JP2005099771A

JP2005099771A - 光素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP2005099771A
Application number: JP2004244686A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Sugita; 充朗杉田; Takao Yonehara; 隆夫米原
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2004-08-25
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2024-08-25
Also published as: WO2005022224A1; US7171095B2; US20060147169A1; JP4533041B2

Abstract

【課題】多孔質層をクラッドに用いたフォトニック結晶や細線導波路を用いることにより、２Ｄスラブ型フォトニック結晶や細線導波路を用いた高機能で、高精度な光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板上に、光波長より小さい孔径を有する多孔質層と、該多孔質層より屈折率の大きい結晶層とが積層されている光素子、および、基板上に光波長より小さい孔径を有する多孔質層を形成する工程、該多孔質層の上に該多孔質層より屈折率の大きい結晶層をエピタキシャル成長させて形成する工程を有する光素子の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、光素子およびその製造方法に関し、特に光通信および光を用いた情報処理装置に関連して使用される光素子およびその製造方法、さらにバイオ情報などの各種情報の高感度検出を行うセンサに係わる。

近年、フォトニック結晶というジャンルの光素子が注目されつつある。
これは、非特許文献１に説明されているように、光学材料に対して周期構造を構成することにより、周期的な屈折率分布を作り、この特定の屈折率分布の中での光の振舞いを有効活用する技術と、発光材料などが特定の屈折率分布の中に存在した場合に、発光状態が制御される現象を有効活用するという技術が中心となっている。そして、これらの技術を用いた光素子応用可能性が議論されている。

この光素子技術に関連して、過去には１次元の周期構造を半導体レーザに有効活用した所謂ＤＦＢレーザなどが既に実用化されており、これは１次元フォトニック結晶を応用した光素子と呼ぶことができる。そして、現在はある面内に周期的な円柱孔の２次元構造を設けた２次元フォトニック結晶を光通信部品に応用する基礎検討などの試みが盛んに行われている。さらに、３次元フォトニック結晶と呼ばれる３次元周期構造もある。

この中で、２次元フォトニック結晶は、１次元フォトニック結晶に比して大きな自由度を持つことから生じる高機能性と、一方で、３次元フォトニック結晶に比べれば作製が容易であること、すなわち、既存の半導体プロセス技術を利用した作製が可能であることから、様々なデバイスの基礎研究が進み、実用デバイスとして注目されている。

このような２次元フォトニック結晶を用いたデバイスの種類としては、特に光通信デバイス分野で微小な導波路回路や、波長フィルタ、微小レーザなどが研究されており、非特許文献２で解説されている。

また、近年大きな産業になりつつあるバイオテクノロジー分野でも、高集積で高感度なバイオセンサチップへの応用として、本出願人が特許文献１で提案した「微小共振器レーザを用いたマイクロセンサ］がある。

上述のように実際のデバイス研究が進められている２次元フォトニック結晶の中で、最も多く作製されているものは、２次元スラブ型フォトニック結晶である。
スラブ型とは、周期構造を有しない方向への光閉じ込めが、低屈折率のクラッド層で高屈折率のコア層を挟み、高屈折率のコア層に光を閉じ込めて伝播させるタイプのことを指す。

この場合のスラブ、即ちコア層の厚みは厚み方向に光の電磁波モードが存在する条件と関わり、特に、単一モードのみ存在可能な場合には、スラブ厚に屈折率を乗じた光路長が波長の略半分となる。これは即ち、１往復の光路長が略１波長となるものであり、１往復した光が数往復した光と干渉して強め合う厚みの中で最薄の条件である。実際には、クラッド層への光のしみ出し等を考慮して、計算される。（非特許文献３）

このような２次元スラブ型のフォトニック結晶として、近年注目されているものに、ＳＯＩウエハ、即ち、Ｓｉ基板上に形成されたＳｉＯ₂（ＢＯＸ層：ＢｕｒｒｉｅｄＯｘｉｄｅ）をクラッドに用い、その上に形成されたＳｉ（ＳＯＩ層：ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）をコアに用いたものがある。（非特許文献４）

このようなＳｉ系の材料である場合、１．ＳＯＩウエハの作製技術が実用レベルに達しており、精度が確保されている。２．コア層であるＳＯＩ層に周期パターンをパターニングする技術にＳｉプロセスの高度な技術を用いることができること．が利点として挙げられている。

また、ＳＯＩウエハの２Ｄスラブ型光素子への利用形態としては、この他、Ｓｉ細線導波路があり、この場合も２Ｄスラブ型フォトニック結晶と同様に、ＳｉとＳｉＯ₂の高い屈折率差を利用して、１μｍ以下の微細な導波路への光閉込めや、小曲率半径の曲げ導波路素子などのデバイスの研究開発が進んでいる。（上記非特許文献２のｐ．２５２参照）

しかしながら、このようなＳＯＩウエハを２Ｄスラブ型フォトニック結晶や細線導波路に用いる場合には、ＢＯＸ層の厚みとして、比較的厚いものが要求される。例えば、１μｍ以上のものが望まれる。その理由は、光閉じ込め条件に起因している。即ち、コア層に光を閉じ込める場合、前述したように、クラッド層へのしみ出しがあり、クラッド層が薄い場合には、しみ出したエバネッセントモードが基板への放射モードと結合して、基板方向への放射損失が生じるためである。

許容損失を−４０ｄＢとした場合のＢＯＸ層の必要厚さに関する計算例は前述の非特許文献２のｐ．２５７、２５８に記載されている。
このような１μｍ以上の厚いＢＯＸ層を持つＳＯＩを作製するには、所謂、貼り合せタイプの作製技術を用いる必要がある。この技術は、非特許文献５および非特許文献６に説明されている。
特願２００２−２９９１５３Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ：Ｅ．Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ「Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．」Ｖｏｌ．５８、ｐ．２０５９、１９８７年川上、他「フォトニック結晶技術とその応用」、ｐ．２５２，２５７，２５８、２００２年、ＣＭＣ出版小柴「光導波路解析」１９９０年、朝倉書店、１９９０年納富「応用物理」第７２巻、第７号、２００３年、「ＳＯＩスラブを用いたフォトニック結晶スラブ」ＣｅｌｌｅｒａｎｄＹａｓｕｄａ「ＭＥＭＳ用ＳＯＩウエハの現状」２００２．５、「電子技術」ＩｙｅｒａｎｄＡｕｂｅｒｔｏｎ−Ｈｅｒｖｅ"ＳＩＬＩＣＯＮＷＡＦＥＲＢＯＮＤＩＮＧＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹｆｏｒＶＬＳＩａｎｄＭＥＭＳａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ"（ＥＭＩＳＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ−ＳＥＲＩＥＳ１、ＩＳＢＮ０８５２９６０３９５、２００２、ＴｈｅＩｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓ

しかしながら、貼り合せウエハを作製するには、当然、貼り合せ工程を含み、そして、その他、種ウエハ切断や、そのためのＨ＋イオン打ち込み等の特殊な工程を含む複数の出発ウエハと複雑な工程を経る必要があり、その結果、通常のＳｉウエハ等に比べて、そこへ作成される素子構造やプロセスが特殊化し、かつウェーハ自身も、高価となり、経済的に見合うＣＰＵなどの高付加価値な半導体論理回路等に限定されて適応されてきたにすぎない。

本発明は、出発ウェハが特殊であることとその後の工程が複雑であるという従来の課題を解決するためになされたものであって、多孔質層をクラッドに用いたフォトニック結晶や細線導波路を用いることにより、２Ｄスラブ型フォトニック結晶や細線導波路を用いた高機能で、高精度な光素子を提供するものである。

また、本発明は、上記の２Ｄスラブ型フォトニック結晶や細線導波路を用いた高機能で、高精度な光素子を大面積で安価に製造する方法を提供するものである。
また、本発明は、上記の光素子を用いて流体中に含まれる物質を検出するセンサを提供するものである。

すなわち、本発明は、基板上に、光波長より小さい孔径を有する多孔質層と、該多孔質層より屈折率の大きい結晶層とが積層されていることを特徴とする光素子である。
前記光素子は光共振器、特にレーザ共振器として作用するのが好ましい。

また、本発明は、基板の表面に光波長より小さい孔径を有する多孔質層を形成する工程と、該多孔質層の上に該多孔質層より屈折率の大きい結晶層を形成する工程とを有することを特徴とする光素子の製造方法である。

