JP4378352B2 - 周期構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、周期構造体の製造方法に関する。

光の波長と同程度の周期的な屈折率変化を有するフォトニック結晶について説明する。

半導体においては、原子核の周期ポテンシャルによって電子波がブラック反射を受けバンドギャップが形成されるのと同様に、周期的な屈折率分布によって、光波がブラッグ反射を受け、フォトニックバンドギャップ（光に対するバンドギャップ）が形成される。

このようなフォトニックバンドギャップを呈する構造体がいくつか報告されており、特許文献１に三次元周期構造体の一つであるウッドパイル構造が提案されている。

この構造は、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を呈する（完全フォトニックバンドギャップ）ことが可能な構造である。完全フォトニックバンドギャップを呈することにより、自然放出光の制御など様々な効果を示し、従来にない新しい機能素子の実現が可能となる。

例えば、三次元周期構造の一部を乱した欠陥構造を導入することによりバンド内に局在モードが出現し、特定波長の光のみを閉じ込める共振器が実現できる。このような機能素子の実現のためには、より広い波長帯域での完全フォトニックバンドギャップの出現が求められている。
米国特許第５，３３５，２４０号

完全フォトニックバンドギャップを呈する三次元周期構造体として、特許文献１において提案されたウッドパイル構造が知られている（図１１）。このウッドパイル構造は、二次元周期構造体を積層することにより作製され、フォトニックバンドギャップが観測されるものの、そのバンドギャップが狭いことが指摘されている。

そこで、本発明は、上記ウッドパイル構造におけるフォトニックバンドギャップが狭いという課題を解決する手段を提供することを目的とする。

本発明は、
第１の間隔で並んでいる複数の第１の柱状部材で構成される第１の層と、
該第１の柱状部材の長軸方向と異なる方向に、第２の間隔で並んでいる複数の第２の柱状部材で構成される第２の層とを備え、該第１の層と該第２の層とが積層されている構造を有する周期構造体の製造方法において、
表面に第１の凸部を有し、且つ該第１の凸部の該長軸方向の長さが、該第２の柱状部材の幅よりも長い該第１の柱状部材を用意する工程、及び
該第１の柱状部材と該第２の柱状部材とを、該第１の凸部を介して積層する工程を有することを特徴とする。

本発明によれば、従来のウッドパイル構造よりもフォトニックバンドギャップを広げることが可能な周期構造体が提供される。

以下に図１を用いて、本発明に係る製造方法について説明する。

図１において、１１００は第１の柱状部材、１１０５は該第１の柱状部材に設けられている第１の凸部である。該第１の凸部１１０５の紙面からみて横方向が、凸部の長さｌ（該柱状部材１１００の長軸方向の長さ）である。第１の凸部１１０５と、第１の柱状部材１１００を含み構成される層が第１の層１５００である。複数の第１の柱状部材同士は、紙面手前から奥に向かって第１の間隔で並んでいる。

また、１１１０は第２の柱状部材であり、紙面手前から奥にその長軸方向は伸びている。第２の柱状部材１１１０が複数並ぶことにより、第２の層１６００が形成される。１２００は第２の層下に第１の層が繰り返して積層されている様子を示している（１２０５は凸部を示している）。第２層の下に更に別の第１層を設けるか否かは必要に応じて適宜定められる。また、第１の層と第２の層とを何層積層するかも必要に応じて適宜定められる。

図１（ｂ）は、図１（ａ）で示される積層構造を紙面に平行な矢印の方向α（即ち、図１（ａ）を９０度回転した方向）から見た場合の模式図である。第２の柱状部材は、第２の間隔で並んでいる。

本発明においては、まず、表面に第１の凸部１１０５を有し、且つ該第１の凸部の長さｌ（該柱状部材１１００の長軸方向の長さ）が、該第２の柱状部材１１１０の幅Ｗ２よりも長い該第１の柱状部材１１００を用意する。ここで、該第２の柱状部材の幅とは、凸部１１０５の長さ方向に平行な方向の幅である。なお、このような凸部の形成方法については後述する。

その後、第２の柱状部材１１１０と、該第１の柱状部材の凸部１１０５とを積層して、周期構造を形成する。即ち、第１層１５００と第２層１６００を積層する。

凸部１１０５の長さを第２の柱状部材の幅Ｗよりも長くしておくことで、第１の柱状部材と第２の柱状部材を積層した場合よりも、当該積層により形成される空間が球に近づく。

フォトニックバンドギャップの間隔が広い構造として、インバースオパール構造と呼ばれるものが知られており、これは、立方体に細密充填された球が抜けている構造である。即ち、立方体の中に球を細密充填した際に、充填されずに隙間となる部分で構成される構造である。

本発明によれば、柱状部材を組み上げた場合に、擬似的にインバースオパール構造に近づけることができるため、単に柱状部材を積層して周期構造体を作製する場合よりも、インバースオパール構造に近づく分、広いバンドギャップが得られることになる。こうして、屈折率に周期性を有する屈折率周期構造体が得られる。

