フォトニック結晶、フォトニック結晶ウエハ及びフォトニック結晶の製造方法
【課題】優れた強度と耐熱性を有し、かつ、大きな面積又は大きな体積となるフォトニック結晶、フォトニック結晶ウエハ及びフォトニック結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】実施の形態に係るフォトニック結晶の製造方法は、二酸化ケイ素球３と、ガリウム１及びヒ素２と、を密封容器５に封入する工程と、密封容器５を加熱してガリウム１及びヒ素２を融解させてヒ化ガリウム融液１３を生成した後、密封容器５の下方から鉛直上方に向けてヒ化ガリウム融液１３を固化させてヒ化ガリウム固体１４を生成し、二酸化ケイ素球３とヒ化ガリウム固体１４からなる混合体１５を得る工程と、混合体１５が得られた密封容器５を部分的に加熱することによって混合体１５の上部に溶融帯１９を形成し、溶融帯１９を鉛直下方に向けて移動させてヒ化ガリウム固体１４中に二酸化ケイ素球３を並べた混合体１５０を生成する工程と、を含むフォトニック結晶の製造方法。
【解決手段】実施の形態に係るフォトニック結晶の製造方法は、二酸化ケイ素球３と、ガリウム１及びヒ素２と、を密封容器５に封入する工程と、密封容器５を加熱してガリウム１及びヒ素２を融解させてヒ化ガリウム融液１３を生成した後、密封容器５の下方から鉛直上方に向けてヒ化ガリウム融液１３を固化させてヒ化ガリウム固体１４を生成し、二酸化ケイ素球３とヒ化ガリウム固体１４からなる混合体１５を得る工程と、混合体１５が得られた密封容器５を部分的に加熱することによって混合体１５の上部に溶融帯１９を形成し、溶融帯１９を鉛直下方に向けて移動させてヒ化ガリウム固体１４中に二酸化ケイ素球３を並べた混合体１５０を生成する工程と、を含むフォトニック結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶、フォトニック結晶ウエハ及びフォトニック結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶は、屈折率が周期的に変化する構造体であり、その内部の光の伝わり方を構造で制御できることから、導波路又は共振器等の光学素子、発光ダイオード又は面発光レーザ等の発光素子への応用が試みられている。
【０００３】
このフォトニック結晶を広く応用するためには、その製造技術が不可欠である。これまで、ドライエッチング技術とウエハ接合技術を用いた方法（例えば、非特許文献１参照）、微小粒子を分散させた液体に基板を浸漬した後に基板を引き上げる方法（例えば、非特許文献２参照）、及び微小粒子を液体に分散させた後に液体を固化させる方法（例えば、特許文献１参照）等が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Masahiro Imada, Susumu Noda, Alongkarn Chutinan, Takashi Tokuda, Michio Murata, and Goro Sasaki, "Coherent two-dimensional lasing action in surface-emitting laser with triangular-lattice photonic crystal structure", Appl.Phys.Lett.75,316(1999)
【非特許文献２】Z.-Z.Gu, Q.-B.Meng, S.Hayami, A.Fujishima, and O.Sato, "Self-assembly of submicron particles between electrodes", J.Appl.Phys.90,2042(2001)
【特許文献１】特開２００８−９３６５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１に係る方法は、構成材料として化合物半導体を用いるため、機械的強度に優れたフォトニック結晶を得ることが可能である。しかし、非特許文献１に係る方法は、ドライエッチング技術及びウエハ接合技術を用いるので、大きな体積のフォトニック結晶の製造が困難である。
【０００６】
非特許文献２に係る方法は、比較的容易に大きな面積又は大きな体積のフォトニック結晶を得ることができるが、このフォトニック結晶は、ガラス基板上にポリスチレン球が配列しただけの構造であり、機械的強度が小さく、応用範囲が著しく制限される。
【０００７】
特許文献１に係る方法は、配列したシリカ球の空隙に光硬化性樹脂が入り込んでシリカ球が固定されるため、非特許文献２に係る方法よりも機械的強度に優れたフォトニック結晶が得られる。しかし、光硬化性樹脂の強度は、金属、合金及び化合物半導体よりも小さい。さらに、光硬化性樹脂は、耐熱性においても金属等に劣る場合がほとんどであり、大出力のレーザ等への応用が困難である。
【０００８】
従って本発明の目的は、優れた強度と耐熱性を有し、かつ、大きな面積又は大きな体積となるフォトニック結晶、フォトニック結晶ウエハ及びフォトニック結晶の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するため、分散質粒子と、分散質粒子よりも融点が低く、かつ、融液の状態において分散質粒子よりも密度が大きい分散媒体と、を容器に封入する工程と、容器を加熱して分散媒体を融解させて分散媒体融液を生成した後、容器の下方から鉛直上方に向けて分散媒体融液を固化させて分散媒体固体を生成し、分散質粒子と分散媒体固体からなる第１の混合体を得る工程と、第１の混合体が得られた容器を部分的に加熱することによって第１の混合体の上部に溶融帯を形成し、溶融帯を鉛直下方に向けて移動させて分散媒体固体中に分散質粒子を並べた第２の混合体を生成する工程と、を含むフォトニック結晶の製造方法を提供する。
【００１０】
また、上記分散質粒子が略球形状を有する。
【００１１】
また、上記分散質粒子が二酸化ケイ素であることが好ましい。
【００１２】
また、上記分散媒体がヒ化ガリウムであることが好ましい。
【００１３】
また、上記容器に封入する工程が、分散質粒子と、分散媒体を構成する複数の物質と、を容器に封入することを含む。
【００１４】
また、上記分散媒体を構成する物質が、ヒ素及びガリウムであることが好ましい。
【００１５】
また、本発明は、上記目的を達成するため、ヒ化ガリウム固体と、ヒ化ガリウム固体中に面心立方格子状に配列した二酸化ケイ素球を有し、二酸化ケイ素球の直径が２００ｎｍ以上２．５μｍ以下であるフォトニック結晶ウエハを提供する。
【００１６】
また、本発明は、上記目的を達成するため、上記のフォトニック結晶の製造方法、または上記のフォトニック結晶ウエハを用いて作成されるフォトニック結晶を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るフォトニック結晶、フォトニック結晶ウエハ及びフォトニック結晶の製造方法によれば、優れた強度と耐熱性を有し、かつ、大きな面積又は大きな体積となるフォトニック結晶、フォトニック結晶ウエハ及びフォトニック結晶の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。
【図２】図２は、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。
【図３】図３は、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。
【図４】図４は、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。
【図５】図５は、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。
【図６】図６は、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。
