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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024130550
(43)【公開日】2024-09-30
(54)【発明の名称】光半導体デバイス
(51)【国際特許分類】
G01J 1/02 20060101AFI20240920BHJP
G01J 1/04 20060101ALI20240920BHJP
H01L 31/10 20060101ALI20240920BHJP
G02B 5/28 20060101ALI20240920BHJP
G02B 5/22 20060101ALN20240920BHJP
【ＦＩ】
G01J1/02 B
G01J1/04 B
H01L31/10 D
G02B5/28
G02B5/22
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023040350
(22)【出願日】2023-03-15
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、防衛装備庁、安全保障技術研究推進制度、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】000005223
【氏名又は名称】富士通株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】山下 裕泰
【テーマコード（参考）】
2G065
2H148
5F149
【Ｆターム（参考）】
2G065AA04
2G065BA02
2G065BA34
2G065BB30
2H148CA04
2H148CA12
2H148CA17
2H148CA22
2H148CA23
2H148GA03
2H148GA11
2H148GA22
2H148GA23
2H148GA61
5F149AB02
5F149BB03
5F149BB07
5F149LA01
(57)【要約】
【課題】異なる波長域の光吸収を個別に増強する光半導体デバイスを提供する。
【解決手段】光半導体装置は、金属層と、前記金属層の上に設けられた第１の誘電体層と、前記第１の誘電体層の表面で第１の方向に延びる第１グラフェンリボンを含む第１グラフェン層と、前記第１グラフェン層を覆う第２の誘電体層と、前記第２の誘電体層の上で前記第１の方向と交わる第２の方向に延びる第２グラフェンリボンを含む第２グラフェン層と、前記第１の誘電体層の所定の深さに設けられ、前記第１グラフェンリボンと前記第２グラフェンリボンのいずれか一方と平行に延びるワイヤーグリッドと、を有する。
【選択図】図２
【解決手段】光半導体装置は、金属層と、前記金属層の上に設けられた第１の誘電体層と、前記第１の誘電体層の表面で第１の方向に延びる第１グラフェンリボンを含む第１グラフェン層と、前記第１グラフェン層を覆う第２の誘電体層と、前記第２の誘電体層の上で前記第１の方向と交わる第２の方向に延びる第２グラフェンリボンを含む第２グラフェン層と、前記第１の誘電体層の所定の深さに設けられ、前記第１グラフェンリボンと前記第２グラフェンリボンのいずれか一方と平行に延びるワイヤーグリッドと、を有する。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属層と、
前記金属層の上に設けられた第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の表面で第１の方向に延びる第１グラフェンリボンを含む第１グラフェン層と、
前記第１グラフェン層を覆う第２の誘電体層と、
前記第２の誘電体層の上で前記第１の方向と交わる第２の方向に延びる第２グラフェンリボンを含む第２グラフェン層と、
前記第１の誘電体層の所定の深さに設けられ、前記第１グラフェンリボンと前記第２グラフェンリボンのいずれか一方と平行に延びるワイヤーグリッドと、
を有する光半導体デバイス。
前記金属層の上に設けられた第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の表面で第１の方向に延びる第１グラフェンリボンを含む第１グラフェン層と、
前記第１グラフェン層を覆う第２の誘電体層と、
前記第２の誘電体層の上で前記第１の方向と交わる第２の方向に延びる第２グラフェンリボンを含む第２グラフェン層と、
前記第１の誘電体層の所定の深さに設けられ、前記第１グラフェンリボンと前記第２グラフェンリボンのいずれか一方と平行に延びるワイヤーグリッドと、
を有する光半導体デバイス。
【請求項2】
前記ワイヤーグリッドは前記第１グラフェンリボンと平行に延び、
前記第１グラフェン層と前記第１の誘電体層と前記金属層で第１キャビティが形成される、
請求項１に記載の光半導体デバイス。
前記第１グラフェン層と前記第１の誘電体層と前記金属層で第１キャビティが形成される、
請求項１に記載の光半導体デバイス。
【請求項3】
前記第２グラフェンリボンは前記第１グラフェンリボンと直交する方向に延び、前記第２グラフェン層と前記ワイヤーグリッドの間に第２キャビティが形成されている、
請求項２に記載の光半導体デバイス。
請求項２に記載の光半導体デバイス。
【請求項4】
前記ワイヤーグリッドは前記第２グラフェンリボンと平行に延び、
前記第１グラフェン層と前記ワイヤーグリッドの間に第１キャビティが形成される、
請求項１に記載の光半導体デバイス。
前記第１グラフェン層と前記ワイヤーグリッドの間に第１キャビティが形成される、
請求項１に記載の光半導体デバイス。
【請求項5】
前記第２グラフェンリボンは前記第１グラフェンリボンと直交する方向に延び、前記第２グラフェン層と前記金属層の間に第２キャビティが形成される請求項４に記載の光半導体デバイス。
【請求項6】
前記第１の誘電体層と前記第１グラフェン層の間に、第１ゲート電極と第１絶縁膜がこの順で設けられている、
請求項１から５のいずれか１項に記載の光半導体デバイス。
請求項１から５のいずれか１項に記載の光半導体デバイス。
【請求項7】
前記第２の誘電体層と前記第２グラフェン層の間に、第２ゲート電極と第２絶縁膜がこの順に設けられる請求項１から５のいずれか１項に記載の光半導体デバイス。
【請求項8】