本発明においては、第１の凸部の長さｌが、第２の柱状部材の幅Ｗ２よりも長いことが必要であるが、凸部の長さｌは、Ｗ２の１．１倍以上、好ましくは１．５倍以上、更に好ましくは２倍以上である。凸部の長さｌの下限は、例えばＷ２の１０倍以下である。但し、第１の柱状部材１１００に第１の凸部１１０５が該第１の柱状部材の長軸方向に複数設けられている場合は、当該凸部同士は接触しないようにする必要がある。

また、第１の凸部の厚さｈ（第１の柱状部材の長軸方向に垂直な方向の長さ、換言すれば積層方向の長さのことである。）は、第２の柱状部材の高さ（第２の柱状部材の積層方向の長さ、換言すれば前記第１の凸部の厚さ方向と同じ方向の長さのことである。）の０．８倍以下、好ましくは０．５倍以下、更に好ましくは０．２倍以下である。第１の凸部の厚さｈの上限は、例えば第２の柱状部材の高さの０．００１倍以上、好適には０．０５倍以上である。

また、第１の凸部１１０５自体に段差構造を設けて、前述の空間をより擬似的に球に近づけることも好ましい。または、第１の凸部を複数層により構成し、これら複数層同士は、第１の柱状部材側から第２の柱状部材に近づくにつれて、その長さｌがＷ２に近づくようにすることも好ましいものである。

なお、図１においては、第１の柱状部材１１００の一方の側にのみ凸部１１０５を設けた構造を示しているが、第１の柱状部材の両側に設けることもできる。また、第１の柱状部材と第２の柱状の部材の両方に凸部を設け、凸部同士で積層させることもできる。その場合、第２の柱状部材に設ける凸部も前記第１の柱状部材に設ける凸部と同じ条件で形成することが好ましい。

凸部の幅Ｗ１は、図１（ｂ）においては、柱状部材１１００と同じ幅で記載されているが、特に限定されるものではない。但し、製造方法か簡便であるという点では、前記凸部の幅ｗと柱状部材１１００の幅Ｗは同じであることが望ましい。なお、第１の柱状部材と第２の柱状部材との幅と高さ（柱状部材の長軸方向に垂直な方向の長さ）を同じにすることも好ましい。

上述の通り、前記第２の柱状部材１１１０側にも第２の凸部を設け、該第１の凸部と該第２の凸部同士を積層することができる。

なお、第１の層を構成する第１の柱状部材群と、第２の層を形成する第２の柱状部材群は、それぞれ異なる方向に並んでいる場合につき説明した。

第１の柱状部材と第２の柱状部材のなす角は、好ましくは９０度（即ち直交する場合）であるが、それ以外の角度にすることも可能である。ここでいう、２つの柱状部材がなす角とは、積層された柱状部材を積層方向側から見た場合の角度である。

また、前記第１の凸部１１０５は、前記第１の柱状部材１１００に第１の周期で複数形成されており、該第１の周期と前記第２の間隔（第２の柱状部材１１１０同士の間隔）が同じにすることも好ましい形態である。

また、前記第１の柱状部材の前記第１の凸部が形成されている面と反対側の面に、第３の凸部が複数形成されており、該第１の凸部と該第３の凸部は、互いに半周期ずれて形成することもできる。

また、必要に応じて、前記第１の層と前記第２の層とを交互に複数層積層してもよい。

なお、前記第１の凸部１１０５と、前記第１の柱状部材１１００を構成する該第１の凸部以外の部分とを同一の材料で構成することができる。

この場合の具体的な方法は、図３に示すように、前記第１の柱状部材を構成する材料からなる膜２０２を基板２００上に形成する工程、該膜２０２上に、前記第１の凸部に対応する位置に第１のマスク２０６を形成する工程（図３（ｂ））を行う。

その後、前記膜２０２及び前記第１のマスク２０６上に第２のマスク２０８を形成する工程、該第２のマスク２０８に前記第１の間隔で溝を形成する工程（図３（ｃ））を行う。

そして更に、該膜の該溝の位置に対応する部分を除去する工程、該第２のマスクを除去する工程、及び該第１のマスクを用いて前記第１の凸部を形成する工程（図３（ｄ））を経て行われる。

また、前記第１の凸部１１０５と、前記第１の柱状部材１１００を構成する該第１の凸部以外の部分とを異なる材料で構成することもできる。

具体的には、第１の柱状部材１１００と第１の凸部１１０５とを個別に作り、その後、貼り合わせることで実現される。詳細は、図１０を用いて後述する。

以下において、本発明に係る具体的形態をいくつか例示する。

第１の発明は、基体上に、表面に凸部を有するロッド（角柱）を周期的に形成し、二次元周期構造を複数作製する工程と、該複数の二次元周期構造を積層する工程とを含む。そして、前記複数の二次元周期構造を積層する工程において、該二次元周期構造の凸部同士が接し、かつ該二次元周期構造のロッドが互いに直交するように積層することを特徴とする。

