(57)【要約】【課題】表面発光効率に優れており、発光波長を単色光に近くなるように制御できる表面発光素子を提供する。また、光が素子の表面に出射され、単色光で鋭く発光する表面発光素子を製造する方法を提供する。さらに、本発明の表面発光素子を用いる光電子素子を提供する。【解決手段】第１誘電体層１０と、該第１誘電体層１０の上部に形成された第２誘電体層２０と、を含み、前記第２誘電体層２０の表面に２次元格子状の多数のエアホールが形成された２次元スラブ型光結晶構造と、前記エアホールの内壁に形成された発光物質層３０と、前記光結晶構造の側面に光を照射する光ポンピング手段と、を含んで表面発光素子を構成する。【選択図】図１Ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１誘電体層と、該第１誘電体層の上部に形成された第２誘電体層と、を含み、前記第２誘電体層の表面に２次元格子状の多数のエアホールが形成された２次元スラブ型光結晶構造と、
前記エアホールの内壁に形成された発光物質層と、
前記光結晶構造の側面に光を照射する光ポンピング手段と、を含むことを特徴とする表面発光素子。
【請求項２】
前記光結晶構造の第１誘電体層の誘電率は、前記第２誘電体層の誘電率より低いことを特徴とする請求項１に記載の表面発光素子。
【請求項３】
前記エアホールの大きさ及び幾何学は、光結晶の光バンドギャップが発光物質層の発光材料の発光波長と一致するように調整されることを特徴とする請求項１または２に記載の表面発光素子。
【請求項４】
前記第２誘電体層のエアホールは、三角格子、四角格子、六角格子、ランダムパターン、及びこれら二つ以上の組み合わせのうち少なくとも一つで配列されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面発光素子。
【請求項５】
前記第１誘電体層は、ＳｉＯ２系セラミック、パイレックスガラス、石英ガラス、アクリル系樹脂からなる群から選択される材料で構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の表面発光素子。
【請求項６】
前記第１誘電体層は、７以下の比誘電率を有する材料で構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の表面発光素子。
【請求項７】
前記第２誘電体層は、ＢａＯ−Ｎｄ２Ｏ３−ＴｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯ２−ＣｕＯ系セラミック、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２系セラミック、ＴｉＯ２系セラミック、ＢａＯ−Ｂｉ２Ｏ３−Ｎｄ２Ｏ３−ＴｉＯ２系セラミック、ＢａＯ−Ｂｉ２Ｏ３−Ｎｄ２Ｏ３−ＴｉＯ２−ＳｒＴｉＯ３系セラミック、ＢａＯ−ＰｂＯ−Ｎｄ２Ｏ３−ＴｉＯ２系セラミック、Ｂａ（Ｚｎ、Ｎｂ）Ｏ３系セラミック、ＢａＴｉ４Ｏ９系セラミック、（Ｚｒ、Ｓｎ）ＴｉＯ４系セラミック、Ｂａ（Ｚｎ、Ｔａ）Ｏ３系セラミック、Ｂａ（Ｍｇ、Ｔａ）Ｏ３系セラミックおよびＭｇＴｉＯ３−ＣａＴｉＯ３系セラミックからなる群から選択される材料で構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の表面発光素子。
【請求項８】
前記第２誘電体層は、２０以上の比誘電率を有する材料で構成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の表面発光素子。
【請求項９】
前記発光物質層は、量子点を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の表面発光素子。
【請求項１０】
前記量子点は、ＩＩ−ＶＩ族化合物、ＩＩ−Ｖ族化合物、ＩＩＩ−ＶＩ族化合物、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、ＩＶ−ＶＩ族化合物、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物、ＩＩ−ＩＶ−ＶＩ族化合物及びＩＩ−ＩＶ−Ｖ族化合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項９に記載の表面発光素子。
【請求項１１】
前記量子点は、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＳｉＣ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、ＦｅＰｔ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４、Ｓｉ、Ｇｅ及びこれら二つ以上の組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項９または１０に記載の表面発光素子。
【請求項１２】
前記量子点は、コア上にオーバーコーティングを含むコア−シェル構造であり、