前記第１グラフェン層は、前記第１グラフェンリボンの周期的な配列を含む第１領域と、前記第１グラフェンリボンの前記周期的な配列を有しない第２領域とを有する、
請求項１から５のいずれか１項に記載の光半導体デバイス。
請求項１から５のいずれか１項に記載の光半導体デバイス。
【請求項9】
前記第２グラフェン層は、前記第２グラフェンリボンの周期的な配列を含む第３領域と、前記第２グラフェンリボンの前記周期的な配列を有しない第４領域とを有する、
請求項１から５のいずれか１項に記載の光半導体デバイス。
請求項１から５のいずれか１項に記載の光半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、光半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
物質は、その物質がもつ温度に応じた熱輻射光を放出している。室温程度の物質から放射される熱輻射光は、赤外線の波長帯で最も強度が大きい。このため、熱輻射を検出する赤外線センサは、夜間の暗視やサーモグラフィなどに広く用いられている。赤外光を吸収する受光層にグラフェンを適用したデバイスが研究されている。グラフェンは、炭素原子が二次元ハニカム状に配列された層状の材料である。グラフェンは特徴的なエネルギーバンド構造を有するため、紫外域からテラヘルツ帯におよぶ広い波長範囲の光を吸収する。
【0003】
グラフェンは、原子層１層の物質であることから、光吸収効率はたかだか数％程度であり、光センサの材料としては光電変換効率が低い。グラフェンを光センサに応用するために、光吸収を増強する様々な構造が提案されている。光吸収を増強する構造の一つとして、グラフェンにキャビティまたは光共振器を付加する構造がある。この構造では、位相整合条件が満たされる場合に、理論上、光を完全に吸収することができる。単純なグラフェン層とキャビティの構造では、吸収できる光の波長はテラヘルツ帯に制限される。赤外線に対して完全吸収を実現するために、リボン状の周期構造に加工されたグラフェンとキャビティを組み合わせた構成が提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Rasoul Alace, Mohamed Farhat, Carsten Rockstuhl, and Falk Lederer, "A perfect absorber made of a graphene micro-ribbon metamaterial," Optics Express, Vol. 20, No. 27, 28017 (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
熱輻射光を検出する場合、２つの異なる波長の入射光量を個別に検出したいという需要がある。熱輻射光を単一の波長帯でのみ検出すると、遠方の高温物体による輻射と、近くの低温物体による輻射を区別できないからである。２つの異なる波長域の光量を個別に検出することで、高温物体と低温物体の間に距離の違いがあっても、目標とする物体を識別することができる。それぞれの波長での輻射量の比は、物体の温度によって異なるため、目標の温度を持つ物体の存在を抽出できるからである。
【0006】
キャビティを付加して光吸収を増強する構造において、キャビティの長さは、吸収を高める目標の光の波長に合わせて設計する必要がある。基本的に、ある波長に合わせて設計されたキャビティは、別の波長の光吸収増強には適さない。異なる波長の輻射光を個別に検出する場合、それぞれの波長で光吸収を増強できる構成が望まれる。本開示のひとつの側面で、異なる波長域の光吸収を個別に増強する光半導体デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
一実施形態によれば、光半導体デバイスは、
金属層と、
前記金属層の上に設けられた第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の表面で第１の方向に延びる複数の第１グラフェンリボンを含む第１グラフェン層と、
前記第１グラフェン層を覆う第２の誘電体層と、
前記第２の誘電体層の上で前記第１の方向と交わる第２の方向に延びる複数の第２グラフェンリボンを含む第２グラフェン層と、
前記第１の誘電体層の所定の深さに設けられ、前記第１グラフェンリボンと前記第２グラフェンリボンのいずれか一方と平行に延びるワイヤーグリッドと、
を有する。
金属層と、
前記金属層の上に設けられた第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の表面で第１の方向に延びる複数の第１グラフェンリボンを含む第１グラフェン層と、
前記第１グラフェン層を覆う第２の誘電体層と、
前記第２の誘電体層の上で前記第１の方向と交わる第２の方向に延びる複数の第２グラフェンリボンを含む第２グラフェン層と、
前記第１の誘電体層の所定の深さに設けられ、前記第１グラフェンリボンと前記第２グラフェンリボンのいずれか一方と平行に延びるワイヤーグリッドと、
を有する。
【発明の効果】
【0008】
異なる波長域の光吸収を個別に増強する光半導体デバイスが実現される。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】実施形態の光半導体デバイスの模式図である。
【図2】光半導体デバイスの動作原理を示す図である。
【図3】光半導体デバイスの動作原理を示す図である。
【図4】実施例１の光半導体デバイスの上面模式図である。
【図6】実施例２の光半導体デバイスの上面模式図である。。
【図8】実施例３の光半導体デバイスの上面模式図である。
【図11】光半導体デバイスアレイの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下で、図面を参照しながら発明を実施するための形態を説明する。下記で述べる実施形態は、発明の技術思想を具体化するための例示であり、本発明を下記の構成や数値に限定するものではない。図面中、同一の機能を有する構成要素には、同一符号を付して、重複する記載を省略する場合がある。異なる実施形態や構成例の間での部分的な置換または組み合わせは可能である。各図面が示す各部材の大きさ、位置関係等は、発明の理解を容易にするために誇張して描かれている場合がある。位置関係で「上に」または「下に」というときは積層方向の上下を指し、絶対的な方向ではない。
