JP2011085708A - Method of manufacturing three-dimensional photonic crystal and functional device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、３次元的な屈折率周期構造を有する３次元フォトニック結晶の作製方法及び３次元フォトニック結晶を利用した光導波路、光共振器、光学フィルタ、偏光素子等の機能素子に関する。 The present invention relates to a method for producing a three-dimensional photonic crystal having a three-dimensional refractive index periodic structure, and a functional element such as an optical waveguide, an optical resonator, an optical filter, and a polarizing element using the three-dimensional photonic crystal.
波長以下の大きさの構造体を周期的に配列することによって電磁波の透過・反射等の特性を制御する概念が、Yablonovitchによって提唱されている（非特許文献１）。このような構造はフォトニック結晶として知られており、ある波長域において、光の損失がない１００％の反射率を有する光学素子を実現できる。
このように、ある波長域で反射率を１００％にする作用は、従来の半導体が持つエネルギーギャップとの比較から、フォトニックバンドギャップ（作用）と言われている。
また、上記のような構造を３次元的な微細周期構造にすることによって、あらゆる方向から入射した光に対してフォトニックバンドギャップが得られる。これは、完全フォトニックバンドギャップ（作用）とも称される。
完全フォトニックバンドギャップが実現できると、発光素子における自然放出の抑制など様々な応用が可能となり、従来にはない新しい機能素子の実現が可能となる。このため、より広い波長域で完全フォトニックバンドギャップが実現できる構造の機能素子が求められている。
このような完全フォトニックバンドギャップ作用を有する構造が、従来幾つか提案されている（特許文献１，２，３）。
一般に、完全フォトニックバンドギャップが得られる３次元微細周期構造の作製は容易ではない。このため、３次元微細周期構造を光波領域（真空中での光の波長が数μｍ以下の領域）で動作させることは非常に少ない。
そのような中、屈折率分布が層内にて周期性を持つ屈折率周期構造を含む層を複数積層することにより作製できる、いわゆるＬａｙｅｒ−ｂｙ−Ｌａｙｅｒ構造（以下、ＬＢＬ構造）が提案されている。ＬＢＬ構造の代表的なものとしては、特許文献１にて提案されたウッドパイル構造である。ウッドパイル構造とは、図８に示すように、複数の柱状構造体を等間隔Ｐにて平行に配置した複数の層を積層することにより構成された構造である。該複数の層において、柱状構造体が延びる方向が交互に９０度異なっている。
このようなウッドパイル構造の作製方法は、これまでに種々提案されている（特許文献４，５）。例えば、特許文献４では、ウッドパイル構造を、周期構造の形成、堆積および研磨を繰り返すことにより作製する方法を提案している。さらに、非特許文献２には、周期構造の形成と接合とを繰り返す手法によってウッドパイル構造を作製する方法を提案している。
Yablonovitch has proposed the concept of controlling characteristics such as transmission / reflection of electromagnetic waves by periodically arranging structures having a size equal to or smaller than the wavelength (Non-Patent Document 1). Such a structure is known as a photonic crystal, and an optical element having a reflectance of 100% with no light loss can be realized in a certain wavelength region.
Thus, the effect of setting the reflectance to 100% in a certain wavelength region is said to be a photonic band gap (action) from the comparison with the energy gap of a conventional semiconductor.
Further, by making the above structure into a three-dimensional fine periodic structure, a photonic band gap can be obtained for light incident from all directions. This is also referred to as a complete photonic band gap (action).
If a complete photonic band gap can be realized, various applications such as suppression of spontaneous emission in a light-emitting element can be realized, and a new functional element that has not existed before can be realized. Therefore, there is a demand for a functional element having a structure that can realize a complete photonic band gap in a wider wavelength range.
Several structures having such a complete photonic band gap action have been proposed (Patent Documents 1, 2, and 3).
In general, it is not easy to produce a three-dimensional fine periodic structure capable of obtaining a complete photonic band gap. For this reason, it is very rare to operate the three-dimensional fine periodic structure in the light wave region (region where the wavelength of light in vacuum is several μm or less).
Under such circumstances, a so-called Layer-by-Layer structure (hereinafter referred to as LBL structure) that can be produced by stacking a plurality of layers including a refractive index periodic structure having a refractive index distribution within the layer has been proposed. Yes. A typical LBL structure is the woodpile structure proposed in Patent Document 1. As shown in FIG. 8, the woodpile structure is a structure formed by laminating a plurality of layers in which a plurality of columnar structures are arranged in parallel at equal intervals P. In the plurality of layers, the extending directions of the columnar structures are alternately different by 90 degrees.
Various methods for producing such a woodpile structure have been proposed so far (Patent Documents 4 and 5). For example, Patent Document 4 proposes a method for producing a woodpile structure by repeating formation, deposition, and polishing of a periodic structure. Further, Non-Patent Document 2 proposes a method for producing a woodpile structure by a method of repeating formation and joining of a periodic structure.
非特許文献２にて提案された作製方法は、一度の周期構造の形成工程により２層の周期構造を形成する。しかしながら、周期構造を周囲の枠部によって支えるフリースタンディング構造を作製する必要があり、数１００ｎｍ程度の厚みを有する微細な構造を作製するのは困難である。
また、特許文献４にて提案された作製手法は、接合工程を含まないため、より高精度なＬＢＬ構造の作製が可能である。しかしながら、一度の周期構造の形成工程により作製可能な層数が１層のみであるため、工程数が多くなるという問題がある。しかも、各工程において発生する作製誤差が積算されてＬＢＬ構造の特性に影響を及ぼす。さらに、平坦化処理を行う工程では、平坦化処理の選択比の異なる材料が面内に存在するために、皿状の凹部としてのディッシングが発生し、該ディッシングによる作製誤差が発生する。ディッシングは上層に対して作製誤差を与えるため、所望の特性を有するＬＢＬ構造の作製にはディッシングの発生を抑制することが不可欠となる。
本発明は、少ない工程数で作製でき、作製誤差も小さい３次元フォトニック結晶および機能素子を提供する。
The manufacturing method proposed in Non-Patent Document 2 forms a two-layer periodic structure by a single periodic structure forming step. However, it is necessary to produce a free standing structure that supports the periodic structure by the surrounding frame portion, and it is difficult to produce a fine structure having a thickness of about several hundred nm.
In addition, since the manufacturing method proposed in Patent Document 4 does not include a bonding process, it is possible to manufacture an LBL structure with higher accuracy. However, there is a problem in that the number of steps increases because the number of layers that can be produced by a single periodic structure forming step is only one. In addition, manufacturing errors that occur in each process are integrated and affect the characteristics of the LBL structure. Further, in the step of performing the flattening process, since materials having different selection ratios of the flattening process exist in the surface, dishing as dish-shaped recesses occurs, and a manufacturing error due to the dishing occurs. Since dishing gives a manufacturing error to the upper layer, it is indispensable to suppress the occurrence of dishing for manufacturing an LBL structure having desired characteristics.
The present invention provides a three-dimensional photonic crystal and a functional element that can be manufactured with a small number of steps and have small manufacturing errors.
