JP2011138156A - フォトニック結晶半導体デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

フォトニック結晶半導体デバイスおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】半導体製造プロセスを用いてフォトニック結晶構造を有する各種光デバイスを容易に形成することができるフォトニック結晶半導体デバイスおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】ｎ−ＩｎＰ基板１１上に下部ＤＢＲ層１、コア層２、上部ＤＢＲ層３、誘電体多層膜６が順次積層される。コア層２及び上部ＤＢＲ層３には膜厚方向に延びる複数の空孔９が形成され、これによりフォトニック結晶構造が実現される。このフォトニック結晶構造は、複数の空孔９に挟まれて空孔９が存在しない線欠陥部１０を有し、線欠陥部１０が光導波路として機能する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光の波長に近い２次元的な屈折率の周期構造に欠陥部すなわち周期性を人為的に乱した部分を有するフォトニック結晶構造を用いた光導波路、可変波長フィルタ、光スイッチ、光変調器、光共振器、半導体レーザなどのフォトニック結晶半導体デバイスおよびその製造方法に関するものである。
近年、次世代の超小型光集積回路を実現するためのキーテクノロジーとしてフォトニック結晶が注目を集めており、多くの研究機関により理論・実験の両面から精力的な研究が行われている。このフォトニック結晶とは、光の波長程度の周期で屈折率が変調された構造を有する結晶である。フォトニック結晶中には、周期場中のマックスウェル方程式の解に従って、光に対するフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ：Photonic Band Gaps）が形成されるため、ＰＢＧに相当する周波数の光は、結晶中のいかなる方向にも伝搬することができない。このようなフォトニック結晶に適切な設計によって欠陥を設けると、ＰＢＧに相当する周波数の光は、この欠陥以外のフォトニック結晶中には存在できないため、この欠陥に光が局在することになる。従って、点欠陥による光の捕捉（共振器）や線欠陥による光導波路の実現などが可能になる。
厳密なＰＢＧは、３次元フォトニック結晶によってのみ実現されるが、製造プロセスは極めて複雑であり、かつ困難である。一方、２次元フォトニック結晶においても、ある程度のＰＢＧによる効果が現れることが知られている。一般的に、２次元フォトニック結晶の製造は、垂直方向の光閉じ込めとして、屈折率差による全反射閉じ込めが用いられる。フォトニック結晶を屈折率の高い導波路層コア層に作成し、このフォトニック結晶を屈折率の低いクラッド層で挟んだ構造は、２次元フォトニック結晶スラブ構造と呼ばれ、たとえばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板上に作成されたフォトニック結晶や、両側を空気クラッドで挟んだエアブリッジ型などがある。
M.Ito,et al.,Extended Abstracts of the 2003 International Conference on Solid State Devices and Materials, Tokyo, 2003, pp.870-871
しかしながら、エアブリッジ型は、構造上、機械的に脆いことや熱抵抗が非常に高いことから、発光素子のようなアクティブデバイスには適さない。このため、電流注入による発光素子などのようなアクティブデバイスは、制御用電極を設けるために上下を、半導体クラッド層で挟んだ２次元フォトニック結晶スラブ構造にする必要がある。
一方、２次元フォトニック結晶スラブ構造には、ライトコーンと呼ばれる、光が上下方向へ放射する漏れモードが存在するという問題点があった。この放射モードの存在は、クラッドに使用する材料の屈折率ｎが高いほど顕著であり、空気クラッド（ｎ＝１）を用いるエアブリッジ型の場合にはその影響を避けることができるが、半導体クラッド（ｎ≒３）の場合には、放射モードの影響を回避することができないという問題点があった。この問題点は、通常の導波路などのパッシブデバイスだけでなく、発光素子などのアクティブデバイスの実現には致命的な問題となる。
そこで、上下方向への放射漏れモードを制御する試みのひとつとして、コア層に対して垂直方向の上下及び両側に、空気層と半導体ＧａＡｓ層からなる分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ (Distributed Bragg Reflector)）を設けた擬３次元フォトニック結晶点欠陥共振器構造を用いることによって、垂直方向へ放射する光をＤＢＲによって反射させて戻すことで、光閉じ込めを補強するようにしているものがある（非特許文献１参照）。これは、空気層と半導体層とからなるＤＢＲで挟んだフォトニック結晶共振器であり、このフォトニック結晶共振器は、通常の２次元フォトニック結晶スラブ構造と比較しても、小さいモード体積を保ちつつ、共振器のＱ値を高くすることができることを理論的に実証している。
