JP2005258406A - 光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ２つ領域間で屈折率差を生み出す新たな手段を提供する。
【解決手段】 第１の多孔質領域と第２の多孔質領域間に非多孔質領域を備え、且つ、前記非多孔質領域の屈折率が前記第１の多孔質領域より高いことを特徴とする光素子。
【選択図】 図２０

Description

本発明は、可視光、テラヘルツ波、マイクロ波、Ｘ線などを含む電磁波に適用され得る光素子とその製造方法に関する。また、本発明は、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に関する。

近年、フォトニック結晶（ＰＣ）というジャンルの光素子が注目されつつある。

これは、例えば、光学材料周期構造を構成することにより、屈折率の違いで生じる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（参照：Ｅ．Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ：「Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．」Ｖｏｌ．５８、ｐ．２０５９、１９８７年）。そして、これらの技術を用いた光素子への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、従来、１次元の周期構造を半導体レーザーに有効活用した所謂ＤＦＢ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザー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。

また、所謂、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）というレーザ素子についても、近年目覚しい発展があるが、図１８に示すように、この素子は、発光方向即ち基板面に垂直な方向への光閉じ込めは、エピタキシャル成長によって形成された多孔質化合物半導体の２つの多層膜ミラー１８０１，１８０２によって行われており、そして、面に水平方向への光閉じ込めは、円柱状の半導体全体が、光ファイバのコアのように、周りの物質（空気）よりも高い屈折率であるために、半導体と空気の境界での全反射による閉じ込め原理で閉じ込められている。

多層膜ミラーについての作製方法は、一般的には蒸着やスパッタリングなどを用いる方法が広く知られているが、面発光レーザのように高品質かつ低損失そして活性層（発光物質層）との整合性のよいものが求められる場合には、結晶が多層に渡りモノリシック、あるいはモノリシックに近く構成可能な、エピタキシャル成長が必然的に用いられている。

一方、このような多層膜ミラーに関して、エピタキシャル成長とは別のモノリシックな作製方法も、知られている。例えば、Ｌｅｈｍａｎ Ｒｅｅｃｅ ｅｔ．ａｌ．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８１（２００２），ｐｐ．４８９５に開示されている技術であり、シリコン基板をＨＦ溶液中で陽極化成し、その際に印加する電界の強度を時間に対して周期的に変調することで、２つの異なる空孔率を持つ層を交互に形成している。陽極化成によって多孔質化されたシリコンは、もともとの基板が単結晶であり、多孔質化されてもその結晶性は残っている。即ちモノリシックな品質を保っている。また，開示されているように低温で陽極化成を行うことにより、層と層の間の界面の構造をより乱れの少ないものにすることができ、従って、光学品質の多層膜が形成可能であることが示されている。

また、現在、「フォトニック結晶」として最も多く研究事例が発表されつつあるものは２次元の周期構造をスラブ状の半導体等に加工形成した２次元フォトニック結晶であり、特に、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。

そして、このような２次元フォトニック結晶では、光を閉じ込めて制御する上で、周期的でない一方向（通常は厚み方向）についての光制御の性能が、周期的な他の２方向の光制御の性能に比べて低いという場合もあり、これに対して、３次元（３Ｄ）フォトニック結晶と呼ばれる、３方向全てについて周期構造を構成する試みも、いくつか行われている。

現在までに開発されてきた３次元フォトニック結晶の例としては、例えば、井桁型或いはウッドパイル型と呼ばれる積層的な作製方法によって作製される素子がある（参照：野田：「フォトニック結晶技術とその応用」、ｐ．１２８、２００２年、ＣＭＣ出版）。また、他の例には、例えば、マイクロメカニクス的な作製方法によって作製される素子がある（参照：平山他：「フォトニック結晶技術とその応用」、ｐ．１５７、２００２年、ＣＭＣ出版）。さらには、その他の例として、例えば、自己クローニングと呼ばれる薄膜積層成長方法により作製される素子がある（特許第３３２５８２５号公報、あるいは佐藤：「フォトニック結晶技術とその応用」、ｐ．２２９、２００２年、ＣＭＣ出版）。
特許第３３２５８２５号公報

本発明は、２つの領域における屈折率差を生み出す為の新たな手段を示すものである。

本発明においては、２つの領域間の屈折率差として、多孔質領域と非多孔質領域間の屈折率差を利用する。

具体的には、第１の本発明に係る光素子は、
第１の多孔質領域と第２の多孔質領域間に非多孔質領域を備え、且つ、前記非多孔質領域の屈折率が前記第１の多孔質領域より高いことを特徴とする。

また、本発明に係る光素子は、
第１の層が前記第１の多孔質領域を含み構成され、第２の層が前記第２の多孔質領域を含み構成され、第３の層が前記非多孔質領域を含み且つ前記第１の層及び第２の層間に位置するように構成されており、前記第３の層は、面内方向に前記非多孔質領域とは屈折率の異なる領域を有するようにすることもできる。

なお、前記第３の層に含まれ、且つ前記非多孔質領域とは屈折率の異なる領域は、多孔質構造であってもよい。

また、
前記非多孔質領域が光導波路として機能させ、前記第２の層と第３の層間に多孔質構造のスペーサ層を設けることもできる。

ここで、前記スペーサ層は、例えば、その面内方向に、屈折率の異なる複数の領域を含み構成することができる。

また、上記記載の光素子と、発光部を用いて、例えば、情報処理装置を提供することもできる。

また、上記課題を解決する本発明は、第１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高い結晶層とが積層され、前記屈折率の高い結晶層が複数層に渡り単結晶状であり、かつ、前記高屈折率の結晶層を挟む２つの多孔質層が空孔によって連結していないことを特徴とするモノリシック光素子である。

また本発明は、第２に、結晶層の表面を多孔質化するステップと、多孔質表面から結晶層をエピタキシャル成長させるステップとを反復し、多孔質層と結晶層とを積層することを特徴とするモノリシック光素子の製造方法である。

また、上記した本発明の光素子の作製方法は、例えば、次の様な光素子の作製方法に適用され得る。

前記の積層構造中の所定の層にレーザー媒質を導入して構成することでレーザーを作製できる（後述の実施例５参照）。この積層構造中の所定の層において、所定の面内位置に非周期性パターンを含み、当該非周期性パターン位置とその近傍にレーザー媒質を導入することもできる。レーザ媒質を導入してレーザを構成することと同様に、非線形光学媒質を導入して、高効率な光スイッチを構成することも可能である。

また、本発明は、多孔質領域間に非多孔質領域を挟むことにより光導波路を提供することができる。

また本発明は、陽極化成による多孔質化と多孔質パターニングおよびエピタキシャル成長を繰り返し用いることにより、細線導波路やマイクロリング共振器の立体交差を高屈折率差を持つコアとクラッドで実現することができる。

また、本発明に係るモノリシック導波路光素子は、
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高い結晶層とが合わせて３層以上積層されている光素子において、
光を伝搬するための光導波路を備え、導波路の異なる方向への伝搬において光の伝搬路を選択的に結合する導波路結合部位を具備する導波路結合光素子であって、
当該導波路のコアが前記屈折率の高い結晶層によって構成され、かつ、前記導波路のクラッドが多孔質物質で構成されており，
前記屈折率の高い結晶層が複数層に渡り単結晶状である
ことを特徴とする。

ここで、前記導波路結合部位とは、たとえば共振器である。

また、前記導波路結合は、例えば前記導波路と前記共振器の間に配置されたスペーサ層をはさむ構成である。

前記スペーサ層が多孔質物質で形成され、該多孔質物質の空孔率を制御することもできる。

また、本発明に係る光素子の製造方法は、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、該エピタキシャル成長によって成長された結晶層の表面の一部または全部を多孔質化する工程を有することを特徴とする。

本発明における「単結晶状」という言葉の意味する性質について以下、説明する。

本発明における単結晶状とは「現実的な単結晶」であるとも言える、即ち、現実的には不可避な欠陥、即ち結晶性の乱れ、結晶方位の狂いなどが局所的には混じっていても、結晶成長方法やその条件が単結晶を意図して制御された作製方法によって作製されたものであれば、単結晶状の結晶と呼ぶことができるとする。

