JP2019110180A

JP2019110180A - ナノワイヤ光デバイス

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Publication number: JP2019110180A
Application number: JP2017241535A
Authority: JP
Inventors: 雅人滝口; Masato Takiguchi; 納富　雅也; Masaya Notomi; 雅也納富; 真証小野; Masaaki Ono; 智佐々木; Satoshi Sasaki; 功太舘野; Kota Tateno; 国強章; Kokukyo Sho; 新家　昭彦; Akihiko Araya; 昭彦新家
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-12-18
Filing date: 2017-12-18
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2037-12-18
Also published as: JP6919549B2

Abstract

【課題】プラズモニック構造において、損失を増やさずに、光閉じ込め係数が改善できるようにする。【解決手段】金属から構成された構造体１０１と、構造体１０１の上に配置された半導体からなるナノワイヤ部１０２と、ナノワイヤ部１０２の表面に形成された誘電体層１０３とを備える。ナノワイヤ部１０２は、接触領域１２１において側面が構造体１０１の上に接している。ナノワイヤ部１０２は、ナノワイヤ部１０２を伝搬する光のプラズモニックモード（ハイブリッドモード）が出現可能な太さ（直径）とされている。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、半導体からなるナノワイヤ部を備えるナノワイヤ光デバイスに関する。

半導体ナノワイヤは新しい光学素子として注目を集めている。ナノワイヤは量子ドットや量子井戸などの機能性を持ち、更に、ナノワイヤは静電容量が非常に小さいため、光学的にも電気的にも優れた特性を有する。また、ナノワイヤは、基板上にナノ構造を均一にかつ大量に作製できるため、ナノデバイスの大量生産を可能にする。近年では、シリコン基板の任意の位置に所望の化合物ナノワイヤを作製する技術も進んでおり、将来の光チップや集積回路などにおいても有望なナノ材料と言える。

このようなナノワイヤを光デバイス内、チップ内に導入するという取り組みは、応用上非常に重要である。しかし一般的に、ナノワイヤは、光の波長サイズからすると、十分小さいために、ナノワイヤ単体では光閉じ込めを強くすることができず、ナノワイヤの特性を十分発揮することができない。このため、ナノワイヤを光デバイスとして利用するためには、何らかの光閉じ込めの構造が必要である。例えば、誘電体周期構造であるフォトニック結晶や金属ナノ構造であるプラズモニック構造を、ナノワイヤとうまく組み合わせて設計することが重要である。

例えば、２次元フォトニック結晶と組み合わせる場合、ナノワイヤをフォトニック結晶基板に転写し所望の場所に配置することで、ナノワイヤ外部の構造により光をナノワイヤに閉じ込めることができる。この技術は、レーザ発振や量子光学効果を観測することを可能にしたという点で一定の成功を収めてきた（非特許文献１参照）。

他方で、金属構造と組み合わせる場合は、フォトニック結晶構造に比べて、構造が単純であり応用上、有望である。もっとも有名な方法は、金属表面（もしくは金属に薄い絶縁層をコーティングした上）にナノワイヤを配置したプラズモン構造があげられる。また、金属構造ではボウタイアンテナ（非特許文献２参照）、金属-絶縁層-金属構造（ＭＩＭ）構造に配置する方法などが考えられている。

M. Takiguchi et al., "Continuous-wave operation and 10-Gb/s direct modulation of InAsP/InP sub-wavelength nanowire laser on silicon photonic crystal", APL Photonics, vol. 2. no. 4, 046106, 2017. M. Ono et al., "Nanowire-nanoantenna coupled system fabricated by nanomanipulation", Optics Express, vol. 24, no. 8, pp. 8647-8659, 2016.

