專利名稱：檢測裝置和成像裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測通常寬頻率區(qū)域的電磁波的檢測裝置，該寬頻率區(qū)域包括紅外區(qū)域并且介于從毫米波區(qū)域到太赫茲帶寬(30GHz至30THz)的較長波長區(qū)域和可見光區(qū)域的較短波長區(qū)域之間，本發(fā)明還涉及使用該檢測裝置的成像裝置。
背景技術：
作為紅外區(qū)域的檢測裝置，目前廣泛公知的是一種與波長無關的熱檢測裝置和與波長有關的量子檢測裝置。這些裝置大多利用紅外線檢測的特征。例如，這些檢測裝置應用于廣泛的領域和各種應用，如自動門上的人體檢測器、火災報警器或空調機的溫度傳感器、采用氣體的紅外線吸收頻譜的氣體檢測器以及在亞毫米波/遠紅外區(qū)域中的空間研究。在此，熱檢測裝置包括例如熱電裝置(LiTaO3、TGS等)、戈萊盒(Golay cell)和輻射熱計。此外，量子檢測裝置包括例如本征半導體器件(InGaAs PIN光電二極管、MCT光電導器件等)和雜質半導體器件。此外，肖特基勢壘二極管可以執(zhí)行這兩種操作。
將這兩種類型的裝置相互比較，熱檢測裝置具有簡單、方便使用的特點，例如典型的熱檢測裝置不需要冷卻，而典型的量子檢測裝置需要冷卻。另一方面，已知熱檢測裝置的檢出率一般很低，因為其感光靈敏度小而NEP(Noise Equivalent Power，噪聲等效功率)大。檢出率可以由比檢出率(specific detectivity)D*表示。通常認為，D*(D星)越大，檢測裝置就越好，另外為了容易將不同的裝置相互比較，給定D*是標準化到單位面積平方根的NEP的倒數(shù)。將這兩種類型的裝置在比檢出率方面相互比較，例如典型的量子檢測裝置在中紅外區(qū)域中的比檢出率D*在1010cm·Hz1/2/w到1011cm·Hz1/2/w的范圍內，而典型的熱檢測裝置的D*在108cm·Hz1/2/w到109cm·Hz1/2/w的范圍內。因此，從D*可以看出，可以認為熱檢測裝置的性能比量子檢測裝置的性能低大約兩個數(shù)量級。
如上所示，熱檢測裝置方便使用，但另一方面檢出率低而可檢測的頻率區(qū)域非常寬。這樣為了提高特定波長區(qū)域內的檢出率，通常使用通過用波長選擇濾波器來降低整個裝置上的噪聲的方法，該波長選擇濾波器允許可檢測頻率區(qū)域中的部分電磁波通過該濾波器。例如，日本專利申請公開H08-145787公開了一種通過采用衍射光學透鏡縮減由熱電裝置檢測的紅外光的方法。此時，該衍射光學透鏡作為針對紅外光的波長選擇濾波器工作。此外，由于衍射光學透鏡的利用減小了紅外光的光強度因為穿過濾波器而導致的減弱程度，因此該專利文獻中公開的裝置具有使該裝置整體的感光靈敏度難以降低的結構。
此外，在另一方面，光檢測技術的發(fā)展已使得可以檢測到表面等離子體振子(plasmon)所涉及的光電場。Tsutomu Ishii等人在Jpn.Jour.Appl.Phys.，Vol.44(2005)，L364中公開了這樣一種結構，其中光電二極管集成在用于選擇性地增強特定波長的光電場的金屬衍射環(huán)上，該金屬衍射環(huán)的中心處設置了直徑不大于該波長的孔，并且以近似于該波長的尺寸間隔設置了凹槽。此時，期望檢測到的光以表面等離子體振子的形式集中在金屬衍射環(huán)的中心，從而展示出在設置光電二極管的中心孔處增強光電場的效果。因此，存在利用這樣的增強效果可以提高裝置整體的感光靈敏度的可能性。

發(fā)明內容
但是，在使用波長選擇濾波器的傳統(tǒng)熱電裝置例子中，難以提高感光靈敏度。這是因為光在穿過普通濾波器之后的強度低于光在穿過該濾波器之前的強度。此外，在光電二極管集成在金屬衍射環(huán)的中心的傳統(tǒng)例子中，即使可以提供提高感光靈敏度的效果，但光電二極管的器件面積的大小被限制為等于或小于波長，從而檢測面積有限。
因此，本發(fā)明提供一種解決上述問題的檢測裝置，其具有提高對包括紅外區(qū)域內的通常較寬頻率區(qū)域的感光靈敏度的效果，并具有比Tsutomu Ishii等人在Jpn.Jour.Appl.Phys.，Vol.44(2005)，L364中公開的裝置的檢測部分更大的檢測面積。
