JP5952130B2

JP5952130B2 - 光素子の製造方法

Info

Publication number: JP5952130B2
Application number: JP2012180038A
Authority: JP
Inventors: 博雄尾身; 毅彦俵; 牧本　俊樹; 俊樹牧本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-08-15
Filing date: 2012-08-15
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2032-08-15
Also published as: JP2014038927A

Description

本発明は、希土類の化合物を用いた光素子の製造方法に関するものである。

光導波路、発光素子、受光素子をシリコン基板上にモノリシックに作製することを目指すシリコンフォトニクスの研究分野は、大きく進展している（非特許文献１参照）。このシリコンフォトニクスにおいて、シリコン基板上の発光素子材料としてシリコン系の半導体を用いる場合、発光強度が化合物半導体などの直接遷移型の半導体材料に比べて非常に弱いことが問題になる。また、シリコンフォトニクスでは、光導波路としてシリコン細線が重要な役割を果たしている（特許文献１，２参照）。波長が１．１μｍ以下の光は、シリコンに吸収されてしまうので、シリコンフォトニクスでは１．１μｍ以上の波長の光が必要となる。

このような背景から、１．５μｍで発光する希土類元素、例えばエルビウムをシリコンに添加する試みが研究されてきたが、シリコン中へのエルビウムの固溶限界のため、十分な強度の発光が得られていない（非特許文献２参照）。ここで、このようにシリコン系の比較的弱い発光でも、例えば、光ファイバーで実現されているエルビウム添加ファイバー光増幅器（Erbium doped fiber amplifier：ＥＤＦＡ）のような光増幅機能を付加できれば、シリコンフォトニクスにおける励起光あるいは信号光として十分利用できる可能性がある。

しかしながら、ＥＤＦＡの場合、光増幅を行うためのファイバー長は通常数十メートル必要であり、シリコン基板上に搭載することは物理的に不可能である。通常、光増幅の利得はガラス中に添加された希土類イオンの濃度（量）により決定され、ＥＤＦＡの場合には、約１０¹⁹ｃｍ^-3のエルビウムイオンが添加されている。この濃度は、ガラス中へのエルビウムイオンの固溶限界により決められ、上述した以上にエルビウムの濃度を高めることができない。

これに対し、上記ファイバー長をさらに長くすれば、光増幅に寄与するエルビウムイオンの量をより多くすることができ、光増幅の利得を向上させることが可能である。しかしながら、ファイバー長をさらに長くすることは、シリコンフォトニクスへの適用をさらに困難にすることになる。このように、物理的制約により、ＥＤＦＡをシリコンフォトニクスに応用することは現実的ではない（非特許文献２参照）。

一方、自然界には、希土類を例えばイオンとして多量に含有する希土類化合物がある。例えば、エルビウム化合物が存在する。特に、希土類酸化物および希土類シリケイト材料は、シリコンフォトニクスへの応用の可能性が高いことから、大きな注目を集めてきている（非特許文献３参照）。

以下にその理由を説明する。例えば、酸化エルビウムおよびエルビウムシリケイト構造を例として取り上げた場合、酸化エルビウムおよびエルビウムシリケイトの結晶は、単位格子内に１０²²ｃｍ^-3の濃度のＥｒ³⁺イオンを自然に内包している。この濃度は、ＥＤＦＡの場合と比較した場合約１０００倍に相当し、これをＥＤＦＡに当てはめると、ＥＤＦＡの長さを１/１０００、すなわち数百ｎｍの長さまで短くしても同程度の光増幅の性能が得られることを意味している。

従って、上述したような希土類元素の化合物を利用すれば、シリコン上での光回路設計を考えるシリコンフォトニクスへの応用が視野に入ることになる。例えば、シリコン基板上で光増幅機能を実現するための材料としては、酸化エルビウムおよびエルビウムシリケイトが最も有力な材料の候補となる。

このような背景の下、最近、シリコン基板上でのエルビウム化合物の成長、およびエルビウム化合物の光学的特性の評価の研究が盛んに進められてきている（非特許文献４，５，６参照）。

しかし、一方で、エルビウムの濃度が高すぎることにより濃度消光という問題が発生する。濃度消光とは、エルビウムイオン間の距離が原子レベルで近い場合に起こる現象である。エネルギーマイグレーションおよび協同アップコンバージョンなどが、濃度消失の機構として知られている。

この問題を解決するために、最近、イットリウム（Ｙ）およびガドリニウム（Ｇｄ）などの、エルビウムイオンとほぼ同じイオン半径を持つ希土類の酸化物、イットリウムシリケイト，ガドリニウムシリケイト化合物材料などに、エルビウムを添加する技術が提案されている（非特許文献７参照）。

