Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP3781407B2 - Photonic crystal optical element and manufacturing method thereof - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP3781407B2 - Photonic crystal optical element and manufacturing method thereof - Google Patents

Photonic crystal optical element and manufacturing method thereof Download PDF

Info

Publication number
JP3781407B2
JP3781407B2 JP2001082129A JP2001082129A JP3781407B2 JP 3781407 B2 JP3781407 B2 JP 3781407B2 JP 2001082129 A JP2001082129 A JP 2001082129A JP 2001082129 A JP2001082129 A JP 2001082129A JP 3781407 B2 JP3781407 B2 JP 3781407B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
hole
photonic crystal
substrate
optical element
filling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2001082129A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2002277659A (en
Inventor
篤 横尾
雅也 納富
博之 鈴木
正史 中尾
敏昭 玉村
秀樹 益田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTT Inc
NTT Inc USA
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
NTT Inc USA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp, NTT Inc USA filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP2001082129A priority Critical patent/JP3781407B2/en
Publication of JP2002277659A publication Critical patent/JP2002277659A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3781407B2 publication Critical patent/JP3781407B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Surface Treatment Of Glass (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は光エレクトロニクスの分野において、フォトニック結晶中に異種材料を導入することを可能としてなるフォトニック結晶光学素子及びフォトニック結晶光学素子作製方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光エレクトロニクスの分野において、光学素子の小型化及び集積化のために、フォトニック結晶の利用が検討されている。特に、微小光能動素子を実現するためには、フォトニック結晶中に異種材料を任意に導入できることが必要となる。現在検討されているフォトニック結晶として、二次元フォトニック結晶と三次元フォトニック結晶がある。
【0003】
上記二次元フォトニック結晶は平面光回路への応用が期待されている。二次元フォトニック結晶は、細孔の周期的配列を基本構造とするが、フォトニック結晶光学素子を作製しようとすると、細孔の一部を選択的に充填して屈折率を変化させたり、機能性を持たせたりすることが必要となる。
【0004】
従来の二次元フォトニック結晶光学素子の作製法を図10を参照して説明する。
図10は二次元フォトニック結晶光学素子の作製法の概略図である。
図10に示すように、基板01に電子ビーム露光などによりパタンニングを行い、該基板01上に金属マスク02を形成する。次いで、エッチングにより垂直貫通孔03を形成することにより、フォトニック結晶が作製される。
【0005】
ここで、上記パタンニングの際、基板01の一部に細孔を形成しない場所を残すことにより光導波部04を形成し、フォトニック結晶光デバイスの特徴である急峻な曲がり導波路04を作製することができる。また、基板01に半導体材料や非線形材料、発光材料などを用いることにより、光導波部に機能性を持たせたり、フォトニック結晶中に発光中心を作製することができる。
【0006】
これらの組み合わせにより、二次元フォトニック結晶光学素子を用いた集積光回路の実現が可能となる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したように、二次元フォトニック結晶光学素子を用いた集積光回路を実現するためには、フォトニック結晶中に様々な機能を持たせることが必要となる。そのために、フォトニック結晶中に異なった性質をもつ材料を任意に導入できることが要求される。
【0008】
しかしながら、図10で示した従来技術にかかる作製法によっては、フォトニック結晶を構成する材料以外の材料を任意に導入することができない。これは、フォトニック結晶に形成された垂直孔03に結晶構成材料以外の材料を導入するなどの微細加工を施すことは、サイズ的に困難であるという問題による。
そこで、簡易な方法によりフォトニック結晶中に異種材料を導入することが切望されている。
【0009】
本発明は以上述べた問題に鑑み、フォトニック結晶を構成する材料以外の材料を任意に導入することを可能とするフォトニック結晶光学素子とその作製方法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】
本発明の結晶素子の作成方法は、以下に示す手段により上記課題を達成する。発明者らは、二次元フォトニック結晶光デバイスの作製において、孔の片端が封鎖され、そのうちの一部が開口している場合において、封鎖面より充填材料を塗布、又は、蒸着することにより、両端が開口した孔に対して選択的に充填材料が導入されることを見出した
【0011】
かかる知見に基づく、第1フォトニック結晶光学素子の発明は、基板に周期的な両端開口の孔を有してなる二次元フォトニック結晶において、上記孔の片端が前記基板の材料より封鎖され、そのうちの一部が開口していて、両端が開口した孔に対して選択的に充填材料が導入されていることを特徴とする。従って、本発明によれば、選択的に充填材料を導入することにより、二次元フォトニック結晶中に任意の機能性材料を導入することができる。
【0012】
また、発明者らは、二次元フォトニック結晶光デバイスの作製において、基板裏面に薄膜を形成しておくことにより、エッチングマスクの厚みの違いに対応して、貫通孔と封鎖孔を作製できることを見出した。さらに、封鎖面に充填材料を塗布又は蒸着することにより、貫通孔に対して選択的に充填材料を導入可能であることを見出した。
かかる知見に基づく、第1のフォトニック結晶光学素子作製方法は、第1の材料からなる基板に対し、第2の材料を用いて部分的に厚みの異なるエッチングマスクを作製する工程と、基板裏面に第2の材料又は第3の材料によって薄膜を形成する工程と、エッチングによって、基板に孔を形成し、さらに、裏面薄膜の一部を貫通させる工程と、基板裏面より充填材料を貫通孔に充填する工程とを有することを特徴とする。
本発明によれば、選択的に充填材料を導入することにより、二次元フォトニック結晶中に任意の機能性材料を導入することができる。
【0013】
また、発明者らは、アルミナナノホールを用いた二次元フォトニック結晶光デバイスの作製において、アルミナナノホールアレイの孔の片端を封鎖しているバリア層を、イオンビーム照射により除去し、封鎖孔の一部を選択的に貫通孔とすることができることを見出した。さらに、封鎖面に充填材料を塗布又は蒸着することにより、貫通孔に対して選択的に充填材料を導入可能であることを見出した。
【0014】
かかる知見に基づく、第2のフォトニック結晶光学素子作製方法は、バリア層により片端が封鎖された周期的封鎖孔を有し、当該バリア層がアルミナナノホールアレイと同一材料からなるアルミナナノホールアレイを用い前記バリア層の一部をイオンビーム等により除去し貫通孔を形成する工程と、前記バリア層側より充填材料を前記貫通孔に充填する工程とを有することを特徴とする。本発明によれば、選択的に充填材料を導入することにより、二次元フォトニック結晶中に任意の機能性材料を導入することができる。
【0015】
さらに、発明者らは、二次元フォトニック結晶光デバイスの作製において、貫通孔を有する基板表面に孔径と略一致する球体を散布した後、余分な球体を洗い流すことにより、全ての貫通孔の片端を封鎖し、封鎖孔とすることができることを見出した。また、イオンビーム照射やエッチングにより球体の一部を除去することにより、封鎖孔の一部を貫通孔とすることができることを見出した。また、封鎖面に充填材料を塗布又は蒸着することにより、貫通孔に対して選択的に充填材料を導入可能であることを見出した。
【0016】
かかる知見に基づく、第3のフォトニック結晶光学素子作製方法は、周期的貫通孔を有する基板の表面に対し、孔径よりわずかに大きい直径を有する球体を散布し、その後洗浄して余分な前記球体を取り除くことにより、全ての貫通孔の一端が前記球体により封鎖された封鎖面を作製する工程と、エッチングにより前記球体のうちの一部の球体を除去し、前記封鎖面の一部を再び貫通させる工程と、前記封鎖面側より充填材料を貫通孔に充填する工程とを有することを特徴とする。本発明によれば、選択的に充填材料を導入することにより、二次元フォトニック結晶中に任意の機能性材料を導入することができる。
【0017】
上記発明において、第1の材料としては、例えばアルミナ、シリコン、酸化シリコン、GaAs、InP等を用いるようにすることが好ましい。
上記発明において、充填材料としては、例えばSiO2 ゲル、TiO2 ゲル、ポリチオフェン、ポリフェニレンビニレン、ポリアセチレン、アルミナゲル、水酸化アルミニウムや、有機エレクトロルミネッセンス材料であるAlq3,DCM色素等の機能性充填材料を用いるようにすることが望ましい。
上記発明において、第2及び第3の材料としては、例えばTi,Ni,Au,Cr,C6O,ZEP,PMMA,SiO2 等をを用いるようにすることが望ましい。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【0019】
「第1の実施の形態]
図1は第1の実施の形態にかかる光学素子を示す模式工程図である。
本実施の形態にかかる光学素子は、図1(C)及び(D)に示すように、第1の材料からなる基板11に周期的な両端開口の垂直貫通孔12を有してなる二次元フォトニック結晶において、上記垂直貫通孔12の一部に任意の機能性の充填材料13が導入されているものである。
【0020】
図1(A)〜(D)に示すように、本実施の形態では、基板11に貫通垂直孔12及び封鎖垂直孔14が形成されており(図1(A)参照)、次いで基板11の裏面側に充填材料15を塗布することにより(図1(B)参照)、貫通垂直孔12にのみ充填材料13を充填して(図1(C)及び(D)参照)、任意の機能性材料の光学素子を得るようにしたものである。
【0021】
すなわち、二次元フォトニック結晶光デバイスの作製において、複数の孔の内の所定孔のみを貫通垂直孔12とすると共に残りを下端を封鎖して上端を開口してなる垂直封鎖貫通孔14を形成し、基板11の裏面側より充填材料15を塗布、又は、蒸着するようにしたものである。この結果、両端が開口した貫通垂直孔12に対して基板11の裏面側から選択的に充填材料13が導入されることになる。
従って、上記の方法で、選択的に充填材料13を導入することにより、二次元フォトニック結晶中に任意の機能性材料を充填して導入することができ、該機能性材料の特性が発揮された機能性光学素子を得ることができる。
