JP2000352631A - フォトニック結晶及びその製造方法 - Google Patents
フォトニック結晶及びその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 完全バンドギャップを有し、かつ機械的強度
の大きい２次元構造のフォトニック結晶を提供する。ま
た、このフォトニック結晶を容易に、しかも量産し易い
形で製造することができるフォトニック結晶の製造方法
を提供する。 【解決手段】 ２次元の蜂の巣格子状に配列された第１
の誘電体からなる複数本の柱状体１と、柱状体１を被覆
しかつ柱状体１間に充填された第２の誘電体２と、第２
の誘電体２中に内包される第３の誘電体３とを備え、第
１の誘電体１の誘電率は、第２の誘電体２の誘電率及び
第３の誘電体３の誘電率よりも大であることを特徴とす
る。
の大きい２次元構造のフォトニック結晶を提供する。ま
た、このフォトニック結晶を容易に、しかも量産し易い
形で製造することができるフォトニック結晶の製造方法
を提供する。 【解決手段】 ２次元の蜂の巣格子状に配列された第１
の誘電体からなる複数本の柱状体１と、柱状体１を被覆
しかつ柱状体１間に充填された第２の誘電体２と、第２
の誘電体２中に内包される第３の誘電体３とを備え、第
１の誘電体１の誘電率は、第２の誘電体２の誘電率及び
第３の誘電体３の誘電率よりも大であることを特徴とす
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、フォトニック結晶
及びその製造方法に関し、特に、複数の誘電体柱を２次
元の蜂の巣状に配列してなるフォトニック結晶及びその
製造方法に関するものである。
及びその製造方法に関し、特に、複数の誘電体柱を２次
元の蜂の巣状に配列してなるフォトニック結晶及びその
製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、光伝送の分野において用いられる
結晶に、均一媒質と異なり、光伝播に特異な波長分散特
性を有するフォトニック結晶がある。このフォトニック
結晶は、誘電率の大きく異なる２種類以上の誘電体を、
光の波長程度の格子定数を有するように周期的に配列し
た複合誘電体結晶である。フォトニック結晶には、周期
性を有する方向の数に応じて１次元、２次元、３次元の
３種類の構造があり、それぞれの次元に対して具体的な
構造が各種提案されている（例えば、固体物理 Ｖｏ
ｌ．３２ Ｎｏ．１１ ｐ．８６２（１９９７）参
照）。
結晶に、均一媒質と異なり、光伝播に特異な波長分散特
性を有するフォトニック結晶がある。このフォトニック
結晶は、誘電率の大きく異なる２種類以上の誘電体を、
光の波長程度の格子定数を有するように周期的に配列し
た複合誘電体結晶である。フォトニック結晶には、周期
性を有する方向の数に応じて１次元、２次元、３次元の
３種類の構造があり、それぞれの次元に対して具体的な
構造が各種提案されている（例えば、固体物理 Ｖｏ
ｌ．３２ Ｎｏ．１１ ｐ．８６２（１９９７）参
照）。
【０００３】例えば、１次元のフォトニック結晶とし
て、誘電体薄膜をその膜厚方向に一定間隔ずつ離して重
ねた構造のものがある。このフォトニック結晶では、誘
電体薄膜（誘電率＞１）と空気層（誘電率１）の２層
を、その膜厚方向に交互に（周期的に）配列している。
また、２次元のフォトニック結晶としては、誘電体基板
に正方格子状や三角格子状に複数の縦孔を開孔したも
の、あるいは逆に、誘電体基板上に正方格子状や三角格
子状に複数の針（柱）を立設したものがある。
て、誘電体薄膜をその膜厚方向に一定間隔ずつ離して重
ねた構造のものがある。このフォトニック結晶では、誘
電体薄膜（誘電率＞１）と空気層（誘電率１）の２層
を、その膜厚方向に交互に（周期的に）配列している。
また、２次元のフォトニック結晶としては、誘電体基板
に正方格子状や三角格子状に複数の縦孔を開孔したも
の、あるいは逆に、誘電体基板上に正方格子状や三角格
子状に複数の針（柱）を立設したものがある。
【０００４】また、３次元のフォトニック結晶として
は、誘電体基板に面心立方格子状に複数の斜めの孔を開
孔したもの、あるいは逆に、誘電体基板に面心立方格子
状に複数の針（柱）を立設したものがある。このフォト
ニック結晶は、誘電体基板に三角格子状に斜めの孔を開
けることを互いに等角度に異なる方向から３回繰り返し
たり、あるいは等間隔で平行する棒を井桁状に積み上げ
ていくなどの方法により実現することができる。
は、誘電体基板に面心立方格子状に複数の斜めの孔を開
孔したもの、あるいは逆に、誘電体基板に面心立方格子
状に複数の針（柱）を立設したものがある。このフォト
ニック結晶は、誘電体基板に三角格子状に斜めの孔を開
けることを互いに等角度に異なる方向から３回繰り返し
たり、あるいは等間隔で平行する棒を井桁状に積み上げ
ていくなどの方法により実現することができる。
【０００５】このように、フォトニック結晶は、誘電体
配列の基本的な周期構造により三角格子、面心立方格子
等、物質の結晶構造と同じ分類が成されている。このフ
ォトニック結晶は、その製造方法が異なると具体的な構
造も異なり、これらの構造の違いが光伝播特性に影響を
及ぼす。フォトニック結晶の構造を適切に選べば、格子
定数の１／２程度の波長の光が周期構造内のどの方向に
も伝播することができない様にすることができる。この
時、その結晶はフォトニック・バンド・ギャップ（ＰＢ
Ｇ）を有するという。
配列の基本的な周期構造により三角格子、面心立方格子
等、物質の結晶構造と同じ分類が成されている。このフ
ォトニック結晶は、その製造方法が異なると具体的な構
造も異なり、これらの構造の違いが光伝播特性に影響を
及ぼす。フォトニック結晶の構造を適切に選べば、格子
定数の１／２程度の波長の光が周期構造内のどの方向に
も伝播することができない様にすることができる。この
時、その結晶はフォトニック・バンド・ギャップ（ＰＢ
Ｇ）を有するという。
【０００６】ここで、ＰＢＧを有する結晶の内部に周期
性を乱す欠陥を導入すれば、この欠陥部分にのみ光が存
在することができる。したがって、この結晶内に欠陥を
閉じた領域として作製すれば光の共振器とすることがで
き、また、この結晶内に欠陥を線状に作製すれば導波路
とすることができる。例えば、２次元フォトニック結晶
の場合では、電界成分を周期構造の平面に平行になるＴ
Ｅ波と、垂直になるＴＭ波に分けることができる。一般
的には、それぞれの光に対応するＰＢＧの周波数ωの範
囲は必ずしも一致しないので、ＴＥ波とＴＭ波の両方に
対して同時にＰＢＧが生じる周波数範囲が存在する場
合、そのＰＢＧは完全バンドギャップ（完全なＰＢＧ）
と呼ばれることがある。
性を乱す欠陥を導入すれば、この欠陥部分にのみ光が存
在することができる。したがって、この結晶内に欠陥を
閉じた領域として作製すれば光の共振器とすることがで
き、また、この結晶内に欠陥を線状に作製すれば導波路
とすることができる。例えば、２次元フォトニック結晶
の場合では、電界成分を周期構造の平面に平行になるＴ
Ｅ波と、垂直になるＴＭ波に分けることができる。一般
的には、それぞれの光に対応するＰＢＧの周波数ωの範
囲は必ずしも一致しないので、ＴＥ波とＴＭ波の両方に
対して同時にＰＢＧが生じる周波数範囲が存在する場
合、そのＰＢＧは完全バンドギャップ（完全なＰＢＧ）
と呼ばれることがある。
【０００７】２次元で完全バンドギャップが存在する比
較的単純な構造のフォトニック結晶に円形孔の三角格子
配列がある。この場合、完全バンドギャップが得られる
格子定数、孔径の目安は、例えば、誘電率１１．４の誘
電体基板に三角格子状に孔を配列した場合、図６に示す
ように、最も広い完全バンドギャップが得られるのは半
径（ｒ／ａ）が０．４８、また周波数（ωａ／２πｃ）
が０．５程度のときである。但し、ｒは孔の半径、ａは
フォトニック結晶の格子定数、ωは光の角振動数、ｃは
真空中の光速である。
較的単純な構造のフォトニック結晶に円形孔の三角格子
配列がある。この場合、完全バンドギャップが得られる
格子定数、孔径の目安は、例えば、誘電率１１．４の誘
電体基板に三角格子状に孔を配列した場合、図６に示す
ように、最も広い完全バンドギャップが得られるのは半