さらに本発明は、基板上の、光波長より小さい孔径を有する多孔質層と、該多孔質層に積層され、該多孔質層より屈折率の大きい結晶層と、該結晶層中の屈折率が周期分布をなす領域と、該領域の近くに流体を流すための流路と、該領域に光を照射し、該領域から出射される光を検知する手段とを有するセンサである。

本発明によれば、多孔質層をクラッドに用いたフォトニック結晶や細線導波路を用いることにより、２Ｄスラブ型フォトニック結晶や細線導波路を用いた高機能で、高精度な光素子を提供することができる。

また、本発明は、上記の２Ｄスラブ型フォトニック結晶や細線導波路を用いた高機能で、高精度な光素子を大面積で安価に製造する方法を提供することができる。
また、本発明は、上記の光素子を用いて流体中に含まれる物質を検出するセンサを提供することができる。

本発明の光素子は、多孔質層をクラッドに用いたフォトニック結晶や細線導波路を用いることにより、２Ｄスラブ型のフォトニック結晶や細線導波路を用いた高機能、高精度な光素子であり、光通信、光を用いた情報処理装置、バイオ情報などの各種情報の高感度検出を行うセンサ、検出システム等に利用することができる。

本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲においてシーケンスの流れなどは種々に変更する事が可能である。
特に、本発明は、ＳｉやＧａＡｓ、Ｇｅ、ＧａＰ等の材料に限定されるものでなく、例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体や、その他ＣｄＳｅ、ＣｄＳなどのＩＩ−ＶＩ族、その他、格子定数や線膨張係数が近いエピ成長材料と種基板材料との組み合わせで同様に実施することができる。

実施例１
本実施例は本発明により、多孔質Ｓｉ層をクラッドに用い、エピＳｉ層をコアに用いた２Ｄスラブ型フォトニック結晶デバイスをＳｉ基板に形成したものである。

以下、図１を用いて本実施例のフォトニック結晶デバイスについて説明する。
図１中、Ｓｉ基板１０１上に多孔質Ｓｉ層１０２が約１μｍの厚さで形成され、その上にさらにエピタキシャル成長によって形成した単結晶Ｓｉ層（エピ成長Ｓｉ層）１０３が約０．２μｍの厚さで形成されている。

単結晶Ｓｉ層１０３には、円柱形の孔が三角格子をなして周期的に配置されたパターン１０４が形成されている。円柱孔は単結晶層を貫通して形成されている。この円柱孔の径と周期は光の波長程度であって、パタンが形成された部分の単結晶層１０３を面方向に伝播する光は，フォトニック結晶中の光伝播作用として周知のように，特定の波長の光のみが反射されたり，進行方向が曲げられたりする。

本発明の特徴は，単結晶層が、その上面で空気に接しており，下面で多孔質層１０２に接していて、いずれも屈折率がそれらより大きいので，光が面内に閉じ込められることである。即ち、伝播光に対して、単結晶層がコア層として作用し、多孔質層がクラッド層として作用する。このため，光損失の少ない導波路や，Ｑ値の高い共振構造を作ることが出来る。

多孔質Ｓｉ層１０２は、孔径が使用する光波長よりも充分小さく、例えば、使用する光波長の１／１００程度の孔径を持つように構成される。光の波長よりも十分小さいので，光は，多孔質層の孔の１つ１つによっては散乱や回折を受けず、平均的な屈折率のみを感じる。本実施例では光波長１．５μｍ用に作製してあり、孔径は約２ｎｍとした。

本実施例での空孔率は約８０％とし、体積比でＳｉと空気が約２：８になるように構成してある。
この場合に多孔質Ｓｉ層の平均屈折率（以下有効屈折率という）は下記の式（１）で概算され、約１．５となる。

ただし、ｎ_eff は有効屈折率、ｎ_air は空孔を満たす空気の屈折率、ｘ_air は空孔率、ｎ_siはＳｉの屈折率、ｘ_siはＳｉの体積比率であり、１−ｘ_air に等しい。シリコンの屈折率ｎ_siは３．５なので、

である。
この値は、従来用いられていたＳＯＩウエハのＢＯＸ層のＳｉＯ₂と同程度であり、コア層であるエピＳｉ層の屈折率約３．５との差Δｎが約２であるため、強い閉じ込めが可能である。強い閉じ込めが可能であることは、光導波路や、共振器として使用した場合に、より小さな体積に光を局在化可能であることにつながり、光素子の微小化、高集積化をもたらす。

結晶層に貫通して開けられた空孔の周期配置のパターン１０４としては、上の三角格子のほか，正方格子，蜂の巣格子などさまざまなパターンを用いることが出来る。
周期パターン１０４には，場所により、孔の無い線状欠陥１０５や点状欠陥１０６、孔の径が異なる点状欠陥１０７が形成されていてもよい。

これらの欠陥は、例えば、線状欠陥がその線に沿って光を閉じ込めて伝播する光導波路として作用する場合や、点状欠陥がその内部や近傍に光を局在化させ、閉じ込める光共振器として作用する場合などがあり、目的に応じて、自由に設計、配置することが可能である。また、線状欠陥と点状欠陥を組み合わせても光共振器を形成することができ、光の空間モードや導波路からの光の導入、射出などを鑑みて様々に構成することが可能である。

以下の説明においては，このような線状または点状の欠陥を持つものも含めて周期構造と呼ぶ。
このようにして構成された、多孔質Ｓｉをクラッド層に用いた２Ｄスラブ型フォトニック結晶は、以上述べた、有効屈折率などの観点から、ＳＯＩを用いた２Ｄスラブ型フォトニック結晶と同様の光学性能、集積化等の特長を発揮することが可能であり、そして、単一の材料でこれを実現することができ、プロセスの簡略化を計ることができるとともに、安価に提供できるという利点を持つことが分かる。

なお，本実施例ではクラッド層の有効屈折率を１．５とし、コア層との屈折率差を２程度とし、コア層の厚みが０．２μｍ程度としているが、より屈折率差の小さい構成も可能であり、その場合，コア層を０．２μｍよりも厚く構成して、クラッド層に関しては，その空孔率を下げることが可能である。

実施例２
本実施例は、実施例１で説明した２Ｄスラブ型フォトニック結晶デバイスを作製する方法を示したものである。

図２に本実施例のフォトニック結晶デバイスの作製工程を示す。
まず、図２（ａ）のＳｉ基板２０１に、表面の陽極化成により、多孔質構造のシリコン層２０２を形成する（図２（ｂ））。

よく知られているように、Ｓｉ基板を陽極とし、フッ化水素酸溶液中で電流を流して電極反応を生じさせると、表面に生じたくぼみ（エッチピット）が伸びて空孔が形成される。空孔はその先端部分で成長を続けていくので、細長い空孔が表面から延長された構造の多孔質層がＳｉ基板の表面に形成される。本発明の多孔質層はこの現象を利用して形成する。多孔質層は、元のＳｉ単結晶基板の結晶方位を保っており、後述するように，この上にさらに単結晶をエピタキシャル成長させることが出来る。

陽極化成の条件は、
出発ウエーハ：Ｐ＋（１００）Ｓｉ０．０１Ω−ｃｍ
溶液：ＨＦ、Ｃ₂ Ｈ₅ ＯＨ、Ｈ₂ Ｏの混合液
化成電流：１５０ｍＡ／ｃｍ²
とした。

陽極化成は、図３に示す装置により実施する。
図３中、Ｓｉウエハ（基板）２０１は、ＨＦ溶液３０２にそのエピＳｉ層を浸かるように保持されている。保持は、Ｏリング３０３とＰｔ製面電極３０４を介して下部支持体３０５および、上部支持体３０６によって行われる。上部支持体３０６には、Ｓｉウエハ３０１へ通じるＨＦ用液槽が構成されており、ＨＦ溶液３０２で満たされている。ＨＦ溶液３０２中にはＰｔ製メッシュ電極３０８が配置されている。Ｐｔ製面電極３０４とＰｔ製メッシュ電極３０８はそれぞれ、陽極３０７、陰極３０９に接続されており、陰極側はＨＦ溶液３０２を通じて、陽極側はＳｉ基板裏面を通じて、Ｓｉに所定の電界を印加し、キャリア注入を行う構成となっている。なお、陽極化成を行うための構成は、本実施例の形態に限らず、一般的な各種手法を適宜用いることができる。

