(57)【要約】【課題】容易に作製可能であるとともに、十分な強度を有し、且つバンドギャップの方向依存性が改善された３次元フォトニック結晶を提供する。【解決手段】表面に凹凸を有する基板前記凹凸面上に屈折率が互いに異なる材料からなる膜を交互に積層させてなり、前記基板の凹部または凸部の配列が円座標系で定義される２次元周期性を有し、前記基板に平行な面内の少なくとも一部において、前記基板の凹部または凸部の配列に基づく屈折率の変化のパターンを有し、且つ前記基板に垂直な面内の少なくとも一部において、前記膜の交互積層に基づく屈折率の変化のパターンを有するフォトニック結晶である。【選択図】　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に凹凸を有する基板の該凹凸面上に屈折率が互いに異なる材料からなる膜を交互に積層させてなり、前記基板の凹部または凸部の配列が円座標系で定義される２次元周期性を有し、前記基板に平行な面内の少なくとも一部において、前記基板の凹部または凸部の配列に基づく屈折率の変化のパターンを有し、且つ前記基板に垂直な面内の少なくとも一部において、前記膜の交互積層に基づく屈折率の変化のパターンを有するフォトニック結晶。
【請求項２】
前記基板の凹部または凸部の配列が、回転対称性を有する配列である請求項１に記載のフォトニック結晶。
【請求項３】
前記屈折率が互いに異なる材料からなる膜を交互に積層させる過程の少なくとも一部において、バイアススパッタを行う、またはスパッタデポジッションとスパッタエッチングを交互に行う請求項１または２に記載のフォトニック結晶。
【請求項４】
前記屈折率の異なる材料がＳｉＯ２およびＴａ２Ｏ５である請求項１〜３のいずれか１項に記載のフォトニック結晶。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のフォトニック結晶と、前記フォトニック結晶の表面にある光の入力口および出力口と、前記フォトニック結晶の前記基板に平行な面内の屈折率の変化のパターンを不完全にする欠陥領域とを有し、前記欠陥領域が、前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップにより伝搬不可能な光を、前記入力口から前記出力口へと導く光導波路として機能する光導波素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニック結晶、およびこれを用いた光導波素子の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
全立体角に同一エネルギーのフォトニックバンドギャップ（３次元フルバンドギャップ）を形成することができれば、例えば、半導体レーザーの効率が格段に向上するとの考えが提案された（例えば、非特許文献１参照）。それ以降、３次元フォトニック結晶の製作法に関して、種々の提案がされている。例えば、半導体結晶に３方向から円柱を空けることで作製したフォトニック結晶が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。また、半導体の４角柱を井桁に組むことによって作製されたフォトニック結晶も提案されている（例えば、非特許文献３および４参照）。また、成長と孔空け加工を交互に繰り返すことで作製されるフォトニック結晶についても提案されている（例えば、非特許文献５参照）。
【０００３】
これらの構造は、バンド端におけるバンドギャップの幅を大きくする為、すべて空気（屈折率１．０）を構成要素としている。しかし空気を構成要素とすると、製作の困難さの増大、強度の低下、空気中の酸素による劣化等の問題が生じ、これらの問題がこれらの３次元フォトニック結晶の実用化を阻害してきた。
【０００４】