径（ｒ／ａ）が０．４８、また周波数（ωａ／２πｃ）
が０．５程度のときである。但し、ｒは孔の半径、ａは
フォトニック結晶の格子定数、ωは光の角振動数、ｃは
真空中の光速である。
【０００８】例えば、光ファイバーによる遠距離光通信
に用いられる波長１．５５μｍの赤外線に対して必要な
格子定数ａを計算すると、ａ＝０．７８μｍとなる。な
お、この件に関しては、例えば、「フォトニック・クリ
スタル ザ・フロー・オブ・ライト」、ｐｐ．１２５−
１２６（J.D.Joannopoulos, R.D.Meade andJ.N.Winn, P
hotonic Crystals, Modeling the Flow of Light, Prin
ceton University Press, pp.125-126）に詳しく記載さ
れている。
に用いられる波長１．５５μｍの赤外線に対して必要な
格子定数ａを計算すると、ａ＝０．７８μｍとなる。な
お、この件に関しては、例えば、「フォトニック・クリ
スタル ザ・フロー・オブ・ライト」、ｐｐ．１２５−
１２６（J.D.Joannopoulos, R.D.Meade andJ.N.Winn, P
hotonic Crystals, Modeling the Flow of Light, Prin
ceton University Press, pp.125-126）に詳しく記載さ
れている。
【０００９】しかしながら、従来の円形孔を三角格子配
列とした２次元フォトニック結晶の場合においては、完
全バンドギャップが得られるのは孔の直径ｄ（＝２ｒ）
＝０．９５ａのときであるから、孔間の壁の厚さは最小
部で０．０５ａ、即ち０．０３５μｍとなり、現実問題
として、作製するのが非常に困難であるという問題点が
あった。
列とした２次元フォトニック結晶の場合においては、完
全バンドギャップが得られるのは孔の直径ｄ（＝２ｒ）
＝０．９５ａのときであるから、孔間の壁の厚さは最小
部で０．０５ａ、即ち０．０３５μｍとなり、現実問題
として、作製するのが非常に困難であるという問題点が
あった。
【００１０】そこで、例えば、前出の文献「フォトニッ
ク・クリスタル ザ・フロー・オブ・ライト」の１２５
頁には、結晶構造として円柱状の誘電体を蜂の巣状に配
列した２次元蜂の巣格子を用いた点が記載されている。
この構造は、三角格子配列の構造に比べてやや複雑にな
るが、図７に示すように、（ｒ／ａ）＝０．１４、（ω
ａ／２πｃ）〜１．０のときに三角格子配列の構造と同
等以上の広さの完全バンドギャップが存在し、かつ、波
長１．５５μｍに対して格子定数ａ＝１．５５μｍ、円
柱の直径ｄ＝０．２２μｍ、最小円柱間距離０．４６μ
ｍと、構造の最小寸法が大幅に緩和されているので、完
全バンドギャップの生成と実際の結晶作製を両立させる
場合において一応の効果を奏している。
ク・クリスタル ザ・フロー・オブ・ライト」の１２５
頁には、結晶構造として円柱状の誘電体を蜂の巣状に配
列した２次元蜂の巣格子を用いた点が記載されている。
この構造は、三角格子配列の構造に比べてやや複雑にな
るが、図７に示すように、（ｒ／ａ）＝０．１４、（ω
ａ／２πｃ）〜１．０のときに三角格子配列の構造と同
等以上の広さの完全バンドギャップが存在し、かつ、波
長１．５５μｍに対して格子定数ａ＝１．５５μｍ、円
柱の直径ｄ＝０．２２μｍ、最小円柱間距離０．４６μ
ｍと、構造の最小寸法が大幅に緩和されているので、完
全バンドギャップの生成と実際の結晶作製を両立させる
場合において一応の効果を奏している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の蜂の
巣格子２次元フォトニック結晶では、円柱状の誘電体を
多数立設した構造のため、誘電体基板に孔を配列した構
造に比べて機械的強度が低下するという問題点があっ
た。
巣格子２次元フォトニック結晶では、円柱状の誘電体を
多数立設した構造のため、誘電体基板に孔を配列した構
造に比べて機械的強度が低下するという問題点があっ
た。
【００１２】孔を配列した２次元フォトニック結晶の場
合、結晶の厚み（蜂の巣格子２次元フォトニック結晶で
は円柱の高さに相当）は数μｍと、蜂の巣格子２次元フ
ォトニック結晶の円柱直径の１０倍程度にも及ぶ場合が
ある。それにも関わらず、円柱間の領域は誘電率の最も
小さい値、即ち誘電率１とするために空気で満たす必要
があり、円柱を補強するための材料を埋めることが難し
い。また、例え、補強のための材料を円柱間に充填でき
たとしても、フォトニック結晶の作製工程においては、
誘電体基板を洗浄する際に洗浄水の表面張力のために円
柱が破損する虞がある。
合、結晶の厚み（蜂の巣格子２次元フォトニック結晶で
は円柱の高さに相当）は数μｍと、蜂の巣格子２次元フ
ォトニック結晶の円柱直径の１０倍程度にも及ぶ場合が
ある。それにも関わらず、円柱間の領域は誘電率の最も
小さい値、即ち誘電率１とするために空気で満たす必要
があり、円柱を補強するための材料を埋めることが難し
い。また、例え、補強のための材料を円柱間に充填でき
たとしても、フォトニック結晶の作製工程においては、
誘電体基板を洗浄する際に洗浄水の表面張力のために円
柱が破損する虞がある。
【００１３】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであって、完全バンドギャップを有し、かつ機械的強
度の大きい２次元構造のフォトニック結晶を提供するこ
とを目的とする。また、このフォトニック結晶を容易
に、しかも量産し易い形で製造することができるフォト
ニック結晶の製造方法を提供することを目的とする。
のであって、完全バンドギャップを有し、かつ機械的強
度の大きい２次元構造のフォトニック結晶を提供するこ
とを目的とする。また、このフォトニック結晶を容易
に、しかも量産し易い形で製造することができるフォト
ニック結晶の製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は次の様なフォトニック結晶及びその製造方
法を採用した。すなわち、請求項１記載のフォトニック
結晶は、２次元の蜂の巣格子状に配列された第１の誘電
体からなる複数本の柱状体と、柱状体を被覆しかつ該柱
状体間に充填された第２の誘電体と、該第２の誘電体中
に内包される第３の誘電体とを備え、前記第１の誘電体
の誘電率は、前記第２の誘電体の誘電率及び前記第３の
誘電体の誘電率よりも大であることを特徴としている。
このフォトニック結晶では、格子点の柱状体の間を誘電
率の低い材料で接続することにより、２次元の蜂の巣格
子状に配列された柱状体の広い完全バンドギャップと、
三角格子状に配列された孔を有するフォトニック結晶の
高い機械的強度を両立させることが可能になる。
に、本発明は次の様なフォトニック結晶及びその製造方
法を採用した。すなわち、請求項１記載のフォトニック
結晶は、２次元の蜂の巣格子状に配列された第１の誘電
体からなる複数本の柱状体と、柱状体を被覆しかつ該柱
状体間に充填された第２の誘電体と、該第２の誘電体中
に内包される第３の誘電体とを備え、前記第１の誘電体
の誘電率は、前記第２の誘電体の誘電率及び前記第３の
誘電体の誘電率よりも大であることを特徴としている。
このフォトニック結晶では、格子点の柱状体の間を誘電
率の低い材料で接続することにより、２次元の蜂の巣格
子状に配列された柱状体の広い完全バンドギャップと、
三角格子状に配列された孔を有するフォトニック結晶の
高い機械的強度を両立させることが可能になる。
【００１５】請求項２記載のフォトニック結晶は、請求
項１記載のフォトニック結晶において、前記第１の誘電
体はＳｉまたはＧａＡｓであり、前記第２の誘電体はＳ
ｉＯ 2、ＳｉＮxまたはＳｉＯxＮyであることを特徴とし
ている。このフォトニック結晶では、前記第１の誘電体
と前記第２の誘電体との間の密着性が高まり、フォトニ
ック結晶の機械的強度が更に高まる。
項１記載のフォトニック結晶において、前記第１の誘電
体はＳｉまたはＧａＡｓであり、前記第２の誘電体はＳ
ｉＯ 2、ＳｉＮxまたはＳｉＯxＮyであることを特徴とし
ている。このフォトニック結晶では、前記第１の誘電体
と前記第２の誘電体との間の密着性が高まり、フォトニ
