(57)【要約】      （修正有）【課題】作製精度が得やすいフォトニック結晶骨格材料を用いて精度の高いフォトニック結晶共振器作製方法およびフォトニック結晶共振器を提供する。【解決手段】周期的に配列された略円柱状の孔を複数列有する周期構造のフォトニック結晶２−ｂにおいて、周期構造の一部について、少なくとも１列の孔が存在しない線欠陥部分を設けるステップと、線欠陥部分に、略直方体のナノワイヤ３−ｂを設置可能にする、凹状の溝１−ｂを設けるステップと、ナノワイヤを溝に設置するステップとを含む。【選択図】図２
2014027168.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的に配列された略円柱状の孔を複数列有する周期構造のフォトニック結晶基板において、該周期構造の一部について、少なくとも１列の孔が存在しない線欠陥部分を設けるステップと、
前記線欠陥部分に、略直方体のナノワイヤを設置可能にする、凹状の溝を設けるステップと、
前記ナノワイヤを前記溝に設置するステップと
を含むことを特徴とするフォトニック結晶共振器の作製方法。
【請求項２】
前記ナノワイヤを埋め込む位置を、前記溝の幅方向に変化させることにより、若しくは
前記ナノワイヤの長さを変化させることにより、または
前記ナノワイヤを埋め込む深さを変えることにより、
前記共振器の共振波長およびQ値を制御するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
複数の前記ナノワイヤを埋め込み、各々の前記ナノワイヤ同士の間隔を変えることにより、透過特性を制御するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記フォトニック結晶基板の構造パラメータ（前記周期構造の孔の周期、前記周期構造の径、スラブ長、前記溝の幅、前記溝の深さ等）を調整しながら、前記ナノワイヤの長さを変化させることにより、共振波長およびQ値を制御するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
周期的に配置された略円柱状の孔を複数列有する周期構造のフォトニック結晶基板において、該周期構造の一部について、少なくとも１列の孔が存在しない線欠陥部分が設けられ、
前記線欠陥部分に、略直方体のナノワイヤを設置可能にする、凹状の溝が設けられ、
前記溝に前記ナノワイヤが設置され、
前記フォトニック結晶基板の上面から前記ナノワイヤに励起光を照射して、前記ナノワイヤにおいて所望の波長の光を共振させることを特徴とするフォトニック結晶共振器。
【請求項６】
前記ナノワイヤを埋め込む位置を、前記溝の幅方向に変化させることにより、若しくは
前記ナノワイヤの長さを変化させることにより、または
前記ナノワイヤを埋め込む深さを変えることにより、
前記共振器の共振波長およびQ値を制御することを特徴とする請求項５に記載のフォトニック結晶共振器。
【請求項７】
複数の前記ナノワイヤを埋め込み、各々の前記ナノワイヤ同士の間隔を変えることにより、透過特性を制御することを特徴とする請求項５に記載のフォトニック結晶共振器。
【請求項８】
前記フォトニック結晶基板の構造パラメータ（前記周期構造の孔の周期、前記周期構造の径、スラブ長、前記溝の幅、前記溝の深さ等）を調整しながら、前記ナノワイヤの長さを変化させることにより、共振波長およびQ値を制御することを特徴とする請求項５に記載のフォトニック結晶共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶とナノワイヤを用いたフォトニック結晶共振器の作製方法およびフォトニック結晶共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶は、シリコン等の半導体に周期構造の孔を配置した結晶で、超小型の光共振器など発光素子としての応用が期待されている。
【０００３】
ここで、フォトニック結晶の周期構造の孔は、空洞になっており、屈折率の異なる空気とシリコンとで境界ができる。光が入射すると、空気とシリコンとの境界では、様々に反射が起こり、重なった場合は干渉する。結果、フォトニック結晶の孔により、特定の波長を有する光を遮断し、逆に所定の波長を有する光は、干渉により光の強度が高まる。
【０００４】
ナノワイヤとは、半導体材料からなる、太さ数十ナノメートル、長さ数ミクロンの棒状の材料であり、レーザー素子の材料などとして期待されている。
【０００５】
ナノワイヤの種類には、InPナノワイヤ、GaInAs / AlInAs ヘテロ構造ナノワイヤ、GaAsナノワイヤ等がある。ナノワイヤの種類と作製手法における従来技術は、InPナノワイヤについては非特許文献１、非特許文献２を、GaInAs / AlInAs ヘテロ構造ナノワイヤについては非特許文献３を、GaAsナノワイヤについては非特許文献４を参照されたい。