これに対し、構成要素として空気を用いずに、スパッタ成長とスパッタエッチングを併用したオートクローン技術により、２種の屈折率の異なる材料からなる３次元フォトニック結晶を作製する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。例えば、低屈折率材料としてＳｉＯ２（屈折率１．４）、高屈折率材料としてＴａ２Ｏ５を使用して、前記方法により作製した３次元フォトニック結晶について考えてみる。図１２（ａ）中、「○」（白丸）は基板に孔開けを行った位置の一部を示している。白丸の位置は面内において３角格子を構成し、Ｍ及びＫは３角格子の各方向を示す。図１２（ｂ）は、各孔の断面図を示す。格子（孔）間距離を５００ｎｍ程度、孔の深さを３００ｎｍ程度と仮定する。上記方法は、この孔空け基板上に、上記２種の材料を高周波スパッタリング法により積層させるとともに、部分的にその高周波によりエッチングを進行させることで、上記３次元フォトニック結晶を作製する方法であり、基板上の２次元周期性に基づく屈折率の変化を失うことなく多数積層体を作製し、基板に平行な面内において屈折率が周期的に変化する３次元構造体を作製する方法である。この方法は、空気を構成要素としてない、充分な強度を有する３次元フォトニック結晶を容易に作製できる点で有用である。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｅ．　Ｙａｂｌａｎｏｖｉｔｃｈ，　Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔｅｒｓ，　ｖｏｌ．　５８，　ｐ．２０５７，　１９８７
【非特許文献２】
Ｅ．　Ｙａｂｌａｎｏｖｉｔｃｈ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．　Ｌｅｔｔ．，　ｖｏｌ．　６７，　ｐ．２２９５，　１９９１
【非特許文献３】
Ｅ．　Ｏｚｂａｙ　ｅｔ　ａｌ．，　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　Ｌｅｔｔ．，　ｖｏｌ．　６４，　ｐ．２０５９，　１９９４
【非特許文献４】
Ｓ．　Ｙ．　Ｌｉｎ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｎａｔｕｒｅ，　ｖｏｌ．　３９４，　Ｐ２５１，　１９９８
【非特許文献５】
Ｓ．　Ｆａｎ，　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　Ｌｅｔｔ．，　ｖｏｌ．　６５，　１４６６，　１９９４
【特許文献１】
特開平１０−３３５７５８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本発明者が、前記方法により作製した構造体について、種々の方向から入射した光のエネルギーを、計算により求めたところ、この構造体には、全方向に同一エネルギーのバンドギャップが存在しないことがわかった。上記の方法により作製した構造体について、該構造体に入射した光のエネルギーを計算により求めた。結果を図１３に示す。また、図１３の下部に、光の入射方向を示す模式図を示した。図中、ｃは前記オートクローニング技術により作製した構造体の、逆格子ベクトル空間での第一ブリルアン帯の形を示し、Ａ、Ｌ、ＫおよびＭは、光の入射方向を示す。ＫおよびＭは基板の表面に対して平行な面内の方向であり、図１２（ａ）中の各々と同一の方向を示す。Ａは基板に対して垂直な方向であり、ＬはＡとＭとの交点である。図１３に示すグラフの横軸は、構造体中に入射した光の各方向の運動量を示し、縦軸は格子定数ａで規格化した出射光のエネルギーを示す。
【０００７】
Ｍ方向及びＫ方向におけるエネルギーギャップの位置を、図１３中に各々矢印で示した。それぞれのエネルギーギャップは非常に小さく、また、その値も異なっている。Ｍ方向とＫ方向ではバンド端のエネルギーが異なり、かつバンドギャップの幅が小さいので、Ｍ方向とＫ方向では共通のエネルギーギャップが存在しないことがわかる。
なお、グラフ中矢印で示したのは、基板に対して偏光面が垂直な偏光についてのバンドギャップであるが、偏光面が基板に対して平行である偏光についても同様の計算をした結果も図１３に示してある。偏光面が基板に対して平行である偏光については、上記結果とほぼ同様のエネルギー曲線が得られたが、同一のＭ方向及びＫ方向においても、偏光面の違いによってバンドギャップの位置に若干の差が生じ、高いエネルギー側に移動していた。従って、自然光が入射した場合には、よりバンドギャップの重なりは生じないものと考えられる。
【０００８】
上記方法により作製された３次元フォトニック結晶は、実験的にも、Ｍ方向とＫ方向で反射スペクトルに現れるピーク位置が異なることが実証されている。このためこのような３次元フォトニック結晶では、基板に平行な面内ですら、全方向に同一エネルギーのバンドギャップが存在しない。