また、前記表面に凸部を有するロッドにおいて、該凸部がロッド上面（ロッド下面は基体と接している）に周期的に形成されており、かつ凸部の周期とロッドの周期が同じピッチで形成されていてもよい。

また、前記表面に凸部を有するロッドにおいて、該凸部がロッド上面（ロッド下面は基体と接している）とロッド下面に周期的に形成する。そして、凸部の周期とロッドの周期が同じピッチで形成し、かつロッド上面と下面に形成した凸部が、上面と下面で半周期ずれるように形成することも好ましい。

また、前記凸部は、ロッドと同一の材料からなり、かつロッドを加工することにより形成することができる。

また、ロッドの幅と凸部の幅は同じであり、かつ凸部の長さ（ロッドの長軸方向と平行）は凸部の幅より長いことを特徴とする。また、エッチング耐性の異なる材料を２層重ねた多層膜をエッチングマスクとし、該エッチングマスクを用いてドライエッチングすることにより、表面に凸部を有するロッドを周期的に形成し、二次元周期構造を作製することができる。

また、二次元周期構造を作製する工程において、ロッド部は選択比の小さいマスクを用い、凸部は選択比の大きいマスクを用いてドライエッチングすることを特徴とする。また、ロッドのエッチング終了と同時に該選択比の小さいマスクがなくなり、かつ該選択比の大きいマスクがロッド表面に露出されることを特徴とする。また、該選択比の小さいマスクがレジスト膜であり、かつ該選択比の多きいマスクが金属膜であることを特徴とする。この構成では、三次元構造体を形成するにあたり、積層ではなくロッド表面を直接加工することにより凸部を形成することによって、ダイヤモンド構造に近づいたバンドギャップの広い構造体を製造することが可能となる。

また別の本発明は、以下の工程を含む。

基体上に、表面に凸部を有するロッド（角柱）を周期的に形成し、二次元周期構造を複数作製する工程と、
基体上に表面に凸部の無いロッド（角柱）を周期的に形成し、二次元周期構造を複数作製する工程と、
該複数の二次元周期構造を積層する工程である。

そして、前記複数の二次元周期構造を積層する工程において、
該表面に凸部を有するロッドと該表面に凸部の無いロッドとを交互に積層し、かつ二次元周期構造のロッドが互いに直交するように積層することを特徴とする。

以下に、実施例を挙げて本発明についてより具体的に説明する。なお、本発明において周期構造体とは、屈折率が周期的に変化する構造を意味し、その為に所定の空間を有する構造体について説明しているが、当該空間部は空気でもよいし、何らかの材料で埋められていてもよい。

（実施例１）
図２は本発明による製造方法により作製した三次元周期構造（三次元フォトニック結晶）の一部（一周期分）を示した図である。図２において、１００はロッドａ（角柱）、１０２はロッドａ表面に形成した凸部である。１０４はロッドｂ、１０６はロッドｂ表面に形成した凸部、１０８はロッドｃ、１１０はロッドｃ表面に形成した凸部、１１２はロッドｄ及び１１４はロッドｄ表面に形成した凸部である。

本実施例で用いた表面に凸部を有するロッドは、ロッドの一つの表面にのみ凸部が形成されている。図２（ａ）に示すように、ロッドａ１００表面に形成した凸部１０２とロッドｂ１０４表面に形成した凸部１０６とが接しており、かつロッドａ１００とロッドｂ１０４が互いに直交（互いの長軸が直交）するように積層した。

また同様に、ロッドｃ１０８表面に形成した凸部１１０とロッドｄ１１２表面に形成した凸部１１４とが接しており、かつロッドｃ１０８とロッドｄ１１２が互いに直交（互いの長軸が直交）するように積層した。なおロッドｂ１０４とロッドｃ１０８とは互いに直交（互いの長軸が直交）するように積層したが、本実施例で用いたロッドは全て一つの表面にのみ凸部が形成されているため、ロッドｂ１０４とロッドｃ１０８の接点では、凸部同士の接触は無い。

図２（ｂ）は、図２（ａ）を９０度回転した断面図である。即ち、構造体を矢印の方向αから見た図である。

図３は本発明による三次元周期構造（三次元フォトニック結晶）の製造方法に含まれる、表面に凸部を有するロッドが周期的に形成された二次元周期構造の作製工程を説明する模式図である。同図において、２００は基体（サファイア）、２０２は誘電体層（窒化ガリウム）、２０４は金属層（ニッケル）である。２０６はハードマスク（ニッケル）パターン、２０８はレジストパターン、２１０は表面に凸部を有したロッド及び２１２は表面に凸部を有したロッドが周期的に形成された二次元周期構造体である。

まず図３（ａ）に示すように、サファイア基板２００上にＭＯＣＶＤ装置によりバッファー層（不図示）を介してＧａＮ層２０２を成長する。その後、電子ビーム蒸着装置によりＮｉ層２０４を成膜する。

