成果報告書詳細
管理番号20130000000754
タイトル平成21年度-平成24年度成果報告書 ナノテク・先端部材実用化研究開発 ナノホール ダイポール・アンテナを用いた赤外線放射および受信素子の研究開発
公開日2013/10/19
報告書年度2009 - 2012
委託先名独立行政法人物質・材料研究機構 国立大学法人大阪大学 豊田合成株式会社 株式会社豊田中央研究所
プロジェクト番号P05023
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約車のアクティブ・セーフティ技術としての超小型・低コストレーザレーダ、および、夜間歩行者事故防止をねらった距離検出機能付遠赤外線カメラをねらいとし、A. 「屈折率制御型ナノホール・アンテナを用いた赤外線走査素子の開発」と、B. 「直接検波型ナノダイポール・アンテナを用いた赤外線受信素子の開発」の技術開発を進めた。
A. 「屈折率制御型ナノホール・アンテナを用いた赤外線走査素子の開発」
(1) プラズモン現象を設計に取込み、ナノホールのビーム走査素子の設計法を確立した。ナノホールの形状を変え、4 度までビーム走査が可能であった。(2) 電子線リソグラフィを用いた試作に取り組み、レジストの厚膜化やAlとSiO2膜のエッチング条件の調整によって、寸法精度が±5%以内、テーパ角度が5 °以下、エッチング時間が2時間以内と、高精度かつ短時間でのナノ加工技術を構築した。(3) 次に、高精度の赤外顕微システムを構築し、微小エリアを透過するレーザ光の走査角度と位相情報を得ることに成功した。設計通りのビーム走査角度であることを確認した。(4) さらに、ナノホール内へ液晶の充填を進め、液晶の配向制御による透過率変調と位相変調を確認し、ビーム走査の原理を確認した。今後も、これらの確立した技術を活用し、小型・低コストのセンシングデバイスの実用化を進めていく。
B. 「直接検波型ナノダイポール・アンテナを用いた赤外線受信素子の開発」
(1) シミュレーションによる、遠赤外線(30THz、10.6μm波長)受信効率の高いダイポール・アンテナ設計手法を確立した。(2) 電子線リソグラフィによる最小加工寸法:70nm、位置あわせ寸法:80nmの2層金属積層素子製作技術を確立した。(3) ALD(原子層堆積法)による2nmのアルミナ酸化膜厚制御技術を確立した。(4) これらの技術により、MIMトンネルダイオードのIV特性の2階微分値は、世界トップの2.5mA/V2を達成した。この値から推定される受信感度は0.07A/Wであり、同様のレクテナ方式による従来の感度0.003A/Wを大きく上回る。(5) CO2レーザ(10.6μm)及び赤外線分光光源からの光を微小電流信号として検出できる実験方法を構築した。(6) 複数波長の遠赤外線強度比から、対象物の距離と温度を検出する手法を確立した。既存の遠赤外線カメラとバンドパスフィルタを用いて、6mまでの35℃物体の距離検出を実証した。ただし、試作した受信素子では、ノイズが大きいため受信信号を検出できないという課題が残っている。今後は、ALD法の改善、或いは金属の直接酸化等の蒸着以外の方法、及び材質変更等によるノイズ低減の可能性を調査検討していく。
C. 「ナノホール/ダイポール・アンテナの量産技術の開発」
量産のためには、電子線リソグラフィにかわるナノインプリントリソグラフィが不可欠である。本開発素子に必要な、2層金属のナノパターン積層構造を試作評価した。 (1) リフトオフ法により、最大2.5μm、最小300nmの金属パターンの形成を実現した。型精度しだいで100nmのパターン形成も可能であると思われる。(2) CCD光学アライメントにより位置あわせ精度1μmの積層パターン形成を実現した。画像処理等を活用すれば位置あわせ精度100nmの量産も可能であると思われる。
英文要約A. IR scanning devices using refraction-controllable nano-hole antennas
(1) An IR beam steering device was designed with the stacked metal-dielectric hole arrays in view of surface plasmon polariton and localized resonance. (2) The hole array was fabricated with a high degree of accuracy by electron beam (EB) lithography and reactive ion etching (RIE) in short process time. (3) A transmission phase difference was directly evaluated with interference microscope, and π/2 phase shift at both ends of hole array was observed. This value is corresponding to the beam steering angle of 4 - 8 degrees. (4) For practical applications, output laser beam is scanned by changing the refractive index of the liquid crystal infiltrated in the air-nanohole. We confirmed that verification transmittance and phase modulation by controlling the orientation of the liquid crystal. Based on these results, the active beam steering with liquid crystal is currently planned.
B. IR receiving devices by direct detection using nano-dipole antennas
(1) The design method of nano-dipole antennas for 30 THz IR detection using electromagnetic simulation has been established. (2) The antenna patterns coupled with metal-insulating-metal (MIM) tunneling diodes with a minimum size of 70 nm were successfully fabricated by successive EB lithography processes with an alignment accuracy smaller than 80 nm. (3) 2 nm-thick Al2O3 films used in the MIM diodes were uniformly deposited by atomic layer deposition (ALD). (4) Owing to the achievements (1)-(3), the second-order differential of the current vs. applied voltage (d2I/dV2) of the MIM diodes was 2.5 mA/V2, which is significantly larger than ever before. The sensitivity calculated from this value is 0.07 A/W, which surpasses the value of previous rectenna-type receiving devices being 0.003 A/W. (5) An evaluation system was established. (6) The metrological function to measure both the temperature of and the distance to an object was established, by measuring the intensities of IR emission of plural wavelengths. Using a commercially available IR-camera, we have successfully measured the distance from an object at 35 degrees Celsius within 6 m. The remaining issue is that the IR signal cannot be detected by the fabricated device because of considerable high noise. To solve the issue, improvements of the MIM diodes are short-term tasks.
C. Mass-production technology of nano-hole/dipole antenna devices
Nano-imprint technology is needed for mass-production, as an alternative of EB lithograph. (1) Patterns of 2.5 μm in the maximal size and 300 nm in the minimal size were successfully fabricated coupled with a lift-off technique. (2) Two metal layers are successfully aligned with an accuracy of smaller than 1 μm using an optical alignment system.
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