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特表2024-509637シリコン含有光学デバイス構造を有する遷移金属ジカルコゲナイドでコーティングされた平面光学デバイス
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-03-04
(54)【発明の名称】シリコン含有光学デバイス構造を有する遷移金属ジカルコゲナイドでコーティングされた平面光学デバイス
(51)【国際特許分類】
G02B 5/18 20060101AFI20240226BHJP
G02B 1/113 20150101ALN20240226BHJP
【ＦＩ】
G02B5/18
G02B1/113
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023560520
(86)(22)【出願日】2022-01-31
(85)【翻訳文提出日】2023-09-29
(86)【国際出願番号】 US2022014593
(87)【国際公開番号】W WO2022165356
(87)【国際公開日】2022-08-04
(31)【優先権主張番号】63/144,182
(32)【優先日】2021-02-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】390040660
【氏名又は名称】アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【住所又は居所原語表記】３０５０ Ｂｏｗｅｒｓ Ａｖｅｎｕｅ Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ ＣＡ ９５０５４ Ｕ．Ｓ．Ａ．
(74)【代理人】
【識別番号】110002077
【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】テオ， ラッセル チン イー
(72)【発明者】
【氏名】コノリー， ジェームス
(72)【発明者】
【氏名】チェン， チエン－アン
(72)【発明者】
【氏名】セバリョス， アンドリュー
(72)【発明者】
【氏名】ジアン， ジン
(72)【発明者】
【氏名】ヤン， ジェンハン
(72)【発明者】
【氏名】シュー， ヨンアン
【テーマコード（参考）】
2H249
2K009
【Ｆターム（参考）】
2H249AA04
2H249AA14
2H249AA44
2H249AA51
2H249AA64
2K009AA03
2K009AA12
2K009BB01
2K009CC02
2K009CC03
(57)【要約】
本明細書で説明される実施形態は、二硫化モリブデン（MoS2）、二硫化タングステン（WS2）、二セレン化タングステン（WSe2）、二セレン化モリブデン（MoSe2）、二テルル化モリブデン（MoTe2）、二硫化チタン（TiS2）、二硫化ジルコニウム（ZrS2）、二セレン化ジルコニウム（ZrSe2）、二硫化ハフニウム（HfS2）、二硫化プラチナ（PtS2）、二硫化錫（SnS2）、又はこれらの組み合わせからなる群から選択された１以上の単層を含むコーティング層を有する平面光学デバイスに関する。コーティング層は、光学デバイスの複数の光学デバイス構造の上に配置される。単層は、コーティング層を形成する材料間で交互になっていてもよいし、又は単一材料の均一なコーティング層であってもよい。コーティング層は、複数の光学デバイス構造の各光学デバイス構造の上に配置される。
【選択図】図２Ａ
【選択図】図２Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
デバイスであって、前記デバイスは、平面光学デバイスに入射する光を集束させるように動作可能な前記平面光学デバイスを備え、前記平面光学デバイスは、
基板の上面内又は上面上に配置された複数の光学デバイス構造、及び
前記複数の光学デバイス構造の各光学デバイス構造の上に配置されたコーティング層を含み、前記コーティング層は、
１以上の単層を含み、前記１以上の単層の各単層は、二硫化モリブデン（MoS2）、二硫化タングステン（WS2）、二セレン化タングステン（WSe2）、二セレン化モリブデン（MoSe2）、二テルル化モリブデン（MoTe2）、二硫化チタン（TiS2）、二硫化ジルコニウム（ZrS2）、二セレン化ジルコニウム（ZrSe2）、二硫化ハフニウム（HfS2）、二硫化プラチナ（PtS2）、二硫化錫（SnS2）、又はこれらの組み合わせからなる群から選択された組成物を有する、デバイス。
【請求項2】
前記平面光学デバイスは、前記コーティング層の上に配置されたキャッピング層を更に含み、前記キャッピング層は、酸化アルミニウム（Al2O3）、酸化チタン（TiO）、酸化タンタル（TaO）、窒化ケイ素（Si3N4）、二酸化ケイ素（SiO2）、窒化チタン（ＴｉＮ）、二酸化チタン（TiO2）、酸炭化ケイ素（SiOC）、炭化ケイ素（SiC）、又はこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項3】
前記複数の光学デバイス構造は、前記複数の光学デバイス構造の断面の幅又は直径に対応する１ミクロン未満の限界寸法を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項4】
前記１以上の単層の各単層の組成物は同じである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項5】
