Silicides Photonic Crystals

Towards Sustainable Photonics

Yoshihito MaedaDepartment of Energy Science and Technology

Kyoto University

Semiconducting Silicides Summer Seminar in Shizuoka, 2007

Ferromagnetic

Fe3Si

SPIN-ELECTRONICSSPIN-ELECTRONICS ELECTRONICSELECTRONICSOPTOELECTRONICSOPTOELECTRONICS

Nanostructure

(Quantum confinement)

Nanostructure

(Quantum confinement)

Energy Band EngineeringEnergy Band Engineering

Magnetic RAMMagnetic RAM

Random structures (k-moment mixture)Random structures (k-moment mixture)

Light Emitting Diode,　Laser DiodeLight Emitting Diode,　Laser Diode

　Solar Cell, Thermoelectrics　　　　Solar Cell, Thermoelectrics　　　

Fe Fe3Si FeSi -FeSi2 Si Fe Fe3Si FeSi -FeSi2 Si

Ferromagnetics Semiconductor　

Spin controlSpin control Carrier controlCarrier control

Spin TransistorSpin Transistor

Memory, ULSIMemory, ULSI

Spin-Carrier-Light

Interaction

Electron correlation

PhotodiodePhotodiode

Si waveguideSi waveguide

indirectDirect

Silicide

Semiconductor

Spin injectionSpin injection

Spin filterSpin filterFerromagnetic

Fe3Si

Silicide

Semiconductor

Ferromagnetic

Fe3Si

SPIN-ELECTRONICSSPIN-ELECTRONICS ELECTRONICSELECTRONICSOPTOELECTRONICSOPTOELECTRONICS

Nanostructure

(Quantum confinement)

Nanostructure

(Quantum confinement)

Energy Band EngineeringEnergy Band Engineering

Magnetic RAMMagnetic RAM

Random structures (k-moment mixture)Random structures (k-moment mixture)

Light Emitting Diode,　Laser DiodeLight Emitting Diode,　Laser Diode

　Solar Cell, Thermoelectrics　　　　Solar Cell, Thermoelectrics　　　

Fe Fe3Si FeSi -FeSi2 Si Fe Fe3Si FeSi -FeSi2 Si

Ferromagnetics Semiconductor　

Spin controlSpin control Carrier controlCarrier control

Spin TransistorSpin Transistor

Memory, ULSIMemory, ULSI

Spin-Carrier-Light

Interaction

Electron correlation

PhotodiodePhotodiode

Si waveguideSi waveguide

indirectDirect

Silicide

Semiconductor

Spin injectionSpin injection

Spin filterSpin filterFerromagnetic

Fe3Si

Silicide

Semiconductor

Silicides world opens new integrated ICs

Photonic crystals

Magneto-photonic crystals

Y. Maeda (1999)

電磁波の伝播制御

スラブ型光導波路

原理：内部全反射

全反射角 qc=sin-1(n0/nc)

nc

n0

放射モード

大屈曲部漏れ損失：大きい

フォトニック結晶導波路

原 理フォトニックバンドギャップ

+欠陥モード

波長程度の曲率でも無損失伝播

qc

光回路の集積化：困難

光導波路の曲げ損失シミュレーション

スラブ型光導波路の曲げ損失

曲げ方向

R=2mm

R=0.5mm

TE

TM

TE

曲げ半径 R(mm)

