JP5620427B2 - 導波路及び集積回路 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、導波路及び集積回路に関する。

ＬＳＩ（large scale integrated circuit：大規模集積回路）の集積化をさらに進めるためには、素子及び素子間を接続する金属配線を微細化する必要がある。しかし、金属配線を、１０ｎｍ以下に細くすると、比抵抗が増大する。比抵抗の増大は、金属配線に接続された素子の電圧降下を引き起こす。例えば、電圧降下によって、ゲート電極にかかる電圧値にバラツキを発生させる。したがって、ピッチ５ｎｍ以下の世代では、銅やアルミニウムのような金属配線に代わる新たな配線が必要である。

特開２００５−３５１９４１号公報 M.Quinten, A.Leitner, J.R.Krenn and R.Aussenegg, "Electromagnetic energy transport via linear chains of silver nanoparticles", OPTICS LETTERS VOL.23, No.17, 1998, p1331

本発明の実施形態は、微細化を図ることができる導波路及び集積回路を提供する。

実施形態に係る導波路は、基板と、前記基板の少なくとも一部を覆い、前記基板との屈折率の差が２以上である部材と、を備える。前記基板には、前記基板の上面に配列され、その側面の少なくとも一部に円弧を含み、内径が５０ｎｍ以下であり、隣り合う間隔が前記内径以下である複数の凹部が形成され、前記部材は、前記凹部を充填する。
別の実施形態に係る導波路は、屈折率が３以上の基板を備える。前記基板には、前記基板の上面に配列され、その側面の少なくとも一部に円弧を含み、内径が５０ｎｍ以下であり、隣り合う間隔が前記内径以下であり内部が空洞の複数の凹部が形成されている。
別の実施形態に係る導波路は、その断面の少なくとも一部に円弧を含み、前記断面に平行な面上に配列され、外径又は直径が５０ｎｍ以下であり、隣り合う間隔が前記外径又は前記直径以下である絶縁体の複数の円柱状体又は球状体と、前記円柱状体又は前記球状体の少なくとも一部を覆い、前記円柱状体又は前記球状体との屈折率の差が２以上である金属を含む部材と、を備える。

また、実施形態に係る集積回路は、導波路と、前記導波路に接続された記録部と、を備える。

第１の実施形態に係る導波路を例示する斜視図である。 （ａ）は、第１の実施形態に係る導波路を例示する平面図であり、（ｂ）は、第１の実施形態に係る導波路において、単一波長光を照射した場合のＸ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示し、（ｃ）は、第１の実施形態に係る導波路において、単一波長光を照射した場合のＺ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示す。 （ａ）は、第１の実施形態に係る導波路において、ブロードな光を照射した場合のＸ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示し、（ｂ）は、第１の実施形態に係る導波路において、ブロードな光を照射した場合のＺ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示す。 （ａ）〜（ｄ）第１の実施形態に係る導波路の製造方法を例示する工程断面図である。 （ａ）は、第１の実施形態の第１変形例に係る導波路において、単一波長光を照射した場合のＸ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示し、（ｂ）は、第１の実施形態の第１変形例に係る導波路において、単一波長光を照射した場合のＺ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示す。 （ａ）は、第１の実施形態の第１変形例に係る導波路において、ブロードな光を照射した場合のＸ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示し、（ｂ）は、第１の実施形態の第２変形例に係る導波路において、ブロードな光を照射した場合のＺ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示す。 第１の実施形態の第１変形例に係る導波路において、ブロードな光を照射した場合のクロストーク量を例示するグラフ図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はトータルエネルギーを示す。 第１の実施形態の第２変形例に係る導波路を例示する平面図である。 第２の実施形態に係る導波路を例示する斜視図である。 （ａ）は、第２の実施形態に係る導波路において、単一波長光を照射した場合のＸ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示し、（ｂ）は、第２の実施形態に係る導波路において、単一波長光を照射した場合のＺ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示す。 第２の実施形態に係る導波路において、単一波長光を照射した場合のトータルエネルギーの分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示す。 第３の実施形態に係る導波路を例示する斜視図である。 （ａ）は、第２の実施形態に係る導波路において、単一波長光を照射した場合のＸ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示し、（ｂ）は、第２の実施形態に係る導波路において、単一波長光を照射した場合のＺ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示す。 第４の実施形態に係る導波路を例示する斜視図である。 第５の実施形態に係る導波路を例示する斜視図である。 第６の実施形態に係る集積回路を例示する上面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、第６の実施形態に係る集積回路の製造方法を例示する工程断面図である。 第７の実施形態に係る集積回路を例示するブロック図である。 第７の実施形態に係る集積回路を例示する平面図である。 （ａ）は、第８の実施形態に係る集積回路を例示するブロック図であり、（ｂ）は、第８の実施形態に係る集積回路を例示する斜視図であり、（ｃ）は、（ｂ）に示すＡ−Ａ’による断面図である。 （ａ）は、第８の実施形態に係る集積回路において、光を電子に変換するｐｎ接合におけるバンド図を例示する図であり、（ｂ）は、第８の実施形態に係る集積回路において、電子を光に変換するｐｎ接合におけるバンド図を例示する図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態に係る導波路を例示する斜視図である。

図１に示すように、本実施形態に係る導波路１には、基板１１が設けられている。基板１１は、例えばシリコン（Ｓｉ）基板である。基板１１には、複数の凹部１２が設けられている。複数の凹部１２は、基板１１の上面１１ａにおいて一方向に配列するように形成されている。