【0011】
＜基本構成＞
図１は、実施形態の光半導体デバイス１０の模式図であり、（Ａ）は積層体の斜視図、（Ｂ）は電極の接続構成を示す。光半導体デバイス１０は、金属層１１と、金属層１１の上に設けられた第１の誘電体層１４と、第１の誘電体層１４の上に設けられる第１グラフェン層１５Ａと、第１グラフェン層を覆う第２の誘電体層１６と、第２の誘電体層１６の上に設けられる第２グラフェン層１５Ｂと、第１の誘電体層１４の所定の深さに設けられるワイヤーグリッド１３と、を有する。
図１は、実施形態の光半導体デバイス１０の模式図であり、（Ａ）は積層体の斜視図、（Ｂ）は電極の接続構成を示す。光半導体デバイス１０は、金属層１１と、金属層１１の上に設けられた第１の誘電体層１４と、第１の誘電体層１４の上に設けられる第１グラフェン層１５Ａと、第１グラフェン層を覆う第２の誘電体層１６と、第２の誘電体層１６の上に設けられる第２グラフェン層１５Ｂと、第１の誘電体層１４の所定の深さに設けられるワイヤーグリッド１３と、を有する。
【0012】
第１グラフェン層１５Ａは、第１の誘電体層１４の表面で第１の方向に延びる複数の第１グラフェンリボン１５１を含む。光半導体デバイス１０の積層方向をＺ方向とすると、図１の例では、第１グラフェンリボン１５１はＺ方向と直交するＸＹ面内でＹ方向に延びる。第２グラフェン層１５Ｂは、第２の誘電体層１６の表面で、第１の方向と交わる第２の方向に延びる複数の第２グラフェンリボン１５２を含む。この例で第２グラフェンリボン１５２はＸ方向に延びる。ワイヤーグリッド１３は、第１グラフェンリボン１５１と第２グラフェンリボン１５２のいずれか一方と平行に延びる。この例では、ワイヤーグリッド１３は、第１グラフェンリボン１５１と平行にＹ方向に延びている。
【0013】
後述するように、光半導体デバイス１０は２つの異なる波長域の光を個別に検出する。第１グラフェンリボン１５１と第２グラフェンリボン１５２は、それぞれ異なる幅と周期（またはピッチ）を有し、異なる波長域の光に共鳴して吸収する。吸収された光の量に応じたキャリアが生成され、第１グラフェン層１５Ａと第２グラフェン層１５Ｂは、それぞれが光電変換層として機能する。
【0014】
図１の（Ｂ）に示すように、第１グラフェン層１５Ａには一対の電極１７と１８が接続され、第２グラフェン層１５Ｂには一対の電極１９と２０が接続される。電極１７と１８を「第１の電極対」、電極１９と２０を「第２の電極対」と呼んでもよい。電極１７と１８の間に所定の電圧が印加され、第１グラフェン層１５Ａで生じた光吸収を、電流の変化として検出する。電極１９と２０の間に所定の電圧が印加され、第２グラフェン層１５Ｂで生じた光吸収を、電流の変化として検出する。
【0015】
＜動作原理＞
図２と図３は、光半導体デバイスの動作原理を示す図である。図２で、ワイヤーグリッド１３は第１グラフェンリボン１５１と平行なＹ方向に延びている。図３で、ワイヤーグリッド１３は、第２グラフェンリボン１５２と平行なＸ方向に延びている。ワイヤーグリッド１３が延びる方向によってキャビティ構成が変わるので、図２の光半導体デバイス１０－１と、図３の光半導体デバイス１０－２のそれぞれについて動作を説明する。
図２と図３は、光半導体デバイスの動作原理を示す図である。図２で、ワイヤーグリッド１３は第１グラフェンリボン１５１と平行なＹ方向に延びている。図３で、ワイヤーグリッド１３は、第２グラフェンリボン１５２と平行なＸ方向に延びている。ワイヤーグリッド１３が延びる方向によってキャビティ構成が変わるので、図２の光半導体デバイス１０－１と、図３の光半導体デバイス１０－２のそれぞれについて動作を説明する。
【0016】
図２の（Ａ）は、光半導体デバイス１０－１で第１波長の光を吸収する第１グラフェン層１５Ａの動作を示し、図２の（Ｂ）は、第２波長の光を吸収する第２グラフェン層１５Ｂの動作を示す。第１グラフェン層１５Ａの第１グラフェンリボン１５１は、第１波長λ１の光を吸収する幅と間隔で配置され、第２グラフェン層１５Ｂの第２グラフェンリボン１５２は、第２波長λ２の光を吸収する幅と間隔で配置される。金属層１１と反対側の面、すなわち第２グラフェン層１５Ｂが設けられる面を光入射面とする。
【0017】
第１グラフェンリボン１５１と第２グラフェンリボン１５２は、リボンの幅方向と平行な電界成分をもつ偏光によりプラズモン共鳴を生じ、この方向の偏光を吸収するが、幅方向と交わる方向に電界成分をもつ偏光をほとんど吸収しない。
【0018】
図２の（Ａ）で、Ｘ方向に電界成分Ｅをもつ偏光は、この電界成分Ｅと平行に延びる第２グラフェンリボン１５２で吸収されず、第２グラフェン層１５Ｂをそのまま透過する。第１グラフェン層１５Ａでは、第１グラフェンリボン１５１の幅方向がこの電界成分Ｅと平行である。第１グラフェンリボン１５１はこの偏光によりプラズモン共鳴を生じ、第１波長λ１の偏光が第１グラフェン層１５Ａで選択的に吸収される。第１グラフェン層１５Ａで吸収しきれずに透過した光は金属層１１に向かって進行する。
【0019】
ワイヤーグリッド１３は偏光子を構成し、ワイヤーの線長方向（Ｙ方向）に平行な電界成分をもつ偏光に対してミラーとして働き、線長方向と直交する電界成分Ｅをもつ偏光を透過させる。ワイヤーの線長方向に電界が振動する偏光の入射により、ワイヤー中を電子が光の電界をキャンセルする方向に移動してこの偏光を反射するからである。ワイヤーグリッド１３の線長方向と直交する電界成分Ｅの偏光は、ワイヤーグリッド１３を透過し、金属層１１で反射される。反射された偏光は、ワイヤーグリッド１３を透過して、再度、第１グラフェン層１５Ａに入射し、第１グラフェンリボン１５１で吸収される。このように、第１グラフェン層１５Ａと、第１の誘電体層１４と、金属層１１によって第１キャビティ１３１Ａが形成される。
【0020】
第１の誘電体層１４の厚さｄ１は、金属層１１への入射光と金属層１１からの反射光の干渉が、第１グラフェン層１５Ａの位置で強め合う条件となる厚さに設定されている。換言すると、干渉光の光電界の強度分布が第１グラフェン層１５Ａで最大になるように厚さｄ１が設定されている。第１の誘電体層１４の厚さｄ１は、第１キャビティ１３１Ａのキャビティ長である。第１の誘電体層１４の屈折率をｎとすると、厚さｄ１は、
ｄ１＝ｍλ１／４ｎ
を満たすように設計されている。ここでｍは奇数である。
ｄ１＝ｍλ１／４ｎ
を満たすように設計されている。ここでｍは奇数である。
