JP6919549B2 - Nanowire optical device - Google Patents
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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。 The present invention relates to a nanowire optical device including a nanowire portion made of a semiconductor.
半導体ナノワイヤは新しい光学素子として注目を集めている。ナノワイヤは量子ドットや量子井戸などの機能性を持ち、更に、ナノワイヤは静電容量が非常に小さいため、光学的にも電気的にも優れた特性を有する。また、ナノワイヤは、基板上にナノ構造を均一にかつ大量に作製できるため、ナノデバイスの大量生産を可能にする。近年では、シリコン基板の任意の位置に所望の化合物ナノワイヤを作製する技術も進んでおり、将来の光チップや集積回路などにおいても有望なナノ材料と言える。 Semiconductor nanowires are attracting attention as new optical elements. Nanowires have functionality such as quantum dots and quantum wells, and since nanowires have a very small capacitance, they have excellent optical and electrical characteristics. In addition, nanowires enable mass production of nanodevices because nanostructures can be uniformly and mass-produced on a substrate. In recent years, techniques for producing desired compound nanowires at arbitrary positions on a silicon substrate have been advanced, and it can be said that they are promising nanomaterials for future optical chips and integrated circuits.
このようなナノワイヤを光デバイス内、チップ内に導入するという取り組みは、応用上非常に重要である。しかし一般的に、ナノワイヤは、光の波長サイズからすると、十分小さいために、ナノワイヤ単体では光閉じ込めを強くすることができず、ナノワイヤの特性を十分発揮することができない。このため、ナノワイヤを光デバイスとして利用するためには、何らかの光閉じ込めの構造が必要である。例えば、誘電体周期構造であるフォトニック結晶や金属ナノ構造であるプラズモニック構造を、ナノワイヤとうまく組み合わせて設計することが重要である。 Efforts to introduce such nanowires into optical devices and chips are extremely important in terms of application. However, in general, nanowires are sufficiently small in terms of the wavelength size of light, so that the nanowires alone cannot strengthen the light confinement and cannot fully exhibit the characteristics of the nanowires. Therefore, in order to use nanowires as an optical device, some kind of optical confinement structure is required. For example, it is important to design a photonic crystal, which is a dielectric periodic structure, and a plasmonic structure, which is a metal nanostructure, in combination with nanowires.
例えば、2次元フォトニック結晶と組み合わせる場合、ナノワイヤをフォトニック結晶基板に転写し所望の場所に配置することで、ナノワイヤ外部の構造により光をナノワイヤに閉じ込めることができる。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きた(非特許文献1参照)。 For example, when combined with a two-dimensional photonic crystal, by transferring the nanowire to a photonic crystal substrate and arranging it at a desired location, light can be confined in the nanowire by the structure outside the nanowire. This technique has achieved some success in that it has made it possible to observe laser oscillations and quantum optics effects (see Non-Patent Document 1).
他方で、金属構造と組み合わせる場合は、フォトニック結晶構造に比べて、構造が単純であり応用上、有望である。もっとも有名な方法は、金属表面(もしくは金属に薄い絶縁層をコーティングした上)にナノワイヤを配置したプラズモン構造があげられる。また、金属構造ではボウタイアンテナ(非特許文献2参照)、金属-絶縁層-金属構造(MIM)構造に配置する方法などが考えられている。 On the other hand, when combined with a metal structure, the structure is simpler than that of a photonic crystal structure, which is promising in terms of application. The most famous method is a plasmon structure in which nanowires are placed on a metal surface (or metal coated with a thin insulating layer). Further, as a metal structure, a method of arranging a bow tie antenna (see Non-Patent Document 2), a metal-insulating layer-metal structure (MIM) structure, or the like is considered.
