JP2000232258A - ２次元半導体光結晶素子およびその製造方法 - Google Patents
２次元半導体光結晶素子およびその製造方法Info
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- JP2000232258A JP2000232258A JP3231199A JP3231199A JP2000232258A JP 2000232258 A JP2000232258 A JP 2000232258A JP 3231199 A JP3231199 A JP 3231199A JP 3231199 A JP3231199 A JP 3231199A JP 2000232258 A JP2000232258 A JP 2000232258A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 作製を容易にし、また材料が限定されなくす
る。 【解決手段】 ＧａＡｓからなりかつ周期的な垂直な穴
１７を有するすなわち２次元周期構造を有する半導体光
結晶層１３と表面にＳｉＯ2からなる低屈折率誘電体層
１４を有しかつＧａＡｓからなる基板１５とからなり、
半導体光結晶層１３と低屈折率誘電体層１４とが平面接
触されている。
る。 【解決手段】 ＧａＡｓからなりかつ周期的な垂直な穴
１７を有するすなわち２次元周期構造を有する半導体光
結晶層１３と表面にＳｉＯ2からなる低屈折率誘電体層
１４を有しかつＧａＡｓからなる基板１５とからなり、
半導体光結晶層１３と低屈折率誘電体層１４とが平面接
触されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光情報処理、光伝送
等に用いられるレーザ、光導波路、光集積回路等の光デ
バイス等を構成する２次元半導体光結晶素子およびその
製造方法に関するものである。
等に用いられるレーザ、光導波路、光集積回路等の光デ
バイス等を構成する２次元半導体光結晶素子およびその
製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】誘電体の多次元周期構造では、結晶中で
電子状態にバンドギャップが開くことと同じ原理で、光
の導波を抑制する波長帯（Photonic Band Gap）が生
じ、光を２次元的、３次元的に閉じ込めることが可能で
ある。このような誘電体周期構造は実際の結晶との類似
性から光結晶（フォトニック結晶、Photonic Crystal）
と呼ばれている（J. D. Joannopoulos, P. R. Villeneu
ve, and S. Fan, Nature 386, p.143 (1997)）。この光
結晶中では自然放出光の制御が可能であり、また光結晶
に非周期部分を導入することにより、光共振器、光導波
路等の機能性を持つ光素子を構成することができる。こ
のようにして構成される光素子は、そのサイズを光の波
長程度に小さくすることができ、このような光素子を２
次元空間、３次元空間内で自由に接続することが可能で
ある。また、自然放出光の制御によりレーザとしての飛
躍的な高性能化も可能である。
電子状態にバンドギャップが開くことと同じ原理で、光
の導波を抑制する波長帯（Photonic Band Gap）が生
じ、光を２次元的、３次元的に閉じ込めることが可能で
ある。このような誘電体周期構造は実際の結晶との類似
性から光結晶（フォトニック結晶、Photonic Crystal）
と呼ばれている（J. D. Joannopoulos, P. R. Villeneu
ve, and S. Fan, Nature 386, p.143 (1997)）。この光
結晶中では自然放出光の制御が可能であり、また光結晶
に非周期部分を導入することにより、光共振器、光導波
路等の機能性を持つ光素子を構成することができる。こ
のようにして構成される光素子は、そのサイズを光の波
長程度に小さくすることができ、このような光素子を２
次元空間、３次元空間内で自由に接続することが可能で
ある。また、自然放出光の制御によりレーザとしての飛
躍的な高性能化も可能である。
【０００３】このような理論的な予測を背景として、様
々な方法で２次元、３次元の誘電体周期構造を作製する
技術が提案されている（C. M. Soukoulis edited, Phot
onicBand Gap Materials (Kluwer Academic Publisher
s, London, 1995)）。しかし、３次元的に光の波長オー
ダーの周期構造を作ることは本質的に難しく、様々な方
法が提案されているものの、実用的なレベルで光集積回
路の基盤となり得るものは見つかっていない。一方、２
次元周期構造を有する光結晶すなわち２次元光結晶は基
本的に現在のリソグラフィ技術でも作製可能であり、ま
た現実的な光集積回路として考えた場合にも、３次元集
積化よりも２次元集積化の方が構成が容易であることか
ら、光結晶の光素子応用として考えた場合には２次元光
結晶の方が実現性が高い。
々な方法で２次元、３次元の誘電体周期構造を作製する
技術が提案されている（C. M. Soukoulis edited, Phot
onicBand Gap Materials (Kluwer Academic Publisher
s, London, 1995)）。しかし、３次元的に光の波長オー
ダーの周期構造を作ることは本質的に難しく、様々な方
法が提案されているものの、実用的なレベルで光集積回
路の基盤となり得るものは見つかっていない。一方、２
次元周期構造を有する光結晶すなわち２次元光結晶は基
本的に現在のリソグラフィ技術でも作製可能であり、ま