光は急には曲がれない

after K. Yamada et al., Optics Lett. 28 （2003） 1663-1664．

a

b

a

b

曲げ方向

コアl=1.55mm

1次元フォトニック結晶

誘電体多層膜

誘電率大 誘電率小

Ea

Eb

kz

kz

定常状態

E

フォトニックバンドギャップ

電磁気変分定理

22 1

),(2

11

),(2

1)(

),(

),(

2

1)(

DHH

H

cdr

HHdr

HHE

HH

HHE

t

t

電磁エネルギー: Et

電気変位ベクトルD

高い誘電率に集中するときEtが最小

フォトニックバンド構造

自然界のフォトニック結晶

オパール

森の宝石

誘電体多層膜２次元

フォトニック結晶

３次元フォトニック結晶

誘電体周期構造

光の波長程度

2次元フォトニック結晶

空気三角格子

誘電体正方格子

3次元フォトニック結晶

誘電体球

空気ギャップ

フォトニック結晶の種類

ErciHHciE )(,)(

Hc

Hr 2

2

)(

1

マスター方程式

Maxwell方程式

マスター方程式

Hc

Hr 2

2

)(

1

)'(

2

)'(

)'(

)'(),( ll

l

ll GG

G

k

GG hh

)',(' 1

'',,)'(),( GGeGkeGk GG

k

GG

llll

マスター方程式の平面波展開近似

-1(G, G’) is the inverse of the Fourier transform of the dielectric function (r)．

展開係数 h(G,l) の固有値方程式

x

y

z

eG,1

eG,2

k+G

x

y

z

eG,1

eG,2

k+G

))(exp(, rGkieG l

))(exp()( ,

2

1

, rGkiehrH G

G

G

l

l

l

Geometry of the unit vectors eG,1 and

eG,2 and the vector (k+G) on the x-y

plane

平面波

磁界の平面波展開

0 H

ブロッホの定理

G : 逆格子ベクトル

0),(

),(),(

),(),(

2

2

11

yxHc

y

yxHyx

yx

yxHyx

x

z

zz

0),(),(),(

),(2

2

2

2

2

21

yxEcy

yxE

x

yxEyx z

zz

TE波 (Ex,Ey,Hz)

TM波(Hx,Hy,Ez)

2次元マスター方程式

フォトニック結晶材料

誘電体(屈折率差小さい）:Δn＜2

SiO2(Ge) Al2O3 TiO2 ITO

液晶(active PhC)

半導体(屈折率差大きい：Δn＞2)

GaAs(3.38) InGaAs Si(3.46) SiGe Ge(4.0)

高屈折率フォトニック結晶（High index-contrast photonic crystals)

-FeSi2(>5.6)/Si（3.46），d電子系半導体

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

Ref

ract

ive

index

n

Wavelength (mm)

SiO2

Ge(4.0)Si（3.46）

GaAs（3.38）

Ru2Si3(4~4.2)

Mg2Si(3.5~7)

CrSi2(5.6~6.9)

-FeSi2(5.3-5.6)

1.45

半導体の屈折率

2.0 1.0 0.53.0

MnSi2-x

BaSi2, (Ba,Sr)Si2

混晶による屈折率の微小調整

Wide gap photonic crystals

0

12

0

GaAs 1.95mm1.14mm

-FeSi2 2.10mm1.00mm

1.55mm

-FeSi2(n=5.6)

GaAs(n=3.34)

Filling ratio (r/a)

Ga

p-m

idg

ap

ra

tio

/

0

TE polarization mode

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2

In case of air rods, -FeSi2 PhCs

can be down sized by 24% in area

as much as GaAs PhCs.

GaAs -FeSi2

24% of

reduction

in area

GaAs-FeSi2

56% of

reduction

in area

Wavelength mm

GaAs

-FeSi2

La

ttic

e c

onsta

nt a

mm

Wavelength mm

GaAs

-FeSi2

Down sizing of photonic crystals

In case of dielectric rods, -FeSi2PhCs can be down sized by 56%

in area as much as GaAs PhCs.

