３次元フォトニック結晶の製造方法および光機能素子
【課題】 接合強度が強い３次元フォトニック結晶を少ない工程で製造する。
【解決手段】 周期構造を持つ層を積層することにより３次元フォトニック結晶を製造する方法であって、１以上の前記周期構造を持つ層を備える第１の構造体と第２の構造体をそれぞれ形成する構造体形成工程と、第１の構造体と第２の構造体を接合する接合工程とを含む。第１の構造体の第１の接合層と第２の構造体の第２の接合層は３次元フォトニック結晶の１つの層を分割したときの一方の層と他方の層とする。
【解決手段】 周期構造を持つ層を積層することにより３次元フォトニック結晶を製造する方法であって、１以上の前記周期構造を持つ層を備える第１の構造体と第２の構造体をそれぞれ形成する構造体形成工程と、第１の構造体と第２の構造体を接合する接合工程とを含む。第１の構造体の第１の接合層と第２の構造体の第２の接合層は３次元フォトニック結晶の１つの層を分割したときの一方の層と他方の層とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元フォトニック結晶の製造方法および３次元フォトニック結晶を利用した光機能素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
波長以下の大きさの構造体を周期的に配列することによって電磁波の透過・反射等の特性を制御できることが、Yablonovitchによって提唱されている（非特許文献１）。このような構造体はフォトニック結晶として知られており、光の伝播を制御することができる。特に、３次元的な微細周期構造をもつ３次元フォトニック結晶によれば、光の伝播を３次元的に制御することが可能であり、入射角度に依存しない１００％の反射率を持つミラーが実現できるなど様々な応用が可能となる。
【０００３】
このような３次元フォトニック結晶の結晶構造として、ウッドパイル構造が知られている。ウッドパイル構造のように、周期構造を持つ層を複数積層して形成される構造（レイヤーバイレイヤー構造、ＬＢＬ構造）は、半導体プロセスによって製造することができる（特許文献１乃至５）。特許文献１、２では複数の層を順次積層することで３次元フォトニック結晶を製造する方法が提案されている。また、特許文献３乃至５では複数の層を接合することで３次元フォトニック結晶を製造する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２８１４７３号
【特許文献２】米国特許５９９８２９８号
【特許文献３】特登録０３７２１８１５号
【特許文献４】米国特許６６５０６７２号
【特許文献５】米国特許６４７９３７１号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Physical Review Letters,Vol.58,pp.2059,1987年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
フォトニックバンドギャップは、誘電率が周期的に変化する結晶構造に起因して発現する。したがって、所望の波長域でフォトニックバンドギャップを呈するフォトニック結晶を製造するためには、３次元方向に正確な周期を持つ結晶構造を形成しなければならない。そして、周期構造を持つ層を積層することにより３次元フォトニック結晶を製造する場合には、周期構造を持つ複数の層を強固に接合することが求められる。
【０００７】
特許文献１、２の製造方法は、各層を１層ずつ積層するため、工程が非常に多くなってしまう。特許文献３、４、５の製造方法は、複数層を有する構造体を接合するため、工程を少なくすることができる。しかしながら、構造体の接合強度は接合面積に比例するため、互いに異なる周期構造の一部分で接合すると、接合強度を大きくすることが難しい。
【０００８】
本発明は、接合強度が強い３次元フォトニック結晶を少ない工程数によって製造すること、３次元フォトニック結晶を利用した光機能素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、周期構造を持つ層を積層することにより３次元フォトニック結晶を製造する方法であって、周期構造を持つ層を備える第１の構造体と第２の構造体をそれぞれ形成する構造体形成工程と、第１の構造体と第２の構造体を接合する接合工程とを含む。第１の構造体は、３次元フォトニック結晶を構成する１つの層を積層方向に垂直な断面で分割したときの一方の層である第１の接合層を有する。また、第２の構造体は、３次元フォトニック結晶を構成する１つの層を積層方向に垂直な断面で分割したときの他方の層である第２の接合層を有する。そして、接合工程において、第１の接合層と第２の接合層が接合される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、接合強度が強い３次元フォトニック結晶を少ない工程数によって製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１の３次元フォトニック結晶の構造の説明図
【図２】実施例１の３次元フォトニック結晶の製造方法の説明図
【図３】従来の３次元フォトニック結晶の製造方法の説明図
【図４】実施例２の３次元フォトニック結晶の構造の説明図
【図５】実施例２の３次元フォトニック結晶の製造方法の説明図
【図６】実施例３の複数の接合工程を説明図
【図７】従来の複数の接合工程の説明図
【図８】実施例４の位置合わせの方法の説明図
【図９】実施例５の光機能素子と結晶欠陥の製造方法の説明図
【図１０】実施例６の電流注入型光機能素子の説明図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。尚、図の同一要素に関しては、同符号を用いる。本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、構造体作製工程と、接合工程を含む。構造体形成工程では、周期構造を持つ層を備える第１の構造体と第２の構造体をそれぞれ形成する。第１の構造体は、最表層に第１の接合層を有しており、第１の接合層は、３次元フォトニック結晶の１層を積層方向に分割した一方の層より成る。
【００１３】
第１の構造体は、３次元フォトニック結晶を構成する１つの層を積層方向に垂直な断面で分割したときの一方の層である第１の接合層を最表層に有する。また、第２の構造体は、３次元フォトニック結晶を構成する１つの層を積層方向に垂直な断面で分割したときの他方の層である第２の接合層を最表層に有する。接合工程では、第１の構造体の第１の接合層と第２の構造体の第２の接合層とを接合する。第１の接合層の周期構造と第２の接合層２の周期構造は一致しており、これらの周期構造が積層方向に重なるように接合される。第１の接合層と第２の接合層が接合されることによって、３次元フォトニック結晶の１層が形成される。
【００１４】
［実施例１］
