新技術説明会　様式例

表面プラズモンアンテナ付き

フォトダイオードによる屈折率測定

研究者：静岡大学 電子工学研究所

教授 猪川 洋、助教 佐藤 弘明

説明者：

_{猪川 洋}

静岡大学との連携による新技術説明会 2014年11月7日

開発の経緯

• SOI LSIの普及

– 部分空乏型（ハイエンドMPU、ゲーム機） – 完全空乏型（22 nm世代以降にも対応） →光検出器はLSIに新たな機能を付与 課題：薄いSOIの光吸収効率は極めて低い

• 量子効率の改善

– 格子状表面プラズモン（SP）アンテナの導入 →約１桁の改善

• 動作機構の解明

– TM/TE偏光への応答、アンテナ材料依存性 →回折光とSOI導波路中の伝搬モードとの結合

• 屈折率測定への応用

– 光の斜め入射による分光感度ピークの分裂

SPアンテナ付きSOI PDの構造

n+ _p+ Si基板 SiO₂ V_r Vg 表面プラズモン アンテナ（Au） p-Si層 V_sub n+ _p+ Si基板 SiO₂ V_r Vg 表面プラズモン アンテナ（Au） p-Si層 V_sub V_g n+ _p+ Si基板 SiO₂ V_r "表面プラズモン" アンテナ（Au） p-Si層 V_sub V_g n+ _p+ Si基板 SiO₂ V_r "表面プラズモン" アンテナ（Au） p-Si層 V_sub 連続したAu格子のアンテナ 薄い(~5 nm)ゲート絶縁膜 実験的には不成功 不連続なAu格子のアンテナ 厚い(~100 nm)ゲート絶縁膜 実験的にも成功

n+ _p+ Si substrate SiO₂ V_r Vg Surface plasmon antenna p-_{Si layer} V_sub

連続したAu格子のSPアンテナによる特性

p = 200 nm w = 140 nm h 5 nm SiO₂ t_SOI= 100 nm t = 30 nm 吸収効率はAuの厚さと共に増加し 、80 nmで37%（14倍の向上度）に 達する Finite-difference time-domain (FDTD)シミュレーション h h

不連続なAu格子のSPアンテナによる特性

薄いSOI（100 nm）に対しても波長700 nmにおいて 光吸収効率 60% （向上度18）が達成可能 0 10 20 30 40 50 60 70 400 450 500 550 600 650 700 750 800 波長 (nm) 光吸収効率 (% ) 効率(%) ピッチ(nm) 効率(%) ピッチ(nm) 7.4 150 7.4 150 25 200 25 200 アンテナ 無し 35 250 35 250 60 300 60 300 ₅₂ 350 52 350 100-nm SOI 絶縁膜上の薄いシリコン

(SOI: Silicon On Insulator)を使用 V_g n+ _p+ Si基板 SiO₂ V_r "表面プラズモン" アンテナ（Au） p-_Si層 V_sub 線幅／ピッチ=0.7 FDTDシミュレーション（Satoh 2011 SSDM）

p+ p+ SP n+n+ アンテナ SP アンテナ ゲート ゲート カソード カソード アノード アノード

SPアンテナ付きフォトダイオードの実測結果

95 nmの薄いシリコン層でも 波長680 nmにおいて量子効率 25%（向上度8.2倍）を達成 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 400 500 600 700 800 波長 (nm) 外 部量 子効率 アンテナ 無し p = 300 nm 280 320 340 260 TM偏光 E H TM

分光イメージングへの応用

フォト・ダイオード Si基板 Al遮光膜 カラーフィルタ マイクロレンズ 光 Kazuya Yonemoto 従来のカラー・イメージセンサ 従来方式 ・色の数だけ異なっ たフィルタ材料が 必要 ・リソグラフィ工程も 色の数だけ必要 SPアンテナ ・アンテナ材料は 1種類 ・リソグラフィ工程も １回 超多色化が容易に

