JP3440306B2 - ３次元半導体光結晶素子の製造方法 - Google Patents
３次元半導体光結晶素子の製造方法Info
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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、光集積回路などの
さまざまな光デバイスなどを構成する基本構造となる３
次元半導体光結晶素子の製造方法に関するものである。
送等に用いられるレーザ、光導波路、光集積回路などの
さまざまな光デバイスなどを構成する基本構造となる３
次元半導体光結晶素子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生じることと同じ原理で、
光の波動を抑制する波長帯（以下、「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ
Ｂａｎｄ Ｇａｐ」という。）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。実際の結晶
との類似性から、このような誘電体周期構造は光結晶
（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ）と呼ばれてい
る。この光結晶中では自然放出光の抑制が可能であり、
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、光導波路などの機能性をもつ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
ズを光の波長程度までに小さくすることができ、このよ
うな光素子を２次元・３次元空間内で自由に接続するこ
とも可能である。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生じることと同じ原理で、
光の波動を抑制する波長帯（以下、「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ
Ｂａｎｄ Ｇａｐ」という。）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。実際の結晶
との類似性から、このような誘電体周期構造は光結晶
（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ）と呼ばれてい
る。この光結晶中では自然放出光の抑制が可能であり、
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、光導波路などの機能性をもつ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
ズを光の波長程度までに小さくすることができ、このよ
うな光素子を２次元・３次元空間内で自由に接続するこ
とも可能である。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、さ
まざまな方法で２次元・３次元の誘電体周期構造（以
下、「屈折率変調構造」という）を作成する技術が提案
されており、近年の半導体リソグラフィ技術の発達によ
り光の半波長程度の２次元屈折率変調構造を作成するこ
とは十分可能になってきている。一方、３次元屈折率変
調構造の作成方法としては、リソグラフィにより２次元
屈折率変調構造を作り、さらに別の方法によりもう１次
元の屈折率変調構造を作りこむ方法が考えられている。
このような方法の一つとして、Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃ
ｈらにより図３のようにレジスト上に形成された２次元
周期パターン３１を用いて３回異なる方向にエッチング
を繰り返すことにより、半導体単結晶３０に３次元屈折
率変調構造を作成する方法が提案されている（Ｐｈｙ
ｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６７（１９９１）Ｐ．２２９
５）。
まざまな方法で２次元・３次元の誘電体周期構造（以
下、「屈折率変調構造」という）を作成する技術が提案
されており、近年の半導体リソグラフィ技術の発達によ
り光の半波長程度の２次元屈折率変調構造を作成するこ
とは十分可能になってきている。一方、３次元屈折率変
調構造の作成方法としては、リソグラフィにより２次元
屈折率変調構造を作り、さらに別の方法によりもう１次
元の屈折率変調構造を作りこむ方法が考えられている。
このような方法の一つとして、Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃ
ｈらにより図３のようにレジスト上に形成された２次元
周期パターン３１を用いて３回異なる方向にエッチング
を繰り返すことにより、半導体単結晶３０に３次元屈折