【0021】
第１キャビティ１３１Ａにより、第１グラフェン層１５Ａでの第１波長λ１の光吸収が増強される。
【0022】
図２の（Ｂ）は、光半導体デバイス１０－１で第２波長の光を吸収する第２グラフェン層１５Ｂの動作を示す。第２グラフェンリボン１５２の幅方向は、Ｙ方向の電界成分Ｅと平行である。第２グラフェンリボン１５２は、このＹ方向の電界成分Ｅをもつ偏光によりプラズモン共鳴を生じ、第２波長λ２の偏光が第２グラフェン層１５Ｂで選択的に吸収される。Ｙ方向の電界成分Ｅをもつ偏光のうち、第２グラフェン層１５Ｂで吸収されなかった偏光は、Ｙ方向に延びる第１グラフェン層１５Ａをそのまま透過する。
【0023】
上述したように、ワイヤーグリッド１３は、ワイヤーの線長方向（Ｙ方向）に平行な電界成分をもつ偏光に対してミラーとして働く。ワイヤーグリッド１３の線長方向と平行なＹ方向に振動する偏光は、ワイヤーグリッド１３で反射される。反射光は第１グラフェン層１５Ａを透過し、再度、第２グラフェン層１５Ｂに入射して吸収される。このように、第２グラフェン層１５Ｂと、ワイヤーグリッド１３と、第２グラフェン層１５Ｂとワイヤーグリッド１３の間の誘電体層とによって、第２キャビティ１３１Ｂが形成される。
【0024】
第２グラフェン層１５Ｂとワイヤーグリッド１３の間の長さｄ２は、第２キャビティ１３１Ｂのキャビティ長である。長さｄ２は、ワイヤーグリッド１３への入射光とワイヤーグリッド１３からの反射光の干渉が、第２グラフェン層１５Ｂの位置で強め合う条件となる厚さに設定されている。換言すると、干渉光の光電界の強度分布が第２グラフェン層１５Ｂで最大になるように、長さｄ２が設計されている。
【0025】
長さｄ２は、第２の誘電体層１６の厚さと、第１の誘電体層１４のうち、ワイヤーグリッド１３よりも上側の部分の厚さとで決まる。第１の誘電体層１４と第２の誘電体層１６が同じ屈折率ｎを持つ場合、長さｄ２は、
ｄ２＝ｍλ２／４ｎ
を満たすように設計されている。ここでｍは奇数である。
ｄ２＝ｍλ２／４ｎ
を満たすように設計されている。ここでｍは奇数である。
【0026】
第１の誘電体層１４におけるワイヤーグリッド１３の位置は、第２の誘電体層１６の厚さが適切に設定されれば、おのずから決まる。第２キャビティ１３１Ｂにより、第２グラフェン層１５Ｂでの第２波長λ２の光吸収が増強される。
【0027】
このように、第１グラフェンリボン１５１と第２グラフェンリボン１５２に対して、それぞれ個別に実効的なキャビティ長の異なる第１キャビティ１３１Ａと第２キャビティ１３１Ｂを付加し、第１波長λ１と第２波長λ２の光を個別に増強することができる。
【0028】
図３の（Ａ）は、光半導体デバイス１０－２で第１波長の光を吸収する第１グラフェン層１５Ａの動作を示し、図３の（Ｂ）は、第２波長の光を吸収する第２グラフェン層１５Ｂの動作を示す。光半導体デバイス１０－２では、ワイヤーグリッド１３は、第２グラフェンリボン１５２と平行なＸ方向に延設される。第１グラフェン層１５Ａの第１グラフェンリボン１５１は、第１波長λ１の光を吸収する幅と間隔で配置され、第２グラフェン層１５Ｂの第２グラフェンリボン１５２は、第２波長λ２の光を吸収する幅と間隔で配置される。金属層１１と反対側の面、すなわち第２グラフェン層１５Ｂが設けられる面を光入射面とする。
【0029】
図３の（Ａ）で、Ｘ方向に電界成分Ｅをもつ偏光は、この電界成分Ｅと平行に延びる第２グラフェンリボン１５２で吸収されず、第２グラフェン層１５Ｂをそのまま透過する。第１グラフェンリボン１５１は、その幅方向がこの電界成分Ｅと平行であり、プラズモン共鳴により光吸収が生じる。第１グラフェン層１５Ａは、第１波長λ１の偏光を選択的に吸収する。第１グラフェン層１５Ａで吸収しきれずに透過した光は金属層１１に向かって進行する。
【0030】
ワイヤーグリッド１３は、ワイヤーの線長方向（Ｘ方向）に平行な電界成分Ｅをもつ偏光に対してミラーとして働き、入射した偏光を反射する。ワイヤーグリッド１３で反射された偏光は、第１グラフェン層１５Ａに戻って、吸収される。このように、第１グラフェン層１５Ａと、第１の誘電体層１４のうちワイヤーグリッド１３よりも第１グラフェン層１５Ａ側にある第１と、ワイヤーグリッド１３で第１キャビティ１３２Ａが形成される。
【0031】
第１グラフェン層１５Ａとワイヤーグリッド１３との間の長さｄ３は、ワイヤーグリッド１３への入射光と、ワイヤーグリッド１３からの反射光の干渉が、第１グラフェン層１５Ａの位置で強め合う条件となる厚さに設定されている。換言すると、干渉光の光電界の強度分布が第１グラフェン層１５Ａで最大になるように長さｄ３が設定されている。長さｄ３は、第１キャビティ１３２Ａのキャビティ長であり、かつ、第１の誘電体層１４におけるワイヤーグリッド１３の深さである。第１の誘電体層１４の屈折率をｎとすると、キャビティの長さｄ３は、
ｄ３＝ｍλ１／４ｎ
を満たすように設計されている。ここでｍは奇数である。
ｄ３＝ｍλ１／４ｎ
を満たすように設計されている。ここでｍは奇数である。
【0032】
第１キャビティ１３２Ａにより、第１グラフェン層１５Ａでの第１波長λ１の光吸収が増強される。
【0033】
図３の（Ｂ）は、光半導体デバイス１０－２で第２波長の光を吸収する第２グラフェン層１５Ｂの動作を示す。第２グラフェンリボン１５２の幅方向は、Ｙ方向の電界成分Ｅと平行である。第２グラフェンリボン１５２は、このＹ方向の電界成分Ｅをもつ偏光によりプラズモン共鳴を生じ、第２波長λ２の偏光が第２グラフェン層１５Ｂで選択的に吸収される。Ｙ方向の電界成分Ｅをもつ偏光のうち、第２グラフェン層１５Ｂで吸収されなかった偏光は、Ｙ方向に延びる第１グラフェン層１５Ａをそのまま透過する。
【0034】
上述したように、ワイヤーグリッド１３は、ワイヤーの線長方向（Ｙ方向）と直交する方向に電界成分をもつ偏光を透過する。したがって、Ｙ方向の電界成分Ｅをもつ偏光はワイヤーグリッド１３を透過し、金属層１１で反射される。金属層１１で反射された光は、ワイヤーグリッド１３と第１グラフェン層１５Ａを透過し、再度第２グラフェン層１５Ｂに入射して吸収される。このように、第２グラフェン層１５Ｂと、金属層１１と、第１の誘電体層１４及び第２の誘電体層１６とで、第２キャビティ１３２Ｂが形成される。
【0035】