しかしながら、このフォトニック結晶共振器は、空気層と半導体層とからなるＤＢＲを用いているため、電気的な制御デバイスとしては利用することができないという問題点があった。
さらに、電気的な制御のために、全て半導体層からなるＤＢＲを用いたデバイスを考えた場合、通常は光を有効的に閉じ込めるために上下両側を２０〜３０ペアからなる半導体ＤＢＲで挟む必要がある。この構造には、２次元フォトニック結晶を作成するためには、少なくとも上部ＤＢＲおよびコア部（導波路層）、もしくはさらに下部ＤＢＲを貫通した空孔をエッチングによって形成しなければならない。ここで、空孔の径が数百ナノメートルであることを考慮すると、アスペクト比にして２０：１上の空孔を形成することになり、設計通りのサイズ・形状をもつ空孔の作成は、非常に困難であるという問題点があった。
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、半導体および半導体製造プロセスを用いてフォトニック結晶構造をもった各種光デバイスを容易に形成することができるフォトニック結晶半導体デバイスおよびその製造方法を提供することを目的とする。
［フォトニック結晶半導体デバイス］
本発明のフォトニック結晶半導体デバイスは、
半導体基板と、
前記半導体基板上に積層された下部半導体分布ブラッグ反射多層膜と、
前記下部半導体分布ブラッグ反射多層膜上に積層された半導体コア層と、
前記半導体コア層上に積層された上部半導体分布ブラッグ反射多層膜と、
前記上部半導体分布ブラッグ反射多層膜上に積層された誘電体多層膜とを有し、
前記上部半導体分布ブラッグ反射膜と前記半導体コア層を貫通する複数の空孔により、光の波長に近い２次元的な屈折率の周期構造を有するフォトニック結晶構造が前記半導体コア層に形成され、
前記２次元的な屈折率の周期構造は、前記空孔に挟まれ前記空孔が存在しない線状の欠陥部を有することを特徴とするものである。
本発明のフォトニック結晶半導体デバイスは、前記下部半導体分布ブラッグ反射多層膜と前記半導体コア層との間に積層された下部クラッド層、及び前記半導体コア層と前記上部半導体分布ブラッグ反射多層膜との間に積層された上部クラッド層とをさらに有し、
前記複数の空孔は、前記上部クラッド層と前記下部クラッド層を貫通していることが望ましい。
本発明のフォトニック結晶半導体デバイスには、前記複数の空孔が、前記下部半導体分布ブラッグ反射多層膜の一部あるいは前記下部半導体分布ブラッグ反射多層膜の全層を貫通しているものが含まれる。
本発明のフォトニック結晶半導体デバイスには、前記半導体コア層の近傍に電流狭窄用のＡｌを含む選択酸化層が設けられているものが含まれる。
本発明のフォトニック結晶半導体デバイスにおいて、前記半導体コア層は、活性層を有することが望ましい。
本発明のフォトニック結晶半導体デバイスにおいて、前記半導体コア層は、多重量子井戸構造を有することが望ましい。
本発明のフォトニック結晶半導体デバイスにおいて、前記半導体コア層は、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＡｓのうちのいずれかを含むことが望ましい。
本発明のフォトニック結晶半導体デバイスには、前記半導体コア層と光学的に接続された活性層を有する半導体レーザ素子が前記半導体基板上に形成されているものが含まれる。
前記活性層は、前記半導体コア層の前記線状の欠陥部と光学的に接続されていることが望ましい。
本発明のフォトニック結晶半導体デバイスには、前記フォトニック結晶構造の部分に対して電流あるいは電圧を印加する電極を備えているものが含まれる。
［可変波長フィルタ］
本発明の可変波長フィルタは、そのフォトニック結晶構造の部分に対して電流あるいは電圧を印加する電極を備えている本発明のフォトニック結晶半導体デバイスと、
前記電極に接続された可変電源と、
を備え、前記欠陥部を透過する光の波長フィルタリングを行うことを特徴とする。
［光変調器］
本発明の光変調器は、そのフォトニック結晶構造の部分に対して電流あるいは電圧を印加する電極を備えている本発明のフォトニック結晶半導体デバイスと、
前記電極に接続された電源と、
前記電源から前記フォトニック結晶半導体デバイスへの電源供給をスイッチングするスイッチと、
前記スイッチのスイッチング制御を行う制御手段と、
を備え、前記欠陥部を透過する光のオンオフあるいは変調を行うことを特徴とする。
［可変波長レーザ］
本発明の可変波長レーザは、そのフォトニック結晶構造の部分に対して電流あるいは電圧を印加する電極を備えている本発明のフォトニック結晶半導体デバイスと、
前記電極に接続された可変電源と、
を備え、前記欠陥部で増幅された可変波長のレーザ光を出力することを特徴とする。
［フォトニック結晶半導体デバイスの製造方法］
本発明のフォトニック結晶半導体デバイスの製造方法は、光の波長に近い２次元的な屈折率の周期構造に欠陥部を設けたフォトニック結晶構造を用いたフォトニック結晶半導体デバイスの製造方法において、
半導体基板上に下部半導体分布ブラッグ反射多層膜、前記フォトニック結晶が形成される半導体コア層、上部半導体分布ブラッグ反射多層膜を順次積層する積層工程と、
前記上部半導体分布ブラッグ反射多層膜および前記半導体コア層を貫通する複数の空孔を形成する空孔形成工程と、
前記上部半導体ブラッグ反射多層膜の上部に誘電体多層膜を形成する誘電体多層膜形成工程と、
を含み、