本発明の一側面は、第１の媒質により形成された第１の構造部と該第１の媒質とは屈折率が異なる第２の媒質により形成された第２の構造部が周期的又は離散的に配置された層が複数積層された３次元フォトニック結晶の作製方法である。該作製方法は、第１の媒質によって第１の膜を形成する第１の工程と、第１の膜の厚み内に、第１の層の第１の構造部を形成する第２の工程と、第１の層内において第１の構造部に隣接する領域および第１の層に積層方向にて隣接する領域に、第２の媒質によって第２の膜を形成する第３の工程と、第２の膜を平坦化する第４の工程と、第２の膜のうち第１の層に積層方向にて隣接する領域に形成された部分の厚み内に、第２の層の第２の構造部を形成する第５の工程とを含む。そして、平坦化された第２の膜の厚みを、第１の層の厚みと第２の層の厚みの和に等しくすることを特徴とする。
なお、上記方法で作製された３次元フォトニック結晶と、該３次元フォトニック結晶内に設けられた欠陥部とを有し、該欠陥部が共振器又は導波路として機能する機能素子も本発明の他の一側面を構成する。
One aspect of the present invention is that a first structure portion formed of a first medium and a second structure portion formed of a second medium having a refractive index different from that of the first medium are periodic or discrete. This is a method for producing a three-dimensional photonic crystal in which a plurality of layers arranged in a regular manner are stacked. The manufacturing method includes: a first step of forming a first film with a first medium; a second step of forming a first structure portion of a first layer within the thickness of the first film; A third step of forming a second film with a second medium in a region adjacent to the first structure portion in the first layer and a region adjacent to the first layer in the stacking direction; A second step of planarizing the second film, and a second structure of the second layer within a thickness of a portion of the second film formed in a region adjacent to the first layer in the stacking direction. And a fifth step of forming the part. The thickness of the planarized second film is equal to the sum of the thickness of the first layer and the thickness of the second layer.
A functional element having a three-dimensional photonic crystal manufactured by the above method and a defect provided in the three-dimensional photonic crystal, and the defect functioning as a resonator or a waveguide is also included in the present invention. The other one side is comprised.
本発明によれば、少ない工程数で作製でき、作製誤差も小さい３次元フォトニック結晶および機能素子を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a three-dimensional photonic crystal and a functional element that can be manufactured with a small number of steps and have a small manufacturing error.
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図２の（ａ）〜（ｃ）には、本発明の実施例１である、ＬＢＬ構造を有する３次元フォトニック結晶２００を示している。
３次元フォトニック結晶２００は、それぞれ第１の媒質により形成された第１の柱状構造部（第１の構造部）と該第１の媒質とは屈折率が異なる第２の媒質により形成された第２の柱状構造部（第２の構造部）が周期的に配置された層が積層されて構成されている。本実施例の３次元フォトニック結晶２００は、第１の層２０１〜第４の層２０４の４層を基本周期として構成されている。なお、第１および第２の媒質は空気であってもよく、該空気によって形成される柱状構造部は空間となる。
図２の（ａ）は各層のｘｚ断面図の一部を示している。（ｂ）は各層のｙｚ断面図の一部を示している。（ｃ）は、各層のｘｙ断面図の一部を示している。
第１の層２０１および第２の層２０３では、ｙ方向に延びる第１および第２の柱状構造部がそれぞれ、ｘ方向に等間隔（ピッチ）Ｐにて並んでいる。第１の層２０１に含まれる各柱状構造部と第３の層２０３に含まれる各柱状構造部とは、互いにｘ方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。第２の層２０２および第４の層２０４では、ｘ方向に延びる第１および第２の柱状構造部がそれぞれｙ方向に等間隔（ピッチ）Ｐにて並んでいる。第２の層２０２に含まれる各柱状構造部と第４の層２０４に含まれる各柱状構造部とは、互いにｙ方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。
第１の層２０１は厚みＨ１を有し、第２の層２０２は厚みＨ２を有する。第３の層２０３は厚みＨ３を有し、第４の層２０４は厚みＨ４を有する。このように、本実施例の３次元フォトニック結晶２００は、図８にも示したウッドパイル構造を有する。
図１の（ａ）〜（ｇ）には、３次元フォトニック結晶２００の作製方法を示している。
まず、図１の（ａ）に示すように、基板１０１上に、第１の媒質によって、第１の膜１０２を、図２に示した第１の層２０１の厚みＨ１と等しい厚みになるよう形成する（第１の工程）。
次に、（ｂ）に示すように、第１の膜１０２の厚み内に、第１の層の第１の柱状構造部１０３を形成する（第２の工程）。
次に、（ｃ）に示すように、第１の層内において第１の柱状構造部１０３に隣接する領域および第１の層に積層方向（ｚ方向：以下、ｚ方向を上側とする）にて隣接する領域に、第２の媒質によって第２の膜１０４を形成する（第３の工程）。このとき、第２の膜１０４は、図２に示した第１の層２０１の厚みＨ１と第２の層２０２の厚みＨ２との和（Ｈ１＋Ｈ２）よりも厚い厚みＴ１を有するように形成される。
このようにして、第１の層内における第１の柱状構造部１０３に隣接する領域に第２の媒質を充填し、第１の層の第２の柱状構造部１０５を形成する。
第３の工程の時点における第２の膜１０４の厚みＴ１を、Ｈ１＋Ｈ２よりも厚くすることで、第２の層を構成する第２の媒質を、第１の層への第２の媒質の充填とともに配置することができる。ここで、第１の柱状構造部１０３の上面と基板１０１の上面との段差によって、第２の膜１０４の上面には窪み１１０が形成される。
次に、（ｄ）に示すように、第２の膜１０４に対して、その厚みが第１の層の厚みＨ１と第２の層の厚みＨ２との和（Ｈ１＋Ｈ２）と等しい厚みになるように平坦化処理を行う（第４の工程）。このような平坦化処理を行うことで、窪み１１０を除去することができる。また、平坦化処理を行う第２の膜１０４の上面は第２の媒質のみによって形成される面であるため、異なる媒質間での平坦化処理選択比の差に起因するディッシングの発生を回避することができる。以上により、屈折率周期構造層である第１の層の作製が完了する。
次に、（ｅ）に示すように、第２の膜１０４のうち第１の層に上側にて隣接する領域に形成された部分の厚み内に、第２の層の第２の柱状構造部１０６を形成する（第５の工程）。
次に、（ｆ）に示すように、第２の層内において第２の柱状構造部１０６に隣接する領域および第２の層に上側にて隣接する領域に、第１の媒質によって第３の膜１０７を形成する（第６の工程）。このとき、第３の膜１０７を、第２の層の厚みＨ２よりも厚い厚みＴ２を有するように形成する。このようにして、第２の層内における第２の柱状構造部１０６に隣接する領域に第１の媒質を充填し、第２の層の第１の柱状構造部１０９を形成する。
さらに、（ｇ）に示すように、第３の膜１０７に対して、その上端面が第２の層の第２の柱状構造部１０６の上端面に揃うように（第３の膜１０７の厚みがＨ２と等しくなるように）平坦化処理を行う（第７の工程）。これにより、第２の柱状構造部１０６と高さが揃った第１の柱状構造部１０９を含む屈折率周期構造層としての第２の層の作製が完了する。
以上の第１から第７の工程により、図２に示した３次元フォトニック結晶２００における第１の層２０１と第２の層２０２を作製することができる。
そして、図２に示した第３の層２０３および第４の層２０４も図１（ａ）〜（ｅ）の工程により別途作製し、第１および第２の層２０１，２０２のうち第２の層２０２の上面に第３の層２０３を接合してもよい。
ただし、接合工程において、層間のアライメント誤差が発生する可能性がある。このため、図１（ａ）〜（ｇ）の工程、すなわち第１の工程から第７の工程を繰り返すことで、第２の層２０２の上に第３の層２０３および第４の層２０４を作製してもよい。さらに、第１の工程から第７の工程を繰り返すことで、第１の層２０１から第４の層２０４の基本周期が繰り返される３次元フォトニック結晶２００を作製してもよい。
本実施例にて説明した作製方法では、一度の成膜工程において２層分の厚みを有する膜を形成することにより、ＬＢＬ構造を１周期作製するために必要な工程数を削減することができる。さらに、フリースタンディング構造の接合工程が必要ないため、数１０〜数１００ｎｍのサイズを有する柱状構造部の形成、層間の高精度アライメントおよび層間の機械的強度（接合強度）を高めることが可能となる。
一般に、１周期のＬＢＬ構造では十分な光の反射率を得ることができないため、数周期〜数十周期程度積層して用いられる。ＬＢＬ構造を１周期作製するために必要な工程数を減らすことにより、ＬＢＬ構造の作製に必要な工程数を大幅に削減することができる。以上から、本実施例の作製方法を用いて作製されたＬＢＬ構造は、微細な構造の作製が可能であり、かつ各工程における作製誤差の積算量が少ないために、光波領域においても良好な特性を得ることができる。
このような３次元フォトニック結晶を構成する材料として、大きな屈折率差を有する２種類以上の材料を選ぶことが望ましい。高屈折率材料として、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮなどの化合物半導体、ＴｉＯ２、ＺｎＯ等の金属酸化物、有機半導体等を用いることができる。低屈折率材料として、例えば、ＳｉＯ２等の誘電体、ＰＭＭＡ等の高分子有機材料を用いることができる。より大きな屈折率差を得るために、第１の媒質または第２の媒質を３次元フォトニック結晶の作製後に除去してもよい。除去する媒質としては、例えばＡｕ、Ｃｕ等の金属やポリマーを用いることができる。
成膜方法としては、蒸着法、スパッタ法、化学気相成長（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）法に代表される結晶成長、エピタキシャル結晶成長などの結晶成長、ナノ粒子充填法手段、スピンコート法等を用いることができる。また、ＦＣＶＡ（Filtered Cathodic Vacuum Arc）を用いることもできる。
柱状形状を形成する方法としては、マスク形成と電子ビームやフォトリソグラフィによる露光とエッチングを組み合わせた半導体リソグラフィ手法や、ナノインプリントによる刻印手法等を用いることができる。
平坦化処理として、例えばＣＭＰ法、ガスクラスターイオンビーム照射、エッチングなどを用いることができる。
2A to 2C show a three-dimensional photonic crystal 200 having an LBL structure, which is Embodiment 1 of the present invention.