率変調構造を作成する方法が提案されている（Ｐｈｙ
ｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６７（１９９１）Ｐ．２２９
５）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、Ｙａｂｌｏｎ
ｏｖｉｔｃｈらの方法では、斜め方向にまっすぐなエッ
チングを３回行うことが非常に困難であり、現在までも
光の波長の領域での構造は作成例がない。
ｏｖｉｔｃｈらの方法では、斜め方向にまっすぐなエッ
チングを３回行うことが非常に困難であり、現在までも
光の波長の領域での構造は作成例がない。
【０００５】一方、３次元の屈折率変調構造を実現する
には、単純に半導体多層膜にエッチングを施しただけの
3 次元周期構造では、２次元方向の屈折率変調に関して
は空気との屈折率差により十分大きな変調を実現するこ
とはできるが、多層膜積層方向の１次元屈折率変調に関
しては構成する半導体の屈折率差で制限されるため、十
分に大きな変調を実現することが難しい。
には、単純に半導体多層膜にエッチングを施しただけの
3 次元周期構造では、２次元方向の屈折率変調に関して
は空気との屈折率差により十分大きな変調を実現するこ
とはできるが、多層膜積層方向の１次元屈折率変調に関
しては構成する半導体の屈折率差で制限されるため、十
分に大きな変調を実現することが難しい。
【０００６】加えて、３次元的にＰｈｏｔｏｎｉｃ Ｂ
ａｎｄ Ｇａｐが開くためには、構成する材料の屈折率
の比が２以上でなければ不可能とされているので、従来
の方法では不十分である。
ａｎｄ Ｇａｐが開くためには、構成する材料の屈折率
の比が２以上でなければ不可能とされているので、従来
の方法では不十分である。
【０００７】また、通常の半導体に対して大きな屈折率
差を得ようとすると、ＳｉＯ2などの絶縁結晶を用いる
ことになるが、絶縁体と半導体で良質な交互多層膜を成
長することはきわめて困難であり、事実上不可能であ
る。
差を得ようとすると、ＳｉＯ2などの絶縁結晶を用いる
ことになるが、絶縁体と半導体で良質な交互多層膜を成
長することはきわめて困難であり、事実上不可能であ
る。
【０００８】一方、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓとの交互多
層膜においては、ＡｌＧａＡｓ層だけをＡｌ2Ｏ3 に転
化させることが可能であることが知られている。しか
し、この方法は、通常の半導体デバイスへの応用はある
が、光の半波長程度の微細な構造の光結晶への応用はま
だない。
層膜においては、ＡｌＧａＡｓ層だけをＡｌ2Ｏ3 に転
化させることが可能であることが知られている。しか
し、この方法は、通常の半導体デバイスへの応用はある
が、光の半波長程度の微細な構造の光結晶への応用はま
だない。
【０００９】以上のごとく、進歩した現在のリソグラフ
ィ技術をもってしても３次元的に光の波長オーダーの屈
折率変調構造を作ることは困難であり、実用的なレベル
で光集積回路の基板となりうるものはまだ見つかってい
ない。そこで、本発明は、かかる従来の技術の問題点を
解決し、光の波長程度の大きさの３次元屈折率変調構造
を実現し、３次元半導体光結晶素子を製造する方法を提
供することを目的としてなされたものである。
ィ技術をもってしても３次元的に光の波長オーダーの屈
折率変調構造を作ることは困難であり、実用的なレベル
で光集積回路の基板となりうるものはまだ見つかってい
ない。そこで、本発明は、かかる従来の技術の問題点を
解決し、光の波長程度の大きさの３次元屈折率変調構造
を実現し、３次元半導体光結晶素子を製造する方法を提
供することを目的としてなされたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明者は、このような
問題点を克服して、半導体多層膜において３次元屈折率
変調構造を作り出し、３次元半導体光結晶素子を製造す
る方法について種々検討した結果、Ａｌを構成要素とし
て含む特定種類の半導体層は酸化容易度がＡｌの組成に
極めて敏感であり、Ａｌの組成にわずかな差をつけてお
けば条件を選定することによりＡｌを多く含む半導体層
中のＡｌだけを選択的に酸化することが可能であるこ
と、このようにして酸化されたＡｌ2Ｏ3 は絶縁体であ
り低い屈折率を示すため光閉じ込め用のクラッド層とし
て利用することができることなどに着目し、本発明を完
成するに至った。
問題点を克服して、半導体多層膜において３次元屈折率
変調構造を作り出し、３次元半導体光結晶素子を製造す
る方法について種々検討した結果、Ａｌを構成要素とし
て含む特定種類の半導体層は酸化容易度がＡｌの組成に
極めて敏感であり、Ａｌの組成にわずかな差をつけてお
けば条件を選定することによりＡｌを多く含む半導体層
中のＡｌだけを選択的に酸化することが可能であるこ
と、このようにして酸化されたＡｌ2Ｏ3 は絶縁体であ