以下、本明細書においては、導波路１を説明するために、ＸＹＺ直交座標系を採用する。このＸＹＺ直交座標系においては、基板１１の上面１１ａにおいて、凹部１２が配列する方向のうち、一方を＋Ｚ方向とし、その逆方向を−Ｚ方向とする。基板１１の上面１１ａにおいて、＋Ｚ方向に対して直交する方向のうち、一方を＋Ｘ方向とし、その逆方向を−Ｘ方向とする。＋Ｘ方向及び＋Ｚ方向の双方に対して直交する方向のうち一方を＋Ｙ方向とし、その逆方向を−Ｙ方向とする。基板１１の厚さ方向をＹ方向とする。「＋Ｘ方向」及び「−Ｘ方向」を総称して「Ｘ方向」ともいう。「＋Ｙ方向」及び「−Ｙ方向」を総称して「Ｙ方向」ともいう。「＋Ｚ方向」及び「−Ｚ方向」を総称して「Ｚ方向」ともいう。

複数の凹部１２は、Ｚ方向に配列するように形成されている。凹部１２の開口部１２ａは上方、すなわち−Ｙ方向から見て円形状である。凹部１２は、開口部１２ａから下方へ同じ内径で形成された孔の形状とされている。したがって、凹部１２における基板１１の上面１１ａと平行な断面も開口部１２ａと同じ円形状である。凹部１２の側面は、円弧を含んでいる。凹部１２の内径は、例えば、５０〜０．１ｎｍ、好ましくは、２０ｎｍ〜０．１ｎｍ、さらに好ましくは、１０ｎｍ〜０．１ｎｍ、例えば、４ｎｍとされている。凹部１２の深さは５０〜０．１ｎｍ、好ましくは、２０ｎｍ〜０．１ｎｍ、さらに好ましくは、１０ｎｍ〜０．１ｎｍ、例えば、４ｎｍとされている。これは凹部の対抗する反対位置での界面の分極間の相互作用も大きく、内径が大きいと電場自体は小さくなってしまう。これは、電場が＋−のチャージの大きさに比例し、その間の距離の半比例することと同じである。従って、内径が大きい凹部の近接場光の電場が小さくなり、伝播効率が悪くなる。複数の凹部１２は、上方、すなわち、−Ｙ方向から見て開口部１２ａが接するように配置されている。

基板１１は、例えば、空気で覆われている。したがって、凹部１２の内部は、空気によって充填されている。凹部１２の内部に充填された空気を「エアディスク１３」と呼ぶ。したがって、導波路１は、複数の円柱状体のエアディスク１３がＺ方向に配列しているものといえる。エアディスク１３の断面は、円形状であり、円弧を含んでいる。エアディスク１３は断面に平行な面上に配列されている。隣り合うエアディスク１３の間隔は、外径以内である。例えば、０、すなわち、隣り合うエアディスク１３は接している。

シリコンの屈折率は、透明波長領域である赤外線領域において３．５である。一方、空気の屈折率は、略１である。したがって、エアディスク１３と、エアディスク１３の少なくとも一部を覆う基板１１の屈折率との差は２以上、例えば、２．５である。ここで、屈折率とは、屈折率の実数部を示す。

次に、本実施形態の動作について説明する。
図２（ａ）は、第１の実施形態に係る導波路を例示する平面図であり、（ｂ）は、第１の実施形態に係る導波路において、単一波長光を照射した場合のＸ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示し、（ｃ）は、第１の実施形態に係る導波路において、単一波長光を照射した場合のＺ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示す。

図１及び図２（ａ）に示すように、導波路１の一端に配置されたエアディスク１３ａに、エアディスク１３の外径よりも長い波長の光を照射すると、エアディスク１３ａの側面、すなわち、凹部１２の側面に電子の分極が生じる。発生した分極は、凹部１２の側面において、入射された光の周波数と同じ周波数で振動する。これにより、局所的な近接場光が発生する。近接場光は、エアディスク１３の側面近傍のごく短い距離にだけ伝播する。近接場光は、電場１４を含んでいる。その電場１４は、Ｘ方向の成分の電場ＥＸと、Ｚ方向の成分の電場ＥＺを含んでいる。

エアディスク１３ａに発生した近接場光は、円柱状体１５の側面におけるウィスパリングギャラリーモードやその他のモードにより、エアディスク１３ａに隣接して配置されたエアディスク１３ｂを共振させる。このようにして、隣接したエアディスク１３ｂに近接場光が伝播し、エアディスク１３ｂの側面に沿って近接場光が発生する。

次に、エアディスク１３ｂの側面に沿って発生した近接場光は、ウィスパリングギャラリーモード等により、エアディスク１３ｂに隣接して配置されたエアディスク１３ｃを共振させる。このように、近接場光が隣り合うエアディスク１３に次々に伝播することにより、導波路１の一端のエアディスク１３ａから他端のエアディスク１３ｄまで近接場光が伝播する。近接場光は、入射光が進行方向に運動量を持つ場合は導波、持たない場合は拡散で伝わる。

図２（ｂ）及び（ｃ）に示すように、導波路における一端のエアディスク１３に単一波長の光を照射した場合には、近接場光の電場ＥＸはエアディスク１３をＺ方向に伝播する。近接場光の電場ＥＺ成分は、電場ＥＸに比較すると小さいが、Ｚ方向に伝播している。光が上方から進行してきているため、上側の方が強度が高くなっている。エアディスクの接点付近で電場ＥＸの強度が大きくなっている。

図３（ａ）は、第１の実施形態に係る導波路において、ブロードな光を照射した場合のＸ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示し、（ｂ）は、第１の実施形態に係る導波路において、ブロードな光を照射した場合のＺ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示す。