また、多孔質結晶であっても、多孔質の孔以外の部分が結晶性を保っていれば、これは単結晶状であると言え、例えば、単結晶を陽極化成によって多孔質化したものは単結晶状であると言えるし、その表面から連続的に非多孔質結晶をエピタキシャル成長させた場合には、多孔質層と非多孔質層を合わせて（連続的に）単結晶であると言える。

また、本発明における「モノリシック」については、複数の屈折率分布を持つ光素子構造体が全域で単結晶状である場合はもちろんのこと、さらに、単結晶状である構造体の一部が酸化によってアモルファス化されている場合などの構造体についてもこれをモノリシックという。

そのような場合に、当該構造体が単結晶状であるかどうかについて述べると、アモルファス化された部分以外を除いた結晶部分の全域は、多少の全体的な並進ずれや角度ずれを伴ったとしても、もとの結晶性や方位を失うわけではなく、この場合には単結晶状であり続けるといえる。なお、アモルファス化された部分は結晶ではないので、当然、単結晶状ではない。

上記についてさらに例示すれば、例えば、シリコン結晶層と多孔質シリコン結晶層で構成されたモノリシックでかつ全体が単結晶状の多層膜の多孔質シリコン部分を熱酸化してアモルファス化（多孔質ＳｉＯ_２化）した場合に、シリコン結晶が多層膜の異なる層間でアモルファス層を介して分離されてしまった場合でも、これらはもともと単結晶状であるため、シリコン結晶層については多少の全体的な並進や角度ずれを伴ったとしても、多層膜の全域で単結晶状であると言える。

一方、モノリシックでない例について言及すれば、例えば、単結晶状の薄膜や多層膜を別々に形成した後、これらをウエハ接合などによって貼り合わせて積層した場合には、これはモノリシックとは呼ばない。また、このような場合、接合面をまたいだ結晶領域については、当然、単結晶状ではない。

上述したように本発明によれば、２つの領域における屈折率差を生み出す為の新たな手段の提供が可能となる。

（第１の実施形態）
本発明に係る光素子について、図２０を用いて説明する。

図２０において、２００２は第１の多孔質領域、２００３は非多孔質領域、２００４は第２の多孔質領域である。

そして、非多孔質領域２００３の屈折率は、第１の多孔質領域より高くなっている。

このように本発明においては、多孔質構造と非多孔質構造といった構造の違い利用して、２つの領域間に屈折率差を生みだしている。

なお、図２０において、２１０２は、第１の多孔質領域２００２を含み構成される第１の層である。２１０３は、非多孔質領域２００３を含み構成される第３の層であり、２１０４は、第２の多孔質領域を含み構成される第２の層である。

第１の層２１０２内における領域２００２の両側の領域２２０２と２３０２は、多孔質領域２００２と同じ構造であってもよいし、非多孔質構造であってもよい。即ち、第１の層２１０２の面内方向に、多孔質構造と非多孔質構造とで構成される屈折率分布のパターンや、面内方向に周期構造を形成してもよい。

第２の層２１０４内における領域２００４の両側の領域２２０４と２３０４は、多孔質領域２００４と同じ構造であってもよいし、非多孔質構造であってもよい。即ち、第２の層２１０４の面内方向に、多孔質構造と非多孔質構造とで構成される屈折率分布のパターンや、面内方向に周期構造を形成してもよい。

第３の層２１０３内における領域２００３の両側の領域２２０３と２３０３は、非多孔質領域２００３と同じ構造であってもよいし、多孔質構造であってもよい。即ち、第３の層２１０３は、面内方向に非多孔質領域２００３とは屈折率の異なる領域を有していてもよい。また、第３の層２１０３の面内方向に、多孔質構造と非多孔質構造とで構成される屈折率分布のパターンや、面内方向に周期構造を形成してもよい。

また、第１の層２１０２と第３の層２１０３間、あるいは第３の層２１０３と第２の層２１０４間に別な層が含まれていてもよい。

また、第３の層２１０３を複数層で構成することも可能である。

なお、非多孔質領域２００３の屈折率を、第１の多孔質領域２００２の屈折率及び第２の多孔質領域２００４の屈折率よりも高くしておくことも好ましいものである。

また第１の層２１０２及び／又は第２の層２１０４の層厚を、第３の層２１０３の層厚より薄くしたり、あるいは逆に厚くすることもできる。

更にまた、図２０においては、２つの多孔質領域２００２、２００４及び、１つの非多孔質領域２００３の３領域を用いて説明したが、更に、多孔質領域２００４の上に、非多孔質領域と多孔質領域を複数積層することもできる。

（第２の実施形態）
多孔質領域と非多孔質領域との屈折率差を利用した光導波路として、細線導波路とマイクロリング共振器が光結合するように構成した光素子について実施例７及び８において説明する。

（実施例）
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。但し、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

本実施例は、本発明の陽極化成とエピタキシャル成長（以下エピ成長）を反復する方法を用いたフォトニック結晶及びナノフォトニック素子の作製方法を実施して１次元フォトニック結晶（多層膜構造）を作製したものであり、特に材料として、シリコンを用いたものである。

図１を用いて本実施例の多層膜構造作製方法について説明する。

第一のステップでは、図１（１）に示すように、シリコン基板１０１（チョクラルスキー法などによって成長された単結晶基板）の表面に、（２）陽極化成により多孔質シリコン層１０２を形成する。なお、以下、本発明における陽極化成は、電解液を０度Ｃ以下、例えば約−２０度Ｃ等の低温で行うことが望ましい。これは、陽極化成によって生じる多孔質の境界面の面をスムーズにし、光学的な損失、即ち散乱等を抑えるためである。また、本発明中の多孔質とは、その孔径が使用する光の波長の約１００分の１以下であり、例えば、１．５μｍの波長の光に対しては、１０ｎｍ以下の所謂Ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ−Ｓｉ、Ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓ−Ｓｉを構成する。

図１３は、ウエハ表面を陽極化成により多孔質層にするための装置構成の一例を示した模式図である。図１３中、ウエハ１３０１は、ＨＦ溶液１３０２にその表面が浸かるように保持されている。保持は、Ｏリング１３０３とＰｔ製面電極１３０４を介して下部支持体１３０５及び上部支持体１３０６によって行われる。上部支持体１３０６には、ウエハ１３０１へ通じるＨＦ用液槽が構成されており、ＨＦ溶液１３０２で満たされている。ＨＦ溶液１３０２中にはＰｔ製メッシュ電極１３０８が配置されている。Ｐｔ製面電極１３０４とＰｔ製メッシュ電極１３０８は、それぞれ、陽極１３０７、陰極１３０９に接続されており、陰極１３０９側はＨＦ溶液１３０２を通じて、陽極１３０７側は基板を通じて、ウエハ１３０１表面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。
陽極化成条件
出発ウエーハ：Ｐ＋（１００）Ｓｉ ０．０１Ω−ｃｍ
溶液：ＨＦ、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ、Ｈ_２Ｏ
化成電流：１５０ ｍＡ／ｃｍ^３

また、陽極化成の方法については、さらに、図１４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。

例えば、図１４に示すような装置を用いて、複数枚のウエハ１４０１を一括で陽極化成することも可能である。図１４において、１４０２はウエハ用ホルダ、１４０３はＯリング、１４０４は吸引部、１４０５はＨＦ溶液、１４０６ａ、１４０６ｂは白金電極、１４０８は陽極化成槽、１４０９はホルダ溝である。さらに、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、多孔質シリコン層の孔の径、密度、厚みはその陽極化成液の組成、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。又、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１４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。

次のステップの図１（３）においては、（２）で形成された多孔質シリコン層１０２の表面のシリコン面を開始面として、シリコンのエピ成長を行いエピシリコン層１０３を形成する。当該エピシリコン層１０３の厚みは多孔質層の略２倍程度であるが、後に述べるように、多層膜中のシリコン層と多孔質シリコン層の厚みの比（デューティー）に依存してその厚みは精密に制御される。

エピタキシャル成長においては、上記の方法にて形成された多孔質層では、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ことが知られている。