本發(fā)明提供一種配置如下的檢測裝置。
也就是，本發(fā)明提供了一種用于檢測電磁波的檢測裝置，其包括濾波器部分，用于選擇待檢測電磁波的波長區(qū)域，該濾波器部分包括介電常數(shù)具有負實部的第一介質和不同于第一介質的第二介質；以及電磁波檢測部分，其中第一介質和第二介質之間的距離不大于待檢測電磁波的波長，而且第一介質和電磁波檢測部分之間的距離不大于待檢測電磁波的波長。
此外，本發(fā)明還提供了一種用于檢測電磁波的檢測裝置，其包括濾波器部分，用于選擇待檢測電磁波的波長區(qū)域，該濾波器部分具有周期不大于待檢測電磁波的波長的光柵形狀，并且包括介電常數(shù)具有負實部的負介電常數(shù)介質；以及電磁波檢測部分，其中該電磁波檢測部分暴露在該光柵形狀的凹進處。
根據(jù)下面參照附圖對示例性實施例的描述，本發(fā)明的其它特點將變得明顯起來。


圖1是示出用于執(zhí)行本發(fā)明的示例性實施例的截面視圖。
圖2是示出由執(zhí)行本發(fā)明的示例性實施例提供的電場增強效果的示意圖。
圖3是示出示例1的檢測裝置的配置的截面視圖。
圖4是示出示例2的檢測裝置的配置的截面視圖。
圖5是示出示例3的檢測裝置的配置的截面視圖。
圖6是示出示例4的檢測裝置的配置的截面視圖。
圖7是示出示例1的檢測裝置的二維陣列布置的示意性透視圖。
圖8是示出示例5的檢測裝置的配置的截面視圖。
圖9是示出示例1的檢測裝置的配置的截面視圖。
具體實施例方式
在本發(fā)明中，電磁波檢測部分例如可以是熱檢測裝置或量子檢測裝置。本發(fā)明的以這種方式適配后的檢測裝置利用表面在第一介質(負介電常數(shù)介質)處的等離子體振子共振作為波長選擇濾波器。然后，通過利用由表面等離子體振子共振選擇的波長的電場強度被增強的現(xiàn)象，還通過采用在電場強度很大的位置上設置熱檢測裝置或量子檢測裝置的配置，可以提供感光靈敏度高于傳統(tǒng)檢測裝置的檢測裝置。
順便提一下，在諸如“感光靈敏度”或“光檢測”中使用的術語“光”寬泛地指電磁波，而不限于諸如紅外線或可見光區(qū)域的具體或特定電磁波區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的配置，可以提供一種在從包括紅外區(qū)域的通常寬頻率區(qū)域選擇的波長區(qū)域中具有更高感光靈敏度的檢測裝置。
(配置)現(xiàn)在參照附圖描述用于實施本發(fā)明的示例性實施例。在此描述的檢測裝置包括熱檢測裝置，還包括介質和負介電常數(shù)介質。
圖1是示出用于執(zhí)行本發(fā)明的示例性實施例的截面視圖。在圖1中，負介電常數(shù)介質即第一介質101的介電常數(shù)在所使用的電磁波區(qū)域中具有負實部。例如，在從毫米波帶到太赫茲帶的頻率區(qū)域內，優(yōu)選可以使用摻入載流子的半導體(InAs、GaAs、Si等)，而在從近紅外區(qū)域到可見光區(qū)域的頻率區(qū)域內，例如優(yōu)選可以使用金屬(Ag、Au、Al等)。此外，還可以選擇使用透明的導電膜(ITO等)，并且典型的透明導電膜的介電常數(shù)在直到近紅外區(qū)域的范圍內具有負實部。在圖1中，用附圖標記103表示熱檢測裝置。大多數(shù)熱檢測裝置是所謂的電介質，其介電常數(shù)具有正實部，并且具有比較小的電介質正切(Dielectric Tangent)。因此，它們可以優(yōu)選用在執(zhí)行本發(fā)明的示例性實施例中。第二介質102的至少一部分具有比熱檢測裝置103的介電常數(shù)更大或者比靠近該熱檢測裝置的部分的有效介電常數(shù)更大的介電常數(shù)，而對于第二介質可以使用已知的電介質。例如，在從毫米波帶到太赫茲帶的頻率區(qū)域(30GHz到30THz)內，例如可以使用稱為“高k材料”的細陶瓷。此外，在從近紅外區(qū)域到可見光區(qū)域的頻率區(qū)域內，可以使用Si(未摻雜)或TiO2。具體地說，本發(fā)明的檢測裝置優(yōu)選可以用作檢測波長包括30GHz到30THz頻率區(qū)域的一部分的電磁波的裝置。