ック結晶の機械的強度が更に高まる。
【００１６】請求項３記載のフォトニック結晶は、前記
柱状体、前記第２の誘電体及び前記第３の誘電体を、均
質媒質基板または多層構造基板に形成したことを特徴と
している。このフォトニック結晶は、基板の低誘電率層
と上部を覆う低誘電率の空気とにより挟まれた構成とな
るので、フォトニック結晶の外方、すなわち前記低誘電
率層および／または空気への光の発散が抑制される。
柱状体、前記第２の誘電体及び前記第３の誘電体を、均
質媒質基板または多層構造基板に形成したことを特徴と
している。このフォトニック結晶は、基板の低誘電率層
と上部を覆う低誘電率の空気とにより挟まれた構成とな
るので、フォトニック結晶の外方、すなわち前記低誘電
率層および／または空気への光の発散が抑制される。
【００１７】請求項４記載のフォトニック結晶の製造方
法は、第１の誘電体からなる柱状体が複数本、２次元の
蜂の巣格子状に配列された基板上に、前記第１の誘電体
より誘電率の小さい第２の誘電体からなる膜を成膜する
工程を備え、この工程における前記膜の膜厚を、前記柱
状体間で当該膜が連続する程度の膜厚とすることを特徴
としている。このフォトニック結晶の製造方法では、完
全バンドギャップを有し、かつ機械的強度の高いフォト
ニック結晶を製造することが可能になる。
法は、第１の誘電体からなる柱状体が複数本、２次元の
蜂の巣格子状に配列された基板上に、前記第１の誘電体
より誘電率の小さい第２の誘電体からなる膜を成膜する
工程を備え、この工程における前記膜の膜厚を、前記柱
状体間で当該膜が連続する程度の膜厚とすることを特徴
としている。このフォトニック結晶の製造方法では、完
全バンドギャップを有し、かつ機械的強度の高いフォト
ニック結晶を製造することが可能になる。
【００１８】請求項５記載のフォトニック結晶の製造方
法は、誘電体基板の表面を酸化し、生成する酸化膜の厚
みにより、誘電体からなる柱状体の大きさを制御するこ
とを特徴としている。このフォトニック結晶の製造方法
では、酸化膜の厚みの制御を精密に行なうことができる
ので、直接、柱状体をエッチング加工する場合に比べ、
加工の制御性に勝る。
法は、誘電体基板の表面を酸化し、生成する酸化膜の厚
みにより、誘電体からなる柱状体の大きさを制御するこ
とを特徴としている。このフォトニック結晶の製造方法
では、酸化膜の厚みの制御を精密に行なうことができる
ので、直接、柱状体をエッチング加工する場合に比べ、
加工の制御性に勝る。
【００１９】請求項６記載のフォトニック結晶の製造方
法は、三角格子状に配列された誘電体孔を形成した基板
を酸化する工程を備え、生成する酸化膜の厚みを、少な
くとも前記誘電体孔の隣接する孔間が完全に酸化膜に変
化するだけの厚みとすることを特徴としている。このフ
ォトニック結晶の製造方法では、完全バンドギャップを
有し、かつ機械的強度の高いフォトニック結晶を製造す
ることが可能になる。しかも、製造工程中においても機
械的強度を高く保つことが可能である。
法は、三角格子状に配列された誘電体孔を形成した基板
を酸化する工程を備え、生成する酸化膜の厚みを、少な
くとも前記誘電体孔の隣接する孔間が完全に酸化膜に変
化するだけの厚みとすることを特徴としている。このフ
ォトニック結晶の製造方法では、完全バンドギャップを
有し、かつ機械的強度の高いフォトニック結晶を製造す
ることが可能になる。しかも、製造工程中においても機
械的強度を高く保つことが可能である。
【００２０】請求項７記載のフォトニック結晶の製造方
法は、請求項４、５または６記載のフォトニック結晶の
製造方法において、前記基板はＳｉ基板であることを特
徴としている。このフォトニック結晶の製造方法では、
成熟し、かつ技術的に安定しているＳｉの熱酸化技術を
用いることが可能になる。
法は、請求項４、５または６記載のフォトニック結晶の
製造方法において、前記基板はＳｉ基板であることを特
徴としている。このフォトニック結晶の製造方法では、
成熟し、かつ技術的に安定しているＳｉの熱酸化技術を
用いることが可能になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】本発明のフォトニック結晶及びそ
の製造方法の各実施形態について図面に基づき説明す
る。 ［第１の実施形態］図１は本発明の第１の実施形態のフ
ォトニック結晶を示す平面図であり、２次元フォトニッ
ク結晶を周期平面の法線方向から見た平面構造を表して
いる。
の製造方法の各実施形態について図面に基づき説明す
る。 ［第１の実施形態］図１は本発明の第１の実施形態のフ
ォトニック結晶を示す平面図であり、２次元フォトニッ
ク結晶を周期平面の法線方向から見た平面構造を表して
いる。
【００２２】図において、符号１は断面が略三角形状の
誘電体柱（第１の誘電体からなる柱状体）、２は誘電体
柱１の周囲を被覆しかつ該誘電体柱１間に充填された第
２の誘電体、３は第２の誘電体２中に内包される円形状
の第３の誘電体である。誘電体柱１は２次元の蜂の巣格
子状に配列されており、誘電体柱１の周囲を誘電体２が
覆っている。各誘電体柱１を覆う誘電体２は互いに繋が
っており、誘電体柱１、１、…の間は誘電体２が充填さ
れた構造となっている。そのため、誘電体柱１は蜂の巣
格子状に配列されているにも関わらず、従来の蜂の巣状
に配列された円柱よりも機械的強度に優れている。
誘電体柱（第１の誘電体からなる柱状体）、２は誘電体
柱１の周囲を被覆しかつ該誘電体柱１間に充填された第
２の誘電体、３は第２の誘電体２中に内包される円形状
の第３の誘電体である。誘電体柱１は２次元の蜂の巣格
子状に配列されており、誘電体柱１の周囲を誘電体２が
覆っている。各誘電体柱１を覆う誘電体２は互いに繋が
っており、誘電体柱１、１、…の間は誘電体２が充填さ
れた構造となっている。そのため、誘電体柱１は蜂の巣
格子状に配列されているにも関わらず、従来の蜂の巣状
に配列された円柱よりも機械的強度に優れている。
【００２３】誘電体２は誘電体柱１、１、…の間に完全
に充填されている訳ではなく、誘電体３を更に内包す
る。誘電体柱１、誘電体２、誘電体３の誘電率をそれぞ
れε１、ε２、ε３とすると、ε１＞ε２、ε１＞ε３
の関係が成り立つ。誘電体柱１は三角形に近い形をして
いるが、必ずしも三角形である必要は無く、必要に応じ
て、或いは製造方法に応じて形が変わっても良い。誘電
体柱１、誘電体２それぞれの形状についても同様に形の
制限は無い。また、誘電体柱１、誘電体２、誘電体３の
各材料については、ε１＞ε２、ε１＞ε３の関係を満
たせばよく、特に材料の制限は無い。
に充填されている訳ではなく、誘電体３を更に内包す
る。誘電体柱１、誘電体２、誘電体３の誘電率をそれぞ
れε１、ε２、ε３とすると、ε１＞ε２、ε１＞ε３
の関係が成り立つ。誘電体柱１は三角形に近い形をして
いるが、必ずしも三角形である必要は無く、必要に応じ
て、或いは製造方法に応じて形が変わっても良い。誘電
体柱１、誘電体２それぞれの形状についても同様に形の
制限は無い。また、誘電体柱１、誘電体２、誘電体３の
各材料については、ε１＞ε２、ε１＞ε３の関係を満
たせばよく、特に材料の制限は無い。
【００２４】この２次元のフォトニック結晶の構造上の
長所は、三角格子配列孔構造の完全バンドギャップ以上
の広さの完全バンドギャップが得られる柱の蜂の巣格子
構造と、強度的に柱構造に勝る孔の三角格子構造を融合
させた点である。
長所は、三角格子配列孔構造の完全バンドギャップ以上
の広さの完全バンドギャップが得られる柱の蜂の巣格子
構造と、強度的に柱構造に勝る孔の三角格子構造を融合
させた点である。
【００２５】次に、本実施形態の具体例である実施例に
ついて説明する。誘電体柱１をＳｉ（比誘電率１１．
９）の一辺約０．４μｍの三角柱とする。この誘電体柱
１の周囲は、厚み０．１μｍのＳｉＯ2（比誘電率３．
１）が覆っている。誘電体３はこの場合、空気（比誘電
率１）である。波長１．５５μｍの光に対して完全バン
ドギャップを得るには、蜂の巣格子の格子定数を１．５
５μｍとすれば良い。蜂の巣格子の格子定数は誘電体３
の配列周期に相当する。また、誘電体柱１がＳｉである
から、ＳｉＯ2を被覆することにより、例えば、ＧａＡ
ｓにＳｉＯ2を被覆する場合等と比べて密着性が高くな
