JP4864837B2 - Fabrication method of nanolaser structure - Google Patents

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Description

本発明はナノレーザ構造の作製方法に関し、特に、ＶＬＳ（Ｖａｐｅｒ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｏｌｉｄ：気相−液相−固相）成長またはＶＳＳ（Ｖａｐｅｒ Ｓｏｌｉｄ Ｓｏｌｉｄ：気相−固相−固相）成長にてナノオーダのレーザ構造を作製する方法に適用して好適なものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a Na Noreza structure, in particular, VLS (Vaper Liquid Solid: gas phase - liquid phase - solid phase) growth or VSS (Vaper Solid Solid: gas phase - solid phase - solid phase) in the growth of nano-order It is suitable for application to a method for manufacturing a laser structure.

ナノワイヤを作製する結晶成長方法として、金属触媒を用いたＶＬＳ成長またはＶＳＳ成長が知られている。このＶＬＳ成長またはＶＳＳ成長では、ドーピングを行いながら、原子の結合が途切れていない良好な単結晶を軸の垂直な方向に作製することができ、ナノオーダの受光発光素子を形成することができる。
また、ナノワイヤの表面での非発光再結合を抑えるために、ナノワイヤ形成後に成長温度を上げてキャッピング成長を行うことは、発光素子を実現する上で重要である。ここで、金属触媒を残したままキャッピング成長を行うと、成長温度が高い場合においても、軸方向の成長が速いため、キャッピング成長後の構造がテーパー状となり、共振器を構成する上で障害になる。
一方、非特許文献１には、Ｇｅナノワイヤにおいて、金属のエッチングにより、触媒の金属粒子を選択的に除去する方法が開示されている。
Ｊ．Ｈ．Ｗｏｏｄｒｕｆｆ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．７，１６３７（２００７）． As a crystal growth method for producing nanowires, VLS growth or VSS growth using a metal catalyst is known. In this VLS growth or VSS growth, a good single crystal in which atomic bonds are not interrupted can be manufactured while doping, and a nano-order light-receiving / emitting element can be formed.
In order to suppress non-radiative recombination on the surface of the nanowire, it is important to raise the growth temperature after the nanowire is formed and perform capping growth in order to realize a light emitting device. Here, if capping growth is performed with the metal catalyst left, the growth after the capping growth becomes a taper shape even when the growth temperature is high. Become.
On the other hand, Non-Patent Document 1 discloses a method of selectively removing metal particles of a catalyst by etching a metal in a Ge nanowire.
J. et al. H. Woodruff et al. , Nano Lett. 7, 1637 (2007).

しかしながら、触媒の金属粒子を選択的に除去するために、金属のエッチングを用いる方法では、微量ながらも溶け出された金属がナノワイヤの表面に再結合するため、キャッピング成長後に金属がナノワイヤに取り込まれ、ナノワイヤの発光特性が劣化することがあるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、ボトムアップ的に制御性よくナノオーダのレーザ構造を作製することが可能なナノレーザ構造の作製方法を提供することである。 However, in the method using metal etching in order to selectively remove the metal particles of the catalyst, the dissolved metal is re-bonded to the surface of the nanowire, but the metal is taken into the nanowire after capping growth. There has been a problem that the light emission characteristics of the nanowire may deteriorate.
An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a capable Na Noreza structure to produce a laser structure of a bottom-up manner with good controllability nanometer order.

上述した課題を解決するために、請求項１記載のナノレーザ構造の作製方法によれば、金属微粒子を半導体基板上に形成する工程と、ＶＬＳ成長またはＶＳＳ成長にて前記金属微粒子下に第１ナノワイヤを形成する工程と、前記第１ナノワイヤよりもエッチングレートの大きな第２ナノワイヤをＶＬＳ成長もしくはＶＳＳ成長にて前記第１ナノワイヤ上に形成する工程と、前記第２ナノワイヤを選択的にエッチングすることにより、前記金属微粒子を第２ナノワイヤとともに前記第１ナノワイヤ上から除去する工程と、前記第２ナノワイヤが除去された前記第１ナノワイヤの周囲に前記第１ナノワイヤとヘテロ接合を構成する第１キャッピング層を結晶成長にて形成する工程と、前記第１キャッピング層の周囲に前記第１キャッピング層とヘテロ接合を構成する第２キャッピング層を結晶成長にて形成する工程とを備えることを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, according to the method for manufacturing a nanolaser structure according to claim 1, a step of forming metal fine particles on a semiconductor substrate, and a first nanowire under the metal fine particles by VLS growth or VSS growth. Forming a second nanowire having a higher etching rate than the first nanowire on the first nanowire by VLS growth or VSS growth, and selectively etching the second nanowire. Removing the metal fine particles together with the second nanowire from the first nanowire; and a first capping layer forming a heterojunction with the first nanowire around the first nanowire from which the second nanowire has been removed. Forming by crystal growth, and surrounding the first capping layer with the first capping layer. Characterized in that it comprises a step of the second capping layer is formed by crystal growth it constitutes the B junction.

これにより、第１ナノワイヤ上に形成された第２ナノワイヤをエッチングすることにより、金属微粒子を溶かすことなく、触媒の金属微粒子を除去することができる。このため、第１ナノワイヤに金属が取り込まれるのを防止しつつ、第１ナノワイヤの周囲をキャッピング層にて覆うことが可能となるとともに、キャッピング層の形成時の軸方向の成長を抑制することができ、キャッピング成長後の構造を良質な結晶性のロッド状にすることが可能となる。この結果、キャッピング成長後のロッドの上端のファセット面を反射鏡として使用することが可能となり、ロッドの下端の界面との間で共振器を構成することが可能となるとともに、第１キャッピング層を活性層として機能させることができ、ボトムアップ的に制御性よくナノオーダのレーザ構造を作製することができる。   Accordingly, the metal fine particles of the catalyst can be removed without etching the metal fine particles by etching the second nanowires formed on the first nanowires. For this reason, it is possible to cover the periphery of the first nanowire with the capping layer while preventing the metal from being taken into the first nanowire, and to suppress the growth in the axial direction when the capping layer is formed. In addition, the structure after capping growth can be made into a high-quality crystalline rod. As a result, the facet surface at the upper end of the rod after the capping growth can be used as a reflecting mirror, and a resonator can be formed between the lower end interface of the rod and the first capping layer can be formed. It can function as an active layer, and a nano-order laser structure can be fabricated with bottom-up controllability.

また、請求項２記載のナノレーザ構造の作製方法によれば、半導体基板上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層に開口部を形成する工程と、前記開口部を介して金属微粒子を半導体基板上に形成する工程と、ＶＬＳ成長またはＶＳＳ成長にて前記金属微粒子下に第１ナノワイヤを形成する工程と、前記第１ナノワイヤよりもエッチングレートの大きな第２ナノワイヤをＶＬＳ成長もしくはＶＳＳ成長にて前記第１ナノワイヤ上に形成する工程と、前記第２ナノワイヤを選択的にエッチングすることにより、前記金属微粒子を第２ナノワイヤとともに前記第１ナノワイヤ上から除去する工程と、前記第２ナノワイヤが除去された前記第１ナノワイヤの周囲が覆われるようにして、前記第１ナノワイヤとヘテロ接合を構成する第１キャッピング層を結晶成長にて前記絶縁層上に形成する工程と、前記第１キャッピング層の周囲が覆われるようにして、前記第１キャッピング層とヘテロ接合を構成する第２キャッピング層を結晶成長にて前記絶縁層上に形成する工程とを備えることを特徴とする。   According to the method for producing a nanolaser structure according to claim 2, a step of forming an insulating layer on a semiconductor substrate, a step of forming an opening in the insulating layer, and metal fine particles are formed through the opening. A step of forming on the substrate, a step of forming a first nanowire under the metal fine particles by VLS growth or VSS growth, and a second nanowire having a higher etching rate than the first nanowire by VLS growth or VSS growth. Forming on the first nanowire; removing the metal fine particles from the first nanowire together with the second nanowire by selectively etching the second nanowire; and removing the second nanowire. A first capping that forms a heterojunction with the first nanowire so that the periphery of the first nanowire is covered. And forming a second capping layer constituting a heterojunction with the first capping layer by crystal growth so that the periphery of the first capping layer is covered. And a step of forming on the insulating layer.