The three-dimensional photonic crystal 200 is formed of a first columnar structure portion (first structure portion) formed of a first medium and a second medium having a refractive index different from that of the first medium. A layer in which the second columnar structure parts (second structure parts) are periodically arranged is laminated. The three-dimensional photonic crystal 200 according to the present embodiment is configured with four layers of the first layer 201 to the fourth layer 204 as a basic period. The first and second media may be air, and the columnar structure formed by the air is a space.
FIG. 2A shows a part of an xz sectional view of each layer. (B) has shown a part of yz sectional drawing of each layer. (C) has shown a part of xy sectional drawing of each layer.
In the first layer 201 and the second layer 203, the first and second columnar structures extending in the y direction are arranged at equal intervals (pitch) P in the x direction. Each columnar structure portion included in the first layer 201 and each columnar structure portion included in the third layer 203 are disposed at positions shifted by P / 2 in the x direction. In the second layer 202 and the fourth layer 204, the first and second columnar structures extending in the x direction are arranged at equal intervals (pitch) P in the y direction. Each columnar structure portion included in the second layer 202 and each columnar structure portion included in the fourth layer 204 are arranged at positions shifted by P / 2 in the y direction.
The first layer 201 has a thickness H1, and the second layer 202 has a thickness H2. The third layer 203 has a thickness H3, and the fourth layer 204 has a thickness H4. Thus, the three-dimensional photonic crystal 200 of this example has a woodpile structure as shown in FIG.
1A to 1G show a method for manufacturing the three-dimensional photonic crystal 200. FIG.
First, as shown in FIG. 1A, the first film 102 is formed on the substrate 101 by the first medium so as to have a thickness equal to the thickness H1 of the first layer 201 shown in FIG. Form (first step).
Next, as shown in (b), the first columnar structure portion 103 of the first layer is formed within the thickness of the first film 102 (second step).
Next, as shown in (c), in the first layer, the region adjacent to the first columnar structure portion 103 and the first layer are stacked in the stacking direction (z direction: hereinafter, the z direction is the upper side). In the adjacent region, the second film 104 is formed by the second medium (third step). At this time, the second film 104 is formed to have a thickness T1 larger than the sum (H1 + H2) of the thickness H1 of the first layer 201 and the thickness H2 of the second layer 202 shown in FIG. .
In this manner, the region adjacent to the first columnar structure portion 103 in the first layer is filled with the second medium to form the second columnar structure portion 105 of the first layer.
By making the thickness T1 of the second film 104 at the time of the third step thicker than H1 + H2, the second medium constituting the second layer is filled with the second medium in the first layer. Can be arranged together. Here, a recess 110 is formed on the upper surface of the second film 104 due to a step between the upper surface of the first columnar structure portion 103 and the upper surface of the substrate 101.
Next, as shown in (d), the thickness of the second film 104 is equal to the sum (H1 + H2) of the thickness H1 of the first layer and the thickness H2 of the second layer. Is planarized (fourth step). By performing such a flattening process, the depression 110 can be removed. In addition, since the upper surface of the second film 104 for performing the planarization process is a surface formed only by the second medium, the occurrence of dishing due to the difference in the planarization process selection ratio between different media is avoided. be able to. Thus, the production of the first layer that is the refractive index periodic structure layer is completed.
Next, as shown in (e), the second columnar structure portion of the second layer is within the thickness of the portion of the second film 104 formed in the region adjacent to the first layer on the upper side. 106 is formed (fifth step).
Next, as shown in (f), in the second layer, the region adjacent to the second columnar structure portion 106 and the region adjacent to the second layer on the upper side are subjected to the third medium by the first medium. A film 107 is formed (sixth step). At this time, the third film 107 is formed to have a thickness T2 larger than the thickness H2 of the second layer. In this manner, a region adjacent to the second columnar structure 106 in the second layer is filled with the first medium, and the first columnar structure 109 of the second layer is formed.
Further, as shown in (g), the third film 107 has an upper end face aligned with the upper end face of the second columnar structure portion 106 of the second layer (thickness of the third film 107). Flattening is performed (seventh step) so that becomes equal to H2. Thereby, the production of the second layer as the refractive index periodic structure layer including the first columnar structure portion 109 having the same height as the second columnar structure portion 106 is completed.
Through the above first to seventh steps, the first layer 201 and the second layer 202 in the three-dimensional photonic crystal 200 shown in FIG. 2 can be manufactured.
The third layer 203 and the fourth layer 204 shown in FIG. 2 are also separately produced by the steps of FIGS. 1A to 1E, and the second of the first and second layers 201 and 202 is formed. The third layer 203 may be bonded to the upper surface of the layer 202.
However, an alignment error between layers may occur in the bonding process. Therefore, the third layer 203 and the fourth layer 204 are formed on the second layer 202 by repeating the steps of FIGS. 1A to 1G, that is, the first step to the seventh step. It may be produced. Furthermore, the three-dimensional photonic crystal 200 in which the fundamental period of the first layer 201 to the fourth layer 204 is repeated may be manufactured by repeating the first to seventh steps.