【０００９】
本発明は前記諸問題に鑑みなされたものであって、容易に作製可能であるとともに、十分な強度を有し、且つバンドギャップの方向依存性が改善された３次元フォトニック結晶を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様は、表面に凹凸を有する基板の該凹凸面上に屈折率が互いに異なる材料からなる膜を交互に積層させてなり、前記基板の凹部または凸部の配列が円座標系で定義される２次元周期性を有し、前記基板の凹部または凸部の配列に基づく屈折率の変化のパターンを有し、且つ前記基板に垂直な面内の少なくとも一部において、前記膜の交互積層に基づく屈折率の変化のパターンを有するフォトニック結晶である。
【００１１】
本発明の好ましい態様は、前記基板の凹部または凸部の配列が、回転対称性を有する配列である上記フォトニック結晶；前記屈折率が互いに異なる材料からなる膜を交互に積層させる過程の少なくとも一部において、バイアススパッタを行う、またはスパッタデポジッションとスパッタエッチングを交互に行う上記フォトニック結晶；前記屈折率が互いに異なる材料からなる膜を交互に積層させる過程の少なくとも一部において、スパッタリングとエッチングを順次行う上記フォトニック結晶；前記屈折率の異なる材料がＳｉＯ２およびＴａ２Ｏ５である上記フォトニック結晶；である。
【００１２】
また、本発明の他の態様は、上記フォトニック結晶と、前記フォトニック結晶の表面にある光の入力口および出力口と、前記フォトニック結晶の前記基板と平行な面内の屈折率の変化のパターンを不完全にする欠陥領域とを有し、前記欠陥領域が、前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップにより伝搬不可能な光を、前記入力口から前記出力口へと導く光導路として機能する光導波素子である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のフォトニック結晶について説明する。
本発明のフォトニック結晶は、表面に凹凸を有する基板の該凹凸面上に屈折率が互いに異なる材料からなる膜を交互に積層させてなる。前記基板の凹部または凸部の配列は円座標系で定義される２次元周期性を有する。ここで、「円座標系で定義される周期性」とは、円座標空間内に、同一の基本構造が繰り返し配列している状態をいう。例えば、任意の点を中心として一定の角度だけ回転した位置に繰り返し同一の配列が現れる構造を有する周期性が含まれる。例えば、１８０°回転するごとに同一の構造単位が繰り返し現れる２回転対称性を有する周期性、１２０°回転するごとに同一の構造単位が繰り返し現れる３回転対称性を有する周期性、９０°回転するごとに同一の構造単位が繰り返し現れる４回転対称性を有する周期性等、種々の周期性が挙げられる。また、３６０°回転しないと同一の構造単位が繰り返されない１回対称性を有する周期性もこれに含まれる。図１（ａ）〜（ｄ）に、３回転対称性、４回転対称性、５回転対称性および６回転対称性の配置を、図２に１回転対称性の配置をそれぞれ示す。いずれも本発明に適用可能である。
【００１４】
前記基板には、前記周期性を有する位置（例えば、図１（ａ）〜（ｄ）および図２の「○」の位置）に凹部を形成してもよいし、凸部を形成してもよい。凹部および凸部は、電子ビームリソグラフィーおよびドライエッチング法等により形成することができる。凹部および凸部の形状については特に制限されないが、通常は、その断面が円形であるのが好ましい。凹部および凸部直径および孔の中心間隔は、対象とする光の波長に応じて決定することができる。例えば、可視光および近赤外光を対象とする場合は、凹部または凸部の直径は１００〜２５０ｎｍ程度、孔の中心間隔は２００〜５００ｎｍ程度にする。
【００１５】
基板としては、石英基板、化合物半導体基板等を用いることができる。また、基板は１つの材料から構成されている必要はなく、積層構造体等、２種以上の材料からなっていてもよい。例えば、石英基板や化合物半導体基板上に、ＳｉＯ２等からなる膜を形成し、該膜に凹部または凸部を形成したものも、本明細書においては「基板」と称する。
【００１６】