これにより、第１ナノワイヤに金属が取り込まれるのを防止しつつ、第１キャッピング層を活性層として機能させることが可能となるとともに、キャッピング成長後のロッドの上端のファセット面および絶縁層との界面を反射鏡として使用することが可能となり、ボトムアップ的に制御性よくナノオーダのレーザ構造を作製することができる。
また、請求項３記載のナノレーザ構造の作製方法によれば、前記第１ナノワイヤの途中に前記第１ナノワイヤとヘテロ接合を構成する量子ドットまたは超格子構造を形成する工程とを備えることを特徴とする。 As a result, the first capping layer can function as an active layer while preventing the metal from being taken into the first nanowire, and the interface between the facet surface at the upper end of the rod after capping growth and the insulating layer Can be used as a reflecting mirror, and a nano-order laser structure can be fabricated with good controllability in a bottom-up manner.
The method for producing a nanolaser structure according to claim 3, further comprising a step of forming a quantum dot or a superlattice structure that forms a heterojunction with the first nanowire in the middle of the first nanowire. To do.

これにより、第１ナノワイヤに金属が取り込まれるのを防止しつつ、第１ナノワイヤからの発光を効率よく行わせることができ、ボトムアップ的に制御性よくナノオーダのレーザ構造を作製することができる。
また、請求項４記載のナノレーザ構造の作製方法によれば、前記第１ナノワイヤの周囲に前記第１キャッピング層と前記第２キャッピング層とが交互に配置された多層構造を形成することを特徴とする。 Accordingly, it is possible to efficiently emit light from the first nanowire while preventing the metal from being taken into the first nanowire, and it is possible to manufacture a nano-order laser structure with a good bottom-up controllability.
According to the method for producing a nanolaser structure according to claim 4, a multilayer structure in which the first capping layer and the second capping layer are alternately arranged around the first nanowire is characterized in that: To do.

これにより、第１ナノワイヤに金属が取り込まれるのを防止しつつ、キャッピング成長後の構造を良質な結晶性のロッド状にすることが可能となるとともに、水平方向に光閉じ込め構造を形成することができ、水平方向にレーザ発振を行わせることができる。
また、請求項５記載のナノレーザ構造の作製方法によれば、前記第２キャッピング層を除去することにより、所定間隔を隔てて配置された第１キャッピング層にて水平方向にブラッグ反射鏡を形成することを特徴とする。 As a result, while preventing the metal from being taken into the first nanowire, the structure after the capping growth can be formed into a high-quality crystalline rod, and a light confinement structure can be formed in the horizontal direction. And laser oscillation can be performed in the horizontal direction.
Further, according to the method for producing a nanolaser structure according to claim 5, by removing the second capping layer, a Bragg reflector is formed in the horizontal direction with the first capping layer arranged at a predetermined interval. It is characterized by that.

これにより、第１ナノワイヤに金属が取り込まれるのを防止しつつ、キャッピング成長後の構造を良質な結晶性のロッド状にすることが可能となるとともに、水平方向に共振器を形成することができ、水平方向にレーザ発振を行わせることができる。
また、請求項６記載のナノレーザ構造の作製方法によれば、前記多層構造の上面を絶縁性基板に貼り合わせる工程と、前記絶縁性基板にて前記多層構造を支持させながら、前記第１ナノワイヤが形成された半導体基板を除去する工程と、前記絶縁性基板に貼り合わされた多層構造の第２キャッピング層を除去することにより、所定間隔を隔てて配置された第１キャッピング層にて水平方向にブラッグ反射鏡を形成する工程とを備えることを特徴とする。 As a result, while preventing the metal from being taken into the first nanowire, the structure after the capping growth can be formed into a high-quality crystalline rod, and a resonator can be formed in the horizontal direction. Laser oscillation can be performed in the horizontal direction.
According to the method for producing a nanolaser structure according to claim 6, the first nanowire is formed by attaching the upper surface of the multilayer structure to an insulating substrate, and supporting the multilayer structure with the insulating substrate. A step of removing the formed semiconductor substrate, and a second capping layer having a multilayer structure bonded to the insulating substrate is removed, whereby the first capping layer arranged at a predetermined interval is bragged horizontally. Forming a reflecting mirror.

これにより、水平方向に形成された共振器を絶縁性基板上に配置することが可能となり、ナノオーダのレーザ構造を絶縁性基板上に形成することができる。 As a result, the resonator formed in the horizontal direction can be disposed on the insulating substrate, and a nano-order laser structure can be formed on the insulating substrate .

以上説明したように、本発明によれば、ナノワイヤに金属が取り込まれるのを防止しつつ、ナノワイヤの周囲をキャッピング層にて覆うことが可能となるとともに、キャッピング層の形成時の軸方向の成長を抑制することができ、キャッピング成長後の構造を良質な結晶性のロッド状にすることが可能となることから、ボトムアップ的に制御性よくナノオーダのレーザ構造を作製することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to cover the nanowire with a capping layer while preventing the metal from being taken into the nanowire, and to grow in the axial direction when the capping layer is formed. Since the structure after capping growth can be made into a high-quality crystalline rod, it is possible to manufacture a nano-order laser structure with good controllability in a bottom-up manner.

本発明の一実施形態では、金属微粒子を半導体基板上に形成し、ＶＬＳ成長またはＶＳＳ成長にて金属微粒子下に第１ナノワイヤおよび第２ナノワイヤを順次形成し、第２ナノワイヤを選択的にエッチングすることにより、金属微粒子を第２ナノワイヤとともに第１ナノワイヤ上から除去し、さらに第１ナノワイヤの周囲に第１キャッピング層および第２キャッピング層を結晶成長にて形成する。ここで、第２ナノワイヤは、第１ナノワイヤよりもエッチングレートの大きな材料を用いることができる。また、第１ナノワイヤ、第１キャッピング層および第２キャッピング層にてダブルヘテロ接合を構成することができる。なお、第１ナノワイヤの製作時に量子ドット構造または超格子構造を形成するようにしてもよく、第１ナノワイヤ、第１キャッピング層および第２キャッピング層の製作時に不純物をドーピングし、ｐｉｎ構造を形成するようにしてもよい。また、第１ナノワイヤの周囲に第１キャッピング層と第２キャッピング層とが交互に配置された多層構造を形成するようにしてもよく、多層構造を形成した後に第２キャッピング層を除去することにより、所定間隔を隔てて配置された第１キャッピング層にて水平方向にブラッグ反射鏡を形成するようにしてもよい。   In one embodiment of the present invention, metal fine particles are formed on a semiconductor substrate, first nanowires and second nanowires are sequentially formed under the metal fine particles by VLS growth or VSS growth, and the second nanowires are selectively etched. As a result, the metal fine particles are removed from the first nanowire together with the second nanowire, and a first capping layer and a second capping layer are formed around the first nanowire by crystal growth. Here, the second nanowire can be made of a material having an etching rate larger than that of the first nanowire. In addition, a double heterojunction can be formed by the first nanowire, the first capping layer, and the second capping layer. Note that a quantum dot structure or a superlattice structure may be formed when the first nanowire is manufactured, and an impurity is doped when the first nanowire, the first capping layer, and the second capping layer are manufactured to form a pin structure. You may do it. Further, a multilayer structure in which the first capping layer and the second capping layer are alternately arranged around the first nanowire may be formed, and the second capping layer is removed after the multilayer structure is formed. The Bragg reflector may be formed in the horizontal direction with the first capping layer arranged at a predetermined interval.