【０００６】
また、AFMマニピュレーションとは、先端径10nm程度の探針を対象物表面の形状に沿ってスキャンさせることによって表面形状を観察する技術であり、具体的には、原子間力顕微鏡のシステムを使って、その探針によって対象物（ナノワイヤ）を押したり引っ掛けたりしながら、基板表面を移動させていく技術のことをいう。
【０００７】
例えば、従来技術のフォトニック結晶共振器として、以下のような例がある。
【０００８】
非特許文献５に記載の技術では、同文献のFig2のように周期構造の周期(a:150-600 nm)が変わることにより、Fig3のように、共振波長（550-1450 nm）が変わる。このことから、共振器の共振波長を変えるためには周期構造の孔間隔を変えなければいけないという問題があることがわかる。
【０００９】
非特許文献６に記載の技術では、同文献のFig4bのSEM写真中、中央の共振器部分（孔の無い部分）左右の矢印が掛かっている孔位置が左右に変化することにより共振波長（Fig4a）が変わる。同時に共振器のQ値（発振の線幅）も変化している。このことから、共振器の共振波長を変えるためには構造の孔位置を変えなければいけないという問題があることがわかる。
【００１０】
非特許文献７に記載の技術では、同文献のFig1bが孔径を変化させて共振波長を変えた図を表し、Fig1cがPhC（Photonic Crystal）の厚みを変化させて共振波長を変えた図を表す。このことから、共振器の共振波長を変えるためには周期構造の孔径や、PhCの厚みを変えなければいけないことがわかる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】U. Krishnamachari, M. Borgstrom, B. J. Ohlsson, N. Panev, L. Samuelson et al., "Defect-free InP nanowires grown in [001] direction on InP (001)" , Applied Physics Letters, ２００４年９月１３日, Vol.85, No.11, p. 2077 - 2079
【非特許文献２】Jianfang Wang et al., "Highly Polarized Photoluminescence and Photodetection from Single Indium Phosphide Nanowires", Science, ２００１年８月２４日, Vol. 293, p. 1455 - 1457
【非特許文献３】Kouta Tateno, Guoqiang Zhang, and Hidetoshi Nakano, "Growth of GaInAs/AlInAs Heterostructure Nanowires for Long-Wavelength Photon Emission", Nano Letters, ２００８年, Vol. 8, No.11, p. 3645 - 3650
【非特許文献４】Guoqiang Zhang, Kouta Tateno, Haruki Sanada, Takehiko Tawara, Hideki Gotoh et al., "Synthesis of GaAs nanowires with very small diameters and their optical properties with the radial quantum-confinement effect", Applied Physics Letters, ２００９年, 95, p. 123104-1 - 123104-3
【非特許文献５】Shota Yamada, Bong-Shik Song, Takashi Asano, and Susumu Noda, "Silicon carbide-based photonic crystal nanocavities for ultra-broadband operation from infrared to visible wavelength", Applied Physics Letters, ２０１１年, 99, p. 201102-1 - 201102-3
【非特許文献６】Yoshihiro Akahane1, Takashi Asano1, Bong-Shik Song, and Susumu Noda1, "High-Q photonic nanocavity in a two-dimensional photonic crystal", Nature, ２００３年１０月３０日, Vol.425, p. 944 - 947
