鉄シリサイド・フォトニック結晶
Iron-Silicides Photonic Crystals
前田 佳均
Yoshihito Maeda
京都大学大学院エネルギー科学研究科
Department of Energy science and technology, Kyoto University
One of typical advantages of semiconducting iron silicides may be that they have ahigh refractive index. We have paid attention at this point and made some efforts tostudy on fabrication of iron-silicides, specially β-FeSi2, photonic crystals (PhCs) and on
analysis of light propagating properties on them. Most recently we succeeded infabrication of PhCs and demonstration of their properties. In this article, we would
introduce basic properties of iron-silicide PhCs and some recent topics.
1. はじめにこれまでフォトニクスは III-V 族化合物半導体を中心に応用されてきたが，ヒ素を多用する環境への懸念，またヒ素，インジウムなど資源枯渇の問題が生まれ，それに変わり得るあたらしい半導体が必要になる．シリコン・フォトニクスを展開するための条件：環境への負荷が少ない元素であり，元素戦略上でも資源的に枯渇の心配が無い元素によって構成された光半導体がシリコン集積回路に組み合わされたときに集積回路の信号遅延，消費電力の低減などボトルネックが解消される第一歩になる．電子機器および高度情報通信機器は省電力性能や環境負荷を評価しながら，その構成要素（材料や回路など）を開発または設計することが常識化しつつある．本グループでは，環境調和型エレクトロニクス材料および省エネルギー機能素子を目指して，砒素など環境為害性元素を含まない環境調和型シリサイド・フォトニクスの開発を目標に研究を行ってきた．
現在，精力的に研究が進められているフォトニック結晶は，フォトニックバンドとそのバンドギャップを基本原理した光の波長程度の構造体で，光波の伝播を自由自在に制御できる究極の光回路を実現することができる．現在，各種の材料を用いて，光導波路，光源，高効率レーザ，演算素子など開発が進められている．われわれは，β-FeSi2 の屈折率が半導体中でも最大であることに着目し，それを用いたフォトニック結晶の作製プロセスとその特性の検討を行ってきた．一般にフォトニック結晶の特性は構成材料（空気を含む）の屈折率差（光学的コントラスト）によって支配される．
Fig.1 にβ-FeSi2 (n=5.6)と GaAs (n=3.36)フォトニック結晶の充填率(r/a)に対する最大ギャップ-中間ギャップ比（∆ω/ω0）の関係を示す．この結果から明らかなように，いずれの充填率においても高屈折率のβ-FeSi2 の方が GaAs よりも大きな（∆ω/ω0）比になる．フォトニック結晶の機能はバンドギャップの大小に支配されているためにβ-FeSi2 は他の材料に比べてかなり有利であることがわかる．屈折率差が 2.0 以上であるフォトニック結晶を高屈折コントラスト・

Gap-midgap ratio (∆ ω/ω0)

0.8

Fig.10.7

as a function of filling ratio (r/a) for both
β-FeSi20.6

Gap-midgap ratio (∆ω/ω0) calculated

photonic crystal triangular lattices with

0.5

semiconductor β-FeSi2 (n=5.6) and GaAs

0.4

(n=3.36) hexagonal columns in air (n=1.0).

0.3aada0.25

0.3

0.2
0.10GaAs
00.050.1

The radius of the column r= 3 d .
4n1 n00.15

0.20.35

Filling ratio (r/a)

フォトニック結晶といい，バンドギャップが広く取れるために光波の制御が容易になる，光回路を縮小化できるなど優れた特性があることも我々の本研究において明らかにしている[1]．
2. 鉄シリサイドのサブミクロン加工
鉄シリサイドはシリコンのサブミクロン加工で用いる SF6 などエッチングガスによっては，ドライエッチングしにくい材料である．そこで，本研究では，鉄シリサイドのエッチングメカニズムを検討し，低圧での磁気中性放電（NLD）プラズマによるサブミクロンのイオンエッチングプロセスを開発した．高密度プラズマによって，エッチングの進行を阻止している表面の鉄原子を衝撃プロセスによって物理的にエッチングするによってフッ素ラジカル種によるシリコン原子の化学的エッチングと並行させることができる[2-5]．
Fig.2 に各種シリサイドのエッチング速度とリフトオフプロセスで使用する Cr マスクとの選択比を示す．β-FeSi2 は問題なく SF6 基ガスでエッチングでき，リフトオフによるパターン形成が可能であるが，鉄組成の大きな強磁性体 Fe3Si はいずれも不可能であることが分かる．したがって，強磁性体 Fe3Si フォトニック結晶にはエッチング以外のパターン形成
500