此外，在圖1中，第二介質102具有半圓形的截面形狀，但是其也可以具有任意形狀。第一介質(負介電常數(shù)介質)101、第二介質102和熱檢測裝置103之間的位置關系類似于目前已知的表面等離子體振子共振傳感器中的克里施曼(Kretschmann)配置。也就是說，從打算檢測的電磁波104的入射側起，第二介質102、第一介質101和熱檢測裝置103按照提到的順序設置。如圖1所示，第二介質102、第一介質101和熱檢測裝置103相互接觸地設置。但是，它們可以彼此相隔不大于待檢測電磁波的波長的距離而設置。當它們簡單地按照圖1所示的堆疊設置從而使表面等離子體振子保持在第一介質(負介電常數(shù)介質)101的后側(熱檢測裝置103側)上時，需要滿足以下關系。
Re(ε1)＜-ε3此外，為了激勵表面等離子體振子，還需要滿足以下關系ε2＞ε3在上述等式中，Re(ε1)是負介電常數(shù)介質101層的介電常數(shù)的實部，ε2是第二介質102的介電常數(shù)，ε3是熱檢測裝置103的介電常數(shù)。
順便提一下，在圖1中，第一介質(負介電常數(shù)介質)101具有膜形狀，但只需要第一介質(負介電常數(shù)介質)101的至少一部分具有膜形狀。此外，沒有示出根據(jù)光檢測提取由熱檢測裝置獲得的光檢測電信號的方法，因為該方法可以根據(jù)熱檢測裝置103的具體示例而改變。下面參照下述例子描述該方法。
(原理)
本發(fā)明可以用上述配置提高感光靈敏度的原因如下。也就是說，當給定波長的電磁波104通過第二介質102入射到第一介質(負介電常數(shù)介質)101上，并且滿足產生表面等離子體振子共振所需要的條件時，可以由第一介質(負介電常數(shù)介質)101激勵并保持表面等離子體振子。產生表面等離子體振子共振所需要的條件要根據(jù)電磁波的波長或入射角以及諸如介電常數(shù)或負介電常數(shù)介質的形狀等的構造來確定。當在設計為引起共振的配置下入射電磁波包含p偏振光分量時，在面向負介電常數(shù)介質101側的電磁波檢測部分103上激勵表面等離子體振子。在此，在具有偏振面的電磁波如激光的情況下，進行調整以增加p偏振光分量的合乎需要的。在沒有偏振、多個偏振面或橢圓/圓偏振光的情況下，可以不進行調整。表面等離子體振子伴隨著具有垂直于第一介質(負介電常數(shù)介質)101的表面的電場向量的電磁場，其電場強度通常比入射電磁波的電場強度大幾十到幾百倍。這被稱為“電場增強效應”并且是廣泛公知的。在此，在熱檢測裝置103如圖1所示設置的狀態(tài)下，伴隨著由第一介質(負介電常數(shù)介質)101保持的表面等離子體振子的電磁場開始泄露到熱檢測裝置103中。由熱檢測裝置103檢測這時的電場強度，從而可以獲得大的光檢測信號，由此提高了該裝置整體的感光靈敏度。換句話說，當具有給定波長和給定強度的電磁波穿過第二介質102入射到第一介質(負介電常數(shù)介質)101上并引起表面等離子體振子共振時，熱檢測裝置103中的電場強度變大幾十倍到幾百倍。為簡潔起見，假定熱檢測裝置103的感光靈敏度是恒定的(與電場強度無關)，而且電場增強效果是例如100倍的放大率，則此時通過熱檢測裝置103獲得的光檢測電信號計算為感光靈敏度×100。這意味著該裝置整體的感光靈敏度提高了100倍。因此，第一介質(負介電常數(shù)介質)101和第二介質102作為用于選擇波長的濾波器工作。此外，此時可以認為它們好像將通過該濾波器的電磁波的電場強度放大了幾十倍到幾百倍那樣工作。但是，已經通過該濾波器的電磁波的電磁場不是所傳播的電磁波。通過這種方式，在提供了增強該裝置整體的感光靈敏度的效果時，因為NEP與感光靈敏度成反比，因此該裝置整體的NEP非常優(yōu)異，從而D*也很優(yōu)異。
