JPH10335758A - ３次元周期構造体及びその作製方法並びに膜の製造方法 - Google Patents
３次元周期構造体及びその作製方法並びに膜の製造方法Info
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- JPH10335758A JPH10335758A JP10040736A JP4073698A JPH10335758A JP H10335758 A JPH10335758 A JP H10335758A JP 10040736 A JP10040736 A JP 10040736A JP 4073698 A JP4073698 A JP 4073698A JP H10335758 A JPH10335758 A JP H10335758A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 周期が１ｍｍ程度ないしそれ以下の３次元周
期構造を提供する。 【解決手段】 ２次元的にほぼ周期的な凹凸を持つ２種
類以上の膜状物質をほぼ周期的に順次に積層した構造を
持つ、３次元的にほぼ周期的な構造体から成る。一例と
して、屈折率の異なる材料１と材料２から構成される。
簡単な製造方法により、周期が１ｍｍ程度ないしそれ以
下の３次元周期構造体が得られる。この構造によって、
着目する波長に対して、基板の面内の複数の軸方向およ
び積層の方向を含む多くの立体角方向への伝搬を遮断さ
せることができる。
期構造を提供する。 【解決手段】 ２次元的にほぼ周期的な凹凸を持つ２種
類以上の膜状物質をほぼ周期的に順次に積層した構造を
持つ、３次元的にほぼ周期的な構造体から成る。一例と
して、屈折率の異なる材料１と材料２から構成される。
簡単な製造方法により、周期が１ｍｍ程度ないしそれ以
下の３次元周期構造体が得られる。この構造によって、
着目する波長に対して、基板の面内の複数の軸方向およ
び積層の方向を含む多くの立体角方向への伝搬を遮断さ
せることができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば、光波回路素子
として用いられる３次元的にほぼ周期的な屈折率分布を
持つ構造、およびその製造方法と応用技術・応用デバイ
スにわたるジェネリックな（包括生成的な）技術に関す
るものである。
として用いられる３次元的にほぼ周期的な屈折率分布を
持つ構造、およびその製造方法と応用技術・応用デバイ
スにわたるジェネリックな（包括生成的な）技術に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】物質内において周期が１μｍ程度ないし
それ以下の３次元周期構造を作製する技術は光技術・電
子技術分野において潜在的な応用範囲は広い。しかしな
がら、その作製方法はまだ開発されていないため、周期
が１μｍ程度ないしそれ以下の３次元周期構造は実現さ
れるに至っておらず、これまで検討されたものの内主要
なものは次の二つである。（１）図５４に示すような、
３方向からドライエッチングで穴を形成するもの( E.Ya
blonovitch,"Photonic band-gap structures", J.Opt.S
oc.Am.B,vol.10,no.2,pp.283-295,1993)。（２）図５５
に示すような、すだれ状の基板を対向・ボンディング
し、選択エッチングで基板の一方を除去し、再び対向・
ボンディングさせる、という操作を繰り返すもの(S.Nod
a,N.Yamamoto,and A.Sasaki,"New realiｚation method
for three-dimensional photonic crｙstal in optica
l wavelength region",Jpn.J.Appl.Phｙs.,vol.35,pp.L
909-L912,1996)。これら２種の概念は、周期が１ｍｍ程
度ないしそれ以下で周期数が５以上のものは現在まで実
現されていない。
それ以下の３次元周期構造を作製する技術は光技術・電
子技術分野において潜在的な応用範囲は広い。しかしな
がら、その作製方法はまだ開発されていないため、周期
が１μｍ程度ないしそれ以下の３次元周期構造は実現さ
れるに至っておらず、これまで検討されたものの内主要
なものは次の二つである。（１）図５４に示すような、
３方向からドライエッチングで穴を形成するもの( E.Ya
blonovitch,"Photonic band-gap structures", J.Opt.S
oc.Am.B,vol.10,no.2,pp.283-295,1993)。（２）図５５
に示すような、すだれ状の基板を対向・ボンディング
し、選択エッチングで基板の一方を除去し、再び対向・
ボンディングさせる、という操作を繰り返すもの(S.Nod
a,N.Yamamoto,and A.Sasaki,"New realiｚation method
for three-dimensional photonic crｙstal in optica
l wavelength region",Jpn.J.Appl.Phｙs.,vol.35,pp.L
909-L912,1996)。これら２種の概念は、周期が１ｍｍ程
度ないしそれ以下で周期数が５以上のものは現在まで実
現されていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】前項（１）の方法で
は、３〜４周期を超える加工は不可能であるという問題
点がある。また、前項（２）の方法では、選択化学エッ
チングやボンディングという制御性の低い手工業プロセ
スに多数回頼るため、再現性・生産性が低いという問題
点がある。
は、３〜４周期を超える加工は不可能であるという問題
点がある。また、前項（２）の方法では、選択化学エッ
チングやボンディングという制御性の低い手工業プロセ
スに多数回頼るため、再現性・生産性が低いという問題
点がある。
【０００４】本発明は、上記従来技術の課題を解決すべ
くなされたものであり、周期が１μｍ程度ないしそれ以
下の３次元周期構造体とその応用部品・デバイスを提供
すること、および、それらの作製方法を提供することが
目的である。
くなされたものであり、周期が１μｍ程度ないしそれ以
下の３次元周期構造体とその応用部品・デバイスを提供
すること、および、それらの作製方法を提供することが
目的である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
には、信頼性・再現性にすぐれた方法で３次元的に周期
的な構造体を実現することが必要である。このために
は、２種類以上の物質を周期的に順次積層し、その積層
の中の少なくとも一部分にスパッタエッチングを単独
で、または成膜と同時に用いる方法が有効である。この
方法によって、周期が１μｍ程度ないしそれ以下の３次
元周期構造体を作製することができる。
には、信頼性・再現性にすぐれた方法で３次元的に周期
的な構造体を実現することが必要である。このために
は、２種類以上の物質を周期的に順次積層し、その積層
の中の少なくとも一部分にスパッタエッチングを単独
で、または成膜と同時に用いる方法が有効である。この
方法によって、周期が１μｍ程度ないしそれ以下の３次
元周期構造体を作製することができる。
【０００６】
【作用】前項の手段によって３次元周期構造体を構成す
れば、周期が１μｍ程度ないしそれ以下のものが簡便に
再現性よく実現できる。また、光学的分極率が非線形性
をもつ物質、または発光性あるいは光増幅性物質、また
は電気光学材料、または透明体、または導電性物質など
を周期構造の中に取り込むことができ、さらに、導波路
あるいは共振器あるいは分岐器あるいは結合器あるいは
反射器、または半導体レーザ、または受光器などを周期
構造中に作り込むことができるため、３次元周期構造体
の応用部品・デバイスを信頼性・再現性にすぐれた方法
で作製することができる。本発明は共通の根幹から発し
て多様な発展を内包するジェネリック（包括生成的）な
ものであり、このことはこれに続く実施例を通じて明示
される。
れば、周期が１μｍ程度ないしそれ以下のものが簡便に
再現性よく実現できる。また、光学的分極率が非線形性
をもつ物質、または発光性あるいは光増幅性物質、また
は電気光学材料、または透明体、または導電性物質など
を周期構造の中に取り込むことができ、さらに、導波路
あるいは共振器あるいは分岐器あるいは結合器あるいは
反射器、または半導体レーザ、または受光器などを周期
構造中に作り込むことができるため、３次元周期構造体
の応用部品・デバイスを信頼性・再現性にすぐれた方法
で作製することができる。本発明は共通の根幹から発し
て多様な発展を内包するジェネリック（包括生成的）な
ものであり、このことはこれに続く実施例を通じて明示
される。
【０００７】
［実施例１］はじめに薄膜の形成・エッチングについ
て、本発明で述べているもの、本発明に適用可能なもの
のいくつかを概略説明する。図２は一般的な高周波スパ
ッタリング装置の概略図である。真空容器４内に、薄膜
の原料物質の供給源であるターゲット５を、またそれに
対向させて基板３を配置する。ターゲット５にはインピ
ーダンス整合器６を介して高周波電源７が接続される。
真空容器４中に一般に不活性気体（例えばＡｒガス）を
主成分とするガス（例えばＡｒガスに水素ガスを添加し
たガス）を導入し、ターゲット電極に高周波電力を供給
してプラズマを生成させる。ターゲット５は時間平均的
に負の電位になるため（自己バイアス効果）、正の電荷
をもつ気体イオンが高いエネルギーを持ちながらターゲ
ット５に入射し（実線矢印）、ターゲット物質を飛散さ
せる。その飛散した物質粒子が基板３に到着・付着し
（破線矢印）、膜が基板上に形成される。
て、本発明で述べているもの、本発明に適用可能なもの
のいくつかを概略説明する。図２は一般的な高周波スパ
ッタリング装置の概略図である。真空容器４内に、薄膜
の原料物質の供給源であるターゲット５を、またそれに
対向させて基板３を配置する。ターゲット５にはインピ
ーダンス整合器６を介して高周波電源７が接続される。
真空容器４中に一般に不活性気体（例えばＡｒガス）を
主成分とするガス（例えばＡｒガスに水素ガスを添加し
たガス）を導入し、ターゲット電極に高周波電力を供給
してプラズマを生成させる。ターゲット５は時間平均的
に負の電位になるため（自己バイアス効果）、正の電荷
をもつ気体イオンが高いエネルギーを持ちながらターゲ
ット５に入射し（実線矢印）、ターゲット物質を飛散さ
せる。その飛散した物質粒子が基板３に到着・付着し
（破線矢印）、膜が基板上に形成される。
【０００８】図３にはバイアス・スパッタリング装置の
概略を示す。図２の装置に基板を保持する基板電極８を
加え、整合器６を介して高周波電源７に接続する。基板
電極８に高周波電力を供給することで、ターゲット５の
場合と同様に気体イオンを基板３の表面へ入射させ（実
線矢印）、基板３の表面から粒子を飛散させることがで
きる。供給する高周波電力、ガス種やガス圧力、基板電
極の形状などで基板に衝撃するイオンの量やエネルギー
およびスパッタの効果を制御することができる。
概略を示す。図２の装置に基板を保持する基板電極８を
加え、整合器６を介して高周波電源７に接続する。基板
電極８に高周波電力を供給することで、ターゲット５の
場合と同様に気体イオンを基板３の表面へ入射させ（実
線矢印）、基板３の表面から粒子を飛散させることがで
きる。供給する高周波電力、ガス種やガス圧力、基板電
極の形状などで基板に衝撃するイオンの量やエネルギー
およびスパッタの効果を制御することができる。
【０００９】従来バイアス・スパッタリング法は、ＬＳ
Ｉにおける電極・配線のための薄膜作製プロセス（メタ
ライゼーション）として利用されてきた。例えば、図４
に示すように金属膜配線１０を誘電体９で埋め込んで上