また、図４に示す装置により、複数のウエハを一括で処理することも可能である。一括処理により，陽極化成の工程を安価に行うことができる。
多孔質シリコン層の孔の径、密度、厚みは、陽極化成液の組成、化成電流、基板の伝導型ならびに電導率によって広範に制御が可能である。電極にはフッ酸耐性が極めて高い白金あるいは白金を表面に被覆した金属が使用される。複数枚を一括に陽極化成して多孔質層を形成する場合には、図４に示したようにウェーハ両表面に接触する化成溶液自身が電極として作用し、均一な接触が可能となり作成される多孔質層の制御性が高まる。かように形成された多孔質層は単結晶基板の結晶方位を保存しており、その上部に孔のない均一な単結晶層をエピタキシャル成長させることが可能である。

次に、多孔質Ｓｉ層２０２上にエピタキシャル成長により、エピＳｉ層２０３を化学気相法（ＣＶＤ）等で形成する（図２（ｃ））。この際には水素雰囲気で行うことが重要であり、多孔質層の表面の孔の封しを促進し、その上部に良質なエピタキシャル層を形成することができる。（米原他、応用物理２００２年総合報告９月号）
エピタキシャル成長条件は
気相成長
温度：１０００℃
ガス：ＳｉＨ₄ ／Ｈ₂
圧力：７００Ｔｏｒｒ
とした。

次に、エピＳｉ層２０３上にレジストを塗布し、光リソグラフィー技術を用いて周期パターン２０４を形成する。そのマスクを介して単結晶エピタキシャルシリコン層をエッチング除去して円柱孔を形成する（図２（ｄ））。このとき，下部の多孔質層は残留させてクラッド層に供する。シリコン層のパターニングに関するエッチング除去は例えば以下の条件で行われる。

シリコン層の加工条件
エッチング：反応性イオンエッチング
ガス：Ｃｌ₂ 系ガス
なお、シリコン層のエッチングに関しては、この条件の他にもＢｒ系ガスを用いたり、また、ＥＣＲプラズマエッチングやＩＣＰプラズマエッチング、あるいはウエットエッチングを適用いることも可能である。また、エッチング時のマスクとしては、レジスト以外にもＳｉＯ₂ など、適宜用いることができることは言うまでもない。

多孔質シリコン層上に成長させたエピタキシャルシリコン単結晶層に上記の円柱孔を形成するためには、エピタキシャルシリコン層に円柱を形成する際、多孔質シリコン層が表出した時点でエッチングが自動的に停止する選択エッチングが望ましい。

一般には多孔質シリコンはその体積に対する表面積が膨大であるため、（単位センチ立方あたりにつき約数百平米の面積を有する）孔の無い非多孔質層に比較して、反応性が高いことが知られている。後に示す、増速エッチングや増速酸化やドラックデリバリーに応用される生体への無害可溶性などがその顕著な例である。

したがって，多孔質シリコン層はエピタキシャルシリコン層のエッチングを停止させる層にはなりにくい。しかしながら、多孔質シリコンの孔の側壁を均一に極薄な酸化膜で被覆することによりそれが可能となる。以下それについて説明する。

孔の陽極化成の形成機構から、全ての孔はその先端の伸長によって形成されるので、エピタキシャル成長前は表面孔はその先端と連通している。そのため、熱酸化を行うと酸素がその微細な先端まで供給されて、均一な酸化皮膜が形成される。ただし、その際，酸化は５００℃以下の低温で行うことが必要である。その温度では酸化によって空孔の体積比率，すなわち空孔度は変化しない。それより高温で側壁を熱酸化すると、多孔質孔の表面でシリコン原子の移動が生じて、孔が変形したり、ときには閉塞してしまう。

このように，空孔側面を酸化した多孔質膜の上にエピタキシャル層を成長させると，エピタキシャル層のエッチングに際し，多孔質層をエッチング停止層とすることが出来る。反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）においては、シリコンとその酸化シリコンと間の選択性エッチングが知られている。この条件に修正を加えることでシリコンエピタキシャル層と側壁に酸化皮膜をもった多孔質層との選択性エッチングが可能となる。酸化皮膜を厚く形成するほど、選択性が向上し、同時に多孔質層の屈折率が低下する。

以上説明したように、多孔質表面を酸化シリコン層で被覆することにより，エピタキシャルシリコン層に円柱孔を形成する際に多孔質層でエッチストップさせることが可能となり、二次元ホトニック結晶スラブを安価に、精度良く形成でき、光の閉じ込めを良好に行うことができる。これを用いて各種の光回路を構成できる。

なお、光回路デバイスをチップ化してから各種システムに実装する場合には、図２３に示すような、ウエハからデバイスを分離するへき開・ダイシング方法を用いることができる。

この方法においては、ウエハからダイシングされた部分ウエハ２３０１を、先ず、光導波路デバイスパターン２３０２の光導波方向に略垂直にへき開し、複数のバーウエハ２３０３に分離する（図２３（ａ））。その後、バーウエハ２３０３を長辺方向に垂直にダイシングして、デバイス２３０４に分離する（図２３（ｂ））。へき開を用いるのは、各光回路デバイスの入出力が端面を通じて行われるためであり、端面が平坦であるほど入出力効率、即ち、光結合効率が高くなり、システムの性能が向上されるためである。本発明の方法によれば、光導波のためのコア層、クラッド層、そして基板は全て単結晶状に構成されている、そのため、面内方向にパターニングする際に、結晶方位に合わせて構成しておけば、へき開によって、平坦な面を得やすく、貼合せを用いたＳＯＩでは貼合せ時の基板の結晶方位とＳＯＩ層の結晶方位の差が存在するのに対して、量産性を鑑みた場合には大きな利点となっている。

本実施例では、周期パターン２０４としては、実施例１と同様な欠陥導波路、欠陥共振器の入った三角格子円柱孔パターンを形成する。円柱孔の径は使用波長である光通信帯域の１．５μｍの約１／４である約０．３μｍ、パターンの周期は約０．７μｍである。

一方、パターニング手法としては、本実施例で用いた光リソグラフィーの方法以外にも、より安価なナノインプリント技術、あるいは、より高解像度なＸ線リソグラフィー、イオンビームリソグラフィー、ＥＢリソグラフィー、近接場光リソグラフィー等を目的に応じて用いることが可能である。

なお、多孔質層の酸化については、このようなパターニングを行った後、再度、酸化プロセスを行い、その際には複数の前記円柱孔からの酸素導入により、その選択性を用いて、ほぼ全ての多孔質ＳｉがＳｉＯ₂ となるようまで行い、形成された多孔質ＳｉＯ₂ をクラッド層にすることも可能である。
以上、本実施例により、貼り合せ工程不要の２Ｄスラブ型フォトニック結晶デバイスが作製される。

実施例３
本実施例は、実施例１に示した２Ｄスラブ型フォトニック結晶デバイスを作製する別の方法を示したものである。実施例２と異なる点は，多孔質層の上の結晶Ｓｉ層をエピタキシャル成長で作るのではなく，多孔質Ｓｉをアニールすることによって形成することである。

以下、図１３を用いて本実施例のフォトニック結晶デバイスの作製方法について説明する。
まず、図１３（ａ）に示すＳｉ基板１３０１に２段階の陽極化成により、２層の多孔質構造のシリコン層１３０２，および１３０３を形成する（図１３（ｂ）―（ｃ））．２層の多孔質シリコン層は空孔率が異なるものであり，上部多孔質Ｓｉ層１３０２は下部多孔質Ｓｉ層１３０３に比べて空孔率が低く構成されている。

陽極化成については、図３に示すような装置構成によってこれを実施することは前記実施例２と同様である。
多孔質層の空孔率は化成電流によって制御される。本実施例では，はじめに小さい電流で空洞割合の小さい上部多結晶層１３０２を形成し（図１３（ｂ）），ついで電流値を大きくして空孔径の大きい下部多孔質層１３０３を形成する（図１３（ｃ））。

陽極化成条件は
出発ウエーハ：Ｐ＋（１００）Ｓｉ０．０１Ω−ｃｍ
溶液：ＨＦ、Ｃ₂ Ｈ₅ ＯＨ、Ｈ₂ Ｏ
化成電流：３０ｍＡ／ｃｍ² （上部）、１５０ｍＡ／ｃｍ² （下部）
とした。