た現実的な光集積回路として考えた場合にも、３次元集
積化よりも２次元集積化の方が構成が容易であることか
ら、光結晶の光素子応用として考えた場合には２次元光
結晶の方が実現性が高い。
【０００４】ところで、図１０に示すように、理想的な
２次元光結晶はＺ軸方向に一様で無限の長さを持つこと
になるが、現実的にそのようなものを作製することは不
可能である。また、Ｚ軸方向の長さが長いと、光がＺ軸
方向に広がってしまい、増幅、吸収など光素子に何らか
の機能を持たせようとすると不利になる上に、従来型の
光素子（光導波路、光ファイバー等）との接続も困難に
なる。そこで、現実的に２次元光素子を利用しようと考
えると、Ｚ軸方向に何らかの光閉じ込めを行わなければ
ならない。従って、これまでも２次元光結晶部分をコア
とし、その上下をクラッド層でサンドイッチしたスラブ
型の光閉じ込めが用いられてきた。例えば、報告されて
いる２次元光結晶では、コアとクラッドとで構成される
通常のスラブ型半導体光導波路へリソグラフィとドライ
エッチング加工とを加えることにより２次元的な構造を
作製していた。
２次元光結晶はＺ軸方向に一様で無限の長さを持つこと
になるが、現実的にそのようなものを作製することは不
可能である。また、Ｚ軸方向の長さが長いと、光がＺ軸
方向に広がってしまい、増幅、吸収など光素子に何らか
の機能を持たせようとすると不利になる上に、従来型の
光素子（光導波路、光ファイバー等）との接続も困難に
なる。そこで、現実的に２次元光素子を利用しようと考
えると、Ｚ軸方向に何らかの光閉じ込めを行わなければ
ならない。従って、これまでも２次元光結晶部分をコア
とし、その上下をクラッド層でサンドイッチしたスラブ
型の光閉じ込めが用いられてきた。例えば、報告されて
いる２次元光結晶では、コアとクラッドとで構成される
通常のスラブ型半導体光導波路へリソグラフィとドライ
エッチング加工とを加えることにより２次元的な構造を
作製していた。
【０００５】図１１は従来の２次元半導体光結晶素子を
示す概略斜視図である。図に示すように、基板１上に半
導体からなる下部クラッド層２が形成され、下部クラッ
ド層２上に２次元周期構造を有する半導体光結晶層（コ
ア層）３が形成され、半導体光結晶層３上に低誘電率の
誘電体または空気からなる上部クラッド層４が形成され
ている。
示す概略斜視図である。図に示すように、基板１上に半
導体からなる下部クラッド層２が形成され、下部クラッ
ド層２上に２次元周期構造を有する半導体光結晶層（コ
ア層）３が形成され、半導体光結晶層３上に低誘電率の
誘電体または空気からなる上部クラッド層４が形成され
ている。
【０００６】しかし、半導体光結晶層３の２次元光結晶
の効果を大きくするためには、必然的に２次元光結晶を
構成する二つの物質の屈折率差を大きくとらなければな
らないから、多くの場合高屈折率領域には空気（ｎ＝
１．０）や二酸化珪素（ｎ＝１．４６）などが用いられ
ることになる。このため、半導体光結晶層３の平均屈折
率は通常の半導体の屈折率（ｎ＝３程度）に比べて小さ
くなるが、クラッド層の屈折率を半導体光結晶層３の屈
折率よりも低くしなければならないから、半導体からな
るクラッド層を用いることが不可能になる。
の効果を大きくするためには、必然的に２次元光結晶を
構成する二つの物質の屈折率差を大きくとらなければな
らないから、多くの場合高屈折率領域には空気（ｎ＝
１．０）や二酸化珪素（ｎ＝１．４６）などが用いられ
ることになる。このため、半導体光結晶層３の平均屈折
率は通常の半導体の屈折率（ｎ＝３程度）に比べて小さ
くなるが、クラッド層の屈折率を半導体光結晶層３の屈
折率よりも低くしなければならないから、半導体からな
るクラッド層を用いることが不可能になる。
【０００７】そのため、これまでの報告例では、図１２
に示すように、薄い２次元光結晶構造をエアブリッジ
（Air Bridge）型にして空気中に位置させることによ
り、クラッドとして空気を用いているものがある。
に示すように、薄い２次元光結晶構造をエアブリッジ
（Air Bridge）型にして空気中に位置させることによ
り、クラッドとして空気を用いているものがある。
【０００８】また、ＳＯＩ基板上に２次元光結晶を作製
し、ＳｉＯ2からなる下部クラッド層を用いる方法も報
告されている。
し、ＳｉＯ2からなる下部クラッド層を用いる方法も報
告されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかし、薄い２次元光
結晶構造をエアブリッジ型にして空気中に位置させたと
きには、作製が著しく困難になり、実際のデバイスを構
成することが難しくなる。
結晶構造をエアブリッジ型にして空気中に位置させたと
きには、作製が著しく困難になり、実際のデバイスを構
成することが難しくなる。
【００１０】また、ＳＯＩ基板上に２次元光結晶を作製
し、ＳｉＯ2からなる下部クラッド層を用いたときに
は、材料がＳｉに限定されるから、レーザや光スイッチ
などの光機能素子を構成可能なIII−Ｖ族半導体では、
この方法を用いることができない。
し、ＳｉＯ2からなる下部クラッド層を用いたときに
は、材料がＳｉに限定されるから、レーザや光スイッチ
などの光機能素子を構成可能なIII−Ｖ族半導体では、
この方法を用いることができない。
【００１１】本発明は上述の課題を解決するためになさ
れたもので、作製が容易であり、また材料が限定される
ことがない２次元半導体光結晶素子、２次元半導体光結
晶素子の製造方法を提供することを目的とする。
れたもので、作製が容易であり、また材料が限定される
ことがない２次元半導体光結晶素子、２次元半導体光結
