(57)【要約】  ２Ｄセンサ・アレイは、半導体基板と、半導体基板に配設された複数の画素とを含む。各画素は、結合領域および接合領域と、半導体基板に配設され、結合領域から領域まで延びるスラブ導波路構造とを含む。スラブ導波路は、第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に配設された閉込め層を含む。第１のクラッドおよび第２のクラッドは各々閉込め層の屈折率よりも低い屈折率を有する。各画素は、結合領域におよびスラブ導波路内に配設された結合構造をさらに含む。結合構造には、異なる屈折率を有し、グレーティング周期によって規定されたグレーティングとして配列された２つの材料が含まれる。接合領域には、バイアス印加と、入射放射の吸収に由来するキャリアの収集とのための電気接触部と通信するｐｎ接合が含まれる。
2017520764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
該半導体基板に配設された複数の画素であり、該複数の画素の各々が、
少なくとも１つの結合領域および少なくとも１つの接合領域と、
前記半導体基板に配設され、該少なくとも１つの結合領域から該少なくとも１つの接合領域まで延び、第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に配設された閉込め層を含むスラブ導波路構造であり、該第１のクラッドおよび該第２のクラッドが各々該閉込め層の屈折率よりも低い屈折率を有する、スラブ導波路構造と、
前記結合領域におよび該スラブ導波路内に配設された少なくとも１つの結合構造であり、異なる屈折率を有する少なくとも２つの材料を含み、グレーティング周期によって規定されたグレーティングとして配列された、少なくとも１つの結合構造と
を含み、
前記接合領域が、バイアス印加と、入射放射の吸収に由来するキャリアの収集とのための電気接触部と通信するｐｎ接合を含む、複数の画素と
を含む２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項２】
前記ｐｎ接合が、第１のキャリア型でドープされた第１の半導体層と、第２のキャリア型でドープされた第２の半導体層とを含む、請求項１に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項３】
基板が、前記第１の半導体層または前記第２の半導体層を含む、請求項２に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項４】
前記ｐｎ接合と電気通信する電子機器をさらに含み、前記ｐｎ接合が、光発生キャリアを収集するためにバイアスをかけられる、請求項１に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項５】
前記スラブ導波路のモード屈折率が、約１．５から約２．２の間にある、請求項１に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項６】
前記少なくとも１つの結合構造が、入射光を前記スラブ導波路に結合させるための前記結合領域に位置づけられた第１の誘電体グレーティングと、光を前記導波路から前記接合領域に結合させるための前記接合領域の上の前記スラブ導波路領域に位置づけられた第２の誘電体グレーティングとを含む、請求項１に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項７】
前記第２の誘電体グレーティングは、前記第２の誘電体グレーティングが前記結合領域の空間広がりよりも小さい空間広がりにわたって前記ｐｎ接合中に光を出力結合させるように前記第１の誘電体グレーティングの結合係数よりも高い結合定数を含む、請求項６に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項８】
前記第１の誘電体グレーティングおよび前記第２の誘電体グレーティングの各々が複数のグレーティング歯を含み、前記第２の誘電体グレーティングの歯が前記第１の誘電体グレーティングの歯よりも厚い、請求項６に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項９】
前記複数の画素のうちの少なくとも２つが、異なるグレーティング周期を有する、請求項６に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項１０】
前記第１の誘電体グレーティングが、前記結合領域にチャープ・グレーティングを含み、前記第２のグレーティングが、前記接合領域に固定−チャープ・グレーティングを含む、請求項６に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項１１】
前記第１の誘電体グレーティングが、前記結合領域に湾曲グレーティングを含む、請求項６に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項１２】
前記第１の誘電体グレーティングが、前記結合領域にチャープ−湾曲グレーティングを含む、請求項６に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項１３】
前記第１の誘電体グレーティングが、複数の重畳された湾曲グレーティングを含み、該複数の重畳された湾曲グレーティングのうちの少なくとも２つが、異なるピッチを有し、前記第２のグレーティングが、前記複数の重畳された湾曲グレーティングの各々に対応する複数のグレーティングを含む、請求項６に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項１４】
前記接合領域が複数の接合領域を含む、請求項１３に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項１５】
前記複数の接合領域の各々がそれぞれのピッチを含み、少なくとも１つの接合領域のピッチが他の接合領域のピッチと異なる、請求項１４に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項１６】
前記第１の誘電体グレーティングが、前記結合領域に交差グレーティングを含み、該交差グレーティングが、第１のピッチをもつ第１のピッチド・グレーティングと、第２のピッチをもつ第２のピッチド・グレーティングとを含み、該第２のピッチド・グレーティングが、該第１のピッチド・グレーティングに対して直角に配列され、
少なくとも１つの接合領域が、第１の接合領域と、第２の接合領域とを含み、
前記第２の誘電体グレーティングが、前記第１のピッチド・グレーティングによって結合された導波路光を受け入れるための前記第１の接合領域の第１の出力結合グレーティングと、前記第２のピッチド・グレーティングによって結合された導波路光を受け入れるための前記第２の接合領域の第２の出力結合グレーティングとを含む、請求項６に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項１７】
前記第１の誘電体グレーティングが、複数の重なっているチャープ−湾曲グレーティングを前記結合領域に含み、
前記少なくとも１つの接合領域が複数の接合領域を含み、
前記第２の誘電体領域が複数の接合グレーティングを含み、該接合グレーティングの各々が、該複数の接合領域のそれぞれのものに配設され、角度／スペクトル応答のそれぞれのものを有する、請求項６に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項１８】
前記ｐｎ接合を直接照明から遮蔽するために前記スラブ導波路の上に配設された金属ブロックをさらに含む、請求項１に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項１９】
前記金属ブロックと前記スラブ導波路との間に配設された誘電体スペーサをさらに含む、請求項１８に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの結合構造が、入射光を前記スラブ導波路に結合させるための前記結合領域に位置づけられた第１の誘電体グレーティングと、前記金属ブロックと、前記半導体基板の局所化接合区域との間に配設された前記接合領域における第２の誘電体グレーティングとを含む、請求項１８に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項２１】
前記金属ブロックの下に配設された基板の一部分が、前記ｐｎ接合を前記第１のクラッド層中に延ばす隆起部分を含む、請求項１８に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項２２】
前記ｐｎ接合が、第１のキャリア型でドープされた第１の平面半導体層と、第２のキャリア型でドープされた第２の平面半導体層とを含む、請求項１に記載の２Ｄアレイ。
【請求項２３】
前記ｐｎ接合が、第１のキャリア型でドープされ、複数のポストを含む第１の半導体層と、第２のキャリア型でドープされた第２の半導体層であり、該第２の半導体層を通って延び、ハニカム・パターンで構成された複数の孔で構成された、第２の半導体層とを含み、
前記ポストのうちの少なくとも１つが、前記ハニカム・パターンの前記複数の孔のうちの対応するものを通って延び、
前記ハニカム・パターンが複数の縁部部分を含み、該複数の縁部部分の各々が空乏領域区域のそれぞれのものを含む、請求項１に記載の２Ｄアレイ。
【請求項２４】
前記第１の半導体層がｐ型半導体層を含み、前記第２の層がｎ型半導体層を含む、請求項２３に記載の２Ｄアレイ。
【請求項２５】
請求項１に記載のいずれかの２Ｄセンサ・アレイを含むスマート照明システムであり、該２Ｄセンサ・アレイが、４００ｎｍから７００ｎｍの可視スペクトル内の６個から１５個のスペクトル範囲に対して約２０ｎｍから約５０ｎｍのスペクトル範囲を有する、スマート照明システム。
【請求項２６】
前記２Ｄセンサ・アレイが、１２０°だけ分離された３個から４個の方位角に沿って約１５°間隔および８個の角度での−６０°から６０°（ｆ／１．７５）の極角の光の１０個から１３個の角度サンプルを受け取るように構成され、各画素が、極角と方位角の両方において約１０°の制限角度受容を有する、請求項２５に記載のスマート照明システム。
【請求項２７】
少なくとも第１の画素および第２の画素を含む複数の画素であり、該第１の画素および該第２の画素の各々が、
スラブ導波路部分と、
単一モード導波路部分と、
該スラブ導波路部分から該単一モード導波路部分に入射光を集める断熱テーパ部分と、
前記単一モード導波路部分に実質的に隣接して形成された複数の共振アドドロップ・フィルタと
を含み、
前記スラブ導波路が、
第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に配設された閉込め層であり、該第１のクラッドおよび該第２のクラッドが各々該閉込め層の屈折率よりも低い屈折率を有する、閉込め層と、
入射光を前記スラブ導波路に結合させるために前記第１のクラッド層に配設されたグレーティングと
を含み、
前記第１の画素のグレーティングが第１のグレーティング周期を有し、前記第２の画素のグレーティングが第２のグレーティング周期を有する、複数の画素
を含む２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項２８】
各アドドロップ・フィルタが、第１の波長域をドロップするように構成され、該第１の波長域を検出器に送出するように配列され、第２の波長域を該アドドロップ・フィルタのうちの後続のものに送出し、それによって、前記導波路における光のスペクトルを供給するように構成される、請求項２７に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項２９】