前記空孔形成工程は、前記空孔に挟まれ、かつ空孔が存在しない線状の欠陥部を形成することを含むことを特徴とする。
前記空孔形成工程は、前記下部半導体分布ブラッグ反射多層膜の一部、あるいは前記下部半導体分布ブラッグ反射多層膜の全層を貫通する複数の空孔を形成する工程であることが望ましい。
前記積層工程は、前記上部半導体ブラッグ反射多層膜の上部に、選択酸化層およびコンタクト層を順次さらに積層し、
前記空孔形成工程は、前記選択酸化層およびコンタクト層をも貫通する空孔を形成するとともに、前記選択酸化層の一部に酸化した電流狭窄用の酸化部を形成する工程であることが望ましい。
前記コンタクト層の一部上面および前記半導体基板の下部に電極を形成する電極形成工程をさらに含むことが望ましい。
この発明にかかるフォトニック結晶半導体デバイスおよびその製造方法では、半導体基板側から下部半導体分布ブラッグ反射多層膜、前記フォトニック結晶が形成される半導体コア層、上部半導体分布ブラッグ反射多層膜および誘電体多層膜が順次積層され、さらに上部半導体分布ブラッグ反射多層膜、半導体コア層を貫通する複数の空孔が形成されたフォトニック結晶構造を前記半導体コア層に形成するようにしている。このような構造では、上部半導体分布ブラッグ反射多層膜及び誘電体多層膜によって光を垂直方向に反射させて閉じ込めることができるので、上部半導体分布ブラッグ反射多層膜のペア数が少なくても光閉じ込めを確実に行うことができ、また、半導体層に形成する空孔のアスペクト比（深さ／直径）を小さくできる。このため、エアブリッジ型によるフォトニック結晶デバイスに劣らないデバイスを半導体プロセスによって容易に製造することができるという効果を奏する。
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかるフォトニック結晶半導体デバイスである可変波長フィルタを斜めからみた一部破断図である。 図２は、図１に示した可変波長フィルタの断面図である。 図３は、図１に示した可変波長フィルタの平面図である。 図４は、図１に示した可変波長フィルタの製造工程を示す図（その１）である。 図５は、図１に示した可変波長フィルタの製造工程を示す図（その２）である。 図６は、図１に示した可変波長フィルタの製造工程を示す図（その３）である。 図７は、図１に示した可変波長フィルタの製造工程を示す図（その４）である。 図８は、図１に示した可変波長フィルタの変形例を示す断面図である。 図９は、図１に示した構造を光スイッチあるいは光変調器に適用した場合の構成を示す図である。 図１０は、図１に示した構造をスラブ光導波路に適用した場合の構成を示す図である。 図１１は、本発明の第１の実施の形態にかかるフォトニック結晶半導体デバイスである可変波長フィルタの別の構造を斜めからみた一部破断図である。 図１２は、本発明の第２の実施の形態にかかるフォトニック結晶半導体デバイスである半導体レーザを斜めからみた一部破断図である。 図１３は、図１２に示した半導体レーザの平面図である。 図１４は、本発明の第３の実施の形態にかかるフォトニック結晶半導体デバイスであるスーパープリズムを示す斜視図である。 図１５は、図１４に示したフォトニック結晶半導体デバイスのコア層を示す平面図である。 図１６は、本発明の第４の実施の形態にかかる半導体レーザ集積型フォトニック結晶光デバイスを斜めからみた一部破断図である。 図１７は、図１６のＩ−Ｉ線断面図である。 図１８は、図１６のII−II線断面図である。
以下、この発明を実施するための最良の形態であるフォトニック結晶半導体デバイスおよびその製造方法について説明する。
（第１の実施の形態）
まず、実施の形態１にかかるフォトニック結晶半導体デバイスである可変波長フィルタについて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１である可変波長フィルタの斜めからみた一部破断図である。図２は、図１に示した可変波長フィルタの断面図である。図３は、図１に示した可変波長フィルタの平面図である。図１〜図３において、この可変波長フィルタは、線状の欠陥部である線欠陥部１０を有したフォトニック結晶構造を利用し、この線欠陥部１０を光導波路とし、フォトニック結晶構造の屈折率を変化させることによって光導波路の通過する波長帯を可変しようとするものである。光導波路の長さは、１０μｍ〜１００μｍとする。なお、通過波長帯は１５５０ｎｍ帯である。
この可変波長フィルタは、１２０μｍ程度の厚さをもつｎ−ＩｎＰ基板１１上に、下部ＤＢＲ層１、コア層２、上部ＤＢＲ層３、選択酸化層４、コンタクト層５が順次積層された構造を有し、下部ＤＢＲ層１のコア層側の一部、コア層２、上部ＤＢＲ層３、選択酸化層４、およびコンタクト層５を貫通する円柱状の複数の空孔９がトライアングル状に形成され、この空孔９に囲まれた部分であって空孔９が線状に存在しない線欠陥部１０が形成されている。さらに、コンタクト層５の上部であって線欠陥部１０に対応するストライプ状の領域に誘電体多層膜６が形成されるとともに、コンタクト層５上であって、この誘電体多層膜６が形成されない領域でかつ誘電体多層膜６の両側にｐ側電極７が形成される。また、ｎ−ＩｎＰ基板１１の下部には、ｐ側電極７に対向するｎ側電極８が形成される。さらに、ｐ側電極７とｎ側電極８には、電流可変の電源１２が接続される。