前記コアは、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＳｉＣ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、ＦｅＰｔ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４、Ｓｉ、Ｇｅ及びこれら二つ以上の組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つの物質を含み、
前記オーバーコーティングは、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＳｅ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＴｌＮ、ＴｌＰ、ＴｌＡｓ、ＴｌＳｂ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ及びこれら二つ以上の組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つの物質を含むことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の表面発光素子。
【請求項１３】
前記光ポンピング手段は、発光ダイオードまたはレーザーダイオードであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の表面発光素子。
【請求項１４】
基板上に第１誘電体層を形成する段階と、
前記第１誘電体層上に、光結晶構造がパターニングされた第２誘電体層を形成する段階と、
パターニングされた光結晶構造上に高分子電解質をコーティングして高分子電解質層を形成する段階と、
前記高分子電解質層上に発光物質をコーティングして発光物質層を形成する段階と、を含む表面発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第１誘電体層を形成する段階は、ゾル−ゲル法、化学気相蒸着法、スパッタリング法によって行われることを特徴とする請求項１４に記載の表面発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記光結晶構造がパターニングされた第２誘電体層を形成する段階は、電子線リソグラフィ、レーザー干渉リソグラフィまたは紫外線フォトリソグラフィによって行われることを特徴とする請求項１４または１５に記載の表面発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記光結晶構造がパターニングされた第２誘電体層を形成する段階は、
前記第１誘電体層上に第２誘電体層を形成する段階と、
前記第２誘電体層上に感光膜を塗布する段階と、
前記感光膜を露光及び現像して感光膜パターンを得る段階と、
前記感光膜パターンをマスクとして化学的エッチングによって光結晶パターンを形成する段階と、を含むことを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の表面発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記化学的エッチングは、湿式エッチングまたは乾式エッチングであることを特徴とする請求項１７に記載の表面発光素子の製造方法。
【請求項１９】
前記高分子電解質をコーティングして高分子電解質層を形成する段階は、陽電荷または陰電荷からなる高分子電解質及びその塩から選択される高分子電解質をコーティングする段階であることを特徴とする請求項１４〜１８のいずれか１項に記載の表面発光素子の製造方法。
【請求項２０】
前記陽電荷からなる高分子電解質は、ポリアリルアミンまたはポリエチレンイミンであり、前記陰電荷からなる高分子電解質は、ポリアクリル酸またはポリスルホン酸であることを特徴とする請求項１９に記載の表面発光素子の製造方法。
【請求項２１】
前記発光物質をコーティングして発光物質層を形成する段階は、量子点分散溶液をドロップキャスティング、スピンコーティング、ディップコーティング、噴霧コーティング、フローコーティング、スクリーン印刷及びインクジェット印刷からなる群から選択される方法によってコーティングする段階であることを特徴とする請求項１４〜２０のいずれか１項に記載の表面発光素子の製造方法。
【請求項２２】
一対のミラーからなる外部共振器内には、請求項１〜請求項１３のうち何れか一つの表面発光素子を含むことを特徴とする光電子素子。
【請求項２３】
前記光電子素子は、表面発光レーザーであることを特徴とする請求項２２に記載の光電子素子。
【請求項２４】