図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、波長１．６μｍを中心としたブロードな光を照射した場合にも、電場ＥＸ及び電場ＥＹは、Ｚ方向に伝播する。しかし、多波長の照射光による近接場光の重ね合わせとなり、横方向の拡がりは小さくなる。その分、波長幅が広くなって波長数が広くなり、白色光に近くなる。そのため、いろいろな導波モードが混在し、パターンはランダムになっていく。波長幅は例えば中心波長１．６μmの場合には、半値全幅として３０ｎｍ以上で近接場光が発生し伝播する。波長の数は多ければ多いほど近接場光が発生し伝播する。例えば、複数のレーザーを組み合わせて幅の広い光源とすれば、近接場光の強度は大きくなる。

次に、本実施形態に係る導波路の製造方法について説明する。
図４（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施形態に係る導波路の製造方法を例示する工程断面図である。
図４（ａ）に示すように、先ず、基板１１、例えば、シリコン基板を用意する。次に、基板１１上にｇ線用のレジスト１７を、例えば、１０ｎｍの厚さで塗布する。次に、内部に複数の金属ナノ粒子１８を一列に詰め込んだナノチューブ１９を用意する。金属ナノ粒子１８の直径は、例えば、４ｎｍである。ナノチューブ１８の先端１９ａに一つの金属ナノ粒子１８ａを露出させる。そして、露出させた金属ナノ粒子１８ａをレジスト１７上に配置する。

次に、金属ナノ粒子１８ａに近接場光を伝播させる。そして、金属ナノ粒子１８ａの表面近傍における近接場光により、レジスト１７を露光する。これにより、レジスト１７に、上方から見て円形状の露光部分１７ａが形成される。上方から見た露光部分１７ａの直径を、例えば、金属ナノ粒子１８の直径と等しい４ｎｍとする。

次に、図４（ｂ）に示すように、ナノチューブ１９を一方向に、露光、アップ、移動、ダウン、露光と繰り返しながら、レジスト１７に一方向に配列するように複数の露光部分１７ａを形成する。各露光部分１７ａを上方から見て円形状に形成する。また、各露光部分１７ａは、上方から見て、隣り合う露光部分１７ａと接するように形成する。その後、露光部分１７ａを除去する。これにより、レジスト１７に孔が一方向に配列したパターンが形成される。

次に、図４（ｃ）に示すように、パターンが形成されたレジスト１７をマスクとして、ドライエッチングを行い、基板１１に複数の凹部１２を形成する。凹部１２の深さを、例えば、４ｎｍとする。
次に、図４（ｄ）に示すように、レジスト１７を除去する。このようにして、基板１１に複数のエアディスク１３を含む導波路１が形成される。なお、露光波長を８８６ｎｍの近赤外光で行う。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態の導波路１をエアディスク１３によって構成している。エアディスク１３においては、２０ｎｍ以下の外径としても近接場光を伝播させることができる。これにより、導波路１を微細化することができる。
さらに、導波路１を近接場が伝播する。よって、導波路１の幅を小さくしても抵抗が増加することはないので、導波路１を微細化することができる。
エアディスク１３を基板１１に形成している。基板１１を透過する光を照射することにより近接場を発生させることができる。例えば、１．２μｍ以上の波長では、シリコン基板に対する透明度が上がる。よって、照射光が基板１１に吸収されないので、照射光の損失を低減することができる。

エアディスク１３の直径が、２０ｎｍ以下であれば、近接場光の導波又は拡散の効果を大きくすることができる。直径が大きいと、近接場光の電場強度が小さくなり、近接場光の閉じ込め効果は小さくなる。
基板１１にシリコン基板を用い、シリコン基板にエアディスク１３を形成することにより、屈折率の差を２以上とすることができる。これにより、エアディスク１３内及び界面における電場を強くすることができる。また、エアディスク１３の直径を小さくすることができるので、近接場の閉じ込め効果を高くすることができる。
なお、凹部１２の内部に空気を充填してエアディスク１３としたが、これに限らない。凹部１２の内部の圧力を低くしたエアディスク１３としてもよい。
また、隣り合う凹部１２は接するように形成したが、これに限らない。隣り合う凹部１２の間隔は、内径以下でもよい。すなわち、エアディスク１３の間隔は、外径以下でもよい。

（第１の実施形態の第１変形例）
次に、第１の実施形態の第１変形例について説明する。本変形例は、導波路を２本並べた場合の実施形態である。
図５（ａ）は、第１の実施形態の第１変形例に係る導波路において、単一波長光を照射した場合のＸ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示し、（ｂ）は、第１の実施形態の第１変形例に係る導波路において、単一波長光を照射した場合のＺ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示す。

図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、本変形例に係る導波路１ａにおいては、Ｚ方向に延びる２本の導波路１ａａ及び導波路１ａｂが隣り合うように配置されている。導波路１ａａ及び導波路１ａｂの間隔は、例えば、１ｎｍとされている。したがって、Ｘ方向におけるピッチは５ｎｍである。各導波路１ａａ及び導波路１ａｂの構成は、前述の第１の実施形態に係る導波路１と同様であるので説明を省略する。

一方の導波路１ａａに単一波長光、例えば、１．５５マイクロメートル（μｍ）の波長の光を照射した場合には、他方の導波路１ａｂに近接場が発生する。このように、例えば、１ｎｍの間隔で２本の導波路１ａａ及び導波路１ａｂ及び導波路１ａｂを配置した場合には、近接場のクロストークを引き起こす。