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）等で形成する条件について述べる。まずエピタキシャル成長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
気相成長
温度：１０００℃
ガス：ＳｉＨ_４ ／Ｈ_２
圧力：７００Ｔｏｒｒ

次のステップの図１（４）においては、ステップ（３）で形成されたエピシリコン層１０３の表面を陽極化成により多孔質シリコン化する。ただし、この陽極化成は表面から所定の厚みまでで止めることとし、即ち、エピシリコン層が残るものとする。エピシリコン層と多孔質層の層厚については、目的とする光素子および光波長や光入射角分布に応じてこれを設計し、層毎に変えることができ、また、シリコン層の屈折率と、多孔質シリコン層の空孔密度の応じた屈折率を考慮して当該設計はなされるとする。例えば、代表的な層厚としては、シリコンの屈折率を３．５、多孔質シリコンの実効屈折率を２．５、使用する光波長を１．５μｍとしたとき、各層の光路長、即ち屈折率に層厚を乗じた長さが波長の四分の一となる厚さとして、シリコン層が０．１μｍ、多孔質シリコン層が０．１５μｍとなる。

次のステップとして、このようにしてできたステップ（４）までの構造に対して、さらにステップ（３）と（４）を繰り返し、１サイクルでエピシリコン層と多孔質シリコン層を１層ずつ追加していけば、多層構造１０５が得られる（図１（５））。

この多層構造１０５はシリコンと多孔質シリコンの多層膜であり、従来の多孔質シリコンの空孔率を変調した多層膜に比べて、層間での屈折率差がより大きくとれるという利点があり、そのため、このような多層膜を用いた高反射率ミラーやファブリペロー共振器を作製する際に、層数を減らすことができ、素子の小サイズ化や、エピ成長などのコストの高い積層構造におけるコスト削減を果たすことが可能となる。また、この多層構造１０５は本発明の作製方法によれば、多孔質シリコンにおいて結晶方位などの結晶性が保たれてエピ成長シリコンにつながっているため、全体でモノリシック状になっている。このことは光素子として機能する際に、多結晶シリコンやアモルファスシリコンと異なり、粒界等の影響で光が散乱して、光学素子としての高品質化の妨げになるという問題点を解決するものである。

例えば、上記背景技術に記載の技術を用いて、多層膜ミラーをエピタキシャル成長で積層して作製する場合、基本的にエピタキシャル成長で整合する程度の組成比の違いしか許されないため、比較的高い屈折率差が層間で望まれる光素子の場合には、屈折率差を大きくし難く、したがって、必然的に層数を増やす必要がある。しかしながら、本実施例で示したように、多孔質構造と非多孔質構造という構造上の差異を利用すれば、用途にもよるが、上記背景技術ほど層数増やす必要は無くなる。

本発明の第２の実施例を、以下、図２を用いて説明する。

本実施例は、モノリシックなシリコンと多孔質ＳｉＯ_２の多層膜構造（一次元フォトニック結晶）、および、その作製方法である。

図２を用いて本実施例の多層膜構造作製方法について説明する。第一のステップでは、図２（１）に示すように、Ｓｉ基板２０１（チョクラルスキー法などによって成長された単結晶基板）の表面に、（２）陽極化成により多孔質シリコン層２０２を形成する。

次のステップの図２（４）においては、Ｈ_２ＯやＯ_２などのガスを供給しながら加熱し、即ち、熱酸化することで、多孔質シリコン層を多孔質ＳｉＯ_２層２０３に変化させる。

本発明の１０ｎｍ以下の孔径を持つ多孔質シリコンにおいては、多孔質内部の熱酸化を表面に比べてより早く進行することが可能であり、表面にシリコン層が薄く残った状態で、熱酸化を停止することで、次の工程である、シリコンのエピタキシャル成長の開始点を残すことができる。場合によっては、多孔質シリコン層の内部が完全に酸化されなくてもよい。これは、本発明の多孔質構造が、光学的に光を散乱しないミクロ構造体であるため、その内部のＳｉＯ_２とシリコンは平均的に光学特性に影響を与えるのみであるため、目的とするＳｉＯ_２化による屈折率低下、即ち、エピ成長シリコン層との屈折率差向上は、この多孔質構造が完全にＳｉＯ_２にならずに一部シリコンが残っていても充分達成されるからである。

次のステップの図２（４）においては、（３）で形成された多孔質ＳｉＯ_２層の表面のＳｉＯ_２をＨＦ等でエッチングすることにより、前述したように、熱酸化されずに残ったシリコン層を表面に露出させた後、当該表面のシリコン面を開始面として、シリコンのエピ成長を行い、エピシリコン層２０４を形成する。当該エピシリコン層２０４の厚みは多孔質層の略２倍程度であるが、後に述べるように、多層膜中のシリコン層と多孔質シリコン層の厚みの比（デューティー）に依存してその厚みは精密に制御される。

次のステップの図２（５）においては、ステップ（４）で形成されたエピシリコン層２０４の表面を陽極化成により多孔質シリコン化する（２０５）。ただし、この陽極化成は表面から所定の厚みまでで止めることとし、即ち、エピシリコン層が残るものとする。エピシリコン層と多孔質層の層厚については、目的とする光素子および光波長や光入射角分布に応じてこれを設計し、層毎に変えることができ、また、シリコン層の屈折率と、多孔質シリコン層の空孔密度の応じた屈折率を考慮して当該設計はなされるとする。例えば、代表的な層厚としては、シリコンの屈折率を３．５、多孔質シリコンの実効屈折率を２．５、使用する光波長を１．５μｍとしたとき、各層の光路長、即ち屈折率に層厚を乗じた長さが波長の四分の一となる厚さとして、シリコン層が０．１μｍ、多孔質シリコン層が０．１５μｍとなる。

次のステップの図２（６）においては、ステップ（３）と同様に、熱酸化により多孔質化されたエピシリコン層２０５を多孔質ＳｉＯ_２層２０６へと変化させる。

次のステップとして、このようにしてできたステップ（６）までの構造に対して、さらにステップ（４）〜（６）を繰り返し、１サイクルでエピシリコン層と多孔質シリコン層を１層ずつ追加していけば、多孔質ＳｉＯ_２層とエピ成長シリコン層の多層構造２０７が得られる（図２（７））。

この多層構造２０７はシリコンと多孔質ＳｉＯ_２の多層膜であり、従来の多孔質シリコンの空孔率を変調した多層膜に比べて、空孔率を上げること無しに層間での屈折率差をより大きくすることが可能になるという利点があり、そのため、このような多層膜を用いた高反射率ミラーやファブリペロー共振器を作製する際に、層数を減らすことができ、素子の小サイズ化や、エピ成長などのコストの高い積層構造におけるコスト削減を果たすことが可能となる。

本発明の第３の実施例を、以下、図３を用いて説明する。

本実施例は、モノリシックなシリコンと多孔質シリコンまたは多孔質ＳｉＯ_２の多層膜構造に面内方向のパターニングが施された３次元構造（３次元的フォトニック結晶）、および、その作製方法である。

本実施例は、本発明の方法を用いて作製された、例えば前記実施例１の方法により作製された多層膜構造（図１中の１０５）を出発点として用いる。図３中ステップ（１）に断面図と上面図が模式的に示されているように、多層膜構造の膜の面垂直方向に三角格子などのフォトニック結晶パターンを光リソグラフィーとＩＣＰドライエッチングによって、多層膜の複数層を貫通するように形成する。

貫通孔パターン作製のためのパターニングには、光リソグラフィーの他にも、ＥＢ（電子線）リソグラフィー、近接場光リソグラフィー、Ｘ線リソグラフィー、イオンビームリソグラフィーなど、各種の手法を適宜用いることができる。また、エッチングには、ＩＣＰのほかにもＥＣＲやその他、種々の条件に合わせて最適なエッチング手法を用いることが可能であることは言うまでもない。

このステップ（１）により、１次元的であった周期構造に面内パターンを加えることで、３次元的なフォトニック結晶が実現する。即ち、面垂直方向には、エピ成長シリコン層と多孔質シリコン層の屈折率差による周期構造、そして、面内方向には、貫通孔の空気とシリコン層または多孔質シリコン層の屈折率差による周期構造が形成されている。