下部ＤＢＲ層１は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＡｌＩｎＡｓを１ペアとする３０ペアからなるｎ型半導体分布ブラッグ反射多層膜である。コア層２は、エネルギーバンドギャップ波長１３００ｎｍとなる組成を有し、ここではＩｎＧａＡｓＰで形成され、膜厚は、５９７ｎｍである。上部ＤＢＲ層３は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＡｌＩｎＡｓを１ペアとする２ペアからなるｐ型半導体分布ブラッグ反射多層膜である。選択酸化層４の両端は、酸化処理によって酸化部４ａが形成され、これによって電流狭窄を行うようにしている。選択酸化層４は、アルミニウムを含む半導体、例えばＡｌＩｎＡｓから構成されている。コンタクト層５は、ｐ型半導体によって形成される。
空孔９は、直径２００ｎｍ、格子定数３５０ｎｍであり、線欠陥部１０の幅は、４０６ｎｍである。この空孔９および線欠陥部１０を有するコア層２がフォトニック結晶構造を形成する。なお、これらフォトニック結晶構造のパラメータは、対象とする光の波長によって決定されるものであり、たとえば、空孔９による格子定数は、３００〜４００ｎｍの範囲で変化させることができる。
誘電体多層膜６は、ＳｉＯ２とアモルファスシリコンとを１ペアとして３ペアからなる誘電体多層膜である。ＳｉＯ２の膜厚は３４０ｎｍであり、アモルファスシリコンの膜厚は１４９ｎｍである。この誘電体多層膜６の反射率は、９９．９％以上となる。
ｐ側電極７はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによる多層構造によって実現され、ｎ側電極８は、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕによる多層構造によって実現される。
この実施の形態１に示した可変波長フィルタでは、コア層２における積層方向に垂直な方向に対してはフォトニック結晶構造によって線欠陥部１０から光の漏れがなく、線欠陥部１０に波長１５５０ｎｍ帯の光が閉じ込められる。一方、積層方向に対しては、下部ＤＢＲ層１と、上部ＤＢＲ層３，誘電体多層膜６とによって波長１５５０ｎｍ帯の光が閉じ込められる。この結果、線欠陥部１０は、１５５０ｎｍ帯の光導波路として機能する。ここで、電源１２によって注入される電流量を変化させると、フォトニック結晶構造部分の屈折率が変化し、線欠陥部１０が導波を許す波長帯が変化するので、可変波長フィルタとして機能することになる。（なお、ｐ側電極７，ｎ側電極８，電源１２を設けない場合には、所定の波長の光のみを導波するスラブ導波路として機能する。）
つぎに、図４〜図７を参照して、図１に示した可変波長フィルタの製造方法について説明する。
まず、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）結晶成長装置を用いて、ｎ−ＩｎＰ半導体基板１１上に下部ＤＢＲ層１、コア層２、上部ＤＢＲ層３、選択酸化層４、コンタクト層５を順次形成する。その後、フォトリソグラフィおよびドライエッチング装置によって、コンタクト層５および選択酸化層４の一部の領域２１を除去する（図４）。
さらに、酸化炉を用いてＡｌを含む選択酸化層４の側面から酸化を促進させ、電流狭窄用の酸化部４ａを形成する。その後、電子ビーム描画装置を用いて図３に示したフォトニック結晶構造のパターン、すなわち円の格子配列である空孔パターンを転写し、コンタクト層５上に空孔パターンのエッチングマスクを形成する。その後、塩素系ドライエッチング装置を用いて、コンタクト層５から下部ＤＢＲ層１の上部一部領域に達するまでの空孔９を形成する。この空孔９の深さは、２μｍ程度である。空孔の直径が２００ｎｍであることから、この空孔のアスペクト比は、１０：１程度である（図５）。
その後、ＳｉＯ２とアモルファスシリコンとを１ペアとした３ペアからなる誘電体多層膜を積層し、線欠陥部１０に対応するストライプ領域を少なくとも覆うように、領域２２をエッチングによって除去し、ストライプ状の誘電体多層膜６を形成する（図６）。
その後、ｎ−ＩｎＰ基板１１の下部を研磨し、誘電体多層膜６を含めた厚みを１２０μｍ程度にする。その後、ｐ側電極７とｎ側電極８とを形成することによってスラブ光導波路が形成される（図７）。その後、可変の電源１２を接続することによって、可変波長フィルタが製造される。
なお、図１に示した可変波長フィルタでは、空孔９が下部ＤＢＲ層１まで貫通していたが、これに限られるものではなく、空孔９形成時にエッチング制御を精度高く行うことによって、図８に示すように、空孔９の下部をコア層２と下部ＤＢＲ層１との境界で止めるか、下部ＤＢＲ層１に達しないようにしてもよい。これにより、空孔９のアスペクト比が低くなり、精度の高い空孔９を形成することができる。また、空孔９を形成する際のエッチング深さが浅くて済むし、さらに、下部ＤＢＲ層１の所定の反射特性が得られるように考慮しなければならないパラメータのうち空孔９に関するものが不要になって、下部ＤＢＲ層１の設計がしやすくなる。