さらに、エルビウムイオンの発光効率を高めるため、イットリウム化合物、ガドリニウム化合物に、エルビウムに加えてイッテルビウム（Ｙｂ）を添加する技術が提案されている。この技術では、ポンプ光の波長をイッテルビウムイオンのエネルギー準位と同じにすることにより、上述した化合物中のイッテルビウムイオンにポンプ光を効果的に吸収させ、この吸収エネルギーを、イッテルビウムを介してエルビウムイオンに移動させることによりエルビウムイオン（Ｅｒ）の発光効率を高めるようにしている（非特許文献８参照）。

特開２００４−２８１９７２号公報特開２００４−３１９６６８号公報

金光義彦、深津晋著、「シリコンフォトニクス」、オーム社、８９−１１８頁。 A. J. Kenyon , "Erbium in silicon", Semicond. Sci. Technol. , VOL.20, R65-R84, 2005. 須藤昭一編、「エルビウム添加光ファイバ増幅器」、オプトロニクス社、３−２２頁。 C. P. Michael et al, "Growth, processing, and optical properties of epitaxial Er2O3 on silicon", OPTICS EXPRESS, Vol.16, No.24, pp.19649-19666, 2008. John B. Gruber et al. , "Modeling optical transitions of Er3+.4f11… in C2 and C3i sites in polycrystalline Y2O3", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol.104, 023101, 2008. H.ISSHIKI and T.KIMURA, "Toward Small SizeWaveguide Amplifiers Based on Erbium Silicate for Silicon Photonics", IEICE TRANS. ELECTRON. , vol.E91.C, no.2 , pp.138-144, 2008. K. Shu et al. , "Cooperative upconversion and optical gain in ion-beam sputter-deposited ErxY2-xSiO5 waveguides", Optics Lett. vol. 18, No. 8, pp.7724-7731, 2010. R. Guo et al. , "Optical amplification Eｒ/Yb silicate loaded waveguide", Appl. Phys. Lett. , vol. 99, 161115, 2011.

ところで、上述したような希土類の酸化物を光増幅器の材料として応用する場合には、例えばＥＤＦＡなどのファイバー増幅器の場合にはなかった新らたな問題が発生する。一般に、ファイバー増幅器の材料はアモルファス構造のホスト材料に希土類元素が添加された構造となっている。このため、例えばエルビウムイオンなどの希土類イオンを取り巻く構造上の環境が無秩序であるため、結果として希土類の発光幅が非常に広くなる。ＥＤＦＡではこの特性が有効に活かされている。

しかし、酸化物およびシリケイトなどの結晶をホスト材料とした場合、添加された希土類イオンは結晶構造の格子サイト、すなわち秩序構造中に配置されることになる。このため、エルビウムの発光は発光幅を広げる要因の一つである不均一幅が小さくなり、原子の発光に似た鋭いピーク形状を示すこととなる。このような発光の鋭い形状は、狭線幅レーザーに応用する場合には好都合であるが、光アンプとしての応用を考えた場合には、増幅できる波長帯が限られてしまうという点で問題となる。

光アンプは、通常、ポンプ光により希土類イオン内のエネルギー準位において反転分布を実現し、この状態に信号光を入射することにより、誘導放射を利用して信号光を増幅している。従って、ホスト材料内の希土類イオンの反転分布状態が実現する帯域が広ければ広いほど、信号光の増幅帯域も広げられることになる。光ファイバーの場合と同様、増幅帯域が広がれば、光による情報の転送量も増やすことができるため、シリコンフォトニクスにおいても光増幅の広帯域化は重要である。

これらのことからわかるように、結晶中の希土類イオンの発光スペクトルが鋭い形状を示すことは、光アンプとしての応用を考えた場合には不利となる。また、結晶内の希土類発光は、本質的に鋭い発光スペクトルを示すことになるので、本質的に発光幅を広げることは困難である。

以上に説明したように、酸化物やシリケイトなどの結晶をホスト材料として希土類を添加した材料では、広帯域の光素子を構成することが容易ではないという問題があった。

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、酸化物やシリケイトなどの結晶をホスト材料として希土類を添加した材料で、より広帯域の光素子が構成できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光素子の製造方法は、第１希土類の酸化物からなる第１希土類酸化物層および第１希土類とは異なる第２希土類の酸化物からなる第２希土類酸化物層の積層構造からなる希土類含有層を物理蒸着法により下部シリコン層の上に形成する工程と、希土類含有層を加熱して凝集させて第１希土類の酸化物に第２希土類を添加した第１結晶，第１希土類のシリケイトに第２希土類を添加した第２結晶からなる光機能層を形成する工程とを少なくとも備える。