次に、凹部または凸部を形成した基板上に、屈折率が互いに異なる材料からなる膜を交互に積層する。前記基板の凹部または凸部の配列は、通常、膜を複数積層することにより失われる傾向にあるが、本発明では、前記基板の凹部または凸部の配列に基づいて、前記基板と平行な面内において屈折率の変化のパターンが形成されるように積層する。かかる屈折率の変化のパターンを形成するためには、多数膜の積層の過程の一部において、バイアススパッタを行う、またはスパッタデポジッションとスパッタエッチングを交互に行うのが好ましい。バイアススパッタとは、基板上にイオン化させた物質の気体を付着および析出させて成膜するスパッタデポジッションの工程と、基板上に形成された膜の表面から粒子を飛散させてエッチングするスパッタエッチングの工程とを同時に行う方法をいう。
【００１７】
図３に、本発明のフォトニック結晶を作製するのに使用可能な、バイアススパッタ装置の一例の模式図を示す。
図３に示すバイアススパッタ装置１０は、チャンバー（不図示）内に所定のガスを導入するガス導入管１２ａと、リーク時にガスを導入するためのガス導入管１２ｂと、チャンバー内のガスを排出する排出管１４とを備える。ターゲット１６は、整合器２０ａを介して高周波電源１８ａに接続され、高周波電圧を印加可能になっている。ターゲット１６の被ターゲット面は、チャンバー内に露出し、チャンバー内に基板ホルダー２２によって保持されている基板２４と対向配置される。基板ホルダー２２は少なくとも基板２４との接触面が誘電体からなり、整合器２０ｂを介して接続されている高周波電源１８ｂから、基板２４に電圧を印加可能になっている。また、チャンバー内は、内圧調整バルブ２６によって、内部の圧力が調整可能に構成されている。さらに、チャンバー内には、基板２４とターゲット１６との間の空間を仕切るシャッター２８がスライド可能に支持されていて、必要に応じて、基板２４およびターゲット１６からの粒子が各々の対向面に付着するのを遮蔽できるようになっている。電圧の印加によって温度が上昇するのを抑制するために、基板ホルダー２２やターゲット１６の保持具の内部に冷却水を循環させてもよい。
【００１８】
チャンバー内にアルゴン等の不活性ガスを導入し、高周波電源１８ａからターゲット１６に電圧を印加すると、チャンバー内の空間にはプラズマが生成する。プラズマ中の陽イオンはターゲット１６の表面に衝突して、ターゲット物質は飛散して、対向配置された基板２４の表面に堆積する。即ち、基板２４へのスパッタデポジッションが進行する。その結果、基板２４の表面にターゲット物質からなる膜が形成される。
一方、ターゲット１６に電圧を印加せず、基板２４に対してのみ電圧を印加することにより、基板２４の表面にプラズマ中の陽イオンを衝突させて基板２４のスパッタエッチングのみを進行させることができる。このスパッタエッチングを進行させることにより、膜の形状を整えることができ、前記基板の凹部または凸部の配列を維持することができる。なお、基板２４のスパッタエッチングの際、基板２４から飛散した粒子がターゲットの表面を汚染しない様に、シャッター２８によって基板２４側とターゲット１６側の空間を遮蔽するのが好ましい。
【００１９】
次に、異なる材料からなるターゲットを用いて、再び、スパッタデポジッションを実施することにより、異なる材料からなる膜を積層することができる。材料に応じて、スパッタデポジッション工程の後、スパッタエッチングを実施することなく、他方の材料のスパッタデポジッション工程を実施することもできるが、基板表面の凹凸を維持したま膜を多数積層していくためには、少なくとも一部において、スパッタデポジッションとスパッタエッチングを交互に行うのが好ましい。
【００２０】
バイアススパッタでは、ターゲット１６に電圧を印加するとともに、基板２４に高周波電源１８ｂから電圧を印加し、基板２４にプラズマに対して電位を与える。その結果、プラズマ中の陽イオンは基板２４の表面に衝突し、基板２４の表面はエッチングされるととともに、ターゲット物質の堆積による成膜が進行する。バイアススパッタを行うことにより、積層される膜の形状を整え、前記基板の凹部または凸部の配列を維持することができる。