前記２Ｄアレイが、２πステラジアンの大部分にわたって入射光を受け取るように構成される、請求項２７に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項３０】
第１のキャリア型でドープされ、複数のポストを含む第１の半導体層と、第２のキャリア型でドープされた第２の半導体層であり、該第２の半導体層を通って延びる複数の孔で構成された、第２の半導体層とを含むＣＭＯＳ適合光検出器であって、前記ポストのうちの少なくとも１つが、ハニカム・パターンの前記複数の孔のうちの対応するものを通って延び、該ハニカム・パターンが複数の縁部部分を含み、該複数の縁部部分の各々が空乏領域区域のそれぞれのものを含む、ＣＭＯＳ適合光検出器。
【請求項３１】
ハニカム構造が単一のｐｎ接合を含む、請求項３０に記載のＣＭＯＳ適合光検出器。
【請求項３２】
請求項３０に記載のＣＭＯＳ光検出器を含むスマート照明システム。
【請求項３３】
電磁放射を検出する方法であって、
複数の画素を含む半導体基板
を有し、
該複数の画素の各々が、
少なくとも１つの結合領域および少なくとも１つの接合領域と、
前記半導体基板に配設され、該結合領域から該接合領域まで延びるスラブ導波路構造と、
少なくとも１つのｐｎ接合を前記半導体基板を用いて前記接合領域に形成する局所化半導体層と、
前記スラブ導波路が、第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に配設された閉込め層を含み、該第１のクラッドおよび該第２のクラッドが各々該閉込め層の屈折率よりも低い屈折率を有し、
前記スラブ導波路に配設された少なくとも１つのグレーティングであり、グレーティング周期を含む、少なくとも１つのグレーティングと、
を有する２Ｄセンサ・アレイを用意するステップと、
入来光を前記スラブ導波路に前記結合領域において結合させるステップと、
接合区域の上の領域に該光を伝搬させるステップと、
前記光が前記接合領域に入るように前記光を切り離すステップと、
前記光を少なくとも１つの電子−正孔対に変換するステップと
を含み、
前記入来光が少なくとも１つの変調波形を含む、電磁放射を検出する方法。
【請求項３４】
前記少なくとも１つの変調波形が、少なくとも１つの発光ダイオードによってブロードキャストされたそれぞれの識別署名を含む、請求項３３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年６月９日に出願された米国特許仮出願第６２／００９，８３２号明細書および２０１５年１月５日に出願された米国特許仮出願第６２／０９９，９８１号の優先権を主張し、それら全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
政府支援の記載
本発明は、米国科学財団によって与えられた認可第ＥＥＣ０８１２０５６号の下で、政府支援により行われた。政府は、本発明に一定の権利を有する。
【０００３】
本発明は、一般に、照明の分野、特に、センサを含むスマート照明に関し、詳細には、集積化束縛モード・スペクトル／角度センサの分野に関する。
【背景技術】
【０００４】
エネルギー効率のよいＬＥＤシステムへの屋内照明の移行は、今日の控えめなオン／オフ／調光の制御から、ＬＥＤの電子適合性および柔軟性を利用する新しいスマート照明パラダイムまで照明の機能を高める膨大な機会を提供する。この新しい照明パラダイムには、労働者／学生の生産性の向上のための照明、人間の睡眠／覚醒サイクルを向上する概日同調などの健康効果、増大している無線ボトルネックを緩和するための可視光通信（ＶＬＣ）、およびカスタム照明を提供するための居住／活動感知が、含まれる。
【０００５】
最も高い照明効率は、可視にわたる様々な色の多数のＬＥＤを用い、蛍光体色変換における本質的なエネルギー損失を除去して達成されるはずである。ＶＬＣは、必要な総計のＧｂｐｓデータレートを提供するために、および人々がパーソナル・デバイスとともに移動するときの移動性をサポートするために、多数の装備品からの多数のＬＥＤを有する多入力多出力（ＭＩＭＯ）構成を必要とすることになる。光は、健康および生産性に多くの影響を及ぼし、スペクトルならびに強度変動は、人間環境の最適化にとって重要である。より大きなエネルギーの節約が、より快適な体験とともに、ＬＥＤの効率改善からの節約に加えて人間活動に照明を適合させることによって入手できる。
【０００６】
現在、４００ｎｍから７００ｎｍの可視スペクトルにわたる４個から１０個の独立した色を有する照明器具ごとに多数のＬＥＤを含むスマート照明を開発する傾向がある。当技術分野では、広い色域が可能になるが、異なる照明条件、家具および壁、床、天井の異なる影響、及び異なる装備品におけるＬＥＤの異なる経年変化の少なくとも１つに適応する洗練された制御システムをさらに必要とするスマート照明を提供する必要がある。最近のカラー・カメラは、スマート照明でも使用される集積化された感光性画素などの構成要素を含んでいるが、スマート照明センサで必要とされる角度およびスペクトル分解能要件は、従来のカメラのものとかなり異なっており、従来のカメラは、角度非感受性を必要とし、比較的広帯域でスペクトル的に重なる３つの色フィルタ（ＲＧＢ）をもつ画素のみを有している。最も一般的には、最近のカラー・カメラは、典型的には約１００ｎｍ以上のスペクトル帯域幅をもつ色素吸収材を利用している。色素吸収材はカメラのシリコン感光性画素の上に直接配置されている。
【０００７】
スマート照明を構成する要素の技術を開発する試みには、デジタル・カメラの色画素に適用するための焦点面色フィルタが含まれる。半導体検出器の表面プラズマ波（ＳＰＷ）の増強は、赤外スペクトル領域で広範囲に研究されている。一般に、ＩＲにおいて、この手法は、金属−半導体界面に束縛されたＳＰＷと結びつけるものである。これにより、より薄い吸収領域（それゆえに、より低い雑音電流をもつ）、およびより長い吸収経路（接合深さを横切るのではなく画素に沿った）の使用が可能になる。しかしながら、この手法は、可視スペクトルにわってシリコンが高い吸収特性を持つこと、およびその吸収特定は激しく変化するため、可視スペクトルには適切ではない。別の問題としては、必要とされるグレーティングの尺度が小さいことである。その尺度は、約λ／ｎであり、ここで、半導体の屈折率ｎは、シリコンでは可視スペクトルにわたって４から５である。さらに、ＳＰＷ手法の限界には、以下のものが含まれる。１）可視における比較的高い金属光学損失が、利用可能な帯域幅を限定する。スペクトル幅は、一般に、１００ｎｍから２００ｎｍであり、所望の帯域幅よりも一桁大きい。２）透過率は、低く、一般に、１０％未満であり、それは、測定の感度を制限する。
【０００８】
ファーフィールド・フィルタリング（平面波から平面波）は多くの実証があるが、検出のためにシリコン材料を示唆する実証は比較的少ない。そのような少数の実証では、線幅は広く、一般に１００ｎｍから２００ｎｍであった。「プラズモニクス」という用語は、一般に、金属−誘電体界面に規定された拡張（伝搬）表面プラズマ波（ＳＰＷ）と、金属粒子、金属薄膜の孔、金属の円盤などに関連する局所化表面プラズマ共振（ＳＰＲ）の両方を包含する。ＳＰＷおよびＳＰＲの角度応答は、全く異なり、ＳＰＷは、表面の周期性によって決まる狭角度応答を有するが、ＳＰＲは、一般に、角度非依存応答を有する。実際のプラズモニック構造では、これらの２つの共振は相互に作用し、複雑な波長依存角度応答を生み出す。一方では、画素は一般に小さく、それは、高画素数カメラの動向によって推し進められている。ここで、個々の画素はサブ１０ミクロンである。さらに、フィルタのファーフィールド透過がスペクトル選択量として使用される金属薄膜の孔のアレイによる異常光透過に基づくファーフィールド・フィルタ手法が、多くの研究により実証されている。その手法は、ファーフィールド領域を実現するのに必要とされる長い伝搬距離の結果として都合のよいフォーム・ファクタで実現することが困難であり、シリコン検出器アレイからのフィルタ要素の隔離を必要とする。
【０００９】
他の研究は、基板に製作された２Ｄ導波路との放射結合に焦点を当てている。例えば、グレーティング・カプラと、透明基板上の単一モード・スラブ導波路とからなる導波モード共振（ＧＭＲ）フィルタは、反射および透過において角度とスペクトル感度の両方を実証している。共振外れＧＭＲは、単に、誘電体媒体として働き、通常、入射パワーの大部分は、単に、透過される。共振においては、グレーティングは、入射フォトンのうちの一部を導波路中に結合させ、導波路中の伝搬フォトンは、反射および透過ビームに結合して戻る。このプロセスに固有の位相シフトの結果として、出力結合されたフォトンは、反射波を増強し、直接透過光と弱め合うように干渉して、透過パワーを減少させる。導波路は損失がなく、およびグレーティングは大きい（多くの波長）ので、極端に狭い共振応答が達成される。
【００１０】
電気通信波長の導波路光集積回路により、導波路モードへのグレーティング結合は、２Ｄ導波路から単一モード・ファイバへの変換がわずかに０．６ｄＢの損失であるという最近の実証を伴って、必要なスペクトルおよび角度フィルタリングを行うことができることが実証された。
【００１１】
当技術分野で必要とされるものは、製造便宜性とフォーム・ファクタの減少の両方を備えている拡張可能な製造可能プロセス（例えば、所望の波長／角度設定ごとに別個の製作ステップを必要としない）によりシリコン表面上に集積化することができる色および角度感度の両方をもつ色画素を含むデバイスである。
【００１２】
さらに、シリコン吸収は、可視にわたってかなり変化する。青色波長（約４００ｎｍ）では、シリコンの吸収はかなり強く、わずかに約１００ｎｍの１／ｅ吸収長である。対照的に、スペクトルの赤色端（約７００ｎｍ）では、シリコンの１／ｅ吸収長は約８マイクロメートルである（８０倍長い）。結果として、シリコン光検出器の応答性も可視にわたって変化する。青色感度に関しては、接合深さは、かなり浅く、すなわち、短い１／ｅ吸収長以内になければならず、それは、従来のＣＭＯＳ製作プロセスで達成することが困難である。それゆえに、本発明の別の目的は、シリコンへの青色フォトンの短い侵入深さに適合するＣＭＯＳ適合ｐｎ接合技術を提供することである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本明細書で説明するいくつかの実施形態は、シリカの保護層により被覆することができる金属上で伝搬する束縛モードへのグレーティング結合と、下にあるシリコンｐｎ接合、例えば、製作されたシリコン・ウェハまで金属を通ってトンネルするフォトンとを使用する。本明細書で説明するいくつかの実施形態は、シリコン・ウェハの表面に沿って伝搬する束縛モードへのグレーティング結合を使用する。これらは、金属／誘電体界面に束縛された表面プラズマ波、または誘電体スタック（一般には、低屈折率クラッド、高屈折率閉込め層、および低屈折率クラッド）によって閉じ込められた導波路モードとすることができる。
【００１４】
一実施形態には、２Ｄセンサ・アレイがある。２Ｄセンサ・アレイは、半導体基板と、半導体基板に配設された複数の画素とを含む。複数の画素の各々は、少なくとも１つの結合領域および少なくとも１つの接合領域と、半導体基板に配設され、少なくとも１つの結合領域から少なくとも１つの接合領域まで延びるスラブ導波路構造とを含む。スラブ導波路は、第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に配設された閉込め層を含む。第１のクラッドおよび第２のクラッドは各々閉込め層の屈折率よりも低い屈折率を有する。複数の画素の各々は、結合領域におよびスラブ導波路内に配設された少なくとも１つの結合構造をさらに含む。結合構造には、異なる屈折率を有し、グレーティング周期によって規定されたグレーティングとして配列された少なくとも２つの材料が含まれる。接合領域には、バイアス印加と、入射放射の吸収に由来するキャリアの収集とのための電気接触部と通信するｐｎ接合が含まれる。