【図７】図７は、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。
【図８】図８は、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。
【図９】図９は、第１の実施の形態に係る反射光の強度を測定する測定系の概略図である。
【図１０】図１０は、第１の実施の形態に係る反射光の強度測定の測定結果を示すグラフである。
【図１１】図１１は、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。
【図１２】図１２は、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［実施の形態の要約］
実施の形態に係るフォトニック結晶の製造方法は、分散質粒子と、分散質粒子よりも融点が低く、かつ、融液の状態において分散質粒子よりも密度が大きい分散媒体と、を容器に封入する工程と、容器を加熱して分散媒体を融解させて分散媒体融液を生成した後、容器の下方から鉛直上方に向けて分散媒体融液を固化させて分散媒体固体を生成し、分散質粒子と分散媒体固体からなる第１の混合体を得る工程と、第１の混合体が得られた容器を部分的に加熱することによって第１の混合体の上部に溶融帯を形成し、溶融帯を鉛直下方に向けて移動させて分散媒体固体中に分散質粒子を並べた第２の混合体を生成する工程と、を含む。
【００２０】
［第１の実施の形態］
（フォトニック結晶の製造方法）
図１〜図８は、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。以下に、本実施の形態のフォトニック結晶の製造方法について説明する。このフォトニック結晶は、例えば、導波路、共振器等の光学素子、発光ダイオード及び面発光レーザ等の発光素子等に用いることができる。特に、フォトニック結晶は、例えば、ウエハ状に加工することにより、特定の波長の光を反射する反射鏡として用いることができる。また、フォトニック結晶は、例えば、特定の波長の赤外線のみを強く反射するため、同時に多数のフォトニック結晶を空中に散布する等の方法により、赤外線レーダのかく乱に用いることができる。
【００２１】
まず、図１に示すように、分散媒体を構成する物質としてのガリウム１及びヒ素２と、分散質粒子としての二酸化ケイ素球３と、を窒化ホウ素製のるつぼ４に入れ、さらに、密封容器５の中に封入する。
【００２２】
るつぼ４に入れられたガリウム１の質量は、例えば、３００ｇである。また、ヒ素２の質量は、例えば、３２０ｇである。
【００２３】
二酸化ケイ素球３の質量は、６００ｇである。二酸化ケイ素球３は、球形状を有し、そのモード径は５００ｎｍ、標準偏差は１ｎｍである。このモード径および標準偏差は、動的光散乱法、レーザ解析散乱法等を用いて計測される粒子分布から求められるものである。
【００２４】
なお、二酸化ケイ素球３のモード径は、フォトニック結晶を利用する光学素子等に応じて、適したモード径を用いることができる。また、二酸化ケイ素球３は、例えば、そのモード径が２００ｎｍ以上２．５μｍ以下であることが好ましい。なぜなら、フォトニック結晶は、その周期性によりフォトニックバンドを生じ、そのバンド構造により光の振る舞いが決まる。このバンド構造は、波数と規格化周波数（フォトニック結晶の周期を光の波長で除算したもの）の関係、すなわち、分散関係で記述される。一般に、フォトニック結晶においては、規格化周波数が０から１の範囲における分散関係を利用する。実際には、制御性等を考慮して０．３〜０．８程度の範囲が望ましい。さて、本実施の形態に係るフォトニック結晶は、ＧａＡｓとＳｉとを組み合わせて形成される。ＧａＡｓは、可視域の光を吸収してしまうため、フォトニック結晶として使えるのは、赤外線（波長範囲７８０ｎｍ〜４μｍ）となる。フォトニック結晶が面心立方格子をとる場合、つまり、本実施の形態のフォトニック結晶の場合、その周期は、分散質粒子の直径の約１．１４倍となる。従って、波長が７８０ｎｍ、規格化周波数が０．３であるとき、分散質粒子の直径は２０５ｎｍとなる。また、波長が４μｍ、規格化周波数が０．８であるとき、分散質粒子の直径は２．４６μｍとなる。よって、分散質粒子の直径は、２００ｎｍ以上２．５μｍ以下であることが好ましい。
【００２５】
るつぼ４は、例えば、窒化ホウ素を材料として用いて形成され、内径が５０ｍｍで、長さが２５０ｍｍの円筒形状を有する。
【００２６】
密封容器５は、例えば、ステンレスを材料として用いて形成される。密封容器５は、収容部と蓋とからなり、この収容部にるつぼ４が収容され、蓋を閉めることにより収容部内を密封できるように構成されている。この密封容器５は、るつぼ４を収容した後、収容部内が１０−４Ｐａ以下に減圧される。
【００２７】
次に、図２に示すように、密封容器５を加熱炉１２に入れる。この加熱炉１２は、密封容器５を囲むリング状の下部ヒータ６、中部ヒータ７及び上部ヒータ８と、各ヒータの温度を測定する温度センサである下部熱電対９、中部熱電対１０及び上部熱電対１１と、を備えて概略構成されている。
【００２８】
下部ヒータ６は、密封容器５の下部分を囲うように設置される。中部ヒータ７は、密封容器５の中央部分を囲うように設置される。上部ヒータ８は、密封容器５の上部分を囲うように設置される。この下部ヒータ６、中部ヒータ７及び上部ヒータ８は、るつぼ４に入れられたガリウム１、ヒ素２及び二酸化ケイ素球３をむらなく加熱することができるように構成される。
【００２９】
次に、下部ヒータ６、中部ヒータ７及び上部ヒータ８の温度を１４００℃としてガリウム１、ヒ素２及び二酸化ケイ素球３を加熱する。この加熱により、ガリウム１とヒ素２との化学反応を起こさせ、図３に示すように、分散質媒体としてのヒ化ガリウムの融液であるヒ化ガリウム融液１３（分散媒体融液）を生成する。二酸化ケイ素球３は、融点がおよそ１６５０℃であるので、上記の加熱によって融解することはなく、また、二酸化ケイ素とヒ化ガリウムは高温における反応性に乏しいことから、ヒ化ガリウム融液１３中に形状を維持したまま存在する。図３は、二酸化ケイ素球３が形状を保持したまま、ヒ化ガリウム融液１３に混ざっている様子を示している。
【００３０】
また、二酸化ケイ素球３は、密度が２．２ｇ／ｃｍ３であり、ヒ化ガリウム融液１３の密度５．７１ｇ／ｃｍ３よりも小さいため、図３に示すように、ヒ化ガリウム融液１３の上方に分布する。
【００３１】
次に、ヒ化ガリウム融液１３を生成した後、下部ヒータ６、中部ヒータ７及び上部ヒータ８による加熱を停止して密封容器５を放置する。放置する時間は、一例として、およそ１時間である。密封容器５を放置することにより、加熱により上昇した温度を下げ、二酸化ケイ素球３をヒ化ガリウム融液１３の上部に、さらに分布させる。
【００３２】
次に、下部ヒータ６の温度が最も低く、上部ヒータ８の温度が最も高くなるように各ヒータを設定して加熱することで、密封容器５に下部ほど温度が低く、上部ほど温度が高い温度勾配を形成する。ここで、下部ヒータ６の温度は、一例として、１３０５℃である。上部ヒータ８の温度は、一例として、１３５５℃である。中部ヒータ７の温度は、一例として、下部ヒータ６と上部ヒータ８の温度の間である１３３０℃である。
【００３３】
次に、上記の温度勾配となる状態を形成した後、図４に示すように、下部ヒータ６、中部ヒータ７及び上部ヒータ８の温度を徐々に下げることで、ヒ化ガリウム融液１３の下部からヒ化ガリウム融液１３を固化させた分散媒体固体としてのヒ化ガリウム固体１４を形成する。以下、このヒ化ガリウム固体１４と二酸化ケイ素球３とが混じった固体を第１の混合体としての混合体１５と呼ぶ。
【００３４】
ここで、図４に示す固体領域１５ａは、ヒ化ガリウム固体１４が形成された領域である。また、図４に示す融液領域１５ｂは、ヒ化ガリウム融液１３が残存している領域である。
【００３５】
