JP6260950B2

JP6260950B2 - Refractive index measurement method

Info

Publication number: JP6260950B2
Application number: JP2013187478A
Authority: JP
Inventors: 洋猪川; 佐藤　弘明; 弘明佐藤; 篤史小野
Original assignee: Shizuoka University NUC
Current assignee: Shizuoka University NUC
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2018-01-17
Anticipated expiration: 2033-09-10
Also published as: JP2015055495A

Description

本発明は、屈折率を測定する方法に関する。 The present invention relates to a method for measuring refractive index.

屈折率の測定は、農業、化学、生物学及び医学などの様々な分野において応用が期待されている。屈折率を測定する技術として、特許文献１〜３には、表面プラズモン共鳴を利用した屈折率の測定装置及び測定方法が記載されている。 The measurement of refractive index is expected to be applied in various fields such as agriculture, chemistry, biology and medicine. As techniques for measuring the refractive index, Patent Documents 1 to 3 describe a refractive index measuring device and a measuring method using surface plasmon resonance.

特許文献１には、試料の屈折率を容易に且つ高精度で求める屈折率計が記載されている。この屈折率計を用いて屈折率を測定する場合には、導波モード共鳴格子に対して測定光を所定の入射角で入射し、このときの導波モード共鳴格子からの反射光を光検出器により検出する。測定光の入射角は、所定角度範囲で走査され、これと連動して検出器に入射する反射光の出射角も入射角と同一になるように検出器の位置も移動させる。 Patent Document 1 describes a refractometer that easily and accurately obtains the refractive index of a sample. When measuring the refractive index using this refractometer, the measurement light is incident on the waveguide mode resonance grating at a predetermined incident angle, and the reflected light from the waveguide mode resonance grating at this time is detected. Detect with a vessel. The incident angle of the measurement light is scanned within a predetermined angle range, and in conjunction with this, the position of the detector is moved so that the outgoing angle of the reflected light incident on the detector is the same as the incident angle.

特許文献２には、回折格子を有し、小型化に適する表面プラズモン共鳴センサチップが記載されている。回折格子は弾性変形可能な弾性膜上に形成されている。このチップを用いて屈折率を測定する場合には、試料を回折格子面の近傍に配置した状態で、回折格子に向けて光を出射する。そして、反射光の強度を測定することにより、入射光の共鳴角を検出する。このチップでは、入射光の入射角の走査に代えて、弾性膜を膨出させて回折格子面の格子ピッチを動的に変化させる。 Patent Document 2 describes a surface plasmon resonance sensor chip that has a diffraction grating and is suitable for miniaturization. The diffraction grating is formed on an elastic film that can be elastically deformed. When the refractive index is measured using this chip, light is emitted toward the diffraction grating in a state where the sample is arranged in the vicinity of the diffraction grating surface. Then, the resonance angle of the incident light is detected by measuring the intensity of the reflected light. In this chip, instead of scanning the incident angle of incident light, the elastic film is bulged to dynamically change the grating pitch of the diffraction grating surface.

特許文献３には、表面プラズモン共鳴センサが記載されている。このセンサは、測定用の光を入射する導波路コア層と、導波路コア層上に形成された測定用の試料を設けるためのサンプル層を有している。このセンサを用いて屈折率を測定する場合には、サンプル層に試料を設け、導波路コア層に光を入射させて、導波路コア層を透過する光の波長スペクトルあるいは入射角度スペクトルを測定する。 Patent Document 3 describes a surface plasmon resonance sensor. This sensor has a waveguide core layer for receiving measurement light and a sample layer for providing a measurement sample formed on the waveguide core layer. When measuring the refractive index using this sensor, a sample is provided in the sample layer, light is incident on the waveguide core layer, and the wavelength spectrum or incident angle spectrum of the light transmitted through the waveguide core layer is measured. .

特開２０１０−２１０３８４号公報JP 2010-210384 A 特開２００９−１６８４６９号公報JP 2009-168469 A 特開２００４−１７００９５号公報JP 2004-170095 A

特許文献１〜３に記載された屈折率測定方法では、共鳴フィルタから出射された光の強度に基づいて、共鳴ピークを与える共鳴角度を測定し、共鳴角度から屈折率を測定している。しかし、これらの方法によると、共鳴フィルタから出射された光の強度を検出するために、共鳴フィルタとは別体の光検出器が必要である。さらに、光検出器が別体であるために共鳴フィルタから出射された反射光の利用効率が低下するおそれもあった。 In the refractive index measurement methods described in Patent Documents 1 to 3, the resonance angle giving a resonance peak is measured based on the intensity of light emitted from the resonance filter, and the refractive index is measured from the resonance angle. However, according to these methods, a photodetector separate from the resonance filter is required to detect the intensity of light emitted from the resonance filter. Furthermore, since the photodetector is a separate body, the utilization efficiency of the reflected light emitted from the resonance filter may be reduced.

そこで、本発明は、装置構成を簡素化すると共に光の利用効率を向上させることを可能にした屈折率測定方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a refractive index measurement method that can simplify the apparatus configuration and improve the light utilization efficiency.

本発明に係る屈折率測定方法は、入射した光に対応する信号を出力する半導体受光素子部と、半導体受光素子部上に配置され直線状の溝が複数形成された回折格子部と、を備える屈折率測定装置の回折格子部上に被測定物を配置する工程と、被測定物を配置した後に、被測定物に対して測定光を照射することにより、測定光の波長と、測定光が照射されたときに屈折率測定装置から出力される信号とが関連付けられた分光感度特性を得る工程と、分光感度特性を利用して被測定物の屈折率を得る工程と、を有する。 A refractive index measurement method according to the present invention includes a semiconductor light receiving element portion that outputs a signal corresponding to incident light, and a diffraction grating portion that is disposed on the semiconductor light receiving element portion and in which a plurality of linear grooves are formed. The step of placing the object to be measured on the diffraction grating portion of the refractive index measuring device, and after placing the object to be measured, irradiating the measuring object with the measuring light causes the wavelength of the measuring light and the measuring light to be A step of obtaining a spectral sensitivity characteristic associated with a signal output from the refractive index measurement device when irradiated, and a step of obtaining a refractive index of the object to be measured using the spectral sensitivity characteristic.

このような屈折率測定方法によれば、被測定物を透過した測定光が回折格子部に入射し、回折格子部において特定波長の測定光が捉えられる。光電変換部は、捉えられた測定光に対応する電流を出力するため、測定光の波長と出力信号値とが関連付けられた分光感度特性が得られる。ここで、発明者らの知見によれば、分光感度特性は回折格子部と半導体受光素子部との間における位相整合条件に関連し、さらに、位相整合条件は回折格子部上に配置された被測定物の屈折率に対応しているため、分光感度特性を利用して被測定物の屈折率を得ることができる。従って、この屈折率測定方法では、外部の光検出器を不要として装置構成を簡素化すると共に、回折格子部で捉えた測定光を回折格子部と一体化された光電変換部で電流に変換することにより光の利用効率を向上させることができる。 According to such a refractive index measurement method, the measurement light transmitted through the object to be measured is incident on the diffraction grating portion, and the measurement light having a specific wavelength is captured in the diffraction grating portion. Since the photoelectric conversion unit outputs a current corresponding to the captured measurement light, a spectral sensitivity characteristic in which the wavelength of the measurement light is associated with the output signal value is obtained. Here, according to the knowledge of the inventors, the spectral sensitivity characteristic is related to the phase matching condition between the diffraction grating part and the semiconductor light receiving element part, and the phase matching condition is further measured by the object disposed on the diffraction grating part. Since it corresponds to the refractive index of the object to be measured, the refractive index of the object to be measured can be obtained using the spectral sensitivity characteristic. Therefore, this refractive index measurement method simplifies the apparatus configuration by eliminating the need for an external photodetector, and converts the measurement light captured by the diffraction grating unit into a current by a photoelectric conversion unit integrated with the diffraction grating unit. As a result, the light utilization efficiency can be improved.

ここで、被測定物の屈折率を得る工程は、分光感度特性を利用して信号のピーク値及びピーク値に対応する測定光のピーク波長を取得する工程と、ピーク値、及びピーク波長と回折格子部の格子ピッチの組み合わせ、の少なくとも一方を利用して被測定物の屈折率を得る工程と、を有する。発明者らの知見によれば、分光感度特性におけるピーク信号値と屈折率との間には対応関係がある。また、分光感度特性におけるピーク波長及び格子ピッチと、屈折率との間にも対応関係がある。従って、これらの対応関係のいずれかを利用することにより、屈折率を容易に得ることができる。 Here, the step of obtaining the refractive index of the object to be measured includes the step of obtaining the peak value of the measurement light corresponding to the peak value of the signal using the spectral sensitivity characteristic, the peak value, the peak wavelength and diffraction. And obtaining a refractive index of the object to be measured by using at least one of the combinations of the grating pitches of the grating parts. According to the knowledge of the inventors, there is a correspondence between the peak signal value in the spectral sensitivity characteristic and the refractive index. There is also a correspondence between the peak wavelength and grating pitch in the spectral sensitivity characteristics and the refractive index. Therefore, the refractive index can be easily obtained by using any of these correspondences.

ここで、分光感度特性を得る工程は、互いに異なる波長を有する測定光を被測定物に照射することにより、測定光の波長と、波長を有する測定光に対応する信号との組み合わせを複数取得する工程と、複数の組み合わせを利用して分光感度特性を得る工程と、を有する。この工程によれば、被測定物が回折格子部上に配置されたときの分光感度特性を直接得ることができる。従って、屈折率を容易に得ることができる。 Here, in the step of obtaining the spectral sensitivity characteristic, a plurality of combinations of the wavelength of the measurement light and the signal corresponding to the measurement light having the wavelength are obtained by irradiating the object to be measured with measurement light having different wavelengths. And a step of obtaining spectral sensitivity characteristics using a plurality of combinations. According to this step, it is possible to directly obtain the spectral sensitivity characteristics when the object to be measured is disposed on the diffraction grating portion. Therefore, the refractive index can be easily obtained.