次に、多孔質シリコンの孔の側壁を均一に極薄な酸化膜で被覆する（図１３（ｄ））。孔の陽極化成の形成機構から全ての孔はその先端においてのみ伸長し、表面孔はその先端と連通している。そのため、酸素がその微細な先端まで供給され、加熱することによって、上下両多孔質層ともに均一な酸化皮膜が形成される。酸化は多孔質の空孔度を減衰させずに５００℃以下の低温で行う。

酸化条件
ガス：Ｏ₂
温度：４００℃
次に、上部多孔質Ｓｉ層１３０２に形成された酸化皮膜のみを、ＨＦ溶液により除去する（図１３（ｅ））。

次に、以下の条件の水素アニールを行う。
条件
ガス：１００％Ｈ₂
温度：１０５０℃
水素アニールは、水素雰囲気中で加熱する処理であり、これによって、酸化皮膜に覆われていない上部多孔質Ｓｉ層１３０２およびその近傍のＳｉ原子が移動し、空孔を埋めて連続した結晶層１３０４が形成される（図１３（ｆ））。と同時にその表面は原子レベルまで平滑化され、特に光波長の１／１０オーダの凹凸による不要な光散乱が抑制された良質の光導波コア構造が得られる。下部多孔質層は酸化皮膜に覆われているため、空孔が保たれている。アニールにより結晶化した結晶層１３０４を光導波路とし、有効屈折率の低い下部多孔質層１３０２をクラッドとする光閉じ込め構造が作られる。

このように，本実施例では、エピタキシャル成長を用いず水素アニール処理により結晶層を形成するので，ＳｉＨ４などのガスを用いることなく、工程が簡略化される。
以下、実施例２と同様に、結晶Ｓｉ層１３０４上に、光リソグラフィー技術を用いてシリコン層をエッチング除去して円柱孔の周期パターンを形成する（図１３（ｇ））。下部の多孔質層は残留させてクラッド層に供する。シリコン層のパターニングに関するエッチング除去は
エッチング：反応性イオンエッチング
ガス：ＳＦ₆ ＋ＣＨＦ₃ ガス
で行う。

なお、多孔質層の酸化については、このようなパターニングを行った後、再度、酸化プロセスを行い、その際には複数の前記円柱孔からの酸素導入により、ほぼ全ての多孔質ＳｉがＳｉＯ₂ となるまで行い、形成された多孔質ＳｉＯ₂ をクラッド層にすることも可能である。

実施例４
本実施例は２Ｄスラブ型フォトニック結晶デバイスを作製するもう１つの例である。実施例３と同様に２層の多孔質Ｓｉ層を形成するが、多孔質層に酸化皮膜を形成せず、２つの多孔質層を同時にアニールする。アニールにより上部多孔質層に形成されたＳｉ結晶層を光導波路のコアにし、同時に下部多孔質層に形成された空洞を下部クラッドに用いる。この結果、本実施例では、エアブリッジ型の２Ｄスラブ型フォトニック結晶デバイスが形成される。

以下、図１４を用いて本実施例のフォトニック結晶デバイスの作製方法について説明する。
まず、図１４（ａ）に示すＳｉ基板１３０１上に２段階の陽極化成により、２層の多孔質構造のシリコン層１３０２，および１３０３を形成する（図１４（ｂ））。２層の多孔質シリコン層は空孔率が異なるものであり、上部多孔質Ｓｉ層１３０２は下部多孔質Ｓｉ層１３０３に比べて空孔率が低く構成されている。

陽極化成については、図３に示すような装置構成によって、これを実施することが可能であることは前記実施例２と同様である。空孔率は化成電流によって制御される。
陽極化成条件
出発ウエーハ：Ｐ＋（１００）Ｓｉ０．０１Ω−ｃｍ
溶液：ＨＦ、Ｃ₂ Ｈ₅ ＯＨ、Ｈ₂ Ｏ
化成電流：３０ｍＡ／ｃｍ² （上部）、１５０ｍＡ／ｃｍ² （下部）
次に、以下の条件により、水素アニールを行う。

条件
ガス：１００％Ｈ₂
温度：１０５０℃
この水素アニールによって、上部多孔質Ｓｉ層１３０２では、多孔質の孔の表面およびその近傍のＳｉ原子が移動し、連続な結晶層１３０４が形成される（図１４（ｃ））。その表面は原子レベルまで平滑化され、特に光波長の１／１０オーダーの凹凸による不要な光散乱が抑制された良質の光導波コア構造が得られる。

一方、下部多孔質Ｓｉ層１３０３については空孔率が高いためにＳｉ原子が欠乏しており、表面エネルギーを下げるために空孔が結合すると、図１４（ｃ）に示すような空洞１４０１が形成される。水素アニールにより空洞が形成される現象は特開２００１−１４４２７６に説明されている。この空洞１４０１が下部クラッドとして光導波デバイスとしての光閉じ込めに寄与する。

次に、空洞１４０１の上の結晶Ｓｉ層１３０４に、光リソグラフィー技術を用いてシリコン層を選択的にエッチング除去し、円柱孔の周期パターンを形成する（図１４（ｄ））。シリコン層のエッチング除去は例えば以下の条件で行われる。

シリコン層の加工条件
エッチング：反応性イオンエッチング
ガス：ＳＦ₆ ＋ＣＨＦ₃ ガス
本実施例では、周期パターン２０４としては、実施例１と同様な欠陥導波路、欠陥共振器の入った三角格子円柱孔パターンを形成する。円柱孔の径は使用波長である光通信帯域の１．５μｍの約１／４である約０．３μｍ、パターンの周期は約０．７μｍである。

エアブリッジ構造にすることにより、結晶層は上面だけでなく下面も空気に接することになり、下面が多孔質層に接しているときよりも屈折率差が大きいので、光閉じ込めがいっそう確実になる。また、エピタキシャル成長を用いず、水素アニール処理により結晶層を形成するので、ＳｉＨ₄ ガスが不要となり、工程が簡略になることは先の実施例３と同様である。

なお、水素アニール処理により上部多孔質Ｓｉ層１３０２を光導波コア層１３０４として形成する工程においては、Ｓｉ原子を気相により供給することで、膜厚の減少を抑え、安定的な形成を促すことも可能である。

実施例５
本実施例はエアブリッジ型２Ｄスラブ型フォトニック結晶デバイスを作製するもう１つの例である。結晶Ｓｉ層はエピタキシャル成長によって成膜し、下の多孔質Ｓｉ層をアニール処理し、形成された空洞を下部クラッドとする。

以下、図１５を用いて本実施例のフォトニック結晶デバイスの作製方法について説明する。
まず、図１５（ａ）に示すＳｉ基板１３０１の表面に陽極化成により、多孔質構造のシリコン層１３０２を形成する（図１５（ｂ））。

陽極化成については、例えば、図３に示すような装置構成によって、これを実施することが可能であることは前記実施例２と同様である。
陽極化成条件
出発ウエーハ：Ｐ＋（１００）Ｓｉ０．０１Ω−ｃｍ
溶液：ＨＦ、Ｃ₂ Ｈ₅ ＯＨ、Ｈ₂ Ｏ
化成電流：１５０ｍＡ／ｃｍ²
次に、水素雰囲気下でプリベークを行うと、表面に連続状の結晶薄膜構造１５０１が形成され、多孔質Ｓｉ層１３０２の表面の孔を封止する（図１５（ｃ））。この際、気相によりＳｉを供給することで、欠乏しているＳｉを補い、結晶薄膜構造１５０１の結晶欠陥を低減することが可能である。

次に、この結晶薄膜構造１５０１の表面からエピタキシャル成長によりＳｉ結晶層１３０４を追加する（図１５（ｄ））。
エピタキシャル成長条件
気相成長
温度：１０００℃
ガス：ＳｉＨ₄ ／Ｈ₂
圧力：７００Ｔｏｒｒ
次に、以下の条件により、水素アニールを行う。

条件
ガス：１００％Ｈ₂
温度：１０５０℃
水素アニールによって、多孔質Ｓｉ層１３０２は空洞１４０１に変化する（図１５（ｅ））。

空洞が出来る原理は実施例４と同様であって、多孔質Ｓｉ層およびその近傍のＳｉ原子が移動して空孔が結合する結果、空洞１４０１が形成される。
この結果、結晶層１３０４を光導波コアとし、空洞１４０１を下部クラッド層とする光導波路ができる。この水素アニールによる空洞内壁表面は原子レベルまで平滑化され、空洞の上壁、即ち空洞クラッドと結晶層光導波路の界面において、光波長の１／１０オーダーの凹凸による不要な光散乱が抑制された、良質の光導波構造が得られる。

