JP3076019B2 - レーザーおよびその製造方法 - Google Patents
レーザーおよびその製造方法Info
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- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
- H01S3/0632—Thin film lasers in which light propagates in the plane of the thin film
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
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- H01S5/3036—SiC
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- Lasers (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザーおよびそ
の製造方法に関し、さらに詳細には、希土類元素を添加
（ドープ）したシリコン（Ｓｉ）材料、即ち、希土類元
素ドープＳｉ材料を用いたレーザーおよびその製造方法
に関し、特に、Ｓｉ基板上に光メモリなどの光デバイス
の製造を可能とするレーザーおよびその製造方法に関す
る。
の製造方法に関し、さらに詳細には、希土類元素を添加
（ドープ）したシリコン（Ｓｉ）材料、即ち、希土類元
素ドープＳｉ材料を用いたレーザーおよびその製造方法
に関し、特に、Ｓｉ基板上に光メモリなどの光デバイス
の製造を可能とするレーザーおよびその製造方法に関す
る。
【０００２】
【発明の背景および発明が解決しようとする課題】本願
出願人は、特願平８−１３２８４６号「希土類元素ドー
プＳｉ材料およびその製造方法」（出願日 平成８年４
月３０日：特開平９−２９５８９１号）として、発光効
率が高く、光デバイスへの応用が可能な希土類元素ドー
プＳｉ材料およびその製造方法に関する発明の特許出願
を行っている。
出願人は、特願平８−１３２８４６号「希土類元素ドー
プＳｉ材料およびその製造方法」（出願日 平成８年４
月３０日：特開平９−２９５８９１号）として、発光効
率が高く、光デバイスへの応用が可能な希土類元素ドー
プＳｉ材料およびその製造方法に関する発明の特許出願
を行っている。
【０００３】この特願平８−１３２８４６号「希土類元
素ドープＳｉ材料およびその製造方法」においては、例
えば、平均粒径が３ｎｍなどのようなｎｍオーダーの超
微結晶により形成されたＳｉ（以下、「ナノ微結晶Ｓ
ｉ」と称する。）材料にエルビウム（Ｅｒ）などの希土
類元素をドープ（添加）した希土類元素ドープＳｉ材料
を作成し、ナノ微結晶Ｓｉの可視発光と希土類元素の赤
外発光および可視発光とを発現することができることが
開示されている。
素ドープＳｉ材料およびその製造方法」においては、例
えば、平均粒径が３ｎｍなどのようなｎｍオーダーの超
微結晶により形成されたＳｉ（以下、「ナノ微結晶Ｓ
ｉ」と称する。）材料にエルビウム（Ｅｒ）などの希土
類元素をドープ（添加）した希土類元素ドープＳｉ材料
を作成し、ナノ微結晶Ｓｉの可視発光と希土類元素の赤
外発光および可視発光とを発現することができることが
開示されている。
【０００４】また、特願平８−１３２８４６号「希土類
元素ドープＳｉ材料およびその製造方法」には、高純度
のアモルファスＳｉ薄膜の中に希土類元素をイオン注入
し、希土類元素の原子を核にして希土類元素ドープＳｉ
材料を製造したり、レーザー・アブレーションを用い
て、希土類元素添加のＳｉターゲットから直接的に、希
土類元素ドープＳｉ材料を製造したりすることができる
ことが開示されている。
元素ドープＳｉ材料およびその製造方法」には、高純度
のアモルファスＳｉ薄膜の中に希土類元素をイオン注入
し、希土類元素の原子を核にして希土類元素ドープＳｉ
材料を製造したり、レーザー・アブレーションを用い
て、希土類元素添加のＳｉターゲットから直接的に、希
土類元素ドープＳｉ材料を製造したりすることができる
ことが開示されている。
【０００５】本発明は、本願出願人による特願平８−１
３２８４６号「希土類元素ドープＳｉ材料およびその製
造方法」に開示された発明をさらに発展させ、Ｓｉ基板
上に作成することができ、Ｓｉ基板上に光メモリなどの
光デバイスの製造を可能とするレーザーおよびその製造
方法を提供しようとするものである。
３２８４６号「希土類元素ドープＳｉ材料およびその製
造方法」に開示された発明をさらに発展させ、Ｓｉ基板
上に作成することができ、Ｓｉ基板上に光メモリなどの
光デバイスの製造を可能とするレーザーおよびその製造
方法を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によるレーザーおよびその製造方法は、希土
類元素ドープＳｉ材料が室温で強い発光を示すことに着
目してなされたものである。
に、本発明によるレーザーおよびその製造方法は、希土
類元素ドープＳｉ材料が室温で強い発光を示すことに着
目してなされたものである。
【０００７】例えば、レーザー・アブレーションにより
作成された希土類としてＥｒをドープされたナノ微結晶
Ｓｉたる希土類元素ドープＳｉ（以下、「希土類として
Ｅｒをドープされたナノ微結晶Ｓｉたる希土類元素ドー
プＳｉ」を「Ｅｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ」と称する。）薄
膜は、室温で強いＥｒ発光を示す。
作成された希土類としてＥｒをドープされたナノ微結晶
Ｓｉたる希土類元素ドープＳｉ（以下、「希土類として
Ｅｒをドープされたナノ微結晶Ｓｉたる希土類元素ドー