前記表面発光レーザーは、表面発光素子のエアホール以外の部分に形成されたカットオフフィルターを含むことを特徴とする請求項２３に記載の光電子素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光結晶（ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ；フォトニック結晶とも称されている。）を用いた表面発光素子及びその製造方法に関するもので、一層詳しくは、２次元スラブ型の光結晶（ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｓｌａｂ  ｔｙｐｅ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ；スラブ型２次元フォトニック結晶とも称されている。）構造を含み、光結晶構造のエアホール内壁に量子点（ｑｕａｎｔｕｍ  ｄｏｔｓ）が形成され、この量子点の励起によって発光する表面発光素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光結晶は、互いに異なる屈折率または誘電率を有する２種類以上の物質が格子構造で規則的に配列されることを特徴とする。このように、互いに異なる屈折率を有する物質が規則的に配列されると、特定の周波数または波長を有する電磁気波の光結晶内部への伝播を防止する光バンドギャップが形成される。例えば、光結晶の光バンドギャップが可視光領域に形成され、光結晶に入射する光の周波数または波長が光バンドギャップに該当する場合、理論的に９９％以上の入射光が光結晶から反射される。その反対に、光バンドギャップ以外の周波数または波長を有する入射光は、ほとんど光結晶を透過する。それゆえ、光結晶は、光の制御を著しく高めるものとして期待され、次世代の光学装置のための物質として活発に研究されている。
【０００３】
光結晶の内部に空間（ｃａｖｉｔｙ）を生成した後、その空間に特定波長の光を発生させると、周囲を取り囲む光結晶壁にぶつかって継続して反射されるので、光をその空間に閉じ込められる。このように小さい空間に拘束された光は、増幅されて外部に出射されると、レーザーになる。さらに、光結晶の内部に複数の導波路を形成することで、その導波路に沿って光が移動する光集積回路を生成することもできる。
【０００４】
光結晶を用いた光バンドギャップ構造物質は、特に、マイクロレーザー、フィルター、高効率ＬＥＤ、光スイッチ、低損失ウェーブガイドなどの多様な光電子素子への応用可能性が非常に高いので、全世界的に活発に研究されている。
【０００５】
一例として、例えば、特許文献１には、光を閉じ込めるガイド部と、光繊維内の多数のホールと、ホール内の多数の量子点と、を含む光繊維が開示されている。このような光繊維においては、ホール内の量子点を励起させる励起光も、光繊維内に閉じ込められ、量子点から発光される発光波と同一の方向に出射されるので、表面発光が不可能になる。
【０００６】
一方、特許文献２には、量子点を含む第１量子島層と、第１量子島層と異なるバンドギャップを有する物質が交互に形成されてなる量子島層を一つ以上含む光吸収層と、光吸収層で励起されたキャリアが集まって水平方向の伝導を引き起こす伝導通路層と、不純物層と、光吸収層で励起された光を受けて励起されるキャリアがチャンネルに集まったとき、これらキャリアを水平方向に伝導させるための二つ以上の検出電極と、を含む量子島を用いた光感知素子が開示されている。このような光感知素子においては、量子島層が光を感知し、感知された光に対応するキャリアを放出する。それゆえ、光感知素子は、発光ダイオードまたはレーザーダイオードとして用いられる。
【０００７】
しかしながら、上述した各先行技術には、光が素子の表面に出射される表面発光素子が開示されていない。したがって、光が素子の表面に出射され、単色光に近い光を発光するように制御できる表面発光素子の開発が要求されている。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５−１１１８０５号明細書
【特許文献２】大韓民国特許出願公開第２０００−０１８８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述した本発明の属する技術分野の技術的要求に相応するもので、その目的は、表面発光効率に優れており、発光波長を単色光に近くなるように制御できる表面発光素子を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、光が素子の表面に出射され、単色光で鋭く発光する表面発光素子を製造する方法を提供することにある。
【００１０】
本発明の更に他の目的は、本発明の表面発光素子を用いる光電子素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するための本発明の一つの態様（様相）は、第１誘電体層と、該第１誘電体層の上部に形成された第２誘電体層と、を含み、前記第２誘電体層の表面に２次元格子状の多数のエアホールが形成された２次元スラブ型光結晶構造と、前記エアホールの内壁に形成された発光物質層と、前記光結晶構造の側面に光を照射する光ポンピング手段と、を含むことを特徴とする表面発光素子に関係する。
【００１２】
本発明において、前記光結晶構造の第１誘電体層の誘電率は、前記第２誘電体層の誘電率より低い。また、前記第２誘電体層内のエアホールの大きさ及び幾何学（エアホールの形状及び配置（模様）など）は、光結晶の光バンドギャップが発光材料の発光波長と一致するように調整されるべきである。
【００１３】