前記１以上の単層の隣接する単層は、第１の組成物と第２の組成物との間で交互になっており、前記第１の組成物と前記第２の組成物とは、互いに異なり、MoS2、WS2、WSe2、MoSe2、MoTe2、TiS2、ZrS2、ZrSe2、HfS2、PtS2、SnS2、又はこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項6】
前記１以上の単層の隣接する単層は、第１の組成物と、第２の組成物と、第３の組成物との間で交互になっており、前記第１の組成物と、前記第２の組成物と、前記第３の組成物とは、互いに異なり、MoS2、WS2、WSe2、MoSe2、MoTe2、TiS2、ZrS2、ZrSe2、HfS2、PtS2、SnS2、又はこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項7】
前記１以上の単層は、非結晶格子を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項8】
前記コーティング層は、前記基板の前記上面、各光学デバイス構造の側壁、及び各光学デバイス構造の頂面上に配置される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項9】
前記コーティング層は、各光学デバイス構造の側壁及び各光学デバイス構造の頂面上に配置され、前記基板の前記上面は、コーティングされないままである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項10】
前記コーティング層は、各光学デバイス構造の側壁上に配置され、前記基板の前記上面及び各光学デバイス構造の頂面は、コーティングされないままである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項11】
前記コーティング層は、前記基板の前記上面及び各光学デバイス構造の側壁上に配置され、各光学デバイス構造の頂面は、コーティングされないままである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項12】
前記コーティング層は、各光学デバイス構造の頂面上に配置され、各光学デバイス構造の側壁及び前記基板の前記上面は、コーティングされないままである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項13】
前記平面光学デバイスは、メタサーフェスである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項14】
デバイスであって、前記デバイスは、平面光学デバイスに入射する光を集束させるように動作可能な前記平面光学デバイスを備え、前記平面光学デバイスは、メタサーフェスであり、前記平面光学デバイスは、
基板の上面内又は上面上に配置された複数の光学デバイス構造であって、１ミクロン未満の限界寸法を有する複数の光学デバイス構造、及び
前記複数の光学デバイス構造の各光学デバイス構造の上に配置されたコーティング層を含み、前記コーティング層は、
１以上の単層を含み、前記１以上の単層の各単層は、二硫化モリブデン（MoS2）、二硫化タングステン（WS2）、二セレン化タングステン（WSe2）、二セレン化モリブデン（MoSe2）、二テルル化モリブデン（MoTe2）、二硫化チタン（TiS2）、二硫化ジルコニウム（ZrS2）、二セレン化ジルコニウム（ZrSe2）、二硫化ハフニウム（HfS2）、二硫化プラチナ（PtS2）、二硫化錫（SnS2）、又はこれらの組み合わせからなる群から選択された組成物を有する、デバイス。
【請求項15】
前記１以上の単層の各単層の組成物は同じである。請求項１４に記載のデバイス。
【請求項16】
前記１以上の単層の隣接する単層は、第１の組成物と第２の組成物との間で交互になっており、前記第１の組成物と前記第２の組成物とは、互いに異なり、MoS2、WS2、WSe2、MoSe2、MoTe2、TiS2、ZrS2、ZrSe2、HfS2、PtS2、SnS2、又はこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項17】
前記平面光学デバイスは、メタサーフェスである、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項18】
デバイスであって、前記デバイスは、カメラ、並びに
平面光学デバイスに入射する光を前記カメラに集束させるように動作可能な前記平面光学デバイスを備え、前記平面光学デバイスは、メタサーフェスであり、前記平面光学デバイスは、
基板の上面内又は上面上に配置された複数の光学デバイス構造、及び
前記複数の光学デバイス構造の各光学デバイス構造の上に配置されたコーティング層を含み、前記コーティング層は、
１以上の単層を含み、前記１以上の単層の各単層は、二硫化モリブデン（MoS2）、二硫化タングステン（WS2）、二セレン化タングステン（WSe2）、二セレン化モリブデン（MoSe2）、二テルル化モリブデン（MoTe2）、二硫化チタン（TiS2）、二硫化ジルコニウム（ZrS2）、二セレン化ジルコニウム（ZrSe2）、二硫化ハフニウム（HfS2）、二硫化プラチナ（PtS2）、二硫化錫（SnS2）、又はこれらの組み合わせからなる群から選択された組成物を有する、デバイス。
【請求項19】
前記平面光学デバイスは、前記コーティング層の上に配置されたキャッピング層を更に含み、前記キャッピング層は、酸化アルミニウム（Al2O3）、酸化チタン（TiO）、酸化タンタル（TaO）、窒化ケイ素（Si3N4）、二酸化ケイ素（SiO2）、窒化チタン（ＴｉＮ）、二酸化チタン（TiO2）、酸炭化ケイ素（SiOC）、炭化ケイ素（SiC）、又はこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項20】