プＳｉ」を「Ｅｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ」と称する。）薄
膜は、室温で強いＥｒ発光を示す。
【０００８】このようにＥｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜が
室温で強いＥｒ発光を示すのは、Ｓｉの微細化によるエ
ネルギー・バンド構造の変化と酸素同時添加などに起因
するものと考えられる。
室温で強いＥｒ発光を示すのは、Ｓｉの微細化によるエ
ネルギー・バンド構造の変化と酸素同時添加などに起因
するものと考えられる。
【０００９】また、レーザー・アブレーションを用いる
と、Ｅｒを固溶度以上にナノ微結晶Ｓｉに添加すること
ができ、室温で強いＥｒ発光を示す要因となっているも
のと考えられる。
と、Ｅｒを固溶度以上にナノ微結晶Ｓｉに添加すること
ができ、室温で強いＥｒ発光を示す要因となっているも
のと考えられる。
【００１０】本発明は、Ｓｉ基板上にＥｒ添加ナノ微結
晶Ｓｉの光導波路を作成してレーザーを構成したもので
あり、室温においてＥｒの誘導放出発光を得るようにし
たものである。
晶Ｓｉの光導波路を作成してレーザーを構成したもので
あり、室温においてＥｒの誘導放出発光を得るようにし
たものである。
【００１１】即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明
は、Ｓｉ基板上に形成された希土類元素をドープしたナ
ノ微結晶Ｓｉ導波路を有するレーザーであって、上記希
土類元素をドープしたナノ微結晶Ｓｉ層は、酸素を添加
されているようにしたものである。
は、Ｓｉ基板上に形成された希土類元素をドープしたナ
ノ微結晶Ｓｉ導波路を有するレーザーであって、上記希
土類元素をドープしたナノ微結晶Ｓｉ層は、酸素を添加
されているようにしたものである。
【００１２】また、本発明のうち請求項２に記載の発明
は、Ｓｉ基板上に形成された酸化膜層と、上記酸化膜層
内に形成された希土類元素をドープしたナノ微結晶Ｓｉ
膜層よりなる光導波路とを有し、上記希土類元素をドー
プしたナノ微結晶Ｓｉ層は、酸素を添加されているよう
にしたものである。
は、Ｓｉ基板上に形成された酸化膜層と、上記酸化膜層
内に形成された希土類元素をドープしたナノ微結晶Ｓｉ
膜層よりなる光導波路とを有し、上記希土類元素をドー
プしたナノ微結晶Ｓｉ層は、酸素を添加されているよう
にしたものである。
【００１３】また、本発明のうち請求項３に記載の発明
は、Ｓｉ基板上に形成された希土類元素をドープしたナ
ノ微結晶Ｓｉのｐ−ｎ接合を有する導波路を有するレー
ザーであって、上記希土類元素をドープしたナノ微結晶
Ｓｉ層は、酸素を添加されているようにしたものであ
る。
は、Ｓｉ基板上に形成された希土類元素をドープしたナ
ノ微結晶Ｓｉのｐ−ｎ接合を有する導波路を有するレー
ザーであって、上記希土類元素をドープしたナノ微結晶
Ｓｉ層は、酸素を添加されているようにしたものであ
る。
【００１４】また、本発明のうち請求項４に記載の発明
は、本発明のうち請求項１、２または３のいずれか１項
に記載の発明において、上記希土類元素は、Ｅｒまたは
Ｎｄであるようにしたものである。
は、本発明のうち請求項１、２または３のいずれか１項
に記載の発明において、上記希土類元素は、Ｅｒまたは
Ｎｄであるようにしたものである。
【００１５】また、本発明のうち請求項５に記載の発明
は、Ｓｉ基板上に形成された酸化膜層の上に希土類元素
をドープしたナノ微結晶Ｓｉ膜層のストライプ構造を作
成し、上記希土類元素をドープしたナノ微結晶Ｓｉ膜層
のストライプ構造の上に酸化膜層を堆積し、上記ストラ
イプ構造の上に酸化膜層を堆積した後に劈開を施して光
導波路を作成したものであるレーザーの製造方法であっ
て、上記希土類元素をドープしたナノ微結晶Ｓｉ層は、
酸素を添加されているようにしたものである。
は、Ｓｉ基板上に形成された酸化膜層の上に希土類元素
をドープしたナノ微結晶Ｓｉ膜層のストライプ構造を作
成し、上記希土類元素をドープしたナノ微結晶Ｓｉ膜層
のストライプ構造の上に酸化膜層を堆積し、上記ストラ
イプ構造の上に酸化膜層を堆積した後に劈開を施して光
導波路を作成したものであるレーザーの製造方法であっ
て、上記希土類元素をドープしたナノ微結晶Ｓｉ層は、
酸素を添加されているようにしたものである。
【００１６】また、本発明のうち請求項６に記載の発明
は、本発明のうち請求項５に記載の発明において、Ｓｉ
基板上に形成された酸化膜層の上にレーザー・アブレー
ションとリフト・オフ法とを用いて希土類元素をドープ
したナノ微結晶Ｓｉ膜層のストライプ構造を作成するよ
うにしたものである。
は、本発明のうち請求項５に記載の発明において、Ｓｉ
基板上に形成された酸化膜層の上にレーザー・アブレー
ションとリフト・オフ法とを用いて希土類元素をドープ
したナノ微結晶Ｓｉ膜層のストライプ構造を作成するよ
うにしたものである。
【００１７】また、本発明のうち請求項７に記載の発明
は、本発明のうち請求項５または６のいずれか１項に記
載の発明において、上記希土類元素は、ＥｒまたＮｄで
あるようにしたものである。
は、本発明のうち請求項５または６のいずれか１項に記
載の発明において、上記希土類元素は、ＥｒまたＮｄで
あるようにしたものである。
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、添付の図面に基づいて、本
発明によるレーザーおよびその製造方法の実施の形態の
一例を詳細に説明するものとする。
発明によるレーザーおよびその製造方法の実施の形態の
一例を詳細に説明するものとする。
【００２１】図１は、レーザー・アブレーションによっ
て、サンプル・ホルダー（Ｓａｍｐｌｅ Ｈｏｌｄｅ
ｒ）１０に保持された（１００）Ｓｉウェハ（（１０