また、上述した実施の形態１では、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰ／ＡｌＩｎＡｓからなるＤＢＲ層を形成するようにしていたが、これに限らず、たとえばＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓを１ペアとするＤＢＲ層を形成するようにしてもよい。また、コア層２にＡｌＧａＩｎＡｓを含むようにしてもよい。さらに、線欠陥部１０に対応する部分以外にも電圧を印加する場合には、選択酸化膜４を設ける必要はない。また、誘電体多層膜６は誘電体多層膜であったが、所望の波長に対して高い反射率が得られるものであれば他の構成であってもよい。
さらに、上述した実施の形態１において、コア層２として多重量子井戸構造を用いると屈折率変化を大きくすることができるため、可変波長範囲を広げることが可能である。
また、誘電体多層膜６の形成は、フォトニック結晶の空孔９の影響を避けるため、予め空孔９内を充填するようにポリマーや誘電体材料をスピンコートなどによってコンタクト層５上に塗布し、熱処理などを施してこれらポリマーや誘電体材料を固化させ、平坦化処理を行った後に行うようにしてもよい。この場合、フォトニック結晶構造におけるコア層２と、下部ＤＢＲ層および上部ＤＢＲ層３との間の屈折率差が小さくなって、フォトニック結晶構造の特性がずれてしまうことが考えられ、この場合には、フォトニック結晶構造のパラメータ、たとえば格子定数、空孔９の径、線欠陥部１０の幅を適宜設計すればよい。
ここで、図１に示した可変波長フィルタの特性の測定結果について説明する。線欠陥部１０が形成される光導波路は、透過光強度の測定結果から、波長１５３０〜１５６０ｎｍの光に対し、光導波路損失が、約７ｄＢ／ｍｍであった。また、電源１２から電流を注入することによって、光導波路のファブリペロー共振器波長が最大で５ｎｍ程度シフトさせることができた。
なお、上述した実施の形態では、半導体プロセスによってフォトニック結晶構造を形成し、光導波路や可変波長フィルタを実現しているが、これに限らず、同様な線状の欠陥をもったフォトニック結晶構造を用いて、光スイッチや光変調器などの半導体デバイスも形成することができる。図９は、光スイッチの一例を斜めからみた一部破断図である。図９に示すように、この光スイッチは、図１に示した可変の電源１２に代えて、直列配置された固定の電源２３とスイッチ２４とを設け、このスイッチ２４を制御部２５がオンオフ制御するようにしている。スイッチ２４がオンのときには電流がフォトニック結晶構造に流れ、屈折率が変化することによって、線欠陥部１０の光導波路を通過する光の波長帯がシフトするので、オフ時に光導波路を流れることができた波長帯の光の通過が遮断される。これによって、所望の波長帯の光のオンオフを行う光スイッチが実現される。なお、光変調器を実現する場合には、制御部２５がオンオフ指示する信号が変調信号に対応していればよい。
図１０は、図１に対応した可変波長フィルタのフォトニック結晶構造のみを形成して実現されるスラブ光導波路の断面図である。図１０に示すように、スラブ光導波路の場合には、電極や電流狭窄などを行う必要がないため、選択酸化膜４などを設けることも、形状生成のためのエッチング処理も必要ないため、簡易な構成で、フォトニック結晶構造を用いたスラブ光導波路を形成することができる。なお、下部ＤＢＲ層１の全層に貫通する空孔９を形成してもよい。また、空孔９は、コア層２と下部ＤＢＲ層１の境界よりも深くしないように形成してもよい。
この実施の形態では、線欠陥部１０をもつフォトニック結晶構造の空孔９を、半導体プロセスを利用して必要最小限のアスペクト比で形成するようにしているので、精度の高いフォトニック結晶構造を形成することができる。また、下部ＤＢＲ層１などの半導体反射膜を用いて２次元フォトニック結晶構造の放射漏れモードを容易に抑制することができる。
ところで、下部ＤＢＲ層１と上部ＤＢＲ層３の間の層において、図１１に示すように、コア層２を上部クラッド層２ａと下部クラッド層２ｂにより上下から挟んだ構造であることが好ましい。この場合、上部クラッド層２ａと下部クラッド層２ｂは例えばＩｎＧａＡｓＰにより構成され、その組成比を調製することによりそのエネルギーバンドギャップをコア層２のエネルギーバンドギャップよりも広くする。
この場合、フォトニック結晶を構成する空孔９は、上部クラッド層２ａ、コア層２及び下部クラッド層２ｂまで達し、且つ下部ＤＢＲ層１まで達しない深さとなっている。或いは、空孔９は、図１と同様に、下部ＤＢＲ層１に達する深さであってもよい。
この場合にも、線欠陥部１０の上方では上部ＤＢＲ層３及び誘電体多層膜６によって光を垂直方向に反射させて線欠陥部１０に戻す光閉じ込め構造となり、線欠陥部１０の両側では、空孔９を有するフォトニック結晶構造によって横方向の光を閉じ込めている。また、線欠陥部１０の両側方の領域では、垂直方向の光閉じ込めが弱くてもいいので、誘電体多層膜６は形成されていない。線欠陥部１０の両側では、誘電体多層膜６と上部ＤＢＲ層３により構成される上部反射膜の全部に空孔９を形成せずに上部ＤＢＲ層３にだけ空孔９が形成されているので、空孔９のアスペクト比は小さくなる。しかも、上部反射膜の途中の上部ＤＢＲ層３上にｐ側電極７を配置しているので、ｐ側電極７とｎ側電極８の距離が短くなり、それらの間の抵抗が低減されて消費電力が小さくなる。なお、線欠陥部１０に導波させる光は、フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップに相当する波長帯の光である。