In the manufacturing method described in this embodiment, the number of steps necessary for manufacturing one cycle of the LBL structure can be reduced by forming a film having a thickness of two layers in one film formation step. . Furthermore, since a free-standing structure bonding step is not required, it is possible to increase the formation of columnar structures having a size of several tens to several hundreds of nanometers, high-precision alignment between layers, and mechanical strength (bonding strength) between layers. .
In general, an LBL structure with one cycle cannot provide a sufficient light reflectance, and therefore, it is used by laminating several cycles to several tens of cycles. By reducing the number of steps required for manufacturing one cycle of the LBL structure, the number of steps required for manufacturing the LBL structure can be greatly reduced. As described above, the LBL structure manufactured by using the manufacturing method of this embodiment can be manufactured in a fine structure and has a small amount of manufacturing error in each process. Can be obtained.
As a material constituting such a three-dimensional photonic crystal, it is desirable to select two or more kinds of materials having a large refractive index difference. As the high refractive index material, for example, a compound semiconductor such as GaAs, InP, or GaN, a metal oxide such as TiO 2 or ZnO, an organic semiconductor, or the like can be used. As the low refractive index material, for example, a dielectric such as SiO 2 or a polymer organic material such as PMMA can be used. In order to obtain a larger refractive index difference, the first medium or the second medium may be removed after the fabrication of the three-dimensional photonic crystal. As the medium to be removed, for example, a metal such as Au or Cu or a polymer can be used.
Deposition methods include vapor deposition, sputtering, crystal growth represented by chemical vapor deposition (CVD), crystal growth such as epitaxial crystal growth, nanoparticle filling method, spin coating method, etc. Can be used. Also, FCVA (Filtered Cathodic Vacuum Arc) can be used.
As a method for forming the columnar shape, a semiconductor lithography method combining mask formation, exposure by electron beam or photolithography and etching, a marking method by nanoimprint, or the like can be used.
As the planarization treatment, for example, a CMP method, gas cluster ion beam irradiation, etching, or the like can be used.
図３の（ａ）〜（ｇ）には、図２に示した３次元フォトニック結晶２００の実施例１とは別の作製方法を示している。
まず、図３の（ａ）に示すように、基板３０１上に、第１の媒質によって、第１の膜３０２を、図２に示した第１の層２０１の厚みＨ１と等しい厚みになるよう形成する（第１の工程）。
次に、（ｂ）に示すように、第１の膜３０２の厚み内に、第１の層の第１の柱状構造部３０３を形成する（第２の工程）。
次に、（ｃ）に示すように、第１の層内において第１の柱状構造部３０３に隣接する領域および第１の層に上側にて隣接する領域に、第２の媒質によって第２の膜３０４を形成する（第３の工程）。このとき、第２の膜３０４は、図２に示した第１の層２０１の厚みＨ１と第２の層２０２の厚みＨ２との和（Ｈ１＋Ｈ２）よりも厚い厚みＴ１を有するように形成される。
このようにして、第１の層内における第１の柱状構造部３０３に隣接する領域に第２の媒質を充填し、第１の層の第２の柱状構造部３０５を形成する。
第３の工程の時点における第２の膜３０４の厚みＴ１を、Ｈ１＋Ｈ２よりも厚くすることで、第２の層を構成することになる第２の媒質を、第１の層への第２の媒質の充填とともに配置することができる。ここで、第１の柱状構造部３０３の上面と基板３０１の上面との段差によって、第２の膜３０４の上面には窪み３１０が形成される。
次に、（ｄ）に示すように、第２の膜３０４に対して、その厚みが第１の層の厚みＨ１と第２の層の厚みＨ２との和（Ｈ１＋Ｈ２）と等しい厚みになるように平坦化処理を行う（第４の工程）。このような平坦化処理を行うことで、窪み３１０を除去することができる。また、平坦化処理を行う第２の膜３０４の上面は第２の媒質のみによって形成される面であるため、異なる媒質間での平坦化処理選択比の差に起因するディッシングの発生を回避することができる。以上により、屈折率周期構造層である第１の層の作製が完了する。
次に、（ｅ）に示すように、第２の膜３０４のうち第１の層にその上側にて隣接する領域に形成された部分の厚み内に、第２の層の第２の柱状構造部３０６を形成する（第５の工程）。
次に、（ｆ）に示すように、第２の層内において第２の柱状構造部３０６に隣接する領域および第２の層に上側にて隣接する領域に、第１の媒質によって第３の膜３０７を形成する（第６の工程）。このとき、第３の膜３０７は、図２に示した第２の層２０２の厚みＨ２と第３の層２０３の厚みＨ３との和（Ｈ２＋Ｈ３）よりも厚い厚みＴ３を有するように形成される。
このようにして、第２の層内における第２の柱状構造部３０６に隣接する領域に第１の媒質を充填し、第２の層の第２の柱状構造部３０８を形成する。
第６の工程の時点における第３の膜３０７の厚みＴ２を、Ｈ２＋Ｈ３よりも厚くすることで、第３の層を構成することになる第１の媒質を、第２の層への第１の媒質の充填とともに配置することができる。ここで、第２の柱状構造部３０６の上面と第１の層の上面との段差によって、第３の膜３０７の上面には窪み３２０が形成される。
さらに、（ｇ）に示すように、第３の膜３０７に対して、その厚みが図２に示した第２の層２０２の厚みＨ２と第３の層２０３の厚みＨ３との和（Ｈ２＋Ｈ３）と等しい厚みになるように平坦化処理を行う（第７の工程）。これにより、窪み３１０を除去することができる。また、平坦化処理を行う第３の膜３０７の上面は第１の媒質のみによって形成される面であるため、異なる媒質間での平坦化処理選択比の差に起因するディッシングの発生を回避することができる。以上により、第３の層に第１の柱状構造部を作製するための第３の膜３０７の作製が完了する。この時点での第３の膜３０７は、図３（ａ）に示した基板３０１上に形成された第１の膜３０２に相当する。
以上の第１から第７の工程により、図２に示した３次元フォトニック結晶２００における第１の層２０１と第２の層２０２が作製され、さらに第３の層２０３に第１の媒質の膜（第３の膜３０７）が形成される。
この後、図３（ｂ）〜（ｇ）に示した第２の工程から第７の工程を繰り返すことで第３の層２０３および第４の層２０４を作製し、さらに第１の層２０１から第４の層２０４の基本周期が繰り返される３次元フォトニック結晶２００を作製することができる。
本実施例の作製方法では、一度の成膜工程において２層分の厚みを有する膜を形成することにより、ＬＢＬ構造を１周期作製するために必要な工程数を削減することができる。しかも、第１の層２０１と第２の層２０２間のみではなく第２の層２０２と第３の層２０３間の接合強度を実施例１よりもさらに高めることができる。さらに、フリースタンディング構造の接合工程が必要ないため、数１０〜数１００ｎｍのサイズを有する柱状構造部の形成と層間の高精度アライメントが可能となる。その他、実施例１と同様の効果がある。
3A to 3G show a manufacturing method different from that of the first embodiment of the three-dimensional photonic crystal 200 shown in FIG.
First, as shown in FIG. 3A, the first film 302 is formed on the substrate 301 by the first medium so as to have a thickness equal to the thickness H1 of the first layer 201 shown in FIG. Form (first step).
Next, as shown in (b), the first columnar structure portion 303 of the first layer is formed within the thickness of the first film 302 (second step).
Next, as shown in (c), in the region adjacent to the first columnar structure 303 in the first layer and the region adjacent to the first layer on the upper side, the second medium is used to A film 304 is formed (third step). At this time, the second film 304 is formed to have a thickness T1 larger than the sum (H1 + H2) of the thickness H1 of the first layer 201 and the thickness H2 of the second layer 202 shown in FIG. .