り低い屈折率を示すため光閉じ込め用のクラッド層とし
て利用することができることなどに着目し、本発明を完
成するに至った。
【００１１】
【００１２】即ち、本発明は、半導体基板上に、複数の
光閉じ込め用のクラッド層と複数の光伝送用のコア層と
が交互に積層されてなる３次元半導体光結晶素子の製造
方法において、まず、前記半導体基板上に、Ａｌを含ん
だ第１の半導体からなる前記クラッド層と、Ａｌを含ま
ない半導体もしくはＡｌを含んだ半導体であってもその
Ａｌの組成が前記第１の半導体よりも０．０２以上小さ
い第２の半導体からなる前記コア層とが、交互に積層さ
れた積層構造を成長させ、次に、前記クラッド層のＡｌ
を選択的に酸化することにより、その一部もしくは全部
を酸化物に変化させ、最後に、前記積層構造による多層
膜に対して垂直に、エッチングにより２次元周期配列を
有する複数の孔を形成することを特徴とする。
光閉じ込め用のクラッド層と複数の光伝送用のコア層と
が交互に積層されてなる３次元半導体光結晶素子の製造
方法において、まず、前記半導体基板上に、Ａｌを含ん
だ第１の半導体からなる前記クラッド層と、Ａｌを含ま
ない半導体もしくはＡｌを含んだ半導体であってもその
Ａｌの組成が前記第１の半導体よりも０．０２以上小さ
い第２の半導体からなる前記コア層とが、交互に積層さ
れた積層構造を成長させ、次に、前記クラッド層のＡｌ
を選択的に酸化することにより、その一部もしくは全部
を酸化物に変化させ、最後に、前記積層構造による多層
膜に対して垂直に、エッチングにより２次元周期配列を
有する複数の孔を形成することを特徴とする。
【００１３】
【００１４】また、本発明は、半導体基板上に、複数の
光閉じ込め用のクラッド層と複数の光伝送用のコア層と
が交互に積層されてなる３次元半導体光結晶素子の製造
方法において、まず、前記半導体基板上に、Ａｌを含ん
だ第１の半導体からなる前記クラッド層と、Ａｌを含ま
ない半導体もしくはＡｌを含んだ半導体であってもその
Ａｌの組成が前記第１の半導体よりも０．０２以上小さ
い第２の半導体からなる前記コア層とが、交互に積層さ
れた構造を成長させ、次に、前記クラッド層のＡｌを選
択的に酸化することにより、その一部もしくは全部を酸
化物に変化させ、最後に、前記積層構造による多層膜に
対して垂直に、エッチングにより２次元周期配列を有す
る複数の柱状構造を形成することを特徴とする。
光閉じ込め用のクラッド層と複数の光伝送用のコア層と
が交互に積層されてなる３次元半導体光結晶素子の製造
方法において、まず、前記半導体基板上に、Ａｌを含ん
だ第１の半導体からなる前記クラッド層と、Ａｌを含ま
ない半導体もしくはＡｌを含んだ半導体であってもその
Ａｌの組成が前記第１の半導体よりも０．０２以上小さ
い第２の半導体からなる前記コア層とが、交互に積層さ
れた構造を成長させ、次に、前記クラッド層のＡｌを選
択的に酸化することにより、その一部もしくは全部を酸
化物に変化させ、最後に、前記積層構造による多層膜に
対して垂直に、エッチングにより２次元周期配列を有す
る複数の柱状構造を形成することを特徴とする。
【００１５】また、本発明は、半導体基板がＧａＡｓで
あり前記第１の半導体がＡｌＧａＡｓであるか、半導体
基板がＩｎＰであり前記第１の半導体がＩｎＡｌＧａＡ
ｓもしくはＡｌＡｓＳｂであることを特徴とする。
あり前記第１の半導体がＡｌＧａＡｓであるか、半導体
基板がＩｎＰであり前記第１の半導体がＩｎＡｌＧａＡ
ｓもしくはＡｌＡｓＳｂであることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】図面によって本発明の実施の一形
態を説明する。
態を説明する。
【００１７】本発明の製造方法により得られる３次元半
導体光結晶素子は、図１（ｄ）に示すように、強制酸化
により形成されたＡｌ2Ｏ3 層７、ＧａＡｓ半導体層
３、ＧａＡｓ基板１及びエッチングにより積層構造８に
開けられた孔６より構成される。
導体光結晶素子は、図１（ｄ）に示すように、強制酸化
により形成されたＡｌ2Ｏ3 層７、ＧａＡｓ半導体層
３、ＧａＡｓ基板１及びエッチングにより積層構造８に
開けられた孔６より構成される。
【００１８】この構成を作り出すには、具体的には、ま
ず、半導体基板としてのＧａＡｓ基板１上にＡｌを含ん
だ第１の半導体としてのＡｌＧａＡｓ半導体層２とＡｌ
を含まない半導体もしくはＡｌを含んだ半導体であって
もそのＡｌの組成が前記第１の半導体よりも０．０２以
上小さい第２の半導体としてのＧａＡｓ半導体層３によ
り構成される半導体多層膜４を作成する（図１(ａ)）。
各半導体層を成長する方法としては、半導体エピタキシ
ャル成長法、例えば、分子線エピタキシャル成長法（Ｍ
ＢＥ）や有機金属気相成長法などがある。各半導体層の
膜厚は光の波長の半分程度であるが、その値は使いたい
光の波長によってそれぞれ異なる。なお、各半導体層の
膜厚は多少のバラツキがあっても許容される。半導体層