図１は、実施例１の製造方法により製造される３次元フォトニック結晶１０００の概略図である。３次元フォトニック結晶１０００の結晶構造はウッドパイル構造である。３次元フォトニック結晶１０００は、第１の層１００１、第２の層１００２、第３の層１００３、第４の層１００４の４層を基本周期とした構造である。第１の層１００１は、Ｙ軸方向に延びる幅Ｗ、高さＨの複数の柱状構造（角柱）１００１ａが格子定数（ピッチ）Ｐで周期的に配列された周期構造を持つ。第２の層１００２は、柱状構造１００１ａと同一形状でＸ軸方向に延びる複数の柱状構造１００２ａがピッチＰで配列された周期構造を持つ。
【００１５】
第３の層１００３は、柱状構造１００１ａと同一形状でＹ軸方向に延びる複数の柱状構造（角柱）１００３ａがピッチＰで配列された周期構造を持ち、第１の層１００１の柱状構造（角柱）１００１ａに対してＸ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。第４の層１００４は、柱状構造１００２ａと同一形状でＸ軸方向に延びる複数の柱状構造（角柱）１００４ａがピッチＰで配列された周期構造を持ち、第２の層１００２の柱状構造（角柱）１００２ａに対してＹ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。
【００１６】
図２を用いて３次元フォトニック結晶１０００の製造方法を説明する。まず、構造体形成工程を説明する。フォトリソグラフィーなどによって基板１１上に第１の層１００１の柱状構造１００１ａを作成する（図２（ａ））。柱状構造１００１ａは第１の媒質より成り、ピッチＰ、幅Ｗ、高さＨの周期構造を形成する。次に、柱状構造以外の部分を第２の媒質より成る犠牲部１００１ｂで埋め、表面を化学的機械的研磨法（ＣＭＰ）などによって平坦化する（図２（ｂ））。続いて、第１の層１００１上に図２（ａ）、図２（ｂ）の工程を繰り返して各層を積層した後、犠牲部１００１ｂをウェットエッチングなどによって選択的に除去する（図２（ｃ））。
【００１７】
図２（ｃ）は、基板１１上に、第１の層１００１と、第２の層１００２と、第３の層１００３の一部の周期構造を持つ層１１１とを積層した場合を示している。第１の層１００１の柱状構造１００１ａと第２の層１００２の柱状構造１００２ａは図１に示すように互いに直交している。第１の層１００１の柱状構造１００１ａと第３の層１００３の一部の柱状構造１１１ａはＸ方向にＰ／２ずれている。３次元フォトニック結晶１０００を構成する材料としてはＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、Ｓｉなどの半導体、ＳｉＯ２やＴｉＯ２などの誘電体などを用いる。犠牲部１００１ｂの材料は柱状構造１００１ａに対して選択的にエッチングできる材料であれば良く、例えばＴｉＯ２に対してはＣｕを用い硫酸をエッチャントとして用いればよい。
【００１８】
以上のように、図２（ａ）〜（ｃ）の工程に従って第１の層１００１、第２の層１００２、第３の層１００３の一部の周期構造を持つ層１１１を積層することで、ウッドパイル構造の一部を構成する構造体１１０（第１の構造体）を作製する。第１の構造体１１０の最表層には、３次元フォトニック結晶１０００の１つの層である第３の層１００３を、積層方向に垂直な断面で分割したときの一方の層１１１が形成されている。
【００１９】
同様に、第４の層１００４と、第３の層１００３の一部の周期構造を持つ層１２１を積層することで、ウッドパイル構造の一部を構成する構造体１２０（第２の構造体）を作製する（図２（ｄ））。第２の構造体１２０の最表層には、３次元フォトニック結晶１０００の１つの層である第３の層１００３を、積層方向に垂直な断面で分割したときの他方の層１２１が形成されている。
【００２０】
ここで、構造体１１０の最表層１１１（第１の接合層）、構造体１２０の最表層１２１（第２の接合層）は、周期構造が一致するように作製されている。ウッドパイル構造の場合、全ての層において同一の幅Ｗと高さＨを持つ柱状構造１０１ａ〜１０４ａが同一の格子定数Ｐで配列されているためである。また、第１の接合層１１１の高さＨ１と第２の接合層１２１の高さＨ２の和（Ｈ１＋Ｈ２）を、ウッドパイル構造の柱状構造の高さＨと同一にしている。
【００２１】
次に、構造体１１０と構造体１２０を、層１１１と層１２１が向かい合うように接合する（図２（ｅ））（接合工程）。このとき、第１の接合層１１１の周期構造と第２の接合層１２１の周期構造が、ウッドパイル構造の積層方向において、重なるように接合される。高さＨ１の第１の接合層１１１と高さＨ２の第２の接合層１２１が接合されることにより、ウッドパイル構造における高さＨの１層が形成される。
【００２２】
本実施例では、複数の層を持つ第１の構造体と第２の構造体を接合しているため、１層ずつ積層する製造方法に比べて工程数を少なくすることができる。図３（ａ）〜（ｃ）は、従来の製造方法であって、図３（ａ）のように第１の接合層１１１、第２の接合層１２１の双方がウッドパイルの１層を形成するように構造体１１０、構造体１２０が作製される。そして、第１の接合層１１１と第２の接合層１２１は、柱状構造が直交するように接合される（図３（ｂ））。
【００２３】
第１の接合層１１１と第２の接合層１２１の接合部は、幅Ｗの柱状構造が交差する領域であるから、接合面積（接着面積）はＷの２乗（Ｗ×Ｗ）となる（図３（ｃ））。一方、本実施例によれば、第１の接合層１１１と第２の接合層１２１の周期構造が一致するため、柱状構造１１１ａ、１２１ａの全体で接合させることができる（図２（ｆ））。接合強度は接合面積に比例するため、本実施例の製造方法によって接合強度の強い３次元フォトニック結晶を製造することができる。
【００２４】
以上より、本実施例の方法を用いれば、接合強度が大きい３次元フォトニック結晶を少ない製造工程で製造することができる。なお、本実施例では３次元フォトニック結晶としてウッドパイル構造を用いたが、ＬＢＬ構造であれば同様に製造することができる。
【００２５】
［実施例２］
図４は、本発明の実施例２の製造方法により製造される３次元フォトニック結晶２０００の概略図である。３次元フォトニック結晶２０００は、ウッドパイル構造を構成する各層の柱状構造の交差する位置に、長さｗ１の正方形状で高さｈの離散構造が配置された構造である。２００１〜２００８は順に第１〜第８の層である。第１、第３、第５、第７の層２００１、２００３、２００５、２００７は実施例１と同様の柱状構造２００１ａ、２００３ａ、２００５ａ、２００７ａより成っている。
【００２６】
第２、第４、第６、第８の層２００２、２００４、２００６、２００８は、それぞれ第１、第３、第５、第７の層２００１、２００３、２００５、２００７の間に配置された付加層である。なお、付加層２００８は第７の層２００７と、第１の層（次の周期構造に相当する第１の層）の間に配置されている。付加層２００２、２００４、２００６、２００８は、柱状構造の交点に相当する位置に離散構造２００２ａ、２００４ａ、２００６ａ、２００８ａを有している。
【００２７】