面を平坦化させる、あるいは図５に示すように２本の配
線１０間を空洞部を生じないように埋め込むことなどの
目的である。２次元周期状凹凸をもつ基板上にスパッタ
エッチングを少なくとも一部分に適用して３次元構造を
作製する技術は全く新しいものである。図６には真空蒸
着法の概念を示す。抵抗加熱ないし電子ビーム加熱され
た蒸着源１１から原料物質が真空中に蒸散し、基板３に
到着・付着する。図７にはレーザアブレーション法の概
念を示す。レーザ１２より大出力のパルスレーザ光を原
料物質１３に入射させることにより原料物質の一部分を
瞬間的に加熱・蒸散させ、基板３に到着・付着させる。
Ｉにおける電極・配線のための薄膜作製プロセス（メタ
ライゼーション）として利用されてきた。例えば、図４
に示すように金属膜配線１０を誘電体９で埋め込んで上
面を平坦化させる、あるいは図５に示すように２本の配
線１０間を空洞部を生じないように埋め込むことなどの
目的である。２次元周期状凹凸をもつ基板上にスパッタ
エッチングを少なくとも一部分に適用して３次元構造を
作製する技術は全く新しいものである。図６には真空蒸
着法の概念を示す。抵抗加熱ないし電子ビーム加熱され
た蒸着源１１から原料物質が真空中に蒸散し、基板３に
到着・付着する。図７にはレーザアブレーション法の概
念を示す。レーザ１２より大出力のパルスレーザ光を原
料物質１３に入射させることにより原料物質の一部分を
瞬間的に加熱・蒸散させ、基板３に到着・付着させる。
【００１０】また、本発明において膜を整形する役割を
もつスパッタエッチングについて説明する。スパッタエ
ッチングと別種の成膜を同時に進行させることもでき
る。例えば、スパッタリングによる成膜とスパッタエッ
チングとを同時に進行させる同時プロセスをバイアスス
パッタリングと呼ぶ。
もつスパッタエッチングについて説明する。スパッタエ
ッチングと別種の成膜を同時に進行させることもでき
る。例えば、スパッタリングによる成膜とスパッタエッ
チングとを同時に進行させる同時プロセスをバイアスス
パッタリングと呼ぶ。
【００１１】図３の装置において、ターゲット５には高
周波電力を加えることなく、基板電極８にのみ高周波電
力を印加することにより、成膜の進行しない単独のスパ
ッタエッチングが実現される。このスパッタエッチング
は、前述したように膜の整形作用を有しており、ある程
度の厚さに膜を成膜した後に行うことにより膜を所望の
形状に整形することができる。
周波電力を加えることなく、基板電極８にのみ高周波電
力を印加することにより、成膜の進行しない単独のスパ
ッタエッチングが実現される。このスパッタエッチング
は、前述したように膜の整形作用を有しており、ある程
度の厚さに膜を成膜した後に行うことにより膜を所望の
形状に整形することができる。
【００１２】一方、ターゲット５へ高周波電源７を印加
するとともに基板電極８にも高周波電源７を印加するこ
とにより成膜とスパッタエッチングとを同時に進行させ
ることができる。すなわち、バイアススパッタリングを
進行させることができる。なお、基板電極８に印加する
高周波電源７の電力や周波数、あるいはターゲット５に
印加する高周波電源７の電力や周波数と成膜される膜あ
るいはスパッタエッチングにより整形される膜の形状と
の関係は、真空容器４内に導入されるガス圧や膜の材質
によっても変化するので一律に定めることは難しいが、
それぞれの条件において予め実験等により求めておけば
当業者は容易に実施することができる。
するとともに基板電極８にも高周波電源７を印加するこ
とにより成膜とスパッタエッチングとを同時に進行させ
ることができる。すなわち、バイアススパッタリングを
進行させることができる。なお、基板電極８に印加する
高周波電源７の電力や周波数、あるいはターゲット５に
印加する高周波電源７の電力や周波数と成膜される膜あ
るいはスパッタエッチングにより整形される膜の形状と
の関係は、真空容器４内に導入されるガス圧や膜の材質
によっても変化するので一律に定めることは難しいが、
それぞれの条件において予め実験等により求めておけば
当業者は容易に実施することができる。
【００１３】スパッタエッチングにおいて、単位時間に
エッチングされる面が法線方向に後退する割合を面の傾
きθの関数として定義し、エッチング率という。エッチ
ング率Ｅ（θ）は多くの物質に対し図８に示す性質をも
つ。すなわち０°と９０°の中間にある角θmで最大で
それを境に左右両方向に単調に減少する。このスパッタ
エッチングは、前述のスパッタリング成膜、真空蒸着、
レーザアブレーションの前または後に実行することも可
能である。
エッチングされる面が法線方向に後退する割合を面の傾
きθの関数として定義し、エッチング率という。エッチ
ング率Ｅ（θ）は多くの物質に対し図８に示す性質をも
つ。すなわち０°と９０°の中間にある角θmで最大で
それを境に左右両方向に単調に減少する。このスパッタ
エッチングは、前述のスパッタリング成膜、真空蒸着、
レーザアブレーションの前または後に実行することも可
能である。
【００１４】３次元周期構造体形成の一例を述べる。溶
融石英基板上に、電子ビームリソグラフィーおよびドラ
イエッチング法により、周期的な孔の列を形成する。例
えば孔の直径を０．２μｍとし、孔の中心間隔が０．５
μｍとなるように六角格子状に配置する。または基板上
に膜を形成しその膜に孔の列を形成してもよく、それを
ふくめて基板という。その上にＳｉおよびＳｉＯ2を高
周波スパッタリング法により堆積し、その中のＳｉＯ2
の積層の一部分には、高周波により電離したイオンが基
板表面に入射してエッチングを行う作用、即ちスパッタ
エッチングと、高周波スパッタリングによる積層を同時
に進行させる。成膜条件の一例を挙げる。ＳｉＯ2の成
膜では、ターゲットに印加するｒｆ電力を４００Ｗ、Ａ
ｒ流量７２ｓｃｃｍ、Ｈ2流量８ｓｃｃｍ、ガス圧力
２．０ｍＴｏｒｒとし、バイアス電力（スパッタエッチ
ングのために基板電極に印加するｒｆ電力）６０Ｗを一
層の成膜時間すべてにわたって印加する。一方、Ｓｉの
成膜では、ターゲットに印加するｒｆ電力を４００Ｗ、
Ａｒ流量７６ｓｃｃｍ、Ｈ2流量４ｓｃｃｍ、ガス圧力
３．６ｍＴｏｒｒとし、バイアス電力の印加は行なわな
い。膜厚はどちらも０．２μｍとした。スパッタエッチ
ングの整形作用を利用しているので、ＳｉおよびＳｉＯ
2を多数周期積層しても基板上の２次元周期形状は失わ
れず、数十周期の積層を行って表面の周期構造は安定で
あることが原子間力顕微鏡観察で確認されている。内部
は図１（具体的には図９）に示すとおり３次元の周期性
の高い構造を形成している。
融石英基板上に、電子ビームリソグラフィーおよびドラ
イエッチング法により、周期的な孔の列を形成する。例
えば孔の直径を０．２μｍとし、孔の中心間隔が０．５
μｍとなるように六角格子状に配置する。または基板上
に膜を形成しその膜に孔の列を形成してもよく、それを
ふくめて基板という。その上にＳｉおよびＳｉＯ2を高
周波スパッタリング法により堆積し、その中のＳｉＯ2
の積層の一部分には、高周波により電離したイオンが基
板表面に入射してエッチングを行う作用、即ちスパッタ
エッチングと、高周波スパッタリングによる積層を同時
に進行させる。成膜条件の一例を挙げる。ＳｉＯ2の成
膜では、ターゲットに印加するｒｆ電力を４００Ｗ、Ａ
ｒ流量７２ｓｃｃｍ、Ｈ2流量８ｓｃｃｍ、ガス圧力
２．０ｍＴｏｒｒとし、バイアス電力（スパッタエッチ
ングのために基板電極に印加するｒｆ電力）６０Ｗを一
層の成膜時間すべてにわたって印加する。一方、Ｓｉの
成膜では、ターゲットに印加するｒｆ電力を４００Ｗ、
Ａｒ流量７６ｓｃｃｍ、Ｈ2流量４ｓｃｃｍ、ガス圧力
３．６ｍＴｏｒｒとし、バイアス電力の印加は行なわな
い。膜厚はどちらも０．２μｍとした。スパッタエッチ
ングの整形作用を利用しているので、ＳｉおよびＳｉＯ
2を多数周期積層しても基板上の２次元周期形状は失わ
れず、数十周期の積層を行って表面の周期構造は安定で
あることが原子間力顕微鏡観察で確認されている。内部
は図１（具体的には図９）に示すとおり３次元の周期性
の高い構造を形成している。
【００１５】この周期構造の形成の機構は次のようであ
ると考えられる。スパタリングにおいて断面を図１０の
実線に示す基板に、膜の材料物質の粒子が拡散入射す
る、即ち入射角の有限の拡がりを伴って入射すると、凸
部が凹部に対して蔭を作る効果により、堆積される膜に
は図１０あるいは図１１に示すように底部に屈曲（キン
ク）を生ずる。なお、図中の細線は膜の形成される過程
を時系列的に表わしている。その効果にスパッタエッチ
ングを重畳すると、角度選択性によって肩部に一定傾斜
の面が発達して図１２に示すような形、または図１３の
ような形となる。
ると考えられる。スパタリングにおいて断面を図１０の
実線に示す基板に、膜の材料物質の粒子が拡散入射す
る、即ち入射角の有限の拡がりを伴って入射すると、凸
部が凹部に対して蔭を作る効果により、堆積される膜に
は図１０あるいは図１１に示すように底部に屈曲（キン
ク）を生ずる。なお、図中の細線は膜の形成される過程
を時系列的に表わしている。その効果にスパッタエッチ
ングを重畳すると、角度選択性によって肩部に一定傾斜
の面が発達して図１２に示すような形、または図１３の
ような形となる。
【００１６】膜形成には、膜に空間から直接入射する粒
子の影響（一次効果）に加えて、膜の他の部分を経由し
て入射するところの原料物質またはエッチングガスの効
果（二次効果）がある。すなわち、通常の成膜時、また
はスパッタエッチング時には、図１４のように、膜の原
料物質の一部が、成膜時の分子の跳ね返り、またはスパ
ッタエッチングによる跳びだしで再付着する効果が存在
する。その効果は凹凸の凸部におけるよりも凹部で顕著
であるため、形成される凹部の底の形が図１２、図１３
よりやや浅く、図１５の形となる。再付着は穴または溝
が深い・浅いに応じて多く・少なくなるので、積層の進
行につれて、くぼみの深さと形は定常的な深さと形に自
動的に調節される。また、凹凸をもつ膜の表面を必要に
よりスパッタエッチングと、通常のスパッタデポジショ
ンのように粒子が拡散入射するデポジションを用いて平
滑化することも可能である。また、基板には周期的な凹
みだけでなく図１６に示すように周期的な突起をもたせ
ることができるのはいうまでもない。
子の影響（一次効果）に加えて、膜の他の部分を経由し
て入射するところの原料物質またはエッチングガスの効
果（二次効果）がある。すなわち、通常の成膜時、また
はスパッタエッチング時には、図１４のように、膜の原
料物質の一部が、成膜時の分子の跳ね返り、またはスパ
ッタエッチングによる跳びだしで再付着する効果が存在
する。その効果は凹凸の凸部におけるよりも凹部で顕著
であるため、形成される凹部の底の形が図１２、図１３
よりやや浅く、図１５の形となる。再付着は穴または溝
が深い・浅いに応じて多く・少なくなるので、積層の進
行につれて、くぼみの深さと形は定常的な深さと形に自
動的に調節される。また、凹凸をもつ膜の表面を必要に
よりスパッタエッチングと、通常のスパッタデポジショ
ンのように粒子が拡散入射するデポジションを用いて平
滑化することも可能である。また、基板には周期的な凹
みだけでなく図１６に示すように周期的な突起をもたせ
ることができるのはいうまでもない。
【００１７】図１７、図１８、図１９に示すような周期
的に配置された孔・溝をもつ基板、または図２０に示す
ような非周期的に配置された孔・溝をもつ基板上にスパ
ッタエッチングと、通常のスパッタデポジションのよう
に粒子が拡散入射するデポジションを同時に行なって孔
・溝の底を鋭く整形することができる。また、上述の基
板、またはその上に成膜して基板の凹凸の位置を保存す
る膜の上に、通常のスパッタデポジションのように粒子
が拡散入射するデポジションを行なって、図２１に示す
ように内部に孔・溝状の空洞を形成し、表面にはなお同
