JP6863909B2 - ナノワイヤ光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、半導体からなるナノワイヤ部を備えるナノワイヤ光デバイスに関する。

半導体ナノワイヤは、非常に小さい一次元構造を有する光学素子として注目を集めている。このナノワイヤは、様々な半導体材料で作製することが可能であり、発光波長の自由度が非常に大きく、ｐｉｎ構造や量子井戸・量子ドットの埋め込み構造が作製できる。また、一度に大量に作製でき、量産化についても有望である。さらに近年では、シリコン基板上に化合物ナノワイヤを直接成長する作製技術も進展しており、このような多機能性を有するナノワイヤを、シリコン光回路の任意の場所に集積できれば、光コンピューティング、小型センサなど新しい光電デバイスの作製が可能となる。

一般的に、ナノワイヤは、単体でもレーザ発振やフォトディテクタなど光学素子として動作することが知られている。しかしながら、ナノワイヤ単体での動作では、光閉じ込めや共振器などのデバイス最適化が行われていないために、レーザ発振閾値、発振線幅、単一モード動作などの特性を十分に引き出すことが難しい。このため、近年では、２次元フォトニック結晶とナノワイヤを組み合わせ、ナノワイヤへの光の閉じ込めを大きくした技術が開発されている（非特許文献１参照）。

この技術では、図１０Ａ，図１０Ｂに示すように、２次元フォトニック結晶５０１に線欠陥による光導波路５０２を作製し、光導波路５０２の中にナノワイヤ導入用の溝部５０３を形成し、溝部５０３にナノワイヤ５０４を配置したハイブリッド構造としている。２次元フォトニック結晶５０１は、よく知られているように、板状の基部５０５と、基部５０５に周期的に設けられた複数の格子要素５０６とから構成されている。例えば、原子間力顕微鏡のプローブ５１１を用い、作製したナノワイヤ５０４を、溝部５０３に配置する。この技術は、レーザ発振や量子光学効果を観測することを可能にしたという点で一定の成功を収めている。

M. Takiguchi, A. Yokoo, K. Nozaki, M. D. Birowosuto, K. Tateno, G. Zhang, E. Kuramochi, A. Shinya, and M. Notomi, "Continuous-wave operation and 10-Gb/s direct modulation of InAsP/InP subwavelength nanowire laser on silicon photonic crystal", APL Photonics, vol. 2, no. 4, 046106, 2017.

ところで、前述した従来のナノワイヤとフォトニック結晶とのハイブリッド構造は、室温で動作せることが容易ではないという問題があった。これは、ナノワイヤの直径と溝部の幅との不一致が原因である。例えば、ナノワイヤの径が、溝部の幅より大きい場合、ナノワイヤが溝部に入らない。一方、ナノワイヤの径が溝部の幅より細すぎる場合、溝部内でナノワイヤとの間に隙間が形成され、ナノワイヤの直径方向の閉じ込め係数が大きく低減してしまう。これらのことにより、従来では、上述したハイブリッド構造を、室温で動作させることが容易ではなかった。例えば、ナノワイヤは、太さが穏やかに変化するテーパー構造となっている場合が多い。このため、ナノワイヤの一部（一端）が溝部に配置可能であっても、他端が上述したような問題のある状態となる場合もある。

また、上述した技術では、ナノワイヤに活性領域を設け、レーザ発振などをさせようとする場合、活性領域に対する導波方向の光閉じ込めも弱いという問題があった。従来の技術では、ナノワイヤの全体が光閉じ込め領域となるため、活性領域などナノワイヤの一部に対する光閉じ込めは弱いものとなっている。また、レーザ発振などをさせようとする場合、ナノワイヤに活性領域を挟んでｐ型領域およびｎ型領域を形成し、これら各々に電極パッドを接続し、活性領域に電流注入を可能としている。このような構成では、電極パッドによる吸収によって光閉じ込めの特性が低下するという問題もある。

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、フォトニック結晶の線欠陥による光導波路に形成した溝部に配置したナノワイヤの直径方向の光閉じ込めをより強くできるようにすることを目的とする。また、本発明は、フォトニック結晶の線欠陥による光導波路に形成した溝部に配置したナノワイヤに設けた活性領域に対する導波方向における光閉じ込めをより強くできるようにすることを目的とする。