は、層の数が多い方がよいが３層ずつ程度でもよい。ま
た、ＡｌＧａＡｓ半導体層は、ＡｌxＧａ(1-x)Ａｓで表
される組成を有する。ここで、ＡｌはＧａＡｓ結晶のＧ
ａを置換する形で添加される。このＡｌの組成ｘはコア
となる第２の半導体層よりも０．０２以上多くＡｌを含
有するものであれば特定の数値に限定されることはない
が、その後の酸化工程を考慮すると、実用上はｘ＝０．
３以上が適当と考えられる。これにより作成される半導
体多層膜４は、格子の整合した同種半導体の成長である
ことから極めて高品質である。なお、ＡｌＧａＡｓ半導
体層の膜圧は、後の酸化工程におけるサイズ変化を織り
込んで厚めに作成しておくこともできる。
ず、半導体基板としてのＧａＡｓ基板１上にＡｌを含ん
だ第１の半導体としてのＡｌＧａＡｓ半導体層２とＡｌ
を含まない半導体もしくはＡｌを含んだ半導体であって
もそのＡｌの組成が前記第１の半導体よりも０．０２以
上小さい第２の半導体としてのＧａＡｓ半導体層３によ
り構成される半導体多層膜４を作成する（図１(ａ)）。
各半導体層を成長する方法としては、半導体エピタキシ
ャル成長法、例えば、分子線エピタキシャル成長法（Ｍ
ＢＥ）や有機金属気相成長法などがある。各半導体層の
膜厚は光の波長の半分程度であるが、その値は使いたい
光の波長によってそれぞれ異なる。なお、各半導体層の
膜厚は多少のバラツキがあっても許容される。半導体層
は、層の数が多い方がよいが３層ずつ程度でもよい。ま
た、ＡｌＧａＡｓ半導体層は、ＡｌxＧａ(1-x)Ａｓで表
される組成を有する。ここで、ＡｌはＧａＡｓ結晶のＧ
ａを置換する形で添加される。このＡｌの組成ｘはコア
となる第２の半導体層よりも０．０２以上多くＡｌを含
有するものであれば特定の数値に限定されることはない
が、その後の酸化工程を考慮すると、実用上はｘ＝０．
３以上が適当と考えられる。これにより作成される半導
体多層膜４は、格子の整合した同種半導体の成長である
ことから極めて高品質である。なお、ＡｌＧａＡｓ半導
体層の膜圧は、後の酸化工程におけるサイズ変化を織り
込んで厚めに作成しておくこともできる。
【００１９】次に、ＡｌＧａＡｓ半導体層２のみを選択
的に酸化する。酸化する方法としては、水蒸気を用いる
方法でもよいし他の方法でもよい。ＡｌはＧａやＡｓよ
りも極めて酸化されやすいことから、酸化はＡｌに対し
てのみ進行し、ＡｌＧａＡｓ半導体層２のみが酸化され
強制酸化により形成されたＡｌ2Ｏ3層７に置き変わる。
この結果、図１（ｂ）のように多層膜積層方向には、ク
ラッドとなる強制酸化により形成されたＡｌ2Ｏ3層とコ
アとなるＧａＡｓ半導体層とが交互に積層された積層構
造８が実現する。この酸化工程においては、クラッドと
なるＡｌＧａＡｓ半導体層のＡｌはＡｌ2Ｏ3の結晶を作
るが、ＧａおよびＡｓは結晶格子から脱落し、消失する
こととなる。従って、この酸化工程において、ＡｌＧａ
Ａｓ半導体層が強制酸化により形成されたＡｌ2Ｏ3層に
転化することにより多少のサイズ変化が起こるが、この
サイズの変化を見込んであらかじめＡｌＧａＡｓ半導体
層は厚めに作成しておくのがよい。なお、サイズの変化
は、脱落したＧａ・Ａｓ原子の代わりにＯ原子が入り込
み、Ａｌ原子と結合しＡｌ2Ｏ3結晶を形成するためにわ
ずかであり、実用上問題はない。これにより作成される
多層膜は、格子の整合した極めて高品質の同種半導体層
に由来するものであるから、その結果、ＧａＡｓ半導体
層３と強制酸化により形成されたＡｌ2Ｏ3層７の積層構
造８も十分に高品質なものが形成されることとなる。な
お、Ａｌが酸化される速さは、Ａｌの組成ｘに影響さ
れ、ｘの値が大きければ速く、小さければ遅くなる。従
って、Ａｌの組成ｘの値が大きい方が作業能率は向上す
る。
的に酸化する。酸化する方法としては、水蒸気を用いる
方法でもよいし他の方法でもよい。ＡｌはＧａやＡｓよ
りも極めて酸化されやすいことから、酸化はＡｌに対し
てのみ進行し、ＡｌＧａＡｓ半導体層２のみが酸化され
強制酸化により形成されたＡｌ2Ｏ3層７に置き変わる。
この結果、図１（ｂ）のように多層膜積層方向には、ク
ラッドとなる強制酸化により形成されたＡｌ2Ｏ3層とコ
アとなるＧａＡｓ半導体層とが交互に積層された積層構
造８が実現する。この酸化工程においては、クラッドと
なるＡｌＧａＡｓ半導体層のＡｌはＡｌ2Ｏ3の結晶を作
るが、ＧａおよびＡｓは結晶格子から脱落し、消失する
こととなる。従って、この酸化工程において、ＡｌＧａ
Ａｓ半導体層が強制酸化により形成されたＡｌ2Ｏ3層に
転化することにより多少のサイズ変化が起こるが、この
サイズの変化を見込んであらかじめＡｌＧａＡｓ半導体
層は厚めに作成しておくのがよい。なお、サイズの変化
は、脱落したＧａ・Ａｓ原子の代わりにＯ原子が入り込
み、Ａｌ原子と結合しＡｌ2Ｏ3結晶を形成するためにわ
ずかであり、実用上問題はない。これにより作成される
多層膜は、格子の整合した極めて高品質の同種半導体層