上記の目的を達成するための本発明の他の態様（様相）は、基板上に第１誘電体層を形成する段階と、前記第１誘電体層上に、光結晶構造がパターニングされた第２誘電体層を形成する段階と、パターニングされた光結晶構造上に高分子電解質をコーティングして高分子電解質層を形成する段階と、前記高分子電解質層上に発光物質をコーティングして発光物質層を形成する段階と、を含む表面発光素子の製造方法に関係する。
【００１４】
本発明の更に他の態様（様相）は、本発明の表面発光素子を含む光電子素子に関係する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る表面発光素子によると、表面発光効率を向上でき、量子点の発光波長を単色光に一層近くなるように調節できる。また、光結晶構造の格子定数を調整することで、特定帯域のみを反射・表出させる構造を得られる。
【００１６】
本発明に係る表面発光素子を含む表面発光レーザーは、表面発光効率に優れており、光の生成空間が非常に小さく設けられるので、非常に少ないエネルギーのみでも作動可能となり、超高速、高効率の光通信及び光コンピュータなどの光電子基盤技術に幅広く活用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付の図面に基づいて本発明を一層詳しく説明する。
【００１８】
一つの態様（様相）として、本発明に係る表面発光素子は、第１誘電体層と、平面状のスラブに多数のエアホールが形成された第２誘電体層と、を含み、前記エアホールの内壁に発光物質層が形成されることを特徴とする。
【００１９】
図１Ａは、本発明の一実施形態（実施例）に係る表面発光素子を示す平面図で、図１Ｂは、本発明の一実施形態（実施例）に係る表面発光素子を示す側断面図である。
【００２０】
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、本発明に係る表面発光素子は、第１誘電体層１０、及び該第１誘電体層の上部に形成された第２誘電体層２０を含み、前記第２誘電体層２０の表面に２次元格子状の多数のエアホールが形成された２次元スラブ型光結晶構造と、前記エアホールの内壁に形成された発光物質層３０と、前記光結晶構造の側面に光を照射するための光ポンピング手段（図示せず）と、を含むことを特徴とする。光結晶構造の第１誘電体層１０の誘電率は、前記第２誘電体層２０の誘電率より低い。
【００２１】
図１Ｃは、本発明の一実施例に係る表面発光素子の光結晶構造を示す斜視図である。光結晶構造は、第１誘電体層１０及び第２誘電体層２０を含み、この光結晶構造は、２次元周期構造を備えている。
【００２２】
本発明に係る表面発光素子において、前記第２誘電体層２０のエアホールの大きさ及び幾何学（エアホールの形状及び配置など）は、光結晶の光バンドギャップが発光材料の発光波長と一致するように調整されるべきである。
【００２３】
第１誘電体層１０上に形成される第２誘電体層２０は、２次元周期構造を有している。例えば、第２誘電体層２０は、円筒状のエアホールを正方格子状、三角格子状またはこれらの組み合わせ形態で配列することができ、エアホールの断面形状も、円状（円筒状のエアホール）でない直方形状（四角柱状のエアホール）にすることができる。
【００２４】
図２Ａ〜図２Ｄは、第２誘電体層２０内に形成されたエアホールの配列を示した図である。各エアホールは、図２Ａに示すように正四角格子状に配列されるか、図２Ｂに示すように三角格子状に配列されるか、図２Ｃに示すように蜂の巣状（六角格子状）に配列されるか、図２Ｄに示すようにランダムに分布される。
【００２５】
第１誘電体層１０または第２誘電体層２０は、セラミック、高分子材料、光硬化性樹脂、誘電体セラミック及びこれらの混合材料などの任意の材料で構成されるが、これらのうち、セラミック物質が好ましい。
【００２６】
光結晶構造の第１誘電体層１０の材料としては、比誘電率の低いセラミック材料、ガラス合成材料、またはプラスチック材料など、例えば、ＳｉＯ２系セラミック、パイレックスガラス、石英ガラス、アクリル系樹脂などが用いられる。第１誘電体層１０の材料としては、７以下の低い比誘電率（＝誘電率と真空の誘電率の比＝ε／ε０＝εｒ）を有する物質が好ましい。
【００２７】
第２誘電体層２０を構成する第２誘電体層セラミックとしては、比誘電率の高いセラミック材料やガラス合成材料などが用いられる。具体的に、第２誘電体層は、ＢａＯ−Ｎｄ２Ｏ３−ＴｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯ２−ＣｕＯ系セラミック、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２系セラミック、ＴｉＯ２系セラミック、ＢａＯ−Ｂｉ２Ｏ３−Ｎｄ２Ｏ３−ＴｉＯ２系セラミック、ＢａＯ−Ｂｉ２Ｏ３−Ｎｄ２Ｏ３−ＴｉＯ２−ＳｒＴｉＯ３系セラミック、ＢａＯ−ＰｂＯ−Ｎｄ２Ｏ３−ＴｉＯ２系セラミック、Ｂａ（Ｚｎ、Ｎｂ）Ｏ３系セラミック、ＢａＴｉ４Ｏ９系セラミック、（Ｚｒ、Ｓｎ）ＴｉＯ４系セラミック、Ｂａ（Ｚｎ、Ｔａ）Ｏ３系セラミック、Ｂａ（Ｍｇ、Ｔａ）Ｏ３系セラミック、ＭｇＴｉＯ３−ＣａＴｉＯ３系セラミックからなる群から選択される材料で構成されるが、必しもこれらに制限されることはない。第２誘電体層２０の材料としては、２０以上の比誘電率を有する物質が好ましい。