【非特許文献７】Bong-Shik Song, Takuji Nagashima, Takashi Asano, and Susumu Noda1, "Resonant-wavelength tuning of a nanocavity by subnanometer control of a two-dimensional silicon-based photonic crystal slab structure" , Applied Optics, ２００９年９月１０日, Vol.48, No.26, p. 4899 - 4903
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来、フォトニック結晶構造による発光素子を作製するためには、加工精度が得にくい、化合物半導体などの基板に対してフォトニック結晶構造を形成する必要があったが、当該の化合物半導体に対する微細加工は加工精度の点で問題があり、期待する性能を得ることが困難であるという課題があった。また、Siのように加工精度が確保できる材料でフォトニック結晶構造を作製し、真空装置を用いた埋め込み成長を行って、異種半導体材料をフォトニック結晶構造中に導入する手法もあるが、この場合には、高度な埋め込み成長技術が必要になるうえ、埋め込める材料に制限があった。つまり、アクティブ素子を構成するために必要な、異種材料の組み合わせによりフォトニック結晶共振器を構成することが困難であるという課題があった。
【００１３】
また従来では、共振波長やQ値の異なるフォトニック結晶共振器を作製するためには、電子ビームリソグラフィにおけるCADデザイン段階において、共振器周辺の孔径や孔間隔などを変える必要があり、目的ごとにデザインを変える必要があった。また、必要とされる孔径や孔間隔によっては、プロセス条件を見直す必要があり、目的の特性をもったデバイスが提供されるまで時間を要するという課題があった。
【００１４】
従来、発光材料の発光ピークとフォトニック結晶共振器の共振波長をチューニングすることは困難であるという課題があり、多くは、少しづつ異なるパラメーターをもつフォトニック結晶共振器構造をいくつも用意した上で、偶然、発光材料の発光ピークと共振器波長が一致しているものを選んで、光学特性の評価を行っていた。
【００１５】
そして従来では、結合共振器の作製においては、フォトニック結晶共振器間の距離により結合強度が決まるため、共振器間の距離を精密に制御することが必要であった。また、フォトニック結晶構造の作製におけるCADデザイン時に共振器間の距離が決定されるため、プロセス条件の微妙な違いにより、意図した結合強度が得られなくなる。従って、フラットな透過特性を得るためには、プロセス条件の厳密な制御も必要とした。また、異なる透過特性を有する共振器を作製するためには、CADデザイン段階において、異なる共振器間距離をもつフォトニック結晶を設計する必要があった。つまり、共振器どうしの相対位置の調整、およびQ値コントロールや共振波長チューニングが困難であるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決する本発明の目的は、フォトニック結晶中の単純線欠陥に形成されたトレンチ（溝）の中に、ナノワイヤ（ナノロッドとも称される）を配置することにより達成する。
【００１７】
本発明は、フォトニック結晶共振器の作製方法であって、周期的に配列された略円柱状の孔を複数列有する周期構造のフォトニック結晶基板において、該周期構造の一部について、少なくとも１列の孔が存在しない線欠陥部分を設けるステップと、前記線欠陥部分に、略直方体のナノワイヤを設置可能にする、凹状の溝を設けるステップと、前記ナノワイヤを前記溝に設置するステップとを含むことを特徴とする。
【００１８】
また本発明は、フォトニック結晶共振器であって、周期的に配置された略円柱状の孔を複数列有する周期構造のフォトニック結晶基板において、該周期構造の一部について、少なくとも１列の孔が存在しない線欠陥部分が設けられ、前記線欠陥部分に、略直方体のナノワイヤを設置可能にする、凹状の溝が設けられ、前記溝に前記ナノワイヤが設置され、前記フォトニック結晶基板の上面から前記ナノワイヤに励起光を照射して、前記ナノワイヤにおいて所望の波長の光を共振させることを特徴とする。
【００１９】
ナノワイヤの配置により、単純線欠陥内に共振器が形成され、光閉じ込めが可能となる。ナノワイヤの配置は、AFMマニピュレーションなどにより行われるため、別な基板上に成長させたナノワイヤの使用が可能であり、フォトニック結晶の骨格材料と関係なく、共振器材料を選択することができる。
【００２０】
