生産と技術

第60巻第２号（2008）

ナノ粒子からなるフォトニックバンドギャップ構造の形成
西 山 宏 昭＊

研究ノート

Photonic band-gap structures consisting of nanoparticles in glass films
Key Words : Photonic band-gap, laser, periodic structure, nanoparticle, glass films

たな光学的機能を付与することができる２）．この１．はじめに近年，金属や半導体の分散ナノ粒子を用いたガラプロセスは簡便ではあるが，照射によって起こる構ス材料の高機能化が注目されている．これはナノ粒造変化は，イオン間の結合距離や結合角を僅かに変子がそのサイズ効果により，バルクでは実現困難な化させる程度に過ぎず，また，一般に安定性が低く，特性を発現するためである．例えば，Er-SiO2 中に100℃ 程度の加熱に対しても著しく減衰することがSi や Ge のナノ粒子を分散させておくと，Er イオン指摘されてきた３）．

を介した発光強度が著しく増大することが報告されここでは，光ファイバーや導波路母材に用いられている１）．これまで報告されている様々なナノ粒ている GeO2-B2O3-SiO2 系ガラスにおいて，レーザ子の析出方法は，加熱などにより試料全体から析出光照射の他にガラスの相変化を新たな因子として利させるものが多く，その析出位置を制御することは用することで誘起されるレーザ光照射部での大規模困難であるが，今後，分散ナノ粒子を集積機能素子な構造の変化と，半導体 Ge ナノ粒子からなるフォ作製へ応用していくためには，任意の位置で高い空トニックバンドギャップ構造の形成について述べる４）．

間分解能を持ってナノ粒子を析出させる手法が必要となる．特にガラスが母材として多用されている光

２．ナノ粒子からなる周期構造の形成デバイスへの応用を考えた場合，光信号として用い

図１は，SiO 2 薄膜で上部クラッディングされたられる波長 1.5μm の半分以下の空間分解能で析出GeO2-B2O3-SiO2 薄膜（以下，GBS ）に紫外パルスさせることができれば，最近，盛んに研究されていレーザで書き込んだ光誘起グレーティングに，窒素るフォトニックバンドギャップを利用した光波制御雰囲気下で 600℃ での熱処理を施した際の屈折率変技術の活用も期待できる．一方，紫外から可視波長のレーザ光照射によってガラスに局所的な構造変化調量 Δ n の変化を示している．熱処理前の Δ n は6.9×10-4 であったが，この測定の前に 500℃ で１時を誘起できることが知られている．このレーザ誘起間の熱処理を施し，光誘起グレーティングを完全に構造変化は低強度照射によるガラスの表面改質的な消失させた．600℃ での熱処理によってΔn は顕著変化であり，構造変化とともに屈折率の変化をも生み出すため，ガラスをベースとした光デバイスに新＊Hiroaki NISHIYAMA

1976年3月生
大阪大学大学院工学研究科生産科学専攻（2004年）
現在．大阪大学大学院 工学研究科 マテリアル生産科学専攻 助教 （博士）
工学 透明材料への光学機能付与
TEL：06-6879-7535
FAX：06-6879-7570
E-mail：hiroaki@mapse.eng.osaka-u.ac.jp
図１ 600℃で熱処理を施したときの熱誘起グレーティングの屈折率変調量Δn の変化．
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生産と技術第60巻第２号（2008）に増加し，５時間の熱処理後に得られた最大値は熱処理前のおよそ 10 倍に相当する 6.8×10 -3であった．
この熱的に誘起されたグレーティング（以下，TG）は，500℃ までの再加熱を施しても全く減衰しなかった．この TG の起源を調べるため，HF溶液を用いて，グレーティングをエッチングした．図２（a）

図２ HF溶液によるエッチング後の(a) １次元及び(b) ２次元熱誘起グレーティングの SEM像．
格子周期は530 nm．

はエッチング後のグレーティング領域のSEM 像である．直径 20−40 nm の微粒子が周期的に析出していることが分かる．600℃ で 80 分間の熱処理によって，TG を形成した薄膜の XRD パターンを測定したところ，２θ= 27.3°, 45.3°, 53.7°に信号が検出された．これらの信号は cubic Ge 結晶の回折線に分類できる．これらの信号と図２（a）で観察されたナノ粒子は，600℃ での熱処理前には全く見られな