【0022】
また、図2に示すように、基板11の裏面側に残った充填材料13をエッチング、酸処理等の方法により積極的に剥離し、上記充填材料13を貫通垂直孔12の内部のみに充填した光学素子とすることで、より機能性材料の充填効果を発揮させるようにしてもよい。
【0023】
なお、本実施の形態では孔を垂直孔として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、所定角度の斜めの孔であってもよい。
【0024】
[第2の実施の形態]
図3は本発明による第2の光学素子作製方法実施の形態を示す模式図である。
▲1▼ 先ず、図3に示すように、例えば電子ビーム露光などにより、第1の材料である基板21上に、第2の材料であり、厚みの異なる2種類の第1及び第2のエッチングマスク22A,22Bを形成する(図3(A)参照)。上記第1のエッチングマスク22Aは基板21の厚み方向に薄いマスクであり、一方の第2のエッチングマスク22Bは基板21の厚み方向に厚いマスクである。
この厚さの違うマスクを用いるのは、後述するように、エッチング速度の相違により、任意の箇所のみに貫通孔を形成するためである。
さらに、基板21の裏面に上記エッチングマスクの材料と同材料で裏面側の薄膜23を形成する(図3(A))。
なお、薄膜23は第2の材料と異なる第3の材料から形成されるようにしてもよい。
▲2▼ ドライエッチングなどによって、基板21に垂直孔24を形成する(図3(B))。
▲3▼ さらにエッチングを進めると、厚みの薄いエッチングマスク22Aが除去されると同時に、垂直孔24においては裏面側の薄膜24がエッチングされ、貫通垂直孔25が形成される(図3(C))。
▲4▼ さらに、エッチングを進め、厚みの薄いエッチングマスク22Aが形成されていた基板部分を裏面薄膜の直前までエッチングし、封鎖垂直孔26を形成する(図3(D))。
▲5▼ その後、充填材料27を基板21の裏面側に塗布する(図3(E))。
▲6▼ 最後に、貫通垂直孔27にのみ充填材料27を充填する(図3(F))。この充填は毛管現象により充填材料27が貫通垂直孔27の端面から充填されることにより行なわれる。
【0025】
なお、充填材料27を蒸着によって貫通垂直孔27に充填する場合には、図3(E)と図3(F)との工程が同時に行なわれることになる。
【0026】
[第3の実施の形態]
図4は本発明による第3の光学素子作製方法実施の形態を示す模式図である。
▲1▼ 先ず、図4において、片端が封鎖された封鎖垂直孔31を有するアルミナナノホールアレイ32のバリア層33に対し、蒸着により金属膜34を形成する(図4(A),(B))。
▲2▼ イオンビーム照射により所定箇所のバリア層33の一部をアレイ32の裏面側から除去し、貫通垂直孔35を作製する(図4(C))。
▲3▼ 次いで、バリア層33側より充填材料36を塗布する(図4(D)。この充填材料36の塗布することにより、貫通垂直孔35にのみ充填材料36が充填され、光学素子を得る(図4(E))。
【0027】
上記金属膜34を酸等により剥離することで、充填材料36と金属膜34とを同時に取り去ることができ、充填材料36が付着した状態の光学素子の場合に比べて光学素子の機能性効率が向上する。
【0028】
[第4の実施の形態]
図5は本発明による第2の光学素子作製方法実施の形態を示す模式図である。
▲1▼ 先ず、図5において、周期的な貫通垂直孔41を有する基板42の表面に孔41と孔径が略一致する球体43を散布し、貫通垂直孔41の一端を封鎖し、封鎖垂直孔44を作製する(図5(A),(B))。
▲2▼ 次いで、蒸着により、エッチングマスク45を形成した後、イオンビーム照射により金属膜の一部を除去する(図5(C),(D))。
▲3▼ 次いで、ドライエッチングにより金属膜45が除去された球体46をエッチングし、貫通垂直孔47を作製する(図5(E))。
▲4▼ 次いで、封鎖面側より充填材料48を塗布する(図5(F))。これにより貫通垂直孔47にのみ充填材料を充填し、光学素子を得る(図5(G))。
【0029】
ここで、本発明で基板の材質としては、例えばアルミナ、シリコン、酸化シリコン、GaAs、InP等を挙げることができるが、光学素子用の公知の基板材料であれば、これに限定されるものではない。
【0030】
本発明で充填材料としては、例えばSiO2 ゲル、TiO2 ゲル、ポリチオフェン、ポリフェニレンビニレン、ポリアセチレン、アルミナゲル、水酸化アルミニウム等を挙げることができるが、光学素子等に用いる公知の機能性充填材料であれば、これに限定されるものではない。
【0031】
本発明でエッチングマスクの材質としては、例えばTi,Ni,Au,Cr,C6O,ZEP,PMMA,SiO2 等を挙げることができるが、公知のマスク材質であれば、これに限定されるものではない。
【0032】
本発明によれば、二次元フォトニック結晶の任意の孔を充填することが可能となり、二次元フォトニック結晶を用いた光機能素子を作製する方法として特に有効である。
【0033】
【実施例】
以下、本発明の好適な実施例を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
【0034】
(実施例1)
実施例1は図1に示す実施形態にかかる方法の具体的な実施例である。
フォトニック結晶基板として、AlGaAs基板11に電子ビーム露光及びエッチングにより周期0.25μmの周期的封鎖垂直孔14を作製した。
位置合わせを行い再度電子ビーム露光とエッチングを繰り返すことで、封鎖垂直孔の一部を貫通垂直孔12とした。該封鎖面よりポリチオフェン溶液をスピンコートにより塗布し、固化させて光学素子100Aを作製した。
なお、本実施例では孔径は、上記周期(0.25μm)の25〜85%の範囲とした。
【0035】
図6に示されるようなパタンを有した光学素子100Aのポリチオフェン充填材料13を充填した充填部に波長600nmの励起光を照射し、上面に出射される750nmの蛍光を観察したところ、フォトニックバンドギャップによる閉じ込め効果により、バルクのポリチオフェン薄膜からの発光に比べ100倍の蛍光収率を得た。
【0036】
(実施例2)
次に本発明による別な実施例を示すが、実施例2は図3に示す実施形態にかかる方法の具体的な実施例である。
基板21としてSi基板を用いた。また、エッチングマスク材料及び裏面薄 膜材料として、SiO2 を用いた。電子ビームリソグラフィを繰り返し、厚みの異なるSiO2 エッチングマスクパタンを作製した。C26を用いたドライエッチングにより、周期0.25μmの周期的貫通垂直孔25及び封鎖垂直孔26を作製した。基板を裏返し、PMMA溶液をスピンコートにより塗布し固化させた。フッ酸中で裏面のSiO2 膜とともに余分なPMMAを除去した。
図7に示されるような充填材料27で充填してなるPMMA充填部を有する光学素子100Bを作製した。上記PMMA充填部114に光入射を行ったところ、良好な導波路となることを確認した。
【0037】
(実施例3)
次に本発明による別な実施例を示すが、実施例3は図4に示す実施形態にかかる方法の具体的な実施例である。
バリア層を有した300nm周期のアルミナナノホールアレイ32のバリア層側にNi250nmを蒸着した。イオンビーム照射により、バリア層を観察しながら1.5μm周期でバリア層を除去した。バリア層側から充填材36であるポリチオフェン溶液をスピンコートにより塗布し固化させた。塩酸中で裏面のNi膜とともに余分なポリチオフェンを除去した。
図8に示されるような充填材料36で充填してなるポリチオフェン充填部を有する光学素子100Cを作製した。上記ポリチオフェン充填部に波長600nmの励起光を照射し、上面に出射される750nmの蛍光を観察したところ、フォトニックバンドギャップによる閉じ込め効果により、バルクのポリチオフェン薄膜からの発光に比べおよそ100倍の蛍光収率を得た。
【0038】
(実施例4)
次に本発明による別な実施例を示すが、実施例4は図5に示す方法の具体的な実施例である。
孔径80nm、ピッチ300nmの垂直孔を有するSi基板42を用いた。基板上に直径310nmのポリスチレン球43を散布し、洗浄して余分なポリスチレン球を取り除いた後、封鎖面からNi膜を蒸着した。イオンビームにより一部のNi膜を除去した後、O2 RIEによるエッチングで当該個所のポリスチレン球をエッチングし、貫通垂直孔48を作製した。封鎖面側からポリチオフェン溶液をスピンコートにより塗布し固化させた。
図9に示されるようなパタンの充填材料48で充填してなるポリチオフェン充填部を有する光学素子100Dを作製した。上記ポリチオフェン充填部に波長600nmの励起光を照射し、上面に出射される800nmの蛍光を観察したところ、フォトニックバンドギャップによる閉じ込め効果により、バルクのポリチオフェン薄膜からの発光に比べ100倍の蛍光収率を得た。
【0039】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、二次元フォトニック結晶中の孔を選択的に充填することにより、二次元フォトニック結晶中に機能性材料を任意に導入してなる光学素子を得ることが可能となり、フォトニック結晶を用いた機能性光学素子を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるフォトニック結晶光学素子の実施の形態を示す模式図である。
【図2】本発明によるフォトニック結晶光学素子の実施の形態を示す模式図である。
【図3】本発明によるフォトニック結晶光学素子作製方法の実施の形態を示す模式的工程図である。
【図4】本発明によるフォトニック結晶光学素子作製方法の別の実施の形態を示す模式的工程図である。
【図5】本発明によるフォトニック結晶光学素子作製方法の別の実施の形態を示す模式的工程図である。。
【図6】本発明の第1の実施例におけるフォトニック結晶光学素子の上面と断面を示す図である。
【図7】本発明の第2の実施例におけるフォトニック結晶光学素子の上面と断面を示す図である。
【図8】本発明の第3の実施例におけるフォトニック結晶光学素子の上面と断面を示す図である。
【図9】本発明の第4の実施例におけるフォトニック結晶光学素子の上面と断面を示す図である。
【図10】従来方法によるフォトニック結晶光学素子作製方法を示す模式的工程図である
【符号の説明】
11 基板
12 垂直貫通孔
13 充填材料
14 封鎖垂直孔
21 基板
22A 第1のエッチングマスク
22B 第2のエッチングマスク
23 薄膜
24 垂直孔
25 貫通垂直孔
26 封鎖垂直孔
27 充填材料
31 封鎖垂直孔
32 アルミナナノホールアレイ
33 バリア層
34 金属膜
35 貫通垂直孔
36 充填材料
41 貫通垂直孔
42 基板
43 球体
44 封鎖垂直孔
45 エッチングマスク
46 金属膜が除去された球体
47 貫通垂直孔
48 充填材料
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a photonic crystal optical element and a photonic crystal optical element manufacturing method capable of introducing different materials into a photonic crystal in the field of optoelectronics.
[0002]
[Prior art]
In the field of optoelectronics, the use of photonic crystals is being studied for the miniaturization and integration of optical elements. In particular, in order to realize a micro optical active element, it is necessary to be able to arbitrarily introduce a different material into the photonic crystal. Two-dimensional photonic crystals and three-dimensional photonic crystals are currently being studied.
[0003]
