JP6277176B2 - Photonic crystal preparation method - Google Patents
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Description
本発明は、フォトニック結晶の調製方法に関し、特に、サブミクロン穴を有するフォトニック結晶の調製方法に関するものである。 The present invention relates to a method for preparing a photonic crystal, and more particularly to a method for preparing a photonic crystal having a submicron hole.
物理蒸気輸送法(Physical Vapor Transport、PVT)や物理蒸着法(Physical Vapor Deposition、PVD)は、炭化珪素結晶成長の技術であり、チップ量産の技術としても利用される。例えば、米国特許第US5,746,827号の炭化珪素結晶成長の方法があり、それは、物理蒸気輸送法(PVT)で、大寸法の結晶体を成長させる。 The physical vapor transport method (Physical Vapor Transport, PVT) and the physical vapor deposition method (Physical Vapor Deposition, PVD) are silicon carbide crystal growth techniques and are also used as chip mass production techniques. For example, there is a silicon carbide crystal growth method of US Pat. No. 5,746,827, which grows large size crystals by physical vapor transport (PVT).
また、フォトニック結晶は、二次元や三次元空間においての材料の屈折率や比誘電率を、周期的に変化させる構造であり、上記構造は、原子が、固体結晶体においての配列を模倣するものである。関係する背景技術は、例えば、中華民国特許I318418、8384988等の特許が、殆ど、二次元方式で、三次元構造に類似するものに成長するため、フォトニック結晶が、二次元方向の輸送にしか適用されない。作製の困難度のために、三次元フォトニック結晶は、研究開発上、二次元フォトニック結晶より遅れている。三次元結晶体の作製方式は、わが国や米国に、関連する文献が少なく、その原因のひとつは、今まで、沈積方法で、異なる原子を交互的に多層の層状構造を沈着することが難しい。例えば、米国特許US8384988は、電気化学電圧の方式で原子の沈積を制御し、米国特許US8309113、US7799378は、エッチング除去可能の物質や高分子材料微細粒子を、異なる誘電体同士の充填物として、多層に堆積して三次元構造を形成する。米国特許US7990611、US7919216は、ともに、光学方式でフォトニック結晶を調製し、前者は、レザー光学回折原理を利用して干渉縞を生成して、フォトニック結晶に必要とする周期的な構造を調製し、後者は、光マスク方式で、光マスクに一致するフォトニック結晶の周期的な構造を生成する。電気化学方式やエッチング、光学露光現像及び半導体工程技術等によって作製されたフォトニック結晶材料の特性は、加工やエッチングの容易性がよく、簡単な工程で行うことができるため、材料の選別性が制限される。 A photonic crystal is a structure that periodically changes the refractive index and relative dielectric constant of a material in a two-dimensional or three-dimensional space, and the above structure imitates the arrangement of atoms in a solid crystalline body. Is. The related background technology is that, for example, patents such as the Chinese patents I318418 and 8384988 are mostly grown in a two-dimensional manner and similar to a three-dimensional structure, so that a photonic crystal can only be transported in a two-dimensional direction. Not applicable. Due to the difficulty of fabrication, the three-dimensional photonic crystal is behind the two-dimensional photonic crystal in research and development. There are few literatures related to the fabrication method of three-dimensional crystals in Japan and the United States, and one of the causes is that it has been difficult to deposit a multi-layered structure in which different atoms are alternately deposited by a deposition method until now. For example, U.S. Pat.No.8384988 controls the deposition of atoms by the method of electrochemical voltage, while U.S. Pat. To form a three-dimensional structure. US patents US7990611 and US7919216 both prepare photonic crystals by optical method, the former uses laser optical diffraction principle to generate interference fringes and prepare periodic structures required for photonic crystals The latter generates a periodic structure of the photonic crystal that matches the optical mask by an optical mask method. The characteristics of photonic crystal materials produced by electrochemical methods, etching, optical exposure development and semiconductor process technology, etc. are easy to process and etch, and can be performed in a simple process. Limited.
本発明者は、上記欠点を解消するため、慎重に研究し、また、学理を活用して、有効に上記欠点を解消でき、設計が合理である本発明を提案する。 The present inventor proposes the present invention in which the above-mentioned drawbacks are solved by careful research, and the above-mentioned drawbacks can be effectively eliminated by utilizing science, and the design is rational.
フォトニック結晶は、内部に、周期的に配列された異なる誘電体がある。例えば、フォトニック結晶の内部に、周期的に配列された第一誘電体と第二誘電体があり、また、上記第一誘電体に、比較的に高い屈折率n1を有し、上記第二誘電体に、比較的に低い屈折率n2を有し、二つの誘電体の屈折率比が、n1/n2で、この比値が大きければ、誘電体同士の屈折率の差異が大きくなり、上記フォトニック結晶は、より大きい光子バンドギャップを持つ。 The photonic crystal has different dielectrics periodically arranged therein. For example, there are a first dielectric and a second dielectric that are periodically arranged inside the photonic crystal, and the first dielectric has a relatively high refractive index n1, and the second dielectric The dielectric has a relatively low refractive index n2, the refractive index ratio of the two dielectrics is n1 / n2, and if this ratio is large, the difference in refractive index between the dielectrics becomes large, Photonic crystals have a larger photon band gap.