また、本発明に係る屈折率測定方法は、被測定物が配置されていない回折格子部に対して基準測定光を照射することにより、基準測定光の波長と、基準測定光が照射されたときに屈折率測定装置から出力される基準出力信号とが関連付けられた基準分光感度特性を得る工程と、を更に有し、分光感度特性を得る工程は、基準分光感度特性を利用して基準ピーク波長を取得する工程と、被測定物に対して基準ピーク波長を有する測定光を照射して、比較出力信号を取得する工程と、基準分光感度特性における基準ピーク信号と、比較出力信号との差異を利用して分光感度特性を得る工程と、を有する。これらの工程によれば、被測定物を回折格子上に配置していない状態の分光感度特性と、被測定物を回折格子上に配置したときの分光感度特性との関係を精度よく得ることができる。従って、屈折率を精度良く得ることができる。 In addition, the refractive index measurement method according to the present invention irradiates the wavelength of the reference measurement light and the reference measurement light by irradiating the reference measurement light to the diffraction grating portion where the object to be measured is not disposed. And obtaining a reference spectral sensitivity characteristic associated with a reference output signal output from the refractive index measuring device, wherein the step of obtaining the spectral sensitivity characteristic comprises utilizing the reference spectral sensitivity characteristic as a reference peak wavelength. The difference between the reference peak signal in the reference spectral sensitivity characteristic and the comparison output signal, the step of obtaining the comparison output signal by irradiating the measurement object having the reference peak wavelength to the object to be measured And obtaining a spectral sensitivity characteristic. According to these steps, it is possible to accurately obtain the relationship between the spectral sensitivity characteristic when the object to be measured is not arranged on the diffraction grating and the spectral sensitivity characteristic when the object to be measured is arranged on the diffraction grating. it can. Therefore, the refractive index can be obtained with high accuracy.

また、本発明に係る屈折率測定方法は、回折格子部に対して測定光を斜めに照射する。この方法によれば、屈折率に対する感度を向上させることが可能となり、屈折率測定の精度を更に向上させることができる。 Moreover, the refractive index measuring method according to the present invention irradiates measurement light obliquely to the diffraction grating portion. According to this method, the sensitivity to the refractive index can be improved, and the accuracy of refractive index measurement can be further improved.

本発明に係る屈折率測定方法によれば、装置構成を簡素化すると共に光の利用効率を向上させることが可能になる。 According to the refractive index measurement method of the present invention, it is possible to simplify the apparatus configuration and improve the light utilization efficiency.

本発明に係る屈折率測定方法に用いる屈折率測定装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the refractive index measuring apparatus used for the refractive index measuring method which concerns on this invention. 図１に示された光電変換部の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the photoelectric conversion part shown by FIG. 測定光と導波路モードとの格子整合条件の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the lattice matching conditions of measurement light and waveguide mode. 屈折率とピーク波長及びピーク値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a refractive index, a peak wavelength, and a peak value. 第１実施形態及び第２実施形態に係る屈折率測定方法のフロー図である。It is a flowchart of the refractive index measuring method which concerns on 1st Embodiment and 2nd Embodiment. 分光感度特性を得る方法を示すグラフである。It is a graph which shows the method of obtaining a spectral sensitivity characteristic. 第２実施形態の屈折率測定方法に用いる屈折率測定装置の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the refractive index measuring apparatus used for the refractive index measuring method of 2nd Embodiment. 回折格子部の格子ピッチとピーク波長との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the grating pitch of a diffraction grating part, and a peak wavelength. 分光感度特性を得る方法を示すグラフである。It is a graph which shows the method of obtaining a spectral sensitivity characteristic. 第３実施形態に係る屈折率測定方法のフロー図である。It is a flowchart of the refractive index measuring method which concerns on 3rd Embodiment. ピーク値の変化を得る方法を示すグラフである。It is a graph which shows the method of obtaining the change of a peak value. 屈折率と正規化光電流との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a refractive index and normalized photocurrent. 入射光の波長と導波路モードの波長との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the wavelength of incident light, and the wavelength of waveguide mode. ゲート絶縁層に溝を有する屈折率測定装置の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the refractive index measuring apparatus which has a groove | channel in a gate insulating layer. 屈折率とピーク波長との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a refractive index and a peak wavelength. 回折格子部を有する屈折率測定装置における屈折率とピーク波長との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the refractive index and peak wavelength in the refractive index measuring apparatus which has a diffraction grating part.

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

［第１実施形態］
まず、屈折率測定方法に用いる屈折率測定装置について説明する。図１に示されるように、屈折率測定装置１は、被測定物Ｍに測定光Ｌを照射することにより被測定物Ｍの屈折率を得る装置である。屈折率測定装置１は、被測定物Ｍへ測定光Ｌを照射する光源装置２と、被測定物Ｍを透過した測定光Ｌに対応する出力信号を生成する光電変換部３と、光電変換部３の出力信号を処理して被測定物Ｍの屈折率を得る処理装置５と、を備えている。 [First Embodiment]
First, a refractive index measuring apparatus used for the refractive index measuring method will be described. As shown in FIG. 1, the refractive index measuring device 1 is a device that obtains the refractive index of the measurement object M by irradiating the measurement object L with measurement light L. The refractive index measurement device 1 includes a light source device 2 that irradiates the measurement object L with the measurement light L, a photoelectric conversion unit 3 that generates an output signal corresponding to the measurement light L that has passed through the measurement object M, and a photoelectric conversion unit. And a processing device 5 for processing the output signal 3 to obtain the refractive index of the object M to be measured.

光源装置２は、所定の帯域に含まれる特定波長の測定光Ｌを出射するものである。また、光源装置２は、光電変換部３に対する測定光Ｌの入射角度θ（図３参照）が調整可能であり、本実施形態の光源装置２は、測定光Ｌが光電変換部３に対して斜めに入射するように配置されている。 The light source device 2 emits measurement light L having a specific wavelength included in a predetermined band. Moreover, the light source device 2 can adjust the incident angle θ (see FIG. 3) of the measurement light L with respect to the photoelectric conversion unit 3, and the light source device 2 of the present embodiment has the measurement light L with respect to the photoelectric conversion unit 3. It arrange | positions so that it may incline.

光電変換部３は、測定光Ｌの光強度に対応する出力信号を生成する半導体受光素子部４と、半導体受光素子部４上に設けられた回折格子部６とを備えている。なお、以下の説明においては、光電変換部３を構成する各層の積層方向をＺ軸方向とし、後述する回折格子部６に形成された各格子の配列方向をＹ軸方向とし、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に垂直な方向、すなわち、格子に沿った方向をＸ軸方向とする。 The photoelectric conversion unit 3 includes a semiconductor light receiving element unit 4 that generates an output signal corresponding to the light intensity of the measurement light L, and a diffraction grating unit 6 provided on the semiconductor light receiving element unit 4. In the following description, the stacking direction of the layers constituting the photoelectric conversion unit 3 is the Z-axis direction, the arrangement direction of the gratings formed in the diffraction grating unit 6 described later is the Y-axis direction, and the Z-axis direction and The direction perpendicular to the Y-axis direction, that is, the direction along the lattice is taken as the X-axis direction.

光電変換部３の半導体受光素子部４は、いわゆるＭＯＳ構造の横型ｐｎ接合ダイオードであり、シリコン基板７と、シリコン基板７上に配置され埋め込み絶縁層８と、埋め込み絶縁層８上に配置された半導体層９，１１，１２と、半導体層９，１１，１２上に配置されたゲート絶縁層１３と、を有している。埋め込み絶縁層８は酸化シリコンからなり、半導体層９，１１，１２は所定のドーパントを含むシリコンからなり、ゲート絶縁層１３は酸化シリコンからなる。従って、半導体受光素子部４は、シリコン基板７をサブストレートとしたＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造を有している。 The semiconductor light-receiving element portion 4 of the photoelectric conversion portion 3 is a so-called MOS structure lateral pn junction diode, and is disposed on the silicon substrate 7, the buried insulating layer 8 disposed on the silicon substrate 7, and the buried insulating layer 8. The semiconductor layers 9, 11, and 12 and the gate insulating layer 13 disposed on the semiconductor layers 9, 11, and 12 are included. The buried insulating layer 8 is made of silicon oxide, the semiconductor layers 9, 11 and 12 are made of silicon containing a predetermined dopant, and the gate insulating layer 13 is made of silicon oxide. Therefore, the semiconductor light receiving element portion 4 has an SOI (Silicon On Insulator) structure using the silicon substrate 7 as a substrate.

半導体層９，１１，１２は、埋め込み絶縁層８上の矩形状の所定領域において、Ｘ軸方向に沿って、この順で隣接して設けられている。光導波路及び光吸収層として機能する半導体層１１は、深さ方向（Ｚ方向）の大部分が空乏化し、シリコンに対して低濃度でボロンやリン等のｐ型不純物又はｎ型不純物が添加されている。アノード電極及びカソード電極である半導体層９，１２は、それぞれ、埋め込み絶縁層８上において半導体層１１をＸ軸に沿った方向から挟むように、半導体層１１とほぼ同一の厚さでｐ＋型半導体層及びｎ＋型半導体層として形成されている。このｐ＋型半導体層９及びｎ＋型半導体層１２は、それぞれ、シリコンに対して高濃度（１０^１９ｃｍ^−３以上）でボロン等のｐ型不純物及びリン等のｎ型不純物が添加されており、半導体層１１に並設されることでアノード電極及びカソード電極として機能する。これらの半導体層９，１１，１２上には、半導体層９，１１，１２を覆うようにゲート絶縁層１３が形成されている。 The semiconductor layers 9, 11, and 12 are provided adjacent to each other in this order along the X-axis direction in a rectangular predetermined region on the buried insulating layer 8. The semiconductor layer 11 functioning as an optical waveguide and a light absorption layer is mostly depleted in the depth direction (Z direction), and p-type impurities such as boron and phosphorus or n-type impurities are added to silicon at a low concentration. ing. The semiconductor layers 9 and 12 serving as the anode electrode and the cathode electrode are respectively p + type semiconductors having substantially the same thickness as the semiconductor layer 11 so as to sandwich the semiconductor layer 11 from the direction along the X axis on the buried insulating layer 8. And n + type semiconductor layers. The p + -type semiconductor layer 9 and the n + -type semiconductor layer 12 are respectively doped with p-type impurities such as boron and n-type impurities such as phosphorus at a high concentration (10 ¹⁹ cm ⁻³ or more) with respect to silicon. By being arranged in parallel with the semiconductor layer 11, it functions as an anode electrode and a cathode electrode. A gate insulating layer 13 is formed on these semiconductor layers 9, 11, 12 so as to cover the semiconductor layers 9, 11, 12.