The two-dimensional photonic crystal is expected to be applied to a planar optical circuit. The two-dimensional photonic crystal has a basic structure of a periodic arrangement of pores, but when creating a photonic crystal optical element, a part of the pores are selectively filled to change the refractive index, It is necessary to provide functionality.
[0004]
A conventional method for producing a two-dimensional photonic crystal optical element will be described with reference to FIG.
FIG. 10 is a schematic view of a method for producing a two-dimensional photonic crystal optical element.
As shown in FIG. 10, the substrate 01 is patterned by electron beam exposure or the like, and a metal mask 02 is formed on the substrate 01. Next, the photonic crystal is manufactured by forming the vertical through hole 03 by etching.
[0005]
Here, at the time of the above patterning, the optical waveguide portion 04 is formed by leaving a portion where the pores are not formed in a part of the substrate 01, and the sharp bend waveguide 04 that is a feature of the photonic crystal optical device is manufactured. can do. Further, by using a semiconductor material, a non-linear material, a light emitting material, or the like for the substrate 01, it is possible to give the optical waveguide part functionality or to produce a light emission center in the photonic crystal.
[0006]
By combining these, an integrated optical circuit using a two-dimensional photonic crystal optical element can be realized.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, as described above, in order to realize an integrated optical circuit using a two-dimensional photonic crystal optical element, it is necessary to provide various functions in the photonic crystal. Therefore, it is required that materials having different properties can be arbitrarily introduced into the photonic crystal.
[0008]
However, materials other than the material constituting the photonic crystal cannot be arbitrarily introduced by the manufacturing method according to the prior art shown in FIG. This is because it is difficult to perform microfabrication such as introducing a material other than the crystal constituent material into the vertical hole 03 formed in the photonic crystal.
Therefore, it is anxious to introduce different materials into the photonic crystal by a simple method.
[0009]
In view of the problems described above, it is an object of the present invention to provide a photonic crystal optical element and a method for manufacturing the same, which can arbitrarily introduce materials other than the materials constituting the photonic crystal.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The method for producing a crystal element of the present invention achieves the above object by the following means. In the production of a two-dimensional photonic crystal optical device, the inventors closed one end of a hole, and when a part of the hole is open, by applying or vapor-depositing a filling material from the sealing surface, It has been found that the filler material is selectively introduced into the holes opened at both ends .
[0011]
Based on these findings, the invention of the first photonic crystal optical element, the substrate to a periodic openings at both ends of the hole the two-dimensional photonic crystal composed of a more sequestering one end of the hole in the material of the substrate A portion thereof is open, and a filling material is selectively introduced into a hole having both ends open. Therefore, according to the present invention, any functional material can be introduced into the two-dimensional photonic crystal by selectively introducing the filler material.
[0012]
In addition, the inventors have shown that in the production of a two-dimensional photonic crystal optical device, by forming a thin film on the back surface of the substrate, a through hole and a closed hole can be produced corresponding to the difference in the thickness of the etching mask. I found it. Furthermore, it has been found that the filler can be selectively introduced into the through holes by applying or vapor-depositing the filler on the sealing surface.
A first photonic crystal optical element manufacturing method based on such knowledge includes a step of manufacturing an etching mask partially different in thickness using a second material for a substrate made of a first material, and a back surface of the substrate. Forming a thin film with the second material or the third material, forming a hole in the substrate by etching, and further penetrating a part of the back thin film; And a filling step.
According to the present invention, any functional material can be introduced into the two-dimensional photonic crystal by selectively introducing the filler material.
[0013]
Further, the inventors have removed the barrier layer blocking one end of the holes of the alumina nanohole array by ion beam irradiation in the production of the two-dimensional photonic crystal optical device using the alumina nanoholes, and thereby removing one of the blocked holes. It was found that the part can be selectively made into a through hole. Furthermore, it has been found that the filler can be selectively introduced into the through holes by applying or vapor-depositing the filler on the sealing surface.
[0014]