【００２８】
本発明に係る表面発光素子の光結晶構造のエアホール内壁に形成される発光物質層３０は、量子点またはその他の発光物質によって形成されるが、量子点によって形成されることが好ましい。量子点は、ＩＩ−ＶＩ族化合物、ＩＩ−Ｖ族化合物、ＩＩＩ−ＶＩ族化合物、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、ＩＶ−ＶＩ族化合物、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物、ＩＩ−ＩＶ−ＶＩ族化合物およびＩＩ−ＩＶ−Ｖ族化合物からなる群から選択される。具体的な例として、量子点は、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＳｉＣ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、ＦｅＰｔ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４、Ｓｉ、Ｇｅ及びこれら二つ以上の組み合わせを含むが、必ずしもこれらに制限されることはない。
【００２９】
本発明の量子点は、コア上にオーバーコーティングを含むコア−シェル構造でもあるが、このコアは、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＳｉＣ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、ＦｅＰｔ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４、Ｓｉ、Ｇｅ及びこれら二つ以上の組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つの物質を含み、このオーバーコーティングは、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＳｅ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＴｌＮ、ＴｌＰ、ＴｌＡｓ、ＴｌＳｂ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ及びこれら二つ以上の組み合わせからなる群から選択される一つ以上の物質を含む。
【００３０】
本発明では、前記量子点の表面をメルカプト酢酸（ｍｅｒｃａｐｔｏａｃｅｔｉｃ  ａｃｉｄ：ＭＡＡ）などの分散剤でコーティングし、その表面を陰に荷電させて水溶液内に分散させる。
【００３１】
本発明の表面発光素子の光ポンピング手段は、エアホールの内壁に発光物質層が形成された光結晶構造に対してイン−プレーン（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）方向に光を照射し、量子点を励起させるが、このポンピング手段としては、発光ダイオードまたはレーザーダイオードが用いられる。
【００３２】
次に、本発明の表面発光素子の動作に対して説明する。本発明の表面発光素子においては、光ポンピング手段によって２次元スラブ型の光結晶構造のイン−プレーン方向にポンピング光（励起光）が入射される。入射される励起光は、光結晶スラブによってガイドされてスラブのイン−プレーン方向に進行し、この励起光によって量子点から発光される光は、光結晶によってスラブの垂直方向に進行し、発光素子の表面に出射される。
【００３３】
図３Ａに示すように、光結晶内に進行されるポンピング光（励起光）の一部がエアホールの表面から漏れ出て、エアホールの表面に付着された量子点を励起・発光させる。量子点から発光される光のうち光結晶への入射光（側面入射光）は、光結晶のバンドギャップの波長に該当する波長を有する場合、光結晶内に進行せずに反射され、表面発光方向にエアホールを通して出射される。
【００３４】
図３Ｂのａ部分は、光結晶のバンドギャップの波長に該当する波長を有する光を示し、このとき、光は光結晶内に進行しない。また、ｂ部分は、発光するが、側面を通して一部が光結晶内部に浸透して消える光を示す。
【００３５】
本発明において、２次元スラブ型光結晶に形成されるホールの大きさ、各ホールの間の距離、ホールの形状、第２誘電体層のための物質の屈折率（誘電率）などを調節することで、光結晶が閉じ込める光の波長を変化させ、量子点から発光される光の一部または全部がスラブの垂直方向に発光されるように調節できる。
【００３６】
他の態様（様相）として、本発明は、表面発光素子の製造方法に関係する。図４は、本発明の一実施形態（実施例）に係る表面発光素子の製造方法の工程フローチャートである。図４に示すように、まず、基板（図示せず）上に第１誘電体層の物質を蒸着し、第１誘電体層１１２を形成する。当該基板上に第１誘電体層を形成する段階においては、当該段階に変えて、第１誘電体層に利用可能な材料（物質）で形成された基板であって、該基板の上部を第１誘電体層とする基板を準備する段階を設けてもよい（実施例参照のこと）。次いで、第１誘電体層１１２上に光結晶構造がパターニングされた第２誘電体層１００を形成し（図４（ａ）〜（ｃ）参照）、パターニングされた光結晶構造上に高分子電解質をコーティングして高分子電解質層１２４を形成する（図４（ｄ）参照）。次いで、高分子電解質層１２４上に発光物質をコーティングして発光物質層１３０を形成する（図４（ｅ）参照）。選択的に、発光物質層１３０上には、ＳｉＯ２またはポリメタクリレートなどを用いて保護層１４０を形成できる（図４（ｆ）参照）。