Air rods Dielectric rods

La

ttic

e c

onsta

nt a

mm

1.55mm 1.55mm

高屈折率フォトニック結晶

シリコン・フォトニック結晶

屈折率:Si(3.46)/SiO2(1.4) or air

β-FeSi2・フォトニック結晶

屈折率差大きい

-FeSi2(5.6)/SiO2(1.45) or air

-FeSi2(5.6)/Si(3.46) or air

Si

ＮＴＴ基礎研群速度異常（重い光子）超Ｑ値共振器

-FeSi2 PhC waveguides on Si

京大

)sin(

11

1)sin(

11

1

2

2

1

2

2

1

2

1

2

1

0

f

fn

n

nn

f

f

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

/0

f

n1=5.6 n

2=1.0

n1=3.6 n

2=1.0

１D PｈC gap margin:/0

One-dimensional

Photonic structure

(Bragg reflector)

/0

0

中心周波数

PBG幅

Gap=0.364 ～ 0.553

△=41.2%

Gap=1.147 ～ 1.154 △=0.6%

Gap=0.262 ～ 0.509

△=64.0%

Gap=0.978 ～ 0.980 △=0.2%

Triangle lattice

(r/a)=0.14

=25 =11.4

X G J X X G J X

２D PhC gap margin:/0

(a) =31.3 (b) =11.43

(r/a) (r/a)

-FeSi2 GaAs

TE

TMTM&TE

(a) =31.3 (b) =11.43

(r/a) (r/a)

-FeSi2 GaAs

TE

TMTM&TE

Photonic band-gap maps for triangular lattice of air columns either in -FeSi2 or

GaAs. Plots of gaps for both TM and TE polarizations are shown. The overlapped

areas show creation of complete photonic band-gaps. The dashed lines show (r/a) in

which columns contact each other.

Photonic band-gap maps

完全フォトニックギャップ

n=3.34n=5.6

TE modes with (Hx, Hz, Ey), TM modes with (Hy, Ex, Ez)

a

G

M K

2次元フォトニックバンド

三角空気格子

TE modes with (Hx, Hz, Ey), TM modes with (Hy, Ex, Ez)

計算技術

FDTD法（Finite Difference Time Domain）時間領域差分法：

差分法を時間領域に拡張過渡現象を容易に解析可能

FDTD法による電磁界解析：Yee：IEEE Trans. Antennas Propagat. 14, 4, pp.207-302 (1966).

Yeeアルゴリズム

FDTD法による電磁界解析

FDTDの応用

時間・空間領域の偏微分方程式すべてに適用可能

ラプラス方程式

拡散方程式

波動方程式 (電磁波，弾性波，振動解析）

工学：多岐に応用されている．電波工学アンテナ解析（ダイポールアンテナ，パッチアンテナ）伝播路解析（方形，方形同軸，ストリップ線路）共振器解析LSI内部の電磁波解析

),(),(

),(

),(),(

tt

tt

t

tt

rJrD

rH

rBrE

電磁界の解析

Maxwell方程式

（ファラデーの法則）

（アンペールの法則）

電磁界の時間領域での配置

t

En-1 En En+1

(n-1)t

(n-1/2)t (n+1/2)t

nt (n+1)t

tt

tt

nn

tnt

nn

tnt

2

1

2

1

1

)2

1(

HHH

EEE

時間微分

Hn-1/2Hn+1/2

EH

HEE

m

1

1

t

t

Maxwell方程式の差分化

媒質：等方，非分散

nnn

nnn

t

t

t

t

t

EHH

HEE

m

2

1

2

1

2

1

1

21

21

21

FDTD法の計算フローチャート

パラメータ，散乱体波源などの初期設定

電界Eの計算

吸収境界条件

磁界Hの計算

t>tmax

出 力

t=0 t=t+t/2

t=t+t/2

解析領域

散乱体

光源

単位セル

Ez

Ey

Ey

Ez

Ez

Hz

Hx

Ex Ex

Ex

Hy

電界の回転（∇ｘE）⇒磁界H

電界・磁界の配置

注：配置には任意性がある．吸収境界（仮想的）

x

y

z

x

y

z

外壁での反射が起こらない

吸収境界条件（開放領域）

吸収境界

散乱体

20セル

（20＋2d）セル

（20＋2d）セル

（20＋2d）セル

仮想的な境界（吸収境界）で解析領域を閉じる

反射波が解析領域に戻らない完全吸収境界

Perfectly Matched Layer (PML)