前記平面光学デバイスは、メタサーフェスである、請求項１８に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
[0001] 本開示の実施形態は、広くは、平面光学デバイス（flat optical device）に関する。特に、本明細書で説明される実施形態は、二硫化モリブデン（MoS2）、二硫化タングステン（WS2）、二セレン化タングステン（WSe2）、二セレン化モリブデン（MoSe2）、二テルル化モリブデン（MoTe2）、二硫化チタン（TiS2）、二硫化ジルコニウム（ZrS2）、二セレン化ジルコニウム（ZrSe2）、二硫化ハフニウム（HfS2）、二硫化プラチナ（PtS2）、二硫化錫（SnS2）、又はこれらの組み合わせからなる群から選択された１以上の単層を含むコーティング層を有する平面光学デバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
[0002] 平面光学デバイスは、面内寸法が光の設計波長の半分より小さく、面外寸法が設計波長のオーダーであるか又は設計波長より大きい、光学デバイス構造の配置を含む。例えば、光学デバイス構造は、サブミクロンの寸法、例えばナノサイズの寸法を有することがある。メタサーフェスのような平面光学デバイスは、単一の層で構成されることもあれば、光学デバイス構造の複数の層で構成されることもある。
【0003】
[0003] 光学デバイス構造にコーティングを施すことで、光の吸収と屈折が可能になる。例えば、ゲルマニウム（Ge）などの半導体材料は、光を吸収したり屈折させたりすることができる。しかし、これらの材料は、乏しいエッチング選択性とクロス汚染に起因して、平面光学デバイスの光学デバイス構造との統合が困難である。また、グラフェンなどの他の材料はバンドギャップを持たず、フェルミエネルギー準位の変化によって光吸収能力が影響を受ける。したがって、改善された光学デバイス構造とそのためのコーティングが、当該技術分野で必要とされている。
【発明の概要】
【0004】
[0004] 一実施形態では、デバイスが提供される。デバイスは、平面光学デバイスを含む。平面光学デバイスは、平面光学デバイスに入射する光を集束させるように動作可能である。平面光学デバイスは、基板の上面内又は上面上に配置された複数の光学デバイス構造を含む。平面光学デバイスは、複数の光学デバイス構造の各光学デバイス構造の上に配置されたコーティング層を更に含む。コーティング層は、１以上の単層を含む。１以上の単層の各単層は、二硫化モリブデン（MoS2）、二硫化タングステン（WS2）、二セレン化タングステン（WSe2）、二セレン化モリブデン（MoSe2）、二テルル化モリブデン（MoTe2）、二硫化チタン（TiS2）、二硫化ジルコニウム（ZrS2）、二セレン化ジルコニウム（ZrSe2）、二硫化ハフニウム（HfS2）、二硫化プラチナ（PtS2）、二硫化錫（SnS2）、又はこれらの組み合わせからなる群から選択された組成物を有する。
【0005】
[0005] 別の一実施形態では、デバイスが提供される。デバイスは、平面光学デバイスを含む。平面光学デバイスは、平面光学デバイスに入射する光を集束させるように動作可能である。平面光学デバイスは、メタサーフェスである。平面光学デバイスは、基板の上面内又は上面上に配置された複数の光学デバイス構造を含む。複数の光学デバイス構造は、１ミクロン未満の限界寸法を有する。平面光学デバイスは、複数の光学デバイス構造の各光学デバイス構造の上に配置されたコーティング層を更に含む。コーティング層は、１以上の単層を含む。１以上の単層の各単層は、二硫化モリブデン（MoS2）、二硫化タングステン（WS2）、二セレン化タングステン（WSe2）、二セレン化モリブデン（MoSe2）、二テルル化モリブデン（MoTe2）、二硫化チタン（TiS2）、二硫化ジルコニウム（ZrS2）、二セレン化ジルコニウム（ZrSe2）、二硫化ハフニウム（HfS2）、二硫化プラチナ（PtS2）、二硫化錫（SnS2）、又はこれらの組み合わせからなる群から選択された組成物を有する。
【0006】
[0006] 別の一実施形態では、デバイスが提供される。デバイスは、カメラを含む。デバイスは、平面光学デバイスを含む。平面光学デバイスは、平面光学デバイスに入射する光をカメラに集束させるように動作可能である。平面光学デバイスは、メタサーフェスである。平面光学デバイスは、基板の上面内又は上面上に配置された複数の光学デバイス構造を含む。平面光学デバイスは、複数の光学デバイス構造の各光学デバイス構造の上に配置されたコーティング層を更に含む。コーティング層は、１以上の単層を含む。１以上の単層の各単層は、二硫化モリブデン（MoS2）、二硫化タングステン（WS2）、二セレン化タングステン（WSe2）、二セレン化モリブデン（MoSe2）、二テルル化モリブデン（MoTe2）、二硫化チタン（TiS2）、二硫化ジルコニウム（ZrS2）、二セレン化ジルコニウム（ZrSe2）、二硫化ハフニウム（HfS2）、二硫化プラチナ（PtS2）、二硫化錫（SnS2）、又はこれらの組み合わせからなる群から選択された組成物を有する。
【0007】
[0007] 上述した本開示の特徴を詳細に理解できるように、一部が添付の図面に例示されている実施形態を参照しながら、上記に短く要約した本開示をより具体的に説明する。しかし、添付図面は例示的な実施形態を示しているに過ぎず、したがって、本開示の範囲を限定すると見なすべきではなく、その他の等しく有効な実施形態も許容され得ることに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1A】[0008] 複数の実施形態によるデバイスの概略前面図である。