図６（ａ）は、第１の実施形態の第１変形例に係る導波路において、ブロードな光を照射した場合のＸ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示し、（ｂ）は、第１の実施形態の第２変形例に係る導波路において、ブロードな光を照射した場合のＺ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示す。

図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、本変形例の導波路１ａにおいて、一方の導波路１ａａにブロードな光、例えば、１．５５マイクロメートル（μｍ）を中心にしたブロードな波長の光を照射した場合には、導波路１ａａに近接場が発生する。しかしながら、一方の導波路１ａａに発生した近接場は、他方の導波路１ａｂには伝播しない。すなわち、クロストークが発生しない。これは、波長幅が大きくなることによって近接場の染み出しがなくなるためである。

図７は、第１の実施形態の第１変形例に係る導波路において、ブロードな光を照射した場合のクロストーク量を例示するグラフ図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はトータルエネルギーを示す。

図７に示すように、本変形例の導波路１ａにブロードな光を照射した場合には、一方の導波路１ａａに発生した近接場は、他方の導波路１ａｂにクロストークする量は小さくなる。例えば、他方の導波路１ａｂに伝播した電場ＥＸ及び電場ＥＹの合計のエネルギーは、一方の導波路１ａａの１０００分の１まで低下する。

次に、本変形例の効果について説明する。
本変形例においては、入射光の波長を制御することにより、クロストークを制御することができる。本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

（第１の実施形態の第２変形例）
次に、第１の実施形態の第２変形例について説明する。
図８は、第１の実施形態の第２変形例に係る導波路を例示する平面図である。
図８に示すように、本変形例における導波路１ｂにおいては、一方向に延びる部分２１ａと、部分２１ａが延びる方向に交差する方向に延びる２つの部分２１ｂ及び部分２１ｃが設けられている。部分２１ｂ及び部分２１ｃは、部分２１ａにおける両端以外の１つのエアディスク１３ｅを基点として、２つの方向に延びるように配置されている。

本変形例における導波路１ｂにおいては、３本に枝分かれしている部分２１ａ、部分２１ｂ及び部分２１ｃを含んでいる。このように、導波路１ｂが３本に枝分かれしていても近接場を伝播させることができる。部分２１ａと、部分２１ｂ及び部分２１ｃとの角度を小さくして、近接場光が伝播する経路の曲率を大きくしても、近接場を伝播させることができる。電場の強さは各導波路に等分される。本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
図９は、第２の実施形態に係る導波路を例示する斜視図である。
本実施形態は、前述の第１の実施形態における円柱状体とその周囲の材料を入れ替えた実施形態である。

図９に示すように、本実施形態に係る導波路２には、複数の円柱状体１５が設けられている。円柱状体１５は、例えば、シリコンを含んでいる。複数の円柱状体１５は、円柱状体１５の底面１５ｂに平行な面内における一方向に配列するように配置されている。

以下、本明細書においては、導波路２を説明するために、ＸＹＺ直交座標系を採用する。このＸＹＺ直交座標系においては、円柱状体１５の底面１５ｂに平行な面内において、円柱状体１５が配列する方向のうち、一方を＋Ｚ方向とし、その逆方向を−Ｚ方向とする。底面１５ｂに平行な面内において、＋Ｚ方向に対して直交する方向のうち、一方を＋Ｘ方向とし、その逆方向を−Ｘ方向とする。＋Ｘ方向及び＋Ｚ方向の双方に対して直交する方向のうち一方を＋Ｙ方向とし、その逆方向を−Ｙ方向とする。円柱状体１５の高さ方向は−Ｙ方向となる。「＋Ｘ方向」及び「−Ｘ方向」を総称して「Ｘ方向」ともいう。「＋Ｙ方向」及び「−Ｙ方向」を総称して「Ｙ方向」ともいう。「＋Ｚ方向」及び「−Ｚ方向」を総称して「Ｚ方向」ともいう。

複数の円柱状体１５は、Ｚ方向に配列するように形成されている。円柱状体１５の上面１５ａは上方、すなわち−Ｙ方向から見て円形状である。円柱状体１５は、上面１５ａから下方へ同じ内径で形成された円柱の形状とされている。したがって、円柱状体１５における上面１５ａと平行な断面も上面１５ａと同じ円形状である。その断面には円弧が含まれている。円柱状体１５の内径は、例えば、５０ｎｍ〜１ｎｍ、好ましくは、２０ｎｍ〜１ｎｍ、さらに好ましくは、１０ｎｍ〜１ｎｍ、例えば、４ｎｍとされている。円柱状体１５の高さは２０ｎｍ以下、好ましくは４ｎｍとされている。複数の円柱状体１５は、−Ｙ方向から見て上面１５ａが接するように配置されている。

円柱状体１５に含まれるシリコンの屈折率は３．５であり、円柱状体１５の周囲の空気の屈折率は略１である。したがって、円柱状体１５と、円柱状体１５の周囲の屈折率との差は２以上、例えば２．５である。

図１０（ａ）は、第２の実施形態に係る導波路において、単一波長光を照射した場合のＸ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示し、（ｂ）は、第２の実施形態に係る導波路において、単一波長光を照射した場合のＺ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示す。
図１１は、第２の実施形態に係る導波路において、単一波長光を照射した場合のトータルエネルギーの分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示す。

図１０（ａ）及び（ｂ）並びに図１１に示すように、電場は、前述の図２（ｂ）及び（ｃ）で示した第１の実施形態１に比べ低い。しかし、トータルのエネルギーでは導波路２として機能している。