また、ヒ化ガリウム融液１３を固化させる工程は、ヒ化ガリウム融液１３を固化させる速度が、一例として、るつぼ４の側面から見た融液の液面の高さで、５ｍｍ／ｈとなるように、下部ヒータ６、中部ヒータ７及び上部ヒータ８が制御される。このヒ化ガリウム融液１３の全てが固化するのに要する時間は、一例として、およそ４０時間である。
【００３６】
次に、図５に示すように、融液領域１５ｂに残存するヒ化ガリウム融液１３が固化し、るつぼ４内の全てのヒ化ガリウム融液１３がヒ化ガリウム固体１４となった後、下部ヒータ６、中部ヒータ７及び上部ヒータ８を停止し、二酸化ケイ素球３とヒ化ガリウム固体１４からなる混合体１５を放置して冷却した。続いて、密封容器５の表面温度がおよそ１００℃以下まで低下した後、加熱炉１２から密封容器５を取り出す。なお、混合体１５は、るつぼ４の内壁によって形成される円筒内で固化したものであることから、略円柱形状を有する。
【００３７】
次に、図６に示すように、密封容器５を帯溶融炉１８に収容する。この帯溶融炉１８は、密封容器５を囲うようなリング形状を有するリング状ヒータ１６と、このリング状ヒータ１６の温度を測定する熱電対１７と、を備えて概略構成されている。
【００３８】
次に、リング状ヒータ１６のリングの中心が、るつぼ４内の混合体１５の上端部に位置する状態となるようにリング状ヒータ１６を保持し、リング状ヒータ１６の温度を１３００℃とした。この加熱により、混合体１５の上端部に溶融帯１９が形成された。
【００３９】
この溶融帯１９では、混合体１５が溶融し、ヒ化ガリウム融液１３と二酸化ケイ素球３に分離する。二酸化ケイ素球３の密度は、ヒ化ガリウム融液１３の密度よりも小さいため、二酸化ケイ素球３は、溶融帯１９の上方に分布する。この溶融帯１９のるつぼ４を側面から見たときの幅ｈは、一例として、およそ５ｍｍである。
【００４０】
次に、図７に示すように、リング状ヒータ１６を図７の紙面に対して鉛直下方向に移動させる。このリング状ヒータ１６の移動により、溶融帯１９が下方に移動する。この移動に伴って、溶融帯１９より上部分にヒ化ガリウム融液１３が固化した固化領域１９ａが形成される。この固化領域１９ａは、並んだ二酸化ケイ素球３をヒ化ガリウム固体１４が覆っている。
【００４１】
次に、図８に示すように、るつぼ４の上方から下方に溶融帯１９を移動させた後、るつぼ４には、二酸化ケイ素球３が規則的に並んでヒ化ガリウム固体１４中に存在する第２の混合体としての混合体１５０が得られた。ここで、リング状ヒータ１６の移動は、一例として、１００時間かけて行われる。
【００４２】
次に、密封容器５の表面温度が、一例として、およそ１００℃以下まで低下してから、帯溶融炉１８から密封容器５を取り出す。
【００４３】
次に、密封容器５からるつぼ４を取り出し、さらに、るつぼ４から混合体１５０を取り出す。
【００４４】
上記に記載の工程を経て得られた混合体１５０は、例えば、円柱形状を有する。この混合体１５０は、直径がおよそ５０ｍｍで、長さがおよそ１９５ｍｍである。
【００４５】
次に、この混合体１５０をウエハ状に切断し、切断面を研磨する。切断の結果、混合体１５０から、厚さ１ｍｍの１８枚のウエハが得られた。
【００４６】
ここで、混合体１５０の下部から得られたウエハ（フォトニック結晶ウエハ）を、順番に第１のウエハ、第２のウエハ…第１８のウエハと呼称する。さらに、切り出した各ウエハを、面内の中心を通る線に沿うようにそれぞれ分割した。
【００４７】
分割したウエハの表面及び分割した断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果、第２のウエハから第１８のウエハは、二酸化ケイ素球３が面心立方格子の断面形状に似た形状を形成していることが確認された。しかし、第１のウエハでは、第２のウエハ等と比べて二酸化ケイ素球３が少ない領域が観察された。
【００４８】
これは、ガリウム１、ヒ素２及び二酸化ケイ素球３の封入において、二酸化ケイ素球３がガリウム１及びヒ素２に比べて質量が少ないため、最後にヒ化ガリウム融液１３が固化した混合体１５０の最下部において、他の領域と比べて二酸化ケイ素球３が少なくなったからである。
【００４９】
以上の結果から、混合体１５０は、最下部の１ｍｍ〜２ｍｍ程度を除き、ヒ化ガリウム固体１４中に二酸化ケイ素球３が面心立方格子を形成して規則正しく整列していることが分かった。従って、以上の工程により、直径およそ５０ｍｍ、長さ１９３ｍｍの円柱形状を有するフォトニック結晶が得られた。
【００５０】
（光強度の測定について）
図９は、第１の実施の形態に係る反射光の強度を測定する測定系の概略図である。図１０は、第１の実施の形態に係る反射光の強度測定の測定結果を示すグラフである。図１０の縦軸は光強度（任意単位）であり、横軸は波長（μｍ）である。
【００５１】
上記の工程により、直径がおよそ５０ｍｍで、長さがおよそ１９３ｍｍの円柱形状を有する混合体２０を作成した。図９に示すように、二酸化ケイ素球が形成する面心立方格子の（１１１）面に平行となるように混合体２０の中心近傍で混合体２０を切断した。
【００５２】
混合体２０の切断により形成された切断面２１を研磨した後、例えば、硫酸、過酸化水素水及び水を１：３：１００の割合で混合し、温度を２５℃にした溶液に混合体２０を３分間浸清し、流水で洗浄した。さらに、フッ化水素酸と水とを等量の割合で混合し、温度を２５℃にした溶液に混合体２０を１分間浸清し、流水で洗浄した。
【００５３】
次に、図９に示すような測定系を構成し、上記の処理を行った混合体２０の切断面２１の反射スペクトルを測定した。この反射スペクトルの測定は、以下のようにして行われた。
【００５４】
まず、図９に示すハロゲンランプ４０から放射された光は、レンズ４１により平行光とされた後、光チョッパ４２で変調され、入射光４００として切断面２１に照射される。次に、切断面２１で反射された反射光４０１は、分光器４３へと入射する。ここで、この測定では、可能な限り切断面２１に垂直な反射スペクトルを測定することが理想であるが、現実には、そのような測定系を構成することは困難である。そこで本実施の形態に係る測定系は、切断面２１に対する入射角および反射角は５°となるように調整されている。
【００５５】
次に、分光器４３に設けられた光検出器４４により、分光された光を検出し電気信号へと変換する。この電気信号は、ロックインアンプ４５に入力され、変調成分のみを増幅される。増幅された電気信号は、デジタルマルチメータ４６でデジタル化される。コンピュータ４７は、このデジタル化された電気信号を取得すると共に分光器４３の制御を行う。なお、ロックインアンプ４５は、光検出器４４から出力された電気信号と、光チョッパ４２から出力された参照信号と、に基づいて変調成分の増幅を行う。この参照信号は、光チョッパ４２の周波数（チョッピング周波数）の信号である。
【００５６】
さらに、切断面２１の測定の後、混合体２０を設置したのと同じ位置に、表面に金を蒸着した鏡で同様の測定を実施した。本測定を実施した波長域（１．２〜１．８μｍ）における金の反射率はほぼ１００％であるから、この反射スペクトルは、ハロゲンランプ４０のスペクトルとみなすことができる。このスペクトルをリファレンスとする。切断面２１の反射スペクトルをリファレンスで除算することにより、切断面２１の反射率を得ることができる。この得られた反射率を図１０に示した。
【００５７】
図１０に示すように、混合体２０は、波長１．５５μｍ付近で光強度が増加していることが分かる。つまり、混合体２０は、波長１．５５μｍ付近で反射率が増加していることが分かる。この測定結果から、混合体２０は、フォトニック結晶であることが分かる。
【００５８】
以上の結果により、混合体１５０は、その構造から、混合体２０は、その光学的特性からフォトニック結晶であることが分かる。
【００５９】
（第１の実施の形態の効果）