次に、図３（ｂ）に示すように、電子ビームリソグラフィー及びエッチング技術を用いて、ニッケルによるハードマスクパターン２０６を形成する。

その後、図３（ｃ）に示すように、レジストを塗布し、電子ビームリソグラフィー技術を用いて、レジストパターン２０８を形成する。

次に、図３（ｄ）に示すように、反応性イオンビームエッチング装置を用いて、ＧａＮ層２０２をドライエッチングする。このとき、レジストパターン２０８を用いてロッドが周期的に形成された二次元周期構造を形成し、レジストマスク２０８が消滅後、ハードマスクパターン２０６を用いて、各ロッド上に凸部を形成する。

その後ハードマスクパターン２０６を除去して、表面に凸部を有したＧａＮロッド２１０が周期的に形成された二次元周期構造体２１２を得る。

図４は三次元周期構造（三次元フォトニック結晶）の製造方法を説明する模式図である。同図において、３００は基体上に表面に凸部を有するロッドを周期的に形成した二次元周期構造であり、３０２は二次元周期構造３００を二つ積層した三次元周期構造の一部である。３０４は二次元周期構造を四つ積層した三次元周期構造の一周期分及び３０６は二次元周期構造を積層した三次元周期構造の二周期分である。

まず図４（ａ）に示すように、表面に凸部を有するＧａＮロッドを周期的に形成した二次元周期構造３００を複数作製する。

次に図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）で作製した二つの二次元周期構造３００を、ロッド表面の凸部同士が接し、かつロッドが互いに直交するように積層する。その後、一つの基体を除去し（図示せず）、三次元周期構造の一部３０２を複数作製する。

次に、図４（ｃ）に示すように、図４（ｂ）で作製した二つの三次元周期構造の一部３０２を、ロッド同士が互いに直交するように配置する。

具体的には、基体側から一番目の層（二次元周期構造）と三番目の層（二次元周期構造）、及び基体側から二番目の層（二次元周期構造）と四番目の層（二次元周期構造）とが互いに半周期ずれるように積層する。その後、一つの基体を除去することにより（図示せず）三次元周期構造の一周期３０４を複数作製する。次に図４（ｄ）に示すように、図４（ｃ）で作製した二つの三次元周期構造の一周期３０４を、ロッド同士が互いに直交するように積層し、かつ一層おきの積層した層の周期が半周期ずれるように積層する。その後、一つの基体を除去することにより（図示せず）三次元周期構造の二周期３０６を複数作製する。なお、本作製においては、ロッド領域及び基体以外の部分は空気とした。

例えば、表１に示した構造は、平面波展開法を適用して完全フォトニックバンドギャップ幅を求めると、表２に示した構造の従来技術であるウッドパイル構造より完全フォトニックバンドギャップ幅が約３３％広くなることが確認できる。この構造を本実施例で説明した製造方法を適用して作製することにより、従来技術であるウッドパイル構造と比較して広い完全フォトニックバンドギャップ幅を持つ三次元周期構造体を容易に作製することができる。なお、両構造ともロッド（及び凸部）媒質の屈折率を２．３３、それ以外の媒質の屈折率を１とした。またフォトニックバンドギャップの中心波長を５３０ｎｍとした。

本実施例においては、ロッド（凸部も含む）媒質としてＧａＮを用いたがこれに限定するものではなく、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ、酸化チタン（ＴｉＯ２）などの誘電体材料であっても良い。

また、本実施例においては、ロッド領域及び基体以外の部分は空気としたが、ロッドと比較して屈折率の小さな物質を充填してもよく、このときの屈折率の比が２以上であることが望ましい。

また、本実施例において示した、成長、成膜及びエッチングに用いた装置は記述装置に限るものではなく、同様の効果の得られる装置であればいかなる装置であっても良い。

また、本実施例においては、一周期分の三次元周期構造体を積層することにより、二周期分の三次元周期構造体を作製した。

なお、表面に凸部を有したロッドを周期的に形成した二次元周期構造を一つずつ積層して二周期分の三次元周期構造体を作製してもよい。

また、本実施例では二周期分の三次元周期構造体の製造方法を示した。なお、二周期に限らず、それ以上の周期の三次元構造体を製造する場合においても、本実施例に示した方法を繰り返すことにより、所望の周期を有した三次元周期構造体を製造することが可能である。

（実施例２：ロッドの上下面（相対する二面）に凸部を形成した二次元周期構造の積層の場合）
図５は本発明による製造方法により作製した三次元周期構造（三次元フォトニック結晶）の一部（一周期分）を示した図である。図５において、４００はロッドａ（角柱）、４０２及び４０４はロッドａ表面に形成した凸部、４０６はロッドｂ、４０８及び４１０はロッドｂ表面に形成した凸部である。４１２はロッドｃ、４１４及び４１６はロッドｃ表面に形成した凸部、４１８はロッドｄ及び４２０及び４２２はロッドｄ表面に形成した凸部である。

