JP4689355B2 - Periodic structure and optical element using the periodic structure - Google Patents
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Description
本発明は、周期構造体及び周期構造体による光素子に関し、例えば小型レーザ、フィルター、ミラーなどの小型な光学部品、光デバイス、等に用いられる周期構造体に関する。 The present invention relates to an optical element according to the periodic structure及 beauty periodic structure, such as small laser relates filter, miniature optical components such as mirrors, optical devices, the periodic structure used in the like.
二次元または三次元の周期構造体はフォトニック結晶などの光デバイスとして様々な構造が提案され、研究されている。
例えば、特許文献１では、表面に周期的な凹凸構造をもつ基板に条件を変えながら異物質を周期的に成膜することにより実現される三次元周期構造体が提案されている。
また、特許文献２では、半導体プロセスにより二次元周期的な角柱構造が形成された膜を積層することによる周期構造体が提案されいる。
さらに、非特許文献１によれば、微小球を自己的に三次元に配列させてその隙間をＳｉで埋めて、その後に微小球部分を取り除くことによりＳｉによりなるインバースオパールと称される三次元フォトニック結晶構造が作成されることが記述されている。
For example, Patent Document 1 proposes a three-dimensional periodic structure realized by periodically depositing a different substance on a substrate having a periodic uneven structure on the surface while changing conditions.
Patent Document 2 proposes a periodic structure by laminating films in which a two-dimensional periodic prism structure is formed by a semiconductor process.
Furthermore, according to Non-Patent Document 1, three-dimensional so-called inverse opal made of Si is obtained by arranging microspheres in three dimensions and filling the gaps with Si, and then removing the microsphere portions. It is described that a photonic crystal structure is created.
しかしながら、上記特許文献１のように、成膜技術で作成される周期構造の要素は形状自由度が低く、積層方向における上下部分での作成誤差が大きく生じる。したがって、所望の欠陥領域を有する周期構造体を作成することも困難となる。
また、上記特許文献２のように角柱構造を積層して作成されるものでは、曲面を有していないため三次元方向の対象性が低くなる。
さらに、上記非特許文献１のように自己的に配列された三次元構造においては、その配列にばらつきが生じ、あるいは不必要な欠陥領域が生じる反面、所望の欠陥領域を形成することが困難であり、また、材料の種類が限定されてしまう、等の問題を有している。
However, as in Patent Document 1 described above, the elements of the periodic structure created by the film forming technique have a low degree of freedom in shape, and a large production error occurs in the upper and lower portions in the stacking direction. Therefore, it is difficult to create a periodic structure having a desired defect region.
Moreover, in the thing produced by laminating | stacking a prismatic structure like the said patent document 2, since it does not have a curved surface, the object property of a three-dimensional direction becomes low.
Furthermore, in the three-dimensional structure that is self-arranged as in Non-Patent Document 1, variations in the arrangement occur or unnecessary defect areas occur, but it is difficult to form a desired defect area. In addition, there is a problem that the types of materials are limited.
本発明は、上記課題に鑑み、不必要な欠陥領域を排除することができ、形状の自由度が高く、材料の限定の少ない、対象性の高い周期構造体及び周期構造体による光素子を提供することを目的とするものである。 In view of the above problems, it is possible to eliminate unnecessary defective area, high degree of freedom in shape, less limited in material, an optical device according to subject highly periodic structure及 beauty periodic structure It is intended to provide.
本発明は、以下のように構成した周期構造体及び周期構造体による光素子を提供するものである。
すなわち、本発明の周期構造体は、複数の誘電体が積層され、閉領域が二次元周期的に配列された周期構造体であって、
対向する二つの誘電体の対向面の両方に、二次元周期的な凹凸構造が形成されており、
前記二つの誘電体に形成された二次元周期的な凹凸構造は、前記複数の誘電体の積層方向と垂直な方向に対して位置が一致しており、
前記二つの誘電体に形成された二次元周期的な凹凸構造により前記閉領域が構成されていることを特徴としている。
また、本発明の光素子は、上記した周期構造体によって構成されていることを特徴としている。
The present invention is to provide an optical device of the configuration the periodic structure及 beauty periodic structure as follows.
That is, the periodic structure of the present invention is a periodic structure in which a plurality of dielectrics are stacked and closed regions are periodically arranged two-dimensionally,
A two-dimensional periodic concavo-convex structure is formed on both opposing surfaces of two opposing dielectrics,
The two-dimensional periodic concavo-convex structure formed on the two dielectrics is coincident with the direction perpendicular to the stacking direction of the plurality of dielectrics,
It is characterized in that the closed region Ri by the two dielectric which is formed in two-dimensional periodic roughness structure is formed.
Also, the optical device of the present invention is characterized in that it is thus configured to periodic structure described above.
本発明によれば、材料の限定が少なく、多種類の半導体材料等を用いることがで、また、形状の自由度が高く、作成誤差の生じ難い周期構造体及び周期構造体による光素子を実現することができる。
また、三次元方向の対象性が高く、不必要な欠陥領域を排除して、所望の欠陥領域を形成することが可能となる。
According to the present invention, less limited in material, out the use of many types of semiconductor materials, also a high degree of freedom in shape, the optical element according hardly occurs periodic structure及 beauty periodic structure creation error Can be realized.
In addition, since the target property in the three-dimensional direction is high, it is possible to eliminate unnecessary defect regions and form desired defect regions.
本発明は、以上の構成により、本発明の上記した課題を達成することができるが、ここで、「二次元周期的に配列された」という意味は、ある二次元の面を考えた場合にその面に平行な面内において、構造要素が周期的に配列されていることを意味する。この際、その周期性は二次元面内に平行な方向に周期的であればよく、一次元の周期性も含む。例えば、薄膜がある二次元の面に平行な面内において一つの軸方向に周期性をなして積層されている場合や、空気中において四角柱の誘電体が一定の間隔をおいて一方向に周期的に配列されてなる場合、等が挙げられる。
具体的には、図３の誘電体３００４のように、細線状の溝３００３を含む凹凸構造３００１が一次元周期的に誘電体３００４の表面に平行な二次元面内で配列されたものがその一例として挙げられる。図３中、３００２は周期凹凸構造の配列されている面に垂直かつ凹凸構造を横切る面での断面を示す。
その他の例として、図５の誘電体５００４に設けられた２次元周期的な凹凸構造をなす構造要素は逆ピラミッド状の穴５００３であり、Ｓｉなどの異方性エッチング技術を用いて形成することができる。図５中、５００２は周期凹凸構造の配列されている面に垂直かつ凹凸構造を横切る面での断面を示す。
The present invention can achieve the above-described problems of the present invention with the above-described configuration. Here, the meaning of “two-dimensional periodic arrangement” means that a certain two-dimensional surface is considered. It means that the structural elements are periodically arranged in a plane parallel to the plane. At this time, the periodicity may be periodic in a direction parallel to the two-dimensional plane, and includes one-dimensional periodicity. For example, when thin films are laminated with a periodicity in one axial direction in a plane parallel to a two-dimensional plane, or in the air, rectangular prism dielectrics are unidirectionally spaced at a certain interval. When it arranges periodically, etc. are mentioned.
Specifically, as shown in the dielectric 3004 in FIG. 3, the concavo-convex structure 3001 including the thin-line grooves 3003 is arranged in a two-dimensional plane parallel to the surface of the dielectric 3004 one-dimensionally. As an example. In FIG. 3, reference numeral 3002 denotes a cross section taken along a plane perpendicular to the plane in which the periodic concavo-convex structure is arranged and crossing the concavo-convex structure.
As another example, the structural element forming the two-dimensional periodic uneven structure provided in the dielectric 5004 in FIG. 5 is an inverted pyramid-shaped hole 5003, which is formed using an anisotropic etching technique such as Si. Can do. In FIG. 5, reference numeral 5002 denotes a cross section taken along a plane perpendicular to the plane on which the periodic concavo-convex structure is arranged and crossing the concavo-convex structure.
つぎに、二次元周期的に配列されている周期構造の構成例について説明する。
図１に二次元周期的に配列されている周期構造の構成例を示す。
説明を簡素化するため、図１中で紙面に平行な方向を二次元の面とし、この面に平行な方向に空気中で構造要素１０１が周期的に配列されているものとする。
周期構造をなす構造要素１０１を黒丸で表示しているが、構造要素としては、このような形状に限定されるものではなく、円柱や、球、四角柱、など三次元的に様々な形状が挙げられる。
また、一つの周期構造は一つの形状、材料、サイズの構造要素からなるものとは限らず、周期構造をなす構造要素の形状、サイズ、材料などは複数考えられ、二次元周期的に配列されていれば問題ない。二次元周期的に配列されたものの例としては、図１（ａ）のように、構造要素１０１が正方格子状に配列されたもの、図１（ｂ）のように構造要素１０１が斜方格子状に配列されたもの、図１（ｃ）のように構造要素１０１が長方格子状に配列されたもの、図１（ｄ）のように構造要素１０１が三角格子状に配列されたもの、図１（ｅ）のように構造要素１０１がハニカム状に配列されたものなどが挙げられる。
Next, a configuration example of a periodic structure arranged two-dimensionally will be described.
FIG. 1 shows a configuration example of a periodic structure arranged two-dimensionally.
In order to simplify the description, it is assumed that the direction parallel to the paper surface in FIG. 1 is a two-dimensional surface, and the structural elements 101 are periodically arranged in the air in the direction parallel to this surface.
Although the structural element 101 having a periodic structure is indicated by a black circle, the structural element is not limited to such a shape, and various three-dimensional shapes such as a cylinder, a sphere, and a quadrangular column are available. Can be mentioned.
In addition, one periodic structure is not necessarily composed of structural elements of a single shape, material, and size, and there may be multiple shapes, sizes, materials, etc. of the structural elements forming the periodic structure, which are arranged in a two-dimensional periodic manner. If so, there is no problem. As an example of the two-dimensional periodic arrangement, structural elements 101 are arranged in a square lattice as shown in FIG. 1A, and structural elements 101 are an oblique lattice as shown in FIG. 1 in which the structural elements 101 are arranged in a rectangular lattice as shown in FIG. 1C, the structural elements 101 are arranged in a triangular lattice as shown in FIG. Examples include a structure in which structural elements 101 are arranged in a honeycomb shape as shown in FIG.
ここで、複数の誘電体が積層された周期構造体の一つ以上の界面のうち、一つの界面をなす互いに対向する誘電体を誘電体ＡとＢとする。
誘電体Ａの二つの面のうち、誘電体Ｂと対向している方の面に二次元周期的な凹凸構造が設けられていることにより、誘電体Ｂの誘電体Ａと対向する方の面の一部は、誘電体Ａの面上の凹凸構造の上部において誘電体Ａと接触しない部分となる。つまり、この部分と誘電体Ａの面上の凹部に囲まれた空間は閉空間となり、凹凸構造が二次元周期性をもって配列されていることから、誘電体Ａと誘電体Ｂの界面領域に二次元周期的な閉空間が実現される。
また、誘電体Ａの面だけではなく、誘電体Ｂの誘電体Ａと対向する方の面にも周期的な凹凸構造を設けることによっても、誘電体Ａと誘電体Ｂの界面に二次元周期的な閉空間を実現することが可能である。
Here, among the one or more interfaces of the periodic structure in which a plurality of dielectrics are stacked, dielectrics facing each other forming one interface are referred to as dielectrics A and B.
Of the two surfaces of the dielectric A, the surface facing the dielectric A of the dielectric B is provided with a two-dimensional periodic uneven structure on the surface facing the dielectric B. Is a portion that is not in contact with the dielectric A at the top of the concavo-convex structure on the surface of the dielectric A. That is, the space surrounded by this portion and the recess on the surface of the dielectric A is a closed space, and the uneven structure is arranged with two-dimensional periodicity. A dimensional periodic closed space is realized.