このような光電変換部３によって測定光Ｌを検出する際には、回折格子部６にゲート電圧Ｖｇが印加され、シリコン基板７に基板電圧Ｖｓｕｂが印加される。ゲート電圧Ｖｇ及び基板電圧Ｖｓｕｂを調整することで、半導体層１１の上下の界面における電子又は正孔の密度を広範囲で制御することができる。特に、ゲート電圧Ｖｇ及び基板電圧Ｖｓｕｂは、ゲート絶縁層１３に接する半導体層１１の界面と、埋め込み絶縁層８に接する半導体層１１の界面における電子又は正孔の密度が半導体層１１の真性キャリア密度よりも十分に大きくなるように設定されることが好ましい。 When the measurement light L is detected by such a photoelectric conversion unit 3, the gate voltage Vg is applied to the diffraction grating unit 6, and the substrate voltage Vsub is applied to the silicon substrate 7. By adjusting the gate voltage Vg and the substrate voltage Vsub, the density of electrons or holes at the upper and lower interfaces of the semiconductor layer 11 can be controlled over a wide range. In particular, the gate voltage Vg and the substrate voltage Vsub are such that the density of electrons or holes at the interface of the semiconductor layer 11 in contact with the gate insulating layer 13 and the interface of the semiconductor layer 11 in contact with the buried insulating layer 8 is the intrinsic carrier density of the semiconductor layer 11. It is preferable to set it to be sufficiently larger than that.

ゲート絶縁層１３上の少なくとも半導体層１１を覆う領域には回折格子部６が配置されている。従って、回折格子部６は、ゲート絶縁層１３を介して半導体層１１を覆っており、半導体層９，１１，１２から電気的に絶縁されている。回折格子部６は、平面状の導電部材である金属膜に、半導体層１１を覆う領域に亘ってＸ軸方向に沿ってゲート絶縁層１３の表面まで貫通する複数の直線状の貫通溝６ａ（図２参照）が複数形成されている。そして、これら貫通溝６ａは、Ｙ軸方向に一定の格子ピッチＰで並設されている。このような回折格子部６の材料としては、例えば、チタン（Ｔｉ）の付着力強化層上に形成した金（Ａｕ）等の導電性金属が用いられる。この回折格子部６は、所定波長を有する測定光Ｌを半導体層１１へ導く役割、ゲート電極としての役割、及び被測定物Ｍを配置するための配置部としての役割を有する。 A diffraction grating portion 6 is disposed in a region covering at least the semiconductor layer 11 on the gate insulating layer 13. Therefore, the diffraction grating portion 6 covers the semiconductor layer 11 via the gate insulating layer 13 and is electrically insulated from the semiconductor layers 9, 11, and 12. The diffraction grating portion 6 has a plurality of linear through grooves 6a (through a metal film, which is a planar conductive member, penetrating to the surface of the gate insulating layer 13 along the X-axis direction over a region covering the semiconductor layer 11. 2) are formed. These through grooves 6a are arranged in parallel at a constant lattice pitch P in the Y-axis direction. As a material of such a diffraction grating part 6, for example, a conductive metal such as gold (Au) formed on a titanium (Ti) adhesion strengthening layer is used. The diffraction grating portion 6 has a role of guiding the measurement light L having a predetermined wavelength to the semiconductor layer 11, a role as a gate electrode, and a role as an arrangement portion for arranging the DUT M.

光電変換部３では、回折格子部６に測定光Ｌが照射されると、半導体層１１の導波路モードとの間で位相整合条件を満たす特定波長の測定光Ｌが最も効率よく半導体層１１に捉えられる。半導体層１１に捉えられた測定光Ｌは、半導体層１１中において吸収されて電子・正孔対を生成する。そして、生成され分離された電子と正孔の量に対応する光電流がカソードからアノードへ流れるため半導体層１２から出力信号が取り出される。 In the photoelectric conversion unit 3, when the measurement light L is irradiated onto the diffraction grating unit 6, the measurement light L having a specific wavelength that satisfies the phase matching condition with the waveguide mode of the semiconductor layer 11 is most efficiently applied to the semiconductor layer 11. Be captured. The measurement light L captured by the semiconductor layer 11 is absorbed in the semiconductor layer 11 to generate electron / hole pairs. Then, since a photocurrent corresponding to the amount of generated and separated electrons and holes flows from the cathode to the anode, an output signal is taken out from the semiconductor layer 12.

この半導体層１１における導波路モードの伝搬波長λｇは、式（１）により示される。ここで、λは測定光Ｌの波長であり、ｎｓは半導体層１１の屈折率であり、ｔｓは半導体層１１の厚さであり、ｎｉは埋め込み絶縁層８及びゲート絶縁層１３の屈折率である。

The propagation wavelength λg of the waveguide mode in the semiconductor layer 11 is expressed by Expression (1). Here, λ is the wavelength of the measurement light L, ns is the refractive index of the semiconductor layer 11, ts is the thickness of the semiconductor layer 11, ni is the refractive index of the buried insulating layer 8 and the gate insulating layer 13. is there.

位相整合条件について説明する。図３に示されるように、回折格子部６に対して測定光Ｌが入射角度θで斜めに入射したとき、回折格子部６における１ピッチあたりに生じる光路長（Ｐ×ｓｉｎθ）と屈折率ｎと波長λとに起因して、位相差Δ（＝Ｐ（２πｎ／λ）ｓｉｎθ）が生じる。そして、位相整合条件は、位相差Δを波数ｋｇ（＝２π／λｇ）で除した値（Δ／ｋｇ）を半導体層１１の伝搬波長λｇに対して加算又は減算した値（＝λｇ±Δ／ｋｇ）が、格子ピッチＰと等しいとして示される。従って、式（２−１）及び式（２−２）が得られる。ここで、λは測定光Ｌの波長であり、ｎは被測定物Ｍの屈折率であり、Ｐは格子ピッチであり、θは測定光Ｌの入射角度である。また、λｇｆは半導体層１１における前進波の伝搬波長であり、λｇｂは半導体層１１における後進波の伝搬波長である。位相整合条件が満たされる場合とは、式（２−１）及び式（２−２）を満足する場合である。式（２−１）及び式（２−２）によれば、位相整合条件を満たす場合とは、格子ピッチＰ、屈折率ｎ、測定光Ｌの波長λ、入射角度θにより規定される値が、導波路モードの伝搬波長λｇｆ，λｇｂと一致する場合であるともいえる。

The phase matching condition will be described. As shown in FIG. 3, when the measurement light L is incident on the diffraction grating section 6 obliquely at an incident angle θ, the optical path length (P × sin θ) and refractive index n generated per pitch in the diffraction grating section 6. And a wavelength λ cause a phase difference Δ (= P (2πn / λ) sin θ). The phase matching condition is a value obtained by adding or subtracting a value (Δ / kg) obtained by dividing the phase difference Δ by the wave number kg (= 2π / λg) to the propagation wavelength λg of the semiconductor layer 11 (= λg ± Δ / kg) is shown as being equal to the grating pitch P. Therefore, Formula (2-1) and Formula (2-2) are obtained. Here, λ is the wavelength of the measurement light L, n is the refractive index of the object M to be measured, P is the grating pitch, and θ is the incident angle of the measurement light L. Further, λgf is the propagation wavelength of the forward wave in the semiconductor layer 11, and λgb is the propagation wavelength of the backward wave in the semiconductor layer 11. The case where the phase matching condition is satisfied is a case where Expression (2-1) and Expression (2-2) are satisfied. According to the equations (2-1) and (2-2), when the phase matching condition is satisfied, values defined by the grating pitch P, the refractive index n, the wavelength λ of the measurement light L, and the incident angle θ are It can be said that this is the case where the propagation wavelengths λgf and λgb coincide with the waveguide mode.

式（２−１）及び式（２−２）によれば、測定光Ｌの入射角度θが０度以外、換言すると測定光Ｌが回折格子部６に対して斜めに照射された状態で、屈折率ｎの変化が生じると位相整合条件を満たすために測定光Ｌの波長λのシフトが必要になることがわかる。 According to the formula (2-1) and the formula (2-2), the incident angle θ of the measurement light L is other than 0 degrees, in other words, the measurement light L is obliquely irradiated on the diffraction grating portion 6. It can be seen that when the refractive index n changes, the shift of the wavelength λ of the measurement light L is necessary to satisfy the phase matching condition.

分光感度特性について説明する。図４に示されるように、分光感度特性は、測定光Ｌの波長λと、その測定光Ｌを照射したときに光電変換部３から出力される出力信号の大きさとの関係であり、波長ごとの出力信号の大きさを示すものである。図４は、分光感度特性の一例を示し、横軸は測定光Ｌの波長λであり、縦軸は出力信号の大きさを示す光電流である。式（２−１）及び式（２−２）の右辺の値が左辺の伝搬波長λｇｆ，λｇｂに近づくほど、出力信号の値が大きくなり、右辺の値と左辺の値が一致したとき（位相整合条件を満たすとき）に出力信号は最大値（ピーク）になる。 The spectral sensitivity characteristic will be described. As shown in FIG. 4, the spectral sensitivity characteristic is the relationship between the wavelength λ of the measurement light L and the magnitude of the output signal output from the photoelectric conversion unit 3 when the measurement light L is irradiated. This shows the magnitude of the output signal. FIG. 4 shows an example of spectral sensitivity characteristics, the horizontal axis is the wavelength λ of the measurement light L, and the vertical axis is the photocurrent indicating the magnitude of the output signal. As the values on the right side of the equations (2-1) and (2-2) approach the propagation wavelengths λgf and λgb on the left side, the value of the output signal increases, and when the values on the right side and the left side match (phase The output signal becomes the maximum value (peak) when the matching condition is satisfied.

屈折率ｎの変化に伴うピーク波長λｐのシフトについてさらに説明する。図４（ａ）は、回折格子部６に対する測定光Ｌの入射角度θが１０度であるときの分光感度特性を示す。図４（ｂ）は、回折格子部６に対する測定光Ｌの入射角度θが２０度であるときの分光感度特性を示す。さらに、図４（ａ）のグラフＧ１及び図４（ｂ）のグラフＧ３は、被測定物Ｍの屈折率がｎ＝１である場合の分光感度特性を示している。グラフＧ１は２個のピークｐｋ１，ｐｋ２を有し、グラフＧ３はピークｐｋ５，ｐｋ６を有している。図４（ａ）のグラフＧ２及び図４（ｂ）のグラフＧ４は、被測定物Ｍの屈折率がｎ＝１．４９３３である場合の分光感度特性を示している。グラフＧ２は２個のピークｐｋ３，ｐｋ４を有し、グラフＧ４はピークｐｋ７，ｐｋ８を有している。 The shift of the peak wavelength λp accompanying the change of the refractive index n will be further described. FIG. 4A shows spectral sensitivity characteristics when the incident angle θ of the measurement light L with respect to the diffraction grating portion 6 is 10 degrees. FIG. 4B shows spectral sensitivity characteristics when the incident angle θ of the measurement light L with respect to the diffraction grating portion 6 is 20 degrees. Furthermore, the graph G1 in FIG. 4A and the graph G3 in FIG. 4B show the spectral sensitivity characteristics when the refractive index of the object to be measured M is n = 1. The graph G1 has two peaks pk1 and pk2, and the graph G3 has peaks pk5 and pk6. A graph G2 in FIG. 4A and a graph G4 in FIG. 4B show the spectral sensitivity characteristics when the refractive index of the object to be measured M is n = 1.4933. The graph G2 has two peaks pk3 and pk4, and the graph G4 has peaks pk7 and pk8.