フォトニック結晶によく利用される材料は、二酸化珪素であり、その屈折率(n)が、1.45で、また、酸化亜鉛であり、その屈折率(n)が、2.0である。二酸化珪素や酸化亜鉛に比較すると、広バンドギャップ材料は、比較的に高い屈折率を有し、例えば、炭化珪素の屈折率(n)が、2.65で、窒化アルミニウムの屈折率(n)が、2.15で、窒化ガリウムの屈折率(n)が、2.4である。 A material often used for the photonic crystal is silicon dioxide, which has a refractive index (n) of 1.45 and zinc oxide, and a refractive index (n) of 2.0. Compared to silicon dioxide and zinc oxide, the wide band gap material has a relatively high refractive index, for example, the refractive index (n) of silicon carbide is 2.65, and the refractive index (n) of aluminum nitride is At 2.15, the refractive index (n) of gallium nitride is 2.4.
屈折率(n)が1の近くにある空気を、屈折率が比較的に低い第二誘電体とする場合、第一誘電体の屈折率が大きければ、上記フォトニック結晶は、より大きい屈折率差異を有し、また、より大きい光子バンドギャップを有する。屈折率の比較的に高い広バンドギャップ材料を、上記第一誘電体とする場合、二つ仏の誘電体同士の屈折率差異を高くすることに有利であって、光子バンドギャップが比較的に大きいフォトニック結晶が得られる。 When air having a refractive index (n) near 1 is a second dielectric having a relatively low refractive index, the photonic crystal has a higher refractive index if the refractive index of the first dielectric is large. With differences and larger photon band gaps. When the first dielectric is a wide band gap material having a relatively high refractive index, it is advantageous to increase the refractive index difference between the two French dielectrics, and the photon band gap is relatively high. Large photonic crystals are obtained.
また、広バンドギャップ材料を適用するフォトニック結晶の調製方法を提供することにより、従来の、フォトニック結晶の二つの誘電体同士の屈折率差異が不足である問題を解消できる。 In addition, by providing a method for preparing a photonic crystal using a wide bandgap material, the conventional problem of insufficient refractive index difference between two dielectrics of a photonic crystal can be solved.
本発明は、上記従来技術の諸欠点を解消するために、フォトニック結晶の調製方法を提供し、それは、
種晶を用意し、上記種晶の一面に対して、エッチングして、表面に、サブミクロン隙間を有する種晶を形成するステップ1と、
石墨盤を用意して、上記石墨盤の一面に石墨ゲルを塗布し、上記石墨ゲルを利用して、上記種晶のサブミクロン隙間を有する一面を、上記石墨盤に貼付け、結晶座が形成されるステップ2と、
上記結晶座を成長室の上方に位置するように、原料を、上記成長室の下方にセットするステップ3と、
加熱装置で、上記成長室内部において、温度場が形成され、上記結晶座が、上記温度場の相対的に低温端に位置して、上記原料が、上記温度場の相対的に高温端に位置するように、上記温度場を制御することにより、上記原料を、固体から気体分子に昇華させるステップ4と、
成長室内の温度や温度場、雰囲気及び圧力を制御し、上記気体分子を、上記種晶に沈着するように、転送させて、フォトニック結晶が形成されるステップ5と、
が含有され、
上記ステップ5においては、上記サブミクロン隙間の局部において、高温になって、上記サブミクロン隙間の底部にある結晶体を、気体分子に昇華させ、上記サブミクロン隙間の深さが深まれて、上記サブミクロン隙間に位置する気体分子が、石墨ゲルの表面に結晶し、上記サブミクロン隙間が封止されて、サブミクロン穴が形成される。
The present invention provides a method for preparing a photonic crystal in order to overcome the above-mentioned drawbacks of the prior art,
Preparing a seed crystal, etching one surface of the seed crystal, and forming a seed crystal having a submicron gap on the surface; and
Prepare a graphite board, apply a graphite gel on one side of the above-mentioned graphite board, and paste the one side with the submicron gap of the above seed crystal on the above-mentioned graphite board using the above-mentioned graphite gel to form crystal seats. Step 2 and
Setting the raw material below the growth chamber so that the crystal seat is located above the growth chamber; and
In the heating apparatus, a temperature field is formed in the inside of the growth chamber, the crystal seat is located at a relatively low temperature end of the temperature field, and the raw material is located at a relatively high temperature end of the temperature field. Step 4 to sublimate the raw material from a solid to a gas molecule by controlling the temperature field, and
Step 5 in which a photonic crystal is formed by controlling the temperature and temperature field in the growth chamber, the atmosphere and the pressure, and transferring the gas molecules so as to deposit on the seed crystal.
Contains
In the step 5, the temperature at the local part of the submicron gap becomes high, and the crystalline substance at the bottom of the submicron gap is sublimated to gas molecules, and the depth of the submicron gap is increased, and the submicron gap is increased. Gas molecules located in the micron gap crystallize on the surface of the graphite gel, and the submicron gap is sealed to form a submicron hole.
上記の調製方法によれば、さらに、複数回のステップ1-5が繰り返され、それらの過程において、前回のステップ1-5で調製されたフォトニック結晶を、種晶とし、多層のサブミクロン穴を有するフォトニック結晶が形成される。 According to the above preparation method, a plurality of steps 1-5 are further repeated. In the process, the photonic crystal prepared in the previous step 1-5 is used as a seed crystal, and a multi-layer submicron hole is formed. A photonic crystal having is formed.
上記の調製方法によれば、上記種晶と上記原料は、バンドギャップ材料である。 According to the method of preparation, the seed crystal and the raw material is a bandgap material.
上記の調製方法によれば、上記広バンドギャップ材料は、炭化珪素や窒化ガリウム或いは窒化アルミニウムである。 According to the above preparation method, the wide band gap material is silicon carbide, gallium nitride, or aluminum nitride.