Further, by providing a periodic uneven structure not only on the surface of the dielectric A but also on the surface of the dielectric B facing the dielectric A, a two-dimensional periodicity is formed at the interface between the dielectric A and the dielectric B. It is possible to realize a typical closed space.
さらに、誘電体Ａ上の誘電体Ｂ上に誘電体Ｃがある構造を考える。誘電体Ｂの誘電体Ｃと対向する方の面、すなわち誘電体Ａと対向する方の面と反対側の面に誘電体Ａの面上に設けられたものと同様の二次元周期的な凹凸構造が設けられていれば、誘電体Ｂと誘電体Ｃとの界面において二次元周期的な閉空間が実現される。
このように誘電体Ａと誘電体Ｂ、誘電体Ｂと誘電体Ｃの界面にそれぞれ二次元周期的な閉空間が形成されたものとなり、積層面に垂直な方向にも閉空間が周期的に配列されていることになる。
同様のことを積層面に垂直な方向にさらに複数の誘電体を用いて繰り返すことにより、三次元周期的な周期構造体を実現することが可能となる。
複数の誘電体を積層した周期構造体の複数の界面に存在する各二次元周期的な閉空間の形状は異なってもよい。
Further, consider a structure in which a dielectric C exists on a dielectric B on the dielectric A. Two-dimensional periodic irregularities similar to those provided on the surface of the dielectric A on the surface of the dielectric B facing the dielectric C, that is, the surface opposite to the surface facing the dielectric A If the structure is provided, a two-dimensional periodic closed space is realized at the interface between the dielectric B and the dielectric C.
Thus, a two-dimensional periodic closed space is formed at the interface between the dielectric A and the dielectric B, and the dielectric B and the dielectric C, respectively. It will be arranged.
By repeating the same process using a plurality of dielectrics in the direction perpendicular to the laminated surface, a three-dimensional periodic structure can be realized.
The shape of each two-dimensional periodic closed space existing at a plurality of interfaces of a periodic structure in which a plurality of dielectrics are stacked may be different.
誘電体材料としては、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＧａＮ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＮなどの半導体や、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２など様々な材料が使用可能であり、複数の誘電体の材料が全て同一である必要はない。
作成はフォトリソグラフィーや電子ビーム描画リソグラフィー、ドライエッチング、接合技術などを用いた通常の半導体プロセスにより可能となる。
界面に形成される閉空間の周期性としては、三角格子状のもの、四角格子状、六方格子状などの二次元的な周期性や、ダイヤモンド格子状などの三次元的な周期性などが挙げられる。
凹凸形状よりなる閉空間の形状は様々なものが可能で、例えば閉空間の形状を界面に垂直な方向を軸とした円柱としてその周期性を三角格子状にしたり、閉空間の形を直方体にして四角格子状に配列することにより、一つの界面において二次元フォトニック結晶などの機能性をもった周期構造とすることができる。
また、三次元的な積層を行うことにより三次元フォトニック結晶などの機能を与えることもできる。
As the dielectric material, various materials such as semiconductors such as GaAs, Si, GaN, InP, and InGaN, and SiO 2 and TiO 2 can be used, and it is not necessary that the plurality of dielectric materials are all the same.
The production can be performed by a normal semiconductor process using photolithography, electron beam lithography, dry etching, bonding technology, or the like.
The periodicity of the closed space formed at the interface includes two-dimensional periodicity such as triangular lattice, square lattice, hexagonal lattice, and three-dimensional periodicity such as diamond lattice. It is done.
The shape of the closed space made up of uneven shapes can be various, for example, the shape of the closed space is a cylinder with the axis perpendicular to the interface as the axis, the periodicity is made into a triangular lattice, or the shape of the closed space is a rectangular parallelepiped By arranging them in a square lattice shape, a periodic structure having functionality such as a two-dimensional photonic crystal at one interface can be obtained.
Moreover, functions such as a three-dimensional photonic crystal can be given by performing three-dimensional lamination.
また、上記した閉空間は、その内部が空気で満たされおり、あるいは真空とされており、さらには閉空間外部と屈折率の異なる誘電体で満たされたものでもよく、本発明の閉空間には、これらによって満たされて閉領域とされているものも含まれる。
さらに、隣り合う閉空間同士は必ずしも、離れている必要はなくそれぞれが空間的に重なりを有していてもよい。つまり本明細書中では閉空間同士がつながっているものも含まれる。例えば、図４の誘電体４００４のように、構造要素が四角柱４００３を含む凹凸構造４００１である場合、凹凸構造の凹部それぞれは二次元面内方向においてつながっていることになり、他の誘電体の凹凸構造を有さない面と張り合わせた場合にも、界面に形成される周期的な閉空間構造は、それぞれ空間的につながった構造となる。
The closed space described above may be filled with air or vacuum, and may be filled with a dielectric having a refractive index different from that of the outside of the closed space. Includes a closed region filled with these.
Furthermore, the adjacent closed spaces do not necessarily have to be separated from each other, and each may have a spatial overlap. In other words, the present specification includes a case where the closed spaces are connected to each other. For example, when the structural element is a concavo-convex structure 4001 including a quadrangular prism 4003 as in the dielectric 4004 in FIG. 4, the concave and convex portions of the concavo-convex structure are connected in the two-dimensional in-plane direction. Even when bonded to a surface that does not have the uneven structure, the periodic closed space structure formed at the interface is a spatially connected structure.
また、具体例として、積層する誘電体として誘電体薄膜を用いて考えると、図２７（ａ）に示される同一種類の誘電体薄膜２７０３が積層された周期構造体２７０１、あるいは図２７（ｂ）に示される円形の複数種類材料からなる誘電体薄膜２７０７、２７０６、２７０５が周期的に積層された周期構造体２７０４が挙げられる。あるいは図２７（ｃ）に示される二種類の誘電体薄膜２７０９、２７１０が積層された周期構造体２７０８、あるいは図２７（ｄ）に示される積層の周期性を乱すように部分的に異なる誘電体薄膜が導入された周期構造体２７１１、など様々なものが挙げられる。 As a specific example, when a dielectric thin film is used as a dielectric to be laminated, the periodic structure 2701 in which the same kind of dielectric thin film 2703 shown in FIG. 27A is laminated, or FIG. And a periodic structure 2704 in which dielectric thin films 2707, 2706, and 2705 made of a plurality of kinds of circular materials are periodically stacked. Alternatively, a periodic structure 2708 in which two types of dielectric thin films 2709 and 2710 shown in FIG. 27C are stacked, or a dielectric that is partially different so as to disturb the periodicity of the stack shown in FIG. There are various types such as a periodic structure 2711 into which a thin film is introduced.
また、本発明の周期構造体には、少なくとも一つの前記界面をなす二つの誘電体の面のうち両方の面に周期的な凹凸構造が設けられ、二つの前記周期的な凹凸構造の周期が互いに自然数倍異なる周期構造体が含まれる。
複数の誘電体が積層された周期構造体の一つ以上の界面のうち、一つの界面をなす互いに対向する誘電体が誘電体ＡとＢとした場合、誘電体ＡとＢの界面において、互いに対向する面それぞれに二次元周期的な凹凸構造を設けておくことにより、界面に周期的な閉空間構造を実現される。例えば、誘電体Ａの面に二次元四角格子状に格子定数ａで凹凸構造が形成されていて、誘電体Ｂの面に二次元四角格子状に格子定数ｂで凹凸構造が形成されている場合を考える。ここで、ｍ、ｎを自然数としてａ＝ｎ×ｂまたはｂ＝ｍ×ａという条件を満たすことにより、誘電体Ａの面に形成された凹凸構造も誘電体Ｂの面に形成された凹凸構造も互いにその周期性を乱されることがないので、周期構造体の周期性が乱されないことが可能となる。
さらに、一つの界面を形成する二つの面両方に周期的な凹凸構造が形成されているので、それぞれの閉空間の形状は、界面に垂直な方向において上下どちらかまたは両方に曲面をもつことが可能となる。この場合上下とは、界面に垂直な二方向の一方を上、他方を下と任意に定義した。
The periodic structure of the present invention is provided with a periodic uneven structure on both surfaces of at least one of the two dielectric surfaces forming the interface, and the period of the two periodic uneven structures is Periodic structures different from each other by a natural number are included.
Of the one or more interfaces of the periodic structure in which a plurality of dielectrics are stacked, when the opposing dielectrics forming one interface are the dielectrics A and B, at the interface between the dielectrics A and B, By providing a two-dimensional periodic concavo-convex structure on each of the opposing surfaces, a periodic closed space structure is realized at the interface. For example, when a concavo-convex structure is formed on the surface of the dielectric A with a lattice constant a in a two-dimensional square lattice shape, and a concavo-convex structure is formed on the surface of the dielectric B with a lattice constant b in a two-dimensional square lattice shape. think of. Here, the concavo-convex structure formed on the surface of the dielectric A is also the concavo-convex structure formed on the surface of the dielectric B by satisfying the condition that a = n × b or b = m × a where m and n are natural numbers. Since their periodicities are not disturbed with each other, the periodicity of the periodic structure can be prevented from being disturbed.
Furthermore, since the periodic concavo-convex structure is formed on both the two surfaces forming one interface, the shape of each closed space may have a curved surface on either the top or bottom or both in the direction perpendicular to the interface. It becomes possible. In this case, “upper and lower” was arbitrarily defined as one in two directions perpendicular to the interface being the top and the other being the bottom.
また、本発明の周期構造体には、前記二つの周期的な凹凸構造それぞれのうちの二つ以上の凹凸構造が、界面に垂直な方向で空間的に互いに重なりを有する周期構造体が含まれる。
前述のように複数の誘電体が積層された周期構造体の一つ以上の界面のうち、一つの界面をなす二つの誘電体ＡとＢの両方の面に周期的な凹凸構造が形成されている場合を考える。ここで、界面に垂直な方向において誘電体ＡとＢの周期的な凹凸構造それぞれのうちの、二つ以上の凹凸構造が空間的に重なりを有することにより、凹部を含む領域で形成される閉空間の形状は界面に垂直な方向において、上下両方向に曲面をもつことができる。このような形状の典型的な例としては、球や円柱などが挙げられる。
Further, the periodic structure of the present invention includes a periodic structure in which two or more of the two periodic uneven structures are spatially overlapped with each other in a direction perpendicular to the interface. .
As described above, a periodic concavo-convex structure is formed on both surfaces of two dielectrics A and B forming one interface among one or more interfaces of a periodic structure in which a plurality of dielectrics are stacked. Think if you are. Here, in the direction perpendicular to the interface, two or more concavo-convex structures of the periodic concavo-convex structures of the dielectrics A and B spatially overlap each other, thereby forming a closed region formed in the region including the concave portions. The shape of the space can have curved surfaces in both the upper and lower directions in the direction perpendicular to the interface. Typical examples of such shapes include spheres and cylinders.