Based on this knowledge, the second photonic crystal optical element manufacturing method, possess one end of the sequestered periodically blocked pores by the barrier layer, an alumina nanohole array in which the barrier layer is made of alumina nanoholes array of the same material characterized by having a step of forming a portion is removed by ion beam or the like through holes of the barrier layer, and a step of filling the filling material from the barrier layer side in the through hole. According to the present invention, any functional material can be introduced into the two-dimensional photonic crystal by selectively introducing the filler material.
[0015]
Furthermore, the inventors of the present invention, in manufacturing a two-dimensional photonic crystal optical device, sprayed a sphere that substantially matches the hole diameter on the surface of the substrate having a through hole, and then washed off the extra sphere, thereby removing one end of all the through holes. It was found that can be made into a blocking hole. Moreover, it discovered that a part of blockade hole could be made into a through-hole by removing a part of spherical body by ion beam irradiation or an etching. Moreover, it discovered that a filler could be selectively introduce | transduced with respect to a through-hole by apply | coating or vapor-depositing a filler on the sealing surface.
[0016]
The third photonic crystal optical element manufacturing method based on such knowledge is obtained by spraying spheres having a diameter slightly larger than the hole diameter on the surface of the substrate having periodic through- holes , and then cleaning the excess spheres. by removing the steps of one end of all of the through hole making blockade surface which is blocked by the spherical body, a portion of a sphere of said spherical body is removed by etching, again through a portion of the sealed surface a step of, characterized by a step of filling the through-hole filling material from the sealed surface. According to the present invention, any functional material can be introduced into the two-dimensional photonic crystal by selectively introducing the filler material.
[0017]
In the above invention, it is preferable to use, for example, alumina, silicon, silicon oxide, GaAs, InP or the like as the first material.
In the above invention, as the filling material, for example, a functional filling material such as SiO 2 gel, TiO 2 gel, polythiophene, polyphenylene vinylene, polyacetylene, alumina gel, aluminum hydroxide, Alq 3 which is an organic electroluminescence material, DCM dye, etc. It is desirable to use.
In the above invention, it is desirable to use, for example, Ti, Ni, Au, Cr, C 6 O, ZEP, PMMA, SiO 2 or the like as the second and third materials.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.
[0019]
“First Embodiment”
FIG. 1 is a schematic process diagram showing the optical element according to the first embodiment.
As shown in FIGS. 1C and 1D, the optical element according to the present embodiment has a two-dimensional structure in which a substrate 11 made of a first material has vertical through-holes 12 with periodic openings. In the photonic crystal, an arbitrary functional filling material 13 is introduced into a part of the vertical through-hole 12.
[0020]
As shown in FIGS. 1A to 1D, in the present embodiment, the substrate 11 is provided with through vertical holes 12 and blocking vertical holes 14 (see FIG. 1A). By applying the filling material 15 on the back side (see FIG. 1B), only the through vertical holes 12 are filled with the filling material 13 (see FIGS. 1C and 1D), and any functionality An optical element of material is obtained.
[0021]
That is, in the fabrication of a two-dimensional photonic crystal optical device, only a predetermined hole of a plurality of holes is made a through vertical hole 12, and the remaining is sealed at the lower end and the vertical sealed through hole 14 is opened at the upper end. The filling material 15 is applied or vapor-deposited from the back side of the substrate 11. As a result, the filling material 13 is selectively introduced from the back surface side of the substrate 11 into the through vertical hole 12 having both ends opened.
Therefore, by selectively introducing the filling material 13 by the above method, it is possible to fill and introduce any functional material into the two-dimensional photonic crystal, and the characteristics of the functional material are exhibited. Functional optical elements can be obtained.
[0022]
Further, as shown in FIG. 2, the filling material 13 remaining on the back surface side of the substrate 11 is positively peeled off by a method such as etching or acid treatment, and the filling material 13 is filled only in the through vertical holes 12. By using an optical element, the effect of filling the functional material may be exhibited.
[0023]
In the present embodiment, the hole has been described as a vertical hole, but the present invention is not limited to this and may be an oblique hole having a predetermined angle.
[0024]
[Second Embodiment]
FIG. 3 is a schematic view showing an embodiment of a second optical element manufacturing method according to the present invention.
(1) First, as shown in FIG. 3, two types of first and second etchings of a second material and different thicknesses are performed on a substrate 21 which is a first material by, for example, electron beam exposure. Masks 22A and 22B are formed (see FIG. 3A). The first etching mask 22A is a thin mask in the thickness direction of the substrate 21, and the second etching mask 22B is a thick mask in the thickness direction of the substrate 21.