【図1B】[0009] 複数の実施形態による１以上の光学デバイス構造を有する平面光学デバイスの概略上面図である。
【図1C】[0010] 複数の実施形態による１以上の光学デバイス構造を有する平面光学デバイスの概略断面図である。
【図3】[0012] 複数の実施形態によるコーティング層の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
[0014] 理解を容易にするために、可能な場合には、図面に共通する同一の要素を指し示すのに同一の参照番号が使用された。一実施形態の要素及び特徴は、追加の記述がなくても、他の複数の実施形態に有益に組み込むことができると考えられている。
【0010】
[0015] 本開示の実施形態は、広くは、平面光学デバイスに関する。特に、本明細書で説明される実施形態は、二硫化モリブデン（MoS2）、二硫化タングステン（WS2）、二セレン化タングステン（WSe2）、二セレン化モリブデン（MoSe2）、二テルル化モリブデン（MoTe2）、二硫化チタン（TiS2）、二硫化ジルコニウム（ZrS2）、二セレン化ジルコニウム（ZrSe2）、二硫化ハフニウム（HfS2）、二硫化プラチナ（PtS2）、二硫化錫（SnS2）、又はこれらの組み合わせからなる群から選択された１以上の単層を含むコーティング層を有する平面光学デバイスに関する。一実施形態では、平面光学デバイスが提供される。平面光学デバイスは、基板の上面内又は上面上に配置された複数の光学デバイス構造を含む。平面光学デバイスは、複数の光学デバイス構造の各光学デバイス構造の上に配置されたコーティング層を更に含む。コーティング層は、１以上の単層を含む。
【0011】
[0016] 図１Ａは、複数の実施形態によるデバイス１０５の概略前面図である。デバイス１０５は、携帯電話（例えば、スマートフォン）であってよい。この実施形態では、デバイス１０５が、前面カメラ１０１、スピーカ１０９、及びディスプレイ１０７を含む。前面カメラ１０１は、平面光学デバイス１００を含む。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る一実施形態では、光学デバイス１００がメタサーフェスである。前面カメラ１０１の平面光学デバイス１００は、生体認証又は顔認識センサとして動作するように構成されている。平面光学デバイス１００は、平面光学デバイス１００に入射する光を前面カメラ１０１に集束させるように動作可能な複数の光学デバイス構造（図１Ｂ及び図１Ｃで示されている）を含む。
【0012】
[0017] 図１Ｂは、本明細書で説明される複数の実施形態による１以上の光学デバイス構造１０２を有する平面光学デバイス１００の一部分１１５の概略上面図であり、図１Ｃは概略断面図である。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る一実施形態では、平面光学デバイス１００が、メタサーフェスなどの平面光学デバイスである。
【0013】
[0018] 本明細書で説明される複数の実施形態は、基板１０４の上面１０３内又は上面１０３上に配置された複数の光学デバイス構造１０２を含むような平面光学デバイス１００を提供する。複数の光学デバイス構造１０２は、サブミクロンの寸法、例えばナノサイズの寸法を有するナノ構造である。複数の光学デバイス構造１０２は、側壁１１２及び頂面１１４を含む。複数の光学デバイス構造１０２は、限界寸法１０６、例えば光学デバイス構造１０２の幅又は直径のうちの一方を有する。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされてよい一実施形態では、限界寸法１０６が、１マイクロメートル（μm）未満であり、光学デバイス構造１０２の断面に応じて、光学デバイス構造１０２の幅又は直径に対応する。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされてよい別の一実施形態では、限界寸法１０６が、約１００ナノメートル（nm）から約１０００（nm）である。
【0014】
[0019] 図１Ｂ及び図１Ｃは、光学デバイス構造１０２を円形断面として描いているが、光学デバイス構造１０２の断面は、非限定的に、矩形、三角形、楕円形、正多角形、不規則多角形、又は不規則形状の断面を含む、他の形状を有してよい。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る幾つかの実施形態では、平面光学デバイス１００の光学デバイス構造１０２の断面が、異なる形状の断面を有する。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る他の複数の実施形態では、平面光学デバイス１００の光学デバイス構造１０２の断面が、実質的に同じ形状の断面を有する。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る幾つかの実施形態では、光学デバイス構造１０２の限界寸法１０６のうちの少なくとも１つが、光学デバイス構造１０２の他の限界寸法１０６とは異なってよい。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る他の複数の実施形態では、光学デバイス構造１０２の限界寸法１０６が同じである。
【0015】