晶素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明においては、２次元周期構造を有する半導体
光結晶層と少なくとも一方の表面に低屈折率誘電体層を
有する基板とを設け、上記半導体光結晶層と上記低屈折
率誘電体層とを平面接触させる。
め、本発明においては、２次元周期構造を有する半導体
光結晶層と少なくとも一方の表面に低屈折率誘電体層を
有する基板とを設け、上記半導体光結晶層と上記低屈折
率誘電体層とを平面接触させる。
【００１３】また、２次元周期構造を有する半導体光結
晶層および第１の低屈折率誘電体層からなる積層体と、
少なくとも一方の表面に第２の低屈折率誘電体層を有す
る基板とを設け、上記第１の低屈折率誘電体層と上記第
２の低屈折率誘電体層とを平面接触させる。
晶層および第１の低屈折率誘電体層からなる積層体と、
少なくとも一方の表面に第２の低屈折率誘電体層を有す
る基板とを設け、上記第１の低屈折率誘電体層と上記第
２の低屈折率誘電体層とを平面接触させる。
【００１４】この場合、上記半導体光結晶層としてＧａ
Ａｓからなるものを用いる。
Ａｓからなるものを用いる。
【００１５】また、上記半導体光結晶層として多重歪Ｉ
ｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造を有するものを用い
る。
ｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造を有するものを用い
る。
【００１６】これらの場合、上記低屈折率誘電体層、上
記第１、第２の低屈折率誘電体層としてはＳｉＯ2から
なるものを用いる。
記第１、第２の低屈折率誘電体層としてはＳｉＯ2から
なるものを用いる。
【００１７】また、第１の基板に第１の半導体薄膜層と
第２の半導体薄膜層とを積層し、第２の基板が有する屈
折率誘電体層を上記第２の半導体薄膜層に接着し、上記
第１の基板を上記第１の半導体薄膜層をエッチングでき
ないエッチャントで除去し、さらに上記第１の半導体薄
膜層を上記第２の半導体薄膜層をエッチングできないエ
ッチャントで除去し、上記第２の半導体薄膜層上にレジ
ストを塗布し、上記レジストにリソグラフィ技術により
２次元周期構造を作製し、上記レジストをマスクとして
上記第２の半導体薄膜層に２次元周期構造を作製する。
第２の半導体薄膜層とを積層し、第２の基板が有する屈
折率誘電体層を上記第２の半導体薄膜層に接着し、上記
第１の基板を上記第１の半導体薄膜層をエッチングでき
ないエッチャントで除去し、さらに上記第１の半導体薄
膜層を上記第２の半導体薄膜層をエッチングできないエ
ッチャントで除去し、上記第２の半導体薄膜層上にレジ
ストを塗布し、上記レジストにリソグラフィ技術により
２次元周期構造を作製し、上記レジストをマスクとして
上記第２の半導体薄膜層に２次元周期構造を作製する。
【００１８】また、第１の基板に第１の半導体薄膜層と
第２の半導体薄膜層と第１の低屈折率誘電体層とを積層
し、第２の基板が有する第２の低屈折率誘電体層を上記
第１の低屈折率誘電体層に接着し、上記第１の基板を上
記第１の半導体薄膜層をエッチングできないエッチャン
トで除去し、さらに上記第１の半導体薄膜層を上記第２
の半導体薄膜層をエッチングできないエッチャントで除
去し、上記第２の半導体薄膜層上にレジストを塗布し、
上記レジストにリソグラフィ技術により２次元周期構造
を作製し、上記レジストをマスクとして上記第２の半導
体薄膜層に２次元周期構造を作製する。
第２の半導体薄膜層と第１の低屈折率誘電体層とを積層
し、第２の基板が有する第２の低屈折率誘電体層を上記
第１の低屈折率誘電体層に接着し、上記第１の基板を上
記第１の半導体薄膜層をエッチングできないエッチャン
トで除去し、さらに上記第１の半導体薄膜層を上記第２
の半導体薄膜層をエッチングできないエッチャントで除
去し、上記第２の半導体薄膜層上にレジストを塗布し、
上記レジストにリソグラフィ技術により２次元周期構造
を作製し、上記レジストをマスクとして上記第２の半導
体薄膜層に２次元周期構造を作製する。
【００１９】これらの場合、上記屈折率誘電体層を上記
第２の半導体薄膜層に接着する接着工程または上記第２
の低屈折率誘電体層を上記第１の低屈折率誘電体層に接
着する接着工程では、接着面に水ガラスを塗布し、水分
が蒸発するする温度に加熱する。
第２の半導体薄膜層に接着する接着工程または上記第２
の低屈折率誘電体層を上記第１の低屈折率誘電体層に接
着する接着工程では、接着面に水ガラスを塗布し、水分
が蒸発するする温度に加熱する。
【００２０】また、上記リソグラフィ技術を電子線リソ
グラフィとする。
グラフィとする。
【００２１】
【発明の実施の形態】図１は本発明に係る２次元半導体
光結晶素子を示す概略斜視図である。図に示すように、
ＧａＡｓからなりかつ周期的な垂直な穴１７を有するす
なわち２次元周期構造を有する半導体光結晶層（コア
部）１３と表面にＳｉＯ2からなる低屈折率誘電体層
（下部クラッド層）１４を有しかつＧａＡｓからなる基
板１５とからなり、半導体光結晶層１３と低屈折率誘電
体層１４とが平面接触している。そして、半導体光結晶
層１３の穴１７部（空孔部）と残った部分との体積比は
４：６である。
光結晶素子を示す概略斜視図である。図に示すように、
ＧａＡｓからなりかつ周期的な垂直な穴１７を有するす
なわち２次元周期構造を有する半導体光結晶層（コア
部）１３と表面にＳｉＯ2からなる低屈折率誘電体層
（下部クラッド層）１４を有しかつＧａＡｓからなる基
板１５とからなり、半導体光結晶層１３と低屈折率誘電
体層１４とが平面接触している。そして、半導体光結晶
層１３の穴１７部（空孔部）と残った部分との体積比は
４：６である。