The reason why the masks having different thicknesses are used is that through holes are formed only at arbitrary positions due to the difference in etching rate, as will be described later.
Further, a thin film 23 on the back surface side is formed on the back surface of the substrate 21 with the same material as the etching mask (FIG. 3A).
Note that the thin film 23 may be formed of a third material different from the second material.
(2) A vertical hole 24 is formed in the substrate 21 by dry etching or the like (FIG. 3B).
(3) When the etching is further advanced, the thin etching mask 22A is removed, and at the same time, the thin film 24 on the back surface side is etched in the vertical hole 24 to form the through vertical hole 25 (FIG. 3C). ).
(4) Further, the etching is advanced, and the substrate portion on which the thin etching mask 22A has been formed is etched to just before the back thin film to form the sealed vertical hole 26 (FIG. 3D).
(5) Thereafter, the filling material 27 is applied to the back side of the substrate 21 (FIG. 3E).
{Circle around (6)} Finally, the filling material 27 is filled only in the through-holes 27 (FIG. 3F). This filling is performed by filling the filling material 27 from the end face of the through vertical hole 27 by capillary action.
[0025]
When filling the through-holes 27 with the filling material 27 by vapor deposition, the steps of FIGS. 3E and 3F are performed simultaneously.
[0026]
[Third Embodiment]
FIG. 4 is a schematic view showing an embodiment of a third optical element manufacturing method according to the present invention.
(1) First, in FIG. 4, a metal film 34 is formed by vapor deposition on the barrier layer 33 of the alumina nanohole array 32 having the closed vertical holes 31 sealed at one end (FIGS. 4A and 4B). .
{Circle around (2)} A portion of the barrier layer 33 at a predetermined location is removed from the back side of the array 32 by ion beam irradiation, and a through vertical hole 35 is produced (FIG. 4C).
(3) Next, a filling material 36 is applied from the side of the barrier layer 33 (FIG. 4D) By applying this filling material 36, only the through vertical hole 35 is filled with the filling material 36 to obtain an optical element. (FIG. 4E).
[0027]
By peeling off the metal film 34 with an acid or the like, the filling material 36 and the metal film 34 can be removed at the same time, and the functional efficiency of the optical element is higher than in the case of the optical element with the filling material 36 attached. improves.
[0028]
[Fourth Embodiment]
FIG. 5 is a schematic diagram showing an embodiment of a second optical element manufacturing method according to the present invention.
(1) First, in FIG. 5, a sphere 43 having a hole diameter substantially equal to that of the hole 41 is sprayed on the surface of the substrate 42 having the periodic through-hole 41, and one end of the through-hole 41 is sealed. 44 is produced (FIGS. 5A and 5B).
(2) Next, after forming an etching mask 45 by vapor deposition, a part of the metal film is removed by ion beam irradiation (FIGS. 5C and 5D).
(3) Next, the sphere 46 from which the metal film 45 has been removed by dry etching is etched to produce a through vertical hole 47 (FIG. 5E).
(4) Next, a filling material 48 is applied from the sealing surface side (FIG. 5 (F)). Thus, only the through vertical hole 47 is filled with the filling material to obtain an optical element (FIG. 5G).
[0029]
Here, examples of the material of the substrate in the present invention include alumina, silicon, silicon oxide, GaAs, InP, and the like, but any known substrate material for optical elements is not limited thereto. Absent.
[0030]
Examples of the filling material in the present invention include SiO 2 gel, TiO 2 gel, polythiophene, polyphenylene vinylene, polyacetylene, alumina gel, aluminum hydroxide, and the like. Examples of the filling material include known functional filling materials used for optical elements and the like. If there is, it is not limited to this.
[0031]
Examples of the material of the etching mask in the present invention include Ti, Ni, Au, Cr, C 6 O, ZEP, PMMA, and SiO 2. However, any known mask material can be used. It is not a thing.
[0032]
According to the present invention, it is possible to fill an arbitrary hole of a two-dimensional photonic crystal, and it is particularly effective as a method for manufacturing an optical functional element using a two-dimensional photonic crystal.
[0033]
【Example】
Hereinafter, preferred examples of the present invention will be described, but the present invention is not limited thereto.
[0034]
Example 1
Example 1 is a specific example of the method according to the embodiment shown in FIG.
As a photonic crystal substrate, periodic blocked vertical holes 14 having a period of 0.25 μm were formed on an AlGaAs substrate 11 by electron beam exposure and etching.
By aligning and repeating the electron beam exposure and etching again, a part of the blocked vertical hole was made into the through vertical hole 12. A polythiophene solution was applied from the sealed surface by spin coating and solidified to produce an optical element 100A.
In this example, the pore diameter was in the range of 25 to 85% of the above period (0.25 μm).
[0035]
When the filling portion filled with the polythiophene filling material 13 of the optical element 100A having the pattern as shown in FIG. 6 is irradiated with excitation light having a wavelength of 600 nm and fluorescence emitted at 750 nm emitted from the upper surface is observed, a photonic band is observed. Due to the confinement effect by the gap, a fluorescence yield of 100 times that of light emission from the bulk polythiophene thin film was obtained.
