JP5132902B2 - フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンド用反射防止膜 - Google Patents

Description

本発明は、一般的にはフォトバンドギャップ（ＰＢＧ）結晶に関する。より具体的には、本発明は、ＰＢＧ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する際に用いられる反射防止膜に関する。

先行技術の方法は、厚さがλ_ｃ／（４ｎ）である高屈折率材料と低屈折材料とを交互に積層する。ただし、ｎはそれぞれの材料の屈折率であり、λ_ｃは、光が効果的に反射される波長である中心波長である。この周期構造はフォトニックバンドギャップ結晶（以下、ＰＢＧと言う）と呼ばれる。

高い反射率は、中心波長付近（ストップバンド）で得られる。しかし、同時に、層の数に応じて、いくつかの光子状態が結晶のパスバンド中で形成される。一部の光が効果的に反射され、その他の光が波長に応じて透過される、波長フィルターのような一部のデバイスについては、パスバンドにおいても光の一部分が反射されてしまうので、このような光子状態は望ましいものではない。例えば、パスバンド波長（図２中の０．７８−１．５μｍ）において、およそ２５％の光は反射される。

単純な一層のデバイス、例えば、通常の太陽電池などでは、反射はλ_ｃ／４の厚さの反射防止膜（以下、ＡＲＣと言う）を配置することによって抑制することができる。しかし、この単純な概念は、ＰＢＧは２つの異なる種類のバンド（パスバンドとストップバンド）を有し、積層された多数の層から組織されるので、ＰＢＧには適用できない。

前述した先行技術の明らかな長所、特色、利点が何であっても、それらのいずれも、本発明の目的を達成しない。

本発明は、フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する半導体構造であって、該構造は、（ａ）高屈折率材料（ｎ_{ｈｉｇｈ−ｉｎｄｅｘ ｍａｔｅｒｉａｌ}の屈折率）と低屈折率材料との交互層から成るフォトニックバンドギャップ結晶（ＰＢＧ）であって、中心波長λ_ｃを有するものであるＰＢＧと、（ｂ）ＰＢＧの最上部に堆積される反射防止膜（ＡＲＣ）層であって、ｎ_ＡＲＣ＝√（ｎ_ａｉｒ×ｎ_{ｈｉｇｈ−ｉｎｄｅｘ ｍａｔｅｒｉａｌ}）で与えられる屈折率を有し、λ_ｃ／８の実質的な厚さを有するものであるＡＲＣ層とから成る半導体構造を提供する。

本発明は、また、フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する方法であって、該方法は、（ａ）高屈折率材料と低屈折率材料との交互層を堆積させてフォトニックバンドギャップ結晶（ＰＢＧ）を形成する工程であって、高屈折率材料はｎ_{ｈｉｇｈ−ｉｎｄｅｘ ｍａｔｅｒｉａｌ}の屈折率を有するものとし、ＰＢＧ結晶は中心波長λ_ｃを有するものとする工程と、（ｂ）ＰＢＧ結晶の最上部の反射防止膜（ＡＲＣ）層を堆積する工程であって、ＡＲＣ層はｎ_ＡＲＣ＝√（ｎ_ａｉｒ×ｎ_{ｈｉｇｈ−ｉｎｄｅｘ ｍａｔｅｒｉａｌ}）で与えられる屈折率を有するものとし、ＡＲＣ層はλ_ｃ／８の実質的な厚さを有するものとする工程とを有し、堆積されたＡＲＣ層は、前記ＰＢＧ結晶のストップバンドを通過する光の強い反射を保ちつつ、ＰＢＧ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化することを特徴とする方法を提供する。

本発明は、また、フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する方法であって、該方法は、（ａ）高屈折率材料と低屈折率材料との交互層を堆積させてフォトニックバンドギャップ結晶（ＰＢＧ）を形成する工程であって、高屈折率材料はｎ_{ｈｉｇｈ−ｉｎｄｅｘ ｍａｔｅｒｉａｌ}の屈折率を有し、ＰＢＧは中心波長λ_ｃを有するものとする工程と、（ｂ）シリコン（Ｓｉ）基板上に、少なくとも亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）を含むガスを導入することによってＳｉＯＮ反射防止膜（ＡＲＣ）層を形成する工程と、（ｃ）ＳｉＯＮＡＲＣ層が、ｎ_ＡＲＣ＝√（ｎ_ａｉｒ×ｎ_{ｈｉｇｈ−ｉｎｄｅｘ ｍａｔｅｒｉａｌ}）で与えられる屈折率を有するように前記ガス中のＮ_２Ｏの濃度を調節し、ＳｉＯＮＡＲＣ層が、λ_ｃ／８の実質的な厚さを有するものとする工程とを有し、形成されたＳｉＯＮＡＲＣ層は、前記ＰＢＧ結晶のストップバンドを通過する光の強い反射を保ちつつ、ＰＢＧ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化することを特徴とする方法を提供する。

