JP4533041B2 - 光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
これは、非特許文献1に説明されているように、光学材料に対して周期構造を構成することにより、周期的な屈折率分布を作り、この特定の屈折率分布の中での光の振舞いを有効活用する技術と、発光材料などが特定の屈折率分布の中に存在した場合に、発光状態が制御される現象を有効活用するという技術が中心となっている。そして、これらの技術を用いた光素子応用可能性が議論されている。
スラブ型とは、周期構造を有しない方向への光閉じ込めが、低屈折率のクラッド層で高屈折率のコア層を挟み、高屈折率のコア層に光を閉じ込めて伝播させるタイプのことを指す。
このような1μm以上の厚いBOX層を持つSOIを作製するには、所謂、貼り合せタイプの作製技術を用いる必要がある。この技術は、非特許文献5および非特許文献6に説明されている。
特に、本発明は、SiやGaAs、Ge、GaP等の材料に限定されるものでなく、例えば、AlGaAs、InGaAs、InAs、GaInNAs、InGaP、InPなどのIII−V族の化合物半導体や、その他CdSe、CdSなどのII−VI族、その他、格子定数や線膨張係数が近いエピ成長材料と種基板材料との組み合わせで同様に実施することができる。
なお、以下の実施例1〜13の中で、実施例2,5〜8は本発明の実施例を示し、実施例1,3,4,9〜13は参考例を示す。
本実施例は本発明により、多孔質Si層をクラッドに用い、エピSi層をコアに用いた2Dスラブ型フォトニック結晶デバイスをSi基板に形成したものである。
図1中、Si基板101上に多孔質Si層102が約1μmの厚さで形成され、その上にさらにエピタキシャル成長によって形成した単結晶Si層(エピ成長Si層)103が約0.2μmの厚さで形成されている。
この場合に多孔質Si層の平均屈折率(以下有効屈折率という)は下記の式(1)で概算され、約1.5となる。
この値は、従来用いられていたSOIウエハのBOX層のSiO2と同程度であり、コア層であるエピSi層の屈折率約3.5との差Δnが約2であるため、強い閉じ込めが可能である。強い閉じ込めが可能であることは、光導波路や、共振器として使用した場合に、より小さな体積に光を局在化可能であることにつながり、光素子の微小化、高集積化をもたらす。
周期パターン104には,場所により、孔の無い線状欠陥105や点状欠陥106、孔の径が異なる点状欠陥107が形成されていてもよい。
このようにして構成された、多孔質Siをクラッド層に用いた2Dスラブ型フォトニック結晶は、以上述べた、有効屈折率などの観点から、SOIを用いた2Dスラブ型フォトニック結晶と同様の光学性能、集積化等の特長を発揮することが可能であり、そして、単一の材料でこれを実現することができ、プロセスの簡略化を計ることができるとともに、安価に提供できるという利点を持つことが分かる。
本実施例は、実施例1で説明した2Dスラブ型フォトニック結晶デバイスを作製する方法を示したものである。
まず、図2(a)のSi基板201に、表面の陽極化成により、多孔質構造のシリコン層202を形成する(図2(b))。
出発ウエーハ:P+(100)Si 0.01Ω−cm
溶液:HF、C2 H5 OH、H2 Oの混合液
化成電流:150mA/cm2
とした。
図3中、Siウエハ(基板)201は、HF溶液302にそのエピSi層を浸かるように保持されている。保持は、Oリング303とPt製面電極304を介して下部支持体305および、上部支持体306によって行われる。上部支持体306には、Siウエハ301へ通じるHF用液槽が構成されており、HF溶液302で満たされている。HF溶液302中にはPt製メッシュ電極308が配置されている。Pt製面電極304とPt製メッシュ電極308はそれぞれ、陽極307、陰極309に接続されており、陰極側はHF溶液302を通じて、陽極側はSi基板裏面を通じて、Siに所定の電界を印加し、キャリア注入を行う構成となっている。なお、陽極化成を行うための構成は、本実施例の形態に限らず、一般的な各種手法を適宜用いることができる。
多孔質シリコン層の孔の径、密度、厚みは、陽極化成液の組成、化成電流、基板の伝導型ならびに電導率によって広範に制御が可能である。電極にはフッ酸耐性が極めて高い白金あるいは白金を表面に被覆した金属が使用される。複数枚を一括に陽極化成して多孔質層を形成する場合には、図4に示したようにウェーハ両表面に接触する化成溶液自身が電極として作用し、均一な接触が可能となり作成される多孔質層の制御性が高まる。かように形成された多孔質層は単結晶基板の結晶方位を保存しており、その上部に孔のない均一な単結晶層をエピタキシャル成長させることが可能である。
