２０は、ナノワイヤ光検出器１２３０よりも広範囲のスペクトル感度を有し、他の波長の光を検出できるようになっている。この記載は、他のナノワイヤ光検出器１２４０，１２５０にも、それらが緑色光および青色光をそれぞれ検出することを除き、当てはまる。
【００４４】
上述したナノワイヤフィルタと同様に、複数のナノワイヤ光検出器は、全てが同じ波長の光を検出する複数のサブピクセルと対応するサブアレイにおいて配列されるようにしてもよい。このように、多重スペクトル画像形成装置は、従来の画像形成装置よりも高い割合で入射光線を利用するように、作製され得る。
【００４５】
本具体例は、様々なアプリケーションにおいて使用される可能性を有する。ナノワイヤに基づくフィルタは、一般にフィルタが使用される任意のアプリケーションにおいても使用される可能性を有する。例えば、ナノワイヤフィルタは、表示装置やプロジェクタ装置、画像形成装置において使用されてもよい。ナノワイヤ光検出器は、あらゆるイメージングアプリケーションにおいて使用される可能性を有する。イメージングアプリケーションは、紫外線（ＵＶ）、可視光線、ＮＩＲおよび／または赤外線（ＩＲ）において動作するデジタルカメラを含んでいてもよい。 デジタルカメラアプリケーションは、スチールカメラおよびビデオカメラの双方を含んでいてもよい。
【００４６】
このように少なくとも１つの具体例のいくつかの側面を記述することにより、種々の変更、修正および改善を容易に当業者が想起できるものと考えられる。例えば、上述のナノワイヤフィルタが、任意の適切なアプリケーション（例えばイメージディスプレイ装置）においても使用される可能性がある。また、様々な径を有するナノワイヤが、フィルタのスペクトル感度を調整するために、１つのサブアレイの中で用いられるかもしれない。さらに、上述のアプリケーションは、可視光域や赤外域以外の、電磁スペクトルの他の波長域に適用されるかもしれない。例えば、ナノワイヤフィルタや光検出器は、紫外域およびマイクロ波放射線で使用するために作製されるかもしれない。
【００４７】
さらに、上述の特定の具体例のどんな態様でも、上述の他のどの具体例の１つ以上の態様と結合されるかもしれない。例えば、光検出器を有さないナノワイヤフィルタが、光検出器を有するナノワイヤフィルタとともに使われるようにしてもよい。
【００４８】
そのような変更、修正および改善は、本開示の一部であることを目的とし、発明の精神および範囲の中であることを目的とする。したがって、前述の説明と図面は、例示にすぎない。
【００４９】
本発明は、説明の詳細および前述の説明で述べられる内容に制限されるものではない。また、図面に図示される部品の配置への適用において制限されるものではない。本発明は、他の具体例にも適用され、様々な方法で実行されうるものである。また、本明細書中での言葉遣いおよび用語は、説明の目的で使用されたものであって本発明がこれに制限されるものであると考えてはならない。「含む（including）」,「からなる（comprising）」,「有する（having）」,「含有する（containing）,「取り込む（involving）」およびこれらのバリエーションの使用は、その後リストされるアイテムとさらなるアイテムとを網羅するはずである。
【００５０】
本発明は方法（少なくとも１つの具体例が提供されている）として表されるかもしれない。その方法の一部として実行される行為は、任意の適切な方法で命じられるようにしてもよい。したがって、例示されるものと工程が異なる順序で実行される具体例であってもよい。たとえ具体例の連続した工程として示されるとしても、それは同時にいくつかの工程を実行することを含むようにしてもよい。
【００５１】
請求の範囲や明細書における「第１の」、「第２の」および「第３の」などの順序を示す語句の使用は、それ自身、優先度や優先順位、１つのクレームの要素と他の要素との順序、または方法において実施される順序について何ら暗示するものではない。単に、１つの構成要素を、同じ、もしくは類似の名称を有する他の構成要素から識別するためのラベルとして用いられているだけである。
【図１Ａ】
2015532725.tif 000003
【図１Ｂ】
2015532725.tif 000004
【図１Ｃ】
2015532725.tif 000005
【図２Ａ】
2015532725.tif 000006
【図２Ｂ】
2015532725.tif 000007
【図２Ｃ】
2015532725.tif 000008
【図３】
2015532725.tif 000009
【図４Ａ】
2015532725.tif 000010
【図４Ｂ】
2015532725.tif 000011
【図５Ａ】
2015532725.tif 000012
【図５Ｂ】
2015532725.tif 000013
【図６】
2015532725.tif 000014
【図７】
2015532725.tif 000015
【図８】
2015532725.tif 000016
【図９】
2015532725.tif 000017
【図１０】
2015532725.tif 000018
【図１１】
2015532725.tif 000019
【図１２】
2015532725.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成27年6月29日(2015.6.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入射面を有する光フィルタを備え、