上記光素子の製造方法において、光機能層を形成した後、光機能層の上に上部シリコン層を形成する工程を備え、下部シリコン層と上部シリコン層とは異なる導電型とし、希土類含有層を加熱して下部シリコン層の上に第１結晶，第２結晶から構成された複数の微細構造体からなる発光層となる光機能層を形成すればよい。また、下部シリコン層の表面に凹凸を形成する工程を備え、凹凸を形成した下部シリコン層の上に希土類含有層を形成するようにしてもよい。なお、凹凸は溝部とすれば、希土類含有層を加熱して溝部に凝集させて光導波路のコアとなる光機能層を形成することができる。

また、光素子は、上述した光素子の製造方法によって製造した光素子である。例えば、上記発光層を備える発光素子である。また例えば、光素子は、コアとなる光機能層から構成された光増幅部を備える光増幅器である。

以上説明したことにより、本発明によれば、酸化物やシリケイトなどの結晶をホスト材料として希土類を添加した材料で、より広帯域の光素子が構成できるようにな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１における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態１における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。図１Ｃは、本発明の実施の形態１における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。図１Ｄは、本発明の実施の形態１における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。図１Ｅは、本発明の実施の形態１における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。図１Ｆは、本発明の実施の形態１における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す平面図である。図２Ａは、本発明の実施の形態２における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。図２Ｂは、本発明の実施の形態２における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。図２Ｃは、本発明の実施の形態２における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。図２Ｄは、本発明の実施の形態２における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す平面図である。図２Ｅは、本発明の実施の形態２における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。図２Ｆは、本発明の実施の形態２における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。図３Ａは、本発明の実施の形態３における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。図３Ｂは、本発明の実施の形態３における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。図３Ｃは、本発明の実施の形態３における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す平面図である。図３Ｄは、本発明の実施の形態３における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。図３Ｅは、本発明の実施の形態３における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。図３Ｆは、本発明の実施の形態３における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す平面図である。図４Ａは、本発明の実施の形態４における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す平面図である。図４Ｂは、本発明の実施の形態４における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す平面図である。図４Ｃは、本発明の実施の形態４における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す平面図である。図４Ｄは、本発明の実施の形態４における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す平面図である。図４Ｅは、本発明の実施の形態４における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す平面図である。図４Ｆは、本発明の実施の形態４における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す平面図である。図５は、本発明の実施の形態における光素子の構成例を示す平面図である。図６は、本発明の実施の形態における光素子の構成例を示す断面図である。図７は、本発明の実施の形態における光素子の構成例を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について、図１Ａ〜図１Ｆを用いて説明する。図１Ａ〜図１Ｆは、本発明の実施の形態１における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図および平面図である。図１Ａ〜図１Ｅは断面図、図１Ｆは平面図である。

まず、図１Ａに示すように、シリコン層（下部シリコン層）１０３を備える基板を用意する。基板は、シリコン基部１０１および埋め込み絶縁層１０２を備えるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板であり、ＳＯＩ基板の表面シリコン層がシリコン層１０３である。

次に、図１Ｂに示すように、シリコン層１０３に、溝部１０４を形成する。例えば、公知のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によりシリコン層１０３をパターニングすることで、溝部１０４を形成すればよい。

次に、図１Ｃに示すように、第１希土類の酸化物からなる第１希土類酸化物層１０５ａ，第１希土類とは異なる第２希土類の酸化物からなる第２希土類酸化物層１０５ｂ，および第１希土類の酸化物からなる第３希土類酸化物層１０５ｃの積層構造からなる希土類含有層１０５を、シリコン層１０３の上に形成する。例えば、第１希土類はイッテルビウムであり、第２希土類はエルビウムである。この場合、第１希土類酸化物層１０５ａおよび第３希土類酸化物層１０５ｃは、酸化イッテルビウムから構成され、第２希土類酸化物層１０５ｂは、酸化エルビウムから構成されたものとなる。

ここで、第１希土類酸化物層１０５ａ，第２希土類酸化物層１０５ｂ，および第３希土類酸化物層１０５ｃは、スパッタ法などの物理蒸着法により、基板を加熱することなく形成する。なお、真空蒸着法により第１希土類酸化物層１０５ａ，第２希土類酸化物層１０５ｂ，および第３希土類酸化物層１０５ｃを形成してもよい。このようにして形成した第１希土類酸化物層１０５ａ，第２希土類酸化物層１０５ｂ，および第３希土類酸化物層１０５ｃは、非結晶（アモルファス）状態となっている。

次に、第１希土類酸化物層１０５ａ，第２希土類酸化物層１０５ｂ，および第３希土類酸化物層１０５ｃの積層構造からなる希土類含有層１０５を例えば９５０℃に加熱することで、希土類含有層１０５を溝部１０４に凝集させ、図１Ｄに示すように、希土類コア部（光機能層）１０６を形成する。希土類コア部１０６は、第１希土類の酸化物に第２希土類を添加した第１結晶および第１希土類のシリケイトに第２希土類を添加した第２結晶から構成されたものとなる。実施の形態１では、酸化イッテルビウムにエルビウムが添加されている第１結晶と、イッテルビウムシリケイトにエルビウムが添加されている第２結晶とから希土類コア部１０６が形成される。例えば、希土類コア部１０６は、第１結晶および第２結晶からなる多結晶体である。