【００１５】
別の実施形態には、２Ｄセンサ・アレイがある。２Ｄセンサ・アレイは、少なくとも第１の画素および第２の画素を含む複数の画素を含む。第１の画素および第２の画素の各々は、スラブ導波路部分と、単一モード導波路部分と、スラブ導波路部分から単一モード導波路部分に入射光を集める断熱テーパ部分と、単一モード導波路部分に実質的に隣接して形成された複数の共振アドドロップ・フィルタとを含む。スラブ導波路は、第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に配設された閉込め層であり、第１のクラッドおよび第２のクラッドが各々閉込め層の屈折率よりも低い屈折率を有する、閉込め層と、入射光をスラブ導波路に結合させるために第１のクラッド層に配設されたグレーティングとを含む。第１の画素のグレーティングは第１のグレーティング周期を有し、第２の画素のグレーティングは第２のグレーティング周期を有する。
【００１６】
別の実施形態には、ＣＭＯＳ適合光検出器がある。ＣＭＯＳ適合光検出器は、第１のキャリア型でドープされた第１の半導体層と、第２のキャリア型でドープされた第２の半導体層とを含む。第１の半導体層は複数のポストを含む。第２の半導体層は、第２の半導体層を通って延びる複数の孔で構成される。ポストのうちの少なくとも１つが、ハニカム・パターンの複数の孔のうちの対応するものを通って延びる。ハニカム・パターンは複数の縁部部分を含み、複数の縁部部分の各々は空乏領域区域のそれぞれのものを含む。
【００１７】
別の実施形態には、電磁放射を検出する方法がある。この方法は、２Ｄセンサ・アレイを用意するステップを含む。２Ｄセンサ・アレイは、複数の画素を含む半導体基板を含む。複数の画素の各々は、少なくとも１つの結合領域および少なくとも１つの接合領域と、半導体基板に配設され、結合領域から接合領域まで延びるスラブ導波路構造と、少なくとも１つのｐｎ接合を、半導体基板を用いて接合領域に形成する局所化半導体層とを含む。スラブ導波路は、第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に配設された閉込め層であり、第１のクラッドおよび第２のクラッドが各々閉込め層の屈折率よりも低い屈折率を有する、閉込め層を含む。画素は、スラブ導波路に配設された少なくとも１つのグレーティングをさらに含む。少なくとも１つのグレーティングはグレーティング周期を含む。この方法は、結合領域において入来光をスラブ導波路に結合させるステップと、接合区域の上の領域に光を伝搬させるステップと、光が接合領域に入るように光を切り離すステップと、光を少なくとも１つの電子−正孔対に変換するステップとをさらに含み、入来光は少なくとも１つの変調波形を含む。
【００１８】
実施形態の利点は、一部が以下の説明に記載されることになり、一部が説明から理解されることになり、または本発明を実践することによって学習することができる。その利点は、添付の特許請求の範囲において特に指し示されている要素および組合せによって実現され達成されるであろう。
【００１９】
前述の概要と以下の詳細な説明の両方は、単に例示および説明であり、特許請求される本発明を限定するものでないことを理解されたい。
【００２０】
本明細書の一部に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を例示し、説明とともに、本発明の原理を明らかにするのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ＣＭＯＳ適合集積プラズモニック検出器の要素の断面図である。
【図２Ａ−２Ｂ】プラズモニック構造の上部の例示的な２Ｄグレーティングの異なる走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）図を示す画像の図である。
【図３】相互接続層を使用するプラズモニック構造の上部の機械的光開口の例示的な実施態様の側面断面図である。
【図４】プラズモニック・デバイスと光検出器との間に配置された波長共振構造の例示的な実施態様の断面図である。
【図５Ａ−５Ｂ】ブロック図として示されたオンチップ回路（図５Ｂ）を介して電子的にアクセスされる光検出器の高密度アレイを含むセンサ（図５Ａ）を示す図である。
【図６Ａ】一実施形態による集積導波路増強ＣＭＯＳ適合プレノプティック検出器要素の斜視図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示した構造による、製作した集積導波路増強ＣＭＯＳ適合プレノプティック検出器要素の光学顕微鏡写真画像の図である。挿入図は、結合領域と検出領域とのグレーティングのＳＥＭ画像である。
【図６Ｃ】集積センサ検出器要素の別の実施形態の斜視図である。
【図７Ａ−７Ｂ】一実施形態の導波路フィルタの側面断面図（図７Ａ）および上面図（図７Ｂ）である。
【図８Ａ−８Ｂ】一実施形態の導波路フィルタの側面断面図（図８Ａ）および上面図（図８Ｂ）である。
【図９】一実施形態の導波路フィルタの上面図であり、集積センサ検出器要素の検出光の帯域幅を調節するためのチャープ・グレーティングの使用を示す図である。
【図１０Ａ】一実施形態の導波路フィルタの上面図であり、湾曲グレーティング（図１０Ａ）と、より小さい検出器要素との使用を示す図である。
【図１０Ｂ】一実施形態の導波路フィルタの上面図であり、組合せチャープ−湾曲グレーティング・カプラを示す図である。
【図１１】一実施形態の導波路フィルタの上面図であり、多数の接合区域とともに単一の結合区域を含む集積センサ検出器要素のより複雑なグレーティング・カプラの使用を示す図である。
【図１２Ａ−１２Ｂ】各々、一実施形態のそれぞれの導波路フィルタの上面図であり、各々、さらに、組合せ結合区域により機能を多数の波長に拡張するためのより複雑なグレーティング・カプラの使用をさらに示す図である。
【図１３】端部において単一モード・ガイドまでテーパ化されているスラブ導波路を含む一実施形態を示す図である。単一モード・ガイドは、様々なスペクトル領域を分離させるための円形共振ウィスパリング・ギャラリ構造に基づくアドドロップ・フィルタを含む。
【図１４Ａ】異なる波長（６５２．３ｎｍ、５３２．２ｎｍ、および４０７．８ｎｍ）のＲＧＢレーザ源のための単一のグレーティング結合型導波路検出器の実験的に得られた角度分解能を示すグラフである。拡大図は、ＴＥ（実線）およびＴＭ（点線）の実験（円）およびシミュレーション（一点鎖線）の結果を示す。
【図１４Ｂ】ＲＧＢレーザ源のための単一のグレーティング結合型導波路検出器の実験的に得られた角度分解能を示すグラフである。下側のパネルは、３２０ｎｍおよび３８０ｎｍのグレーティング周期をもつ同じ導波路による結果を示す。３２０ｎｍグレーティングの結果は、上部パネルにおいて拡大されており、シミュレーション曲線（太い曲線として示されている）と比較されている。
【図１４Ｃ−１４Ｄ】グレーティング周期がパラメータである特定の実施態様の角度スペクトル応答を示すグラフである。
【図１５】それぞれ、理想的な光検出器および市販の光検出器の理想的な応答性（基本限界、量子効率１）および実際の応答性を示すグラフである。
【図１６】測定した応答性（光電流）対製作した光検出器上のレーザ・ビームの位置を示すグラフである。
【図１７Ａ−１７Ｃ】平面ｐｎ検出器の上面図（図１７Ａ）、第１の部分の断面区域（図１７Ｂ）の図、および第２の部分の断面区域（図１７Ｃ）の図である。基板（ｐ−）接触部は示されていない。
【図１８Ａ−１８Ｃ】一実施形態のＣＭＯＳ適合ハニカムｐｎ検出器の上面図（図１８Ａ）、第１の部分の断面図（図１８Ｂ）、および第２の部分の断面区域の図（図１８Ｃ）である。
【図１９Ａ】一実施形態のハニカムｐｎ接合デバイスを有する検出器対一般的な検出器の平面ｐｎ接合のスペクトル応答データを示すグラフである。
【図１９Ｂ】ハニカム構造によって達成された光電流改善を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、本実施形態が詳細に参照される。本実施形態の実施例が添付図面に示される。可能な限り、同じ参照番号が、同じまたは同様の部分を参照するために図面の全体にわたって使用される。
【００２３】
本発明の広い範囲で設定された数値範囲およびパラメータは近似値であるにもかかわらず、特定の実施例に記載される数値は可能な限り正確に報告されている。しかしながら、いずれの数値も、それぞれの試験測定値に見いだされる標準偏差から必然的に生じる一定の誤差を含む。その上、本明細書で開示されるすべての範囲は、その中に包摂されるありとあらゆる部分範囲を包含すると理解されるべきである。例えば、「１０未満」の範囲は、最小値０と最大値１０との間の（およびこれらの値を含む）ありとあらゆる部分範囲を、すなわち、最小値０以上および最大値１０以下を有するありとあらゆる部分範囲を、例えば、１から５を含むことができる。場合によっては、パラメータに関して述べられるような数値は負の値をとることがある。この場合、「その１０より小さい」と述べられる範囲の例示の値は負の値、例えば、−１、−２、−３、−１０、−２０、−３０などを仮定することができる。
【００２４】
以下の実施形態は、図を参照しながら例示の目的のみのために説明される。以下の説明は本質的に例示であり、本明細書に記載されたパラメータへの様々な変更が、本発明の範囲から逸脱することなくなされ得ることを当業者なら理解されよう。本明細書および実施例は、単に例と見なされることが意図されている。ある実施形態を１つまたは複数の他の実施形態と組み合わせて新しい実施形態を形成することができるので、様々な実施形態は必ずしも互いに排他的ではない。
【００２５】
ＬＥＤ照明用途のためのＣＭＯＳ適合プレノプティック（角度および波長）検出器が本明細書で説明される。いくつかの実施形態では、プレノプティック・センサは、スペクトル分解能（約３０ｎｍ未満）と角度分解能（１００ｍｒａｄ、５°）の両方を有する。さらに、そのようなセンサは、量販向けのコスト目標を満たすために拡大縮小できるシリコンＩＣプラットフォームに基づくことがあり、広範な取付け柔軟性のために薄型であることがあり、製造および運用の簡単さと頑健性とのためにグレーティング回転部などの可動部分がない。
【００２６】
本明細書において、プレノプティック・センサ導波路検出器要素の実施形態が説明される。実施形態の検出器要素は、ＣＭＯＳ適合光検出器に含まれ得る２Ｄ画素アレイなどの１つまたは複数の画素に組み込むことができる。そのような実施形態では、グレーティング結合は、シリコン・ウェハの表面に沿って伝搬する束縛モードのために使用される。束縛モードは、図１に示したセンサ要素１００、３００、および４００におけるような金属／誘電体界面に束縛された表面プラズマ波、または図６Ａのセンサ要素６００、図６Ｃのセンサ要素６００’、図７Ａのセンサ要素７００、および図８Ａのセンサ要素８００におけるような誘電体スタック（一般には、低屈折率クラッド、高屈折率閉込め層、および低屈折率クラッド）によって閉じ込められる導波路モードとすることができる。
【００２７】
いずれの場合も、結合の位相整合条件は、式（１）によって与えられる。
【００２８】
【数１】
2017520764.tif 000003
ここで、θｉｎは入射角であり（−１＜ｓｉｎθｉｎ＜１）、ｊは整数（±１，±２，…）であり、λｉｎは光波長であり、ｄはグレーティング周期であり、ｋｍｏｄｅ（λｉｎ）は導波路構造および入射波長を考慮に入れた分散関係によって一般に与えられるモード波ベクトルである。