ところで、これまでのプラズモン構造は、光学的な吸収損失（α）が原理的に大きい系であり、レーザのようなデバイスにおいては、その損失は閾値を上げてしまうために致命的な問題であった。従って、これまでのプラズモニック・ナノワイヤレーザは、図１２Ａ，図１２Ｂに示すように、金属層５０１とナノワイヤ部５０２の間に誘電体層５０３を挟むことで、金属層５０１からナノワイヤ部５０２を離し、損失を低減させるようにしてきた。しかし、吸収損失と光閉じ込め係数の間にトレードオフの関係があり、上述した技術では光閉じ込め効果（閉じ込め係数：Γ）を犠牲にせざるをえなかった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、プラズモニック構造において、損失を増やさずに、光閉じ込め係数が改善できるようにすることを目的とする。

本発明に係るナノワイヤ光デバイスは、金属から構成された構造体と、構造体の上に側面が接して配置された半導体からなるナノワイヤ部と、構造体とナノワイヤ部との接触領域以外の構造体に面したナノワイヤ部の表面に形成された誘電体層とを備え、ナノワイヤ部は、ナノワイヤ部を伝搬する光のプラズモニックモードが出現可能な太さとされている。

上記ナノワイヤ光デバイスにおいて、構造体は、各々絶縁分離された複数の構造体が配列されたグレーティング構造であってもよい。

上記ナノワイヤ光デバイスにおいて、構造体は、ナノワイヤ部の延在方向に沿う溝を構成し、ナノワイヤ部は、溝に配置されているようにしてもよい。

上記ナノワイヤ光デバイスにおいて、ナノワイヤ部を励起する励起手段を備え、ナノワイヤ部は所定の波長のレーザ光を発振する構成としてもよい。

上記ナノワイヤ光デバイスにおいて、ナノワイヤ部に電流を注入する電流注入部を備え、ナノワイヤ部は所定の波長の光を発光する構成としてもよい。

上記ナノワイヤ光デバイスにおいて、ナノワイヤ部は、断面が略円形であり、ナノワイヤ部の太さｄは、以下の式を満たす範囲とされていればよい。

以上説明したように、本発明によれば、構造体とナノワイヤ部との接触領域以外の構造体に面したナノワイヤ部の表面に誘電体層を形成したので、プラズモニック構造において、損失を増やさずに、光閉じ込め係数が改善できるという優れた効果が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態におけるナノワイヤ光デバイスの構成を示す斜視図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態におけるナノワイヤ光デバイスの構成を示す断面図である。図２は、ナノワイヤ部１０２が単独の場合のナノワイヤ部１０２の径と実効屈折率に関する分散関係について示す特性図である。図３は、構造体１０１の上にナノワイヤ部１０２を配置した場合のナノワイヤ部１０２の径と実効屈折率に関する分散関係について示す特性図である。図４は、ナノワイヤ部１０２の直径を３００ｎｍとして閉じ込め係数をシミュレーションした結果を示す特性図である。図５は、実施の形態におけるナノワイヤ光デバイスと、従来のナノワイヤ光デバイスとの閉じ込め係数の比較を示す特性図である。図６は、誘電体層の厚さとΓ/αとの関係について、実施の形態におけるナノワイヤ光デバイスと、従来のナノワイヤ光デバイスとを比較した結果について示す特性図である。図７は、本発明の実施の形態における他のナノワイヤ光デバイスの構成を示す断面図である。図８は、本発明の実施の形態における他のナノワイヤ光デバイスの構成を示す斜視図である。図９Ａは、本発明の実施の形態における他のナノワイヤ光デバイスの構成を示す斜視図である。図９Ｂは、溝１４１を備えたナノワイヤ光デバイスにおける誘電体層１０３の厚さに対する閉じ込め係数の変化について示す特性図である。図９Ｃは、溝１４１を備えたナノワイヤ光デバイスにおける誘電体層１０３の厚さに対する閉じ込め係数の変化について示す特性図である。図１０は、本発明の実施の形態におけるナノワイヤ光デバイスに対する励起手段としての光源１０５の配置を説明するための斜視図である。図１１は、本発明の実施の形態における電流注入手段を備えたナノワイヤ光デバイスの構成を示す斜視図である。図１２Ａは、従来のナノワイヤ光デバイスの構成を示す斜視図である。図１２Ｂは、従来のナノワイヤ光デバイスの構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態おけるナノワイヤ光デバイスについて図１Ａ，図１Ｂを参照して説明する。このナノワイヤ光デバイスは、金属から構成された構造体１０１と、構造体１０１の上に配置された半導体からなるナノワイヤ部１０２と、ナノワイヤ部１０２の表面に形成された誘電体層１０３とを備える。構造体１０１は、例えば、板状に形成されている。また、構造体１０１は、絶縁性の基板の上に形成された金属層から構成してもよい。