【００２２】この２次元半導体光結晶素子においては、
半導体光結晶層１３の平均屈折率は２．５であり、また
下部クラッド層を構成する低屈折率誘電体層１４の屈折
率は１．４であり、上部クラッド層を構成する空気の屈
折率は１．０であるから、光は半導体光結晶層１３内に
強く閉じ込められる。
半導体光結晶層１３の平均屈折率は２．５であり、また
下部クラッド層を構成する低屈折率誘電体層１４の屈折
率は１．４であり、上部クラッド層を構成する空気の屈
折率は１．０であるから、光は半導体光結晶層１３内に
強く閉じ込められる。
【００２３】つぎに、図１に示した２次元半導体光結晶
素子の製造方法すなわち本発明に係る２次元半導体光結
晶素子の製造方法を図２、図３により説明する。まず、
図２(ａ)に示すように、分子線エピタキシャル法（ＭＢ
Ｅ）まはた有機金属気相成長法などの半導体エピタキシ
ャル成長法により、ＧａＡｓからなる第１の基板１１上
に厚さ０．１μｍのＩｎＧａＰからなる第１の半導体薄
膜層（エッチングストップ層）１２を成長させ、半導体
薄膜層１２上に厚さ１μｍのＧａＡｓからな第２の半導
体薄膜層１３ａを成長させる。また、図２(ｂ)に示すよ
うに、ＧａＡｓからなる第２の基板１５ａ上に厚さ１μ
ｍのＳｉＯ2からなる低屈折率誘電体層１４を積層す
る。つぎに、図２(ｃ)に示すように、半導体薄膜層１３
ａと低屈折率誘電体層１４とを張り合わせ接着する。こ
の場合、半導体薄膜層１３ａ、低屈折率誘電体層１４の
接着面に水ガラスを塗し、上記接着面を張り合わせ、水
が蒸発する温度に加熱する。つぎに、図２(ｄ)に示すよ
うに、基板１１を選択性を持つエッチャントにより半導
体薄膜層１２で止まるまでエッチングする。つぎに、図
２(ｅ)、図３(ａ)に示すように、表面に残った半導体薄
膜層１２を別の選択エッチャントを用いてエッチングす
ることにより、低屈折率誘電体層１４上に半導体薄膜層
１３ａが載った構造を完成させる。つぎに、図３(ｂ)に
示すように、半導体薄膜層１３ａ上にレジスト１６を塗
布し、レジスト１６に電子線リソグラフィにより２次元
周期構造を作製する。つぎに、図３(ｃ)に示すように、
レジスト１６をマスクとして半導体薄膜層１３ａを垂直
にエッチングを行ない、半導体薄膜層１３ａに周期的な
垂直な穴１７を有する２次元周期構造を作製して、２次
元周期構造を有する半導体光結晶層１３を形成する。
素子の製造方法すなわち本発明に係る２次元半導体光結
晶素子の製造方法を図２、図３により説明する。まず、
図２(ａ)に示すように、分子線エピタキシャル法（ＭＢ
Ｅ）まはた有機金属気相成長法などの半導体エピタキシ
ャル成長法により、ＧａＡｓからなる第１の基板１１上
に厚さ０．１μｍのＩｎＧａＰからなる第１の半導体薄
膜層（エッチングストップ層）１２を成長させ、半導体
薄膜層１２上に厚さ１μｍのＧａＡｓからな第２の半導
体薄膜層１３ａを成長させる。また、図２(ｂ)に示すよ
うに、ＧａＡｓからなる第２の基板１５ａ上に厚さ１μ
ｍのＳｉＯ2からなる低屈折率誘電体層１４を積層す
る。つぎに、図２(ｃ)に示すように、半導体薄膜層１３
ａと低屈折率誘電体層１４とを張り合わせ接着する。こ
の場合、半導体薄膜層１３ａ、低屈折率誘電体層１４の
接着面に水ガラスを塗し、上記接着面を張り合わせ、水
が蒸発する温度に加熱する。つぎに、図２(ｄ)に示すよ
うに、基板１１を選択性を持つエッチャントにより半導
体薄膜層１２で止まるまでエッチングする。つぎに、図
２(ｅ)、図３(ａ)に示すように、表面に残った半導体薄
膜層１２を別の選択エッチャントを用いてエッチングす
ることにより、低屈折率誘電体層１４上に半導体薄膜層
１３ａが載った構造を完成させる。つぎに、図３(ｂ)に
示すように、半導体薄膜層１３ａ上にレジスト１６を塗
布し、レジスト１６に電子線リソグラフィにより２次元
周期構造を作製する。つぎに、図３(ｃ)に示すように、
レジスト１６をマスクとして半導体薄膜層１３ａを垂直
にエッチングを行ない、半導体薄膜層１３ａに周期的な
垂直な穴１７を有する２次元周期構造を作製して、２次
元周期構造を有する半導体光結晶層１３を形成する。
【００２４】この２次元半導体光結晶素子、２次元半導
体光結晶素子の製造方法においては、エアブリッジ型に
しないから、作製が容易であり、実際のデバイスを構成
することが極めて容易となる。また、ＳＯＩ基板上に２
次元光結晶を作製しないから、材料がＳｉに限定されな
いので、レーザや光スイッチなどの光機能素子を構成可
能なIII−Ｖ族半導体でもこの方法を用いることができ
る。また、半導体薄膜層１３ａ、低屈折率誘電体層１４
の接着面に水ガラスを塗し、上記接着面を張り合わせ、
水が蒸発する温度に加熱することにより、半導体薄膜層
１３ａと低屈折率誘電体層１４とを接着するから、接着
を強固にすることができる。また、半導体薄膜層１３ａ
は基板１１上にエピタキシャル成長によって作製される
から、半導体薄膜層１３ａとして高品質で低欠陥のもの
が作製可能であり、また作製工程は簡単である。また、
低屈折率誘電体層１４が実際に半導体光結晶層１３を機
械的に支えることになるから、エアブリッジ型の場合と
比較して大面積の半導体光結晶層１３を作製することが
可能である。
体光結晶素子の製造方法においては、エアブリッジ型に
しないから、作製が容易であり、実際のデバイスを構成
することが極めて容易となる。また、ＳＯＩ基板上に２
次元光結晶を作製しないから、材料がＳｉに限定されな
いので、レーザや光スイッチなどの光機能素子を構成可
能なIII−Ｖ族半導体でもこの方法を用いることができ
る。また、半導体薄膜層１３ａ、低屈折率誘電体層１４
の接着面に水ガラスを塗し、上記接着面を張り合わせ、
水が蒸発する温度に加熱することにより、半導体薄膜層
