JP5173386B2 - ３次元フォトニック結晶及び機能素子 - Google Patents

Description

本発明は、３次元的な屈折率の周期構造を有する３次元フォトニック結晶及びその製造方法に関する。

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）。

特許文献１には、断面形状が一定である複数の柱状構造体を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ウッドパイル構造が開示されている。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。

特許文献２には、平行に配置された複数の柱状構造体が積層方向にて互いに一部が重なるように配置され、さらに積層方向に延びる複数の孔が形成された構造が開示されている。

特許文献３には、複数の孔が形成された平坦部上に積層方向に延びる複数の六角柱の柱状構造体がそれぞれ形成された複数の層を、基本周期の１／３ずつずらしながら積層した構造が開示されている。
米国特許第５，３３５，２４０号明細書 米国特許第５，４４０，４２１号明細書 米国特許第６，５９７，８５１号明細書 Physical Review Letters,Vol.58,pp.2059,1987年

特許文献１にて提案されているウッドパイル構造は、４層で１周期が構成されるため、構造が簡単で作製が容易であるという利点を有する。

しかし、現在最も広い完全フォトニックバンドギャップの波長幅が得られるインバースオパール構造に対して、フォトニックバンドギャップ幅が狭く、広い波長帯域で動作する導波路や波長選択フィルタ等の機能素子（光学素子）を実現することが難しい。一方、インバースオパール構造は、従来の半導体製造プロセスに用いられる手法によっては製造が困難である。

また、特許文献２にて提案されている構造も完全フォトニックバンドギャップを有するが、非常に深い複数の孔を形成する必要があり、製造が困難である。

さらに、特許文献３にて提案されている構造は、ウッドパイル構造に比べて異方性が少なく、比較的広いフォトニックバンドギャップ幅を有する。しかし、６層で１周期が構成されるため、層同士のアライメントにきわめて高い精度が必要になる等、製造が困難である。

本発明は、広い波長域で良好な完全フォトニックバンドギャップを有し、製造が容易な３次元フォトニック結晶及びその製造方法を提供する。

本発明の一側面としての３次元フォトニック結晶は、第１の媒質により形成された構造体と該第１の媒質よりも屈折率が低い第２の媒質とが３次元方向に周期的に配置されて構成された３次元フォトニック結晶である。該３次元フォトニック結晶において、構造体が第１の方向に延びる第１層及び第３層と、構造体が第２の方向に延びる第２層及び第４層とが、第１層から第４層の順に積層されている。第１層の構造体と第３層の構造体とは、第２の方向において半周期ずれて配置され、第２層の構造体と第４層の構造体とは第１の方向において半周期ずれて配置されている。

各層の構造体は、第１層から第４層の積層方向での一端面としての平坦面を有するとともに、該平坦面に沿った幅及び該平坦面からの高さがそれぞれ第１の幅及び第１の高さである第１の構造部分と、該幅及び高さがそれぞれ第１の幅及び第１の高さよりも大きい第２の幅及び第２の高さである第２の構造部分と、第１及び第２の構造部分の間に設けられ、構造体が延びる方向に幅及び高さが連続的又は段階的に変化する第３の構造部分とを、構造体が延びる方向に周期的に有する。

そして、第１から第４層における互いに隣接する２層のうち一方の層における第１の構造部分での平坦面が、他方の層における第２の構造部分の上記平坦面とは反対側の面に接していることを特徴とする。

なお、上記３次元フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ作用を利用して動作する機能素子も本発明の他の側面を構成する。

本発明によれば、広い波長域で良好な完全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を、容易に製造することができる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である３次元フォトニック結晶の概略を示している。

本実施例の３次元フォトニック結晶は、積層された第１層１１０、第２層１２０、第３層１３０及び第４層１４０からなる４層を基本周期とし、該基本周期の４層が繰り返し積層された構造を有する。図１には、２つの基本周期分の構造を示している。

第１〜第４層１１０〜１４０はそれぞれ、第１の媒質により形成された複数の柱状構造体１５０と該第１の媒質よりも屈折率が低い第２の媒質（例えば、空気）とを周期的に（交互に）配置することで構成されている。これにより、第１の媒質により形成された柱状構造体１５０と第２の媒質とが３次元方向に周期的に配置された３次元フォトニック結晶が構成される。