ここで図４（ａ）のピークｐｋ１，ｐｋ３を比較すると、グラフＧ１（ｎ＝１）のピークｐｋ１に対して、グラフＧ２（ｎ＝１．４９３３）のピークｐｋ３は、ピーク波長λｐが長波長側へシフトしていることがわかる。また、グラフＧ１（ｎ＝１）のピークｐｋ２に対して、グラフＧ２（ｎ＝１．４９３３）のピークｐｋ４は、ピーク波長λｐが短波長側へシフトしていることがわかる。また、図４（ａ）のピークｐｋ１，ｐｋ３を比較すると、グラフＧ１（ｎ＝１）のピークｐｋ１に対して、グラフＧ２（ｎ＝１．４９３３）のピークｐｋ３は、ピーク値が減少していることがわかる。また、グラフＧ１（ｎ＝１）のピークｐｋ２に対して、グラフＧ２（ｎ＝１．４９３３）のピークｐｋ４も、ピーク値が減少していることがわかる。 Here, when comparing the peaks pk1 and pk3 of FIG. 4A, the peak wavelength λp of the peak pk3 of the graph G2 (n = 1.4933) is longer than the peak pk1 of the graph G1 (n = 1). It turns out that it has shifted to the side. Further, it can be seen that the peak wavelength λp of the peak pk4 of the graph G2 (n = 1.4933) is shifted to the short wavelength side with respect to the peak pk2 of the graph G1 (n = 1). Further, when comparing the peaks pk1 and pk3 of FIG. 4A, the peak value of the peak pk3 of the graph G2 (n = 1.4933) decreases with respect to the peak pk1 of the graph G1 (n = 1). I understand that. Further, it can be seen that the peak value of the peak pk4 of the graph G2 (n = 1.4933) is decreased with respect to the peak pk2 of the graph G1 (n = 1).

このように、ピーク波長λｐのシフト量と屈折率ｎとの間には所定の関係があり、ピーク値の減少量と屈折率ｎとの間にも所定の関係があることがわかる。従って、ピーク波長λｐのシフト量又はピーク値の減少量を利用して屈折率ｎを得ることができる。 Thus, it can be seen that there is a predetermined relationship between the shift amount of the peak wavelength λp and the refractive index n, and there is also a predetermined relationship between the reduction amount of the peak value and the refractive index n. Therefore, the refractive index n can be obtained by using the shift amount of the peak wavelength λp or the decrease amount of the peak value.

次に、第１実施形態に係る屈折率測定方法を説明する。まず、図５に示されるように、リファレンスとなる基準分光感度特性を得る（工程Ｓ１）。基準分光感度特性とは、基準測定光の波長と、基準出力信号とが関連付けられた特性である。基準分光感度特性は、互いに異なる特性を有する光電変換部３や被測定物Ｍにおいて得られた分光感度特性の一つを選択することができる。また、時系列で被測定物Ｍを変更する場合には、最初に得られた分光感度特性を基準分光感度特性とすることができる。本実施形態の基準分光感度特性は、被測定物Ｍを回折格子部６に配置しないときの分光感度特性である。従って、回折格子部６に被測定物Ｍを配置しない状態で、基準測定光を回折格子部６に対して斜めに照射することにより、基準分光感度特性を得る。通常、この基準分光感度特性は代表例を得ておけばよく、個別の光電変換部３の特性を毎回測る必要は無い。 Next, a refractive index measurement method according to the first embodiment will be described. First, as shown in FIG. 5, a reference spectral sensitivity characteristic serving as a reference is obtained (step S1). The reference spectral sensitivity characteristic is a characteristic in which the wavelength of the reference measurement light and the reference output signal are associated with each other. As the reference spectral sensitivity characteristic, one of the spectral sensitivity characteristics obtained in the photoelectric conversion unit 3 and the DUT M having different characteristics can be selected. Moreover, when changing the to-be-measured object M in time series, the spectral sensitivity characteristic acquired initially can be made into a reference | standard spectral sensitivity characteristic. The reference spectral sensitivity characteristic of the present embodiment is a spectral sensitivity characteristic when the DUT M is not disposed on the diffraction grating unit 6. Therefore, the reference spectral sensitivity characteristic is obtained by irradiating the diffraction grating unit 6 with the reference measurement light obliquely in a state where the object to be measured M is not disposed on the diffraction grating unit 6. Usually, it is sufficient to obtain a representative example of the reference spectral sensitivity characteristics, and it is not necessary to measure the characteristics of the individual photoelectric conversion units 3 each time.

分光感度特性を得る工程（工程Ｓ５）について説明する。分光感度特性は位相整合条件の影響を受けるため、式（２−１）及び式（２−２）の屈折率ｎが変化すると、図６に示されるように、分光感度特性も変化する。例えば、屈折率ｎの変化は、回折格子部６における被測定物Ｍの有無による。図６のグラフＧ５は、回折格子部６に被測定物Ｍを配置していない状態の基準分光感度特性であり、グラフＧ６は、回折格子部６に第１の被測定物を配置したときの分光感度特性であり、グラフＧ７は、回折格子部６上により屈折率の大きい第２の被測定物を配置したときの分光感度特性である。 The step of obtaining spectral sensitivity characteristics (step S5) will be described. Since the spectral sensitivity characteristic is affected by the phase matching condition, when the refractive index n of the expressions (2-1) and (2-2) changes, the spectral sensitivity characteristic also changes as shown in FIG. For example, the change in the refractive index n depends on the presence or absence of the measurement object M in the diffraction grating section 6. A graph G5 in FIG. 6 is a reference spectral sensitivity characteristic in a state in which the object to be measured M is not arranged in the diffraction grating unit 6, and a graph G6 is a graph when the first object to be measured is arranged in the diffraction grating unit 6. It is a spectral sensitivity characteristic, and graph G7 is a spectral sensitivity characteristic when a second object to be measured having a higher refractive index is arranged on the diffraction grating portion 6.

そして、回折格子部６に被測定物Ｍが配置されていない状態（グラフＧ５）と、配置された状態（グラフＧ６，Ｇ７）とで、共通のピーク波長λｐと等しい波長λを有する測定光Ｌを照射した場合には、被測定物Ｍの有無により分光感度特性が変化しているため光電変換部３の出力信号の大きさが異なることになる。従って、回折格子部６に被測定物Ｍを配置せずに測定光Ｌを照射した基準ピーク信号値Ｃｐと、回折格子部６に第１及び第２の被測定物Ｍを配置して測定光Ｌを照射した比較出力信号値Ｃ１，Ｃ２とを比較することにより、回折格子部６に第１及び第２の被測定物Ｍを配置したときの分光感度特性（グラフＧ６，Ｇ７）が得られる。 Then, the measurement light L having a wavelength λ equal to the common peak wavelength λp in the state where the DUT M is not disposed on the diffraction grating portion 6 (graph G5) and the state where the object M is disposed (graphs G6, G7). , The spectral sensitivity characteristic changes depending on the presence / absence of the object to be measured M, so the magnitude of the output signal of the photoelectric conversion unit 3 differs. Accordingly, the reference peak signal value Cp irradiated with the measurement light L without placing the object to be measured M on the diffraction grating unit 6 and the measurement light with the first and second objects to be measured M arranged on the diffraction grating part 6 are measured. By comparing the comparison output signal values C1 and C2 irradiated with L, spectral sensitivity characteristics (graphs G6 and G7) when the first and second objects to be measured M are arranged in the diffraction grating section 6 are obtained. .

具体的には、この際、測定光Ｌの光強度は基準分光感度特性を測った時（工程Ｓ１）の光強度と厳密に一致している必要は無い。続いて、回折格子部６に被測定物Ｍを配置し（工程Ｓ２）、工程Ｓ５ａで決定した基準ピーク波長λｐを有する測定光Ｌを被測定物Ｍに照射して、出力信号値Ｃ１を得る（工程Ｓ５ｂ）。ここで、基準ピーク波長λｐを有する測定光Ｌを被測定物Ｍに照射する状態では、被測定物Ｍを配置したことにより位相整合条件が変化しているため、基準ピーク波長λｐを有する測定光Ｌは位相整合条件を満たすものではなくなっている。従って、基準ピーク信号値Ｃｐよりも出力信号値Ｃ１は小さい値になる。続いて、基準ピーク信号値Ｃｐと出力信号値Ｃ１とを利用して、公知の数学的手法により第１の被測定物Ｍを配置した状態における分光感度特性（グラフＧ６）を得る（工程Ｓ５ｃ）。 Specifically, at this time, the light intensity of the measurement light L does not need to exactly match the light intensity when the reference spectral sensitivity characteristic is measured (step S1). Subsequently, the device under test M is disposed on the diffraction grating section 6 (step S2), and the device under test M is irradiated with the measurement light L having the reference peak wavelength λp determined in step S5a to obtain the output signal value C1. (Step S5b). Here, in the state in which the measurement object L is irradiated with the measurement light L having the reference peak wavelength λp, the phase matching condition is changed by arranging the measurement object M, so that the measurement light having the reference peak wavelength λp is changed. L no longer satisfies the phase matching condition. Accordingly, the output signal value C1 is smaller than the reference peak signal value Cp. Subsequently, using the reference peak signal value Cp and the output signal value C1, a spectral sensitivity characteristic (graph G6) in a state in which the first object to be measured M is arranged is obtained by a known mathematical method (step S5c). .

また、基準ピーク波長λｐを有する測定光Ｌをより屈折率の大きい第２の被測定物Ｍに照射した場合には、出力信号値Ｃ２が得られる。そして、基準ピーク信号値Ｃｐと出力信号値Ｃ２とを利用して、公知の数学的手法により第２の被測定物Ｍを配置した状態における分光感度特性を示すグラフＧ７を得る。 Further, when the measurement light L having the reference peak wavelength λp is irradiated onto the second object to be measured M having a higher refractive index, an output signal value C2 is obtained. Then, using the reference peak signal value Cp and the output signal value C2, a graph G7 indicating the spectral sensitivity characteristic in a state where the second device under test M is arranged is obtained by a known mathematical method.

