JPH11183735A - Production of three-dimensional semiconductor optical crystal element - Google Patents

Production of three-dimensional semiconductor optical crystal element

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JPH11183735A
JPH11183735A JP35767397A JP35767397A JPH11183735A JP H11183735 A JPH11183735 A JP H11183735A JP 35767397 A JP35767397 A JP 35767397A JP 35767397 A JP35767397 A JP 35767397A JP H11183735 A JPH11183735 A JP H11183735A
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semiconductor
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crystal element
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雅也 納富
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a process for producing a three-dimensional semiconductor optical crystal element by constituting a three-dimensional semiconductor refractive index modulation structure having a size of about half the wavelength of light. SOLUTION: The three-dimensional semiconductor refractive index modulation structure as a whole is obtd. by combining a step of growing a multilayered semiconductor film 4 varying in compsn. on a semiconductor substrate, a step of opening periodic holes 6 in the multiplayered semiconductor film by lithography and a step of oxidizing only Al of the specific semiconductor layers constituting the multilayered film, thereby converting these layers to Al2 O3 layers 7 formed by forced oxidation. The multilayered semiconductor film 4 has a laminated structure alternately laminated with clad layers 2 consisting of a first semiconductor contg. Al and core layers 3 consisting of a second semiconductor which is a semiconductor not contg. Al or is smaller by 0.02 in the compsn. of Al than the first semiconductor even in the case of the semiconductor contg. Al.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光情報処理、光伝
送等に用いられるレーザ、光導波路、光集積回路などの
さまざまな光デバイスなどを構成する基本構造となる3
次元半導体光結晶素子の製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a basic structure of various optical devices such as lasers, optical waveguides, and optical integrated circuits used for optical information processing and optical transmission.
The present invention relates to a method for manufacturing a two-dimensional semiconductor photonic crystal element.

【0002】[0002]

【従来の技術】誘電体の多次元周期構造では、結晶中で
電子状態にバンドギャップが生じることと同じ原理で、
光の波動を抑制する波長帯(以下、「Photonic
Band Gap」という。)が生じ、光を2次元的
・3次元的に閉じ込めることが可能である。実際の結晶
との類似性から、このような誘電体周期構造は光結晶
(Photonic Crystal)と呼ばれてい
る。この光結晶中では自然放出光の抑制が可能であり、
また光結晶に非周期部分を導入することにより、光共振
器、光導波路などの機能性をもつ素子を構成することが
できる。このようにして構成される光素子は、そのサイ
ズを光の波長程度までに小さくすることができ、このよ
うな光素子を2次元・3次元空間内で自由に接続するこ
とも可能である。また、自然放出光の制御によりレーザ
としての飛躍的な高性能化も可能である。
2. Description of the Related Art In a multi-dimensional periodic structure of a dielectric, a band gap is generated in an electronic state in a crystal.
Wavelength band that suppresses the wave of light (hereinafter referred to as “Photonic
"Band Gap". ) Occurs, and light can be confined two-dimensionally and three-dimensionally. Due to the similarity with an actual crystal, such a dielectric periodic structure is called a photonic crystal. Spontaneous emission light can be suppressed in this photonic crystal,
Further, by introducing an aperiodic portion into the photonic crystal, an element having functionality such as an optical resonator and an optical waveguide can be formed. The optical element thus configured can be reduced in size to about the wavelength of light, and such optical elements can be freely connected in a two-dimensional or three-dimensional space. Further, by controlling the spontaneous emission light, it is possible to dramatically improve the performance as a laser.