また、本発明の周期構造体には、前記周期的な凹凸構造に、その周期性を乱す欠陥を形成した周期構造体が含まれる。
構造要素が周期的に並んで形成される周期構造は完全周期性を有しているが、この構造全体の領域に対する少なくとも一つの微小領域の構造を変化させることにより、その領域は全体の周期性を乱す欠陥として存在することになる。フォトニック結晶のような光に対して機能を発現する周期構造体において、欠陥はフォトニックバンド中に欠陥準位を生じせしめ、新たな機能を発現する重要な構造要素となる。特にフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶において欠陥構造は非常に重要な役割を果たすことになる。
本発明においては周期的な閉空間を形成している周期的な凹凸構造の一部に、その周期性を乱すような局所的な構造を付加することにより、閉空間の周期性が乱されるような周期的な閉空間中に欠陥を導入することができる。例えば、一つの界面に存在する周期的な複数の閉空間の形状が半球であるとした場合、一つの半球状の閉空間の半径の大きさを他の閉空間の半径と異なるようにすることにより、周期的な閉空間の周期性を乱すような欠陥を導入することができる。欠陥の構造形状は、必ずしも閉空間である必要はなく、欠陥となる部分の閉空間が存在しないような構造でも可能である。つまり、周期的に並んだ閉空間の配列のある一部の閉空間だけが局所的にない状態である。
Further, the periodic structure of the present invention includes a periodic structure in which defects that disturb the periodicity are formed in the periodic uneven structure.
A periodic structure in which structural elements are periodically arranged has complete periodicity, but by changing the structure of at least one minute region relative to the entire region of the structure, the region is It will exist as a defect that disturbs. In a periodic structure that exhibits a function with respect to light, such as a photonic crystal, a defect causes a defect level in the photonic band and becomes an important structural element that develops a new function. In particular, the defect structure plays a very important role in a photonic crystal having a photonic band gap.
In the present invention, the periodicity of the closed space is disturbed by adding a local structure that disturbs the periodicity to a part of the periodic uneven structure forming the periodic closed space. Defects can be introduced into such a periodically closed space. For example, if the shape of a plurality of periodic closed spaces existing at one interface is a hemisphere, the radius size of one hemispherical closed space should be different from the radius of other closed spaces. Thus, it is possible to introduce defects that disturb the periodicity of the periodic closed space. The structural shape of the defect does not necessarily need to be a closed space, and may be a structure in which a closed space of a defective portion does not exist. That is, there is a state in which only a part of the closed space with the periodically arranged closed spaces is not locally present.
つぎに、図１と同様の手法で、図２を用いて周期構造中の欠陥の例について説明する。
図２（ａ）は空気中で紙面に平行な二次元の面において構造要素２０１が正方格子状に配列されたモデルであり、図２（ｂ）は同様に三角格子状に配列されたモデルである。このようなモデルにおいて、たとえば周期配列をなす構造要素のうちある一つの構造要素のサイズが他よりも大きくなった場合の点欠陥２０２、ある構造要素が存在していない点欠陥２０３、面に平行な線上で隣り合う構造要素が存在しない線欠陥２０４、配列の面に平行な局所的な領域で隣り合う複数の構造要素が存在していない欠陥２０６、構造要素の形状が異なる点欠陥２０５、構造要素のサイズが周りの構造要素のサイズより小さい点欠陥２０７などが挙げられ、周期性を乱す局所構造である限り様々な構成が欠陥として考えられる。
Next, an example of defects in the periodic structure will be described with reference to FIG. 2 in the same manner as in FIG.
FIG. 2A is a model in which the structural elements 201 are arranged in a square lattice on a two-dimensional plane parallel to the paper surface in the air, and FIG. 2B is a model in which the structural elements 201 are similarly arranged in a triangular lattice. is there. In such a model, for example, a point defect 202 when the size of one structural element of the structural elements having a periodic arrangement is larger than the other, a point defect 203 where a certain structural element does not exist, and parallel to the surface A line defect 204 in which no adjacent structural element exists on a straight line, a defect 206 in which a plurality of adjacent structural elements do not exist in a local region parallel to the plane of the array, a point defect 205 having a different shape of the structural element, a structure A point defect 207 whose element size is smaller than the size of surrounding structural elements can be cited, and various configurations can be considered as defects as long as the local structure disturbs periodicity.
また、本発明の周期構造体には、前記凹凸構造が曲面形状を有する周期構造体が含まれる。
本発明の周期的な凹凸構造をなす凹凸構造は基本的には誘電体の面に設けられた局所的な凹構造であり、特にこの凹構造の形状を変化させることで様々な閉空間形状を周期構造体に形成することができる。凹構造の形状としては、例えば二次曲面や、ひょうたん型、円柱型など作成上可能であれば、どのような形状でもよい。例えば、図６に示す誘電体６００４は、円柱形状の空気の穴である円柱空孔６００３を凹部とした凹凸構造６００１が二次元周期的に配列されているものである。図６中、６００２は周期凹凸構造の配列されている面に垂直かつ凹凸構造を横切る面での断面を示す。
The periodic structure of the present invention includes a periodic structure in which the uneven structure has a curved shape.
The concavo-convex structure forming the periodic concavo-convex structure of the present invention is basically a local concave structure provided on the surface of the dielectric, and various closed space shapes can be obtained by changing the shape of the concave structure. It can be formed into a periodic structure. The shape of the concave structure may be any shape as long as it is possible to create, for example, a quadratic curved surface, a gourd shape, or a cylindrical shape. For example, the dielectric 6004 shown in FIG. 6 is a structure in which a concavo-convex structure 6001 having a cylindrical hole 6003 which is a cylindrical air hole as a concave portion is two-dimensionally arranged. In FIG. 6, reference numeral 6002 denotes a cross section taken along a plane perpendicular to the plane on which the periodic concavo-convex structure is arranged and crossing the concavo-convex structure.
また、本発明の周期構造体には、前記凹凸構造が半球形状を有する周期構造体が含まれる。
本発明の周期構造体は閉空間が曲面形状を有することが可能なため様々な周期構造が可能となる。特に半球形状を含む凹凸構造のうち凹部が半球形状となっている凹凸構造を対向して重ね合わせることにより、球形状の閉空間を実現することが可能となる。具体例として、一つの界面をなす二つの誘電体の面それぞれに設けられた周期的な凹凸構造が、二次元三角格子状に配列された周期的な半球形状の凹部を有する構成とすることにより、界面に形成される周期的な閉空間は二次元三角格子状に球形状の閉空間が配列したものとなる。特に、このような界面が、積層された複数の誘電体の界面に存在し、またそれぞれの界面にある周期的な閉空間の相対的な位置を界面方向に調整されることにより、球形状の閉空間が三次元に六方細密構造と同様の周期性をもって配列した周期構造体を作成することができる。特に、空気などのように閉空間の内部の屈折率が外部の屈折率よりも小さい場合、特定の波長域の光に対して非常に広いフォトニックバンドギャップを呈し、実現困難であったインバースオパール構造と称される三次元フォトニック結晶を実現することができる。特定の波長域とは、周期構造体の周期や誘電体の屈折率などにより異なる設計値に基づくものである。
The periodic structure of the present invention includes a periodic structure in which the uneven structure has a hemispherical shape.
Since the closed space can have a curved surface shape, the periodic structure of the present invention can have various periodic structures. In particular, it is possible to realize a spherical closed space by superimposing the concave and convex structures having a concave part in a hemispherical shape on the concave and convex structure including the hemispherical shape. As a specific example, the periodic concavo-convex structure provided on each of the two dielectric surfaces forming one interface has periodic hemispherical concave portions arranged in a two-dimensional triangular lattice. The periodic closed space formed at the interface is a spherical closed space arranged in a two-dimensional triangular lattice pattern. In particular, such an interface exists in the interface of a plurality of stacked dielectrics, and the relative position of the periodic closed space in each interface is adjusted in the interface direction, thereby forming a spherical shape. It is possible to create a periodic structure in which the closed space is arranged in three dimensions with the same periodicity as a hexagonal close-packed structure. Inverse opal, which has a very wide photonic band gap with respect to light in a specific wavelength range and is difficult to realize, especially when the internal refractive index of a closed space is smaller than the external refractive index, such as air. A three-dimensional photonic crystal called a structure can be realized. The specific wavelength range is based on different design values depending on the period of the periodic structure and the refractive index of the dielectric.
具体的な例としては、図７に示す誘電体７００４のように、ＧａＡｓ、ＧａＮやＳｉなどの等方性エッチング技術を用いて、構造要素として半球形状の穴である半球状穴７００３を凹部とした凹凸構造７００１が二次元周期的に配列されたものが挙げられる。両面にこの構造が形成された誘電体を、界面上下の半球同士が重なるように積層していくことにより、インバースオパール構造と呼ばれるフォトニック結晶を実現することができる。
図７中、７００２は周期凹凸構造の配列されている面に垂直かつ凹凸構造を横切る面での断面を示す。
As a specific example, as a dielectric 7004 shown in FIG. 7, an isotropic etching technique such as GaAs, GaN, or Si is used to form a hemispherical hole 7003, which is a hemispherical hole, as a structural element. And the uneven structure 7001 arranged in a two-dimensional manner. A photonic crystal called an inverse opal structure can be realized by laminating dielectrics having this structure on both sides so that hemispheres above and below the interface overlap each other.
In FIG. 7, reference numeral 7002 denotes a cross section taken along a plane perpendicular to the plane in which the periodic concavo-convex structure is arranged and crossing the concavo-convex structure.
また、本発明の周期構造体には、少なくともひとつの前記誘電体の面に設けられた前記周期的な凹凸構造または前記欠陥構造が、面に垂直な方向にその誘電体を貫通している周期構造体が含まれる。
本発明の周期構造体の界面に周期的な閉空間を形成する周期的な凹凸構造および欠陥が、凹凸構造が形成されている誘電体をその面に垂直な方向に貫通するものである場合でも、周期構造体中に欠陥および周期的な閉空間を形成することが可能である。例えば、誘電体Ａに設けられた凹凸構造または欠陥がその誘電体を厚さ方向に貫く円柱からなるものであり、界面に垂直な方向に積層された他の誘電体の凹凸構造とその方向において空間的に重なりを有さないか、他の誘電体の凹凸構造がそれ自体を厚さ方向に貫通しておらず凹凸構造が設けられている面がＡに対向していればよい。前者の場合、閉空間または欠陥は誘電体Ａの内部および隣り合う他の誘電体との界面に存在し、後者の場合、閉空間または欠陥は誘電体Ａを含む複数の誘電体の内部および界面に存在することになる。
さらに、ある誘電体の凹凸構造がそれ自体を貫通するものである場合であっても、必ずしも欠陥がその誘電体を貫通するものである必要はなく、その逆も可能である。特に、欠陥が複数の誘電体を連続して貫通する構成をとれば、二次元方向だけでなく三次元方向に伸びた欠陥を周期構造体に導入することが可能となる。このような構造はフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶のような周期構造体において光導波路などの機能を発現するものとなる。
In the periodic structure of the present invention, the periodic uneven structure or the defect structure provided on at least one of the dielectric surfaces penetrates the dielectric in a direction perpendicular to the surface. A structure is included.
Even when the periodic concavo-convex structure and defects that form a periodic closed space at the interface of the periodic structure of the present invention penetrate the dielectric in which the concavo-convex structure is formed in a direction perpendicular to the surface. It is possible to form defects and periodic closed spaces in the periodic structure. For example, the concavo-convex structure or defect provided in the dielectric A consists of a cylinder penetrating the dielectric in the thickness direction, and the concavo-convex structure of other dielectrics stacked in the direction perpendicular to the interface and in that direction. It is sufficient that there is no spatial overlap, or the surface on which the concavo-convex structure is provided so that the concavo-convex structure of another dielectric does not penetrate itself in the thickness direction. In the former case, the closed space or defect exists inside the dielectric A and at the interface with another adjacent dielectric, and in the latter case, the closed space or defect exists inside and between the plurality of dielectrics including the dielectric A. Will exist.