本発明が好適な実施例で図示され説明されるが、本発明は多くの異なる形態で実現され得る。本発明の好適な実施例が、図面中に図示され、以下に詳細に説明される。なお、この開示は、本発明の基本原理の具体例と、その具体化のための関連する機能上の詳細を示したものとされ、本発明を以下に例示される実施例のみに制限するものではないと理解される。当業者は、本発明の範囲内において多くの他の可能な変形を予想するであろう。

本発明は、ストップバンドでの強い反射を保ちつつ、フォトニックバンドギャップ結晶（しばしばＰＢＧと呼ばれる）のパスバンドを通過する最大の光透過率を得ることを可能にする。この特性は光起電力デバイスやレーザー光学デバイスなどの波長フィルターとして有用である。

本発明は、フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する半導体構造であって、該構造は、（ａ）高屈折率材料（ｎ_{ｈｉｇｈ−ｉｎｄｅｘ ｍａｔｅｒｉａｌ}の屈折率）と低屈折率材料との交互層から成るフォトニックバンドギャップ結晶（ＰＢＧ）であって、中心波長λ_ｃを有するものであるＰＢＧと、（ｂ）ＰＢＧの最上部に堆積される反射防止膜（ＡＲＣ）層であって、ｎ_ＡＲＣ＝√（ｎ_ａｉｒ×ｎ_{ｈｉｇｈ−ｉｎｄｅｘ ｍａｔｅｒｉａｌ}）で与えられる屈折率を有し、λ_ｃ／８の実質的な厚さを有するものであるＡＲＣ層とから成る半導体構造を提供する。

図１は、本発明に関して用いられるＰＢＧ結晶の１つの例を図示する。ＰＢＧ結晶は、２．０μｍの中心波長（λ_ｃ）を有し、Ｓｉ層が最上層になるように５ペア（１０層）のＳｉ／ＳｉＯ_２層を有する。図２は、中心波長（λ_ｃ）＝２．０μｍでのＰＢＧの反射率を示すグラフを図示したものであり、Ｔ_Ｓｉ（Ｓｉ層の厚さ）＝０．１４３μｍ及びＴ_ＳｉＯ２（ＳｉＯ_２層の厚さ）＝０．３４５μｍ（Ｓｉ／ＳｉＯ_２層の数＝５）である。図１の議論に戻る。本発明に従えば、別の、屈折率が以下のように表現されるＡＲＣ層がＰＢＧ上に配置される（図１）。

（数１）
ｎ_ＡＲＣ＝√（ｎ_ａｉｒ×ｎ_ｔｏｐ）

ここで、ｎ_ＡＲＣ、ｎ_ａｉｒ、ｎ_ｔｏｐは、付加的に被覆または堆積させた層の屈折率、空気の屈折率（通常、１．０）、付加層を配置する前の最上層の屈折率（この例の場合、ｎ_ｔｏｐ＝３．５）を意味する。最上層がＳｉである場合、ｎ_ＡＲＣは１．８７になる。厚さはλｃ／８程度（±３０％）とするべきである。λ_ｃ／８の厚さの層の効果は、パスバンド波長において反射を抑制するλ_ｃ／２における反射防止膜（以下、ＡＲＣと言う）である。図１の個々の光子状態では、進行波は、その周期がＰＢＧの内部でλ_ｃ／２である定常波を形成する。

図３は、λ＝１．１μｍ（光子状態の一つ）のときに、どのように電界強度がＰＢＧの内部で分布されているかを図示したものである。図３で見られるように、定常波がＰＢＧの内部でλ_ｃ／２の長さの周期を形成している。また、他の光子状態でも同様である。本発明に従うと、これらの光子状態は、λ_ｃ／２波長のための無反射層、すなわち、λ_ｃ／２の４分の１（すなわち、（λ_ｃ／２）（１／４）＝λ_ｃ／８）の無反射層を配置することで抑制することができる。インピーダンスの調和をとるために、（１）ｎ_ＡＲＣ＝√（ｎ_ａｉｒ×ｎ_{ｈｉｇｈ−ｉｎｄｅｘ ｍａｔｅｒｉａｌ}）で与えられる屈折率を有し、（２）λ_ｃ／８の実質的な厚さを有する、コーティング材料を用いることが望ましい。