ところで、これまでのプラズモン構造は、光学的な吸収損失(α)が原理的に大きい系であり、レーザのようなデバイスにおいては、その損失は閾値を上げてしまうために致命的な問題であった。従って、これまでのプラズモニック・ナノワイヤレーザは、図12A,図12Bに示すように、金属層501とナノワイヤ部502の間に誘電体層503を挟むことで、金属層501からナノワイヤ部502を離し、損失を低減させるようにしてきた。しかし、吸収損失と光閉じ込め係数の間にトレードオフの関係があり、上述した技術では光閉じ込め効果(閉じ込め係数:Γ)を犠牲にせざるをえなかった。
By the way, the conventional plasmon structure is a system in which the optical absorption loss (α) is large in principle, and in a device such as a laser, the loss is a fatal problem because it raises the threshold value. rice field. Therefore, in the conventional plasmonic nanowire lasers, as shown in FIGS. 12A and 12B, the
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、プラズモニック構造において、損失を増やさずに、光閉じ込め係数が改善できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to make it possible to improve the light confinement coefficient in a plasmonic structure without increasing the loss.
本発明に係るナノワイヤ光デバイスは、金属から構成された構造体と、構造体の上に側面が接して配置された半導体からなるナノワイヤ部と、構造体とナノワイヤ部との接触領域以外の構造体に面したナノワイヤ部の表面に形成された誘電体層とを備え、ナノワイヤ部は、ナノワイヤ部を伝搬する光のプラズモニックモードが出現可能な太さとされている。 The nanowire optical device according to the present invention is a structure other than a structure made of metal, a nanowire portion made of a semiconductor arranged with side surfaces in contact with the structure, and a contact region between the structure and the nanowire portion. It is provided with a dielectric layer formed on the surface of the nanowire portion facing the nanowire portion, and the nanowire portion is thick enough to allow a plasmonic mode of light propagating through the nanowire portion to appear.
上記ナノワイヤ光デバイスにおいて、構造体は、各々絶縁分離された複数の構造体が配列されたグレーティング構造である。 In the nanowire light devices, structures, Ru grating structure der the plurality of structures, each insulated separated are arranged.
上記ナノワイヤ光デバイスにおいて、構造体は、ナノワイヤ部の延在方向に沿う溝を構成し、ナノワイヤ部は、溝に配置されているようにしてもよい。 In the nanowire optical device, the structure may form a groove along the extending direction of the nanowire portion, and the nanowire portion may be arranged in the groove.
上記ナノワイヤ光デバイスにおいて、ナノワイヤ部を励起する励起手段を備え、ナノワイヤ部は所定の波長のレーザ光を発振する構成としてもよい。 The nanowire optical device may be provided with an excitation means for exciting the nanowire portion, and the nanowire portion may be configured to oscillate a laser beam having a predetermined wavelength.
上記ナノワイヤ光デバイスにおいて、ナノワイヤ部に電流を注入する電流注入部を備え、ナノワイヤ部は所定の波長の光を発光する構成としてもよい。 The nanowire optical device may include a current injection unit that injects a current into the nanowire unit, and the nanowire unit may be configured to emit light having a predetermined wavelength.
上記ナノワイヤ光デバイスにおいて、ナノワイヤ部は、断面が略円形であり、ナノワイヤ部の太さdは、以下の式を満たす範囲とされていればよい。 In the nanowire optical device, the nanowire portion may have a substantially circular cross section, and the thickness d of the nanowire portion may be in a range satisfying the following equation.
以上説明したように、本発明によれば、構造体とナノワイヤ部との接触領域以外の構造体に面したナノワイヤ部の表面に誘電体層を形成したので、プラズモニック構造において、損失を増やさずに、光閉じ込め係数が改善できるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, since the dielectric layer is formed on the surface of the nanowire portion facing the structure other than the contact region between the structure and the nanowire portion, the loss is not increased in the plasmonic structure. In addition, an excellent effect that the light confinement coefficient can be improved can be obtained.