り、フォトニック結晶の機械的強度が高くなる。
ついて説明する。誘電体柱１をＳｉ（比誘電率１１．
９）の一辺約０．４μｍの三角柱とする。この誘電体柱
１の周囲は、厚み０．１μｍのＳｉＯ2（比誘電率３．
１）が覆っている。誘電体３はこの場合、空気（比誘電
率１）である。波長１．５５μｍの光に対して完全バン
ドギャップを得るには、蜂の巣格子の格子定数を１．５
５μｍとすれば良い。蜂の巣格子の格子定数は誘電体３
の配列周期に相当する。また、誘電体柱１がＳｉである
から、ＳｉＯ2を被覆することにより、例えば、ＧａＡ
ｓにＳｉＯ2を被覆する場合等と比べて密着性が高くな
り、フォトニック結晶の機械的強度が高くなる。
【００２６】［第２の実施形態］図２は本発明の第２の
実施形態のフォトニック結晶を示す平面図であり、２次
元フォトニック結晶を周期平面の法線方向から見た平面
構造を表している。図において、符号１１は断面が円形
状の誘電体柱（第１の誘電体からなる柱状体）、１２は
誘電体柱１の周囲を被覆しかつ該誘電体柱１１間に充填
された第２の誘電体、１３は第２の誘電体１２中に内包
される中空の円柱状の第３の誘電体である。
実施形態のフォトニック結晶を示す平面図であり、２次
元フォトニック結晶を周期平面の法線方向から見た平面
構造を表している。図において、符号１１は断面が円形
状の誘電体柱（第１の誘電体からなる柱状体）、１２は
誘電体柱１の周囲を被覆しかつ該誘電体柱１１間に充填
された第２の誘電体、１３は第２の誘電体１２中に内包
される中空の円柱状の第３の誘電体である。
【００２７】次に、本実施形態の具体例である実施例に
ついて説明する。誘電体柱１１をＧａＡｓ（比誘電率１
３．１）の直径０．４３μｍの円柱とし、その周囲を被
う誘電体１２を、厚み０．１μｍのＳｉＯ2（比誘電率
３．１）とする。また、誘電体１３は空気（比誘電率
１）である。波長１．５５μｍの光に対して完全バンド
ギャップを得るには、蜂の巣格子の格子定数は１．５５
μｍとすればよい。蜂の巣格子の格子定数は誘電体１３
の配列周期に相当する。
ついて説明する。誘電体柱１１をＧａＡｓ（比誘電率１
３．１）の直径０．４３μｍの円柱とし、その周囲を被
う誘電体１２を、厚み０．１μｍのＳｉＯ2（比誘電率
３．１）とする。また、誘電体１３は空気（比誘電率
１）である。波長１．５５μｍの光に対して完全バンド
ギャップを得るには、蜂の巣格子の格子定数は１．５５
μｍとすればよい。蜂の巣格子の格子定数は誘電体１３
の配列周期に相当する。
【００２８】［第３の実施形態］図３は本発明の第３の
実施形態のフォトニック結晶の製造方法を示す過程図で
ある。図中、Ａ−１、Ｂ−１、Ｃ−１は各工程における
断面図を、また、Ａ−２、Ｂ−２、Ｃ−２は前記各工程
に対応する平面図をそれぞれ示している。
実施形態のフォトニック結晶の製造方法を示す過程図で
ある。図中、Ａ−１、Ｂ−１、Ｃ−１は各工程における
断面図を、また、Ａ−２、Ｂ−２、Ｃ−２は前記各工程
に対応する平面図をそれぞれ示している。
【００２９】このフォトニック結晶を製造するには、図
中Ａ−１及びＡ−２に示すように、先ず、光リソグラフ
ィー技術あるいは電子線直描技術を用いて蜂の巣格子の
レジストパターンを誘電体基板２１上に形成する。この
場合、形成したパターンが抜きパターン、即ち格子点に
穴のあるパターンであれば、金属あるいは誘電体の蒸着
及びリフトオフを行ない、続くエッチング工程のための
エッチングマスク２２を格子点に形成する。
中Ａ−１及びＡ−２に示すように、先ず、光リソグラフ
ィー技術あるいは電子線直描技術を用いて蜂の巣格子の
レジストパターンを誘電体基板２１上に形成する。この
場合、形成したパターンが抜きパターン、即ち格子点に
穴のあるパターンであれば、金属あるいは誘電体の蒸着
及びリフトオフを行ない、続くエッチング工程のための
エッチングマスク２２を格子点に形成する。
【００３０】また、レジストパターンが残しパターン、
即ち格子点にレジストが残っているパターンであれば、
このレジストを、続くエッチング工程のためのエッチン
グマスク２２とする。また、レジストパターン形成に先
立って誘電体基板２１上に１層以上の金属あるいは誘電
体の薄膜を成膜し、続いて残しパターンのレジストパタ
ーンを形成し、ウエットエッチングまたはドライエッチ
ングによりレジストパターンを誘電体基板２１上に成膜
した前記薄膜に転写し、この薄膜転写パターンを続くエ
ッチング工程のためのエッチングマスク２２とする。
即ち格子点にレジストが残っているパターンであれば、
このレジストを、続くエッチング工程のためのエッチン
グマスク２２とする。また、レジストパターン形成に先
立って誘電体基板２１上に１層以上の金属あるいは誘電
体の薄膜を成膜し、続いて残しパターンのレジストパタ
ーンを形成し、ウエットエッチングまたはドライエッチ
ングによりレジストパターンを誘電体基板２１上に成膜
した前記薄膜に転写し、この薄膜転写パターンを続くエ
ッチング工程のためのエッチングマスク２２とする。
【００３１】レジストパターンから誘電体基板２１上の
前記薄膜へパターンを転写した後は、このレジストパタ
ーンを除去してもよく、しなくてもよい。レジストパタ
ーンを一度金属や誘電体に転写してから、更にその金属
や誘電体の転写パターンをエッチングマスクとして基板
に転写する手法は、基板とエッチングマスクの間のエッ
チング選択比を大きくするための手段としてよく用いら
れる。
前記薄膜へパターンを転写した後は、このレジストパタ
ーンを除去してもよく、しなくてもよい。レジストパタ
ーンを一度金属や誘電体に転写してから、更にその金属
や誘電体の転写パターンをエッチングマスクとして基板
に転写する手法は、基板とエッチングマスクの間のエッ
チング選択比を大きくするための手段としてよく用いら
れる。
【００３２】次いで、図中Ｂ−１及びＢ−２に示すよう
に、先に形成したエッチングマスク２２のパターンを、
ドライエッチング装置を用いて誘電体基板２１に転写す
る。すなわち、この誘電体基板２１の表面をエッチング
し、この誘電体基板２１に２次元の蜂の巣格子状の誘電
体柱（誘電体からなる柱状体）２３を形成する。ここ
で、エッチングマスク２２が金属やレジストであれば、
転写後、エッチングマスク２２を除去する必要がある
が、エッチングマスク２２が誘電体材料である場合は、
除去しても、残しておいても、いずれでもよい。
に、先に形成したエッチングマスク２２のパターンを、
ドライエッチング装置を用いて誘電体基板２１に転写す
る。すなわち、この誘電体基板２１の表面をエッチング
し、この誘電体基板２１に２次元の蜂の巣格子状の誘電
体柱（誘電体からなる柱状体）２３を形成する。ここ
で、エッチングマスク２２が金属やレジストであれば、
転写後、エッチングマスク２２を除去する必要がある
が、エッチングマスク２２が誘電体材料である場合は、
除去しても、残しておいても、いずれでもよい。
【００３３】次いで、図中Ｃ−１及びＣ−２に示すよう
に、加工した誘電体基板２１を洗浄した後、この誘電体
基板２１の上に、該誘電体基板２１よりも誘電率の小さ
い材料を用いて誘電体膜２４を成膜する。この時の成膜
厚みは、該誘電体基板２１上に形成された蜂の巣格子配
列の誘電体柱２３の最近接誘電体柱２３、２３間で誘電
体膜２４が互いに接続する程度の厚さでなければならな
い。最近接誘電体柱２３、２３間で誘電体膜２４が接続
することにより、このフォトニック結晶の機械的強度が
増加する。
に、加工した誘電体基板２１を洗浄した後、この誘電体
基板２１の上に、該誘電体基板２１よりも誘電率の小さ
い材料を用いて誘電体膜２４を成膜する。この時の成膜
厚みは、該誘電体基板２１上に形成された蜂の巣格子配
列の誘電体柱２３の最近接誘電体柱２３、２３間で誘電
体膜２４が互いに接続する程度の厚さでなければならな
い。最近接誘電体柱２３、２３間で誘電体膜２４が接続
することにより、このフォトニック結晶の機械的強度が
増加する。
【００３４】次に、このフォトニック結晶の製造方法の
具体例である実施例について説明する。誘電体基板２１
には誘電率１３．１のＧａＡｓ基板（均質媒質基板）を
用いる。この誘電体基板２１による光の吸収を小さく抑
えるため、この誘電体基板２１はノンドープとする。次