本実施例では積層方向から見て周期構造が異なる２つの層２００１と層２００２を有しているが、３種類以上の周期構造によってフォトニック結晶を構成しても良い。図５は本実施例の製造方法の説明図である。本実施例の３次元フォトニック結晶２０００の製造方法は、各層を積層して構造体１１０と構造体１２０を形成する工程については実施例１と共通である（図５（ａ）〜（ｃ））。ここで、構造体１１０の最表層１１１（第１の接合層）、構造体１２０の最表層１２１（第２の接合層）が共に第５の層２００５の周期構造を持つように構造体１１０、構造体１２０を形成する（図５（ｄ））。
【００２８】
第１の接合層１１１と第２の接合層１２１は、実施例１と同様に、厚みの合計がＨとなるように形成されており、周期構造が重なるように接合されることによって、柱状構造からなる第５の層２００５が形成される（図５（ｅ））。第５の層２００５を積層方向に垂直な断面で分割して、第１の接合層１１１と第２の接合層１２１としたときの接合面積は単位格子Ｐ×Ｐ辺りＷ×Ｐであるのに対して、層２００２を分割して接合面としたときの接合面積は単位格子辺りｗ１×ｗ１である。（図５（ｆ））したがって、柱状構造の幅Ｗ、離散構造の長さｗ１、ピッチＰについて、Ｗ×Ｐ＞ｗ１×ｗ１が成立する場合、第５の層を分割して接合層とした方が、第２、第４、第６、第８の層を分割して接合層とした場合に比べて接合面積を大きくできる（図５（ｆ））。
【００２９】
すなわち、３次元フォトニック結晶の積層方向に垂直な断面において周期構造を構成する構造体の面積が最も大きくなる層を分割したときの一方の層と他方の層をそれぞれ第１の接合層と第２の接合層とすることが、接合強度を大きくするために好ましい。本実施例によれば、複数の周期パターンを持つ３次元フォトニック結晶に対して、接合強度の強い３次元フォトニック結晶が製造できる。また、本実施例では３次元フォトニック結晶として図４に示す構造を用いたが、複数の周期パターンを有する別のＬＢＬ構造に対しても同様に、接合強度の強い３次元フォトニック結晶を製造することができる。
【００３０】
［実施例３］
図６は本実施例３の製造方法の説明図である。実施例３では、複数回の接合工程を経て３次元フォトニック結晶を製造する際に、なるべく共通の接合プロセスで作製を行っている。実施例１と同様に３次元フォトニック結晶はウッドパイル構造であるが、他のＬＢＬ構造であっても同様である。まず、実施例１と同様に構造体１１０、１２０、１３０、１４０の４つを作製する（図６（ａ））。
【００３１】
ここで、構造体１１０、１２０、１３０、１４０の基板１１の直上の層１１１、及び最表層１２１の高さがＨ／２であるように作製する。また、構造体１１０と構造体１３０、構造体１２０と構造体１４０は同一形状であるように作製する。更に実施例１と同様に構造体１１０と構造体１２０を接合して構造体１５０を作製し、構造体１３０と構造体１４０を接合して構造体１６０を作製する（図６（ｂ）、図６（ｃ））。その後、構造体１５０、１６０の片側の基板をレーザーリフトオフなどで剥離した後、構造体１５０と構造体１６０を接合して構造体１７０を作製する（図６（ｄ））。ここで第１の層１００１、第２の層１００２、第３の層１００３、第４の層１００４の４層より基本周期を構成している（図６（ｄ））。
【００３２】
特許文献１、２、３で開示されている方法では、図７に示すようにウッドパイルの一層７１〜７５ずつを接合している。そのため、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の接合時のプロセス条件を逐一変える必要がある。ここで、プロセス条件とは接合圧力や温度などである。これに対して本実施例の方法では、構造体１１０と構造体１３０が同一形状、構造体１２０と構造体１４０が同一形状である。このため、図６（ｂ）の接合時と図６（ｃ）の接合時のプロセス条件を共通にすることができる。以上より、本実施例によれば、接合工程を複数回行う際にプロセス条件出しの負荷を軽減することができる。また、更に３次元フォトニック結晶の層数を増やす場合は図６（ａ）〜（ｃ）の工程を再度用いて構造体１７０と同一形状の構造体を作製して接合する工程を繰り返せばよい。
【００３３】
［実施例４］
図８は実施例４の製造方法の接合工程における位置合わせの方法の説明図である。実施例１と同様にウッドパイル構造に基づいて説明するが、他のＬＢＬ構造であっても同様である。まず、実施例１と同様に構造体１１０（第１の構造体）、構造体１２０（第２の構造体）の２つを作製する（図８（ａ））。第１の材料（媒質）より成る第１の接合層１１１と第２の接合層１２１の高さＨ１、Ｈ２も同様にＨ１＋Ｈ２＝Ｈを満たすようにしておく。その後、第１の接合層１１１における構造体１１０（第１の構造体）の間隙に第２の材料より成る犠牲部１１１ｂ（犠牲部）を形成する。この際、犠牲部１１１ｂの高さ（厚み）Ｈ３は、Ｈ１＜Ｈ３＜Ｈを満たすようにしておく（図８（ｂ））。
【００３４】
具体的には、フォトリソグラフィーなどを用いて第１の接合層１１１の柱状構造をレジスト１０４などで選択的に覆う（図８（ｃ））。次にスパッタなどを用いて犠牲部１１１ｂを高さＨ３で蒸着する（図８（ｄ））。その後、レジスト１０４をエッチャントでリフトオフすれば、第１の接合層１１１における構造体１１０の間隙のみに犠牲部１１１ｂを形成することができる（図８（ｅ））。
【００３５】
本実施例では、この犠牲部１１１ｂを構造体１１０と構造体１２０とを接合するときの位置合わせとして用いている。つまり、接合工程において、第１の接合層１１１の犠牲部を第２の接合層１２１の構造体１２０の間隙に挿入することにより、前記第１の接合層１１１と前記第２の接合層１２１を接合している。図８（ｃ）の工程においてレジスト１０４にアンダーカット（逆テーパー）を生じさせておくと、図８（ｅ）時のリフトオフが容易になるため好ましい。アンダーカットを生じさせる方法としては、レジスト１０４を２層塗ってから下層の一部を選択的に除去する方法などがある。
【００３６】
３次元フォトニック結晶の材料を構成する材料は実施例１と同様に半導体や誘電体などを用いる。例えばＴｉＯ２を用いた場合、犠牲部１１１ｂはＣｕ、レジスト２はＰＭＭＡ、エッチャントはアセトンを用いればよい。その後、犠牲部１１１ｂが形成された構造体１１０の層１１１と構造体１２０の層１２１が向かい合うように接合する。接合層１１１の高さＨ１よりも犠牲部１１１ｂの高さＨ３の方が高いため、接合層１２１の柱状構造が接合層１１１の柱状構造に重なるように接合することができる（図８（ｆ））。
【００３７】
以上のように本実施例では、接合工程においては、犠牲部１１１ｂを位置合わせに用いて構造体１１０の接合層１１１と構造体１２０の接合層１２１を接合する。その後、犠牲部１１１ｂを選択的に取り除くことで接合層１１１と接合層１２１によって３次元フォトニック結晶の１層を形成している。このように本実施例の方法を用いれば接合工程における位置合わせが容易になる。
【００３８】
［実施例５］