本実施例で用いた表面に凸部を有するロッドは、ロッドが基体と接する面とその面と相対位置にある面の二つの表面に凸部が形成されている。図５に示すように、ロッドａ４００表面に形成した凸部４０４とロッドｂ４０６表面に形成した凸部４０８とが接している。更に、ロッドａ４００とロッドｂ４０６が互いに直交（互いの長軸が直交）するように積層する。

また同様に、ロッドｂ４０６表面に形成した凸部４１０とロッドｃ４１２表面に形成した凸部４１４とが接しており、かつロッドｂ４０６とロッドｃ４１２が互いに直交（互いの長軸が直交）するように積層した。また同様に、ロッドｃ４１２表面に形成した凸部４１６とロッドｄ４１８表面に形成した凸部４２０とが接しており、かつロッドｃ４１２とロッドｄ４１８が互いに直交（互いの長軸が直交）するように積層した。このように積層することにより、ロッド同士が直交する位置において、各ロッド表面に形成した凸部同士の接触を介して三次元周期構造が形成される。

図６は本発明による第２の実施例における、三次元周期構造（三次元フォトニック結晶）の製造方法に含まれる、相対する二つの表面に凸部有するロッドが周期的に形成された二次元周期構造の作製工程を説明する模式図である。

同図において、５００は基体（シリコン）、５０２は酸化シリコン、５０４は成長時マスク（酸化シリコン）パターン、５０６は誘電体層（窒化ガリウム）、５０８は金属層（ニッケル）、５１０はハードマスク（ニッケル）パターンである。

５１２はレジストパターン、５１４は相対する表面に凸部を有したロッド及び５１６は相対する表面に凸部を有したロッドが周期的に形成された二次元周期構造体である。

まず図６（ａ）に示すように、シリコン基板５００上にＣＶＤ法により酸化シリコン層５０２を成膜する。次に、図６（ｂ）に示すように、電子ビームリソグラフィー及びエッチング技術を用いて、シリコン基板５００上に成長時マスク（酸化シリコン）パターン５０４を形成する。次に、図６（ｃ）に示すように、ＭＯＣＶＤ装置によりバッファー層を介して窒化ガリウム層５０６を成長する。次に、図６（ｄ）に示すように、電子ビーム蒸着装置によりＮｉ層５０８を成膜する。次に、図６（ｅ）に示すように、電子ビームリソグラフィー及びエッチング技術を用いて、ニッケルによるハードマスクパターン５１０を形成する。次に、図６（ｆ）に示すように、レジストを塗布し、電子ビームリソグラフィー技術を用いて、レジストパターン５１２を形成する。次に、図６（ｇ）に示すように、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）装置を用いて、ＧａＮ層５０６をドライエッチングする。このときレジストパターン５１２を用いてロッドが周期的に形成された二次元周期構造を形成し、レジストマスク５１２が消失後、ハードマスクパターン５１０を用いて、各ロッド上に凸部を形成する。その後、ハードマスクパターン５１０を除去して、相対する表面に凸部を有したＧａＮロッド５１４が周期的に形成された二次元周期構造体５１６を得る。

図７は三次元周期構造（三次元フォトニック結晶）の製造方法を説明する模式図である。同図において、６００は基体上に表面に凸部を有するロッドを周期的に形成した二次元周期構造、６０２は二次元周期構造６００を二つ積層した三次元周期構造の一部である。

６０４は二次元周期構造６００を四つ積層した三次元周期構造の一周期分及び６０６は二次元周期構造６００を積層した三次元周期構造の二周期分である。

まず図７（ａ）に示すように、相対する表面に凸部を有するＧａＮロッドを周期的に形成した二次元周期構造６００を複数作製する。

次に図７（ｂ）に示すように、図７（ａ）で作製した二つの二次元周期構造６００を、ロッド表面の凸部同士が接し、かつロッドが互いに直交（互いの長軸が直交）するように積層する。

その後、一つの基体を除去し、三次元周期構造の一部６０２を複数作製する。

次に、図７（ｃ）に示すように、図７（ｂ）で作製した二つの三次元周期構造の一部６０２を、ロッド同士が互いに直交（互いの長軸が直交）するように配置する。

具体的には、基体側から一番目の層（二次元周期構造）と三番目の層（二次元周期構造）、及び基体側から二番目の層（二次元周期構造）と四番目の層（二次元周期構造）とが互いに半周期ずれるように積層する。

その後、一つの基体を除去することにより（図示せず）三次元周期構造の一周期６０４を複数作製する。次に図７（ｄ）に示すように、図７（ｃ）で作製した二つの三次元周期構造の一周期６０４を、ロッド同士が互いに直交するように積層し、かつ一層おきの積層した層の周期が半周期ずれるように積層する。その後、一つの基体を除去することにより（図示せず）三次元周期構造の二周期６０６を複数作製する。なお、本作製においては、ロッド領域及び基体以外の部分は空気とした。