In this manner, the region adjacent to the first columnar structure portion 303 in the first layer is filled with the second medium to form the second columnar structure portion 305 of the first layer.
By making the thickness T1 of the second film 304 at the time of the third step thicker than H1 + H2, the second medium that constitutes the second layer is transferred to the second layer. It can be arranged with the filling of the medium. Here, a depression 310 is formed on the upper surface of the second film 304 due to a step between the upper surface of the first columnar structure portion 303 and the upper surface of the substrate 301.
Next, as shown in (d), the thickness of the second film 304 is equal to the sum of the thickness H1 of the first layer and the thickness H2 of the second layer (H1 + H2). Is planarized (fourth step). By performing such a flattening process, the depression 310 can be removed. In addition, since the upper surface of the second film 304 that performs the planarization process is a surface formed only by the second medium, the occurrence of dishing due to the difference in the planarization process selection ratio between different media is avoided. be able to. Thus, the production of the first layer that is the refractive index periodic structure layer is completed.
Next, as shown in (e), the second columnar structure of the second layer is within the thickness of the portion of the second film 304 formed in the region adjacent to the first layer on the upper side. The part 306 is formed (fifth step).
Next, as shown in (f), in the second layer, the region adjacent to the second columnar structure portion 306 and the region adjacent to the second layer on the upper side have the third medium by the first medium. A film 307 is formed (sixth step). At this time, the third film 307 is formed to have a thickness T3 larger than the sum (H2 + H3) of the thickness H2 of the second layer 202 and the thickness H3 of the third layer 203 shown in FIG. .
In this manner, the region adjacent to the second columnar structure portion 306 in the second layer is filled with the first medium to form the second columnar structure portion 308 of the second layer.
By making the thickness T2 of the third film 307 at the time of the sixth step thicker than H2 + H3, the first medium that constitutes the third layer is changed to the first layer to the second layer. It can be arranged with the filling of the medium. Here, a depression 320 is formed on the upper surface of the third film 307 due to a step between the upper surface of the second columnar structure portion 306 and the upper surface of the first layer.
Furthermore, as shown in (g), the thickness of the third film 307 is the sum (H2 + H3) of the thickness H2 of the second layer 202 and the thickness H3 of the third layer 203 shown in FIG. Is flattened so as to have a thickness equal to (Seventh step). Thereby, the hollow 310 can be removed. Further, since the upper surface of the third film 307 that performs the planarization process is a surface formed only by the first medium, the occurrence of dishing due to the difference in planarization process selection ratio between different media is avoided. be able to. Thus, the formation of the third film 307 for forming the first columnar structure portion in the third layer is completed. The third film 307 at this time corresponds to the first film 302 formed on the substrate 301 shown in FIG.
Through the above first to seventh steps, the first layer 201 and the second layer 202 in the three-dimensional photonic crystal 200 shown in FIG. A film (third film 307) is formed.
Thereafter, the third step 203 and the fourth layer 204 are manufactured by repeating the second step to the seventh step shown in FIGS. 3B to 3G, and further from the first layer 201. A three-dimensional photonic crystal 200 in which the fundamental period of the fourth layer 204 is repeated can be manufactured.
In the manufacturing method of this embodiment, the number of steps necessary for manufacturing one cycle of the LBL structure can be reduced by forming a film having a thickness of two layers in one film formation step. Moreover, the bonding strength not only between the first layer 201 and the second layer 202 but also between the second layer 202 and the third layer 203 can be further increased than in the first embodiment. Furthermore, since a free-standing structure joining step is not required, formation of a columnar structure having a size of several tens to several hundreds of nanometers and high-precision alignment between layers are possible. In addition, there are the same effects as in the first embodiment.
図５の（ａ）〜（ｃ）には、本発明の実施例３である３次元フォトニック結晶５００を示している。この３次元フォトニック結晶５００は、ウッドパイル構造を有する３次元フォトニック結晶に比べて広いフォトニックバンドギャップを有する。
３次元フォトニック結晶５００は、それぞれ第１の媒質により形成された第１の柱状構造部（第１の構造部）と該第１の媒質とは屈折率が異なる第２の媒質により形成された第２の柱状構造部（第２の構造部）が周期的に配置された層が積層されて構成されている。本実施例の３次元フォトニック結晶５００は、第１層５０１〜第１２の層５１２の１２層を基本周期として構成されている。なお、第１および第２の媒質は空気であってもよく、該空気によって形成される柱状構造部（および後述する離散構造部）は空間となる。
図５の（ａ）は各層のｘｚ断面図の一部を示している。（ｂ）は各層のｙｚ断面図の一部を示している。（ｃ）は、各層のｘｙ断面図の一部を示している。
第１の層５０１および第７の層５０７では、ｙ方向に延びる第１および第２の柱状構造部がそれぞれ、ｘ方向に等間隔（ピッチ）Ｐにて並んでいる。第１の層５０１に含まれる各柱状構造部と第７の層５０７に含まれる各柱状構造部とは、互いにｘ方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。第４の層５０４および第１０の層５１０では、ｘ方向に延びる第１および第２の柱状構造部がそれぞれ、ｙ方向に等間隔（ピッチ）Ｐにて並んでいる。第４の層５０４に含まれる各柱状構造部と第１０の層５１０に含まれる各柱状構造部とは互いにｙ方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。
第２の層５０２および第３の層５０３は、第１の層５０１の第２の柱状構造部と第４の層５０４の第２の柱状構造部を積層方向から見たときのそれらの交点に相当する位置に、ｘｙ断面内にて互いに接しないように離散的に配置された離散構造部を含む。なお、第２の層５０２の離散構造部と第３の層５０３の離散構造部は、ｘｙ断面における９０度の回転により相互に重なる対称性を有する。
同様に、第５および第６の層５０５，５０６もそれぞれ、それらの層に積層方向にて隣接する２層の第２の柱状構造部の交点に相当する位置にｘｙ断面にて離散的に配置された離散構造部を含む。さらに同様に、第９の層５０８，５０９および第１１，第１２の層５１１，５１２もそれぞれ、それらの層に積層方向にて隣接する２層の第２の柱状構造部の交点に相当する位置にｘｙ断面にて離散的に配置された離散構造部を含む。各離散構造部は、第２の媒質により形成されており、該離散構造部を含む層に隣接する層の第２の柱状構造部に接している。
また、本実施例において、第１の層５０１〜第１２の層５１２はそれぞれ、厚みＨ１〜Ｈ１２を有している。