１３ａと低屈折率誘電体層１４とを接着するから、接着
を強固にすることができる。また、半導体薄膜層１３ａ
は基板１１上にエピタキシャル成長によって作製される
から、半導体薄膜層１３ａとして高品質で低欠陥のもの
が作製可能であり、また作製工程は簡単である。また、
低屈折率誘電体層１４が実際に半導体光結晶層１３を機
械的に支えることになるから、エアブリッジ型の場合と
比較して大面積の半導体光結晶層１３を作製することが
可能である。
【００２５】図４は本発明に係る他の２次元半導体光結
晶素子を示す概略斜視図である。図に示すように、Ｇａ
Ａｓからなりかつ周期的な垂直な穴２７を有するすなわ
ち２次元周期構造を有する半導体光結晶層（コア部）２
３および第１の低屈折率誘電体層（下部クラッド層）２
４ａからなる積層体と、表面に第２の低屈折率誘電体層
（下部クラッド層）２４ｂを有しかつＧａＡｓからなる
基板２５とからなり、低屈折率誘電体層２４ａと低屈折
率誘電体層２４ｂとが平面接触している。そして、半導
体光結晶層２３の穴２７部（空孔部）と残った部分との
体積比は４：６である。
晶素子を示す概略斜視図である。図に示すように、Ｇａ
Ａｓからなりかつ周期的な垂直な穴２７を有するすなわ
ち２次元周期構造を有する半導体光結晶層（コア部）２
３および第１の低屈折率誘電体層（下部クラッド層）２
４ａからなる積層体と、表面に第２の低屈折率誘電体層
（下部クラッド層）２４ｂを有しかつＧａＡｓからなる
基板２５とからなり、低屈折率誘電体層２４ａと低屈折
率誘電体層２４ｂとが平面接触している。そして、半導
体光結晶層２３の穴２７部（空孔部）と残った部分との
体積比は４：６である。
【００２６】この２次元半導体光結晶素子においては、
半導体光結晶層２３の平均屈折率は２．５であり、また
下部クラッド層を構成する低屈折率誘電体層２４ａ、２
４ｂの屈折率は１．４であり、上部クラッド層を構成す
る空気の屈折率は１．０であるから、光は半導体光結晶
層２３内に強く閉じ込められる。
半導体光結晶層２３の平均屈折率は２．５であり、また
下部クラッド層を構成する低屈折率誘電体層２４ａ、２
４ｂの屈折率は１．４であり、上部クラッド層を構成す
る空気の屈折率は１．０であるから、光は半導体光結晶
層２３内に強く閉じ込められる。
【００２７】つぎに、図４に示した２次元半導体光結晶
素子の製造方法すなわち本発明に係る他の２次元半導体
光結晶素子の製造方法を図５、図６により説明する。ま
ず、図５(ａ)に示すように、半導体エピタキシャル成長
法によりＧａＡｓからなる第１の基板２１上に厚さ０．
１μｍのＩｎＧａＰからなる第１の半導体薄膜層（エッ
チングストップ層）２２を成長させ、半導体薄膜層２２
上に厚さ１μｍのＧａＡｓからな第２の半導体薄膜層２
３ａを成長させる。つぎに、図５(ｂ)に示すように、半
導体薄膜層２３ａ上に厚さ１μｍのＳｉＯ2からなる第
１の低屈折率誘電体層２４ａを積層する。また、図５
(ｃ)に示すように、ＧａＡｓからなる第２の基板２５ａ
上に厚さ１μｍのＳｉＯ2からなる第２の低屈折率誘電
体層２４ｂを積層する。つぎに、図５(ｄ)に示すよう
に、低屈折率誘電体層２４ａと低屈折率誘電体層２４ｂ
とを張り合わせ接着する。この場合、低屈折率誘電体層
２４ａ、低屈折率誘電体層２４ｂの接着面に水ガラスを
塗し、上記接着面を張り合わせ、水が蒸発する温度に加
熱する。つぎに、図５(ｅ)に示すように、基板２１を選
択性を持つエッチャントにより半導体薄膜層２２で止ま
るまでエッチングする。つぎに、図５(ｆ)、図６(ａ)に
示すように、表面に残った半導体薄膜層２２を別の選択
エッチャントを用いてエッチングすることにより、低屈
折率誘電体層２４ａ、２４ｂ上に半導体薄膜層２３ａが
載った構造を完成させる。つぎに、図６(ｂ)に示すよう
に、半導体薄膜層２３ａ上にレジスト２６を塗布し、レ
ジスト２６に電子線リソグラフィにより２次元周期構造
を作製する。つぎに、図６(ｃ)に示すように、レジスト
２６をマスクとして半導体薄膜層２３ａを垂直にエッチ
ングを行ない、半導体薄膜層２３ａに周期的な垂直な穴
２７を有する２次元周期構造を作製して、２次元周期構
造を有する半導体光結晶層２３を形成する。
素子の製造方法すなわち本発明に係る他の２次元半導体
光結晶素子の製造方法を図５、図６により説明する。ま
ず、図５(ａ)に示すように、半導体エピタキシャル成長
法によりＧａＡｓからなる第１の基板２１上に厚さ０．
１μｍのＩｎＧａＰからなる第１の半導体薄膜層（エッ
チングストップ層）２２を成長させ、半導体薄膜層２２
上に厚さ１μｍのＧａＡｓからな第２の半導体薄膜層２
３ａを成長させる。つぎに、図５(ｂ)に示すように、半
導体薄膜層２３ａ上に厚さ１μｍのＳｉＯ2からなる第
１の低屈折率誘電体層２４ａを積層する。また、図５
(ｃ)に示すように、ＧａＡｓからなる第２の基板２５ａ
上に厚さ１μｍのＳｉＯ2からなる第２の低屈折率誘電
体層２４ｂを積層する。つぎに、図５(ｄ)に示すよう
に、低屈折率誘電体層２４ａと低屈折率誘電体層２４ｂ
とを張り合わせ接着する。この場合、低屈折率誘電体層
２４ａ、低屈折率誘電体層２４ｂの接着面に水ガラスを
塗し、上記接着面を張り合わせ、水が蒸発する温度に加
熱する。つぎに、図５(ｅ)に示すように、基板２１を選
択性を持つエッチャントにより半導体薄膜層２２で止ま
るまでエッチングする。つぎに、図５(ｆ)、図６(ａ)に
示すように、表面に残った半導体薄膜層２２を別の選択
エッチャントを用いてエッチングすることにより、低屈
折率誘電体層２４ａ、２４ｂ上に半導体薄膜層２３ａが
載った構造を完成させる。つぎに、図６(ｂ)に示すよう
に、半導体薄膜層２３ａ上にレジスト２６を塗布し、レ