ナノワイヤ部１０２は、接触領域１２１において側面が構造体１０１の上に接している。なお、誘電体層１０３は、構造体１０１とナノワイヤ部１０２との接触領域１２１以外の構造体１０１に面したナノワイヤ部１０２の表面に形成されていればよい。構造体１０１は、例えば、Ａｕから構成されていればよい。ナノワイヤ部１０２は、例えばＩｎＰなどの化合物半導体から構成されていればよい。誘電体層１０３は、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃などの誘電体（絶縁体）から構成されていればよい。

また、ナノワイヤ部１０２は、ナノワイヤ部１０２を伝搬する光のプラズモニックモード（ハイブリッドモード）が出現可能な太さ（直径）とされている。ここで、プラズモニックモードとは、誘電体モードが存在できないモードのことであり、ハイブリッドモードとは、空気中では縮退している最低次のモードが、金属である構造体１０１により縮退が解けたモードのことを指す。従って、ナノワイヤ部１０２にプラズモニックモードが出現する条件は、少なくとも、シングルモード条件よりも細くなくてはならない。断面が略円形であるナノワイヤ部１０２の太さ（直径）ｄが、以下の式（１）を満たす範囲とされていればよい。

ナノワイヤ部１０２の径と実効屈折率に関する分散関係について、図２，３を用いて説明する。図２，３において、横軸は、断面円形のナノワイヤ部１０２の直径、縦軸が実効屈折率であり、ナノワイヤ部１０２を伝搬する光の波長を１，５５μｍと想定した。なお、ナノワイヤ部１０２は、ＩｎＰから構成している。ナノワイヤ部１０２単独では、図２に示すように、式（１）を満たす領域では、モードが縮退しており、１つしかない。これに対し、構造体１０１の上にナノワイヤ部１０２を配置した場合、図３に示すように、金属の効果でモードの縮退が解ける。この領域がいわゆるハイブリッドモード（プラズモンモードとフォトニックモードの混合状態）である。

一般に、プラズモニックモードで金属表面に電場が集中している場合、金属吸収によって損失が大きくなる。この損失を抑えるために、従来の構造では、図１２Ｂに示したように、誘電体層５０３をナノワイヤ部５０２と金属層５０１の間に挟む構造を採用している。しかしながら、従来の構造において、ナノワイヤ部５０２と金属層５０１との隙間（空気中）へ染み出している光をワイヤの中へ押し込むことができれば、閉じ込め係数を上げることができる。

本発明は、構造体１０１の表面に接して配置されたナノワイヤ部１０２の表面に誘電体層１０３を形成することで、空気中に漏れた光をナノワイヤ内１０２部に取り込み、損失を増やさずに、光閉じ込め係数を改善し、従来構造よりもα/Γの関係を改善した。この状態について、ナノワイヤ部１０２の直径を３００ｎｍとしてシミュレーションした結果を図４の（ａ）に示す。閉じ込め係数は４４％となった。なお、誘電体層１０３を形成しない場合に対いて、同様にシミュレーションした結果を図４の（ｂ）に示す。電場が空気中へ染み出し、閉じ込め係数は２６％であった。このように、実施の形態によれば、光閉じ込め係数が改善され、例えば、ナノワイヤレーザの閾値を下げることを可能にし、ナノワイヤを用いた発光素子の特性を向上させることができるようになる。