[0020] 間隙１０８が、光学デバイス構造１０２の各々の間に配置される。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る幾つかの実施形態では、光学デバイス構造１０２を取り囲む１以上の間隙１０８が、別の光学デバイス構造１０２を取り囲む１以上の他の間隙１０８に等しいか又は実質的に等しい。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る幾つかの実施形態では、光学デバイス構造１０２を取り囲む間隙１０８の１以上が、別の光学デバイス構造１０２を取り囲む１以上の他の間隙１０８とは異なる。
【0016】
[0021] 基板１０４は、基板１０４が所望の波長又は波長範囲の光を適切に透過することができ、本明細書で説明される平面光学デバイス１００用の適切な支持体として働くことができるという条件で、任意の適切な材料から形成されてよい。基板の選択は、非限定的に、非晶質誘電体（amorphous dielectric）、非晶質でない誘電体（non-amorphous dielectric）、結晶性誘電体、酸化ケイ素、ポリマー、及びこれらの組み合わせを含む、任意の適切な材料の基板を含んでよい。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされてよい幾つかの実施形態では、基板１０４が透明な材料を含む。適切な例には、酸化物、硫化物、リン化物、テルル化物、又はこれらの組み合わせが含まれてよい。一実施例では、基板１０４が、シリコン（Si）、二酸化ケイ素（SiO2）、ゲルマニウム（Ge）、シリコンゲルマニウム（SiGe）、InP、GaAs、GaN、溶融シリカ、石英、サファイア、及び高屈折率ガラスなどの高指数の透明な材料（high-index transparent material）を含む。
【0017】
[0022] 本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされてよい一実施形態では、光学デバイス構造１０２の材料が、誘電材料などの非導電性材料を含む。誘電材料には、非晶質誘電体及び結晶性誘電体が含まれてよい。誘電材料の複数の例には、非限定的に、シリコン（Si）、窒化ケイ素（Si3N4）、酸窒化ケイ素、及び二酸化ケイ素（SiO2）などの、シリコン含有材料が含まれる。本明細書で説明される他の複数の実施形態と組み合わされ得る一実施形態では、光学デバイス構造１０２が、ナノインプリントリソグラフィ（NIL）によって形成されてよい。シリコン含有材料を含む光学デバイス構造１０２は透明である。
【0018】
[0023] コーティング層１１６が、複数の光学デバイス構造１０２の上に配置される。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る一実施形態では、コーティング層１１６が、複数の光学デバイス構造１０２に対して共形である。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る別の一実施形態では、コーティング層１１６が、複数の光学デバイス構造１０２に対して共形でない。コーティング層１１６は、層厚１１８を含む。層厚１１８は、約０．５nmから約７５nmの間である。例えば、層厚１１８は、約５．５nmから約７０nmの間、約１０．５nmから約６５nmの間、約１５．５nmから約６０nmの間、約２０．５nmから約５５nmの間、約２５．５nmから約５０nmの間、約３０．５nmから約４５nmの間、及び約３５．５nmから約４０nmの間である。コーティング層１１６は、光子放出効率（photon emission efficiency）を向上させ、したがって、平面光学デバイス１００の限界寸法１０６と厚さを低減させる。これは、平面光学デバイス１００の物理的な設置面積を小さくするのに役立つ。光子放出効率は、コーティング層１１６が複数の高間接バンドギャップ（high indirect band gap）を有することに起因して改善される。複数の高間接バンドギャップは、フェルミエネルギー準位の変化に影響されない光吸収能力を可能にする。
【0019】
[0024] コーティング層１１６は、図３で示されているように、一連の単層３０６を含む。一連の単層３０６は、複数の遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）単層である。コーティング層１１６は、二硫化モリブデン（MoS2）、二硫化タングステン（WS2）、二セレン化タングステン（WSe2）、二セレン化モリブデン（MoSe2）、二テルル化モリブデン（MoTe2）、二硫化チタン（TiS2）、二硫化ジルコニウム（ZrS2）、二セレン化ジルコニウム（ZrSe2）、二硫化ハフニウム（HfS2）、二硫化プラチナ（PtS2）、二硫化錫（SnS2）、又はこれらの組み合わせからなる群から選択された組成物を有する。コーティング層１１６は、単結晶格子、多結晶格子、又は非結晶格子（amorphous lattice）のうちの１つを有する。単結晶格子、多結晶格子、又は非結晶格子は、化学気相堆積（CVD）、流動性CVD（FCVD）、物理的気相堆積（PVD）、原子層堆積（ALD）、マルチビームエピタキシー（MBE）、イオンビーム支援堆積（IBAD）、エピタキシー、スピンオングラス（SoG）、イオンビーム堆積（IBD）、又はスピンオンコート（SoC）プロセスのうちの１以上によって提供されてよい。
【0020】
[0025] 図１Ｃで示されているように、光ビーム１１０が平面光学デバイス１００に入射する。各隣接する光学デバイス構造１０２の間の間隙１０８は、基板１０４、間隙１０８、及び光学デバイス構造１０２が透過性であるため、光線１１０が基板１０４、間隙１０８、及び光学デバイス構造１０２を通って伝搬することを可能にする。基板１０４、間隙１０８、及び光学デバイス構造１０２は、光線１１０を屈折させ、光線１１０の進行速度、ならびに光線１１０の進行方向を変化させる。
【0021】
[0026] 図２Ａ～図２Ｅは、平面光学デバイス１００のユニットセル２０１の構成２０１Ａ～２０１Ｅの概略斜視図である。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る一実施形態では、ユニットセル２０１が、平面光学デバイス１００の基板１０４の一部又は全表面に対応してよい。
【0022】
[0027］ ユニットセル２０１の構成２０１Ａ～２０１Ｅの各々は、コーティング層１１６の上に配置されたキャッピング層２０２を含んでよい。キャッピング層２０２は、酸化アルミニウム（Al2O3）、酸化チタン（TiO）、酸化タンタル（TaO）、窒化ケイ素（Si3N4）、二酸化ケイ素（SiO2）、窒化チタン（ＴｉＮ）、二酸化チタン（TiO2）、酸炭化ケイ素（SiOC）、炭化ケイ素（SiC）、又はこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む。キャッピング層２０２はまた、SiCONH、SiCOH、又はこれらの組み合わせなどの、低誘電率（low-k）、極低誘電率、及び超低誘電率の誘電材料を含むこともできる。キャッピング層２０２は、キャッピング層厚２０４を有する。キャッピング層厚２０４は、約１nmから約６０nmの間である。例えば、キャッピング層厚２０４は、約５nmから約５５nmの間、約１０nmから約５５nmの間、約１５nmから約５０nmの間、約２０nmから約４５nmの間、約２５nmから約４０nmの間、及び約３０nmから約３５nmの間である。キャッピング層２０２は、コーティング層１１６をパターニングプロセス中及び／又は平面光学デバイス１００の使用中の腐食若しくは劣化から保護する。更に、キャッピング層２０２は、コーティング層１１６を光学デバイス構造１０２に閉じ込める。キャッピング層２０２は、パターニングプロセス中にエッチング停止層として働いてよい。更に、キャッピング層２０２は、光学デバイス構造１０２のパターニング中のパターニング終点検出に役立つ。
【0023】
[0028] 図２Ａで示されているように、ユニットセル２０１の第１の構成２０１Ａは、基板１０４の上面１０３と、複数の光学デバイス構造１０２の側壁１１２と、複数の光学デバイス構造１０２の頂面１１４との上に配置されたコーティング層１１６を有する。キャッピング層２０２は、コーティング層１１６の上に配置される。
【0024】
[0029] 図２Ｂで示されているように、ユニットセル２０１の第２の構成２０１Ｂは、複数の光学デバイス構造１０２の側壁１１２及び複数の光学デバイス構造１０２の頂面１１４上に配置されたコーティング層１１６を有する。キャッピング層２０２は、複数の光学デバイス構造１０２の側壁１１２及び複数の光学デバイス構造１０２の頂面１１４上に配置される。基板１０４の上面１０３は、露出している。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る一実施形態では、コーティング層１１６とキャッピング層２０２が、複数の光学デバイス構造１０２の側壁１１２及び複数の光学デバイス構造１０２の頂面１１４の上に選択的に堆積され得る。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る別の一実施形態では、基板１０４の上面１０３上に配置されたコーティング層１１６及びキャッピング層２０２がエッチングされ得る。
【0025】
[0030] 図２Ｃで示されているように、ユニットセル２０１の第３の構成２０１Ｃは、複数の光学デバイス構造１０２の側壁１１２上に配置されたコーティング層１１６を有する。キャッピング層２０２は、複数の光デバイス構造１０２の側壁１１２上に配置される。基板１０４の上面１０３は、露出している。複数の光学デバイス構造１０２の各光学デバイス構造１０２の頂面１１４は、露出している。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る一実施形態では、コーティング層１１６とキャッピング層２０２が、複数の光学デバイス構造１０２の側壁１１２の上に選択的に堆積され得る。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る別の一実施形態では、基板１０４の上面１０３及び複数の光学デバイス構造１０２の頂面１１４上に配置されたコーティング層１１６及びキャッピング層２０２がエッチングされ得る。
【0026】
[0031] 図２Ｄで示されているように、ユニットセル２０１の第４の構成２０１Ｄは、複数の光学デバイス構造１０２の側壁１１２及び基板１０４の上面１０３上に配置されたコーティング層１１６を有する。キャッピング層２０２は、複数の光学デバイス構造１０２の側壁１１２及び基板１０４の上面１０３上に配置される。複数の光学デバイス構造１０２の各光学デバイス構造１０２の頂面１１４は、露出している。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る一実施形態では、コーティング層１１６とキャッピング層２０２が、複数の光学デバイス構造１０２の側壁１１２及び基板１０４の上面１０３の上に選択的に堆積され得る。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る別の一実施形態では、複数の光学デバイス構造１０２の頂面１１４上に配置されたコーティング層１１６及びキャッピング層２０２がエッチングされ得る。
【0027】