例えば、表３に示した構造は、平面波展開法を適用して完全フォトニックバンドギャップ幅を求めると、表２に示した構造の従来技術であるウッドパイル構造より完全フォトニックバンドギャップ幅が約３３％広くなることが確認できる。この構造を本実施例で説明した製造方法を適用して作製することにより、従来技術であるウッドパイル構造と比較して広い完全フォトニックバンドギャップ幅を持つ三次元周期構造体を容易に作製することができる。なお、両構造ともロッド（及び凸部）媒質の屈折率を２．３３、それ以外の媒質の屈折率を１とした。またフォトニックバンドギャップの中心波長を５３０ｎｍとした。

本実施例においては、ロッド（含む凸部）媒質としてＧａＮを用いたがこれに限定するものではなく、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ、酸化チタン（ＴｉＯ２）などの誘電体材料であっても良い。

また、本実施例においては、ロッド領域及び基体以外の部分は空気としたが、ロッドと比較して屈折率の小さな物質を充填してもよく、このときの屈折率の比が２以上であることが望ましい。

また、本実施例において示した、成長、成膜及びエッチングに用いた装置は記述装置に限るものではなく、同様の効果の得られる装置であればいかなる装置であっても良い。

また、本実施例においては、一周期分の三次元周期構造体を積層することにより、二周期分の三次元周期構造体を作製した。

なお、相対する表面に凸部を有したロッドを周期的に形成した二次元周期構造を一つずつ積層して二周期分の三次元周期構造体を作製してもよい。

また、本実施例では二周期分の三次元周期構造体の製造方法を示している。

しかし、二周期に限らず、それ以上の周期の三次元構造体を製造する場合においても、本実施例に示した方法を繰り返すことにより、所望の周期を有した三次元周期構造体を製造することが可能である。

（実施例３：ロッドの上下面（相対する二面）に凸部を形成した二次元周期構造とロッド表面に凸部の無い二次元周期構造の交互積層の場合）
図８は本発明による製造方法により作製した三次元周期構造（三次元フォトニック結晶）の一部（一周期分）を示した図である。図８において、７００はロッドａ（角柱）、７０２及び７０４はロッドａ表面に形成した凸部、７０６はロッドｂ、７０８はロッドｃ、７１０及び７１２はロッドｃ表面に形成した凸部、７１４はロッドｄである。

本実施例で用いた表面に凸部を有するロッドは、ロッドが基体と接する面とその面と相対位置にある面の二つの表面に凸部が形成されている。

図８に示すように、ロッドａ７００表面に形成した凸部７０４とロッドｂ７０６とが接しており、かつロッドａ７００とロッドｂ７０６が互いに直交（互いの長軸が直交）するように積層した。

また同様に、ロッドｂ７０６とロッドｃ７０８表面に形成した凸部７１０とが接しており、かつロッドｂ７０６とロッドｃ７０８が互いに直交（互いの長軸が直交）するように積層した。

また同様に、ロッドｃ７０８表面に形成した凸部４７１２とロッドｄ７１４とが接しており、かつロッドｃ７０８とロッドｄ７１４が互いに直交（互いの長軸が直交）するように積層した。

このように積層することにより、ロッド同士が直交する位置において、互いに接するロッドの一方の表面に形成した凸部を介して三次元周期構造が形成される。なお、相対する表面に凸部を有したロッド及び凸部のないロッドを周期的に形成し二次元周期構造の作製方法は、実施例１及び２に記載の方法と同様の方法が適用できる。

図９は三次元周期構造（三次元フォトニック結晶）の製造方法を説明する模式図である。同図において、８００は相対する表面に凸部を有するロッドを周期的に形成した二次元周期構造、８０２は二次元周期構造８００を二つ積層した三次元周期構造の一部である。８０４は二次元周期構造８００を四つ積層した三次元周期構造の一周期分及び８０６は二次元周期構造８００を積層した三次元周期構造の二周期分である。

まず図９（ａ）に示すように、相対する表面に凸部を有するＧａＮロッドを周期的に形成した二次元周期構造８００と表面に凸部を有しないＧａＮロッドを周期的に形成した二次元周期構造８０２を複数作製する。

次に図９（ｂ）に示すように、図９（ａ）で作製した二次元周期構造８００と二次元周期構造８０２を表面に凸部を有しないロッドを、ロッド表面の凸部上に表面に凸部のないロッドが接し、かつロッドが互いに直交（互いの長軸が直交）するように積層する。

その後、一つの基体を除去し、三次元周期構造の一部８０４を複数作製する。

このとき同様の方法を用いて三次元周期構造の一部８０４と逆の構成（表面に凸部のないロッドの上に表面に凸部を有するロッドを積層する）の三次元周期構造の一部を複数作製する（図示せず）。