図９は、３次元フォトニック結晶を用いた光機能素子の説明図である。図９（ａ）は３次元フォトニック結晶１００中に線状の結晶欠陥からなる導波路２００を設けた光機能素子である。結晶欠陥部のみに電磁場を集中させることが可能となり、例えば図９（ｂ）のように２つの導波路２００を直交させれば急峻な曲げをもつ導波路が実現できる。以上のように本実施例の光機能素子は３次元フォトニック結晶を含み、３次元フォトニック結晶は線状の結晶欠陥部を有し、結晶欠陥部は導波路として機能する。
【００３９】
図９（ｃ）は３次元フォトニック結晶１００中に点状の結晶欠陥からなる共振器２０１を設けた光機能素子である。結晶欠陥部２０１のみに電磁場を集中させることが可能となり、波長選択性に優れたフィルタなどが実現できる。本実施例の光機能素子は、３次元フォトニック結晶を含み、３次元フォトニック結晶は孤立した結晶欠陥部を有し、結晶欠陥部は共振器として機能する。線状欠陥２００や点状欠陥２０１は、構造体１１０や構造体１２０の一部を取り除いても良いし、新たに構造を付加しても良い。特に、図９（ｄ）のように第１の接合層１１１や第２の接合層１２１の一部に結晶欠陥２０２を設けた場合にはＬＢＬ構造の一層よりも薄い結晶欠陥を設けることができ、従来の方法で作製した場合に比べて結晶欠陥の設計自由度が増加する。例えば、結晶欠陥が薄い方が導波路や共振器を単一モードに設計することが容易となる。
【００４０】
［実施例６］
３次元フォトニック結晶を用いた電流注入型の光機能素子について説明する。３次元フォトニック結晶はウッドパイル構造とするが、他のＬＢＬ構造であっても同様である。電流注入によって動作する光機能素子を作製する場合、３次元フォトニック結晶の各層の接合面におけるキャリア損失が課題となる。
【００４１】
本発明の製造方法によれば、第１の接合層１１１と第２の接合層１２１の周期構造が重なるように接合しているためにダングリングボンドが発生せず、従来に比べて非発光再結合を低減することができる。また、電気抵抗は電流径路の断面積に比例するため、断面積の小さい部分での抵抗値が支配的となる。従来のように柱状構造が直交するように接合した場合、接合面積が比較的小さいために抵抗値が大きくなってしまうと共に、接合面の接触不良によって抵抗値が更に増大してしまう。
【００４２】
本発明によれば、第１の接合層１１１と第２の接合層１２１の周期構造が重なるように接合するため、従来に比べて抵抗値を抑制することが容易となる。また、第１の接合層１１１と第２の接合層１２１の少なくとも一部に導電性材料を適切に配置することによって、抵抗値を低減することができる。
【００４３】
図１０（ａ）、（ｂ）は本実施例に適用可能な電流注入型の光機能素子の概略図である。図１０（ａ）は、３次元フォトニック結晶がＰクラッド３０１、Ｎクラッド３０２、活性部３０３から構成され発光素子３００を構成している説明図である。Ｐ型半導体から活性部に正孔が、Ｎ型半導体から活性部に電子が注入され、電子と正孔が再結合して発光する。図１０（ａ）のように発光素子３００中に結晶欠陥によって形成される共振器３０４を設け、共振器３０４内（共振器内部）に発光作用を呈する活性部（活性媒質）３０３を配置し、励起手段で励起すれば活性部３０３内で高効率な発光が得られる。但し、必ずしも結晶欠陥を設けた構成でなくても良い。
【００４４】
図１０（ｂ）は３次元フォトニック結晶がＰクラッド３０１、Ｎクラッド３０２、Ｐ型半導体とＮ型半導体に矜持された光変調領域３１１から構成され光変調素子３１０を構成している説明図である。光変調素子３１０中には分岐導波路３１２、３１３が設けてあり、光変調領域３１１に電流を注入することによって分岐導波路３１２と分岐導波路３１３を伝播する光の位相差を制御することができる。分岐導波路３１２と分岐導波路３１３の位相差によって出力される光の強度を変調することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１００、１０００、２０００：３次元フォトニック結晶、１００１、１００２、１００３、１００４：３次元フォトニック結晶の層、２００１、２００２、２００３、２００４、２００５、２００６、２００７、２００８：３次元フォトニック結晶の層、１００１ａ、１００２ａ：柱状構造、１００１ｂ：犠牲部、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０：構造体、１１１、１２１：最表層、１１１ｂ：犠牲部、１１：基板、１０４：レジスト、２００：導波路、２０１：共振器、２０２：結晶欠陥、３００：発光素子、３０１：Pクラッド、３０２：Nクラッド、３０３：活性部、３０４：共振器、３１０：光変調素子、３１１：光変調領域、３１２、３１３：分岐導波路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元フォトニック結晶の製造方法および３次元フォトニック結晶を利用した光機能素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
波長以下の大きさの構造体を周期的に配列することによって電磁波の透過・反射等の特性を制御できることが、Yablonovitchによって提唱されている（非特許文献１）。このような構造体はフォトニック結晶として知られており、光の伝播を制御することができる。特に、３次元的な微細周期構造をもつ３次元フォトニック結晶によれば、光の伝播を３次元的に制御することが可能であり、入射角度に依存しない１００％の反射率を持つミラーが実現できるなど様々な応用が可能となる。
【０００３】
このような３次元フォトニック結晶の結晶構造として、ウッドパイル構造が知られている。ウッドパイル構造のように、周期構造を持つ層を複数積層して形成される構造（レイヤーバイレイヤー構造、ＬＢＬ構造）は、半導体プロセスによって製造することができる（特許文献１乃至５）。特許文献１、２では複数の層を順次積層することで３次元フォトニック結晶を製造する方法が提案されている。また、特許文献３乃至５では複数の層を接合することで３次元フォトニック結晶を製造する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２８１４７３号
【特許文献２】米国特許５９９８２９８号
【特許文献３】特登録０３７２１８１５号
【特許文献４】米国特許６６５０６７２号
【特許文献５】米国特許６４７９３７１号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Physical Review Letters,Vol.58,pp.2059,1987年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
フォトニックバンドギャップは、誘電率が周期的に変化する結晶構造に起因して発現する。したがって、所望の波長域でフォトニックバンドギャップを呈するフォトニック結晶を製造するためには、３次元方向に正確な周期を持つ結晶構造を形成しなければならない。そして、周期構造を持つ層を積層することにより３次元フォトニック結晶を製造する場合には、周期構造を持つ複数の層を強固に接合することが求められる。
【０００７】