下部ＤＢＲ層１、下部クラッド層２ｂはｎ型ドーパント、例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされてｎ型となり、上部ＤＢＲ層３、上部クラッド層２ａ、選択酸化層４及びコンタクト層５はｐ型ドーパント、例えば亜鉛（Ｚｎ）がドープされてｐ型となっている。
（第２の実施の形態）
つぎに、この発明の第２の実施の形態について説明する。上述した実施の形態では、線欠陥部１０を有したフォトニック結晶構造を有するフォトニック結晶半導体デバイスであったが、この実施の形態２では、点欠陥部を有したフォトニック結晶構造を有するフォトニック結晶半導体デバイスを実現している。
図１２は、この発明の実施の形態２である半導体レーザの断面図であり、図１３は、図１２に示した半導体レーザの平面図である。図１２において、この半導体レーザは、面内共振型の半導体レーザであり、図１に示したコア層２に代えてＧａＩｎＮＡｓＳｂの活性層３２ａを有するコア層３２が設けられている。その他の断面構造は図１に示した構造と同じであるが、線欠陥部１０ではなく、点欠陥部３０を有するフォトニック結晶構造を形成している。すなわち、図１３に示すように、フォトニック結晶の欠陥として、点欠陥部３０を形成し、二次元的に周囲が光閉じ込めを行っている。したがって、フォトニック結晶の空孔３９も、点欠陥部３０を囲む構造となる。さらに、電極３７もストライプ状ではなく、円環状となる。また、ｎ−ＩｎＰ基板に代えてＧａＡｓ基板を用い、下部ＤＢＲ層１などのＤＢＲ層も、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓを１ペアとするＤＢＲ層によって形成されている。
可変の電源４２から電極３７を介して電流注入されると、点欠陥部３０の活性層３２ａにおいて励起した１３１０ｎｍ帯の光が下部ＤＢＲ層１と上部ＤＢＲ層３，誘電体多層膜６との間で共振し、誘電体多層膜６を介し、レーザ光が出射される。
なお、点欠陥部３０は、１つの空孔３９の欠陥に対応するものでなく、複数の点欠陥であってもよい。また、活性層３２ａとして多重量子井戸構造を用いてもよい。
この実施の形態２に示した半導体レーザとほぼ同じ構造をもつエアブリッジ型の半導体レーザとを比較すると、この実施の形態２による点欠陥部３０のＱ値が３０００程度であり、エアブリッジ型のＱ値が４０００程度である。したがって、この実施の形態２に示した半導体レーザでは、エアブリッジ型の半導体レーザとほぼ同等な共振器が形成されていると言える。
なお、図１２における空孔３９の深さは、図８に示した空孔９と同様に、下部ＤＢＲ層１に到達しない深さにしてもよい。
（第３の実施の形態）
図１４は、本発明の第３の実施の形態を示すスーパープリズムとして使用されるフォトニック結晶半導体デバイスを示す斜視図であり、また、図１５は、図１４に示すフォトニック結晶半導体デバイスのコア層を示す平面図である。なお、これらの図において、図１、図１１と同じ符合は同じ要素を示している。
図１４，図１５において、ｎ−ＩｎＰ基板１１上には下部ＤＢＲ層１、下部クラッド層２ｂ、コア層２、上部クラッド層２ａ、上部ＤＢＲ層３、選択酸化層４、コンタクト層５がＭＯＣＶＤ法により順に形成され、さらにコンタクト層５の上には光導波方向に沿ってストライプ状の誘電体多層膜６が形成されている。また、誘電体多層膜６の両側では、コンタクト層５上にｐ側電極７が形成されている。
また、上部ＤＢＲ層３、上部クラッド層２ａ、コア層２及び下部クラッド層２ｂにはトライアングル状に複数の空孔９が形成され、これによりフォトニック結晶構造が構成される。そのフォトニック結晶構造には、第１、第２の実施の形態と相違して、点欠陥部、線欠陥部は形成されていない。
このような実施形態のフォトニック結晶では、コア層２に入射する光の波長又は入射角度を少し変えただけで光の進む方向を大きく変えることができる。即ち、フォトニック結晶中では、その周期構造に起因してフォトニックバンド構造が形成され、光の波長や入射角度に応じて光の伝わる方向が敏感に変化する。
従って、誘電体多層膜６の下方を光導波路とし使用し、図１５に示すように、光導波路のコア層２の一端から複数の波長λ1 、λ2 、λ3 の光を入射すると、コア層２の他端からは波長の違いに応じて分波されて光の出射位置が異なる。また、その逆に、コア層２の他端において異なる波長毎に光の入射位置や角度を異ならせると、その一端の同じ位置で異なる波長の光が合波されて出射される。
このように、図１４のフォトニック結晶半導体デバイスは、光合分波素子として用いられる。
ｐ側電極７とｎ側電極８の間に流す電流を変化することにより、コア層２内を導波する光の波長帯を変えることができる。なお、誘電体多層膜６の幅を調整することにより、ｐ電極７から流れる電流を誘電体膜６の下方のコア層２に流すことが可能である。
（第４の実施の形態）
図１６は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザ集積型フォトニック結晶光デバイスを示す斜視断面図、図１７は図１６のＩ−Ｉ線断面図、図１８は図１６のII−II線断面図である。なお、図１６、図１７において、図１と同じ符合は同じ要素を示している。
図１６において、ｎ−ＩｎＰ基板１１のうちフォトニック結晶半導体デバイスの形成領域には、第１の実施の形態で示した工程に従って形成された可変波長フィルタ４０が形成されている。可変波長フィルタ４０は、下部ＤＢＲ層１、下部クラッド層２ｂ、コア層２、上部クラッド層２ａ、上部ＤＢＲ層３、選択酸化層４、コンタクト層５、誘電体多層膜６及びｐ側電極７を有している。