外部量子効率の偏光角依存性

• TE/TM偏光の弁別比 ×46 を達成 • 偏光を利用した光通信や偏光イメージング_への 応用が考えられる 0 0.1 0.2 0.3 0 0.1 0.2 0.3 0 15 30 45 60 75 90 偏光角 (deg) 外 部量 子効率 (TE) p=300 nm アンテナ 無し : 680 nm (TM)

Satoh 2013 IEEE Trans. ED

E H TM H E TE

TM/TE偏光への応答

TE偏光に対しても量子効率のピークが生じる →表面プラズモン（SP）以外の動作機構も含まれている 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 400 500 600 700 800 アンテナ 無し p = 300 nm 280 320 340 260 TM偏光 外 部量 子効率 波長 (nm) 外 部量 子効率 波長 (nm) 300 280 260 320 p = 340 nm アンテナ無し _TE偏光 400 500 600 700 800 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

分光感度特性のアンテナ材料依存性

FDTDシミュレーション Ag/Ti Au/Ti Al •ピーク波長は材料に依存しな い •ピーク高さも長波長域では殆 ど同じ •安価なAlが使用可能 IEEE PTL 25 (2013) 1133

Al, Ag, Auの分光反射率

Reflectance 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0.2 0.4 0.6 0.8 ramda (um) R =( (n -1 )^ 2+ k^ 2) /( (n +1 )^ 2+ k^ 2) Ag Au Al 200 400 600 800 Wavelength (nm) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 反射率 Al Ag Au 5s5d 5d96s2 5d106s バンド間遷移により大きな吸収が生じる (Ag, Au) 垂直入射

SPアンテナ付きフォトダイオードの動作解析

240 260 280 300 320 340 360 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Wavelength [nm] Pro p a g a tio n w a ve le n g th [n m] 240 260 280 300 320 340 360 400 450 500 550 600 650 700 750 800

Peak wavelength determined by p [nm]

G ra tin g p e ri o d p [ n m] TM₁ TE₁ TM₀ TE₀  g Si 導波路 SiO₂ SiO₂ Si (95nm)   _g SiO₂ SiO₂ Si (95nm)   _g Siスラブの導波路 モードを解析的に計算 表面プラズモンアンテナの格子ピッチpがSOI導波路中の 伝播波長_gと一致する時に光吸収が最大となることが判明 Au/Ti 240 260 280 300 320 340 360 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Wavelength [nm] Pro p a g a tio n w a ve le n g th [n m] 240 260 280 300 320 340 360 400 450 500 550 600 650 700 750 800

Peak wavelength determined by p [nm]

G ra tin g p e ri o d p [ n m] TM₁ TE₁ TM₀ TE₀ Au/Ti 240 260 280 300 320 340 360 400 450 500 550 600 650 700 750 800 波長 (nm) 導波路中の伝播波長  g (nm ) 240 260 280 300 320 340 360 400 450 500 550 600 650 700 750 800 ピーク波長 (nm) 格 子 ピ ッ チ p (nm ) 240 260 280 300 320 340 360 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Wavelength [nm] Pro p a g a tio n w a ve le n g th [n m] 240 260 280 300 320 340 360 400 450 500 550 600 650 700 750 800

Peak wavelength determined by p [nm]

G ra tin g p e ri o d p [ n m] TM₁ TE₁ TM₀ TE₀ Au/Ti 240 260 280 300 320 340 360 400 450 500 550 600 650 700 750 800 波長 (nm) 導波路中の伝播波長  g (nm ) 240 260 280 300 320 340 360 400 450 500 550 600 650 700 750 800 ピーク波長 (nm) 格 子 ピ ッ チ p (nm )

分光感度特性の入射角依存性

=0におけるピークが斜め入射によって分裂する 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 400 450 500 550 600 650 700 750 800 E xte rn a l Q E Wavelength [nm] θ = 0 10 deg 20 deg TM polarization p = 300 nm 波長 (nm) 外部量子効率 TM偏光 θ Satoh 2012 SSDM

