JP4636916B2

JP4636916B2 - ３次元フォトニック結晶の作製方法

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Inventors: 章成高木; 光星; 聖雄池本; 和哉野林
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Description

本発明は、所定波長帯域においてフォトニックバンドギャップを呈する３次元フォトニック結晶を容易に作製することができる３次元フォトニック結晶の作製方法に関する。

従来より、波長以下の大きさの構造物によって電磁波の透過・反射特性などを制御するという概念は、Yablonovitchによって提唱されている（非特許文献１）。この非特許文献１によると、波長以下の構造を周期的に配列することによって電磁波の透過・反射特性などを制御可能で、電磁波の波長を光の波長オーダーにまで小さくすることによって、光の透過・反射特性を制御することができる。このような構造物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、光損失が無損失の１００％の反射率を有する反射ミラーを実現できることが示唆されている。このように、ある波長域で光損失がなく反射率を１００％にすることができる概念は、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と言われている。また、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を実現することができる。

以下、これを「完全フォトニックバンドギャップ」と呼ぶことにする。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。

このようなフォトニックバンドギャップを呈する構造体がこれまでにも幾つか提案されている（特許文献１〜３）。

一般にフォトニックバンドギャップを呈する３次元周期構造は、構造の大きさが小さく作製が容易でないことから、これら３次元周期構造を光波領域（真空中での波長が数μｍ以下）で動作させたものは、非常に少ない。
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。

図１１は、ウッドパイル構造の説明図である。
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。

ウッドパイル構造を作製する方法としては従来より種々と提案されている（特許文献４、５）。

特許文献４では、ウエハ融着を用いて作製しており、特許文献５では、２次元周期構造の形成、堆積、研磨を繰り返す手法などで作製されている。

特許文献４にて提案されているウッドパイルの作製方法を図１２（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図１２（ａ）に示すように、エッチングで２次元周期パターンを形成した基板１２０１上に、基板１２０４、エッチングストップ層１２０３、転写層１２０２から構成された転写用基板１２０５を融着し、図１２（ｂ）に示すように、エッチング等を用いて基板１２０４およびエッチングストップ層１２０３を除去することにより残った転写層１２０２にエッチングで２次元周期パターンを形成する。さらに、融着、基板除去、パターン形成を繰り返すことにより、図１２（ｃ）に示すような複数の層より成る積層構造を形成する。

次に、特許文献５にて提案された方法を図１３（ａ）〜（ｅ）を用いて説明する。図１３（ａ）に示すように、基板１３０１上に蒸着などにより第１の媒質による薄膜層１３０２を形成し、エッチングにより２次元周期パターンを形成する（図１３（ｂ））。次に、第１の媒質による２次元周期パターンの隙間を第２の媒質１３０３で堆積などにより埋め（図１３（ｃ））、表面を研磨する（図１３（ｄ））。
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年特開２００２−１４８４６３号公報米国特許第６，５９７，８５１号米国特許第５，３３５，２４０号米国特許第５，４０６，５７３号米国特許第５，９９８，２０８号

フォトニックバンドギャップは、フォトニック結晶構造（誘電率）の周期性に起因して発現する。これより所望の波長域でフォトニックバンドギャップを呈するフォトニック結晶構造を作製するには，３次元方向（図１１におけるＺ方向）の周期を制御する必要がある。例えば，２次元周期構造を含む層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方法においては，２次元周期構造の周期，周期構造を形成する各要素の形状誤差や２次元周期構造を含む層の層厚の制御が必要となる。特に，２次元周期構造を含む層の厚さ誤差がフォトニックバンドギャップ波長域に与える影響は，２次元周期構造の形状誤差よりも大きい。

例えば，図１１に示したウッドパイル構造において，全ての層の角柱１１００の幅Ｗが
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。

従来の作製方法では，作製する構造の誤差量は，各層を形成する時の誤差の総和となっている。よって，フォトニックバンドギャップ波長の設計値に対するずれを例えば２０ｎｍ以内に抑えるためには，各層の厚さ誤差は２．５ｎｍ以内である必要がある。
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。