[0032] 図２Ｅで示されているように、ユニットセル２０１の第５の構成２０１Ｅは、複数の光学デバイス構造１０２の各光学デバイス構造１０２の頂面１１４上に配置されたコーティング層１１６を有する。キャッピング層２０２は、複数の光学デバイス構造１０２の各光学デバイス構造１０２の頂面１１４上に配置される。複数の光学デバイス構造１０２の各光学デバイス構造１０２側壁１１２は、露出している。基板１０４の上面１０３は、露出している。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る一実施形態では、コーティング層１１６とキャッピング層２０２が、複数の光学デバイス構造１０２の各光学デバイス構造１０２の頂面１１４の上に選択的に堆積され得る。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る別の一実施形態では、複数の光学デバイス構造１０２の側壁１１２及び基板１０４の上面１０３上に配置されたコーティング層１１６及びキャッピング層２０２がエッチングされ得る。
【0028】
[0033] ユニットセル２０１の構成２０１Ａ～２０１Ｅの各々は、複数の光学デバイス構造１０２の側壁１１２及び複数の光学デバイス構造１０２の頂面１１４の上に選択的に配置されたコーティング層１１６とキャッピング層２０２を含んでよい。構成２０１Ａ～２０１Ｅを形成するために、コーティング層１１６とキャッピング層２０２の１以上の共形層が堆積される。コーティング層１１６とキャッピング層２０２の１以上の更なる層は、光学デバイス構造１０２をパターニングした後で堆積される。次いで、構成２０１Ａ～２０１Ｅを形成するために、コーティング層１１６とキャッピング層２０２が、選択的にエッチングされる。
【0029】
[0034] 図３は、コーティング層１１６の概略断面図である。コーティング１１６は、光学デバイス構造１０２の頂面１１４上に配置される。コーティング層１１６は、上面３０４及び層厚１１８を有する。コーティング層１１６の層厚１１８は、層厚１１８の０％に対応する頂面１１４から層厚１１８の１００％に対応する上面３０４まで測定された一連の単層３０６に分割される。一連の単層３０６の各単層３０２は、別々に堆積させることができる。コーティング層１１６の一連の単層３０６の各単層３０２は、CVD、FCVD、PVD、ALD、MBE、IBAD、エピタキシー、SoG、IBD、又はSoCプロセスのうちの１以上によって堆積される。
【0030】
[0035] 図３では６枚の単層３０２しか示されていないが、一連の単層３０６は、約１枚と約１００枚の間の単層３０２を含み得る。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る一実施形態では、一連の単層３０６が、約２枚と約８枚の間の単層３０２を含み得る。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る一実施形態では、各単層３０２が、光学デバイス構造１０２に対して共形である。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る別の一実施形態では、コーティング層１１６が、光学デバイス構造に対して共形でない。
【0031】
[0036］ 一連の単層３０６の各単層３０２は、MoS2、WS2、WSe2、MoSe2、MoTe2、TiS2、ZrS2、ZrSe2、HfS2、PtS2、SnS2、又はこれらの組み合わせからなる群から選択された組成物を有する。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る一実施形態では、一連の単層３０６の各単層３０２の組成物が同じ材料である。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る別の一実施形態では、一連の単層３０６の隣接する単層３０２が、第１の組成物と第２の組成物との間で交互になっている。第１の組成物と第２の組成物は、互いに異なる。第１の組成物と第２の組成物は、コーティング層１１６の層厚１１８の全体を通して順次堆積される。それによって、第１の組成物と第２の組成物は、一連の単層３０６内で交互になる。単層３０２は、所定の層厚１１８に達するまで堆積される。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る更に別の一実施形態では、コーティング層１１６を形成するために、第３の組成物が、第１の組成物及び第２の組成物と交互になり得る。第１の組成物、第２の組成物、及び第３の組成物は、互いに異なる。第１の組成物、第２の組成物、及び第３の組成物は、MoS2、WS2、WSe2、MoSe2、MoTe2、TiS2、ZrS2、ZrSe2、HfS2、PtS2、SnS2、又はこれらの組み合わせからなる群から選択される。
【0032】
[0037] 一連の単層３０６は、複数の高間接バンドギャップを有する。平面光学デバイス１００の性能を向上させるために、高間接バンドギャップを有する組成物を有する材料が利用される。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る一実施形態では、コーティング層１１６のバンドギャップが、約０．３eVと約２．３eVの間である。光学デバイス構造１０２のバンドギャップは、コーティング層１１６のバンドギャップよりも小さい。コーティング層１１６は、高間接バンドギャップを有し、したがって、平面光学デバイス１００の限界寸法１０６と厚さを低減させる。これにより、小ピッチ且つ薄型のCNOS（Si）デバイスとの直接集積化が可能になる。厚さが低下することにより、コーティング層１１６の表面粗さの散乱が制限され、コーティング層１１６がラインエッジの粗さやライン幅の粗さを受けにくくなり、したがって、エッチング中のコントラストが向上する。