圖2是示出上述電場增強效果的典型例子的示意圖。該圖示出電場強度201和該裝置結構中的位置之間的位置關系，并通過標準化為1的入射電磁波的電場強度來表示。從圖2可以看出，電場強度在第一介質(負介電常數(shù)介質)101的后側(熱檢測裝置103側)上的位置變得很大。其幅度呈指數(shù)減小，但直到遠離該后側表面近似于入射電磁波的波長的距離的位置處都保持得足夠大。因此，認為合適的是熱檢測裝置103設置在第一介質(負介電常數(shù)介質)101附近。電場強度的大小取決于介電常數(shù)的實部、第一介質(負介電常數(shù)介質)101的形狀和其它配置。發(fā)明人已經計算出電場強度的大小，假定例如He-Ne激光器(波長633nm)是光源而且用Ag薄膜(厚度50nm)作為第一介質(負介電常數(shù)介質)101，用BK7玻璃作為第二介質102。結果，計算出電場強度大小的峰值大約是350。
此外，由于上述電場增強效果在第一介質(負介電常數(shù)介質)101的后側(熱檢測裝置103側)上任何地方都會發(fā)生，因此即使加大整個配置的面積，該效果也不會減小。因此，根據(jù)本發(fā)明，由于可以使感光面積比較大，所以可以用較大的光檢測電信號輸出執(zhí)行對弱光的檢測。
(其它配置)除了上述用于執(zhí)行本發(fā)明的示例性實施例之外，還可以采用具有電場增強效果的以下配置。也就是說，第一介質(負介電常數(shù)介質)、第二介質和熱檢測裝置之間的位置關系可以類似于在可見光區(qū)域中已知的表面等離子體振子共振傳感器中的奧托(Otto)配置的位置關系。此時，從將要檢測的電磁波的入射側起，第二介質、第一介質(負介電常數(shù)介質)和熱檢測裝置按照提到的順序設置?？商鎿Q地，不使用該介質，而是以等于或小于將要檢測的電磁波的波長的節(jié)距(通常小于該波長，盡管取決于負介電常數(shù)介質)對第一介質(負介電常數(shù)介質)執(zhí)行光柵形成加工(grating process)，并且進一步可以設置熱檢測裝置。由于這些配置全都具有通過表面等離子體振子共振產生的電場增強效果，因此可以提高該裝置整體的感光靈敏度和檢出率，還可以使感光面積比較大。
此外，只要頻率區(qū)域有限，就可以用量子檢測裝置代替上述熱檢測裝置。這是因為大多數(shù)量子檢測裝置是半導體器件，而且典型的摻入載流子的半導體至少在比中紅外區(qū)域長的波長區(qū)域(包括從毫米帶到太赫茲帶)內表現(xiàn)為金屬。這是因為在低于等離子體頻率的頻率區(qū)域中將其定性地解釋為金屬，而在高于等離子體頻率的頻率區(qū)域中解釋為電介質。在本發(fā)明中，在作為電介質描述的頻率區(qū)域中提供上述效果，從而上述熱檢測裝置只在從中紅外到可見光區(qū)域的頻率區(qū)域中可以被量子檢測裝置代替。
(附加配置)此外，在上述用于執(zhí)行本發(fā)明的示例性實施例中，由于考慮到在很多情況下期望被檢測的電磁波通過空氣傳播而進入檢測裝置，因此還可以采用用于降低空氣和介質之間的菲涅耳(Fresnel)反射損耗的配置。為了實施該配置，該介質可以具有用于在自由空間和該介質之間進行阻抗變換的結構，如對該介質應用SWG(子波長光柵)的配置或包括AR涂層的配置。
(示例1)圖3是示出按照本發(fā)明的檢測裝置和濾波器的配置示例的截面視圖。在圖3中，n-InAs 301的介電常數(shù)在包括從毫米波帶到太赫茲帶的頻率區(qū)域內具有負實部。已知氧化鈦陶瓷302為同一頻率區(qū)域中的高k材料。已知DLaTGS晶體303為同一頻率區(qū)域中的熱電裝置。此外，電極311、312用于提取DLaTGS晶體的自發(fā)極化，其中涉及以電壓的形式進行檢測。因此，提供電壓檢測器313。此外，電壓檢測器313可以包括阻抗匹配電路(如源極跟隨器電路)。
該配置是圖3所示的Kretschmann配置，并且如上所述，從在毫米波帶到太赫茲帶的范圍內的期望檢測的電磁波304的入射側起，n-InAs 301和DLaTGS晶體303按照提到的順序設置。它們可以相互接觸地設置，或者彼此相隔不大于所使用的電磁波波長距離而設置，在該示例中，它們如圖3所示那樣相互接觸。n-InAs 301的厚度具有最佳值，并且在設置為最佳值時，獲得最大的電場增強效果。此時，該裝置整體的感光靈敏度很高，從而可以通過電壓檢測器313獲得很大的響應?，F(xiàn)在，假定期望檢測的光的波長就頻率而言在0.5THz到1.0THz的范圍內。