なお、半導体基板としては、例えば、Ｓｉ（１１１）半導体基板、金属微粒子としては、例えば、直径２０ｎｍ程度のＡｕ微粒子を用いることができる。また、金属微粒子を半導体基板上に形成する方法としては、例えば、金属の蒸着とアニールによる自己形成、ＥＢリソグラフィによるパターニング、あるいはＡｕ微粒子１２を含む溶液の塗布などの方法を用いることができる。   As the semiconductor substrate, for example, an Si (111) semiconductor substrate, and as the metal fine particles, for example, Au fine particles having a diameter of about 20 nm can be used. Further, as a method for forming the metal fine particles on the semiconductor substrate, for example, a method such as self-formation by vapor deposition and annealing, patterning by EB lithography, or application of a solution containing Au fine particles 12 can be used.

なお、第１ナノワイヤ、第２ナノワイヤ、第１キャッピング層および第２キャッピング層の材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓＰの中から選択することができる。例えば、第１ナノワイヤおよび第２キャッピング層の材料としてＧａＰ、第２ナノワイヤおよび第１キャッピング層の材料としてＧａＡｓを用いることができる。   The material of the first nanowire, the second nanowire, the first capping layer, and the second capping layer is selected from Si, Ge, GaInN, AlGaAs, GaInP, AlGaInN, AlGaInSb, AlGaInAs, InP, GaAs, GaP, and GaAsP. can do. For example, GaP can be used as the material of the first nanowire and the second capping layer, and GaAs can be used as the material of the second nanowire and the first capping layer.

以下、本発明の実施形態に係るナノレーザ構造の作製方法について図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係るナノレーザ構造の作製方法を示す断面図、図１（ｄ）は、本発明の第１実施形態に係るナノレーザ構造の構成を示すＳＥＭ像である。 Hereinafter, a method for producing a nanolaser structure according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1A to FIG. 1C are cross-sectional views showing a method for producing a nanolaser structure according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1D is a nanolaser structure according to the first embodiment of the present invention. It is a SEM image which shows the structure of these.

図１（ａ）において、直径２０ｎｍ程度のＡｕ微粒子１２をＳｉ（１１１）基板１１上に形成する。なお、Ａｕ微粒子１２をＳｉ（１１１）基板１１上に形成する方法としては、例えば、金属の蒸着とアニールによる自己形成、ＥＢリソグラフィによるパターニング、あるいはＡｕ微粒子１２を含む溶液の塗布などの方法を用いることができる。   In FIG. 1A, Au fine particles 12 having a diameter of about 20 nm are formed on a Si (111) substrate 11. As a method of forming the Au fine particles 12 on the Si (111) substrate 11, for example, a method such as self-formation by metal deposition and annealing, patterning by EB lithography, or application of a solution containing the Au fine particles 12 is used. be able to.

次に、Ａｕ微粒子１２が形成されたＳｉ（１１１）基板１１を有機気相成長（ＭＯＶＰＥ）炉内に設置し、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を１×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＰナノワイヤ１３を４８０℃で１分だけＳｉ（１１１）基板１１上に成長させた。
なお、ＧａＰはＳｉ（１１１）基板１１上にＢ面を形成するため、ＧａＰナノワイヤ１３はＳｉ（１１１）基板１１に垂直に成長させることができる。
また、Ａｕを触媒としたＧａＰのＶＬＳ成長またはＶＳＳ成長は４００−５００℃の範囲内で見られるため、ＧａＰナノワイヤ１３の成長温度を４８０℃に設定した。 Next, the Si (111) substrate 11 on which the Au fine particles 12 were formed was placed in an organic vapor phase growth (MOVPE) furnace, and TMGa (trimethylgallium) 1 × 10 −5 mol / mim, TBP (tertiary butyl). The GaP nanowires 13 were grown on the Si (111) substrate 11 at 480 ° C. for 1 minute while flowing (phosphine) at 6 × 10 −4 mol / mim.
Since GaP forms a B surface on the Si (111) substrate 11, the GaP nanowire 13 can be grown perpendicularly to the Si (111) substrate 11.
Moreover, since the VLS growth or VSS growth of GaP using Au as a catalyst is observed within the range of 400-500 ° C., the growth temperature of the GaP nanowire 13 was set to 480 ° C.

次に、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を５×１０−６ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＡｓＨ３（アルシン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＡｓナノワイヤ１４を４５０℃で１分だけＧａＰナノワイヤ１３上に成長させた。
次に、図１（ｂ）に示すように、ＧａＰナノワイヤ１３およびＧａＡｓナノワイヤ１４が形成されたＳｉ（１１１）基板１１を有機気相成長炉から取り出し、Ｈ２ＳＯ４／Ｈ２Ｏ２／Ｈ２Ｏ＝１／１０／１００のエッチング溶液にてＧａＡｓナノワイヤ１４をウェットエッチングすることにより、ＧａＡｓナノワイヤ１４をＡｕ微粒子１２とともにＧａＰナノワイヤ１３上から除去した。なお、ＧａＡｓナノワイヤ１４はこのエッチング溶液にてエッチングされるが、Ａｕ微粒子１２はこのエッチング溶液にて溶け出されることはないので、Ａｕが拡散してＧａＰナノワイヤ１３の表面に付着するのを防止することができる。 Next, while flowing TMGa (trimethylgallium) at 5 × 10 −6 mol / mim and AsH 3 (arsine) at 6 × 10 −4 mol / mim, the GaAs nanowire 14 is placed on the GaP nanowire 13 at 450 ° C. for 1 minute. To grow.
Next, as shown in FIG. 1B, the Si (111) substrate 11 on which the GaP nanowires 13 and the GaAs nanowires 14 are formed is taken out from the organic vapor phase growth furnace, and H 2 SO 4 / H 2 O 2 / H. The GaAs nanowire 14 was removed from the GaP nanowire 13 together with the Au fine particles 12 by wet etching the GaAs nanowire 14 with an etching solution of 2 O = 1/10/100. The GaAs nanowire 14 is etched with this etching solution, but the Au fine particles 12 are not melted with this etching solution, so that Au is prevented from diffusing and adhering to the surface of the GaP nanowire 13. be able to.

次に、図１（ｃ）に示すように、Ａｕ微粒子１２およびＧａＡｓナノワイヤ１４が除去されたＳｉ（１１１）基板１１を有機気相成長炉内に再度設置し、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を２×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＡｓＨ３（アルシン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＰナノワイヤ１３の周囲が覆われるようにＧａＡｓキャッピング層１５を５５０℃で２分だけＳｉ（１１１）基板１１上にエピタキシャル成長させた。 Next, as shown in FIG. 1C, the Si (111) substrate 11 from which the Au fine particles 12 and the GaAs nanowires 14 have been removed is placed again in the organic vapor phase growth furnace, and TMGa (trimethyl gallium) 2 × While flowing 10 −5 mol / mim and AsH 3 (arsine) by 6 × 10 −4 mol / mim, the GaAs capping layer 15 is Si (111) for 2 minutes at 550 ° C. so that the periphery of the GaP nanowire 13 is covered. Epitaxial growth was performed on the substrate 11.