次に、第２の実施形態に係る導波路２の製造方法について説明する。
導波路２の製造方法は、前述の第１の実施形態に係る導波路１と同様に、近接場光を用いたリソグラフィーにより形成することができる。例えば、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す工程を行った後、露光部分１７ａを残留させるエッチングを行う。これにより、円板が一列に配列されたレジストパターンが形成される。そして、レジストパターンをマスクとして、シリコン基板をエッチングすることにより、導波路２を製造することができる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
図１２は、第３の実施形態に係る導波路を例示する斜視図である。

図１２に示すように、本実施形態に係る導波路３には、基板１１、例えば、シリコン基板が設けられている。基板１１上には、絶縁膜１６、例えば、シリコン酸化膜が設けられている。絶縁膜１６には、複数の円柱状体１５が埋め込まれている。円柱状体１５は、絶縁膜１６の上面１６ａにおいて、一方向に配列するように配置されている。

以下、本実施形態においても、導波路３を説明するために、前述の第２の実施形態において定義したＸＹＺ直交座標系を採用する。
円柱状体１５は、Ｚ方向に配列している。円柱状体１５は、金属、例えば、金（Ａｕ）を含んでいる。円柱状体１５の外径は、５０ｎｍ〜１ｎｍ、例えば、好ましくは、２０ｎｍ〜１ｎｍ、さらに好ましくは、１０ｎｍ〜１ｎｍ、例えば、５ｎｍとされている。
円柱状体１５の下面は基板１１に接している。円柱状体１５の上面は絶縁膜１６の上面１６ａに露出している。

図１３（ａ）は、第１の実施形態に係る導波路において、単一波長光を照射した場合のＸ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示し、（ｂ）は、第１の実施形態に係る導波路において、単一波長光を照射した場合のＺ方向の電場の分布を例示する平面図であり、横軸は、Ｘ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示す。

図１３（ａ）及び（ｂ）に示すように、単一波長の光、例えば、１．０マイクロメートル（μｍ）の波長の光を照射した場合には、近接場光の電場ＥＸ成分は、Ｚ方向に伝播している。近接場の電場ＥＺ成分も、Ｚ方向に伝播している。近接場光の電場は円柱状体１５の外周に発生する。

円柱状体１５が金属を含む場合には、近接場光の波の周期は、導波する波長とは異なる。近接場光として、１ｎｍの波長の波が形成されている。エネルギーは振動数で決まっている。ここで、振動数は導波する光の振動数である。これにより、導波する近接場光の分散カーブの傾きは非常にねていることになる。波長を変えた場合、電場のパターンは変化しており、波長多重が可能である。通常、波長多重の場合の多重度は波長の三乗に比例し、伝播光の場合、波長が数１００ｎｍ以上と長いために記録密度は必要なほど上がらない。しかし、上記のように円柱状体１５の周辺部にできる周期的近接場光の周期が光源の波長より３桁程度小さいため、伝播光の波長多重より１０^７〜１０^９程度記録密度をあげることができる。

なお、本実施形態においては、円柱状体１５を金属とし、円柱状体の周囲を絶縁膜１６としたが、これに限らない。例えば、円柱状体１５と、円柱状体１５の周囲の材料を入れ替えてもよい。例えば、円柱状体１５を絶縁膜１６とし、円柱状体１５の周囲の材料を金属としてもよい。また、絶縁膜１６は、可視光を照射光として用いる場合には、可視光に対して透明であるシリコン酸化膜が好ましい。１．２μｍより長い波長の光を照射光として用いる場合には、絶縁膜１６をシリコン膜としてもよい。
円柱状体１５は、金を含むとしたが、これに限らない。例えば、金、銀、銅、アルミニウム及びクロムからなる群より選択された少なくとも１つの金属を含むようにしてもよい。

（第４の実施形態）
図１４は、第４の実施形態に係る導波路を例示する斜視図である。
図１４に示すように、本実施形態に係る導波路４には、基板１１、例えば、シリコン基板が設けられている。基板１１の上面１１ａには、一方向に延びる複数の凹部１２が形成されている。凹部１２は、基板１１から球状のボールをくりぬいた形状とされている。凹部１２の内部には、例えば空気が充填されている。凹部１２の内部に充填された空気を「エアボール２４」と呼ぶ。

したがって、導波路４は、複数の球状体のエアボール２４が一方向に配列しているものといえる。エアボール２４の断面は、円形状であり、円弧を含んでいる。エアボール２４は上面１１ａに平行な面上に配列されている。隣り合うエアボール２４における上面１１ａに平行な断面の中心間隔は、エアボール２４の直径とされている。シリコンの屈折率は、透明波長領域である赤外線領域において３．５である。一方、空気の屈折率は、略１である。したがって、エアボール２４と、エアボール２４の周囲の屈折率との差は２以上、例えば、２．５である。

このような、導波路４においても、一端のエアボール２４を照射することによって、導波路４の他端のエアボール２４まで近接場光を伝播させることができる。
このようなエアボール２４は、例えば、図４（ｃ）に示すエッチング条件を制御することにより形成する。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
なお、隣り合うエアボール２４における上面１１ａに平行な断面の中心間隔は、エアボール２４の直径としたがこれに限らない。中心間隔を直径の２倍以下としてもよい。