分光感度特性を利用して被測定物Ｍの屈折率ｎを得る（工程Ｓ６）。位相整合条件を定める式（式（２−１）及び式（２−２））には、屈折率ｎと測定光Ｌの波長λが含まれている。従って、式（２−１）及び式（２−２）において、導波モードの伝搬波長λｇｆ，λｇｂ、格子ピッチＰ、測定光Ｌのピーク波長λｐ及び測定光Ｌの入射角度θが既知の場合に、屈折率ｎが算出可能であることがわかる。 The refractive index n of the object to be measured M is obtained using the spectral sensitivity characteristic (step S6). Formulas (Formula (2-1) and Formula (2-2)) that define the phase matching condition include the refractive index n and the wavelength λ of the measurement light L. Therefore, when the propagation wavelengths λgf and λgb of the waveguide mode, the grating pitch P, the peak wavelength λp of the measurement light L, and the incident angle θ of the measurement light L are known in the equations (2-1) and (2-2) It can be seen that the refractive index n can be calculated.

本実施形態では、導波モードの伝搬波長λｇｆ，λｇｂ、格子ピッチＰ及び測定光Ｌの入射角度θが屈折率測定装置１の構成から決定できる値であるため、ピーク波長λｐを得る工程（工程Ｓ６ａ）を実施した後に、屈折率ｎを算出する（工程Ｓ６ｂ）。より詳細には、工程Ｓ６ｂでは、式（２−１）及び式（２−２）に伝搬波長λｇｆ，λｇｂ、格子ピッチＰ、測定光Ｌのピーク波長λｐ及び測定光Ｌの入射角度θを代入し、式（２−１）及び式（２−２）を満たす屈折率ｎを算出する。 In the present embodiment, since the propagation wavelengths λgf and λgb of the waveguide mode, the grating pitch P, and the incident angle θ of the measurement light L are values that can be determined from the configuration of the refractive index measurement apparatus 1, a step of obtaining the peak wavelength λp (step) After performing S6a), the refractive index n is calculated (step S6b). More specifically, in step S6b, the propagation wavelengths λgf and λgb, the grating pitch P, the peak wavelength λp of the measurement light L, and the incident angle θ of the measurement light L are substituted into the equations (2-1) and (2-2). Then, the refractive index n satisfying the expressions (2-1) and (2-2) is calculated.

このような屈折率測定方法によれば、被測定物Ｍを透過した測定光Ｌが回折格子部６に入射し、回折格子部６において特定波長の測定光Ｌが捉えられる。光電変換部３は、捉えられた測定光Ｌに対応する出力信号を出力するため、測定光Ｌの波長λと出力信号の大きさを示す電流値とが関連付けられた分光感度特性が得られる。ここで、分光感度特性は回折格子部６における位相整合条件に関連し、さらに、位相整合条件は回折格子部６上に配置された被測定物Ｍの屈折率ｎに対応しているため、分光感度特性を利用して被測定物Ｍの屈折率ｎを得ることができる。従って、この屈折率測定方法では、外部の光検出器を不要として屈折率測定装置１の構成を簡素化すると共に、回折格子部６で捉えた測定光Ｌを回折格子部６と一体化された光電変換部３で光電流に変換することにより測定光Ｌの利用効率を向上させることができる。 According to such a refractive index measurement method, the measurement light L transmitted through the object to be measured M enters the diffraction grating unit 6, and the measurement light L having a specific wavelength is captured by the diffraction grating unit 6. Since the photoelectric conversion unit 3 outputs an output signal corresponding to the captured measurement light L, a spectral sensitivity characteristic in which the wavelength λ of the measurement light L and a current value indicating the magnitude of the output signal are associated is obtained. Here, the spectral sensitivity characteristic is related to the phase matching condition in the diffraction grating unit 6, and further, the phase matching condition corresponds to the refractive index n of the measurement object M arranged on the diffraction grating unit 6. The refractive index n of the measurement object M can be obtained using the sensitivity characteristic. Therefore, in this refractive index measurement method, the configuration of the refractive index measurement device 1 is simplified by eliminating the need for an external photodetector, and the measurement light L captured by the diffraction grating unit 6 is integrated with the diffraction grating unit 6. The use efficiency of the measurement light L can be improved by converting the photoelectric conversion unit 3 into a photocurrent.

また、分光感度特性におけるピーク波長λｐと屈折率ｎとの間には、式（２−１）及び式（２−２）に示されるような対応関係がある。従って、これらの対応関係を利用することにより、被測定物Ｍの屈折率ｎを容易に得ることができる。 In addition, there is a correspondence relationship as shown in Expression (2-1) and Expression (2-2) between the peak wavelength λp and the refractive index n in the spectral sensitivity characteristic. Therefore, the refractive index n of the object to be measured M can be easily obtained by using these correspondences.

また、この屈折率測定方法では、出力信号値Ｃ１もしくは出力信号値Ｃ２を測定する直前に測定した基準ピーク信号値Ｃｐを基準として屈折率ｎを得ているため、測定光Ｌの光強度の変化等の影響を抑制することが可能となり、屈折率ｎの測定精度を向上させることができる。 In this refractive index measurement method, since the refractive index n is obtained with reference to the reference peak signal value Cp measured immediately before the output signal value C1 or the output signal value C2, the change in the light intensity of the measurement light L is changed. Etc. can be suppressed, and the measurement accuracy of the refractive index n can be improved.

また、この屈折率測定方法によれば、単一の格子ピッチＰを有する回折格子部６により分光感度特性を得ることができる。従って、屈折率測定装置１の構成を簡易にすることができる。更に、本実施形態に係る屈折率測定方法によれば、単一のピーク波長λｐの測定光Ｌにより屈折率ｎを測定することが可能である。従って、光源装置２の構成が簡易になるため、屈折率測定装置１の全体構成を更に簡易にすることができる。 Further, according to this refractive index measurement method, spectral sensitivity characteristics can be obtained by the diffraction grating portion 6 having a single grating pitch P. Therefore, the configuration of the refractive index measuring device 1 can be simplified. Furthermore, according to the refractive index measurement method according to the present embodiment, it is possible to measure the refractive index n with the measurement light L having a single peak wavelength λp. Therefore, since the configuration of the light source device 2 is simplified, the overall configuration of the refractive index measuring device 1 can be further simplified.

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る屈折率測定方法を説明する。第２実施形態に係る屈折率測定方法では、第１実施形態に係る屈折率測定方法とは異なる測定装置を用いる点で第１実施形態に係る屈折率測定方法と相違する。より詳細には、図７に示されるように、屈折率測定装置１Ｂは、同一の埋め込み絶縁層８上に形成された第１の半導体層１１Ａとゲート絶縁層１３Ａ及び第２の半導体層１１Ｂとゲート絶縁層１３Ｂを有している。第１の半導体層１１Ａ上には、ゲート絶縁層１３Ａを介して格子ピッチＰ１の回折格子部６Ａが形成されている。また、第２の半導体層１１Ｂ上には、ゲート絶縁層１３Ｂを介して格子ピッチＰ２の回折格子部６Ｂが形成されている。 [Second Embodiment]
Next, a refractive index measurement method according to the second embodiment will be described. The refractive index measurement method according to the second embodiment is different from the refractive index measurement method according to the first embodiment in that a measurement apparatus different from the refractive index measurement method according to the first embodiment is used. More specifically, as shown in FIG. 7, the refractive index measuring apparatus 1B includes a first semiconductor layer 11A, a gate insulating layer 13A, and a second semiconductor layer 11B formed on the same buried insulating layer 8. A gate insulating layer 13B is provided. On the first semiconductor layer 11A, a diffraction grating portion 6A having a grating pitch P1 is formed via a gate insulating layer 13A. A diffraction grating portion 6B having a grating pitch P2 is formed on the second semiconductor layer 11B via a gate insulating layer 13B.

まず、回折格子部６の格子ピッチＰとピーク波長λｐとの関係について説明する。図８は、互いに異なる格子ピッチＰを有する回折格子部６を備えた光電変換部３の波長特性を示している。なお、測定光Ｌの偏光状態は、ＴＭ偏光（測定光Ｌの電界ベクトルが回折格子の方向に対して垂直）である。図８の横軸は測定光Ｌの波長λを示し、縦軸は外部量子効率を示す。グラフＧ８は、格子ピッチＰが２６０ｎｍである場合の分光感度特性であり、グラフＧ９は、格子ピッチＰが２８０ｎｍである場合の分光感度特性であり、グラフＧ１０は、格子ピッチＰが３００ｎｍである場合の分光感度特性であり、グラフＧ１１は、格子ピッチＰが３２０ｎｍである場合の分光感度特性であり、グラフＧ１２は、格子ピッチＰが３４０ｎｍである場合の分光感度特性である。なお、グラフＧ１３は、回折格子部６を有しない場合の分光感度特性である。 First, the relationship between the grating pitch P of the diffraction grating part 6 and the peak wavelength λp will be described. FIG. 8 shows the wavelength characteristics of the photoelectric conversion unit 3 including the diffraction grating units 6 having different grating pitches P from each other. The polarization state of the measurement light L is TM polarization (the electric field vector of the measurement light L is perpendicular to the direction of the diffraction grating). The horizontal axis of FIG. 8 indicates the wavelength λ of the measurement light L, and the vertical axis indicates the external quantum efficiency. Graph G8 shows the spectral sensitivity characteristic when the grating pitch P is 260 nm, graph G9 shows the spectral sensitivity characteristic when the grating pitch P is 280 nm, and graph G10 shows the case where the grating pitch P is 300 nm. The graph G11 is the spectral sensitivity characteristic when the grating pitch P is 320 nm, and the graph G12 is the spectral sensitivity characteristic when the grating pitch P is 340 nm. The graph G13 is the spectral sensitivity characteristic when the diffraction grating portion 6 is not provided.

図８に示されるように、回折格子部６の格子ピッチＰを大きくするに従って、量子効率のピーク波長λｐも大きくなるとことがわかる。従って、単一波長の測定光Ｌを照射した場合であっても、回折格子部６の格子ピッチＰが異なる場合には、分光感度特性が変化する。 As shown in FIG. 8, it can be understood that the peak wavelength λp of the quantum efficiency increases as the grating pitch P of the diffraction grating portion 6 increases. Therefore, even when the measurement light L having a single wavelength is irradiated, the spectral sensitivity characteristic changes when the grating pitch P of the diffraction grating portion 6 is different.