さらに、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を２×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＰＨ３（フォスフィン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＡｓキャッピング層１５の周囲が覆われるようにＧａＰキャッピング層１６を５５０℃で５分だけＳｉ（１１１）基板１１上にエピタキシャル成長させた。
なお、ＧａＰナノワイヤ１３およびＧａＰキャッピング層１６を形成する時にｐ型またはｎ型不純物のドーピングを行うことにより、ｐｉｎ型ダイオードを形成するようにしてもよい。 Furthermore, while flowing TMGa (trimethylgallium) at 2 × 10 −5 mol / mim and PH 3 (phosphine) at 6 × 10 −4 mol / mim, the GaP capping layer 16 is covered so that the periphery of the GaAs capping layer 15 is covered. Was epitaxially grown on the Si (111) substrate 11 at 550 ° C. for 5 minutes.
Note that a pin-type diode may be formed by doping p-type or n-type impurities when forming the GaP nanowire 13 and the GaP capping layer 16.

そして、図１（ｃ）のサンプルについてフォトルミネッセンス測定にて発光特性を調べたところ、室温で８２０ｎｍにピークを持つ発光が確認できた。
ここで、Ａｕ微粒子１２を除去してから、ＧａＡｓキャッピング層１５およびＧａＡｓキャッピング層１６を形成することにより、図１（ｄ）に示すように、平坦な（１１１）Ｂファセットを上端に形成することができ、側壁が（１１０）面で囲まれたロッド構造を形成することができる。 And when the light emission characteristic was investigated by the photoluminescence measurement about the sample of FIG.1 (c), light emission which has a peak in 820 nm at room temperature has been confirmed.
Here, after removing the Au fine particles 12, the GaAs capping layer 15 and the GaAs capping layer 16 are formed, thereby forming a flat (111) B facet at the upper end as shown in FIG. Thus, a rod structure in which the side wall is surrounded by the (110) plane can be formed.

これにより、キャッピング成長後のロッドの上端のファセット面を反射鏡として使用することが可能となり、ロッドの下端の界面との間で共振器を構成することが可能となるとともに、ＧａＰナノワイヤ１３およびＧａＰキャッピング層１６を光閉じ込め層として機能させつつ、ＧａＡｓキャッピング層１５を活性層として機能させることができ、ボトムアップ的に制御性よくナノオーダのレーザ構造を作製することができる。   As a result, the facet surface at the upper end of the rod after capping growth can be used as a reflecting mirror, and a resonator can be formed between the lower end interface of the rod and the GaP nanowire 13 and GaP. While the capping layer 16 functions as an optical confinement layer, the GaAs capping layer 15 can function as an active layer, and a nano-order laser structure can be fabricated with good controllability in a bottom-up manner.

図２は、本発明の第２実施形態に係るナノレーザ構造の作製方法を示す断面図である。
図２（ａ）において、ＣＶＤなどの方法にてＳｉ（１１１）基板１１上にＳｉＯ２層１７を成膜し、ＥＢリソグラフィおよびドライエッチング技術を用いてＳｉＯ２層１７をパターニングすることで、直径２０ｎｍ程度の開口部をＳｉＯ２層１７に形成する。そして、ＳｉＯ２層１７に形成された開口部を通して直径２０ｎｍ程度のＡｕ微粒子１２をＳｉ（１１１）基板１１上に形成する。なお、Ａｕ微粒子１２をＳｉ（１１１）基板１１上に形成する方法としては、例えば、金属の蒸着とアニールによる自己形成、ＥＢリソグラフィによるパターニング、あるいはＡｕ微粒子１２を含む溶液の塗布などの方法を用いることができる。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing a method for producing a nanolaser structure according to a second embodiment of the present invention.
In FIG. 2A, the SiO 2 layer 17 is formed on the Si (111) substrate 11 by a method such as CVD, and the SiO 2 layer 17 is patterned by using EB lithography and dry etching techniques, thereby obtaining a diameter. An opening of about 20 nm is formed in the SiO 2 layer 17. Then, Au fine particles 12 having a diameter of about 20 nm are formed on the Si (111) substrate 11 through the openings formed in the SiO 2 layer 17. As a method of forming the Au fine particles 12 on the Si (111) substrate 11, for example, a method such as self-formation by metal deposition and annealing, patterning by EB lithography, or application of a solution containing the Au fine particles 12 is used. be able to.

次に、Ａｕ微粒子１２が形成されたＳｉ（１１１）基板１１を有機気相成長（ＭＯＶＰＥ）炉内に設置し、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を１×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、４８０℃でＧａＰナノワイヤ１３をＳｉ（１１１）基板１１上に１分だけ成長させた。
次に、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を５×１０−６ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＡｓＨ３（アルシン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＡｓナノワイヤ１４を４５０℃で１分だけＧａＰナノワイヤ１３上に成長させた。 Next, the Si (111) substrate 11 on which the Au fine particles 12 were formed was placed in an organic vapor phase growth (MOVPE) furnace, and TMGa (trimethylgallium) 1 × 10 −5 mol / mim, TBP (tertiary butyl). The GaP nanowires 13 were grown on the Si (111) substrate 11 for 1 minute at 480 ° C. while flowing 6 × 10 −4 mol / mim.
Next, while flowing TMGa (trimethylgallium) at 5 × 10 −6 mol / mim and AsH 3 (arsine) at 6 × 10 −4 mol / mim, the GaAs nanowire 14 is placed on the GaP nanowire 13 at 450 ° C. for 1 minute. To grow.

次に、図２（ｂ）に示すように、ＧａＰナノワイヤ１３およびＧａＡｓナノワイヤ１４が形成されたＳｉ（１１１）基板１１を有機気相成長炉から取り出し、Ｈ２ＳＯ４／Ｈ２Ｏ２／Ｈ２Ｏ＝１／１０／１００のエッチング溶液にてＧａＡｓナノワイヤ１４をウェットエッチングすることにより、ＧａＡｓナノワイヤ１４をＡｕ微粒子１２とともにＧａＰナノワイヤ１３上から除去した。 Next, as shown in FIG. 2B, the Si (111) substrate 11 on which the GaP nanowires 13 and the GaAs nanowires 14 are formed is taken out of the organic vapor phase growth furnace, and H 2 SO 4 / H 2 O 2 / H. The GaAs nanowire 14 was removed from the GaP nanowire 13 together with the Au fine particles 12 by wet etching the GaAs nanowire 14 with an etching solution of 2 O = 1/10/100.

次に、図１（ｃ）に示すように、Ａｕ微粒子１２およびＧａＡｓナノワイヤ１４が除去されたＳｉ（１１１）基板１１を有機気相成長炉内に再度設置し、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を２×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＡｓＨ３（アルシン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＰナノワイヤ１３の周囲が覆われるようにＧａＡｓキャッピング層１５を５５０℃で２分だけＳｉＯ２層１７上にエピタキシャル成長させた。 Next, as shown in FIG. 1C, the Si (111) substrate 11 from which the Au fine particles 12 and the GaAs nanowires 14 have been removed is placed again in the organic vapor phase growth furnace, and TMGa (trimethyl gallium) 2 × 10 -5 mol / mim, while flowing AsH 3 a (arsine) only 6 × 10 -4 mol / mim, the GaAs capping layer 15 as periphery of the GaP nanowires 13 is covered by 2 minutes at 550 ° C. SiO 2 layer 17 Epitaxially grown on top.