いで、スピンコーターを用いて該誘電体基板２１上にＰ
ＭＭＡレジストを０．２μｍ塗布し、８０℃で１５分間
ベークした後、電子線描画装置を用いて描画、更に現像
することにより、ＧａＡｓ基板上に格子定数１．５５μ
ｍの蜂の巣格子抜きレジストパターンを形成する。真空
電子銃加熱蒸着装置を用いてレジストパターン上にＮｉ
を５０ｎｍ堆積し、有機溶剤に該ＧａＡｓ基板を浸漬し
て、レジスト上のＮｉをリフトオフする。
具体例である実施例について説明する。誘電体基板２１
には誘電率１３．１のＧａＡｓ基板（均質媒質基板）を
用いる。この誘電体基板２１による光の吸収を小さく抑
えるため、この誘電体基板２１はノンドープとする。次
いで、スピンコーターを用いて該誘電体基板２１上にＰ
ＭＭＡレジストを０．２μｍ塗布し、８０℃で１５分間
ベークした後、電子線描画装置を用いて描画、更に現像
することにより、ＧａＡｓ基板上に格子定数１．５５μ
ｍの蜂の巣格子抜きレジストパターンを形成する。真空
電子銃加熱蒸着装置を用いてレジストパターン上にＮｉ
を５０ｎｍ堆積し、有機溶剤に該ＧａＡｓ基板を浸漬し
て、レジスト上のＮｉをリフトオフする。
【００３５】次いで、該ＧａＡｓ基板をＥＣＲプラズマ
エッチング装置に導入し、０．１ｍＴｏｒｒの塩素ガス
プラズマを用いて、基板のバイアス電圧を７０Ｖとして
エッチングを行う。このエッチング中、ＧａＡｓ基板の
温度が室温を維持するよう冷却する。エッチング完了
後、塩酸処理と水洗によりＧａＡｓ基板上のＮｉマスク
の除去と該ＧａＡｓ基板の洗浄を行なう。次いで、熱Ｃ
ＶＤ装置を用いて、該ＧａＡｓ基板上に０．１μｍのＳ
ｉＯ2を堆積する。
エッチング装置に導入し、０．１ｍＴｏｒｒの塩素ガス
プラズマを用いて、基板のバイアス電圧を７０Ｖとして
エッチングを行う。このエッチング中、ＧａＡｓ基板の
温度が室温を維持するよう冷却する。エッチング完了
後、塩酸処理と水洗によりＧａＡｓ基板上のＮｉマスク
の除去と該ＧａＡｓ基板の洗浄を行なう。次いで、熱Ｃ
ＶＤ装置を用いて、該ＧａＡｓ基板上に０．１μｍのＳ
ｉＯ2を堆積する。
【００３６】更に、蜂の巣格子配列の誘電体柱２３上部
及び誘電体柱２３、２３間の底部に堆積されたＳｉＯ2
を除去したい場合には、更に該ＧａＡｓ基板を平行平板
型ドライエッチング装置に導入し、３ｍＴｏｒｒのＣＦ
4ガスプラズマを用いて、基板のバイアス電圧を３０Ｖ
程度とした異方性エッチングにより除去する。ここで
は、ドライエッチング装置として、プラズマを利用する
装置を用いたが、光を利用してエッチングする光エッチ
ング装置を利用してもよく、異方性加工が行なえるもの
であれば、エッチング方法を特に限定する必要は無い。
及び誘電体柱２３、２３間の底部に堆積されたＳｉＯ2
を除去したい場合には、更に該ＧａＡｓ基板を平行平板
型ドライエッチング装置に導入し、３ｍＴｏｒｒのＣＦ
4ガスプラズマを用いて、基板のバイアス電圧を３０Ｖ
程度とした異方性エッチングにより除去する。ここで
は、ドライエッチング装置として、プラズマを利用する
装置を用いたが、光を利用してエッチングする光エッチ
ング装置を利用してもよく、異方性加工が行なえるもの
であれば、エッチング方法を特に限定する必要は無い。
【００３７】本実施例により得られたフォトニック結晶
は、ＧａＡｓの蜂の巣状に格子配列された誘電体柱２
３、２３間はＳｉＯ2により接続されているので、従来
の円柱蜂の巣格子に比べて機械的強度は格段に向上して
いる。
は、ＧａＡｓの蜂の巣状に格子配列された誘電体柱２
３、２３間はＳｉＯ2により接続されているので、従来
の円柱蜂の巣格子に比べて機械的強度は格段に向上して
いる。
【００３８】この第３の実施形態の２次元フォトニック
結晶の製造方法では、誘電体（ＧａＡｓ）の蜂の巣格子
配列である誘電体柱は、製造工程途中において一時的に
互いに分離されるので、製造工程途中での誘電体柱の破
損といった懸念が残る。そこで、次に示す第４の実施形
態のフォトニック結晶の製造方法は、このような製造工
程途中における誘電体柱の破損の懸念を除去すると共
に、製造容易にする更に優れた方法である。
結晶の製造方法では、誘電体（ＧａＡｓ）の蜂の巣格子
配列である誘電体柱は、製造工程途中において一時的に
互いに分離されるので、製造工程途中での誘電体柱の破
損といった懸念が残る。そこで、次に示す第４の実施形
態のフォトニック結晶の製造方法は、このような製造工
程途中における誘電体柱の破損の懸念を除去すると共
に、製造容易にする更に優れた方法である。
【００３９】［第４の実施形態］図４は本発明の第４の
実施形態のフォトニック結晶の製造方法を示す過程図で
ある。図中、Ａ−１、Ｂ−１、Ｃ−１は各工程における
断面図を、また、Ａ−２、Ｂ−２、Ｃ−２は前記各工程
に対応する平面図をそれぞれ示している。
実施形態のフォトニック結晶の製造方法を示す過程図で
ある。図中、Ａ−１、Ｂ−１、Ｃ−１は各工程における
断面図を、また、Ａ−２、Ｂ−２、Ｃ−２は前記各工程
に対応する平面図をそれぞれ示している。
【００４０】このフォトニック結晶を製造するには、図
中Ａ−１及びＡ−２に示すように、先ず、光リソグラフ
ィー技術を用いて、作製したい蜂の巣格子の格子定数と
同じ格子定数を有する三角格子のレジストパターンを誘
電体基板３１上に形成する。この時、形成したパターン
が残しパターン、即ち格子点にレジストが残っているパ
ターンであれば、金属あるいは誘電体の蒸着とリフトオ
フを行ない、続くエッチング工程のためのエッチングマ
スク３２を格子点以外の部分に形成する。
中Ａ−１及びＡ−２に示すように、先ず、光リソグラフ
ィー技術を用いて、作製したい蜂の巣格子の格子定数と
同じ格子定数を有する三角格子のレジストパターンを誘
電体基板３１上に形成する。この時、形成したパターン
が残しパターン、即ち格子点にレジストが残っているパ
ターンであれば、金属あるいは誘電体の蒸着とリフトオ
フを行ない、続くエッチング工程のためのエッチングマ
スク３２を格子点以外の部分に形成する。
【００４１】また、レジストパターンが抜きパターン、
即ち格子点に穴のあるパターンであれば、そのレジスト
を、続くエッチング工程のためのエッチングマスク３２
とする。また、レジストパターン形成に先立って、誘電
体基板３１上に１層以上の金属あるいは誘電体の薄膜を
成膜し、次いで、この薄膜上に抜きパターンのレジスト
パターンを形成し、ウエットエッチングまたはドライエ
ッチングによりレジストパターンを誘電体基板３１の上
に成膜した前記薄膜に転写し、その薄膜転写パターンを
続くエッチング工程のためのエッチングマスク３２とし
て用いる。
即ち格子点に穴のあるパターンであれば、そのレジスト
を、続くエッチング工程のためのエッチングマスク３２
とする。また、レジストパターン形成に先立って、誘電
体基板３１上に１層以上の金属あるいは誘電体の薄膜を
成膜し、次いで、この薄膜上に抜きパターンのレジスト
パターンを形成し、ウエットエッチングまたはドライエ
ッチングによりレジストパターンを誘電体基板３１の上
に成膜した前記薄膜に転写し、その薄膜転写パターンを
続くエッチング工程のためのエッチングマスク３２とし
て用いる。
【００４２】このレジストパターンから誘電体基板３１
上の前記薄膜へのパターン転写を行った後は、レジスト
パターンを除去しても、あるいはしなくてもよい。次い
で、図中Ｂ−１及びＢ−２に示すように、先に形成した
エッチングマスク３２のパターンを、ドライエッチング
装置を用いて誘電体基板３１に転写する。
上の前記薄膜へのパターン転写を行った後は、レジスト
パターンを除去しても、あるいはしなくてもよい。次い
で、図中Ｂ−１及びＢ−２に示すように、先に形成した
エッチングマスク３２のパターンを、ドライエッチング
装置を用いて誘電体基板３１に転写する。
【００４３】すなわち、この誘電体基板３１の表面をド
ライエッチングし、この誘電体基板３１に２次元の三角
格子配列孔３３を形成する。ここでは、エッチングマス
ク３２が金属やレジストであれば、転写後、エッチング
マスク３２を除去するが、エッチングマスク３２が誘電
体材料であれば、除去しても、あるいは残しておいても
良い。
ライエッチングし、この誘電体基板３１に２次元の三角
格子配列孔３３を形成する。ここでは、エッチングマス