（第５の実施形態）
図１５は、第５の実施形態に係る導波路を例示する斜視図である。
図１５に示すように、本実施形態に係る導波路５には、基板１１が設けられている。基板上には、一方向に配列した球状体２５が設けられている。球状体２５は、金属を含んでいる。球状体２５の断面は、円形状であり、円弧を含んでいる。隣り合う球状体２５における上面１１ａに平行な断面の中心間隔は、球状体２５の直径とされている。このような、導波路５においても、一端の球状体２５を照射することによって、導波路５の他端の球状体２５まで近接場光を伝播させることができる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。なお、隣り合う球状体２５における上面１１ａに平行な断面の中心間隔は、球状体２５の直径としたがこれに限らない。中心間隔を直径の２倍以下としてもよい。

（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態について説明する。
図１６は、第６の実施形態に係る集積回路を例示する上面図である。
図１６に示すように、本実施形態に係る集積回路６、例えば、記憶装置には、基板１１、例えば、シリコン基板が設けられている。基板１１には、円柱状体２２が埋め込まれている。円柱状体２２の上面は、基板１１の上面に露出している。円柱状体２２は相変化することによって抵抗が変化する相変化材料、例えば、ＳｎＴｅＳｅを含んでいる。

基板１１の上面１１ａには、円柱状体２２を起点にして、一方向及び一方向の逆方向に配列した複数の凹部１２が形成されている。凹部１２の内部には空気が充填されて、エアディスク１３を構成している。これにより、円柱状体２２を起点にして、一方向及び一方向の逆方向に延びる２本の導波路１ｃ及び導波路１ｄが形成される。導波路１ｃ及び導波路１ｄにおける隣り合うエアディスク１３の側面は接している。２本の導波路１ｃ及び導波路１ｄにおける一端のエアディスク１３は円柱状体２２と接している。

次に、本実施形態の動作について説明する。
導波路１ｃにおける円柱状体２２が配置された端部と反対側の端部に光を照射する。照射光は対物レンズで集光し、波長は、１．３ミクロン、パワー密度は、約１００ｋＷ／ｃｍ^２とする。そして、導波路１ｄにおける円柱状体２２が配置された端部と反対側の端部に伝播される近接場光を分解能５０ｎｍの開口型プローブで観察する。次に、波長８７０ｎｍ、入射光パワー密度約１０ＭＷ／ｃｍ^２で１μｓｅｃの間照射することにより、円柱状体２２のＳｎＴｅＳｅをアモルファス化する。その後、再び、約１００ｋＷ／ｃｍ^２の光を照射して、導波路１ｄにおける円柱状体２２が配置された端部と反対側の端部に伝播される近接場光を観察する。最初の透過光量と比較すると、アモルファス状態の方が透過光量が約３０％低下する。これは、ＳｎＴｅＳｅが、屈折率の変化に敏感なことを示している。

次に、本実施形態の動作について説明する。
あらかじめ、情報が書き込まれない状態の光の透過量を測定する。
次に、情報を書き込む場合には、円柱状体２２をアモルファス化することができる照射光を照射する。例えば、円柱状体２２がアモルファス化した状態をデータ「０」、アモルファス化しない状態をデータ「１」と規定する。
次に、情報を読み込む場合には、円柱状体２２を相変化させない照射光で照射し、透過量を測定する。透過量が変化しない場合には、データ「１」が読み込まれる。透過量が低下した場合には、データ「０」が読み込まれる。このように、円柱状体２２を記憶素子として動作させる。

次に、本実施形態の集積回路６の製造方法について説明する。
図１７（ａ）〜（ｄ）は、第６の実施形態に係る集積回路の製造方法を例示する工程断面図である。
先ず、前述の第１の実施形態と同様に、図４（ａ）に示す工程を実施する。これらの工程については、説明を省略する。

次に、図１７（ａ）に示すように、露光部分１７ａを除去する。これにより、レジスト１７に孔が形成される。孔が形成されたレジスト１７をマスクとして、ドライエッチングを行い、基板１１に凹部１２を形成する。凹部１２の深さを、例えば、５ｎｍとする。
次に、図１７（ｂ）に示すように、スパッタリングにより、凹部１２を埋め込むように基板１１上に相変化材料２３、例えば、ＳｎＴｅＳｅを堆積させる。
次に、図１７（ｃ）に示すように、レジスト１７及びレジスト１７上に堆積された相変化材料２３を除去する。これにより、凹部１２の内部に、円柱状体２２が形成される。
次に、円柱状体２２を挟んで配列するように、凹部１２を形成する。このようにして、図１６に示す集積回路６が製造される。なお、露光波長を８８６ｎｍの近赤外光で行う。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態によれば、導波路１ｃ及び導波路１ｄを用いた集積回路４、例えば、記憶装置を形成することができる。記憶素子として機能する円柱状体２２及び配線として機能する波管１ｃ及び導波路１ｄを微細化することができるので、集積回路６を微細化することができる。本実施形態における上記以外の構成及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
なお、本構成では記録に相変化機構を用いたが、フォトクロミック機構でもよい。

（第７の実施形態）
次に、第７の実施形態について説明する。
図１８は、第７の実施形態に係る集積回路を例示するブロック図である。
図１９は、第７の実施形態に係る集積回路を例示する上面図である。
図１８及び図１９に示すように、本実施形態に係る集積回路７、例えば、記憶装置には、光源５１、複数のワードライン導波路５２、複数のスイッチ５３、複数の記憶部５５、複数のビットライン導波路５６及び受光部５７が設けられている。

ワードライン導波路５２は、一方向に配列された複数のエアディスク１３を含んでいる。ビットライン導波路５６は、一方向に直交して交差する方向に配列された複数のエアディスク１３を含んでいる。