Furthermore, even when a concavo-convex structure of a certain dielectric material penetrates itself, the defect does not necessarily have to penetrate the dielectric material, and vice versa. In particular, if the defect is configured to continuously penetrate a plurality of dielectrics, it is possible to introduce the defect extending in the three-dimensional direction as well as the two-dimensional direction into the periodic structure. Such a structure expresses a function of an optical waveguide or the like in a periodic structure such as a photonic crystal having a photonic band gap.
また、本発明の周期構造体には、前記複数の誘電体が複数の誘電材料によりなり、前記複数の誘電体各々は一つの一様な前記誘電材料よりなる周期構造体が含まれる。
本発明の周期構造体は複数の誘電体を用いて形成されているものであるが、これら複数の誘電体の種類に制限はなく、複数種類の誘電体材料が使用可能である。例えば、閉空間よりなる周期構造に加え、二種類の屈折率の異なる誘電体を扱う光の四分の一程度の厚さで積層したものは、それだけで積層方向において多層膜反射鏡として機能する。つまり、本発明の周期構造体は、誘電体の種類の選択および積層順序と閉空間のなす周期構造および欠陥の設計を自由に行うことにより、例えば光に対して様々機能を発現するデバイスを実現することができるものである。
In the periodic structure according to the present invention, the plurality of dielectrics include a plurality of dielectric materials, and each of the plurality of dielectrics includes a single periodic structure made of the dielectric material.
Although the periodic structure of the present invention is formed using a plurality of dielectrics, the types of the plurality of dielectrics are not limited, and a plurality of types of dielectric materials can be used. For example, in addition to a periodic structure consisting of a closed space, two layers of light that handle two types of dielectrics with different refractive indexes and stacked with a thickness of about one-fourth function as a multilayer reflector in the stacking direction. . In other words, the periodic structure of the present invention realizes a device that exhibits various functions with respect to light, for example, by freely selecting the type of dielectric and designing the periodic structure and defects formed by the stacking order and the closed space. Is something that can be done.
また、本発明の周期構造体には、前記複数の誘電体のうち少なくとも一つが、所定の波長領域の光に対する活性媒質材料、吸収材料、非線形材料、金属材料のいずれかである周期構造体が含まれる。
本発明により、前述の閉空間のもつ周期性を備えた反射鏡のように、多機能な光デバイスなどを実現することができるとともに、複数の誘電体の一つ以上に活性媒質材料、吸収材料、非線形材料、金属材料などを用いることによりさらに広い機能を有する素子を実現することができる。例えば、前述の反射鏡によりある波長域の光に対して利得をもつ活性媒質材料よりなる誘電体を挟み込むことによりレーザーを実現することができる。通常の多層膜反射鏡などと異なり反射鏡の中にさらに閉空間よりなる三次元周期構造を自由に形成することができるため、レーザー光のモードの制御や偏光の制御が可能となり、より特性のよいレーザーを実現することができる。
また、本発明は、前記周期構造体を用いた光素子を提供するものである。
様々な設計による前記周期構造体を用いて光素子を構成することにより、幅広い機能をもつ光素子を実現することができる。
Further, the periodic structure of the present invention includes a periodic structure in which at least one of the plurality of dielectrics is any one of an active medium material, an absorbing material, a nonlinear material, and a metal material for light in a predetermined wavelength region. included.
According to the present invention, a multifunctional optical device or the like can be realized like the above-described reflecting mirror having the periodicity of the closed space, and an active medium material and an absorbing material can be added to one or more of the plurality of dielectrics. By using a non-linear material, a metal material, etc., an element having a wider function can be realized. For example, a laser can be realized by sandwiching a dielectric made of an active medium material having a gain with respect to light in a certain wavelength range by the above-described reflecting mirror. Unlike ordinary multilayer reflectors, it is possible to freely form a three-dimensional periodic structure consisting of a closed space in the reflector, which makes it possible to control the mode of laser light and control the polarization, resulting in higher characteristics. A good laser can be realized.
The present invention also provides an optical element using the periodic structure.
An optical element having a wide range of functions can be realized by configuring an optical element using the periodic structure having various designs.
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用して、従来作成が困難であった積層された誘電体の界面に閉空間が周期的に埋め込まれた構成の二次元の周期構造体を作成した。
図８及び図９に本実施例の二次元の周期構造体の作成例を説明する図を示す。
図８（ａ）はＧａＡｓ基板の全体像を示す図であり、８００１はＧａＡｓ基板、８００２は凹凸構造である。
図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ｂ断面を示す図であり、８００３はその断面、８００４は凹凸構造８００２における円柱空孔で形成された凹部、８００５は凹凸構造が配列された一方の面である。
図８（ｃ）はＧａＡｓ薄膜の全体像を示す図であり、８００６はＧａＡｓ薄膜である。
図８（ｄ）は図８（ｃ）のＣ−Ｄ断面を示す図であり、８００７はその断面である。
Examples of the present invention will be described below.
[Example 1]
In Example 1, the present invention was applied to create a two-dimensional periodic structure having a configuration in which closed spaces were periodically embedded in the interface of laminated dielectrics, which had been difficult to produce conventionally.
FIGS. 8 and 9 are views for explaining an example of creating a two-dimensional periodic structure according to this embodiment.
FIG. 8A is a diagram showing an overall image of a GaAs substrate, in which 8001 is a GaAs substrate and 8002 is an uneven structure.
FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the line AB of FIG. 8A, in which 8003 is the cross section, 8004 is the concave portion formed by the cylindrical holes in the concave and convex structure 8002, and 8005 is the concave and convex structure arranged. One aspect.
FIG. 8C is a diagram showing an overall image of a GaAs thin film, and 8006 is a GaAs thin film.
FIG. 8D is a diagram showing a CD cross section of FIG. 8C, and 8007 is the cross section thereof.
図８において、ＧａＡｓ基板８００１の一方の面８００５には、凹凸構造８００２が、格子定数１．２マイクロメートルで正方格子状に基板面に平行な面内で二次元周期的に配列されている。その際、凹凸構造８００２における凹部８００４の円柱空孔は、半径約０．５マイクロメートル、軸方向の長さ（深さ）約１マイクロメートルの空気で満たされた円柱構造とされている。
この円柱構造は、基板への電子ビーム描画リソグラフィープロセス、塩素系のガスを用いたドライエッチングプロセス、等によって作成される。
本実施例では、ＧａＡｓ薄膜８００６の面には何も加工は施されておらず、凹凸構造を有さない。
In FIG. 8, on one surface 8005 of a GaAs substrate 8001, a concavo-convex structure 8002 is two-dimensionally periodically arranged in a square lattice shape parallel to the substrate surface with a lattice constant of 1.2 micrometers. At that time, the cylindrical holes of the concave portion 8004 in the concavo-convex structure 8002 have a cylindrical structure filled with air having a radius of about 0.5 μm and an axial length (depth) of about 1 μm.
This cylindrical structure is created by an electron beam lithography process on a substrate, a dry etching process using a chlorine-based gas, or the like.
In this embodiment, no processing is performed on the surface of the GaAs thin film 8006 and it does not have an uneven structure.
図９（ｅ）は、周期構造体の全体像を示す図であり、９００１は一方のＧａＡｓ基板８００１と他方のＧａＡｓ薄膜８００６とを積層して構成された周期構造体である。
図９（ｆ）は、 図９（ｅ）のＥ−Ｆ断面を示す図であり、９００２はＧａＡｓ基板８００１とＧａＡｓ薄膜８００６とによる界面、９００３は断面である。
FIG. 9E is a diagram showing an entire image of the periodic structure, and 9001 is a periodic structure formed by laminating one GaAs substrate 8001 and the other GaAs thin film 8006.
FIG. 9F is a view showing the EF cross section of FIG. 9E, where 9002 is an interface between the GaAs substrate 8001 and the GaAs thin film 8006, and 9003 is a cross section.
図９において、二つの誘電体であるＧａＡｓ基板８００１とＧａＡｓ薄膜８００６を、ＧａＡｓ基板８００１の周期的凹凸構造が設けられている方の面にＧａＡｓ薄膜８００６の一方の面を対向させて積層することにより、図９に示す周期構造体９００１を作成する。その際、ＧａＡｓ基板８００１とＧａＡｓ薄膜８００６とは、融着法によりその界面９００２で接合される。 In FIG. 9, a GaAs substrate 8001 and a GaAs thin film 8006, which are two dielectrics, are laminated with one surface of the GaAs thin film 8006 facing the surface of the GaAs substrate 8001 on which the periodic uneven structure is provided. Thus, the periodic structure 9001 shown in FIG. 9 is created. At that time, the GaAs substrate 8001 and the GaAs thin film 8006 are bonded at the interface 9002 by a fusion method.
周期構造体９００１をなす周期的に配列された閉空間９００４は、図９に示すようにＧａＡｓ基板８００１に設けられた凹凸構造８００２の円柱空孔（凹部）８００４と、ＧａＡｓ薄膜８００６のＧａＡｓ基板８００１との対向面のうちのＧａＡｓ基板８００１と接触していない部分とにより形成される。
本実施例により、従来実現困難であった誘電体中に周期的閉空間が埋め込まれた構成の二次元周期構造体を、容易に作成することができる。
As shown in FIG. 9, the periodically arranged closed spaces 9004 forming the periodic structure 9001 are cylindrical holes (recesses) 8004 of the concavo-convex structure 8002 provided in the GaAs substrate 8001 and the GaAs substrate 8001 of the GaAs thin film 8006. And a portion not in contact with the GaAs substrate 8001 in the facing surface.
According to this embodiment, it is possible to easily create a two-dimensional periodic structure having a structure in which a periodic closed space is embedded in a dielectric that has been difficult to realize in the past.
［実施例２］
実施例２においては、本発明を適用して、二つの誘電体の上下に凹凸構造を備えた二次元の周期構造体を構成した。
図１０、図１１に本実施例における二次元周期構造体の構成例を示す。
図１０（ａ）はＧａＮ薄膜の全体像を示す図であり、１００１はＧａＮ薄膜、１００２は凹凸構造である。
図１０（ｂ）は図１１（ａ）のＡ−Ｂ断面を示す図であり、１００３は凹凸構造１００２における円柱空孔で形成された凹部、１００４はその断面、１００５は凹凸構造が配列された一方の面である。
[Example 2]
In Example 2, the present invention was applied to configure a two-dimensional periodic structure having a concavo-convex structure above and below two dielectrics.
10 and 11 show a configuration example of the two-dimensional periodic structure in this embodiment.
FIG. 10A is a diagram showing an overall image of a GaN thin film, where 1001 is a GaN thin film and 1002 is an uneven structure.
FIG. 10B is a diagram showing an A-B cross section of FIG. 11A, where 1003 is a recess formed by cylindrical holes in the concavo-convex structure 1002, 1004 is its cross section, and 1005 is an concavo-convex structure arranged. One aspect.
図１０において、ＧａＮ薄膜１００１の一方の面には円柱空孔１００３が凹凸構造の凹部となった凹凸構造１００２が、薄膜の面に平行に二次元周期的に三角格子状に配列されている。
この円柱空孔１００３は、ステッパー（半導体露光装置）を用いたフォトリソグラフィーと塩素系のガスを用いたドライエッチングプロセス、等によって作成される。
In FIG. 10, a concavo-convex structure 1002 in which cylindrical cavities 1003 are concave portions of a concavo-convex structure is arranged on one surface of a GaN thin film 1001 in a two-dimensional periodic triangular lattice shape parallel to the surface of the thin film.
The cylindrical hole 1003 is created by photolithography using a stepper (semiconductor exposure apparatus), a dry etching process using a chlorine-based gas, or the like.