０）ＳｉＷａｆｅｒ）よりなるＳｉ（１００）基板（Ｓ
ｕｂｓｔｒａｔｅ）（以下、単に「Ｓｉ基板」と称す
る。）１２上に、Ｅｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜を作成す
る手法を概念的に示している。
て、サンプル・ホルダー（Ｓａｍｐｌｅ Ｈｏｌｄｅ
ｒ）１０に保持された（１００）Ｓｉウェハ（（１０
０）ＳｉＷａｆｅｒ）よりなるＳｉ（１００）基板（Ｓ
ｕｂｓｔｒａｔｅ）（以下、単に「Ｓｉ基板」と称す
る。）１２上に、Ｅｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜を作成す
る手法を概念的に示している。
【００２２】即ち、ターゲット・ホルダー（Ｔａｒｇｅ
ｔ Ｈｏｌｄｅｒ）１４上には、ターゲット（Ｔａｒｇ
ｅｔ）としてＥｒの添加濃度が１ｗｔ％のＳｉ：Ｅｒ１
６が配設されている。なお、このときのＥｒの密度は、
０．７３×１０２０ｃｍ−３である。
ｔ Ｈｏｌｄｅｒ）１４上には、ターゲット（Ｔａｒｇ
ｅｔ）としてＥｒの添加濃度が１ｗｔ％のＳｉ：Ｅｒ１
６が配設されている。なお、このときのＥｒの密度は、
０．７３×１０２０ｃｍ−３である。
【００２３】このターゲットたるＳｉ：Ｅｒ１６に対
し、波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）が２４８ｎｍであ
り、パルス幅（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ）が１５ｎｓで
あり、パワー密度（Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｎｓｉｔｙ）が１
Ｊ／ｃｍ２であるＫｒＦエキシマ・レーザー（ＫｒＦ
Ｅｘｃｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ）を照射すると、Ｓｉ：Ｅ
ｒが分解し、Ｓｉ：Ｅｒのイオン、原子、ラジカルなど
からなるプルーム（Ｐｌｕｍｅ）が発生されて、Ｓｉ基
板１２上にＥｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜（Ｅｒ−Ｄｏｐ
ｅｄ ｎｃ−Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ）が形成されるもので
ある。
し、波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）が２４８ｎｍであ
り、パルス幅（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ）が１５ｎｓで
あり、パワー密度（Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｎｓｉｔｙ）が１
Ｊ／ｃｍ２であるＫｒＦエキシマ・レーザー（ＫｒＦ
Ｅｘｃｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ）を照射すると、Ｓｉ：Ｅ
ｒが分解し、Ｓｉ：Ｅｒのイオン、原子、ラジカルなど
からなるプルーム（Ｐｌｕｍｅ）が発生されて、Ｓｉ基
板１２上にＥｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜（Ｅｒ−Ｄｏｐ
ｅｄ ｎｃ−Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ）が形成されるもので
ある。
【００２４】上記したレーザー・アブレーションによっ
て、Ｅｒを固溶度以上にナノ微結晶Ｓｉに添加すること
ができる。
て、Ｅｒを固溶度以上にナノ微結晶Ｓｉに添加すること
ができる。
【００２５】なお、上記したレーザー・アブレーション
は、真空チャンバー（図示せず）内で行われるものであ
り、デポジション温度（Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｔｅｍ
ｐｅｒａｔｕｒｅ））は室温（ＲＴ）とし、真空度（背
景圧力（Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）は
５×１０−８Ｔｏｒｒとした。
は、真空チャンバー（図示せず）内で行われるものであ
り、デポジション温度（Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｔｅｍ
ｐｅｒａｔｕｒｅ））は室温（ＲＴ）とし、真空度（背
景圧力（Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）は
５×１０−８Ｔｏｒｒとした。
【００２６】なお、真空チャンバー内に１０−５〜１０
−１Ｔｏｒｒで酸素（Ｏ２）を流して酸素流（Ｏ２ Ｆ
ｌｏｗ）を生じさせ、Ｅｒ添加ナノ微結晶Ｓｉに酸素を
添加すると、後述するようにＥｒ発光の劣化を減少する
ことができる。
−１Ｔｏｒｒで酸素（Ｏ２）を流して酸素流（Ｏ２ Ｆ
ｌｏｗ）を生じさせ、Ｅｒ添加ナノ微結晶Ｓｉに酸素を
添加すると、後述するようにＥｒ発光の劣化を減少する
ことができる。
【００２７】また、上記のようにして形成されたＥｒ添
加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜（Ｓｉ：ＥｒＦｉｌｍ）は、窒素
ガス流（Ｎ２ Ｇａｓ Ｆｌｏｗ）の中において、４０
０〜９００℃の温度で、１分〜８０分（１ｍｉｎ〜８０
ｍｉｎ）の時間だけアニーリング（Ａｎｎｅａｌｉｎ
ｇ）するものである。
加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜（Ｓｉ：ＥｒＦｉｌｍ）は、窒素
ガス流（Ｎ２ Ｇａｓ Ｆｌｏｗ）の中において、４０
０〜９００℃の温度で、１分〜８０分（１ｍｉｎ〜８０
