３次元フォトニック結晶は、微小な透明反射鏡を、３次元的に規則正しく並べた構造体で、それらの微小反射鏡の協同作用により、光がどのような方向から、結晶に侵入しようとしても全て反射し、結晶の内部に光が入ること（存在すること）を許さないことを特長とします。この結晶に、例えば発光物体を導入すると、その物体の発光は禁止されることになります注１)。また反射鏡の並び方の規則性を乱すと、規則性を乱した部分において、発光を著しく強めることもできます注１)。さらに、発光体を導入しない場合でも、規則性を乱すだけで、その部分に光を強く閉じ込めたりすることもできます。最近では、結晶の表面に光を閉じ込めることもできることが分かってきました注２)。すなわち、発光を自由自在に強めたり、弱めたり、また、光を任意の場所で捕獲し、結晶内部や表面を伝播させたり、さらに一箇所に強く留めておくなど、さまざまな光の操作を自由自在にすることができるため、次世代の光材料として期待されています。
しかし、このような３次元のナノ構造体をどのように作製するかが大きな課題でした。例えば、微小球（微小透明反射鏡）を水の中にいれて攪拌し、その後、自然と沈殿したものを固めた「オパール」と命名された結晶があります。これは確かに作るのが簡単ですが、どうしても自然にまかせて作製するため、意図しない規則性の乱れが生じてしまうと言う欠点があります。一方、半導体の微細プロセスにより薄いストライプ状の構造を作製し、それを井桁状に順に組み上げていくという作製法があります。この方法は現在、最も信頼性の高い作製法として認知されていますが、ナノメートルスケールの位置あわせと積層プロセスを何度も行なうことが要求されるため、どうしてもプロセスが煩雑になり、将来の実用化を考えた場合、もう一歩のブレークスルーが望まれていました。
本研究グループは今回、半導体（シリコン）に斜め２方向から、エッチングする（孔をあける）という極めてシンプルな作製法を考案するとともに、高精度な「斜めエッチング技術」を開発することにより、３次元フォトニック結晶を一括して形成することに成功しました。これにより、従来のプロセスを大幅に簡略化することが可能となり、３次元結晶の実用化に向けて大きな一歩を踏み出したと言えます。
本研究は、ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業 チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）の研究領域「新機能創成に向けた光・光量子科学技術」における研究課題「フォトニック結晶を用いた究極的な光の発生技術の開発」および文部科学省プロジェクト(グローバルＣＯＥなど)の一環として行なわれました。
本研究成果は、２００９年８月９日（英国時間、日本時間：同年８月１０日）に英国科学雑誌「Nature Materials」のオンライン速報版（Advanced On-line版）で公開されます。
戦略的創造研究推進事業 チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）
| 研究領域 | ： | 「新機能創成に向けた光・光量子科学技術」 （研究総括：伊達 達夫 東京工業大学 理事・副学長） |
| 研究課題名 | ： | フォトニック結晶を用いた究極的な光の発生技術の開発 |
| 研究代表者 | ： | 野田 進（京都大学 大学院工学研究科 教授／同校 光・電子理工学教育研究センター センター長） |
| 研究期間 | ： | 平成１７年１０月～平成２３年３月 |
＜研究の背景と経緯＞
３次元フォトニック結晶を作製するために、これまでさまざまな方法が検討されてきましたが、如何に、簡潔で、スループットの高い方法で作製するかが重要な課題でした。３次元フォトニック結晶の構造としては、図１に示すような薄いストライプ状の構造を井桁状に組み上げた構造が、最も理想的な構造の１つとして知られています。この構造を如何に、効率良く形成するかが鍵になります。
研究グループは、図１の構造を、赤色の面で切断した面が上になるように、９０°回転させて、図２(a)のような構造とすれば、同添付図に示されているように、４５°および-４５°の斜めエッチングを２回繰り返すことで、３次元結晶が形成できることに気付きました（特願2005-106729号）。わずか２回のエッチングを行なうだけで、３次元のナノ構造が出来るとなると、３次元フォトニック結晶の作製プロセスは大幅に簡略化できると言えます。
図２(a)の構造を実現するため、本研究では、近年、目を見張る勢いで進歩している半導体のプラズマエッチング技術に着目しました。この技術は、LSIの超高集積化でも知られるように、年を追うごとに、より微細な加工が可能になり、また驚異的に深いエッチングもできるようになってきています。半導体の微細加工には必ずと言っていいほど使用されている重要な技術ですが、前提として、半導体表面に対して垂直方向にしかエッチングできないという制限がありました。もしエッチング方向を任意に制御することができれば、図２(a)に従って、３次元フォトニック結晶を一括作製できる可能性がありますが、上記の制限を如何に回避し、斜めプラズマエッチング技術を実現するかが重要な課題となります。