上述した構成の希土類の酸化物からなる希土類含有層１０５は、加熱することで、下地に形成されている凹部に凝集する。また、この加熱により、アモルファス状態であった希土類の酸化物が結晶化するので、希土類コア部１０６は、結晶から構成されたものとなる。また、加熱により、シリコン層１０３のシリコンが希土類酸化物層の中に内部拡散することにより、上述したように希土類のシリケイトによる第２結晶が形成されるようになる。言い換えると、凝集させる温度は、少なくとも上述した構成の希土類含有層１０５が結晶化する温度とすると共に、シリコン層１０３のシリコンが希土類含有層１０５へ拡散する温度とすることが重要である。なお、希土類コア部１０６の寸法、例えば、断面形状の高さは、希土類含有層１０５の量によって決定される。

ここで、エルビウム添加酸化イッテルビウム（第１結晶）の発光スペクトルは、１５３５ｎｍに主ピークを持つ。一方、エルビウム添加イッテルビウムシリケイト（第２結晶）は、１５３０ｎｍに主ピークを持つ。これらの混合物からのスペクトルは、上述した２つの発光スペクトルが重なった形状となる。このため、これらの混合物（希土類コア部１０６）の形成により、発光スペクトルの実効的なスペクトル幅を広げることができることになる。また、適宜の製造の条件、例えば、エルビウムが添加された酸化物およびエルビウムが添加されたシリケイトの何れの発光強度も同時に強まる熱処理の条件では、通信波長帯のＣバンド（１５３０−１５６５ｎｍ）の発光スペクトルを同時に高強度かつ広帯域で持つ混合結晶（多結晶体）を形成することができる。

次に、図１Ｅに示すように、希土類コア部１０６が形成されたシリコン層１０３の上に、酸化シリコン層１０７を形成する。例えば、スパッタ法により酸化シリコンを堆積することで、酸化シリコン層１０７が形成できる。希土類コア部１０６の平面形状は、図１Ｆの平面図に示すように、導波方向（紙面上下方向）に長い矩形である。図１Ｅの断面図では、紙面手前より奥にかけて延在するコア形状となっている。これらのことにより、埋め込み絶縁層１０２を下部クラッド層とし、酸化シリコン層１０７を上部クラッド層とする光導波路構造の希土類コア部１０６を用いた光増幅素子が得られる。

上述した製造方法により形成する光導波路構造では、希土類コア部１０６の断面形状の寸法は、例えば、高さおよび幅が１．５μｍ以上である。また、シリコン層１０３の層厚は、希土類コア部１０６の厚さの半分以上とされていればよい。

以上に説明したように、実施の形態１によれば、各々主ピークの波長が異なる希土類添加希土類酸化物による第１結晶および希土類添加希土類シリケイトによる第２結晶から光機能層を構成するようにしたので、酸化物やシリケイトなどの結晶をホスト材料として希土類を添加した材料で、より広帯域の光素子が構成できるようになる。

また、実施の形態１によれば、蒸着した希土類含有層１０５の大部分をエッチングなどにより除去することなく、希土類コア部１０６が形成できる。希土類コア部１０６より構成される光導波路は、光変調器（光素子）として用いることができる。このように、実施の形態１によれば、材料を無駄にすることなく、希土類化合物を用いた光素子が製造できる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図２Ａ〜図２Ｆを用いて説明する。図２Ａ〜図２Ｆは、本発明の実施の形態２における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図および平面図である。図２Ａ〜図２Ｃ，図２Ｅ，図２Ｆは断面図、図２Ｄは平面図である。

まず、図２Ａに示すように、シリコン層（下部シリコン層）２０３を備える基板を用意する。基板は、シリコン基部２０１および埋め込み絶縁層２０２を備えるＳＯＩ基板であり、ＳＯＩ基板の表面シリコン層がシリコン層２０３である。

次に、図２Ｂに示すように、第１希土類の酸化物からなる第１希土類酸化物層２０４ａ，第１希土類とは異なる第２希土類の酸化物からなる第２希土類酸化物層２０４ｂ，および第１希土類の酸化物からなる第３希土類酸化物層２０４ｃの積層構造からなる希土類含有層２０４を、シリコン層２０３の上に形成する。例えば、第１希土類はイッテルビウムであり、第２希土類はエルビウムである。この場合、第１希土類酸化物層２０４ａおよび第３希土類酸化物層２０４ｃは、酸化イッテルビウムから構成され、第２希土類酸化物層２０４ｂは、酸化エルビウムから構成されたものとなる。