以下、実施例４と同様に、空洞１４０１の上の光導波コアとなる結晶Ｓｉ層１３０４に、周期パターンを形成する（図１５（ｆ））ことにより、エアブリッジ型２Ｄスラブ型フォトニック結晶デバイスが作製される。

なお、多孔質表面の空孔を封止する工程においては、気相Ｓｉの供給や、エピタキシャル成長によるＳｉ結晶層追加は行わず、即ち、簡略化された工程で薄膜結晶層を形成しても良い。

実施例６
本実施例は、多孔質Ｓｉ層をクラッドに用い、エピＳｉ層をコアに用いた２Ｄスラブ型フォトニック結晶デバイスにおいて、クラッド層に活性媒質を導入した、アクティブフォトニック結晶構造と、その製造方法を示すものである。

図１６を用いて本実施例のフォトニック結晶デバイスの作製方法について説明する。
まず、図１６（ａ）に示すＳｉ基板１３０１上に陽極化成により、多孔質構造のシリコン層１３０２を形成する（図１６（ｂ））。陽極化成については、例えば、図３に示すような装置構成により、これを実施することが可能である。

陽極化成条件
出発ウエーハ：Ｐ＋（１００）Ｓｉ０．０１Ω−ｃｍ
溶液：ＨＦ、Ｃ₂ Ｈ₅ ＯＨ、Ｈ₂ Ｏ
化成電流：１５０ｍＡ／ｃｍ²
次に、Ｅｒイオン１６０１を加速して多孔質Ｓｉ層１３０２にイオン注入し、Ｅｒドープ領域１６０２を形成する（図１６（ｃ））。さらに、必要に応じて活性化のためのアニールなどを行っても良い。

次に、多孔質Ｓｉ層１３０２に下記条件のエピタキシャル成長により、結晶Ｓｉ層１３０４を形成する。この際には水素雰囲気で行うことが重要であり、多孔質層の表面の孔の封止を促進し、その上部に良質なエピタキシャル層を形成することができる。

エピタキシャル成長条件
気相成長
温度：１０００℃
ガス：ＳｉＨ₄ ／Ｈ₂
圧力：７００Ｔｏｒｒ
そして、次に、結晶Ｓｉ層１３０４に、光リソグラフィー技術を用いてシリコン層をエッチング除去して周期パターンの円柱孔を形成する。下部の多孔質層はエッチングせず残留させてクラッド層に供する。シリコン層のエッチング除去は例えば以下の条件で行われる。

シリコン層の加工条件
エッチング：反応性イオンエッチング
ガス：Ｃｌ₂ 系ガス
周期パターン２０４中には、欠陥導波路、欠陥共振器の入った三角格子円柱孔パターンを形成する。円柱孔の径は使用波長であるＥｒの利得波長域の１〜１．４μｍの約１／４である約０．３μｍ、パターンの周期は約０．７μｍである。そして、欠陥共振器１３０１の位置はＥｒドープ領域１６０２と重なるように配置する。

この配置によって、Ｓｉフォトニック結晶内を透過する赤外光がクラッド内のＥｒと相互作用する。非線形光学効果による光スイッチングや、波長１μｍ近傍の励起光をＥｒドープ領域１６０２に照射、あるいは、導光することによって、フォトニック結晶内の赤外光を増幅したり、また、フォトニック結晶欠陥共振器のフィードバックによりレーザ発振させることが可能である。

以上、本実施例により、クラッド層に活性媒質を配置したアクティブ２Ｄスラブ型フォトニック結晶デバイスが作製される。
なお、活性媒質として本実施例ではＥｒイオンを用いたが、その他、Ａｌｑ３などの有機蛍光物質、ＺｎＳ：Ｍｎ等の無機蛍光物質を用いても良く、例えば、溶液を作製して多孔質Ｓｉ層を浸漬することによって多孔質の空孔部分に毛細管現象によって吸着することも可能である。さらに、活性媒質としてＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＰ等の結晶材料を用いることもでき、ＭＯＣＶＤ、ＣＢＥ、ＭＢＥなどの結晶成長装置により空孔内に物質を導入し、結晶成長させることも可能である。

活性媒質の導入は本実施例では部分的としたが、図２１（ｂ）に示すように、全面にＥｒイオン２１０１を照射し活性媒質をドープした領域２１０２を形成しても良い。図２１のその他の工程は図１６と同じである。

実施例７
本実施例は、実施例２で製造した２Ｄスラブ型フォトニック結晶を、円柱の貫通孔を通してエッチング液を多孔質層に接触させ、多孔質Ｓｉ層の一部を除去することにより、エアーブリッジ構造にする。

以下、図５を用いて本実施例のフォトニック結晶デバイスの作製方法について説明する。図５（ａ）で示される構造は、実施例２で作製された２Ｄスラブフォトニック結晶であり、図２（ｄ）の工程が終了した結果である。Ｓｉ種基板５０１上に多孔質Ｓｉ５０２が形成され、さらにその上部にエピタキシャル成長によって単結晶Ｓｉ５０３が形成された後にパターニングによってフォトニック結晶パターン５０４が構成されているものである。

本実施例では、この構造に対して、単結晶層に形成した円柱孔を介して下部の多孔質層をエッチング除去して空洞を形成しこれをクラッド層とする（図５（ｂ））。
多孔質層のエッチング条件は
エッチング条件：
溶液：ＨＦ／Ｈ₂ Ｏ₂
エッチング選択比：結晶層：多孔質層＝１：１０万
とする。

本実施例の方法によれば空洞を円柱孔の直下に作ることが出来る。
次に、以下の条件により、水素アニールを行う。この結果、単結晶Ｓｉ５０５の表面、パターン側壁、裏面（ＡｉｒＢｒｉｄｇｅの中空側）が平滑化される。

水素アニール条件
ガス：１００％Ｈ₂
温度：１０５０℃
平滑化により、フォトニック結晶を導波路として用いた場合には伝播損失が少なくなり、また、フォトニック結晶を共振器として用いた場合には損失抑制によって高いＱ値が得られる。

実施例８
本実施例は、多孔質Ｇｅ層をクラッドに用い、エピＧａＡｓ層をコアに用いた２Ｄスラブ型フォトニック結晶デバイスを作製する例であり、その方法を示したものである。

以下、図６を用いて本実施例のフォトニック結晶デバイスの作製方法について説明する。
まず、Ｇｅ基板６０１上に陽極化成により、多孔質構造のＧｅ層６０２を形成する。

陽極化成については、例えば、図３に示すような装置構成と同様な構成により、これを実施することが可能であり、さらに、図４に示すような装置構成により、複数のウエハを一括で処理することも可能であるため、この工程は安価に行うことができる。

陽極化成条件
出発ウエーハ：Ｐ＋（１００）Ｇｅ０．０１Ω−ｃｍ
溶液：ＨＦ、Ｃ₂ Ｈ₅ ＯＨ、Ｈ₂ Ｏ
化成電流：１００ｍＡ／ｃｍ²
次に、多孔質Ｇｅ層６０２上にエピタキシャル成長により、エピＧａＡｓ層６０３を形成する。そして次に、エピＧａＡｓ層６０３上に、光リソグラフィー技術を用いて周期パターン６０４を形成する。

本実施例では、周期パターン６０４としては、実施例１と同様な欠陥導波路、欠陥共振器の入った三角格子円柱孔パターンを形成する。円柱孔の径は使用波長である光通信帯域の１．５μｍの約１／４である約０．３μｍ、パターンの周期は約０．７μｍである。

以上、本実施例により、貼り合せ工程不要の２Ｄスラブ型フォトニック結晶デバイスが作製される。
なお、本実施例では、直接遷移型光半導体であるＧａＡｓをコア層に用いているため、光励起による発光や光非線形性を用いたスイッチング素子等を作製でき、より高機能な光デバイスを構成可能である。
また、本実施例ではＧａＡｓを用いたが、Ｇｅと格子定数、線膨張係数の比較的近く整合性のよい結晶材料であれば、他の材料も用いることができるのは言うまでも無い。

実施例９
本発明の第９の実施例を、図７を用いて説明する。図７は、本発明のフォトニック結晶を用いたμＴＡＳ（ｍｉｃｒｏｔｏｔａｌａｎａｌｙｓｉｓｓｙｓｔｅｍ）センサシステムを示す模式図である。