図に示すように基板の凹凸の位置に一致して孔・溝をも
つ膜を作成することができる。これら二つの過程（鋭い
底の整形・空洞の形成）を個々に、または任意の順序に
組み合わせて加工することができる。また、凹凸をもつ
膜の表面を必要によりスパッタエッチングと、通常のス
パッタデポジションのように粒子が拡散入射するデポジ
ションにより平滑化することも可能であり、その応用範
囲はきわめて広い。
的に配置された孔・溝をもつ基板、または図２０に示す
ような非周期的に配置された孔・溝をもつ基板上にスパ
ッタエッチングと、通常のスパッタデポジションのよう
に粒子が拡散入射するデポジションを同時に行なって孔
・溝の底を鋭く整形することができる。また、上述の基
板、またはその上に成膜して基板の凹凸の位置を保存す
る膜の上に、通常のスパッタデポジションのように粒子
が拡散入射するデポジションを行なって、図２１に示す
ように内部に孔・溝状の空洞を形成し、表面にはなお同
図に示すように基板の凹凸の位置に一致して孔・溝をも
つ膜を作成することができる。これら二つの過程（鋭い
底の整形・空洞の形成）を個々に、または任意の順序に
組み合わせて加工することができる。また、凹凸をもつ
膜の表面を必要によりスパッタエッチングと、通常のス
パッタデポジションのように粒子が拡散入射するデポジ
ションにより平滑化することも可能であり、その応用範
囲はきわめて広い。
【００１８】もう一つの構造の作製方法を説明してお
く。図１により説明した構造においては２種類の物質が
同程度の厚さをもつが、後述するように別種の機能性材
料（ゲスト）を、構造を形成する単一主成分（ホスト）
の凹凸表面に、ホストよりはるかに薄く積層し周期を繰
り返すことが可能である。即ち、仮にゲストを導入しな
ければホストは結果的に均一の構造を持つ。換言すれ
ば、均一なホスト材料の間に、ゲストの３次元周期構造
を埋め込んだ構造を作製することができる。ホストを２
種類以上の物質の、ゲストより厚い膜の周期構造体とす
るホスト・ゲスト型３次元周期構造体の形成も同様にし
てなされる。なお、図１に即して説明すると、物質Ａの
表面とＢの表面とがすべて同一であれば問題なく、仮に
Ａの表面とＢの表面が一致しなくとも異なる層の間でＡ
どうし、Ｂどうしが同形をもてば周期性が保たれる。
く。図１により説明した構造においては２種類の物質が
同程度の厚さをもつが、後述するように別種の機能性材
料（ゲスト）を、構造を形成する単一主成分（ホスト）
の凹凸表面に、ホストよりはるかに薄く積層し周期を繰
り返すことが可能である。即ち、仮にゲストを導入しな
ければホストは結果的に均一の構造を持つ。換言すれ
ば、均一なホスト材料の間に、ゲストの３次元周期構造
を埋め込んだ構造を作製することができる。ホストを２
種類以上の物質の、ゲストより厚い膜の周期構造体とす
るホスト・ゲスト型３次元周期構造体の形成も同様にし
てなされる。なお、図１に即して説明すると、物質Ａの
表面とＢの表面とがすべて同一であれば問題なく、仮に
Ａの表面とＢの表面が一致しなくとも異なる層の間でＡ
どうし、Ｂどうしが同形をもてば周期性が保たれる。
【００１９】［実施例２］透明体からなる、媒質内光波
長の半分内外の周期をもつ３次元の周期構造について
は、フォトニック・バンドギャップという効果が理論上
予言され、マイクロ波帯（例えば波長３ｃｍ帯）のモデ
ル実験で理論が検証されている。３次元周期構造につい
て説明するため、図２２に３次元周期構造の概念を示
す。３次元周期構造は、屈折率ｎ1、ｎ2（ｎ1>ｎ2）を
もつ厚さｄ1、ｄ2の透明体１６、１７から構成され、
ｘ、ｙ、ｚ方向にそれぞれ周期ｘ1＋ｘ2、ｙ1＋ｙ2、ｚ
1＋ｚ2をもつ。簡単のためにｘ1＋ｘ2、ｙ1＋ｙ2ともに
ｚ1＋ｚ2 より十分大きく(ｚ1、ｚ2はｄ1、ｄ2と同じ意
味である)、 ｎ1ｄ1＝ｎ2ｄ2 を満たすと仮定する。この説明から明らかなように、３
次元周期構造はその作用においては１次元周期構造、２
次元周期構造をその一部として含むものである。このこ
とは本実施例に限らず本願全体についていえることであ
る。ｚ方向に進む波は以下説明する性質をもつ。ある自
由空間波長λ0を中心とする光の波長範囲 λl＜λ＜λu において、＋ｚ方向に進む光波は進行するに伴って振幅
が指数的に減少し、伝搬することができない。−ｚ方向
にも同様である。λ0の満たす条件は、 λ0／４＝ｎ1ｄ1（＝ｎ2ｄ2） であり、 １／λl＝（４／πλ0）（ｔａｎ-1（ｎ1／ｎ2）1/2） １／λu＝（４／πλ0）（ｔａｎ-1（ｎ2／ｎ1）1/2） である。
長の半分内外の周期をもつ３次元の周期構造について
は、フォトニック・バンドギャップという効果が理論上
予言され、マイクロ波帯（例えば波長３ｃｍ帯）のモデ
ル実験で理論が検証されている。３次元周期構造につい
て説明するため、図２２に３次元周期構造の概念を示
す。３次元周期構造は、屈折率ｎ1、ｎ2（ｎ1>ｎ2）を
もつ厚さｄ1、ｄ2の透明体１６、１７から構成され、
ｘ、ｙ、ｚ方向にそれぞれ周期ｘ1＋ｘ2、ｙ1＋ｙ2、ｚ
1＋ｚ2をもつ。簡単のためにｘ1＋ｘ2、ｙ1＋ｙ2ともに
ｚ1＋ｚ2 より十分大きく(ｚ1、ｚ2はｄ1、ｄ2と同じ意
味である)、 ｎ1ｄ1＝ｎ2ｄ2 を満たすと仮定する。この説明から明らかなように、３
次元周期構造はその作用においては１次元周期構造、２
次元周期構造をその一部として含むものである。このこ
とは本実施例に限らず本願全体についていえることであ
る。ｚ方向に進む波は以下説明する性質をもつ。ある自
由空間波長λ0を中心とする光の波長範囲 λl＜λ＜λu において、＋ｚ方向に進む光波は進行するに伴って振幅
が指数的に減少し、伝搬することができない。−ｚ方向
にも同様である。λ0の満たす条件は、 λ0／４＝ｎ1ｄ1（＝ｎ2ｄ2） であり、 １／λl＝（４／πλ0）（ｔａｎ-1（ｎ1／ｎ2）1/2） １／λu＝（４／πλ0）（ｔａｎ-1（ｎ2／ｎ1）1/2） である。
【００２０】ｎ2／ｎ1 が１に近いときは （λu−λl）／λ0〜（４／π）（（ｎ1／ｎ2）−１） (λ0はλu、λlのほぼ中心)で与えられる。この現象をB
ragg遮断という。遮断の中心波長は周期の長さに比例す
る。遮断の生ずる波長域の幅はｎ1とｎ2とがほぼ一致す
るとき０に近づき、ｎ1とｎ2の比が大きくなるとき幅は
λ0の数分の一のオーダーとなる。ゆえに、いわゆるBra
gg波長λ0からある程度離れた波長の光もｎ1／ｎ2の比
が十分大きいと遮断される。構成材料をａ−Ｓｉ（屈折
率３．２４）およびＳｉＯ2(屈折率１．４６)とする。
この材料系で上式により１／λl、１／λuを求めるとそ
れぞれ１／λ0から２５％減、２５％増となる。
ragg遮断という。遮断の中心波長は周期の長さに比例す
る。遮断の生ずる波長域の幅はｎ1とｎ2とがほぼ一致す
るとき０に近づき、ｎ1とｎ2の比が大きくなるとき幅は
λ0の数分の一のオーダーとなる。ゆえに、いわゆるBra
gg波長λ0からある程度離れた波長の光もｎ1／ｎ2の比
が十分大きいと遮断される。構成材料をａ−Ｓｉ（屈折
率３．２４）およびＳｉＯ2(屈折率１．４６)とする。
この材料系で上式により１／λl、１／λuを求めるとそ
れぞれ１／λ0から２５％減、２５％増となる。
【００２１】また、ＨＦ水溶液によって、Ｓｉを残して
ＳｉＯ2を選択的に溶かし去ることができる。そのあと
を例えば空気で満たすとき、この構造において屈折率比
は３．２４：１になり、同様に１／λl、１／λuは１／
λ0から３５％減、３５％増となる。以上、説明の便の
ためｘ1＋ｘ2、ｙ1＋ｙ2はｚ1＋ｚ2より十分大きいとし
たが、一般にはｘ、ｙ、ｚ方向の周期を同程度にしたい
ことが多い。３次元周期構造において、任意の方向に向
う波は一般に立体角方向ごとに異なる周期を見るので、
それぞれの方向ごとの遮断波長帯をもつ。特定の自由空
間波長λsをもつ光が、その３次元周期構造内のすべて
の立体的な方向に関して遮断波長帯に共通に含まれるな
らば、波長λsの光をその３次元周期構造の中に完全に
閉じ込めることができる。
ＳｉＯ2を選択的に溶かし去ることができる。そのあと
を例えば空気で満たすとき、この構造において屈折率比
は３．２４：１になり、同様に１／λl、１／λuは１／
λ0から３５％減、３５％増となる。以上、説明の便の
ためｘ1＋ｘ2、ｙ1＋ｙ2はｚ1＋ｚ2より十分大きいとし
たが、一般にはｘ、ｙ、ｚ方向の周期を同程度にしたい
ことが多い。３次元周期構造において、任意の方向に向
う波は一般に立体角方向ごとに異なる周期を見るので、
それぞれの方向ごとの遮断波長帯をもつ。特定の自由空
間波長λsをもつ光が、その３次元周期構造内のすべて
の立体的な方向に関して遮断波長帯に共通に含まれるな
らば、波長λsの光をその３次元周期構造の中に完全に
閉じ込めることができる。
【００２２】一例として図９に示すように周期構造を形
成した。方向ｘ、ｙ、ｚに対する周期はそれぞれ０．８
７μｍ、０．５μｍ、０．４μｍとなる。材料系はａ−
ＳｉおよびＳｉＯ2である。数十周期にわたる周期性が
確認された。具体的に示すならば、ｘｙ面内に六方対
称、ｚ方向に周期的な構造ではいわゆるブリユアン域は
一例として図２３に示す形をとる。波数の原点は六角柱
の中心である。比ｎ1／ｎ2が十分大きいと、考えている
波長λsがブリユアン域の表面全体において遮断域に共
通に含まれ波が一切放射しない。それよりｎ1／ｎ2が小
さくなると例えば図の白い部分を除く表面に対しλsは
遮断域に共通に含まれ、後に示すように多くの応用には
十分である。すなわち六角柱の中心から、灰色で示した
領域内の一点へ向かう方向の放射波は抑圧され遮断され
る。
成した。方向ｘ、ｙ、ｚに対する周期はそれぞれ０．８
７μｍ、０．５μｍ、０．４μｍとなる。材料系はａ−
ＳｉおよびＳｉＯ2である。数十周期にわたる周期性が
確認された。具体的に示すならば、ｘｙ面内に六方対
称、ｚ方向に周期的な構造ではいわゆるブリユアン域は
一例として図２３に示す形をとる。波数の原点は六角柱
の中心である。比ｎ1／ｎ2が十分大きいと、考えている
波長λsがブリユアン域の表面全体において遮断域に共
通に含まれ波が一切放射しない。それよりｎ1／ｎ2が小
さくなると例えば図の白い部分を除く表面に対しλsは
遮断域に共通に含まれ、後に示すように多くの応用には
十分である。すなわち六角柱の中心から、灰色で示した
領域内の一点へ向かう方向の放射波は抑圧され遮断され
る。
【００２３】また、本例においても本出願全体でも「周
期構造」という語を用いているが、勿論出願全体を通じ
て、周期性が厳密に成り立っていることに限定されな
い。作成条件の周期性からの小さい変化は影響が小さ
い。あるいは意図的に周期性をわずかに乱すことにより
次のような効果を生むことができる。図２４に示すよう
に、基板上の周期孔を１個または数個を省いて基板を作
製し、その上にＳｉＯ2／Ｓｉの周期構造を実施例１の
ごとく形成すれば、周期性の乱れた部分が基板に垂直な
方向に線状に形作られる。このような領域に沿って光波
を伝搬させることができるので、放射の禁止された特異
な空間と外部の空間とを結ぶ光の取り出し口・導入口と
することができる。ゆえに周期構造中のこのような乱れ
は有用である。
期構造」という語を用いているが、勿論出願全体を通じ
て、周期性が厳密に成り立っていることに限定されな
い。作成条件の周期性からの小さい変化は影響が小さ
い。あるいは意図的に周期性をわずかに乱すことにより
次のような効果を生むことができる。図２４に示すよう
に、基板上の周期孔を１個または数個を省いて基板を作
製し、その上にＳｉＯ2／Ｓｉの周期構造を実施例１の
ごとく形成すれば、周期性の乱れた部分が基板に垂直な
方向に線状に形作られる。このような領域に沿って光波
を伝搬させることができるので、放射の禁止された特異
な空間と外部の空間とを結ぶ光の取り出し口・導入口と
することができる。ゆえに周期構造中のこのような乱れ
は有用である。