ク３２が金属やレジストであれば、転写後、エッチング
マスク３２を除去するが、エッチングマスク３２が誘電
体材料であれば、除去しても、あるいは残しておいても
良い。
【００４４】次いで、図中Ｃ−１及びＣ−２に示すよう
に、加工した誘電体基板３１を洗浄した後、この誘電体
基板３１を酸化し、三角格子配列孔３３の表面の一定厚
さを酸化膜３４に変化させる。この酸化された部分は、
酸化される前の材料である誘電体の高い誘電率から、酸
化された後の酸化物の低い誘電率に変化することとな
る。酸化膜３４の厚みは、三角格子配列孔３３の隣接す
る孔３３、３３間が完全に酸化膜３４に変化するだけの
厚み以上の厚みとすると、上述した第１の実施形態の図
１の様に、誘電体材料は近接する３つの孔３３に囲まれ
た領域にそれぞれ分断されて断面が略三角形状の誘電体
柱（第１の誘電体からなる柱状体）３５となる。これら
の位置関係は蜂の巣格子配列である。
に、加工した誘電体基板３１を洗浄した後、この誘電体
基板３１を酸化し、三角格子配列孔３３の表面の一定厚
さを酸化膜３４に変化させる。この酸化された部分は、
酸化される前の材料である誘電体の高い誘電率から、酸
化された後の酸化物の低い誘電率に変化することとな
る。酸化膜３４の厚みは、三角格子配列孔３３の隣接す
る孔３３、３３間が完全に酸化膜３４に変化するだけの
厚み以上の厚みとすると、上述した第１の実施形態の図
１の様に、誘電体材料は近接する３つの孔３３に囲まれ
た領域にそれぞれ分断されて断面が略三角形状の誘電体
柱（第１の誘電体からなる柱状体）３５となる。これら
の位置関係は蜂の巣格子配列である。
【００４５】最近接柱間で酸化膜３４が接続しているの
で、結晶構造の機械的な強度は従来構造に比べて大き
い。なお、酸化膜３４の厚みは、三角格子配列孔３３の
隣接する孔３３、３３間が完全に酸化膜３４に変化する
だけの厚み以下でもよい。この場合は、孔３３の三角格
子配列を形成した後に酸化膜３４を表面に堆積する場合
と出来上がりは同じになるが、三角格子配列孔３３、３
３間の誘電体材料の厚みが薄いフォトニック結晶を作製
する場合には、先に三角格子配列孔３３、３３間の誘電
体材料の厚みを大きくとって孔３３の加工をした後に、
表面から酸化していく方が精度的に余裕があり、製造が
容易であるという利点がある。
で、結晶構造の機械的な強度は従来構造に比べて大き
い。なお、酸化膜３４の厚みは、三角格子配列孔３３の
隣接する孔３３、３３間が完全に酸化膜３４に変化する
だけの厚み以下でもよい。この場合は、孔３３の三角格
子配列を形成した後に酸化膜３４を表面に堆積する場合
と出来上がりは同じになるが、三角格子配列孔３３、３
３間の誘電体材料の厚みが薄いフォトニック結晶を作製
する場合には、先に三角格子配列孔３３、３３間の誘電
体材料の厚みを大きくとって孔３３の加工をした後に、
表面から酸化していく方が精度的に余裕があり、製造が
容易であるという利点がある。
【００４６】次に、このフォトニック結晶の製造方法の
具体例である実施例について説明する。誘電体基板３１
には、誘電率１１．９のＳｉ基板（均質媒質基板）を用
いる。このＳｉ基板による光の吸収を小さく抑えるた
め、Ｓｉ基板はノンドープとする。次いで、スピンコー
ターを用いてＳｉ基板上にｉ線用フォトレジストを１μ
ｍ塗布し、８０℃で１５分間ベークした後、ｉ線ステッ
パーを用いて露光、更に現像することにより、Ｓｉ基板
上に格子定数１．５５μｍ、穴径１．４０μｍの三角格
子抜きレジストパターンを形成する。
具体例である実施例について説明する。誘電体基板３１
には、誘電率１１．９のＳｉ基板（均質媒質基板）を用
いる。このＳｉ基板による光の吸収を小さく抑えるた
め、Ｓｉ基板はノンドープとする。次いで、スピンコー
ターを用いてＳｉ基板上にｉ線用フォトレジストを１μ
ｍ塗布し、８０℃で１５分間ベークした後、ｉ線ステッ
パーを用いて露光、更に現像することにより、Ｓｉ基板
上に格子定数１．５５μｍ、穴径１．４０μｍの三角格
子抜きレジストパターンを形成する。
【００４７】次いで、このＳｉ基板をＥＣＲエッチング
装置に導入し、０．１ｍＴｏｒｒの塩素ガスプラズマを
用いて、Ｓｉ基板のバイアス電圧を７０Ｖとし、エッチ
ングを行う。エッチング中、Ｓｉ基板の温度が室温を維
持するよう冷却する。エッチング完了後、有機洗浄によ
りＳｉ基板上のフォトレジストを除去する。次いで、湿
式熱酸化装置を用いて、Ｓｉ基板表面の三角格子配列孔
３３の表面から０．１μｍの深さまで酸化し、ＳｉＯ2
とする。酸化温度は９５０℃である。
装置に導入し、０．１ｍＴｏｒｒの塩素ガスプラズマを
用いて、Ｓｉ基板のバイアス電圧を７０Ｖとし、エッチ
ングを行う。エッチング中、Ｓｉ基板の温度が室温を維
持するよう冷却する。エッチング完了後、有機洗浄によ
りＳｉ基板上のフォトレジストを除去する。次いで、湿
式熱酸化装置を用いて、Ｓｉ基板表面の三角格子配列孔
３３の表面から０．１μｍの深さまで酸化し、ＳｉＯ2
とする。酸化温度は９５０℃である。
【００４８】この時点で、図１の誘電体１の如く酸化さ
れずに残ったＳｉ柱は蜂の巣格子状に配列されているこ
とになる。次いで、蜂の巣格子配列の誘電体柱３５上部
及び誘電体柱３５、３５間の底部に堆積されたＳｉＯ2
を除去したい場合は、更にＳｉ基板を平行平板型ドライ
エッチング装置に導入し、３ｍＴｏｒｒのＣＦ4ガスプ
ラズマを用いて、Ｓｉ基板のバイアス電圧を３０Ｖ程度
とした異方性エッチングにより除去する。勿論、強度的
に問題が無ければ、ＳｉＯ2はフッ酸処理によって除去
してもよい。
れずに残ったＳｉ柱は蜂の巣格子状に配列されているこ
とになる。次いで、蜂の巣格子配列の誘電体柱３５上部
及び誘電体柱３５、３５間の底部に堆積されたＳｉＯ2
を除去したい場合は、更にＳｉ基板を平行平板型ドライ
エッチング装置に導入し、３ｍＴｏｒｒのＣＦ4ガスプ
ラズマを用いて、Ｓｉ基板のバイアス電圧を３０Ｖ程度
とした異方性エッチングにより除去する。勿論、強度的
に問題が無ければ、ＳｉＯ2はフッ酸処理によって除去
してもよい。
【００４９】本実施形態からわかる様に、誘電体基板３
１を三角格子配列孔３３から酸化することにより、誘電
体材料を分断して蜂の巣状の格子配列の誘電体柱３５と
する製造方法によれば、機械的強度が増大するという利
点以外に、最初に形成するレジストパターンの微細度が
緩和されるという利点もある。
１を三角格子配列孔３３から酸化することにより、誘電
体材料を分断して蜂の巣状の格子配列の誘電体柱３５と
する製造方法によれば、機械的強度が増大するという利
点以外に、最初に形成するレジストパターンの微細度が
緩和されるという利点もある。
【００５０】すなわち、波長１．５５μｍの光に対して
完全バンドギャップを有する２次元フォトニック結晶を
製造する場合、第３の実施形態では、格子定数１．５５
μｍの蜂の巣格子のパターンニングを直接行うため、格
子点の円柱中心の最近接距離は０．８９μｍとなり、ｇ
線やｉ線を用いるステッパーでの安定した解像は困難で
ある。したがって、第３の実施形態では、より微細なパ
ターンを形成することができる電子線描画装置を用いて
いる。
完全バンドギャップを有する２次元フォトニック結晶を
製造する場合、第３の実施形態では、格子定数１．５５
μｍの蜂の巣格子のパターンニングを直接行うため、格
子点の円柱中心の最近接距離は０．８９μｍとなり、ｇ
線やｉ線を用いるステッパーでの安定した解像は困難で
ある。したがって、第３の実施形態では、より微細なパ
ターンを形成することができる電子線描画装置を用いて
いる。
【００５１】しかしながら、この電子線描画装置はステ
ッパーと比較してスループットが大幅に劣るという量産
上の欠点がある。この点、本実施形態では、格子定数
１．５５μｍの三角格子のパターンニングを行うため、
格子点の円柱中心の最近接距離は１．５５μｍと大き
く、ｇ線やｉ線を用いるステッパーでの安定した解像が
可能である。
ッパーと比較してスループットが大幅に劣るという量産
上の欠点がある。この点、本実施形態では、格子定数
１．５５μｍの三角格子のパターンニングを行うため、
格子点の円柱中心の最近接距離は１．５５μｍと大き
く、ｇ線やｉ線を用いるステッパーでの安定した解像が
可能である。