ｍｉｎ）の時間だけアニーリング（Ａｎｎｅａｌｉｎ
ｇ）するものである。
【００２８】こうして得られたＥｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ
薄膜におけるＥｒ密度は、１×１０ ２０ｃｍ−３であっ
た。
薄膜におけるＥｒ密度は、１×１０ ２０ｃｍ−３であっ
た。
【００２９】図２には、上記したような手法によって得
られたＥｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜について、温度変化
に対する発光強度の変化を表すグラフが示されている。
なお、この図２に示すグラフは、横軸に温度の逆数（Ｉ
ｎｖｅｒｓｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ １０００／Ｔ
（１／Ｋ））をとり、縦軸に発光強度（ＰＬ Ｉｎｔ
ｅｎｓｉｔｙ （ａｒｂ．ｕｎｉｔ））をとっている。
られたＥｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜について、温度変化
に対する発光強度の変化を表すグラフが示されている。
なお、この図２に示すグラフは、横軸に温度の逆数（Ｉ
ｎｖｅｒｓｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ １０００／Ｔ
（１／Ｋ））をとり、縦軸に発光強度（ＰＬ Ｉｎｔ
ｅｎｓｉｔｙ （ａｒｂ．ｕｎｉｔ））をとっている。
【００３０】そして、この図２に示すグラフにおいて
は、Ｅｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜（ｎｃ−Ｓｉ：Ｅｒ）
はＥｒの添加濃度が１ｗｔ％であり、６００℃の温度で
３分間だけアニーリングしたものについての実験結果を
示している。
は、Ｅｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜（ｎｃ−Ｓｉ：Ｅｒ）
はＥｒの添加濃度が１ｗｔ％であり、６００℃の温度で
３分間だけアニーリングしたものについての実験結果を
示している。
【００３１】この図２に示すグラフから明らかなよう
に、レーザー・アブレーションを行う際に１×１０−３
ｔｏｒｒのＯ２の供給がなされた場合の方が、レーザー
・アブレーションを行う際にＯ２の供給がなされない場
合に比べて、温度が上がった際におけるＥｒ発光の劣化
を減少することができる。
に、レーザー・アブレーションを行う際に１×１０−３
ｔｏｒｒのＯ２の供給がなされた場合の方が、レーザー
・アブレーションを行う際にＯ２の供給がなされない場
合に比べて、温度が上がった際におけるＥｒ発光の劣化
を減少することができる。
【００３２】図３には、上記したレーザー・アブレーシ
ョンの手法によって形成したＥｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄
膜（ｎｃ−Ｓｉ：Ｅｒ）の光導波路により構成したレー
ザーを示している。
ョンの手法によって形成したＥｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄
膜（ｎｃ−Ｓｉ：Ｅｒ）の光導波路により構成したレー
ザーを示している。
【００３３】即ち、このレーザー１００は、Ｓｉ（１０
０）基板（Ｓｉ Ｓｕｂ）１０２の表面に酸化膜（Ｓｉ
Ｏ２）１０４を形成し、この酸化膜１０４の上にレーザ
ー・アブレーションとリフト・オフ法とを用いてＥｒ添
加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜（ｎｃ−Ｓｉ：Ｅｒ）１０６のス
トライプ構造を作成し、さらにその上に酸化膜（ＳｉＯ
２）１０８を堆積した後に劈開を施し、光導波路１１０
を作成したものである。
０）基板（Ｓｉ Ｓｕｂ）１０２の表面に酸化膜（Ｓｉ
Ｏ２）１０４を形成し、この酸化膜１０４の上にレーザ
ー・アブレーションとリフト・オフ法とを用いてＥｒ添
加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜（ｎｃ−Ｓｉ：Ｅｒ）１０６のス
トライプ構造を作成し、さらにその上に酸化膜（ＳｉＯ
２）１０８を堆積した後に劈開を施し、光導波路１１０
を作成したものである。
【００３４】即ち、レーザー・アブレーションによるＥ
ｒ添加ナノ微結晶Ｓｉの堆積、パターニングと酸化膜掩
膜により光導波路１１０が作成されているものである。
ｒ添加ナノ微結晶Ｓｉの堆積、パターニングと酸化膜掩
膜により光導波路１１０が作成されているものである。
【００３５】ここで、Ｅｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜１０
６におけるＥｒの添加濃度は１ｗｔ／％とし、光導波路
１１０の大きさは、例えば、幅（Ｗ）が５μｍであり、
深さ（ｄ）が０．２μｍであり、長さ（Ｌ）が１〜１０
ｍｍである。また、ＳｉＯ２の酸化膜１０４，１０８の
厚さは、両者とも３８０ｎｍとした。
６におけるＥｒの添加濃度は１ｗｔ／％とし、光導波路
１１０の大きさは、例えば、幅（Ｗ）が５μｍであり、
深さ（ｄ）が０．２μｍであり、長さ（Ｌ）が１〜１０
ｍｍである。また、ＳｉＯ２の酸化膜１０４，１０８の
厚さは、両者とも３８０ｎｍとした。
【００３６】なお、この光導波１１０を作成するにあた
っては、窒素ガス流の中において８００℃の温度で３分
間だけアニーリングしたものである。
っては、窒素ガス流の中において８００℃の温度で３分
間だけアニーリングしたものである。
【００３７】上記のようにして構成された光導波路１１
０に対して、励起レーザーとして波長が５３２ｎｍであ
り、周波数が２０Ｈｚであり、パルス幅が３ｎｓであ
り、励起パワー密度が１〜１０００ＭＷ／ｃｍ２である