＜研究の内容＞
斜めエッチング技術を開発するに先立って、まず、図２(a)に示す方法で３次元フォトニック結晶を形成する際、エッチング角度や、エッチング孔の大きさの許容度について検討しました。図２(b)には、結晶構造を規定する構造パラメータを表示しています。図２(c)は、エッチング角度が±４５°から、±８°程度ずれても十分大きなフォトニックバンドギャップ幅（光の侵入が、禁止される波長帯域を意味します）が得られることが分かります。また、図２(d)から、孔の大きさや、その間隔も、かなり自由度が大きいことが分かりました。すなわち、エッチング角度が、±４５°から少々ずれても、また、エッチング孔の大きさや間隔が若干ずれても、十分に大きなフォトニックバンドギャップが形成されることが分かりました。つまり、斜めエッチング技術を開発することができれば、比較的大きな作製誤差の許容度を持って、上述の３次元結晶一括作製が可能であることが分かりました。
次に、実際に斜め方向のプラズマエッチングを実現するための技術開発に取り組みました。まず、何故、通常のプラズマエッチングでは斜めエッチングが困難かを原理から考えました。図３(a)は、通常のプラズマエッチングをシミュレーションした結果です。エッチングの最中には、エッチングの対象となる半導体ウエハの表面に「イオンシース」と呼ばれる薄い正電荷層が形成されますが、この層の中でエッチングの主役を担う「イオン」が加速され、その「イオン」が半導体に入射することによって、エッチングが進行していきます。同図を見ると、イオンシースに垂直方向にイオンが加速され、ウエハに垂直にエッチングが進むことが分かります。
ここで、イオンシースの厚さは一般に、０．１～５mmと薄いのが特徴です。人によっては、半導体ウエハを、図３(b)のように傾けて設置すれば、斜めエッチングが簡単にできるのではと考えられるかもしれませんが、イオンシースは、このように大変薄いため、いくら斜めにウエハを設置しても、同図に示すように、この場合もウエハの表面に沿って形成され、結局、イオンはウエハに垂直に入射してしまいます。これが斜め方向のプラズマエッチングを困難にしている根本的な原因です。
そこで本研究では、図３(c)に示すように、半導体ウエハ上にイオンシースを制御するための金属板を設置し、そこに適切な孔を設けることによってイオンシース自体を直接変調し、イオンの入射方向、すなわちエッチング方向を制御することができないかと考えました。エッチング装置に合わせてイオンシース制御板の設計を適切に行えば、任意方向の斜めエッチングが可能になるのではと考えました。実際、図３(c)の計算結果にも示されるように、イオンシースと同程度の高さで、同程度の幅を持つ斜めの開口を設けると、エッチング角度は、開口と同じ角度の斜めのエッチングができることが分かりました。（注：開口部の幅が、イオンシースと比べて十分に小さい場合や、逆に、大きすぎる場合には、斜め方向の一様なエッチングが困難であることも分かりました。）なお、-４５°のエッチングを行なう場合は、イオンシース制御版を１８０°回転させることにより可能となります。（なお、このイオンシースを制御するための金属版の設計指針や、その理論に関する詳しい説明は、論文中のOn-line Supplementary Informationに詳述されています。）
このような考えを実証するため、実際にシリコンウエハに対して、上述のイオンシース制御のための金属板を用いて、斜めエッチングを行いました。その結果が図４(a)、(b)に示されています。図４(a)の上面写真が示すように、数１００nm間隔で、エッチング孔が並んでいますが、図４(b)の断面写真を見ると、確かにこれらの孔は斜め４５°方向に深く伸びていることが分かります。さらに、この斜めエッチングを２回行い、作製した３次元フォトニック結晶の表面電子顕微鏡写真が図４(c)に示されています。良好な結晶が形成されていることが分かります。
続いて、実際に、作製した３次元フォトニック結晶が、どの程度の性能を持っているかを調べるために、透過・反射率を測定しました。その結果が、図４(d)に示されています。波長１．５μm付近に顕著に反射率の増加（最大９７％以上）と、それに対応して透過率の減少が見られます。これは、フォトニックバンドギャップの存在により、光が結晶中に進入できず、光が反射されていることを示しています。この結果は図４(e)に示す理論計算結果とよく一致しており、３次元フォトニック結晶として非常に高い性能を持っていることが分かります。また、図４(f)は、同じ結晶試料に対してさまざまな方向から光を入射させ、透過率を測定したものですが、どの方向の光も波長１．５μm付近に明確な透過率の減少が見られ、この結晶が、真に３次元フォトニックバンドギャップを持っていることを示しています。今回、作製した３次元フォトニック結晶は、従来法（薄いストライプ層を、順に積層し、図１の構造を形成する方法）によって作製した場合の、ストライプ８層積層構造に相当することが分かりました。このことは、従来に比べ、大幅なプロセスの簡略化ができたことを明解に示しています。今後、さらに、イオンシース制御板の構造最適化などを行い、さらに深い斜めエッチングを行うことで、さらに高い性能を持つ３次元フォトニック結晶の作製が可能であると考えています。