本実施の形態に係るフォトニック結晶は、ヒ化ガリウムと二酸化ケイ素の集合体であり、互いに化学反応を起こしていないことから、ヒ化ガリウムの融点（１２３８℃）近傍までは、安定である。
【００６０】
一方、ポリカーボネートの分解温度は、例えば、４００〜５００℃程度であり、光硬化性樹脂の分解温度も同程度である。従って、本実施の形態に係るフォトニック結晶は、光硬化性樹脂から形成されたフォトニック結晶と比べて、耐熱性に優れる。
【００６１】
また、ポリカーボネートのビッカース硬さは、およそ数十ＨＶ程度であるが、ヒ化ガリウム及び二酸化ケイ素のビッカース硬さは、数百ＨＶ程度であるので、本実施の形態に係るフォトニック結晶は、機械的強度に優れ、ハンドリングが容易となる。
【００６２】
本実施の形態に係るフォトニック結晶の体積は、その底面積と長さからおよそ３７８ｃｍ３であり、配列したシリカ球の空隙に光硬化性樹脂を充填して形成されたフォトニック結晶と比べて、大きな体積である。
【００６３】
本実施の形態に係るフォトニック結晶は、二酸化ケイ素の屈折率がおよそ１．４５であり、ヒ化ガリウムの屈折率がおよそ３．６程度であることから、屈折率差が大きくなる。本実施の形態に係るフォトニック結晶は、例えば、二酸化ケイ素と空気、又は空気と樹脂等の組み合わせと同等以上の屈折率差を実現することができるので、光学特性に優れる。
【００６４】
本実施の形態に係るフォトニック結晶は、結晶を構成する二酸化ケイ素とヒ化ガリウムが、共に単体では赤外線を透過するので、特定の波長の赤外線に対する反射率が高く、それ以外の赤外線は透過するというバンドパスフィルタを容易に構成することができる。
【００６５】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、分散媒体としての多結晶ヒ化ガリウムと二酸化ケイ素からフォトニック結晶を製造する点で第１の実施の形態と異なっている。なお、以下の実施の形態において、第１の実施の形態と同じ機能及び構成を有する部分については、第１の実施の形態と同じ符号を付し、その説明は省略するものとする。
【００６６】
（フォトニック結晶の製造方法）
図１１及び図１２は、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。以下に、本実施の形態のフォトニック結晶の製造方法について説明する。
【００６７】
まず、多結晶ヒ化ガリウム３０、二酸化ケイ素球３をるつぼ４に入れ、さらに、密封容器５の中に封入する。封入後、この密封容器５内は、１０−４Ｐａ以下に減圧される。
【００６８】
るつぼ４に入れられた多結晶ヒ化ガリウム３０の質量は、例えば、６２０ｇである。また、二酸化ケイ素球３の質量は、例えば、６００ｇである。
【００６９】
次に、図１１に示すように、密封容器５を加熱炉１２に入れる。
【００７０】
次に、下部ヒータ６、中部ヒータ７及び上部ヒータ８の温度を１３５０℃として多結晶ヒ化ガリウム３０及び二酸化ケイ素球３を加熱する。この加熱により、多結晶ヒ化ガリウム３０を溶融させ、ヒ化ガリウム融液を生成した。二酸化ケイ素球３は、融点がおよそ１６５０℃であるので、上記の加熱によって融解することはなく、また、二酸化ケイ素とヒ化ガリウムは高温における反応性に乏しいことから、ヒ化ガリウム融液中に形状を維持したまま存在する。
【００７１】
以後は、第１の実施の形態と同様の工程を行い、図１２に示す混合体３１を得た。この混合体３１は、例えば、円柱形状を有する。この混合体３１は、直径がおよそ５０ｍｍで、長さがおよそ１９５ｍｍである。
【００７２】
次に、この混合体３１をウエハ状に切断し、切断面を研磨する。切断の結果、第１の実施の形態と同様に、混合体３１から、厚さ１ｍｍの１８枚のウエハが得られた。
【００７３】
ここで、混合体３１の下部から得られたウエハを、順番に第２０のウエハ、第２１のウエハ…第３７のウエハと呼称する。さらに、切り出した各ウエハを、面内の中心を通る線に沿うようにそれぞれ分割した。
【００７４】
分割したウエハの表面及び分割した断面を顕微鏡で観察した結果、第２１のウエハから第３７のウエハは、二酸化ケイ素球３が面心立方格子を形成していることが確認された。しかし、第２０のウエハでは、二酸化ケイ素球３が少ない領域が観察された。
【００７５】
以上の結果から、直径およそ５０ｍｍ、長さ１９３ｍｍの円柱形状を有するフォトニック結晶が得られた。
【００７６】
（第２の実施の形態の効果）
本実施の形態に係るフォトニック結晶の製造方法によれば、多結晶ヒ化ガリウムを用いてヒ化ガリウム融液を生成するので、ガリウム及びヒ素からヒ化ガリウム融液を生成する場合と比べて、ガリウム及びヒ素の化学反応を必要としないので、低温でヒ化ガリウム融液を生成することができる。
【００７７】
なお、上記の各実施の形態では、分散質粒子として二酸化ケイ素を用い、分散媒体としてヒ化ガリウムを用いたが、これに限定されず、分散質粒子よりも融点が低く、かつ、液体の状態において分散質粒子よりも密度が大きい材料であれば他の材料を用いることができる。そのような材料として、例えば、分散質粒子として二酸化チタン、分散媒体としてリン化インジウムをあげることができる。また、上記の各実施の形態において分散質粒子は、酸化物であり、分散媒体は、化合物半導体であったが、これに限定されない。
【００７８】
以上、本発明の実施の形態及びその変形例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び変形例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び変形例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００７９】
１…ガリウム
２…ヒ素
３…二酸化ケイ素球
４…るつぼ
５…密封容器
６…下部ヒータ
７…中部ヒータ
８…上部ヒータ
９…下部熱電対
１０…中部熱電対
１１…上部熱電対
１２…加熱炉
１３…ヒ化ガリウム融液
１４…ヒ化ガリウム固体
１５…混合体
１５ａ…固体領域
１５ｂ…融液領域
１６…リング状ヒータ
１７…熱電対
１８…帯溶融炉
１９…溶融帯
１９ａ…固化領域
２０…混合体
２１…切断面
３０…多結晶ヒ化ガリウム
３１…混合体
４０…ハロゲンランプ
４１…レンズ
４２…光チョッパ
４３…分光器
４４…光検出器
４５…ロックインアンプ
４６…デジタルマルチメータ
４７…コンピュータ
１５０…混合体
４００…入射光
４０１…反射光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶、フォトニック結晶ウエハ及びフォトニック結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶は、屈折率が周期的に変化する構造体であり、その内部の光の伝わり方を構造で制御できることから、導波路又は共振器等の光学素子、発光ダイオード又は面発光レーザ等の発光素子への応用が試みられている。
【０００３】
このフォトニック結晶を広く応用するためには、その製造技術が不可欠である。これまで、ドライエッチング技術とウエハ接合技術を用いた方法（例えば、非特許文献１参照）、微小粒子を分散させた液体に基板を浸漬した後に基板を引き上げる方法（例えば、非特許文献２参照）、及び微小粒子を液体に分散させた後に液体を固化させる方法（例えば、特許文献１参照）等が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Masahiro Imada, Susumu Noda, Alongkarn Chutinan, Takashi Tokuda, Michio Murata, and Goro Sasaki, "Coherent two-dimensional lasing action in surface-emitting laser with triangular-lattice photonic crystal structure", Appl.Phys.Lett.75,316(1999)