ＱスイッチＹＡＧ（Ｑ−ＳＷＹＡＧ）レーザーを照射す
ると、劈開面（Ｃｌｅａｖａｇｅ Ｆａｃｅｔ）から波
長が１５４０ｎｍ（１．５４μｍ）のＥｒの誘導放出発
光が得られたものであり、光導波路１１０がレーザーと
して機能していることが確認された。
０に対して、励起レーザーとして波長が５３２ｎｍであ
り、周波数が２０Ｈｚであり、パルス幅が３ｎｓであ
り、励起パワー密度が１〜１０００ＭＷ／ｃｍ２である
ＱスイッチＹＡＧ（Ｑ−ＳＷＹＡＧ）レーザーを照射す
ると、劈開面（Ｃｌｅａｖａｇｅ Ｆａｃｅｔ）から波
長が１５４０ｎｍ（１．５４μｍ）のＥｒの誘導放出発
光が得られたものであり、光導波路１１０がレーザーと
して機能していることが確認された。
【００３８】図４には、図３に示す光導波路１１０の長
さを６ｍｍとした場合における、光導波路１１０からの
Ｅｒ発光の励起強度依存性が示されている。なお、図４
においては、横軸にＱスイッチＹＡＧレーザーの励起パ
ワー密度（ＰｕｍｐｉｎｇＰｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ
（ＭＷ／ｃｍ２）をとり、縦軸に光導波路１１０の劈
開面からの波長が１５４０ｎｍのＥｒの誘導放出発光の
出力値をとっている。
さを６ｍｍとした場合における、光導波路１１０からの
Ｅｒ発光の励起強度依存性が示されている。なお、図４
においては、横軸にＱスイッチＹＡＧレーザーの励起パ
ワー密度（ＰｕｍｐｉｎｇＰｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ
（ＭＷ／ｃｍ２）をとり、縦軸に光導波路１１０の劈
開面からの波長が１５４０ｎｍのＥｒの誘導放出発光の
出力値をとっている。
【００３９】図４に示されているように、ＱスイッチＹ
ＡＧレーザーの励起パワー密度が低く低励起のときに
は、明確なスーパー・リニア特性が観測され、発光の閾
値（Ｐ ｔｈ）が観測される。この閾値は、温度が２０Ｋ
のときには３．５ＭＷ／ｃｍ２であり、温度が３００Ｋ
のときには５．２ＭＷ／ｃｍ２であって、低温に比べ室
温では閾値も大きくなる。
ＡＧレーザーの励起パワー密度が低く低励起のときに
は、明確なスーパー・リニア特性が観測され、発光の閾
値（Ｐ ｔｈ）が観測される。この閾値は、温度が２０Ｋ
のときには３．５ＭＷ／ｃｍ２であり、温度が３００Ｋ
のときには５．２ＭＷ／ｃｍ２であって、低温に比べ室
温では閾値も大きくなる。
【００４０】一方、ＱスイッチＹＡＧレーザーの励起パ
ワー密度が高く強励起のときには、発光の飽和が観測さ
れる。
ワー密度が高く強励起のときには、発光の飽和が観測さ
れる。
【００４１】なお、このような発光の飽和が生ずるの
は、Ｅｒイオンの励起そのものが飽和するか、あるいは
素子構造に起因しているのではないかと考えられる。
は、Ｅｒイオンの励起そのものが飽和するか、あるいは
素子構造に起因しているのではないかと考えられる。
【００４２】また、閾値近傍ではＱスイッチＹＡＧレー
ザーの励起パワー密度の増加に伴い、Ｅｒの発光寿命が
大幅に減少していることより、Ｅｒの誘導放出による発
光が生じているものと認められ、両方の劈開面により共
振器が形成されて光導波路１１０がレーザーとして機能
していることが理解される。
ザーの励起パワー密度の増加に伴い、Ｅｒの発光寿命が
大幅に減少していることより、Ｅｒの誘導放出による発
光が生じているものと認められ、両方の劈開面により共
振器が形成されて光導波路１１０がレーザーとして機能
していることが理解される。
【００４３】従って、両方の劈開面をコーティングして
反射率を上げると、両方の劈開面により効率の良い共振
器が形成され、光導波路１１０のレーザーとして機能を
一層向上させることができるようになる。
反射率を上げると、両方の劈開面により効率の良い共振
器が形成され、光導波路１１０のレーザーとして機能を
一層向上させることができるようになる。
【００４４】なお、図３に示す光導波路１１０の長さを
３ｍｍとした場合においては、光導波路１１０の長さを
６ｍｍとした場合と比べてＥｒの数が少ないので、温度
が２０Ｋで閾値が２０ＭＷ／ｃｍ２となり、光導波路１
１０の長さを６ｍｍとした場合と比べて閾値が高くなっ
ている。
３ｍｍとした場合においては、光導波路１１０の長さを
６ｍｍとした場合と比べてＥｒの数が少ないので、温度
が２０Ｋで閾値が２０ＭＷ／ｃｍ２となり、光導波路１
１０の長さを６ｍｍとした場合と比べて閾値が高くなっ
ている。
【００４５】また、図５には、光導波路１１０内におい
て、長さ方向に沿ってｐ型のＥｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄
膜１０６ａを形成し、このｐ型のＥｒ添加ナノ微結晶Ｓ
ｉ薄膜１０６ａに沿って真性（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）Ｅ
ｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜１０６ｂを形成し、真性Ｅｒ
添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜１０６ｂに沿ってｎ型のＥｒ添
加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜１０６ｃを形成したものである。
て、長さ方向に沿ってｐ型のＥｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄
膜１０６ａを形成し、このｐ型のＥｒ添加ナノ微結晶Ｓ
ｉ薄膜１０６ａに沿って真性（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）Ｅ
ｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜１０６ｂを形成し、真性Ｅｒ