本発明に係るナノワイヤ光デバイスは、基部および基部に対象とする光の波長以下の間隔で周期的に設けられて基部とは異なる屈折率の柱状の複数の格子要素を備える板状のフォトニック結晶本体と、フォトニック結晶本体に設けられて格子要素がない部分から構成された複数の欠陥からなる直線状の線欠陥から構成された光導波路と、光導波路にフォトニック結晶本体を貫通して形成されて導波方向に延在する溝部と、溝部に配置された半導体からなるナノワイヤ部とを備え、溝部のフォトニック結晶本体の表面側の幅は、ナノワイヤ部の直径より広く形成され、溝部のフォトニック結晶本体の裏面側の幅は、ナノワイヤ部の直径より狭く形成されている。

上記ナノワイヤ光デバイスにおいて、溝部の導波方向に垂直な断面の形状は、台形とされている。

上記ナノワイヤ光デバイスにおいて、溝部の導波方向に垂直な断面の形状は、階段状とされている。

ナノワイヤ光デバイスは、基部および基部に対象とする光の波長以下の間隔で周期的に設けられて基部とは異なる屈折率の柱状の複数の格子要素を備える板状のフォトニック結晶本体と、フォトニック結晶本体に設けられて格子要素がない部分から構成された複数の欠陥からなる直線状の線欠陥から構成された光導波路と、光導波路に形成されて導波方向に延在する溝部と、溝部に配置された半導体からなるナノワイヤ部と、溝部とナノワイヤ部との間を埋める充填層とを備える。

ナノワイヤ光デバイスは、基部および基部に対象とする光の波長以下の間隔で周期的に設けられて基部とは異なる屈折率の柱状の複数の格子要素を備える板状のフォトニック結晶本体と、フォトニック結晶本体に設けられて格子要素がない部分から構成された複数の欠陥からなる直線状の線欠陥から構成された光導波路と、光導波路に形成されて導波方向に延在する溝部と、溝部に配置された半導体からなるナノワイヤ部と、ナノワイヤ部の一端側に形成されたｐ型領域と、ナノワイヤ部の他端側に形成されたｎ型領域と、ｐ型領域とｎ型領域とに挾まれたナノワイヤ部に形成された活性領域と、ｐ型領域に接続する第１電極パッドと、ｎ型領域に接続する第２電極パッドと、光導波路に活性領域を挟んで形成された活性領域に光を閉じ込めるための光閉じ込め構造とを備える。