に由来するものであるから、その結果、ＧａＡｓ半導体
層３と強制酸化により形成されたＡｌ2Ｏ3層７の積層構
造８も十分に高品質なものが形成されることとなる。な
お、Ａｌが酸化される速さは、Ａｌの組成ｘに影響さ
れ、ｘの値が大きければ速く、小さければ遅くなる。従
って、Ａｌの組成ｘの値が大きい方が作業能率は向上す
る。
【００２０】最後に、リソグラフィ技術により半導体多
層膜４に２次元屈折率変調構造を作り出すが、まず、半
導体多層膜の表面に電子線リソグラフィにより２次元周
期構造の任意のマスクパターン５を作成する（図１
(ｃ)）。マスクパターンの作成は電子線に限らず、Ｘ線
やイオンビームを用いたリソグラフィでもよい。このマ
スクパターンに基づいて垂直にエッチングを行い、半導
体多層膜に周期的な垂直な孔６を形成する（図１
(ｄ)）。エッチングの方法は、プラズマエッチングや反
応性イオンエッチングなどがある。この工程により２次
元方向の屈折率変調に関してはエッチングによりあけら
れた孔６の屈折率（空気の屈折率＝１）と半導体部分３
の屈折率（ＧａＡｓの屈折率＝３．４）との屈折率差に
より十分に大きな変調を実現することができる。なお、
孔の径はコアとなるＧａＡｓ半導体層の膜圧と同じ程度
のものでよく、特に孔の形状や口径は限定されるもので
はない。ここで、Ａｌ2Ｏ3の屈折率は低く（屈折率＝
１．５）、多層膜積層方向についても強い１次元屈折率
変調が得られ、上記のエッチングによる２次元屈折率変
調構造とあいまって結果として有効な３次元屈折率変調
構造を実現することができ、全体がＰｈｏｔｏｎｉｃ
Ｂａｎｄ Ｇａｐ形成に必要とされる屈折率比２以上の
３次元的な光結晶となる。
層膜４に２次元屈折率変調構造を作り出すが、まず、半
導体多層膜の表面に電子線リソグラフィにより２次元周
期構造の任意のマスクパターン５を作成する（図１
(ｃ)）。マスクパターンの作成は電子線に限らず、Ｘ線
やイオンビームを用いたリソグラフィでもよい。このマ
スクパターンに基づいて垂直にエッチングを行い、半導
体多層膜に周期的な垂直な孔６を形成する（図１
(ｄ)）。エッチングの方法は、プラズマエッチングや反
応性イオンエッチングなどがある。この工程により２次
元方向の屈折率変調に関してはエッチングによりあけら
れた孔６の屈折率（空気の屈折率＝１）と半導体部分３
の屈折率（ＧａＡｓの屈折率＝３．４）との屈折率差に
より十分に大きな変調を実現することができる。なお、
孔の径はコアとなるＧａＡｓ半導体層の膜圧と同じ程度
のものでよく、特に孔の形状や口径は限定されるもので
はない。ここで、Ａｌ2Ｏ3の屈折率は低く（屈折率＝
１．５）、多層膜積層方向についても強い１次元屈折率
変調が得られ、上記のエッチングによる２次元屈折率変
調構造とあいまって結果として有効な３次元屈折率変調
構造を実現することができ、全体がＰｈｏｔｏｎｉｃ
Ｂａｎｄ Ｇａｐ形成に必要とされる屈折率比２以上の
３次元的な光結晶となる。
【００２１】なお、半導体多層膜４に孔を空ける凹型で
はなく、図２のように半導体多層膜を柱状に残す凸型の
構成としても凹型と同じ目的を達成することができる。
この柱状にエッチング処理された多層膜１３の柱も、凹
型の場合と同じく、コアの役割を果たすＧａＡｓ半導体
層１１とクラッドの役割を果たす強制酸化により形成さ
れたＡｌ2Ｏ3層１２とから構成される。
はなく、図２のように半導体多層膜を柱状に残す凸型の
構成としても凹型と同じ目的を達成することができる。
この柱状にエッチング処理された多層膜１３の柱も、凹
型の場合と同じく、コアの役割を果たすＧａＡｓ半導体
層１１とクラッドの役割を果たす強制酸化により形成さ
れたＡｌ2Ｏ3層１２とから構成される。
【００２２】ここで、強制酸化により形成されたＡｌ2
Ｏ3層７、１２はＧａＡｓ基板１、１０とコア部である
ＧａＡｓ半導体層３、１１とを電気的に絶縁してしまう
が、酸化時間を調整することにより一部に未酸化のＡｌ
ＧａＡｓ領域を残すこともでき、この様な構成をとると
多層膜の垂直方向に電気的接触をとることも可能であ
る。酸化工程において一部酸化し、その後にエッチング
処理をした場合には、多層膜の周囲の部分のみ酸化さ
れ、中央部に未酸化領域ができることになるが、このよ
うな場合でも、中央部を光結晶としてではなく、導電領
域としてのみ用いることができる。なお、酸化工程にお
いては、最上層は多層膜の周囲からばかりでなく、上方
向からも酸化が進むため、最上層はＡｌの組成ｘの小さ
い半導体層で終了するか、酸化を防止するための保護層
をつける必要がある。
Ｏ3層７、１２はＧａＡｓ基板１、１０とコア部である
ＧａＡｓ半導体層３、１１とを電気的に絶縁してしまう
が、酸化時間を調整することにより一部に未酸化のＡｌ
ＧａＡｓ領域を残すこともでき、この様な構成をとると
多層膜の垂直方向に電気的接触をとることも可能であ
る。酸化工程において一部酸化し、その後にエッチング
処理をした場合には、多層膜の周囲の部分のみ酸化さ