第２グラフェン層１５Ｂと金属層１１の間の長さｄ４は、第２キャビティ１３２Ｂのキャビティ長である。長さｄ４は、金属層１１への入射光と金属層１１からの反射光の干渉が、第２グラフェン層１５Ｂの位置で強め合う条件となる長さ厚さに設定されている。換言すると、干渉光の光電界の強度分布が第２グラフェン層１５Ｂで最大になるように、長さｄ４が設計されている。
【0036】
長さｄ４は、第１の誘電体層１４の厚さと、第２の誘電体層１６の厚さの合計である。第１の誘電体層１４と第２の誘電体層１６が同じ屈折率ｎを持つ場合、キャビティの長さｄ４は、
ｄ４＝ｍλ２／４ｎ
を満たすように設計されている。ここでｍは奇数である。第２キャビティ１３２Ｂにより、第２グラフェン層１５Ｂでの第２波長λ２の光吸収が増強される。
ｄ４＝ｍλ２／４ｎ
を満たすように設計されている。ここでｍは奇数である。第２キャビティ１３２Ｂにより、第２グラフェン層１５Ｂでの第２波長λ２の光吸収が増強される。
【0037】
このように、第１グラフェンリボン１５１と第２グラフェンリボン１５２に対して、それぞれ実効的なキャビティ長が異なる第１キャビティ１３２Ａと１３２Ｂを付加し、第１波長λ１と第２波長λ２の光を個別に増強することができる。
【0038】
＜第１実施例＞
図４は、第１実施例の光半導体デバイス１０の上面模式図、図５は、図４のIV－IVラインに沿った断面模式図である。金属層１１は、入射光に対して高い反射率をもつ材料で形成されている。この例では、赤外で広い帯域にわたって高い反射率を有する金（Ａｕ）の薄膜で金ミラーが形成されているが、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）など赤外域で高い反射率を有する他の金属を用いてもよい。
図４は、第１実施例の光半導体デバイス１０の上面模式図、図５は、図４のIV－IVラインに沿った断面模式図である。金属層１１は、入射光に対して高い反射率をもつ材料で形成されている。この例では、赤外で広い帯域にわたって高い反射率を有する金（Ａｕ）の薄膜で金ミラーが形成されているが、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）など赤外域で高い反射率を有する他の金属を用いてもよい。
【0039】
Ａｕの金属層１１の上に、第１の誘電体層１４が設けられ、第１の誘電体層１４の所定の深さにＡｕ細線のワイヤーグリッド１３が埋め込まれている。第１の誘電体層１４は、赤外領域での共振が可能であれば無機材料であっても有機材料でもよい。ここでは、エポキシ樹脂ベースのフォトレジストであるＳＵ－８で第１の誘電体層１４を形成する。ＳＵ－８を厚さｔ１に塗布し、９０℃から１００℃の温度でベークして第１の誘電体層１４の第１部分１４１を形成する。第１部分１４１の表面に所定の方向に延びる金ワイヤーを一定間隔で配置して、ワイヤーグリッド１３を形成する。ワイヤーグリッド１３を覆って、第１の誘電体層１４の第２部分１４２をＳＵ－８で形成する。
【0040】
たとえば、ＳＵ－８で厚さ０．６μｍの第１部分１４１を形成する。第１部分１４１の表面に、Ｙ方向に延びる直径０．２５μｍの金ワイヤーを、Ｘ方向に０．５μｍ周期で配置してワイヤーグリッド１３を形成する。ワイヤーグリッド１３を覆って、第１の誘電体層１４の第２部分１４２として、厚さ１．１μｍのＳＵ－８の層が設けられている。第１の誘電体層１４のトータルの厚さは１．７μｍであり、金属層１１から０．６μｍの位置にワイヤーグリッド１３が位置する。
【0041】
第１の誘電体層１４の表面に、第１グラフェンリボン１５１で第１グラフェン層１５Ａが形成されている。光吸収を高める観点から、第１グラフェンリボン１５１は数層から数十層の多層グラフェンであるのが望ましい。第１グラフェンリボン１５１は、ワイヤーグリッド１３と平行に設けられる。第１グラフェンリボン１５１の幅は１５０ｎｍ、Ｘ方向の周期は３００ｎｍである。
【0042】
第１グラフェン層１５Ａの上に、厚さ１００ｎｍの第２の誘電体層１６がＳＵ－８で形成されている。第２の誘電体層１６の上に、第１グラフェンリボン１５１と直交するＸ方向に延びる第２グラフェンリボン１５２が配置され、第２グラフェン層１５Ｂが設けられる。第２グラフェンリボン１５２の幅は１００ｎｍ、Ｙ方向の周期は２００ｎｍである。
【0043】
第１グラフェン層１５Ａの両端に電極１７と１８が接続され、第２グラフェン層１５Ｂの両端に電極１９と２１が接続されている。第１グラフェン層１５Ａの面内方向にポテンシャル分布を生じさせるために、電極１７と１８を異なる材料で形成するなどして、非対称の構成にする。たとえば、電極１７と１８の一方をＡｕで形成し、他方をＣｒで形成する。ＡｕとＣｒの仕事関数の違いによって、Ａｕと第１グラフェン層１５０Ａの界面と、Ｃｒと第１グラフェン層１５０Ａの界面で、エネルギーバンドの勾配が非対称になり、ポテンシャル分布が生じる。
【0044】
ゼーベック係数はグラフェンのポテンシャルに応じて変化するため、第１グラフェン層１５０Ａ内のポテンシャル分布によって、ゼーベック係数の面内分布が形成される。電子温度分布と、ゼーベック係数分布が同時に存在することで、ゼーベック効果により起電力が形成される。同様に、電極１９と２１を非対称の構成とすることで、第２グラフェン層１５０Ｂの面内方向にポテンシャル分布を生じさせる。
【0045】
グラフェンは金属のように電気を通すが、細長いリボン形状にすることで、半導体の性質を持たせることができる。リボンの幅によってバンドギャップが変化し、通常はリボン幅が細くなって周期が細かくなるほどバンドギャップが広がる。第１実施例の光半導体デバイス１０は、第１グラフェン層１５Ａで波長８～１５μｍの長波赤外光を吸収し、第２グラフェン層１５Ｂで波長３～５μｍの中ｍ波赤外光を吸収するように設計されている。第１グラフェン層１５Ａと第２グラフェン層１５Ｂでの光吸収から生じたキャリアは、第１グラフェン層１５Ａと第２グラフェン層１５Ｂのポテンシャル勾配に沿って移動し、電流の変化としてそれぞれ個別に検出される。
【0046】
第１グラフェンリボン１５１と第２グラフェンリボン１５２のそれぞれに対して、波長に応じたキャビティ長のキャビティが付加され、２つの異なる波長の光吸収は個別に増強される。第１実施例では、ワイヤーグリッド１３を第１グラフェンリボン１５１と平行に設けたが、図３に示したように、ワイヤーグリッド１３を第２グラフェンリボン１５２と平行に設ける場合も、第１の誘電体層１４の第１部分１４１と第２部分の厚さと、第２の誘電体層１６の厚さを適切に設計して、異なる波長の光の吸収を個別に増強することができる。