上記ナノワイヤ光デバイスにおいて、光閉じ込め構造は、フォトニック結晶本体に形成された基部とは異なる屈折率の柱状の構造体から構成されている。

以上説明したことにより、本発明によれば、フォトニック結晶の線欠陥による光導波路に形成した溝部に配置したナノワイヤの直径方向の光閉じ込めをより強くできるという優れた効果が得られる。また、本発明によれば、フォトニック結晶の線欠陥による光導波路に形成した溝部に配置したナノワイヤに設けた活性領域に対する導波方向における光閉じ込めをより強くでき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におけるナノワイヤ光デバイスの構成を示す平面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態１におけるナノワイヤ光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図２Ａは、従来の溝部におけるナノワイヤの直径方向の閉じ込め状態について、シミュレーションした結果について説明する説明図である。 図２Ｂは、従来の溝部におけるナノワイヤの直径方向の閉じ込め状態について、シミュレーションした結果について説明する説明図である。 図３Ａは、溝部１０３における直径７０ｎｍのナノワイヤ部１０４の直径方向の閉じ込め状態について、シミュレーションした結果について説明する説明図である。 図３Ｂは、溝部１０３における直径９０ｎｍのナノワイヤ部１０４の直径方向の閉じ込め状態について、シミュレーションした結果について説明する説明図である。 図３Ｃは、溝部１０３における直径１１０ｎｍのナノワイヤ部１０４の直径方向の閉じ込め状態について、シミュレーションした結果について説明する説明図である。 図３Ｄは、溝部１０３における直径１３５ｎｍのナノワイヤ部１０４の直径方向の閉じ込め状態について、シミュレーションした結果について説明する説明図である。 図３Ｅは、溝部１０３におけるナノワイヤ部１０４の直径方向の閉じ込め状態について、シミュレーションした結果を示す特性図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態２におけるナノワイヤ光デバイスの構成を示す平面図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態２におけるナノワイヤ光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図４Ｃは、溝部１２３におけるナノワイヤ部１０４の直径方向の閉じ込め状態について、シミュレーションした結果について説明する説明図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態２におけるナノワイヤ光デバイスのより細いナノワイヤ部１０４ａを用いた場合の一部構成を示す断面図である。 図５Ｂは、溝部１２３におけるナノワイヤ部１０４ａの直径方向の閉じ込め状態について、シミュレーションした結果について説明する説明図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態３におけるナノワイヤ光デバイスの構成を示す平面図である。 図６Ｂは、本発明の実施の形態３におけるナノワイヤ光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図６Ｃは、本発明の実施の形態３におけるナノワイヤ光デバイスの溝部２０３におけるナノワイヤ部２０４の直径方向の閉じ込め状態について、シミュレーションした結果について説明する説明図である。 図７Ａは、本発明の実施の形態４におけるナノワイヤ光デバイスの構成を示す平面図である。 図７Ｂは、本発明の実施の形態４におけるナノワイヤ光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図７Ｃは、本発明の実施の形態３におけるナノワイヤ光デバイスの溝部２０３におけるナノワイヤ部２０４の導波方向の閉じ込め状態について、シミュレーションした結果について説明する説明図である。 図８は、本発明の実施の形態４におけるナノワイヤ光デバイスの他の構成を示す平面図である。 図９は、本発明の実施の形態４におけるナノワイヤ光デバイスの他の構成を示す平面図である。 図１０Ａは、従来のナノワイヤ光デバイスの構成を示す斜視図である。 図１０はＢ、従来のナノワイヤ光デバイスの構成を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１におけるナノワイヤ光デバイスについて、図１Ａ，図１Ｂを参照して説明する。なお、図１Ｂは、図１Ａのａａ’線の断面を示している。このナノワイヤ光デバイスは、フォトニック結晶本体１０１と、フォトニック結晶本体１０１に設けられた光導波路１０２と、光導波路１０２に形成された溝部１０３と、溝部１０３に配置されたナノワイヤ部１０４とを備える。ナノワイヤ部１０４は、半導体から構成されている。ナノワイヤ部１０４は、例えばＩｎＰなどの化合物半導体から構成されていればよい。

フォトニック結晶本体１０１は、板状の基部１０５から構成されている。また、フォトニック結晶本体１０１は、複数の格子要素１０６を備えている。格子要素１０６は、対象とする光の波長以下の間隔で周期的に設けられている。また、格子要素１０６は、屈折率が基部１０５とは異なるものとされている。基部１０５は、例えばＩｎＰから構成され、格子要素１０６は、例えば、円柱状の貫通孔である。複数の格子要素１０６は、例えば平面視で三角格子状に配列している。光導波路１０２は、フォトニック結晶本体１０１に設けられて格子要素１０６がない部分から構成された複数の欠陥からなる直線状の線欠陥から構成されている。

ここで、溝部１０３は、フォトニック結晶本体１０１を貫通して形成され、導波方向に延在している。また、溝部１０３のフォトニック結晶本体１０１（基部１０５）の表面側の幅ｓ１は、ナノワイヤ部１０４の直径Ｄより広く形成されている。一方、溝部１０３のフォトニック結晶本体１０１の裏面側の幅ｓ２は、ナノワイヤ部１０４の直径Ｄより狭く形成されている。実施の形態１において、溝部１０３の導波方向に垂直な断面の形状は、台形とされている。実施の形態１において、溝部１０３は、貫通しているＶ溝となっている。なお、溝部１０３の最大幅は、格子要素１０６の周期間隔（格子定数）より小さいものとなっている。また、ナノワイヤ部１０４の太さ（直径）は、格子定数より小さく、また、基部１０５の厚さより小さいものとなっている。