れ、中央部に未酸化領域ができることになるが、このよ
うな場合でも、中央部を光結晶としてではなく、導電領
域としてのみ用いることができる。なお、酸化工程にお
いては、最上層は多層膜の周囲からばかりでなく、上方
向からも酸化が進むため、最上層はＡｌの組成ｘの小さ
い半導体層で終了するか、酸化を防止するための保護層
をつける必要がある。
【００２３】さらに、半導体多層膜を組成の異なる２種
以上のＡｌＧａＡｓ半導体層で構成し、最もＡｌの組成
ｘの大きい層を選択的に酸化することによっても３次元
屈折率変調構造を得ることができる。また、半導体基板
としてＩｎＰ、半導体多層膜の構成としてＩｎＡｌＧａ
Ａｓ半導体層又はＡｌＡｓＳｂ半導体層を用いてもよ
い。同様に、その他Ａｌを含む混晶材料を半導体基板上
に成長した材料系でもよい。なお、Ａｌの組成ｘの異な
る半導体多層膜においてＡｌを酸化する場合は、Ａｌの
組成ｘに０．０２以上の差があれば、ｘの値の大きい半
導体層のＡｌみが選択的に酸化され、ｘの値の小さい層
のＡｌは酸化されることはない。従って、Ａｌの組成ｘ
の大きな半導体層のＡｌのみを選択的に強制酸化により
形成されたＡｌ2Ｏ3 層に転化することができるので、
３次元屈折率変調構造を容易に作成することが可能であ
る。この場合の酸化工程においても、ＡｌＧａＡｓ半導
体層とＧａＡｓ半導体層からなる半導体多層膜の場合と
同様に、半導体層中のＡｌの組成ｘが小さくなればなる
ほど、Ａｌを酸化するのに要する時間は長くなる傾向に
ある。また、酸化工程においては、半導体層中のＡｌの
組成ｘの差が大きければ大きいほどｘの値が大きい半導
体層のＡｌのみが選択的に酸化されやすく、Ａｌの組成
ｘの差が同じ値をとるならばｘの絶対値が大きくなれば
なるほどｘの値が大きな半導体層のＡｌのみが選択的に
酸化されやすくなる傾向にある。
以上のＡｌＧａＡｓ半導体層で構成し、最もＡｌの組成
ｘの大きい層を選択的に酸化することによっても３次元
屈折率変調構造を得ることができる。また、半導体基板
としてＩｎＰ、半導体多層膜の構成としてＩｎＡｌＧａ
Ａｓ半導体層又はＡｌＡｓＳｂ半導体層を用いてもよ
い。同様に、その他Ａｌを含む混晶材料を半導体基板上
に成長した材料系でもよい。なお、Ａｌの組成ｘの異な
る半導体多層膜においてＡｌを酸化する場合は、Ａｌの
組成ｘに０．０２以上の差があれば、ｘの値の大きい半
導体層のＡｌみが選択的に酸化され、ｘの値の小さい層
のＡｌは酸化されることはない。従って、Ａｌの組成ｘ
の大きな半導体層のＡｌのみを選択的に強制酸化により
形成されたＡｌ2Ｏ3 層に転化することができるので、
３次元屈折率変調構造を容易に作成することが可能であ
る。この場合の酸化工程においても、ＡｌＧａＡｓ半導
体層とＧａＡｓ半導体層からなる半導体多層膜の場合と
同様に、半導体層中のＡｌの組成ｘが小さくなればなる
ほど、Ａｌを酸化するのに要する時間は長くなる傾向に
ある。また、酸化工程においては、半導体層中のＡｌの
組成ｘの差が大きければ大きいほどｘの値が大きい半導
体層のＡｌのみが選択的に酸化されやすく、Ａｌの組成
ｘの差が同じ値をとるならばｘの絶対値が大きくなれば
なるほどｘの値が大きな半導体層のＡｌのみが選択的に
酸化されやすくなる傾向にある。
【００２４】
【実施例】以下図面を用いて本発明の３次元半導体光結
晶素子の製造法の実施例を説明する。
晶素子の製造法の実施例を説明する。
【００２５】まず、分子線エピタキシャル成長法によ
り、ＧａＡｓ基板１上に厚さ０．１２μｍのＡｌxＧａ
1-xＡｓ(ｘ＝０．９５)の半導体層２と厚さ０．１２μ
ｍのＧａＡｓ半導体層３を交互に１０層成長し半導体多
層膜４を作り出す（図１(a)）。これを高温水蒸気雰囲
気中で熱処理し、ＡｌＧａＡｓ半導体層を酸化する。こ
れによりＡｌＧａＡｓ半導体層２が強制酸化により形成
されたＡｌ2Ｏ3層７に置き換わる。次に、この多層膜上
に電子線リソグラフィにより２次元周期構造のマスクパ
ターン５を形成する（図１(ｃ)）。これをマスクとして
垂直にエッチングを行い、多層膜に口径が０．１２μｍ
の周期的な垂直な孔６を形成する（図１(ｄ)）。
り、ＧａＡｓ基板１上に厚さ０．１２μｍのＡｌxＧａ
1-xＡｓ(ｘ＝０．９５)の半導体層２と厚さ０．１２μ
ｍのＧａＡｓ半導体層３を交互に１０層成長し半導体多
層膜４を作り出す（図１(a)）。これを高温水蒸気雰囲
気中で熱処理し、ＡｌＧａＡｓ半導体層を酸化する。こ
れによりＡｌＧａＡｓ半導体層２が強制酸化により形成
されたＡｌ2Ｏ3層７に置き換わる。次に、この多層膜上
に電子線リソグラフィにより２次元周期構造のマスクパ
ターン５を形成する（図１(ｃ)）。これをマスクとして
垂直にエッチングを行い、多層膜に口径が０．１２μｍ
の周期的な垂直な孔６を形成する（図１(ｄ)）。
【００２６】この結果、構造は図１（ｄ）のように多層
膜積層方向には強制酸化により形成されたＡｌ2Ｏ3層と
ＧａＡｓ半導体層が交互に積層された積層構造８が実現
する。