例えば，図１２に示した方法では，転写用基板１２０５の形成時の転写層１２０２の形成や基板１２０４およびエッチングストップ層１２０３除去時のエッチングなどで発生る各層の誤差を許容値内に抑える必要があり，図１３に示した方法では，各層における薄膜層１３０２の形成や研磨工程における各層の研磨誤差を基板内での厚さむらも含めて許容値内に抑える必要があり，非常に歩留まりが悪く，作製が非常に困難であった。

本発明は、フォトニックバンドギャップ波長が精度良く得られ、しかも３次元フォトニック結晶を容易に作製することができる３次元フォトニック結晶の作製方法の提供を目的とする。

本発明の３次元フォトニック結晶の作製方法は、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、
基本周期を構成する複数層を積層することにより、１単位の積層構造を総層厚が設計値に対して大きくなるように形成する工程と、
前記１単位の積層構造の総層厚を測定する工程と、
前記１単位の積層構造の総層厚と、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層厚とを比較する工程と、
前記１単位の積層構造の総層厚と、前記計算された層厚とが一致するように、該１単位の積層構造の最上層を薄膜化する工程を含むことを特徴としている。
この他、本発明の３次元フォトニック結晶の作製方法は、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、
基本周期を構成する複数層よりも１層少ない層を積層することにより、１単位の積層構造よりも１層少ない積層構造体を形成する工程と、
前記積層構造体の総層厚を測定する工程と、
前記積層構造体の総層厚と、前記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層厚とを比較する工程と、
前記１単位の積層構造の総層厚と、前記計算された層厚とが一致するように、前記積層構造体の上に、前記比較する工程によって層厚が決定された該１単位の積層構造の最上層を積層する工程を含むことを特徴としている。

本発明によれば２次元周期構造を含む層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とき，所望波長域で動作する３次元フォトニック結晶を容易に作製することができる。

以下、本発明の３次元フォトニック結晶の作製方法の実施例について説明する。

本発明者は、２次元周期構造を含む層を形成し，その層を積層することによりＬＢＬ構造のフォトニック結晶を作製するのに先だって、フォトニック結晶内に含まれる各構造の形状誤差が，フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ付近の透過スペクトルにどのような影響を与えるか検討した。その結果図１に示すように，２次元周期構造を含む層の厚さ誤差（２次元周期構造を形成する各構造の高さ誤差）量ΔＨに対して，フォトニックバンドギャップ波長の変化量（設計値からのずれ量）はほぼ比例し，かつその比例定数は光の入射方向によらずほぼ一定であること、この結果より，３次元フォトニック結晶を作製する際に，複数層の合計層厚（総層厚）を制御することにより，各層厚の誤差許容値範囲を大幅に拡大しながらも３次元フォトニック結晶全体としての光学特性は保持できることを見出した。本発明の各実施例は、これに基づいてＬＢＬ構造のフォトニック結晶を構成する複数の層を１単位として，各単位内の平均層厚が設計値（理想層厚）と一致するように作製し、所定のフォトニックバンドギャップ波長を得ている。

ここで１単位としては複数の層の他に、複数の層を周期的に積層した基本周期（図１１では４層）の１つ又は基本周期の整数倍であっても良い。

以下に本発明の各実施例を説明する。

実施例１として、ＬＢＬ構造の代表的な構造である図１１に示したウッドパイル構造に，本発明による作製方法を適用した場合を述べる。
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）λ_Ｏは、フォトニックバンドギャップ波長域をλ_ａからλ_ｂとするとき、
λ_Ｏ＝（λ_ａ＋λ_ｂ）／２
である。

次に、参考例として、フォトニック結晶内に含まれる全ての角柱の高さＨが，作製誤差により設計値より６．３ｎｍ高く作製された場合の透過スペクトルを図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）より，完全フォトニックバンドギャップの波長域が波長４８５から波長６１０ｎｍの領域となり，角柱の高さが設計値の１０％高くなることにより，フォトニックバンドギャップ波長（中心波長）が約２５ｎｍ長波長側にシフトしていることがわかる。シフト量は，入射方向によらず，ほぼ一定の値である。