上記の調製方法によれば、上記広バンドギャップ材料は、炭化珪素である。 According to the above preparation method, the wide band gap material is silicon carbide.
上記の調製方法によれば、上記炭化珪素の表面が、珪素面である。 According to said preparation method, the surface of the said silicon carbide is a silicon surface.
上記の調製方法によれば、上記ステップ1においては、エッチングによって形成されたサブミクロン隙間の深さが、500μmよりも大きい。 According to the method of preparation, in the above step 1, the depth of the sub-micron gap formed by the etching is larger than 500 [mu] m.
上記の調製方法によれば、上記石墨ゲルは、更に、ドーピング元素が含まれ、上記ステップ5の過程において、上記ドーピング元素が、蒸発し、上記サブミクロン隙間に拡散して、上記サブミクロン隙間に沈着し、上記ドーピング元素が、最終的に、上記サブミクロン穴内に位置する。 According to the above preparation method, the graphite gel further contains a doping element, and in the process of Step 5, the doping element evaporates and diffuses into the submicron gap, and into the submicron gap. Deposited and the doping element is finally located in the submicron hole.
上記の調製方法によれば、上記ドーピング元素が、炭素である。 According to the above preparation method, the doping element is carbon.
上記の調製方法によれば、上記ドーピング元素が、金属元素である。 According to the above preparation method, the doping element is a metal element.
本発明によれば、表面にサブミクロン隙間を有する種晶と、物理蒸気輸送システムで広バンドギャップ単結晶体を成長させることとを利用して、空気や特定金属元素を、周期的に広バンドギャップ結晶体の内部に位置させて、フォトニック結晶を形成できる。 According to the present invention, air or a specific metal element is periodically dispersed in a wide band by utilizing a seed crystal having a submicron gap on the surface and growing a wide band gap single crystal by a physical vapor transport system. A photonic crystal can be formed in the gap crystal body.
本発明に係るフォトニック結晶の調製方法の特徴は、表面にサブミクロン隙間を有する種晶を利用して、温度勾配差異が形成されて、上記サブミクロン隙間の底部にある結晶体が、気体分子に昇華し、上記サブミクロン隙間の深さが深まれて、上記サブミクロン隙間に位置する気体分子が、石墨ゲルの表面に結晶し、種晶は、結晶成長過程において、ドーピング元素を覆い、或いは穴が形成され、そして、二次元や三次元のフォトニック結晶が形成される。 The photonic crystal preparation method according to the present invention is characterized in that a temperature gradient difference is formed by using a seed crystal having a submicron gap on the surface, and the crystal at the bottom of the submicron gap is a gas molecule. The submicron gap is deepened, gas molecules located in the submicron gap are crystallized on the surface of the graphite gel, and the seed crystal covers the doping element or hole in the crystal growth process. Then, a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal is formed.
背景技術に比較すれば、本発明に係るフォトニック結晶の調製方法は、広バンドギャップ材料を利用して、フォトニック結晶を調製でき、広バンドギャップ材料に比較的に高い屈折率を有する特性を利用して、調製されたフォトニック結晶が、比較的に大きい光子バンドギャップを有する。 Compared to the background art, the photonic crystal preparation method according to the present invention can prepare a photonic crystal using a wide band gap material, and has a characteristic that a wide band gap material has a relatively high refractive index. Utilized, the prepared photonic crystal has a relatively large photon band gap.
以下、図面を参照しながら、本発明の特徴や技術内容について、詳しく説明するが、それらの図面等は、参考や説明のためであり、本発明は、それによって制限されることが無い。 Hereinafter, the features and technical contents of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the drawings and the like are for reference and explanation, and the present invention is not limited thereby.
下記の具体的な実施例を挙げて、本発明の目的や特徴及び効果を、詳しく説明する。 The objects, features and effects of the present invention will be described in detail with the following specific examples.
実施例１ Example 1
実施例１は、下記のステップで、単層サブミクロン穴を有するフォトニック結晶を調製する。 Example 1 prepares a photonic crystal having a single-layer submicron hole by the following steps.
ステップ１は、種晶を用意し、上記種晶の一面に対して、エッチングして、表面に、サブミクロン隙間を有する種晶をを形成するステップである。 Step 1 is a step of preparing a seed crystal and etching one surface of the seed crystal to form a seed crystal having a submicron gap on the surface.
実施例１において、上記種晶が、炭化珪素であるが、本発明は、それによって制限されることない。上記種晶は、他の広バンドギャップ材料であってもよく、例えば、窒化アルミニウムや窒化ガリウムである。炭化珪素を種晶とする場合、上記種晶の表面が珪素面であることが好ましい。 In Example 1, the seed crystal is silicon carbide, but the present invention is not limited thereby. The seed crystal may be another wide band gap material, such as aluminum nitride or gallium nitride. When silicon carbide is used as a seed crystal, the surface of the seed crystal is preferably a silicon surface.
ステップ１において、エッチングにより、上記種晶の一面に、サブミクロン隙間からなるサブミクロン図柄を形成することができる。 In step 1, a submicron pattern composed of submicron gaps can be formed on one surface of the seed crystal by etching.
ステップ１において、上記サブミクロン隙間の深さが、500μmであるが、本発明は、それによって制限されることない。上記サブミクロン隙間は、深さが500μmよりも大きいことが好ましい。
In Step 1, the depth of the sub-micron gap, is a 500 [mu] m, the present invention is not limited thereby. The submicron gap, is preferably larger than 500μm depth.