基于Fresnel反射等式來執(zhí)行計算，假定DLaTGS晶體303的介電常數(shù)(相對介電常數(shù))為19，氧化鈦陶瓷302的介電常數(shù)為110，并且對n-InAs 301使用針對復數(shù)介電常數(shù)的德魯?shù)?Drude)模型。在針對復數(shù)介電常數(shù)的Drude模型中，設定自由電子的數(shù)量為1.0×1016cm-3，有效質量meff＝0.03，馳豫時間的倒數(shù)γ/2π＝0.30THz，背景介電常數(shù)εb＝14.5。根據(jù)這些，n-InAs301的最佳厚度大約是5μm。此時，考慮到DLaTGS晶體303的D*最初是大約109cm·Hz1/2/w而且電場增強效果的放大率為幾十倍，可以預期裝置整體的檢出率最大為大約1010cm·Hz1/2/w。此外，由于在共振過程中n-InAs 301和氧化鈦陶瓷302還展示出波長選擇濾波器的效果(通帶可以視為大約γ)，因此該裝置整體的檢出率更為優(yōu)異。
順便提一下，DLaTGS晶體303的感光靈敏度取決于環(huán)境溫度并且是不穩(wěn)定的，可以向該配置增加外部溫度控制器。此外，在從毫米波帶到太赫茲帶的頻率區(qū)域內，如在本實施例中，SWG 320具有比較大的波長而且很容易工作。
制作上述配置的方法如下所述。也就是說，將n-InAs襯底和DLaTGS晶體直接相互固相結合并通過研磨等加工，從而使n-InAs薄膜具有5μm的厚度，由此提供了期望的形狀。固相結合的方法包括在壓力下升高溫度的方法，施加電場的方法等等?？商鎿Q地，可以將這兩個部件的表面相互接觸，而且可以在其外周涂上粘合劑然后固化。在通過研磨形成n-InAs薄膜之后，如圖3所示，在其表面的一部分上形成電極312。接著，在其上設置介質302，然后，例如在其外周涂上粘合劑并固化。當燒結以形成介質302之后，以最初的形狀雕刻SWG 320?？商鎿Q地，在如圖1所示成型之后，可以通過機械加工如切削或激光機械加工來形成該配置。
順便提一下，半導體不限于InAs，還可以采用IV族元素或其化合物，如Si、SiGe、InGaAs、GaAs、GaN、GaSb和CdTe；III-V族化合物半導體；II-VI族化合物半導體等等。盡管在本實施例中通過研磨襯底來執(zhí)行薄膜成型，還可以使用外延升離(ELO，epitaxiallift-off)技術，其中通過例如MBE方法在襯底上外延生長緩沖層和活性層，然后只將活性層轉移到構成熱電裝置的晶體上?？商鎿Q地，可以使用通過在低溫下直接在構成熱電裝置的晶體上形成上述半導體的非晶膜或者通過進一步經過諸如激光退火的過程使產物晶化而獲得的薄膜。
如圖9所示的配置可以通過采用金屬焊接將DLaTGS晶體與半導體結合在一起來制成。也就是說，首先在n-InAs襯底上蒸鍍諸如Ti/Au的金屬膜，從而通過升離方法等等形成直徑為1mm的窗口區(qū)域作為不存在金屬膜的光接收區(qū)域，從而留下外周的金屬膜904、905。在DLaTGS晶體上形成類似地具有窗口區(qū)域的Ti/Au金屬膜911、912，而且在將窗口區(qū)域相互對準的同時在壓力下將DLaTGS晶體和n-InAs襯底結合在一起。接著執(zhí)行研磨等，使得n-InAs膜901的厚度為5μm，由此提供了期望的形狀。在這種情況下，可以采用這樣一種配置，其中用金屬膜911和912作為電極以便以電壓913的形式提取沿橫向在DLaTGS晶體的表面上產生的極化。在該圖中，氧化鈦陶瓷(介質)用902表示。
盡管上面的描述是以單個裝置為例子進行的，可以通過布置多個裝置以形成二維陣列來拾取圖像。例如，圖7示出4×4陣列。在熱電體晶體襯底702上，上述半導體膜(未示出)和介質701相互獨立地設置。彼此獨立地引出各自對應于像素的電極704，以允許單獨檢測各像素的信號。另一方面，在后側形成公用電極703。根據(jù)該配置，例如可以在太赫茲帶內高速地拾取圖像。盡管在該例子中集成了16個像素，可以增加像素的數(shù)量以提供以高分辨率拾取二維圖像的配置。