添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜１０６ｂに沿ってｎ型のＥｒ添
加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜１０６ｃを形成したものである。
【００４６】従って、この図５に示す構成の光導波路１
１０において、図５に示すように電流を印加することに
より、電流注入型レーザーを形成することができる。
１０において、図５に示すように電流を印加することに
より、電流注入型レーザーを形成することができる。
【００４７】また、図６に示すように波長１．５４μｍ
の１／４波長毎に回折格子を設けるようにすると、分布
帰還型レーザー（ＤＦＢ型レーザー）（Ｄｉｓｔｒｉｂ
ｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ（ＤＦＢ） Ｌａｓｅｒ）
を構成することができ、図７に示すよう表面に光が出力
されるようにすると表面発光レーザーを構成することが
できる。
の１／４波長毎に回折格子を設けるようにすると、分布
帰還型レーザー（ＤＦＢ型レーザー）（Ｄｉｓｔｒｉｂ
ｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ（ＤＦＢ） Ｌａｓｅｒ）
を構成することができ、図７に示すよう表面に光が出力
されるようにすると表面発光レーザーを構成することが
できる。
【００４８】また、上記したようにＥｒ添加ナノ微結晶
Ｓｉは１．５４μｍの波長の光を発生するので、Ｅｒ添
加ナノ微結晶Ｓｉを用いて同一のＳｉ基板に電子回路と
光回路とを集積することが可能になる。
Ｓｉは１．５４μｍの波長の光を発生するので、Ｅｒ添
加ナノ微結晶Ｓｉを用いて同一のＳｉ基板に電子回路と
光回路とを集積することが可能になる。
【００４９】具体的には、図８に示すように、同一のＳ
ｉ基板上に、ＳｉによりＬＳＩメモリー（ＬＳＩ Ｍｅ
ｍｏｒｙ）やＬＳＩコントローラー（ＬＳＩ Ｃｏｎｔ
ｒｏｌｌｅｒ）を作成するとともに、Ｅｒ添加ナノ微結
晶Ｓｉ（ｎｃ−Ｓｉ：Ｅｒ）によりフォトダイオード・
アレイ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ Ａｒｒａｙ）やＬＤア
レイあるいはＬＥＤアレイ（ＬＤ ｏｒ ＬＥＤ Ａｒ
ｒａｙ）を作成することができるようになる。
ｉ基板上に、ＳｉによりＬＳＩメモリー（ＬＳＩ Ｍｅ
ｍｏｒｙ）やＬＳＩコントローラー（ＬＳＩ Ｃｏｎｔ
ｒｏｌｌｅｒ）を作成するとともに、Ｅｒ添加ナノ微結
晶Ｓｉ（ｎｃ−Ｓｉ：Ｅｒ）によりフォトダイオード・
アレイ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ Ａｒｒａｙ）やＬＤア
レイあるいはＬＥＤアレイ（ＬＤ ｏｒ ＬＥＤ Ａｒ
ｒａｙ）を作成することができるようになる。
【００５０】この図８に示す例においては、フォトダイ
オード・アレイから情報を持った光を入力し、ＬＤアレ
イあるいはＬＥＤアレイから情報を持った光を出射する
ように構成されている。
オード・アレイから情報を持った光を入力し、ＬＤアレ
イあるいはＬＥＤアレイから情報を持った光を出射する
ように構成されている。
【００５１】なお、上記においては、ナノ微結晶Ｓｉに
希土類元素としてＥｒをドープした場合について説明し
たが、ナノ微結晶Ｓｉにドープされる希土類元素はＥｒ
に限られるものではないことは勿論であり、希土類元素
としてネオジウム（Ｎｄ）をナノ微結晶Ｓｉにドープし
たＮｄ添加ナノ微結晶Ｓｉも発光する。
希土類元素としてＥｒをドープした場合について説明し
たが、ナノ微結晶Ｓｉにドープされる希土類元素はＥｒ
に限られるものではないことは勿論であり、希土類元素
としてネオジウム（Ｎｄ）をナノ微結晶Ｓｉにドープし
たＮｄ添加ナノ微結晶Ｓｉも発光する。
【００５２】図９には、Ｎｄ２Ｏ３をナノ微結晶Ｓｉに
ドープしたＮｄ添加ナノ微結晶Ｓｉの発光特性が示され
ており、波長１．０６μｍにおいて、最も強い発光を示
している。
ドープしたＮｄ添加ナノ微結晶Ｓｉの発光特性が示され
ており、波長１．０６μｍにおいて、最も強い発光を示
している。
【００５３】従って、上記したＥｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ
の場合と同様にして、Ｎｄ添加ナノ微結晶Ｓｉにより波
長１．０６μｍにおいて発振するレーザーを作成するこ
とができる。
の場合と同様にして、Ｎｄ添加ナノ微結晶Ｓｉにより波
長１．０６μｍにおいて発振するレーザーを作成するこ
とができる。
【００５４】また、希土類元素としてＹｂをナノ微結晶
ＳｉにドープしたＹｂ添加ナノ微結晶Ｓｉは波長１．０
μｍにおいて発光し、希土類元素としてＨｏをナノ微結
晶ＳｉにドープしたＨｏ添加ナノ微結晶Ｓｉは波長１．
１３μｍにおいて発光し、希土類元素としてＴｂをナノ
微結晶ＳｉにドープしたＴｂ添加ナノ微結晶Ｓｉは可視
光の波長領域において発光し、希土類元素としてＥｕを
ナノ微結晶ＳｉにドープしたＥｕ添加ナノ微結晶Ｓｉは
可視光〜近赤外の波長領域において発光するものである
ので、ナノ微結晶Ｓｉにドープする希土類元素を適宜に
選択することにより、所望の波長で発振するレーザーや
光デバイスを構成することができる。
ＳｉにドープしたＹｂ添加ナノ微結晶Ｓｉは波長１．０
μｍにおいて発光し、希土類元素としてＨｏをナノ微結
晶ＳｉにドープしたＨｏ添加ナノ微結晶Ｓｉは波長１．
１３μｍにおいて発光し、希土類元素としてＴｂをナノ
微結晶ＳｉにドープしたＴｂ添加ナノ微結晶Ｓｉは可視
光の波長領域において発光し、希土類元素としてＥｕを
ナノ微結晶ＳｉにドープしたＥｕ添加ナノ微結晶Ｓｉは