【非特許文献２】Z.-Z.Gu, Q.-B.Meng, S.Hayami, A.Fujishima, and O.Sato, "Self-assembly of submicron particles between electrodes", J.Appl.Phys.90,2042(2001)
【特許文献１】特開２００８−９３６５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１に係る方法は、構成材料として化合物半導体を用いるため、機械的強度に優れたフォトニック結晶を得ることが可能である。しかし、非特許文献１に係る方法は、ドライエッチング技術及びウエハ接合技術を用いるので、大きな体積のフォトニック結晶の製造が困難である。
【０００６】
非特許文献２に係る方法は、比較的容易に大きな面積又は大きな体積のフォトニック結晶を得ることができるが、このフォトニック結晶は、ガラス基板上にポリスチレン球が配列しただけの構造であり、機械的強度が小さく、応用範囲が著しく制限される。
【０００７】
特許文献１に係る方法は、配列したシリカ球の空隙に光硬化性樹脂が入り込んでシリカ球が固定されるため、非特許文献２に係る方法よりも機械的強度に優れたフォトニック結晶が得られる。しかし、光硬化性樹脂の強度は、金属、合金及び化合物半導体よりも小さい。さらに、光硬化性樹脂は、耐熱性においても金属等に劣る場合がほとんどであり、大出力のレーザ等への応用が困難である。
【０００８】
従って本発明の目的は、優れた強度と耐熱性を有し、かつ、大きな面積又は大きな体積となるフォトニック結晶、フォトニック結晶ウエハ及びフォトニック結晶の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するため、分散質粒子と、分散質粒子よりも融点が低く、かつ、融液の状態において分散質粒子よりも密度が大きい分散媒体と、を容器に封入する工程と、容器を加熱して分散媒体を融解させて分散媒体融液を生成した後、容器の下方から鉛直上方に向けて分散媒体融液を固化させて分散媒体固体を生成し、分散質粒子と分散媒体固体からなる第１の混合体を得る工程と、第１の混合体が得られた容器を部分的に加熱することによって第１の混合体の上部に溶融帯を形成し、溶融帯を鉛直下方に向けて移動させて分散媒体固体中に分散質粒子を並べた第２の混合体を生成する工程と、を含むフォトニック結晶の製造方法を提供する。
【００１０】
また、上記分散質粒子が略球形状を有する。
【００１１】
また、上記分散質粒子が二酸化ケイ素であることが好ましい。
【００１２】
また、上記分散媒体がヒ化ガリウムであることが好ましい。
【００１３】
また、上記容器に封入する工程が、分散質粒子と、分散媒体を構成する複数の物質と、を容器に封入することを含む。
【００１４】
また、上記分散媒体を構成する物質が、ヒ素及びガリウムであることが好ましい。
【００１５】
また、本発明は、上記目的を達成するため、ヒ化ガリウム固体と、ヒ化ガリウム固体中に面心立方格子状に配列した二酸化ケイ素球を有し、二酸化ケイ素球の直径が２００ｎｍ以上２．５μｍ以下であるフォトニック結晶ウエハを提供する。
【００１６】
また、本発明は、上記目的を達成するため、上記のフォトニック結晶の製造方法、または上記のフォトニック結晶ウエハを用いて作成されるフォトニック結晶を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るフォトニック結晶、フォトニック結晶ウエハ及びフォトニック結晶の製造方法によれば、優れた強度と耐熱性を有し、かつ、大きな面積又は大きな体積となるフォトニック結晶、フォトニック結晶ウエハ及びフォトニック結晶の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。
【図２】図２は、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。
【図３】図３は、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。
【図４】図４は、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。
【図５】図５は、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。
【図６】図６は、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。
【図７】図７は、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。
【図８】図８は、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。
【図９】図９は、第１の実施の形態に係る反射光の強度を測定する測定系の概略図である。
【図１０】図１０は、第１の実施の形態に係る反射光の強度測定の測定結果を示すグラフである。
【図１１】図１１は、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。
【図１２】図１２は、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［実施の形態の要約］
実施の形態に係るフォトニック結晶の製造方法は、分散質粒子と、分散質粒子よりも融点が低く、かつ、融液の状態において分散質粒子よりも密度が大きい分散媒体と、を容器に封入する工程と、容器を加熱して分散媒体を融解させて分散媒体融液を生成した後、容器の下方から鉛直上方に向けて分散媒体融液を固化させて分散媒体固体を生成し、分散質粒子と分散媒体固体からなる第１の混合体を得る工程と、第１の混合体が得られた容器を部分的に加熱することによって第１の混合体の上部に溶融帯を形成し、溶融帯を鉛直下方に向けて移動させて分散媒体固体中に分散質粒子を並べた第２の混合体を生成する工程と、を含む。
【００２０】
［第１の実施の形態］
（フォトニック結晶の製造方法）
図１〜図８は、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。以下に、本実施の形態のフォトニック結晶の製造方法について説明する。このフォトニック結晶は、例えば、導波路、共振器等の光学素子、発光ダイオード及び面発光レーザ等の発光素子等に用いることができる。特に、フォトニック結晶は、例えば、ウエハ状に加工することにより、特定の波長の光を反射する反射鏡として用いることができる。また、フォトニック結晶は、例えば、特定の波長の赤外線のみを強く反射するため、同時に多数のフォトニック結晶を空中に散布する等の方法により、赤外線レーダのかく乱に用いることができる。
【００２１】
まず、図１に示すように、分散媒体を構成する物質としてのガリウム１及びヒ素２と、分散質粒子としての二酸化ケイ素球３と、を窒化ホウ素製のるつぼ４に入れ、さらに、密封容器５の中に封入する。
【００２２】
るつぼ４に入れられたガリウム１の質量は、例えば、３００ｇである。また、ヒ素２の質量は、例えば、３２０ｇである。
【００２３】
二酸化ケイ素球３の質量は、６００ｇである。二酸化ケイ素球３は、球形状を有し、そのモード径は５００ｎｍ、標準偏差は１ｎｍである。このモード径および標準偏差は、動的光散乱法、レーザ解析散乱法等を用いて計測される粒子分布から求められるものである。
【００２４】