図４に示されるグラフは、（１）単純な５ペアのＰＢＧ、（２）λ_ｃ／８の厚さのＳｉＯ_２ＡＲＣ層を具備する５ペアのＰＢＧ、（３）λ_ｃ／８の厚さのＳｉＯＮ（ｎ＝１．８６）を具備する５ペアのＰＢＧ、の反射率を図示したものである。ＳｉＯＮはシリコン酸窒化物を意味する。図４に見られるように、反射率は、λ_ｃ／８の厚さのＳｉＯ_２を配置することによって、単純な５ペアのＰＢＧと比べて抑制することができる。しかし、この場合、パスバンドにおける反射率は、λ_ｃ／８の厚さの、その屈折率が１．８７であるＳｉＯＮを配置することによって、より抑制することができる。

図４は、反射防止膜を具備した５ペアのＰＧＢと、反射防止膜を具備しない５ペアのＰＢＧの反射率を示す。ＳｉＯ_２ＡＲＣを付加することによってパスバンドにおけるリプルを著しく減少させることができるが、基板、Ｓｉ、ＳｉＯ_２と空気との間の屈折率の不一致のために、０になることはないことがわかる。しかしながら、ＳｉＯＮＡＲＣ層がＳｉＯ_２ＡＲＣの代わりにＰＢＧ積層の最上部に付加される場合、リプルが減少するとともに反射率はパスバンドの不連続な点において０に至らされる。ここで注意すべきことは、全ての場合において、中心波長は２．０μｍであることである。

図５は、パスバンド（０．７８−１．５μｍ）を通過するＰＢＧの光の透過率を示す（事例番号１…ＡＲＣを具備しない場合、事例番号２…ＳｉＯ_２ＡＲＣを具備する場合、事例番号３…ＳｉＯＮＡＲＣを具備する場合）。

ここで注意すべきことは、本発明で提示されたＰＢＧは、様々な作製法によって作製することができることである。通常の方法の一つは、化学蒸着法（ＣＶＤ）技術である。この手法を用いると、多結晶Ｓｉと酸化物を堆積させることができる。酸化物はまた、熱酸化、すなわち、酸化物が多結晶Ｓｉ層を酸化させることにより形成される方法、によって形成することができる。他の作製法としては、スパッタリングや電子線堆積法を採用することができる。反射防止膜（ＳｉＯＮ）の作製では、プラズマ化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）が、堆積中にガスの組成を変化させることのみで屈折率を容易に調節することができるため望ましい。しかし、スパッタリングや他の手法も、ＳｉＯＮの堆積のために採用することができる。

本発明では、Ｓｉ／ＳｉＯ_２のＰＢＧを用いることを述べている。しかし、他の材料、例えば、組成比に応じて窒化物の屈折率が２−２．３で変化するＳｉ／ＳｉＮ等を用いることができる。

システムと方法が、フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンド用反射防止膜の効果的な実施について上記した実施例で示されている。様々な好ましい実施例が示されて説明されたが、そのような開示内容によって本発明を制限する意図が無いことは理解されるであろう。しかし、もっと適切に言えば、添付した特許請求の範囲の中で定義されたような本発明の思想と範囲内にある変更をすべてカバーすることが意図される。例えば、本発明は、用いられる特定の高屈折率材料、用いられる特定の低屈折率材料、用いられる特定のＡＲＣ層、ＡＲＣ層の堆積の際に用いられる特定の技術によって制限されるべきではない。

提示されるフォトニックバンドギャップ結晶の基本的構造を示す。 ５ペアのＳｉ／ＳｉＯ_２ＰＢＧ（λ_ｃ＝２．０μｍ）の反射率を示す。 光子状態の一つ（λ＝１．１μｍ）について電界強度を示す。 ５ペアのＰＢＧの反射率を、反射防止膜を具備する場合と具備しない場合について示す。 パスバンド（０．７８−１．５μｍ）を通過するＰＢＧの光の透過率を示す。

Claims (17)

1. フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する半導体構造であって、該構造は、
   （ａ）高屈折率材料と低屈折率材料との交互層から成り、前記高屈折率材料が最上層であるフォトニックバンドギャップ結晶（ＰＢＧ）であって、前記高屈折率材料はｎ_{ｈｉｇｈ−ｉｎｄｅｘ ｍａｔｅｒｉａｌ}の屈折率を有するものであり、前記ＰＢＧは中心波長λ_ｃを有するものであるＰＢＧと、
   （ｂ）前記ＰＢＧの最上部に堆積される反射防止膜（ＡＲＣ）層であって、前記ＡＲＣ層はｎ_ＡＲＣ＝√（ｎ_ａｉｒ×ｎ_{ｈｉｇｈ−ｉｎｄｅｘ ｍａｔｅｒｉａｌ}）で与えられる屈折率を有するものであり、前記ＡＲＣ層はλ_ｃ／（８ｎ_ＡＲＣ）±［（０．３λ _ｃ ）／（８ｎ _ＡＲＣ ）］の厚さを有するものであるＡＲＣ層と
   から成る半導体構造。
2. フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する半導体構造であって、前記ＡＲＣ層がＳｉＯＮ層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体構造。
3. フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する半導体構造であって、前記高屈折率材料がＳｉであることを特徴とする請求項１に記載の半導体構造。
4. フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する半導体構造であって、前記低屈折率材料がＳｉＯ_２であることを特徴とする請求項３に記載の半導体構造。
5. フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する半導体構造であって、前記低屈折率材料がＳｉＮであることを特徴とする請求項３に記載の半導体構造。
6. フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する半導体構造であって、前記ＡＲＣ層が、スパッタリング、電子線堆積法、化学蒸着法、プラズマ化学蒸着法のいずれかの方法により堆積されたものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体構造。
7. フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する方法であって、該方法は、
   （ａ）高屈折率材料と低屈折率材料との交互層を堆積させて、前記高屈折率材料が最上層であるフォトニックバンドギャップ結晶（ＰＢＧ）を形成する工程であって、前記高屈折率材料はｎ_{ｈｉｇｈ−ｉｎｄｅｘ ｍａｔｅｒｉａｌ}の屈折率を有するものとし、前記ＰＢＧは中心波長λ_ｃを有するものとする工程と、
   （ｂ）前記ＰＢＧの最上部の反射防止膜（ＡＲＣ）層を堆積する工程であって、前記ＡＲＣ層はｎ_ＡＲＣ＝√（ｎ_ａｉｒ×ｎ_{ｈｉｇｈ−ｉｎｄｅｘ ｍａｔｅｒｉａｌ}）で与えられる屈折率を有するものとし、前記ＡＲＣ層はλ_ｃ／（８ｎ_ＡＲＣ）±［（０．３λ _ｃ ）／（８ｎ _ＡＲＣ ）］の厚さを有するものとする工程と
   を有し、前記堆積されたＡＲＣ層は、前記ＰＢＧ結晶のストップバンドを通過する光の強い反射を保ちつつ、前記ＰＢＧ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化することを特徴とする方法。
8. フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する方法であって、前記ＡＲＣ層をＳｉＯＮ層とすることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する方法であって、前記高屈折率材料がＳｉとすることを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する方法であって、前記低屈折率材料をＳｉＯ_２とすることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する方法であって、前記低屈折率材料をＳｉＮとすることを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する方法であって、前記ＡＲＣ層を、スパッタリング、電子線堆積法、化学蒸着法、プラズマ化学蒸着法のいずれかの方法により堆積されたものとすることを特徴とする請求項７に記載の方法。
13. フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する方法であって、該方法は、
    （ａ）高屈折率材料と低屈折率材料との交互層を堆積させて、前記高屈折率材料が最上層であるフォトニックバンドギャップ結晶（ＰＢＧ）を形成する工程であって、前記高屈折率材料はｎ_{ｈｉｇｈ−ｉｎｄｅｘ ｍａｔｅｒｉａｌ}の屈折率を有するものとし、前記ＰＢＧは中心波長λ_ｃを有するものとする工程と、
    （ｂ）シリコン（Ｓｉ）基板上に、少なくとも亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）を含むガスを導入することによってＳｉＯＮ反射防止膜（ＡＲＣ）層を形成する工程と、
    （ｃ）前記ＳｉＯＮＡＲＣ層が、ｎ_ＡＲＣ＝√（ｎ_ａｉｒ×ｎ_{ｈｉｇｈ−ｉｎｄｅｘ ｍａｔｅｒｉａｌ}）で与えられる屈折率を有するように前記ガス中のＮ_２Ｏの濃度を調節し、前記ＳｉＯＮＡＲＣ層が、λ_ｃ／（８ｎ_ＡＲＣ）±［（０．３λ _ｃ ）／（８ｎ _ＡＲＣ ）］の厚さを有するものとする工程と
    を有し、前記形成されたＳｉＯＮＡＲＣ層は、前記ＰＢＧ結晶のストップバンドを通過する光の強い反射を保ちつつ、前記ＰＢＧ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化することを特徴とする方法。
14. フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する方法であって、前記高屈折率材料がＳｉとすることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する方法であって、前記低屈折率材料をＳｉＯ_２とすることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する方法であって、前記低屈折率材料をＳｉＮとすることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. フォトニックバンドギャップ結晶のパスバンドを通過する光の透過率を最大化する方法であって、前記ＳｉＯＮＡＲＣ層を、スパッタリング、電子線堆積法、化学蒸着法、プラズマ化学蒸着法のいずれかの方法により堆積されたものとすることを特徴とする請求項１３に記載の方法。

Images