図４の（ａ）〜（ｇ）には、３次元フォトニック結晶５００の作製方法を示している。
まず、図４の（ａ）に示すように、基板４０１上に、第１の媒質によって、第１の膜４０２を、図５に示した第１の層５０１の厚みＨ１と等しい厚みになるよう形成する（第１の工程）。
次に、（ｂ）に示すように、第１の膜４０２の厚み内に、第１の層の第１の柱状構造部４０３を形成する（第２の工程）。
次に、（ｃ）に示すように、第１の層内において第１の柱状構造部４０３に隣接する領域および第１の層に上側にて隣接する領域に、第２の媒質によって第２の膜４０４を形成する（第３の工程）。このとき、第２の膜４０４は、図５に示した第１の層５０１の厚みＨ１と第２の層５０２の厚みＨ２との和（Ｈ１＋Ｈ２）よりも厚い厚みＴ１を有するように形成される。
このようにして、第１の層内における第１の柱状構造部４０３に隣接する領域に第２の媒質を充填し、第１の層の第２の柱状構造部４０５を形成する。
第３の工程の時点における第２の膜４０４の厚みＴ１を、Ｈ１＋Ｈ２よりも厚くすることで、第２の層を構成することになる第２の媒質を、第１の層への第２の媒質の充填とともに配置することができる。ここで、第１の柱状構造部４０３の上面と基板４０１の上面との段差によって、第２の膜４０４の上面には窪み４１０が形成される。
次に、（ｄ）に示すように、第２の膜４０４に対して、その厚みが第１の層の厚みＨ１と第２の層の厚みＨ２との和（Ｈ１＋Ｈ２）と等しい厚みになるように平坦化処理を行う（第４の工程）。このような平坦化処理を行うことで、窪み４１０を除去することができる。また、平坦化処理を行う第２の膜４０４の上面は第２の媒質のみによって形成される面であるため、異なる媒質間での平坦化処理選択比の差に起因するディッシングの発生を回避することができる。以上により、屈折率周期構造層である第１の層の作製が完了する。
次に、（ｅ）に示すように、第２の膜４０４の厚み内に、第２の層の離散構造部４０６を形成する（第５の工程）。
次に、（ｆ）に示すように、第２の層内において離散構造部４０６に隣接する領域および第２の層に上側にて隣接する領域に、第１の媒質によって第３の膜４０７を形成する（第６の工程）。このとき、第３の膜４０７は、図５に示した第２の層５０２の厚みＨ２と第３の層５０３の厚みＨ３との和（Ｈ２＋Ｈ３）よりも厚い厚みＴ２を有するように形成される。このようにして、第２の層内における離散構造部４０６に隣接する領域４０８に第１の媒質を充填する。
第６の工程の時点における第３の膜４０７の厚みＴ２を、Ｈ２＋Ｈ３よりも厚くすることで、第３の層を構成することになる第１の媒質を、第２の層への第１の媒質の充填とともに配置することができる。ここで、離散構造部４０６の上面と第１の層の上面との段差によって、第３の膜４０７の上面には窪み４２０が形成される。
さらに、（ｇ）に示すように、第３の膜４０７に対して、その厚みが図５に示した第２の層５０２の厚みＨ２と第３の層５０３の厚みＨ３との和（Ｈ２＋Ｈ３）と等しい厚みになるように平坦化処理を行う（第７の工程）。これにより、窪み４２０を除去することができる。また、平坦化処理を行う第３の膜４０７の上面は第１の媒質のみによって形成される面であるため、異なる媒質間での平坦化処理選択比の差に起因するディッシングの発生を回避することができる。以上により、第３の層に離散構造部を作製するための第３の膜４０７の作製が完了する。この時点での第３の膜４０７は、図４（ａ）に示した基板４０１上に形成された第１の膜４０２に相当する。
以上の第１から第７の工程により、図５に示した３次元フォトニック結晶５００における第１の層５０１と第２の層５０２が作製され、さらに第３の層５０３に第１の媒質の膜（第３の膜４０７）が形成される。
この後、図５に示した各層の構造と厚みを考慮しながら、図４（ｂ）〜（ｇ）に示した第２の工程から第７の工程を繰り返すことで、第３の層５０３〜第１２の層５１２を作製できる。さらに、第２の工程から第７の工程を繰り返すことで、第１の層５０１から第１２の層５１２の基本周期が繰り返される３次元フォトニック結晶５００を作製することができる。
本実施例の作製方法では、一度の成膜工程において２層分の厚みを有する膜を形成することにより、ＬＢＬ構造を１周期作製するために必要な工程数を削減することができる。しかも、第１の層５０１と第２の層５０２間のみではなく第２の層５０２と第３の層５０３間の接合強度を実施例１よりもさらに高めることができる。さらに、フリースタンディング構造の接合工程が必要ないため、数１０〜数１００ｎｍのサイズを有する柱状構造体の形成と層間の高精度アライメントが可能となる。その他、実施例１と同様の効果がある。
本実施例にて説明した３次元フォトニック結晶は、実施例１，２にて説明した３次元フォトニック結晶とは異なる屈折率周期構造を含む層が積層されて構成されている。このように、本発明の３次元フォトニック結晶の作製方法は、各層の屈折率周期構造のパターンに依存しない。
また、本実施例では、柱状構造部の交点に相当する位置に離散構造部を有する層が柱状構造部を有する層の両側に２層ずつ設けられた場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、柱状構造部を有する層の両側に１層又は３層ずつ離散構造部を含む層を設けたり、柱状構造部を有する層の片側にのみ離散構造部を含む層を設けたりしてもよい。
5A to 5C show a three-dimensional photonic crystal 500 that is Embodiment 3 of the present invention. The three-dimensional photonic crystal 500 has a wider photonic band gap than the three-dimensional photonic crystal having a woodpile structure.
The three-dimensional photonic crystal 500 is formed of a first columnar structure portion (first structure portion) formed of a first medium and a second medium having a refractive index different from that of the first medium. A layer in which the second columnar structure parts (second structure parts) are periodically arranged is laminated. The three-dimensional photonic crystal 500 of the present embodiment is configured with 12 layers of the first layer 501 to the twelfth layer 512 as a fundamental period. Note that the first and second media may be air, and columnar structures (and discrete structures described later) formed by the air are spaces.
FIG. 5A shows a part of an xz sectional view of each layer. (B) has shown a part of yz sectional drawing of each layer. (C) has shown a part of xy sectional drawing of each layer.
In the first layer 501 and the seventh layer 507, the first and second columnar structures extending in the y direction are arranged at equal intervals (pitch) P in the x direction. Each columnar structure portion included in the first layer 501 and each columnar structure portion included in the seventh layer 507 are disposed at positions shifted by P / 2 in the x direction. In the fourth layer 504 and the tenth layer 510, the first and second columnar structures extending in the x direction are arranged at equal intervals (pitch) P in the y direction. Each columnar structure portion included in the fourth layer 504 and each columnar structure portion included in the tenth layer 510 are arranged at positions shifted by P / 2 in the y direction.
The second layer 502 and the third layer 503 are at the intersection of the second columnar structure portion of the first layer 501 and the second columnar structure portion of the fourth layer 504 when viewed from the stacking direction. The discrete structure part discretely arrange | positioned so that it may not mutually contact in an xy cross section in the corresponding position is included. Note that the discrete structure portion of the second layer 502 and the discrete structure portion of the third layer 503 have symmetry that overlaps each other by rotation of 90 degrees in the xy section.
Similarly, the fifth and sixth layers 505 and 506 are also discretely arranged in the xy section at positions corresponding to the intersections of the two second columnar structures adjacent to those layers in the stacking direction. A discrete structure portion. Similarly, the ninth layers 508 and 509 and the eleventh and twelfth layers 511 and 512 are positions corresponding to the intersections of the two second columnar structures adjacent to those layers in the stacking direction. Includes discrete structures arranged discretely in an xy section. Each discrete structure portion is formed of the second medium, and is in contact with the second columnar structure portion of the layer adjacent to the layer including the discrete structure portion.
In the present embodiment, the first layer 501 to the twelfth layer 512 have thicknesses H1 to H12, respectively.
4A to 4G show a method for manufacturing the three-dimensional photonic crystal 500. FIG.
First, as shown in FIG. 4A, the first film 402 is formed on the substrate 401 by the first medium so as to have a thickness equal to the thickness H1 of the first layer 501 shown in FIG. Form (first step).