【0003】このような理論的な予測を背景として、さ
まざまな方法で2次元・3次元の誘電体周期構造(以
下、「屈折率変調構造」という)を作成する技術が提案
されており、近年の半導体リソグラフィ技術の発達によ
り光の半波長程度の2次元屈折率変調構造を作成するこ
とは十分可能になってきている。一方、3 次元屈折率変
調構造の作成方法としては、リソグラフィにより2次元
屈折率変調構造を作り、さらに別の方法によりもう1次
元の屈折率変調構造を作りこむ方法が考えられている。
このような方法の一つとして、Yablonovitc
hらにより図4のようにレジスト上に形成された2次元
周期パターン31を用いて3回異なる方向にエッチング
を繰り返すことにより、半導体単結晶30に3次元屈折
率変調構造を作成する方法が提案されている(Phy
s.Rev.Lett.67(1991)P.229
5)。
[0003] Against the background of such theoretical prediction, techniques for creating a two-dimensional or three-dimensional dielectric periodic structure (hereinafter referred to as "refractive index modulation structure") by various methods have been proposed. With the development of the semiconductor lithography technology, it has become sufficiently possible to create a two-dimensional refractive index modulation structure of about half a wavelength of light. On the other hand, as a method of creating a three-dimensional refractive index modulation structure, a method has been considered in which a two-dimensional refractive index modulation structure is created by lithography and another one-dimensional refractive index modulation structure is created by another method.
As one such method, Yablonovitc
proposed a method of forming a three-dimensional refractive index modulation structure in a semiconductor single crystal 30 by repeating etching three times in different directions using a two-dimensional periodic pattern 31 formed on a resist as shown in FIG. (Phy
s. Rev .. Lett. 67 (1991) p. 229
5).

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、Yablon
ovitchらの方法では、斜め方向にまっすぐなエッ
チングを3回行うことが非常に困難であり、現在までも
光の波長の領域での構造は作成例がない。
However, Yablon does not.
According to the method of Ovitch et al., it is very difficult to perform straight etching three times in an oblique direction, and there is no example of a structure in the wavelength region of light until now.

【0005】一方、3次元の屈折率変調構造を実現する
には、単純に半導体多層膜にエッチングを施しただけの
3 次元周期構造では、2次元方向の屈折率変調に関して
は空気との屈折率差により十分大きな変調を実現するこ
とはできるが、多層膜積層方向の1次元屈折率変調に関
しては構成する半導体の屈折率差で制限されるため、十
分に大きな変調を実現することが難しい。
On the other hand, in order to realize a three-dimensional refractive index modulation structure, a semiconductor multilayer film is simply etched.
In a three-dimensional periodic structure, a sufficiently large modulation can be realized by a refractive index difference with air in the two-dimensional refractive index modulation. Since the modulation is limited by the rate difference, it is difficult to realize sufficiently large modulation.

【0006】加えて、3次元的にPhotonic B
and Gapが開くためには、構成する材料の屈折率
の比が2以上でなければ不可能とされているので、従来
の方法では不十分である。
In addition, Photonic B is three-dimensionally
In order to open the and gap, it is considered impossible unless the ratio of the refractive indexes of the constituent materials is 2 or more, so the conventional method is insufficient.

【0007】また、通常の半導体に対して大きな屈折率
差を得ようとすると、SiO2などの絶縁結晶を用いる
ことになるが、絶縁体と半導体で良質な交互多層膜を成
長することはきわめて困難であり、事実上不可能であ
る。
In order to obtain a large difference in refractive index from a normal semiconductor, an insulating crystal such as SiO 2 is used. However, it is extremely difficult to grow a high-quality alternate multilayer film using an insulator and a semiconductor. Difficult and virtually impossible.

【0008】一方、AlGaAsとGaAsとの交互多
層膜においては、AlGaAs層だけをAl23 に転
化させることが可能であることが知られている。しか
し、この方法は、通常の半導体デバイスへの応用はある
が、光の半波長程度の微細な構造の光結晶への応用はま
だない。
On the other hand, it is known that in an alternate multilayer film of AlGaAs and GaAs, it is possible to convert only the AlGaAs layer to Al 2 O 3 . However, although this method is applied to ordinary semiconductor devices, it is not yet applied to a photonic crystal having a fine structure of about half a wavelength of light.