【００２９】
光が多数の照明器具（すなわち、電球またはＬＥＤなどの分離され広範囲にわたっている光源）から直接に、さらに、部屋のあちこちでの多数のはね返りからやって来る場合、光は、例えば壁に装着されたセンサに様々な角度で入射し、結合式（１）によれば、異なる角度の光は異なる波長で結合される。すなわち、結合式（１）は、入射角と波長の両方に依存する。この問題は、スペクトルのセンサ出力対入射角を用意するために解決されなければならない。目標は入射角の関数としてのスペクトルであるので、この依存性が要望される。しかしながら、測定値から２つの軸を逆畳み込みすることが必要である。したがって、２つの測定軸が、２つの依存性を分離させるために必要とされる。１つの測定軸は、隣接する画素のグレーティングの周期を変えることによって与えられる。第２の測定軸は、ａ）入射角を制御するための検出器活性表面上のブラインド構造、またはｂ）スペクトルを分離するための共振周波数測定構造（導波路に沿った一連の共振アドドロップ・フィルタに類似する）のいずれかを必要とする。したがって、１つの軸、例えば、角度（ブラインドの場合の）または波長（共振フィルタの場合の）のいずれかを測定信号として直接固定することによって、他の軸は測定信号から引き出すことができる。ブラインド構造の場合には、角度を設定する部分があり、次いで、受け取った色がグレーティング・ピッチの関数となる。導波路構造の場合には、角度と波長との畳込み（ｓｉｎθ／λに対応する）を行う部分と、次いで、波長情報を与える一連の共振アドドロップ・フィルタとがある。
【００３０】
電子的に制御可能なＬＥＤでは、各色は、色を符号化し直接波長測定の必要性を除去できる固有の電子署名を有することができる。すなわち、信号は電子的に分離することができる。この電子符号化は人間の知覚を大きく上回る周波数とすることができ、そこで、この電子符号化は照明機能に影響を及ぼさない。
【００３１】
表面プラズマ波スペクトル／角度検出
【００３２】
１組の実施形態において、スペクトル／角度分離は、シリコン検出器の上のプラズモニック導波構造により達成される。Ｒｅ（εｄ＋εｍ）＜０である限り、金属薄膜は、金属薄膜の各側の金属／誘電体界面に関連する表面プラズマ波（ＳＰＷ）をサポートする。ＳＰＥは束縛モードであり、束縛モードは、界面に沿って伝搬し、金属と誘電体の両方の中で指数関数的に減衰する。
【００３３】
Ａｇ／ＳｉＯ２界面では、この条件は可視にわたって満たされる。Ａｇ／Ｓｉ界面では、この条件はスペクトルの青色端で破られ、その結果、ＳＰＷは可視全体にわたって存在するわけではない。したがって、この組の実施形態では、上部のＡｇ／誘電体界面への結合が存在する。十分に薄い金属では、そこで、ＳＰＷは、さらに、金属を通る透過の媒介となり、それにより、下にあるｐｎ接合のスペクトル／角度応答がもたらされる。
【００３４】
図１に示すように、いくつかの実施形態では、プレノプティック・センサ要素１００は半導体基板１１１を含むことができる。表面プラズマ波サポート構造１１３、グレーティング・カプラ１１５、および光検出器１１７は各々センサ要素１００の上に配設することができる。基板は、シリコン基板、例えばｐ型シリコン基板とすることができる。本明細書で説明する実施形態のうちのいくつかは接合区域を作り出すためにｎ拡散を伴うｐ基板を含むが、他の構成についても可能である。例えば、その代りに、本明細書で説明する実施形態は、接合を作り出すためにｐ拡散で使用されるｎ基板を含むことができる。光検出器は、基板１１１に組み込まれた薄いｎ型拡散層１１９を含むことができる。プラズモニック構造１１３は、プラズモニック層１２３で形成することができ、プラズモニック層１２３は、基板１１１の上に配設された金属を含むことができる。いくつかの実施形態では、プラズモニック層１２３は、必要とされる製造ステップ、それゆえに、生産コストを最小にする薄い連続金属シートとすることができる。プラズモニック層１２３は、青色光領域における最もよく知られたプラズモニック性能を備えるアルミニウムを含むことができる。
【００３５】
いくつかの実施形態では、プラズモニック層１２３とグレーティング１１５との間に保護層１２５を加えることができる。保護層１２５は、プラズモニック層１２３を空気汚染と物質の劣化とから保護する。保護層は、蒸着、レーザもしくはｅ−ビーム・アブレーション、または原子層堆積（ＡＬＤ）技法を使用して堆積することができるアルミナを含むことができる。
【００３６】
いくつかの実施形態では、プラズモニック層の金属シートと、位置合わせデバイスとの間に低い屈折率をもつスペーサ層１２１をスペーサとして加えることができる。そのようなスペーサは、漏れモードの振舞いを示すプラズモンに結合される光を除いて、ゼロ次およびすべての高次によって引き起こされるエバネッセント場を実質的に減衰させることによってデバイスのスペクトル応答（選択性）に利益を与える。一実施形態では、低屈折率誘電体層１２５はＡｌ２Ｏ３を含むことができ、および／またはスペーサ層１２１はＳｉＯ２を含むことができる。
【００３７】
グレーティングは、表面プラズモンに光を結合させるためにプラズモニック層１２３の上に配設することができる。いくつかの実施形態では、複数のＳｉ／空気周期構造などの複数の周期構造１２７が、結合グレーティング１１５として使用され得る。そのような結合グレーティングは、可視光範囲で利用可能な最も高い屈折率差異のうちの１つを有し、それにより、ＣＭＯＳ処理との高い両立性を保持しながら高い結合効率を備える。いくつかの実施形態では、結合グレーティングは、ＳｉＯ２とすることができる誘電体などの低屈折率スペーサ要素１３１の上に配置された高誘電率要素１２９（半導体または金属）として実装することができる。高誘電率要素１２９と低屈折率スペーサ要素１３１とのそのような組合せは、プラズモニック・エバネッセント場内の周囲媒体の実効屈折率の低減に関連する高いグレーティング結合効率を可能にする。これにより、より大きいグレーティング・ピッチで同じフィルタリング・ウィンドウを有し、それにより、製作を容易にすることが可能になる。いくつかの実施形態では、１Ｄ結合グレーティングが、プレノプティック・センサに偏光感度を組み込むために使用され得る。いくつかの実施形態では、２Ｄ正方形結合グレーティング（図２Ａ〜図２Ｂ）または２Ｄヘックス・パターン結合グレーティング（図示せず）が、偏波不感動作を可能にするために使用され得る。
【００３８】
図１に戻ると、グレーティング１１５の周期、例えば、周期構造１２７の周期は、近似的にλ／ｎｄとすることができる。ここで、ｎｄは誘電体の屈折率である。シリコン／金属界面の表面プラズモンは、シリコンの誘電定数（ε）（可視にわたりε＝１６からε＝２５）が金属の実部の大きさ（ε≒１０）よりも大きいので、十分には定められない。代わりに、実施形態は、プラズモニック層１２３の他の側（ε≒２．２５のシリカの保護スペーサ層１２１で被覆することができる）でのプラズモンと結びついており、薄い金属を通して下にあるシリコンにフォトンをトンネルさせる。言い換えれば、プレノプティック・センサ要素１００は、プラズモニック層１２３の上の（低屈折率）誘電体１２５への結合と、下にある半導体へのプラズモニック層１２３を通した透過とを行うことができる。
【００３９】
センサ要素１００は、少なくともプラズモニック層１２３に接触する表面プラズマ波（ＳＰＷ）接触部１１２と、ｎ型拡散層１１９に接触するｎ接触部１１４とをさらに含むことができる。センサ要素１００は、ｐ接触部（図１では見えない）をさらに含むことができる。
【００４０】
上述で論じたように、プラズモニック・フィルタリング構造の角度−波長縮退を分解するために、図３に示すように、追加のフィルタリング構造３３３を使用することができる。例えば、いくつかの実施形態では、機械的光開口３３５、３３５’が、図３に示すようにデバイス１００の上に配設された追加のフィルタリング構造として使用され得る。機械的光開口は、特定のデバイス要素に入射する光３４０の角度広がりを低減し、それにより、縮退を除去する。
【００４１】
いくつかの実施形態では、波長共振構造４１２のうちの少なくとも１つが、図４に示すように、プレノプティック・センサ要素４００に組み込まれ得る。波長共振構造４１２は、以下で説明するように要素１００に加えることができる。例えば、追加のフィルタリング構造は、プラズモニック層１２３と光検出器１１７との間に置かれ、それによって、図１の要素１００を図４に示したような要素１００’として変更することができる。波長共振構造４１２は、交互の誘電体層４１４、４１６、および４１８を含むことができ、層１２１をさらに組み込むことができる。一緒にして、交互の誘電体層４１４、４１６、４１８、および１２１は、連続した特定の帯域幅のみを通過させ、それにより、縮退を除去するように設計された異なる自由スペクトル領域と中心周波数とをもついくつかのファブリ・ペロー共振器として構成される。
【００４２】
いくつかの実施形態では、完成したセンサは、オンチップ電子機器を使用してアクセスされる波長／角度ｐｎ接合光検出器のアレイから成る。そのようなアレイの一実施例が図５Ａに示される。アレイは複数の画素を含み、各画素は上述のプレノプティック・センサ要素１００、３００、または４００のそれぞれのものを含む。
【００４３】
プラズモニック構造は、第１の誘電体層などの保護層と第２の誘電体層との間に形成された連続金属シートを含むことができる。ここで、連続金属シートは銀を含む。角度フィルタリング構造には、入射光の角度広がりを低減し、縮退を低減するための機械的光開口が含まれる。プラズモニック構造は、第１の誘電体層上に形成されたグレーティング化誘電体層をさらに含むことができる。グレーティング化誘電体層および第２の誘電体層は各々ＳｉＯ２を含むことができ、および／または第１の誘電体層はＡｌ２Ｏ３を含むことができる。結合グレーティングは、グレーティング化半導体／空気周期構造を含むことができる。結合グレーティングは、低屈折率スペーサに配設された半導体または金属から選択された高誘電率要素を含むことができる。ここで、高誘電率要素は低屈折率スペーサよりも高い誘電率を含むことができる。結合グレーティングは、１Ｄ結合グレーティング、２Ｄ正方形結合グレーティング、または２Ｄヘックス・パターン結合グレーティングを含むことができる。第１の画素および第２の画素の各々は光検出器と波長共振フィルタリング構造とをさらに含むことができる。ここで、波長共振フィルタリング構造は、プラズモニック構造と光検出器との間に配設される。波長共振構造は、複数のファブリ・ペロー共振器を含むことができ、各々は、対応する自由スペクトル領域と中心周波数とを有する。ここで、ファブリ・ペロー共振器は、プラズモニック・デバイスによって所定の帯域幅の光連続体のみを通過できるように構成することができる。２Ｄアレイ・センサの画素は、オンチップ電子機器と電気通信することができ、または図５Ｂに示すような読出し集積回路（ＲＯＩＣ）に接合することができる。２Ｄアレイは、半導体基板と複数のｐｎ接合とをさらに含むことができる。複数の画素は、半導体基板に配設することができる。
【００４４】
誘電体導波路スペクトル／角度検出
【００４５】
すべての誘電体閉じ込め導波モードは、金属−誘電体ＳＰＷに対するより低い損失のための代替案を提供する。したがって、一実施形態では、ＣＭＯＳ適合Ｓｉ光検出器に集積化された無損失導波路を使用して可視スペクトルに対してスペクトルおよび角度フィルタリングするための導波路モードへの導波路結合が提供される。本明細書で説明するような導波路を含むプレノプティック・センサは、上述のスペクトルおよび角度分解能要件を容易に満たし、アレイ構成に容易に拡張することができ、可視光通信ＶＬＣで必要とされるＲＦ帯域幅および帯域外阻止を容易に備えることになる。
【００４６】