次に、図９（ｃ）に示すように、図９（ｂ）で作製した二種類の三次元周期構造の一部を、ロッド表面の凸部上に表面に凸部のないロッドが接し、ロッド同士が互いに直交（互いの長軸が直交）するように配置する。具体的には、基体側から一番目の層（二次元周期構造）と三番目の層（二次元周期構造）、及び基体側から二番目の層（二次元周期構造）と四番目の層（二次元周期構造）とが互いに半周期ずれるように積層する。その後、一つの基体を除去することにより（図示せず）三次元周期構造の一周期８０６を複数作製する。次に図９（ｄ）に示すように、９（ｃ）で作製した二つの三次元周期構造の一周期８０６を、ロッド表面の凸部上に表面に凸部のないロッドが接し、かつ一層おきの積層した層の周期が半周期ずれるように積層する。その後、一つの基体を除去することにより（図示せず）三次元周期構造の二周期８０８を複数作製する。なお、本作製においては、ロッド領域及び基体以外の部分は空気とした。

例えば、表４に示した構造は、平面波展開法を適用して完全フォトニックバンドギャップ幅を求めると、表２に示した構造の従来技術であるウッドパイル構造より完全フォトニックバンドギャップ幅が約９％広くなることが確認できる。この構造を本実施例で説明した製造方法を適用して作製することにより、従来技術であるウッドパイル構造と比較して広い完全フォトニックバンドギャップ幅を持つ三次元周期構造体を容易に作製することができる。なお、両構造ともロッド（及び凸部）媒質の屈折率を２．３３、それ以外の媒質の屈折率を１とした。またフォトニックバンドギャップの中心波長を５３０ｎｍとした。

本実施例においては、ロッド（含む凸部）媒質としてＧａＮを用いたがこれに限定するものではなく、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ、酸化チタン（ＴｉＯ２）などの誘電体材料であっても良い。

また、本実施例においては、ロッド領域及び基体以外の部分は空気としたが、ロッドと比較して屈折率の小さな物質を充填してもよく、このときの屈折率の比が２以上であることが望ましい。

また、本実施例においては、一周期分の三次元周期構造体を積層することにより、二周期分の三次元周期構造体を作製した。

なお、相対する表面に凸部を有したロッドを周期的に形成した二次元周期構造を一つずつ積層して二周期分の三次元周期構造体を作製してもよい。

また、本実施例では二周期分の三次元周期構造体の製造方法を示した。
なお、二周期に限らず、それ以上の周期の三次元構造体を製造する場合においても、本実施例に示した方法を繰り返すことにより、所望の周期を有した三次元周期構造体を製造することが可能である。

（実施例４）
図１０は、本発明による三次元フォトニック結晶構造の製造方法の別の例である。

同図において、２１００及び２１０６は基体、２１０２及び２１０８は、それぞれ第１の材料からなる誘電体層と第２の材料からなる誘電体層である。

２１０４と、２１１０はレジストパターンである。まず、図１０（ａ）と（ｃ）に示したような部材を用意する。

その後、レジストパターンを利用して、誘電体層２１０２と２１０８とをエッチングして、図１０（ｂ）及び図１０（ｄ）に記載の状態にする。

このようにして形成した柱状部材１１００と、凸部１１０５とを直接接合する（図１０（ｅ））。その後、基板２１０６をレーザリフトオフ法等により除去する。こうして、柱状部材と該柱状部材に設けられる凸部とを構成する材料を、相異なるものとすることができる。

本発明に係る周期構造体は、レーザ（例えば面発光レーザ）やミラーなどの光学素子に適用可能である。

本発明を説明するための模式図である。 本発明に係る三次元周期構造を有するフォトニック結晶を説明する図である。 表面に凸部を有するロッドを周期的に形成した二次元周期構造の製造方法を説明する図である。 表面に凸部を有するロッドを周期的に形成した三次元周期構造を有するフォトニック結晶の製造方法を説明する図である。 三次元周期構造を有するフォトニック結晶を説明する図である。 相対する表面に凸部を有するロッドを周期的に形成した二次元周期構造の製造方法を説明する図である。 相対する表面に凸部を有するロッドを周期的に形成した三次元周期構造を有するフォトニック結晶の製造方法を説明する図である。 三次元周期構造を有するフォトニック結晶を説明する図である。 相対する表面に凸部を有するロッドと表面に凸部の無いロッドを周期的に形成した三次元周期構造を有するフォトニック結晶の製造方法を説明する図である。 本発明に係るフォトニック結晶構造の製造方法を説明するための図である。 従来技術を説明するための模式図である。