ナノワイヤ部１０２と構造体１０１との隙間のナノワイヤ部１０２の表面に誘電体層１０３を形成する方法は、例えば、よく知られた原子層堆積法（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）などの堆積方法を用いればよい。ＡＬＤ法によれば、非常に小さな隙間にも原子層レベルで誘電体層１０３を形成することができる。

上述した実施の形態によれば、ナノワイヤ部１０２と構造体１０１とが接しているため、金属吸収の効果は抑制できないが、レーザ素子を考えた場合、その閾値は、α/Γ（吸収係数はα、Γは閉じ込め係数）に比例するのでこの値が重要になる。実施の形態におけるナノワイヤ光デバイスと、従来のナノワイヤ光デバイスとの閉じ込め係数の比較を図５に示す。なお、図５において、便宜上、１／αを伝搬距離としている。また、誘電体層の厚さとΓ/αとの関係について、実施の形態におけるナノワイヤ光デバイスと、従来のナノワイヤ光デバイスとを比較した結果について、図６に示す。いずれも（ａ）が実施の形態の結果であり、（ｂ）が従来の結果である。

図５，図６に示すように、誘電体層１０３の厚さを適宜に設定することで、Γが改善し、Γ／αが従来よりも１．４倍程度改善する。このような特性は、ナノワイヤ部１０２をＩｎＰから構成した場合に限らず、ＩｎＡｓ，ＧａＡｓ，ＺｎＯ，ＣｄＳｅなどの他の半導体からナノワイヤ部１０２を構成しても同様の傾向になる。また、構造体１０１は、Ａｕに限らず、Ａｇ，Ａｌから構成しても同様である。また、誘電体層１０３は、Ａｌ₂Ｏ₃に限らず、ＳｉＯ₂などの他の誘電体から構成してもよい。

ところで、ナノワイヤ部１０２の全表面が誘電体層で覆われていなくてもよい。例えば、図７の（ａ）に示すように、構造体１０１の上にナノワイヤ部１０２を配置してからＡＬＤ法によりＡｌ₂Ｏ₃を堆積して誘電体層１０３を形成する。この後、よく知られた反応性イオンエッチングなどの垂直異方性の高いエッチング処理により、誘電体層１０３をエッチングする。これにより、図７の（ｂ）に示すように、構造体１０１とナノワイヤ部１０２との接触領域１２１以外の構造体１０１に面したナノワイヤ部１０２の表面に、誘電体層１３１を形成する。本発明では、構造体１０１とナノワイヤ部１０２との間に誘電体層１３１が配置されていればよい。

ところで、ナノワイヤ光デバイスをレーザとする場合、図８に示すように、金属からなり、各々絶縁分離された複数の構造体３０３が配列されたグレーティング構造３０１の上に、誘電体層３０４で被覆されたナノワイヤ部３０２を配置する構成が考えられる。グレーティング構造３０１は、屈折率の周期的な構造をもたらすために、ブラッグ反射を満たす条件に対してミラーとして動作する。このようにミラーとなるグレーティング構造３０１により、所定の光源からの励起光をナノワイヤ部３０２に照射して励起することで、所定の波長のレーザ光が発振できる。

なおこの場合、ナノワイヤ部３０２が構造体３０３上に置かれた部分と、空気中に置かれた部分との構造が周期的に配置され、プラズモニックモード（ハイブリッドモード）とフォトニックモードがそれぞれ存在できる条件とすることが重要となる。ナノワイヤ部３０２の直径が、式（１）を満たしてシングルモード条件で伝搬するものとなっていればよい。

また、図９Ａに示すように、基板１１１の上に配置した２つの金属構造体１０４による溝１４１に、ナノワイヤ部１０２が配置されているようにしてもよい。溝１４１は、ナノワイヤ部１０２の延在方向に沿って形成されている。基板１１１は、例えば、ＳｉＯ₂などの絶縁材料から構成されている。この構造は、ＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）導波路と呼ばれている。このようなＭＩＭ導波路ではフォトニックモードは存在しないので、ナノワイヤ部１０２の径は、式（１）を満たす範囲よりも細くてもよい。このようなＭＩＭ導波路において、ナノワイヤ部１０２の表面に誘電体層１０３を形成することで、閉じ込め係数を数倍程度改善することができる。