続いて、第２実施形態に係る屈折率測定方法を説明する。まず、図９に示されるように、第１の光電変換部３Ａにおける第１の基準分光感度特性（グラフＧ１４に相当）と、第２の光電変換部３Ｂにおける第２の基準分光感度特性（グラフＧ１６に相当）とを得る（図５の工程Ｓ１）。 Subsequently, a refractive index measurement method according to the second embodiment will be described. First, as shown in FIG. 9, the first reference spectral sensitivity characteristic (corresponding to the graph G14) in the first photoelectric conversion unit 3A and the second reference spectral sensitivity characteristic (graph) in the second photoelectric conversion unit 3B. (Corresponding to G16) is obtained (step S1 in FIG. 5).

続いて、分光感度特性を得る工程（工程Ｓ５）を実施する。より詳細には、まず、第１の基準分光感度特性を利用して、被測定物Ｍを配置していない状態における第１の基準ピーク波長λｐを決定し、この波長において第１の基準ピーク信号値Ｃｂ１と第２の基準信号値Ｃｂ２を測る（図５の工程Ｓ５ａ）。次に、回折格子部６Ａ，６Ｂ上に被測定物Ｍを配置する（図５の工程Ｓ２）。さらに、基準ピーク波長λｐを有する測定光Ｌを、第１の格子ピッチＰ上に配置された被測定物Ｍに照射して第１の出力信号値Ｃ１を得ると共に、第２の格子ピッチＰ上に配置された被測定物Ｍに照射して第２の出力信号値Ｃ２を得る（図５の工程Ｓ５ｂ）。 Subsequently, a step of obtaining spectral sensitivity characteristics (step S5) is performed. More specifically, first, using the first reference spectral sensitivity characteristic, a first reference peak wavelength λp in a state in which the device under test M is not arranged is determined, and the first reference peak signal at this wavelength is determined. The value Cb1 and the second reference signal value Cb2 are measured (step S5a in FIG. 5). Next, the object M to be measured is placed on the diffraction grating portions 6A and 6B (step S2 in FIG. 5). Further, the measurement light L having the reference peak wavelength λp is irradiated onto the measurement object M arranged on the first grating pitch P to obtain the first output signal value C1, and the second grating pitch P is also measured. 2 to obtain a second output signal value C2 (step S5b in FIG. 5).

ここで、基準ピーク波長λｐを有する測定光Ｌを、第１の格子ピッチＰ上に配置された被測定物Ｍに照射した状態では、被測定物Ｍを配置したことにより位相整合条件が変化しているため（グラフＧ１４，Ｇ１５参照）、基準ピーク波長λｐを有する測定光Ｌは位相整合条件を満たすものではなくなっている。従って、第１の基準ピーク信号値Ｃｂ１よりも第１の出力信号値Ｃ１は小さい値になる。一方、基準ピーク波長λｐを有する測定光Ｌを、第２の格子ピッチＰ上に配置された被測定物Ｍに照射した状態では、被測定物Ｍを配置したことにより位相整合条件に近づくように分光感度特性が変化している（グラフＧ１６，Ｇ１７）。従って、第２の基準ピーク信号値Ｃｂ２よりも第２の出力信号値Ｃ２は大きい値になる。 Here, in the state in which the measuring object M arranged on the first grating pitch P is irradiated with the measuring light L having the reference peak wavelength λp, the phase matching condition is changed by arranging the measuring object M. (See graphs G14 and G15), the measurement light L having the reference peak wavelength λp no longer satisfies the phase matching condition. Accordingly, the first output signal value C1 is smaller than the first reference peak signal value Cb1. On the other hand, in the state where the measurement light L having the reference peak wavelength λp is irradiated on the measurement object M arranged on the second grating pitch P, the measurement object L is arranged so as to approach the phase matching condition. Spectral sensitivity characteristics have changed (graphs G16 and G17). Accordingly, the second output signal value C2 is larger than the second reference peak signal value Cb2.

続いて、第１の基準ピーク信号値Ｃｂ１に対する第１の出力信号値Ｃ１の減少量と、第２の基準ピーク信号値Ｃｂ２に対する第２の出力信号値Ｃ２の増加量と、を利用して被測定物Ｍを第１の格子ピッチＰ上に配置した状態における分光感度特性（グラフＧ１５）を得る（工程Ｓ５ｃ）。そして、この分光感度特性を利用して被測定物Ｍの屈折率ｎを得る（図５の工程Ｓ６）。 Subsequently, the amount of decrease in the first output signal value C1 with respect to the first reference peak signal value Cb1 and the amount of increase in the second output signal value C2 with respect to the second reference peak signal value Cb2 are utilized. A spectral sensitivity characteristic (graph G15) in a state where the measurement object M is arranged on the first grating pitch P is obtained (step S5c). And the refractive index n of the to-be-measured object M is obtained using this spectral sensitivity characteristic (process S6 of FIG. 5).

この屈折率測定方法によれば、１個の被測定物Ｍを異なる格子ピッチＰ上に配置し、それぞれの分光感度特性を利用して屈折率ｎを得ている。従って、１個の分光感度特性を利用した場合に比べて屈折率ｎの測定精度を高めることができる。なお、図５の工程Ｓ５ａは必要に応じて実施すればよく、省いて簡略化することも可能である。 According to this refractive index measurement method, one object to be measured M is arranged on different grating pitches P, and the refractive index n is obtained by using the respective spectral sensitivity characteristics. Therefore, the measurement accuracy of the refractive index n can be increased as compared with the case where one spectral sensitivity characteristic is used. Note that step S5a in FIG. 5 may be performed as necessary, and may be omitted and simplified.

［第３実施形態］
第３実施形態に係る屈折率測定方法を説明する。第３実施形態に係る屈折率測定方法は、屈折率ｎの変化に伴うピーク値を利用して屈折率ｎを得る点で、第１実施形態および第２実施形態に係る屈折率測定方法と相違している。 [Third Embodiment]
A refractive index measurement method according to the third embodiment will be described. The refractive index measurement method according to the third embodiment is different from the refractive index measurement methods according to the first embodiment and the second embodiment in that the refractive index n is obtained by using the peak value accompanying the change in the refractive index n. doing.

まず、図１０に示されるように、リファレンスとなる基準分光感度特性を得る（工程Ｓ１）。この実施形態ではピーク値の変化を捉えやすくするため、被測定物Ｍの屈折率が変化してもピーク波長が変化しないように、測定光Ｌを垂直（θ＝０）に入射する。 First, as shown in FIG. 10, a reference spectral sensitivity characteristic as a reference is obtained (step S1). In this embodiment, the measurement light L is incident vertically (θ = 0) so that the peak wavelength does not change even if the refractive index of the object to be measured M changes in order to easily detect the change in the peak value.

次に、分光感度特性を得る工程（工程Ｓ５）について説明する。より詳細には、この工程Ｓ５では、分光感度特性におけるピーク値の変化を得る。まず、基準分光感度特性（図１１のグラフＧ１８に相当）を利用して、被測定物Ｍを配置していない状態における基準ピーク波長λｐを決定し、この波長において基準ピーク信号値Ｃｐを測る（工程Ｓ５ａ）。続いて、回折格子部６に被測定物Ｍを配置し（工程Ｓ２）、基準ピーク波長λｐを有する測定光Ｌを被測定物Ｍに照射して、出力信号値Ｃ１を得る（工程Ｓ５ｂ）。図１１には、被測定物Ｍの屈折率が異なる（より大きい）場合の分光感度特性Ｇ２０ならびに、出力信号値Ｃ２も示している。図１１によれば、測定光Ｌを垂直（θ＝０）に入射させた場合には、ピーク波長は変わらず、ピーク値が被測定物Ｍの屈折率に対応して変化することがわかる。 Next, the step of obtaining spectral sensitivity characteristics (step S5) will be described. More specifically, in this step S5, a change in peak value in the spectral sensitivity characteristic is obtained. First, using the reference spectral sensitivity characteristic (corresponding to the graph G18 in FIG. 11), the reference peak wavelength λp in the state where the device under test M is not arranged is determined, and the reference peak signal value Cp is measured at this wavelength ( Step S5a). Subsequently, the device under test M is arranged on the diffraction grating section 6 (step S2), and the measurement light L having the reference peak wavelength λp is irradiated onto the device under test M to obtain an output signal value C1 (step S5b). FIG. 11 also shows the spectral sensitivity characteristic G20 and the output signal value C2 when the refractive index of the object to be measured M is different (larger). As can be seen from FIG. 11, when the measurement light L is incident vertically (θ = 0), the peak wavelength does not change and the peak value changes corresponding to the refractive index of the object M to be measured.

次に、屈折率ｎを得る（工程Ｓ６）。ここで、ピーク値と屈折率ｎとの関係について説明する。図１２は、屈折率ｎとピーク値との関係を示すグラフであり、横軸が屈折率ｎを示し、縦軸がピーク値を示す。このグラフでは、ピーク値として、屈折率ｎが１であるときの光電流値を基準とした正規化された光電流値を用いている。また、図１２のグラフＧ２１は、格子ピッチＰが３００ｎｍであり、金からなる格子の幅が１５０ｎｍであり、酸化シリコンからなるゲート絶縁層１３の厚さｔ１が１００ｎｍであり、ＳＯＩフォトダイオードをなす半導体層１１の厚さが１００ｎｍであるとし、垂直に入射される測定光Ｌの波長λを７０３ｎｍとした計算モデルを用いたシミュレーション結果である。なお、この計算モデルには、ゲート絶縁層１３に溝１３ａは形成されていない。グラフＧ２１に示されるように、屈折率ｎが１〜１．９の範囲において、屈折率が増加すると正規化光電流はほぼ線形的に減少することがわかる。従って、このグラフＧ２１の傾きをシミュレーションや実験により得ておくことにより、傾きと正規化光電流から屈折率ｎを算出することができることがわかる。 Next, the refractive index n is obtained (step S6). Here, the relationship between the peak value and the refractive index n will be described. FIG. 12 is a graph showing the relationship between the refractive index n and the peak value, where the horizontal axis indicates the refractive index n and the vertical axis indicates the peak value. In this graph, a normalized photocurrent value based on the photocurrent value when the refractive index n is 1 is used as the peak value. In the graph G21 in FIG. 12, the lattice pitch P is 300 nm, the width of the lattice made of gold is 150 nm, the thickness t1 of the gate insulating layer 13 made of silicon oxide is 100 nm, and forms an SOI photodiode. This is a simulation result using a calculation model in which the thickness of the semiconductor layer 11 is 100 nm and the wavelength λ of the measurement light L incident perpendicularly is 703 nm. In this calculation model, the groove 13 a is not formed in the gate insulating layer 13. As shown in the graph G21, it can be seen that when the refractive index increases in the range of the refractive index n of 1 to 1.9, the normalized photocurrent decreases almost linearly. Therefore, it can be seen that the refractive index n can be calculated from the slope and the normalized photocurrent by obtaining the slope of the graph G21 by simulation or experiment.