さらに、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を２×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＰＨ３（フォスフィン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＡｓキャッピング層１５の周囲が覆われるようにＧａＰキャッピング層１６を５５０℃で５分だけＳｉＯ２層１７上にエピタキシャル成長させた。
なお、ＧａＰナノワイヤ１３およびＧａＰキャッピング層１６を形成する時にｐ型またはｎ型不純物のドーピングを行うことにより、ｐｉｎ型ダイオードを形成するようにしてもよい。 Furthermore, while flowing TMGa (trimethylgallium) at 2 × 10 −5 mol / mim and PH 3 (phosphine) at 6 × 10 −4 mol / mim, the GaP capping layer 16 is covered so that the periphery of the GaAs capping layer 15 is covered. Was epitaxially grown on the SiO 2 layer 17 at 550 ° C. for 5 minutes.
Note that a pin-type diode may be formed by doping p-type or n-type impurities when forming the GaP nanowire 13 and the GaP capping layer 16.

そして、Ｓｉ（１１１）基板１１とＧａＰキャッピング層１６とを配線することで、Ｓｉ（１１１）基板１１とＧａＰキャッピング層１６との間に電源１８を接続した。
これにより、ＧａＰナノワイヤ１３にＡｕが取り込まれるのを防止しつつ、ＧａＡｓキャッピング層１５を活性層として機能させることが可能となるとともに、キャッピング成長後のロッドの上端のファセット面およびロッドの下端のＳｉＯ２層１７との界面との間で共振器を構成することが可能となり、ボトムアップ的に制御性よくナノオーダのレーザ構造を作製することができる。 The power supply 18 was connected between the Si (111) substrate 11 and the GaP capping layer 16 by wiring the Si (111) substrate 11 and the GaP capping layer 16.
This makes it possible to allow the GaAs capping layer 15 to function as an active layer while preventing the AuP from being taken into the GaP nanowires 13, and to make the facet surface at the upper end of the rod after capping growth and the SiO 2 at the lower end of the rod. A resonator can be formed between the interface with the two layers 17 and a nano-order laser structure can be manufactured with good controllability in a bottom-up manner.

なお、上述した第２実施形態では、ＧａＡｓキャッピング層１５の下端に屈折率の小さな材料を配置するために、ＧａＡｓキャッピング層１５の下端にＳｉＯ２層１７を形成する方法について説明したが、ＧａＡｓよりも屈折率の小さな材料ならば、Ｓｉ３Ｎ４層などのＳｉＯ２層以外の材料であってもよい。
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、本発明の第３実施形態に係るナノレーザ構造の作製方法を示す断面図、図３（ｄ）は、本発明の第４実施形態に係るナノレーザ構造の概略構成を示す断面図である。 In the second embodiment described above, the method of forming the SiO 2 layer 17 at the lower end of the GaAs capping layer 15 in order to dispose a material having a small refractive index at the lower end of the GaAs capping layer 15 has been described. As long as the material has a small refractive index, a material other than the SiO 2 layer such as the Si 3 N 4 layer may be used.
3 (a) to 3 (c) are cross-sectional views showing a method for producing a nanolaser structure according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 3 (d) is a nanolaser structure according to the fourth embodiment of the present invention. It is sectional drawing which shows schematic structure of these.

図３（ａ）において、直径４００ｎｍ程度のＡｕ微粒子１２をＳｉ（１１１）基板１１上に形成する。なお、Ａｕ微粒子１２をＳｉ（１１１）基板１１上に形成する方法としては、例えば、金属の蒸着とアニールによる自己形成、ＥＢリソグラフィによるパターニング、あるいはＡｕ微粒子１２を含む溶液の塗布などの方法を用いることができる。
次に、Ａｕ微粒子１２が形成されたＳｉ（１１１）基板１１を有機気相成長（ＭＯＶＰＥ）炉内に設置し、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を１×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＰＨ３（フォスフィン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＰナノワイヤ１３ａを４８０℃で１分だけＳｉ（１１１）基板１１上に成長させた。 In FIG. 3A, Au fine particles 12 having a diameter of about 400 nm are formed on the Si (111) substrate 11. As a method of forming the Au fine particles 12 on the Si (111) substrate 11, for example, a method such as self-formation by metal deposition and annealing, patterning by EB lithography, or application of a solution containing the Au fine particles 12 is used. be able to.
Next, the Si (111) substrate 11 on which the Au fine particles 12 are formed is placed in an organic vapor phase growth (MOVPE) furnace, and TMGa (trimethylgallium) is 1 × 10 −5 mol / mim, PH 3 (phosphine). The GaP nanowire 13a was grown on the Si (111) substrate 11 at 480 ° C. for 1 minute while flowing 6 × 10 −4 mol / mim.

さらに、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を５×１０−６ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＡｓＨ３（アルシン）を６×１０−４、ｍｏｌ／ｍｉｍＰＨ３（フォスフィン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂを４５０℃で２０秒だけＳｉ（１１１）基板１１上に成長させた。
さらに、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を１×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＰＨ３（フォスフィン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＰナノワイヤ１３ｃを４８０℃で１分だけＳｉ（１１１）基板１１上に成長させた。 Furthermore, while flowing TMGa (trimethylgallium) at 5 × 10 −6 mol / mim, AsH 3 (arsine) at 6 × 10 −4 , and mol / mimPH 3 (phosphine) at 6 × 10 −4 mol / mim, GaAsP The quantum dots 13b were grown on the Si (111) substrate 11 at 450 ° C. for 20 seconds.
Furthermore, while flowing TMGa (trimethyl gallium) at 1 × 10 −5 mol / mim and PH 3 (phosphine) at 6 × 10 −4 mol / mim, the GaP nanowire 13c is Si (111) substrate at 480 ° C. for 1 minute. 11 grown.

次に、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を５×１０−６ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＡｓＨ３（アルシン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＡｓナノワイヤを４５０℃で１分だけＧａＰナノワイヤ１３ｃ上に成長させた。
次に、ＧａＰナノワイヤ１３ａ、１３ｃ、ＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂおよびＧａＡｓナノワイヤが形成されたＳｉ（１１１）基板１１を有機気相成長炉から取り出し、Ｈ２ＳＯ４／Ｈ２Ｏ２／Ｈ２Ｏ＝１／１０／１００のエッチング溶液にてＧａＡｓナノワイヤをウェットエッチングすることにより、ＧａＡｓナノワイヤをＡｕ微粒子１２とともにＧａＰナノワイヤ１３ｃ上から除去した。 Next, while flowing TMGa (trimethylgallium) at 5 × 10 −6 mol / mim and AsH 3 (arsine) at 6 × 10 −4 mol / mim, the GaAs nanowire is placed on the GaP nanowire 13c at 450 ° C. for 1 minute. Grown up.
Next, the Si (111) substrate 11 on which the GaP nanowires 13a and 13c, the GaAsP quantum dots 13b, and the GaAs nanowires are formed is taken out from the organic vapor phase growth furnace, and H 2 SO 4 / H 2 O 2 / H 2 O = 1. The GaAs nanowires were removed from the GaP nanowires 13c together with the Au fine particles 12 by wet etching the GaAs nanowires with an etching solution of / 10/100.