ジスト２６に電子線リソグラフィにより２次元周期構造
を作製する。つぎに、図６(ｃ)に示すように、レジスト
２６をマスクとして半導体薄膜層２３ａを垂直にエッチ
ングを行ない、半導体薄膜層２３ａに周期的な垂直な穴
２７を有する２次元周期構造を作製して、２次元周期構
造を有する半導体光結晶層２３を形成する。
【００２８】図７は本発明に係る他の２次元半導体光結
晶素子を示す図である。図に示すように、２次元周期構
造を有する半導体光結晶層２３に非周期部分３１が設け
られ、非周期部分３１は２次元光結晶における光共振器
となる。
晶素子を示す図である。図に示すように、２次元周期構
造を有する半導体光結晶層２３に非周期部分３１が設け
られ、非周期部分３１は２次元光結晶における光共振器
となる。
【００２９】この２次元半導体光結晶素子においては、
非周期部分３１は高いＱ値を持つ光共振器として働き、
さらに白然放出光が抑制され励起された電子正孔対が誘
導放出光に高い比率で転換される。その結果、有効体積
が非常に小さく低い閾値電流を持つレーザが実現され
る。
非周期部分３１は高いＱ値を持つ光共振器として働き、
さらに白然放出光が抑制され励起された電子正孔対が誘
導放出光に高い比率で転換される。その結果、有効体積
が非常に小さく低い閾値電流を持つレーザが実現され
る。
【００３０】図８は本発明に係る他の２次元半導体光結
晶素子を示す図である。図に示すように、２次元周期構
造を有する半導体光結晶層２３に非周期部分３２が設け
られ、非周期部分３２は２次元光結晶における光導波路
となる。
晶素子を示す図である。図に示すように、２次元周期構
造を有する半導体光結晶層２３に非周期部分３２が設け
られ、非周期部分３２は２次元光結晶における光導波路
となる。
【００３１】図９は本発明に係る他の２次元半導体光結
晶素子を示す概略斜視図である。図に示すように、半導
体光結晶層１３に多重歪ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井
戸構造３３が形成され、半導体光結晶層１３に非周期部
分３４が設けられ、非周期部分３４は２次元光結晶にお
ける光共振器となる。
晶素子を示す概略斜視図である。図に示すように、半導
体光結晶層１３に多重歪ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井
戸構造３３が形成され、半導体光結晶層１３に非周期部
分３４が設けられ、非周期部分３４は２次元光結晶にお
ける光共振器となる。
【００３２】この２次元半導体光結晶素子においては、
多重歪ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡ量子井戸構造３３は高い光
学利得を持つから、小さい体積で大きな利得を持つレー
ザを作製することができる。また、半導体光結晶層１３
は通常の成長条件で作製可能であるから、多重歪ＩｎＧ
ａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造３３を容易に形成するこ
とができる。
多重歪ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡ量子井戸構造３３は高い光
学利得を持つから、小さい体積で大きな利得を持つレー
ザを作製することができる。また、半導体光結晶層１３
は通常の成長条件で作製可能であるから、多重歪ＩｎＧ
ａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造３３を容易に形成するこ
とができる。
【００３３】なお、上述実施の形態においては、半導体
光結晶層１３、２３および基板１５、２５にＧａＡｓか
らなるものを用いたが、半導体光結晶層、基板にＩｎ
Ｐ、Ｓｉ等の他の材料からなるものを用いてもよい。ま
た、上述実施の形態においては、レジスト１６に電子線
リソグラフィにより２次元周期構造を作製したが、レジ
ストに他のリソグラフィ技術により２次元周期構造を作
製してもよい。また、上述実施の形態においては、半導
体光結晶層１３、２３の穴１７、２７部と残った部分と
の体積比を４：６としたが、半導体光結晶層の穴部と残
った部分との体積比をバンドギャップが開く範囲とすれ
ば、同様の効果がある。また、上述実施の形態において
は、半導体光結晶層１３、２３および基板１５、２５に
ＧａＡｓからなるものを用いたが、半導体光結晶層と基
板とを低屈折率誘電体層、第１、第２の低屈折率誘電体
層を介して接着しているから、半導体光結晶層の材料と
基板の材料との組み合わせは格子整合等の条件に縛られ
ることがない。
光結晶層１３、２３および基板１５、２５にＧａＡｓか
らなるものを用いたが、半導体光結晶層、基板にＩｎ
Ｐ、Ｓｉ等の他の材料からなるものを用いてもよい。ま
た、上述実施の形態においては、レジスト１６に電子線
リソグラフィにより２次元周期構造を作製したが、レジ
ストに他のリソグラフィ技術により２次元周期構造を作
製してもよい。また、上述実施の形態においては、半導
体光結晶層１３、２３の穴１７、２７部と残った部分と
の体積比を４：６としたが、半導体光結晶層の穴部と残
った部分との体積比をバンドギャップが開く範囲とすれ
ば、同様の効果がある。また、上述実施の形態において
は、半導体光結晶層１３、２３および基板１５、２５に
ＧａＡｓからなるものを用いたが、半導体光結晶層と基
板とを低屈折率誘電体層、第１、第２の低屈折率誘電体
層を介して接着しているから、半導体光結晶層の材料と
基板の材料との組み合わせは格子整合等の条件に縛られ
ることがない。
【００３４】
【発明の効果】本発明に係る２次元半導体光結晶素子、
２次元半導体光結晶素子の製造方法においては、エアブ