特許文献１、２の製造方法は、各層を１層ずつ積層するため、工程が非常に多くなってしまう。特許文献３、４、５の製造方法は、複数層を有する構造体を接合するため、工程を少なくすることができる。しかしながら、構造体の接合強度は接合面積に比例するため、互いに異なる周期構造の一部分で接合すると、接合強度を大きくすることが難しい。
【０００８】
本発明は、接合強度が強い３次元フォトニック結晶を少ない工程数によって製造すること、３次元フォトニック結晶を利用した光機能素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、周期構造を持つ層を積層することにより３次元フォトニック結晶を製造する方法であって、周期構造を持つ層を備える第１の構造体と第２の構造体をそれぞれ形成する構造体形成工程と、第１の構造体と第２の構造体を接合する接合工程とを含む。第１の構造体は、３次元フォトニック結晶を構成する１つの層を積層方向に垂直な断面で分割したときの一方の層である第１の接合層を有する。また、第２の構造体は、３次元フォトニック結晶を構成する１つの層を積層方向に垂直な断面で分割したときの他方の層である第２の接合層を有する。そして、接合工程において、第１の接合層と第２の接合層が接合される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、接合強度が強い３次元フォトニック結晶を少ない工程数によって製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１の３次元フォトニック結晶の構造の説明図
【図２】実施例１の３次元フォトニック結晶の製造方法の説明図
【図３】従来の３次元フォトニック結晶の製造方法の説明図
【図４】実施例２の３次元フォトニック結晶の構造の説明図
【図５】実施例２の３次元フォトニック結晶の製造方法の説明図
【図６】実施例３の複数の接合工程を説明図
【図７】従来の複数の接合工程の説明図
【図８】実施例４の位置合わせの方法の説明図
【図９】実施例５の光機能素子と結晶欠陥の製造方法の説明図
【図１０】実施例６の電流注入型光機能素子の説明図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。尚、図の同一要素に関しては、同符号を用いる。本発明の３次元フォトニック結晶の製造方法は、構造体作製工程と、接合工程を含む。構造体形成工程では、周期構造を持つ層を備える第１の構造体と第２の構造体をそれぞれ形成する。第１の構造体は、最表層に第１の接合層を有しており、第１の接合層は、３次元フォトニック結晶の１層を積層方向に分割した一方の層より成る。
【００１３】
第１の構造体は、３次元フォトニック結晶を構成する１つの層を積層方向に垂直な断面で分割したときの一方の層である第１の接合層を最表層に有する。また、第２の構造体は、３次元フォトニック結晶を構成する１つの層を積層方向に垂直な断面で分割したときの他方の層である第２の接合層を最表層に有する。接合工程では、第１の構造体の第１の接合層と第２の構造体の第２の接合層とを接合する。第１の接合層の周期構造と第２の接合層２の周期構造は一致しており、これらの周期構造が積層方向に重なるように接合される。第１の接合層と第２の接合層が接合されることによって、３次元フォトニック結晶の１層が形成される。
【００１４】
［実施例１］
図１は、実施例１の製造方法により製造される３次元フォトニック結晶１０００の概略図である。３次元フォトニック結晶１０００の結晶構造はウッドパイル構造である。３次元フォトニック結晶１０００は、第１の層１００１、第２の層１００２、第３の層１００３、第４の層１００４の４層を基本周期とした構造である。第１の層１００１は、Ｙ軸方向に延びる幅Ｗ、高さＨの複数の柱状構造（角柱）１００１ａが格子定数（ピッチ）Ｐで周期的に配列された周期構造を持つ。第２の層１００２は、柱状構造１００１ａと同一形状でＸ軸方向に延びる複数の柱状構造１００２ａがピッチＰで配列された周期構造を持つ。
【００１５】
第３の層１００３は、柱状構造１００１ａと同一形状でＹ軸方向に延びる複数の柱状構造（角柱）１００３ａがピッチＰで配列された周期構造を持ち、第１の層１００１の柱状構造（角柱）１００１ａに対してＸ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。第４の層１００４は、柱状構造１００２ａと同一形状でＸ軸方向に延びる複数の柱状構造（角柱）１００４ａがピッチＰで配列された周期構造を持ち、第２の層１００２の柱状構造（角柱）１００２ａに対してＹ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。
【００１６】
図２を用いて３次元フォトニック結晶１０００の製造方法を説明する。まず、構造体形成工程を説明する。フォトリソグラフィーなどによって基板１１上に第１の層１００１の柱状構造１００１ａを作成する（図２（ａ））。柱状構造１００１ａは第１の媒質より成り、ピッチＰ、幅Ｗ、高さＨの周期構造を形成する。次に、柱状構造以外の部分を第２の媒質より成る犠牲部１００１ｂで埋め、表面を化学的機械的研磨法（ＣＭＰ）などによって平坦化する（図２（ｂ））。続いて、第１の層１００１上に図２（ａ）、図２（ｂ）の工程を繰り返して各層を積層した後、犠牲部１００１ｂをウェットエッチングなどによって選択的に除去する（図２（ｃ））。
【００１７】
図２（ｃ）は、基板１１上に、第１の層１００１と、第２の層１００２と、第３の層１００３の一部の周期構造を持つ層１１１とを積層した場合を示している。第１の層１００１の柱状構造１００１ａと第２の層１００２の柱状構造１００２ａは図１に示すように互いに直交している。第１の層１００１の柱状構造１００１ａと第３の層１００３の一部の柱状構造１１１ａはＸ方向にＰ／２ずれている。３次元フォトニック結晶１０００を構成する材料としてはＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、Ｓｉなどの半導体、ＳｉＯ２やＴｉＯ２などの誘電体などを用いる。犠牲部１００１ｂの材料は柱状構造１００１ａに対して選択的にエッチングできる材料であれば良く、例えばＴｉＯ２に対してはＣｕを用い硫酸をエッチャントとして用いればよい。
【００１８】
以上のように、図２（ａ）〜（ｃ）の工程に従って第１の層１００１、第２の層１００２、第３の層１００３の一部の周期構造を持つ層１１１を積層することで、ウッドパイル構造の一部を構成する構造体１１０（第１の構造体）を作製する。第１の構造体１１０の最表層には、３次元フォトニック結晶１０００の１つの層である第３の層１００３を、積層方向に垂直な断面で分割したときの一方の層１１１が形成されている。
【００１９】
同様に、第４の層１００４と、第３の層１００３の一部の周期構造を持つ層１２１を積層することで、ウッドパイル構造の一部を構成する構造体１２０（第２の構造体）を作製する（図２（ｄ））。第２の構造体１２０の最表層には、３次元フォトニック結晶１０００の１つの層である第３の層１００３を、積層方向に垂直な断面で分割したときの他方の層１２１が形成されている。
【００２０】