なお、回折格子部６に測定光Ｌが垂直に照射された場合に、ピーク値の変化が生じる理由は次のとおりである。すなわち、回折格子部６に測定光Ｌを垂直（θ＝０）に入射した場合における、測定光Ｌの波長λと導波路モードの伝搬波長λｇｆ，λｇｂとの関係は、式（１）及び図１３に示される。図１３において、グラフＧ２２はＴＭ偏光の測定光Ｌ（電界ベクトルが回折格子の方向に対して垂直）であって式（１）におけるｍが０の場合の関係であり、グラフＧ２３はＴＥ偏光の測定光Ｌ（電界ベクトルが回折格子の方向に対して平行）であって式（１）におけるｍが０の場合の関係である。また、グラフＧ２４はＴＭ偏光の測定光Ｌであって式（１）におけるｍが１の場合の関係であり、グラフＧ２５はＴＥ偏光の測定光Ｌであって式（１）におけるｍが１の場合の関係である。 The reason why the peak value changes when the diffraction grating portion 6 is irradiated with the measurement light L vertically is as follows. That is, the relationship between the wavelength λ of the measurement light L and the propagation wavelengths λgf and λgb of the waveguide mode when the measurement light L is incident on the diffraction grating unit 6 perpendicularly (θ = 0) is expressed by Equation (1) and FIG. It is shown in FIG. In FIG. 13, graph G22 is the relationship when TM-polarized measurement light L (electric field vector is perpendicular to the direction of the diffraction grating) and m in equation (1) is 0, and graph G23 is the TE-polarized light. This is the relationship when the measurement light L (the electric field vector is parallel to the direction of the diffraction grating) and m in the equation (1) is 0. Graph G24 shows the relationship when TM-polarized measurement light L and m in equation (1) are 1, and graph G25 shows TE-polarized measurement light L and m in equation (1) is 1. It is a case relationship.

そして、式（２−１）及び式（２−２）によると、回折格子部６に測定光Ｌが垂直に入射された場合（θ＝０）、導波路モードの伝搬波長λｇｆ，λｇｂと格子ピッチＰが等しいとき（λｇｆ，λｇｂ＝Ｐ）に、位相整合条件を満たす。そして、例えば、伝搬波長λｇｆ，λｇｂと格子ピッチＰが３００ｎｍであって、ＴＭ偏光の測定光Ｌを照射する場合には、被測定物Ｍの屈折率に関わり無く測定光Ｌの波長λが７００ｎｍである場合に出力電流はピーク値を取る、すなわちピーク波長は変わらない。 According to the equations (2-1) and (2-2), when the measurement light L is vertically incident on the diffraction grating portion 6 (θ = 0), the propagation wavelengths λgf and λgb of the waveguide mode and the grating When the pitches P are equal (λgf, λgb = P), the phase matching condition is satisfied. For example, when the propagation wavelengths λgf and λgb and the grating pitch P are 300 nm and the measurement light L of TM polarization is irradiated, the wavelength λ of the measurement light L is 700 nm regardless of the refractive index of the object M to be measured. The output current takes a peak value, that is, the peak wavelength does not change.

屈折率ｎを得る工程Ｓ６では、工程Ｓ５ａで得たピーク値Ｃｂと、工程Ｓ５ｂで得たピーク値（Ｃ１もしくはＣ２）を用いて、事前に算出した屈折率ｎとピーク値（即ち光電流値）との関係を利用して、ピーク値を屈折率ｎに換算する（工程Ｓ６ｂ）。 In step S6 for obtaining the refractive index n, the refractive index n and the peak value (that is, the photocurrent value) calculated in advance using the peak value Cb obtained in step S5a and the peak value (C1 or C2) obtained in step S5b. ) Is used to convert the peak value to the refractive index n (step S6b).

この方法によれば、屈折率ｎの変化に伴うピーク波長λｐの変化を生じさせるために測定光Ｌを斜めに照射する必要がなく、回折格子部６に対して垂直に測定光Ｌを照射することができる。回折格子部６に対して垂直に測定光Ｌを照射する構成によれば、回折格子部６に対して斜めに測定光Ｌを照射する構成に対して装置構成を簡易にすることができる。 According to this method, there is no need to irradiate the measurement light L obliquely in order to cause a change in the peak wavelength λp accompanying a change in the refractive index n, and the measurement light L is irradiated perpendicularly to the diffraction grating portion 6. be able to. According to the configuration in which the measurement light L is irradiated perpendicularly to the diffraction grating unit 6, the apparatus configuration can be simplified compared to the configuration in which the measurement light L is irradiated obliquely to the diffraction grating unit 6.

［変形例］
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。屈折率測定方法は、農業、化学、生物学及び医学等の分野において実施される屈折率の測定に利用することができる。例えば、屈折率測定方法は、医学分野において所定のウイルスを検出する方法に利用することができる。 [Modification]
The present invention is not limited to the embodiment described above. The refractive index measurement method can be used for the measurement of refractive index implemented in fields such as agriculture, chemistry, biology, and medicine. For example, the refractive index measurement method can be used as a method for detecting a predetermined virus in the medical field.

この場合には、回折格子部６に検出したいウイルスに対応する抗体を予め配置しておき、ウイルスを含む可能性のある被測定物Ｍを回折格子部６に配置する。そして、屈折率ｎを測定すると、被測定物Ｍがウイルスを含む場合には屈折率ｎの変化が生じるため、被測定物Ｍに所定のウイルスが含まれていることがわかる。また、屈折率ｎの変化量は、回折格子部６の抗体に捉えられたウイルスの量と関係がある。従って、屈折率ｎの変化量を利用して、被測定物Ｍに含まれているウイルスの量を推定することも可能である。 In this case, an antibody corresponding to a virus to be detected is arranged in advance in the diffraction grating unit 6, and an object to be measured M that may contain a virus is arranged in the diffraction grating unit 6. When the refractive index n is measured, it can be seen that the measured object M contains a predetermined virus because the refractive index n changes when the measured object M contains a virus. Further, the amount of change in the refractive index n is related to the amount of virus captured by the antibody of the diffraction grating portion 6. Therefore, it is also possible to estimate the amount of virus contained in the measurement object M using the amount of change in the refractive index n.

また、分光感度特性を得る工程Ｓ５では、測定光Ｌの波長λを連続的に変化させつつ、それぞれの測定光Ｌに対応する出力信号と測定光Ｌの波長λとの組み合わせを複数取得することにより、分光感度特性を示すグラフを得てもよい。この方法によれば、精度のよい分光感度特性が得られるため、屈折率ｎの測定精度を高めることができる。 In step S5 for obtaining spectral sensitivity characteristics, a plurality of combinations of the output signal corresponding to each measurement light L and the wavelength λ of the measurement light L are obtained while continuously changing the wavelength λ of the measurement light L. Thus, a graph showing spectral sensitivity characteristics may be obtained. According to this method, accurate spectral sensitivity characteristics can be obtained, so that the measurement accuracy of the refractive index n can be increased.

また、図１４に示されるように、屈折率測定装置１は、回折格子部６の貫通溝６ａがゲート絶縁層１３にまで延在していてもよい。前述した実施形態では、光吸収層である半導体層１１が埋め込み絶縁層８とゲート絶縁層１３とに挟まれ、ゲート絶縁層１３の厚さｔ１が例えば１００ｎｍであった（図２参照）。この場合には、ゲート絶縁層１３の厚さｔ１は、半導体層１１の導波路モードの算定において略無限大と同等に扱うことができる。一方、本変形例に係る屈折率測定装置１では、回折格子部６の貫通溝６ａと連通する溝１３ａがゲート絶縁層１３に形成され、溝１３ａが形成された領域では、半導体層１１上のゲート絶縁層１３の厚さｔ２が薄くなる。この場合には、ゲート絶縁層１３の厚さｔ２は、半導体層１１の導波路モードの算定において厚さが無限大の場合と同等に扱うことができなくなり、導波モード自体が被測定物Ｍの屈折率に応じて変化することになる。 Further, as shown in FIG. 14, in the refractive index measuring apparatus 1, the through groove 6 a of the diffraction grating portion 6 may extend to the gate insulating layer 13. In the embodiment described above, the semiconductor layer 11 which is a light absorption layer is sandwiched between the buried insulating layer 8 and the gate insulating layer 13, and the thickness t1 of the gate insulating layer 13 is, for example, 100 nm (see FIG. 2). In this case, the thickness t <b> 1 of the gate insulating layer 13 can be handled as being substantially infinite in the calculation of the waveguide mode of the semiconductor layer 11. On the other hand, in the refractive index measuring apparatus 1 according to this modification, the groove 13a that communicates with the through groove 6a of the diffraction grating portion 6 is formed in the gate insulating layer 13, and the region on which the groove 13a is formed is on the semiconductor layer 11. The thickness t2 of the gate insulating layer 13 is reduced. In this case, the thickness t2 of the gate insulating layer 13 cannot be handled in the same manner as the case where the thickness of the semiconductor layer 11 is infinite in the calculation of the waveguide mode of the semiconductor layer 11, and the waveguide mode itself is the object to be measured M. It will change according to the refractive index of.

図１５は、ピーク波長λｐと屈折率ｎとの関係を示す計算結果であり、ゲート絶縁層１３に溝１３ａが形成された場合（グラフＧ２７，Ｇ２９）と、ゲート絶縁層１３に溝１３ａが形成されていない場合（グラフＧ２６，Ｇ２８）とを比較するものである。なお、グラフＧ２８，Ｇ２９は前進波におけるピーク波長λｐと屈折率ｎとの関係であり、グラフＧ２６，Ｇ２７は後進波におけるピーク波長λｐと屈折率ｎとの関係である。なお、この計算において、格子ピッチＰは３２０ｎｍであり、ゲート絶縁層１３の厚さｔ２は２０ｎｍである。 FIG. 15 is a calculation result showing the relationship between the peak wavelength λp and the refractive index n. When the groove 13a is formed in the gate insulating layer 13 (graphs G27 and G29), the groove 13a is formed in the gate insulating layer 13. This is a comparison with the case where the graph is not made (graphs G26 and G28). Graphs G28 and G29 show the relationship between the peak wavelength λp and the refractive index n in the forward wave, and graphs G26 and G27 show the relationship between the peak wavelength λp and the refractive index n in the backward wave. In this calculation, the lattice pitch P is 320 nm, and the thickness t2 of the gate insulating layer 13 is 20 nm.