(示例2)圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的檢測裝置和濾波器的配置示例的截面視圖。在圖4中，ITO(In2O3-SnO2)401的介電常數(shù)在從中紅外區(qū)域到近紅外區(qū)域的頻率區(qū)域內具有負實部。Si(未摻雜)402是在波長不小于1μm的頻率區(qū)域內的比較透明、高折射率的材料。已知LiTaO3晶體403為同一頻率區(qū)域內的熱電裝置。此外，電極411、412用于提取LiTaO3晶體的自發(fā)極化，其中涉及以電壓的形式進行檢測。因此，提供電壓檢測器413。此外，電壓檢測器413可以包括阻抗匹配電路(如源極跟隨器電路)。
該配置是圖4所示的Kretschmann配置，并且如上所述，從在中紅外區(qū)域到近紅外區(qū)域的范圍內的期望檢測的電磁波404的入射側起，Si 402、ITO 401和LiTaO3晶體403按照提到的順序設置。它們可以相互接觸地設置，或者彼此相隔不大于所使用的電磁波波長而設置，在該示例中，它們如圖4所示那樣相互接觸。ITO 401的厚度具有最佳值，并且在設置為最佳值時，獲得最大的電場增強效果。此時，該裝置整體的感光靈敏度很高，從而可以通過電壓檢測器413獲得很大的響應。現(xiàn)在，假定期望檢測光的波長大約為3μm?；贔resnel反射等式來執(zhí)行計算，假定LiTaO3晶體403的介電常數(shù)(相對介電常數(shù))為4.5，Si 402的介電常數(shù)為12，對ITO 401使用針對復數(shù)介電常數(shù)的Drude模型。在針對復數(shù)介電常數(shù)的Drude模型中，設定自由電子的數(shù)量為1.0×1021cm-3，有效質量meff＝0.3，馳豫時間的倒數(shù)γ/2π＝5.8THz，背景介電常數(shù)εb＝3.1。根據(jù)這些，ITO的最佳厚度大約是5μm。此時，考慮到LiTaO3晶體403的D*最初是大約108cm·Hz1/2/w而且電場增強效果的放大率為大約一百倍，可以預期裝置整體的檢出率最大為大約1010cm·Hz1/2/w。此外，由于在共振過程中ITO 401和Si 402還展示出波長選擇濾波器的效果(通帶可以視為大約γ)，因此該裝置整體的檢出率更為優(yōu)異。
順便提一下，在該示例中，涂敷AR涂層，但是在可以獲得具有小Fresnel反射損耗的配置時，可以不添加AR涂層。
制作上述配置的方法例如可以是通過濺射或蒸鍍在裂開的LiTaO3晶體中的膜形成ITO。此外，就AR涂層而言，通過諸如CVD的方法形成氧化硅膜或氮化硅膜。
(示例3)圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的檢測裝置和濾波器的配置示例的截面視圖。在圖5中，Au 501的介電常數(shù)在從近紅外區(qū)域到可見光區(qū)域的頻率區(qū)域內具有負實部。Si(未摻雜)502是在波長不小于1μm的頻率區(qū)域內的比較透明、高折射率的材料。已知InGaAs PIN光電二極管503為通過改變諸如In或Ga的混合晶體的混合比例而支持同一頻率區(qū)域的PIN光電二極管。例如，與InP襯底晶格匹配的In53Ga47As在1.5μm的帶中具有D*的峰值1010cm·Hz1/2/w。InGaAsPIN光電二極管的p型區(qū)和n型區(qū)分別由514和515表示。p型區(qū)514和n型區(qū)515之間存在i型區(qū)，但未示出。絕緣膜用516表示。電極511、512用于通過檢測來提取光電流。因此，提供了電流檢測器513。此外，該電流檢測器513可以包括用于施加反偏壓的電路和具有運算放大器的放大電路。
該配置是例如圖5所示的Kretschmann配置，并且如上所述，從在近紅外區(qū)域到可見光區(qū)域的范圍內的期望檢測的電磁波504的入射側起，Si 502、Au 501和InGaAs PIN光電二極管503按照提到的順序設置。它們可以相互接觸地設置，或者彼此相隔不大于所使用的電磁波波長而設置，在該示例中，它們如圖5所示那樣相互接觸。與示例1類似，Au 501的厚度具有最佳值，并且在設置為最佳值時，獲得最大的電場增強效果?，F(xiàn)在，假定期望檢測光的波長大約為1.5μm?