なお、二酸化ケイ素球３のモード径は、フォトニック結晶を利用する光学素子等に応じて、適したモード径を用いることができる。また、二酸化ケイ素球３は、例えば、そのモード径が２００ｎｍ以上２．５μｍ以下であることが好ましい。なぜなら、フォトニック結晶は、その周期性によりフォトニックバンドを生じ、そのバンド構造により光の振る舞いが決まる。このバンド構造は、波数と規格化周波数（フォトニック結晶の周期を光の波長で除算したもの）の関係、すなわち、分散関係で記述される。一般に、フォトニック結晶においては、規格化周波数が０から１の範囲における分散関係を利用する。実際には、制御性等を考慮して０．３〜０．８程度の範囲が望ましい。さて、本実施の形態に係るフォトニック結晶は、ＧａＡｓとＳｉとを組み合わせて形成される。ＧａＡｓは、可視域の光を吸収してしまうため、フォトニック結晶として使えるのは、赤外線（波長範囲７８０ｎｍ〜４μｍ）となる。フォトニック結晶が面心立方格子をとる場合、つまり、本実施の形態のフォトニック結晶の場合、その周期は、分散質粒子の直径の約１．１４倍となる。従って、波長が７８０ｎｍ、規格化周波数が０．３であるとき、分散質粒子の直径は２０５ｎｍとなる。また、波長が４μｍ、規格化周波数が０．８であるとき、分散質粒子の直径は２．４６μｍとなる。よって、分散質粒子の直径は、２００ｎｍ以上２．５μｍ以下であることが好ましい。
【００２５】
るつぼ４は、例えば、窒化ホウ素を材料として用いて形成され、内径が５０ｍｍで、長さが２５０ｍｍの円筒形状を有する。
【００２６】
密封容器５は、例えば、ステンレスを材料として用いて形成される。密封容器５は、収容部と蓋とからなり、この収容部にるつぼ４が収容され、蓋を閉めることにより収容部内を密封できるように構成されている。この密封容器５は、るつぼ４を収容した後、収容部内が１０−４Ｐａ以下に減圧される。
【００２７】
次に、図２に示すように、密封容器５を加熱炉１２に入れる。この加熱炉１２は、密封容器５を囲むリング状の下部ヒータ６、中部ヒータ７及び上部ヒータ８と、各ヒータの温度を測定する温度センサである下部熱電対９、中部熱電対１０及び上部熱電対１１と、を備えて概略構成されている。
【００２８】
下部ヒータ６は、密封容器５の下部分を囲うように設置される。中部ヒータ７は、密封容器５の中央部分を囲うように設置される。上部ヒータ８は、密封容器５の上部分を囲うように設置される。この下部ヒータ６、中部ヒータ７及び上部ヒータ８は、るつぼ４に入れられたガリウム１、ヒ素２及び二酸化ケイ素球３をむらなく加熱することができるように構成される。
【００２９】
次に、下部ヒータ６、中部ヒータ７及び上部ヒータ８の温度を１４００℃としてガリウム１、ヒ素２及び二酸化ケイ素球３を加熱する。この加熱により、ガリウム１とヒ素２との化学反応を起こさせ、図３に示すように、分散質媒体としてのヒ化ガリウムの融液であるヒ化ガリウム融液１３（分散媒体融液）を生成する。二酸化ケイ素球３は、融点がおよそ１６５０℃であるので、上記の加熱によって融解することはなく、また、二酸化ケイ素とヒ化ガリウムは高温における反応性に乏しいことから、ヒ化ガリウム融液１３中に形状を維持したまま存在する。図３は、二酸化ケイ素球３が形状を保持したまま、ヒ化ガリウム融液１３に混ざっている様子を示している。
【００３０】
また、二酸化ケイ素球３は、密度が２．２ｇ／ｃｍ３であり、ヒ化ガリウム融液１３の密度５．７１ｇ／ｃｍ３よりも小さいため、図３に示すように、ヒ化ガリウム融液１３の上方に分布する。
【００３１】
次に、ヒ化ガリウム融液１３を生成した後、下部ヒータ６、中部ヒータ７及び上部ヒータ８による加熱を停止して密封容器５を放置する。放置する時間は、一例として、およそ１時間である。密封容器５を放置することにより、加熱により上昇した温度を下げ、二酸化ケイ素球３をヒ化ガリウム融液１３の上部に、さらに分布させる。
【００３２】
次に、下部ヒータ６の温度が最も低く、上部ヒータ８の温度が最も高くなるように各ヒータを設定して加熱することで、密封容器５に下部ほど温度が低く、上部ほど温度が高い温度勾配を形成する。ここで、下部ヒータ６の温度は、一例として、１３０５℃である。上部ヒータ８の温度は、一例として、１３５５℃である。中部ヒータ７の温度は、一例として、下部ヒータ６と上部ヒータ８の温度の間である１３３０℃である。
【００３３】
次に、上記の温度勾配となる状態を形成した後、図４に示すように、下部ヒータ６、中部ヒータ７及び上部ヒータ８の温度を徐々に下げることで、ヒ化ガリウム融液１３の下部からヒ化ガリウム融液１３を固化させた分散媒体固体としてのヒ化ガリウム固体１４を形成する。以下、このヒ化ガリウム固体１４と二酸化ケイ素球３とが混じった固体を第１の混合体としての混合体１５と呼ぶ。
【００３４】
ここで、図４に示す固体領域１５ａは、ヒ化ガリウム固体１４が形成された領域である。また、図４に示す融液領域１５ｂは、ヒ化ガリウム融液１３が残存している領域である。
【００３５】
また、ヒ化ガリウム融液１３を固化させる工程は、ヒ化ガリウム融液１３を固化させる速度が、一例として、るつぼ４の側面から見た融液の液面の高さで、５ｍｍ／ｈとなるように、下部ヒータ６、中部ヒータ７及び上部ヒータ８が制御される。このヒ化ガリウム融液１３の全てが固化するのに要する時間は、一例として、およそ４０時間である。
【００３６】
次に、図５に示すように、融液領域１５ｂに残存するヒ化ガリウム融液１３が固化し、るつぼ４内の全てのヒ化ガリウム融液１３がヒ化ガリウム固体１４となった後、下部ヒータ６、中部ヒータ７及び上部ヒータ８を停止し、二酸化ケイ素球３とヒ化ガリウム固体１４からなる混合体１５を放置して冷却した。続いて、密封容器５の表面温度がおよそ１００℃以下まで低下した後、加熱炉１２から密封容器５を取り出す。なお、混合体１５は、るつぼ４の内壁によって形成される円筒内で固化したものであることから、略円柱形状を有する。
【００３７】
次に、図６に示すように、密封容器５を帯溶融炉１８に収容する。この帯溶融炉１８は、密封容器５を囲うようなリング形状を有するリング状ヒータ１６と、このリング状ヒータ１６の温度を測定する熱電対１７と、を備えて概略構成されている。
【００３８】
次に、リング状ヒータ１６のリングの中心が、るつぼ４内の混合体１５の上端部に位置する状態となるようにリング状ヒータ１６を保持し、リング状ヒータ１６の温度を１３００℃とした。この加熱により、混合体１５の上端部に溶融帯１９が形成された。
【００３９】
この溶融帯１９では、混合体１５が溶融し、ヒ化ガリウム融液１３と二酸化ケイ素球３に分離する。二酸化ケイ素球３の密度は、ヒ化ガリウム融液１３の密度よりも小さいため、二酸化ケイ素球３は、溶融帯１９の上方に分布する。この溶融帯１９のるつぼ４を側面から見たときの幅ｈは、一例として、およそ５ｍｍである。
【００４０】
次に、図７に示すように、リング状ヒータ１６を図７の紙面に対して鉛直下方向に移動させる。このリング状ヒータ１６の移動により、溶融帯１９が下方に移動する。この移動に伴って、溶融帯１９より上部分にヒ化ガリウム融液１３が固化した固化領域１９ａが形成される。この固化領域１９ａは、並んだ二酸化ケイ素球３をヒ化ガリウム固体１４が覆っている。
【００４１】
次に、図８に示すように、るつぼ４の上方から下方に溶融帯１９を移動させた後、るつぼ４には、二酸化ケイ素球３が規則的に並んでヒ化ガリウム固体１４中に存在する第２の混合体としての混合体１５０が得られた。ここで、リング状ヒータ１６の移動は、一例として、１００時間かけて行われる。
【００４２】
次に、密封容器５の表面温度が、一例として、およそ１００℃以下まで低下してから、帯溶融炉１８から密封容器５を取り出す。
【００４３】
次に、密封容器５からるつぼ４を取り出し、さらに、るつぼ４から混合体１５０を取り出す。
【００４４】
上記に記載の工程を経て得られた混合体１５０は、例えば、円柱形状を有する。この混合体１５０は、直径がおよそ５０ｍｍで、長さがおよそ１９５ｍｍである。
【００４５】
次に、この混合体１５０をウエハ状に切断し、切断面を研磨する。切断の結果、混合体１５０から、厚さ１ｍｍの１８枚のウエハが得られた。
【００４６】