可視光〜近赤外の波長領域において発光するものである
ので、ナノ微結晶Ｓｉにドープする希土類元素を適宜に
選択することにより、所望の波長で発振するレーザーや
光デバイスを構成することができる。
【００５５】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、Ｓｉ基板上に作成することができ、Ｓｉ基
板上に光デバイスの製造を可能とするレーザーおよびそ
の製造方法を提供することができるという優れた効果を
奏する。
ているので、Ｓｉ基板上に作成することができ、Ｓｉ基
板上に光デバイスの製造を可能とするレーザーおよびそ
の製造方法を提供することができるという優れた効果を
奏する。
【図１】レーザー・アブレーションによって、Ｓｉ（１
００）基板上にＥｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜を作成する
手法を概念的に示す説明図である。
００）基板上にＥｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜を作成する
手法を概念的に示す説明図である。
【図２】Ｅｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜について、温度変
化に対する発光強度の変化を表すグラフである。
化に対する発光強度の変化を表すグラフである。
【図３】レーザー・アブレーションの手法によって形成
したＥｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜の光導波路により構成
したレーザーを示す概念構成説明図である。
したＥｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜の光導波路により構成
したレーザーを示す概念構成説明図である。
【図４】図３に示す光導波路１１０の長さを６ｍｍとし
た場合における、光導波路からのＥｒ発光の励起強度依
存性を示すグラフである。
た場合における、光導波路からのＥｒ発光の励起強度依
存性を示すグラフである。
【図５】電流注入型レーザーを示す概念構成説明図であ
る。
る。
【図６】分布帰還型レーザー（ＤＦＢ型レーザー）を示
す概念構成説明図である。
す概念構成説明図である。
【図７】表面発光レーザーを示す概念構成説明図であ
る。
る。
【図８】同一のＳｉ基板上にＬＳＩと光デバイスとを形
成した場合の一例を示す概念構成説明図である。
成した場合の一例を示す概念構成説明図である。
【図９】Ｎｄ２Ｏ３をナノ微結晶ＳｉにドープしたＮｄ
添加ナノ微結晶Ｓｉの発光特性を示すグラフである。
添加ナノ微結晶Ｓｉの発光特性を示すグラフである。
１０ サンプル・ホルダー（Ｓａｍｐｌｅ Ｈｏｌ
ｄｅｒ） １２ Ｓｉ（１００）基板（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ） １４ ターゲット・ホルダー（Ｔａｒｇｅｔ Ｈｏ
ｌｄｅｒ） １６ ターゲット（Ｔａｒｇｅｔ）としてのＳｉ：
Ｅｒ １００ レーザー １０２ Ｓｉ（１００）基板（Ｓｉ Ｓｕｂ） １０４ 酸化膜（ＳｉＯ２） １０６ Ｅｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜（ｎｃ−Ｓ
ｉ：Ｅｒ） １０６ａ ｐ型のＥｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜 １０６ｂ 真性Ｅｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜 １０６ｃ ｎ型のＥｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜 １０８ 酸化膜（ＳｉＯ２） １１０ 光導波路
ｄｅｒ） １２ Ｓｉ（１００）基板（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ） １４ ターゲット・ホルダー（Ｔａｒｇｅｔ Ｈｏ
ｌｄｅｒ） １６ ターゲット（Ｔａｒｇｅｔ）としてのＳｉ：
Ｅｒ １００ レーザー １０２ Ｓｉ（１００）基板（Ｓｉ Ｓｕｂ） １０４ 酸化膜（ＳｉＯ２） １０６ Ｅｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜（ｎｃ−Ｓ
ｉ：Ｅｒ） １０６ａ ｐ型のＥｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜 １０６ｂ 真性Ｅｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜 １０６ｃ ｎ型のＥｒ添加ナノ微結晶Ｓｉ薄膜 １０８ 酸化膜（ＳｉＯ２） １１０ 光導波路
フロントページの続き (72)発明者 青柳 克信 埼玉県和光市広沢２番１号 理化学研究 所内 (72)発明者 菅野 卓雄 埼玉県和光市広沢２番１号 理化学研究 所内 (56)参考文献 特開 平９−295891（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−237995（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−175592（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/40 H01L 21/203
Claims (7)
- 【請求項１】 Ｓｉ基板上に形成された希土類元素をド
ープしたナノ微結晶Ｓｉ導波路を有するレーザーであっ
て、 前記希土類元素をドープしたナノ微結晶Ｓｉ層は、酸素
を添加されているものであるレーザー。 - 【請求項２】 Ｓｉ基板上に形成された酸化膜層と、 前記酸化膜層内に形成された希土類元素をドープしたナ