ＣＭＯＳ適合性を保持するために、図６Ａのプレノプティック・センサ要素６００は三層導波路構造６１３を含むことができる。導波路構造６１３は、基板６１１の上に配設された第１の低屈折率クラッド層６２１、高屈折率閉込め層６２３、および第２の低屈折率クラッド層６２５（例えば、ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２導波路）を含むことができる。基板６１１は、シリコン基板とすることができる。第１の低屈折率クラッド層６２１および第２の低屈折率クラッド層６２５は各々ＳｉＯ２を含むことができる。高屈折率閉込め層６２３はＳｉ３Ｎ４を含むことができる。含まれる導波路層の屈折率は、ＳｉＯ２＝１．５、Ｓｉ３Ｎ４≒２．２である。導波路構造の層は、可視スペクトルにわたって透明とすることができる。導波路層のための他の材料の組合せが利用可能であり、明確な言及なしに本明細書に含まれることを当業者なら理解されよう。
【００４７】
動作時に、入射光６４０は、結合領域６４０’において特定の波長および入射角で導波路６１３に結合される。結合領域６４０’は、スペクトル／角度フィルタリング機能を備える。入射光は、結合領域６４０’にあるグレーティング・カプラ６１５によって導波路６１３に結合される。グレーティング・カプラ６１５は複数の誘電体格子６２７を含む。次いで、光は、導波路６１３から下流に、接合領域６４０’’にある出力結合グレーティング６１５’の結合領域から、下にあるシリコン基板６１１に製作され少なくとも１つのｐｎ接合を含む光検出器６１７に出力結合される。接合区域の第２のグレーティング６１５’は、光検出器の半導体検出領域に光を出力結合させるために使用される。したがって、第１の低屈折率クラッド層６２１の厚さは、場が吸収性シリコン基板６１１中に著しく延びないことを保証するように選択されるべきであり、閉込め層６２３の厚さは、堆積方向での単一モードを保証するように選択されるべきであり、第２の低屈折率クラッド層６２５の厚さは、結合強度を制御するように選択されるべきである。
【００４８】
ｐｎ接合は、まず、適切なドーピング・プロファイルにより画定される。活性区域がかなり大きいので、１つの選択肢としては、接合区域を画定するために単純な拡散プロセスを使用することである。代替として、イオン注入およびアニーリングが、当技術分野でよく知られているように使用され得る。接合形成に続いて、導波路のブランケット層（下部クラッド、導波路コア、および上部クラッド）が、適切な堆積技法によって堆積される。数ある中でスパッタリング、蒸着、およびスピン・コーティングなどの技法が利用可能であり、よく知られている。次に、１つまたは複数のリソグラフィおよびパターン転写ステップが、入力結合領域および出力結合領域を画定するために使用される。追加の標準リソグラフィ／エッチング／金属堆積／アニーリング・ステップを使用して、電気接触部と、ｐｎ接合を直接照明から保護するためのｐｎ接合の上のカバーとが設けられる。
【００４９】
図６Ｃに示すように、集積プレノプティック・センサ要素６００の代替構造は、導波路６１３ならびに第１のグレーティング６２７および第２のグレーティング６２８を含む。検出器要素の直接照明を除去するための第２のグレーティング６１５’の部分の上などの検出器区域の上のカバー６２８’を用いる。カバー６２８’は、不透明な材料、例えば、約１００ｎｍよりも厚い金属とすることができる。分離層（図示せず）が、上部クラッドの厚さおよびカプラのエッチング深さに応じて必要であることがある。
【００５０】
一実施例では、光検出器６１７は、基板６１１のｎドープ領域６１９を含むことができる。基板６１１は、ｐ型基板とすることができる。プレノプティック・センサは、そのような検出要素を含む画素のアレイを必要し、要素のうちの少なくとも２つは、異なるピッチまたは方位のグレーティングを有することになる。単一モード・スラブ導波路６１３とともにグレーティング・カプラ６１５は、上述の結合式（１）から明らかなように必要な角度／波長選択性を備える。
【００５１】
導波路のパラメータは、可視にわたって単一（ＴＥ、ＴＭ）モード対を備え、個々の画素角度／波長結合共振を調節するために異なるグレーティングの使用を可能にするように選ばれる。
【００５２】
単一モード・スラブ導波路において、このスラブのモード屈折率は、１．５（長波長における、例えば、クラッドの屈折率）から２．２（短波長における、例えば、コアの屈折率）の範囲にわたって変化する。グレーティングなしでは、モード位相速度は、常に、自由空間中の光の速度よりも遅いので上部からこの導波路に入射する光との結合はない。ＳＰＷの場合とまったく同じように、この運動量欠損はグレーティングで補うことができる。ほとんど１００％の非常に高い結合効率が容易に達成される。導波路は損失がないので、共振線幅は、ＳＰＷの場合よりも非常に小さい。測定される線幅は、１）グレーティングの幅、２）照明されるグレーティング幅、および３）グレーティング結合強度の関数である。以下で示すように、弱結合限界での２００μｍの照明されるグレーティング幅の場合、２００μｍ幅結合区域によって約５ｎｍの分解能が達成された。いくつかの技法、すなわち、１）グレーティングをチャープすること（収集区域にわたってピッチを変えること）、および２）損失の大きい要素、例えば、限定はしないが、導波路損失を増加させるために導波路中にシリコン・ナノ粒子を含むことによって共振線幅を調節することが可能である。共振帯域幅と、結合領域および検出領域の間の伝搬長との間の適切な工学的妥協を立案することが必要であろう。
【００５３】
図７Ａ〜図７Ｂに示されるプレノプティック・センサ要素の１つの実施態様では、入射光７４０は、結合区域７４０’にある第１の誘電体結合グレーティング７２７によってスラブ導波路７１３に結合される。光が、ｐ型基板７１１のｎ型部分７１９の間のｐｎ接合を遮蔽するために置かれる金属ブロック７１４の下を伝搬するとき、接合区域７４０’’にある第２の出力結合グレーティング７２７’は、光を半導体検出領域７１７に出力結合させる。図示のように、出力結合が結合グレーティング７２７に比べてより短い距離で生じるように、結合定数はより高い（例えば、グレーティング歯はより深い）。図７Ｂにおいて、上面図は２つの画素を示し、各画素は、センサ要素７００のうちの１つを含み、７００−１および７００−２として示されている。グレーティング周期ｐ１およびｐ２のそれぞれの１つを有する各画素が示されている。ここで、画素７００−１のグレーティング周期ｐ１は、画素７００−２のグレーティング周期ｐ２と異なる。
【００５４】
図８Ａに示される別の実施態様では、要素７００の第２のグレーティング７２７’などの第２の（出力結合）グレーティングがある代わりに、要素８００は、接合区域７４０’’にペデスタル部分８２８を含む。しかしながら、要素８００は、依然として、結合区域７４０’に第１のグレーティング８１５を含む。接合区域７４０’’にもあるペデスタル部分８２８が基板から延び、その結果、低屈折率クラッド層７２１からのエバネッセント場が、高屈折率シリコンに達する。すなわち、出力結合グレーティングは、ｎ型部分７１９とｐ型基板７１１との間のシリコンｐｎ接合をクラッド７２１に入れることに基づく漏れモード出力結合と取り替えられている。したがって、この漏れモード幾何形状において、場がシリコン中の放射モードと結合することになり、信号が検出されることになる。製造の細部が、これらの出力結合代替案のどちらかを決定する際に重要になる。図８Ｂにおいて、上面図は２つの画素を示し、各画素は、センサ要素８００のうちの１つを含み、８００−１および８００−２として示されている。図７Ｂのグレーティング周期ｐ１およびｐ２と同様のグレーティング周期のそれぞれの１つを有する各画素が示されている。ここで、グレーティング周期ｐ１はグレーティング周期ｐ２と異なる。
【００５５】
図７Ａ〜図７Ｂおよび図８Ａ〜図８Ｂの要素について説明した導波路手法は、上述の実施形態のＳＰＷ手法と同じ角度およびスペクトル応答の畳込みを有する。それに応じて、図４および図５Ａ〜図５Ｂに関して上述で示した手法が、同様に、図６Ａ〜図８Ｂの導波路実施形態に適用され得る。
【００５６】
ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２導波路では、スラブ導波路のモード屈折率は、約１．５から約２．２の間にあり得る。誘電体グレーティングは第１の誘電体グレーティングを含むことができ、スラブ導波路は、金属ブロックと半導体層との間に配設された第２の誘電体グレーティングをさらに含むことができる。第２の誘電体グレーティングは、第２の誘電体グレーティングが検出領域に光を出力結合させるために第１の誘電体グレーティングの結合定数よりも高い結合定数を含むことができる。第２の誘電体グレーティングの複数の出力結合グレーティングは、第１の複数のグレーティングの結合強度よりも大きい結合強度を有し、それによって、光信号の集中を達成することができる。第１の誘電体グレーティングおよび第２の誘電体グレーティングの各々は複数のグレーティング歯を含むことができ、第２の誘電体グレーティングの歯は第１の誘電体グレーティングの歯よりも厚くすることができる。第１のグレーティング周期は、第２のグレーティング周期と異なってもよい。金属ブロックの下に配設された基板の部分は、ｐｎ接合を第１のクラッド層中に延ばす隆起部分を含むことができる。
【００５７】
一実施形態では、図８Ａ〜図８Ｂで説明したデバイスのｐｎ接合は、いかなるドーピングも必要とすることなくインターデジタル・ショットキー障壁（図示せず）と取り替えることができる。ショットキー障壁接触部のフィンガは、出力結合グレーティングとしても役立つことができる。
【００５８】
上述で論じたように、固定した入射角でのスペクトル選択性の帯域幅は、結合領域にわたって結合グレーティングのピッチを変化させることによって調節することができる。これが図９に示され、図９は、図示した図６Ｃのセンサ要素６００’と同様のセンサ要素９００の上面図を示す。センサ要素９００は、結合領域にわたって不等ピッチをもつチャープ・グレーティング９１５と、固定またはチャープとすることができる接合領域の出力結合グレーティング９１５’とを含む。表示を簡単にするために、接合区域の直接照明を防止する上部カバー（例えば、図８Ａの７１４）は、図９〜図１２Ｂには示されていない。チャープ・グレーティング９１５は、特定の用途のためにスペクトル分解能を調節する際に重要になるはずである。特に、一般的な発光ダイオード（ＬＥＤ）は、約２０ｎｍから４０ｎｍの帯域幅を有する。適切な適用範囲を保証するには、測定の分解能を約２０ｎｍに設定することが最善である。
【００５９】
結合グレーティングは直線セグメントに強制されない。例えば、図１０Ａに、図６Ｃのセンサ要素６００’と同様のセンサ要素１０００の上面図が示される。センサ要素１０００は、１組の湾曲グレーティング・セグメントを含んだ結合領域１０４０’の湾曲グレーティング１０１５を含む。湾曲グレーティング１０１５は、出力結合グレーティング１０１５’が配置されているより小さい活性接合区域１０４０’’を許容するために２Ｄ導波路スラブ（例えば、６１３）内の入来光を集束する役目をする。これは、面積空間使用量の低減に関して、検出器暗雑音の低減に関して、および検出器速度の向上（キャパシタンスの低減）に関して有利である。図１０Ｂにおいて、図６Ｃのセンサ要素６００’と同様のセンサ要素１０００’は、結合領域１０４０’’に湾曲とチャープの両方がなされているグレーティング１０１５’’’を含む。それにより、帯域幅を制御するためのチャーピングと、活性接合区域のサイズを減少させるための集束とを組み合わせることができる。
【００６０】