次に、Ａｕ微粒子１２およびＧａＡｓナノワイヤが除去されたＳｉ（１１１）基板１１を有機気相成長炉内に再度設置し、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を２×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＡｓＨ３（アルシン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＰナノワイヤ１３ａ、１３ｃおよびＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂの周囲が覆われるようにＧａＡｓキャッピング層１４ａを５５０℃でＳｉ（１１１）基板１１上にエピタキシャル成長させた。 Next, the Si (111) substrate 11 from which the Au fine particles 12 and the GaAs nanowires were removed was placed again in an organic vapor phase growth furnace, and TMGa (trimethylgallium) was added at 2 × 10 −5 mol / mim, AsH 3 (arsine ) Is flowed by 6 × 10 −4 mol / mim, and the GaAs capping layer 14a is epitaxially grown on the Si (111) substrate 11 at 550 ° C. so that the periphery of the GaP nanowires 13a and 13c and the GaAsP quantum dot 13b is covered. .

さらに、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を２×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＰＨ３（フォスフィン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＡｓキャッピング層１４ａの周囲が覆われるようにＧａＰキャッピング層１５ａを５５０℃でＳｉ（１１１）基板１１上にエピタキシャル成長させた。
以上のキャッピング成長を３回だけ繰り返すことにより、ＧａＰナノワイヤ１３ａ、１３ｃおよびＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂの周囲にＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃおよびＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃが交互に配置されるようにＳｉ（１１１）基板１１上に形成した。 Further, while flowing TMGa (trimethylgallium) at 2 × 10 −5 mol / mim and PH 3 (phosphine) at 6 × 10 −4 mol / mim, the GaP capping layer 15a is covered so that the periphery of the GaAs capping layer 14a is covered. Was epitaxially grown on the Si (111) substrate 11 at 550 ° C.
By repeating the above capping growth only three times, Si (111) is formed so that the GaAs capping layers 14a to 14c and the GaP capping layers 15a to 15c are alternately arranged around the GaP nanowires 13a and 13c and the GaAsP quantum dots 13b. It was formed on the substrate 11.

なお、ＧａＰナノワイヤ１３ａ、１３ｃおよびＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂを形成する時にｐ型またはｎ型不純物のドーピングを行うことにより、ｐｉｎ型ダイオードを形成するようにしてもよい。
次に、図３（ｂ）に示すように、ＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃおよびＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃからなるキャッピング構造の周囲をレジストにて覆い、このキャッピング構造の側壁をレジストにて保護しながら、ＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃおよびＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃの表面のドライエッチングを行うことにより、ＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃの表面を露出させた。 Note that a pin-type diode may be formed by doping p-type or n-type impurities when forming the GaP nanowires 13a, 13c and the GaAsP quantum dots 13b.
Next, as shown in FIG. 3B, the periphery of the capping structure composed of the GaAs capping layers 14a to 14c and the GaP capping layers 15a to 15c is covered with a resist, and the side walls of the capping structure are protected with the resist. The surfaces of the GaAs capping layers 14a to 14c and the GaP capping layers 15a to 15c were dry-etched to expose the surfaces of the GaAs capping layers 14a to 14c.

次に、図３（ｃ）に示すように、Ｈ２ＳＯ４／Ｈ２Ｏ２／Ｈ２Ｏ＝１／１０／１００のエッチング溶液にてＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃをウェットエッチングすることにより、ＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃをＳｉ（１１１）基板１１上から除去した。
ここで、Ａｕ微粒子１２を除去してから、ＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃおよびＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃを形成することにより、平坦な（１１１）Ｂファセットを上端に形成することができ、側壁が（１１０）面で囲まれたロッド構造を形成することができる。 Next, as shown in FIG. 3C, the GaAs capping layers 14a to 14c are wet-etched with an etching solution of H 2 SO 4 / H 2 O 2 / H 2 O = 1/10/100, The GaAs capping layers 14 a to 14 c were removed from the Si (111) substrate 11.
Here, by removing the Au fine particles 12 and then forming the GaAs capping layers 14a to 14c and the GaP capping layers 15a to 15c, a flat (111) B facet can be formed at the upper end, and the side wall is ( 110) faced rod structure can be formed.

なお、ＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃの水平方向の厚さは、その材料の屈折率をｎ、ＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂの発光波長をλ（＝７６０ｎｍ）とすると、３＊λ／（４ｎ）となるように設定した。また、ＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃの２層目以降の水平方向の厚さは、λ／４となるように設定した。
これにより、発光波長λの光は、ＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃと空気の多層構造にてブラッグ反射させることが可能となる。また、中心のワイヤ径ｄを４０ｎｍとすると、１層目のＧａＡｓキャッピング層１４ａの水平方向の厚さを（λ／２−ｎｄ）／（２ｎ）とすることにより、半波長の共振器構造を水平方向に形成することができ、水平方向にレーザ発振を行わせることができる。 The horizontal thickness of the GaP capping layers 15a to 15c is 3 * λ / (4n), where n is the refractive index of the material and λ (= 760 nm) is the emission wavelength of the GaAsP quantum dots 13b. Set to. The horizontal thickness of the second and subsequent layers of the GaAs capping layers 14a to 14c was set to be λ / 4.
As a result, light having an emission wavelength λ can be Bragg-reflected by the multilayer structure of GaP capping layers 15a to 15c and air. Further, when the central wire diameter d is 40 nm, the horizontal thickness of the first GaAs capping layer 14a is (λ / 2−nd) / (2n). It can be formed in the horizontal direction, and laser oscillation can be performed in the horizontal direction.

なお、上述した第３実施形態では、ダブルへテロ接合を形成するために、ＧａＰナノワイヤ１３ａ、１３ｃおよびＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂを中心に形成する方法について説明したが、ＧａＰナノワイヤ１３を中心に形成し、ＧａＡｓキャッピング層１４ａおよびＧａＰキャッピング層１５ａを残すことで、ＧａＡｓキャッピング層１４ａを活性層として機能させるようにしてもよい。   In addition, in 3rd Embodiment mentioned above, in order to form a double heterojunction, although demonstrated about the method of forming centering on GaP nanowire 13a, 13c and GaAsP quantum dot 13b, it formed centering on GaP nanowire 13, By leaving the GaAs capping layer 14a and the GaP capping layer 15a, the GaAs capping layer 14a may function as an active layer.

ここで、ＧａＡｓキャッピング層１４ａおよびＧａＰキャッピング層１５ａを残したまま、ＧａＰキャッピング層１５ｂ、１５ｃと空気の多層構造からなるブラッグ反射層を水平方向に形成するために、ＧａＰキャッピング層１５ａ上をレジストにて保護しながら、ＧａＡｓキャッピング層１４ｂ、１４ｃおよびＧａＰキャッピング層１５ｂ、１５ｃの表面のドライエッチングを行うことにより、ＧａＡｓキャッピング層１４ｂ、１４ｃの表面を露出させ、Ｈ２ＳＯ４／Ｈ２Ｏ２／Ｈ２Ｏ＝１／１０／１００のエッチング溶液にてＧａＡｓキャッピング層１４ｂ、１４ｃをウェットエッチングすることができる。 Here, with the GaAs capping layer 14a and the GaP capping layer 15a left, the GaP capping layers 15b and 15c and a Bragg reflection layer having a multilayer structure of air are formed in the resist in order to form a Bragg reflection layer in the horizontal direction. The surfaces of the GaAs capping layers 14b and 14c are exposed by performing dry etching on the surfaces of the GaAs capping layers 14b and 14c and the GaP capping layers 15b and 15c, while protecting the H 2 SO 4 / H 2 O 2 / The GaAs capping layers 14b and 14c can be wet-etched with an etching solution of H 2 O = 1/10/100.