(Berenger)

開放領域での解析

電気双極子による電磁波の放射

完全吸収体(PML)

a>105cm-1

FDTD analysis

スリットによる平面波の回折

Magnetic

coil

H＝0

Neutral Point

Magnetic

coil

Magnetic

coil

H＝0

Neutral Point

Gas inlet

to pump

Induction coil

Magnetic coilNeutral Loop : NL

RF

RF

Sample

Gas inlet

to pump

Induction coil

Magnetic coilNeutral Loop : NL

RF

RF

Sample

Magnetic

coil

H＝0

Neutral Point

Magnetic

coil

Magnetic

coil

H＝0

Neutral Point

Gas inlet

to pump

Induction coil

Magnetic coilNeutral Loop : NL

RF

RF

Sample

Gas inlet

to pump

Induction coil

Magnetic coilNeutral Loop : NL

RF

RF

Sample

Schematic structure of neutral loop discharge

(NLD) plasma etching

干渉膜厚計

80.55:1SF6+Ar

72.63:1SF6+O2

72.6*5:1SF6+CHF3

Etching rate

(nm/min)Mixing ratio

Gas

(P=0.4Pa)

80.55:1SF6+Ar

72.63:1SF6+O2

72.6*5:1SF6+CHF3

Etching rate

(nm/min)Mixing ratio

Gas

(P=0.4Pa)

Etching rate of MOCVD -FeSi2

Bias power=200W, Antenna power: 1500W

*IBSD polycrystalline -FeSi2: 185.7 (nm/min)

0

100

200

300

400

500

0 100 200 300 400 500

Applied bias Power (W)

Etc

hin

g r

ate

(nm

/min

)

Polycrystalline

-FeSi2

Epitaxially grown

-FeSi2

SF6/CHF3(5:1) ,0.4Pa

■ -FeSi2/Si(111)

▲ -FeSi2/Si(100)

Fig.3.2.8 -FeSi2の結晶質の違いによるエッチング速度の変化

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0

1

2

3

4

5

6

-FeSi2 FeSi Fe3Si

IBSD

RIE（Fe）

RCr

CVD

SPD

SPD

MBE

SF6/CHF

3(5:1)

0.4Pa 200W

Si(100)

Si(100) Si(111)

Si(111)

Si(111)ICP-RIE[18]

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0

1

2

3

4

5

6

-FeSi2 FeSi Fe3Si

IBSD

RIE（Fe）

RCr

CVD

SPD

SPD

MBE

SF6/CHF

3(5:1)

0.4Pa 200W

Si(100)

Si(100) Si(111)

Si(111)

Si(111)ICP-RIE[18]

Photonic crystal

RIE(Si)+Impact(Fe)

Etc

hin

g r

ate

R (

mm

/min

)

Etc

hin

g s

ele

ctivity t

o C

r m

ask

(

R/R

Cr)

Fig.3.2.12 鉄シリサイドの組成とエッチング速度の関係SF6/CHF3の5:1混合ガスを用いてガス分圧0.4Pa，印加バイアスパワー200Wでエッチングを行った．

Etching properties of FeSi binary films by NLD-RIE

Etching gas: SF6+CHF3

-FeSi2 のエッチング機構

Neutral Loop Discharge (NLD)-RIEの利点

イオン衝撃ラジカル吸着

ラジカル（F*, SF5*）

Fe Si

揮発

SiFe

Si

利 点

低圧プラズマイオン分子間散乱が少ない

異方性エッチング

高密度プラズマ高密度なラジカル種の存在

イオン衝撃エッチング

+

Grating with 200nm width

line and spacehexagonal rod patterns

Fabrication of IBSD--FeSi2 photonic patterns

5mm2mm

SF6+CHF3(5:1), 200W NLD plasma

(a) (b)(a) (b)

磁気光学Kerr効果（MOKE）による光波制御

after Y. Souche et al.;

IEEE Ｔrans. Mag. 35, 3145 (1999).