ここで、第１希土類酸化物層２０４ａ，第２希土類酸化物層２０４ｂ，および第３希土類酸化物層２０４ｃは、スパッタ法や真空蒸着法などの物理蒸着法により、基板を加熱することなく形成する。このようにして形成した第１希土類酸化物層２０４ａ，第２希土類酸化物層２０４ｂ，および第３希土類酸化物層２０４ｃは、アモルファス状態となっている。

次に、希土類含有層２０４までを形成した状態でこれらを例えば９５０℃に加熱することで、希土類含有層２０４とシリコン層２０３のシリコンとを反応させ、また、希土類含有層２０４を結晶化し、図２Ｃおよび図２Ｄに示すように、複数のナノ構造（光機能層）２０５を形成する。ナノ構造２０５は、第１希土類の酸化物に第２希土類を添加した第１結晶，第１希土類のシリケイトに第２希土類を添加した第２結晶から構成されたものとなる。実施の形態２では、酸化イッテルビウムにエルビウムが添加されている第１結晶、または、イッテルビウムシリケイトにエルビウムが添加されている第２結晶から、ナノ構造２０５が形成される。

実施の形態２では、シリコン層２０３に凹凸が形成されていないため、加熱により希土類含有層２０４が一体に凝集することがなく、下層のシリコン層２０３のシリコンと反応してシリケイトを形成し、部分的に凝集してナノ構造２０５を形成する。実施の形態２では、希土類含有層２０４を構成している酸化イッテルビウムがシリコン層２０３のシリコンと反応してイッテルビウムシリケイトを形成する。また、希土類含有層２０４を構成している酸化エルビウムの一部のエルビウムがシリケイトに添加され、エルビウム添加イッテルビウムシリケイト（Ｅｒ_xＹｂ_2-xＳｉ₂Ｏ₇）からなる第２結晶を形成する。また、酸化エルビウムの一部のエルビウムが酸化イッテルビウムの結晶格子サイトを置換して、エルビウム添加イッテルビウム（Ｅｒ_xＹｂ_2-xＯ₃）からなる第１結晶を形成する。

次に、図２Ｅに示すように、ナノ構造２０５が形成されたシリコン層２０３の上に、シリコン層（上部シリコン層）２０６を形成する。この後、図２Ｆに示すようにシリコン層２０３およびシリコン層２０６を所定のメサ構造にパターニングし、シリコン層２０６の上に電極２０７を形成し、また、シリコン層２０３に接続する電極２０８を形成する。

上記構造において、シリコン層２０３をｐ型とし、シリコン層２０６をｎ型とすることで、これらに挟まれた複数のナノ構造２０５を発光層とする発光素子が得られる。なお、シリコン層２０３をｎ型とし、シリコン層２０６をｐ型としてもよい。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について図３Ａ〜図３Ｆを用いて説明する。図３Ａ〜図３Ｆは、本発明の実施の形態３における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図および平面図である。図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｄ，図３Ｅは断面図、図３Ｃ，図３Ｆは平面図である。

まず、図３Ａに示すように、シリコン層（下部シリコン層）３０３を備える基板を用意する。基板は、シリコン基部３０１および埋め込み絶縁層３０２を備えるＳＯＩ基板であり、ＳＯＩ基板の表面シリコン層がシリコン層３０３である。

次に、図３Ｂに示すように、シリコン層３０３に、溝部３０４を形成する。例えば、公知のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によりシリコン層３０３をパターニングすることで、溝部３０４を形成すればよい。溝部３０４は、図３Ｃの平面図に示すように、４角形の各辺に各々配置された状態に形成されている。このように配置された４つの溝部３０４により、これらの内側の領域が囲われた状態となる。

次に、図３Ｄに示すように、シリコン層３０３の上に、希土類含有層３０５を形成する。希土類含有層３０５は、第１希土類の酸化物からなる第１希土類酸化物層３０５ａ，第１希土類とは異なる第２希土類の酸化物からなる第２希土類酸化物層３０５ｂ，および第１希土類の酸化物からなる第３希土類酸化物層３０５ｃの積層構造から構成されている。例えば、第１希土類はイッテルビウムであり、第２希土類はエルビウムである。この場合、第１希土類酸化物層３０５ａおよび第３希土類酸化物層３０５ｃは、酸化イッテルビウムから構成され、第２希土類酸化物層３０５ｂは、酸化エルビウムから構成されたものとなる。

また、第１希土類酸化物層３０５ａ，第２希土類酸化物層３０５ｂ，および第３希土類酸化物層３０５ｃは、スパッタ法や真空蒸着法などの物理蒸着法により、基板を加熱することなく形成する。このようにして形成した希土類含有層３０５の各層は、アモルファス状態となっている。