[0036]
(Example 2)
Next, another example according to the present invention will be described. Example 2 is a specific example of the method according to the embodiment shown in FIG.
A Si substrate was used as the substrate 21. Further, SiO 2 was used as an etching mask material and a backside thin film material. Electron beam lithography was repeated to prepare SiO 2 etching mask patterns having different thicknesses. Periodic through vertical holes 25 and closed vertical holes 26 with a period of 0.25 μm were prepared by dry etching using C 2 F 6 . The substrate was turned over and the PMMA solution was applied by spin coating and solidified. Excess PMMA was removed together with the SiO 2 film on the back surface in hydrofluoric acid.
An optical element 100B having a PMMA filling portion filled with a filling material 27 as shown in FIG. 7 was produced. When light was incident on the PMMA filling portion 114, it was confirmed that a good waveguide was obtained.
[0037]
Example 3
Next, another example according to the present invention will be described. Example 3 is a specific example of the method according to the embodiment shown in FIG.
On the barrier layer side of the 300 nm-period alumina nanohole array 32 having a barrier layer, Ni 250 nm was deposited. The barrier layer was removed at an interval of 1.5 μm while observing the barrier layer by ion beam irradiation. The polythiophene solution as the filler 36 was applied by spin coating from the barrier layer side and solidified. Excess polythiophene was removed together with the Ni film on the back surface in hydrochloric acid.
An optical element 100C having a polythiophene filling portion filled with a filling material 36 as shown in FIG. 8 was produced. The polythiophene-filled portion was irradiated with excitation light having a wavelength of 600 nm, and fluorescence emitted at 750 nm emitted from the upper surface was observed. Yield was obtained.
[0038]
(Example 4)
Next, another embodiment according to the present invention will be described. Embodiment 4 is a specific embodiment of the method shown in FIG.
A Si substrate 42 having vertical holes with a hole diameter of 80 nm and a pitch of 300 nm was used. After spraying polystyrene spheres 43 having a diameter of 310 nm on the substrate, washing to remove excess polystyrene spheres, a Ni film was deposited from the sealed surface. After removing a part of the Ni film with an ion beam, the polystyrene sphere at that location was etched by O 2 RIE to form a through vertical hole 48. A polythiophene solution was applied by spin coating from the sealing surface side and solidified.
An optical element 100D having a polythiophene filling portion filled with a pattern filling material 48 as shown in FIG. 9 was produced. The polythiophene-filled portion was irradiated with excitation light having a wavelength of 600 nm and the fluorescence emitted at 800 nm was observed on the upper surface. Got the rate.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an optical element in which a functional material is arbitrarily introduced into a two-dimensional photonic crystal is obtained by selectively filling holes in the two-dimensional photonic crystal. Thus, a functional optical element using a photonic crystal can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of a photonic crystal optical element according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing an embodiment of a photonic crystal optical element according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic process diagram showing an embodiment of a photonic crystal optical element manufacturing method according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic process diagram showing another embodiment of the photonic crystal optical element manufacturing method according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic process chart showing another embodiment of the photonic crystal optical element manufacturing method according to the present invention. .
FIGS. 6A and 6B are views showing a top surface and a cross section of a photonic crystal optical element in a first example of the present invention. FIGS.
FIGS. 7A and 7B are diagrams showing a top surface and a cross section of a photonic crystal optical element in a second embodiment of the present invention. FIGS.
FIG. 8 is a view showing a top surface and a cross section of a photonic crystal optical element according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a view showing a top surface and a cross section of a photonic crystal optical element according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic process diagram showing a photonic crystal optical element manufacturing method according to a conventional method.
11 Substrate 12 Vertical through hole 13 Filling material 14 Sealed vertical hole 21 Substrate 22A First etching mask 22B Second etching mask 23 Thin film 24 Vertical hole 25 Through vertical hole 26 Sealed vertical hole 27 Filling material 31 Sealed vertical hole 32 Alumina nanohole Array 33 Barrier layer 34 Metal film 35 Through vertical hole 36 Filling material 41 Through vertical hole 42 Substrate 43 Sphere 44 Sealed vertical hole 45 Etching mask 46 Spherical body 47 with metal film removed Through vertical hole 48 Filling material