Next, as shown in (b), the first columnar structure portion 403 of the first layer is formed within the thickness of the first film 402 (second step).
Next, as shown in (c), in the region adjacent to the first columnar structure portion 403 in the first layer and the region adjacent to the first layer on the upper side, the second medium is used to A film 404 is formed (third step). At this time, the second film 404 is formed to have a thickness T1 larger than the sum (H1 + H2) of the thickness H1 of the first layer 501 and the thickness H2 of the second layer 502 shown in FIG. .
In this manner, the region adjacent to the first columnar structure portion 403 in the first layer is filled with the second medium to form the second columnar structure portion 405 of the first layer.
By setting the thickness T1 of the second film 404 at the time of the third step to be larger than H1 + H2, the second medium that constitutes the second layer is changed to the second layer to the first layer. It can be arranged with the filling of the medium. Here, a depression 410 is formed on the upper surface of the second film 404 due to a step between the upper surface of the first columnar structure portion 403 and the upper surface of the substrate 401.
Next, as shown in (d), the thickness of the second film 404 is equal to the sum (H1 + H2) of the thickness H1 of the first layer and the thickness H2 of the second layer. Is planarized (fourth step). By performing such a flattening process, the depression 410 can be removed. In addition, since the upper surface of the second film 404 for performing the planarization process is a surface formed only by the second medium, the occurrence of dishing due to the difference in the planarization process selection ratio between different media is avoided. be able to. Thus, the production of the first layer that is the refractive index periodic structure layer is completed.
Next, as shown in (e), the discrete structure portion 406 of the second layer is formed within the thickness of the second film 404 (fifth step).
Next, as shown in (f), the third film 407 is formed by the first medium in the region adjacent to the discrete structure portion 406 in the second layer and the region adjacent to the second layer on the upper side. Form (sixth step). At this time, the third film 407 is formed to have a thickness T2 that is thicker than the sum (H2 + H3) of the thickness H2 of the second layer 502 and the thickness H3 of the third layer 503 shown in FIG. . In this manner, the region 408 adjacent to the discrete structure portion 406 in the second layer is filled with the first medium.
By making the thickness T2 of the third film 407 at the time of the sixth step thicker than H2 + H3, the first medium that constitutes the third layer is changed to the first layer to the second layer. It can be arranged with the filling of the medium. Here, a depression 420 is formed on the upper surface of the third film 407 due to a step between the upper surface of the discrete structure portion 406 and the upper surface of the first layer.
Further, as shown in (g), the thickness of the third film 407 is the sum (H2 + H3) of the thickness H2 of the second layer 502 and the thickness H3 of the third layer 503 shown in FIG. Is flattened so as to have a thickness equal to (Seventh step). Thereby, the depression 420 can be removed. Further, since the upper surface of the third film 407 to be planarized is a surface formed only by the first medium, the occurrence of dishing due to the difference in the planarization process selection ratio between different media is avoided. be able to. Thus, the formation of the third film 407 for forming the discrete structure portion in the third layer is completed. The third film 407 at this time corresponds to the first film 402 formed on the substrate 401 shown in FIG.
Through the first to seventh steps described above, the first layer 501 and the second layer 502 in the three-dimensional photonic crystal 500 shown in FIG. 5 are manufactured, and the third layer 503 further includes the first medium. A film (third film 407) is formed.
Thereafter, the third layer 503 is repeated by repeating the second to seventh steps shown in FIGS. 4B to 4G while considering the structure and thickness of each layer shown in FIG. A twelfth layer 512 can be made. Furthermore, by repeating the second process to the seventh process, the three-dimensional photonic crystal 500 in which the basic period of the first layer 501 to the twelfth layer 512 is repeated can be manufactured.
In the manufacturing method of this embodiment, the number of steps necessary for manufacturing one cycle of the LBL structure can be reduced by forming a film having a thickness of two layers in one film formation step. In addition, the bonding strength between the second layer 502 and the third layer 503 as well as between the first layer 501 and the second layer 502 can be further increased as compared with the first embodiment. Furthermore, since a free-standing structure joining step is not necessary, formation of a columnar structure having a size of several tens to several hundreds of nanometers and high-precision alignment between layers are possible. In addition, there are the same effects as in the first embodiment.
The three-dimensional photonic crystal described in the present embodiment is configured by stacking layers including a refractive index periodic structure different from the three-dimensional photonic crystal described in the first and second embodiments. Thus, the method for producing a three-dimensional photonic crystal of the present invention does not depend on the pattern of the refractive index periodic structure of each layer.
In the present embodiment, the case where two layers having discrete structure portions are provided on both sides of the layer having columnar structure portions at positions corresponding to the intersections of the columnar structure portions has been described. It is not limited. For example, one or three layers each including a discrete structure portion may be provided on both sides of a layer having a columnar structure portion, or a layer including a discrete structure portion may be provided only on one side of a layer having a columnar structure portion. .
次に、実施例１〜３の作製方法によって作製された３次元フォトニック結晶を用いた機能素子の例について説明する。
図６の（ａ）には、３次元フォトニック結晶の内部に、線状の周期欠陥部６０１を設けて導波路として機能する機能素子６００のｘｚ断面を示している。図６の（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ′線での断面を示している。
３次元フォトニック結晶中に、線状の周期欠陥部を設けることにより、フォトニックバンドギャップ内の一部の波長帯域に対して、線状の周期欠陥部６０１にのみ電磁波が存在できる状態にすることができる。導波路６００は、低損失で、急峻な曲げ角度を実現できる導波路である。
周期欠陥部６０１は、３次元フォトニック結晶を作製する際における層内の屈折率周期構造を形成する工程にて、構造部を除去したり位置をずらしたり形状を変えたりすることで作製される。また、３次元フォトニック結晶の一部を、該結晶を構成する媒質とは異なる屈折率を有する媒質で置換することによっても作製できる。
図７の（ａ）には、３次元フォトニック結晶の内部に、点状の周期欠陥部７０１を設けて共振器として機能する機能素子７００のｘｚ断面を示している。図７の（ｂ）は、（ａ）におけるＢ−Ｂ′線での断面を示している。
３次元フォトニック結晶中に点状の周期欠陥部７０１を設けることにより、フォトニックバンドギャップ内の一部の波長帯域に対して、該周期欠陥部７０１にのみ電磁波が存在できる状態にすることができる。共振器７００は、非常に小さい領域に電磁波を閉じ込め、且つ閉じ込め効果の高い高性能な共振器である。この共振器を用いることにより、入射波から共振器の共振波長に対応した非常に狭い波長帯域の電磁波を取り出す波長選択フィルタなどが構成できる。周期欠陥部７０１は、選択波長が所望の波長帯域となるように、３次元フォトニック結晶を作製する際における層内の屈折率周期構造を形成する工程にて、構造部を除去したり、位置をずらしたり、形状を変えたりして作製できる。
図６および図７に示した欠陥部を含む３次元フォトニック結晶は、実施例１〜３のいずれかの作製方法を用いて、少ない工程数で作製されている。また、欠陥部のｘｙ面での平坦性が高いために、散乱による光の損失を抑制することができる。さらに、作製誤差による欠陥部に存在できる電磁波の波長帯域のずれを抑制することができる。
図７に示した欠陥部７０１内又はその近傍に活性媒質を充填し、共振器７００の外部から電磁波や電流によりエネルギーを供給することにより、非常に効率の高いレーザやＬＥＤ等の発光素子を実現することができる。例えば、共振器の共振波長を赤外光通信波長帯域（８００ｎｍ〜１８００ｎｍ）に対応させることで光通信用光源に用いることができる。また、光の三原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に対応させることで、画像表示装置用光源に用いることができる。さらに、ＣＤやＤＶＤ等の光ピックアップ用光源に用いることもできる。
なお、図６に示した導波路、図７に示した共振器、発光素子およびフォトニックバンド内の分散異常を用いた偏光素子等の様々な機能素子を組み合わせることで、低コストに超小型高機能集積回路を実現することができる。
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
Next, an example of a functional element using a three-dimensional photonic crystal manufactured by the manufacturing method of Examples 1 to 3 will be described.