エピタキシャル成長条件は
気相成長
温度:1000℃
ガス:SiH4 /H2
圧力:700Torr
とした。
エッチング:反応性イオンエッチング
ガス:Cl2 系ガス
なお、シリコン層のエッチングに関しては、この条件の他にもBr系ガスを用いたり、また、ECRプラズマエッチングやICPプラズマエッチング、あるいはウエットエッチングを適用いることも可能である。また、エッチング時のマスクとしては、レジスト以外にもSiO2 など、適宜用いることができることは言うまでもない。
以上、本実施例により、貼り合せ工程不要の2Dスラブ型フォトニック結晶デバイスが作製される。
本実施例は、実施例1に示した2Dスラブ型フォトニック結晶デバイスを作製する別の方法を示したものである。実施例2と異なる点は,多孔質層の上の結晶Si層をエピタキシャル成長で作るのではなく,多孔質Siをアニールすることによって形成することである。
まず、図13(a)に示すSi基板1301に2段階の陽極化成により、2層の多孔質構造のシリコン層1302,および1303を形成する(図13(b)―(c)).2層の多孔質シリコン層は空孔率が異なるものであり,上部多孔質Si層1302は下部多孔質Si層1303に比べて空孔率が低く構成されている。
多孔質層の空孔率は化成電流によって制御される。本実施例では,はじめに小さい電流で空洞割合の小さい上部多結晶層1302を形成し(図13(b)),ついで電流値を大きくして空孔径の大きい下部多孔質層1303を形成する(図13(c))。
出発ウエーハ:P+(100)Si 0.01Ω−cm
溶液:HF、C2 H5 OH、H2 O
化成電流:30mA/cm2 (上部)、150mA/cm2 (下部)
とした。
ガス:O2
温度:400℃
次に、上部多孔質Si層1302に形成された酸化皮膜のみを、HF溶液により除去する(図13(e))。
条件
ガス:100%H2
温度:1050℃
水素アニールは、水素雰囲気中で加熱する処理であり、これによって、酸化皮膜に覆われていない上部多孔質Si層1302およびその近傍のSi原子が移動し、空孔を埋めて連続した結晶層1304が形成される(図13(f))。と同時にその表面は原子レベルまで平滑化され、特に光波長の1/10オーダの凹凸による不要な光散乱が抑制された良質の光導波コア構造が得られる。下部多孔質層は酸化皮膜に覆われているため、空孔が保たれている。アニールにより結晶化した結晶層1304を光導波路とし、有効屈折率の低い下部多孔質層1302をクラッドとする光閉じ込め構造が作られる。
以下、実施例2と同様に、結晶Si層1304上に、光リソグラフィー技術を用いてシリコン層をエッチング除去して円柱孔の周期パターンを形成する(図13(g))。下部の多孔質層は残留させてクラッド層に供する。シリコン層のパターニングに関するエッチング除去は
エッチング:反応性イオンエッチング
ガス:SF6 +CHF3 ガス
で行う。
本実施例は2Dスラブ型フォトニック結晶デバイスを作製するもう1つの例である。実施例3と同様に2層の多孔質Si層を形成するが、多孔質層に酸化皮膜を形成せず、2つの多孔質層を同時にアニールする。アニールにより上部多孔質層に形成されたSi結晶層を光導波路のコアにし、同時に下部多孔質層に形成された空洞を下部クラッドに用いる。この結果、本実施例では、エアブリッジ型の2Dスラブ型フォトニック結晶デバイスが形成される。
まず、図14(a)に示すSi基板1301上に2段階の陽極化成により、2層の多孔質構造のシリコン層1302,および1303を形成する(図14(b))。2層の多孔質シリコン層は空孔率が異なるものであり、上部多孔質Si層1302は下部多孔質Si層1303に比べて空孔率が低く構成されている。
陽極化成条件
出発ウエーハ:P+(100)Si 0.01Ω−cm
溶液:HF、C2 H5 OH、H2 O
化成電流:30mA/cm2 (上部)、150mA/cm2 (下部)
次に、以下の条件により、水素アニールを行う。
ガス:100%H2
温度:1050℃