リッジ型にしないから、作製が容易であり、またＳＯＩ
基板上に２次元光結晶を作製しないから、材料が限定さ
れない。
２次元半導体光結晶素子の製造方法においては、エアブ
リッジ型にしないから、作製が容易であり、またＳＯＩ
基板上に２次元光結晶を作製しないから、材料が限定さ
れない。
【００３５】また、半導体光結晶層としてＧａＡｓから
なるものを用いたときには、光機能素子を構成すること
ができる。
なるものを用いたときには、光機能素子を構成すること
ができる。
【００３６】また、半導体光結晶層として多重歪ＩｎＧ
ａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造を有するものを用いたと
きには、小さい体積で大きな利得を持つレーザを作製す
ることができる。
ａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造を有するものを用いたと
きには、小さい体積で大きな利得を持つレーザを作製す
ることができる。
【００３７】また、屈折率誘電体層を第２の半導体薄膜
層に接着する接着工程または第２の低屈折率誘電体層を
第１の低屈折率誘電体層に接着する接着工程では、接着
面に水ガラスを塗布し、水分が蒸発するする温度に加熱
したときには、接着を強固にすることができる。
層に接着する接着工程または第２の低屈折率誘電体層を
第１の低屈折率誘電体層に接着する接着工程では、接着
面に水ガラスを塗布し、水分が蒸発するする温度に加熱
したときには、接着を強固にすることができる。
【図１】本発明に係る２次元半導体光結晶素子を示す概
略斜視図である。
略斜視図である。
【図２】本発明に係る２次元半導体光結晶素子の製造方
法の説明図である。
法の説明図である。
【図３】本発明に係る２次元半導体光結晶素子の製造方
法の説明図である。
法の説明図である。
【図４】本発明に係る他の２次元半導体光結晶素子を示
す概略斜視図である。
す概略斜視図である。
【図５】本発明に係る他の２次元半導体光結晶素子の製
造方法の説明図である。
造方法の説明図である。
【図６】本発明に係る他の２次元半導体光結晶素子の製
造方法の説明図である。
造方法の説明図である。
【図７】本発明に係る他の２次元半導体光結晶素子を示
す図である。
す図である。
【図８】本発明に係る他の２次元半導体光結晶素子を示
す図である。
す図である。
【図９】本発明に係る他の２次元半導体光結晶素子を示
す概略斜視図である。
す概略斜視図である。
【図１０】２次元光結晶を示す概略斜視図である。
【図１１】従来の２次元半導体光結晶素子を示す概略斜
視図である。
視図である。
【図１２】従来の他の２次元半導体光結晶素子を示す概
略斜視図である。
略斜視図である。
１１…第１の基板 １２…第１の半導体薄膜層 １３…半導体光結晶層 １３ａ…第２の半導体薄膜層 １４…低屈折率誘電体層 １５…基板 １５ａ…第２の基板 ２１…第１の基板 ２２…第１の半導体薄膜層 ２３…半導体光結晶層 ２３ａ…第２の半導体薄膜層 ２４ａ…第１の低屈折率誘電体層 ２４ｂ…第２の低屈折率誘電体層 ２５…基板 ２５ａ…第２の基板 ３１…非周期部分 ３２…非周期部分 ３３…多重歪ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造 ３４…非周期部分
Claims (9)
- 【請求項１】２次元周期構造を有する半導体光結晶層と
少なくとも一方の表面に低屈折率誘電体層を有する基板
とを有し、上記半導体光結晶層と上記低屈折率誘電体層
とが平面接触していることを特徴とする２次元半導体光
結晶素子。 - 【請求項２】２次元周期構造を有する半導体光結晶層お
よび第１の低屈折率誘電体層からなる積層体と、少なく
とも一方の表面に第２の低屈折率誘電体層を有する基板
とを有し、上記第１の低屈折率誘電体層と上記第２の低
屈折率誘電体層とが平面接触していることを特徴とする
２次元半導体光結晶素子。 - 【請求項３】上記半導体光結晶層としてＧａＡｓからな
るものを用いたとを特徴とする請求項１または２に記載
の２次元半導体光結晶素子。 - 【請求項４】上記半導体光結晶層として多重歪ＩｎＧａ
Ａｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造を有するものを用いたこと
を特徴とする請求項１または２に記載の２次元半導体光
結晶素子。 - 【請求項５】上記低屈折率誘電体層、上記第１、第２の
低屈折率誘電体層としてＳｉＯ2からなるものを用いた
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の２次
元半導体光結晶素子。 - 【請求項６】第１の基板に第１の半導体薄膜層と第２の
半導体薄膜層とを積層し、第２の基板が有する屈折率誘
電体層を上記第２の半導体薄膜層に接着し、上記第１の
基板を上記第１の半導体薄膜層をエッチングできないエ
ッチャントで除去し、さらに上記第１の半導体薄膜層を
上記第２の半導体薄膜層をエッチングできないエッチャ
ントで除去し、上記第２の半導体薄膜層上にレジストを
塗布し、上記レジストにリソグラフィ技術により２次元
周期構造を作製し、上記レジストをマスクとして上記第
２の半導体薄膜層に２次元周期構造を作製することを特
徴とする２次元半導体光結晶素子の製造方法。 - 【請求項７】第１の基板に第１の半導体薄膜層と第２の
半導体薄膜層と第１の低屈折率誘電体層とを積層し、第
２の基板が有する第２の低屈折率誘電体層を上記第１の
低屈折率誘電体層に接着し、上記第１の基板を上記第１
の半導体薄膜層をエッチングできないエッチャントで除
去し、さらに上記第１の半導体薄膜層を上記第２の半導