ここで、構造体１１０の最表層１１１（第１の接合層）、構造体１２０の最表層１２１（第２の接合層）は、周期構造が一致するように作製されている。ウッドパイル構造の場合、全ての層において同一の幅Ｗと高さＨを持つ柱状構造１０１ａ〜１０４ａが同一の格子定数Ｐで配列されているためである。また、第１の接合層１１１の高さＨ１と第２の接合層１２１の高さＨ２の和（Ｈ１＋Ｈ２）を、ウッドパイル構造の柱状構造の高さＨと同一にしている。
【００２１】
次に、構造体１１０と構造体１２０を、層１１１と層１２１が向かい合うように接合する（図２（ｅ））（接合工程）。このとき、第１の接合層１１１の周期構造と第２の接合層１２１の周期構造が、ウッドパイル構造の積層方向において、重なるように接合される。高さＨ１の第１の接合層１１１と高さＨ２の第２の接合層１２１が接合されることにより、ウッドパイル構造における高さＨの１層が形成される。
【００２２】
本実施例では、複数の層を持つ第１の構造体と第２の構造体を接合しているため、１層ずつ積層する製造方法に比べて工程数を少なくすることができる。図３（ａ）〜（ｃ）は、従来の製造方法であって、図３（ａ）のように第１の接合層１１１、第２の接合層１２１の双方がウッドパイルの１層を形成するように構造体１１０、構造体１２０が作製される。そして、第１の接合層１１１と第２の接合層１２１は、柱状構造が直交するように接合される（図３（ｂ））。
【００２３】
第１の接合層１１１と第２の接合層１２１の接合部は、幅Ｗの柱状構造が交差する領域であるから、接合面積（接着面積）はＷの２乗（Ｗ×Ｗ）となる（図３（ｃ））。一方、本実施例によれば、第１の接合層１１１と第２の接合層１２１の周期構造が一致するため、柱状構造１１１ａ、１２１ａの全体で接合させることができる（図２（ｆ））。接合強度は接合面積に比例するため、本実施例の製造方法によって接合強度の強い３次元フォトニック結晶を製造することができる。
【００２４】
以上より、本実施例の方法を用いれば、接合強度が大きい３次元フォトニック結晶を少ない製造工程で製造することができる。なお、本実施例では３次元フォトニック結晶としてウッドパイル構造を用いたが、ＬＢＬ構造であれば同様に製造することができる。
【００２５】
［実施例２］
図４は、本発明の実施例２の製造方法により製造される３次元フォトニック結晶２０００の概略図である。３次元フォトニック結晶２０００は、ウッドパイル構造を構成する各層の柱状構造の交差する位置に、長さｗ１の正方形状で高さｈの離散構造が配置された構造である。２００１〜２００８は順に第１〜第８の層である。第１、第３、第５、第７の層２００１、２００３、２００５、２００７は実施例１と同様の柱状構造２００１ａ、２００３ａ、２００５ａ、２００７ａより成っている。
【００２６】
第２、第４、第６、第８の層２００２、２００４、２００６、２００８は、それぞれ第１、第３、第５、第７の層２００１、２００３、２００５、２００７の間に配置された付加層である。なお、付加層２００８は第７の層２００７と、第１の層（次の周期構造に相当する第１の層）の間に配置されている。付加層２００２、２００４、２００６、２００８は、柱状構造の交点に相当する位置に離散構造２００２ａ、２００４ａ、２００６ａ、２００８ａを有している。
【００２７】
本実施例では積層方向から見て周期構造が異なる２つの層２００１と層２００２を有しているが、３種類以上の周期構造によってフォトニック結晶を構成しても良い。図５は本実施例の製造方法の説明図である。本実施例の３次元フォトニック結晶２０００の製造方法は、各層を積層して構造体１１０と構造体１２０を形成する工程については実施例１と共通である（図５（ａ）〜（ｃ））。ここで、構造体１１０の最表層１１１（第１の接合層）、構造体１２０の最表層１２１（第２の接合層）が共に第５の層２００５の周期構造を持つように構造体１１０、構造体１２０を形成する（図５（ｄ））。
【００２８】
第１の接合層１１１と第２の接合層１２１は、実施例１と同様に、厚みの合計がＨとなるように形成されており、周期構造が重なるように接合されることによって、柱状構造からなる第５の層２００５が形成される（図５（ｅ））。第５の層２００５を積層方向に垂直な断面で分割して、第１の接合層１１１と第２の接合層１２１としたときの接合面積は単位格子Ｐ×Ｐ辺りＷ×Ｐであるのに対して、層２００２を分割して接合面としたときの接合面積は単位格子辺りｗ１×ｗ１である。（図５（ｆ））したがって、柱状構造の幅Ｗ、離散構造の長さｗ１、ピッチＰについて、Ｗ×Ｐ＞ｗ１×ｗ１が成立する場合、第５の層を分割して接合層とした方が、第２、第４、第６、第８の層を分割して接合層とした場合に比べて接合面積を大きくできる（図５（ｆ））。
【００２９】
すなわち、３次元フォトニック結晶の積層方向に垂直な断面において周期構造を構成する構造体の面積が最も大きくなる層を分割したときの一方の層と他方の層をそれぞれ第１の接合層と第２の接合層とすることが、接合強度を大きくするために好ましい。本実施例によれば、複数の周期パターンを持つ３次元フォトニック結晶に対して、接合強度の強い３次元フォトニック結晶が製造できる。また、本実施例では３次元フォトニック結晶として図４に示す構造を用いたが、複数の周期パターンを有する別のＬＢＬ構造に対しても同様に、接合強度の強い３次元フォトニック結晶を製造することができる。
【００３０】
［実施例３］
図６は本実施例３の製造方法の説明図である。実施例３では、複数回の接合工程を経て３次元フォトニック結晶を製造する際に、なるべく共通の接合プロセスで作製を行っている。実施例１と同様に３次元フォトニック結晶はウッドパイル構造であるが、他のＬＢＬ構造であっても同様である。まず、実施例１と同様に構造体１１０、１２０、１３０、１４０の４つを作製する（図６（ａ））。
【００３１】
ここで、構造体１１０、１２０、１３０、１４０の基板１１の直上の層１１１、及び最表層１２１の高さがＨ／２であるように作製する。また、構造体１１０と構造体１３０、構造体１２０と構造体１４０は同一形状であるように作製する。更に実施例１と同様に構造体１１０と構造体１２０を接合して構造体１５０を作製し、構造体１３０と構造体１４０を接合して構造体１６０を作製する（図６（ｂ）、図６（ｃ））。その後、構造体１５０、１６０の片側の基板をレーザーリフトオフなどで剥離した後、構造体１５０と構造体１６０を接合して構造体１７０を作製する（図６（ｄ））。ここで第１の層１００１、第２の層１００２、第３の層１００３、第４の層１００４の４層より基本周期を構成している（図６（ｄ））。
【００３２】
特許文献１、２、３で開示されている方法では、図７に示すようにウッドパイルの一層７１〜７５ずつを接合している。そのため、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の接合時のプロセス条件を逐一変える必要がある。ここで、プロセス条件とは接合圧力や温度などである。これに対して本実施例の方法では、構造体１１０と構造体１３０が同一形状、構造体１２０と構造体１４０が同一形状である。このため、図６（ｂ）の接合時と図６（ｃ）の接合時のプロセス条件を共通にすることができる。以上より、本実施例によれば、接合工程を複数回行う際にプロセス条件出しの負荷を軽減することができる。また、更に３次元フォトニック結晶の層数を増やす場合は図６（ａ）〜（ｃ）の工程を再度用いて構造体１７０と同一形状の構造体を作製して接合する工程を繰り返せばよい。