図７（ａ）はμＴＡＳの流路系とフォトニック結晶レーザセンサの位置関係などを俯瞰したイメージを示す模式図であり、流路基板７０１に流路７０２が形成されており、被検出情報を含む流体７０３が流れている、流路７０２は図に示されたように、例えば、分岐、合流の他に、例えば、攪拌、反応、その他μＴＡＳで用いられる種々の構成を用いることができる。流路の直下の位置にはフォトニック結晶レーザセンサ７０４が配置されていることが透視的に示されている。

本実施例におけるフォトニック結晶レーザは、２次元スラブ型フォトニック結晶を用いて点欠陥型共振器構造を構成し、その点欠陥部分にレーザ媒質を配置し、不図示の光励起手段により励起する。

このような構成の一例として、図１２に模式的に示すように、Ｇｅ基板上に多孔質Ｇｅをクラッド層、ＧａＡｓをコア層とし、ＧａＡｓ層をエピタキシャル成長する際に、活性層即ちレーザ媒質層として、多重量子井戸構造１２０５をＡｌＧａＡｓの３元化合物系を用いて構成した後に、フォトニック結晶の周期円柱孔パターンをパターニングし、さらにエアブリッジ構造としたものが挙げられる。

このような構造のフォトニック結晶レーザは、その閾値や発振条件、発振状態が微小共振器の周囲の環境によって非常に敏感に反応するため、このレーザを微小なレーザセンサとして用いることができる。本実施例においては当該フォトニック結晶レーザセンサは、流路中の流体に含まれる物質の濃度、流体の屈折率、流体の温度、流体の圧力等により、レーザ発振の状態が非常に敏感に変化するので、レーザ光出力の状態によって流体のこれらの変化を検出するものである。

図中に示されているように、レーザ光出力が最下部の受光層７０９によって検出され、各レーザセンサの発振状態が検出されている。
なお、レーザセンサの発振状態の検出には、レーザ光出力以外にも、レーザの励起を電流注入によって行う場合には、注入電流の変化によってもレーザ発振の状態を観測することができる。

図７（ｃ）は本実施例のセンサシステムの断面図を示す模式図であり、前述のように流路層７０１に流路７０２が形成されており、その上部にカバー層７０５が形成されて流路を積層方向に閉じている。もう一方の積層方向は薄膜７０６によって閉じられており、薄膜７０６に接してフォトニック結晶レーザ７０４が配置されている。薄膜７０６の厚さはフォトニック結晶レーザの発振波長程度に設計されており、フォトニック結晶レーザの共振器からのエバネッセント光が流路７０２中の流体７０３に及ぶようになっている。同時に、レーザ共振器の損失を発振可能条件ぎりぎりに設定し，流体のわずかの変化が発振を停止させる，もしくは発振を引き起こすようになっている。
以上のようにして、本発明のフォトニック結晶とその作製方法を用いて、μＴＡＳセンサシステムを構成することが可能である。

実施例１０
本実施例は、２Ｄスラブ型フォトニック結晶をセンサに応用したものであって、単結晶層に周期的パターンの貫通孔を開けたフォトニック結晶を流路として利用するものである。

以下、図１７から図２０を用いて説明する。
図１７は本実施例の基本的な工程を模式的に表した図である。まず、（ａ）Ｓｉウエハ１３０１の表面について、面内方向のある矩形領域１７０１および光導波路領域となる
部分（不図示）を陽極化成し、多孔質化する。

次に、（ｂ）多孔質の表面の空孔を水素プリベークにより封止したのち、エピタキシャル成長によって結晶Ｓｉ層１７０２を表面に形成する。次に（ｃ）結晶Ｓｉ層にフォトニック結晶パターン１３０５および光導波路パターン１７０３をパターニングする。

次に、フォトニック結晶のパターンとして形成された複数の円柱孔を通じてエッチャントを浸透させ、選択ウエットエッチングによりフォトニック結晶領域の下部の矩形領域１７０１に存在する多孔質Ｓｉを除去し、流路１７０４を形成する。

このようにして形成された光デバイス・流路構造体１８０１を図１８（ａ）に示すように、別途作製されたＰＤＭＳ（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）製の上部流路構造体１８０３と接合して、フロースルー構造（図１８（ｂ））のセンサを形成する。

流路１８０３と１７０４によって導かれ、フォトニック結晶を形成する円柱孔内を流れる披検流体の種類や性質によって、フォトニック結晶１３０５の透過特性が変化する。これを光導波路１７０３を通じた光スペクトル測定を用いて検出することにより，目的の物質を検出することが出来る。

また、他の形態としては、図１９（ａ）に示すように、流路１７０４の端部にＳｉ層から貫通孔を形成してもよく、これはフォトニック結晶と光導波路のパターニングと同時に行うことが可能である。このような構成を用いた場合、図１９（ｂ）に示すように、導入流路１８０３と排出流路１９０３を積層方向で同じ層に形成することができ、このようなセンサや他の、所謂μーＴＡＳ系と接続したシステムを形成する場合に構成上、有利である。

さらに、他の形態としては、多孔質Ｓｉ層を全面に形成してクラッド層としたフォトニック結晶について、Ｓｉ基板裏面からＩＣＰ−ＲＩＥにより貫通孔を形成し、フォトニック結晶の円柱孔に加えて、クラッドの多孔質層の空孔を通じてフロースルー構造をとることも可能である。この場合の第一の利点は、フォトニック結晶部分の薄膜を多孔質層で支えることでより強固な構造体となることである。第二の利点は、多孔質層の空孔率や孔径を制御することで、披検流体の様々な性質に対応したフロースルー制御が行えることである。その一例は、例えば溶液中のタンパク質を検出する場合、溶質であるタンパク質が多孔質層の通過を妨げられるよう、空孔のサイズを披検タンパク質と同じオーダのサイズとし、クラッド層内の空孔およびフォトニック結晶の円柱孔にタンパクが付着するのを促進するものである。

以上、説明したように、本発明の多孔質層を用いたフォトニック結晶を用いて、フロースルー型のセンサが構成できることが示された。
なお、上部の流路を形成する材料としては、本実施例で挙げたＰＤＭＳ以外にも、Ｓｉ、石英、ガラス等を適宜用いることが可能であることは言うまでもない。

実施例１１
本実施例は、本発明の多孔質シリコンを用いた光デバイスにおいて、光導波路などの光素子を、細線導波路で構成した一例を示すものである。

以下、図８を用いて本実施例の形態を説明する。図８中、種ウエハであるシリコン基板８０１上には実施例１と同様に陽極化成によって形成された多孔質シリコン層８０２が形成されており、そのさらに上にエピタキシャル成長により形成された単結晶シリコン層８０３が構成されている。

そして、単結晶シリコン層８０３は、導波路を構成するために、光リソグラフィーの手法、すなわちレジスト塗布、露光装置によるパターニング後にエッチングにより細線状パターンが形成されている。この場合のエッチングは、多孔質シリコン層８０２に対して選択的に行われる。この選択エッチングに関しては、例えば、前記実施例３で示したのと同様に、多孔質シリコンの孔の側壁を均一に極薄な酸化膜で被覆し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、シリコンエピタキシャル層と側壁に酸化皮膜をもった多孔質層との選択性エッチングが可能である。酸化皮膜を厚く形成するほど、選択性が向上し、同時に多孔質層の屈折率が低下する。

次に、以下の条件により、水素アニールにより、細線表面、ならびに側壁を平滑化する。
条件
ガス：１００％Ｈ₂
温度：１０５０℃
この水素アニールによって、細線表面および側壁は原子レベルまで平滑化され、特に光波長の１／１０オーダーの凹凸による不要な光散乱を生じる構造が消失することにより、細線導波路における重要な性能の一つである光損失を大幅に抑えることができる。また、細線導波路を円環状にして光共振器を構成した場合などには、（非特許文献２、ｐ．２６２参照）、共振器の重要な性能であるＱ値を高めることに貢献し、共振器を利用した素子の性能として例えば、波長フィルタ特性やレーザ発振閾値特性などを向上することができる。

このようにして、表面が平坦化され、光散乱損失が抑えられたシリコン細線導波路が屈折率の低い多孔質シリコン層を下部クラッドとして、形成される。
なお、本実施例では光リソグラフィーの手法を用いてパターニングを行ったが、それ以外にも、より安価なナノインプリント技術、あるいは、より高解像度なＸ線リソグラフィー、イオンビームリソグラフィー、ＥＢリソグラフィー、近接場光リソグラフィー等を目的に応じて用いることが可能である。