1次元磁気光学回折格子

磁場（H）

n=0

磁場（H）

波長 l=670nmn=1

n=2強磁性体

n=0

磁場（H）

波長 l=670nmn=1

n=2強磁性体

磁気光学フォトニック結晶

TM TE

軟強磁性体ロッド

磁気光学効果による導波モード変換

Fe3Si columns

フォトニック結晶の作製：難エッチング(Cr<1)材料（１）

(a) Si　 レジストEB描画

（ｂ）Crマスク形成

（c）エッチング：空気コラム形成

（d）Fe3Siの成膜

（e)Siエッチング

（ｆ）Ｆｅ３Ｓｉコラム形成

Ｓｉ/Fe3Si選択比＞136

強磁性体Fe3Si

1mm

7.4nm

Fe3Si(a) Si　 レジストEB描画

（ｂ）Crマスク形成

（c）エッチング：空気コラム形成

（d）Fe3Siの成膜

（e)Siエッチング

（ｆ）Ｆｅ３Ｓｉコラム形成

Ｓｉ/Fe3Si選択比＞136

強磁性体Fe3Si

1mm

7.4nm

Fe3Si

フォトニック結晶の作製：難エッチング(Cr<1)材料（２）

強磁性体Fe3Si

(a) Si　 レジストEB描画

（ｂ）Crマスク形成

（c）エッチング：Siコラム形成

（d）Ｆｅ３Ｓｉの成膜

（e)Siエッチング（セルフマスク）

（ｆ）空気コラム形成

Fe3Si

Ｓｉ/Fe3Si選択比＞136

(a) Si　 レジストEB描画

（ｂ）Crマスク形成

（c）エッチング：Siコラム形成

（d）Ｆｅ３Ｓｉの成膜

（e)Siエッチング（セルフマスク）

（ｆ）空気コラム形成

Fe3Si

Ｓｉ/Fe3Si選択比＞136

Fe3Si self lift off : actual situation

2次元面での電界と磁界の配置

TE modes with (Hx, Hz, Ey)TM modes with (Hy, Ex, Ez)

x

z

y

伝播禁制 光導波路（線欠陥）

フォトニック結晶でのＴＥ波の伝播

光源

リング共振回路およびMZ干渉計

r/a=0.3 r/a=0.45

r/a=0.5 r/a=0.6

TE波

2次元フォトニック結晶・導波路回路（光スイッチ回路）

チャネルドロップ回路

S D

GAND論理回路

Channel drop circuits in PhCs

Photonic OR 論理回路

11

0

11

1

入力1 入力2 出 力

(monitor value)

0 0 0

0 1 1 （0.42）

1 0 1 (0.42)

1 1 1 (1.0)

(コンパレータレベル: 0.40)

1 11

1 00

入力1 入力2 出 力

(monitor value)

0 0 0

0 1 0(0.1)

1 0 0(0.1)

1 1 1(0.8)

（コンパレータレベル：0.4）

Photonic ＡＮＤ 論理回路

出力

I D

IG/Iｓ

XOR回路(排他的論理和)

入力 IS 入力 IG 出力 ID

0 0 0

0 1 1(0.42)

1 0 1(0.45)

1 1 0（0.1)

IG/IS＝3

normally on

入力 IS 入力 IG 出力 ID

(monitor value)

0 0 0

1 0 1(0.45)

0 1 1(0.42)

1 1 0(0.1)

11

0

10

1

Photonic XOR論理回路

01

1

ID=0.45

ID= 0

(コンパレータレベル:0.3)

ID=0.42

11

0

10

1

XOR回路の動作周波数

01

1

コンパレータレベル：0.3

過渡時間：0.66×10-12s（=0.66ps）

⇒1.5THz：スイッチング動作

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 100 200 300 400 500

Is=1 Ig=0Is=0 Ig=1Is=1 Ig=1

Mo

nito

r valu

e

cT

(a)