ステップ２は、石墨盤を用意して、上記石墨盤の一面に石墨ゲルを塗布し、上記石墨ゲルを利用して、上記種晶のサブミクロン隙間を有する一面を、上記石墨盤に貼付け、結晶座が形成されるステップである。 Step 2 is to prepare a graphite board, apply a graphite gel on one side of the above-mentioned graphite board, use the above-mentioned graphite gel, paste one side having the submicron gap of the seed crystal on the above-mentioned graphite board, This is a step in which a seat is formed.
ステップ２において調製された結晶座が、図1のようであり、上記結晶座110は、石墨盤111と、上記石墨盤111の一面に塗布された石墨ゲル112と、表面にサブミクロン隙間113を有する種晶114とが含まれ、上記サブミクロン隙間113は、上記石墨ゲル112と上記種晶114の間に位置する。 The crystal loci prepared in step 2 are as shown in FIG. 1. The crystal loci 110 include a graphite board 111, a graphite gel 112 applied to one surface of the graphite board 111, and a submicron gap 113 on the surface. The submicron gap 113 is located between the graphite gel 112 and the seed crystal 114.
ステップ３は、上記結晶座を成長室の上方に位置するように、原料を、上記成長室の下方にセットするステップである。 Step 3 is a step of setting the raw material below the growth chamber so that the crystal seat is located above the growth chamber.
図２のように、上記結晶座110は、成長室120の上方に位置するように、上記原料121が、上記成長室120の下方に設置される。上記成長室120の周りに、加熱装置122があり、上記加熱装置122により、その後のステップにおいて、成長室の内部に温度場が形成される。 As shown in FIG. 2, the raw material 121 is installed below the growth chamber 120 so that the crystal seat 110 is located above the growth chamber 120. There is a heating device 122 around the growth chamber 120, and a temperature field is formed in the growth chamber in the subsequent steps by the heating device 122.
実施例１において、上記原料が、炭化珪素であるが、本発明は、それによって制限されることない。上記原料は、他の広バンドギャップ材料でもよく、例えば、窒化アルミニウムや窒化ガリウムである。 In Example 1, the raw material is silicon carbide, but the present invention is not limited thereby. The raw material may be another wide band gap material, such as aluminum nitride or gallium nitride.
ステップ４は、加熱装置で、上記成長室内部において、温度場が形成され、上記結晶座が、上記温度場の相対的に低温端に位置して、上記原料が、上記温度場の相対的に高温端に位置するように、上記温度場を制御することにより、上記原料を、固体から気体分子に昇華させるステップである。 Step 4 is a heating device in which a temperature field is formed in the inside of the growth chamber, the crystal seat is positioned at a relatively low temperature end of the temperature field, and the raw material is relatively in the temperature field. It is a step of sublimating the raw material from a solid to a gas molecule by controlling the temperature field so as to be located at the high temperature end.
ステップ５は、成長室内の温度や温度場、雰囲気及び圧力を制御し、上記気体分子を、上記種晶に沈着するように、転送させて、フォトニック結晶が形成されるステップであり、ステップ5の過程においては、上記サブミクロン隙間の局部において、高温になって、上記サブミクロン隙間の底部にある結晶体を、気体分子に昇華させ、上記サブミクロン隙間の深さが深まれて、上記サブミクロン隙間に位置する気体分子が、石墨ゲルの表面に結晶し、上記サブミクロン隙間が封止されて、サブミクロン穴が形成される。 Step 5 is a step in which a photonic crystal is formed by controlling the temperature, temperature field, atmosphere and pressure in the growth chamber and transferring the gas molecules so as to deposit on the seed crystal. In this process, the temperature at the local area of the submicron gap becomes high, and the crystalline substance at the bottom of the submicron gap is sublimated to gas molecules, and the depth of the submicron gap is increased, and the submicron gap is increased. Gas molecules located in the gap crystallize on the surface of the graphite gel, and the submicron gap is sealed to form a submicron hole.
図３のように、ステップ5の過程において、上記サブミクロン隙間113の局部が、高温になって、上記サブミクロン隙間の底部にある結晶体が、気体分子に昇華し、上記サブミクロン隙間113の深さが深まれる。 As shown in FIG. 3, in the process of Step 5, the local part of the submicron gap 113 becomes high temperature, and the crystal at the bottom of the submicron gap is sublimated into gas molecules, and the submicron gap 113 The depth is deepened.
図４のように、上記サブミクロン隙間にある気体分子が、石墨ゲル112の上に結晶して、上記サブミクロン隙間を封止し、サブミクロン穴141が形成される。 As shown in FIG. 4, the gas molecules in the submicron gap crystallize on the graphite gel 112 to seal the submicron gap, and the submicron hole 141 is formed.
実施例２ Example 2
実施例２は、下記のステップで、二層サブミクロン穴を有するフォトニック結晶を調製する。 Example 2 prepares a photonic crystal with bilayer submicron holes in the following steps.
ステップ１は、実施例1によって調製されたフォトニック結晶を、種晶とし、上記種晶の一面に対して、エッチングし、表面にサブミクロン隙間を有する種晶が形成される。 Step 1 uses the photonic crystal prepared according to Example 1 as a seed crystal, and etches one surface of the seed crystal to form a seed crystal having a submicron gap on the surface.
実施例２において、上記種晶が、炭化珪素であるが、本発明は、それによって制限されることない。上記種晶は、他の広バンドギャップ材料であってもよく、例えば、窒化アルミニウムや窒化ガリウムである。炭化珪素を種晶とする場合、上記種晶の表面が珪素面であることが好ましい。 In Example 2, the seed crystal is silicon carbide, but the present invention is not limited thereby. The seed crystal may be another wide band gap material, such as aluminum nitride or gallium nitride. When silicon carbide is used as a seed crystal, the surface of the seed crystal is preferably a silicon surface.