符号の説明

１００，１０４，１０８，１１２ ロッド（角柱）
１０２，１０６，１１０，１１４ ロッド表面に形成した凸部
２００ 基体（サファイア）
２０２ 誘電体（窒化ガリウム）
２０４ 金属層（ニッケル）
２０６ ハードマスクパターン（ニッケルマスクパターン）
２０８ レジストマスクパターン
２１０ 表面に凸部を有するロッド
２１２ 表面に凸部を有したロッドが周期的に形成された二次元周期構造体
３００ 基体上に表面に凸部を有するロッドを周期的に形成した二次元周期構造
３０２ 基体上に表面に凸部を有するロッドを周期的に形成した二次元周期構造を二つ積層した三次元周期構造
３０４ 基体上に表面に凸部を有するロッドを周期的に形成した二次元周期構造を四つ積層した三次元周期構造の一周期分
３０６ 基体上に表面に凸部を有するロッドを周期的に形成した二次元周期構造を積層した三次元周期構造の二周期分
４００，４０６，４１２，４１８ ロッド（角柱）
４０２，４０４，４０８，４１０，４１４，４１６，４２０，４２２ ロッド表面に形成した凸部
５００ 基体（シリコン）
５０２ 酸化シリコン
５０４ 成長時マスク（酸化シリコン）パターン
５０６ 誘電体層（窒化ガリウム）
５０８ 金属層（ニッケル）
５１０ ハードマスクパターン（ニッケルマスクパターン）
５１２ レジストパターン
５１４ 相対する表面に凸部を有したロッド
５１６ 相対する表面に凸部を有したロッドが周期的に形成された二次元周期構造体
６００ 基体上に、相対する表面に凸部を有するロッドを周期的に形成した二次元周期構造
６０２ 相対する表面に凸部を有するロッドを周期的に形成した二次元周期構造を二つ積層した三次元周期構造
６０４ 相対する表面に凸部を有するロッドを周期的に形成した二次元周期構造を四つ積層した三次元周期構造の一周期分
６０６ 相対する表面に凸部を有するロッドを周期的に形成した二次元周期構造を積層した三次元周期構造の二周期分
７００，７０６，７０８，７１４ ロッド（角柱）
７０２，７０４，７１０，７１２ ロッド表面に形成した凸部
８００ 基体上に、相対する表面に凸部を有するロッドを周期的に形成した二次元周期構造
８０２ 基体上に、表面に凸部の無いロッドを周期的に形成した二次元周期構造
８０４ 相対する表面に凸部を有するロッドと表面に凸部の無いロッドを周期的に形成した二次元周期構造を二つ積層した三次元周期構造
８０６ 相対する表面に凸部を有するロッドと表面に凸部の無いロッドを交互に周期的に形成した二次元周期構造を四つ積層した三次元周期構造の一周期分
８０８ 相対する表面に凸部を有するロッドと表面に凸部の無いロッドを交互に周期的に形成した二次元周期構造を積層した三次元周期構造の二周期分

Claims (9)

1. 第１の間隔で並んでいる複数の第１の柱状部材で構成される第１の層と、
   該第１の柱状部材の長軸方向と異なる方向に、第２の間隔で並んでいる複数の第２の柱状部材で構成される第２の層とを備え、該第１の層と該第２の層とが積層されている構造を有するフォトニック結晶の製造方法において、
   表面に第１の凸部を有し、且つ該第１の凸部の該長軸方向の長さが、該第２の柱状部材の幅よりも長い該第１の柱状部材を用意する工程、及び
   該第１の柱状部材と該第２の柱状部材とを、該第１の凸部を介して積層する工程を有することを特徴とするフォトニック結晶の製造方法。
2. 前記第２の柱状部材側に第２の凸部が設けられており、該第１の凸部と該第２の凸部が積層されていることを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶の製造方法。
3. 前記第１の柱状部材と前記第２の柱状部材は、それらを積層方向側から見る場合に直交するように積層されていることを特徴とする請求項１あるいは２記載のフォトニック結晶の製造方法。
4. 前記第１の凸部は、前記第１の柱状部材に第１の周期で複数形成されており、該第１の周期と前記第２の間隔が同じであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のフォトニック結晶の製造方法。
5. 前記第１の柱状部材の、前記第１の凸部が形成されている面と反対側の面に、第３の凸部が複数形成されており、該第１の凸部と該第３の凸部は、互いに半周期ずれて形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のフォトニック結晶の製造方法。
6. 前記第１の層と前記第２の層とが交互に複数層積層されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のフォトニック結晶の製造方法。
7. 前記第１の凸部と、前記第１の柱状部材を構成する該第１の凸部以外の部分とが同一の材料で構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のフォトニック結晶の製造方法。
8. 前記第１の凸部と、前記第１の柱状部材を構成する該第１の凸部以外の部分とが異なるの材料で構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のフォトニック結晶の製造方法。
9. 前記第１の柱状部材を構成する材料からなる膜を基板上に形成する工程、
   該膜上に、前記第１の凸部に対応する位置に第１のマスクを形成する工程、
   前記膜及び前記第１のマスク上に第２のマスクを形成する工程、
   該第２のマスクに前記第１の間隔で溝を形成する工程、
   該膜の該溝の位置に対応する部分を除去する工程、
   該第２のマスクを除去する工程、及び
   該第１のマスクを用いて前記第１の凸部を形成する工程
   を経ることにより、前記第１の凸部を有する前記第１の柱状部材を用意することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のフォトニック結晶の製造方法。

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