(b)

(c)

a

b

c

半加算器

XOR回路が使えるので光論理回路だと必要な回路数は２個

A

BS

C

入力A 入力B 出力S 出力C

0 0 0 0

0 1 1 0

1 0 1 0

1 1 0 1

半減算器

XOR回路が使えるので光論理回路だと必要な回路数は3個

A

BS

C

入力A 入力B 出力S 出力C

0 0 0 0

0 1 1 1

1 0 1 0

1 1 0 1

組合せ回路

Pow

er

of lig

ht

入射波

透過波 結合不良

Pow

er

of lig

ht

入射波

透過波 結合不良

入射波 透過波

高屈折率ＰｈＣへの光の入射

FeSi2 (n=5.6)air holes (n=1.0)

FeSi2 rods

Si (n=3.46)

反射損失

この構造は作製困難

-FeSi2

air

-FeSi2

air-FeSi2

air

-FeSi2

air

Width, w (mm)

(a)

w

(b)

-FeSi2

air

-FeSi2

air-FeSi2

air

-FeSi2

air

Width, w (mm)

(a)

w

(b)

Conjugated inverse lattice patterns

wavelength (mm)

Densitie

s o

f sta

tes

-FeSi2 rod

air-column

共役反転フォトニック結晶界面での導波解析

A

B

C

D

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 50 100 150 200 250 300

Monitor D

Monitor AMonitor BMonitor CM

onitor

Valu

e

cT

1ps 3.2ps

SEM image of conjugated inverse lattice patterns

Air columns

FeSi2 columns

waveguide t=200nm

IBSD -FeSi2 film/Si(100), SF6+CHF3 plasma

200 nm

IBSD -FeSi2 film/Si(100), SF6+CHF3 plasma

200 nm

Physics of random photonic crystals

Air/-FeSi2/Si/Si substrate

ランダム・レーザー メモリーホールバーニング

ZnO Random medium laser emission

H. Cao et al.: PRL 82 (1999) 2278.

John局在

高屈折率媒体中の光の局在

ランダムフォトニック結晶

(0.5, 0.5 0.8)

(0.0, 0.5, 0)

2D Photonic crystals with random structures

Structural and refractive randomness

Structural randomness

Localized states (John localization)

n=5.6/Si

(a) r/a=0.2 (b) r/a=0.3 (c) r/a=0.38

2D-Photonic crystals with random rods in air

Si rods FeSi2 roda

b

c

John localization in 2D-Random FeSi2:PhC

air

CW light source (Gaussian)

l=1.66mm

Simulation for TE waves propagation in random PhCs

Evaluation of John localization length by a super cell method

Random air rods

(r=0.46mm)

in FeSi2 (n=5.6)

lattice constant a=1.0mm

Localized length of TE polarized wave

~5a=5mm

Random air rods

(r=0.46mm)

in FeSi2 (n=5.6)

lattice constant a=1.0mm

super cell size (1,1) (3,3) (5,5)Order lattice

after 1.6ps

Simulation of light propagation in a 2D random medium

Photonic crystal slabs (PCS)

Air holes in slabs

Slabd

Photonic crystal slabs (PCS)

Substrate

d>>l :2-dimenisonal (2D) photonic crystals

d<l :Photonic crystal slabs ~ Slab waveguides

Triangular lattice of air holes

E//Ey

mode E// Ey H// Hy

even even odd odd even

odd odd even even odd

TE-like : 1st even mode

TM-like: 1st odd mode

Analysis of light wave mode propagating

in slabs

TE0

oddTE1

even

TE2

odd

n=5.0 (FeSi2) n=3.46 (Si)

Band structures of photonic crystal slabs

Triangular air holes

Complete bandgaps for both even and odd

mode waves can be realized because of photonic

band compression due to lowering of group velocity.