【００２４】同様に３次元フォトニックバンドギャップ
構造中の点状ないし有限長の線状の乱れ、ループ状の乱
れは共振器の動作を行う。図２５には、積層方向および
基板面内で、周期を空間的に三つの軸方向ともにゆるや
かに変化させて実施例１の方法により形作った３次元フ
ォトニックバンドギャップ構造を示す。３次元フォトニ
ックバンドギャップ構造内の特定の方向をもつ光に関
し、Bragg遮断条件を満たす周期の部分が空間内の適当
な位置において存在するので、光はその領域で折り返す
ことになり、広い波長域、広い立体角範囲にフォトニッ
クバンドギャップ構造特性が保証される。ｘ、ｙ方向に
は変調なく、ｚ方向のみに周期を変調するなどの拡張も
勿論可能である。
構造中の点状ないし有限長の線状の乱れ、ループ状の乱
れは共振器の動作を行う。図２５には、積層方向および
基板面内で、周期を空間的に三つの軸方向ともにゆるや
かに変化させて実施例１の方法により形作った３次元フ
ォトニックバンドギャップ構造を示す。３次元フォトニ
ックバンドギャップ構造内の特定の方向をもつ光に関
し、Bragg遮断条件を満たす周期の部分が空間内の適当
な位置において存在するので、光はその領域で折り返す
ことになり、広い波長域、広い立体角範囲にフォトニッ
クバンドギャップ構造特性が保証される。ｘ、ｙ方向に
は変調なく、ｚ方向のみに周期を変調するなどの拡張も
勿論可能である。
【００２５】［実施例３］本実施例は３次元フォトニッ
クバンドギャップ構造において、光を外部との間で出し
入れする導波路や内部で波長を選択する共振器、分岐器
などの回路素子の作製方法に関するものである。さきに
図２４で説明した通り光を積層面に直角をなす方向に出
し入れすることができる。また、図２６は直角格子状の
回路素子の形成方法を説明している。石英基板上に図２
７に示す如く孔の列を形成する。ここで、線Γ１Γ４に
沿ってｘ方向の周期にずれを与える。その上にＳｉ／Ｓ
ｉＯ 2を実施例１のプロセスにより積層する。 積層を十
分な数繰り返したのち、面Σ 1Σ2Σ3において積層の厚
さ方向に図２６に示すずれを与える。この方法により光
のパワーを線Ｏ1Ｏ2の近くに局在させ、Ｏ1Ｏ2に沿って
伝搬させることができる。
クバンドギャップ構造において、光を外部との間で出し
入れする導波路や内部で波長を選択する共振器、分岐器
などの回路素子の作製方法に関するものである。さきに
図２４で説明した通り光を積層面に直角をなす方向に出
し入れすることができる。また、図２６は直角格子状の
回路素子の形成方法を説明している。石英基板上に図２
７に示す如く孔の列を形成する。ここで、線Γ１Γ４に
沿ってｘ方向の周期にずれを与える。その上にＳｉ／Ｓ
ｉＯ 2を実施例１のプロセスにより積層する。 積層を十
分な数繰り返したのち、面Σ 1Σ2Σ3において積層の厚
さ方向に図２６に示すずれを与える。この方法により光
のパワーを線Ｏ1Ｏ2の近くに局在させ、Ｏ1Ｏ2に沿って
伝搬させることができる。
【００２６】この構造において次のことが生ずる。面Γ
1Γ2Γ3におけるずれにより、光はΓ1Γ2Γ3から左方に
も右方にも、遠ざかるにつれ振幅が指数的に減少するの
で波はΓ1Γ2Γ3に沿い局在する。またΣ1Σ2Σ3におけ
るずれにより光はΣ1Σ2Σ 3から上方にも下方にも遠ざ
かるにつれ振幅が指数的に減少する。その両方の作用に
より波はＯ1Ｏ2に沿い局在し、その方向に伝搬が生ず
る。
1Γ2Γ3におけるずれにより、光はΓ1Γ2Γ3から左方に
も右方にも、遠ざかるにつれ振幅が指数的に減少するの
で波はΓ1Γ2Γ3に沿い局在する。またΣ1Σ2Σ3におけ
るずれにより光はΣ1Σ2Σ 3から上方にも下方にも遠ざ
かるにつれ振幅が指数的に減少する。その両方の作用に
より波はＯ1Ｏ2に沿い局在し、その方向に伝搬が生ず
る。
【００２７】周期性のずれを用いる伝搬路の形成とは別
に、屈折率の異なる部分の導入による伝搬路の形成が可
能である。図２８には図１に示したＳｉ／ＳｉＯ2３次
元周期構造の作製中の、ＳｉＯ2が積層された状態の、
ｙｚ断面を示す。表面にレジスト１８を設け、ｙ方向に
１周期ないし数周期の幅ＡＡ′をリソグラフィにより取
り除く。ストリップ状の開口ＡＡ′からドライエッチン
グによりＳｉＯ2を一部除去するか、またはそれより深
く除去する。これを点線で示す。そこへＳｉをスパッタ
リングにより埋め戻し、ほぼ原表面に復した後、レジス
トをリフトオフ法により除去する。この操作によって表
面凹凸の周期構造を保ち、その上に実施例１に従ってｚ
方向に多数回成膜を続ける。なお上記のプロセスにおい
て、断面のｙ方向周期性を甚しく損なわない範囲で、Ｓ
ｉＯ2のドライエッチング操作を省略すること、または
Ｓｉによる埋め戻し操作を省略することも可能である。
また、上記の構造において、ＳｉとＳｉＯ2の役割を入
れ替えることも可能である。
に、屈折率の異なる部分の導入による伝搬路の形成が可
能である。図２８には図１に示したＳｉ／ＳｉＯ2３次
元周期構造の作製中の、ＳｉＯ2が積層された状態の、
ｙｚ断面を示す。表面にレジスト１８を設け、ｙ方向に
１周期ないし数周期の幅ＡＡ′をリソグラフィにより取
り除く。ストリップ状の開口ＡＡ′からドライエッチン
グによりＳｉＯ2を一部除去するか、またはそれより深
く除去する。これを点線で示す。そこへＳｉをスパッタ
リングにより埋め戻し、ほぼ原表面に復した後、レジス
トをリフトオフ法により除去する。この操作によって表
面凹凸の周期構造を保ち、その上に実施例１に従ってｚ
方向に多数回成膜を続ける。なお上記のプロセスにおい
て、断面のｙ方向周期性を甚しく損なわない範囲で、Ｓ
ｉＯ2のドライエッチング操作を省略すること、または
Ｓｉによる埋め戻し操作を省略することも可能である。
また、上記の構造において、ＳｉとＳｉＯ2の役割を入
れ替えることも可能である。
【００２８】この作製法により光を波長選択性共振、分
岐、結合、反射させることができる。これらの回路では
放射が抑圧されている、ないし放射が生ずる方向が限定
されているため放射損失が減少し、従来の光回路では過
大な放射損失のため実現できなかった構成が可能になっ
ている。即ち、図２３の例で云うと、考えている回路素
子から強く放射の生じ得る方向を、灰色の部分がおおっ
ていれば放射損失を防止できる。上面からの透視図でそ
れぞれの回路を以下表す。
岐、結合、反射させることができる。これらの回路では
放射が抑圧されている、ないし放射が生ずる方向が限定
されているため放射損失が減少し、従来の光回路では過
大な放射損失のため実現できなかった構成が可能になっ
ている。即ち、図２３の例で云うと、考えている回路素
子から強く放射の生じ得る方向を、灰色の部分がおおっ
ていれば放射損失を防止できる。上面からの透視図でそ
れぞれの回路を以下表す。
【００２９】図２９においては、入射導波路Ａからの光
波はＢ、Ｃに分岐される。図３０には三様の共振器を例
示している。共振器Ｂ上に光波が定在波を形成する条件
をみたす波長の近傍においてＡからの光波はＣに透過
し、それ以外では波は反射される。共振器Ｅは導波路Ｄ
とのみ結合する。共振条件外ではＤから入った波は内部
損失の分を除けば全部反射される。共振条件下では内部
蓄積エネルギー、損失、（材料損失と、もし残留してい
れば、小さい放射損失）ともに増加するので反射係数は
低下する。リング状の共振器Ｇ上で光の波長が丁度定在
波条件をみたす時ＦからＨへの透過が生ずる。
波はＢ、Ｃに分岐される。図３０には三様の共振器を例
示している。共振器Ｂ上に光波が定在波を形成する条件
をみたす波長の近傍においてＡからの光波はＣに透過
し、それ以外では波は反射される。共振器Ｅは導波路Ｄ
とのみ結合する。共振条件外ではＤから入った波は内部
損失の分を除けば全部反射される。共振条件下では内部
蓄積エネルギー、損失、（材料損失と、もし残留してい
れば、小さい放射損失）ともに増加するので反射係数は
低下する。リング状の共振器Ｇ上で光の波長が丁度定在
波条件をみたす時ＦからＨへの透過が生ずる。
【００３０】図３１では、導波路ＡＢとＣＤが局部的に
近接し、その部分で両者の横方向に指数的に減少する波
が重なり合い、二つの導波路の間のパワーのやりとり、
即ち結合を生ずる。図３２では、Ａ、Ｂの間に幅の狭く
なった部分をおき波を部分反射させる回路Ｃ、Ｄの間に
短い側路をおき波を部分反射させる回路を示している。
また、屈折率の異なる部分を形成するためには図２８と
同じくリソグラフィによってマスクを形成した後、イオ
ン注入法を利用することができ、従って導波路、共振
器、分岐器、結合器、反射器などを形成することができ
る。
近接し、その部分で両者の横方向に指数的に減少する波
が重なり合い、二つの導波路の間のパワーのやりとり、
即ち結合を生ずる。図３２では、Ａ、Ｂの間に幅の狭く
なった部分をおき波を部分反射させる回路Ｃ、Ｄの間に
短い側路をおき波を部分反射させる回路を示している。
また、屈折率の異なる部分を形成するためには図２８と
同じくリソグラフィによってマスクを形成した後、イオ
ン注入法を利用することができ、従って導波路、共振
器、分岐器、結合器、反射器などを形成することができ
る。
【００３１】放射の抑圧された構造(PBS, Photonic Ban
dgap Structure)において光回路の接続が飛躍的に自由
になる効果を図３３を参照しつつ例示・説明する。導波
路ＩＮにより左方から入射した光は分岐器ＢＲにより上
下に別れた路をとる。下方の枝を通る光は共振器Ｒ２を
経て透過、またはＲ２で反射する。透過する波は結合器
Ｃへ向かう。上方の枝を通る成分は同様に振る舞い、透
過する成分は結合器Ｃへ向かって、並行する導波路に結
合する。合波された信号波はＲＥＦで示す反射器で一部
は反射され、一部は出力端ＯＵＴに向かう。
dgap Structure)において光回路の接続が飛躍的に自由
になる効果を図３３を参照しつつ例示・説明する。導波
路ＩＮにより左方から入射した光は分岐器ＢＲにより上
下に別れた路をとる。下方の枝を通る光は共振器Ｒ２を
経て透過、またはＲ２で反射する。透過する波は結合器
Ｃへ向かう。上方の枝を通る成分は同様に振る舞い、透
過する成分は結合器Ｃへ向かって、並行する導波路に結
合する。合波された信号波はＲＥＦで示す反射器で一部
は反射され、一部は出力端ＯＵＴに向かう。
【００３２】このような操作を通常の光集積回路で行な
うことは、過大な放射損失のため実際は不可能である
が、ＰＢＳの中では電気回路を接続するのと同様に実行
することができ、光回路の設計の自由度が飛躍的に増大
する。図３４に示す面内の導波路と図３５に示す面に垂
直な導波路とを組み合わせることにより、図３６に一例
を示す立体的な光回路を構成することができる。従来の
光回路技術では高々一平面内の光回路が実現されている
だけであるので、本技術により光回路の設計・作成の自
由度は文字どおり新しい次元に入ることができる。
うことは、過大な放射損失のため実際は不可能である
が、ＰＢＳの中では電気回路を接続するのと同様に実行
することができ、光回路の設計の自由度が飛躍的に増大
する。図３４に示す面内の導波路と図３５に示す面に垂
直な導波路とを組み合わせることにより、図３６に一例
を示す立体的な光回路を構成することができる。従来の
光回路技術では高々一平面内の光回路が実現されている
だけであるので、本技術により光回路の設計・作成の自
由度は文字どおり新しい次元に入ることができる。
【００３３】［実施例４］本発明における３次元周期構
造を形成する過程において生ずる、表面の２次元凹凸周
期構造の凹み部または凸起部に、選択的に機能物質を導
入する方法を以下説明する。積層においても、エッチン
グにおいても、山部、谷部それぞれをより多く積層ない
しエッチする効果がそれぞれ存在することを示そう。図
３７には凹凸のある基板に原料物質の粒子が入射する様
子を示す。基板に到来し、付着しないで反跳する粒子が
基板に再到着・付着する効果は凹部において多い。即