ここで、混合体１５０の下部から得られたウエハ（フォトニック結晶ウエハ）を、順番に第１のウエハ、第２のウエハ…第１８のウエハと呼称する。さらに、切り出した各ウエハを、面内の中心を通る線に沿うようにそれぞれ分割した。
【００４７】
分割したウエハの表面及び分割した断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果、第２のウエハから第１８のウエハは、二酸化ケイ素球３が面心立方格子の断面形状に似た形状を形成していることが確認された。しかし、第１のウエハでは、第２のウエハ等と比べて二酸化ケイ素球３が少ない領域が観察された。
【００４８】
これは、ガリウム１、ヒ素２及び二酸化ケイ素球３の封入において、二酸化ケイ素球３がガリウム１及びヒ素２に比べて質量が少ないため、最後にヒ化ガリウム融液１３が固化した混合体１５０の最下部において、他の領域と比べて二酸化ケイ素球３が少なくなったからである。
【００４９】
以上の結果から、混合体１５０は、最下部の１ｍｍ〜２ｍｍ程度を除き、ヒ化ガリウム固体１４中に二酸化ケイ素球３が面心立方格子を形成して規則正しく整列していることが分かった。従って、以上の工程により、直径およそ５０ｍｍ、長さ１９３ｍｍの円柱形状を有するフォトニック結晶が得られた。
【００５０】
（光強度の測定について）
図９は、第１の実施の形態に係る反射光の強度を測定する測定系の概略図である。図１０は、第１の実施の形態に係る反射光の強度測定の測定結果を示すグラフである。図１０の縦軸は光強度（任意単位）であり、横軸は波長（μｍ）である。
【００５１】
上記の工程により、直径がおよそ５０ｍｍで、長さがおよそ１９３ｍｍの円柱形状を有する混合体２０を作成した。図９に示すように、二酸化ケイ素球が形成する面心立方格子の（１１１）面に平行となるように混合体２０の中心近傍で混合体２０を切断した。
【００５２】
混合体２０の切断により形成された切断面２１を研磨した後、例えば、硫酸、過酸化水素水及び水を１：３：１００の割合で混合し、温度を２５℃にした溶液に混合体２０を３分間浸清し、流水で洗浄した。さらに、フッ化水素酸と水とを等量の割合で混合し、温度を２５℃にした溶液に混合体２０を１分間浸清し、流水で洗浄した。
【００５３】
次に、図９に示すような測定系を構成し、上記の処理を行った混合体２０の切断面２１の反射スペクトルを測定した。この反射スペクトルの測定は、以下のようにして行われた。
【００５４】
まず、図９に示すハロゲンランプ４０から放射された光は、レンズ４１により平行光とされた後、光チョッパ４２で変調され、入射光４００として切断面２１に照射される。次に、切断面２１で反射された反射光４０１は、分光器４３へと入射する。ここで、この測定では、可能な限り切断面２１に垂直な反射スペクトルを測定することが理想であるが、現実には、そのような測定系を構成することは困難である。そこで本実施の形態に係る測定系は、切断面２１に対する入射角および反射角は５°となるように調整されている。
【００５５】
次に、分光器４３に設けられた光検出器４４により、分光された光を検出し電気信号へと変換する。この電気信号は、ロックインアンプ４５に入力され、変調成分のみを増幅される。増幅された電気信号は、デジタルマルチメータ４６でデジタル化される。コンピュータ４７は、このデジタル化された電気信号を取得すると共に分光器４３の制御を行う。なお、ロックインアンプ４５は、光検出器４４から出力された電気信号と、光チョッパ４２から出力された参照信号と、に基づいて変調成分の増幅を行う。この参照信号は、光チョッパ４２の周波数（チョッピング周波数）の信号である。
【００５６】
さらに、切断面２１の測定の後、混合体２０を設置したのと同じ位置に、表面に金を蒸着した鏡で同様の測定を実施した。本測定を実施した波長域（１．２〜１．８μｍ）における金の反射率はほぼ１００％であるから、この反射スペクトルは、ハロゲンランプ４０のスペクトルとみなすことができる。このスペクトルをリファレンスとする。切断面２１の反射スペクトルをリファレンスで除算することにより、切断面２１の反射率を得ることができる。この得られた反射率を図１０に示した。
【００５７】
図１０に示すように、混合体２０は、波長１．５５μｍ付近で光強度が増加していることが分かる。つまり、混合体２０は、波長１．５５μｍ付近で反射率が増加していることが分かる。この測定結果から、混合体２０は、フォトニック結晶であることが分かる。
【００５８】
以上の結果により、混合体１５０は、その構造から、混合体２０は、その光学的特性からフォトニック結晶であることが分かる。
【００５９】
（第１の実施の形態の効果）
本実施の形態に係るフォトニック結晶は、ヒ化ガリウムと二酸化ケイ素の集合体であり、互いに化学反応を起こしていないことから、ヒ化ガリウムの融点（１２３８℃）近傍までは、安定である。
【００６０】
一方、ポリカーボネートの分解温度は、例えば、４００〜５００℃程度であり、光硬化性樹脂の分解温度も同程度である。従って、本実施の形態に係るフォトニック結晶は、光硬化性樹脂から形成されたフォトニック結晶と比べて、耐熱性に優れる。
【００６１】
また、ポリカーボネートのビッカース硬さは、およそ数十ＨＶ程度であるが、ヒ化ガリウム及び二酸化ケイ素のビッカース硬さは、数百ＨＶ程度であるので、本実施の形態に係るフォトニック結晶は、機械的強度に優れ、ハンドリングが容易となる。
【００６２】
本実施の形態に係るフォトニック結晶の体積は、その底面積と長さからおよそ３７８ｃｍ３であり、配列したシリカ球の空隙に光硬化性樹脂を充填して形成されたフォトニック結晶と比べて、大きな体積である。
【００６３】
本実施の形態に係るフォトニック結晶は、二酸化ケイ素の屈折率がおよそ１．４５であり、ヒ化ガリウムの屈折率がおよそ３．６程度であることから、屈折率差が大きくなる。本実施の形態に係るフォトニック結晶は、例えば、二酸化ケイ素と空気、又は空気と樹脂等の組み合わせと同等以上の屈折率差を実現することができるので、光学特性に優れる。
【００６４】
本実施の形態に係るフォトニック結晶は、結晶を構成する二酸化ケイ素とヒ化ガリウムが、共に単体では赤外線を透過するので、特定の波長の赤外線に対する反射率が高く、それ以外の赤外線は透過するというバンドパスフィルタを容易に構成することができる。
【００６５】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、分散媒体としての多結晶ヒ化ガリウムと二酸化ケイ素からフォトニック結晶を製造する点で第１の実施の形態と異なっている。なお、以下の実施の形態において、第１の実施の形態と同じ機能及び構成を有する部分については、第１の実施の形態と同じ符号を付し、その説明は省略するものとする。
【００６６】
（フォトニック結晶の製造方法）
図１１及び図１２は、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶の製造工程を示す模式図である。以下に、本実施の形態のフォトニック結晶の製造方法について説明する。
【００６７】
まず、多結晶ヒ化ガリウム３０、二酸化ケイ素球３をるつぼ４に入れ、さらに、密封容器５の中に封入する。封入後、この密封容器５内は、１０−４Ｐａ以下に減圧される。
【００６８】
るつぼ４に入れられた多結晶ヒ化ガリウム３０の質量は、例えば、６２０ｇである。また、二酸化ケイ素球３の質量は、例えば、６００ｇである。
【００６９】
次に、図１１に示すように、密封容器５を加熱炉１２に入れる。
【００７０】
次に、下部ヒータ６、中部ヒータ７及び上部ヒータ８の温度を１３５０℃として多結晶ヒ化ガリウム３０及び二酸化ケイ素球３を加熱する。この加熱により、多結晶ヒ化ガリウム３０を溶融させ、ヒ化ガリウム融液を生成した。二酸化ケイ素球３は、融点がおよそ１６５０℃であるので、上記の加熱によって融解することはなく、また、二酸化ケイ素とヒ化ガリウムは高温における反応性に乏しいことから、ヒ化ガリウム融液中に形状を維持したまま存在する。