次に、この３次元フォトニック結晶によって物体からの発光現象の制御が可能であることを確認するため、上述の方法によって作製されたシリコン３次元フォトニック結晶に発光体（具体的にはInGaAsP量子井戸）を導入しました。図５(a)は３次元フォトニック結晶上に厚さ３０nmの発光体を貼り付けた様子を示しています（詳細は、省略しますが、ウエハボンディングと呼ばれる方法で、発光体を導入しました）。この時、発光体の発光は図４(b)に示すように、通常の参照用の発光体に比べ、約４０倍にも強く発光することが分かりました。これは、３次元フォトニック結晶の効果により、発光が、上部方向にしか許されなくなったことに起因します。一方、この発光体を、２つの３次元フォトニック結晶で挟み込んだ場合についても検討しました。この場合は、逆に、発光は４０分の１以下にまで抑制されました。これは、上下を３次元フォトニック結晶で覆われ、発光できる道がなくなったためです。以上の結果は、本研究で開発した作製法によって、非常に質の高い３次元フォトニック結晶が作製可能であり、さまざまな用途に合わせて、時には光を効率よく外部へ放出し、時には不要な放出を抑制するといった制御が可能であることを示しています。
＜今後の展開＞
本研究では、現在半導体微細加工に広く使用されているプラズマエッチング装置をベースに、任意方向の微細加工を可能にする斜めプラズマエッチング技術を新たに開発し、この技術により、半導体（シリコン）ウエハに対して３次元フォトニック結晶構造を一括作製することに成功しました。これらの技術は、３次元フォトニック結晶の研究を加速させ、将来的には量産も視野に入れた産業応用への道を開くものと考えられます。
また、今回開発した斜めプラズマエッチング技術は、既存のプラズマエッチング装置に軽微な改造を施すだけで使用でき、近年進歩の著しいプラズマエッチング技術の利点がそのまま享受できます。したがって、３次元フォトニック結晶に限らず、LSIやメモリー、MEMSといった他の半導体デバイスに対しても、３次元微細加工技術として新たな可能性を開くものと期待されます。
＜参考図＞
図１ ３次元フォトニック結晶として、最も優れた特性をもつと認識されてきたストライプ積層型３次元フォトニック結晶の構造模式図
本研究では、この構造において、赤色で示した面で切断した面が、上になるように９０°回転した構造とすれば、同じ構造が、より簡便に形成できることに着目しました。
図２ ３次元フォトニック結晶一括作製法とフォトニックバンドギャップ幅の構造パラメータ依存性
図３ プラズマエッチング時における空間電荷と電位分布およびイオン軌道のシミュレーション結果
図４ 作製された３次元フォトニック結晶とその光学特性
図５ シリコン３次元フォトニック結晶による発光制御
＜参照＞
注１）３次元フォトニック結晶による発光の抑制と増強
平成１６年６月２日 ＪＳＴプレス発表を参照。
「完全３次元フォトニック結晶を用いて究極の発光制御に成功」
https://www.jst.go.jp/pr/info/info77/index.html
注２）３次元フォトニック結晶の「表面」で光制御ができることの発見
平成２１年７月１６日 ＪＳＴと京都大学との共同プレス発表を参照。
「３次元フォトニック結晶の「表面」における光制御に成功
―優れた信号処理能力を持つ光回路や高感度バイオセンサーなどの実現に道―」
https://www.jst.go.jp/pr/announce/20090716/index.html
＜論文名＞
“Direct creation of three-dimensional photonic crystals by a top-down approach”
（トップダウン法による３次元フォトニック結晶の一括作製）
doi: 10.1038/nmat2507
＜お問い合わせ先＞
＜研究に関すること＞
野田 進（ノダ ススム）
京都大学 大学院工学研究科 電子工学専攻 教授
〒615-8510 京都府京都市西京区京都大学桂
Tel：075-383-2315 Fax：075-383-2317
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＜ＪＳＴの事業に関すること＞
廣田 勝巳(ヒロタ カツミ)
科学技術振興機構 イノベーション推進本部 研究領域総合運営部
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