ち、原料物質の粒子が反跳する現象は凹部に選択的に堆
積する効果をもつ。また、凹部は、凸部の影になり角度
分散のある入射粒子が遮られるため、凸部に比べて堆積
が少なくなる効果をもつ。一方、付着した粒子は熱エネ
ルギにより基板表面を動き回ることができる。これはマ
イグレーションと呼ばれる。マイグレーションにおいて
は、平均的に温度の高い部分から低い部分へ粒子がいわ
ば吹き寄せられるような移動が生ずる。基板上では通常
凹部が凸部より温度が高く、凹部から凸部への移動が生
ずる。スパッタエッチングにおいても同様に凹部が多く
エッチされる機構、逆に凸部がより多くエッチされる機
構が存在する。即ち、気体イオンによるスパッタエッチ
ングにおいても反跳イオンは存在し、反跳イオンは凸部
より凹部をより多く侵食する。一方、以前に図８で説明
した通り、水平面より傾斜部はより深くエッチされるの
で、もし表面が図３８の形をしていれば谷部がより深
く、表面が図３９の形をしていれば山部がより深くエッ
チされる。
造を形成する過程において生ずる、表面の２次元凹凸周
期構造の凹み部または凸起部に、選択的に機能物質を導
入する方法を以下説明する。積層においても、エッチン
グにおいても、山部、谷部それぞれをより多く積層ない
しエッチする効果がそれぞれ存在することを示そう。図
３７には凹凸のある基板に原料物質の粒子が入射する様
子を示す。基板に到来し、付着しないで反跳する粒子が
基板に再到着・付着する効果は凹部において多い。即
ち、原料物質の粒子が反跳する現象は凹部に選択的に堆
積する効果をもつ。また、凹部は、凸部の影になり角度
分散のある入射粒子が遮られるため、凸部に比べて堆積
が少なくなる効果をもつ。一方、付着した粒子は熱エネ
ルギにより基板表面を動き回ることができる。これはマ
イグレーションと呼ばれる。マイグレーションにおいて
は、平均的に温度の高い部分から低い部分へ粒子がいわ
ば吹き寄せられるような移動が生ずる。基板上では通常
凹部が凸部より温度が高く、凹部から凸部への移動が生
ずる。スパッタエッチングにおいても同様に凹部が多く
エッチされる機構、逆に凸部がより多くエッチされる機
構が存在する。即ち、気体イオンによるスパッタエッチ
ングにおいても反跳イオンは存在し、反跳イオンは凸部
より凹部をより多く侵食する。一方、以前に図８で説明
した通り、水平面より傾斜部はより深くエッチされるの
で、もし表面が図３８の形をしていれば谷部がより深
く、表面が図３９の形をしていれば山部がより深くエッ
チされる。
【００３４】以上を要約すると、成膜条件、スパッタエ
ッチ条件、造影効果、表面粒子の移動しやすさ、表面形
状など諸条件の適切な選択によって堆積においては山部
を厚くも谷部を厚くも成膜でき、エッチングについては
山部を深くも谷部を深くも除去できる。本発明におい
て、パタン形成法が少なくとももう一つある。機能性ゲ
スト材料を山または谷の平坦部に堆積し傾斜部に堆積し
ないようにすることもできる。即ち、凹凸表面にゲスト
材料をほぼ一様な厚さに堆積し、引き続きスパッタエッ
チにより、平坦部をより浅く、傾斜部をより深くエッチ
することによりゲスト材料を傾斜部には残さず平坦部で
あるところの山頂と谷底とに残すことができる。
ッチ条件、造影効果、表面粒子の移動しやすさ、表面形
状など諸条件の適切な選択によって堆積においては山部
を厚くも谷部を厚くも成膜でき、エッチングについては
山部を深くも谷部を深くも除去できる。本発明におい
て、パタン形成法が少なくとももう一つある。機能性ゲ
スト材料を山または谷の平坦部に堆積し傾斜部に堆積し
ないようにすることもできる。即ち、凹凸表面にゲスト
材料をほぼ一様な厚さに堆積し、引き続きスパッタエッ
チにより、平坦部をより浅く、傾斜部をより深くエッチ
することによりゲスト材料を傾斜部には残さず平坦部で
あるところの山頂と谷底とに残すことができる。
【００３５】図４０は３次元の金属・絶縁物・金属（Ｍ
ＩＭ）トンネル接合とその作成法を説明するためのもの
である。実施例１のように、基板３（溶融石英）上に凹
凸パタンを形成し、その凹部に金属２１の領域（例えば
アルミニウム）を形成する。酸素を一時導入して２１の
表面を酸化し、さらに凸部に金属２２の領域を形成す
る。但しＡｌは絶縁膜（アルミナ）を作るためにのみ用
いて、金属２１、２２をＰｔ、Ｗ、Ｔｉなどとすること
も可能である。その上にＳｉＯ2の凹凸パタンを形成
し、以下繰り返すことにより、金属・絶縁物・金属トン
ネル接合の高密度３次元列を形成することができ、マイ
クロ波（ミリ波、サブミリ波を含む）の検出器として小
型で高効率なデバイスを実現することができる。なお図
４０において、ｘｙ面上のパタンをｙ方向に引き伸ばさ
れた線状またはすだれ状のパタンとして２次元化するこ
とができるのは云うまでもない。
ＩＭ）トンネル接合とその作成法を説明するためのもの
である。実施例１のように、基板３（溶融石英）上に凹
凸パタンを形成し、その凹部に金属２１の領域（例えば
アルミニウム）を形成する。酸素を一時導入して２１の
表面を酸化し、さらに凸部に金属２２の領域を形成す
る。但しＡｌは絶縁膜（アルミナ）を作るためにのみ用
いて、金属２１、２２をＰｔ、Ｗ、Ｔｉなどとすること
も可能である。その上にＳｉＯ2の凹凸パタンを形成
し、以下繰り返すことにより、金属・絶縁物・金属トン
ネル接合の高密度３次元列を形成することができ、マイ
クロ波（ミリ波、サブミリ波を含む）の検出器として小
型で高効率なデバイスを実現することができる。なお図
４０において、ｘｙ面上のパタンをｙ方向に引き伸ばさ
れた線状またはすだれ状のパタンとして２次元化するこ
とができるのは云うまでもない。
【００３６】なおＭＩＭのトンネル接合としては各横方
向周期に対応して接合を作る（図４１）の他に図４２の
ように積層化させる方法や図４３、図４４のような島状
膜を用いてトンネル電流を流すこともできる。但し、図
４１や図４２では金属膜が厚い場合、積層（ｚ）方向で
光が透過しないのでＰＢＳとの組み合わせの仕方が制限
される。例えば図４５、図４６、図４７の形で用いる方
法（なお図中のＦＵ（Functional Unit：機能単位）は
ＭＩＭトンネル構造の複合体である。）、あるいは積層
させて、面に沿う方向に光を伝搬させる方式が可能であ
る。膜厚の薄い場合はこの種の制限がない。なお、ＭＩ
Ｍの利用法としては非線形のＩ−Ｖ特性を利用した、ス
イッチや検波・混合などへの応用と注入による発光を利
用するもの（プラズモン発光）が可能である。非線形Ｉ
−Ｖ特性等の電気特性によるスイッチング等の電子機能
を用いるときは不透明のホスト材料を用いてもよい。
向周期に対応して接合を作る（図４１）の他に図４２の
ように積層化させる方法や図４３、図４４のような島状
膜を用いてトンネル電流を流すこともできる。但し、図
４１や図４２では金属膜が厚い場合、積層（ｚ）方向で
光が透過しないのでＰＢＳとの組み合わせの仕方が制限
される。例えば図４５、図４６、図４７の形で用いる方
法（なお図中のＦＵ（Functional Unit：機能単位）は
ＭＩＭトンネル構造の複合体である。）、あるいは積層
させて、面に沿う方向に光を伝搬させる方式が可能であ
る。膜厚の薄い場合はこの種の制限がない。なお、ＭＩ
Ｍの利用法としては非線形のＩ−Ｖ特性を利用した、ス
イッチや検波・混合などへの応用と注入による発光を利
用するもの（プラズモン発光）が可能である。非線形Ｉ
−Ｖ特性等の電気特性によるスイッチング等の電子機能
を用いるときは不透明のホスト材料を用いてもよい。
【００３７】［実施例５］２種類以上の材料から構成さ
れる３次元周期構造体において、構成材料をＳｉＣやＳ
ｉなどの導電性材料とすることができる。その構造にお
いてヘテロ接合受光器を形成するなど、電子素子とフォ
トニック・バンドギャップ（ＰＢＧ）効果を利用した光
学素子を融合させた性質を持つデバイスを作製すること
ができる。
れる３次元周期構造体において、構成材料をＳｉＣやＳ
ｉなどの導電性材料とすることができる。その構造にお
いてヘテロ接合受光器を形成するなど、電子素子とフォ
トニック・バンドギャップ（ＰＢＧ）効果を利用した光
学素子を融合させた性質を持つデバイスを作製すること
ができる。
【００３８】以下、より詳しく説明する。その準備とし
て、機能材料（Ｆとする）又は機能単位（ＦＵ）をフォ
トニック・バンドギャップ構造（ＰＢＳ）に導入する方
法を３つに分類する。 （イ）ＦＵをＰＢＳ構造に囲まれる形（領域）に導入す
る方法（図４５、図４６、図４７） （ロ）ＰＢＳを構成する周期的に用いる物質（ＳｉＯ2
やａ−Ｓｉ）の一部にＦを挿入して用いる方法（図４
８） （ハ）ＰＢＳを構成する周期的に用いる物質（ＳｉＯ2
やＳｉなど）の一方を機能物質で構成する方法（図４
８）
て、機能材料（Ｆとする）又は機能単位（ＦＵ）をフォ
トニック・バンドギャップ構造（ＰＢＳ）に導入する方
法を３つに分類する。 （イ）ＦＵをＰＢＳ構造に囲まれる形（領域）に導入す
る方法（図４５、図４６、図４７） （ロ）ＰＢＳを構成する周期的に用いる物質（ＳｉＯ2
やａ−Ｓｉ）の一部にＦを挿入して用いる方法（図４
８） （ハ）ＰＢＳを構成する周期的に用いる物質（ＳｉＯ2
やＳｉなど）の一方を機能物質で構成する方法（図４
８）
【００３９】上のいずれの形で用いるかによって半導体
や金属の構造などの構成が変わる。以下に示す例では
（イ）（ロ）（ハ）の諸例が示されている。この場合、
ＰＢＳを構成する２つの物質Ａ、Ｂの構成法には下記の
如く少なくとも４通りのものが考えられる。
や金属の構造などの構成が変わる。以下に示す例では
（イ）（ロ）（ハ）の諸例が示されている。この場合、
ＰＢＳを構成する２つの物質Ａ、Ｂの構成法には下記の
如く少なくとも４通りのものが考えられる。
【表１】
【００４０】ＰＢＳを構成する材料をＳｉやＳｉＣなど
のようにすべて半導体にすると屈折率の差が小さくなる
ため、すべての方向に遮断帯またはある波長域における
遮断特性を保つことは困難になるが、主軸方向に沿って
はバンドギャップが維持される。この種の構造では積層
方向に伝導性が得られるので、様々な新しい機能が達成
できる。例えばｐ形、ｎ形になるように各々の層を適当
にドープすることにより、多重又は一対のｐｎ構造が得
られるので、整流性が得られ、逆バイアスを加えた状態
ではｐｉｎ検出器として利用でき、順バイアスされた接
合では発光素子として利用できる。なお、ＰＢＳを構成
する半導体Ａ、Ｂにおいて一方又は双方を超薄膜の多層
構造で構成すると、量子井戸や２重障壁構造などを作り
込むことができる（タイプ２）。この場合、共鳴トン
ネル効果に伴う負性抵抗特性や、順方向にバイアスさ
れた量子井戸では２次元電子・正孔の注入に伴う発光吸
収・屈折率の変調効果、さらに逆バイアスされた量子
井戸に見られるシュタルク効果（電界に伴って吸収率や
屈折率の変化する効果）が現れる。さらに（タイプ３や
４のように）、絶縁膜を使用した構造では積層方向に電
流を流すのは困難となるが、量子井戸薄膜の効果や絶縁
膜中に分散したシリコン超微粒子などの持つ注入発光な
どの光学的特性があらわれる。
のようにすべて半導体にすると屈折率の差が小さくなる
ため、すべての方向に遮断帯またはある波長域における
遮断特性を保つことは困難になるが、主軸方向に沿って
はバンドギャップが維持される。この種の構造では積層
方向に伝導性が得られるので、様々な新しい機能が達成
できる。例えばｐ形、ｎ形になるように各々の層を適当
にドープすることにより、多重又は一対のｐｎ構造が得
られるので、整流性が得られ、逆バイアスを加えた状態
ではｐｉｎ検出器として利用でき、順バイアスされた接
合では発光素子として利用できる。なお、ＰＢＳを構成
する半導体Ａ、Ｂにおいて一方又は双方を超薄膜の多層
構造で構成すると、量子井戸や２重障壁構造などを作り
込むことができる（タイプ２）。この場合、共鳴トン
ネル効果に伴う負性抵抗特性や、順方向にバイアスさ