ステップ１において、エッチングにより、上記種晶の一面に、サブミクロン隙間からなるサブミクロン図柄を形成することができる。 In step 1, a submicron pattern composed of submicron gaps can be formed on one surface of the seed crystal by etching.
ステップ１において、上記サブミクロン隙間の深さが、500μmであるが、本発明は、それによって制限されることない。上記サブミクロン隙間は、深さが500μmよりも大きいことが好ましい。 In step 1, the depth of the submicron gap is 500 μm, but the present invention is not limited thereby. The submicron gap is preferably greater than 500 μm in depth.
ステップ２は、石墨盤を用意して、上記石墨盤の一面に石墨ゲルを塗布し、上記石墨ゲルを利用して、上記種晶のサブミクロン隙間を有する一面を、上記石墨盤に貼付け、結晶座が形成されるステップである。 Step 2 is to prepare a graphite board, apply a graphite gel on one side of the above-mentioned graphite board, use the above-mentioned graphite gel, paste one side having the submicron gap of the seed crystal on the above-mentioned graphite board, This is a step in which a seat is formed.
ステップ２において調製された結晶座は、図5のようであり、上記結晶座210は、石墨盤211と、上記石墨盤211の一面に塗布された石墨ゲル212と、表面にサブミクロン隙間213を有して、内部に第一層サブミクロン穴241を有する種晶214とが含まれ、上記サブミクロン隙間213は、上記石墨ゲル212と上記種晶214の間に位置する。 The crystal seats prepared in Step 2 are as shown in FIG. 5. The crystal seats 210 are composed of a graphite board 211, a graphite gel 212 applied to one surface of the graphite board 211, and a submicron gap 213 on the surface. And a seed crystal 214 having a first layer submicron hole 241 therein, and the submicron gap 213 is located between the graphite gel 212 and the seed crystal 214.
ステップ３は、上記結晶座を成長室の上方に位置するように、原料を、上記成長室の下方にセットするステップである。 Step 3 is a step of setting the raw material below the growth chamber so that the crystal seat is located above the growth chamber.
実施例２に利用される成長室や、成長室にある結晶座と原料の配置方式は、実施例1と同じ。 The growth chamber used in Example 2 and the arrangement method of the crystal seats and the raw materials in the growth chamber are the same as those in Example 1.
実施例２において、上記原料が、炭化珪素であるが、本発明は、それによって制限されることない。上記原料は、他の広バンドギャップ材料でもよく、例えば、窒化アルミニウムや窒化ガリウムである。 In Example 2, the raw material is silicon carbide, but the present invention is not limited thereby. The raw material may be another wide band gap material, such as aluminum nitride or gallium nitride.
ステップ４は、加熱装置で、上記成長室内部において、温度場が形成され、上記結晶座が、上記温度場の相対的に低温端に位置して、上記原料が、上記温度場の相対的に高温端に位置するように、上記温度場を制御することにより、上記原料を、固体から気体分子に昇華させるステップである。 Step 4 is a heating device in which a temperature field is formed in the inside of the growth chamber, the crystal seat is positioned at a relatively low temperature end of the temperature field, and the raw material is relatively in the temperature field. It is a step of sublimating the raw material from a solid to a gas molecule by controlling the temperature field so as to be located at the high temperature end.
ステップ５は、成長室内の温度や温度場、雰囲気及び圧力を制御し、上記気体分子を、上記種晶に沈着するように、転送させて、フォトニック結晶が形成されるステップであり、ステップ5の過程においては、上記サブミクロン隙間の局部において、高温になって、上記サブミクロン隙間の底部にある結晶体を、気体分子に昇華させ、上記サブミクロン隙間の深さが深まれて、上記サブミクロン隙間に位置する気体分子が、石墨ゲルの表面に結晶し、上記サブミクロン隙間が封止されて、サブミクロン穴が形成される。 Step 5 is a step in which a photonic crystal is formed by controlling the temperature, temperature field, atmosphere and pressure in the growth chamber and transferring the gas molecules so as to deposit on the seed crystal. In this process, the temperature at the local area of the submicron gap becomes high, and the crystalline substance at the bottom of the submicron gap is sublimated to gas molecules, and the depth of the submicron gap is increased, and the submicron gap is increased. Gas molecules located in the gap crystallize on the surface of the graphite gel, and the submicron gap is sealed to form a submicron hole.
図６のように、ステップ5の過程において、上記サブミクロン隙間213の局部が、高温になって、上記サブミクロン隙間の底部にある結晶体が、気体分子に昇華し、上記サブミクロン隙間213の深さが深まれる。 As shown in FIG. 6, in the process of Step 5, the local part of the submicron gap 213 becomes high temperature, and the crystal at the bottom of the submicron gap is sublimated into gas molecules, and the submicron gap 213 The depth is deepened.
図７のように、上記サブミクロン隙間にある気体分子が、石墨ゲル212の上に結晶して、上記サブミクロン隙間を封止し、第二層サブミクロン穴242が形成される。 As shown in FIG. 7, the gas molecules in the submicron gap are crystallized on the graphite gel 212 to seal the submicron gap, and the second layer submicron hole 242 is formed.