【００３７】
本発明に係る光結晶構造の製造方法には、特別な制限なしに、本発明の属する技術分野で知られた任意の技術が用いられる。一般的に、光結晶は、異なる誘電率を有する２種類以上の物質を用いて製作される。通常、２次元スラブ型光結晶の場合、スラブを構成する第１誘電体層の誘電率ε１は、第２誘電体層の誘電率ε２より低い。光結晶の製造と関連しては、日本特許公開第２００１−２３７６１６号公報、日本特許公開第２００１−２３７６１７号公報などの内容を参照するとよい。
【００３８】
基板（図示せず）上に第１誘電体層１１２を形成（蒸着）する段階（第１誘電体層の形成（蒸着）段階ともいう）では、ゾル−ゲル法、化学気相蒸着法、スパッタリング法などが用いられる。また、第１誘電体層に利用可能な材料（物質）で形成された基板であって、該基板の上部を第１誘電体層１１２とする基板を準備してもよい。前者の場合には、基板と異なる第１誘電体層１１２の材料（物質）を形成するような場合に有効である。但し、基板と第１誘電体層が同じ材料（物質）の場合でも何ら問題なく利用できる。一方、後者の場合には、第１誘電体層１１２を形成する操作が不要となる点で優れている（実施例参照のこと）。
【００３９】
基板（図示せず）上に第１誘電体層１１２を形成した後、あるいは準備した基板の上部の第１誘電体層１１２上に、光結晶構造がパターニングされた第２誘電体層１００を形成する（図４（ａ）〜（ｃ）参照；光結晶パターニング段階ともいう）。この光結晶パターニング段階では、電子線リソグラフィ、レーザー干渉リソグラフィまたは紫外線フォトリソグラフィなどの方法が用いられる。
【００４０】
具体的に、光結晶のパターニング時には、第１誘電体層１１２の全面に第２誘電体層１００を形成した後（図４（ａ）参照）、この第２誘電体層１００の全面にフォトレジスト組成物を塗布した後、焼成して感光膜を形成し、この感光膜を露光及び現像して感光膜パターン１２０を得る（図４（ｂ）参照）。次いで、この感光膜パターン１２０をマスクとして化学的エッチングによって光結晶構造を形成する（図４（ｃ）参照）。これにより、光結晶構造がパターニングされた第２誘電体層１００が得られる。２次元スラブ型の光結晶構造は、例えば、円筒状のエアホールを三角格子状（図２Ｂ参照）または正方格子状（図２Ａ参照）にパターニングする。この化学的エッチングは、湿式エッチングまたは乾式エッチングによって行われる。
【００４１】
湿式エッチング方法は、酢酸水溶液、フッ化水素酸、燐酸水溶液などのエッチャントを用いてエッチングする方法で、乾式エッチング方法は、気体、プラズマ、イオンビームなどを用いてエッチングする方法である。乾式エッチングとしては、プラズマ状態で反応性ガスを活性化させ、エッチングしようとする物質との化学反応を引き起こして揮発性物質を生成させる反応性イオンエッチング方法（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）、または、誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）を活性源とする反応性イオンエッチング方法（ＩＣＰ−ＲＩＥ）が用いられる。
【００４２】
発光物質コーティング段階（図４（ｅ）参照）では、量子点またはその他の発光物質の分散溶液をドロップキャスティング（ｄｒｏｐ  ｃａｓｔｉｎｇ）、スピンコーティング、ディップコーティング、噴霧コーティング、フローコーティング、スクリーン印刷またはインクジェット印刷などの方法によってコーティングする。これにより、高分子電解質層１２４上（特に前記エアホールの内壁表面）に発光物質をコーティングして発光物質層１３０を形成することができる。
【００４３】
本発明で使用可能な量子点以外の発光物質としては、クマリンまたはローダミン系列の低分子有機発光材料、高分子リン光物質及び有機ＥＬ材料などが用いられる。
【００４４】
高分子電解質コーティング段階（図４（ｄ）参照）では、陽電荷または陰電荷からなる高分子電解質及びその塩の形態群（陽電荷高分子電解質：ポリアリルアミン；ポリエチレンイミン、陰電荷高分子電解質：ポリアクリル酸；ポリスルホン酸）から選択される高分子電解質をドロップキャスティング、スピンコーティング、ディップコーティングなどの方法によってコーティングする。これにより、パターニングされた光結晶構造上（特に前記エアホールの内壁表面を含む全面）に高分子電解質をコーティングして高分子電解質層１２４を形成することができる。高分子電解質をコーティングすると、第２誘電体層１００の表面に陰電荷が帯びるようになる。なお、上記光結晶構造がパターニングされた第２誘電体層１００の形成にマスクとして用いられた感光膜パターン１２０は、上記高分子電解質をコーティングする前に取り除いてもよい。
【００４５】