上述した実施の形態１によれば、ナノワイヤ部１０４は、延在方向の全域において溝部１０３の２つの側壁に接した状態となり、溝部１０３内で、直径方向にナノワイヤ部１０４との間に隙間が形成されることが無い。この結果、実施の形態１によれば、フォトニック結晶の線欠陥による光導波路１０２に形成した溝部１０３に配置したナノワイヤ部１０４の直径方向の光閉じ込めをより強くできるようになる。

次に、溝部におけるナノワイヤの直径方向の閉じ込め状態について、シミュレーションした結果について説明する。シミュレーションでは、格子要素１０６は、例えば、貫通孔とした格子要素の孔径を２００ｎｍとし、フォトニック結晶本体は、シリコンから構成し、厚さを２２０ｎｍとした。また、ナノワイヤは、ＩｎＰから構成し、径は１００ｎｍとした。

ナノワイヤの径が溝部の幅と一致し、直径方向に隙間が形成されない場合、図２Ａに示す結果となった。また、ナノワイヤの径が、溝部の幅より小さく、直径方向に５ｎｍ程度の隙間が形成される場合、図２Ｂに示す結果となった。図２Ｂに示されているように隙間が少しでも形成されると、閉じ込め特性が急激に低減することがわかる。このような状況は、ナノワイヤがテーパー構造を持つと、容易に起こりうることで、実際には５ｎｍよりも大きな隙間が形成される場合もあり、より閉じ込め効果は弱くなる。

図２Ａ，図２Ｂに示した状態に対し、実施の形態１によれば、溝部１０３をＶ溝構造とし、基部１０５を貫通させて形成した。溝部１０３が、基部１０５を貫通していない状態では、ナノワイヤ部１０４ではなく、周囲の空間や基部１０５側への閉じ込めが大きくなり、ナノワイヤ部１０４への閉じ込め効果が低下する。

実施の形態１の溝部１０３におけるナノワイヤ部１０４の直径方向の閉じ込め状態について、シミュレーションした結果を図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃ，図３Ｄ，図３Ｅに示す。図３Ａは、ナノワイヤ部１０４の直径Ｄが７０ｎｍである。図３Ｂは、ナノワイヤ部１０４の直径Ｄが９０ｎｍである。図３Ｃは、ナノワイヤ部１０４の直径Ｄが１１０ｎｍである。図３Ｄは、ナノワイヤ部１０４の直径Ｄが１３５ｎｍである。図３Ｅは、各結果をグラフにしたものである。なお、いずれの場合も、溝部１０３は、同一の形状（断面形状）としている。図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃ，図３Ｄ，図３Ｅに示すように、実施の形態１によれば、ナノワイヤ部１０４の幅がテーパー状に変化していても、閉じ込め係数を４〜７％程度に維持することが可能である。

次に、溝部１０３の断面形状の条件について説明する。まず、溝部１０３の断面形状は、「ｓ１＜３^1/2×Ｌ−Ｄ・・・（１）」が満たされていればよい。なお、ｓ１は、溝部１０３のフォトニック結晶本体１０１の表面側の幅である。また、Ｌは、フォトニック結晶本体１０１の格子定数である。また、Ｄは、ナノワイヤ部１０４の直径である。式（１）は、溝部１０３の表面側の幅ｓ１が、３^1/2×Ｌ−Ｄ以上にはならないことを示している。

また、溝部１０３は、基部１０５を貫通するので、「ｓ１＞２×ｔ×ｔａｎθ・・・（２）」が満たされていればよい。なお、ｔは、フォトニック結晶本体１０１（基部１０５）の厚さである。また、θは、溝部１０３の側面と基部１０５の表面の法線とのなす角度である。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２におけるナノワイヤ光デバイスについて、図４Ａ，図４Ｂを参照して説明する。なお、図４Ｂは、図４Ａのａａ’線の断面を示している。このナノワイヤ光デバイスは、フォトニック結晶本体１２１と、フォトニック結晶本体１２１に設けられた光導波路１２２と、光導波路１２２に形成された溝部１２３と、溝部１２３に配置されたナノワイヤ部１０４とを備える。ナノワイヤ部１０４は、半導体から構成されている。ナノワイヤ部１０４は、例えばＩｎＰなどの化合物半導体から構成されていればよい。