膜積層方向には強制酸化により形成されたＡｌ2Ｏ3層と
ＧａＡｓ半導体層が交互に積層された積層構造８が実現
する。
【００２７】
【発明の効果】本発明の方法によれば、多層膜作成後の
プロセスによって特定の材料で構成される特定の膜のみ
を酸化し、低屈折率の材料に転化するため、多層膜の垂
直方向についても強い屈折率変調を得ることができる。
このため、リソグラフィー技術のみでは困難であった光
の波長オーダーの３次元屈折率変調構造を容易に作成す
ることができる。
プロセスによって特定の材料で構成される特定の膜のみ
を酸化し、低屈折率の材料に転化するため、多層膜の垂
直方向についても強い屈折率変調を得ることができる。
このため、リソグラフィー技術のみでは困難であった光
の波長オーダーの３次元屈折率変調構造を容易に作成す
ることができる。
【００２８】また、はじめの多層膜は格子の整合した同
種半導体の成長であることから極めて高品質の半導体多
層膜の形成が可能であり、その結果ＡｌＧａＡｓ半導体
層膜酸化後のＧａＡｓ半導体層と強制酸化により形成さ
れたＡｌ2Ｏ3 層の積層構造も十分に高品質なものが形
成できる。そしてこの酸化過程において、Ａｌを構成要
素として含む半導体は酸化容易度がＡｌの組成ｘに極め
て敏感であり、Ａｌの組成にわずかな差をつけておけ
ば、条件を選定することにより一方の材料だけを選択的
に酸化することが可能であり、幅広い材料を用いて３次
元半導体光結晶素子の製造が可能となる。
種半導体の成長であることから極めて高品質の半導体多
層膜の形成が可能であり、その結果ＡｌＧａＡｓ半導体
層膜酸化後のＧａＡｓ半導体層と強制酸化により形成さ
れたＡｌ2Ｏ3 層の積層構造も十分に高品質なものが形
成できる。そしてこの酸化過程において、Ａｌを構成要
素として含む半導体は酸化容易度がＡｌの組成ｘに極め
て敏感であり、Ａｌの組成にわずかな差をつけておけ
ば、条件を選定することにより一方の材料だけを選択的
に酸化することが可能であり、幅広い材料を用いて３次
元半導体光結晶素子の製造が可能となる。
【００２９】さらに、強制酸化により形成されたＡｌ2
Ｏ3層は絶縁層であり基板とコア部とを電気的に絶縁し
てしまうが、酸化時間を調整することにより未酸化のＡ
ｌＧａＡｓ領域を残すと、多層膜の垂直方向にも電流を
流すことができ、電流注入型のレーザなどに利用するこ
とも可能となる。
Ｏ3層は絶縁層であり基板とコア部とを電気的に絶縁し
てしまうが、酸化時間を調整することにより未酸化のＡ
ｌＧａＡｓ領域を残すと、多層膜の垂直方向にも電流を
流すことができ、電流注入型のレーザなどに利用するこ
とも可能となる。
【００３０】加えて、基板としてＧａＡｓ、半導体多層
膜の構成としてＡｌＧａＡｓ半導体層及びＧａＡｓ半導
体層を用いている場合の他、半導体多層膜を組成の異な
る２種以上のＡｌＧａＡｓ半導体層で構成しても、ま
た、基板としてＩｎＰ、多層膜の構成として、ＩｎＡｌ
ＧａＡｓ半導体層またはＡｌＡｓＳｂ半導体層を用いて
も、その他Ａｌを含む混晶材料を半導体基板上に成長し
た材料系でも、３次元屈折率変調構造を構成することが
可能であり、幅広い材料を用いて３次元半導体光結晶素
子を作ることができる。
膜の構成としてＡｌＧａＡｓ半導体層及びＧａＡｓ半導
体層を用いている場合の他、半導体多層膜を組成の異な
る２種以上のＡｌＧａＡｓ半導体層で構成しても、ま
た、基板としてＩｎＰ、多層膜の構成として、ＩｎＡｌ
ＧａＡｓ半導体層またはＡｌＡｓＳｂ半導体層を用いて
も、その他Ａｌを含む混晶材料を半導体基板上に成長し
た材料系でも、３次元屈折率変調構造を構成することが
可能であり、幅広い材料を用いて３次元半導体光結晶素
子を作ることができる。
【図１】 本発明における３次元半導体光結晶素子の製
造方法を示す図である。(a）はエピタキシャル成長され
た半導体多層膜の斜視図、（ｂ）は酸化処理後の多層膜
の斜視図である、（ｃ）は半導体多層膜上に施された２
次元周期のマスクパターンの斜視図、（ｄ）エッチング
後の半導体多層膜の斜視図（一部透視図）
造方法を示す図である。(a）はエピタキシャル成長され
た半導体多層膜の斜視図、（ｂ）は酸化処理後の多層膜
の斜視図である、（ｃ）は半導体多層膜上に施された２
次元周期のマスクパターンの斜視図、（ｄ）エッチング
後の半導体多層膜の斜視図（一部透視図）
【図２】 本発明における別の実施形態により製造され
た３次元光半導体光結晶素子を示す図である。
た３次元光半導体光結晶素子を示す図である。
【図３】 従来の方法における３次元半導体光結晶素子
の製造方法を示す図である。
の製造方法を示す図である。
１；ＧａＡｓ基板
２；ＡｌＧａＡｓ半導体層
３；ＧａＡｓ半導体層
４；半導体多層膜
５；マスクパターン
６；孔
７；強制酸化により形成されたＡｌ2Ｏ3層
８；積層構造
１０；ＧａＡｓ基板
１１；ＧａＡｓ半導体層
１２；強制酸化により形成されたＡｌ2Ｏ3層
１３；柱状にエッチング処理された多層膜
