JP2005331812A

JP2005331812A - ３次元フォトニック結晶構造及びその製造方法

Info

Publication number: JP2005331812A
Application number: JP2004151479A
Authority: JP
Inventors: Munetsugu Yamamoto; 宗継山本
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2005-12-02
Anticipated expiration: 2024-05-21
Also published as: JP4186073B2

Abstract

【課題】任意の位置に欠陥・発光層を埋め込み可能な３次元フォトニック結晶構造を提供する。
【解決手段】第１の基板上にフォトニック結晶形成層と選択エッチング層を持った第１のウエハを形成し、第２の基板上にフォトニック結晶を積層した第２のウエハを形成する。第２のウエハ上に、アライメントマークとフォトニック結晶１層分のパタンを形成する。第１のウエハのフォトニック結晶形成層が、前記第２のウエハ上のパタンと向き合うように、第１と第２のウエハを貼り合わせ、選択エッチングにより、第１のウエハの基板及び選択エッチング層を除去して、第２のウエハ上のパタン上にフォトニック結晶形成層のみ残し、第２のウエハ上のアライメントマークを元に、残したフォトニック結晶形成層の上にフォトニック結晶1層分のパタンを描画し、パタン形成する。
【選択図】図８

Description

本発明は、各層の構造を独立に形成することにより、欠陥の形成が可能であり、局所的に発光体や非線形媒質を導入することのできる３次元フォトニック結晶構造及びその製造方法に関する。

３次元フォトニック結晶作製法には、オートクローニング法（auto cloning）(特許文献１参照)や人工オパール（opal）などの自己形成的なもの、レーザー光干渉などの干渉パタン使ったものなどがあるが、人工オパール、レーザー光干渉などでは任意の位置に欠陥(光準位を制御するために必要なもので、デバイス応用には不可欠)を導入できないという欠点がある。また、auto
cloning法も完全バンドギャップ形成が困難、SiO2などの絶縁物やポリSiなどの多結晶材料しか使えず、発光デバイス応用で重要なIII-V族半導体単結晶が使えない。人口opalも絶縁体やアモルファスSi,
アモルファスCdSなどの単結晶材料が使えない。レーザー干渉は特定の感光性有機材料しか使えない等欠点がある。
光デバイス向きの３次元フォトニック結晶作製法としては、京都大学の野田、山本らの方法(A)と理研の青木らの方法(B)（特許文献２参照）がある。それについて説明する。

図１３は、上記(A)の方法を説明する図である。この方法は、図示したように、まず(i)エピタキシャル成長で選択エッチング用の停止層(図ではAlGaAs)、フォトニック結晶形成層(図ではGaAs)を形成する。(ii)次に、微細加工により２次元パタンを形成する。(iii)(ii)で得られたものを、所望の３次元格子になるように精密位置合わせを行った上で貼りあわせる。(iv)選択エッチングによりエピタキシャル成長基板、エッチング停止層(図中、AlGaAs)を除去する。(v)
精密位置あわせ、貼りあわせ、選択エッチングを繰り返して３次元構造を形成する。という方法である。

次に、図１４は、上記（B）の方法を説明する図である。これは、上記（A）の方法と同様に、エピウエハに２次元パタンを形成後、選択エッチングにより最上部のフォトニック結晶形成層を成長基板から取り外し、マイクロマニピュレータによりそれらを直接操作して積層することにより３次元フォトニック結晶を得るという方法である。

図１４（ａ）は、３次元フォトニック結晶の正面斜視図であり、（ｂ）はその分解斜視図である。３次元フォトニック結晶１０は、互いに種類の異なる２種類の２次元フォトニック結晶１２ａと２次元フォトニック結晶１２ｂとをそれぞれ備えた平板状の２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂとを、光の波長程度の周期で交互に積層させて形成したものである。
３次元フォトニック結晶１０は、２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂと重ね合わせることにより製造するものであるが、その重ね合わせの処理は、マイクロマニュピュレーションによりプローブを利用して行われる。

微小体２０が２次元フォトニック結晶プレート１４ａの貫通孔１８内に嵌入された際には、微小体２０の半球分の部位が２次元フォトニック結晶プレート１４ａの表面から突出することになる。そして、貫通孔１８内に微小体２０を嵌入された２次元フォトニック結晶プレート１４ａの２次元フォトニック結晶１２ａのパタンとは９０度回転したパタンを備えるようにして、２次元フォトニック結晶プレート１４ａの表面から突出した微小体２０の半球分の部位に、２次元フォトニック結晶プレート１４ｂの貫通孔１８を嵌入させて位置合わせを行い、２次元フォトニック結晶プレート１４ａと２次元フォトニック結晶プレート１４ｂとを積層する。このような作業を繰り返すことにより、３次元的な周期構造を備えた３次元フォトニック結晶１０を製造することができる。
上述した（Ａ）及び（Ｂ）の方法は、現在の光デバイスに主流として使われているIII-V族半導体単結晶が使え、なおかつあらかじめ作製した２次元パタンを積層することから任意の位置に結晶欠陥や発光体を埋め込むことが容易であるということで、冒頭で述べた他の方法よりもデバイス形成上有利である。

しかしながら、（A）の方法では積層にさいし、特殊な(レーザー光回折観察など)方法による波長の1/10以下の精密な位置あわせが要求されるため、実施が困難である。また、（B）の方法では積層するプレートに位置決め穴を開けておくことにより、（A）の方法で必要とされた精密位置あわせの煩雑さを除去しているが、光波長の1/8程度の薄板を直接取り扱う必要があるため、材料の剛性等の点から大面積化できない等欠点を有する。
特開２００１−７４９５４号公報特開２００３−４３２７４号公報

本発明は、上記（A）の方法の精密位置あわせによる問題点と、（B）の方法の大面積素子作製が困難という問題点を解決した上で、任意の位置に欠陥・発光層を埋め込み可能な３次元フォトニック結晶構造及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明の３次元フォトニック結晶構造は、第１の基板上にフォトニック結晶形成層と選択エッチング層を持った第１のウエハと、該第１のウエハのフォトニック結晶形成層に向き合うようにパタンを形成した第２のウエハと、第１と第２のウエハを貼り合わせ、第１のウエハの基板及び選択エッチング層を除去して、第２のウエハ上のパタン上にフォトニック結晶形成層のみ残し、第２のウエハ上のアライメントマークを元に、残したフォトニック結晶形成層の上に形成されたフォトニック結晶パタンと、から成る。

また、本発明の３次元フォトニック結晶構造の製造方法は、第１の基板上にフォトニック結晶形成層と選択エッチング層を持った第１のウエハを形成し、第２の基板上にフォトニック結晶を積層した第２のウエハを形成し、該第２のウエハ上に、アライメントマークとフォトニック結晶１層分のパタンを形成する。第１のウエハのフォトニック結晶形成層が、前記第２のウエハ上のパタンと向き合うように、第１と第２のウエハを貼り合わせ、選択エッチングにより、第１のウエハの基板及び選択エッチング層を除去して、第２のウエハ上のパタン上にフォトニック結晶形成層のみ残し、第２のウエハ上のアライメントマークを元に、残したフォトニック結晶形成層の上にフォトニック結晶１層分のパタンを描画し、パタン形成する。

本発明では、（A）の方法のような精密位置あわせは不要であり(結晶構造の位置関係は描画装置の位置あわせ機能で担保している)、また（B）の方法のような薄板を直接取り扱わないために、大面積のフォトニック結晶作製が可能となっている。また、各層の構造を独立に形成できるために、欠陥の形成が可能であり、貼り合せる材料を一部変化させることにより、局所的に発光体や非線形媒質を導入できるなどのデバイス実現に有利な特性を有している。

以下、例示に基づき、本発明を説明する。図１〜図１２は、本発明に基づき３次元フォトニック結晶を作製する際の各ステップを示している。
I. 図１に示すような、フォトニック結晶形成層と選択エッチング層を持ったウエハをエピタキシャル成長などで用意する。たとえば、ガリウム砒素(GaAs)基板に、選択エッチング層としてアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)、フォトニック結晶形成層にガリウム砒素(GaAs)とする。ガリウム砒素のみ溶解する溶液(例：アンモニア・過酸化水素水混合溶液)とアルミニウムガリウム砒素のみ溶解する溶液(例：バッファード弗酸)を使用して、ガリウム砒素基板、アルミニウムガリウム砒素層を順次溶解していくことにより、フォトニック結晶形成層のガリウム砒素層のみを残すことが出来る。この他、インジウム燐(InP)基板に、選択エッチング層としてインジウムガリウム砒素燐(InGaAsP)、フォトニック結晶形成層としてインジウム燐(InP)という組み合わせや、基板にガリウム砒素、選択エッチング層にアルミニウムガリウム砒素、フォトニック結晶層にインジウムガリウム砒素燐など、基板は溶解するが選択エッチング層は溶解しない、選択エッチング層は溶解するがフォトニック結晶層は溶解しないというウェット、もしくはドライエッチングが可能な組み合わせの材料を使用することが出来る。

II. 図１に示したウエハとは別に、図２に示すように、フォトニック結晶を積層するウエハを用意し、その上に、アライメントマークとフォトニック結晶１層分の構造を形成する。構造形成は、たとえば、電子ビーム露光装置で微細パタンを描画後、ドライエッチングによりウエハ上にパタンを転写することにより行う。フォトニック結晶構造作製後に、この結晶構造をウエハから分離する場合、あるいは空洞領域を設けてエアブリッジ化する様な場合は、図３に示すように選択エッチング層を持った構造上にパタンを形成する。

現実のフォトニック結晶デバイスを考えるとき、取り扱い上は半導体基板等の上に載っていたほうが扱いやすいが、性能的には屈折率の高い半導体ウエハに光が集中し、フォトニック結晶デバイスへ光が導きにくい自体が生じる可能性がある。これを避けるために、フォトニック結晶の周囲を屈折率の低い空気にする、あるいは屈折率の低い誘電体ウエハ上に貼りあわせるということが必要になる。そのためには、あらかじめ積層を行うウエハにも選択エッチング層を用意しておくことにより、全ての構造を積層後に基板を除去することが出来る。

また、フォトニック結晶構造の上下共に空気とする場合は、図４のようにフォトニック結晶の端の四辺は下部基板により支持し、中央部は中で浮いた構造にすることにより、取り扱い上の問題を回避して、半導体基板への光の逃げを抑制することが出来る。このためには、積層を行う下地基板側に選択エッチング層を用意しておいて、全ての層を積層後、フォトニック結晶の隙間を通して溶解させることにより図４のような構造を得ることが出来る。

III. 図５に示すように、IIで作ったパタンの上に、Iで用意したウエハをフォトニック結晶形成層がIIで作ったパタンと向き合うように貼りあわせる。貼り合せるウエハは、IIで作ったパタンのうちアライメントマークを隠さないような大きさであることが必要である。
IV. 図６に示すように、選択エッチングにより、ウエハの基板、選択エッチング層を除去して、IIで作製した構造上にフォトニック結晶形成層のみ残す。

V. 図７に示すように、アライメントマークを元に、描画装置の位置あわせ描画機能を用いて、残したフォトニック結晶形成層の上にフォトニック結晶１層分のパタンを描画、エッチングでパタン形成する。
以上を繰り返して図８のような立体構造を作製する。

また、IIIにおいて、図９のようにアライメントマークと重なる部分のフォトニック結晶形成層を除去したものを図１０のように貼り合せて用いることもできる。この後、図１１に示すように、選択エッチングで基板と選択エッチング層を除去する。そして、図１２に示すように、アライメントマークＡを基準に、フォトニック結晶パタンとアライメントマークＢを描画する。このように、貼り合わせたものの上にアライメントマークを形成するようにすると、多層積層した場合に描画する部分とアライメントマーク部分が隣接する層に存在するので、描画装置による誤差を軽減することが出来る。

フォトニック結晶形成層と選択エッチング層を持った構造を例示する図である。１層分のフォトニック結晶パタンとアライメントマークを形成したウエハを例示する図である。選択エッチング層を持った構造に形成した１層分のフォトニック結晶パタンとアライメントマークを例示する図である。フォトニック結晶の上下を空気にした構造を例示する図である。図１に示した構造を貼りあわせたウエハを例示する図である。フォトニック結晶形成層のみ残したウエハを例示する図である。貼りあわせたフォトニック結晶形成層に、アライメントマークを基にしてフォトニック結晶パタンを描画し、エッチングでパタン転写することを例示する図である。完成した３次元フォトニック結晶を例示する図である。アライメントマークに重なる部分のみフォトニック結晶層を除去したウエハを例示する図である。図２の構造と図９の構造を貼りあわせた構造を例示する図である。図１０の構造から選択エッチングで基板と選択エッチング層を除去した構造を例示する図である。アライメントマークＡを基準に、フォトニック結晶パタンとアライメントマークＢを描画することを例示する図である。従来技術による光デバイス向きの３次元フォトニック結晶作製法を説明する図である。別の従来技術による光デバイス向きの３次元フォトニック結晶作製法を説明する図である。

Claims

第１の基板上にフォトニック結晶形成層と選択エッチング層を持った第１のウエハと、
該第１のウエハのフォトニック結晶形成層に向き合うようにパタンを形成した第２のウエハと、
第１と第２のウエハを貼り合わせ、第１のウエハの基板及び選択エッチング層を除去して、第２のウエハ上のパタン上にフォトニック結晶形成層のみ残し、第２のウエハ上のアライメントマークを元に、残したフォトニック結晶形成層の上に形成されたフォトニック結晶パタンと、
から成る３次元フォトニック結晶構造。
第１の基板上にフォトニック結晶形成層と選択エッチング層を持った第１のウエハを形成し、
第２の基板上にフォトニック結晶を積層した第２のウエハを形成し、該第２のウエハ上に、アライメントマークとフォトニック結晶1層分のパタンを形成し、
前記第１のウエハのフォトニック結晶形成層が、前記第２のウエハ上のパタンと向き合うように、第１と第２のウエハを貼り合わせ、
選択エッチングにより、第１のウエハの基板及び選択エッチング層を除去して、第２のウエハ上のパタン上にフォトニック結晶形成層のみ残し、
第２のウエハ上のアライメントマークを元に、残したフォトニック結晶形成層の上にフォトニック結晶１層分のパタンを描画し、パタン形成する
ことから成る３次元フォトニック結晶構造の製造方法。
前記第２のウエハ上のパタンの形成は、微細パタンを描画後、ドライエッチングによりウエハ上にパタンを転写することにより行う請求項２に記載の３次元フォトニック結晶構造の製造方法。
前記第２のウエハ上のパタンは、選択エッチング層を持った構造上に形成したものである請求項２に記載の３次元フォトニック結晶構造の製造方法。
前記第２のウエハに貼り合わせる第１のウエハは、前記アライメントマークと重なる部分のフォトニック結晶形成層を除去した後に貼り合せ、そして、選択エッチングで基板と選択エッチング層を除去した後、前記アライメントマークを基準に、フォトニック結晶パタンと別のアライメントマークを描画する請求項２に記載の３次元フォトニック結晶構造の製造方法。