図１１（ａ）は、周期構造体の全体像を示す図であり、１１０３は図１０のようにして作成された二次元周期的構造のＧａＮ薄膜１００１と同じ構成のもう一つのＧａＮ薄膜１１０１とを積層して構成された周期構造体である。
図１１（ｂ）は、 図１１（ａ）のＣ−Ｄ断面を示す図であり、１１０２は積層されたＧａＮ薄膜１１０１による界面、１１０４は断面である。
図１１（ｃ）は、別の構成例による図１１（ａ）のＣ−Ｄ断面を示す図であり、１１０２は積層されたＧａＮ薄膜１１０１による界面、１１０５は断面である。
FIG. 11A is a diagram showing an overall image of the periodic structure, and reference numeral 1103 denotes another GaN thin film 1101 having the same configuration as the two-dimensional periodic structure GaN thin film 1001 formed as shown in FIG. It is the periodic structure comprised by laminating | stacking.
FIG. 11B is a diagram showing a CD cross section of FIG. 11A, in which 1102 is an interface formed by stacked GaN thin films 1101, and 1104 is a cross section.
FIG. 11C is a diagram showing a CD cross section of FIG. 11A according to another configuration example, in which 1102 is an interface formed by laminated GaN thin films 1101 and 1105 is a cross section.
図１１において、図１１（ａ）のようにＧａＮ薄膜１００１とＧａＮ薄膜１１０１を、周期的な凹凸構造が設けられた面が対向するように積層することにより、周期構造体１１０３を実現することができる。
ここで、ＧａＮ薄膜１００１とＧａＮ薄膜１１０１には同様の周期的凹凸構造が設けられているが、積層したときに両ＧａＮ薄膜の各々の凹凸構造が周期構造体１１０３の面に垂直な方向において重なりを有さないようにした例が図１１（ｂ）、重なりを有するようにした例が図１１（ｃ）である。
In FIG. 11, the periodic structure 1103 can be realized by laminating the GaN thin film 1001 and the GaN thin film 1101 so that the surfaces provided with the periodic uneven structure are opposed to each other as shown in FIG. it can.
Here, the GaN thin film 1001 and the GaN thin film 1101 are provided with the same periodic concavo-convex structure, but the concavo-convex structures of both GaN thin films overlap in a direction perpendicular to the surface of the periodic structure 1103 when they are stacked. FIG. 11 (b) shows an example in which there is no overlap, and FIG. 11 (c) shows an example in which there is an overlap.
図１１（ｂ）のように積層した場合には周期構造体中に設けられる周期的な閉空間構造１１０６の形状は円柱空孔１００３と同様な形状となる。
これに対して、図１１（ｃ）のように積層した場合には、閉空間１１０７の形状は、両ＧａＮ薄膜１００１と１１０１の両面に設けられた凹凸構造の相対的な位置関係により様々な形状が実現される。特に、周期構造体１１０３の面に平行な面内での相対位置が一致する場合には、円柱空孔となる。
本実施例によれば、同様な周期的凹凸構造が設けられた誘電体の組み合わせを考慮することにより、様々な形状からなる周期的な凹凸構造を有する周期構造体を実現することができる。
When stacked as shown in FIG. 11B, the shape of the periodic closed space structure 1106 provided in the periodic structure is the same as that of the cylindrical hole 1003.
On the other hand, when stacked as shown in FIG. 11C, the shape of the closed space 1107 has various shapes depending on the relative positional relationship between the concavo-convex structures provided on both surfaces of both GaN thin films 1001 and 1101. Is realized. In particular, when the relative positions in the plane parallel to the plane of the periodic structure 1103 coincide, a cylindrical hole is formed.
According to the present embodiment, it is possible to realize a periodic structure having a periodic concavo-convex structure having various shapes by considering a combination of dielectrics provided with a similar periodic concavo-convex structure.
［実施例３］
実施例３においては、本発明を適用して、二つの誘電体の上下に凹凸構造を備えた実施例２とは異なる二次元の周期構造体を構成した。
図１２、図１３に本実施例における二次元周期構造体の構成例を示す。
図１２（ａ）は一方のＳｉ薄膜の全体像を示す図であり、１２０１はＳｉ薄膜、１２０２は凹凸構造である。
図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ−Ｂ断面を示す図であり、１２０３は凹凸構造１００２における半球状穴で形成された凹部、１２０４はその断面、１２０５は凹凸構造が配列された一方の面である。
図１２（ｃ）は他方のＳｉ薄膜の全体像を示す図であり、１２０６はＳｉ薄膜、１２０７は凹凸構造である。
図１２（ｄ）は図１２（ｃ）のＣ−Ｄ断面を示す図であり、１２０８は凹凸構造１２０７における円柱空孔で形成された凹部、１２０９はその断面である。
[Example 3]
In Example 3, the present invention was applied to form a two-dimensional periodic structure different from Example 2 provided with concave and convex structures above and below two dielectrics.
FIG. 12 and FIG. 13 show configuration examples of the two-dimensional periodic structure in this embodiment.
FIG. 12A is a view showing an entire image of one Si thin film, where 1201 is a Si thin film and 1202 is a concavo-convex structure.
12B is a diagram showing a cross section AB of FIG. 12A, in which 1203 is a recess formed by a hemispherical hole in the concavo-convex structure 1002, 1204 is its cross section, and 1205 is an concavo-convex structure arranged. One aspect.
FIG. 12C is a view showing the entire image of the other Si thin film, where 1206 is a Si thin film and 1207 is a concavo-convex structure.
FIG. 12D is a diagram showing a CD cross section of FIG. 12C, where 1208 is a recess formed by cylindrical holes in the concavo-convex structure 1207, and 1209 is its cross section.
図１２において、Ｓｉ薄膜１２０１と１２０６とは、どちらもＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の厚さおよそ５００ナノメートルのＳＯＩ層（基板最上部のＳｉ薄膜層）を用いた薄膜で形成されている。Ｓｉ薄膜１２０１の一方の面には、半径およそ２００ナノメートルの半球状穴１２０３が、格子定数およそ１２００ナノメートルで面１２０５に平行に二次元周期的に三角格子状に配列された二次元周期的な凹凸構造１２０２がが設けられている。この半球状穴１２０３は電子ビーム描画リソグラフィーとフッ硝酸（主にフッ酸と硝酸を用いたエッチャント）による等方性エッチング、等によって作成される。 In FIG. 12, both of the Si thin films 1201 and 1206 are formed of thin films using an SOI (Silicon on Insulator) substrate having an SOI layer (Si thin film layer at the top of the substrate) having a thickness of approximately 500 nm. On one side of the Si thin film 1201, a hemispherical hole 1203 having a radius of about 200 nanometers is arranged in a two-dimensional periodic manner in a triangular lattice parallel to the surface 1205 with a lattice constant of about 1200 nanometers. An uneven structure 1202 is provided. This hemispherical hole 1203 is formed by electron beam lithography and isotropic etching with hydrofluoric acid (mainly an etchant using hydrofluoric acid and nitric acid).
また、Ｓｉ薄膜１２０６の一方の面には、半径およそ２００ナノメートルの円柱形状の円柱空孔１２０８が格子定数およそ６００ナノメートルで面１２１０に平行に二次元周期的に三角格子状に配列された二次元周期的な凹凸構造１２０７が設けられている。この柱空孔１２０８は、電子線ビームリソグラフィーとフッ硝酸（主にフッ酸と硝酸を用いたエッチャント）による等方性エッチング、等によって作成される。
ここで、Ｓｉ薄膜１２０１の格子定数は、Ｓｉ薄膜１２０６の格子定数の２倍となっている。
In addition, on one surface of the Si thin film 1206, cylindrical cylindrical holes 1208 having a radius of about 200 nanometers are arrayed in a triangular lattice pattern two-dimensionally in parallel with the surface 1210 with a lattice constant of about 600 nanometers. A two-dimensional periodic uneven structure 1207 is provided. The column holes 1208 are created by electron beam lithography and isotropic etching using hydrofluoric acid (mainly etchant using hydrofluoric acid and nitric acid).
Here, the lattice constant of the Si thin film 1201 is twice the lattice constant of the Si thin film 1206.
図１３（ｅ）は、周期構造体の全体像を示す図であり、１３０１は図１２（ａ）のＳｉ薄膜１２０１と図１２（ｂ）のＳｉ薄膜１２０６とを積層して構成された周期構造体である。
図１３（ｆ）は、図１３（ｅ）のＥ−Ｆ断面を示す図であり、１３０２は積層されたＳｉ薄膜１２０１と１２０６による界面、１３０３は閉空間、１３０４は断面である。
図１３（ｇ）は、別の構成例による図１３（ｅ）のＥ−Ｆ断面を示す図であり、１３０２は積層されたＳｉ薄膜１２０１と１２０６による界面、１３０５は閉空間、１３０７は断面である。
FIG. 13 (e) is a view showing an entire image of the periodic structure, and reference numeral 1301 denotes a periodic structure formed by laminating the Si thin film 1201 of FIG. 12 (a) and the Si thin film 1206 of FIG. 12 (b). Is the body.
FIG. 13F is a diagram showing an EF cross section of FIG. 13E, in which 1302 is an interface between the stacked Si thin films 1201 and 1206, 1303 is a closed space, and 1304 is a cross section.
FIG. 13G is a diagram showing an EF cross section of FIG. 13E according to another configuration example, in which 1302 is an interface between the stacked Si thin films 1201 and 1206, 1305 is a closed space, and 1307 is a cross section. is there.
図１３において、周期構造体１３０１は、上記二つのＳｉ薄膜１２０１と１２０６とを、その凹凸構造１２０２および１２０７が互いに対向するように張り合わせることにより構成される。
本実施例の図１３（ｆ）、（ｇ）の構成例では、一方Ｓｉ薄膜１２０１に設けられた凹凸構造１２０２の全てが、他方のＳｉ薄膜１２０６の凹凸構造１２０７のいずれかと、面に垂直な方向において重なりを有するように構成されている。
ここで、図１３（ｆ）には面に平行な方向においてＳｉ薄膜１２０１の凹凸構造１２０２が、Ｓｉ薄膜１２０６の凹凸構造１２０７のいずれかと、相対位置が一致する場合の構成例が示されており、図１３（ｇ）には相対位置がずれている場合の構成例が示されている。
In FIG. 13, a periodic structure 1301 is formed by bonding the two Si thin films 1201 and 1206 so that the concavo-convex structures 1202 and 1207 face each other.
In the configuration example of FIGS. 13F and 13G of this example, all of the concavo-convex structure 1202 provided on one Si thin film 1201 is perpendicular to one of the concavo-convex structures 1207 of the other Si thin film 1206. It is comprised so that it may overlap in a direction.
Here, FIG. 13F shows a configuration example in which the concavo-convex structure 1202 of the Si thin film 1201 and the concavo-convex structure 1207 of the Si thin film 1206 coincide with each other in the direction parallel to the surface. FIG. 13G shows a configuration example when the relative position is shifted.
このような構成例において、格子定数が大きい方のＳｉ薄膜１２０１に設けられた凹凸構造（半球状穴）と、格子定数が小さい方のＳｉ薄膜１２０６に設けられた凹凸構造（円柱空孔）とによって、一つのタイプの閉空間１３０５、１３０８を形成することができる。
また、格子定数が大きい方のＳｉ薄膜１２０１の面と、格子定数が小さい方のＳｉ薄膜１２０６に設けられた凹凸構造（円柱空孔）とによって、もう一つのタイプの閉空間１３０３、１３０６を形成することができる。
本実施例によれば、このような二つのタイプの閉空間を形成することが可能となる。
In such a configuration example, an uneven structure (hemispherical hole) provided in the Si thin film 1201 having a larger lattice constant, and an uneven structure (cylindrical void) provided in the Si thin film 1206 having a smaller lattice constant. Thus, one type of closed spaces 1305 and 1308 can be formed.