フォトニック結晶本体１２１は、板状の基部１２５から構成されている。また、フォトニック結晶本体１２１は、複数の格子要素１２６を備えている。格子要素１２６は、対象とする光の波長以下の間隔で周期的に設けられている。また、格子要素１２６は、屈折率が基部１２５とは異なるものとされている。基部１２５は、例えばＩｎＰから構成され、格子要素１２６は、例えば、貫通孔である。複数の格子要素１２６は、例えば平面視で三角格子状に配列している。光導波路１２２は、フォトニック結晶本体１２１に設けられて格子要素１２６がない部分から構成された複数の欠陥からなる直線状の線欠陥から構成されている。

ここで、溝部１２３は、フォトニック結晶本体１２１を貫通して形成され、導波方向に延在している。また、溝部１２３のフォトニック結晶本体１２１（基部１２５）の表面側の幅は、ナノワイヤ部１０４の直径より広く形成されている。一方、溝部１２３のフォトニック結晶本体１２１の裏面側の幅は、ナノワイヤ部１０４の直径より狭く形成されている。なお、溝部１２３の最大幅は、格子要素１２６の周期間隔（格子定数）より小さいものとなっている。また、ナノワイヤ部１０４の太さ（直径）は、格子定数より小さく、また、基部１２５の厚さより小さいものとなっている。

実施の形態２において、溝部１２３の導波方向に垂直な断面の形状は、階段状とされている。実施の形態２において、溝部１２３は、フォトニック結晶本体１２１（基部１２５）の表面側の上部１２３ａと、フォトニック結晶本体１２１の裏面側の下部１２３ｂとから構成されている。上部１２３ａの幅が、ナノワイヤ部１０４の直径より広く形成され、下部１２３ｂの幅が、ナノワイヤ部１０４の直径より狭く形成されている。

溝部１２３の断面形状を階段状とすることで、従来に比較して閉じ込め係数の減少を抑制することが可能となる。例えば、図４Ｂに示すように、上部１２３ａの幅がナノワイヤ部１０４の直径と等しい場合、接点１４１，１４２，１４３，１４４の４箇所で接する状態となり、図４Ｃに示すように、６％程度と高い閉じ込めが実現できる。

また、図５Ａに示すように、上部１２３ａの幅がナノワイヤ部１０４ａの直径より大きい場合、接点１４３，１４４の２箇所で接する状態となる。この場合、ナノワイヤ部１０４ａの基部１２５の平面と平行な直径方向における上部１２３ａの側面との間に隙間が形成されるが、図５Ｂに示すように、３％程度と高い閉じ込めが実現できる。

なお、従来の溝部は、格子要素の径より広い幅としているため、フォトニック結晶本体を作製する時の、リソグラフィープロセスおよびエッチングプロセスと、溝部を形成するためのリソグラフィープロセスおよびエッチングプロセスとを各々別に行っている。実施の形態２においても、従来と同様のプロセスで作製できる。また、実施の形態２では、溝部１２３の下部１２３ｂを、格子要素１２６と同時に作製し、溝部１２３の上部１２３ａを、個別に作製すればよい。このように、実施の形態２によれば、従来のプロセスとほぼ同様にすることでナノワイヤ光デバイスが作製できる。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３におけるナノワイヤ光デバイスについて、図６Ａ，図６Ｂを参照して説明する。なお、図６Ｂは、図６Ａのａａ’線の断面を示している。このナノワイヤ光デバイスは、フォトニック結晶本体２０１と、フォトニック結晶本体２０１に設けられた光導波路２０２と、光導波路２０２に形成された溝部２０３と、溝部２０３に配置されたナノワイヤ部２０４と、溝部２０３とナノワイヤ部２０４との間を埋める充填層２０７とを備える。溝部２０３は、例えば、断面視矩形とされている。ナノワイヤ部２０４は、半導体から構成されている。ナノワイヤ部２０４は、例えばＩｎＰなどの化合物半導体から構成されていればよい。

フォトニック結晶本体２０１は、板状の基部２０５から構成されている。また、フォトニック結晶本体２０１は、複数の格子要素２０６を備えている。格子要素２０６は、対象とする光の波長以下の間隔で周期的に設けられている。また、格子要素２０６は、屈折率が基部２０５とは異なるものとされている。基部２０５は、例えばＩｎＰから構成され、格子要素２０６は、例えば、貫通孔である。複数の格子要素２０６は、例えば平面視で三角格子状に配列している。光導波路２０２は、フォトニック結晶本体２０１に設けられて格子要素２０６がない部分から構成された複数の欠陥からなる直線状の線欠陥から構成されている。