この３次元周期構造の屈折率差を高めるために、さらに、図３に示す次のステップ（２）を行うことが可能である。

ステップ（２）では、ステップ（１）で形成された貫通孔を通じてＨ２ＯやＯ２などの酸素原子を供給するガスを流しながら、加熱することで、熱酸化を行う。熱酸化は多孔質シリコン層で多孔質の効果により、所謂、増速酸化となり、エピ成長シリコン層に比べて百倍程度早く酸化されるため、エピ成長シリコン層のほんの表面が酸化される間に多孔質層全体を酸化することが可能である。これにより、本実施例の３次元構造は、厚み方向がエピ成長シリコンと多孔質ＳｉＯ_２となり、厚み方向の屈折率差を上げることが可能となる。これにより、同じ効果を得るための層数を減らすことができ、素子の小サイズ化や、エピ成長などのコストの高い積層構造におけるコスト削減を果たすことが可能となる。

本発明の第４の実施例を、以下、図４を用いて説明する。

本実施例は、モノリシックなシリコンと多孔質シリコンまたは多孔質ＳｉＯ_２の多層膜構造に層毎に異なる面内パターンが施された３次元構造（３次元フォトニック結晶）、および、その作製方法である。

図４中、先ず、シリコン基板４０１を用意し、ステップ（２）において、陽極化成によって面内に所定のパターンで多孔質シリコン部分を形成する。

陽極化成で多孔質シリコン層をパターニングする方法の例について、図５を用いて説明する。

まず例Ａとして、シリコン基板を準備し（Ａ１）、ステップ（Ａ２）として、シリコン表面にレジストを塗布し、光リソグラフィの手法によってレジストをパターニングする。パターンは、陽極化成する部分を抜くように構成する。ステップ（Ａ３）において、このレジストパターンをつけたまま、ＨＦ液中で電界を印加し、陽極化成を行うと、レジストのついているシリコン表面は、絶縁され、キャリアが注入されないこと、ＨＦが侵入しないことから、陽極化成による多孔質化が生じない。従って、レジストのない部分にのみ多孔質化が生じ、ステップ（Ａ４）でレジストを除去すれば、多孔質化された部分がパターニングされたシリコン基板が得られる。

次に例Ｂとしては、（Ｂ１）用意したシリコン基板に対して、ＨＦ中の陽極化成を行うステップ（Ｂ２）において、通常のように図１３のような基板から離れた位置にメッシュ電極を配置し、基板面内方向に一様に電界を印加する方法と異なり、基板の極近傍にミクロな電極を設けて面内方向に電界が異なるような構成を用いる。即ち、電界が強い部分のみ陽極化成が進行し、多孔質化される。このような局所的な電界印加によるパターンニングに加えて、さらに光を局所的に照射して、フォトキャリアを生じさせ、当該フォトキャリアによって局所的に陽極化成が進行するようにしてもよい。

陽極化成のためのレジストパターニングには、光リソグラフィーの他にも、ＥＢ（電子線）リソグラフィー、近接場光リソグラフィー、Ｘ線リソグラフィー、イオンビームリソグラフィーなど、各種の手法を適宜用いることができる。

本実施例におけるの多孔質シリコンのパターンは、図６に示すパターンＡとした。例えば、図６（Ａ）中で、多孔質化された部分を６０１で示した。パターンＡのサイズは、使用する光波長を１．５μｍとして、層の厚みを約０．２５μｍ、パターンの周期を約０．７μｍとした。なお、このサイズは、例えば可視光を用いる場合には、これらの数値の１／２から１／４程度になるが、構造はそのまま用いることができる。

次に、図４中、ステップ（３）により、多孔質シリコンとシリコンで構成された面を開始面として、エピタキシャル成長によりシリコン層４０３を形成する。シリコン層の厚みは、ステップ（２）で形成した多孔質シリコン層の厚みと同じサイズ（約０．２５μｍ）であるが、これについては、種々、目的や、空孔率、面内パターンなどと合わせて最適な厚みを選択できる。

次に、図４中、ステップ（４）により、ステップ（３）で形成したエピ成長シリコン層に陽極化成で面内にパターニングされた多孔質シリコン層を形成する。ただし、本ステップ（４）のパターニングについては、図６に示したパターンＢを形成し、ステップ（２）とは異なるパターンとする。前記のパターンＡと同様に多孔質化された部分を６０３で示した。

次に、図４中（５）で示すように、ステップ（２）から（４）を同様に繰り返すことで、面内に多孔質シリコン部分のパターンを持つ、層が多層に積層された構造が得られ、例えば、フォトニック結晶として光学的に必要な所定の層数まで積層することで、３次元フォトニック結晶構造が実現する。ただし、繰り返すときの各エピ成長シリコン層のパターンは、例えば図７に従って、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ａ、Ｂというように図６Ａ−Ｄのパターンが順に積層される。

通常、フォトニックバンドギャップを利用した光制止制御に必要な層数は例えば８層程度であり、例えば、中心に欠陥を構成して、光閉じ込め制御する場合などは、欠陥の両面に８層が必要であるとして、１６層程度の積層構造が必要となる。

さらに、各層のパターンは独立に指定することが可能であり、２種類の屈折率周期のフォトニック結晶を混在させることなど、容易に自由度の高い構成の積層構造を実現でき、３次元的に、光素子、光システムを高機能化できる。

なお、本実施例で用いた図６の各層パターン群Ａ−Ｄは、適宜、目的や材料、パターニング装置などを考慮して種々変更することが可能である。例えば、図８に示したようなＡ−Ｄの各層を図９に示す積層構成として直方体四角格子としたダイヤモンド状構造、図１０のＡ−Ｃのパターンを図１１に示したように積層して円柱三角格子とした周期構造など、様々な積層構造を作製することができる。さらに、パターンの孔の位置を周期的位置からずらしたり、サイズを変更したり、孔自身を局所的に無くしたりするなどして、周期的屈折率分布パターンに欠陥構造を３次元的に位置指定して作り込むことも容易にできる。

また、上記説明中では積層する近接層同士は異なるパターンを形成するとしたが、実際には各層は並進ずれのみ異なるパターンである場合も多い。また、用途と設計によっては、面内パターンを含まない層を積層してもよい。

さらに、本発明の方法では、各層の厚みを１ｎｍ〜１０ｎｍレベルまで薄くすることできるため、これを活かして、例えば、フォトニック結晶の屈折率分布の積層方向の一単位を複数のエピ成長層を使って構成し、屈折率分布の一単位内でも層厚方向の構造を変調することができる。図１２にこの例を示す。ここでは、左側の部分に示す１層内のパターン構造を、パターニング変調した複数層を積層して右側の部分に示すように構成している。すなわち、例えば、球や円柱状の構造を作製する場合、図１２の右側の部分のようにこれを近似的な多層構造に置き換えることが可能である。こうして、各薄膜層に所定のパターンを形成して積層することで近似形状を作製することできる。薄膜の厚みは上記のごとく１ｎｍ〜１０ｎｍのものも可能であり、例えば、直径２００ｎｍの球を多層形状で近似する場合、１０ｎｍ厚の薄膜２０層で精度良く近似して形成できる。

また、本実施例で構成された多孔質シリコンや多孔質ＳｉＯ_２と、エピ成長シリコンで構成された３次元フォトニック結晶について、さらに、多孔質シリコンを前記実施例で説明した増速酸化により、多孔質ＳｉＯ_２化することが可能であり、従って、多孔質ＳｉＯ_２とエピ成長シリコンの３次元フォトニック結晶を作製することも可能である。（図１９の（１’））

さらに、本実施例で構成された多孔質シリコンや多孔質ＳｉＯ_２とエピ成長シリコンで構成された３次元フォトニック結晶について、さらに、多孔質シリコンまたは多孔質ＳｉＯ_２について、これらをエピ成長シリコンに対して選択的にエッチングすることで、空気とエピシリコンで構成される３次元フォトニック結晶を作製することも可能である。