また、本発明によれば、共振器の共振波長やQ値はナノワイヤの長さやナノワイヤの埋め込み深さによりコントロールすることができるため、共通のフォトニック結晶基板を元にして、目的に応じた特性を有する共振器を作製することができる。
【００２１】
さらに、本発明によれば、共振器の光学特性を観測しながらナノワイヤの長さや埋め込み深さを選択することにより、目的に応じた特性を有するフォトニック結晶共振器を確実に作製することが可能となる。
【００２２】
また、本発明によれば、一本の単純線欠陥上トレンチの中に複数個のナノワイヤを配置すると、複数の共振器が直列に並んだデバイスを作製することができる。
【００２３】
そして、本発明によれば、ナノワイヤの相対位置をAFMマニピュレーションによって容易に調整することができるため、共振器どうしの結合強さを適切にコントロールして、結合共振器を作製することができる。
【００２４】
また、本発明によれば、ナノワイヤを埋め込む位置、ナノワイヤの長さ、ナノワイヤを埋め込む深さ、などを変えることにより、共振器波長やQ値などの共振器特性を容易に制御できるという優れた効果を更に有する。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように、本発明によれば、作製精度が得やすいフォトニック結晶骨格材料を用いて精度の高いフォトニック結晶共振器を容易に作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明における、AFMマニピュレーションによるナノワイヤの配置を示す図である。
【図２】本発明の基本的な構成を表す上面図および断面図を示す図である。
【図３】本発明の基本的な構成を表す、トレンチの断面の拡大図である。
【図４】本発明の第１の実施形態を表し、トレンチ内にOCDレジストでナノワイヤを固定する本発明の構成を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における、共振波長に対する強度を表す発光スペクトルを示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態により作成した発光素子の発光を示す写真図である。
【図７】本発明の第２の実施形態を表し、トレンチに埋め込むナノワイヤを設置する位置を変える本発明の構成を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態における、ナノワイヤ位置に従って変化する共振器の共振波長の値およびQ値を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施形態を表し、単純欠陥線上のトレンチに異なる長さのナノワイヤを埋め込んだ本発明の構成を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態における、ナノワイヤの長さに従って変化する共振波長の値を示す図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態における、ナノワイヤの長さに従って変化する共振器のQ値を示す図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態を表し、AFMマニピュレーションによりトレンチ内をトレンチ長さ方向にトレンチ底面の斜面に沿って移動が可能なナノワイヤを示す図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態における、ナノワイヤの位置に従って変化する共振波長の値を示す図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態における、ナノワイヤの位置に従って変化する共振器のQ値を示す図である。
【図１５】本発明の第５の実施形態を表し、トレンチに１０本のナノワイヤを埋め込んだ本発明の構成を示す図である。
【図１６】図１６（ａ）は、各ナノワイヤの間隔を変化させた各共振器間の結合定数の調整による、透過スペクトルを表す１つの図例であり、図１６（ｂ）は、各ナノワイヤの間隔を変化させた各共振器間の結合定数の調整による、透過スペクトルを表す別の図例である。
【図１７】本発明の第６の実施形態を表し、単純欠陥線上のトレンチに異なる長さのナノワイヤを埋め込んだ本発明の構成を示す図である。
【図１８】本発明の第６の実施形態における、ナノワイヤの長さに従って変化する共振波長の値を示す図である。
【図１９】本発明の第６の実施形態における、ナノワイヤの長さに従って変化する共振器のQ値を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２８】
（発明の基本構成）  