Claims (4)

基板に周期的な両端開口の孔を有してなる二次元フォトニック結晶において、上記孔の片端が前記基板の材料より封鎖され、そのうちの一部が開口していて、両端が開口した孔に対して選択的に充填材料が導入されていることを特徴とするフォトニック結晶光学素子。In the substrate a periodic openings at both ends of the hole the two-dimensional photonic crystal composed of a, one end of the hole is more sequestered material of the substrate, some of which are not open, both ends of which are openings A photonic crystal optical element characterized in that a filler material is selectively introduced into the photonic crystal optical element. 第1の材料からなる基板に対し、第2の材料を用いて部分的に厚みの異なるエッチングマスクを作製する工程と、基板裏面に第2の材料又は第3の材料によって薄膜を形成する工程と、
エッチングによって、基板に孔を形成し、さらに、裏面薄膜の一部を貫通させる工程と、
基板裏面より充填材料を貫通孔に充填する工程とを有することを特徴とするフォトニック結晶光学素子作製方法。
A step of forming an etching mask having a partially different thickness using a second material on a substrate made of the first material, and a step of forming a thin film on the back surface of the substrate with the second material or the third material. ,
Forming a hole in the substrate by etching, and further penetrating a part of the backside thin film; and
And a step of filling the through hole with a filling material from the back surface of the substrate.
バリア層により片端が封鎖された周期的封鎖孔を有し、当該バリア層がアルミナナノホールアレイと同一材料からなるアルミナナノホールアレイを用い
前記バリア層の一部をイオンビーム等により除去し貫通孔を形成する工程と、
前記バリア層側より充填材料を前記貫通孔に充填する工程と
を有することを特徴とするフォトニック結晶光学素子作製方法。
Barrier layer which one end have a sequestered periodically blocked holes by using the alumina nanoholes array in which the barrier layer is made of alumina nanoholes array of the same material,
Forming part is removed by ion beam or the like through holes of said barrier layer,
Photonic crystal optical element manufacturing method characterized by a step of filling the through-hole filling material from the barrier layer side.
周期的貫通孔を有する基板の表面に対し、孔径よりわずかに大きい直径を有する球体を散布し、その後洗浄して余分な前記球体を取り除くことにより、全ての貫通孔の一端が前記球体により封鎖された封鎖面を作製する工程と、
エッチングにより前記球体のうちの一部の球体を除去し、前記封鎖面の一部を再び貫通させる工程と、
前記封鎖面側より充填材料を貫通孔に充填する工程とを有することを特徴とするフォトニック結晶光学素子作製方法。
By spraying spheres having a diameter slightly larger than the hole diameter on the surface of the substrate having periodic through holes , and then cleaning to remove excess spheres , one end of all through holes is sealed by the spheres. Producing a sealed surface;
A step of a portion of a sphere of said spherical body is removed by etching to penetrate a portion of the sealed surface again,
And a step of filling the through hole with a filling material from the sealing surface side.
JP2001082129A 2001-03-22 2001-03-22 Photonic crystal optical element and manufacturing method thereof Expired - Fee Related JP3781407B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001082129A JP3781407B2 (en) 2001-03-22 2001-03-22 Photonic crystal optical element and manufacturing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001082129A JP3781407B2 (en) 2001-03-22 2001-03-22 Photonic crystal optical element and manufacturing method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2002277659A JP2002277659A (en) 2002-09-25
JP3781407B2 true JP3781407B2 (en) 2006-05-31