（図１９の（２））例えば多孔質層の選択エッチング条件は以下である。
エッチング条件：
溶液：ＨＦ／Ｈ_２ Ｏ_２
エッチング選択比：結晶層：多孔質層＝１：１０万

この場合、図１６に示すように、エッチングをした後にさらに、水素アニールを行うこともでき、これによって、エッチング後のエピ成長シリコンの表面を原子レベルまで平滑化することができるため、光学素子としての性能が向上される。例えばアニールの条件は以下である。
アニール条件
ガス：１００％Ｈ_２
温度：１０５０℃

本発明の第５の実施例（ＰＣレーザー）を、以下、図面を用いて説明する。本実施例は、本発明の方法で作製した１次元又は３次元のフォトニック結晶を用いて、レーザーデバイスを構成する例である。

図１５（ａ）は、面状にレーザー媒質層１５０３を配置したフォトニック結晶レーザーを示す模式図である。図中、下部３次元フォトニック結晶１５０１と上部３次元フォトニック結晶１５０２の間にレーザー媒質層１５０３が挟まれて配置されている。

このような配置を行う手順としては、２通りが可能である。即ち、１）下部フォトニック結晶から順に、前記実施例４に示した方法により積層していき、レーザー媒質層１５０３も順にエピタキシャル成長等により積層する手順である。或いは、２）上部と下部のフォトニック結晶を予め実施例４の方法により作製しておき、その後、レーザー媒質層１５０３と融合する手順である。この際、レーザー媒質層１５０３自身にパターニングを行い、周期構造、或いは周期構造と欠陥構造を作り込むことも容易に実現できる。

レーザー媒質層１５０３に関しては、不図示の電流注入用配線、または光励起用光学系が配置されており、レーザーの原理に従って、上下のフォトニック結晶１５０１、１５０２を共振器、即ち、狭帯域化素子として、レーザー発振する。レーザー発振のモードについては、上下のフォトニック結晶１５０１、１５０２が欠陥を導入していない周期構造であれば、ＤＦＢタイプの発振、即ち、所謂フォトニックバンドエッジタイプの発振モードとなり、モードの面積的拡がりは比較的大きなもの、つまり、フォトニック結晶の複数周期にまたがるものとなる。また、上下のフォトニック結晶１５０１、１５０２のレーザー媒質層１５０３に接する近接層において、図１５（ｂ）のように、欠陥１５０４を導入することもできる。この場合は、全体として、レーザー共振器が局所的なモード、つまり、フォトニック結晶の１周期程度の拡がりを持った発振モードで発光する。

レーザー媒質層１５０３としては、クマリン、ローダミン、ＤＣＭ、Ａｌｑ３等の有機色素、或いは色素を含むホスト材料で構成することができる。また、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＰなどの三元系、四元系混晶材料を含む化合物半導体を目的に応じて使うこともできる。そして、レーザー媒質層内を、適宜、多重量子井戸構造や量子ドット構造などの各種構造にすることもできる。

また、Ｅｒイオンをレーザ媒質とすることもでき、この場合には、Ｅｒを常温でも失活しにくくなるように、予め、Ｅｒを導入する部分を局所的に多孔質シリコン化しておいたり、あるいは、レーザ照射によりアモルファス化しておくことも可能である。

一方、励起源としては、所謂有機ＥＬ素子で広く使われているようなＡｌｑ３やＴＰＤなどの電子、正孔輸送材料や、ＩＴＯ、ＭｇＡｇ等の電極を介した電流注入や、Ｎ２ガスレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧ高調波、青色／紫外半導体レーザーを用いた光励起などを適宜用いることができる。本実施例では、その他に、図１６に示すように、３次元フォトニック結晶１６０１内に、点状にレーザー媒質１６０２を配置し、さらには点欠陥共振器を構成してもよい。なお、この図１６は、レーザー媒質１６０２を配置した位置における紙面内方向の断面を示した模式図である。

以上のように、本発明の陽極化成とエピ成長を反復して周期構造を作製する技術を用いた３次元フォトニック結晶レーザーが実現され、高性能で損失の少ない３次元フォトニック結晶共振器により、従来は発振が困難であった波長（例えば、半導体レーザーにおいて困難だった緑色など）や、微小モードでの発振ができる発光素子の実現が可能となる。

以上の例では３次元フォトニック結晶を用いた例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図１７に示すように、本発明の実施例１の１次元フォトニック結晶の多層膜（１７０１，１７０２）を用いて、活性層１７０３を挟み込むように接合して成る面発光レーザなど、様々な形態が可能であることは言うまでもない。

さらに、本実施例のレーザの構成は、レーザ媒質自身が非線形光学材料であることからも容易に分かるように、レーザ素子としてだけでなく、本発明のフォトニック結晶構造による光と非線形光学材料との相互作用の増強効果による高効率の光スイッチにも用いることができるのはいうまでもない。

本発明は以上に説明した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ことが可能である。

特に、本発明は、前述したシリコン系の材料に限定されるものでなく、例えばＧａＡｓ、Ｇｅ、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体や、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳなどのＩＩ−ＶＩ族、その他、例えばＧａＡｓとＧｅなど、格子定数及び／または線膨張係数が近いエピ成長材料および基板材料との組み合わせなどで、同様に実施することができる。

また、本発明の原理はその適用範囲が広く、屈折率分布パターンがほぼ周期的なものに限られず、非周期的或いはランダムな屈折率分布パターンを有する３次元構造体の光素子の作製にも適用され得る。

以上、実施例１から５に示したように、これら実施例に拠れば以下の効果が期待できる。

第１に、陽極化成による多孔質化とエピタキシャル成長を反復するモノリシックな光素子の作製方法によって、従来よりも高品質なフォトニック結晶などのナノフォトニック素子を大面積で多数層積層された形で得ることができる。また、積層構造体全体あるいは、一部の層に、面内方向のパターニングを行うことにより、３次元的光学的周期構造や、３次元的周期構造に対する欠陥を自由に配置したりすることが可能となる。

また、上の方法によって得られる光学素子は、空孔の比率に依存して比較的屈折率の小さい多孔質層またはそれを酸化してさらに屈折率を小さくした層と、屈折率を最大限に大きくした結晶層との積層で構成されるので、層間の屈折率の差が大きく、その結果、比較的少ない層数でも所定の特性を得ることが出来る。また、層内に光導波路を設けた光素子としても、導波路内に光を閉じ込めることが容易である。さらに、多孔質層の孔が層間で連結しないので、結晶層が光学的に比較的均一で光損失の少ない素子が得られる。

以下、図２１を用いて本実施例の光素子について説明する。

図２１中、シリコン基板２１１０１上にその境界で結晶性（結晶方位）を保った多孔質シリコンのクラッド層２１１０２が積層されている。クラッド層２１１０２の上部には互いに交差するエピ成長シリコン導波路２１１０４、２１１０５をその層内に含む多孔質シリコンの導波路層２１１０３が積層されている。

次に、この上部には導波路と共振器の結合の強さを調整する多孔質シリコンのスペーサ層２１１０６が積層され、さらに、その上部にエピ成長シリコンのマイクロリング共振器２１１０８を層内に含む多孔質シリコンの共振器層２１１０７が積層された立体的な素子構造となっている。

次に、本光素子の機能について説明する。本光素子は波長フィルタを導波路回路にて構成したものであり、即ち、２つの導波路２１１０４、導波路２１１０５における光の選択的結合が行われる素子である。この場合の選択的結合とは、即ち、波長による選択性であり、例えば、導波路２１１０４に複数の波長の光が導入された場合に、ある波長の光のみが導波路２１１０５へ結合し、光のエネルギーが導波路２１１０４から導波路２１１０５へ移動する結果、当該特定の波長の光のみが導波路２１１０５から出力され、それ以外の波長の光は導波路２１１０５へは結合しないため、そのまま導波路２１１０４を伝わって出力されるものである。

この波長選択性を担っているのが、マイクロリング共振器である。マイクロリング共振器は光が周回するように導波され、そして、Ｎ周回した光とＮ＋１周回した光との位相が合い、強めあう条件の波長の光がこの共振器と強く結合する性質を持つ（ここでＮは整数である）。

実際の導波路２１１０４、２１１０５と共振器２１１０８の結合条件、そして波長選択条件は、スペーサ層の厚みを含む共振器と導波路の立体配置（距離）、また、スペーサ層の屈折率、さらに、導波路や共振器の伝搬光のクラッドに染み出す光の振幅分布を含む空間的閉じ込めモードなど、種々のパラメータによって決まる。

また、このような共振器を介して導波路が結合される素子においては、共振器の損失が少なければ少ないほど、共振器の波長選択性が高まり、従って、狭帯域な波長選択フィルタを実現することが可能となること、また一方、共振器の直径を小さくすることにより、共振器の透過バンド間隔が広がり、広義の波長選択性も高まるといった特徴がある。

次にそれぞれの層について、その構造パラメータおよび物性について説明する。

まず、シリコン基板２１１０１はチョクラルスキー法などによって成長された単結晶状のシリコンであり、例えば１．５μｍの波長の光に対する屈折率は約３．５程度である。

次にクラッド層は、約１μｍの厚さで形成されている。クラッド層は多孔質シリコンで構成されており、その孔径が使用する光波長よりも充分小さく、例えば、使用する光波長の約１／１００程度の孔径を持つように構成され、この構造によって光を露わに非等方的散乱や露わな回折をせず、平均的な光学物性にのみ影響するように構成してある。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。一方、本実施例での空孔率は約８０％であり、即ち体積比でシリコンと空気が約２：８になるように構成してある。

この場合に多孔質シリコン層の平均的な有効屈折率は下記の式（１）で概算され、約１．５である。
ｎ_ｅｆｆ＝ｎ_ａｉｒ×ｘ_ａｉｒ＋ｎ_ｓｉ×ｘ_ｓｉ （１）
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はシリコンの屈折率、ｘ_ｓｉはシリコンの体積比率であり、１−ｘ_ａｉｒに等しい。そして、
ｎ_ｅｆｆ＝１．０×０．８＋３．５×０．２＝１．５
である。

この値は、従来用いられていたＳＯＩウエハのＢＯＸ層（埋め込み酸化層ｂｕｒｉｅｄ ｏｘｉｄｅ）のＳｉＯ２と同程度であり、コア層である導波路層のエピ成長シリコンの屈折率約３．５との差△ｎ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。

次に、導波路層２１１０３はその厚みが約０．２μｍで形成されており、そのうち導波路２１１０４、２１１０５はその幅が約０．２μｍで形成されている。この導波路は１）下面を上述したクラッド層、２）側面を導波路層、３）上面を以下に記述するスペーサ層の３つの多孔質シリコン層によって、その屈折率差約△ｎ＝２で光閉じ込めされることで、それぞれ直線方向に導波するものである。そして、高い屈折率差であるために、１μｍ以下の細線でも低損失で光が導波する仕組みとなっている。

次に、スペーサ層２１１０６は厚みが約０．１μｍで構成されている。この厚みは上部の直線導波路２１１０４、２１１０５と共振器２１１０８の結合の強さを制御するパラメータであり、光素子の所望性能に合わせて、決定される。また、多孔質シリコンの空孔率は本実施例では約８０％としたが、この空孔率も上記の実効屈折率を通じて前記導波路と共振器の結合の強さを制御するパラメータであり、同様に所望性能を元にして層厚と合わせて決定される。

次に、共振器層２１１０７は厚みが約０．２μｍで構成されている。マイクロリング共振器の直径は本実施例では約２μｍとした。

このような微小な共振器、および微細な導波路を実現できるのが本発明の特長であり、これにより、前述したような高い波長選択性の利点以外にも、例えば、本光素子を単位とした多数の光素子を含む回路網を構築する際に、非常に高密度な集積化が果たされることとなる。

続いて、以上述べた微小な光素子を実現する本発明の作製方法について図２２を用いて説明する。まず、図２２中ステップ（１）は用意したシリコン基板２２１０１を表す。ステップ（２）として、このシリコン基板２２１０１の表面に陽極化成により、多孔質構造のシリコン層２２１０２を形成する。なお、以下、本発明における陽極化成は、電解液を０度Ｃ以下、例えば約−２０度Ｃ等の低温で行うことが望ましい。これは、陽極化成によって生じる多孔質の境界面の面をスムーズにし、光学的な損失、即ち散乱等を抑えるためである。また、本発明中の多孔質とは、その孔径が使用する光の波長の約１００分の１以下であり、例えば、１．５μｍの波長の光に対しては、１０ｎｍ以下の所謂Ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ−Ｓｉ、Ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓ−Ｓｉを構成する。陽極化成については、例えば、図２３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。

図２３中、シリコンウエハ（基板）２３３０１は、ＨＦ溶液２３３０２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２３３０３とＰｔ製面電極２３３０４を介して下部支持体２３３０５および、上部支持体２３３０６によって行われる。上部支持体２３３０６には、Ｓｉウエハ２３３０１へ通じるＨＦ用液槽が構成されており、ＨＦ溶液２３３０２で満たされている。ＨＦ溶液２３３０２中にはＰｔ製メッシュ電極２３３０８が配置されている。Ｐｔ製面電極２３３０４とＰｔ製メッシュ電極２３３０８はそれぞれ、陽極２３３０７、陰極２３３０９に接続されており、陰極側はＨＦ溶液２３３０２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。

陽極化成条件
出発ウエーハ：ｐ＋（１００）Ｓｉ ０．０１Ωｃｍ
溶液：ＨＦ、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ、Ｈ_２Ｏ
化成電流：１５０ ｍＡ／ｃｍ^３

また、陽極化成の方法については、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。

また、多孔質シリコン層の孔の径、密度、厚みはその陽極化成液の組成、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。又、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２４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。

以上述べたように、陽極化成により、多孔質シリコンのクラッド層が形成される。

次にステップ（３）ではクラッド層の表面のシリコン面を開始面としてエピタキシャル成長によりシリコン層２２２０１を成長させる。エピタキシャル成長においては、上記の方法にて形成された多孔質層では、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ことが知られている。

多孔質Ｓｉ層２２２０２上にエピタキシャル成長により、エピＳｉ層２２２０３を化学気相法（ＣＶＤ）等で形成する条件について述べる。まずエピタキシャル成長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
気相成長
温度：１０００℃
ガス：ＳｉＨ_４ ／Ｈ_２
圧力：７００Ｔｏｒｒ

次に、ステップ（４）では、ステップ（３）形成したエピ成長シリコン膜に対して陽極化成による多孔質化を行うが、この時に、面内の一部、即ち導波路２２１０４および２２１０５については多孔質化せず、エピ成長シリコンのまま残すようにパターニングをする。

図２５はこのような所望の位置にのみ多孔質化をする陽極化成パターニングを実現する方法の例を２つ示したものである。なお、以下の例では、一般的な、複数箇所をパターニングする場合について示すものである。

まず例Ａとして、シリコン基板を準備し（Ａ１）、まずステップ（Ａ２）として、シリコン表面にレジストを塗布し、光リソグラフィの手法によってレジストをパターニングする。パターンは、陽極化成する部分を抜くように構成する。ステップ（Ａ３）において、このレジストパターンをつけたまま、ＨＦ液中で電界を印加し、陽極化成を行うと、レジストのついているシリコン表面は、絶縁され、キャリアが注入されないこと、ＨＦが侵入しないことから、陽極化成による多孔質化が生じない。従って、レジストのない部分にのみ多孔質化が生じ、ステップ（Ａ４）でレジストを除去すれば、多孔質化された部分がパターニングされたシリコン基板が得られる。

なお陽極化成のためのレジストパターニングには、光リソグラフィーの他にも、ＥＢ（電子線）リソグラフィー、近接場光リソグラフィー、Ｘ線リソグラフィー、イオンビームリソグラフィーなど、各種の手法を適宜用いることができる。

次に例Ｂとしては、（Ｂ１）用意したシリコン基板に対して、ＨＦ中の陽極化成を行うステップ（Ｂ２）において、通常のように図５のような基板から離れた位置にメッシュ電極を配置し、基板面内方向に一様に電界を印加する方法と異なり、基板の極近傍に所望のパターンとほぼ同じ大きさの電極を設けて面内方向に電界が異なるような構成を用いる。即ち、電極に近く、電界が強い部分のみ陽極化成が進行し、多孔質化される。さらには、局所的な電界印加によるパターニングに加えて、光を局所的に照射して、フォトキャリアを生じさせ、当該フォトキャリアによって陽極化成の進行が加速されるようにしてもよい。