別の実施形態では、図１１は、図６Ｃのセンサ要素６００’と同様のセンサ要素１１００の上面図を示す。センサ要素１１００は、接合領域１１４０’’にわたる共通収集区域をもつ接合区域に多数の出力結合グレーティング１１１５’−１、１１１５’−２、および１１１５’−３を含む。図１１に示されるように、センサ要素１１００は、差込み図に示され、湾曲グレーティング１１１５を形成するように組み合わされる３つの異なるピッチの湾曲結合グレーティング１１１５’−１、１１１５’−２、および１１１５’−３をさらに含む。例えば、各グレーティング１１１５’−１、１１１５’−２、および１１１５’−３は、焦点が中心線から異なった角度にあるように傾けられる。簡単にするために、グレーティング１１１５’−１、１１１５’−２、および１１１５’−３は、単一ピッチ・グレーティングとして示されているが、加えて、帯域幅を調節するためにチャープとすることができる。これらの３つのグレーティングは、下部パネルでは重なっており、接合領域１１４０’’にわたって各グレーティングによって収集される放射を受け取るためのそれぞれの接合区域の３つの結合グレーティング１１１５’−１、１１１５’−２、および１１１５’−３とともに示されている。収集区域グレーティング幾何形状の細部は、接合区域の各々への導波路放射の収集を最適化するように調節することができる。
【００６１】
図１２Ａ〜図１２Ｂは、検出器要素の実施形態の追加の収集方式を示す。図１２Ａは、図６Ｃのセンサ要素６００’と同様のセンサ要素１２００の上面図を示す。しかしながら、センサ要素１２００は、交差結合グレーティング１２１５−１を含む。交差結合グレーティング１２１５−１は、２つの直交方向に異なるピッチのグレーティングを有し、結合領域１２４０’−１に配置されているように示されている。法線入射放射では、グレーティングは、同じ波長を接合区域のうちの２つ（例えば、上下および左右の接合）に結合させることになる。法線から外れた入射放射では、２対の接合領域は、上述の式（１）に記述されたような異なる波長放射に結合されることになる。この概念は、図６Ｃのセンサ要素６００’と同様のセンサ要素１２００’の上面図を示す図１２Ｂにおいて拡張されている。結合領域１２４０’−２に結合グレーティング１２１５−２をもつセンサ要素１２００’が示される。結合グレーティング１２１５−２は、接合区域１２４０’’−１、１２４０’’−２、１２４０’’−３、および１２４０’’−４に関して異なる角度／スペクトル応答をもつ４つの接合区域に入力光を送り込むために重ねられた４つのチャープ−湾曲グレーティングを含む。接合区域１２４０’’−１、１２４０’’−２、１２４０’’−３、および１２４０’’−４には、出力結合グレーティング１２１５’−１、１２１５’−２、１２１５’−３、および１２１５’−４のそれぞれの１つが配置される。上述のように、結合グレーティング構造の細部は、システム応答を最適化するように調節することができ、構造の最終的な細部は恐らく個々のグレーティング構造の簡単な重ね合わせにならない。各接合区域の上の出力結合グレーティングは、各入力結合グレーティングに対応するように調節される。これは、Ｓｉの吸収が放射の面法線からの入射角と無関係であるので決定的な調節ではない。この概念は、単一の収集区域に対する４つの接合区域に本質的に限定されるのではなく、追加の機能を設けるように拡張することができる。例えば、正方形（または他の形状の）結合区域の各側に対する少なくとも１つの接合領域などの４つの（またはそれより多い）接合領域があり得る。
【００６２】
代替実施形態では、センサ要素は、導波路アド／ドロップ・フィルタを含むことができる。例えば、図１３に示すように、スラブ導波路１３１３’は、単一モード・ガイド１３１３までテーパ化することができる。角度／スペクトル組合せの結果として、この単一モード・ガイドのスペクトルは、角度と波長との特定の組合せを反映することになる。様々なスペクトル領域を分離するために、円形共振ウィスパリング・ギャラリ構造に基づくことができるアドドロップ・フィルタ９１８を加えることができる。アドドロップ・フィルタ１３１８は、グレーティング結合された光のスペクトル分析を行うために使用することができる。三角形セクション１３１４’は、単一モード導波路１３１３に光を集めるための断熱テーパである。アドドロップ・フィルタは共振ウィスパリング・ギャラリ共振器とすることができ、別個の検出器１３２０に導くことができる。検出器は以前の場合よりも非常に小さくすることができるので、そのような実施形態の検出速度は著しく向上され得る。これは、さらに、光の集中、事実上、平面「レンズ」をもたらし、それにより、大面積検出器と比較して信号対雑音性能が増強される。当技術分野でよく知られている他の波長共振構造を、これらのウィスパリング・ギャラリ構造の代わりに、またはこれらのウィスパリング・ギャラリ構造と組み合わせて使用することができる。
【００６３】
図９〜図１２Ｂに関連して上述で論じたように、角度／スペクトル・ドメインにおいて分離を行うために結合領域を多重化する可能性がある。スラブ導波路１３１３’は、上述のスラブ導波路のいずれかとすることができる。例えば、スラブ導波路は、第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に配設された閉込め層を含むことができる。ここで、第１のクラッドおよび第２のクラッドは各々閉込め層の屈折率よりも低い屈折率を有し、単純なまたは複雑な誘電体グレーティングが、入射光をスラブ導波路に結合させるために第１のクラッド層に配設される。アドドロップ・フィルタの各々は、接合領域のそれぞれのものと通信する。
【００６４】
追加として、２Ｄ画素アレイの画素などにおいてセンサ要素を組み込むセンサ（光検出器など）は、制限された角度範囲の検出または広い角度範囲の検出を行うことができる。一実施例では、制限された角度範囲は、例えば図３におけるような導波路構造の上の遮光板の使用によって制御される。そのような構成では、式（１）のｓｉｎθ値は固定され、１つの変数のみが残る。したがって、各結合／接合領域対は、単純なグレーティングの単一波長にさらされる。他方、広い角度範囲の検出では、遮光板は使用されず、式１を満たすｓｉｎθおよびλの異なる値が存在する。したがって、可能性として、各結合領域から各接合領域まで伝搬する多数の波長が存在する。それに応じて、スマート照明システムは、少なくとも１つの波長の光を放出する少なくとも１つの発光ダイオードなどの光源の配列により構成することができる。複数の発光ダイオードおよび／または複数の異なる波長の場合には、各波長は、スマート照明システム、例えば、少なくとも１つの発光ダイオードによってブロードキャストされたそれぞれの識別署名によって識別することができる。感知された光は、スマート光システムの基礎をなす電子機器部分によって電子署名と互いに関係づけることができる。しかしながら、図１３のセンサ要素の実施形態は、一並びのアド／ドロップ１３１８によって行われる光の物理的分離を行う代替案を提供する。
【００６５】
実施例１Ａ−導波路検出器要素
【００６６】
導波路への入射放射のグレーティング結合、および入力カプラから空間的にオフセットされたシリコンｐｎ接合への導波路からの出力結合の両方とともにシリコン基板の上の誘電体導波路から成るグレーティング結合導波路検出器要素が、図６Ａに示した構成に従って構築された。
【００６７】
導波路のパラメータは、可視にわたって単一（ＴＥ、ＴＭ）モード対を備え、個々の画素角度／波長結合共振を調節するために異なるグレーティングの使用を可能にするように選ばれた。第１の実験では、１μｍの厚さをもつＳｉＯ２（ｎＳｉＯ２≒１．５）下部クラッドが、低い導波路損失を保証し、シリコンへの漏洩を除去するために使用された。Ｓｉ３Ｎ４導波層は２００ｎｍ厚（ｎＳｉ３Ｎ４≒１．８）であった。最上部クラッドは結合強度を制御するように調節された。ここで報告する測定では、約３０ｎｍの最上部クラッド厚は、約２ｍｍ（４０５ｎｍ）から約５ｍｍ（６５２ｎｍ）まで変化する結合長をもたらした。結合グレーティングは、入力結合領域と出力結合（検出器）領域の両方の上に延びる３２０ｎｍの周期をもつフォトレジスト・グレーティング（１００ｎｍの厚さ）であった。フォトダイオードは、ＣＭＯＳ適合プロセスによりシリコン・ウェハに製作された０．５μｍ接合深さをもつ標準ｐｎ検出器である。
【００６８】
実施例１Ｂ−実験結果
【００６９】
実施例１Ａの導波路フィルタ処理型ＣＭＯＳ適合光検出器の初期試験のため、測定を簡単にするために光源としてのレーザが使用された。製作されたデバイスは、異なる波長（６５２．３ｎｍ、５３２．２ｎｍ、および４０７．８ｎｍ）のダイオードベース多モードＲＧＢレーザを使用して試験された。実験セットアップは、レーザ光源、それに続く赤外フィルタ、偏光子、長焦点距離レンズ、および約２００×２００μｍ２結合領域にわたり均一照明を与え、接合領域のいかなる直接照明も避けるための開口で構成された。
【００７０】
測定の間、グレーティングに対する入射ビームの照明角度が走査され、それにより、必要とされる角度／波長／偏光分解能が実証されている。測定された角度スペクトルは、理論的な予測よりも広く、いくつかの微細構造を示しており、それは、多分、レーザの多モード特性に対応している。明るい光源によるこれらの原理証明実験では、光検出器は、真性空乏領域のみが活性となるように０Ｖでバイアスされた。角度ごとに、測定された光電流は、パワー揺らぎを補償するためにレーザ・パワーに対して正規化された。角度分解能は、赤色の約０．５°から青色の約０．２５°まで変化した。図１４Ａは、３つの波長でのレーザのパワーに対する測定された光電流の正規化比を示す。
【００７１】
実施例２Ａ−導波路フィルタ処理型ＣＭＯＳ適合光検出器
【００７２】
導波路は、可視にわたって単一（ＴＥ、ＴＭ）モード対を備え、個々の画素角度／波長結合共振を調節するために異なるグレーティングの使用を可能にするように選ばれた。３２０ｎｍの周期をもつフォトレジスト結合グレーティング（１００ｎｍの厚さ）が、入力結合領域と出力結合（検出器）領域の両方を含むデバイス全体にわたって延ばされた。結合長は、１．５ｍｍ（４０５ｎｍでの）から３ｍｍ（６５２ｎｍでの）まで変化した。
【００７３】
実施例２Ｂ−実験結果
【００７４】
実施例２Ａの導波路フィルタ処理型ＣＭＯＳ適合光検出器の試験のため、測定を簡単にするために光源としてのレーザが使用された。製作されたデバイスは、波長６５２．３ｎｍ、５３２．２ｎｍ、および４０７．８ｎｍのダイオードベース多モードＲＧＢレーザを使用して試験されている。実験セットアップは、レーザ光源、それに続く赤外フィルタ、偏光子、長焦点距離レンズ、および約２００×２００μｍ２結合領域にわたり均一照明を与え、接合領域のいかなる直接照明も避けるための開口で構成された。
【００７５】
共振波長および角度の入来光は、グレーティングによって散乱され、導波路に結合し、接合区域まで伝搬し、光検出器へと切り離される。共振外れ光は、導波路に結合せず、光検出器活性区域から遠いシリコンに反射または透過され、および吸収され、光電流に寄与しない。グレーティングに対する入射ビームの照明角度は、６秒角の分解能で走査された。
【００７６】
図１４Ｂは、同じ導波路構造を用いているが、３２０ｎｍおよび３８０ｎｍの異なるグレーティング・ピッチによる２組の測定での各レーザ源の入射パワーに対する測定された光電流の正規化比を示す。２つのピッチでの結果は、明確にするために上下にオフセットされている。測定された角度スペクトルは、理論的な予測（以下で論じる）よりもわずかに広く、多分、レーザの多モード特性に対応するいくつかの微細構造を示している。線幅は、裸の（グレーティングのない）導波路の散乱／吸収伝搬損と、結合区域の幅（グレーティング、照明スポットサイズ、または結合長の物理的寸法のうちの最小のもの）に対応するスペクトル幅との畳み込みである。これらの実験では、レーザ・スポットサイズ（約２００μｍ）が、観察された線幅への主要な寄与である。
【００７７】