実施の形態３によれば、ナノワイヤ部２０４は、周面全域が、充填層２０７に接した状態となる。

例えば、溝部２０３にナノワイヤ部２０４を配置した後、これらの間にＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂などの材料を充填して充填層２０７とすればよい。例えば、よく知られた原子層堆積法（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）などの堆積方法を用いて充填層２０７を形成すればよい。ＡＬＤ法によれば、非常に小さな隙間にも原子層レベルで充填層２０７を形成することができる。

ＡＬＤ法により形成できる充填層２０７の材料は、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂などであり、それほど高い屈折率を持たないが、充填層２０７を形成することで、溝部２０３と、ナノワイヤ部２０４との間に空間を形成することがなくなり、図６Ｃに示すように、閉じ込め係数を上げることが可能になる。

また、基部２０５をＩｎＰなどの化合物半導体から構成した場合、基部２０５を構成する化合物半導体を再成長させることで、充填層２０７を形成してもよい。なお、溝部２０３は、前述した実施の形態１，２と同様の、基部２０５を貫通するＶ溝構造や階段状の構造としてもよい。

［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４におけるナノワイヤ光デバイスについて図７Ａ，図７Ｂを参照して説明する。このナノワイヤ光デバイスは、フォトニック結晶本体３０１と、フォトニック結晶本体３０１に設けられた光導波路３０２と、光導波路３０２に形成された溝部３０３と、溝部３０３に配置されたナノワイヤ部３０４とを備える。ナノワイヤ部３０４は、半導体から構成されている。ナノワイヤ部３０４は、例えばＩｎＰなどの化合物半導体から構成されていればよい。

フォトニック結晶本体３０１は、板状の基部３０５から構成されている。また、フォトニック結晶本体３０１は、複数の格子要素３０６を備えている。格子要素３０６は、対象とする光の波長以下の間隔で周期的に設けられている。また、格子要素３０６は、屈折率が基部３０５とは異なるものとされている。基部３０５は、例えばＩｎＰから構成され、格子要素３０６は、例えば、貫通孔である。複数の格子要素３０６は、例えば平面視で三角格子状に配列している。

光導波路３０２は、フォトニック結晶本体３０１に設けられて格子要素３０６がない部分から構成された複数の欠陥からなる直線状の線欠陥から構成されている。このように構成された光導波路３０２の導波方向に、溝部３０３は延在している。これらの構成は、前述した実施の形態と同様である。なお、図７Ｂは、光導波路３０２の部分における、図７Ａの導波方向に垂直な面の断面を示している。

実施の形態４において、ナノワイヤ部３０４の一端側には、ｐ型領域３０７が形成され、ナノワイヤ部３０４の他端側には、ｎ型領域３０８が形成されている。ｐ型領域３０７およびｎ型領域３０８は、各々対応する不純物を導入することで形成すればよい。また、ｐ型領域３０７とｎ型領域３０８とに挾まれたナノワイヤ部３０４には、活性領域３０９が形成されている。活性領域３０９は、例えば、多重量子井戸構造とされている。例えば、ＩｎＡｓＰからなる量子井戸層とＩｎＰからなる障壁層とが、ナノワイヤ部３０４の延在方向に交互に積層した多重量子井戸構造により活性領域３０９とすればよい。多重量子井戸構造とした場合、ＩｎＡｓＰからなる量子井戸層が活性層として機能する。

また、実施の形態４におけるナノワイヤ光デバイスは、ｐ型領域３０７に接続する第１電極パッド３１０と、ｎ型領域３０８に接続する第２電極パッド３１１とを備える。また、光導波路３０２に活性領域３０９を挟んで形成され、活性領域３０９に光を閉じ込めるための光閉じ込め構造３１２を備える。光閉じ込め構造３１２により共振器が構成されている。光閉じ込め構造３１２は、例えば、フォトニック結晶本体３０１に形成された基部３０５とは異なる屈折率の柱状の構造体から構成されている。この構造体は、例えば、基部３０５に形成した円柱形状の貫通孔である。