グラフＧ２６，Ｇ２７を確認すると、ゲート絶縁層１３に溝１３ａが形成された場合には、傾きが大きくなっていることがわかる。より詳細には、ゲート絶縁層１３に溝１３ａが形成された場合の傾きは、４１．８ｎｍ／ＲＩＵであり、ゲート絶縁層１３に溝１３ａが形成されていない場合の傾きは、２６．４ｎｍ／ＲＩＵであった。従って、ゲート絶縁層１３に溝１３ａが形成された場合には、屈折率ｎの変化に対するピーク波長λｐの変化が大きくなるため、屈折率感度を向上させ得ることがわかった。 When the graphs G26 and G27 are confirmed, it can be seen that when the groove 13a is formed in the gate insulating layer 13, the inclination is increased. More specifically, the inclination when the groove 13a is formed in the gate insulating layer 13 is 41.8 nm / RIU, and the inclination when the groove 13a is not formed in the gate insulating layer 13 is 26.4 nm / RIU. It was RIU. Therefore, it was found that when the groove 13a is formed in the gate insulating layer 13, the change in the peak wavelength λp with respect to the change in the refractive index n becomes large, so that the refractive index sensitivity can be improved.

なお、グラフＧ２８，Ｇ２９を確認すると、ゲート絶縁層１３に溝１３ａが形成された場合（グラフＧ２９）は、ゲート絶縁層１３に溝１３ａが形成されていない場合（グラフＧ２８）よりも傾きが小さくなっている。すなわち、屈折率感度が低下している。しかし、ピーク波長λｐから屈折率ｎを算出する場合には、後進波の特性（グラフＧ２７）のみを用いて算出できるため問題にならない。 When the graphs G28 and G29 are confirmed, the inclination is smaller when the groove 13a is formed in the gate insulating layer 13 (graph G29) than when the groove 13a is not formed in the gate insulating layer 13 (graph G28). It has become. That is, the refractive index sensitivity is lowered. However, when calculating the refractive index n from the peak wavelength λp, there is no problem because it can be calculated using only the backward wave characteristic (graph G27).

また、前述した実施形態では、式（２−１）及び式（２−２）を利用して屈折率ｎを算出したが、この方法に限定されない。図１６は、屈折率ｎとピーク波長λｐとの関係を示すグラフであり、横軸が屈折率ｎを示し、縦軸がピーク波長λｐを示す。グラフＧ３０は測定光Ｌの入射角度θが０度の場合の屈折率ｎとピーク波長λｐの関係である。グラフＧ３１は測定光Ｌの入射角度θが１０度の場合の後進波における屈折率ｎとピーク波長λｐの関係であり、グラフＧ３２は測定光Ｌの入射角度θが１０度の場合の前進波における屈折率ｎとピーク波長λｐの関係である。また、グラフＧ３３は測定光Ｌの入射角度θが２０度の場合の後進波における屈折率ｎとピーク波長λｐの関係であり、グラフＧ３４は測定光Ｌの入射角度θが２０度の場合の前進波における屈折率ｎとピーク波長λｐの関係である。グラフＧ３１〜Ｇ３４に示されるように、屈折率ｎとピーク波長λｐとの間には、比例関係があることがわかる。グラフＧ３１の傾きは３２．０ｎｍ／ＲＩＵであり、グラフＧ３２の傾きは−２３．２ｎｍ／ＲＩＵであり、グラフＧ３３の傾きは５２．８ｎｍ／ＲＩＵであり、グラフＧ３４の傾きは−３０．６ｎｍ／ＲＩＵである。これら傾きとピーク波長λｐから屈折率ｎを算出することができる。この方法によれば、ピーク波長λｐの屈折率ｎへの変換を容易にし、屈折率ｎの測定におけるスループットを向上させることができる。 Moreover, in embodiment mentioned above, although the refractive index n was calculated using Formula (2-1) and Formula (2-2), it is not limited to this method. FIG. 16 is a graph showing the relationship between the refractive index n and the peak wavelength λp, with the horizontal axis indicating the refractive index n and the vertical axis indicating the peak wavelength λp. Graph G30 shows the relationship between the refractive index n and the peak wavelength λp when the incident angle θ of the measurement light L is 0 degree. Graph G31 shows the relationship between the refractive index n and the peak wavelength λp in the backward wave when the incident angle θ of the measuring light L is 10 degrees, and graph G32 shows the relationship in the forward wave when the incident angle θ of the measuring light L is 10 degrees. The relationship between the refractive index n and the peak wavelength λp. The graph G33 shows the relationship between the refractive index n and the peak wavelength λp in the backward wave when the incident angle θ of the measuring light L is 20 degrees, and the graph G34 shows the forward movement when the incident angle θ of the measuring light L is 20 degrees. This is the relationship between the refractive index n and the peak wavelength λp in the wave. As can be seen from the graphs G31 to G34, there is a proportional relationship between the refractive index n and the peak wavelength λp. The slope of the graph G31 is 32.0 nm / RIU, the slope of the graph G32 is −23.2 nm / RIU, the slope of the graph G33 is 52.8 nm / RIU, and the slope of the graph G34 is −30.6 nm / RIU. RIU. The refractive index n can be calculated from the inclination and the peak wavelength λp. According to this method, the peak wavelength λp can be easily converted into the refractive index n, and the throughput in measuring the refractive index n can be improved.

また、屈折率測定装置１は、アレイ状に配置された複数の光電変換部３を有していてもよい。複数の光電変換部３を有することにより、屈折率ｎの測定におけるスループットを向上させることができる。前述のウイルスを検出する方法においては、異なった種類の抗体をそれぞれの光電変換部３に配置することによって、異なった種類のウイルスを同時に検出することができる。 Moreover, the refractive index measuring device 1 may have a plurality of photoelectric conversion units 3 arranged in an array. By having the plurality of photoelectric conversion units 3, the throughput in the measurement of the refractive index n can be improved. In the above-described method for detecting viruses, different types of viruses can be detected simultaneously by disposing different types of antibodies in the respective photoelectric conversion units 3.

また、屈折率測定装置１の光電変換部３は、シリコン基板７の代わりにＧｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の半導体、ガラスや合成樹脂等の絶縁体、ステンレスやアルミニウム等の金属から成る基板を用いていてもよい。また、半導体層１１は、不純物を添加していない半導体を用いてもよい。 The photoelectric conversion unit 3 of the refractive index measuring apparatus 1 uses a substrate made of a semiconductor such as Ge, GaAs or InP, an insulator such as glass or synthetic resin, or a metal such as stainless or aluminum instead of the silicon substrate 7. May be. The semiconductor layer 11 may be a semiconductor to which no impurity is added.

また、回折格子部６の材料としては、金に限らず、銀、銅、アルミニウム等の金属や、その他の導電性材料、例えばリン、ボロン、砒素等の不純物を添加した多結晶シリコンなどを用いてもよい。それらの金属や導電性材料の下に付着力強化層として、チタン、クロム、パラジウム、酸化タンタル、窒化シリコンなどの薄い層を挿入してもよい。また、回折格子部６の貫通溝６ａが延在する向きは、検出したい偏光の向きに応じて、図１のＸＹ平面内で任意の向きに回転させてもよい。 The material of the diffraction grating portion 6 is not limited to gold, and other conductive materials such as polycrystalline silicon to which impurities such as phosphorus, boron, and arsenic are added, such as silver, copper, and aluminum. May be. A thin layer of titanium, chromium, palladium, tantalum oxide, silicon nitride, or the like may be inserted as an adhesion strengthening layer under the metal or conductive material. Further, the direction in which the through groove 6a of the diffraction grating portion 6 extends may be rotated in any direction within the XY plane of FIG. 1 according to the direction of polarized light to be detected.

１…屈折率測定装置、４…半導体受光素子部、６…回折格子部、６ａ…貫通溝、Ｍ…被測定物、Ｌ…測定光、ｎ…屈折率、λ…波長。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Refractive index measuring apparatus, 4 ... Semiconductor light-receiving element part, 6 ... Diffraction grating part, 6a ... Through-groove, M ... Measuring object, L ... Measuring light, n ... Refractive index, (lambda) ... Wavelength.

Claims

First and first and second semiconductor light-receiving element portion, the first and second respectively arranged on the semiconductor light-receiving element portion linear grooves for outputting a signal corresponding to the incident light is formed with a plurality placing the object to be measured to the first and second diffraction grating portions on the refractive index measuring apparatus comprising: a second diffraction grating portion,
By irradiating the measurement object with measurement light after placing the measurement object, the wavelength of the measurement light and the first output from the refractive index measurement device when the measurement light is irradiated . Obtaining first and second spectral sensitivity characteristics associated with the first and second output signals;
By using the first and second spectral sensitivity characteristics have a, obtaining a refractive index of the object to be measured,
The first diffraction grating portion has a first grating pitch;
The second diffraction grating portion has a second grating pitch different from the first grating pitch;
The step of obtaining the refractive index of the object to be measured includes
Obtaining a first peak wavelength of the measurement light corresponding to a peak value of the first output signal using the first spectral sensitivity characteristic;
Obtaining a second peak wavelength of the measurement light corresponding to a peak value of the second output signal using the second spectral sensitivity characteristic;
The refractive index of the object to be measured is obtained using a combination of the first peak wavelength and the first grating pitch and a combination of the second peak wavelength and the second grating pitch. And a refractive index measuring method.

By irradiating the first and second reference grating light to the first and second diffraction grating portions where the device to be measured is not disposed before the step of arranging the device to be measured, The first and second diffraction gratings output from the refractive index measurement device when the first and second reference measurement lights are irradiated and the wavelengths of the first and second reference measurement lights . And obtaining first and second reference spectral sensitivity characteristics associated with the second reference output signal;
The steps of obtaining the first and second spectral sensitivity characteristics include:
Obtaining a reference peak wavelength using the first reference spectral sensitivity characteristic;
Irradiating the object to be measured disposed on the first and second diffraction grating portions with the measurement light having the reference peak wavelength to obtain the first and second output signals; ,
Using the first reference spectral sensitivity characteristic and the first output signal to obtain the first spectral sensitivity characteristic;
The second by using the reference spectral sensitivity characteristic and the second output signal, and a step of obtaining the second spectral sensitivity characteristics, the refractive index measuring method according to claim 1.

The object to be measured, the refractive index measurement method according to claim 1 or 2 is irradiated with the measurement light obliquely to the first and second diffraction grating section.