ワードライン導波路５２及びビットライン導波路５６の一端は光源５１に接続されている。また、ワードライン導波路５２及びビットライン導波路５６の他端は、受光部５７に接続されている。
記憶部５５は、相変化材料を含む円柱状体２２ａ及び円柱状体２２ｂである。記憶部５５の両端は、スイッチ５３を介してワードライン導波路５２及びビットライン導波路５６に接続されている。

次に、動作について説明する。
情報の書き込みとして、円柱状体２２ａに含まれる相変化材料をアモルファス化することができるパワー密度の半分づつを、それぞれビットライン導波路５６とワードライン導波路５２ａに照射する。これにより、円柱状体２２ａに含まれる相変化材料がアモルファス化する。ビットライン導波路５６とワードライン導波路５２ｂとの交点に配置された円柱状体２２ｂに含まれる相変化材料は結晶相のままである。例えば、相変化材料がアモルファス化した状態をデータ「０」、アモルファス化しない状態をデータ「１」と規定する。

そして、情報の読み込みとして、パワー密度を約５０分の１にした光をビットライン導波路５６に照射する。これにより、ワードライン導波路５２ａから取り出した近接場光の光量は低減される。一方、ワードライン導波路５２ｂから取り出した近接場光の光量は変化しない。これにより、ワードライン導波路５２ａからはデータ「０」、ワードライン導波路５２ｂからはデータ「１」を読み込むことができる。このように、円柱状体２２ａ及び円柱状体２２ｂを記憶素子として動作させる。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態によれば、クロスポイント型の集積回路７を、近接場光を用いた導波路で構成することができる。これにより、クロスポイント型の集積回路７を微細化することができる。

（第８の実施形態）
次に、第８の実施形態について説明する。
図２０（ａ）は、第８の実施形態に係る集積回路を例示するブロック図であり、（ｂ）は、第８の実施形態に係る集積回路を例示する斜視図であり、（ｃ）は、（ｂ）に示すＡ−Ａ’による断面図である。

図２０（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施形態に係る集積回路８、例えば、記憶装置には、ワードライン導波路５２及びビットライン導波路５６、複数のｐｎ接合部５８、スイッチ５９及び記憶部５５が設けられている。
ワードライン導波路５２及びビットライン導波路５６は、複数のエアディスク１３が配列されたものである。ｐｎ接合部５８は、例えば、Ｓｉにアクセプターとなる不純物を添加したｐ形シリコン６０及びドナーとなる不純物を添加したｎ形シリコン６１を接合したものである。

ワードライン導波路５２及びビットライン導波路５６の間には、ワードライン導波路５２側から、ｐｎ接合部５８、スイッチ５９ａ、ｐｎ接合部５８、記憶部５５、ｐｎ接合部５８、スイッチ５９ｂ及びｐｎ接合部５８がこの順で接続されている。ワードライン導波路５２とスイッチ５９ａとの間に配置されたｐｎ接合部５８は、ｐ形シリコン６０側をワードライン導波路５２に接続している。スイッチ５９ａと記憶部５５との間に配置されたｐｎ接合部５８は、ｐ形シリコン６０側を記憶部５５に接続している。したがって、スイッチ５９ａの両端は、ｐｎ接合部５８におけるｎ形シリコン６１に接続されている。

記憶部５５とスイッチ５９ｂとの間に配置されたｐｎ接合部５８は、ｐ形シリコン６０側を記憶部５５に接続している。スイッチ５９ｂとビットライン導波路５６との間に配置されたｐｎ接合部５８は、ｐ形シリコン６０側をビットライン導波路５６に接続されている。したがって、スイッチ５９ｂの両端は、ｐｎ接合部５８におけるｎ形シリコン６１に接続されている。

スイッチ５９ａ及びスイッチ５９ｂには、内側からｎ形シリコン６１、ｐ形シリコン６０、ゲート絶縁膜６２及びゲート電極６３が、ワードライン導波路５２とビットライン導波路５６とを結ぶ方向を中心軸にして同心円状に積層されている。スイッチ５９ａのゲート電極６３は、ビットライン導波路５６に接したｐ形シリコン６０に配線６４を介して接続されている。スイッチ５９ｂのゲート電極６３は、ワードライン導波路５２に接したｐ形シリコン６０に配線６４を介して接続されている。

次に、本実施形態の動作について説明する。
図２１（ａ）は、第８の実施形態に係る集積回路において、光を電子に変換するｐｎ接合におけるバンド図を例示する図であり、（ｂ）は、第８の実施形態に係る集積回路において、電子を光に変換するｐｎ接合におけるバンド図を例示する図である。
例えば、レーザーダイオード（ＬＤ）又はＬＥＤを含む光源の光を照射することにより、ワードライン導波路５２及びビットライン導波路５６の一端に発生した近接場光を、ワードライン導波路５２及びビットライン導波路５６における他端まで伝播させる。また、ワードライン導波路５２及びビットライン導波路５６に接したｐｎ接合部５８に近接場光を照射する。ｐｎ接合部５８は、近接場光を電子に変換する。

図２１（ａ）に示すように、近接場光を受光したｐ形シリコン６０において、受光量を大きくすると、電子放出量は増加する。電子放出量が増加すると、ケミカルポテンシャル変位差は大きくなる。この変位した電位を信号として使用する。例えば、ワードライン導波路５２に接したｐｎ接合部５８において変位した電位の信号を、配線６４を介して、スイッチ５９ｂのゲート電極６３に印加する。ビットライン導波路５６に接したｐｎ接合部５８において変位した電位の信号を、配線６４を介して、スイッチ５９ａのゲート電極６３に印加する。スイッチ５９ａ及びスイッチ５９ｂから構成されるスイッチ５９を、ワードライン導波路５２及びビットライン導波路５６の双方から近接場光が伝播した場合にのみ開くようにする。スイッチ５９は、電解吸収型半導体スイッチ、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ変調スイッチである。