以下、本発明の実施の形態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。このナノワイヤ光デバイスは、金属から構成された構造体101と、構造体101の上に配置された半導体からなるナノワイヤ部102と、ナノワイヤ部102の表面に形成された誘電体層103とを備える。構造体101は、例えば、板状に形成されている。また、構造体101は、絶縁性の基板の上に形成された金属層から構成してもよい。
Hereinafter, the nanowire optical device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A and 1B. This nanowire optical device includes a
ナノワイヤ部102は、接触領域121において側面が構造体101の上に接している。なお、誘電体層103は、構造体101とナノワイヤ部102との接触領域121以外の構造体101に面したナノワイヤ部102の表面に形成されていればよい。構造体101は、例えば、Auから構成されていればよい。ナノワイヤ部102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。誘電体層103は、例えば、Al2O3などの誘電体(絶縁体)から構成されていればよい。
The side surface of the
また、ナノワイヤ部102は、ナノワイヤ部102を伝搬する光のプラズモニックモード(ハイブリッドモード)が出現可能な太さ(直径)とされている。ここで、プラズモニックモードとは、誘電体モードが存在できないモードのことであり、ハイブリッドモードとは、空気中では縮退している最低次のモードが、金属である構造体101により縮退が解けたモードのことを指す。従って、ナノワイヤ部102にプラズモニックモードが出現する条件は、少なくとも、シングルモード条件よりも細くなくてはならない。断面が略円形であるナノワイヤ部102の太さ(直径)dが、以下の式(1)を満たす範囲とされていればよい。
Further, the
ナノワイヤ部102の径と実効屈折率に関する分散関係について、図2,3を用いて説明する。図2,3において、横軸は、断面円形のナノワイヤ部102の直径、縦軸が実効屈折率であり、ナノワイヤ部102を伝搬する光の波長を1,55μmと想定した。なお、ナノワイヤ部102は、InPから構成している。ナノワイヤ部102単独では、図2に示すように、式(1)を満たす領域では、モードが縮退しており、1つしかない。これに対し、構造体101の上にナノワイヤ部102を配置した場合、図3に示すように、金属の効果でモードの縮退が解ける。この領域がいわゆるハイブリッドモード(プラズモンモードとフォトニックモードの混合状態)である。
The dispersion relation between the diameter of the
一般に、プラズモニックモードで金属表面に電場が集中している場合、金属吸収によって損失が大きくなる。この損失を抑えるために、従来の構造では、図12Bに示したように、誘電体層503をナノワイヤ部502と金属層501の間に挟む構造を採用している。しかしながら、従来の構造において、ナノワイヤ部502と金属層501との隙間(空気中)へ染み出している光をワイヤの中へ押し込むことができれば、閉じ込め係数を上げることができる。
In general, when the electric field is concentrated on the metal surface in the plasmonic mode, the loss increases due to metal absorption. In order to suppress this loss, in the conventional structure, as shown in FIG. 12B, a structure in which the
本発明は、構造体101の表面に接して配置されたナノワイヤ部102の表面に誘電体層103を形成することで、空気中に漏れた光をナノワイヤ内102部に取り込み、損失を増やさずに、光閉じ込め係数を改善し、従来構造よりもα/Γの関係を改善した。この状態について、ナノワイヤ部102の直径を300nmとしてシミュレーションした結果を図4の(a)に示す。閉じ込め係数は44%となった。なお、誘電体層103を形成しない場合に対いて、同様にシミュレーションした結果を図4の(b)に示す。電場が空気中へ染み出し、閉じ込め係数は26%であった。このように、実施の形態によれば、光閉じ込め係数が改善され、例えば、ナノワイヤレーザの閾値を下げることを可能にし、ナノワイヤを用いた発光素子の特性を向上させることができるようになる。
In the present invention, by forming the
ナノワイヤ部102と構造体101との隙間のナノワイヤ部102の表面に誘電体層103を形成する方法は、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誘電体層103を形成することができる。
As a method of forming the
上述した実施の形態によれば、ナノワイヤ部102と構造体101とが接しているため、金属吸収の効果は抑制できないが、レーザ素子を考えた場合、その閾値は、α/Γ(吸収係数はα、Γは閉じ込め係数)に比例するのでこの値が重要になる。実施の形態におけるナノワイヤ光デバイスと、従来のナノワイヤ光デバイスとの閉じ込め係数の比較を図5に示す。なお、図5において、便宜上、1/αを伝搬距離としている。また、誘電体層の厚さとΓ/αとの関係について、実施の形態におけるナノワイヤ光デバイスと、従来のナノワイヤ光デバイスとを比較した結果について、図6に示す。いずれも(a)が実施の形態の結果であり、(b)が従来の結果である。
According to the above-described embodiment, since the
図5,図6に示すように、誘電体層103の厚さを適宜に設定することで、Γが改善し、Γ/αが従来よりも1.4倍程度改善する。このような特性は、ナノワイヤ部102をInPから構成した場合に限らず、InAs,GaAs,ZnO,CdSeなどの他の半導体からナノワイヤ部102を構成しても同様の傾向になる。また、構造体101は、Auに限らず、Ag,Alから構成しても同様である。また、誘電体層103は、Al2O3に限らず、SiO2などの他の誘電体から構成してもよい。