次に、異なる材料からなるターゲットを用いて、バイアススパッタを実施することにより、またはスパッタデポジッションを実施することにより、異なる材料からなる膜を積層することができる。バイアススパッタの後に、スパッタエッチングのみを行ってから、他の材料からなるターゲットを用いてバイアススパッタリングまたはスパッタデポジッションを行うこともできる。この様にして、バイアススパッタの条件や、その後、引き続き実施するスパッタデポジッションおよび／またはスパッタエッチングの条件を調整することにより、基板表面の凹凸を維持したまま、膜を多数積層することができる。
【００２１】
バイアススパッタにより、またはスパッタデポジッションとスパッタエッチングの交互実施により、多層膜を堆積するプロセスにおいて、条件を最適化し、凹凸を持った表面性状を維持しつつ多層膜を形成する方法をオートクローニング方法という。バイアススパッタ法およびオートクローニング法については、特開平１０−３３５７５８号公報、Ｓ．　Ｋａｗａｋａｍｉ，　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．　Ｌｅｔｔ．，　ｖｏｌ．，　ｐ．　１２６０，　１９９７；　Ｏｈｔｅｒａ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．　Ｌｅｔｔ．，　ｖｏｌ．　３５，　ｐ．　１２７１，　１９９９；等に詳細が記載されていて、該公報および文献に記載されている条件および装置等を、本発明に適用することができる。
【００２２】
本発明者は、特願２００２−２３７０５８号明細書において、円座標系で定義される周期性を持って屈折率が変化する構造体は、特定の波長の光に対してフォトニックバンドギャップを形成するフォトニック結晶として作用すること、及び該フォトニック結晶は、従来の並進対称性の周期性により屈折率が変化するフォトニック結晶と比較して、フォトニックバンドギャップの方向依存性が軽減されることを示している。本発明のフォトニック結晶は、基板の凹凸の配列に基づく周期性、即ち、円座標系で定義される周期性の配列に基づく屈折率の変化パターンを、基板と平行な面内に有する。従って、図１２に示す、凹凸の配列が並進対称性を有する基板を用いて同様に作製された構造体が示すフォトニックバンドギャップと比較して、その方向依存性が軽減されると推測できる。即ち、図１３に示した計算結果では、Ｋ方向およびＭ方向において、フォトニックバンドギャップの位置に重なりがないが、本発明のフォトニック結晶では、基板に水平な面内においていずれの方向から入射した光に対しても、互いに重なりのあるフォトニックバンドギャップを形成するものと推測できる。勿論、図１３に示した計算結果においてもバンドギャップに重なりのある、Ａ方向とＫ方向とでは、本発明のフォトニック結晶においてもバンドギャップに重なりがあるものと考えられる。
【００２３】
本発明では、屈折率が互いに異なる材料からなる膜を交互に積層させる。通常、フォトニック結晶において、屈折率の変化は２値であり、２値の屈折率の差が大きい程、フォトニックバンドギャップ幅が大きくなるので好ましい。屈折率は材料に固有であり、屈折率２以上の高屈折率材料として、ダイヤモンド（２．４１）、Ｓｉ（３程度）、Ｔｉ０２（２．６）、Ｔａ２Ｏ５（２．３）等；低屈折率材料として、ＳｉＯ２、光学ガラス等；が挙げられる。従来のフォトニック結晶では、フォトニックバンドギャップの方向依存性を軽減するために、前述した様に、フォトニックバンドギャップ幅を大きく確保する必要があったため、最も屈折率の低い空気からなる領域（例えば、孔、空隔等）と、高屈折率の材料からなる領域とから構成されたものが多かった。そのため強度が低く、用途が制限される等の不都合、および材料が制限されることによる作製上の不都合があった。本発明のフォトニック結晶では、高屈折率領域としてＴａ２Ｏ５等の材料を用いて構成し、低屈折率領域として空気以外の、例えばＳｉＯ２等の低屈折材料を用いて構成することによっても、完全フォトニックバンドギャップの形成が可能である。
【００２４】
本発明のフォトニック結晶において、基板の表面に形成された凹部または凸部の周期と、基板の表面に対して垂直方向に積層される膜の周期（即ち、膜の厚さであって、互いに屈折率の異なる材料からなる膜の厚さの合計が１周期となる）は、同程度とするのが好ましい。その周期は、特に制限されず、遮蔽対象となる光の波長に応じて、決定することができる。例えば、可視光や近赤外光の遮蔽を目的とする場合は、屈折率変化の周期を可視光や近赤外光の波長と同程度にすればよい。