また、ｎ−ＩｎＰ基板１１のうち可変波長フィルタ４０に隣接する半導体レーザ形成領域には半導体レーザ２０が形成されている。この半導体レーザ２０は、ｎ−ＩｎＰ基板１１上にＭＯＣＶＤ法により順に形成されたｎ−ＩｎＰよりなるｎ型クラッド層１４、ＳＣＨ構造を有する活性層１５、ｐ−ＩｎＰよりなるｐ型クラッド層１６、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓよりなるコンタクト層１７を有し、さらに、コンタクト層１７上に形成されたレーザ駆動用ｐ側電極１８を有している。なお、ｐ側電極１８はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから構成されている。
活性層１５は、ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）構造を有し、多重量子井戸層と、多重量子井戸層を上下から挟む光閉じ込め層から構成されている。多重量子井戸層は、複数の量子井戸層と、各量子井戸層を挟むバリア層とから構成されている。量子井戸層とバリア層は、それぞれ組成比の異なるＩｎＧａＡｓＰから構成されている。また、光閉じ込め層は、ＩｎＧａＡｓＰからなり、バリア層よりもエネルギーバンドギャップが広くなるように組成が調整される。
半導体レーザ２０を構成するｎ型クラッド層１４からｐ型クラッド層１６までの半導体層は、フォトニック結晶半導体デバイス領域を誘電体膜により覆った状態で選択成長される。また、フォトニック結晶半導体デバイス４０を構成する下部ＤＢＲ層１から選択酸化層４までの半導体層は、半導体レーザ領域を誘電体膜により覆った状態で選択成長される。誘電体膜の材料として例えば二酸化シリコン、窒化シリコンを用いる。
半導体レーザ２０のコンタクト層１７と可変波長フィルタのコンタクト層５は同時に形成され、それらのコンタクト層５，１７の間はフォトリソグラフィにより形成される溝１８ａを介して分離されている。
また、半導体レーザ２０を構成するｎ型クラッド層１４と活性層１５とｐ型クラッド層１４下部は、図１８に示すように、光導波方向にストライプ状にパターニングされてリッジ構造になっている。また、リッジ構造の両側には、ｐ−ＩｎＰ埋込層１９ａとｎ−ＩｎＰ埋込層１９ｂを順に積層した構成を有する電流ブロック構造が形成されている。
ストライプ状の活性層１５の一端は可変波長フィルタ４０の線欠陥部１０のコア層２の端部に接続されている。
以上のような構造の半導体レーザ集積型フォトニック結晶光素子において、半導体レーザ２０のｐ側電極１８からｎ側電極８に電流を流すと、半導体レーザ２０の活性層１５から可変波長フィルタ４０のコア層２に向けてブロードな波長スペクトルを有するレーザ光が出射される。このレーザ光を入射した可変波長フィルタ４０は、光を波長選択して線欠陥部１０に導波させる。その波長選択は、可変波長フィルタ１２のｎ側電極８とｐ側電極７の間のフォトニック結晶に流される電流値を調整することによりなされる。
以上のような半導体レーザ集積型フォトニック結晶光素子によれば、１つのｎ−ＩｎＰ基板１１上に半導体レーザ２０と可変波長フィルタ４０を形成しているので光集積素子の超小型化を図ることができる。
なお、ＩｎＰ板１１上で半導体レーザ２０と集積化されるフォトニック結晶半導体デバイスとしては、可変波長フィルタ４０の他に、上記した実施形態に示したようなスラブ導波路、光スイッチ、光変調器、スーパープリズム等のいずれかであってもよい。
１ 下部ＤＢＲ層
２，３２ コア層
２ａ，２ｂ クラッド層
３２ａ 活性層
３，６，３６ 多層膜
４，３４ 選択酸化層
４ａ，３４ａ 酸化部
５，３５ コンタクト層
７，３７，１８ ｐ側電極
８，３８ ｎ側電極
９，３９ 空孔
１０ 線欠陥部
１１ ｎ−ＩｎＰ基板
１２，２３，４２ 電源
１４，１６ クラッド層
１５ 活性層
１７ コンタクト層
２０ 半導体レーザ
２４ スイッチ
２５ 制御部
３０ 点欠陥部

Claims (19)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に積層された下部半導体分布ブラッグ反射多層膜と、
    前記下部半導体分布ブラッグ反射多層膜上に積層された半導体コア層と、
    前記半導体コア層上に積層された上部半導体分布ブラッグ反射多層膜と、
    前記上部半導体分布ブラッグ反射多層膜上に積層された誘電体多層膜とを有し、
    前記上部半導体分布ブラッグ反射膜と前記半導体コア層を貫通する複数の空孔により、光の波長に近い２次元的な屈折率の周期構造を有するフォトニック結晶構造が前記半導体コア層に形成され、
    前記２次元的な屈折率の周期構造は、前記空孔に挟まれ前記空孔が存在しない線状の欠陥部を有することを特徴とするフォトニック結晶半導体デバイス。
  2. 前記下部半導体分布ブラッグ反射多層膜と前記半導体コア層との間に積層された下部クラッド層、及び前記半導体コア層と前記上部半導体分布ブラッグ反射多層膜との間に積層された上部クラッド層とをさらに有し、
    前記複数の空孔は、前記上部クラッド層と前記下部クラッド層を貫通していることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶半導体デバイス。