実施例２は、実施例1によって調製されたフォトニック結晶を種晶として、実施例1のステップ1-5を行い、二層サブミクロン穴を有するフォトニック結晶を調製する。本発明は、それによって制限されることなく、更に、複数回に、ステップ1-5を繰り返してもよく、繰り返す過程においては、前回のステップ1-5によって調製されたフォトニック結晶を種晶として、多層のサブミクロン穴を有するフォトニック結晶を形成でき、これにより、完備の二次元や三次元フォトニック結晶構造が得られる。 In Example 2, Step 1-5 of Example 1 is performed using the photonic crystal prepared in Example 1 as a seed crystal to prepare a photonic crystal having a double-layer submicron hole. The present invention is not limited thereby, and step 1-5 may be repeated more than once. In the process of repeating, the photonic crystal prepared in the previous step 1-5 is used as a seed crystal. , Photonic crystals with multiple sub-micron holes can be formed, resulting in complete 2D and 3D photonic crystal structures.
実施例３ Example 3
実施例３は、下記のステップで、1層サブミクロン穴を有し、穴にドーピング元素が位置するフォトニック結晶が調製される。 In Example 3, a photonic crystal having a single-layer submicron hole and having a doping element located in the hole is prepared by the following steps.
ステップ１は、種晶を用意し、上記種晶の一面に対して、エッチングして、表面に、サブミクロン隙間を有する種晶をを形成するステップである。 Step 1 is a step of preparing a seed crystal and etching one surface of the seed crystal to form a seed crystal having a submicron gap on the surface.
実施例３において、上記種晶が、炭化珪素であるが、本発明は、それによって制限されることない。上記種晶は、他の広バンドギャップ材料であってもよく、例えば、窒化アルミニウムや窒化ガリウムである。炭化珪素を種晶とする場合、上記種晶の表面が珪素面であることが好ましい。 In Example 3, the seed crystal is silicon carbide, but the present invention is not limited thereby. The seed crystal may be another wide band gap material, such as aluminum nitride or gallium nitride. When silicon carbide is used as a seed crystal, the surface of the seed crystal is preferably a silicon surface.
ステップ１において、エッチングにより、上記種晶の一面に、サブミクロン隙間からなるサブミクロン図柄を形成することができる。 In step 1, a submicron pattern composed of submicron gaps can be formed on one surface of the seed crystal by etching.
ステップ１において、上記サブミクロン隙間の深さが、500μmであるが、本発明は、それによって制限されることない。上記サブミクロン隙間は、深さが500μmよりも大きいことが好ましい。 In step 1, the depth of the submicron gap is 500 μm, but the present invention is not limited thereby. The submicron gap is preferably greater than 500 μm in depth.
ステップ２は、石墨盤を用意して、上記石墨盤の一面に石墨ゲルを塗布し、上記石墨ゲルを利用して、上記種晶のサブミクロン隙間を有する一面を、上記石墨盤に貼付け、結晶座が形成されるステップである。実施例1に比較すると、実施例3の石墨ゲルは、更に、ドーピング元素が含まれる。 Step 2 is to prepare a graphite board, apply a graphite gel on one side of the above-mentioned graphite board, use the above-mentioned graphite gel, paste one side having the submicron gap of the seed crystal on the above-mentioned graphite board, This is a step in which a seat is formed. Compared to Example 1, the graphite gel of Example 3 further contains a doping element.
実施例３において、上記ドーピング元素が、炭素であるが、本発明は、それによって制限されることない。上記ドーピング元素は、金属元素でもよい。 In Example 3, the doping element is carbon, but the present invention is not limited thereby. The doping element may be a metal element.
ステップ２において調製された結晶座が、図8のようであり、上記結晶座310は、石墨盤311と、上記石墨盤311の一面に塗布された石墨ゲル312と、上記石墨ゲル312に含まれたドーピング元素343と、表面にサブミクロン隙間313を有する種晶314とが含まれ、上記サブミクロン隙間313は、上記石墨ゲル312と上記種晶314の間に位置する。 The crystal loci prepared in step 2 are as shown in FIG. 8, and the crystal loci 310 are included in the graphite board 311, the graphite gel 312 applied to one surface of the graphite board 311, and the graphite gel 312. The doping element 343 and the seed crystal 314 having a submicron gap 313 on the surface are included, and the submicron gap 313 is located between the graphite gel 312 and the seed crystal 314.
ステップ３は、上記結晶座を成長室の上方に位置するように、原料を、上記成長室の下方にセットするステップである。 Step 3 is a step of setting the raw material below the growth chamber so that the crystal seat is located above the growth chamber.
実施例３に利用される成長室や、成長室にある結晶座と原料の配置方式は、実施例1と同じ。 The growth chamber used in Example 3 and the arrangement method of crystal seats and raw materials in the growth chamber are the same as in Example 1.
実施例３において、上記原料が、炭化珪素であるが、本発明は、それによって制限されることない。上記原料は、他の広バンドギャップ材料でもよく、例えば、窒化アルミニウムや窒化ガリウムである。 In Example 3, the raw material is silicon carbide, but the present invention is not limited thereby. The raw material may be another wide band gap material, such as aluminum nitride or gallium nitride.
ステップ４は、加熱装置で、上記成長室内部において、温度場が形成され、上記結晶座が、上記温度場の相対的に低温端に位置して、上記原料が、上記温度場の相対的に高温端に位置するように、上記温度場を制御することにより、上記原料を、固体から気体分子に昇華させるステップである。 Step 4 is a heating device in which a temperature field is formed in the inside of the growth chamber, the crystal seat is positioned at a relatively low temperature end of the temperature field, and the raw material is relatively in the temperature field. It is a step of sublimating the raw material from a solid to a gas molecule by controlling the temperature field so as to be located at the high temperature end.