図２１（ｂ）に示すように、スイッチ５９ａ及びスイッチ５９ｂをＯＮ状態とすることによって、記憶部５５の両端に接するｐｎ接合部５８に電子を注入する。電子の注入により、ｐｎ接合部５８は発光する。ｐｎ接合部５８における電子注入量が多くなると、発光光量は増大する。このようにして、記憶部５５に、両端から光が照射するようにする。
記憶部５５は、例えば、照射光により状態が変化するフォトクロミック材料を含むようにする。フォトクロミック材料が有機材料の場合には、光量が小さい場合でも記録することができる。

情報の書き込みとしては、記憶部５５に含まれるフォトクロミック材料の状態を変化することができるパワー密度の半分づつを、それぞれビットライン導波路５６及びワードライン導波路５２に照射する。これにより、記憶部５５に含まれるフォトクロミック材料の状態を変化させる。例えば、フォトクロミック材料の状態が変化した状態をデータ「０」、状態が変化しない状態をデータ「１」と規定する。
そして、情報の読み込みとして、パワー密度を減少させた光を照射することにより、反射光または透過光を測定する。記憶部５５に含まれるフォトクロミック材料の状態から、データ「０」またはデータ「１」を読み込むことができる。このように、記憶部５５を記憶素子として動作させる。

本実施形態によれば、クロスポイント型の集積回路８を、近接場光を用いた導波路で構成することができる。これにより、クロスポイント型の集積回路８を微細化することができる。

なお、ｐｎ接合部５８において、ｐ形シリコン６０及びｎ形シリコン６１の間に絶縁膜を挿入してｐｉｎ接合としてもよい。
記憶部５５として、ワードライン導波路５２及びビットライン導波路５６からの双方の信号を電子信号に置き換えて、それぞれ、ＭＯＳトランジスタでスイッチしても良い。電子信号に変えた後は電子的なメモリ構造で記憶しても良い。

記録部５５としては、フォトクロミック材料の他、フォトンモード及びヒートモードを含む相変化材料を使用してもよい。また、光誘起相転移材料を使用してもよい。さらに、これらの材料は、無機材料でも良いし、有機系分子でも良い。赤外光に対応するものとして、２光子吸収や３光子吸収を用いたものでも良い。赤外光対応のフォトクロミック材料としては、ジアリールエテン化合物を含むものを用いてもよい。電子的に記録する場合は、フラッシュメモリの浮遊ゲートやＤＲＡＭのキャパシタに電子を保存する。

以上説明した実施形態によれば、微細化を図ることができる導波路及び集積回路を提供することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、２、３、４、５：導波路、６、７、８：集積回路、１１：基板、１１ａ、１５ａ、１６ａ：上面、１２：凹部、１２ａ：開口部、１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ：エアディスク、１４、ＥＸ、ＥＹ：電場、１５、２２、２２ａ、２２ｂ：円柱状体、１５ｂ：底面、１６：絶縁膜、１７：レジスト、１７ａ：露光部分、１８、１８ａ：金属ナノ粒子、１９：ナノチューブ、１９ａ：先端、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ：部分、２３：相変化材料、２４：エアボール、５１：光源、５２、５２ａ、５２ｂ：ワードライン導波路、５３：スイッチ、５５：記憶部、５６：ビットライン導波路、５７：受光部、５８：ｐｎ接合部、５９、５９ａ、５９ｂ：スイッチ、６０：ｐ形シリコン、６１：ｎ形シリコン、６２：ゲート絶縁膜、６３：ゲート電極、６４：配線

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板の少なくとも一部を覆い、前記基板との屈折率の差が２以上である部材と、
   を備え、
   前記基板には、前記基板の上面に配列され、その側面の少なくとも一部に円弧を含み、内径が５０ｎｍ以下であり、隣り合う間隔が前記内径以下である複数の凹部が形成され、
   前記部材は、前記凹部を充填する導波路。
2. 前記部材のうちで前記凹部を充填する部分の形状は、円柱状である請求項１記載の導波路。
3. 前記部材のうちで前記凹部を充填する部分の形状は、球状である請求項１記載の導波路。
4. 屈折率が３以上の基板を備え、
   前記基板には、前記基板の上面に配列され、その側面の少なくとも一部に円弧を含み、内径が５０ｎｍ以下であり、隣り合う間隔が前記内径以下であり内部が空洞の複数の凹部が形成されている導波路。
5. 前記基板は半導体を含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の導波路。
6. 前記基板の半導体はＳｉである請求項５記載の導波路。
7. 前記内径は、１０ｎｍ以下である請求項１〜６のいずれか１つに記載の導波路。
8. その断面の少なくとも一部に円弧を含み、前記断面に平行な面上に配列され、外径又は直径が５０ｎｍ以下であり、隣り合う間隔が前記外径又は前記直径以下である絶縁体の複数の円柱状体又は球状体と、
   前記円柱状体又は前記球状体の少なくとも一部を覆い、前記円柱状体又は前記球状体との屈折率の差が２以上である金属を含む部材と、
   を備えた導波路。
9. 前記円柱状体の外径又は前記球状体の直径は、１０ｎｍ以下である請求項８記載の導波路。
10. 請求項１〜９のいずれか１つに記載の導波路と、
    前記導波路に接続された記録部と、
    を備えた集積回路。