図４は、本発明の第５実施形態に係るナノレーザ構造の作製方法を示す断面図である。
図４（ａ）において、図３（ａ）と同様の方法により、ＧａＰナノワイヤ１３ａ、１３ｃおよびＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂを中心として、ＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃおよびＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃをＳｉ（１１１）基板１１上に形成する。 FIG. 4 is a cross-sectional view showing a method for producing a nanolaser structure according to a fifth embodiment of the present invention.
In FIG. 4A, the GaAs capping layers 14a to 14c and the GaP capping layers 15a to 15c are made Si (111) around the GaP nanowires 13a and 13c and the GaAsP quantum dots 13b by the same method as in FIG. It is formed on the substrate 11.

次に、図４（ｂ）に示すように、上端のＧａＰキャッピング層１５ｃにＳｉＯ２基板２１を貼り合わせ、エッチングまたは研削などの方法でＳｉ（１１１）基板１１を除去する。
次に、図４（ｃ）に示すように、Ｈ２ＳＯ４／Ｈ２Ｏ２／Ｈ２Ｏ＝１／１０／１００のエッチング溶液にてＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃをウェットエッチングすることにより、ＧａＰナノワイヤ１３ａおよびＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃがＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃにて保持されるようにしたまま、ＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂをＧａＡｓキャッピング層１４ａから露出させる。 Next, as shown in FIG. 4B, the SiO 2 substrate 21 is bonded to the upper GaP capping layer 15c, and the Si (111) substrate 11 is removed by a method such as etching or grinding.
Next, as shown in FIG. 4 (c), by wet-etching the GaAs capping layer 14a~14c by etching solution H 2 SO 4 / H 2 O 2 / H 2 O = 1/10/100, The GaAsP quantum dots 13b are exposed from the GaAs capping layer 14a while the GaP nanowires 13a and the GaP capping layers 15a to 15c are held by the GaAs capping layers 14a to 14c.

これにより、ＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃと空気の多層構造からなるブラッグ反射層をＳｉＯ２基板２１上に配置することが可能となり、ナノオーダのレーザ構造をＳｉＯ２基板２１上に形成することができる。
なお、上述した第５実施形態では、ＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃと空気の多層構造からなるブラッグ反射層をＳｉＯ２基板２１上に配置する方法について説明したが、Ｓｉ（１１１）基板１１とは異なる材料ならば、ＳｉＯ２基板２１以外のセラミック基板などを用いるようにしてもよい。 Thus, it is possible to form the Bragg reflective layer of the multilayer structure of the GaP capping layer 15a~15c and air can be disposed on the SiO 2 substrate 21, the laser structure of the nano-order on the SiO 2 substrate 21.
In the above-described fifth embodiment, the method of disposing the GaP capping layers 15 a to 15 c and the Bragg reflection layer having a multilayer structure of air on the SiO 2 substrate 21 has been described, but is different from the Si (111) substrate 11. As the material, a ceramic substrate other than the SiO 2 substrate 21 may be used.

図５は、本発明の第６実施形態に係るナノレーザ構造の概略構成を示す斜視図である。
図５において、図３（ｃ）のＳｉ（１１１）基板１１上には、ＧａＰナノワイヤ１３ａ、１３ｃおよびＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂを中心として、ＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃと空気の多層構造からなるブラッグ反射層が形成されている。そして、ＧａＰナノワイヤ１３ｃ上には、ＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂに電流を注入する透明電極２２が形成され、Ｓｉ（１１１）基板１１と透明電極２２とを配線することで、Ｓｉ（１１１）基板１１と透明電極２２との間に電源２３が接続されている。 FIG. 5 is a perspective view showing a schematic configuration of a nanolaser structure according to a sixth embodiment of the present invention.
In FIG. 5, on the Si (111) substrate 11 of FIG. 3 (c), a Bragg reflection layer comprising GaP capping layers 15a to 15c and a multilayer structure of air with GaP nanowires 13a and 13c and GaAsP quantum dots 13b as the center. Is formed. A transparent electrode 22 for injecting current into the GaAsP quantum dots 13b is formed on the GaP nanowire 13c. By wiring the Si (111) substrate 11 and the transparent electrode 22, the Si (111) substrate 11 and the transparent electrode 22 are transparent. A power supply 23 is connected between the electrodes 22.

これにより、ＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃと空気の多層構造からなるブラッグ反射層を水平方向に形成し、ナノオーダのレーザ構造を形成することが可能となるとともに、垂直方向から光を取り出すことができる。
図６は、本発明の第７実施形態に係るナノレーザ構造の概略構成を示す平面図である。
図６において、図３（ｂ）のＳｉ（１１１）基板１１上には、ＧａＰナノワイヤ１３ａ、１３ｃおよびＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂを中心として、ＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃおよびＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃの多層構造が形成されている。そして、ＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃには、特定の方向に沿うようにして開口部２４が形成され、ＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃと空気の多層構造からなるブラッグ反射層が特定の方向に形成されている。 This makes it possible to form a Bragg reflection layer having a GaP capping layers 15a to 15c and a multilayer structure of air in the horizontal direction, to form a nano-order laser structure, and to extract light from the vertical direction.
FIG. 6 is a plan view showing a schematic configuration of the nanolaser structure according to the seventh embodiment of the present invention.
In FIG. 6, a multilayer structure of GaAs capping layers 14a to 14c and GaP capping layers 15a to 15c centering on GaP nanowires 13a and 13c and GaAsP quantum dots 13b on the Si (111) substrate 11 of FIG. 3B. Is formed. The GaAs capping layers 14a to 14c are formed with openings 24 along a specific direction, and GaP capping layers 15a to 15c and a Bragg reflection layer having a multilayer structure of air are formed in a specific direction. Yes.

これにより、ＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃと空気の多層構造からなるブラッグ反射層を特定の方向に形成することができ、光の出射方向を制御しつつ、ボトムアップ的に制御性よくナノオーダのレーザ構造を作製することができる。
なお、上述した実施形態では、ＶＬＳ成長またはＶＳＳ成長を行わせるために、Ｓｉ（１１１）半導体基板を用いる方法について説明したが、ＧａＡｓ基板やＩｎＰ基板上にヘテロ接合のナノワイヤを形成し、触媒の金属微粒子をナノワイヤの一部とともに除去してから、Ａｓ系材料およびＰ系材料を組み合わせてキャッピング層を形成し、選択エッチングにて空気層と半導体層からなる反射鏡を形成するようにしてもよい。 As a result, a Bragg reflection layer composed of a GaP capping layer 15a-15c and a multilayer structure of air can be formed in a specific direction, and a nano-order laser structure with good bottom-up controllability while controlling the light emission direction. Can be produced.
In the above-described embodiment, a method using a Si (111) semiconductor substrate to perform VLS growth or VSS growth has been described. However, a heterojunction nanowire is formed on a GaAs substrate or an InP substrate, and a catalyst is formed. After removing the metal fine particles together with a part of the nanowire, a capping layer may be formed by combining an As-based material and a P-based material, and a reflecting mirror composed of an air layer and a semiconductor layer may be formed by selective etching. .

また、上述した実施形態では、選択エッチングとしてウェットエッチングを用いる方法について説明したが、ハロゲンガスを用いたドライエッチングを用いるようにしてもよい。さらに、活性層を光吸収層として使用することで、受光器や変調器として応用するようにしてもよい。   In the above-described embodiment, the method using wet etching as selective etching has been described. However, dry etching using halogen gas may be used. Furthermore, the active layer may be used as a light absorption layer to be applied as a light receiver or a modulator.