Further, another type of closed spaces 1303 and 1306 are formed by the surface of the Si thin film 1201 having the larger lattice constant and the concavo-convex structure (cylindrical holes) provided in the Si thin film 1206 having the smaller lattice constant. can do.
According to the present embodiment, it is possible to form such two types of closed spaces.
このように本実施例においては、周期構造体１３０１をなす周期的な閉空間の形状は二つのタイプとなっているが、両周期構造の重ねあわせ方により様々な閉空間の形状を実現することができる。特に、格子定数が大きいほうの周期的な凹凸構造を有する閉空間は、周期構造体のもつ基本的な周期性の中において周期的欠陥として機能させることが可能である。 As described above, in this embodiment, the shape of the periodic closed space forming the periodic structure 1301 is of two types, but various closed space shapes can be realized by overlapping the two periodic structures. Can do. In particular, a closed space having a periodic concavo-convex structure having a larger lattice constant can function as a periodic defect in the basic periodicity of the periodic structure.
［実施例４］
実施例４においては、本発明を適用して、三次元の周期構造体を構成した。
図１４、図１５、図１６に本実施例における三次元周期構造体の構成例を示す。図１４においては、構造を分かりやすく示すために、それぞれの構成部の断面部分が示されており、１４０１はＧａＮ基板、１４０５，１４１０，１４１５はＧａＮ薄膜である。
図１６において、１６０１は周期構造体であり、図１４のＧａＮ基板１４０１上にＧａＮ薄膜１４０５、１４１０および１４１５を周期的に積層して形成されている。
[Example 4]
In Example 4, the present invention was applied to configure a three-dimensional periodic structure.
FIG. 14, FIG. 15 and FIG. 16 show configuration examples of the three-dimensional periodic structure in this embodiment. In FIG. 14, in order to show the structure in an easy-to-understand manner, the cross-sectional parts of the respective constituent parts are shown. 1401 is a GaN substrate, and 1405, 1410, and 1415 are GaN thin films.
In FIG. 16, reference numeral 1601 denotes a periodic structure, which is formed by periodically laminating GaN thin films 1405, 1410 and 1415 on the GaN substrate 1401 of FIG.
ＧａＮ基板１４０１の二つの面のうち薄膜が積層される一方の面には、半球状の穴である半球状穴１４０２が、二次元周期的に三角格子状に配列された周期凹凸構造１（１４０３）が設けられている。
また、このような周期凹凸構造１と同様の周期凹凸構造が、ＧａＮ薄膜１４０５、１４１０、１４１５の両面に設けられている、すなわち、これらのＧａＮ薄膜の両面には、半球状の穴である半球状穴１４０８、１４１３、１４１８が二次元周期的に三角格子状に配列された周期凹凸構造２〜７（１４０６、１４０７、１４１１、１４１２、１４１６、１４１７）が設けられている。
A periodic uneven structure 1 (1403) in which hemispherical holes 1402, which are hemispherical holes, are arranged two-dimensionally in a triangular lattice pattern on one of the two surfaces of the GaN substrate 1401 on which the thin film is laminated. ) Is provided.
In addition, periodic concavo-convex structures similar to the periodic concavo-convex structure 1 are provided on both surfaces of the GaN thin films 1405, 1410, and 1415, that is, hemispheres that are hemispherical holes on both surfaces of these GaN thin films. Periodic concavo-convex structures 2 to 7 (1406, 1407, 1411, 1412, 1416, 1417) in which the shaped holes 1408, 1413, 1418 are two-dimensionally arranged in a triangular lattice shape are provided.
これらの周期凹凸構造１〜７は、電子ビーム描画リソグラフィーおよび塩素系のガスを用いたドライエッチングプロセスを用いて作成される。
積層方法としては、周期凹凸構造１である１４０３と周期凹凸構造２である１４０６、周期凹凸構造３である１４０７と周期凹凸構造４である１４１１、周期凹凸構造５である１４１２と周期凹凸構造６である１４１６がそれぞれ対向するように積層して行く。それぞれのＧａＮ薄膜の二つの面に設けられた凹凸構造は互いに面に平行な面方向において相対的な位置がずらされて設けられており、上述のように積層した場合に、図１５に示すように閉空間が形成されるように配置されている。
These periodic concavo-convex structures 1 to 7 are created using electron beam lithography and a dry etching process using a chlorine-based gas.
As the stacking method, the periodic uneven structure 1 1403 and the periodic uneven structure 2 1406, the periodic uneven structure 3 1407 and the periodic uneven structure 4 1411, the periodic uneven structure 5 1412 and the periodic uneven structure 6 are used. Lamination is performed so that certain 1416s face each other. The concavo-convex structures provided on the two surfaces of each GaN thin film are provided with their relative positions shifted in the plane direction parallel to the surfaces, and when stacked as described above, as shown in FIG. Are arranged so as to form a closed space.
図１５では、周期凹凸構造１である１４０３と周期凹凸構造２である１４０６により形成される閉空間を１５０１として、各閉空間の位置関係を模式的に表している。同様に、周期凹凸構造３である１４０７と周期凹凸構造４である１４１１により形成される閉空間を１５０２、周期凹凸構造５である１４１２と周期凹凸構造６である１４１６により形成される閉空間を１５０３として、各閉空間の位置関係を模式的に表している。
ここで、閉空間１５０１に対し、面内において閉空間１５０２が三つの閉空間１５０１の中央に位置するようにし、面内において閉空間１５０３を三つの閉空間１５０２の中央に位置するようにするが、閉空間１５０３と閉空間１５０１が紙面垂直方向において重ならないように、ＧａＮ基板１４０１、および各ＧａＮ薄膜１４０５、１４１０、１４１５を積層する。
In FIG. 15, the closed space formed by the periodic concavo-convex structure 1 1403 and the periodic concavo-convex structure 2 1406 is 1501, and the positional relationship between the closed spaces is schematically represented. Similarly, the closed space formed by the periodic uneven structure 3 1407 and the periodic uneven structure 4 1411 is 1502, the closed space formed by the periodic uneven structure 5 1412 and the periodic uneven structure 6 1415 is 1503. As shown, the positional relationship of each closed space is schematically represented.
Here, with respect to the closed space 1501, the closed space 1502 is positioned in the center of the three closed spaces 1501 in the plane, and the closed space 1503 is positioned in the center of the three closed spaces 1502 in the plane. The GaN substrate 1401 and the GaN thin films 1405, 1410, and 1415 are stacked so that the closed space 1503 and the closed space 1501 do not overlap in the direction perpendicular to the paper surface.
以上の構成により、本実施例における周期構造体１６０１の１周期分が実現されるが、本実施例はこれらを３周期分積層して構成される。
ここで、２周期目以降は、上記した方法と同様の方法で積層を繰り返すが、２周期目以降の閉空間１５０１はその前の積層による閉空間１５０１に面に垂直な方向に重なるようにして構成される。また、２周期目以降の閉空間１５０２はその前の積層による閉空間１５０２に面に垂直な方向に重なり、２周期目以降の閉空間１５０３はその前の積層による閉空間１５０３に面に垂直な方向に重なるようにして構成される。
With the above configuration, one period of the periodic structure 1601 in the present embodiment is realized, but this embodiment is configured by stacking these three periods.
Here, after the second cycle, the stacking is repeated in the same manner as described above, but the closed space 1501 after the second cycle overlaps the closed space 1501 by the previous stack in a direction perpendicular to the surface. Composed. Further, the closed space 1502 in the second cycle and thereafter overlaps with the closed space 1502 formed by the previous stack in a direction perpendicular to the surface, and the closed space 1503 in the second cycle and thereafter is vertical to the closed space 1503 formed by the previous stack. It is configured to overlap in the direction.
このようにして実現される周期構造体１６０１は、その閉空間が空気で満たされたもので、インバースオパールと称されるフォトニック結晶が実現される。
この構造は非常に広いフォトニックバンドギャップを有する三次元のフォトニック結晶であるが、従来作成が非常に困難でごく一部の材料において低精度のものが実現されている程度であった。
これに対して、本実施例の周期構造体１６０１では、従来の半導体プロセスなどを用いて比較的容易に高精度にインバースオパール型のフォトニック結晶を実現することが可能となる。
The periodic structure 1601 realized in this way is such that its closed space is filled with air, and a photonic crystal called inverse opal is realized.
Although this structure is a three-dimensional photonic crystal having a very wide photonic band gap, it has been extremely difficult to produce conventionally, and only a small amount of material has been realized.
In contrast, with the periodic structure 1601 of this embodiment, it is possible to realize an inverse opal type photonic crystal relatively easily with high accuracy using a conventional semiconductor process or the like.
本実施例のインバースオパール型のフォトニック結晶の特性例として、その透過率スペクトルを図２６に示す。この透過率スペクトルは、格子定数ａ、半径０．２ａ、誘電体の誘電率１２、閉空間の誘電率１、周期数４、光の入射方向を積層方向に平行とした場合の透過率スペクトルである。
図２６において、ωは光の角周波数、ａは格子定数、ｃは光速としており、実線はＴＥ偏光に対応するもの、点線はＴＭ偏光に対応するものである。
As an example of the characteristics of the inverse opal type photonic crystal of this example, its transmittance spectrum is shown in FIG. This transmittance spectrum is a transmittance spectrum when the lattice constant is a, the radius is 0.2a, the dielectric constant is 12, the dielectric constant is 1 in the closed space, the period is 4, and the incident direction of light is parallel to the stacking direction. is there.
In FIG. 26, ω is the angular frequency of light, a is the lattice constant, c is the speed of light, the solid line corresponds to TE polarization, and the dotted line corresponds to TM polarization.
［実施例５］
実施例５においては、実施例４の周期構造体の一部に周期性を乱す欠陥を導入した三次元の周期構造体を構成した。
図１７に本実施例における三次元周期構造体の構成例を示す。
図１７において、１７０１は周期構造体、１７０２は周期構造体の一部に導入された欠陥である。
これは、前述した図１６に示された周期構造体１６０１を構成する、図１４に示す複数のＧａＮ薄膜１４０１、１４０５、１４１０、１４１５のうち中央付近の二つのＧａＮ薄膜を、図１８に示すＧａＮ薄膜に代えることによって、上記した周期構造体１７０１を実現するようにしたものである。
[Example 5]
In Example 5, a three-dimensional periodic structure in which defects that disturb periodicity were introduced into a part of the periodic structure in Example 4 was configured.
FIG. 17 shows a configuration example of the three-dimensional periodic structure in this embodiment.
In FIG. 17, 1701 is a periodic structure, and 1702 is a defect introduced into a part of the periodic structure.
This is because the two GaN thin films near the center of the plurality of GaN thin films 1401, 1405, 1410, and 1415 shown in FIG. 14 constituting the periodic structure 1601 shown in FIG. The above-described periodic structure 1701 is realized by replacing with a thin film.