この水素アニールによって、上部多孔質Si層1302では、多孔質の孔の表面およびその近傍のSi原子が移動し、連続な結晶層1304が形成される(図14(c))。その表面は原子レベルまで平滑化され、特に光波長の1/10オーダーの凹凸による不要な光散乱が抑制された良質の光導波コア構造が得られる。
エッチング:反応性イオンエッチング
ガス:SF6 +CHF3 ガス
本実施例では、周期パターン204としては、実施例1と同様な欠陥導波路、欠陥共振器の入った三角格子円柱孔パターンを形成する。円柱孔の径は使用波長である光通信帯域の1.5μmの約1/4である約0.3μm、パターンの周期は約0.7μmである。
本実施例はエアブリッジ型2Dスラブ型フォトニック結晶デバイスを作製するもう1つの例である。結晶Si層はエピタキシャル成長によって成膜し、下の多孔質Si層をアニール処理し、形成された空洞を下部クラッドとする。
まず、図15(a)に示すSi基板1301の表面に陽極化成により、多孔質構造のシリコン層1302を形成する(図15(b))。
陽極化成条件
出発ウエーハ:P+(100)Si 0.01Ω−cm
溶液:HF、C2 H5 OH、H2 O
化成電流:150mA/cm2
次に、水素雰囲気下でプリベークを行うと、表面に連続状の結晶薄膜構造1501が形成され、多孔質Si層1302の表面の孔を封止する(図15(c))。この際、気相によりSiを供給することで、欠乏しているSiを補い、結晶薄膜構造1501の結晶欠陥を低減することが可能である。
エピタキシャル成長条件
気相成長
温度:1000℃
ガス:SiH4 /H2
圧力:700Torr
次に、以下の条件により、水素アニールを行う。
ガス:100%H2
温度:1050℃
水素アニールによって、多孔質Si層1302は空洞1401に変化する(図15(e))。
この結果、結晶層1304を光導波コアとし、空洞1401を下部クラッド層とする光導波路ができる。この水素アニールによる空洞内壁表面は原子レベルまで平滑化され、空洞の上壁、即ち空洞クラッドと結晶層光導波路の界面において、光波長の1/10オーダーの凹凸による不要な光散乱が抑制された、良質の光導波構造が得られる。
本実施例は、多孔質Si層をクラッドに用い、エピSi層をコアに用いた2Dスラブ型フォトニック結晶デバイスにおいて、クラッド層に活性媒質を導入した、アクティブフォトニック結晶構造と、その製造方法を示すものである。
まず、図16(a)に示すSi基板1301上に陽極化成により、多孔質構造のシリコン層1302を形成する(図16(b))。陽極化成については、例えば、図3に示すような装置構成により、これを実施することが可能である。
出発ウエーハ:P+(100)Si 0.01Ω−cm
溶液:HF、C2 H5 OH、H2 O
化成電流:150mA/cm2
次に、Erイオン1601を加速して多孔質Si層1302にイオン注入し、Erドープ領域1602を形成する(図16(c))。さらに、必要に応じて活性化のためのアニールなどを行っても良い。
気相成長
温度:1000℃
ガス:SiH4 /H2
圧力:700Torr
そして、次に、結晶Si層1304に、光リソグラフィー技術を用いてシリコン層をエッチング除去して周期パターンの円柱孔を形成する。下部の多孔質層はエッチングせず残留させてクラッド層に供する。シリコン層のエッチング除去は例えば以下の条件で行われる。
エッチング:反応性イオンエッチング
ガス:Cl2 系ガス
周期パターン204中には、欠陥導波路、欠陥共振器の入った三角格子円柱孔パターンを形成する。円柱孔の径は使用波長であるErの利得波長域の1〜1.4μmの約1/4である約0.3μm、パターンの周期は約0.7μmである。そして、欠陥共振器1301の位置はErドープ領域1602と重なるように配置する。
なお、活性媒質として本実施例ではErイオンを用いたが、その他、Alq3などの有機蛍光物質、ZnS:Mn等の無機蛍光物質を用いても良く、例えば、溶液を作製して多孔質Si層を浸漬することによって多孔質の空孔部分に毛細管現象によって吸着することも可能である。さらに、活性媒質としてGaAs、GaN、InGaN、AlInGaP等の結晶材料を用いることもでき、MOCVD、CBE、MBEなどの結晶成長装置により空孔内に物質を導入し、結晶成長させることも可能である。
本実施例は、実施例2で製造した2Dスラブ型フォトニック結晶を、円柱の貫通孔を通してエッチング液を多孔質層に接触させ、多孔質Si層の一部を除去することにより、エアーブリッジ構造にする。
多孔質層のエッチング条件は
エッチング条件:
溶液:HF/H2 O2