素子作製の次のステップとして、図２２中、ステップ（５）により、ステップ（３）と同様にシリコンのエピタキシャル成長が行われ、続くステップ（６）の陽極化成により多孔質化され、スペーサ層２２１０６となる。

次に、再度エピタキシャル成長により、共振器を形成するためのシリコン層が積層され、続いてステップ（４）で説明したのと同様に、今度はマイクロリング共振器部分のみを残して陽極化成により多孔質化が行われる。

以上、図２に示したステップ（１）〜（８）を行うことで、本実施例の波長選択光回路としての光素子が、モノリシックなシリコン構造体として形成される。

さらに、本実施例において多孔質シリコンに関しては、非多孔質のシリコン部分に比べて百倍程度熱酸化される速度が速く（増速酸化）、これを用いて、クラッド層や導波路、共振器のクラッド部分の多孔質シリコンを熱酸化により、多孔質ＳｉＯ_２化して，より屈折率を下げることも可能である。

なお、補足説明として、簡単に背景技術に関して述べる。

近年、ＳＯＩウエハを２Ｄスラブ型光素子への利用する研究が加速している。２次元スラブ型とは、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。

ＳＯＩウエハを用いる場合には、ＳＯＩ構造に以下の機能を持たせている：まず、Ｓｉ基板上に形成されたＳｉＯ_２（ＢＯＸ層：Ｂｕｒｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ）をクラッドに用い、その上に形成されたＳｉ（ＳＯＩ層：Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）をコアに用いる（参照：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」）。

この場合のスラブ厚、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（参照：小柴「光導波路解析」１９９０年、朝倉書店、１９９０年）。

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。

ＳＯＩを用いた２次元スラブ型素子の中では、２次元スラブフォトニック結晶がその最も知られた研究対象の一つであるが（非特許文献４参照）、このフォトニック結晶と同様な効果が期待されるものに、Ｓｉ細線導波路がある。この場合にも、２Ｄスラブ型フォトニック結晶と同様に、ＳｉとＳｉＯ_２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（参照：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）。

また、従来から検討が進められているリング型共振器と直線導波路を組み合わせたルーティング素子（参照：国分「応用物理」第７２巻、第１１号、２００３年、「マイクロリング共振器型光ルーティング素子」）を、前述したＳＯＩウエハを用いた高屈折差の導波路系を用いて、微小化する試みも最近提唱されるようになってきている。

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川上らの文献に記載されている。

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。このような貼り合せウエハには例えば、文献Ａ（Ｃｅｌｌｅｒ ａｎｄ Ｙａｓｕｄａ「ＭＥＭＳ用ＳＯＩウエハの現状」２００２．５、「電子技術」）および文献Ｂ（Ｉｙｅｒ ａｎｄ Ａｕｂｅｒｔｏｎ−Ｈｅｒｖｅ“ＳＩＬＩＣＯＮ ＷＡＦＥＲ ＢＯＮＤＩＮＧ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ｆｏｒ ＶＬＳＩ ａｎｄ ＭＥＭＳ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”（ＥＭＩＳ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ−ＳＥＲＩＥＳ １、ＩＳＢＮ ０ ８５２９６ ０３９ ５、２００２、Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）が存在し、実用化されている。

しかしながら、このような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ー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。という問題点があった。

さらに、リング型共振器と直線導波路を組み合わせたルーティング素子をＳＯＩ構造を用いて作製する場合には、素子としての効果が高いとされている２層以上のコア層を持つ立体的な導波路と共振器の回路構成の場合、ＳＯＩウエハでは、中間層のパターニングを行った後に、２つのＳＯＩを貼り合わせる（ウエハ接合）必要があり、さらにコストが高くなるという問題点がある。

本実施例６を利用することで上記問題点が改善される。

本実施例は本発明により実現される、細線導波路とマイクロリング共振器が光結合した立体構造素子を、面内方向に複数組み合わせて形成した回路網であり、特に、回路の選択性を光共振器と導波路間の結合を担うスペーサ層の空孔率を素子毎（あるいはエリア毎）に変化させてパターニングしたことを特徴とするものである。以下、図２６を用いて本実施例の光回路素子について説明する。

図２６は本実施例の光回路素子の上面図である。ただし、符号２６６０３〜２６６１１は透視イメージである。

まず、本光回路素子は、実施例１の導波路２つとマイクロリング共振器１つからなる光選択素子が９つ、２次元的に３×３で配置されている。これらの各素子は図中縦横の３つずつの導波路に関して、その境界で接続されている。作製方法としても、これらの計６本の導波路、および９つのマイクロリング共振器については、前述した実施例１の方法に従って、各面内に一括でパターニングされて形成される。また、本実施例におけるマイクロリング共振器は全く同じサイズで、そして導波路との位置関係（距離）についても、同様に形成されている。

次に本実施例において、本発明を活かした部位について説明する。それは即ち、導波路層と共振器層の結合を担うスペーサ層である。当該スペーサ層は、導波路層、共振器層と同様に、同一面内にある９つの領域全てが一括で作製される。ただし、この時、各領域それぞれに、所定の空孔率となるように、各々陽極化成条件を異ならせて形成することが可能である。領域毎に異なる空孔率の陽極化成を行う方法は、図２５を用いて前述したパターニング方法の例Ｂと同様であり、即ち、複数の電極を用いて陽極化成する方法であり、複数の電極毎に印加電界を異ならせることで実現される。

このようにして作製された、領域毎に異なる空孔率を持つスペーサ層により形成された９つの光選択素子は、マイクロリング共振器の大きさや位置が同一であっても、スペーサ層の実効的屈折率が異なるため、導波路と異なる結合の強さを持つ。これにより、導波路間を結合する光選択素子としては９つの部分で異なる特性を持たせることができる。

以上述べた本実施例における重要な効果としては以下のことが挙げられる。即ち、マイクロリング部分の位置や大きさといった微細加工プロセスに依存する部分を一つの条件だけで済ませることが出来る。もし、素子特性の違いをマイクロリング共振器の大きさや位置を微妙に異ならせて実現するとすれば、その大きさや位置の制御を精密に行う必要があるが、本実施例では、その条件は単一であり、より簡便で安定したものとすることができる。

本発明は以上に説明した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ことが可能である。

例えば、実施例１において、２つの方向の導波路は同一層に連結されて配置されていたが、これを別の層にすることができ、例えば、図２７の（ａ）に示すように、片方の導波路が共振器層に共存しても良いし、また，図中（ｂ）のように、導波路２つと共振器が全て別々の層に配置され、それぞれをスペーサ層で隔て、光結合してもよい。

また、本発明は、前述したシリコン材料に限定されるものでなく、例えばＧａＡｓ、Ｇｅ、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体や、ＣｄＳｅ、ＣｄＳなどのＩＩ−ＶＩ族、その他、ＧａＡｓとＧｅのように格子定数及び／または線膨張係数が近いエピ成長材料や基板材料との組み合わせなどで、同様に実施することができる。

本発明の光素子は、陽極化成により形成された多孔質シリコン、多孔質ＳｉＯ_２とエピタキシャル成長により形成されたシリコン層を面内パターニングした上で積層したモノリシックな光素子構造体を用いた高機能、高精度な光素子であり、光通信、光を用いた情報処理装置などに利用することができる。

本発明に係る光素子は、画像表示、画像転送、データ通信を含む光通信、また、光を用いた情報処理装置、さらには、画像情報、バイオ情報などの各種情報の高感度検出を行うセンサと検出システムなどにおいて広範囲で適用されるものである。