【００７１】
以後は、第１の実施の形態と同様の工程を行い、図１２に示す混合体３１を得た。この混合体３１は、例えば、円柱形状を有する。この混合体３１は、直径がおよそ５０ｍｍで、長さがおよそ１９５ｍｍである。
【００７２】
次に、この混合体３１をウエハ状に切断し、切断面を研磨する。切断の結果、第１の実施の形態と同様に、混合体３１から、厚さ１ｍｍの１８枚のウエハが得られた。
【００７３】
ここで、混合体３１の下部から得られたウエハを、順番に第２０のウエハ、第２１のウエハ…第３７のウエハと呼称する。さらに、切り出した各ウエハを、面内の中心を通る線に沿うようにそれぞれ分割した。
【００７４】
分割したウエハの表面及び分割した断面を顕微鏡で観察した結果、第２１のウエハから第３７のウエハは、二酸化ケイ素球３が面心立方格子を形成していることが確認された。しかし、第２０のウエハでは、二酸化ケイ素球３が少ない領域が観察された。
【００７５】
以上の結果から、直径およそ５０ｍｍ、長さ１９３ｍｍの円柱形状を有するフォトニック結晶が得られた。
【００７６】
（第２の実施の形態の効果）
本実施の形態に係るフォトニック結晶の製造方法によれば、多結晶ヒ化ガリウムを用いてヒ化ガリウム融液を生成するので、ガリウム及びヒ素からヒ化ガリウム融液を生成する場合と比べて、ガリウム及びヒ素の化学反応を必要としないので、低温でヒ化ガリウム融液を生成することができる。
【００７７】
なお、上記の各実施の形態では、分散質粒子として二酸化ケイ素を用い、分散媒体としてヒ化ガリウムを用いたが、これに限定されず、分散質粒子よりも融点が低く、かつ、液体の状態において分散質粒子よりも密度が大きい材料であれば他の材料を用いることができる。そのような材料として、例えば、分散質粒子として二酸化チタン、分散媒体としてリン化インジウムをあげることができる。また、上記の各実施の形態において分散質粒子は、酸化物であり、分散媒体は、化合物半導体であったが、これに限定されない。
【００７８】
以上、本発明の実施の形態及びその変形例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び変形例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び変形例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００７９】
１…ガリウム
２…ヒ素
３…二酸化ケイ素球
４…るつぼ
５…密封容器
６…下部ヒータ
７…中部ヒータ
８…上部ヒータ
９…下部熱電対
１０…中部熱電対
１１…上部熱電対
１２…加熱炉
１３…ヒ化ガリウム融液
１４…ヒ化ガリウム固体
１５…混合体
１５ａ…固体領域
１５ｂ…融液領域
１６…リング状ヒータ
１７…熱電対
１８…帯溶融炉
１９…溶融帯
１９ａ…固化領域
２０…混合体
２１…切断面
３０…多結晶ヒ化ガリウム
３１…混合体
４０…ハロゲンランプ
４１…レンズ
４２…光チョッパ
４３…分光器
４４…光検出器
４５…ロックインアンプ
４６…デジタルマルチメータ
４７…コンピュータ
１５０…混合体
４００…入射光
４０１…反射光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分散質粒子と、前記分散質粒子よりも融点が低く、かつ、融液の状態において前記分散質粒子よりも密度が大きい分散媒体と、を容器に封入する工程と、
前記容器を加熱して前記分散媒体を融解させて分散媒体融液を生成した後、前記容器の下方から鉛直上方に向けて前記分散媒体融液を固化させて分散媒体固体を生成し、前記分散質粒子と前記分散媒体固体からなる第１の混合体を得る工程と、
前記第１の混合体が得られた前記容器を部分的に加熱することによって前記第１の混合体の上部に溶融帯を形成し、前記溶融帯を鉛直下方に向けて移動させて前記分散媒体固体中に前記分散質粒子を並べた第２の混合体を生成する工程と、
を含むフォトニック結晶の製造方法。
【請求項２】
前記分散質粒子が略球形状を有する請求項１に記載のフォトニック結晶の製造方法。
【請求項３】
前記分散質粒子が二酸化ケイ素である請求項２に記載のフォトニック結晶の製造方法。
【請求項４】
前記分散媒体がヒ化ガリウムである請求項３に記載のフォトニック結晶の製造方法。
【請求項５】
前記容器に封入する工程が、前記分散質粒子と、前記分散媒体を構成する複数の物質と、を前記容器に封入することを含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフォトニック結晶の製造方法。
【請求項６】
前記分散媒体を構成する物質が、ヒ素及びガリウムである請求項５に記載のフォトニック結晶の製造方法。
【請求項７】
ヒ化ガリウム固体と、前記ヒ化ガリウム固体中に面心立方格子状に配列した二酸化ケイ素球を有し、
前記二酸化ケイ素球の直径が２００ｎｍ以上２．５μｍ以下であるフォトニック結晶ウエハ。
【請求項８】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のフォトニック結晶の製造方法、または請求項７に記載のフォトニック結晶ウエハを用いて作成されるフォトニック結晶。
【請求項１】
分散質粒子と、前記分散質粒子よりも融点が低く、かつ、融液の状態において前記分散質粒子よりも密度が大きい分散媒体と、を容器に封入する工程と、
前記容器を加熱して前記分散媒体を融解させて分散媒体融液を生成した後、前記容器の下方から鉛直上方に向けて前記分散媒体融液を固化させて分散媒体固体を生成し、前記分散質粒子と前記分散媒体固体からなる第１の混合体を得る工程と、
前記第１の混合体が得られた前記容器を部分的に加熱することによって前記第１の混合体の上部に溶融帯を形成し、前記溶融帯を鉛直下方に向けて移動させて前記分散媒体固体中に前記分散質粒子を並べた第２の混合体を生成する工程と、
を含むフォトニック結晶の製造方法。
【請求項２】
前記分散質粒子が略球形状を有する請求項１に記載のフォトニック結晶の製造方法。
【請求項３】
前記分散質粒子が二酸化ケイ素である請求項２に記載のフォトニック結晶の製造方法。
【請求項４】
前記分散媒体がヒ化ガリウムである請求項３に記載のフォトニック結晶の製造方法。
【請求項５】
前記容器に封入する工程が、前記分散質粒子と、前記分散媒体を構成する複数の物質と、を前記容器に封入することを含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフォトニック結晶の製造方法。
【請求項６】
前記分散媒体を構成する物質が、ヒ素及びガリウムである請求項５に記載のフォトニック結晶の製造方法。
【請求項７】
ヒ化ガリウム固体と、前記ヒ化ガリウム固体中に面心立方格子状に配列した二酸化ケイ素球を有し、
前記二酸化ケイ素球の直径が２００ｎｍ以上２．５μｍ以下であるフォトニック結晶ウエハ。
【請求項８】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のフォトニック結晶の製造方法、または請求項７に記載のフォトニック結晶ウエハを用いて作成されるフォトニック結晶。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１４１５０５（Ｐ２０１２−１４１５０５Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７２８（Ｐ２０１１−７２８）
【出願日】平成２３年１月５日（２０１１．１．５）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月５日（２０１１．１．５）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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