一方、参考例として、フォトニック結晶内に含まれる全ての角柱の高さＨが，作製誤差により設計値より６．３ｎｍ低く作製された場合の透過スペクトルを図２（ｃ）に示す。図２（ｃ）より，完全フォトニックバンドギャップの波長域が波長４５０から波長５５０ｎｍの領域となり，角柱の高さが設計値の１０％低くなることにより，フォトニックバンドギャップ波長（中心波長）が約２３ｎｍ短波長側にシフトしていることがわかる。シフト量は，入射方向によらず，ほぼ一定の値である。

このように，単純に積層してフォトニック結晶を作製しようとすると，設計値で想定したフォトニックバンドギャップ波長域から大きくかけ離れた光学特性を有する構造となってしまう。フォトニックバンドギャップ波長のシフト量を例えば５ｎｍ以内に抑えるためには，角柱の高さＨを設計値に対して約２％（絶対値で１．２ｎｍ）の誤差以内で作製しなければならず，非常に作製が困難となる。

そこで，本発明による３次元フォトニック結晶の作製方法では，複数の層又は、１以上の基本周期を１単位として，各単位内の平均層厚が設計値と一致するように作製する。例えば，４つの層の基本周期を１単位として，４層の合計層厚が２５２ｎｍ又は２５２±ｎｍとなるようにする。４つの層に含まれる角柱の高さＨがそれぞれ６６ｎｍ（設計値に対して＋３ｎｍ），５７ｎｍ（−６ｎｍ），６０ｎｍ（−３ｎｍ），６９ｎｍ（＋６ｎｍ）とした場合の透過スペクトルを図２（ｄ）に示す。図２（ｄ）より，設計値と同じ波長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。各入射方向のスペクトルも同様にほぼ設計値と同じになっている。

次に，各層に含まれる角柱の高さ誤差ΔＨが異なる場合の透過スペクトルを図２（ｅ），（ｆ），（ｇ）に示す。４つの層に含まれる角柱の高さＨが，図２（ｅ）はそれぞれ６６ｎｍ（設計値に対して＋３ｎｍ），６６ｎｍ（＋３ｎｍ），６６ｎｍ（＋３ｎｍ），５４ｎｍ（−９ｎｍ）とした場合の透過スペクトル，図２（ｆ）はそれぞれ７５ｎｍ（＋１２ｎｍ），５１ｎｍ（−１２ｎｍ），５１ｎｍ（−１２ｎｍ），７５ｎｍ（＋１２ｎｍ）とした場合の透過スペクトル，図２（ｇ）はそれぞれ８２ｎｍ（＋１９ｎｍ），４４ｎｍ（−１９ｎｍ），４４ｎｍ（−１９ｎｍ），８２ｎｍ（＋１９ｎｍ）とした場合の透過スペクトルを示す。全ての場合で，設計値とほぼ同じ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。

このように，各層に含まれる角柱の高さ誤差ΔＨが従来に比べ１５倍程度であっても，複数の層を１単位として，各単位内の平均層厚が設計値と一致するように作製することによって，設計値と同じ光学特性を有するフォトニック結晶を得ることができる。ここで，平均層厚が設計値と一致するとは完全な一致を意味するのではなく，許容される光学特性誤差を満たす程度に一致するという意味である。

又、一般的に許容される平均層厚誤差は設計値に対して±５％の範囲内である。

本実施例においては，４つの層（基本周期）を１単位としたが、層の数はこれに限られるものではなく，２層あるいは，８層で１単位としても良く，作製するフォトニック結晶全体を１単位としても良い。ただし，設計時点で構造対称性が保証されている基本周期周期を１単位，あるいは数周期（例えば１〜６周期）で１単位としたほうが，光学特性の方向対称性，偏波対称性が向上するため望ましい。

次に，フォトニック結晶を構成する媒質（第１の領域）の屈折率が実施例１とは異なる場合の実施例を示す。
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。

図３（ａ）において，点線，実線，破線は図２（ａ）の場合と同様に入射光の方向ごとの透過スペクトルを表す。図３（ａ）より，設計値においては波長４７０ｎｍから波長５５０ｎｍ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。

次に、参考例として、フォトニック結晶内に含まれる全ての角柱１１００の高さＨが，作製誤差により設計値より８．４ｎｍ低く作製された場合の透過スペクトルを図３（ｂ）に示す。