As shown in FIGS. 5 and 6, by appropriately setting the thickness of the
ところで、ナノワイヤ部102の全表面が誘電体層で覆われていなくてもよい。例えば、図7の(a)に示すように、構造体101の上にナノワイヤ部102を配置してからALD法によりAl2O3を堆積して誘電体層103を形成する。この後、よく知られた反応性イオンエッチングなどの垂直異方性の高いエッチング処理により、誘電体層103をエッチングする。これにより、図7の(b)に示すように、構造体101とナノワイヤ部102との接触領域121以外の構造体101に面したナノワイヤ部102の表面に、誘電体層131を形成する。本発明では、構造体101とナノワイヤ部102との間に誘電体層131が配置されていればよい。
By the way, the entire surface of the
ところで、ナノワイヤ光デバイスをレーザとする場合、図8に示すように、金属からなり、各々絶縁分離された複数の構造体303が配列されたグレーティング構造301の上に、誘電体層304で被覆されたナノワイヤ部302を配置する構成が考えられる。グレーティング構造301は、屈折率の周期的な構造をもたらすために、ブラッグ反射を満たす条件に対してミラーとして動作する。このようにミラーとなるグレーティング構造301により、所定の光源からの励起光をナノワイヤ部302に照射して励起することで、所定の波長のレーザ光が発振できる。
By the way, when the nanowire optical device is a laser, as shown in FIG. 8, a
なおこの場合、ナノワイヤ部302が構造体303上に置かれた部分と、空気中に置かれた部分との構造が周期的に配置され、プラズモニックモード(ハイブリッドモード)とフォトニックモードがそれぞれ存在できる条件とすることが重要となる。ナノワイヤ部302の直径が、式(1)を満たしてシングルモード条件で伝搬するものとなっていればよい。
In this case, the structure of the portion where the
また、図9Aに示すように、基板111の上に配置した2つの金属構造体104による溝141に、ナノワイヤ部102が配置されているようにしてもよい。溝141は、ナノワイヤ部102の延在方向に沿って形成されている。基板111は、例えば、SiO2などの絶縁材料から構成されている。この構造は、MIM(Metal-Insulator-Metal)導波路と呼ばれている。このようなMIM導波路ではフォトニックモードは存在しないので、ナノワイヤ部102の径は、式(1)を満たす範囲よりも細くてもよい。このようなMIM導波路において、ナノワイヤ部102の表面に誘電体層103を形成することで、閉じ込め係数を数倍程度改善することができる。
Further, as shown in FIG. 9A, the
例えば、溝141の幅を100nmとし、ナノワイヤ部102の直径を70nmとすると、誘電体層103を形成することで、図9Bに示すように、閉じ込め係数を大きくすることができる。また、溝141の幅を100nmとし、ナノワイヤ部102の直径を110nmとすると、誘電体層103を形成することで、図9Cに示すように、閉じ込め係数を大きくすることができる。
For example, assuming that the width of the
ところで、図10に示すように、ナノワイヤ部102を励起するための光源105を配置し、光源105からの励起光を、構造体101の平面より離れる放線方向の上部より、レンズ151により集光してナノワイヤ部102に照射する構成としてもよい。このような励起手段によりレーザ発振が可能となる。
By the way, as shown in FIG. 10, a light source 105 for exciting the
また、電流注入によりキャリアを注入することで、レーザとして構成してもよく、また、電流注入によりキャリアを注入することで、ナノワイヤ光デバイスをLED(Light Emitting Diode)として構成し、ナノワイヤ部102より所定の波長の光を発光させるようにしてもよい。
Further, a laser may be configured by injecting a carrier by injecting an electric current, or a nanowire optical device may be configured as an LED (Light Emitting Diode) by injecting a carrier by injecting an electric current from the
例えば、図11に示すように、ナノワイヤ部102に、p型領域106a,n型領域106bを形成する。p型領域106a,n型領域106bに配線107a,配線107bを接続する。配線107a,配線107bに電源(不図示)を接続し、p型領域106a,n型領域106bに電流を注入する。p型領域106a,n型領域106bは、p型不純物、n型不純物を導入することで形成すればよい。
For example, as shown in FIG. 11, p-
また、このように不純物領域を形成することで、ナノワイヤ光デバイスを受光器として動作させることが可能になる。光励起光源をデバイスに組み込めば、チップ内での波長変換素子としても利用できるし、光スイッチとしての動作も可能になる。 Further, by forming the impurity region in this way, the nanowire optical device can be operated as a receiver. If an optical excitation light source is incorporated into a device, it can be used as a wavelength conversion element in a chip and can also operate as an optical switch.