実施例１２
本実施例は、本発明の多孔質シリコンを用いた光デバイスにおいて、光導波路などの光素子を細線導波路で構成した別の一例を示すものである。

以下、図９を用いて本実施例の形態を説明する。図９中、種ウエハであるシリコン基板９０１上には実施例１と同様に陽極化成によって形成された多孔質シリコン層９０２が形成されており、そのさらに上にエピタキシャル成長により形成された単結晶シリコン層９０３が構成されている。そして、多孔質シリコン層および単結晶シリコン層は導波路を構成するために、光リソグラフィーの手法、すなわちレジスト塗布、露光装置によるパターニング後にエッチングにより細線状パターンが形成されている。

次に、以下の条件により、水素アニールにより、細線表面、ならびに側壁を平滑化する。
条件
ガス：１００％Ｈ₂
温度：１０５０℃
この水素アニールによって、細線表面および側壁は原子レベルまで平滑化され、特に光波長の１／１０オーダーの凹凸による不要な光散乱を生じる構造が消失することにより、細線導波路における重要な性能の一つである光損失を大幅に抑えることができる。また、細線導波路を円環状にして光共振器を構成した場合などには、（上記川上他、ｐ．２６２参照）、共振器の重要な性能であるＱ値を高めることに貢献し、共振器を利用した素子の性能として例えば、波長フィルタ特性やレーザ発振閾値特性などを向上することができる。

さらに、本実施例の細線導波路を前述の２Ｄスラブ型フォトニック結晶と組み合わせ、ハイブリッドで用いることができるのは言うまでもない。例えば、図１０に模式図を示したように、モード体積が極小の共振器をフォトニック結晶点欠陥と線欠陥を用いて導波路に接続した形で構成し、線欠陥導波路を本実施形態の細線導波路へ接続し、さらに、細線導波路の径を断熱的に徐々に太くして、外部の光ファイバへ接続する等、目的と用途に応じて、組み合わせることができる。

また、このような断熱的な導波路においてさらに適した構成を本発明の方法で実施することができ、例えば、図２２に示すように、面内方向の異なる位置２２０１、２２０２、２２０３について、それぞれ陽極化成電流の時間変化を変えることにより、２層の多孔質結晶層１３０２と１３０１の厚さを異なるように構成でき（図中（ｂ））、特に面内位置２２０２から２２０３に至る部分で傾斜を持たせることが可能である。これを水素アニール処理することで、断熱的に厚みが変化する光導波コアを構成することが可能であり図中（ｃ）および、対応する上面模式図の図中（ｄ）に示されるように面内方向だけでなく面垂直方向にも断熱的な導波路を構成することが可能となる。また、面内位置で陽極化成電流を変える代わりに、面内位置に関して傾斜を含む照度分布を持つ光を照射することでも、フォトキャリアによる陽極化成の増進効果によって、２層の多孔質層の厚みの比率を変えることが可能である。

実施例１３
本実施例は、本発明の多孔質シリコンを用いた光デバイスにおいて、多孔質シリコン層を酸化して、多孔質ＳｉＯ₂層に変化させてデバイスを構成する例である。

以下、図１１を用いて説明する。図１１は本実施例の光デバイスの製造過程を示す模式図であって、上は俯瞰図、下は側面図である。図１１の左側には、種ウエハであるシリコン基板１１０１上に実施例７と同様に陽極化成によって形成された多孔質シリコン層１１０２、エピタキシャル成長により形成された単結晶シリコン層１１０３が構成されている。そして、多孔質シリコン層および単結晶シリコン層は導波路を構成するために、光リソグラフィーの手法、すなわちレジスト塗布、露光装置によるパターニング後にエッチングにより細線状パターンが形成されている。

実施例７と同様に、水素アニールにより、細線表面、ならびに側壁は平滑化されている。
本実施例では、さらにこの試料に対して、以下の酸化条件により酸化を行う。酸化条件
ガス：Ｏ₂ ／Ｈ₂
温度：１０５０℃

酸化後の細線導波路を示すのが図１１の右側である。この酸化により、細線導波路の非多孔質結晶シリコン層とその下部の多孔質シリコン層が酸化されるが、多孔質層Ｓｉは非多孔質の結晶Ｓｉに比較して百倍ほど高速に酸化されるため、これを利用して酸化時間を調整することにより、多孔質シリコン層をほぼ全て酸化し（図中１１０４）、かつ、非多孔質の結晶シリコン層はその表面のみを酸化すること（図中１１０５）が可能である。その結果、細線光導波路の下部、側面、表面は全て均一な屈折率を持つ熱酸化層によって包囲され、さらにその外側は充分な厚さを持った空気層および多孔質ＳｉＯ₂ 層によって光が閉じ込められる。また、酸化により生じる細線導波路におけるシリコンとＳｉＯ₂ の界面はシリコンを予め水素アニールしていることから、平滑で、不要な光散乱損失が抑制された構造となり、以上のように良好な光導波路が高価なＳＯＩ基板を用いずに、直接シリコン基板上に形成される。

本発明は、多孔質層をクラッドに用いたフォトニック結晶や細線導波路を用いることにより、２Ｄスラブ型フォトニック結晶や細線導波路を用いた高機能で高精度なレーザやこれを用いたセンサを提供できるので、光通信機器および光を用いた情報処理装置、さらにバイオ情報などの各種情報の高感度検出を行うセンサ等に利用することができる。

実施例１の多孔質Ｓｉをクラッドに用いた２Ｄスラブ型フォトニック結晶デバイスを示す摸式図である。実施例２の多孔質Ｓｉをクラッドに用いた２Ｄスラブ型フォトニック結晶デバイスの作製方法を示す摸式図である。実施例２の陽極化成による多孔質化の方法の一例を示す摸式図である。実施例２の陽極化成による多孔質化の他の一例を示す摸式図である。実施例７の多孔質Ｓｉを用いたＡｉｒＢｒｉｄｇｅタイプの２Ｄスラブ型フォトニック結晶を示す摸式図である。実施例８の多孔質Ｇｅをクラッド、ＧａＡｓをコアに用いた２Ｄスラブ型フォトニック結晶の構成例を示す摸式図である。実施例９の２Ｄフォトニック結晶を用いたμＴＡＳ用レーザセンサシステムの構成例を示す摸式図である。実施例１１の多孔質Ｓｉをクラッドに用いたＳｉ細線導波路デバイスの構成を示す摸式図である。実施例１２の多孔質Ｓｉをクラッドに用いたＳｉ細線導波路デバイスの構成を示す摸式図である。実施例１２の他の構成の一例を示す摸式図である。実施例１３の酸化による多孔質ＳｉＯ₂をクラッドに用いた表面酸化Ｓｉ細線導波路デバイスの構成を示す摸式図である。実施例９のフォトニック結晶を用いたレーザセンサシステムの構成例を示す摸式図である。実施例３のフォトニック結晶の構成および作製工程を示す摸式図である。実施例４のエアブリッジフォトニック結晶の構成および作製工程を示す摸式図である。実施例５のエアブリッジフォトニック結晶の構成および作製工程を示す摸式図である。実施例６のアクティブフォトニック結晶の構成および作製工程を示す摸式図である。実施例１０のフォトニック結晶デバイスの構成および作製工程を示す摸式図である。実施例１０のフロースルー型フォトニック結晶センサの構成および作製工程を示す摸式図である。実施例１０のフロースルー型フォトニック結晶センサの他の構成および作製工程を示す摸式図である。実施例１０のフロースルー型フォトニック結晶センサのその他の構成および作製工程を示す摸式図である。実施例６のアクティブフォトニック結晶その他の構成および作製工程を示す摸式図である。実施例１２の他の構成を示す摸式図である。実施例２の製造方法の一工程の例を示す摸式図である。