３０；半導体単結晶
３１；レジスト上に形成された２次元周期パターン
３２；エッチング用のビーム
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G02B 6/13
G02B 6/12
Claims (3)
- 【請求項１】半導体基板上に、複数の光閉じ込め用のク
ラッド層と複数の光伝送用のコア層とが交互に積層され
てなる３次元半導体光結晶素子の製造方法において、ま
ず、前記半導体基板上に、Ａｌを含んだ第１の半導体か
らなる前記クラッド層と、Ａｌを含まない半導体もしく
はＡｌを含んだ半導体であってもそのＡｌの組成が前記
第１の半導体よりも０．０２以上小さい第２の半導体か
らなる前記コア層とが、交互に積層された積層構造を成
長する工程と、次に、前記クラッド層のＡｌを選択的に
酸化することにより、その一部もしくは全部を酸化物に
変化させる工程と、最後に、前記積層構造による多層膜
に対して垂直に、エッチングにより２次元周期配列を有
する複数の孔を形成する工程と、からなることを特徴と
する、３次元半導体光結晶素子の製造方法。 - 【請求項２】半導体基板上に、複数の光閉じ込め用のク
ラッド層と複数の光伝送用のコア層とが交互に積層され
てなる３次元半導体光結晶素子の製造方法において、ま
ず、前記半導体基板上に、Ａｌを含んだ第１の半導体か
らなる前記クラッド層と、Ａｌを含まない半導体もしく
はＡｌを含んだ半導体であってもそのＡｌの組成が前記
第１の半導体よりも０．０２以上小さい第２の半導体か
らなる前記コア層とが、交互に積層された積層構造を成
長する工程と、次に、前記クラッド層のＡｌを選択的に
酸化することにより、その一部もしくは全部を酸化物に
変化させる工程と、最後に、前記積層構造による多層膜
に対して垂直に、エッチングにより２次元周期配列を有
する複数の柱状構造を形成する工程と、からなることを
特徴とする、３次元半導体光結晶素子の製造方法。 - 【請求項３】前記半導体基板がＧａＡｓであり前記第１
の半導体がＡｌＧａＡｓであるか、前記半導体基板がＩ
ｎＰであり前記第１の半導体がＩｎＡｌＧａＡｓもしく
はＡｌＡｓＳｂであることを特徴とする、請求項１又は
請求項２に記載の３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 |
|---|---|---|---|
| JP35767397A JP3440306B2 (ja) | 1997-12-25 | 1997-12-25 | ３次元半導体光結晶素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35767397A JP3440306B2 (ja) | 1997-12-25 | 1997-12-25 | ３次元半導体光結晶素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11183735A JPH11183735A (ja) | 1999-07-09 |
| JP3440306B2 true JP3440306B2 (ja) | 2003-08-25 |
Family
ID=18455329
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35767397A Expired - Fee Related JP3440306B2 (ja) | 1997-12-25 | 1997-12-25 | ３次元半導体光結晶素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3440306B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6548908B2 (en) * | 1999-12-27 | 2003-04-15 | Xerox Corporation | Structure and method for planar lateral oxidation in passive devices |
| US6674090B1 (en) * | 1999-12-27 | 2004-01-06 | Xerox Corporation | Structure and method for planar lateral oxidation in active |
| JP4350774B2 (ja) | 2007-07-31 | 2009-10-21 | キヤノン株式会社 | 面発光レーザ |
-
1997
- 1997-12-25 JP JP35767397A patent/JP3440306B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11183735A (ja) | 1999-07-09 |
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