第１電極パッド３１０，第２電極パッド３１１に電源（不図示）を接続し、ｐ型領域３０７，ｎ型領域３０８に電流を注入することで、活性領域３０９にキャリアを注入することができる。このようにして活性領域３０９にキャリアを注入することで、レーザ発振をさせることができる。

実施の形態４における構造においては、溝部３０３にナノワイヤ部３０４を配置しただけでは、光閉じ込めがナノワイヤ部３０４の全体にわたる領域となり、共振器が作れない。また、上述した構造では、ナノワイヤ部３０４の延在方向にモードが広がってしまうため、第１電極パッド３１０，第２電極パッド３１１における金属吸収の損失が高くなってしまう。

これに対し、実施の形態４では、光閉じ込め構造３１２を設けることで、ナノワイヤ部３０４の活性領域３０９に光を閉じ込める共振器を構成した。光閉じ込め構造３１２としては、フォトニック結晶本体３０１に形成された基部３０５とは異なる屈折率の柱状の構造体を、光導波方向に周期的に配置すればよい。このように光閉じ込め構造３１２を設けることで、図７Ｃに示すように、共振器Ｑ値を、１００００を超える値にすることが可能となる。

なお、図８に示すように、直方体状の貫通孔による光閉じ込め構造３１２ａであってもよい。また、図９に示すように、溝部３０３と、光導波路３０２に隣接する格子要素３０６の列との間に配置した貫通孔による光閉じ込め構造３１２ｂであってもよい。

以上に説明したように、本発明によれば、ナノワイヤ部を配置する溝部を、光導波路にフォトニック結晶本体を貫通して形成し、溝部のフォトニック結晶本体の表面側の幅は、ナノワイヤ部の直径より広く形成し、溝部のフォトニック結晶本体の裏面側の幅は、ナノワイヤ部の直径より狭く形成したので、フォトニック結晶の線欠陥による光導波路に形成した溝部に配置したナノワイヤの直径方向の光閉じ込めをより強くできるようになる。

また、本発明によれば、ナノワイヤ部を配置する溝部とナノワイヤ部との間を埋める充填層を備えるようにしたので、フォトニック結晶の線欠陥による光導波路に形成した溝部に配置したナノワイヤの直径方向の光閉じ込めをより強くできるようになる。

また、本発明によれば、ナノワイヤ部を配置する溝部が設けられるフォトニック結晶本体の光導波路に、ナノワイヤ部の活性領域を挟んで活性領域に光を閉じ込めるための光閉じ込め構造を形成したので、フォトニック結晶の線欠陥による光導波路に形成した溝部に配置したナノワイヤに設けた活性領域に対する導波方向における光閉じ込めがより強くできるようになる。

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。

１０１…フォトニック結晶本体、１０２…光導波路、１０３…溝部、１０４…ナノワイヤ部、１０５…基部、１０６…格子要素。

Claims (3)

1. 基部および前記基部に対象とする光の波長以下の間隔で周期的に設けられて前記基部とは異なる屈折率の柱状の複数の格子要素を備える板状のフォトニック結晶本体と、
   前記フォトニック結晶本体に設けられて前記格子要素がない部分から構成された複数の欠陥からなる直線状の線欠陥から構成された光導波路と、
   前記光導波路に前記フォトニック結晶本体を貫通して形成されて導波方向に延在する溝部と、
   前記溝部に配置された半導体からなるナノワイヤ部と
   を備え、
   前記溝部の前記フォトニック結晶本体の表面側の幅は、前記ナノワイヤ部の直径より広く形成され、
   前記溝部の前記フォトニック結晶本体の裏面側の幅は、前記ナノワイヤ部の直径より狭く形成されている
   ことを特徴とするナノワイヤ光デバイス。
2. 請求項１記載のナノワイヤ光デバイスにおいて、
   前記溝部の導波方向に垂直な断面の形状は、台形とされていることを特徴とするナノワイヤ光デバイス。
3. 請求項１記載のナノワイヤ光デバイスにおいて、
   前記溝部の導波方向に垂直な断面の形状は、階段状とされていることを特徴とするナノワイヤ光デバイス。

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