【0047】
＜第２実施例＞
図６は、第２実施例の光半導体デバイス２０の上面模式図、図７は、図６のVI－VIラインに沿った断面模式図である。第２実施例では、第１グラフェン層１５Ａと第２グラフェン層１５Ｂにそれぞれ、第１ゲート電極２２と第２ゲート電極２４を設ける。グラフェンにゲート電圧を印加することで、グラフェン中のキャリア密度を増やすことができる。印加するゲート電圧を制御することで、キャリア密度の調整が可能である。第１グラフェン層１５Ａと第２グラフェン層１５Ｂのいずれか一方、たとえば光吸収を促進したい層にだけ、ゲート電極を設けてもよい。
図６は、第２実施例の光半導体デバイス２０の上面模式図、図７は、図６のVI－VIラインに沿った断面模式図である。第２実施例では、第１グラフェン層１５Ａと第２グラフェン層１５Ｂにそれぞれ、第１ゲート電極２２と第２ゲート電極２４を設ける。グラフェンにゲート電圧を印加することで、グラフェン中のキャリア密度を増やすことができる。印加するゲート電圧を制御することで、キャリア密度の調整が可能である。第１グラフェン層１５Ａと第２グラフェン層１５Ｂのいずれか一方、たとえば光吸収を促進したい層にだけ、ゲート電極を設けてもよい。
【0048】
Ａｕの金属層１１の上に、ＳＵ－８で形成された第１の誘電体層１４が設けられ、第１の誘電体層１４の所定の深さに、Ａｕ細線のワイヤーグリッド１３が埋め込まれている。第１の誘電体層１４の全体の厚さは１．７μｍであり、ワイヤーグリッド１３は、第１の誘電体層１４の表面から１．１μｍの深さ、すなわち、金属層１１の表面から０．６μｍの位置に設けられている。ワイヤーグリッド１３の各Ａｕ細線はＹ方向に延び、Ｘ方向に０．５μｍ周期で配置されている。
【0049】
第１の誘電体層１４の表面に、第１ゲート電極２２として厚さ数ｎｍ程度以下のグラファイト層が形成されている。第１ゲート電極２２の上に、厚さ１０～３０ｎｍの第１絶縁膜２３を介して、第１グラフェンリボン１５１の第１グラフェン層１５Ａが形成されている。第１グラフェンリボン１５１は、この例ではワイヤーグリッド１３と平行に設けられ、第１グラフェン層１５Ａと金属層１１の間に、第１波長の光吸収を増強する第１キャビティ１３１Ａ（図２（Ａ）参照）が形成される。第１グラフェンリボン１５１の幅は１５０ｎｍ、Ｘ方向の周期は３００ｎｍである。第１絶縁膜２３はゲート絶縁膜として機能できるものであれば材料の種類は問わないが、たとえばＡｌ２Ｏ３の薄膜を用いる。Ａｌ２Ｏ３に代えて、ＨｆＯ２、Ｚｒ２、Ｌａ２Ｏ３などの高誘電率の絶縁膜を用いてもよい。
【0050】
第１グラフェン層１５Ａの上に、厚さ１００ｎｍの第２の誘電体層１６がＳＵ－８で形成されている。第２の誘電体層１６の上に、第２ゲート電極２４として厚さ数ｎｍ程度以下のグラファイト層が形成されている。第２ゲート電極２４の上に、厚さ１０～３０ｎｍの第２絶縁膜２５を介して、第２グラフェンリボン１５２の第２グラフェン層１５Ｂが形成されている。第２グラフェンリボン１５２は、ワイヤーグリッド１３及び第１グラフェンリボン１５１と直交する方向（Ｘ方向）に延びる。第２グラフェンリボン１５２の幅は１００ｎｍ、Ｙ方向の周期は２００ｎｍである。第２グラフェン層１５Ｂとワイヤーグリッド１３の間に、第２波長の光吸収を増強する第２キャビティ１３１Ｂ（図２（Ｂ）参照）が形成される。
【0051】
第１グラフェン層１５Ａの両端に電極１７と１８が接続され、第２グラフェン層１５Ｂの両端に電極１９と２１が接続されている。第１ゲート電極２２は、ゲート電極用金属パッド２７に接続され、第２ゲート電極２４は、ゲート電極用金属パッド２８に接続されている。ゲート電極用金属パッド２７または２８を介して第１ゲート電極２２または第２ゲート電極２４に電圧を印加することで、第１グラフェン層１５Ａまたは第２グラフェン層１５Ｂのキャリア密度を制御することができる。
【0052】
第２実施例の構成は、第１グラフェンリボン１５１と第２グラフェンリボン１５２に個別に設けられるキャビティ構造に加えて、ゲート電圧によるキャリア密度の制御が可能である。第１グラフェン層１５Ａと第２グラフェン層１５Ｂでの光吸収をさらに向上することができる。
【0053】
＜第３実施例＞
図８は、第３実施例の光半導体デバイス３０の上面模式図、図９は第３実施形態で用いられる第１グラフェン層３５Ａと第２グラフェン層３５Ｂの平面模式図、図１０は図８のVIII－VIIIラインに沿った断面模式図である。第３実施例では、非対称の第１グラフェン層３５Ａと、非対称の第２グラフェン層３５Ｂを用いる。
図８は、第３実施例の光半導体デバイス３０の上面模式図、図９は第３実施形態で用いられる第１グラフェン層３５Ａと第２グラフェン層３５Ｂの平面模式図、図１０は図８のVIII－VIIIラインに沿った断面模式図である。第３実施例では、非対称の第１グラフェン層３５Ａと、非対称の第２グラフェン層３５Ｂを用いる。
【0054】
図９に示すように、第１グラフェン層３５Ａは、第１グラフェンリボン３５１の周期的な配列を含む第１領域３５３と、グラフェンリボンの周期的な配列を有しない第２領域３５４とを有する。第１領域３５３の第１グラフェンリボン３５１の幅は１５０ｎｍ、Ｘ方向の周期は３００ｎｍである。第１領域３５３の端部に電極３８が接続され、第２領域３５４の端部に電極３７が接続される。
【0055】
第１グラフェン層３５Ａの非対称性により、第１グラフェン層３５Ａの面内にポテンシャル分布が生じる。また、第１領域３５３と電極３８の界面と、第２領域３５４と電極３７の界面で温度分布が生じる。第１波長の光の入射による起電力の変化が電気信号として電極３７と３８から読み出される。
【0056】
第２グラフェン層３５Ｂは、第２グラフェンリボン３５２の周期的な配列を含む第３領域３５５と、グラフェンリボンの周期的な配列を有しない第４領域３５６とを有する。第３領域３５５の第２グラフェンリボン３５２の幅は１００ｎｍ、Ｙ方向の周期は２００ｎｍである。第３領域３５５の端部に電極４１が接続され、第４領域３５６の端部に電極３９が接続される。
【0057】