【００２５】
本発明のフォトニック結晶は、光導波素子に適用することができる。
本発明の光導波素子は、本発明のフォトニック結晶と、前記フォトニック結晶の表面にある光の入力口および出力口と、前記フォトニック結晶の前記基板と平行な面内の屈折率の変化のパターンを不完全にする欠陥領域とを有し、前記欠陥領域が、前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップにより伝搬不可能な光を、前記入力口から前記出力口へと導く光導波路として機能する光導波素子である。
【００２６】
本発明の光導波素子は、凹部または凸部が円座標系の周期性の配列に形成されているとともに、該周期性を不完全にする欠陥領域を有する基板を用いて、該凹凸面上に、屈折率の異なる材料からなる膜を交互に積層することによって作製することができる。前記欠陥領域を有する基板は、例えば、図１（ａ）〜（ｄ）に示した位置に並んでいる凹部または凸部のうち、１個以上の凹部または凸部を形成しないことにより、作製することができる。
【００２７】
本実施の形態に使用可能な欠陥領域を有する基板の例を図４〜７に示す。図４〜７は、基板の一部の上面図であり、「○」は凹部または凸部の位置を示す。
図４は、基板上に５回転対称性の位置（図中「○」の位置）に凹部または凸部を形成するとともに、２つの５回転対称軸と円周との交点（点ＳＬ０と点ＳＬ２）を円の中心点ＳＬ１を介して繋いだ領域内には、予定された凹部または凸部を形成せずに、欠陥領域とした態様である。
図５は、基板上に５回転対称性の位置（図中「○」の位置）に凹部または凸部を形成するとともに、円周上の点ＳＬ２および点ＳＬ４と、点ＳＬ０とを円の中心点ＳＬ１を介してそれぞれ繋いだ領域内には、予定された凹部または凸部を形成せずに、欠陥領域とした態様である。
図６は、５本の５回転軸上には、予定された凹部または凸部を形成せずに、５つの欠陥領域を形成した態様である。即ち、円周上の点ＳＬ０、ＳＬ２、ＳＬ３、ＳＬ４およびＳＬ５と、中心点ＳＬ１を介してそれぞれ繋いだ領域を、欠陥領域とした態様である。
図７は、図４で形成した欠陥領域と同様であるが、図２のように点ＳＬ０〜点ＳＬ２に至る領域の全ての位置に凹部または凸部を形成しないのではなく、予定された凹部または凸部を一つおきに形成しないことで、欠陥領域とした態様である。
【００２８】
図４〜７の基板を用いて、前述の方法により、好ましくはバイアススパッタ、もしくはスパッタデポジッションとスパッタエッチングの交互実施により、屈折率の異なる材料からなる膜を交互に積層することによって、前記基板に平行な面内には、円座標系で定義される周期性により屈折率が変化するとともに、前記基板の欠陥領域上には、該基板に平行な面内の屈折率の変化のパターンを不完全にする（乱す）領域が形成される。その結果、該基板に対して垂直に入射した光に対して、該領域は光導波路として機能し、フォトニックバンドギャップにより伝搬不可能な光は、該光導波路に閉じ込められて、その進行方向が制御される。
【００２９】
本発明のフォトニック結晶は、上記した様に、電磁波の制御に利用することができ、光の進行方向を制御する光導波素子として好ましく利用できる。さらに、本発明のフォトニック結晶を利用した光導波素子は、例えば、３次元光回路、光学デバイス、発光デバイス等に利用することができる。本発明のフォトニック結晶は、完全フォトニックバンドギャップを形成するので、例えば、発光デバイスに利用した場合、発光効率を飛躍的に向上させることが期待される。
【００３０】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、試薬、割合、操作等は、本発明の精神から逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例に制限されるものではない。
【００３１】