  3. 前記複数の空孔は、前記下部半導体分布ブラッグ反射多層膜の一部あるいは前記下部半導体分布ブラッグ反射多層膜の全層を貫通していることを特徴とする請求項１又は２に記載のフォトニック結晶半導体デバイス。
  4. 前記半導体コア層の近傍に電流狭窄用のＡｌを含む選択酸化層が設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のフォトニック結晶半導体デバイス。
  5. 前記半導体コア層は、活性層を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のフォトニック結晶半導体デバイス。
  6. 前記半導体コア層は、多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のフォトニック結晶半導体デバイス。
  7. 前記半導体コア層は、ＩｎＧａＡｓＰを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のフォトニック結晶半導体デバイス。
  8. 前記半導体コア層は、ＧａＩｎＮＡｓＳｂを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のフォトニック結晶半導体デバイス。
  9. 前記半導体コア層は、ＡｌＧａＩｎＡｓを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のフォトニック結晶半導体デバイス。
  10. 前記半導体コア層と光学的に接続された活性層を有する半導体レーザ素子が前記半導体基板上に形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載のフォトニック結晶半導体デバイス。
  11. 前記活性層は、前記半導体コア層の前記線状の欠陥部と光学的に接続されていることを特徴とする請求項１０に記載のフォトニック結晶半導体デバイス。
  12. 前記フォトニック結晶構造の部分に対して電流あるいは電圧を印加する電極を備えたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載のフォトニック結晶半導体デバイス。
  13. 請求項１２に記載のフォトニック結晶半導体デバイスと、
    前記電極に接続された可変電源と、
    を備え、前記欠陥部を透過する光の波長フィルタリングを行うことを特徴とする可変波長フィルタ。
  14. 請求項１２に記載のフォトニック結晶半導体デバイスと、
    前記電極に接続された電源と、
    前記電源から前記フォトニック結晶半導体デバイスへの電源供給をスイッチングするスイッチと、
    前記スイッチのスイッチング制御を行う制御手段と、
    を備え、前記欠陥部を透過する光のオンオフあるいは変調を行うことを特徴とする光変調器。
  15. 請求項１２に記載のフォトニック結晶半導体デバイスと、
    前記電極に接続された可変電源と、
    を備え、前記欠陥部で増幅された可変波長のレーザ光を出力することを特徴とする可変波長レーザ。
  16. 光の波長に近い２次元的な屈折率の周期構造に欠陥部を設けたフォトニック結晶構造を用いたフォトニック結晶半導体デバイスの製造方法において、
    半導体基板上に下部半導体分布ブラッグ反射多層膜、前記フォトニック結晶が形成される半導体コア層、上部半導体分布ブラッグ反射多層膜を順次積層する積層工程と、
    前記上部半導体分布ブラッグ反射多層膜および前記半導体コア層を貫通する複数の空孔を形成する空孔形成工程と、
    前記上部半導体ブラッグ反射多層膜の上部に誘電体多層膜を形成する誘電体多層膜形成工程と、
    を含み、
    前記空孔形成工程は、前記空孔に挟まれ、かつ空孔が存在しない線状の欠陥部を形成することを含むことを特徴とするフォトニック結晶半導体デバイスの製造方法。
  17. 前記空孔形成工程は、前記下部半導体分布ブラッグ反射多層膜の一部、あるいは前記下部半導体分布ブラッグ反射多層膜の全層を貫通する複数の空孔を形成することを含むことを特徴とする請求項１６に記載のフォトニック結晶半導体デバイスの製造方法。
  18. 前記積層工程は、前記上部半導体ブラッグ反射多層膜の上部に、選択酸化層およびコンタクト層を順次さらに積層し、
    前記空孔形成工程は、前記選択酸化層およびコンタクト層をも貫通する空孔を形成するとともに、前記選択酸化層の一部に酸化した電流狭窄用の酸化部を形成することを特徴とする請求項１６又は１７に記載のフォトニック結晶半導体デバイスの製造方法。
  19. 前記コンタクト層の一部上面および前記半導体基板の下部に電極を形成する電極形成工程をさらに含むことを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか一つに記載のフォトニック結晶半導体デバイスの製造方法。
JP2011034888A 2004-02-17 2011-02-21 フォトニック結晶半導体デバイスおよびその製造方法 Pending JP2011138156A (ja)

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