【００３３】
［実施例４］
図８は実施例４の製造方法の接合工程における位置合わせの方法の説明図である。実施例１と同様にウッドパイル構造に基づいて説明するが、他のＬＢＬ構造であっても同様である。まず、実施例１と同様に構造体１１０（第１の構造体）、構造体１２０（第２の構造体）の２つを作製する（図８（ａ））。第１の材料（媒質）より成る第１の接合層１１１と第２の接合層１２１の高さＨ１、Ｈ２も同様にＨ１＋Ｈ２＝Ｈを満たすようにしておく。その後、第１の接合層１１１における構造体１１０（第１の構造体）の間隙に第２の材料より成る犠牲部１１１ｂ（犠牲部）を形成する。この際、犠牲部１１１ｂの高さ（厚み）Ｈ３は、Ｈ１＜Ｈ３＜Ｈを満たすようにしておく（図８（ｂ））。
【００３４】
具体的には、フォトリソグラフィーなどを用いて第１の接合層１１１の柱状構造をレジスト１０４などで選択的に覆う（図８（ｃ））。次にスパッタなどを用いて犠牲部１１１ｂを高さＨ３で蒸着する（図８（ｄ））。その後、レジスト１０４をエッチャントでリフトオフすれば、第１の接合層１１１における構造体１１０の間隙のみに犠牲部１１１ｂを形成することができる（図８（ｅ））。
【００３５】
本実施例では、この犠牲部１１１ｂを構造体１１０と構造体１２０とを接合するときの位置合わせとして用いている。つまり、接合工程において、第１の接合層１１１の犠牲部を第２の接合層１２１の構造体１２０の間隙に挿入することにより、前記第１の接合層１１１と前記第２の接合層１２１を接合している。図８（ｃ）の工程においてレジスト１０４にアンダーカット（逆テーパー）を生じさせておくと、図８（ｅ）時のリフトオフが容易になるため好ましい。アンダーカットを生じさせる方法としては、レジスト１０４を２層塗ってから下層の一部を選択的に除去する方法などがある。
【００３６】
３次元フォトニック結晶の材料を構成する材料は実施例１と同様に半導体や誘電体などを用いる。例えばＴｉＯ２を用いた場合、犠牲部１１１ｂはＣｕ、レジスト２はＰＭＭＡ、エッチャントはアセトンを用いればよい。その後、犠牲部１１１ｂが形成された構造体１１０の層１１１と構造体１２０の層１２１が向かい合うように接合する。接合層１１１の高さＨ１よりも犠牲部１１１ｂの高さＨ３の方が高いため、接合層１２１の柱状構造が接合層１１１の柱状構造に重なるように接合することができる（図８（ｆ））。
【００３７】
以上のように本実施例では、接合工程においては、犠牲部１１１ｂを位置合わせに用いて構造体１１０の接合層１１１と構造体１２０の接合層１２１を接合する。その後、犠牲部１１１ｂを選択的に取り除くことで接合層１１１と接合層１２１によって３次元フォトニック結晶の１層を形成している。このように本実施例の方法を用いれば接合工程における位置合わせが容易になる。
【００３８】
［実施例５］
図９は、３次元フォトニック結晶を用いた光機能素子の説明図である。図９（ａ）は３次元フォトニック結晶１００中に線状の結晶欠陥からなる導波路２００を設けた光機能素子である。結晶欠陥部のみに電磁場を集中させることが可能となり、例えば図９（ｂ）のように２つの導波路２００を直交させれば急峻な曲げをもつ導波路が実現できる。以上のように本実施例の光機能素子は３次元フォトニック結晶を含み、３次元フォトニック結晶は線状の結晶欠陥部を有し、結晶欠陥部は導波路として機能する。
【００３９】
図９（ｃ）は３次元フォトニック結晶１００中に点状の結晶欠陥からなる共振器２０１を設けた光機能素子である。結晶欠陥部２０１のみに電磁場を集中させることが可能となり、波長選択性に優れたフィルタなどが実現できる。本実施例の光機能素子は、３次元フォトニック結晶を含み、３次元フォトニック結晶は孤立した結晶欠陥部を有し、結晶欠陥部は共振器として機能する。線状欠陥２００や点状欠陥２０１は、構造体１１０や構造体１２０の一部を取り除いても良いし、新たに構造を付加しても良い。特に、図９（ｄ）のように第１の接合層１１１や第２の接合層１２１の一部に結晶欠陥２０２を設けた場合にはＬＢＬ構造の一層よりも薄い結晶欠陥を設けることができ、従来の方法で作製した場合に比べて結晶欠陥の設計自由度が増加する。例えば、結晶欠陥が薄い方が導波路や共振器を単一モードに設計することが容易となる。
【００４０】
［実施例６］
３次元フォトニック結晶を用いた電流注入型の光機能素子について説明する。３次元フォトニック結晶はウッドパイル構造とするが、他のＬＢＬ構造であっても同様である。電流注入によって動作する光機能素子を作製する場合、３次元フォトニック結晶の各層の接合面におけるキャリア損失が課題となる。
【００４１】
本発明の製造方法によれば、第１の接合層１１１と第２の接合層１２１の周期構造が重なるように接合しているためにダングリングボンドが発生せず、従来に比べて非発光再結合を低減することができる。また、電気抵抗は電流径路の断面積に比例するため、断面積の小さい部分での抵抗値が支配的となる。従来のように柱状構造が直交するように接合した場合、接合面積が比較的小さいために抵抗値が大きくなってしまうと共に、接合面の接触不良によって抵抗値が更に増大してしまう。
【００４２】
本発明によれば、第１の接合層１１１と第２の接合層１２１の周期構造が重なるように接合するため、従来に比べて抵抗値を抑制することが容易となる。また、第１の接合層１１１と第２の接合層１２１の少なくとも一部に導電性材料を適切に配置することによって、抵抗値を低減することができる。
【００４３】
図１０（ａ）、（ｂ）は本実施例に適用可能な電流注入型の光機能素子の概略図である。図１０（ａ）は、３次元フォトニック結晶がＰクラッド３０１、Ｎクラッド３０２、活性部３０３から構成され発光素子３００を構成している説明図である。Ｐ型半導体から活性部に正孔が、Ｎ型半導体から活性部に電子が注入され、電子と正孔が再結合して発光する。図１０（ａ）のように発光素子３００中に結晶欠陥によって形成される共振器３０４を設け、共振器３０４内（共振器内部）に発光作用を呈する活性部（活性媒質）３０３を配置し、励起手段で励起すれば活性部３０３内で高効率な発光が得られる。但し、必ずしも結晶欠陥を設けた構成でなくても良い。
【００４４】