第２グラフェン層３５Ｂの非対称性により、第２グラフェン層３５Ｂの面内にポテンシャル分布が生じる。また、第３領域３５５と電極４１の界面と、第４領域３５６と電極３９の界面で温度分布が生じる。第１波長よりも短い第２波長の光の入射による起電力の変化が、電気信号として電極３９と４１から読み出される。第３実施形態では、第１波長の光検出のための非対称性が第１グラフェン層３５Ａの形状で実現されているので、電極３７と３８は同一の金属材料で形成されてもよい。同様に、第２波長の光検出のための非対称性が第２グラフェン層３５Ｂの形状で実現されているので、電極３９と４１は同一の金属材料で形成されてもよい。
【0058】
光半導体デバイス３０のその他の構成は、第２実施例の構成と同じである。第１の誘電体層１４と第１グラフェン層３５Ａの間に、第１ゲート電極２２と第１絶縁膜２３がこの順に設けられている。第２の誘電体層１６と第２グラフェン層３５Ｂの間に、第２ゲート電極２４と第２絶縁膜２５がこの順に設けられている。第１グラフェン層３５Ａと第２グラフェン層３５Ｂのいずれか一方にだけゲート電極を設けてもよい。
【0059】
第１グラフェン層１５Ａの第１領域３５３と金属層１１の間に、第１波長の光吸収を増強する第１キャビティ１３１Ａ（図２（Ａ）参照）が形成される。第２グラフェン層１５Ｂの第３領域３５５とワイヤーグリッド１３の間に、第２波長の光吸収を増強する第２キャビティ１３１Ｂ（図２（Ｂ）参照）が形成される。
【0060】
第３実施例の構成は、光吸収とその増強に寄与する面積が第２実施例と比較して狭くなるが、ゲート電圧によりキャリア密度の増大が可能である。また、各グラフェン層に接続される電極対を一度の工程で形成することができる。
【0061】
＜光半導体デバイスアレイへの適用＞
図１１は、基板１０１の上に複数の光半導体デバイス１０（または２０、または３０、以下、単に「光半導体デバイス１０」とする）を一次元または二次元のアレイ状に配置した光半導体デバイスアレイ１００の模式図である。個々の光半導体デバイス１０で画素を構成してもよい。個々の光半導体デバイス１０で、第１グラフェン層１５Ａと第２グラフェン層１５Ｂにそれぞれ個別のキャビティが付加されるので、２つの異なる波長の光吸収を個別に増幅でき、感度のよいイメージセンサを構成することができる。
図１１は、基板１０１の上に複数の光半導体デバイス１０（または２０、または３０、以下、単に「光半導体デバイス１０」とする）を一次元または二次元のアレイ状に配置した光半導体デバイスアレイ１００の模式図である。個々の光半導体デバイス１０で画素を構成してもよい。個々の光半導体デバイス１０で、第１グラフェン層１５Ａと第２グラフェン層１５Ｂにそれぞれ個別のキャビティが付加されるので、２つの異なる波長の光吸収を個別に増幅でき、感度のよいイメージセンサを構成することができる。
【0062】
以上、特定の例に基づいて本開示を説明してきたが、本開示は、上述した例に限定されない。第１実施例から第３実施例の構成を個別に組み合わせてもよい。たとえば第１実施例の第１グラフェン層１５Ａと第２グラフェン層に代えて、第３実施形態の非対称な第１グラフェン層３５Ａと第２グラフェン層３５Ｂを用いてもよい。第１グラフェンリボン１５１と第２グラフェンリボン１５２は、機械的剥離法、転写法などで、第１の誘電体層１４と第２の誘電体層１６の表面に配置されてもよい。あるいは、マイクロ波プラズマＣＶＤなどにより５００℃程度の低温で、第１の誘電体層１４と第２の誘電体層１６の上に直接グラフェンを成長してもよい。あるいは、第１の誘電体層１４と第２の誘電体層１６の上に直接グラフェンを成長した後に、金属層１１とワイヤーグリッド１３を含む積層体を貼り合わせてもよい。第１グラフェン層１５Ａ、３５Ａと第２グラフェン層１５Ｂ、３５Ｂに接続される電極はＡｕ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｐｔ等の良導体で形成され得る。電極材料で非対称性を実現する場合は、これら良導体の中で適切な仕事関数の組み合わせを選択してもよい。いずれの場合も、第１波長の光吸収と第２波長の光吸収を個別に増強することができる。
【0063】
実施形態の光センサは、物質の熱輻射光を検出する赤外線センサや、夜間の暗視サーモグラフィなどに適用される。２つの波長の光の入射量を高感度で検出できるので、目標とする物体の温度を精度よく識別できる。
【0064】
以上の開示に対し、以下の付記を提示する。
（付記１）
金属層と、
前記金属層の上に設けられた第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の表面で第１の方向に延びる第１グラフェンリボンを含む第１グラフェン層と、
前記第１グラフェン層を覆う第２の誘電体層と、
前記第２の誘電体層の上で前記第１の方向と交わる第２の方向に延びる第２グラフェンリボン(152)を含む第２グラフェン層と、
前記第１の誘電体層の所定の深さに設けられ、前記第１グラフェンリボンと前記第２グラフェンリボンのいずれか一方と平行に延びるワイヤーグリッドと、
を有する光半導体デバイス。
（付記２）
前記ワイヤーグリッドは前記第１グラフェンリボンと平行に延び、
前記第１グラフェン層と前記第１の誘電体層と前記金属層で第１キャビティが形成される、
付記１に記載の光半導体デバイス。
（付記３）
前記第２グラフェンリボンは前記第１グラフェンリボンと直交する方向に延び、前記第２グラフェン層と前記ワイヤーグリッドの間に第２キャビティが形成されている、
付記２に記載の光半導体デバイス。
（付記４）
前記第１グラフェン層は、前記第１グラフェンリボンの周期構造を有し、
前記第１の誘電体層の厚さ(d1)は、前記第１グラフェンリボンの幅と周期で決まる第１波長の奇数倍に比例する、
付記２に記載の光半導体デバイス。
（付記５）
前記第２グラフェン層と前記ワイヤーグリッドの間の長さは、前記第１波長と異なる第２波長の奇数倍に比例する、
付記４に記載の光半導体デバイス。
（付記６）
前記ワイヤーグリッドは前記第２グラフェンリボンと平行に延び、
前記第１グラフェン層と前記ワイヤーグリッドの間に第１キャビティが形成される、
付記１に記載の光半導体デバイス。
（付記７）
前記第２グラフェンリボンは前記第１グラフェンリボンと直交する方向に延び、前記第２グラフェン層と前記金属層の間に第２キャビティが形成される、
付記６に記載の光半導体デバイス。
（付記８）
前記第１グラフェン層は、前記第１グラフェンリボンの周期構造を有し、
前記第第１グラフェン層と前記ワイヤーグリッドの間の長さは、前記第１グラフェンリボンの幅と周期で決まる第１波長の奇数倍に比例する、