また、第１層１１０及び第３層１３０では、柱状構造体１５０がＸ軸方向（第１の方向）に延び、第２層１２０及び第４層１４０では、柱状構造体１５０がＹ軸方向（第２の方向）に延びている。

なお、以下の説明において、柱状構造体１５０が延びる方向を、柱状構造体１５０の長手方向ともいう。また、柱状構造体１５０の長手方向に直交する方向であって各層内での柱状構造体１５０の配置方向（例えば、第１層１１０ではＹ軸方向、第２層１２０ではＸ軸方向）での該柱状構造体１５０の寸法を、柱状構造体１５０の幅という。さらに、柱状構造体１５０の長手方向に直交する方向であって第１〜第４層１１０〜１４０の積層方向（Ｚ軸方向）での該柱状構造体１５０の寸法を、柱状構造体１５０の高さという。

第１層１１０の柱状構造体１５０と第３層１３０の柱状構造体１５０とは、後に詳しく説明するように、Ｙ軸方向において、柱状構造体１５０の配置周期の半分（半周期）だけずれて配置されている。また、同様に、第２層１２０の柱状構造体１５０と第４層１４０の柱状構造体１５０とは、Ｙ軸方向において、柱状構造体１５０の配置周期の半分（半周期）だけずれて配置されている。

図２には、柱状構造体１５０の形状を示す。また、図３には、該柱状構造体１５０を構成する複数の構造部分を分解して示している。図中のｘ，ｙ，ｚ軸は、図１中のＸ，Ｙ，Ｚ軸の座標系とは異なる柱状構造体１５０のローカルな座標系を示しており、ｘ，ｙ軸は図１におけるＸ軸又はＹ軸に対応し、ｚ軸は図におけるＺ軸に対応する。

図２に示すように、柱状構造体１５０は、第１〜第４層１１０〜１４０の積層方向（ｚ軸方向）での一端面（底面）をなす平坦面２０１を有する。平坦面２０１は、後述する第１〜第３の構造部分に対して共通した底面である。なお、平坦面２０１は、該柱状構造体１５０の実際の製造において許容される範囲での面粗さ（凹凸）を有してもよい。

２１０は第１の構造部分であり、その平坦面２０１に沿った幅（以下、単に幅という）、該平坦面からの高さ（以下、単に高さという）及び長手方向の長さ（以下、単に長さという）はそれぞれ、第１の幅Ｗ１、第１の高さＨ１及び第１の長さＬ１である。

２２０は第２の構造部分であり、その幅及び高さはそれぞれ、第１の幅Ｗ１より大きい第２の幅Ｗ２、及び第１の高さＷ１より高い第２の高さＨ２である。なお、第２の構造部分２２０の長さは第２の長さＬ２であり、第１の長さＬ１と同じであってもよいし、それとは異なる（それよりも長い又は短い）長さであってもよい。

２３０は第３の構造部分であり、第１及び第２の構造部分２１０，２２０の間に設けられている。第３の構造部分２３０は、長手方向に幅及び高さが連続的に変化（増加又は減少）する形状を有する。第３の構造部分２３０における第１の構造部分２１０に接する端部の幅及び高さはそれぞれ第１の幅Ｗ１及び第１の高さＬ１であり、第２の構造部分２２０に接する端部の幅及び高さはそれぞれ第２の幅Ｗ２及び第２の高さＬ２である。第３の構造部分２３０の長さは第３の長さＬ３であり、Ｌ１，Ｌ２と同じであってもよいし、それとは異なる（それよりも長い又は短い）長さであってもよい。

２４０は第２の構造部分２２０を挟んで第３の構造部分２３０とは反対側に設けられた第３の構造部分であり、第３の構造部分２３０を長手方向において反転した形状（ｘｚ面を対称面とする面対称形状）を有する。すなわち、第３の構造部分２４０における第１の構造部分２１０に接する端部の幅及び高さはそれぞれ第１の幅Ｗ１及び第１の高さＬ１であり、第２の構造部分２２０に接する端部の幅及び高さはそれぞれ第２の幅Ｗ２及び第２の高さＬ２である。また、長さは第３の長さＬ３である。

さらに、本実施例では、図３に示すように、第１及び第２の構造部分２１０，２２０の幅方向の側面２１３，２１４，２２３，２２４は、ｙ及びｚ軸方向（ｙｚ面）に平行であり、高さ方向の上面２１５，２２５及び底面（平坦面２０１）は、ｘ及びｙ軸方向（ｘｙ面）に平行である。さらに、長手方向であるｙ軸方向の両端面２１１，２１２，２２１，２２２は、ｘ及びｚ軸方向（ｘｚ面）に平行である。すなわち、第１及び第２の構造部分２１０，２２０は、四角柱形状（直方体形状）を有する。

一方、第３の構造部分２３０，２４０の長手方向の両端面２３１，２３２，２４１，２４２はｘ及びｚ軸方向（ｘｚ面）に平行であり、底面（平坦面２０１）はｘ及びｙ軸方向（ｘｙ面）に平行である。また、幅方向の側面２３３，２３４，２４３，２４４及び上面２３５，２４５はそれぞれ、台形形状を有する。すなわち、第３の構造部分２３０，２４０は、四角錐台形状を有する。

柱状構造体１５０は、これら第１〜第３の構造部分２１０，２２０，２３０，２４０が、Ｌ１＋Ｌ２＋２Ｌ３＝Ｐの周期で長手方向であるｙ軸方向に繰り返し（周期的に）配置されることで構成されている。

図４には、柱状構造体１５０をｘ軸方向から見て示している。柱状構造体１５０は、第１の構造部分２１０、第３の構造部分２３０、第２の構造部分２２０及び第３の構造部分２４０が、この順でｙ軸方向に並んでいる。そして、隣接する構造部分のｙ軸方向端面（２１２と２３１、２３２と２２１、２２２と２４２、２４１と２１１）が互いに接している。第１〜第３の構造部分２１０〜２４０の底面２０１１，２０１２，２０１３，２０１４は平坦面２０１と同一面である。

図５には、第１〜第４層１１０〜１４０を積層方向であるＺ軸方向から見て示している。第１層１１０及び第３層１３０では、Ｘ軸方向に延びる複数の柱状構造体１５０がＹ軸方向に一定の周期（等間隔）Ｐで配置されている。第１層１１０の柱状構造体１５０と第３層１３０の柱状構造体１５０は、Ｙ軸方向にＰ／２だけずれた位置に配置されている。

また、第２層１２０及び第４層１４０では、Ｙ軸方向に延びる複数の柱状構造体１５０がＸ軸方向に一定の周期（等間隔）Ｐで配置されている。第２層１２０の柱状構造体１５０と第４層１４０の柱状構造体１５０は、Ｘ軸方向にＰ／２だけずれた位置に配置されている。

図６には、第１〜第４層１１０〜１４０のうち隣接する２層（第１層と第２層、第２層と第３層、第３層と第４層）間での柱状構造体１５０の接合位置を示している。図示していないが、第４層１４０と他の基本周期内の第１層１１０の柱状構造体１５０との接合位置についても同じである。

隣接する２層において、一方の層の柱状構造体１５０のうち幅及び高さが小さい第１の構造部分２１０の底面２０１１と、他方の層の柱状構造体１５０のうち幅及び高さが大きい第２の構造部分２２０の上面２２５とが互いに交差して接している。第２の構造部分２２０の上面２２５は、その底面２０１２（平坦面２０１）とは反対側の面である。

このように構成された本実施例の３次元フォトニック結晶において、第１の媒質及び第２の媒質の屈折率と柱状構造体１５０の形状を適切に設定することで、広い周波数帯域（波長域）において完全フォトニックバンドギャップを得ることがきる。

例えば、第１及び第２の媒質の屈折率Ｎ１，Ｎ２、第１及び第２の構造部分２１０，２２０の幅Ｗ１，Ｗ２、高さＨ１，Ｈ２及び長さＬ１，Ｌ２を表１に示す値に設定して、平面波展開法によりフォトニックバンド構造を解析した結果を図７に示す。なお、表１中のＷ１，Ｗ２，Ｈ１，Ｈ２，Ｌ１，Ｌ２は周期Ｐに対する割合を示している。

例えば、周期Ｐを２５０ｎｍとした場合、Ｗ１は８５ｎｍ、Ｗ２は９２．５ｎｍ、Ｌ１は２５ｎｍ、Ｌ２は１０５ｎｍ、Ｈ１は４５ｎｍ、Ｈ２は８８．４ｎｍとなる。

図７において、横軸は波数ベクトル、すなわちフォトニック結晶に入射する電磁波の入射方向を表している。

例えば、Ｋ点はＺ軸と平行な波数ベクトル、Ｘ点はＸＹ面内においてＸ軸（あるいはＹ軸）に対して４５°の傾きを持った波数ベクトルを表している。また、Ｌ点はＹＺ面内においてＹ軸に対して３５．２６°の傾きを持った波数ベクトルを表している。一方、縦軸は、周期Ｐで規格化した周波数（規格化周波数）を示している。

図７中のハッチングで示した規格化周波数０．４４から０．４８においては、光の入射方向に依らず光が存在できない完全フォトニックバンドギャップが形成されている。

この構造における完全フォトニックバンドギャップ比Δω／ω０は、０．０８５となる。完全フォトニックバンドギャップ比Δω／ω０とは、完全フォトニックバンドギャップ（規格化）周波数帯域Δωの、完全フォトニックバンドギャップの中心（規格化）周波数ω０に対する比として定義される。

例えば、周期Ｐを上記のように２５０ｎｍとすると、完全フォトニックバンドギャップ中心波長は５４１ｎｍとなり、波長５１９ｎｍから波長５６５ｎｍの波長域において完全フォトニックバンドギャップが得られる。

本実施例の３次元フォトニック結晶の完全フォトニックバンドギャップ比は、同じ屈折率（２．４，１．０）の第１及び第２の媒質を用いた従来のウッドパイル構造の３次元フォトニック結晶と比べて、約１．２倍となる。この理由は以下の通りである。

本実施例の構造では、隣接する２層における柱状構造体１５０の交点に相当する位置が、ウッドパイル構造に比べて積層方向において増加する。このため、積層方向に電界の振動方向を持つ偏光成分の電磁波に対して、第１の媒質中にエネルギーが集中する定在波及び第２の媒質中にエネルギーが集中する定在波が存在し易くなる。また、それぞれのエネルギーの集中度合いが高いため、完全フォトニックバンドギャップの帯域が広くなる。

なお、本実施例では、第１及び第２の構造部分２１０，２２０が四角柱形状の１つである直方体形状を有し、第３の構造部分２３０，２４０が四角錐台形状を有する場合について説明した。しかし、各構造部分の形状はこれら以外であってもよい。

例えば、図８Ａに示すように、第１〜第３の構造部分２１０〜２４０を、長手方向断面が台形となる形状に形成してもよい。この場合の第１及び第２の構造部分２１０，２２０の形状は、直方体形状ではない四角柱形状であり、第３の構造部分２３０，２４０の形状は、長手方向端面が台形である四角錐台形状である。

また、図８Ｂに示すように、第１及び第２の構造部分２１０，２２０を六角柱形状に形成し、第３の構造部分２３０，２４０を六角錐台形状に形成してもよい。

また、図８Ｃに平面図（上図）及び側面図（下図）を示すように、幅及び高さが滑らかに（曲線的に）変化する形状であってもよい。図には、この場合の第１〜第３の構造部分２１０〜２４０の境界を点線で示している。

さらに、図８Ｄに示すように、第３の構造部分２３０，２４０を、その幅及び高さが長手方向に段階的に変化するように形成してもよい。

また、本実施例の３次元フォトニック結晶において、表１に示した屈折率や寸法は例に過ぎず、他の屈折率や寸法を用いてもよい。例えば、表２には、他の例としての第１及び第２の媒質の屈折率Ｎ１，Ｎ２、第１及び第２の構造部分２１０，２２０の幅Ｗ１，Ｗ２、高さＨ１，Ｈ２及び長さＬ１，Ｌ２を示す。表２のように各値を設定した場合に平面波展開法によりフォトニックバンドギャップ構造を解析すると、完全フォトニックバンドギャップ比は０．２１５となる。

そして、この場合の完全フォトニックバンドギャップ比は、同じ屈折率（３．３，１．０）の第１及び第２の媒質を用いたウッドパイル構造の場合に比べて、約１．２倍となる。

このように、３次元フォトニック結晶を構成する媒質の屈折率を変化させても、広い周波数帯域（波長域）において完全フォトニックバンドギャップを得ることがきる。

特に、本実施例によれば、１つの基本周期を形成する層数が４層と少ないにも関わらず、完全フォトニックバンドギャップが得られる周波数帯域を広くすることができる。

次に、実施例１にて説明した３次元フォトニック結晶（柱状構造体１５０）の具体的な製造方法の例について説明する。

実施例１にて説明した柱状構造体１５０において、第１及び第２の構造部分２１０，２２０は、幅及び高さが一定であるので、その製造はきわめて容易である。一方、第３の構造部分２３０，２４０は、その幅及び高さが変化するため、本実施例では、「異方性堆積方法」を用いて製造する。

まず、「異方性堆積方法」について説明する。異方性堆積方法はＣＶＤ法やスパッタリング法があるが、ここではスパッタリング法について説明する。スパッタリングでは、プラズマ中に生じるＤＣ電圧で加速された不揮発性ガスイオンがターゲットに照射される。このとき、弾き飛ばされたターゲットの中性のスパッタ粒子は、ガス粒子と衝突して角度分散を持って基板に到達する。この角度分散が、後述する「直進性堆積方法」に比べて大きい堆積方法を、「異方性堆積方法」という。

異方性堆積方法を用いると、図９に示すように、ターゲット基板９０１上に犠牲層によって凸領域９０２が形成されていた場合、該凸領域９０２によってスパッタ粒子９０３が遮られ、凸領域９０２近傍でのスパッタ粒子９０３の堆積量が減少する。

図１０Ａ〜図１０Ｃは、この現象を利用して、図１〜図８Ｃに示した３次元的に幅と高さが連続的に変化する構造体を製造するプロセスを示す。３次元的に幅と高さが連続的に変化する構造体は、実施例１で説明した第３の構造部分２３０，２４０に相当する。

図１０Ａ〜図１０Ｃにおいて、左側には平面図（図１のＺ軸方向から見た図に相当する）を、右側には左側の図のＡ−Ａ′，Ｂ−Ｂ′，Ｃ−Ｃ′での断面を示す。

まず、図１０Ａに示すように、基板１００１上に、平面視において幅が連続的に変化するＶ形状の溝が形成された犠牲層１００２を設ける（第１の工程）。なお、図８Ｄに示した３次元的に幅と高さが段階的に変化する構造体も、犠牲層１００２の溝の幅を段階的に変化させることで製造することができる。

次に、図１０Ｂに示すように、犠牲層１００２が形成された基板１００１上に、異方性堆積方法で第１の媒質の粒子（スパッタ粒子）１００３を堆積させる（第２の工程）。このとき、前述した理由によって、溝幅が狭い領域ほど溝内に堆積する粒子１００３の量が少なくなり、幅及び高さが小さくなる。

この後、図１０Ｃに示すように、犠牲層１００２を除去すれば、３次元的に幅と高さが連続的に変化する構造体１００４が形成される。

図１１Ａ〜図１１Ｆには、図１０Ａ〜図１０Ｃに示した方法を用いて、第１〜第３の構造部分を有する柱状構造体を一括して製造するプロセスを示している。図１１Ａ〜図１１Ｆには、平面図（図１のＺ軸方向から見た図に相当する）と、該平面図中に２本の一点鎖線で示したラインでの２つの断面を示している。

まず、図１１Ａに示すように、基板１１００上に、柱状構造体１５０の底面パターン１５０Ａを溝として有する第１層用の犠牲層１１０１を形成する
次に、異方性堆積方法によって、犠牲層１１０１が形成された基板１１００上に、第１の媒質（図中には媒質１と記す）の粒子（スパッタ粒子）を堆積させる。前述した理由によって、溝幅が狭い領域ほど高さが低い構造体が形成される。

ここで、第１の媒質は、異方性のある堆積が起こり得る媒質であればよく、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＺｎＯ等の化合物半導体や、Ｓｉ等の半導体や、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２等の誘電体を用いることができる。ここでは、第１の媒質としてＳｉＯ_２を用いた場合について説明する。

次に、図１１Ｃに示すように、第１の媒質（ＳｉＯ_２）を溶解させずに犠牲層１１０１を溶解させる溶媒１（図示せず）を用いて犠牲層１１０１を基板１１００からリフトオフさせることで、図１に示した第１層１１０を構成する柱状構造体１２０１が形成される。

次に、図１１Ｄに示すように、蒸着によって柱状構造体１２０１の周囲を、溶媒１に対しては溶解せずに別の溶媒２に対しては溶解する材料で形成した犠牲層１１０４で埋める。ここで、溶媒２はＳｉＯ_２を溶解しない溶媒である。例えば、上述した犠牲層１１０１をレジスト等の有機媒質で形成した場合は、溶媒１としてアセトン等の有機溶媒を用い、溶媒２として硫酸を用い、犠牲層１１０４をＣｕで形成すればよい。そして、周囲が犠牲層１１０４で埋められた柱状構造体１２０１の上面（図３に示した第２の構造部分２２０の上面２２５）を研磨して平坦化する。

続いて、図１１Ｅに示すように、第１層と同様に、柱状構造体１５０の底面パターンを溝として有する第２層用の犠牲層１１０６を形成する。ただし、溝が延びる方向は、第１層とは直交した方向である。

そして、図１１Ｆに示すように、異方性堆積方法によって、犠牲層１１０６が形成された基板１１００上に、第１の媒質の粒子（スパッタ粒子）を堆積させる。ここでも、前述した理由によって、溝幅が狭い領域ほど高さが低い構造体が形成される。

次に、図１０Ｇに示すように、犠牲層１１０６を溶媒２によって基板１１００からリフトオフさせることで、図１に示した第１層１２０を構成する柱状構造体１２０２が形成される。犠牲層１１０４は溶媒２に対しては溶解しないので、犠牲層１１０４上に形成された柱状構造体１２０２もリフトオフされない。

第３層以降についても、以上のプロセスを繰り返す。これにより、第１〜第４層を基本周期とした３次元フォトニック結晶の柱状構造体を製造することができる。

そして、最後に、残った犠牲層１１０４を溶媒２を用いて除去することで、図１２に示すように、第２の媒質である空気と第１の媒質により形成された柱状構造体とが周期的に配置された３次元フォトニック結晶が完成する。

なお、本実施例では、柱状構造体を１回の第１の媒質の堆積によって形成する場合について説明したが、幅と高さが変化する第３の構造部分と幅と高さが一定である第１及び第２の構造部分とを分けて形成してもよい。また、第１の媒質の堆積後に、必要な領域にマスクを配置してエッチングを行うことで、幅と高さを調整してもよい。

本実施例の製造方法によれば、従来のウッドパイル構造に対して工程数を増やすことなく各層内において幅と高さが変化する柱状構造体を形成することができる。このため、層内方向だけでなく、積層方向を含む斜め方向への対称性を改善することができ、より広い波長域で完全フォトニックバンドギャップが得られる３次元フォトニック結晶を実現することができる。

次に、実施例１にて説明した３次元フォトニック結晶（柱状構造体１５０）の具体的な製造方法の他の例について説明する。

本実施例では、基板（つまりは、柱状構造体の形成予定領域）を傾けながら、直進性堆積方法で作製するプロセスを説明する。

まず、「直進性堆積方法」について説明する。直進性堆積方法としては、真空蒸着法がある。真空蒸着法では、電子ビームによって過熱されたターゲット原子が気化し、基板上に堆積する。気化したターゲット原子は真空中を進むため、基板に飛来する粒子（原子）の角度分散が「異方性堆積方法」に比べて小さい。この角度分散が小さい堆積方法を、「直進性堆積方法」という。

図１３Ａ〜図１３Ｃは、直進性堆積方法を用いて、図１〜図８Ｃに示した３次元的に幅と高さが連続的に変化する構造体を製造するプロセスを示す。

図１３Ａ〜図１３Ｃにおいて、左側には平面図（図１のＺ軸方向から見た図に相当する）を、右側には左側の図のＡ−Ａ′，Ｂ−Ｂ′，Ｃ−Ｃ′での断面を示す。

まず、図１３Ａに示すように、基板１３０１上に、平面視において幅が連続的に変化するＶ形状の溝が形成された犠牲層１３０２を設ける（第１の工程）。なお、図８Ｄに示した３次元的に幅と高さが段階的に変化する構造体も、犠牲層１３０２の溝の幅を段階的に変化させることで製造することができる。

次に、図１３Ｂに示すように、基板１３０１を粒子が到達してくる方向（蒸着方向）に対して一定角度だけ傾けて、直進性の堆積を行う（第２の工程）。さらに、図１３Ｃに示すように、基板１３０１を図１３Ｂとは反対方向に一定角度だけ傾けて、直進性の堆積を行う。このように基板１３０１を傾けながら直進性の堆積を行うと、飛来する第１の媒質の粒子（蒸着粒子）１３０２が犠牲層１３０２によって遮られる。このため、犠牲層１３０２における溝幅の狭い領域ほど溝内に堆積する粒子１３０２の量が少なくなり、幅及び高さが小さくなる。

そして、図１３Ｄに示すように、溶媒５０２を用いて犠牲層１３０２を除去すれば、３次元的に幅と高さが異なる構造体１３０４が形成される。

なお、第１の媒質は、蒸着等によって直進性のある堆積が行える媒質であればよい。例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＺｎＯ等の化合物半導体や、Ｓｉ等の半導体や、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２等の誘電体を用いることができる。

このようなプロセスを利用して実施例２で図１１Ａ〜図１１Ｂを用いて説明したように、第２層以降を形成する。

本実施例の製造方法によれば、従来のウッドパイル構造に対して、基板を傾ける工程を増やすだけで、各層内において幅と高さが変化する柱状構造体を形成することができる。このため、層内方向だけでなく、積層方向を含む斜め方向への対称性を改善することができ、より広い波長域で完全フォトニックバンドギャップが得られる３次元フォトニック結晶を実現することができる。

次に、実施例１で説明した３次元フォトニック結晶を用いた機能素子について説明する。３次元フォトニック結晶の完全フォトニックバンドギャップ作用を利用して様々な機能素子を実現することができる。

図１４Ａは、３次元フォトニック結晶中に、その周期を乱す線状欠陥部を設けることによって導波路１４００を形成した機能素子を示す。フォトニック結晶におけるフォトニックバンドギャップ波長域内の波長域の電磁波（例えば、光）は、線状欠陥部により形成された導波路１４００でのみ存在できる。したがって、その電磁波のみを導波路１４００を介して伝播させる機能素子を実現することができる。

図１４Ｂは、３次元フォトニック結晶中に、複数の線状欠陥部を設けることによって曲げ導波路１４０１を形成した機能素子を示す。

図１４Ｃは、３次元フォトニック結晶中に、周期を乱す孤立した点状欠陥部を設けることによって共振器１４０２を形成した機能素子を示す。フォトニック結晶におけるフォトニックバンドギャップ波長域内の波長域の電磁波を、点状欠陥部としての非常に小さい共振器１４０２内に閉じ込めることにより、閉じ込め効果の高い高性能な共振器を含む機能素子を実現できる。また、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を実現できる。

また、共振器内に活性媒質を充填し、共振器の外部から電磁波や電流等でエネルギーを供給することにより、高効率のレーザや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（８００〜１８００ｎｍ）とすることで、光通信用光源を得ることができる。また、共振器の共振波長を光の三原色である赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）とすることで、画像表示装置用の光源として用いることもできる。さらに、ＣＤやＤＶＤ等の装置における光ピックアップ用光源を得ることもできる。

また、図１４Ａ及び図１４Ｂに示した導波路、図１４Ｃに示した共振器や発光素子、及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、超小型の高機能集積回路を実現することができる。

なお、図１４Ａ〜図１４Ｃでは、３次元フォトニック結晶中の柱状構造体の一部を除去して導波路（線状欠陥部）や共振器（点状欠陥部）を形成した例を示したが、柱状構造体の位置を本来の位置からずらしたり、形状を変えたりして導波路や共振器を形成してもよい。また、柱状構造体の一部を第１の媒質とは屈折率が異なる媒質で置換して線状欠陥部としての導波路や点状欠陥部としての共振器を形成してもよい。

以上説明したように、実施例の３次元フォトニック結晶は、１つの基本周期を構成する層数が４層と少なく、従来のウッドパイル構造に比べて工程数を大きく増やすことなく製造することができる。そして、実施例の３次元フォトニック結晶は、屈折率周期構造の方向依存性が弱いために、ウッドパイル構造よりも広い周波数域（波長域）で完全フォトニックバンドギャップが得られる。

そして、この３次元フォトニック結晶を用いて機能素子を構成すれば、製造が容易で、より広い波長域で動作可能な機能素子や、超小型高機能集積回路を実現できる。

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。

本発明の実施例１である３次元フォトニック結晶の概略構造を示す斜視図。 実施例１の３次元フォトニック結晶の柱状構造体の斜視図。 図２に示した柱状構造体の分解斜視図。 図２に示した柱状構造体の側面図。 実施例１の３次元フォトニック結晶の各層の構造を示す平面図。 実施例１の３次元フォトニック結晶における各層の柱状構造体の接合の様子を示す分解斜視図。 実施例１の３次元フォトニック結晶の特性を示す図。 図２に示した柱状構造体の変形例を示す斜視図。 図２に示した柱状構造体の別の変形例を示す斜視図。 図２に示した柱状構造体のさらに別の変形例を示す平面図と側面図。 図２に示した柱状構造体の他の変形例を示す斜視図。 本発明の実施例２である３次元フォトニック結晶の製造方法の原理を説明する図。 実施例２である３次元フォトニック結晶における第３の構造部分の製造方法を説明する図。 実施例２である３次元フォトニック結晶における第３の構造部分の製造方法を説明する図。 実施例２である３次元フォトニック結晶における第３の構造部分の製造方法を説明する図。 実施例２である３次元フォトニック結晶における柱状構造体の製造方法を説明する図。 実施例２である３次元フォトニック結晶における柱状構造体の製造方法を説明する図。 実施例２である３次元フォトニック結晶における柱状構造体の製造方法を説明する図。 実施例２である３次元フォトニック結晶における柱状構造体の製造方法を説明する図。 実施例２である３次元フォトニック結晶における柱状構造体の製造方法を説明する図。 実施例２である３次元フォトニック結晶における柱状構造体の製造方法を説明する図。 実施例２である３次元フォトニック結晶における柱状構造体の製造方法を説明する図。 実施例２である３次元フォトニック結晶における柱状構造体の製造方法を説明する図。 本発明の実施例３である３次元フォトニック結晶における第３の構造部分の製造方法を説明する図。 実施例３である３次元フォトニック結晶における第３の構造部分の製造方法を説明する図。 実施例３である３次元フォトニック結晶における第３の構造部分の製造方法を説明する図。 実施例３である３次元フォトニック結晶における第３の構造部分の製造方法を説明する図。 実施例１の３次元フォトニック結晶を利用した本発明の実施例４である機能素子の例を示す図。 実施例１の３次元フォトニック結晶を利用した別の機能素子の例を示す図。 実施例１の３次元フォトニック結晶を利用した別の機能素子の例を示す図。

符号の説明

１１０〜１４０ 層
１５０ 柱状構造体
２０１ 平坦面
２１０ 第１の構造部分
２２０ 第２の構造部分
２３０，２４０ 第３の構造部分

Claims (2)

1. 第１の媒質により形成された構造体と該第１の媒質よりも屈折率が低い第２の媒質とが３次元方向に周期的に配置されて構成された３次元フォトニック結晶であって、
   前記構造体が前記第１の方向に延びる第１層及び第３層と、前記構造体が第２の方向に延びる第２層及び第４層とが、前記第１層から前記第４層の順に積層され、
   前記第１層の前記構造体と前記第３層の前記構造体とが、前記第２の方向において半周期ずれて配置され、前記第２層の前記構造体と前記第４層の前記構造体とが前記第１の方向において半周期ずれて配置されており、
   前記各層の前記構造体は、前記第１層から前記第４層の積層方向での一端面としての平坦面を有するとともに、
   該平坦面に沿った幅及び該平坦面からの高さがそれぞれ第１の幅及び第１の高さである第１の構造部分と、前記幅及び前記高さがそれぞれ前記第１の幅及び前記第１の高さよりも大きい第２の幅及び第２の高さである第２の構造部分と、前記第１及び第２の構造部分の間に設けられ、前記構造体が延びる方向に前記幅及び前記高さが連続的又は段階的に変化する第３の構造部分とを、前記構造体が延びる方向に周期的に有し、
   前記第１層から前記第４層における互いに隣接する２層のうち一方の層における前記第１の構造部分での前記平坦面が、他方の層における前記第２の構造部分の前記平坦面とは反対側の面に接していることを特徴とする３次元フォトニック結晶。
2. 請求項１に記載の３次元フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ作用を利用して動作することを特徴とする機能素子。