これを更に具体的に説明すると、図１８（ａ）はＧａＮ薄膜の全体像を示す図であり、１８０１はＧａＮ薄膜、１８０２は欠陥、１８０３は凹凸構造である。図１８（ｂ）は図１８（ａ）のＡ−Ｂ断面を示す図であり、１８０４は凹凸構造が配列された一方の面、１８０５はその断面、１８０６は凹凸構造１８０３における半球状穴で形成された凹部である。
ここで、ＧａＮ薄膜１８０１は実施例４におけるＧａＮ薄膜と同様にその両面に相対的に位置がずらされた半球状穴１８０６が、二次元周期的に三角格子状に配列された凹凸構造１８０３が設けられている。その一方の面の一部の半球状穴が取り除かれて欠陥１８０２が形成された構造となっている。
このＧａＮ薄膜１８０１の二枚を、上記した欠陥１８０２が互いに対向して重なり合うように張り合わせて、図１６に示されたような周期構造体１６０１に組み込むことにより、図１７に示すその二次元周期性を乱す欠陥１７０２が導入された周期構造体１７０１を実現することができる。
More specifically, FIG. 18A is a diagram showing an entire image of a GaN thin film, wherein 1801 is a GaN thin film, 1802 is a defect, and 1803 is a concavo-convex structure. 18B is a view showing a cross section AB of FIG. 18A, where 1804 is one surface on which the concavo-convex structure is arranged, 1805 is the cross section, and 1806 is a hemispherical hole in the concavo-convex structure 1803. Recessed portion.
Here, the GaN thin film 1801 is provided with a concavo-convex structure 1803 in which hemispherical holes 1806 whose positions are relatively shifted are arranged on both surfaces in the same manner as the GaN thin film in the fourth embodiment and are arranged in a triangular lattice pattern two-dimensionally. It has been. The structure is such that a defect 1802 is formed by removing a part of the hemispherical hole on one surface.
The two GaN thin films 1801 are laminated so that the above-described defects 1802 face each other and overlap each other, and are incorporated into a periodic structure 1601 as shown in FIG. 16, whereby the two-dimensional periodicity shown in FIG. Thus, it is possible to realize the periodic structure 1701 in which the defect 1702 that disturbs is introduced.
このような欠陥は点欠陥と称され、たとえば周期構造体がフォトニックバンドギャップを有する場合、フォトニックバンドギャップ中に欠陥準位を生じさせ、欠陥準位に相当する波長の光を周期構造対中の欠陥部分に非常に強く閉じ込めることが可能となる。このことにより、非常にＱ値の高い微小共振器などを可能にする。本実施例の周期構造体により、非常に困難であった三次元周期構造中の点欠陥を容易に精度よく実現することが可能となる。 Such a defect is referred to as a point defect. For example, when a periodic structure has a photonic band gap, a defect level is generated in the photonic band gap, and light having a wavelength corresponding to the defect level is transmitted to the periodic structure pair. It becomes possible to confine very tightly in the inside defect part. This enables a microresonator having a very high Q value. With the periodic structure of the present embodiment, it is possible to easily and accurately realize point defects in the three-dimensional periodic structure, which has been very difficult.
［実施例６］
実施例６においては、実施例４及び実施例５の周期構造体の一部の構成を代え、線状の欠陥を導入した三次元の周期構造体を構成した。
図１９に本実施例における三次元周期構造体の構成例を示す。
図１９において、１９０１は周期構造体、１９０２は周期構造体の一部に導入された線状の欠陥、１９０３はＳＯＩ基板である。
本実施例の周期構造体１９０１は、積層する基本的な誘電体としては実施例４における周期凹凸構造を有するＧａＮ薄膜と同様の構造のＳｉ薄膜を複数積層して形成されている。このように、その基本的構造は、実施例４及び実施例５と同様であるが、本実施例ではその材料としてＳＯＩ基板のＳＯＩ層部分をＳｉ薄膜として実施例４及び実施例５におけるＧａＮ薄膜に代えている。
[Example 6]
In Example 6, the configuration of a part of the periodic structures of Example 4 and Example 5 was changed, and a three-dimensional periodic structure into which linear defects were introduced was configured.
FIG. 19 shows a configuration example of the three-dimensional periodic structure in the present embodiment.
In FIG. 19, 1901 is a periodic structure, 1902 is a linear defect introduced into a part of the periodic structure, and 1903 is an SOI substrate.
The periodic structure 1901 of this example is formed by laminating a plurality of Si thin films having the same structure as the GaN thin film having the periodic uneven structure in Example 4 as a basic dielectric to be laminated. Thus, the basic structure is the same as in Example 4 and Example 5. However, in this example, the SOI layer portion of the SOI substrate is used as the material, and the GaN thin film in Examples 4 and 5 is used as the material. It is replaced with.
図２０（ａ）は一方のＳｉ薄膜の全体像を示す図であり、２００１はＳｉ薄膜、２００３は欠陥、２００４は凹凸構造である。
図２０（ｂ）は図２０（ａ）のＡ−Ｂ断面を示す図であり、２００５は凹凸構造が配列された一方の面、２００６はその断面、２００７は凹凸構造２００４における半球状穴で形成された凹部である。
図２０（ｃ）はもう一方のＳｉ薄膜の全体像を示す図であり、２００２はＳｉ薄膜、２００８は貫通孔欠陥、２００９は凹凸構造、２０１０は凹凸構造２００９における半球状穴で形成された凹部である。
図２０（ｄ）は図２０（ｃ）のＣ−Ｄ断面を示す図であり、２０１１はその断面である。
FIG. 20A is a diagram showing an entire image of one Si thin film, in which 2001 is a Si thin film, 2003 is a defect, and 2004 is an uneven structure.
FIG. 20B is a diagram showing a cross section AB of FIG. 20A, 2005 is one surface on which the concavo-convex structure is arranged, 2006 is the cross section, and 2007 is a hemispherical hole in the concavo-convex structure 2004. Recessed portion.
FIG. 20 (c) is a diagram showing an overall image of the other Si thin film, in which 2002 is a Si thin film, 2008 is a through-hole defect, 2009 is a concavo-convex structure, and 2010 is a concave formed by a hemispherical hole in the concavo-convex structure 2009. It is.
FIG.20 (d) is a figure which shows the CD cross section of FIG.20 (c), 2011 is the cross section.
ここで、一方のＳｉ薄膜２００１には、両面に二次元周期的に三角格子状に半球状穴２００７が配列した凹凸構造２００４が設けられており、その一部に欠陥２００３が形成されている。
また、もう一方のＳｉ薄膜２００２にも、両面に二次元周期的に三角格子状に半球状穴２０１０が配列した凹凸構造２００９が設けられており、その一部に貫通孔欠陥２００８が形成されている。
線状の欠陥１９０２を形成するため、一部に欠陥２００３を有するＳｉ薄膜２００１と、一部に貫通孔欠陥２００８を有するＳｉ薄膜２００２をそれぞれの欠陥部分が互いに重なるように、かつ線状の欠陥１９０２を形成するように積層する。このようにして積層体により形成された欠陥１９０２を周期構造体１９０１に導入する。
Here, one Si thin film 2001 is provided with an uneven structure 2004 in which hemispherical holes 2007 are arranged in a two-dimensional periodic triangular lattice pattern on both surfaces, and a defect 2003 is formed in a part thereof.
The other Si thin film 2002 is also provided with a concavo-convex structure 2009 in which hemispherical holes 2010 are arranged in a two-dimensional periodic triangular lattice pattern on both surfaces, and through-hole defects 2008 are formed in a part thereof. Yes.
In order to form the linear defect 1902, the Si thin film 2001 having a part of the defect 2003 and the Si thin film 2002 having a part of the through-hole defect 2008 are arranged so that the defective parts overlap each other. Lamination is performed to form 1902. In this manner, the defect 1902 formed by the stacked body is introduced into the periodic structure 1901.
周期構造体１９０１がフォトニックバンドギャップを有する場合、実施例５と同様に、フォトニックバンドギャップ中に欠陥準位が生じ、欠陥準位に相当する波長の光を欠陥部分に非常に強く閉じ込めることが可能となる。
このような欠陥は三次元光回路などにおいて、伝送効率の非常に高い三次元光導波路として機能させることが可能である。
また、活性材料を用いればレーザ共振器としても機能させることが可能である。
When the periodic structure 1901 has a photonic band gap, a defect level is generated in the photonic band gap as in Example 5, and light having a wavelength corresponding to the defect level is confined very strongly in the defect portion. Is possible.
Such a defect can function as a three-dimensional optical waveguide having very high transmission efficiency in a three-dimensional optical circuit or the like.
If an active material is used, it can function as a laser resonator.
［実施例７］
実施例７においては、本発明を適用して、三次元の周期構造体による光励起型のレーザを構成した。
図２１、図２２に本実施例における三次元の周期構造体を用いたレーザの構成例を示す。
図２１において、２１０１は周期構造体、２１０２はＧａＮ基板、２１０３及び２１０４、２１０５は閉空間である。２２０１はＧａＮ薄膜、２２０６はＩｎＧａＮ薄膜（活性層）である。
図２２（ａ）は一方のＳｉ薄膜の全体像を示す図であり、２００１はＧａＮ薄膜、２２０３は凹凸構造である。
図２２（ｂ）は図２２（ａ）のＡ−Ｂ断面を示す図であり、２２０２は凹凸構造が配列された一方の面、２２０４は凹凸構造２２０３における半球状穴で形成された凹部、２２０５はその断面である。
図２２（ｃ）はもう一方のＩｎＧａＮ薄膜の全体像を示す図であり、２２０６はＩｎＧａＮ薄膜、２２０７は凹凸構造、２２１０は凹凸構造２２０７における円柱空孔で形成された凹部である。
図２２（ｄ）は図２２（ｃ）のＣ−Ｄ断面を示す図であり、２２０９はその断面である。
[Example 7]
In Example 7, the present invention was applied to configure an optically pumped laser with a three-dimensional periodic structure.
21 and 22 show a configuration example of a laser using a three-dimensional periodic structure in this embodiment.
In FIG. 21, 2101 is a periodic structure, 2102 is a GaN substrate, 2103 and 2104, 2105 are closed spaces. 2201 is a GaN thin film, and 2206 is an InGaN thin film (active layer).
FIG. 22A is a diagram showing an entire image of one Si thin film, in which 2001 is a GaN thin film and 2203 is a concavo-convex structure.
FIG. 22B is a diagram showing an A-B cross section of FIG. 22A, 2202 is one surface on which the concavo-convex structure is arranged, 2204 is a concave portion formed by a hemispherical hole in the concavo-convex structure 2203, and 2205. Is the cross section.
FIG. 22 (c) is a view showing the entire image of the other InGaN thin film, where 2206 is an InGaN thin film, 2207 is a concavo-convex structure, and 2210 is a concavity formed by cylindrical holes in the concavo-convex structure 2207.
FIG. 22D is a view showing a cross section taken along the line CD in FIG. 22C, and 2209 is the cross section thereof.
本実施例においては、実施例４、実施例５、実施例６等と同様に、半球状穴を配列された二次元周期的な凹凸構造２２０３を有するＧａＮ基板２１０２と、ＧａＮ薄膜２２０１を積層する。これによりフォトニックバンドギャップを有するインバースオパール型のフォトニック結晶を形成する。その際、面に垂直な方向での中央付近に活性材料よりなるＩｎＧａＮ薄膜２２０６を挟み込んだ構造とされている。
活性媒質ＩｎＧａＮよりなるＩｎＧａＮ薄膜２２０６、円柱空孔２２１０が二次元周期的に三角格子状に配列された周期的な凹凸構造２２０７が設けられており、二次元スラブフォトニック結晶としての機能を有する。
In this embodiment, as in Embodiment 4, Embodiment 5, Embodiment 6, etc., a GaN substrate 2102 having a two-dimensional periodic uneven structure 2203 in which hemispherical holes are arranged and a GaN thin film 2201 are laminated. . Thereby, an inverse opal type photonic crystal having a photonic band gap is formed. At that time, an InGaN thin film 2206 made of an active material is sandwiched near the center in the direction perpendicular to the surface.