；贔resnel反射等式來執(zhí)行計算，假定InGaAs 503的介電常數(shù)(相對介電常數(shù))為11，Si 502的介電常數(shù)為12，對Au 501使用針對復數(shù)介電常數(shù)的Drude模型。在針對復數(shù)介電常數(shù)的Drude模型中，設定等離子頻率為2.2PHz，有效質量meff＝1.0，馳豫時間的倒數(shù)γ/2π＝40THz，背景介電常數(shù)εb＝1.0。根據(jù)這些，Au 501的最佳厚度大約是60nm。此時，考慮到InGaAs PIN光電二極管503的D*最初是大約1010cm·Hz1/2/w而且電場增強效果的放大率為大約一百倍，可以預期裝置整體的檢出率最大為大約1012cm·Hz1/2/W。
PIN光電二極管通常在光接收區(qū)的外周或中心具有電極512。此外，在其表面上形成有絕緣膜516如氧化硅膜或氮化硅膜，此外通過諸如EB蒸鍍方法的方法形成金薄膜501，并在該薄膜上設置介質502，由此提供本示例的檢測裝置。
(示例4)圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的檢測裝置和濾波器的配置示例的截面視圖。在圖6中，如上所述，Au 601經過光柵形成加工，并且其自身的介電常數(shù)在從近紅外區(qū)域到可見光區(qū)域的頻率區(qū)域內具有負實部。本示例是示例3的變型，而且具有類似于示例3的以下配置。也就是說，InGaAs PIN光電二極管、InGaAs PIN光電二極管的p型區(qū)和n型區(qū)分別由603、614和615表示。p型區(qū)614和n型區(qū)615之間存在i型區(qū)，但未示出。絕緣膜用616表示。電極611、612用于通過檢測來提取光電流。因此，提供了電流檢測器613。此外，該電流檢測器613可以包括用于施加反偏壓的電路和具有運算放大器的放大電路。入射光用604表示。
如圖6所示，本示例的配置是加工Au 601，以形成周期等于或小于期望檢測的電磁波的波長(通常小于該波長，盡管取決于負介電常數(shù)介質)的光柵，并且還設置InGaAs PIN光電二極管603。該光電二極管暴露在光柵的凹進部分的底面上。根據(jù)這一點，可以有效檢測電場強度被該光柵放大的電磁波。Au光柵601的節(jié)距d具有最佳值，并且在設置為最佳值時，可以獲得最大的電場增強效果?，F(xiàn)在，假定期望檢測的電磁波的波長大約是1.5μm?；隈詈喜ɡ碚搧韴?zhí)行計算，假定InGaAs 603的介電常數(shù)(相對介電常數(shù))為11.6，Au601的復數(shù)折射率由針對復數(shù)介電常數(shù)的Drude模型表示。
在針對復數(shù)介電常數(shù)的Drude模型中，設定等離子頻率為2.2PHz，有效質量meff＝1.0，馳豫時間的倒數(shù)γ/2π＝40THz，背景介電常數(shù)εb＝1.0。根據(jù)這些，Au光柵601的節(jié)距d的一階最佳值大約是500nm。但是，考慮到由于還存在其它發(fā)生共振的波長，因此Au光柵601的波長選擇濾波器的效果比較小。在該配置中，由于介質不是必須的，因此該配置可以做得比較簡單。
在該示例中，Au光柵601通過蒸鍍形成在p型區(qū)614上(以便不會在p型和n型區(qū)之間引起短路)。
(示例5)圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的檢測裝置和濾波器的配置示例的截面視圖。在圖8中，設置遮光部件821以使方向性變窄，設置保持部件822以調整該裝置整體的方向性。存在惰性氣體824如氮氣(或者Ne、Ar、Kr、Xe)以防止損壞該裝置整體?？商鎿Q地，這可以是真空狀態(tài)。本示例是示例1的變型，其配置類似于示例1的配置而如下所述。也就是說，n-InAs用801表示，氧化鈦陶瓷用802表示，DLaTGS晶體用803表示。此外，分別用811、812表示電極。電壓檢測器813通過端子823與電極811、812連接。入射光用804表示。