次に、希土類含有層３０５までを形成した状態でこれらを例えば９５０℃に加熱することで、図３Ｅおよび図３Ｆに示すように、４つの溝部３０４には、第１希土類の酸化物に第２希土類を添加した第１結晶（例えばＥｒ_xＹｂ_2-xＯ₃）および第１希土類のシリケイトに第２希土類を添加した第２結晶（例えばＥｒ_xＹｂ_2-xＳｉ₂Ｏ₇）から構成されたパターン部３０６を形成するとともに、これらに囲われた領域のシリコン層３０３の上には、第１結晶または第２結晶からなる複数のナノ構造３０７を形成する。

４つの溝部３０４には、希土類含有層３０５が溝部に凝集してパターン部３０６が形成される。一方、４つの溝部３０４に囲われた平坦な領域では、希土類含有層３０５が部分的に分離して凝集してナノ構造３０７となる。このように、シリコン層３０３に形成する凹凸により、特定の領域にナノ構造３０７を配置させることができる。パターン部３０６の厚さおよびナノ構造３０７の大きさは、希土類含有層３０５の蒸着量と、溝部３０４の幅、各溝部３０４の間隔により制御できる。

［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について図４Ａ〜図４Ｆを用いて説明する。図４Ａ〜図４Ｆは、本発明の実施の形態４における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図および平面図である。図４Ａ，図４Ｂ，図４Ｄ〜図４Ｆは断面図、図４Ｃは平面図である。

まず、図４Ａに示すように、シリコン層（下部シリコン層）４０３を備える基板を用意する。基板は、シリコン基部４０１および埋め込み絶縁層４０２を備えるＳＯＩ基板であり、ＳＯＩ基板の表面シリコン層がシリコン層４０３である。

次に、図４Ｂに示すように、シリコン層４０３の上に、マスクパターン４０４を形成する。マスクパターン４０４は、図４Ｃの平面図にも示すように、矩形の開口部４０５を備える。例えば、公知のフォトリソグラフィー技術により、シリコン層４０３の上に塗布したフォトレジスト層をパターニングすることで、マスクパターン４０４を形成すればよい。開口部４０５においては、シリコン層４０３が露出する状態とする。

次に、図４Ｄに示すように、マスクパターン４０４が形成されているシリコン層４０３の上に、希土類含有層４０６を形成する。希土類含有層４０６は、第１希土類の酸化物からなる第１希土類酸化物層４０６ａ，第１希土類とは異なる第２希土類の酸化物からなる第２希土類酸化物層４０６ｂ，および第１希土類の酸化物からなる第３希土類酸化物層４０６ｃの積層構造から構成されている。例えば、第１希土類はイッテルビウムであり、第２希土類はエルビウムである。この場合、第１希土類酸化物層４０６ａおよび第３希土類酸化物層４０６ｃは、酸化イッテルビウムから構成され、第２希土類酸化物層４０６ｂは、酸化エルビウムから構成されたものとなる。

また、第１希土類酸化物層４０６ａ，第２希土類酸化物層４０６ｂ，および第３希土類酸化物層４０６ｃは、スパッタ法や真空蒸着法などの物理蒸着法により、基板を加熱することなく形成する。このようにして形成した希土類含有層４０６の各層は、アモルファス状態となっている。

次に、マスクパターン４０４を除去して開口部４０５以外のマスクパターン４０４の上に形成されていた希土類含有層４０６を除去することで、図４Ｅに示すように、シリコン層４０３の上に、部分的に希土類含有層４０６が配置された状態とする。

次に、希土類含有層４０６までを形成した状態でこれらを例えば１０００℃に加熱し、希土類含有層４０６とシリコン層４０３のシリコンとを反応させることなどにより、図４Ｆに示すように、特定の領域のシリコン層４０３の上に、複数のナノ構造（光機能層）４０７を形成する。ナノ構造４０７は、第１希土類の酸化物に第２希土類を添加した第１結晶，第１希土類のシリケイトに第２希土類を添加した第２結晶から構成されたものとなる。実施の形態４では、エルビウム添加酸化イッテルビウム（Ｅｒ_xＹｂ_2-xＯ₃）からなる第１結晶、または、エルビウム添加イッテルビウムシリケイト（Ｅｒ_xＹｂ_2-xＳｉ₂Ｏ₇）からなる第２結晶からナノ構造４０７が形成される。実施の形態４では、マスクパターン４０４を用いることで、所望とする特定の領域に、ナノ構造４０７を配置させている。