ノ微結晶Ｓｉ膜層よりなる光導波路とを有し、 前記希土類元素をドープしたナノ微結晶Ｓｉ層は、酸素
を添加されているものであるレーザー。 - 【請求項３】 Ｓｉ基板上に形成された希土類元素をド
ープしたナノ微結晶Ｓｉのｐ−ｎ接合を有する導波路を
有するレーザーであって、 前記希土類元素をドープしたナノ微結晶Ｓｉ層は、酸素
を添加されているものであるレーザー。 - 【請求項４】 請求項１、２または３のいずれか１項に
記載のレーザーにおいて、 前記希土類元素は、ＥｒまたはＮｄであるものであるレ
ーザー。 - 【請求項５】 Ｓｉ基板上に形成された酸化膜層の上に
希土類元素をドープしたナノ微結晶Ｓｉ膜層のストライ
プ構造を作成し、 前記希土類元素をドープしたナノ微結晶Ｓｉ膜層のスト
ライプ構造の上に酸化膜層を堆積し、 前記ストライプ構造の上に酸化膜層を堆積した後に劈開
を施して光導波路を作成したものであるレーザーの製造
方法であって、 前記希土類元素をドープしたナノ微結晶Ｓｉ層は、酸素
を添加されているものであるレーザーの製造方法。 - 【請求項６】 請求項５に記載のレーザーの製造方法に
おいて、 Ｓｉ基板上に形成された酸化膜層の上にレーザー・アブ
レーションとリフト・オフ法とを用いて希土類元素をド
ープしたナノ微結晶Ｓｉ膜層のストライプ構造を作成す
るものであるレーザーの製造方法。 - 【請求項７】 請求項５または６のいずれか１項に記載
のレーザーの製造方法において、 前記希土類元素は、ＥｒまたＮｄであるものであるレー
ザーの製造方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10372032A JP3076019B2 (ja) | 1998-12-28 | 1998-12-28 | レーザーおよびその製造方法 |
| US10/309,192 US20030118064A1 (en) | 1998-12-28 | 2002-12-04 | Laser and method for production thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10372032A JP3076019B2 (ja) | 1998-12-28 | 1998-12-28 | レーザーおよびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000196191A JP2000196191A (ja) | 2000-07-14 |
| JP3076019B2 true JP3076019B2 (ja) | 2000-08-14 |
Family
ID=18499732
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10372032A Expired - Fee Related JP3076019B2 (ja) | 1998-12-28 | 1998-12-28 | レーザーおよびその製造方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20030118064A1 (ja) |
| JP (1) | JP3076019B2 (ja) |
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| US20040151461A1 (en) * | 2003-01-22 | 2004-08-05 | Hill Steven E. | Broadband optical pump source for optical amplifiers, planar optical amplifiers, planar optical circuits and planar optical lasers fabricated using group IV semiconductor nanocrystals |
| EP1588423A2 (en) * | 2003-01-22 | 2005-10-26 | Group IV Semiconductor Inc. | Rare earth doped group iv nanocrystal layers |
| US7095058B2 (en) * | 2003-03-21 | 2006-08-22 | Intel Corporation | System and method for an improved light-emitting device |
| JP2010109366A (ja) * | 2008-10-28 | 2010-05-13 | Sharp Corp | 高量子効率シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物を用いた光導波路および光増幅方法 |
| US8542437B1 (en) * | 2010-03-09 | 2013-09-24 | Translucent, Inc. | Earth abundant photonic structures |
-
1998
- 1998-12-28 JP JP10372032A patent/JP3076019B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2002
- 2002-12-04 US US10/309,192 patent/US20030118064A1/en not_active Abandoned
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000196191A (ja) | 2000-07-14 |
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