Family

ID=18938117

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2001082129A Expired - Fee Related JP3781407B2 (en) 2001-03-22 2001-03-22 Photonic crystal optical element and manufacturing method thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3781407B2 (en)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4093281B2 (en) 2004-03-03 2008-06-04 独立行政法人科学技術振興機構 Photonic crystal coupling defect waveguide
WO2005115609A1 (en) * 2004-05-31 2005-12-08 Japan Science And Technology Agency Process for producing nanoparticle or nanostructure with use of nanoporous material
JP2006068827A (en) * 2004-08-31 2006-03-16 Kanagawa Acad Of Sci & Technol Nanohole array and manufacturing method thereof, composite material and manufacturing method thereof
US7385231B2 (en) 2005-08-31 2008-06-10 Fujifilmcorporation Porous thin-film-deposition substrate, electron emitting element, methods of producing them, and switching element and display element
JP5100681B2 (en) * 2009-02-16 2012-12-19 富士フイルム株式会社 Fine pattern forming member
US8682129B2 (en) * 2012-01-20 2014-03-25 Micron Technology, Inc. Photonic device and methods of formation

Also Published As

Publication number Publication date
JP2002277659A (en) 2002-09-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3387897B2 (en) Structure manufacturing method, structure manufactured by the manufacturing method, and structure device using the structure
TW200413243A (en) Self-organized nanopore arrays with controlled symmetry and order
JP2009231689A (en) Semiconductor light emitting device and method of manufacturing the same
JP2007273746A (en) Method for microfabrication of solid surface and light emitting device
KR20070102947A (en) Organic EL element having a microstructure between a transparent substrate and an electrode
JP2011249765A (en) Three-dimensional nanostructure array and method for manufacturing the same
TW202032811A (en) Deep ultraviolet LED device and manufacturing method thereof
CN111403567B (en) Quantum dot single photon source and preparation method of its microlens array by wet etching
JP3781407B2 (en) Photonic crystal optical element and manufacturing method thereof
CN106094445B (en) Fabrication method of nanoscale metal structure with high aspect ratio
US7588882B2 (en) Method for fabricating complex three-dimensional structures on the submicrometric scale by combined lithography of two resists
JP2004523876A (en) Optoelectronic device and method of manufacturing the same
CN102170092A (en) Polarization-stable vertical-cavity surface-emitting laser and manufacturing method thereof
KR20110034710A (en) Pattern Formation Method
JP5078058B2 (en) Mold and mold manufacturing method
CN103545173A (en) A method for making sapphire template with large-area nanopatterns
KR20060018466A (en) Nonmetallic Nanowire Manufacturing Method
US20030194873A1 (en) Structure having recesses and projections, method of manufacturing structure, and functional device
KR0146713B1 (en) Manufacturing method of upper surface emitting micro laser
TW200933223A (en) Method for preparing photonic crystal slab waveguides
KR100690012B1 (en) Manufacturing method of shadow mask for processing nano structure and manufacturing method of nano structure using mask
KR101702991B1 (en) Method for manufacturing semiconductor nanowall structure with three-dimensional periodicity
TWI455212B (en) Method of forming a T-type gate structure
KR101861146B1 (en) Thin film patterning method, method of forming nanostructure using the same and device including nanostructure
KR20250104641A (en) Method for manufacturing led device

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20050412

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050531

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20051206

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20060130

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20060228

RD01 Notification of change of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7426

Effective date: 20060306

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20060306

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20060306

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20060306

R150 Certificate of patent (=grant) or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090317

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100317

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110317

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110317

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120317

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130317

Year of fee payment: 7

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees