JP2006267898A - 3次元フォトニック結晶の作製方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 屈折率周期構造を含む層を複数層積層して、3次元フォトニック結晶を作製する3次元フォトニック結晶の作製方法であって、複数の層を1単位として、1単位内において所望波長帯域でフォトニックバンドギャップを呈するように計算された理想層厚と該1単位内の平均層厚が一致するように、該1単位の総層厚を調整する調整工程を含むこと。
【選択図】 図7(A)
Description
そのような中、2次元周期構造を含む層を積層することにより作製ができる構造、いわゆるLayer−by−Layer構造(以下、LBL構造という)は、実際に構造の作製および評価が行われ、実験的にフォトニックバンドギャップが観測されている。LBL構造の代表的なものとしては、特許文献2で提案された構造や、図11に示す特許文献3にて提案されたウッドパイル構造がある。
ウッドパイル構造1000とは、図11に示すように、Y軸方向に延びかつ間隔(ピッチ)Pで配列された幅W、高さHの複数の角柱1100で形成された第1の層1001と、X軸方向に延びかつ間隔Pで配列された第1の層1001と同一形状の複数の角柱1100で形成された第2の層1002と、第1の層1001中の角柱とはX軸方向にP/2ずれた位置に配置され、Y軸方向に延びかつ間隔Pで配列された第1の層1001と同一形状の複数の角柱1100で形成された第3の層1003と、第2の層1002中の角柱とはY軸方向にP/2ずれた位置に配置され、X軸方向に延びかつ間隔Pで配列された第1の層1001と同一形状の複数の角柱1100で形成された第4の層1004で構成され、第1の層1001から第4の層1004の4層がZ方向に積層されて基本周期を構成している。そして基本周期を複数積層することによりウッドパイル構造1000が形成される。図11は基本周期(1001〜1004)を2周期積層した場合を示している。構造内の全ての角柱1100は第1の媒質で形成され、角柱1100以外の部分は第1の媒質とは異なる屈折率を有する第2の媒質で形成されている。角柱1100の間隔P、幅W、高さHおよび第1の媒質の屈折率、第2の媒質の屈折率は、フォトニック結晶が所望の波長域でフォトニックバンドギャップを呈するように決定される。例えば、第1の媒質の屈折率を3.309、第2の媒質の屈折率を1として、角柱1100の幅Wおよび高さHを0.30×Pとして、平面波展開法によりフォトニックバンド構造を解析すると、規格化周波数(周期Pで規格化された角周波数)が0.362〜0.432の範囲において、完全フォトニックバンドギャップが形成されることがわかる。このことから、例えば角柱1100の配列周期Pを600nmとすると、1389nmから1657nmの波長範囲において、完全フォトニックバンドギャップが形成される。
さらに、薄膜層形成、2次元周期パターン形成、堆積、研磨を繰り返し、図13(e)に示すような構造を形成する。
Physical Review Letters、Vol.58、pp.2059、1987年
設計値180nmに対して200nmになった場合,フォトニックバンドギャップの波長
帯域は設計値に対しほぼ60nmシフトし,全ての層の角柱1100の高さ(層の厚さ)
Hが180nmに対して200nmになった場合,フォトニックバンドギャップの波長帯
域は設計値に対しほぼ160nmシフトする。このように高さ誤差の影像は幅の誤差より
も大きい。
このように、設計値に対するずれを小さくするには、各層の厚さ誤差の許容値が非常に小さく,所望波長域で動作する3次元フォトニック結晶の作製が非常に困難となっていた。
各層を構成する角柱(第1の領域)1100の屈折率を3.309,それ以外の領域(第2の領域)の屈折率を1として,角柱1100の幅Wおよび高さHが63nm,角柱1100の間隔Pが210nmの4層1001〜1004を基本周期(1周期)とし、全体で6周期で構成されたウッドパイル構造の透過スペクトルを,RCWA(厳密結合波解析法)を用いて計算した結果を図2(a)に示す。図2(a)において,点線は積層方向(Z方向)に平行な方向(図11の方向A)から光が入射した場合,実線は層と平行な方向(図11の方向B)から光が入射した場合,破線はその中間の斜め方向(図11の方向C)から光が入射した場合それぞれの透過スペクトルを表す。
図2(a)より,設計値においては波長465nmから波長580nmの波長域で完全フォトニックバンドを有することがわかる。
ここでフォトニックバンドギャップ波長(中心波長)λOは、フォトニックバンドギャップ波長域をλaからλbとするとき、
λO=(λa+λb)/2
である。
角柱1100(第1の領域)の屈折率を2.33,それ以外の領域(第2の領域)の屈折率を1として,角柱1100の幅Wおよび高さHが84nm,角柱1100の間隔Pが240nmの4層で1周期とし、全体で6周期で構成されたウッドパイル構造の透過スペクトルを,RCWAを用いて計算した結果を図3(a)に示す。
また,2次元周期パターンは、干渉露光法、ナノインプリント法、超短パルス光による多光子吸収過程を用いた方法や、X線露光,紫外線露光、近接場露光などリソグラフィ技術を用いた方法などとエッチングを組み合わせて形成しても良い。また,マスクパターンを用いた選択成長で形成しても良い。
1100 角柱
1001 第1の層
1002 第2の層
1003 第3の層
1004 第4の層
200 LBL構造
201 第1の層
202 第2の層
203 第3の層
204 第4の層
205 第5の層
206 第6の層
207 第7の層
208 第8の層
209 第9の層
210 第10の層
211 第11の層
212 第12の層
201a 角柱
204a 角柱
207a 角柱
210a 角柱
Claims (9)
- 屈折率周期構造を含む層を複数積層して、3次元フォトニック結晶を作製する3次元フォトニック結晶の作製方法であって、複数の層を1単位として、該1単位内において所望波長帯域でフォトニックバンドギャップを呈するように計算された理想層厚と該1単位内の平均層厚が一致するように、該1単位の総層厚を調整する調整工程を含むことを特徴とする3次元フォトニック結晶の作製方法。
- 前記3次元フォトニック結晶の基本周期を構成する複数層の整数倍の層数で前記1単位を構成することを特徴とする請求項1の3次元フォトニック結晶の作成方法。
- 前記1単位の層数からなる単位構造を複数個同一基板上に一括形成し、該複数個の単位構造を積層することにより3次元フォトニック結晶を作製することを特徴とする請求項1または2のフォトニック結晶の作製方法。
- 前記調整工程では、前記1単位内の一つの層の厚さを調整することにより、該1単位内の平均層厚を前記理想層厚と一致させることを特徴とする請求項1、2又は3の3次元フォトニック結晶の作製方法。
- 前記調整工程は、エッチング、研磨、アブレーションのいずれかによって、前記1単位内の一つの層の層厚を減らすことにより、該1単位内の平均層厚を前記理想層厚と一致させることを特徴とする請求項4の3次元フォトニック結晶の作製方法。
- 請求項1乃至5のいずれか1項の3次元フォトニック結晶の作製方法で作製された3次元フォトニック結晶を含み、該3次元フォトニック結晶は線状の周期欠陥部を有し、該周期欠陥部は導波路として機能することを特徴とする機能素子。
- 請求項1乃至5のいずれか1項の3次元フォトニック結晶の作製方法で作製された3次元フォトニック結晶を含み、該3次元フォトニック結晶は孤立した周期欠陥部を有し、該周期欠陥部は共振器として機能することを特徴とする機能素子。
- 前記共振器内部に発光作用を呈する活性媒質を有する請求項7に記載の機能素子と、該活性媒質を励起する励起手段とを有することを特徴とする発光素子。
- 前記発光素子は、レーザーであることを特徴とする請求項8に記載の発光素子。
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