以上に説明したように、本発明によれば、構造体とナノワイヤ部との接触領域以外の構造体に面したナノワイヤ部の表面に誘電体層を形成したので、プラズモニック構造において、損失を増やさずに、光閉じ込め係数が改善できるようになる。 As described above, according to the present invention, since the dielectric layer is formed on the surface of the nanowire portion facing the structure other than the contact region between the structure and the nanowire portion, the loss is increased in the plasmonic structure. The light confinement coefficient can be improved without this.
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。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications and combinations can be carried out by a person having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. That is clear.
101…構造体、102…ナノワイヤ部、103…誘電体層、121…接触領域。 101 ... structure, 102 ... nanowire portion, 103 ... dielectric layer, 121 ... contact region.
Claims (5)
前記構造体の上に側面が接して配置された半導体からなるナノワイヤ部と、
前記構造体と前記ナノワイヤ部との接触領域以外の前記構造体に面した前記ナノワイヤ部の表面に形成された誘電体層と
を備え、
前記ナノワイヤ部は、前記ナノワイヤ部を伝搬する光のプラズモニックモードが出現可能な太さとされ、
前記構造体は、各々絶縁分離された複数の金属構造体が配列されたグレーティング構造である
ことを特徴とするナノワイヤ光デバイス。 A structure made of metal and
A nanowire portion made of a semiconductor whose side surfaces are in contact with each other on the structure,
A dielectric layer formed on the surface of the nanowire portion facing the structure other than the contact region between the structure and the nanowire portion is provided.
The nanowire portion has a thickness that allows the plasmonic mode of light propagating through the nanowire portion to appear .
The structure nanowire light device in which a plurality of metal structures which are each insulated separation and wherein the Ru grating structure der arranged.
前記構造体は、前記ナノワイヤ部の延在方向に沿う溝を構成し、
前記ナノワイヤ部は、前記溝に配置されている
ことを特徴とするナノワイヤ光デバイス。 In nanowire optical device according to claim 1 Symbol placement,
The structure constitutes a groove along the extending direction of the nanowire portion.
The nanowire optical device is characterized in that the nanowire portion is arranged in the groove.
前記ナノワイヤ部を励起する励起手段を備え、
前記ナノワイヤ部は所定の波長のレーザ光を発振することを特徴とするナノワイヤ光デバイス。 In the nanowire optical device according to claim 1 or 2.
An excitation means for exciting the nanowire portion is provided.
The nanowire unit is a nanowire optical device characterized in that it oscillates a laser beam having a predetermined wavelength.
前記ナノワイヤ部に電流を注入する電流注入部を備え、
前記ナノワイヤ部は所定の波長の光を発光することを特徴とするナノワイヤ光デバイス。 In the nanowire optical device according to claim 1 or 2.
A current injection unit for injecting a current into the nanowire unit is provided.
The nanowire unit is a nanowire optical device characterized in that it emits light having a predetermined wavelength.
前記ナノワイヤ部は、断面が略円形とされ、
前記ナノワイヤ部の太さdは、以下の式を満たす範囲とされていることを特徴とするナノワイヤ光デバイス。
nclad:ナノワイヤ部周囲の屈折率
λ:ナノワイヤ部を伝搬する光の波長 In the nanowire optical device according to any one of claims 1 to 4.
The nanowire portion has a substantially circular cross section.
A nanowire optical device, wherein the thickness d of the nanowire portion is within a range satisfying the following equation.
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