エッチング選択比:結晶層:多孔質層=1:10万
とする。
次に、以下の条件により、水素アニールを行う。この結果、単結晶Si505の表面、パターン側壁、裏面(AirBridgeの中空側)が平滑化される。
ガス:100%H2
温度:1050℃
平滑化により、フォトニック結晶を導波路として用いた場合には伝播損失が少なくなり、また、フォトニック結晶を共振器として用いた場合には損失抑制によって高いQ値が得られる。
本実施例は、多孔質Ge層をクラッドに用い、エピGaAs層をコアに用いた2Dスラブ型フォトニック結晶デバイスを作製する例であり、その方法を示したものである。
まず、Ge基板601上に陽極化成により、多孔質構造のGe層602を形成する。
出発ウエーハ:P+(100)Ge 0.01Ω−cm
溶液:HF、C2 H5 OH、H2 O
化成電流:100mA/cm2
次に、多孔質Ge層602上にエピタキシャル成長により、エピGaAs層603を形成する。そして次に、エピGaAs層603上に、光リソグラフィー技術を用いて周期パターン604を形成する。
なお、本実施例では、直接遷移型光半導体であるGaAsをコア層に用いているため、光励起による発光や光非線形性を用いたスイッチング素子等を作製でき、より高機能な光デバイスを構成可能である。
また、本実施例ではGaAsを用いたが、Geと格子定数、線膨張係数の比較的近く整合性のよい結晶材料であれば、他の材料も用いることができるのは言うまでも無い。
本発明の第9の実施例を、図7を用いて説明する。図7は、本発明のフォトニック結晶を用いたμTAS(micrototal analysis system)センサシステムを示す模式図である。
なお、レーザセンサの発振状態の検出には、レーザ光出力以外にも、レーザの励起を電流注入によって行う場合には、注入電流の変化によってもレーザ発振の状態を観測することができる。
以上のようにして、本発明のフォトニック結晶とその作製方法を用いて、μTASセンサシステムを構成することが可能である。
本実施例は、2Dスラブ型フォトニック結晶をセンサに応用したものであって、単結晶層に周期的パターンの貫通孔を開けたフォトニック結晶を流路として利用するものである。
図17は本実施例の基本的な工程を模式的に表した図である。まず、(a)Siウエハ1301の表面について、面内方向のある矩形領域1701および光導波路領域となる
部分(不図示)を陽極化成し、多孔質化する。
なお、上部の流路を形成する材料としては、本実施例で挙げたPDMS以外にも、Si、石英、ガラス等を適宜用いることが可能であることは言うまでもない。
本実施例は、本発明の多孔質シリコンを用いた光デバイスにおいて、光導波路などの光素子を、細線導波路で構成した一例を示すものである。
条件
ガス:100%H2
温度:1050℃
この水素アニールによって、細線表面および側壁は原子レベルまで平滑化され、特に光波長の1/10オーダーの凹凸による不要な光散乱を生じる構造が消失することにより、細線導波路における重要な性能の一つである光損失を大幅に抑えることができる。また、細線導波路を円環状にして光共振器を構成した場合などには、(非特許文献2、p.262参照)、共振器の重要な性能であるQ値を高めることに貢献し、共振器を利用した素子の性能として例えば、波長フィルタ特性やレーザ発振閾値特性などを向上することができる。
なお、本実施例では光リソグラフィーの手法を用いてパターニングを行ったが、それ以外にも、より安価なナノインプリント技術、あるいは、より高解像度なX線リソグラフィー、イオンビームリソグラフィー、EBリソグラフィー、近接場光リソグラフィー等を目的に応じて用いることが可能である。
本実施例は、本発明の多孔質シリコンを用いた光デバイスにおいて、光導波路などの光素子を細線導波路で構成した別の一例を示すものである。
条件
ガス:100%H2
温度:1050℃
この水素アニールによって、細線表面および側壁は原子レベルまで平滑化され、特に光波長の1/10オーダーの凹凸による不要な光散乱を生じる構造が消失することにより、細線導波路における重要な性能の一つである光損失を大幅に抑えることができる。また、細線導波路を円環状にして光共振器を構成した場合などには、(上記川上他、p.262参照)、共振器の重要な性能であるQ値を高めることに貢献し、共振器を利用した素子の性能として例えば、波長フィルタ特性やレーザ発振閾値特性などを向上することができる。