Thickness of slab (mm)

Gap-midgap ratios vs. slab thickness in PCS structures

nslab=5.0

nslab=3.46 (Si)

Slabd

even mode

r=0.46mm(FeSi2)

r’=0.36mm(Si)

a=1.0mm

Thickness of slab, d (mm)

nhole=1.0

r=0.45mm

a=1.0mm

Gap-midgap ratio vs. refractive index of slabs

SiGe

FeSi2

Slab nslab

even even

nhole=1.0

n hole

Refractive index of hole (nhole)

nSi

nslab=5.0

r=0.42mm

a=1.0mm

nSiO2

Air

Gap-midgap ratio vs. refractive index of holes

n(slab)=5.0

n(hole)=1.0

r=0.41mm

a=1.0mm

Hybrid Band Structure - y-parity: even

Fre

qu

en

cy (

a

/2c=

a/l

)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7 Light line,

neff=1.000

G M K G

High index contrast photonic crystal slabs (PCS):FeSi2

High index contrast photonic crystal slabs (PCS):Si

n(slab)=3.46

n(hole)=1.0

r=0.37mm

a=1.0mm

群速度異常

nkinkc

kv

nk

g

2

G GM K

Gro

up v

elo

city v

G/c

Anomalous group velocity of propagating light

in an FeSi2 slab

n=5.0

nkinkc

kv

nk

g

2

n=3.46(Si)

Gro

up v

elo

city v

G/c

G GM K

Anomalous group velocity of propagating light

in a Si slab

nkinkc

kv

nk

g

2

Heavy photon in a high index-contrast PCS

G M

n=3.46

n=5.0G

M K

K G

Gro

up v

elo

city v

G/c

Waves propagating in a high refractive PCS have very low group velocity, that

means presence of heavy photons near each boundaries.

k

非線形光学効果（１）

群速度異常・顕著な分散

c (3) in PhC= c (3) c/h0vg

L

c (3)

h0Ei Et

L

c (3)

hEi Et

h=h0+h2E2

h2=c (3) /(20h0)光双安定性

光強度

透過率

スクイージング

第2高調波発生

lkj

j k l

ijklkj

j k

ijkj

j

iji EEEEEEP

3

1

3

1

3

1

)3(3

1

3

1

)2(3

1

)1( ccc

Ｐ=c(1)E+c(2)E2+c(3)E3

1

2 ~

gvS

SHG:2

結合定数:β

)()()()(1 *)2(*

0

rErErrEdrV

F

v

AF

spsV

g

s

c

L

p:ポンプ光

コヒーレント状態　　s

スクイーズ状態

c(2)

光パラメトリック増幅

L

p:ポンプ光

コヒーレント状態　　s

スクイーズ状態

c(2)

光パラメトリック増幅

非線形光学効果（２）

ポインティングベクトル

Rp

Rp

Rp

(a) R in PBG

X

(b)R out of PBG

forbidden radiation coupled with PBG

in PhCs.

Radiative process control coupled with photonic band structures

Electric filed focusing due to point defect in PhCs

hexapole mode

nslab=5.6

nclad=3.46

Waves propagating in PCS with Si/FeSi2/Si

l=2.5mm

clad

clad

2 dimensional Photonic crystal 2 dimensional photonic crystal slab

2D-PhC 2D-PCS

light line

Si(n=3.46)/FeSi2(5.6)/Si(3.46) SiO2(n=1.41)/Si(3.46)/SiO2(1.41)

Cross sectional structures of PCSs

Si(n=3.46)/FeSi2(5.6)/Si(3.46)

SiO2(n=1.41)/Si(3.46)/SiO2(1.41)