ステップ５は、成長室内の温度や温度場、雰囲気及び圧力を制御し、上記気体分子を、上記種晶に沈着するように、転送させて、フォトニック結晶が形成されるステップであり、ステップ5の過程においては、上記サブミクロン隙間の局部において、高温になって、上記サブミクロン隙間の底部にある結晶体を、気体分子に昇華させ、上記サブミクロン隙間の深さが深まれて、上記サブミクロン隙間に位置する気体分子が、石墨ゲルの表面に結晶し、上記サブミクロン隙間が封止されて、サブミクロン穴が形成される。 Step 5 is a step in which a photonic crystal is formed by controlling the temperature, temperature field, atmosphere and pressure in the growth chamber and transferring the gas molecules so as to deposit on the seed crystal. In this process, the temperature at the local area of the submicron gap becomes high, and the crystalline substance at the bottom of the submicron gap is sublimated to gas molecules, and the depth of the submicron gap is increased, and the submicron gap is increased. Gas molecules located in the gap crystallize on the surface of the graphite gel, and the submicron gap is sealed to form a submicron hole.
図９のように、ステップ5の過程において、上記サブミクロン隙間313の局部が、高温になって、上記サブミクロン隙間の底部にある結晶体が、気体分子に昇華し、上記サブミクロン隙間313の深さが深まれ、同時に、上記ドーピング元素343が、上記サブミクロン隙間313において、蒸発して拡散される。 As shown in FIG. 9, in the process of step 5, the local part of the submicron gap 313 becomes high temperature, and the crystal at the bottom of the submicron gap is sublimated into gas molecules, At the same time, the doping element 343 is evaporated and diffused in the submicron gap 313.
図１０のように、上記サブミクロン隙間にある気体分子が、石墨ゲル312の上に結晶して、上記サブミクロン隙間を封止し、サブミクロン穴341が形成され、上記ドーピング元素343は、上記サブミクロン隙間に沈着して、上記サブミクロン穴341の中に位置する。 As shown in FIG. 10, the gas molecules in the submicron gap crystallize on the graphite gel 312 to seal the submicron gap to form a submicron hole 341, and the doping element 343 It is deposited in the submicron gap and located in the submicron hole 341.
本発明に係るフォトニック結晶の調製方法は、ステップ5の過程において、サブミクロン隙間の部位が、周りにある結晶体材料よりも、比較的に低い熱伝達率を有するため、上記種晶のサブミクロン隙間を有する一面の熱伝達率が、サブミクロン隙間に形成されたサブミクロン図柄によって変化する。上記種晶は、サブミクロン隙間の部位において、熱伝達率がよくないため、比較的に高い温度になる。ステップ5の過程において、サブミクロン隙間の局部が、高温になって、サブミクロン隙間の底部ある結晶体が、気体分子に昇華し、上記サブミクロン隙間の深さが深まれる。また、上記サブミクロン隙間において、石墨ゲルの近くにある気体分子が、温度の低下とともに、石墨ゲルの表面に結晶し、上記サブミクロン隙間を封止して、サブミクロン穴が形成される。 In the method of preparing a photonic crystal according to the present invention, in the process of Step 5, the submicron gap portion has a relatively lower heat transfer coefficient than the surrounding crystalline material. The heat transfer coefficient of one surface having a micron gap varies depending on the submicron pattern formed in the submicron gap. The seed crystal has a relatively high temperature because the heat transfer coefficient is not good at the submicron gap. In the process of step 5, the local area of the submicron gap becomes high temperature, and the crystal at the bottom of the submicron gap is sublimated to gas molecules, and the depth of the submicron gap is increased. In the submicron gap, gas molecules near the graphite gel crystallize on the surface of the graphite gel as the temperature decreases, and the submicron gap is sealed to form a submicron hole.
本発明は、更に、熱シミュレーションで、本発明の表面にサブミクロン隙間を有する種晶に対して、成長室の温度場によって加熱された後の温度変化を解析する。また、同じ方法で、表面にサブミクロン隙間を有しない種晶に対して、成長室の温度場によって加熱された後の温度変化を、対照として、解析する。 The present invention further analyzes, by thermal simulation, a temperature change after the seed crystal having a submicron gap on the surface of the present invention is heated by the growth chamber temperature field. Moreover, the temperature change after heating by the temperature field of a growth chamber is analyzed as a control | contrast with respect to the seed crystal which does not have a submicron space | gap on the surface by the same method.
図１１は、本発明の表面にサブミクロン隙間を有する種晶の等温線シミュレーション図である。図１１から分かるように、上記種晶は、成長室の温度場によって加熱された後、サブミクロン隙間の近くの温度が、隣り合う結晶体の温度よりもやや高い。図１１において、等温線の高さが高ければ、上記領域の温度分布が、より不均一的になり、種晶と石墨ゲルとの貼付け箇に周期的にサブミクロン隙間があれば、明白的に温度変化が発生する。図１１から、本発明のステップ5の過程において、上記サブミクロン隙間領域と、隣り合う結晶体領域との間に、温度差異が存在することが分かる。本発明は、このような温度差異で、上記種晶に対して、ステップ5の過程において、その内部にサブミクロン穴を形成し、そして、上記サブミクロン穴に、ドーピング元素を位置させる。 FIG. 11 is an isotherm simulation diagram of a seed crystal having a submicron gap on the surface of the present invention. As can be seen from FIG. 11, after the seed crystal is heated by the temperature field of the growth chamber, the temperature near the submicron gap is slightly higher than the temperature of the adjacent crystal. In FIG. 11, if the height of the isotherm is high, the temperature distribution in the above region becomes more non-uniform, and if there are periodic submicron gaps in the place where the seed crystal and graphite gel are applied, it is obvious. A temperature change occurs. From FIG. 11, it can be seen that there is a temperature difference between the sub-micron gap region and the adjacent crystal region in the process of Step 5 of the present invention. In the present invention, a submicron hole is formed in the seed crystal in the process of step 5 with such a temperature difference, and a doping element is positioned in the submicron hole.
図１２は、表面にサブミクロン隙間を有しない種晶の等温線シミュレーション図である。図１１と図１２とを対照すれば、図１１に比較すると、図１２の種晶の表面付近の等温線が緩和であるため、種晶の表面にサブミクロン隙間を有しない場合、その表面温度が、明白的に変化しないことが分かる。 FIG. 12 is an isotherm simulation diagram of a seed crystal having no submicron gap on the surface. 11 and FIG. 12 are compared, since the isotherm near the surface of the seed crystal of FIG. 12 is relaxed as compared to FIG. 11, the surface temperature when there is no submicron gap on the surface of the seed crystal. However, it turns out that it does not change clearly.
そのため、本発明は、より進歩的かつより実用的で、法に従って実用新案登録請求を出願する。 Therefore, the present invention is more progressive and more practical, and file a utility model registration request in accordance with the law.
以上は、ただ、本発明のより良い実施例であり、本発明は、それによって制限されることが無く、本発明に係わる特許請求の範囲や明細書の内容に基づいて行った等価の変更や修正は、全てが、本発明の特許請求の範囲内に含まれる。 The above is merely a better embodiment of the present invention, and the present invention is not limited thereby, and equivalent changes made based on the scope of the claims and the description of the present invention. All modifications are within the scope of the claims of the present invention.
110 結晶座
111 石墨盤
112 石墨ゲル
113 サブミクロン隙間
114 種晶
120 成長室
121 原料
122 加熱装置
141 サブミクロン穴
210 結晶座
211 石墨盤
212 石墨ゲル
213 サブミクロン隙間
214 種晶
241 第一層サブミクロン穴
242 第二層サブミクロン穴
310 結晶座
311 石墨盤
312 石墨ゲル
313 サブミクロン隙間
314 種晶
341 サブミクロン穴
343 ドーピング元素
110 Crystalline
111 Graphite
112 Graphite gel
113 Submicron gap
114 seed crystals
120 Growth room
121 Raw materials
122 Heating device
141 Submicron hole
210 Crystalline
211 Graphite board
212 Graphite gel
213 Submicron gap
214 seed crystals
241 1st layer submicron hole
242 Second layer submicron hole
310 Crystal seat
311 Graphite board
312 Graphite gel
313 Submicron gap
314 seed crystals
341 Submicron hole
343 Doping elements
Claims (7)
石墨盤を用意して、上記石墨盤の一面に石墨ゲルを塗布し、上記石墨ゲルを利用して、上記種晶のサブミクロン隙間を有する一面を、上記石墨盤に貼付け、結晶座が形成されるステップ2と、
上記結晶座を成長室の上方に位置するように、原料を、上記成長室の下方にセットするステップ3と、
加熱装置で、上記成長室内部において、温度場が形成され、上記結晶座が、上記温度場の相対的に低温端に位置して、上記原料が、上記温度場の相対的に高温端に位置するように、上記温度場を制御することにより、上記原料を、固体から気体分子に昇華させるステップ4と、
上記成長室内の温度や温度場、雰囲気及び圧力を制御し、上記気体分子を、上記種晶に沈着するように、転送させて、フォトニック結晶が形成されるステップ5と、
が含有され、
上記ステップ5においては、上記サブミクロン隙間の局部において、高温になって、上記サブミクロン隙間の底部にある結晶体を、気体分子に昇華させ、上記サブミクロン隙間の深さが深まれて、上記サブミクロン隙間に位置する気体分子が、石墨ゲルの表面に結晶し、上記サブミクロン隙間が封止されて、サブミクロン穴が形成される、
ことを特徴とするフォトニック結晶の調製方法。 Preparing a seed crystal, etching one surface of the seed crystal, and forming a seed crystal having a submicron gap on the surface; and
Prepare a graphite board, apply a graphite gel on one side of the above-mentioned graphite board, and paste the one side with the submicron gap of the above seed crystal on the above-mentioned graphite board using the above-mentioned graphite gel to form crystal seats. Step 2 and
Setting the raw material below the growth chamber so that the crystal seat is located above the growth chamber; and
In the heating apparatus, a temperature field is formed in the inside of the growth chamber, the crystal seat is located at a relatively low temperature end of the temperature field, and the raw material is located at a relatively high temperature end of the temperature field. Step 4 to sublimate the raw material from a solid to a gas molecule by controlling the temperature field, and
Controlling the temperature and temperature field, atmosphere and pressure in the growth chamber, transferring the gas molecules so as to deposit on the seed crystal, and forming a photonic crystal; and
Contains
In the step 5, the temperature at the local part of the submicron gap becomes high, and the crystalline substance at the bottom of the submicron gap is sublimated to gas molecules, and the depth of the submicron gap is increased, and the submicron gap is increased. Gas molecules located in the micron gap crystallize on the surface of the graphite gel, the submicron gap is sealed, and a submicron hole is formed.
A method for preparing a photonic crystal characterized by the above.
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