【0033】
[0038] 一連の単層３０６はまた、複数の光学デバイス構造１０２の移動度よりも高い移動度を含む。コーティング層１１６のより高い移動度は、平面光学デバイス１００の性能を向上させる。より高い電界でも移動度が低下しないので、平面光学デバイス１００は、平面光学デバイス１００の性能を向上させるために、複数の色を検出するように動作可能である。更に、コーティング層１１６の移動度により、高度なノード内接続（例えば、相補型金属酸化膜半導体（CMOS）内接続）が可能になる。WSe2単層の移動度は、約２５０cm2／Vsである。MoS2単層の移動度は、約３０cm2／Vsと約５０cm2／Vsの間である。WS2単層の移動度は、約１５０cm2／Vsと約２００cm2／Vsの間である。
【0034】
[0039] 上述されたような組成物を有する一連の単層３０６により、複数の光学デバイス構造１０２は、広帯域撮像波長において低光損失で光線１１０（図１Ｃで示されている）を導くことが可能でありながら、透明を維持することができる。一連の単層３０６は、光線１１０（図１Ｃで示されている）を吸収し、屈折させるように動作可能である。したがって、平面光学デバイス１００は、光検出に使用されてよい。一連の単層３０６により、平面光学デバイス１００の光子放出効率が向上する。更に、一連の単層３０６により、広帯域通信波長での光線の誘導が可能になる。コーティング層の組成物が、高いポッケルス効果を示すので、平面光学デバイス１００は、改善された光検出能力及び改善された画像処理能力を有する。
【0035】
[0040］ キャッピング層２０２は、コーティング層１１６の上面３０４の上に配置されてよい。キャッピング層２０２は、Al2O3、TiO、TaO、Si3N4、SiO2、ＴｉＮ、TiO2、SiOC、SiC、又はこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む。キャッピング層２０２はまた、SiCONH、SiCOH、又はこれらの組み合わせなどの、低誘電率（low-k）、極低誘電率、及び超低誘電率の誘電材料を含むこともできる。
【0036】
[0041] 図４は、１以上のユニットセル２０１を有する平面光学デバイス１００を形成する方法４００のフロー図である。動作４０１では、コーティング層１１６が、複数の光学デバイス構造１０２の上に堆積される。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る一実施形態では、一連の単層３０６を含むコーティング層１１６が、複数の光学デバイス構造１０２上に選択的に堆積される。コーティング層１１６は、CVD、FCVD、PVD、ALD、MBE、IBAD、エピタキシー、SoG、IBD、又はSoCプロセスのうちの１以上によって堆積される。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る別の一実施形態では、一連の単層３０６を含むコーティング層１１６が堆積され、次いで、エッチングされる。コーティング層１１６は、イオンビームエッチング、反応性イオンエッチング、電子ビーム（e-beam）エッチング、ウェットエッチング、又はこれらの組み合わせのうちの１つによってエッチングされ得る。
【0037】
[0042] 動作４０２では、キャッピング層２０２がコーティング層１１６の上に堆積される。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る一実施形態では、キャッピング層２０２が、コーティング層１１６上に選択的に堆積される。コーティング層２０２は、CVD、FCVD、PVD、ALD、MBE、IBAD、エピタキシー、SoG、IBD、又はSoCプロセスのうちの１以上によって堆積される。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る別の一実施形態では、キャッピング層２０２が堆積され、次いで、エッチングされる。キャッピング層２０２は、イオンビームエッチング、反応性イオンエッチング、電子ビーム（e-beam）エッチング、ウェットエッチング、又はこれらの組み合わせのうちの１つによってエッチングされ得る。
【0038】
[0043] 要約すると、MoS2、WS2、WSe2、MoSe2、MoTe2、TiS2、ZrS2、ZrSe2、HfS2、PtS2、SnS2、又はこれらの組み合わせからなる群から選択された１以上の単層を含むコーティング層を有する光学デバイスが、本明細書で開示される。コーティング層は、光学デバイスの複数の光学デバイス構造の上に配置される。一連の単層が、コーティング層を形成する。単層は、コーティング層を形成する材料間で交互になっていてもよいし、又は単一材料の均一なコーティング層であってもよい。コーティング層は、平面光学デバイスのバンドギャップを改善し、平面光学デバイスが効率的な光子放出能力で光を吸収し、回折することを可能にするために、複数の光学デバイス構造の各光学デバイス構造の上に配置される。
【0039】
[0044] 以上の記述は、本開示の実施例を対象としているが、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく、本開示の他の実施例及び更なる実施例が考案されてよく、本開示の範囲は、下記の特許請求の範囲によって規定される。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図3】
【図4】
【国際調査報告】