図３ HF溶液によるエッチング後の(a)非照射膜と(b)熱誘起グレーティング形成膜のSEM像．熱誘起グレーティン
グ形成のための熱処理時間は10分間．

かったことから，TG の起源は，半導体 Ge ナノ粒子の周期的な析出であると考えられる．次に２次元TG を形成した．まず，薄膜に上述のように１次元の光誘起グレーティングを形成し，その後，サンプ示唆している．以上の結果から，以下の TG の形成

ルを平面方向に 90 度回転させ，再び同条件でグレ機構が考えられる．まず，600℃ での熱処理によっーティングを書き込んだ．最後に 600℃で 80 分間て誘起された相分離の初期段階において，照射部での熱処理を施し，２次元 TG を形成した．図２（b）

は B-rich 相が優先的に形成される．この B-rich 相はエッチングを施した２次元 TG の表面のSEM 像の形成により，照射部の Ge が非照射部へ排出され，であるが，アイランド状のパターンが確認できる．

非照射部のGe濃度は照射部よりも高くなる．600℃

この格子における交差部では，非交差部の２倍のパでの熱処理が十分に施されると，Ge-rich な領域でルス数が照射されているが，TG と光誘起グレーテある非照射部から高屈折率な Ge ナノ粒子が析出し，ィングのどちらの回折効率にも顕著な差は見られな照射部と非照射部間で大きな屈折率差が形成された

かった．それゆえ，交差部と非交差部間で差はないと推察される．また，薄膜は SiO2 によってクラッと考えられ，Fig.２（b）の析出パターンはGe ナノ粒ディングされているため，これらの変化に外気は関子が主として非照射部から析出したと判断できる．

与せず，薄膜内部だけの反応の結果であると考えら

図３（a）と３（b）は，10 分間の熱処理の後，エッチれる．

ングを施した膜において，TG を形成した領域と形成していない領域の表面の SEM 像である．図３（a）３．光導波路への内装において，Ge ナノ粒子の析出はほとんど見られな

図 4は，TG（Δn = 1.6 × 10 - 3 @ 632.8 nm）を誘起かったが，直径 300 nm 以下のディンプルが無数にした GBS に半導体プロセスによって作製したチャ観察された．このようなディンプルは熱処理前にはネル構造に HF エッチングを施した後の SEM 像で全く見られなかった．過去に B-SiO 2 ガラスに関し，ある．HF エッチング前には，表面および側壁は極600℃ 以下の温度で相分離が起きることが報告されめて平滑であり，ドライエッチングによる側壁の荒ている５）．このことから，ディンプルは，熱処理れもほとんど認められなかったが，HF 溶液でエッ時に形成された耐酸性が低い B-rich 相が周囲よりチングすることによって Ge ナノ粒子が導波路内部先にエッチングされた跡だと考えられる．一方，図で周期的に析出していることが確認できる．HF エ３（b）では，ディンプルが照射部において優先的にッチングを施していないチャネル構造に SiO 2 ガラ形成されていた．このことは，熱処理前の照射が，スをオーバクラッディングし，シングルモード導波600℃ での熱処理時の相分離を促進したことを強く路を作製し，近赤外波長域での透過スペクトルを測− 60 −

生産と技術第60巻第２号（2008）

４．おわりにガラスのレーザ誘起構造変化と熱誘起相変化を利用して，Ge ナノ粒子からなるフォトニックバンドギャップ構造を形成した．レーザ光照射だけで得られる従来の光誘起グレーティングに比べて，およそ10 倍もの屈折率差を得た．今後，このガラス系をテンプレートとして用い，希土類イオンなどを添加することで，発光特性を始めとする様々な光機能の実現が期待できる．
図４ ドライエッチングによって作製したチャネル構造のSEM像．HFエッチング後に観察した．

参考文献
１．C. L. Heng, et. al., Appl. Phys. Lett., 85 (2004)
4475.

定した．TG の相互作用長は５mm のとき，1.5μm帯でおよそ 40 dB ものフォトニックバンドギャップ

２．K. O. Hill, et. al., J. Lightwave Technol., 15(1997) 1263.

が観察され，可視波長域だけでなく，近赤外波長域でも大きなΔ n を示すことが確認された．また，

３． T. Erdogan, et. al., J. Appl. Phys., 76 (1994)73.

500℃ までの再加熱に対しても効率が変化すること

４．H. Nishiyama, et. al., Appl. Phys. Lett., 85は全くなく，高い安定性も確認された６）．

(2004) 3734.
５．R. J. Charles, et. al., J. Am. Ceram. Soc., 51(1968) 16.
６．H. Nishiyama, et. al., Opt. Exp., 15 (2007) 2047.

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