以上に示したように、物理蒸着法によりシリコン層の上に形成した希土類の酸化物よりなる希土類含有層を加熱することで、様々な光素子が形成できる。例えば、シリコン層に凹凸を形成しておけば、凹部に希土類含有層を凝集させるとともに結晶化することができる。この場合、凹部を平面視で細線状に形成しておけば、Ｅｒ_xＹｂ_2-xＯ₃などの第１希土類の酸化物に第２希土類を添加した第１結晶、およびＥｒ_xＹｂ_2-xＳｉ₂Ｏ₇などの第１希土類のシリケイトに第２希土類を添加した第２結晶からなる細線コア（光機能層）が形成でき、これを用いることで、光増幅素子が構成できる。また、この構造において、電極を設けることで発光素子として機能させることもできる。

また、シリコン層の平坦な領域には、エルビウム添加酸化イッテルビウム（Ｅｒ_xＹｂ_2-xＯ₃）からなる第１結晶、または、エルビウム添加イッテルビウムシリケイト（Ｅｒ_xＹｂ_2-xＳｉ₂Ｏ₇）からなる第２結晶から構成されたナノ構造を形成することができる。このような第１希土類の酸化物に第２希土類を添加した第１結晶，第１希土類のシリケイトに第２希土類を添加した第２結晶からなる複数のナノ構造は、発光材料として利用することができる。

例えば、図５の平面図に示すように、ナノ構造形成部５１１と希土類コア部５１２とシリコン細線コア５１３とを、光導波方向に配列させて組み合わせることができる。ナノ構造形成部５１１と希土類コア部５１２は、シリコン層５０１の上に形成され、シリコン細線コア５１３は、埋め込み絶縁層５０４の上に形成されている。ここで、希土類コア部５１２の形成領域は、図６の断面図に示すように、シリコン層５０１の凹部に形成され、この上に酸化シリコン層５０２が形成されている。図示していないが、ナノ構造形成部５１１およびシリコン細線コア５１３の上にも、酸化シリコン層５０２が形成されている。

シリコン層５０１の下には、埋め込み絶縁層５０４，シリコン基部５０３が配置されている。シリコン基部５０３，埋め込み絶縁層５０４，およびシリコン層５０１は、ＳＯＩ基板である。なお、図６は、図５のＸＸ’線における断面を示している。これらの構成において、埋め込み絶縁層５０４が下部クラッド層となり、酸化シリコン層５０２が上部クラッド層となる。

また、図７の平面図に示すように、ナノ構造形成部５１１とシリコン細線コア５１３と希土類コア部５１２とを、この順に導波方向に配列させてもよい。

ナノ構造形成部５１１および希土類コア部５１２は、前述した実施の形態１〜４に説明したことから明らかなように、シリコン層５０１の上に、第１希土類の酸化物からなる第１希土類酸化物層，第１希土類とは異なる第２希土類の酸化物からなる第２希土類酸化物層，および第１希土類の酸化物からなる第３希土類酸化物層よりなる希土類含有層を形成し、これを加熱することで形成できる。また、シリコン細線コア５１３は、シリコン層５０１を公知のリソグラフィーおよびエッチング技術によりパターニングすることで形成できる。このように、各光素子は、シリコン細線コア５１３よりなる光導波路に容易に組み合わせることができる。

また、これらは、一般に用いられているＬＳＩ集積回路の製造技術により形成でき、導波方向に対する各々の位置精度は、サブμｍの単位とすることができる。従って、ナノ構造形成部５１１，希土類コア部５１２，およびシリコン細線コア５１３の、導波方向に配列させるための位置合わせは容易である。また、各構成を形成した段階で各々の光軸は揃った状態となり、後から光軸を調整する必要がない。

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。例えば、上述した実施の形態では、第１希土類酸化物層，第２希土類酸化物層，および第３希土類酸化物層を積層するようにしたが、本発明は、少なくとも、第１希土類の酸化物からなる第１希土類酸化物層、および第１希土類とは異なる第２希土類の酸化物からなる第２希土類酸化物層の積層構造を下部シリコン層の上に形成して希土類含有層とすればよい。２層構造の場合であっても、例えば、各層の厚さなどを制御すれば、これらを加熱することで、第１希土類の酸化物に第２希土類を添加した第１結晶，第１希土類のシリケイトに第２希土類を添加した第２結晶からなる光機能層が形成できる。

また、上述では、希土類含有層が、主にエルビウムおよびイッテルビウムから構成されている場合について説明したが、これに限るものではなく、酸化イットリウム，酸化ユーロピウム，酸化ネオジム，酸化ツリウム，酸化プラセオジム，酸化ハフニウム，酸化ガドリニウム，酸化テルビウム、および酸化ジスプロシウムなどの他の希土類酸化物の層から構成されていてもよい。また、酸化アルミニウムおよび酸化テルルについても同様である。

また、上述した実施の形態では、異なる２つの結晶（例えばＥｒ_xＹｂ_2-xＳｉ₂Ｏ₇、Ｅｒ_xＹｂ_2-xＯ₃）から光機能層を構成した場合について説明したが、これに限るものではない。本発明は、フォトルミネッセンスの主ピーク位置の異なる２つ以上の結晶から光機能層が形成されていればよい。