SF6/CHF3(5:1) ,0.4Pa

Etching rate R (µm/min)

Polycrystalline
β-FeSi2

400

Etching rate (nm/min)

0.25300

Epitaxially grown
β-FeSi2200100■ β-FeSi2/Si(111)▲ β-FeSi2/Si(100)100200300

400

FeSiFe3Si
SF6/CHF3(5:1)
0.4Pa 200W

IBSD
Si(100)

4SPD
0.1

65

Photonic crystal

0.15

CVDSPD

3Si(111)20.05 Si(100) Si(111)RCr
0000.2β-FeSi2

ICP-RIE[18]RIE(Si)+Impact(Fe)MBE
Si(111)

10Etching selectivity to Cr mask γ = (R/RCr)

技術の検討が必要である[2, 6]．

RIE（Fe）

500Applied bias Power (W)Fig.2

Etching properties of Fe-silicides films by a NLD-RIE process using a SF6 plasma.

(b)空気コラム

ブリュースター角
θB=79.9°(n=5.6)

k // Γ−Χ
S 偏光

P 偏光

kβ-FeSi2
PhCs

Reflectance (a.u.)(a) β-FeSi2コラム

1vein

Γ

BZ
spot

理論計算値

(c) （線欠陥）

0.8

反射率

MKS 偏光

0.6

P 偏光

0.2
002040ピーク波長： 1580nm
FWHM： 150.1nm
60

入射角 (o)Fig. 3(left)

Wavelength (nm)ブリュースター角
0.480

θB

設計した通りのフォトニックバンドギャップを確認

SEM images for photonic crystals with (a) β-FeSi2 and (b) air columns. Their lattices

show (a) a square lattice and (b) triangular one, respectively. The image (c) shows linear defectwhich can play an optical waveguide as demonstrated in light propagation shown in the inset. The
right figure of Fig.3 shows examination of a bandgap of photonic crystal by measuring a reflectancespectrum of a p-polarized light near incidence of the Brewster angle.
Fig.3（左図）に作製したβ-FeSi2：2 次元フォトニック結晶のＳＥＭ写真を示す．これらは通常の電子線描画，SF6+CHF3 混合ガスによるエッチング，Cr マスクによるリフトオフプ
ロセスで作製された．右図の偏光反射スペクトル（極大波長がフォトニックバンドギャップに対応する）に示すように初期に設定したフォトニック結晶の光学的特性に影響ない精度でサブミクロンパターンの形成が可能であることを示せた．
３．高次構造の作製
さらに高次のフォトニックバンド構造を作製するために色々な工夫が必要である．そのような目的で作製した様々なシリコン・テンプレートパターンを Fig.4 に示す．こうしたサブミクロンテンプレートパターン上に各種のシリサイド半導体，シリサイド強磁性体（特にホイスラー合金：ハーフメタリック）を成膜して，エッチングを繰り返すことであたしい機能性（半導体量子ドット，プラズモン素子，強磁性周期構造）を形成することが可能になる．エッチングの困難な強磁性体 Fe3Si のフォトニック結晶パターンの作製にはこうしたテンプレート上への成膜とセルフ・リフトオフプロセス[6]が用いられている．
また，一例として光のアンダーソン(Anderson)局在であるジョン(John)局在が期待できるランダムフォトニック結晶をβ-FeSi2／シリコン基板に上述したサブミクロンプロセスで作製した例を Fig.5 に示した．表面はβ-FeSi2 のサブミクロンの非周期構造が実現できた．光波は屈折率の大きいβ-FeSi2 ランダム表面層に閉じ込められ，その非周期性によって強い領域での光の局在が起こる．光波の強い局在は電磁エネルギーの集中を意味するので，外部からのエネルギーの供給の必要がなく，β-FeSi2 の電子系との相互作用のみによる強い輻射や屈折率変調など演算の基本になる機能が期待されている．