SOI中の伝搬波長



_g

（斜め入射の場合）

回折光は伝搬波長の異なる前進波と後進波に結合する _gf=1/{(1/p)+(n/)sin} _gb=1/{(1/p) - (n/)sin}  屈折率：_n 位相差： =p(2n/)sin p 0 x _gf /k_gf ＳＯＩ導波路中の 前進波 p = _gf + /k_gf p  屈折率：_n 位相差： =p(2n/)sin p 0 x _gb ＳＯＩ導波路中の後進波 p = _gb- /k_gb /k_gb p Satoh 2012 SSDM

屈折率測定の概要

600 650 700 750 800 Wavelength [nm] 0 5 10 15 0 5 10 15 P h o to cu rr e n t [p A ] _Pho to cu rr e n t [p A ] n = 1 θ = 0 10º 20º 20º 10º n = 1.4933 波長 (nm) 光電流 (pA ) 光電流 (pA )

異なる屈折率に対する分光特性の変化

光を斜め入射するとピーク波長が屈折率によって変化する

ピーク波長と屈折率の関係

600 650 700 750 800 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

Peak

w

av

elengt

h

λ

p

[nm

]

Refractive index n 0 deg 屈折率 n ピ ー ク 波 長  p (nm) ピークシフト量は リング共振器型の バイオセンサーと 同等である [*] ピッチ: 300 nm

SPRによる蛍光ラベル無しバイオセンシング

_i 入射光 反射光 金属膜 プリズム n+ p+ SiO₂ Si基板 検体 受容体 SP _ｱﾝﾃﾅ 従来のSPRセンサ SPアンテナ付きフォトダイオード •シンプルで平面的な構造 •多数のデバイスをチップ上に 集積して処理効率を大幅に 向上できる •_i やを変化させる 複雑な光学系が必要 •多数のデバイスを集積化 するのが困難 表面近傍の屈折率変化を検知 ~10 m ~cm 検体 表面近傍の屈折率変化を検知

新技術の特徴・従来技術との比較

• 特徴

– 光を当てるだけで測定でき受光系を別に設ける必要が無 いため、シンプルな光学系で高感度な屈折率測定が可能 となる – サイズが５０μｍ×５０μｍ程度と小さいため、多数のフォト ダイオードを１チップに集積して多くのサンプルを同時に計 測することが可能となる – 同一チップ上にCMOS回路を搭載することにより、制御や 演算の機能も含めた計測システムが１チップで構築できる

• 比較

– 既存の表面プラズモン共鳴(SPR)センサーに比べると、光 学系がシンプルで、サイズが小さく、CMOS回路との集積 により高機能化できる点が優れている

想定される用途

• 一般的な液体や気体の屈折率測定

• 蛍光ラベルを用いない、屈折率測定にもとづく

バイオセンシング

• 屈折率測定にもとづく化学物質センシング

• 化学プラントにおける高精度プロセス制御

実用化に向けた課題

• 低コストで生産性の高い表面プラズモンアン

テナ製造技術（微細加工技術）の確立

• 特徴を活かした用途の開拓

• 測定対象に合わせた装置の開発

• 試料の処理手順（プロトコル）の開発

（特にバイオ系試料の場合）

企業への期待

• 製造装置メーカー

低コストで生産性の高い微細加工技術

• 医用検査機器メーカー

バイオ系試料の処理手順（プロトコル）

• 計測・制御機器メーカー

用途開拓、測定対象に合わせた装置開発

• 科学計測機器メーカー

用途開拓、測定対象に合わせた装置開発

本技術に関する知的財産権、問合先

・発明の名称 ：屈折率測定方法（未公開） ・出願番号：特願2013-187478 ・発明者：猪川 洋、佐藤 弘明、小野 篤史 ・出願人：国立大学法人 静岡大学 ◎共同研究および関連する特許については、 静岡大学イノベーション社会連携推進機構にお問い合わせください。 コーディネーター ：鈴木 正人 TEL :053-478-1702 Email：[email protected]