例えば、溝１４１の幅を１００ｎｍとし、ナノワイヤ部１０２の直径を７０ｎｍとすると、誘電体層１０３を形成することで、図９Ｂに示すように、閉じ込め係数を大きくすることができる。また、溝１４１の幅を１００ｎｍとし、ナノワイヤ部１０２の直径を１１０ｎｍとすると、誘電体層１０３を形成することで、図９Ｃに示すように、閉じ込め係数を大きくすることができる。

ところで、図１０に示すように、ナノワイヤ部１０２を励起するための光源１０５を配置し、光源１０５からの励起光を、構造体１０１の平面より離れる放線方向の上部より、レンズ１５１により集光してナノワイヤ部１０２に照射する構成としてもよい。このような励起手段によりレーザ発振が可能となる。

また、電流注入によりキャリアを注入することで、レーザとして構成してもよく、また、電流注入によりキャリアを注入することで、ナノワイヤ光デバイスをＬＥＤ（Light Emitting Diode）として構成し、ナノワイヤ部１０２より所定の波長の光を発光させるようにしてもよい。

例えば、図１１に示すように、ナノワイヤ部１０２に、ｐ型領域１０６ａ，ｎ型領域１０６ｂを形成する。ｐ型領域１０６ａ，ｎ型領域１０６ｂに配線１０７ａ，配線１０７ｂを接続する。配線１０７ａ，配線１０７ｂに電源（不図示）を接続し、ｐ型領域１０６ａ，ｎ型領域１０６ｂに電流を注入する。ｐ型領域１０６ａ，ｎ型領域１０６ｂは、ｐ型不純物、ｎ型不純物を導入することで形成すればよい。

また、このように不純物領域を形成することで、ナノワイヤ光デバイスを受光器として動作させることが可能になる。光励起光源をデバイスに組み込めば、チップ内での波長変換素子としても利用できるし、光スイッチとしての動作も可能になる。

以上に説明したように、本発明によれば、構造体とナノワイヤ部との接触領域以外の構造体に面したナノワイヤ部の表面に誘電体層を形成したので、プラズモニック構造において、損失を増やさずに、光閉じ込め係数が改善できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…構造体、１０２…ナノワイヤ部、１０３…誘電体層、１２１…接触領域。

Claims

金属から構成された構造体と、
前記構造体の上に側面が接して配置された半導体からなるナノワイヤ部と、
前記構造体と前記ナノワイヤ部との接触領域以外の前記構造体に面した前記ナノワイヤ部の表面に形成された誘電体層と
を備え、
前記ナノワイヤ部は、前記ナノワイヤ部を伝搬する光のプラズモニックモードが出現可能な太さとされている
ことを特徴とするナノワイヤ光デバイス。
請求項１記載のナノワイヤ光デバイスにおいて、
前記構造体は、各々絶縁分離された複数の金属構造体が配列されたグレーティング構造であることを特徴とするナノワイヤ光デバイス。
請求項１または２記載のナノワイヤ光デバイスにおいて、
前記構造体は、前記ナノワイヤ部の延在方向に沿う溝を構成し、
前記ナノワイヤ部は、前記溝に配置されている
ことを特徴とするナノワイヤ光デバイス。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のナノワイヤ光デバイスにおいて、
前記ナノワイヤ部を励起する励起手段を備え、
前記ナノワイヤ部は所定の波長のレーザ光を発振することを特徴とするナノワイヤ光デバイス。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のナノワイヤ光デバイスにおいて、
前記ナノワイヤ部に電流を注入する電流注入部を備え、
前記ナノワイヤ部は所定の波長の光を発光することを特徴とするナノワイヤ光デバイス。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のナノワイヤ光デバイスにおいて、
前記ナノワイヤ部は、断面が略円形とされ、
前記ナノワイヤ部の太さｄは、以下の式を満たす範囲とされていることを特徴とするナノワイヤ光デバイス。