An InGaN thin film 2206 made of an active medium InGaN and a periodic concavo-convex structure 2207 in which cylindrical holes 2210 are arranged two-dimensionally in a triangular lattice shape are provided, and functions as a two-dimensional slab photonic crystal.
図２５に、本実施例によるインバースオパール型のフォトニック結晶の結晶中で励起される光、活性材料の発光スペクトル、等のそれぞれの関係を模式的に示す。
図２５において、２５０１は本実施例のインバースオパール型のフォトニック結晶中での光の存在確立、２５０２は活性材料の発光スペクトル、２５０３はフォトニックバンドギャップ中においてＩｎＧａＮ薄膜中での光の存在確立を示している。
インバースオパール型のフォトニック結晶中では活性材料の発光スペクトル中の光は存在することができないが、ＩｎＧａＮ薄膜２２０６およびその近傍においては存在が許されるため、発光する光はこの領域に非常に強く閉じ込められる。例えばＧａＮ基板２１０２の裏側から紫外波長のレーザを入射することにより、活性層２２０６付近においてレーザ発振が起こすことができる。
FIG. 25 schematically shows the relationship between the light excited in the inverse opal type photonic crystal according to this example, the emission spectrum of the active material, and the like.
In FIG. 25, 2501 indicates the presence of light in the inverse opal type photonic crystal of this example, 2502 indicates the emission spectrum of the active material, and 2503 indicates the presence of light in the InGaN thin film in the photonic band gap. Is shown.
In inverse opal type photonic crystals, light in the emission spectrum of the active material cannot exist, but since it is allowed to exist in the InGaN thin film 2206 and its vicinity, the emitted light is confined very strongly in this region. It is done. For example, when an ultraviolet wavelength laser is incident from the back side of the GaN substrate 2102, laser oscillation can occur near the active layer 2206.
［実施例８］
実施例８においては、実施例７における光励起型のレーザとは異なる、三次元周期構造体による電流注入型のレーザを構成した。
図２３に本実施例における三次元の周期構造体を用いたレーザの構成例を示す。図２３において、２３０１は本実施例の電流注入型レーザを表す周期構造体である。この周期構造体は、周期的半球状穴を有するｎ−ＧａＮ基板２３０７とｎ−ＧａＮ薄膜２３０６の積層によるインバースオパール型のフォトニック結晶を形成し、その上に活性層２３０５としてＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸を有する薄膜を形成する。さらに、上部に周期凹凸構造を有するｐ−ＧａＮ薄膜２３０４の積層によりインバースオパール型のフォトニック結晶を形成して構成される。
本実施例においては、それぞれのインバースオパール型のフォトニック結晶を、ｎ型反射鏡２３１１およびｐ型反射鏡２３１２と定義する。
最上部にはホール注入のためのリング状電極２３０３が設けられ、その中央部はレーザ光の放射窓２３０２として機能する。
また、最下部には電子注入のための電極２３０８が設けられている。
活性層２３０５の上下には光の共振領域であるクラッド層としてｎ−ＧａＮ薄膜２３０９、およびｐ−ＧａＮ薄膜２３１０が設けられている。
活性層２３０５で発光する光は、両反射鏡２３１１と２３１２には存在できないため反射され、二つのクラッド層２３０９、２３１０と活性層２３０５を含む領域に共振器が形成される。
[Example 8]
In Example 8, a current injection type laser with a three-dimensional periodic structure different from the optically pumped type laser in Example 7 was configured.
FIG. 23 shows a configuration example of a laser using a three-dimensional periodic structure in this embodiment. In FIG. 23, reference numeral 2301 denotes a periodic structure representing the current injection laser of this embodiment. In this periodic structure, an inverse opal photonic crystal is formed by stacking an n-GaN substrate 2307 having a periodic hemispherical hole and an n-GaN thin film 2306, and an InGaN / GaN multiple layer is formed thereon as an active layer 2305. A thin film having a quantum well is formed. Further, an inverse opal type photonic crystal is formed by laminating a p-GaN thin film 2304 having a periodic concavo-convex structure on the top.
In this embodiment, each inverse opal type photonic crystal is defined as an n-type reflecting mirror 2311 and a p-type reflecting mirror 2312.
A ring-shaped electrode 2303 for hole injection is provided at the uppermost part, and the central part functions as a laser light emission window 2302.
An electrode 2308 for electron injection is provided at the bottom.
Above and below the active layer 2305, an n-GaN thin film 2309 and a p-GaN thin film 2310 are provided as cladding layers that are optical resonance regions.
The light emitted from the active layer 2305 is reflected because it cannot exist in both the reflecting mirrors 2311 and 2312, and a resonator is formed in a region including the two cladding layers 2309 and 2310 and the active layer 2305.
図２４に活性層２３０５の模式図を示す。活性層２３０５には円柱空孔２４０１が四角格子状に配列された二次元フォトニック結晶が設けられている。活性材料から発光する光の波長はこのフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ中の波長に相当するため、この光はこのフォトニック結晶中に存在することができないように設計されている。しかしながら、点線で示した円２４０３の内側の領域には欠陥２４０２が周期的に配列された周期欠陥が設けられており、この二次元フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内に欠陥準位を生じる。このため、発光した光のうち欠陥準位に相当する波長の光だけの存在が許容されることになる。 FIG. 24 shows a schematic diagram of the active layer 2305. The active layer 2305 is provided with a two-dimensional photonic crystal in which cylindrical holes 2401 are arranged in a square lattice pattern. Since the wavelength of the light emitted from the active material corresponds to the wavelength in the photonic band gap of the photonic crystal, the light is designed so that it cannot exist in the photonic crystal. However, a periodic defect in which defects 2402 are periodically arranged is provided in a region inside a circle 2403 indicated by a dotted line, and a defect level is generated in the photonic band gap of the two-dimensional photonic crystal. For this reason, the existence of only light having a wavelength corresponding to the defect level in the emitted light is allowed.
また、欠陥は二次元に周期的に設けられているため、それぞれの欠陥における光のモードが結合し、レーザ発振が起こる場合には、点線２４０３の内側の領域全体で位相のそろった状態となる。
本実施例の周期構造体２３０１である電流注入型レーザにおいて、光は点線２４０３の内側の領域およびクラッド層２３０９、２３１０のみに閉じ込められて、効率よくレーザ発振することになる。
このように本実施例のような構成をとることにより、高効率な電流注入面発光型レーザの実現が可能となる。
以上に説明したように、本発明の周期構造体は、小型レーザ、フィルター、ミラーなど幅広い小型な光学部品、光デバイス等において、現状製品の特性や作成精度などを大きく向上させるものとして利用することが可能である。
In addition, since defects are provided periodically in two dimensions, when the modes of light in the respective defects are combined and laser oscillation occurs, the entire region inside the dotted line 2403 is in a phased state. .
In the current injection laser that is the periodic structure 2301 of the present embodiment, light is confined only in the region inside the dotted line 2403 and the cladding layers 2309 and 2310, so that laser oscillation is efficiently performed.
Thus, by adopting the configuration as in this embodiment, it is possible to realize a highly efficient current injection surface emitting laser.
As described above, the periodic structure of the present invention is used as a device that greatly improves the characteristics and production accuracy of current products in a wide range of small optical components such as small lasers, filters, and mirrors, and optical devices. Is possible.
１０１：構造要素
２０１：構造要素
２０２：点欠陥
２０３：点欠陥
２０４：線欠陥
２０５：点欠陥
２０６：欠陥
２０７：点欠陥
３００１：凹凸構造
３００２：断面
３００３：細線状溝
３００４：誘電体
４００１：凹凸構造
４００３：四角柱
４００４：誘電体
５００１：凹凸構造
５００２：断面
５００３：逆ピラミッド状穴
５００４：誘電体
６００１：凹凸構造
６００２：断面
６００３：円柱空孔（凹部）
６００４：誘電体
７００１：凹凸構造
７００２：断面
７００３：半球状穴
７００４：誘電体
８００１：ＧａＡｓ基板
８００２：凹凸構造
８００３：断面
８００４：円柱空孔（凹部）
８００５：面
８００６：ＧａＡｓ薄膜
８００７：断面
９００１：周期構造体
９００２：界面
９００３：断面
９００４：閉空間（円柱空孔または凹部）
１００１：ＧａＮ薄膜
１００２：凹凸構造
１００３：円柱空孔（凹部）
１００４：断面
１００５：面
１１０１：ＧａＮ薄膜
１１０２：界面
１１０３:周期構造体
１１０４：断面
１１０５：断面
１１０６：閉空間（円柱空孔または凹部）
１１０７：閉空間（円柱空孔または凹部）
１２０１：Ｓｉ薄膜
１２０２：凹凸構造
１２０３：半球状穴
１２０４：断面
１２０５：面
１２０６：Ｓｉ薄膜
１２０７：凹凸構造
１２０８：円柱空孔（凹部）
１２０９：断面
１２１０：面
101: structural element 201: structural element 202: point defect 203: point defect 204: line defect 205: point defect 206: defect 207: point defect 3001: concavo-convex structure 3002: cross section 3003: fine line groove 3004: dielectric 4001: concavo-convex Structure 4003: Square column 4004: Dielectric 5001: Concave and convex structure 5002: Cross section 5003: Inverted pyramid hole 5004: Dielectric 6001: Concave structure 6002: Cross section 6003: Cylindrical hole (concave)
6004: Dielectric 7001: Uneven structure 7002: Cross section 7003: Hemispherical hole 7004: Dielectric 8001: GaAs substrate 8002: Uneven structure 8003: Cross section 8004: Cylindrical hole (concave)
8005: Surface 8006: GaAs thin film 8007: Cross section 9001: Periodic structure 9002: Interface 9003: Cross section 9004: Closed space (cylindrical hole or recess)
1001: GaN thin film 1002: concavo-convex structure 1003: cylindrical hole (concave)
1004: Cross section 1005: Surface 1101: GaN thin film 1102: Interface 1103: Periodic structure 1104: Cross section 1105: Cross section 1106: Closed space (cylindrical void or recess)
1107: Closed space (cylindrical hole or recess)
1201: Si thin film 1202: Uneven structure 1203: Hemispherical hole 1204: Cross section 1205: Surface 1206: Si thin film 1207: Uneven structure 1208: Cylindrical hole (concave)
1209: Section 1210: Surface
Claims (9)
対向する二つの誘電体の対向面の両方に、二次元周期的な凹凸構造が形成されており、
前記二つの誘電体に形成された二次元周期的な凹凸構造は、前記複数の誘電体の積層方向と垂直な方向に対して位置が一致しており、
前記二つの誘電体に形成された二次元周期的な凹凸構造により前記閉領域が構成されていることを特徴とする周期構造体。 A periodic structure in which a plurality of dielectrics are stacked and closed regions are periodically arranged two-dimensionally,
A two-dimensional periodic concavo-convex structure is formed on both opposing surfaces of two opposing dielectrics,
The two-dimensional periodic concavo-convex structure formed on the two dielectrics is coincident with the direction perpendicular to the stacking direction of the plurality of dielectrics,
Periodic structure, wherein the closed region Ri by the two dielectric which is formed in two-dimensional periodic roughness structure is formed.
前記対向面とは異なる面に形成された二次元周期的な凹凸構造と、該対向面とは異なる面と対向する他の誘電体に形成された二次元周期的な凹凸構造とにより、閉領域が構成されており、A two-dimensional periodic concavo-convex structure formed on a surface different from the facing surface and a two-dimensional periodic concavo-convex structure formed on another dielectric facing the surface different from the facing surface, Is configured,
前記複数の誘電体の積層方向にも周期性を有することを特徴とする周期構造体。A periodic structure having periodicity in the stacking direction of the plurality of dielectrics.
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