例えば、エルビウム添加酸化イッテルビウム（Ｅｒ_xＹｂ_2-xＯ₃），エルビウム添加イッテルビウムシリケイト（Ｅｒ_xＹｂ_2-xＳｉ₂Ｏ₇）に加え、エルビウムを添加した酸化イットリウムの結晶（Ｅｒ_xＹ_2-xＯ₃），エルビウムを添加したイットリウムシリケイトの結晶（Ｅｒ_xＹ_2-xＯ₃）が、光機能層に含まれていてもよい。この場合、エルビウム酸化物の層、イッテルビウム酸化物の層に加え、イットリウム酸化物の層を積層した希土類含有層をシリコン層の上に形成し、加熱すればよい。

希土類含有層は、上述した希土類酸化物のみではなく、例えば、酸化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウムなどが含まれていてもよい。また、酸化エルビウムと酸化イットリウム、酸化エルビウムと酸化プラセオジム、酸化エルビウムと酸化ツリウムと酸化ネオジム、酸化エルビウム、酸化ハフニウムと酸化ツリウム、酸化エルビウムと酸化セリウム、酸化エルビウムと酸化ユーロピウム、酸化エルビウムと酸化サマリウム、酸化エルビウム、酸化ツリウムと酸化ビスマスとが含まれてもよい。これらは、例えば、希土類の酸化物の積層構造として同時に蒸着することで、希土類含有層に含まれた状態に形成できる。なお、各々材料に応じて結晶化の温度が異なるので、加熱処理の温度は適宜に設定する。また、シリサイドからなるナノ構造を形成する場合においても、完全な化合物を形成するためには、加熱処理の時間を適宜に設定する。

また、上述では、ＳＯＩ基板を用いるようにしたが、これに限るものではなく、シリコン基板、ゲルマニウム基板、あるいは、ＧＯＩ（Germanium on insulator）基板、ＳＧＯＩ（Silicon germanium on insulator）基板を用いてもよい。また、例えば、溝部１０４を直線状に形成することで、直線状の希土類コア部１０６を形成したがこれに限るものではなく、リング状としてもよい。リング状に形成することで共振器が構成できる。このように共振器を形成することで、図５，図７を用いて説明した光回路に共振器を組み合わせることもできる。また、共振器の構造を発光素子に応用することで、励起光の強度が増強できる。

また、上述した実施の形態では、Ｃバンド（１５３０−１５６５ｎｍ）の発光スペクトルが得られる場合について例示したが、これに限るものではない。例えば、Ｏ帯（１２６０−１３６０ｎｍ）、Ｅ帯（１３６０−１４６０ｎｍ）、Ｓ帯（１４６０−１５３０ｎｍ）、Ｌ帯（１５６５−１６２５ｎｍ）、Ｕ帯（１６２５−１６７５ｎｍ）の発光スペクトルも得られる。

１０１…シリコン基部、１０２…埋め込み絶縁層、１０３…シリコン層（下部シリコン層）、１０４…溝部、１０５…希土類含有層、１０５ａ…第１希土類酸化物層、１０５ｂ…第２希土類酸化物層、１０５ｃ…第３希土類酸化物層、１０６…希土類コア部（光機能層）、１０７…酸化シリコン層。

Claims

第１希土類の酸化物からなる第１希土類酸化物層および前記第１希土類とは異なる第２希土類の酸化物からなる第２希土類酸化物層の積層構造からなる希土類含有層を物理蒸着法により下部シリコン層の上に形成する工程と、
前記希土類含有層を加熱して凝集させて前記第１希土類の酸化物に前記第２希土類を添加した第１結晶，前記第１希土類のシリケイトに前記第２希土類を添加した第２結晶からなる光機能層を形成する工程と
を少なくとも備えることを特徴とする光素子の製造方法。
請求項１記載の光素子の製造方法において、
前記光機能層を形成した後、前記光機能層の上に上部シリコン層を形成する工程を備え、
前記下部シリコン層と前記上部シリコン層とは異なる導電型とし、
前記希土類含有層を加熱して前記下部シリコン層の上に前記第１結晶，前記第２結晶から構成された複数の微細構造体からなる発光層となる前記光機能層を形成する
ことを特徴とする光素子の製造方法。
請求項１記載の光素子の製造方法において、
前記下部シリコン層の表面に凹凸を形成する工程を備え、
前記凹凸を形成した前記下部シリコン層の上に前記希土類含有層を形成することを特徴とする光素子の製造方法。
請求項３記載の光素子の製造方法において、
前記凹凸は溝部であり、
前記希土類含有層を加熱して前記溝部に凝集させて光導波路のコアとなる前記光機能層を形成することを特徴とする光素子の製造方法。