れた量子井戸では２次元電子・正孔の注入に伴う発光吸
収・屈折率の変調効果、さらに逆バイアスされた量子
井戸に見られるシュタルク効果（電界に伴って吸収率や
屈折率の変化する効果）が現れる。さらに（タイプ３や
４のように）、絶縁膜を使用した構造では積層方向に電
流を流すのは困難となるが、量子井戸薄膜の効果や絶縁
膜中に分散したシリコン超微粒子などの持つ注入発光な
どの光学的特性があらわれる。
【００４１】［実施例６］本実施例では、光学的分極率
が非線形性をもつ物質、あるいは非線形物質を媒質中に
３次元周期的に配列した構造およびその作成方法とその
効果を述べる。前記媒質は実施例２で説明した周期的な
構造であっても良い。説明の順序として、従来の技術を
略述する。Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇなどの微粒子は非線形分極
率をもつので、ガラス基板上に微粒を形成して、その上
にレーザ光を照射して高調波を発生させ得ることが知ら
れている。この場合、高調波は、空間にランダムかつ平
均的には一様に存在する微粒から発生するため基本波レ
ーザ光と一定の位相関係をもたせることができない。
が非線形性をもつ物質、あるいは非線形物質を媒質中に
３次元周期的に配列した構造およびその作成方法とその
効果を述べる。前記媒質は実施例２で説明した周期的な
構造であっても良い。説明の順序として、従来の技術を
略述する。Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇなどの微粒子は非線形分極
率をもつので、ガラス基板上に微粒を形成して、その上
にレーザ光を照射して高調波を発生させ得ることが知ら
れている。この場合、高調波は、空間にランダムかつ平
均的には一様に存在する微粒から発生するため基本波レ
ーザ光と一定の位相関係をもたせることができない。
【００４２】実施例１で説明した通り石英基板上に周期
的凹凸を形成し、その上にスパッタエッチングを少なく
とも一部分に含みつつＳｉＯ2膜を堆積する。その上に
Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇなどの膜を堆積し、熱処理を行うと堆
積時の跳ねかえり（反跳）により凸部より凹部により多
く積層される。ただし成膜時の温度やイオン衝撃エネル
ギによる粒子の表面移動の効果を利用して凸部により多
く積層することもできる。これらの効果により２次元周
期形状を呈する。
的凹凸を形成し、その上にスパッタエッチングを少なく
とも一部分に含みつつＳｉＯ2膜を堆積する。その上に
Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇなどの膜を堆積し、熱処理を行うと堆
積時の跳ねかえり（反跳）により凸部より凹部により多
く積層される。ただし成膜時の温度やイオン衝撃エネル
ギによる粒子の表面移動の効果を利用して凸部により多
く積層することもできる。これらの効果により２次元周
期形状を呈する。
【００４３】（１）その上にＳｉＯ2膜を形成して以下
繰り返すことができる。この方法によれば均質なＳｉＯ
2媒質中に非線形分極率をもつ物質が３次元周期的に配
列する。故に、前述の方法で高調波を発生させたとき、
配列要素間に一定の位相差が生じ、その干渉の結果、空
間の特定な方向に高調波を効率よく放射させることがで
きる。（２）その上にＳｉ膜を形成し、（その上にＣ
ｕ、Ａｕ、Ａｇなどの膜を形成してもよく、形成せず直
ちにでもよく）その上にＳｉＯ2膜を形成し以下くり返
すことができる。この方法によれば、（１）の方法の効
果に併せて、ＰＢＳの効果により高調波の放射の生ずる
方向の数を一つにする、ないし（１）よりも制限するこ
とができるという効果がある。
繰り返すことができる。この方法によれば均質なＳｉＯ
2媒質中に非線形分極率をもつ物質が３次元周期的に配
列する。故に、前述の方法で高調波を発生させたとき、
配列要素間に一定の位相差が生じ、その干渉の結果、空
間の特定な方向に高調波を効率よく放射させることがで
きる。（２）その上にＳｉ膜を形成し、（その上にＣ
ｕ、Ａｕ、Ａｇなどの膜を形成してもよく、形成せず直
ちにでもよく）その上にＳｉＯ2膜を形成し以下くり返
すことができる。この方法によれば、（１）の方法の効
果に併せて、ＰＢＳの効果により高調波の放射の生ずる
方向の数を一つにする、ないし（１）よりも制限するこ
とができるという効果がある。
【００４４】金属微粒子だけでなく、ＬｉＮｂＯ3、Ｌ
ｉＴａＯ3、ＫＮｂＯ3などのニオブ酸・タンタル酸系物
質は非線形光学効果をもち、スパッタリング等により薄
膜化が可能であるので、それを（１）ないし（２）の方
法で３次元周期構造化して非線形特性を利用することが
できる。あるいは図４９に断面を示すように、凹凸をも
つＳｉＯ2の上にＬｉＮｂＯ3（またはＬｉＴａＯ3、Ｋ
ＮｂＯ3など）を薄くスパッタし、スパッタエッチング
により斜面部のみを除去して山部、谷部を残し、繰り返
すことにより３次元周期構造を形成することもできる。
ｉＴａＯ3、ＫＮｂＯ3などのニオブ酸・タンタル酸系物
質は非線形光学効果をもち、スパッタリング等により薄
膜化が可能であるので、それを（１）ないし（２）の方
法で３次元周期構造化して非線形特性を利用することが
できる。あるいは図４９に断面を示すように、凹凸をも
つＳｉＯ2の上にＬｉＮｂＯ3（またはＬｉＴａＯ3、Ｋ
ＮｂＯ3など）を薄くスパッタし、スパッタエッチング
により斜面部のみを除去して山部、谷部を残し、繰り返
すことにより３次元周期構造を形成することもできる。
【００４５】［実施例７］実施例６の（１）に書いたよ
うに、一様な第１のホスト透明体の中に第２の微小なゲ
スト透明体を３次元周期構造体として導入することがで
きる。これは３次元の透過または反射回折格子として利
用できる。ゲストは３次元的に分布するので、入射波か
らみたとき大きい回折断面積、即ち高い回折効率を得る
ことができる。なお、必要によっては表面の凹凸をバイ
アススパッタリングによって平滑化することができる。
うに、一様な第１のホスト透明体の中に第２の微小なゲ
スト透明体を３次元周期構造体として導入することがで
きる。これは３次元の透過または反射回折格子として利
用できる。ゲストは３次元的に分布するので、入射波か
らみたとき大きい回折断面積、即ち高い回折効率を得る
ことができる。なお、必要によっては表面の凹凸をバイ
アススパッタリングによって平滑化することができる。
【００４６】［実施例８］図５０は発光・光増幅機能を
もつ物質を含む３次元の周期構造体とその作成法を説明
するためのものである。実施例１のように、石英基板上
に凹凸パタンを形成し、その上に活性元素Ｅｒを含むＳ
ｉＯ2の領域を形成する。その上にＳｉの領域を形成す
る。その上にＳｉＯ2の凹凸パタンを形成し、以下繰り
返すことにより、発光・光増幅機能をもつ物質を含む３
次元の周期構造体を形成することができる。
もつ物質を含む３次元の周期構造体とその作成法を説明
するためのものである。実施例１のように、石英基板上
に凹凸パタンを形成し、その上に活性元素Ｅｒを含むＳ
ｉＯ2の領域を形成する。その上にＳｉの領域を形成す
る。その上にＳｉＯ2の凹凸パタンを形成し、以下繰り
返すことにより、発光・光増幅機能をもつ物質を含む３
次元の周期構造体を形成することができる。
【００４７】この系は光励起により１．５μｍ帯の光を
発生・増幅することができる。ブラッグ遮断の効果によ
り、励起されたＥｒイオンが自発発光によりエネルギー
を失う率が激減するので、光発生・増幅の効率が高まる
という効果がある。なおＳｉＯ2にＹ、Ｎｄなどをドー
プすることができる。稀土類のほかに、ＣｄＳなど半導
体の微結晶を実施例６のごとく成膜途中の２次元凹凸界
面に導入することにより光発生・増幅を行なわせること
ができる。
発生・増幅することができる。ブラッグ遮断の効果によ
り、励起されたＥｒイオンが自発発光によりエネルギー
を失う率が激減するので、光発生・増幅の効率が高まる
という効果がある。なおＳｉＯ2にＹ、Ｎｄなどをドー
プすることができる。稀土類のほかに、ＣｄＳなど半導
体の微結晶を実施例６のごとく成膜途中の２次元凹凸界
面に導入することにより光発生・増幅を行なわせること
ができる。
【００４８】図５１に示すように、物質２０（Ｓｉ
Ｏ2）の凹凸面の上にＣｄＳやＣｄＴｅなどの微細結晶
からなる超薄膜を形成し、スパッタエッチングにより斜
面部のみを除去して山部、谷部を残し、そのうえに物質
１９（Ｓｉ）を堆積する。この過程を繰り返して、Ｓｉ
Ｏ2とＳｉからなるＰＢＳの中に微細なＣｄＳやＣｄＴ
ｅなどの結晶群を３次元周期的に形成することができ
る。ＣｄＳやＣｄＴｅなどを励起すると光を放射するこ
とができるが、ＰＢＳの中の放射が遮断される方向には
自発再結合発光がないので励起状態分子の利用効率が高
い。
Ｏ2）の凹凸面の上にＣｄＳやＣｄＴｅなどの微細結晶
からなる超薄膜を形成し、スパッタエッチングにより斜
面部のみを除去して山部、谷部を残し、そのうえに物質
１９（Ｓｉ）を堆積する。この過程を繰り返して、Ｓｉ
Ｏ2とＳｉからなるＰＢＳの中に微細なＣｄＳやＣｄＴ
ｅなどの結晶群を３次元周期的に形成することができ
る。ＣｄＳやＣｄＴｅなどを励起すると光を放射するこ
とができるが、ＰＢＳの中の放射が遮断される方向には
自発再結合発光がないので励起状態分子の利用効率が高
い。
【００４９】［実施例９］本実施例では、電気光学効果
をもつ物質を３次元周期構造内に配列した構造、その作
成方法例と作用効果を述べる。実施例１で説明した通り
石英基板上に周期的凹凸を形成する。ＳｉＯ2、Ｓｉを
順次（スパッタエッチを含みつつ）成膜する。Ｓｉはノ
ンドープとする。ついで電極としてＳｉＯ2／Ｓｉの１
周期ないし数周期、導電性をもたせつつ成膜する。（な
おＳｉにはｎ型（またはｎ+）、ないしｐ型（または
ｐ+）を用いる。これらにより導電性を持つ層をＰＢＳ
特性を保持したまま形成できる。ＰＢＳ内部に液晶物質
を導入し、ここで述べた電極により電圧を与えれば、液
晶の配向を制御することができ、複屈折や屈折率を制御
することができ、可変波長共振器を形成できる。
をもつ物質を３次元周期構造内に配列した構造、その作
成方法例と作用効果を述べる。実施例１で説明した通り
石英基板上に周期的凹凸を形成する。ＳｉＯ2、Ｓｉを
順次（スパッタエッチを含みつつ）成膜する。Ｓｉはノ
ンドープとする。ついで電極としてＳｉＯ2／Ｓｉの１
周期ないし数周期、導電性をもたせつつ成膜する。（な
おＳｉにはｎ型（またはｎ+）、ないしｐ型（または
ｐ+）を用いる。これらにより導電性を持つ層をＰＢＳ
特性を保持したまま形成できる。ＰＢＳ内部に液晶物質
を導入し、ここで述べた電極により電圧を与えれば、液
晶の配向を制御することができ、複屈折や屈折率を制御
することができ、可変波長共振器を形成できる。
【００５０】［実施例１０］半導体レーザなどの発光素
子を３次元周期構造体中に作り込むことにより、発光素
子が本来持っている自然放出光の放射を抑えることがで
き、これによってしきい値電流を極めて小さくすること
ができる。
子を３次元周期構造体中に作り込むことにより、発光素
子が本来持っている自然放出光の放射を抑えることがで
き、これによってしきい値電流を極めて小さくすること
ができる。
【００５１】図５２には、面発光レーザあるいはマイク
ロキャビティレーザ(MicrocavitｙLaser)を３次元ＰＢ
Ｓ内に作製した構造を示す。当該レーザから出力導波路
への結合を除いて、他の方向への自発再結合発光は著し
く抑圧されるので、レーザ動作しきい値が減少し有利で
ある。
ロキャビティレーザ(MicrocavitｙLaser)を３次元ＰＢ
Ｓ内に作製した構造を示す。当該レーザから出力導波路
への結合を除いて、他の方向への自発再結合発光は著し
く抑圧されるので、レーザ動作しきい値が減少し有利で
ある。