なお、本実施例では光リソグラフィーの手法を用いてパターニングを行ったが、それ以外にも、より安価なナノインプリント技術、あるいは、より高解像度なX線リソグラフィー、イオンビームリソグラフィー、EBリソグラフィー、近接場光リソグラフィー等を目的に応じて用いることが可能である。
本実施例は、本発明の多孔質シリコンを用いた光デバイスにおいて、多孔質シリコン層を酸化して、多孔質SiO2層に変化させてデバイスを構成する例である。
本実施例では、さらにこの試料に対して、以下の酸化条件により酸化を行う。酸化条件
ガス:O2 /H2
温度:1050℃
102 多孔質Si層
103 エピ成長Si層
104 フォトニック結晶パターン
105 線状欠陥導波路
106 点状欠陥共振器
107 点状欠陥共振器
201 Si種基板
202 多孔質Si層
203 エピ成長Si層
204 フォトニック結晶パターン
301 フォトニック結晶作製用Si基板
302 HF溶液
303 Oリング
304 Pt製面電極
305 下部支持体
306 上部支持体
307 陽極
308 Pt製メッシュ電極
309 陰極
401 フォトニック結晶作製用Si基板
402 真空チャック用配管
403 ウエハホルダ
404 HF溶液槽
405 HF溶液
406 陽極
407 陰極
501 Si種基板
502 多孔質Si層
503 エピ成長Si層
504 フォトニック結晶パターン
505 エアーブリッジ部
506 アニール後Si平坦表面
601 Ge種基板
602 多孔質Ge層
603 エピ成長GaAs層
604 フォトニック結晶パターン
701 流路基板
702 流路
703 流体
704 フォトニック結晶レーザセンサ
705 カバー層
706 薄膜
707 フォトニック結晶層
708 レーザ出力光
709 受光層
801 Si種基板
802 多孔質Si層
803 エピ成長Si細線導波路
901 Si種基板
902 多孔質Si層
903 エピ成長Si細線導波路
1001 フォトニック結晶欠陥共振器
1002 フォトニック結晶線欠陥導波路
1003 Si細線導波路
1004 Si細線導波路テーパー部
1005 外部光導波路/光ファイバ系
1101 Si種基板
1102 多孔質Si層
1103 エピ成長Si細線導波路
1104 多孔質SiO2 層(熱酸化SiO2 )
1105 熱酸化SiO2 膜付きエピ成長Si細線導波路
1201 Ge種基板
1202 多孔質Ge層
1203 GaAs結晶層
1204 活性層
1205 多重量子井戸
1206 欠陥共振器部分
1301 Si基板
1302 上部多孔質Si層
1303 下部多孔質Si層
1304 光導波コアSi結晶層
1305 フォトニック結晶パターン
1401 下部クラッド空洞
1501 結晶薄膜構造
1601 Erイオン
1602 Erドープ領域
1701 多孔質Si領域
1702 エピタキシャルSi層
1703 光導波路
1704 流路空洞
1801 光デバイス・流路構造体
1802 上部流路構造体
1803 上部流路
1901 光デバイス・流路構造体
1902 流路貫通孔
1903 排出流路
2001 光デバイス・流路構造体
2002 下部流路構造体
2003 下部流路
2004 多孔質Si層
2101 活性媒質
2102 活性媒質を含む多孔質結晶層
2201 面内位置1
2202 面内位置2
2203 面内位置3
2301 部分ウエハ
2302 光導波路デバイスパターン
2303 バーウエハ
2304 光導波デバイス
Claims (4)
- 基板の表面に光波長より小さい孔径を有する多孔質層を陽極化成により形成する工程と、該多孔質層の上に該多孔質層より屈折率の大きい結晶層をエピタキシャル成長によって形成する工程と、該結晶層に貫通孔を形成してフォトニック結晶パターンを形成する工程とを有することを特徴とする光素子の製造方法。
- 結晶層をエピタキシャル成長によって形成する工程の前に、多孔質層表面を酸化する工程をさらに有する請求項1に記載の光素子の製造方法。
- 前記貫通孔を介して結晶層の下の前記多孔質層をエッチングして除去する工程をさらに有する請求項1に記載の光素子の製造方法。
- 前記多孔質層をエッチングし除去する工程の後、水素雰囲気下でアニールし、結晶層の表面、裏面、および貫通孔側壁を平滑化する工程をさらに有する請求項3に記載の光素子の製造方法。
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