Fig. 4

SEM images of some Si template

submicron-sized patterns fabricated on
Si(100)for

highlyorderedopticalfunctions.
Fig. 5 SEM image of submicron random photonicpatterns fabrication on β-FeSi2/Si(100), in which John
localization (that is Anderson localization of light) canbe expected to takes place. The reflectance spectrum
showed the minimum in a specific range of wavelength.
200 nm4. 共役反転格子パターン
屈折率差の大きなフォトニック結晶では光導波路の界面反射損失が大きく，これを避けるために屈折率の傾斜的構造による位相整合など導波路の構造が複雑になる欠点があった．
そこで，共役反転格子による反射損失の大幅な低減を検討した．共役反転格子(conjugatedinversion lattices)とは，Fig.6 の例に示すように高・低屈折率材料（β-FeSi2 と空気）格子パターンが反転し，かつフォトニックバンド・ギャップ領域を共有する構造として定義できる．これは前田によって屈折率差の大きな光導波路界面での高効率入射光学系として初めて提案された．コラム幅 w=0.87µm では，周波数(ωa/2πc=a/λ)= 0.325～0.335，0.42～0.44 の領域でバンド・ギャップが共有されている.
(a)

air

(b)

β-FeSi2β-FeSi2air

Fig.6

Gap maps for both photonic crystals with(a) β-FeSi2 columns in air and (b) air ones in a
β-FeSi2 matrix. They have conjugated inversionw

lattice patterns which can join the common gap
regions (darkly painted) at the column width,Width, w (µm)

w=0.87µm.

(b)

(a)

Fig.7

air-column

Simulation of propagation of a TE
polarized light along waveguides
β-FeSi2column
Transmittance loss (%)(c)

fabricated in both lattices with β-FeSi2100

and air columns which have conjugatedainversion symmetric structures. The80c6040b

transmittance loss spectrum shows theminimum loss in the case of (b), set atthe conjugated inversion symmetry.

201.55 1.60 1.65 1.70 1.75
Wavelength (µm)

Fig.8
SEM images of an interface
with the typical conjugatedinversion symmetry(example).

Fig.7 に共役反転界面での光伝搬挙動を時間領域有限差分法でシミュレーションした例を示す．この共役反転条件では波長 1.6µm で空気導波路から高屈折率β-FeSi2 導波路への透過損失(=100-透過率)は極小になり，光の導波効率向上に共役反転界面は効果的であることが分かった．Fig.8 に実際に作製した共役反転格子をもつフォトニック結晶導波路（１次欠陥）の界面部の SEM 写真を示す．本研究で開発したシリサイド・ドライエッチングプロセスで精度の良い加工が可能であり，共役反転格子が界面で実現してきることが分かる．
謝 辞
本研究は科学研究補助金 No. 17360011 の支援によって行われた．共同研究でお世話になりました神奈川産業技術センターの秋山賢輔氏，大阪大学の寺井慶和氏，シリサイドエッチングプロセスの研究に精力的に取り組んだ今井章文氏（現，三菱電機）に感謝いたします．

[1]前田佳均: 機能材料 25 巻／第 10 号，5-14（2005）．
[2]國松俊佑ら：電子情報通信学会技術研究報告. ED, 電子デバイス Vol.106, No.378，pp. 7-10 （ED2006-177）2006．
[3]A. Imai et al.: Proc. of 16th International Microscopy Congress, Sep. 3-8, 2006, Sapporo.
[4]Y. Maeda: Thin Solid Films, (to be published in Aug. 2007).
[5] A. Imai et al.: Thin Solid Films, (to be published in Aug. 2007).
[6] A. Imai et al.: Materials Science and Technol. B (in press).