図１に、本発明における、AFMマニピュレーションによるナノワイヤ３−ａの配置を示す。
【００２９】
図１の左図に、二次元フォトニック結晶２−ａに、線欠陥上のトレンチ１−ａがあり、図１の右図は、線欠陥上のトレンチ１−ａにナノワイヤ３−ａが配置されているところが立体的に表されている。
【００３０】
本発明の動作原理について、述べる。フォトニック結晶のトレンチに埋め込まれたナノワイヤの上面等に励起光を照射すると、ナノワイヤ材料内において電子が励起され、励起電子の緩和に伴って、ナノワイヤから励起光とは異なる波長の光が発光される。ナノワイヤ周囲に形成されている周期孔などからなるフォトニック結晶構造により、ナノワイヤを中心として、特定の波長の光が一定の範囲に閉じ込められる共振器が形成されているため、ナノワイヤからの発光は共振器内に閉じ込められ、レーザー発振に至る。なお、ナノワイヤの励起は、上面からの光照射以外にも、フォトニック結晶内の線欠陥を進行してきた励起光がナノワイヤに照射されることによっても可能である。
【００３１】
ナノワイヤを中心に形成された共振器内で発振に至った、共振波長の光は、ナノワイヤの上面等から出射される。また、フォトニック結晶内の線欠陥に導くことにより、フォトニック結晶外に取り出すことも可能である。例えば、この共振器は、閾値の低いレーザーに使用されうる。
【００３２】
図２、図３に、本発明の基本的な構成を表す上面図および断面図を示す。
【００３３】
図２の上面図は、略円柱状の孔を複数列有する二次元フォトニック結晶２−ｂの略中心線上に、複数の略円柱状の孔を埋めて線欠陥が形成され、線欠陥上に凹状のトレンチ１−ｂが設けられ、線欠陥上のトレンチ１−ｂに略直方体のナノワイヤ３−ｂが配置されているところが表されている。
【００３４】
図３に、図２のトレンチ１−ｂの断面の拡大図を示す。図３では、ナノワイヤ３−ｂが、線欠陥上のトレンチ１−ｂに埋め込まれている状態がわかる。
【実施例１】
【００３５】
（ナノワイヤ埋め込みによる共振器形成と発光素子の作製）  
図４に、本発明の第１の実施形態を表し、二次元フォトニック結晶２−ｃにおける、線欠陥上のトレンチ１−ｃ内にOCDレジスト４−ｃでナノワイヤ３−ｃを固定する本発明の構成を示す。
【００３６】
電子ビームリソグラフィによるパターニングとエッチングプロセスによって、上部Si層厚み150 nmのSOI（Silicon on Insulator）基板上に、周期380 nm、孔半径150 nmの周期孔を作製しフォトニック結晶基板とする。周期構造の一部に孔を作製しない部分を残し、線欠陥幅0.98 × W0 （W0 = 380 × √3 nm）の単純線欠陥とする。電子ビームリソグラフィとエッチングプロセスを繰り返して、単純線欠陥上に長さ20μm、幅150 nm、深さ50 nmのトレンチ（溝）パタンを形成する。
【００３７】
有機金属気相成長法によって作製したInAs-InPナノワイヤ（ワイヤ径50 nm、長さ3μm）をフォトニック結晶基板の上に分散し、さらに、AFMマニピュレーションによって、上記のトレンチ１−ｃの中に埋め込む。トレンチ１−ｃ内のナノワイヤ３−ｃの位置をAFMマニピュレーションにより調整した後、DPNリソグラフィを使って、接着剤となるOCDレジスト４−ｃをナノワイヤ３−ｃに付着させて、ナノワイヤ３−ｃをトレンチ１−ｃ内で固定する。
【００３８】
図５に、本発明の第１の実施形態における、共振波長に対する強度を表す発光スペクトルを示す。ナノワイヤ３−ｃの埋め込み前後における、単純線欠陥導波路の透過スペクトルを比較した結果、ナノワイヤ３−ｃの埋め込みによって単純線欠陥上に共振器が形成されたことが確認される。フォトニック結晶上面からの励起光照射によるナノワイヤ３−ｃからの発光を、フォトニック結晶構造を持たない基板上に配置されたナノワイヤ３−ｃからの発光と比較した結果、フォトニック結晶共振器により提供される共振モードとのカップリングにより、発光スペクトルの狭線化と、発光レートの増大、ピーク強度の増加が、図５により確認される。
【００３９】
図６に、本発明の第１の実施形態により作成した発光素子の発光を示す写真を２枚示す。左側がフォトニック結晶を上から見た上面図、右側がフォトニック結晶の線欠陥部分の断面図である。
【００４０】
本発明によれば、作製精度が得やすい材料でフォトニック結晶骨格材料を作製し、任意の発光材料を埋め込むことが可能となり、発光素子の作製を容易に行うことが可能となる。
【実施例２】
【００４１】
（ナノワイヤ横位置の微調整によるQ値チューニング・共振波長チューニング）  
図７に、本発明の第２の実施形態を表し、トレンチ１−ｄに埋め込むナノワイヤ３−ｄを設置する位置を変える本発明の構成を示す。
【００４２】