図１（ａ）〜図１（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係るナノレーザ構造の作製方法を示す断面図、図１（ｄ）は、本発明の第１実施形態に係るナノレーザ構造の構成を示すＳＥＭ像である。FIG. 1A to FIG. 1C are cross-sectional views showing a method for producing a nanolaser structure according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1D is a nanolaser structure according to the first embodiment of the present invention. It is a SEM image which shows the structure of these. 本発明の第２実施形態に係るナノレーザ構造の作製方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the preparation methods of the nano laser structure concerning 2nd Embodiment of this invention. 図３（ａ）〜図３（ｃ）は、本発明の第３実施形態に係るナノレーザ構造の作製方法を示す断面図、図４（ｄ）は、本発明の第４実施形態に係るナノレーザ構造の概略構成を示す断面図である。3 (a) to 3 (c) are cross-sectional views showing a method for producing a nanolaser structure according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 4 (d) is a nanolaser structure according to the fourth embodiment of the present invention. It is sectional drawing which shows schematic structure of these. 本発明の第５実施形態に係るナノレーザ構造の作製方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the preparation methods of the nano laser structure concerning 5th Embodiment of this invention. 本発明の第６実施形態に係るナノレーザ構造の概略構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows schematic structure of the nano laser structure concerning 6th Embodiment of this invention. 本発明の第７実施形態に係るナノレーザ構造の概略構成を示す平面図である。It is a top view which shows schematic structure of the nano laser structure concerning 7th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１１ Ｓｉ（１１１）基板
１２ Ａｕ微粒子
１３、１３ａ、１３ｃ ＧａＰナノワイヤ
１４ ＧａＡｓナノワイヤ
１５、１４ａ〜１４ｃ ＧａＡｓキャッピング層
１６、１５ａ〜１５ｃ ＧａＰキャッピング層
１７ ＳｉＯ２層
１８、２３ 電源
１３ｂ ＧａＡｓＰ量子ドット
２１ ＳｉＯ２基板
２２ 透明電極
２４ 開口部 11 Si (111) substrate 12 Au fine particles 13, 13a, 13c GaP nanowire 14 GaAs nanowire 15, 14a-14c GaAs capping layer 16, 15a-15c GaP capping layer 17 SiO 2 layer 18, 23 Power supply 13b GaAsP quantum dot 21 SiO 2 Substrate 22 Transparent electrode 24 Opening

Claims (6)

金属微粒子を半導体基板上に形成する工程と、
ＶＬＳ成長またはＶＳＳ成長にて前記金属微粒子下に第１ナノワイヤを形成する工程と、
前記第１ナノワイヤよりもエッチングレートの大きな第２ナノワイヤをＶＬＳ成長もしくはＶＳＳ成長にて前記第１ナノワイヤ上に形成する工程と、
前記第２ナノワイヤを選択的にエッチングすることにより、前記金属微粒子を第２ナノワイヤとともに前記第１ナノワイヤ上から除去する工程と、
前記第２ナノワイヤが除去された前記第１ナノワイヤの周囲に前記第１ナノワイヤとヘテロ接合を構成する第１キャッピング層を結晶成長にて形成する工程と、
前記第１キャッピング層の周囲に前記第１キャッピング層とヘテロ接合を構成する第２キャッピング層を結晶成長にて形成する工程とを備えることを特徴とするナノレーザ構造の作製方法。 Forming metal fine particles on a semiconductor substrate;
Forming a first nanowire under the metal fine particles by VLS growth or VSS growth;
Forming a second nanowire having an etching rate larger than that of the first nanowire on the first nanowire by VLS growth or VSS growth;
Removing the metal fine particles from the first nanowire together with the second nanowire by selectively etching the second nanowire;
Forming a first capping layer constituting a heterojunction with the first nanowire by crystal growth around the first nanowire from which the second nanowire has been removed;
Forming a second capping layer that forms a heterojunction with the first capping layer by crystal growth around the first capping layer. 半導体基板上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層に開口部を形成する工程と、
前記開口部を介して金属微粒子を半導体基板上に形成する工程と、
ＶＬＳ成長またはＶＳＳ成長にて前記金属微粒子下に第１ナノワイヤを形成する工程と、
前記第１ナノワイヤよりもエッチングレートの大きな第２ナノワイヤをＶＬＳ成長もしくはＶＳＳ成長にて前記第１ナノワイヤ上に形成する工程と、
前記第２ナノワイヤを選択的にエッチングすることにより、前記金属微粒子を第２ナノワイヤとともに前記第１ナノワイヤ上から除去する工程と、
前記第２ナノワイヤが除去された前記第１ナノワイヤの周囲が覆われるようにして、前記第１ナノワイヤとヘテロ接合を構成する第１キャッピング層を結晶成長にて前記絶縁層上に形成する工程と、
前記第１キャッピング層の周囲が覆われるようにして、前記第１キャッピング層とヘテロ接合を構成する第２キャッピング層を結晶成長にて前記絶縁層上に形成する工程とを備えることを特徴とするナノレーザ構造の作製方法。 Forming an insulating layer on the semiconductor substrate;
Forming an opening in the insulating layer;
Forming metal fine particles on the semiconductor substrate through the opening;
Forming a first nanowire under the metal fine particles by VLS growth or VSS growth;
Forming a second nanowire having an etching rate larger than that of the first nanowire on the first nanowire by VLS growth or VSS growth;
Removing the metal fine particles from the first nanowire together with the second nanowire by selectively etching the second nanowire;
Forming a first capping layer that forms a heterojunction with the first nanowire on the insulating layer by crystal growth so that the periphery of the first nanowire from which the second nanowire has been removed is covered;
Forming a second capping layer that forms a heterojunction with the first capping layer on the insulating layer by crystal growth so that the periphery of the first capping layer is covered. A method for producing a nanolaser structure. 前記第１ナノワイヤの途中に前記第１ナノワイヤとヘテロ接合を構成する量子ドットまたは超格子構造を形成する工程とを備えることを特徴とする請求項１または２記載のナノレーザ構造の作製方法。   The method for producing a nanolaser structure according to claim 1, further comprising: forming a quantum dot or a superlattice structure that forms a heterojunction with the first nanowire in the middle of the first nanowire. 前記第１ナノワイヤの周囲に前記第１キャッピング層と前記第２キャッピング層とが交互に配置された多層構造を形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のナノレーザ構造の作製方法。   4. The nanolaser structure according to claim 1, wherein a multilayer structure in which the first capping layer and the second capping layer are alternately arranged around the first nanowire is formed. 5. Manufacturing method. 前記第２キャッピング層を除去することにより、所定間隔を隔てて配置された第１キャッピング層にて水平方向にブラッグ反射鏡を形成することを特徴とする請求項４記載のナノレーザ構造の作製方法。   5. The method of manufacturing a nanolaser structure according to claim 4, wherein the second capping layer is removed to form a Bragg reflector in the horizontal direction with the first capping layer arranged at a predetermined interval. 前記多層構造の上面を絶縁性基板に貼り合わせる工程と、
前記絶縁性基板にて前記多層構造を支持させながら、前記第１ナノワイヤが形成された半導体基板を除去する工程と、
前記絶縁性基板に貼り合わされた多層構造の第２キャッピング層を除去することにより、所定間隔を隔てて配置された第１キャッピング層にて水平方向にブラッグ反射鏡を形成する工程とを備えることを特徴とする請求項４記載のナノレーザ構造の作製方法。 Bonding the upper surface of the multilayer structure to an insulating substrate;
Removing the semiconductor substrate on which the first nanowires are formed while supporting the multilayer structure on the insulating substrate;
Forming a Bragg reflector in a horizontal direction by removing the second capping layer having a multilayer structure bonded to the insulating substrate, with the first capping layer disposed at a predetermined interval. The method for producing a nanolaser structure according to claim 4.
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