Ｉｎｐ基板上にＳｉＯ２膜を形成し、さらに該ＳｉＯ２膜に、電子線リソグラフィーの技術を用い円座標配置（６回回転対称性の配置）の孔（直径２００ｎｍ、深さ２００ｎｍ）開けを行った。図８に、基板の表面の電子顕微鏡写真を示す。この基板上にオートクローン技術を用い、面内の円座標配置を保持しつつ基板面に垂直にＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５を交互に各々２０５ｎｍと２００ｎｍの厚さで、２０層積層し（１周期の長さ約５００ｎｍで、２０周期）、３次元円座標フォトニック結晶を作製した。作製には、図３と同様の構成のバイアススパッタリング装置を用いた。ＳｉＯ２のスパッタデポジッション、ＳｉＯ２のスパッタエッチング、およびＴａ２Ｏ５のスパッタデポジッションを下記表１に示す条件で、順次２０回繰り返すことによって作製した。
なお、ＳｉＯ２およびＴａ２Ｏ５の膜形成において、例えば、ＳｉＯ２については１８ａを４００Ｗ及び１８ｂを２００Ｗに設定し、Ｔａ２Ｏ５については、１８ａを４００Ｗ及び１８ｂを０Ｗに設定して、バイアススパッタを実施した場合も、諸条件を調整することでオートクローン膜を形成できるものと考えられる。
【００３２】
【表１】
2004109737.tif 000002
【００３３】
図９に、作製した３次元円座標フォトニック結晶の表面（最上層表面）のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）像を示す。図９に示すＡＦＭ像から、積層後も、基板表面の凹部の円座標配置は維持されていることがわかる。
また、このフォトニック結晶の断面のＳＥＭ像を図１０に示す。この像で上方向が基板に垂直な膜成長方向である（以下、同様である）。図１０のＳＥＭ像では、周期構造が３次元的に維持されている様子が見られる。
また、図１１には、一部に前記と同様にして円座標配置の孔を形成した基板を用い、前記と同様に基板面に垂直にＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５を交互に各々２０５ｎｍと２００ｎｍの厚さで、２０層積層して得た構造体のＳＥＭ像である。円座標のパターンが形成された部分（像の向かって左半分）は３次元周期となり、パターンが無い場所では、単なる基板面に垂直な薄膜の積層となっている様子が見られる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、容易に作製可能であるとともに、十分な強度を有し、且つバンドギャップの方向依存性が改善された３次元フォトニック結晶を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に使用可能な基板の、凹部または凸部の配列例を示す図である。
【図２】本発明に使用可能な基板の、凹部または凸部の配列例を示す図である。
【図３】本発明のフォトニック結晶の作製に使用可能なバイアススパッタ装置の一例の模式図である。
【図４】本発明に使用可能な基板の、凹部または凸部の配列例および欠陥領域を示す図である。
【図５】本発明に使用可能な基板の、凹部または凸部の配列例および欠陥領域を示す図である。
【図６】本発明に使用可能な基板の、凹部または凸部の配列例および欠陥領域を示す図である。
【図７】本発明に使用可能な基板の、凹部または凸部の配列例および欠陥領域を示す図である。
【図８】実施例に用いた基板表面の電子顕微鏡像である。
【図９】実施例で作製した本発明のフォトニック結晶の表面の原子間力顕微鏡像である。
【図１０】実施例で作製したフォトニック結晶の断面図のＳＥＭ写真である。
【図１１】実施例で作製したフォトニック結晶の断面図のＳＥＭ写真である。
【図１２】オートクロー技術を利用した従来の構造体を模式的に示した図であり、（ａ）は並進対称性の配列を示す模式図、および（ｂ）は孔の断面模式図である。
【図１３】オートクローン技術を利用した従来の構造体について、光の入射角度を種々変化させた際の出射光のエネルギーの計算結果を示したグラフである。
【符号の説明】
１０　　バイアススパッタ装置
１２ａ、１２ｂ　　ガス導入管
１４　　排出管
１６　　ターゲット
１８ａ、１８ｂ　　高周波電源
２０ａ、２０ｂ　　整合器
２２　　基板ホルダー
２４　　基板
２６　　内圧調整バルブ
２８　　シャッター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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