さらに、第１の実施形態と同じSOI基板上のフォトニック結晶を用いて、ナノワイヤ３−ｄを設置する位置を、トレンチ１−ｄの幅方向に変化させたナノワイヤ３−ｄを上記と同様に、単純線欠陥上のトレンチ１−ｄに埋め込む。トレンチ１−ｄの幅 150 nmに対して、ナノワイヤ３−ｄの位置をトレンチ１−ｄの幅方向に変化させたところ、図８に示すように、ナノワイヤ３−ｄの位置に従って共振器のQ値が変化することが確認される（●印）。
【００４３】
本発明によれば、共通のトレンチ付きフォトニック結晶基板を用いて、ナノワイヤ３−ｄの位置制御によりQ値を変化させることができ、目的の特性をもったデバイスをオンデマンドで提供することが可能となる。
【００４４】
さらに、図８は、本発明の第２の実施形態における、トレンチ１−ｄに埋め込むナノワイヤ３−ｄを設置する位置を変えることにより、共振波長をチューニングできることを示している（○印）。上記のQ値チューニングのケースと同様に、本発明によれば、共通のトレンチ付きフォトニック結晶基板を用いて、ナノワイヤ３−ｄの位置制御により共振波長を変化させることができ、目的の特性をもったデバイスをオンデマンドで提供することが可能となる。
【実施例３】
【００４５】
（ナノワイヤ交換による共振波長チューニング・Q値チューニング）  
図９に、本発明の第３の実施形態を表し、単純欠陥線上のトレンチ１−ｅに異なる長さのナノワイヤ３−ｅを埋め込んだ本発明の構成を示す。
【００４６】
第１の実施形態と同じフォトニック結晶基板（トレンチ付き）を用いて、長さを変えたナノワイヤ３−ｅを単純線欠陥上のトレンチ１−ｅに埋め込む。フォトニック結晶の構造パラメータ、ナノワイヤ３−ｅの構造パラメータは、図１０、図１１に示すとおりである。図１０中（□印）のプロットが示すように共振波長がナノワイヤ長さ依存性をもつことが確認され、同一のフォトニック結晶基板（トレンチ付き）を使って、異なる長さのナノワイヤ３−ｅを埋め込むことにより、共振器の波長が異なる共振器が形成されたことが確認される。
【００４７】
また、第１の実施形態と同じフォトニック結晶基板（トレンチ付き）に対して、長さを変えたナノワイヤ３−ｅを単純線欠陥上のトレンチ１−ｅに埋め込んだところ、図１１中（○印）のプロットが示すように共振器のQ値がナノワイヤ長さ依存性をもつことが確認され、同一のフォトニック結晶基板（トレンチ付き）を使って、異なる長さのナノワイヤ３−ｅを埋め込むことにより、共振器のQ値が異なる共振器が形成されたことが確認される。
【００４８】
本発明によれば、ナノワイヤ３−ｅをフォトニック結晶構造内のトレンチ１−ｅに埋め込むことによって、フォトニック結晶骨格材料を変化させることなく、また、精度が要求される周期構造作製プロセスに影響を与えることなく、発光波長や共振器のQ値が異なるフォトニック結晶素子を提供することが可能となる。
【実施例４】
【００４９】
（ナノワイヤ埋め込み深さによる共振波長チューニング・Q値チューニング）  
図１２に、本発明の第４の実施形態を表し、AFMマニピュレーションによりトレンチ１−ｆ内をトレンチ１−ｆ長さ方向にトレンチ１−ｆ底面の斜面に沿って移動が可能なナノワイヤ３−ｆを示す。
【００５０】
第１の実施形態と同様のプロセスにより、単純線欠陥を有するフォトニック結晶基板を作製する。単純線欠陥上にグレイスケール電子ビーム露光技術を用いて、底面が斜面となるトレンチ１−ｆを形成する。AFMマニピュレーションによって、InAs-InPナノワイヤ３−ｆをトレンチ１−ｆに埋め込む。フォトニック結晶の構造パラメータ、ナノワイヤ３−ｆの構造パラメータは、図１３、図１４に示すとおりである。このナノワイヤ３−ｆは、AFMマニピュレーションによりトレンチ１−ｆ内をトレンチ１−ｆの長さ方向にトレンチ１−ｆの底面の斜面に沿って移動が可能であり、移動とともに埋め込み深さを変化させることができる。図１３のように、それぞれの埋め込み深さにおいて、共振器の波長を測定し、埋め込み深さに応じて共振器の波長が変化していることを確認する。
【００５１】
ナノワイヤ３−ｆの一つを選び、上記の手法によって埋め込み深さを変化させながら、第１の実施形態と同様に励起光を照射してナノワイヤ３−ｆからの発光を評価したところ、特定の深さに埋め込まれたときのみ、このナノワイヤ３−ｆの発光ピークとフォトニック結晶共振器の共振波長が合致して、発光スペクトルの狭線化とピーク強度の増加、自然放出レートの増大が確認することを確認される。
【００５２】
本発明によって、斜面をもつトレンチ１−ｆの中でナノワイヤ３−ｆを動かすことにより、それぞれのナノワイヤ固有の発光ピーク波長と、フォトニック結晶中に形成される共振器の共振波長を容易にチューニングさせることが可能となる。
【００５３】