体薄膜層をエッチングできないエッチャントで除去し、
上記第２の半導体薄膜層上にレジストを塗布し、上記レ
ジストにリソグラフィ技術により２次元周期構造を作製
し、上記レジストをマスクとして上記第２の半導体薄膜
層に２次元周期構造を作製することを特徴とする２次元
半導体光結晶素子の製造方法。 - 【請求項８】上記屈折率誘電体層を上記第２の半導体薄
膜層に接着する接着工程または上記第２の低屈折率誘電
体層を上記第１の低屈折率誘電体層に接着する接着工程
では、接着面に水ガラスを塗布し、水分が蒸発するする
温度に加熱することを特徴とする請求項６または７に記
載の２次元半導体光結晶素子の製造方法。 - 【請求項９】上記リソグラフィ技術を電子線リソグラフ
ィとすることを特徴とする請求項６または７に記載の２
次元半導体光結晶素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3231199A JP2000232258A (ja) | 1999-02-10 | 1999-02-10 | ２次元半導体光結晶素子およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3231199A JP2000232258A (ja) | 1999-02-10 | 1999-02-10 | ２次元半導体光結晶素子およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000232258A true JP2000232258A (ja) | 2000-08-22 |
Family
ID=12355404
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3231199A Pending JP2000232258A (ja) | 1999-02-10 | 1999-02-10 | ２次元半導体光結晶素子およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000232258A (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004119671A (ja) * | 2002-09-26 | 2004-04-15 | Mitsubishi Electric Corp | 光アクティブデバイス |
| US6735354B2 (en) | 2001-04-04 | 2004-05-11 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Optical device |
| US6813399B2 (en) | 2001-02-09 | 2004-11-02 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Optical device |
| JP2005045162A (ja) * | 2003-07-25 | 2005-02-17 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体素子およびその製造方法 |
| US7110034B2 (en) | 2001-08-31 | 2006-09-19 | Canon Kabushiki Kaisha | Image pickup apparatus containing light adjustment portion with reflection of a portion of light onto adjacent pixels |
| JP2007538408A (ja) * | 2004-05-18 | 2007-12-27 | クリー インコーポレイテッド | 第３族窒化物デバイスを製造する方法およびその方法を使用して製造されたデバイス |
| JP2008053134A (ja) * | 2006-08-28 | 2008-03-06 | Kyoto Univ | ２次元フォトニック結晶熱輻射光源 |
| US7539226B2 (en) | 2006-02-28 | 2009-05-26 | Canon Kabushiki Kaisha | Optical element, method for manufacturing optical element and semiconductor laser device using the optical element |
| JP2011054777A (ja) * | 2009-09-02 | 2011-03-17 | National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology | 単一光子発生装置 |
| JP2013061645A (ja) * | 2011-09-09 | 2013-04-04 | Samsung Electronics Co Ltd | フォトニック結晶構造体、その製造方法、フォトニック結晶構造体を用いた反射型カラーフィルタ及びディスプレイ装置 |
-
1999
- 1999-02-10 JP JP3231199A patent/JP2000232258A/ja active Pending
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| JP4569942B2 (ja) * | 2002-09-26 | 2010-10-27 | 三菱電機株式会社 | 光アクティブデバイス |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040608 |