図１４Ｃは、異なるグレーティング周期での波長対結合角度を示す。グレーティングの多数の次数が示されている（例えば、８００／２という表記は、８００ｎｍピッチ・グレーティングの２次を参照する）。実験ポイントが示されている。図１４Ｄは、固定角での波長対グレーティング周期を示す。前方散乱領域と後方散乱領域の両方が示されている。両方の図に関して、実線はＴＥモードであり、点線はＴＭモードである。
【００７８】
ハニカム構造を使用する高応答性青色増強ＣＭＯＳ適合光検出器
【００７９】
可視光色（青色を含む）の改善された応答性および検出は、スマート照明のための光センサの重要な仕様のうちの１つである。青色フォトンのエネルギーは可視スペクトルにおいて最も高いので、青色フォトンに対する光検出器の応答性は基本的に最も低い（λに比例する）。すなわち、シリコン・バンドギャップ・エネルギー（ＢＧ）より上で、応答性は、１つの電子−正孔対のみがフォトン吸収ごとに波長と無関係に発生するので固定した量子効率ではλ／ＢＧに従って増減する。さらに、青色スペクトル領域におけるシリコンの高い吸収係数は、空乏領域がシリコン中にある距離で埋められている従来のｐｎ接合検出器では低い量子効率をもたらす。図１５は、理想の応答性（基本限界、例えばλ／ＢＧ応答）と実際の応答性とを示す。実際の応答性は、より短い波長で理想の応答から外れており、それにより、青色フォトンはより長い波長のフォトンと比べて感度の低下を被ることが確認される。
【００８０】
青色増強型光検出器が市販されているが、しかしながら、その製作は非標準ＰＩＮプロセスを必要とし、それは、青色増強型光検出器をコスト非効率にしている。青色フォトンの吸収係数は高いので、青色フォトンは、通常、光検出器の表面の極めて近くで吸収される（４００ｎｍ波長では、フォトン吸収長さは約１００ｎｍである）。青色フォトンの量子効率を増強するには、空乏領域をできるだけ表面の近くに持って来なければならない。これは、実際には、製作することが非常に難しい。その理由は、表面のｐまたはｎ領域は最小厚さを必要とするからである。しかしながら、例えば、ｎウェルがｐ領域に製作される検出器の縁部には、空乏領域が既に表面に接している。それゆえに、光検出器の縁部は最も高い応答性を示す。単純な大面積平面ｐｎ接合デバイスにレーザ・ビーム走査技法を使用する実験により、図１６に示すように、光検出器の縁部は最も高い応答性を示すことが確認される。例えば、レーザ・ビームが検出器の縁部に達すると、応答性（光電流）に２２％のオーバーシュートがある（レーザ・ビームの方向は、差込み図の右に向けられた矢印によって示される）。この増強は、多分、過小評価されている。その理由は、この増強がビーム・サイズにわたり平均されており、それが分解能およびピーク増強を制限するからである。
【００８１】
それに応じて、一実施形態には、ｐｎ接合を含む構造を有するＣＭＯＳ適合光検出器がある。検出器応答性を改善するために、この構造のｐｎ接合の縁部部分を利用することができる。この構造は、活性光検出器区域と増強型ｐｎ接合区域（空乏領域容積）との中に多くの縁部を含むハニカムの外観を有する。
【００８２】
図１７Ａ〜図１７Ｃは、平面接合構造を有する従来のｐｎ検出器１７００の上面図および側面図（レイアウトおよび断面）を示す。それぞれ、図１７Ａの破線Ａ−Ａ’および破線Ｂ−Ｂ’に沿って得られた図１７Ｂおよび図１７Ｃの断面によって示されるように、平面ｎ型層１７０１が平面ｐ型層１７０３の上に配設される。２つの図は、デバイスの端から端まで、ｐ型層およびｎ型層がデバイスの選択された幅にわたって平面である（すなわち、２つの図は同一である）ことを示している。
【００８３】
一方では、図１８Ａ〜図１８Ｃは、検出器応答性を増強するために接合縁部を利用する一実施形態のハニカムｐｎ検出器構造１８００の上面図および側面図（レイアウトおよび断面）を示す。ハニカムｐｎ検出器構造は、第１の半導体層１８０３と、第２の半導体層１８０１とを含む。第１の半導体層１８０３は、第１のキャリア型（例えば、ｐ型ドーパント）でドープすることができ、複数のポスト１８０３’を含むことができる。第２の半導体層１８０１は、第２のキャリア型（例えば、ｎ型ドーパント）でドープすることができ、第２の半導体層を通って延びる複数の孔で構成することができる。この孔は、孔のアレイとして配列することができる。第２の半導体層１８０３の孔含有パターンは、複数の相互接続されたオープン・セルとして観察することができる。それに応じて、孔は、オープン・セルの開口部分を含むことができる。一実施形態では、オープン・セルは、任意のフラクタル形状を含む任意の形状を有することができる。
【００８４】
ポスト１８０３’は、ハニカム・パターンの複数の孔のうちの対応するものを通って延びることができる。一実施形態では、ハニカム・パターンは複数の縁部部分を含み、複数の縁部部分の各々は空乏領域区域のそれぞれのものを含む。それゆえに、ハニカム・パターンは単一のｐｎ接合を含む。
【００８５】
切断ラベル表示Ａ−Ａ’および切断ラベル表示Ｂ−Ｂ’に対応する２つの断面が、それぞれ、図１８Ｂおよび図１８Ｃに示される。第２の半導体１８０１の孔の中心を通る切断Ａ−Ａが図１８Ｂに示され、ポスト１８０３’が第２の半導体層１８０１の孔を通って延びている。第２の半導体１８０１の孔の脇の切断Ｂ−Ｂ’が図１８Ｃに示され、第２の半導体層１８０１が第１の半導体１８０３上に配設されている。切断Ｂ−Ｂ’に沿った半導体層１８０１および１８０３の部分は、図１８Ｃの従来の検出器設計の層１７０１および１７０３として構成される。
【００８６】
図１８Ａは、正方形ハニカム格子を有するハニカム構造を示しているが、すべてのｐ領域およびすべてのｎ領域が電気的に連続である限り、異なる構成が可能である、ハニカム光検出器における空乏領域のより複雑な構造は、可視にわたる応答性を増強する。上述で論じたように、青色応答は、空乏領域をシリコンの表面まで持って来ることによって増強される。より長い波長では（吸収深さが材料中にさらに深い）、入り組んだ空乏領域の増強容積は、単純な平面接合構造と比較して、応答の増強をもたらす。空乏領域容積の拡大は、暗電流の増加、それゆえに、受信器雑音の増加にも対応する。多くの自由度が、この光検出器の最適化を引き出すために利用可能である。そのような自由度には、限定はしないが、ハニカム・セルのサイズおよび幾何形状、セルの深さ、ドーピング濃度などが含まれる。異なる効果、例えば、高速、高応答性、低雑音に関しては、異なる最適条件があることになる。これらの変形の各々は本明細書に組み込まれる。
【００８７】
ハニカム検出器の製作は、従来の平面光検出器以外のいかなる追加のマスクまたは製作ステップも必要としない。ハニカム・セルは、活性領域のレイアウトを変更することによって容易に実現することができる。ドーピングは、拡散またはイオン注入およびアニーリングなどのよく知られているドーピング技法によることができる。イオン注入は、小さいハニカム幾何形状にとって、および高い深さ対平面寸法アスペクト比にとって有利である。本明細書で開示される実施形態のｐｎ接合のうちの任意のものが、ｐｎハニカム構造１８００などのｐｎハニカム構造として構成され得る。
【００８８】
言い換えれば、一実施形態には、ｐｎ接合を形成するために第２の半導体層に接触する第１の半導体層を含むＣＭＯＳ適合光検出器がある。ここで、光検出器は、活性光検出器内に複数の縁部部分を含み、複数の縁部部分の各々は、縁部部分に対して垂直な方向に半導体のｐ領域とｎ領域の両方の中に延びる空乏領域に対応する。ここで、複数の縁部部分は、検出器応答性を増強し、ハニカム構造をさらに含む。
【００８９】
一実施形態には、本明細書で説明する２Ｄアレイおよび／またはＣＭＯＳ適合光検出器の実施形態のうちの少なくとも１つを含むスマート照明システムがある。実施形態の２Ｄセンサ・アレイおよび／またはＣＭＯＳ適合光検出器は、電子機器と電気通信することができる。一実施形態では、２Ｄセンサ・アレイおよび／またはＣＭＯＳ適合光検出器は、電子機器をもつシリコン・チップにバンプ接合することができる。一実施形態では、２Ｄセンサ・アレイおよび／またはＣＭＯＳ適合光検出器は、その中に組み込まれた「画素値」読み出し用電子機器を有することができる。２Ｄセンサ・アレイおよび／またはＣＭＯＳ適合光検出器は、３８０ｎｍから７００ｎｍの可視スペクトルにわたる７個から２１個のスペクトル範囲に対して約２０ｎｍから約５０ｎｍのスペクトル範囲を有することができる。他の実施形態では、可視を包含する約１ｎｍスペクトル分解能を有する４２０個の検出器があり得る。２Ｄセンサ・アレイおよび／またはＣＭＯＳ適合光検出器は、１２０°だけ分離された３個から４個の方位角に沿って約１５°間隔および８個の角度での−６０°〜６０°（ｆ／１．７５）の極角の光の１０個から１３個の角度サンプルを受け取るように構成することができる。上述の少なくとも１つの実施形態の２Ｄセンサ・アレイおよび／またはＣＭＯＳ適合光検出器は、約１５０個の画素をさら含むことができる。実施形態の２Ｄセンサ・アレイは、各画素が極角と方位角の両方において約１０°の制限角度受容を有する状態で、ＣＭＯＳ適合光検出器に含まれ得る。例えば、各画素の角度受容が抑制された構成では、１つの波長のみが各接合区域に結合され、波長分離の必要がない。
【００９０】
一実施形態には、本明細書で説明する２Ｄセンサ・アレイおよび／またはＣＭＯＳ適合光検出器のうちの１つまたは複数を使用する方法がある。例えば、使用時に、光は、センサの金属−誘電体界面に束縛された表面プラズマ波を発生する。代替として、光は、導波路の誘電体スタックによって閉じ込められた導波路モードを発生する。それに応じて、方法は２Ｄセンサ・アレイを用意することを含むことができる。２Ｄセンサ・アレイは、本明細書で説明するセンサ要素のうちの任意のものを含むことができる。例えば、２Ｄセンサ・アレイは、複数の画素を含む半導体基板を含むことができる。複数の画素は基板に配設することができる。複数の画素の各々は、少なくとも１つの結合領域および少なくとも１つの接合領域と、結合領域から接合領域まで延びる、半導体基板に配設されたスラブ導波路構造と、接合領域における少なくとも１つのｐｎ接合とを含むことができる。局所化半導体層は、少なくとも１つのｐｎ接合を半導体基板を用いて接合領域に形成することができる。例えば、局所化半導体層は第１の導電型（例えば、ｐ型またはｎ型などの第１の導電型を有するドーパントでドープされた）を有することができ、基板は第２の導電型（例えば、第１の型の導電型と反対の第２の導電型を有するドーパントでドープされた）を有することができる。スラブ導波路は、第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に配設された閉込め層を含むことができる。ここで、第１のクラッドおよび第２のクラッドは各々閉込め層の屈折率よりも低い屈折率を有する。画素は、スラブ導波路に配設された少なくとも１つのグレーティングをさらに含むことができる。少なくとも１つのグレーティングはグレーティング周期を含むことができる。方法は、入来光をスラブ導波路に結合領域において結合させることと、接合区域の上の領域に光を伝搬させることと、光が接合領域に入るように光を切り離すことと、光を少なくとも１つの電子−正孔対に変換することであり、入来光が少なくとも１つの変調波形を含む、変換することとをさらに含むことができる。電子−正孔対は、スマート照明システムの電子機器などの、２Ｄセンサ・アレイと通信する電子機器などによって収集され得る。スマート照明システムは、コントローラと電子通信する２Ｄセンサ・アレイを含む。そしてまた、コントローラは、光源のうちの少なくとも１つ、例えば、複数の光源などを制御する。
【００９１】
本明細書で説明する２Ｄセンサ・アレイおよび／またはＣＭＯＳ適合光検出器は、光入力（例えば、光場）を受け取り、光入力を意味のある電気出力に変換するセンサを含む。一実施形態では、電気出力は、異なる入射角での一連の強度対波長プロット、または同等なものとして異なる波長での強度対入射角プロットを表すことができる。
【００９２】
図１９Ａは、従来のｐｎ検出器（図１７Ａのｐｎ検出器などの）と、図１８Ａのｐｎ検出器などの実施形態のハニカムｐｎ検出器とのスペクトル応答を示す。ハニカム検出器は、従来の検出器と比較して応答性の著しい改善を実証している。図１９Ｂは、従来のｐｎ検出器に対するハニカムｐｎ検出器の光電流の増加を示す。
【００９３】
本発明が１つまたは複数の実施態様に関して例示されたが、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、改変および／または変更が例示した実施例に行われ得る。加えて、本発明の特定の特徴が、いくつかの実施態様のうちの１つのみに関して開示されたが、そのような特徴は、所与または特定の機能にとって望ましくまた有利となり得るような、他の実施態様の１つまたは複数の他の特徴と組み合わせることができる。
【００９４】
「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「有している（ｈａｖｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「もつ（ｗｉｔｈ）」という用語、またはその変形が詳細な説明および特許請求の範囲のいずれかで使用される範囲内において、そのような用語は、「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語と同様に包括的であることが意図される。本明細書で使用するとき、例えば、Ａ、Ｂ、およびＣのうちの「１つまたは複数」という句は、以下のうちのいずれかを意味する。Ａ、Ｂ、もしくはＣ単独のいずれか、またはＡおよびＢ、ＢおよびＣ、およびＡおよびＣなどの２つの組合せ、または３つのＡ、Ｂ、およびＣの組合せ。
【００９５】
本発明の他の実施形態は、本明細書で開示される本発明の明細書および実践を考慮することから当業者には明らかであろう。明細書および実施例は、単に例示と見なされ、本発明の真の範囲および趣旨は以下の特許請求の範囲によって示されることが意図される。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年2月8日(2017.2.8)
【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】
半導体基板と、
該半導体基板に配設された複数の画素であり、該複数の画素の各々が、
少なくとも１つの結合領域および少なくとも１つの接合領域と、
前記半導体基板に配設され、該少なくとも１つの結合領域から該少なくとも１つの接合領域まで延び、第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に配設された閉込め層を含むスラブ導波路構造であり、該第１のクラッドおよび該第２のクラッドが各々該閉込め層の屈折率よりも低い屈折率を有する、スラブ導波路構造と、
前記結合領域におよび該スラブ導波路内に配設された少なくとも１つの結合構造であり、異なる屈折率を有する少なくとも２つの材料を含み、グレーティング周期によって規定されたグレーティングとして配列された、少なくとも１つの結合構造と
を含み、
前記接合領域が、バイアス印加と、入射放射の吸収に由来するキャリアの収集とのための電気接触部と通信するｐｎ接合を含む、複数の画素と
を含む２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項２】
前記ｐｎ接合と電気通信する電子機器をさらに含み、前記ｐｎ接合が、光発生キャリアを収集するためにバイアスをかけられる、請求項１に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項３】
前記少なくとも１つの結合構造が、入射光を前記スラブ導波路に結合させるための前記結合領域に位置づけられた第１の誘電体グレーティングと、光を前記導波路から前記接合領域に結合させるための前記接合領域の上の前記スラブ導波路領域に位置づけられた第２の誘電体グレーティングとを含む、請求項１に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項４】
前記第２の誘電体グレーティングは、前記第２の誘電体グレーティングが前記結合領域の空間広がりよりも小さい空間広がりにわたって前記ｐｎ接合中に光を出力結合させるように前記第１の誘電体グレーティングの結合係数よりも高い結合定数を含む、請求項３に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項５】
前記複数の画素のうちの少なくとも２つが、異なるグレーティング周期を有する、請求項３に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項６】
前記第１の誘電体グレーティングが、前記結合領域に湾曲グレーティングを含む、請求項３に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項７】
前記第１の誘電体グレーティングが、前記結合領域にチャープ−湾曲グレーティングを含む、請求項３に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項８】
前記第１の誘電体グレーティングが、複数の重畳された湾曲グレーティングを含み、該複数の重畳された湾曲グレーティングのうちの少なくとも２つが、異なるピッチを有し、前記第２のグレーティングが、前記複数の重畳された湾曲グレーティングの各々に対応する複数のグレーティングを含む、請求項３に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項９】
前記接合領域が複数の接合領域を含む、請求項８に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項１０】
前記第１の誘電体グレーティングが、前記結合領域に交差グレーティングを含み、該交差グレーティングが、第１のピッチをもつ第１のピッチド・グレーティングと、第２のピッチをもつ第２のピッチド・グレーティングとを含み、該第２のピッチド・グレーティングが、該第１のピッチド・グレーティングに対して直角に配列され、
少なくとも１つの接合領域が、第１の接合領域と、第２の接合領域とを含み、
前記第２の誘電体グレーティングが、前記第１のピッチド・グレーティングによって結合された導波路光を受け入れるための前記第１の接合領域の第１の出力結合グレーティングと、前記第２のピッチド・グレーティングによって結合された導波路光を受け入れるための前記第２の接合領域の第２の出力結合グレーティングとを含む、請求項３に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項１１】
前記第１の誘電体グレーティングが、複数の重なっているチャープ−湾曲グレーティングを前記結合領域に含み、
前記少なくとも１つの接合領域が複数の接合領域を含み、
前記第２の誘電体領域が複数の接合グレーティングを含み、該接合グレーティングの各々が、該複数の接合領域のそれぞれのものに配設され、角度／スペクトル応答のそれぞれのものを有する、請求項３に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項１２】
前記ｐｎ接合を直接照明から遮蔽するために前記スラブ導波路の上に配設された金属ブロックをさらに含む、請求項１に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項１３】
前記金属ブロックと前記スラブ導波路との間に配設された誘電体スペーサをさらに含む、請求項１２に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの結合構造が、入射光を前記スラブ導波路に結合させるための前記結合領域に位置づけられた第１の誘電体グレーティングと、前記金属ブロックと、前記半導体基板の局所化接合区域との間に配設された前記接合領域における第２の誘電体グレーティングとを含む、請求項１２に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項１５】
前記金属ブロックの下に配設された基板の一部分が、前記ｐｎ接合を前記第１のクラッド層中に延ばす隆起部分を含む、請求項１２に記載の２Ｄセンサ・アレイ。
【請求項１６】
前記ｐｎ接合が、第１のキャリア型でドープされ、複数のポストを含む第１の半導体層と、第２のキャリア型でドープされた第２の半導体層であり、該第２の半導体層を通って延び、ハニカム・パターンで構成された複数の孔で構成された、第２の半導体層とを含み、
前記ポストのうちの少なくとも１つが、前記ハニカム・パターンの前記複数の孔のうちの対応するものを通って延び、
前記ハニカム・パターンが複数の縁部部分を含み、該複数の縁部部分の各々が空乏領域区域のそれぞれのものを含む、請求項１に記載の２Ｄアレイ。
【請求項１７】
請求項１に記載のいずれかの２Ｄセンサ・アレイを含むスマート照明システムであり、該２Ｄセンサ・アレイが、４００ｎｍから７００ｎｍの可視スペクトル内の６個から１５個のスペクトル範囲に対して約２０ｎｍから約５０ｎｍのスペクトル範囲を有する、スマート照明システム。
【請求項１８】
第１のキャリア型でドープされ、複数のポストを含む第１の半導体層と、第２のキャリア型でドープされた第２の半導体層であり、該第２の半導体層を通って延びる複数の孔で構成された、第２の半導体層とを含むＣＭＯＳ適合光検出器であって、前記ポストのうちの少なくとも１つが、ハニカム・パターンの前記複数の孔のうちの対応するものを通って延び、該ハニカム・パターンが複数の縁部部分を含み、該複数の縁部部分の各々が空乏領域区域のそれぞれのものを含む、ＣＭＯＳ適合光検出器。
【請求項１９】
ハニカム構造が単一のｐｎ接合を含む、請求項１８に記載のＣＭＯＳ適合光検出器。
【請求項２０】
請求項１８に記載のＣＭＯＳ光検出器を含むスマート照明システム。
【請求項２１】
電磁放射を検出する方法であって、
２Ｄセンサ・アレイを用意するステップであり、該２Ｄセンサ・アレイが、
複数の画素を含む半導体基板
を含み、
該複数の画素の各々が、
少なくとも１つの結合領域および少なくとも１つの接合領域と、
前記半導体基板に配設され、該結合領域から該接合領域まで延びるスラブ導波路構造と、
少なくとも１つのｐｎ接合を前記半導体基板を用いて前記接合領域に形成する局所化半導体層と、
前記スラブ導波路が、第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に配設された閉込め層を含み、該第１のクラッドおよび該第２のクラッドが各々該閉込め層の屈折率よりも低い屈折率を有し、
前記スラブ導波路に配設された少なくとも１つのグレーティングであり、グレーティング周期を含む、少なくとも１つのグレーティングと
を含む、用意するステップと、
入来光を前記スラブ導波路に前記結合領域において結合させるステップと、
接合区域の上の領域に該光を伝搬させるステップと、
前記光が前記接合領域に入るように前記光を切り離すステップと、
前記光を少なくとも１つの電子−正孔対に変換するステップと
を含み、
前記入来光が少なくとも１つの変調波形を含む、電磁放射を検出する方法。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの変調波形が、少なくとも１つの発光ダイオードによってブロードキャストされたそれぞれの識別署名を含む、請求項２１に記載の電磁放射を検出する方法。
【国際調査報告】
2017520764.tif 000039
2017520764.tif 000040
2017520764.tif 000041