実施例１のＳｉでの１次元フォトニック結晶の作製方法を示す摸式図。 実施例２の多孔質ＳｉＯ_２を含む１次元フォトニック結晶の作製方法を示す摸式図。 実施例３の３次元的フォトニック結晶の構成の一例を示す摸式図。 実施例４の３次元フォトニック結晶の構成の一例を示す摸式図。 実施例４の陽極化成を面内パターニングする方法の例を示す模式図。 実施例４の各層パターンの構成例（上面図）を示す摸式図。 実施例４の各層パターンの構成例（断面、鳥瞰図）を示す摸式図。 実施例４の各層パターンの他の構成例（上面図）を示す摸式図。 実施例４の各層パターンの他の構成例（断面、鳥瞰図）を示す摸式図。 実施例４の各層パターンその他の構成例（上面図）を示す摸式図。 実施例４の各層パターンその他の構成例（断面、鳥瞰図）を示す摸式図。 実施例４において曲面体を複数の薄膜構造で近似した例を示す模式図。 陽極化成方法の一例を示す断面摸式図。 複数ウエハの一括陽極化成方法の一例を示す断面摸式図。 実施例５のフォトニック結晶レーザーの構成の一例を示す摸式図。 実施例５のフォトニック結晶レーザーの構成の他の一例を示す摸式図。 実施例５のフォトニック結晶レーザーの構成のその他の例を示す摸式図。 従来の面発光レーザの構成を示す模式図。 実施例４の３次元フォトニック結晶の一例を示す模式図。 本発明を説明する為の模式的断面図である。 実施例６を示す摸式図である。 実施例６の光素子の作製方法を示す摸式図である。 実施例６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６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６の陽極化成を面内パターニングする方法の例を示す模式図である。 実施例７の複数素子を面内に設けた光回路の例を示す模式図である。 実施例６の変形例を示す模式図である。

符号の説明

１０１、２０１、４０１、５０１、５０４ Ｓｉ基板（単結晶基板）
１０２、２０２、４０２、５０３、５０７、６０１、６０３ 多孔質シリコン層
１０３、２０４、４０３ エピ成長Ｓｉ層
２０３、２０７、３０５ 多孔質ＳｉＯ_２層
３０４ 周期的配置貫通孔
５０２ レジストパターン
５０５ 微小電極
５０６ 配線
１２０１ 近似される曲面構造
１２０２ 多層近似された曲面構造の多孔質シリコン
１２０３ エピ成長シリコン
１３０１ フォトニック結晶作製用Ｓｉ基板
１３０４ Ｐｔ製面電極
１３０５ 下部支持体
１３０６ 上部支持体
１３０７ 陽極
１３０８ Ｐｔ製メッシュ電極
１３０９ 陰極
１４０２ ホルダ
１４０３、１３０３ Ｏリング
１４０４ 吸引部
１４０５、１３０２ ＨＦ溶液
１４０６ａ、１４０６ｂ 白金電極
１４０８ ＨＦ溶液槽（陽極化成槽
１５０１ 下部３次元フォトニック結晶
１５０２ 上部３次元フォトニック結晶
１５０３ レーザー媒質層
１５０４ 面内点欠陥
１６０１ ３次元フォトニック結晶
１６０２ レーザー媒質
１７０１、１７０２ １次元フォトニック結晶
１７０３ 共振器スペーサ層
１７０４ レーザ媒質活性物質
１８０１、１８０２ エピ成長多層膜ミラー
１８０３ 共振器スペーサ層
１８０４ レーザ媒質活性層
１９０１ 多孔質シリコン
１９０２ エピ成長シリコン
１９０３ 多孔質ＳｉＯ_２
１９０４ 空気
２１１０１ シリコン（単結晶）基板
２１１０２ 多孔質シリコンクラッド層
２１１０３ 多孔質シリコン導波路層
２１１０４、７０１、７０４ シリコン導波路（コア）
２１１０５、７０２、７０５ シリコン導波路（コア）
２１１０６ 多孔質シリコンスペーサ層
２１１０７ 多孔質シリコン共振器層
２１１０８、２１７０３、２１７０６ シリコンマイクロリング共振器（コア）
２１１０９ 入射光
２１１１０、２１１１１ 射出光
２２２０１ エピ成長シリコン層（導波路層）
２２２０２ エピ成長シリコン層（スペーサ層）
２２２０３ エピ成長シリコン層（共振器層）
２３３０１ Ｓｉ基板
２３３０２ ＨＦ溶液
２３３０３ Ｏリング
２３３０４ Ｐｔ製面電極
２３３０５ 下部支持体
２３３０６ 上部支持体
２３３０７ 陽極
２３３０８ Ｐｔ製メッシュ電極
２３３０９ 陰極
２４４０１ Ｓｉ基板
２４４０２ 真空チャック用配管
２４４０３ ウエハホルダ
２４４０４ ＨＦ溶液槽
２４４０５ ＨＦ溶液
２４４０６ 陽極
２４４０７ 陰極
２５５０１ シリコン基板
２５５０２ レジストパターン
２５５０５ 微小電極
２５５０６ 配線
２６６０１ 導波路
２６６０２ マイクロリング共振器
２６６０３ 第１領域のスペーサ層（透視図）
２６６０４ 第２領域のスペーサ層（透視図）
２６６０５〜２６６１１ 第３領域から第５領域のスペーサ層（透視図）

Claims (17)

1. 第１の多孔質領域と第２の多孔質領域間に非多孔質領域を備え、且つ、前記非多孔質領域の屈折率が前記第１の多孔質領域より高いことを特徴とする光素子。
2. 第１の層が前記第１の多孔質領域を含み構成され、第２の層が前記第２の多孔質領域を含み構成され、第３の層が前記非多孔質領域を含み且つ前記第１の層及び第２の層間に位置するように構成されており、前記第３の層は、面内方向に前記非多孔質領域とは屈折率の異なる領域を有することを特徴とする請求項１記載の光素子。
3. 前記第３の層に含まれ、且つ前記非多孔質領域とは屈折率の異なる領域は、多孔質構造である請求項２記載の光素子。
4. 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高い結晶層とが積層され、前記屈折率の高い結晶層が複数層に渡り単結晶状であり、かつ、前記高屈折率の結晶層を挟む２つの多孔質層が空孔によって連結していないことを特徴とするモノリシック光素子。
5. 前記屈折率の高い結晶層に面内の屈折率分布パターンが形成されていることを特徴とする請求項４記載のモノリシック光素子。
6. 前記多孔質層の一部または全部がアモルファス酸化物層である請求項５記載のモノリシック光素子。
7. 結晶層の表面を多孔質化するステップと、多孔質表面から結晶層をエピタキシャル成長させるステップとを反復し、多孔質層と結晶層とを積層することを特徴とするモノリシック光素子の製造方法。
8. 結晶層の表面を多孔質化するステップが、結晶層を陽極化成するステップである請求項７に記載の光素子の製造方法。
9. 結晶層の陽極化成ステップが、結晶層の表面の所望の領域にのみ局所的に陽極化成を行なうステップである請求項８記載の製造方法。
10. 多孔質層または結晶層に面内の屈折率分布パターンを形成するパターニングステップを、複数のエピタキシャル成長ステップの間に含むことを特徴とする請求項７または８に記載の光素子の製造方法。
11. 前記パターニングステップが、屈折率の高い結晶層と多孔質層とに貫通孔を形成する貫通孔形成ステップである請求項１０に記載の光素子の製造方法。
12. 前記貫通孔形成ステップの後、貫通孔を通じて酸素原子を含む物質を供給し、多孔質層を優先的に酸化する酸化ステップをさらに含むことを特徴とする請求項７記載の光素子の製造方法。
13. 前記多孔質層の一部または全部を除去し、前記屈折率の高い結晶層に隣接して前記多孔質層の層厚と同程度の大きさの空隙を設けることを特徴とする請求項７記載の光素子の製造方法。
14. 請求項１記載の前記光素子が光共振器であり、当該光共振器の内部および／または近傍に発光物質を備えていることを特徴とする発光素子。
15. 前記非多孔質領域が光導波路として機能し、前記第２の層と第３の層間に多孔質構造のスペーサ層が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の光素子。
16. 前記スペーサ層は、その面内方向に、屈折率の異なる複数の領域を含み構成されている請求項１５に記載の光素子。
17. 請求項１に記載の光素子と、発光部を有することを特徴とする情報処理装置。

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