前記光フィルタは、前記光入射面に対し実質的に直交する方向に向いた複数のナノワイヤのアレイを含み、
前記光フィルタは、前記光入射面に入射する第１の波長の光を透過するものであり、
前記第１の波長は、前記複数のナノワイヤの断面形状に基づくものである
光学装置。
【請求項２】
前記複数のナノワイヤのアレイは、ポリマーに埋設されている
請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
前記ポリマーは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）である
請求項１記載の光学装置。
【請求項４】
前記複数のナノワイヤの各々は、実質的に円形の断面を有し、
前記第１の波長は、前記複数のナノワイヤにおける半径に基づいている
請求項１記載の光学装置。
【請求項５】
前記複数のナノワイヤの各々は、実質的に楕円形の断面を有すると共に第１の偏光を含む前記第１の波長の光および第２の偏光を含む第２の波長の光を透過するものである
請求項１記載の光学装置。
【請求項６】
前記複数のナノワイヤのアレイは複数のサブアレイを有し、
前記複数のサブアレイは、それぞれ、複数のナノワイヤを含み、
前記複数のサブアレイの各々における前記複数のナノワイヤは、同一の断面形状を有する
請求項１記載の光学装置。
【請求項７】
前記光フィルタによって伝達される光を検出するための光検出器を複数含むアレイをさらに備えた
請求項１記載の光学装置。
【請求項８】
前記複数のナノワイヤのアレイは複数のサブアレイを有し、
前記複数のサブアレイは、それぞれ、複数のナノワイヤを含み、
前記光検出器アレイにおける各光検出器は、前記複数のサブアレイのうちの１つによって伝達される光を受け取るように構成されている
請求項７記載の光学装置。
【請求項９】
前記複数のナノワイヤは、半導体材料からなる
請求項１記載の光学装置。
【請求項１０】
前記半導体材料は、珪素またはゲルマニウムである
請求項９記載の光学装置。
【請求項１１】
表面を含む基板の上に、前記表面に対し実質的に直交する方向に向いた複数のナノワイヤを形成することと、
ポリマー層の内部に前記複数のナノワイヤを埋め込むことと、
前記ポリマー層および前記複数のナノワイヤを、前記基板から分離することと
を含む光フィルタの製造方法。
【請求項１２】
前記複数のナノワイヤを形成する際に、
前記基板の上に、複数の金属マスクを形成し、
前記基板のうちの前記金属マスク一部により覆われた部分以外の部分をエッチングする
請求項１１記載の光フィルタの製造方法。
【請求項１３】
前記複数の金属マスクを形成する際に、
前記基板の上にレジスト層を形成することと、
前記基板を露出させるために、前記レジスト層の複数の箇所において複数のホールを形成することと、
前記基板と導通する金属材料により、前記複数のホールを少なくとも部分的に充填することと、
前記レジスト層を除去することと
を含む
請求項１２記載の光フィルタの製造方法。
【請求項１４】
基板の上に形成された複数のナノワイヤのアレイを備え、
前記複数のナノワイヤのうちの少なくとも１つのナノワイヤは、自らによって吸収された入射光子に基づいて少なくとも一部分が光電流を生成する光電素子を含む
画像形成装置。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのナノワイヤに含まれる前記光電変換素子は、ｐ−ｎ接合である
請求項１４記載の画像形成装置。
【請求項１６】
前記アレイにおける少なくとも２つの前記ナノワイヤは、特定の波長における入射光子を選択的に吸収するために互いに異なる半径を有する
請求項１４記載の画像形成装置。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのナノワイヤの下方に少なくとも１つの光検出器をさらに備え、
前記少なくとも１つのナノワイヤは、第２の波長では光子を吸収せず第１の波長で光子を吸収し、
前記光検出器は前記第２の波長で光子を吸収する
請求項１４記載の画像形成装置。
【請求項１８】
ｐｎ接合を構成するｎ型半導体層およびｐ型半導体層を有するエピタキシャル構造を基板上に形成することと、
前記基板の上に、前記エピタキシャル構造に形成されたｐｎ接合をそれぞれ含む複数のナノワイヤのアレイを形成するために前記エピタキシャル構造をエッチングすることと、
前記複数のナノワイヤのアレイにおける前記少なくとも１つのナノワイヤとの電気接点を形成することと
を含む
画像形成装置の製造方法。
【請求項１９】
前記複数のナノワイヤのアレイの表面の少なくとも一部を平坦化するために、前記基板の上にポリマー層を形成すること
をさらに含む
請求項１８に記載の画像形成装置の製造方法。
【請求項２０】
前記ポリマー層はポリメチルメタクリレートからなり、
レジスト層に複数のホールを形成し、複数の場所において前記基板を露出させることと、
前記基板と導通する金属材料により、前記複数のホールを少なくとも部分的に充填することと、
前記レジスト層を除去することと
を含む
請求項１８に記載の画像形成装置の製造方法。
【国際調査報告】
2015532725.tif 000021
2015532725.tif 000022
2015532725.tif 000023