また、上記のスロープ型トレンチ構造中にナノワイヤ３−ｆを埋め込み、AFMマニピュレーションによりトレンチ１−ｆ内をトレンチ１−ｆの長さ方向にトレンチ１−ｆの底面の斜面に沿って移動させ、埋め込み深さを変化させたところ、図１４のように埋め込み深さに応じて共振器のQ値が変化していることが確認された。
【００５４】
本発明によって、斜面をもつトレンチ１−ｆの中でナノワイヤ３−ｆを動かすことにより、フォトニック結晶中に形成される共振器の共振特性を容易にチューニングさせることが可能となる。
【実施例５】
【００５５】
（結合共振器の作製）  
図１５に、本発明の第５の実施形態を表し、トレンチ１−ｇに１０本のナノワイヤ３−ｇを埋め込んだ本発明の構成を示す。
【００５６】
第１の実施形態と同じプロセスにより、単純線欠陥を有するフォトニック結晶基板を作製する。さらに、同様に単純線欠陥上に長さ20μmのトレンチ１−ｇを形成する。InAs-InPナノワイヤ３−ｇ（ワイヤ径50 nm、長さ2μm）を10本、トレンチ１−ｇに埋め込む。透過スペクトルを観測しながら、各ナノワイヤ３−ｇの間隔をAFMマニピュレーションにより変化させて、各共振器間の結合定数を調整したところ、図１６（ａ）のような透過スペクトルが得られ、1562.0 nm〜1564.0 nmの領域において、フラットな透過帯域を得ることができる。また、このサンプルにおいて、各ナノワイヤ３−ｇの間隔をAFMマニピュレーションにより変化させて、各共振器間の結合定数を調整したところ、前述のスペクトルとは異なる透過特性を有する、図１６（ｂ）のような透過スペクトルが得られる。
【００５７】
本発明によって、フォトニック結晶作製後に、透過スペクトルを観察しながら適切な結合強度を得ることができる他、共通のフォトニック結晶基板を用いて、異なる透過特性をもつ結合共振器をオンデマンドで作製することが可能となる。
【実施例６】
【００５８】
（ナノワイヤ長さによるQ値制御を行いやすいPhC（Photonic Crystal）構造、および、ナノワイヤ長さの揺らぎに対して安定なPhC構造）  
図１７に、本発明の第６の実施形態を表し、単純欠陥線上のトレンチ１−ｈに異なる長さのナノワイヤ３−ｈを埋め込んだ本発明の構成を示す。
【００５９】
さらに、第１の実施形態と同じSOI基板を用いて、PhC構造パラメータ（PhC周期、PhC周期孔径、PhCスラブ厚、トレンチ幅および深さ等）を変化させて、長さの異なるナノワイヤ３−ｈをトレンチ１−ｈに埋め込む。図１８および図１９中（○印・△印）の構造条件においてナノワイヤ３−ｈの長さを変えることにより、共振波長をほとんど変化させることなく、Q値のみを広い範囲でチューニングすることが可能である。一方、図１８および図１９中（▽印）の構造条件においては、ナノワイヤ３−ｈの長さを変えても、共振波長やQ値は安定しており、ナノワイヤ３−ｈの長さが揺らいだとしても一定の特性を提供できることを見出す。
【００６０】
このように、ナノワイヤ３−ｈの埋め込みによる共振器形成においては、PhC構造パラメータを変化させることによって、Q値の安定性を制御し、また、ナノワイヤ３−ｈの長さによるQ値変化の度合いを制御することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、フォトニック結晶共振器の作製に関するものである。
【符号の説明】
【００６２】
１−ａ，１−ｂ，１−ｃ，１−ｄ，１−ｅ，１−ｆ，１−ｇ，１−ｈ  線欠陥上のトレンチ
２−ａ，２−ｂ，２−ｃ  二次元フォトニック結晶
３−ａ，３−ｂ，３−ｃ，３−ｄ，３−ｅ，３−ｆ，３−ｇ，３−ｈ  ナノワイヤ
４  ＯＣＤレジスト
【図１】
2014027168.tif 000003
【図３】
2014027168.tif 000004
【図５】
2014027168.tif 000005
【図７】
2014027168.tif 000006
【図８】
2014027168.tif 000007
【図１０】
2014027168.tif 000008
【図１１】
2014027168.tif 000009
【図１３】
2014027168.tif 000010
【図１４】
2014027168.tif 000011
【図１６】
2014027168.tif 000012
【図１８】
2014027168.tif 000013
【図１９】
2014027168.tif 000014
【図２】
2014027168.tif 000015
【図４】
2014027168.tif 000016
【図６】
2014027168.tif 000017
【図９】
2014027168.tif 000018
【図１２】
2014027168.tif 000019
【図１５】
2014027168.tif 000020
【図１７】
2014027168.tif 000021