図３（ｂ）より，完全フォトニックバンドギャップの波長域が波長４６５から波長５１５ｎｍの領域となり，角柱１１００の高さＨが設計値の１０％低くなることにより，フォトニックバンドギャップ波長（中心波長）が約２０ｎｍ短波長側にシフトしていることがわかる。シフト量は，入射方向によらず，ほぼ一定の値である。

ここで、本実施例では、４つの層を１単位（基本周期）として，４層の合計層厚が設計値と同じ３３６ｎｍとなるようにする。４つの層に含まれる角柱１１００の高さＨがそれぞれ８８ｎｍ（設計値に対して＋４ｎｍ），７６ｎｍ（−８ｎｍ），８０ｎｍ（−４ｎｍ），９２ｎｍ（＋８ｎｍ）とした場合の透過スペクトルを図３（ｃ）に示す。図３（ｃ）より，設計値と同じ波長４７０ｎｍから波長５５０ｎｍ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。各入射方向のスペクトルも同様にほぼ設計値と同じになっている。

このように，本実施例では、複数の層を基本周期とし、１以上の基本周期を１単位として，各単位内の平均層厚が設計値と一致するように作製することにより，フォトニック結晶全体としての光学特性は保持したまま，各層厚の誤差許容値範囲を大幅に拡大することができ，フォトニック結晶の作製が非常に容易となる。以上，示したように，本発明による効果はフォトニック結晶を構成する媒質（全ての媒質より成る）の屈折率に依存するものではない。

次に、本発明に係るフォトニック結晶の具体的な作製プロセス中での実施方法について説明する。

図４（ａ）に示すように，基板１０１上に結晶成長や蒸着により，媒質１による薄膜１０２を形成する。次にレジスト１０３を薄膜１０２上に塗布（図４（ｂ））し，電子ビームリソグラフィなどによって所望の２次元周期レジストパターン１０４を形成（図４（ｃ））し，レジストパターン１０４をマスクとして薄膜１０２をエッチング後，残存レジスト１０４を除去することによって，媒質１による屈折率周期構造である２次元周期パターン１０５を形成する（図４（ｄ））。

次に，図４（ｅ）に示すように，エッチングストップ層１０７を含む基板１０６上に同様に媒質１による２次元周期パターン１０８をパターン面が対向するように形成し，２次元周期パターン１０５と２次元周期パターン１０８を位置合わせして融着（図４（ｆ））し，リフトオフやエッチングなどによりエッチングストップ層１０７と基板１０６を除去し，積層構造を作製する（図４（ｇ））。基本周期（１単位）を構成する層数（例えば４層）となるまで，上記（１単位の積層構造を総層厚が設計値に対して大きくなるように形成する工程）工程を繰り返す（図４（ｈ））。即ち、複数個同一基板上に一括形成する。

このとき，図４（ｂ）の右図に示すように１単位を構成する最上層１０９に位置する２次元周期パターンの高さは，設計値に対して高く形成し，最上層以外のパターン誤差量によらず，必ず１単位内での合計層厚が設計値より大きくなるようにする。

次に，図４（ｉ）に示すように，１単位となった時点で，合計の厚さが設計値から求められる所望の厚さとなるように（１単位の積層構造の総層厚を測定する工程）（計算された層厚とを比較する工程），最上層１０９の厚さをエッチング，ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）による研磨やGCIB（ガスクラスターイオンビーム照射）によるエッチングやアブレーションなどで薄くし（薄膜化する工程），１単位内の平均層厚が設計値と一致するようにする。

フォトニック結晶は，波長以下の寸法をもつ構造で形成されるため，１層毎の厚さは非常に薄く，その厚さを高精度に測定することは非常に困難だが，本発明では複数層をまとめて測定する（総層厚を測定する工程）ため，高精度の測定が容易になり，より精度の高い構造制御が可能になる。

以上の工程により，複数の層を基本周期とし、１以上の基本周期を１単位として，１単位内の一つの層の厚さのみを制御することによって（薄膜化する工程），各単位内の平均層厚が設計値と一致するように作製することができ，フォトニック結晶全体としての光学特性は保持したまま，各層厚の誤差許容値範囲を大幅に拡大することができ，フォトニック結晶の作製が非常に容易となる。

本実施例では，最上層の形成後に合計層厚を調整したが，最上層の一つ前の層（１層少ない積層構造体を形成する工程）までの合計層厚を測定し（総層厚を測定する工程），その時点での設計値との差分を加味して（比較する工程）最上層を形成する（最上層を積層する工程）ことにより，１単位内の合計層厚を設計値と一致するようにしても良い。

実施例１で述べたように，１単位は４層（１基本周期）で構成しても良いし，図５に示すように８層（２周期）で１単位を構成しても良い。１単位を構成する層の数は，作製時の制御性や光学特性の対称性を考慮して決めれば良い。

さらに図６に示すように，ウェハ１１０上に各単位内の平均層厚が設計値と一致するようにした複数個の単位構造１１１（１１１ａ〜１１１ｄ）を形成し，それらを積層することによりフォトニック結晶１１２を形成するようにしても良い。このようにすることにより，設計値と同じ光学性能を保持したまま，容易に積層数を増やすことができるため，フォトニックバンドギャップ波長域内でより高い反射率を得ることができる。
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。

２次元周期パターンの積層方法は特許文献４にて提案されたウェハ融着を用いた手法や、特許文献５にて提案された堆積，研磨を繰り返す手法を用いても良い。

本発明による３次元フォトニック結晶を構成する媒質（第１の領域）は，ＧａＡｓ、ＩｎＰ，ＧａＮやZnOなどの化合物半導体、Ｓｉなどの半導体、ＴｉＯ２などの誘電体や金属を用いる。低屈折率媒質（第２の領域）としては、ＳｉＯ_２などの誘電体や、ＰＭＭＡなどの高分子有機材料、空気などを用いる。

本発明のフォトニック結晶として、図１１のウッドパイル構造とは異なるLBL構造での実施例を図７を用いて説明する。

図７（ａ）に示すＬＢＬ構造２００は，ウッドパイル構造より広いフォトニックバンドギャップを呈するフォトニック結晶構造である。ＬＢＬ構造２００は、ＸＹ平面を含む層２０１〜２１２の１２層を基本周期として構成されている。図７（ｂ）は各層のＸＹ断面の一部を示す。第１の層２０１および第７の層２０７は、第１の媒質によるＹ軸方向に延びる複数の角柱２０１ａおよび２０７ａが等間隔ＰでＸ方向に配置されており、角柱２０１ａおよび２０７ａはＸ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。

また、第４の層２０４および第１０の層２１０は、第１の媒質によるＸ軸方向に延びる複数の角柱２０４ａおよび２１０ａが等間隔ＰでＹ方向に配置されており、角柱２０４ａおよび２１０ａはＹ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。第２の層２０２および第３の層２０３には、第１の層２０１中の角柱２０１ａおよび第４の層２０４中の角柱２０４ａのＺ方向からみたときの交点に相当する位置に、ＸＹ平面内において互いに接しないように離散的に第１の媒質による直方体２０２ａおよび２０３ａが配置されている。なお、直方体２０２ａと直方体２０３ａはＸＹ面内における９０度の回転により相互に重なる対称性を有している。同様に、角柱を含む層２０４，２０７，２１０の間にある第５の層２０５、第６の層２０６、第８の層２０８、第９の層２０９、第１１の層２１１、第１２の層２１２には、隣接する層中の角柱のＺ方向から見たときの交点に相当する位置に、ＸＹ平面内において離散的に第１の媒質による直方体２０５ａ、２０６ａ、２０８ａ、２０９ａ、２１１ａ、２１２ａが配置されている。各層中の角柱および直方体は互いに接しており、各層中の角柱および直方体以外の部分は第２の媒質で充填されている。第１、第２の媒質の屈折率、角柱および直方体の形状や間隔、各層の厚さは，所望波長域（所定の波長帯域）でフォトニックバンドギャップを呈するように（計算された層厚とを比較する工程）決定される。

角柱および直方体の屈折率を３．３０９，それ以外の領域の屈折率を１として，角柱の幅Ｗが６３ｎｍ，角柱の高さＨが５２ｎｍ，角柱の間隔Ｐが２０８ｎｍ，直方体の長辺の幅Ｗ１が１２５ｎｍ，直方体の短辺の幅Ｗ２が８３ｎｍ，直方体の高さＨ１が１０ｎｍの６周期で構成されたＬＢＬ構造２００の透過スペクトルを，ＲＣＷＡを用いて計算した結果を図８（ａ）に示す。図８（ａ）において，点線，実線，破線は図２（ａ）の場合と同様に入射光の方向ごとの透過スペクトルを表す。図８（ａ）より，設計値においては波長４７０ｎｍから波長６００ｎｍ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。

次に、参考例としてフォトニック結晶内に含まれる全ての角柱の高さＨが作製誤差により設計値より５．２ｎｍ低く，全ての直方体の高さＨ１が設計値より１ｎｍ低く作製された場合の透過スペクトルを図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）より，完全フォトニックバンドギャップの波長域が波長４５０から波長５８０ｎｍの領域となり，角柱および直方体の高さが設計値の１０％低くなることにより，フォトニックバンドギャップ波長（中心波長）が約２０ｎｍ短波長側にシフトしていることがわかる。

ここで，本実施例では、１２層を基本周期とし、１以上の基本周期を１単位として，１単位の合計層厚が設計値の厚さ（２８８ｎｍ）と一致するようにする。

本実施例では、１基本周期を１単位としている。１２層中に含まれる角柱の高さがそれぞれ５４．６ｎｍ（設計値に対して＋２．６ｎｍ），４６．８ｎｍ（−５．２ｎｍ），４９．４ｎｍ（−２．６ｎｍ），５７．２ｎｍ（＋５．２ｎｍ）とした場合の透過スペクトルを図３（ｃ）に示す。図３（ｃ）より，設計値と同じ波長４７０ｎｍから波長６００ｎｍ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。各入射方向のスペクトルも同様にほぼ設計値と同じになっている。

このように，１以上の基本周期を１単位として，各単位内の平均層厚が設計値と一致するように作製することにより，フォトニック結晶全体としての光学特性は保持したまま，各層厚の誤差許容値範囲を大幅に拡大することができ，フォトニック結晶の作製が非常に容易となる。以上，示したように，本発明による効果はフォトニック結晶の構造に依存するものではない。

次に本発明による作製方法で作製されたフォトニック結晶を用いた機能素子の実施例を示す。

図９（ａ）、（ｂ）は本発明による作製方法で作製されたフォトニック結晶であり、その中に線状に周期欠陥（周期欠陥部）を配置した導波路３００（３００ａ，３００ｂ）を有した機能素子の断面図である。本実施例では、線状の周期欠陥を設けることにより、フォトニック結晶が持つフォトニックバンドギャップ内の波長域中の一部の波長域の電磁波に対して、欠陥部のみ電磁波が存在できる状態にすることができ、低損失で急峻な曲げ角度を実現できる導波路を構成している。

図９（ａ）は本発明による作製方法で作製されたフォトニック結晶中の構造を所定の領域だけ除去し直線状の導波路３００ａを構成したものの断面図、図９（ｂ）は本発明による作製方法で作製されたフォトニック結晶中の構造を所定の領域だけ除去し曲げ導波路３００ｂを構成したものの断面図を示す。線状周期欠陥は、導波波長域など所望の性能の導波路となるように、構造を除去、あるいは位置をずらす，形状を変えるなどして形成する。本発明による作製方法で作製されたフォトニック結晶を用いて導波路を構成することにより，所望波長域で動作する導波路を容易に作製することができる。

図１０は本発明による作製方法で作製されたフォトニック結晶中に孤立した周期欠陥を配置した共振器３１０の断面図である。

図１０の実施例では、孤立した周期欠陥３１０を設けることにより、フォトニック結晶が持つフォトニックバンドギャップ内の波長域中の一部の波長域の電磁波に対して、欠陥部のみ電磁波が存在できる状態にすることができ、非常に小さい領域に電磁波を閉じ込め、かつ閉じ込め効果の高い高性能な共振器を構成している。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域の電磁波を取り出す波長選択フィルタなどが実現できる。孤立した点状の周期欠陥３１０は、選択波長など所望の性能の共振器となるように、構造部を除去、あるいは位置をずらす，形状を変えるなどして形成する。本発明による作製方法で作製されたフォトニック結晶を用いて共振器を構成することにより，所望波長域で動作する共振器を容易に作製することができる。

本実施例において、図１０に示した共振器内部に発光作用を呈する活性媒質を充填し、活性媒質を励起する励起手段として共振器外部から電磁波や電流などで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（レーザー）やＬＥＤなどの発光素子を実現している。例えば、前記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、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、またＣＤやＤＶＤなどの光ディスクのピックアップ用光源に用いることが出きる。なお、図９（ａ）、（ｂ）に示した導波路や図１０に示した共振器、発光素子、フォトニックバンド内の分散異常を用いた偏向素子などの様々な機能素子を組み合わせることで、超小型高機能集積回路を実現することができる。

以上述べたように、各実施例では、周期的に積層した複数の層を基本周期とし、１以上の基本周期を１単位として，各単位内の平均層厚が設計値と一致するように作製することにより，フォトニック結晶全体としての光学特性は保持したまま，各層厚の誤差許容値範囲を大幅に拡大することができ，フォトニック結晶の作製が非常に容易となる。

又、本発明による作製方法で作製されたフォトニック結晶を用いて機能素子を構成することにより、所望波長域で動作する機能素子を容易に作製することができる。

２次元周期構造の厚さ誤差とフォトニックバンドギャップ波長との関係を示す説明図フォトニック結晶の作製誤差とフォトニックバンドとの関係を示す説明図フォトニック結晶の作製誤差とフォトニックバンドとの関係を示す説明図フォトニック結晶の作製誤差とフォトニックバンドとの関係を示す説明図フォトニック結晶の作製誤差とフォトニックバンドとの関係を示す説明図フォトニック結晶の作製誤差とフォトニックバンドとの関係を示す説明図フォトニック結晶の作製誤差とフォトニックバンドとの関係を示す説明図フォトニック結晶の作製プロセスの説明図フォトニック結晶の作製プロセスの説明図本発明に係るフォトニック結晶の説明図本発明に係るフォトニック結晶の作製方法の説明図本発明に係るフォトニック結晶の説明図本発明に係るフォトニック結晶の説明図フォトニック結晶の作製誤差とフォトニックバンドとの関係を示す説明図フォトニック結晶の作製誤差とフォトニックバンドとの関係を示す説明図本発明に係るフォトニック結晶を用いた機能素子の説明図本発明に係るフォトニック結晶を用いた機能素子の説明図ウッドバイル構造のフォトニック結晶の説明図従来のフォトニック結晶の作製方法の説明図従来のフォトニック結晶の作製方法の説明図

符号の説明

１０００ウッドパイル構造
１１００角柱
１００１第１の層
１００２第２の層
１００３第３の層
１００４第４の層
２００ＬＢＬ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

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、
基本周期を構成する複数層を積層することにより、１単位の積層構造を総層厚が設計値に対して大きくなるように形成する工程と、
前記１単位の積層構造の総層厚を測定する工程と、
前記１単位の積層構造の総層厚と、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層厚とを比較する工程と、
前記１単位の積層構造の総層厚と、前記計算された層厚とが一致するように、該１単位の積層構造の最上層を薄膜化する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。
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、
基本周期を構成する複数層よりも１層少ない層を積層することにより、１単位の積層構造よりも１層少ない積層構造体を形成する工程と、
前記積層構造体の総層厚を測定する工程と、
前記積層構造体の総層厚と、前記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層厚とを比較する工程と、
前記１単位の積層構造の総層厚と、前記計算された層厚とが一致するように、前記積層構造体の上に、前記比較する工程によって層厚が決定された該１単位の積層構造の最上層を積層する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又は２の３次元フォトニック結晶の作製方法。
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乃至３のいずれか１項のフォトニック結晶の作製方法。
前記薄膜化する工程は、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１の３次元フォトニック結晶の作製方法。