【００５２】誘電体基板３１は、ＧａＡｓ等のＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体基板やＳｉ基板以外の他の誘電体材料
を用いたものでもよいが、Ｓｉ基板を用いた場合、成熟
し、かつ技術的に安定しているＳｉの熱酸化技術を用い
ることができるという利点がある。誘電体基板３１を表
面からの酸化により細らせる方法は、酸化膜厚の制御を
精密に行なうことができるため、直接、蜂の巣格子の微
細な柱をエッチングにより加工する方法に比べて制御性
に勝っている。この方法では、酸化する膜厚を変化させ
るだけで蜂の巣格子柱の大きさを変えることができ、Ｐ
ＢＧの存在する周波数領域の調整が酸化膜厚の調節だけ
で可能である。
Ｖ族化合物半導体基板やＳｉ基板以外の他の誘電体材料
を用いたものでもよいが、Ｓｉ基板を用いた場合、成熟
し、かつ技術的に安定しているＳｉの熱酸化技術を用い
ることができるという利点がある。誘電体基板３１を表
面からの酸化により細らせる方法は、酸化膜厚の制御を
精密に行なうことができるため、直接、蜂の巣格子の微
細な柱をエッチングにより加工する方法に比べて制御性
に勝っている。この方法では、酸化する膜厚を変化させ
るだけで蜂の巣格子柱の大きさを変えることができ、Ｐ
ＢＧの存在する周波数領域の調整が酸化膜厚の調節だけ
で可能である。
【００５３】［第５の実施形態］図５は本発明の第５の
実施形態の多層構造基板に形成されたフォトニック結晶
を示す断面図であり、図において、符号４１は基板、４
２は低誘電率の誘電体材料からなる誘電体層、４３は高
誘電率の誘電体材料からなる２次元フォトニック結晶で
ある。この構造は、例えば、多層構造基板としてＳＯＩ
（Si on Insulator; Si/SiO2/Si）基板を用い、高誘電
率誘電体のＳｉ部分に上述した第１または第２の実施形
態の２次元フォトニック結晶を形成することで得られ
る。
実施形態の多層構造基板に形成されたフォトニック結晶
を示す断面図であり、図において、符号４１は基板、４
２は低誘電率の誘電体材料からなる誘電体層、４３は高
誘電率の誘電体材料からなる２次元フォトニック結晶で
ある。この構造は、例えば、多層構造基板としてＳＯＩ
（Si on Insulator; Si/SiO2/Si）基板を用い、高誘電
率誘電体のＳｉ部分に上述した第１または第２の実施形
態の２次元フォトニック結晶を形成することで得られ
る。
【００５４】この場合、２次元フォトニック結晶４３
は、低誘電率の誘電体層４２と上部の低誘電率の空気に
挟まれる構成となるので、いわゆるスラブ導波路に類似
した構造となり、周期構造平面外、即ち、基板４１の上
下方向への光の発散が抑制されるという利点がある。
は、低誘電率の誘電体層４２と上部の低誘電率の空気に
挟まれる構成となるので、いわゆるスラブ導波路に類似
した構造となり、周期構造平面外、即ち、基板４１の上
下方向への光の発散が抑制されるという利点がある。
【００５５】以上、本発明のフォトニック結晶及びその
製造方法の各実施形態について図面に基づき説明してき
たが、具体的な構成は本実施形態に限定されるものでは
なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計の変更等が
可能である。例えば、第１及び第２の実施形態のフォト
ニック結晶では、第３の誘電体３、１３として空気を用
いたが、この第３の誘電体３、１３を空気以外の低誘電
率の誘電体で充填した構成としても勿論よい。
製造方法の各実施形態について図面に基づき説明してき
たが、具体的な構成は本実施形態に限定されるものでは
なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計の変更等が
可能である。例えば、第１及び第２の実施形態のフォト
ニック結晶では、第３の誘電体３、１３として空気を用
いたが、この第３の誘電体３、１３を空気以外の低誘電
率の誘電体で充填した構成としても勿論よい。
【００５６】
【発明の効果】以上説明した様に、本発明の請求項１記
載のフォトニック結晶によれば、２次元の蜂の巣格子状
に配列された第１の誘電体からなる複数本の柱状体と、
柱状体を被覆しかつ該柱状体間に充填された第２の誘電
体と、該第２の誘電体中に内包される第３の誘電体とを
備え、前記第１の誘電体の誘電率は、前記第２の誘電体
の誘電率及び前記第３の誘電体の誘電率よりも大とした
ので、２次元の蜂の巣格子状に配列された柱状体の広い
完全バンドギャップと、三角格子状に配列された孔を有
するフォトニック結晶の高い機械的強度の両立を実現す
ることができる。
載のフォトニック結晶によれば、２次元の蜂の巣格子状
に配列された第１の誘電体からなる複数本の柱状体と、
柱状体を被覆しかつ該柱状体間に充填された第２の誘電
体と、該第２の誘電体中に内包される第３の誘電体とを
備え、前記第１の誘電体の誘電率は、前記第２の誘電体
の誘電率及び前記第３の誘電体の誘電率よりも大とした
ので、２次元の蜂の巣格子状に配列された柱状体の広い
完全バンドギャップと、三角格子状に配列された孔を有
するフォトニック結晶の高い機械的強度の両立を実現す
ることができる。
【００５７】請求項２記載のフォトニック結晶によれ
ば、前記第１の誘電体をＳｉまたはＧａＡｓとし、前記
第２の誘電体をＳｉＯ2、ＳｉＮxまたはＳｉＯxＮyとし
たので、前記第１の誘電体と前記第２の誘電体との間の
密着性を高めることができ、フォトニック結晶の機械的
強度を更に高めることができる。
ば、前記第１の誘電体をＳｉまたはＧａＡｓとし、前記
第２の誘電体をＳｉＯ2、ＳｉＮxまたはＳｉＯxＮyとし
たので、前記第１の誘電体と前記第２の誘電体との間の
密着性を高めることができ、フォトニック結晶の機械的
強度を更に高めることができる。
【００５８】請求項３記載のフォトニック結晶によれ
ば、前記柱状体、前記第２の誘電体及び前記第３の誘電
体を、均質媒質基板または多層構造基板に形成したの
で、このフォトニック結晶は、基板の低誘電率層と上部
を覆う低誘電率の空気とにより挟まれる構成となり、フ
ォトニック結晶の外方、すなわち前記低誘電率層および
／または空気への光の発散を抑制することができる。
ば、前記柱状体、前記第２の誘電体及び前記第３の誘電
体を、均質媒質基板または多層構造基板に形成したの
で、このフォトニック結晶は、基板の低誘電率層と上部
を覆う低誘電率の空気とにより挟まれる構成となり、フ
ォトニック結晶の外方、すなわち前記低誘電率層および
／または空気への光の発散を抑制することができる。
【００５９】請求項４記載のフォトニック結晶の製造方
法によれば、第１の誘電体からなる柱状体が複数本、２
次元の蜂の巣格子状に配列された基板上に、前記第１の
誘電体より誘電率の小さい第２の誘電体からなる膜を成
膜する工程を有し、この工程における前記膜の膜厚を、
前記柱状体間で当該膜が連続する程度の膜厚とするの
で、完全バンドギャップを有し、かつ機械的強度の高い
フォトニック結晶を得ることができる。
法によれば、第１の誘電体からなる柱状体が複数本、２
次元の蜂の巣格子状に配列された基板上に、前記第１の
誘電体より誘電率の小さい第２の誘電体からなる膜を成
膜する工程を有し、この工程における前記膜の膜厚を、
前記柱状体間で当該膜が連続する程度の膜厚とするの
で、完全バンドギャップを有し、かつ機械的強度の高い
フォトニック結晶を得ることができる。
【００６０】請求項５記載のフォトニック結晶の製造方
法によれば、誘電体基板の表面を酸化し、生成する酸化
膜の厚みにより、誘電体からなる柱状体の大きさを制御
するので、酸化膜の厚みの制御を精密に行なうことがで
き、直接、柱状体をエッチング加工する場合に比べ、加
工の制御性を向上させることができる。
法によれば、誘電体基板の表面を酸化し、生成する酸化
膜の厚みにより、誘電体からなる柱状体の大きさを制御
するので、酸化膜の厚みの制御を精密に行なうことがで
き、直接、柱状体をエッチング加工する場合に比べ、加
工の制御性を向上させることができる。
【００６１】請求項６記載のフォトニック結晶の製造方
法によれば、三角格子状に配列された誘電体孔を形成し
た基板を酸化する工程を有し、生成する酸化膜の厚み
を、少なくとも前記誘電体孔の隣接する孔間が完全に酸