図１０（ｂ）は３次元フォトニック結晶がＰクラッド３０１、Ｎクラッド３０２、Ｐ型半導体とＮ型半導体に矜持された光変調領域３１１から構成され光変調素子３１０を構成している説明図である。光変調素子３１０中には分岐導波路３１２、３１３が設けてあり、光変調領域３１１に電流を注入することによって分岐導波路３１２と分岐導波路３１３を伝播する光の位相差を制御することができる。分岐導波路３１２と分岐導波路３１３の位相差によって出力される光の強度を変調することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１００、１０００、２０００：３次元フォトニック結晶、１００１、１００２、１００３、１００４：３次元フォトニック結晶の層、２００１、２００２、２００３、２００４、２００５、２００６、２００７、２００８：３次元フォトニック結晶の層、１００１ａ、１００２ａ：柱状構造、１００１ｂ：犠牲部、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０：構造体、１１１、１２１：最表層、１１１ｂ：犠牲部、１１：基板、１０４：レジスト、２００：導波路、２０１：共振器、２０２：結晶欠陥、３００：発光素子、３０１：Pクラッド、３０２：Nクラッド、３０３：活性部、３０４：共振器、３１０：光変調素子、３１１：光変調領域、３１２、３１３：分岐導波路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期構造を持つ層を積層することにより３次元フォトニック結晶を製造する方法であって、前記周期構造を持つ層を備える第１の構造体と第２の構造体をそれぞれ形成する構造体形成工程と、前記第１の構造体と前記第２の構造体を接合する接合工程とを含み、前記第１の構造体は、前記３次元フォトニック結晶を構成する１つの層を積層方向に垂直な断面で分割したときの一方の層である第１の接合層を有し、前記第２の構造体は、前記３次元フォトニック結晶を構成する１つの層を積層方向に垂直な断面で分割したときの他方の層である第２の接合層を有し、前記接合工程において、前記第１の接合層と前記第２の接合層を接合することを特徴とする３次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項２】
前記第１の接合層と前記第２の接合層は、前記３次元フォトニック結晶の積層方向に垂直な断面において周期構造を構成する構造体の面積が最も大きくなる層を分割したときの一方の層と他方の層であること特徴とする請求項１に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項３】
一方の接合層における構造体の間隙に、該接合層の構造体よりも厚さが厚い犠牲部を形成する工程を含み、前記接合工程において、前記一方の接合層の犠牲部を他方の接合層の構造体の間隙に挿入することにより、前記一方の接合層と前記他方の接合層を接合することを特徴とする請求項１または２に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項４】
前記第１の接合層と前記第２の接合層の少なくとも一方に結晶欠陥を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項５】
前記第１の接合層と前記第２の接合層の少なくとも一部が導電性材料により形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項の製造方法により製造された３次元フォトニック結晶を含み、該３次元フォトニック結晶は線状の結晶欠陥部を有し、該結晶欠陥部は導波路として機能することを特徴とする光機能素子。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項の製造方法により製造された３次元フォトニック結晶を含み、該３次元フォトニック結晶は孤立した結晶欠陥部を有し、該結晶欠陥部は共振器として機能することを特徴とする光機能素子。
【請求項８】
前記共振器の内部に活性媒質を有する請求項７に記載の光機能素子と、該活性媒質を励起する励起手段とを有することを特徴とする発光素子。
【請求項１】
周期構造を持つ層を積層することにより３次元フォトニック結晶を製造する方法であって、前記周期構造を持つ層を備える第１の構造体と第２の構造体をそれぞれ形成する構造体形成工程と、前記第１の構造体と前記第２の構造体を接合する接合工程とを含み、前記第１の構造体は、前記３次元フォトニック結晶を構成する１つの層を積層方向に垂直な断面で分割したときの一方の層である第１の接合層を有し、前記第２の構造体は、前記３次元フォトニック結晶を構成する１つの層を積層方向に垂直な断面で分割したときの他方の層である第２の接合層を有し、前記接合工程において、前記第１の接合層と前記第２の接合層を接合することを特徴とする３次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項２】
前記第１の接合層と前記第２の接合層は、前記３次元フォトニック結晶の積層方向に垂直な断面において周期構造を構成する構造体の面積が最も大きくなる層を分割したときの一方の層と他方の層であること特徴とする請求項１に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項３】
一方の接合層における構造体の間隙に、該接合層の構造体よりも厚さが厚い犠牲部を形成する工程を含み、前記接合工程において、前記一方の接合層の犠牲部を他方の接合層の構造体の間隙に挿入することにより、前記一方の接合層と前記他方の接合層を接合することを特徴とする請求項１または２に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項４】
前記第１の接合層と前記第２の接合層の少なくとも一方に結晶欠陥を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項５】
前記第１の接合層と前記第２の接合層の少なくとも一部が導電性材料により形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の３次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項の製造方法により製造された３次元フォトニック結晶を含み、該３次元フォトニック結晶は線状の結晶欠陥部を有し、該結晶欠陥部は導波路として機能することを特徴とする光機能素子。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項の製造方法により製造された３次元フォトニック結晶を含み、該３次元フォトニック結晶は孤立した結晶欠陥部を有し、該結晶欠陥部は共振器として機能することを特徴とする光機能素子。
【請求項８】
前記共振器の内部に活性媒質を有する請求項７に記載の光機能素子と、該活性媒質を励起する励起手段とを有することを特徴とする発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−２４３９０１（Ｐ２０１０−２４３９０１Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９４０４１（Ｐ２００９−９４０４１）
【出願日】平成２１年４月８日（２００９．４．８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月８日（２００９．４．８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]