【００５２】また図５３には３次元ＰＢＳとレーザを一
体集積する方法および当該構造を示す。化合物半導体基
板（例えばＩｎＰまたはＧａＡｓ）上に２次元凹凸を形
成し、その上に実施例１、２の方法でＳｉＯ2／ａ−Ｓ
ｉ等の３次元ＰＢＳを形成し、ドライエッチングにより
基板上にとどく孔を形成する。その面の上にエピタキシ
ャル成長により半導体レーザを作る。この構造では横方
向への不要放射が禁止、または抑制されるのでレーザ動
作しきい値が低下して有利である。図５２および５３に
おいて、電極とリードは別に設けてもよく、あるいはＰ
ＢＳ中のＳｉにドープして電気伝導性をもたせ、電極と
リードの役目をさせることもできる。
体集積する方法および当該構造を示す。化合物半導体基
板（例えばＩｎＰまたはＧａＡｓ）上に２次元凹凸を形
成し、その上に実施例１、２の方法でＳｉＯ2／ａ−Ｓ
ｉ等の３次元ＰＢＳを形成し、ドライエッチングにより
基板上にとどく孔を形成する。その面の上にエピタキシ
ャル成長により半導体レーザを作る。この構造では横方
向への不要放射が禁止、または抑制されるのでレーザ動
作しきい値が低下して有利である。図５２および５３に
おいて、電極とリードは別に設けてもよく、あるいはＰ
ＢＳ中のＳｉにドープして電気伝導性をもたせ、電極と
リードの役目をさせることもできる。
【００５３】［実施例１１］また、ＰＢＳのプログラマ
ブルレーザへの次の応用が可能である。別項（実施例２
および図２３）で述べたように、特定モードしか許され
ないＰＢＳ構造の内部に電気的に励起できるｐｎ接合や
光学的に励起のできる色素などを設けた複合素子では、
許されたモードに関与した発光過程のみが許され、他の
自然光が特定方向に沿ってのみ放射される。こうしたＰ
ＢＳにおいてはその構成要素に電気光学効果のある材料
を用いるとフィルター特性が外部電圧によって制御でき
るので、発光素子のスペクトルや発光方向を電気的にプ
ログラムできる。
ブルレーザへの次の応用が可能である。別項（実施例２
および図２３）で述べたように、特定モードしか許され
ないＰＢＳ構造の内部に電気的に励起できるｐｎ接合や
光学的に励起のできる色素などを設けた複合素子では、
許されたモードに関与した発光過程のみが許され、他の
自然光が特定方向に沿ってのみ放射される。こうしたＰ
ＢＳにおいてはその構成要素に電気光学効果のある材料
を用いるとフィルター特性が外部電圧によって制御でき
るので、発光素子のスペクトルや発光方向を電気的にプ
ログラムできる。
【００５４】［実施例１２］フォトダイオードなどの受
光素子を導波路で外部と結合された、ＰＢＳ特性をもつ
３次元周期構造体中に作り込むことにより、受光器への
外部からの放射即ち雑音入力を抑えることができ、これ
によって入力雑音の低下と受光感度の向上を図ることが
できる。また放射立体角の消失または減小に基き零点ゆ
らぎの自由度が消失または減小し、雑音がいっそう減小
する。
光素子を導波路で外部と結合された、ＰＢＳ特性をもつ
３次元周期構造体中に作り込むことにより、受光器への
外部からの放射即ち雑音入力を抑えることができ、これ
によって入力雑音の低下と受光感度の向上を図ることが
できる。また放射立体角の消失または減小に基き零点ゆ
らぎの自由度が消失または減小し、雑音がいっそう減小
する。
【００５５】さらに、プログラマブル受光素子を実現す
ることが次のようにしてできる。完全なＰＢＳ構造の内
部に特定の波長域にだけ感度を持つようなｐｎ接合や光
伝導形の受光素子を組み込むと外部からの信号光も背景
光も感光部に到達しない状態となる。この状態からわず
かにずれたＰＢＳを用いると、特定の波長の光のみが特
定の方向から光検出部に到来する。従ってこの複合素子
は入射光の波長と方向（波数）に強い選択性のある複合
素子に用いられる、ＰＢＳにおいてその構成要素に電気
光学効果のある材料を用いるなどフィルター特性が外部
電圧の印加によって変化できるので、受光素子の応答特
性を電気的にプログラムすることができる。
ることが次のようにしてできる。完全なＰＢＳ構造の内
部に特定の波長域にだけ感度を持つようなｐｎ接合や光
伝導形の受光素子を組み込むと外部からの信号光も背景
光も感光部に到達しない状態となる。この状態からわず
かにずれたＰＢＳを用いると、特定の波長の光のみが特
定の方向から光検出部に到来する。従ってこの複合素子
は入射光の波長と方向（波数）に強い選択性のある複合
素子に用いられる、ＰＢＳにおいてその構成要素に電気
光学効果のある材料を用いるなどフィルター特性が外部
電圧の印加によって変化できるので、受光素子の応答特
性を電気的にプログラムすることができる。
【００５６】［実施例１３］図１８に示すように基板上
の直交するｘ軸、ｙ軸を対称軸とした２次元的に周期的
な凹凸をもつ基板の上に、共通の周期的凹凸をもつ２種
類以上の透明物質を周期的に積層すれば、遮断周波数領
域を除く一般の波長域で、その立体構造は実効的光学誘
電テンソル をもつ２軸異方性の人工媒質として機能する。適切な設
計によれば、天然物質と異なりある範囲の媒質定数を連
続的に実現できる、また遮断域近傍で現れる強い分散性
のため極めて大きい異方性が実現できるという性質があ
る。
の直交するｘ軸、ｙ軸を対称軸とした２次元的に周期的
な凹凸をもつ基板の上に、共通の周期的凹凸をもつ２種
類以上の透明物質を周期的に積層すれば、遮断周波数領
域を除く一般の波長域で、その立体構造は実効的光学誘
電テンソル をもつ２軸異方性の人工媒質として機能する。適切な設
計によれば、天然物質と異なりある範囲の媒質定数を連
続的に実現できる、また遮断域近傍で現れる強い分散性
のため極めて大きい異方性が実現できるという性質があ
る。
【００５７】
【発明の効果】以上のように、請求項２あるいは請求項
４あるいは請求項６の方法によれば、スパッタエッチン
グを単独で、または成膜と同時に用いる技術の形状整形
効果を活かして、極めて微細な、３次元的に周期的な構
造体を工業的に作製することができるので、フォトニッ
クバンドギャップ効果を実現できる。
４あるいは請求項６の方法によれば、スパッタエッチン
グを単独で、または成膜と同時に用いる技術の形状整形
効果を活かして、極めて微細な、３次元的に周期的な構
造体を工業的に作製することができるので、フォトニッ
クバンドギャップ効果を実現できる。
【００５８】請求項９によれば、前項の技術を更に発展
させ、３次元周期構造の内部に光学的分極率が非線形性
をもつ物質、または電気光学材料、または透明体、また
は導電性物質などを周期的に設けることができ、多種多
様な電子機能、光機能が可能となる。
させ、３次元周期構造の内部に光学的分極率が非線形性
をもつ物質、または電気光学材料、または透明体、また
は導電性物質などを周期的に設けることができ、多種多
様な電子機能、光機能が可能となる。
【００５９】請求項１０によれば、３次元周期構造の内
部に発光性あるいは光増幅性物質を周期的に設けること
ができ、高効率な光能動素子が可能となる。
部に発光性あるいは光増幅性物質を周期的に設けること
ができ、高効率な光能動素子が可能となる。
【００６０】請求項１１によれば、周期的な凹凸をもつ
２種類以上の膜状透明物質をほぼ周期的に順次積層した
構造をもつ３次元的にほぼ周期的な構造体、即ち光波長
のある範囲で遮断特性をもつ人工媒体の中に、導波路あ
るいは共振器あるいは分岐器あるいは結合器あるいは反
射器、または受光器等の機能部品を集積することがで
き、無放射特性の利点を活用することができる。
２種類以上の膜状透明物質をほぼ周期的に順次積層した
構造をもつ３次元的にほぼ周期的な構造体、即ち光波長
のある範囲で遮断特性をもつ人工媒体の中に、導波路あ
るいは共振器あるいは分岐器あるいは結合器あるいは反
射器、または受光器等の機能部品を集積することがで
き、無放射特性の利点を活用することができる。
【００６１】請求項１２によれば、３次元周期構造の内
部に半導体レーザを設けることができ、自然放出光損失
のない高効率のレーザ作用が実現できる。
部に半導体レーザを設けることができ、自然放出光損失
のない高効率のレーザ作用が実現できる。
【００６２】請求項１３によれば、基板の上の直交する
ｘ軸、ｙ軸を対称軸とした２次元的に周期的な凹凸をも
つ基板の上に共通の周期的な凹凸をもつ２種類以上の膜
状透明物質を周期的に順次積層した構造を実現できるの
で、任意の値の対角形誘電率テンソルで表される光学的
２軸異方性を実現することができる。
ｘ軸、ｙ軸を対称軸とした２次元的に周期的な凹凸をも
つ基板の上に共通の周期的な凹凸をもつ２種類以上の膜
状透明物質を周期的に順次積層した構造を実現できるの
で、任意の値の対角形誘電率テンソルで表される光学的
２軸異方性を実現することができる。
【図１】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図２】スパッタリング法を示す説明図。
【図３】バイアススパッタリング法を示す説明図。
【図４】従来のバイアススパッタ法の適用例を示す説明
図。
図。
【図５】従来のバイアススパッタ法の適用例を示す説明
図。
図。
【図６】真空蒸着法を示す説明図。
【図７】レーザアブレーション法を示す説明図。
【図８】エッチング率の角度依存性を示す説明図。
【図９】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図１０】本発明の作製メカニズムを示す説明図。
【図１１】本発明の作製メカニズムを示す説明図。
【図１２】本発明の作製メカニズムを示す説明図。
【図１３】本発明の作製メカニズムを示す説明図。
【図１４】本発明の作製メカニズムを示す説明図。
【図１５】本発明の作製メカニズムを示す説明図。
【図１６】本発明の一つの実施例で使用する基板を示す
説明図。
説明図。
【図１７】本発明の一つの実施例で使用する基板を示す
説明図。
説明図。
【図１８】本発明の一つの実施例で使用する基板を示す
説明図。
説明図。
【図１９】本発明の一つの実施例で使用する基板を示す
説明図。
説明図。
【図２０】本発明の一つの実施例で使用する基板を示す
説明図。
説明図。
【図２１】本発明の作製メカニズムを示す説明図。
【図２２】３次元周期構造の特性を説明するための図。
【図２３】ｘｙ面内に六方対称、ｚ方向に周期的な構造
のブリュアン域を示す説明図。
のブリュアン域を示す説明図。
【図２４】本発明の一つの実施例を示す説明図であり、
点線の円は実線で示すべき円孔が本来の位置に存在しな
いことをあらわす。
点線の円は実線で示すべき円孔が本来の位置に存在しな
いことをあらわす。
【図２５】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図２６】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図２７】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図２８】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図２９】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図３０】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図３１】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図３２】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図３３】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図３４】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図３５】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図３６】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図３７】本発明の一つの実施例で使用する選択的積層