更に他の態様（様相）として、本発明は、本発明の表面発光素子を含む光電子素子に関係する。本発明の表面発光素子は、マイクロレーザー、フィルター、高効率ＬＥＤ、光スイッチ、低損失ウェーブガイドなどの多様な光電子素子への用途展開が可能である。
【００４６】
特に、本発明の表面発光素子は、表面発光レーザーを製作するのに用いられるが、本発明の一実施形態（実施例）に係る光電子素子である表面発光レーザーを図５に示した。図５に示すように、本発明の他の態様（様相）による表面発光レーザーは、一対のミラーからなる外部共振器内に本発明の表面発光素子を含む。
【００４７】
上記のような表面発光レーザー装置では、共振現象によって光を増幅させてレーザーを放出する。本発明の表面発光レーザーは、表面発光素子の第２誘電体層（のエアホール）以外の部分に形成されたカットオフフィルターを含む。
【実施例】
【００４８】
以下の実施例及び比較例を通じて、本発明をさらに詳細に説明する。ただし、実施例は、本発明を例示するためのものであり、それらだけで本発明の範囲を限定するものではない。
【００４９】
実施例１
第１誘電体層に利用可能な材料であるＳｉＯ２で形成されたＳｉＯ２基板であって、該基板の上部を第１誘電体層とする基板を準備した。このＳｉＯ２基板上部の第１誘電体層上に非晶質ＴｉＯ２を化学気相蒸着法によって蒸着し、第２誘電体層を形成した。該第２誘電体層上にフォトレジスト組成物を塗布した後、焼成して感光膜を形成し、この感光膜を露光して感光膜パターンを得た。得られた感光膜パターンをマスクとして使用し、ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ＝４：１（体積比）の溶液をエッチャントとして使用して化学的エッチングによって、前記第２誘電体層の表面に２次元格子状（円筒状）の多数のエアホールが形成された２次元スラブ型光結晶構造をパターニングした。
【００５０】
このパターニングにより、下記表１に示すように、エアホールの幾何学（円筒状の多数のエアホールを正三角格子状（図２Ｃ参照）で配列させた際の隣接する各エアホールの間の距離；図１Ｃ中の“ａ”参照）、エアホールの大きさ（＝円形断面の直径；図１Ｃ中の“ｒ”参照）、さらには第２誘電体層の厚さ（＝スラブの厚さ；図１Ｃ中の“ｔ”参照）の２次元スラブ型光結晶構造を形成した。なお、下記表１では、第１誘電体層の誘電率ε１及び第２誘電体層の誘電率ε２も併せて表記した。
【００５１】
次に、高分子電解質としてＰＡＨ（Ｐｏｌｙａｌｌｙｌａｍｉｎｅ  ｈｙｄｒｏｃｈｌｏｒｉｄｅ）の１０ｍＭ水溶液をスピンコーティングによってコーティングし、高分子電解質層上にＭＡＡ（ｍｅｒｃａｐｔｏａｃｅｔｉｃ  ａｃｉｄ）でキャッピングされたＣｄＳｅナノ粒子を塗布し、ＣｄＳｅナノ粒子（＝量子点）を単一層で配列した。これにより、該量子点を含む発光物質層が前記エアホールの内壁にも単一層で形成される。
【００５２】
次いで、ポリメタクリレート（ＰＭＭＡ）をメチレンクロライドに溶解させたコーティング液を塗布・乾燥して保護層を形成することで、表面発光素子を製作した。ポンピング手段としては、４５０〜４６０ｎｍレーザーダイオードが用いられた。
【００５３】
実施例２〜５
上記の実施例１と同じ方法で実施するが、表１に示すように、光結晶構造のエアホールの幾何学（円筒状の多数のエアホールを正三角格子状（図２Ｃ参照）で配列させた際の隣接する各エアホールの間の距離；図１Ｃ中の“ａ”参照）、エアホールの大きさ（＝円形断面の直径；図１Ｃ中の“ｒ”参照）、さらには第２誘電体層の厚さ（＝スラブの厚さ；図１Ｃ中の“ｔ”参照）、第１誘電体層の誘電率ε１及び第２誘電体層の誘電率ε２を多様に変形させながら表面発光素子を製造し、それぞれの表面発光素子に対する特性を評価した。ここで、実施例２の第２誘電体層は、アナターゼ（ａｎａｔａｓｅ）型結晶質ＴｉＯ２を化学気相蒸着法によって蒸着したものを用い、第２誘電体層の誘電率ε２を５０に変形させた。同様に、実施例３の第２誘電体層は、ルチル（ｒｕｔｉｌｅ）型結晶質ＴｉＯ２を化学気相蒸着法によって蒸着したものを用い、第２誘電体層の誘電率ε２を８０に変形させた。
【００５４】
【表１】
2007281477.tif 000003
【００５５】
実験例
１．カラーチューニング
実施例１、実施例４及び実施例５の表面発光素子のバンドギャップ領域（帯域）を測定し、図６Ａ〜図６Ｃに示した。図６Ａに示した実施例１の場合、結晶構造のエアホールの内壁表面に付着された量子点（ＣｄＳｅナノ粒子）から発光されるスペクトラムの全体領域を反射・表出させる。一方、図６Ｂに示した実施例４の場合、量子点から発光されるスペクトラムの上（ないし下）半部のみを反射・表出させ、図６Ｃに示した実施例５の場合、量子点から発光されるスペクトラムの下（ないし上）半部のみを反射・表出させる。図６Ａ〜図６Ｃを通して確認されるように、本発明の表面発光素子では、光結晶構造の格子定数を調整することで、発光帯域を所望の発光波長帯域に調律（調整）できる。
【００５６】
２．エアホールの幾何学の変化による発光特性変化
第２誘電体層の誘電率ε２が最大である場合（ε１＝３．９、ε２＝８０）と、第２誘電体層の誘電率ε２が最低である場合（ε１＝３．９、ε２＝２５）にスラブ（第２誘電体層）の厚さｔを固定した状態で、エアホールの直径ｒを変化させて実施し、各場合に対する最大発光幅を下記の数学式１によって算出し、下記の表２に示した。ここでは、スラブの厚さ／各エアホールの間の距離＝ｔ／ａ＝０．５で行った。