遮光部件821例如可以由合適的金屬如銅或不銹鋼形成。不用說，為了提供足夠的遮光效果，其厚度設計為不小于所使用的電磁波的透入深度。在任何頻率不小于毫米帶的頻率區(qū)域內，遮光部件821的厚度例如為1μm就足夠了。在這種情況下，為了防止端子823的短路，優(yōu)選涂敷端子823。保持部件822用于將共振時指定的入射角保持為垂直于整個裝置。與示例1類似，假定期望檢測的電磁波的波長就頻率而言在0.5THz到1.0THz的范圍內?；贔resnel反射等式來執(zhí)行計算，假定DLaTGS晶體803的介電常數(shù)(相對介電常數(shù))為19，氧化鈦陶瓷802的介電常數(shù)為110，對n-InAs 801使用針對復數(shù)介電常數(shù)的Drude模型。在針對復數(shù)介電常數(shù)的Drude模型中，設定自由電子的數(shù)量為1.0×1016cm-3，有效質量meff＝0.03，馳豫時間的倒數(shù)γ/2π＝0.30THz，背景介電常數(shù)εb＝14.5。根據(jù)這些，入射角指定為大約30度。因此，如圖8所示，保持部件822設置為使調整角Θ等于30度。在此，保持部件822可以由合適的絕緣材料制成，例如可容易地模壓的樹脂或聚氨酯泡沫。此外，作為用于制造包括端子823和惰性氣體824的整個裝置的方法，可以選擇和使用眾所周知的封裝安裝技術。
而且，例如通過將如此制造的封裝放置在可旋轉的臺上并控制旋轉以改變入射角，可以移動期望檢測的電磁波的中心波長。通過獲取針對入射角變化的強度分布，可以使該配置能作為測量波長譜的系統(tǒng)工作。例如，通過用來自任意電磁波發(fā)生源的電磁波照射被分析物并利用檢測裝置從所傳輸?shù)墓饣蚍瓷涔猥@得波長譜，可以使該配置能作為分光鏡工作。此外，可以在不提供被分析物的情況下估計電磁波源自身的頻譜特性。
此外，通過用圖7所示的二維陣列的裝置作為要封裝的裝置，可以提供對從毫米波區(qū)域到可見光區(qū)域的范圍內選擇的波長具有高靈敏度的圖像芯片。此外，通過包括用于基于由檢測裝置檢測的電場強度的差異形成電場強度分布的圖像的成像部分，可以提供成像裝置。
雖然參照示例性實施例描述了本發(fā)明，應當理解本發(fā)明不限于所公開的示例性實施例。所附權利要求的范圍應當被賦予最寬泛的解釋，以涵蓋所有這樣的變型和等價的結構與功能。
權利要求
1.一種用于檢測電磁波的檢測裝置，其包括濾波器部分，用于選擇待檢測電磁波的波長區(qū)域，該濾波器部分包括介電常數(shù)具有負實部的第一介質和不同于第一介質的第二介質；以及電磁波檢測部分，其中第一介質和第二介質之間的距離不大于待檢測電磁波的波長，而且第一介質和電磁波檢測部分之間的距離不大于待檢測電磁波的波長。
2.根據(jù)權利要求1所述的檢測裝置，其中所述待檢測電磁波的波長包括從30GHz到30THz的波長區(qū)域的一部分。
3.根據(jù)權利要求1所述的檢測裝置，其中所述第二介質包括阻抗變換結構。
4.根據(jù)權利要求1所述的檢測裝置，其中所述第一介質是從包括金屬、半導體和透明導電膜的組中選擇的。
5.根據(jù)權利要求1所述的檢測裝置，其中所述電磁波檢測部分是熱檢測裝置。
6.一種用于檢測電磁波的檢測裝置，其包括濾波器部分，用于選擇待檢測電磁波的波長區(qū)域，該濾波器部分具有周期不大于待檢測電磁波的波長的光柵形狀并且包括介電常數(shù)具有負實部的負介電常數(shù)介質；以及電磁波檢測部分，其中該電磁波檢測部分暴露在該光柵形狀的凹進處。
7.一種成像裝置，包括多個以陣列方式布置的如權利要求1所述的檢測裝置；成像部分，用于基于由所述多個檢測裝置檢測的電場強度之間的差異形成電場強度分布的圖像。
全文摘要
需要一種在包括紅外區(qū)域的通常寬頻率區(qū)域內具有高感光靈敏度的檢測裝置。因此，在本發(fā)明中，通過利用因負介電常數(shù)介質中的表面等離子體振子共振而增強電場強度的現(xiàn)象，提供了一種具有設置在電場強度大的位置上的電磁波檢測部分的檢測裝置。
文檔編號G01J3/00GK101038211SQ200710088578
公開日2007年9月19日 申請日期2007年3月16日 優(yōu)先權日2006年3月17日
發(fā)明者關口亮太, 尾內敏彥 申請人:佳能株式會社