付記６に記載の光半導体デバイス。
（付記９）
前記第２グラフェン層と前記金属層の間の長さは、前記第１波長と異なる第２波長の奇数倍に比例する、
付記８に記載の光半導体デバイス。
（付記１０）
前記第１の誘電体層と前記第１グラフェン層の間に、第１ゲート電極と第１絶縁膜がこの順で設けられている、
付記１から９のいずれかに記載の光半導体デバイス。
（付記１１）
前記第２の誘電体層と前記第２グラフェン層の間に、第２ゲート電極と第２絶縁膜がこの順に設けられる、
付記１から１０のいずれかに記載の光半導体デバイス。（請求項７；第２実施例）
（付記１２）
前記第１グラフェン層は、前記第１グラフェンリボンの周期的な配列を含む第１領域と、前記第１グラフェンリボンの前記周期的な配列を有しない第２領域とを有する、
付記１から１１のいずれかに記載の光半導体デバイス。
（付記１３）
前記第２グラフェン層は、前記第２グラフェンリボンの周期的な配列を含む第３領域と、前記第２グラフェンリボンの前記周期的な配列を有しない第４領域とを有する、
付記１から１２のいずれかに記載の光半導体デバイス。
（付記１４）
前記第１グラフェン層に接続される第１の電極対と、前記第２グラフェン層に接続される第２の電極対と、を有する
付記１から１３のいずれかに記載の光半導体デバイス。
（付記１）
金属層と、
前記金属層の上に設けられた第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の表面で第１の方向に延びる第１グラフェンリボンを含む第１グラフェン層と、
前記第１グラフェン層を覆う第２の誘電体層と、
前記第２の誘電体層の上で前記第１の方向と交わる第２の方向に延びる第２グラフェンリボン(152)を含む第２グラフェン層と、
前記第１の誘電体層の所定の深さに設けられ、前記第１グラフェンリボンと前記第２グラフェンリボンのいずれか一方と平行に延びるワイヤーグリッドと、
を有する光半導体デバイス。
（付記２）
前記ワイヤーグリッドは前記第１グラフェンリボンと平行に延び、
前記第１グラフェン層と前記第１の誘電体層と前記金属層で第１キャビティが形成される、
付記１に記載の光半導体デバイス。
（付記３）
前記第２グラフェンリボンは前記第１グラフェンリボンと直交する方向に延び、前記第２グラフェン層と前記ワイヤーグリッドの間に第２キャビティが形成されている、
付記２に記載の光半導体デバイス。
（付記４）
前記第１グラフェン層は、前記第１グラフェンリボンの周期構造を有し、
前記第１の誘電体層の厚さ(d1)は、前記第１グラフェンリボンの幅と周期で決まる第１波長の奇数倍に比例する、
付記２に記載の光半導体デバイス。
（付記５）
前記第２グラフェン層と前記ワイヤーグリッドの間の長さは、前記第１波長と異なる第２波長の奇数倍に比例する、
付記４に記載の光半導体デバイス。
（付記６）
前記ワイヤーグリッドは前記第２グラフェンリボンと平行に延び、
前記第１グラフェン層と前記ワイヤーグリッドの間に第１キャビティが形成される、
付記１に記載の光半導体デバイス。
（付記７）
前記第２グラフェンリボンは前記第１グラフェンリボンと直交する方向に延び、前記第２グラフェン層と前記金属層の間に第２キャビティが形成される、
付記６に記載の光半導体デバイス。
（付記８）
前記第１グラフェン層は、前記第１グラフェンリボンの周期構造を有し、
前記第第１グラフェン層と前記ワイヤーグリッドの間の長さは、前記第１グラフェンリボンの幅と周期で決まる第１波長の奇数倍に比例する、
付記６に記載の光半導体デバイス。
（付記９）
前記第２グラフェン層と前記金属層の間の長さは、前記第１波長と異なる第２波長の奇数倍に比例する、
付記８に記載の光半導体デバイス。
（付記１０）
前記第１の誘電体層と前記第１グラフェン層の間に、第１ゲート電極と第１絶縁膜がこの順で設けられている、
付記１から９のいずれかに記載の光半導体デバイス。
（付記１１）
前記第２の誘電体層と前記第２グラフェン層の間に、第２ゲート電極と第２絶縁膜がこの順に設けられる、
付記１から１０のいずれかに記載の光半導体デバイス。（請求項７；第２実施例）
（付記１２）
前記第１グラフェン層は、前記第１グラフェンリボンの周期的な配列を含む第１領域と、前記第１グラフェンリボンの前記周期的な配列を有しない第２領域とを有する、
付記１から１１のいずれかに記載の光半導体デバイス。
（付記１３）
前記第２グラフェン層は、前記第２グラフェンリボンの周期的な配列を含む第３領域と、前記第２グラフェンリボンの前記周期的な配列を有しない第４領域とを有する、
付記１から１２のいずれかに記載の光半導体デバイス。
（付記１４）
前記第１グラフェン層に接続される第１の電極対と、前記第２グラフェン層に接続される第２の電極対と、を有する
付記１から１３のいずれかに記載の光半導体デバイス。
【符号の説明】
【0065】
１０、１０－１、１０－２、２０、３０ 光半導体デバイス
１１ 金属層
１３ ワイヤーグリッド
１４ 第１の誘電体層
１５Ａ、３５Ａ 第１グラフェン層
１５Ｂ、３５Ｂ 第２グラフェン層
１６ 第２の誘電体層
１７、１８、１９、２１、３７、３８、３９，４１ 電極
２２ 第１ゲート電極
２３ 第１絶縁膜
２４ 第２ゲート電極
２５ 第２絶縁膜
２７、２８ ゲート電極用金属パッド
１００ 光半導体デバイスアレイ
１３１Ａ、１３２Ａ 第１キャビティ
１３１Ｂ、１３２Ｂ 第２キャビティ
１５１、３５１ 第１グラフェンリボン
１５２、３５２ 第２グラフェンリボン
３５３ 第１領域
３５４ 第２領域
３５５ 第３領域
３５６ 第４領域
１１ 金属層
１３ ワイヤーグリッド
１４ 第１の誘電体層
１５Ａ、３５Ａ 第１グラフェン層
１５Ｂ、３５Ｂ 第２グラフェン層
１６ 第２の誘電体層
１７、１８、１９、２１、３７、３８、３９，４１ 電極
２２ 第１ゲート電極
２３ 第１絶縁膜
２４ 第２ゲート電極
２５ 第２絶縁膜
２７、２８ ゲート電極用金属パッド
１００ 光半導体デバイスアレイ
１３１Ａ、１３２Ａ 第１キャビティ
１３１Ｂ、１３２Ｂ 第２キャビティ
１５１、３５１ 第１グラフェンリボン
１５２、３５２ 第２グラフェンリボン
３５３ 第１領域
３５４ 第２領域
３５５ 第３領域
３５６ 第４領域
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】