【００５７】
【数１】
2007281477.tif 000004
【００５８】
【表２】
2007281477.tif 000005
【００５９】
上記表中の「Ｗｉｄｔｈ」は最大発光幅（％）を表す。下記表３も同様である。
【００６０】
上記表２を通して確認されるように、スラブ（第２誘電体層）の厚さｔが固定された状態でエアホールの直径ｒを増加させると、ＴＭバンドギャップ幅が増加し、ＴＥとＴＭバンドギャップ間の距離も増加する。
【００６１】
一方、エアホールの直径ｒを固定した状態で、スラブ（第２誘電体層）の厚さｔを変化させながら同一に実験し、その結果を下記の表３に示した。
【００６２】
【表３】
2007281477.tif 000006
【００６３】
上記の表３の結果から分かるように、ｔ／ａ＝０．６で、ｒ／ａ＝０．４０である場合、最大のＴＥギャップ（＝最大発光幅）（２６．５％）を得られる。なお、ｔ／ａは、０．６以外にも変化させて行ったが、表３では、最大のＴＥギャップが得られたｔ／ａ＝０．６での実験結果を示す。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１Ａ】本発明の一実施形態（実施例）に係る表面発光素子を示す平面図である。
【図１Ｂ】本発明の一実施形態（実施例）に係る表面発光素子を示す断面概略図である。
【図１Ｃ】本発明の一実施形態（実施例）に係る表面発光素子を示す斜視図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態（実施例）に係る表面発光素子の光結晶構造の格子パターンの１つである正四角格子状の配列パターンを示す図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態（実施例）に係る表面発光素子の光結晶構造の格子パターンの１つである（正）三角格子状の配列パターンを示す図である。
【図２Ｃ】本発明の一実施形態（実施例）に係る表面発光素子の光結晶構造の格子パターンの１つである蜂の巣状（六角格子状）の配列パターンを示す図である。
【図２Ｄ】本発明の一実施形態（実施例）に係る表面発光素子の光結晶構造の格子パターンの１つであるランダムパターンを示す図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態（実施例）に係る表面発光素子における発光メカニズムを３段階（ポンピング光（励起光）が光結晶内に進行された段階；最上図、ポンピング光（励起光）の一部がエアホールの表面から漏れ出て、エアホールの表面に付着された量子点を励起する段階；中央図、及びポンピング光（励起光）の一部がエアホールの表面から漏れ出て、エアホールの表面に付着された量子点を励起し、発光させた段階；最下図）に分けて説明する模式図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施例に係る表面発光素子における光バンドギャップ特性を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施例に係る表面発光素子の製造方法を説明する工程フローチャートである。
【図５】本発明の一実施例に係る表面発光レーザーを示す断面概略図である。
【図６Ａ】本発明の実施例１で得た表面発光素子のカラーチューニングを説明する模式図である。
【図６Ｂ】本発明の実施例４で得た表面発光素子のカラーチューニングを説明する模式図である。
【図６Ｃ】本発明の実施例５で得た表面発光素子のカラーチューニングを説明する模式図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０、１１２    第１誘電体層、
２０、１００    第２誘電体層、
１２０    感光膜パターン、
１２４    高分子電解質層、
３０、１３０    発光物質層、
１４０    保護層、
ａ    各エアホールの間の距離、
ｒ    エアホールの大きさ（＝断面直径）、
ｔ    スラブ（第２誘電体層）の厚さ、
ε１    第１誘電体層の誘電率、
ε２    第２誘電体層の誘電率。
【図１Ａ】
2007281477.tif 000007
【図１Ｂ】
2007281477.tif 000008
【図１Ｃ】
2007281477.tif 000009
【図２Ａ】
2007281477.tif 000010
【図２Ｂ】
2007281477.tif 000011
【図２Ｃ】
2007281477.tif 000012
【図２Ｄ】
2007281477.tif 000013
【図３Ａ】
2007281477.tif 000014
【図３Ｂ】
2007281477.tif 000015
【図４】
2007281477.tif 000016
【図５】
2007281477.tif 000017
【図６Ａ】
2007281477.tif 000018
【図６Ｂ】
2007281477.tif 000019
【図６Ｃ】
2007281477.tif 000020