FIG. 6A shows an xz cross section of a functional element 600 that functions as a waveguide by providing a linear periodic defect portion 601 inside a three-dimensional photonic crystal. FIG. 6B shows a cross section taken along line AA ′ in FIG.
By providing a linear periodic defect in the three-dimensional photonic crystal, an electromagnetic wave can be present only in the linear periodic defect 601 with respect to a part of the wavelength band in the photonic band gap. be able to. The waveguide 600 is a waveguide that can realize a steep bending angle with low loss.
The periodic defect portion 601 is produced by removing the structure portion, shifting the position, or changing the shape in the step of forming the refractive index periodic structure in the layer when producing the three-dimensional photonic crystal. . It can also be produced by replacing a part of the three-dimensional photonic crystal with a medium having a refractive index different from that of the medium constituting the crystal.
FIG. 7A shows an xz cross section of a functional element 700 that functions as a resonator by providing a point-like periodic defect 701 inside a three-dimensional photonic crystal. FIG. 7B shows a cross section taken along line BB ′ in FIG.
By providing the point-like periodic defect portion 701 in the three-dimensional photonic crystal, an electromagnetic wave can be present only in the periodic defect portion 701 with respect to a part of the wavelength band in the photonic band gap. it can. The resonator 700 is a high-performance resonator that confines electromagnetic waves in a very small region and has a high confinement effect. By using this resonator, a wavelength selection filter that extracts an electromagnetic wave in a very narrow wavelength band corresponding to the resonance wavelength of the resonator from the incident wave can be configured. The periodic defect portion 701 is formed by removing a structure portion or a position in a step of forming a refractive index periodic structure in a layer when producing a three-dimensional photonic crystal so that a selected wavelength becomes a desired wavelength band. Can be manufactured by shifting the shape or changing the shape.
The three-dimensional photonic crystal including the defect shown in FIGS. 6 and 7 is manufactured with a small number of steps using any of the manufacturing methods of Examples 1 to 3. In addition, since the flatness of the defective portion on the xy plane is high, loss of light due to scattering can be suppressed. Furthermore, it is possible to suppress a shift in the wavelength band of the electromagnetic wave that can exist in the defective portion due to manufacturing errors.
A highly efficient light-emitting element such as a laser or LED is realized by filling an active medium in or near the defect portion 701 shown in FIG. 7 and supplying energy from the outside of the resonator 700 by electromagnetic waves or current. can do. For example, it can be used for a light source for optical communication by making the resonance wavelength of the resonator correspond to the infrared optical communication wavelength band (800 nm to 1800 nm). Further, it can be used as a light source for an image display device by corresponding to the three primary colors of light, red (R), green (G), and blue (B). Furthermore, it can also be used for light sources for optical pickups such as CDs and DVDs.
In addition, by combining various functional elements such as the waveguide shown in FIG. 6, the resonator shown in FIG. A functional integrated circuit can be realized.
Each embodiment described above is only a representative example, and various modifications and changes can be made to each embodiment in carrying out the present invention.
少ない工程数で作製でき、作製誤差も小さい３次元フォトニック結晶および機能素子を提供できる。 It is possible to provide a three-dimensional photonic crystal and a functional element that can be manufactured with a small number of steps and have small manufacturing errors.
１０１ 基板
１０２，１０４，１０７ 薄膜
１０３，１０６，１０９ 柱状構造部
１０５，１０８ 窪み
２００ ３次元フォトニック結晶
２０１ 第１の層
２０２ 第２の層
２０３ 第３の層
２０４ 第４の層
101 Substrate 102, 104, 107 Thin film 103, 106, 109 Columnar structure 105, 108 Recess 200 Three-dimensional photonic crystal 201 First layer 202 Second layer 203 Third layer 204 Fourth layer
Claims (4)
前記第１の媒質によって第１の膜を形成する第１の工程と、
前記第１の膜の厚み内に、第１の層の前記第１の構造部を形成する第２の工程と、
前記第１の層内において前記第１の構造部に隣接する領域および前記第１の層に積層方向にて隣接する領域に、前記第２の媒質によって第２の膜を形成する第３の工程と、
前記第２の膜を平坦化する第４の工程と、
前記第２の膜のうち前記第１の層に前記積層方向にて隣接する領域に形成された部分の厚み内に、第２の層の前記第２の構造部を形成する第５の工程とを含み、
前記平坦化された前記第２の膜の厚みを、前記第１の層の厚みと前記第２の層の厚みの和に等しくすることを特徴とする３次元フォトニック結晶の作製方法。 A layer in which a first structure portion formed of a first medium and a second structure portion formed of a second medium having a refractive index different from that of the first medium are arranged periodically or discretely is provided. A method for producing a stacked three-dimensional photonic crystal,
A first step of forming a first film with the first medium;
A second step of forming the first structure portion of the first layer within the thickness of the first film;
A third step of forming a second film with the second medium in a region adjacent to the first structure portion in the first layer and a region adjacent to the first layer in the stacking direction. When,
A fourth step of planarizing the second film;
A fifth step of forming the second structure portion of the second layer within a thickness of a portion of the second film formed in a region adjacent to the first layer in the stacking direction; Including
A method for producing a three-dimensional photonic crystal, characterized in that a thickness of the planarized second film is equal to a sum of a thickness of the first layer and a thickness of the second layer.
前記第３の膜を、その積層方向の端面が前記第２の層の前記第２の構造部の端面に揃うように平坦化する第７の工程とを含み、
前記第１の工程から前記第７の工程までを繰り返して行うことを特徴とする請求項１に記載の３次元フォトニック結晶の作製方法。 Forming a third film by the first medium in a region adjacent to the second structure portion in the second layer and a region adjacent to the second layer in the stacking direction; Process,
A seventh step of planarizing the third film so that an end face in the stacking direction thereof is aligned with an end face of the second structure portion of the second layer;
The method for producing a three-dimensional photonic crystal according to claim 1, wherein the steps from the first step to the seventh step are repeated.
前記第３の膜を平坦化する第７の工程とを含み、
前記平坦化された前記第３の膜の厚みを、前記第２の層の厚みと前記第３の層の厚みの和に等しくし、
前記第１の工程から前記第７の工程までを行った後に、前記第２の工程から前記第７の工程を繰り返して行うことを特徴とする請求項１に記載の３次元フォトニック結晶の作製方法。 Forming a third film by the first medium in a region adjacent to the second structure portion in the second layer and a region adjacent to the second layer in the stacking direction; Process,
A seventh step of planarizing the third film,
The thickness of the flattened third film is equal to the sum of the thickness of the second layer and the thickness of the third layer;
2. The three-dimensional photonic crystal according to claim 1, wherein the steps from the second step to the seventh step are repeated after performing the first step to the seventh step. Method.
該３次元フォトニック結晶の内部に設けられた欠陥部とを有することを特徴とする機能素子。 A three-dimensional photonic crystal produced by the production method according to any one of claims 1 to 3,
A functional element having a defect portion provided inside the three-dimensional photonic crystal.
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