符号の説明

１０１Ｓｉ種基板
１０２多孔質Ｓｉ層
１０３エピ成長Ｓｉ層
１０４フォトニック結晶パターン
１０５線状欠陥導波路
１０６点状欠陥共振器
１０７点状欠陥共振器
２０１Ｓｉ種基板
２０２多孔質Ｓｉ層
２０３エピ成長Ｓｉ層
２０４フォトニック結晶パターン
３０１フォトニック結晶作製用Ｓｉ基板
３０２ＨＦ溶液
３０３Ｏリング
３０４Ｐｔ製面電極
３０５下部支持体
３０６上部支持体
３０７陽極
３０８Ｐｔ製メッシュ電極
３０９陰極
４０１フォトニック結晶作製用Ｓｉ基板
４０２真空チャック用配管
４０３ウエハホルダ
４０４ＨＦ溶液槽
４０５ＨＦ溶液
４０６陽極
４０７陰極
５０１Ｓｉ種基板
５０２多孔質Ｓｉ層
５０３エピ成長Ｓｉ層
５０４フォトニック結晶パターン
５０５エアーブリッジ部
５０６アニール後Ｓｉ平坦表面
６０１Ｇｅ種基板
６０２多孔質Ｇｅ層
６０３エピ成長ＧａＡｓ層
６０４フォトニック結晶パターン
７０１流路基板
７０２流路
７０３流体
７０４フォトニック結晶レーザセンサ
７０５カバー層
７０６薄膜
７０７フォトニック結晶層
７０８レーザ出力光
７０９受光層
８０１Ｓｉ種基板
８０２多孔質Ｓｉ層
８０３エピ成長Ｓｉ細線導波路
９０１Ｓｉ種基板
９０２多孔質Ｓｉ層
９０３エピ成長Ｓｉ細線導波路
１００１フォトニック結晶欠陥共振器
１００２フォトニック結晶線欠陥導波路
１００３Ｓｉ細線導波路
１００４Ｓｉ細線導波路テーパー部
１００５外部光導波路／光ファイバ系
１１０１Ｓｉ種基板
１１０２多孔質Ｓｉ層
１１０３エピ成長Ｓｉ細線導波路
１１０４多孔質ＳｉＯ₂ 層（熱酸化ＳｉＯ₂ ）
１１０５熱酸化ＳｉＯ₂ 膜付きエピ成長Ｓｉ細線導波路
１２０１Ｇｅ種基板
１２０２多孔質Ｇｅ層
１２０３ＧａＡｓ結晶層
１２０４活性層
１２０５多重量子井戸
１２０６欠陥共振器部分
１３０１Ｓｉ基板
１３０２上部多孔質Ｓｉ層
１３０３下部多孔質Ｓｉ層
１３０４光導波コアＳｉ結晶層
１３０５フォトニック結晶パターン
１４０１下部クラッド空洞
１５０１結晶薄膜構造
１６０１Ｅｒイオン
１６０２Ｅｒドープ領域
１７０１多孔質Ｓｉ領域
１７０２エピタキシャルＳｉ層
１７０３光導波路
１７０４流路空洞
１８０１光デバイス・流路構造体
１８０２上部流路構造体
１８０３上部流路
１９０１光デバイス・流路構造体
１９０２流路貫通孔
１９０３排出流路
２００１光デバイス・流路構造体
２００２下部流路構造体
２００３下部流路
２００４多孔質Ｓｉ層
２１０１活性媒質
２１０２活性媒質を含む多孔質結晶層
２２０１面内位置１
２２０２面内位置２
２２０３面内位置３
２３０１部分ウエハ
２３０２光導波路デバイスパターン
２３０３バーウエハ
２３０４光導波デバイス

Claims

基板上に、光波長より小さい孔径を有する多孔質層と、該多孔質層より屈折率の大きい結晶層とが積層されてなる光素子。
前記結晶層が層方向に光を伝播させる導波路を構成する請求項１に記載の光素子。
前記結晶層が層内に周期的な屈折率分布を有する請求項１に記載の光素子。
前記結晶層が層内の周期的な屈折率分布に設けられた線状欠陥または点状欠陥を有する請求項１に記載の光素子。
前記結晶層が、前記線状欠陥に沿って光導波路を構成する請求項４に記載の光素子。
前記結晶層が、前記点状欠陥の周囲に光を局在させる光共振器を構成する請求項４に記載の光素子。
前記光共振器がレーザ共振器である請求項６に記載の光素子。
前記結晶層が細線パターンをなして導波路を構成する請求項１に記載の光素子。
前記結晶層が前記多孔質層とともに細線パターンをなして導波路を構成する請求項８に記載の光素子。
前記結晶層が、基板との間に多孔質層のないエアブリッジ構造の部分を含む請求項１に記載の光素子。
前記屈折率の大きい結晶層の厚さが前記基板の面内方向の位置によって異なることを特徴とする請求項１記載の光素子。
前記多孔質層に活性媒質が導入されていることを特徴とする請求項１に記載の光素子。
前記多孔質層が、多孔質シリコン層、表面が酸化シリコンで被覆された多孔質シリコン層または多孔質酸化シリコン層であり、結晶層が単結晶シリコン層である請求項１に記載の光素子。
前記多孔質層が多孔質ゲルマニウム層であり、結晶層が結晶ＧａＡｓ層である請求項１に記載の光素子。
基板の表面に光波長より小さい孔径を有する多孔質層を形成する工程と、該多孔質層の上に該多孔質層より屈折率の大きい結晶層を形成する工程とを有することを特徴とする光素子の製造方法。
前記多孔質層を形成する工程が、基板表面の陽極化成により多孔質層を形成する工程である請求項１５に記載の光素子の製造方法。
前記多孔質層を水素雰囲気下でアニールして空洞を形成する工程をさらに有する請求項１５に記載の光素子の製造方法。
前記多孔質層を形成する工程が、２段階の陽極化成により空孔率の異なる２層の多孔質層を形成する工程である請求項１５に記載の光素子の製造方法。
空孔率の低い多孔質層を水素雰囲気下でアニールして結晶層を形成する工程をさらに有する請求項１５に記載の光素子の製造方法。
アニールして結晶層を形成する工程の前に、空孔率の高い多孔質層の孔の側壁に酸化皮膜を形成する請求項１９に記載の光素子の製造方法。
空孔率の高い多孔質層を水素雰囲気下でアニールして空洞を形成する工程をさらに有する請求項１５に記載の光素子の製造方法。
前記結晶層を形成する工程が、エピタキシャル成長によって結晶層を形成する工程である請求項１５に記載の光素子の製造方法。
結晶層をエピタキシャル成長させる工程の前に、多孔質層表面を酸化する工程をさらに有する請求項２２に記載の光素子の製造方法。
前記結晶層に貫通孔を形成する工程をさらに有する請求項１５に記載の光素子の製造方法。
前記貫通孔を介して結晶層の下の多孔質層をエッチングして除去する工程をさらに有する請求項２４に記載の光素子の製造方法。
前記多孔質層をエッチングし除去する工程の後、水素雰囲気下でアニールし、結晶層の表面、裏面、および貫通孔側壁を平滑化する工程をさらに有する請求項２５に記載の光素子の製造方法。
前記結晶層をパターンニングしエッチングにより除去して導波路を形成する工程をさらに有する請求項１５に記載の光素子の製造方法。
前記導波路を形成する工程の前に、多孔質層の孔の側壁に酸化皮膜を形成する請求項２７に記載の光素子の製造方法。
前記結晶層と多孔質層をパターンニングしエッチングにより除去して導波路を形成する工程をさらに有する請求項１５に記載の光素子の製造方法。
前記導波路を形成する工程の後、結晶層の下部の多孔質層を酸化する工程をさらに有する請求項２９に記載の光素子の製造方法。
導波路を形成する工程の後、水素雰囲気下でアニールして導波路の表面および側壁を平滑化する工程をさらに有する請求項２９に記載の光素子の製造方法。
前記多孔質層を形成した後に活性媒質を該多孔質層に導入する工程をさらに有する請求項１５に記載の光素子の製造方法。
前記基板の結晶面方位に沿ってへき開することを特徴とする請求項１５記載の光素子の製造方法。
基板上の、光波長より小さい孔径を有する多孔質層と、該多孔質層に積層され、該多孔質層より屈折率の大きい結晶層と、該結晶層中の屈折率が周期分布をなす領域と、該領域の近くに流体を流すための流路と、該領域に光を照射し、該領域から出射される光を検知する手段とを有するセンサ。
前記屈折率分布をなす領域が前記流路の外にあり、該領域の結晶層を伝播する光のエバネセント波が該流路に及ぶように配置されている請求項３４に記載のセンサ。
前記屈折率分布をなす領域が、前記基板に設けられた周期パターンをなす貫通孔によって構成され、該貫通孔が前記流路の一部をなしている請求項３４に記載のセンサ。