化膜に変化するだけの厚みとするので、完全バンドギャ
ップを有し、かつ機械的強度の高いフォトニック結晶を
得ることができる。しかも、製造後のみならず製造工程
中においても、機械的強度を高く保つことができ、かつ
パターニング工程におけるパターンの微細度を緩和する
ことができる。
法によれば、三角格子状に配列された誘電体孔を形成し
た基板を酸化する工程を有し、生成する酸化膜の厚み
を、少なくとも前記誘電体孔の隣接する孔間が完全に酸
化膜に変化するだけの厚みとするので、完全バンドギャ
ップを有し、かつ機械的強度の高いフォトニック結晶を
得ることができる。しかも、製造後のみならず製造工程
中においても、機械的強度を高く保つことができ、かつ
パターニング工程におけるパターンの微細度を緩和する
ことができる。
【００６２】請求項７記載のフォトニック結晶の製造方
法によれば、前記基板をＳｉ基板としたので、成熟し、
かつ技術的に安定しているＳｉの熱酸化技術を用いるこ
とができる。
法によれば、前記基板をＳｉ基板としたので、成熟し、
かつ技術的に安定しているＳｉの熱酸化技術を用いるこ
とができる。
【図１】 本発明の第１の実施形態のフォトニック結晶
を示す平面図である。
を示す平面図である。
【図２】 本発明の第２の実施形態のフォトニック結晶
を示す平面図である。
を示す平面図である。
【図３】 本発明の第３の実施形態のフォトニック結晶
の製造方法を示す過程図である。
の製造方法を示す過程図である。
【図４】 本発明の第４の実施形態のフォトニック結晶
の製造方法を示す過程図である。
の製造方法を示す過程図である。
【図５】 本発明の第５の実施形態の多層構造基板に形
成されたフォトニック結晶を示す断面図である。
成されたフォトニック結晶を示す断面図である。
【図６】 三角格子配列孔の２次元フォトニック結晶の
ＰＢＧ生成条件を説明するための周波数と半径との関係
を示す特性図である。
ＰＢＧ生成条件を説明するための周波数と半径との関係
を示す特性図である。
【図７】 蜂の巣格子配列の２次元フォトニック結晶の
ＰＢＧ生成条件を説明するための周波数と半径との関係
を示す特性図である。
ＰＢＧ生成条件を説明するための周波数と半径との関係
を示す特性図である。
１ 誘電体柱 ２ 第２の誘電体 ３ 第３の誘電体 １１ 誘電体柱 １２ 第２の誘電体 １３ 第３の誘電体 ２１ 誘電体基板 ２２ エッチングマスク ２３ 誘電体柱 ２４ 誘電体膜 ３１ 誘電体基板 ３２ エッチングマスク ３３ 三角格子配列孔 ３４ 酸化膜 ３５ 誘電体柱 ４１ 基板 ４２ 誘電体層 ４３ ２次元フォトニック結晶
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１１年１０月２５日（１９９９．１０．
２５）
２５）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１８】請求項５記載のフォトニック結晶の製造方
法は、誘電体基板の表面を酸化し、生成する酸化膜の厚
みにより、誘電体からなる柱状体、または誘電体孔の大
きさを制御することを特徴としている。このフォトニッ
ク結晶の製造方法では、酸化膜の厚みの制御を精密に行
なうことができるので、直接、柱状体、または孔をエッ
チング加工する場合に比べ、加工の制御性に勝る。
法は、誘電体基板の表面を酸化し、生成する酸化膜の厚
みにより、誘電体からなる柱状体、または誘電体孔の大
きさを制御することを特徴としている。このフォトニッ
ク結晶の製造方法では、酸化膜の厚みの制御を精密に行
なうことができるので、直接、柱状体、または孔をエッ
チング加工する場合に比べ、加工の制御性に勝る。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００６０】請求項５記載のフォトニック結晶の製造方
法によれば、誘電体基板の表面を酸化し、生成する酸化
膜の厚みにより、誘電体からなる柱状体、または誘電体
孔の大きさを制御するので、酸化膜の厚みの制御を精密
に行なうことができ、直接、柱状体、または孔をエッチ
ング加工する場合に比べ、加工の制御性を向上させるこ
とができる。
法によれば、誘電体基板の表面を酸化し、生成する酸化
膜の厚みにより、誘電体からなる柱状体、または誘電体
孔の大きさを制御するので、酸化膜の厚みの制御を精密
に行なうことができ、直接、柱状体、または孔をエッチ
ング加工する場合に比べ、加工の制御性を向上させるこ
とができる。
Claims (7)
- 【請求項１】 ２次元の蜂の巣格子状に配列された第１
の誘電体からなる複数本の柱状体と、柱状体を被覆しか
つ該柱状体間に充填された第２の誘電体と、該第２の誘
電体中に内包される第３の誘電体とを備え、 前記第１の誘電体の誘電率は、前記第２の誘電体の誘電
率及び前記第３の誘電体の誘電率よりも大であることを
特徴とするフォトニック結晶。 - 【請求項２】 前記第１の誘電体はＳｉまたはＧａＡｓ
であり、前記第２の誘電体はＳｉＯ2、ＳｉＮxまたはＳ
ｉＯxＮyであることを特徴とする請求項１記載のフォト
ニック結晶。 - 【請求項３】 前記柱状体、前記第２の誘電体及び前記
第３の誘電体を、均質媒質基板または多層構造基板に形
成してなることを特徴とする請求項１または２記載のフ
ォトニック結晶。 - 【請求項４】 第１の誘電体からなる柱状体が複数本、
２次元の蜂の巣格子状に配列された基板上に、前記第１
の誘電体より誘電率の小さい第２の誘電体からなる膜を
成膜する工程を備え、 この工程における前記膜の膜厚を、前記柱状体間で当該
膜が連続する程度の膜厚とすることを特徴とするフォト
ニック結晶の製造方法。 - 【請求項５】 誘電体基板の表面を酸化し、生成する酸
化膜の厚みにより、誘電体からなる柱状体の大きさを制
御することを特徴とするフォトニック結晶の製造方法。 - 【請求項６】 三角格子状に配列された誘電体孔を形成
した基板を酸化する工程を備え、 生成する酸化膜の厚みを、少なくとも前記誘電体孔の隣
接する孔間が完全に酸化膜に変化するだけの厚みとする
ことを特徴とするフォトニック結晶の製造方法。 - 【請求項７】 前記基板は、Ｓｉ基板であることを特徴
とする請求項４、５または６記載のフォトニック結晶の
製造方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16289799A JP3407693B2 (ja) | 1999-06-09 | 1999-06-09 | フォトニック結晶 |
| US09/591,581 US6366392B1 (en) | 1999-06-09 | 2000-06-09 | Photonic crystal |
| US10/011,444 US6466360B2 (en) | 1999-06-09 | 2001-12-04 | Photonic crystal and its fabrication |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16289799A JP3407693B2 (ja) | 1999-06-09 | 1999-06-09 | フォトニック結晶 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000352631A true JP2000352631A (ja) | 2000-12-19 |
| JP3407693B2 JP3407693B2 (ja) | 2003-05-19 |
Family
ID=15763328
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16289799A Expired - Fee Related JP3407693B2 (ja) | 1999-06-09 | 1999-06-09 | フォトニック結晶 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US6366392B1 (ja) |
| JP (1) | JP3407693B2 (ja) |
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