Fundamental mode of waves propagating in slab waveguides

TEM00

屈曲部での電界分布

n=5.65

Si n=3.46

シリサイド・フォトニック結晶

物 性 特 性 効 果 応 用

高屈折率

FeSi2

・ワイドギャップ

・多バンド構造

・ギャップ内欠陥モードの

多様化

・電子系と光子場との強結合

・超放射の抑制・増強

・フォトニック論理回路の

多様化

・電子系反転分布促進

・光子場制御発光素子

・波面の圧縮

・異方性大

・光の閉じ込め効果の増強

・電磁場の蓄積効果

・PhC回路の集積化・縮小

・高密度光子場の実現

・群速度の異常

・分散大

・非線形光学効果の増強

・フォノン場との結合効率

増大

・光双安定，ＳＨＧ発生，

スクイジング効率増大

・フォノニック結晶との結合

回路（ＡＯＭ素子）

・強散乱媒体

ランダム構造

・光の強い局在

（John局在）

・ランダム半導体レーザ

・多重散乱起因光メモリ

・空間・位相整合フィルター

強剛性 ・フォノニック結晶 ・高密度フォノン場の発生 ・フォトニック結晶との結合（光子・音子遷移制御）

強磁性

Fe3Si

・超軟磁性

・飽和磁化大

・強磁性フォトニック結晶

磁気光学効果(MO-PhC）

・高密度磁気ポーラロン

・PhC内の導波モード変換

TE-TM結合素子

・磁気ポーラロン変調素子

フォトニック結晶

強磁性フォトニック結晶

フォノニック結晶

高密度フォトン場

高密度スピン場

高密度フォノン場

物 質（電子系）

ｄ半導体磁性体金属酸化物

３場混成・強結合ナノ空間制御場

フォトン・スピン・フォノン：３場混成場における光制御素子

From passive photonic crystals

to active ＰｈＣｓ

Refractive contrast

neff (no dispersion)

Passive operations

Waveguide system

Complex refractive contrast

Neff(,K)=neff-i・keff

Super radiation, Magneto-optics

Elementary excitoronic:

phononics, plasmonics, polaritonics

Anomalous group velocity (vg)

Nonlinear optics（c(2),c(3))

Random structures (Light localization)

Active operations

Si:Photonic Integration Circuits

Opto-Spin transistors

Physics

Forbidden bands

Localized modes (defects)

Materials

SiO2Si, Semiconducting or

Ferromagnetic Silicides

High Index materials

Lorentz and/or Drude dispersion

+

◎ 室温ＬＥＤの作製と高効率化 英

○ 室温フォトダイオード 仏，中

◎ β-FeSi2ヘテロエピタキシャル成長 英，独，米

◎ β-FeSi2バルク結晶，基板作製への応用 独

○ サブミクロン微細加工プロセス

○ 高屈折率フォトニック結晶への応用

○ 電子構造の第一原理計算，歪格子の計算 英，伊，露

◎ 液滴ナノ結晶成長（ＰＬＤ）

◎ フォトルミネッセンスメカニズム・増強効果 英，独，米

○～△ エキゾチック・シリサイドの成長：シリサイド多様性 米，独，露

○ シリサイド半導体・混晶技術

△ エネルギーデバイス（太陽電池，熱電素子，光熱発電） 独

○ 分析技術（電顕，イオン散乱，光学測定など）

○ ナノ構造化技術（ナノ結晶，ナノワイヤー） 台

◎ 強磁性シリサイド⇒スピントロニクスへの展開 独

○ 基礎物性（光学特性，フォノン物性，磁性） 独，米、英，ベ，中

◎ 高圧物性

○ ランダム系シリサイド半導体 英

△ シリサイド・ホモ接合

◎ 電気特性（ｐ－ｎ）制御，伝導メカニズム 英，仏

○ 多スケーリング半導体（ Eg, n, Ｐ, Tc, da ） Jahn-Tellar効果 伊

◎ 専門研究会，国際会議

日本におけるシリサイド半導体関連の先進性

多スケーリング半導体（ P, Tc, da ）

物理：Jahn-Tellar効果

普通の半導体：ＳＰ３系

Ｅｇ

0

金属

da＜0:格子ひずみ

Ｅｇ

0

金属

da:格子ひずみＴ：温度P: 圧力

多スケール半導体