を示す説明図であり、Ｔは山、Ｖは谷である。
を示す説明図であり、Ｔは山、Ｖは谷である。
【図３８】本発明の一つの実施例で使用する選択的エッ
チングを示す説明図であり、実線の輪郭が破線状に変化
する。
チングを示す説明図であり、実線の輪郭が破線状に変化
する。
【図３９】本発明の一つの実施例で使用する選択的エッ
チングを示す説明図であり、実線の輪郭が破線状に変化
する。
チングを示す説明図であり、実線の輪郭が破線状に変化
する。
【図４０】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図４１】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図４２】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図４３】本発明の一つの実施例を示す説明図であり、
だ円は島状薄膜金属を表し、曲面上に点在する。
だ円は島状薄膜金属を表し、曲面上に点在する。
【図４４】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図４５】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図４６】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図４７】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図４８】本発明の一つの実施例を示す説明図であり、
Ａ、Ｂ（即ち１、２）の界面に機能物質Ｆを挿入する方
法が（ロ）、ＡまたはＢをＦで構成する方法が（ハ）で
ある。
Ａ、Ｂ（即ち１、２）の界面に機能物質Ｆを挿入する方
法が（ロ）、ＡまたはＢをＦで構成する方法が（ハ）で
ある。
【図４９】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図５０】本発明の一つの実施例の作製法を示す説明
図。
図。
【図５１】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図５２】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図５３】本発明の一つの実施例を示す説明図。
【図５４】本発明を使用しない３次元周期構造の作製方
法を示す説明図。
法を示す説明図。
【図５５】本発明を使用しない３次元周期構造の作製方
法を示す説明図。
法を示す説明図。
１ 物質Ａ（例えばＳｉＯ2） ２ 物質Ｂ（例えばＳｉ） ３ 基板 ４ 真空容器 ５ ターゲット ６ 整合器 ７ 高周波電源 ８ 基板電極 ９ 誘電体 １０ 金属 １１ 蒸着源 １２ レーザ １３ 原料物質 １４ 気体イオン １５ 材料粒子 １６ 屈折率ｎ1の物質 １７ 屈折率ｎ2の物質（［００１１］ではｎ1＞ｎ2と
している） １８ レジスト １９ Ｓｉ ２０ ＳｉＯ2 ２１ 金属Ａ（例えばＡｌなど） ２２ 金属Ｂ（例えばＰｔ、Ｎｉ、Ｗ、Ｔｉなど） ２３ 機能単位 ２４ ３次元フォトニックバンドギャップ構造 ２５ ＬｉＮｂＯ3 ２６ ＥｒドープＳｉＯ2 ２７ 活性領域 ２８ 出力導波路 ２９ ＩＩＩＶ族基板 ３０ エピタキシャル層 ３１ ＧａＡｓ ３２ ＡｌＧａＡｓ
している） １８ レジスト １９ Ｓｉ ２０ ＳｉＯ2 ２１ 金属Ａ（例えばＡｌなど） ２２ 金属Ｂ（例えばＰｔ、Ｎｉ、Ｗ、Ｔｉなど） ２３ 機能単位 ２４ ３次元フォトニックバンドギャップ構造 ２５ ＬｉＮｂＯ3 ２６ ＥｒドープＳｉＯ2 ２７ 活性領域 ２８ 出力導波路 ２９ ＩＩＩＶ族基板 ３０ エピタキシャル層 ３１ ＧａＡｓ ３２ ＡｌＧａＡｓ
Claims (15)
- 【請求項１】 ２次元的に周期的な凹凸をもつ基板の上
に２種類以上の物質を周期的に順次積層し、その積層の
中の少なくとも一部分にスパッタエッチングを単独で、
または成膜と同時に用いることにより形成したことを特
徴とする３次元的に周期的な構造体。 - 【請求項２】 ２次元的に周期的な凹凸をもつ基板の上
に２種類以上の物質を周期的に順次積層し、その積層の
中の少なくとも一部分にスパッタエッチングを単独で、
または成膜と同時に用いることにより３次元的に周期的
な構造を形成することを特徴とする３次元周期構造体の
作製方法。 - 【請求項３】 ２次元的に周期的な凹凸をもつ基板の上
に２種類以上の物質を周期的に順次積層し、周期中のそ
れぞれ少なくとも一部分においてスパッタエッチングと
拡散入射性のデポジションとがなされている事を特徴と
する３次元的に周期的な構造体。 - 【請求項４】 ２次元的に周期的な凹凸をもつ基板の上
に２種類以上の物質を周期的に順次積層し、周期中のそ
れぞれ少なくとも一部分においてスパッタエッチングと
拡散入射性のデポジションとがなされることにより３次
元的に周期的な構造を形成することを特徴とする３次元
周期構造体の作製方法。 - 【請求項５】 ２次元的に周期的な凹凸をもつ基板の上
に主としてＳｉＯ2からなる層と主としてＳｉからなる
層とを含む少なくとも２種以上の層を周期的に順次積層
し、その積層の中の少なくとも一部分をスパッタエッチ
ングとスパッタデポジションとを交互に、または同時に
行なうことにより形成したことを特徴とする３次元周期
構造体。 - 【請求項６】 ２次元的に周期的な凹凸をもつ基板の上
に主としてＳｉＯ2からなる層と主としてＳｉからなる
層を含む少なくとも２種以上の層を周期的に順次積層
し、その積層の中の少なくとも一部分をスパッタエッチ
ングとスパッタデポジションとを交互に、または同時に
行なうことにより３次元的に周期的な構造を形成するこ
とを特徴とする３次元周期構造体の作製方法。 - 【請求項７】 基板の上に１個以上の孔・溝を設け、そ
の上にスパッタエッチングと拡散性のデポジションをそ
れぞれ少なくともその一部に含む過程により、孔・溝を
より深く、またはその屈曲部をより鋭く整形することを
特徴とする膜の製造方法。 - 【請求項８】 基板の上に１個以上の孔・溝を設け、そ
の上にスパッタエッチングと拡散性のデポジションをそ
れぞれ少なくともその一部に含む過程により、孔・溝を
空洞に転化する効果をもつことを特徴とする膜の製造方
法。 - 【請求項９】 ２次元的に周期的な凹凸をもつ２種類以
上の膜状物質を、請求項２または請求項４または請求項
６の方法により周期的に順次積層した構造をもつ３次元
的に周期的な構造体の少なくともその一部分において、
または２次元的に周期的な凹凸をもつ１種類以上の膜状
物質を周期的に積層した構造をもつ３次元的に周期的な
構造体の膜の界面において、光学的分極率が非線形性を
もつ物質、または電気光学材料、または透明体、または
導電性物質を含むことを特徴とする構造体。 - 【請求項１０】 ２種類以上の透明体よりなる、請求項
２または請求項４または請求項６の方法により作成され
た３次元的に周期的な構造体の少なくともその一部分に
おいて、発光性あるいは光増幅性物質を含むことを特徴
とする構造体。 - 【請求項１１】 ２次元的に周期的な凹凸をもつ２種類
以上の膜状透明物質を周期的に順次積層した構造をもつ
３次元的に周期的な構造体の内部に、導波路あるいは共
振器あるいは分岐器あるいは結合器あるいは反射器を含
み一直線上にまたは一平面内または立体的に配置したこ
とを特徴とする構造体。 - 【請求項１２】 ２種類以上の透明体よりなる、請求項
２または請求項４または請求項６の方法により作成され
た３次元的に周期的な構造体の内部に、半導体レーザま
たは受光器を含むことを特徴とする構造体。 - 【請求項１３】 基板の上の直交するｘ軸、ｙ軸を対称
軸とした２次元的に周期的な凹凸をもつ基板の上に共通
の周期的な凹凸をもつ２種類以上の膜状透明物質を周期
的に順次積層した構造をもち、光学的に２軸異方性を示
すことを特徴とする透明３次元周期構造体。 - 【請求項１４】 １次元的に周期的な溝列、または２次
元的に周期的な有限な長さの溝列をもつ透明基板の上
に、基板と同種の物質による、基板と凹みの位置の一致
した溝をもつ膜と、主として溝に埋め込まれた第２の透
明物質とを、スパッタエッチングと拡散入射性のデポジ
ションとをそれぞれ少なくとも一部分において行なうこ
とにより回折作用をもつ層を複数回積層して作成するこ
とを特徴とする、回折格子の作成方法。 - 【請求項１５】 光に対し回折作用をもつ層を複数層有
することを特徴とする光回折格子。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04073698A JP3325825B2 (ja) | 1997-03-29 | 1998-02-23 | ３次元周期構造体及びその作製方法並びに膜の製造方法 |
| PCT/JP1998/001278 WO1998044368A1 (fr) | 1997-03-29 | 1998-03-24 | Structure periodique tridimensionnelle, son procede de fabrication et procede servant a fabriquer un film |
| DE69831581T DE69831581T2 (de) | 1997-03-29 | 1998-03-24 | Dreidimensionale periodische struktur, ihr herstellungsverfahren und verfahren zur filmherstellung |
| US09/402,112 US6852203B1 (en) | 1997-03-29 | 1998-03-24 | Three-dimensional periodical structure, its manufacturing method, and method of manufacturing film |
| EP98909846A EP1010997B1 (en) | 1997-03-29 | 1998-03-24 | Three-dimensional periodical structure, its manufacturing method, and method of manufacturing film |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9-114951 | 1997-03-29 | ||
| JP11495197 | 1997-03-29 | ||
| JP04073698A JP3325825B2 (ja) | 1997-03-29 | 1998-02-23 | ３次元周期構造体及びその作製方法並びに膜の製造方法 |
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|---|---|
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| JP3325825B2 JP3325825B2 (ja) | 2002-09-17 |
Family
ID=26380258
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| WO (1) | WO1998044368A1 (ja) |
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1998
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