【0009】以上のごとく、進歩した現在のリソグラフ
ィ技術をもってしても3次元的に光の波長オーダーの屈
折率変調構造を作ることは困難であり、実用的なレベル
で光集積回路の基板となりうるものはまだ見つかってい
ない。そこで、本発明は、かかる従来の技術の問題点を
解決し、光の波長程度の大きさの3次元屈折率変調構造
を実現し、3次元半導体光結晶素子を製造する方法を提
供することを目的としてなされたものである。
As described above, it is difficult to three-dimensionally form a refractive index modulation structure on the order of the wavelength of light even with advanced lithography technology, and it can be a substrate for an optical integrated circuit at a practical level. Things have not been found yet. In view of the above, the present invention has been made to solve the problems of the conventional technology, to provide a three-dimensional refractive index modulation structure having a size about the wavelength of light, and to provide a method of manufacturing a three-dimensional semiconductor photonic crystal element. It was made for the purpose.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明者は、このような
問題点を克服して、半導体多層膜において3次元屈折率
変調構造を作り出し、3次元半導体光結晶素子を製造す
る方法について種々検討した結果、Alを構成要素とし
て含む特定種類の半導体層は酸化容易度がAlの組成に
極めて敏感であり、Alの組成にわずかな差をつけてお
けば条件を選定することによりAlを多く含む半導体層
中のAlだけを選択的に酸化することが可能であるこ
と、このようにして酸化されたAl23 は絶縁体であ
り低い屈折率を示すため光閉じ込め用のクラッド層とし
て利用することができることなどに着目し、本発明を完
成するに至った。
SUMMARY OF THE INVENTION The present inventor has studied various methods for overcoming the above problems and producing a three-dimensional refractive index modulation structure in a semiconductor multilayer film to manufacture a three-dimensional semiconductor photonic crystal element. As a result, the specific type of semiconductor layer containing Al as a constituent element has a very high degree of oxidation sensitivity to the Al composition, and if a slight difference is made in the Al composition, a large amount of Al can be obtained by selecting conditions. It is possible to selectively oxidize only Al in the semiconductor layer, and Al 2 O 3 oxidized in this way is an insulator and has a low refractive index, so that it is used as a cladding layer for optical confinement. Focusing on what can be done, the present invention has been completed.

【0011】即ち、本発明は、複数の光閉じ込め用のク
ラッド層と複数の光伝送用のコア層とが交互に積層され
てなる3次元半導体光結晶素子の製造方法において、ま
ず、前記半導体基板上に、Alを含んだ第1の半導体か
らなる前記クラッド層と、Alを含まない半導体もしく
はAlを含んだ半導体であってもそのAlの組成が前記
第1の半導体よりも0.02以上小さい第2の半導体か
らなる前記コア層とが、交互に積層された積層構造を成
長させ、次に、前記積層構造による多層膜に対して垂直
に、エッチングにより2次元周期配列を有する複数の孔
を形成し、最後に、前記クラッド層のAlを選択的に酸
化することにより、その一部もしくは全部を酸化物に変
化させることを特徴とする。
That is, the present invention relates to a method for manufacturing a three-dimensional semiconductor photonic crystal element in which a plurality of optical confinement cladding layers and a plurality of optical transmission core layers are alternately stacked, On the cladding layer made of the first semiconductor containing Al, even if the semiconductor does not contain Al or the semiconductor contains Al, the composition of Al is 0.02 or more smaller than that of the first semiconductor. The core layer made of the second semiconductor is grown alternately in a laminated structure, and then a plurality of holes having a two-dimensional periodic array are formed by etching perpendicular to the multilayer film formed by the laminated structure. After the formation, finally, the Al in the cladding layer is selectively oxidized to partially or entirely change the Al into an oxide.

【0012】また、本発明は、半導体基板上に、複数の
光閉じ込め用のクラッド層と複数の光伝送用のコア層と
が交互に積層されてなる3次元半導体光結晶素子の製造
方法において、まず、前記半導体基板上に、Alを含ん
だ第1の半導体からなる前記クラッド層と、Alを含ま
ない半導体もしくはAlを含んだ半導体であってもその
Alの組成が前記第1の半導体よりも0.02以上小さ
い第2の半導体からなる前記コア層とが、交互に積層さ
れた積層構造を成長させ、次に、前記クラッド層のAl
を選択的に酸化することにより、その一部もしくは全部
を酸化物に変化させ、最後に、前記積層構造による多層
膜に対して垂直に、エッチングにより2次元周期配列を
有する複数の孔を形成することを特徴とする。
Further, the present invention relates to a method for manufacturing a three-dimensional semiconductor photonic crystal element comprising a plurality of optical confinement cladding layers and a plurality of optical transmission core layers alternately laminated on a semiconductor substrate. First, on the semiconductor substrate, the cladding layer made of the first semiconductor containing Al, and even if the semiconductor does not contain Al or the semiconductor contains Al, the composition of Al is higher than that of the first semiconductor. The core layer made of the second semiconductor smaller than 0.02 is grown alternately in a laminated structure.
Is selectively oxidized to convert a part or the whole thereof into an oxide, and finally, a plurality of holes having a two-dimensional periodic array is formed by etching perpendicular to the multilayer film having the laminated structure. It is characterized by the following.

【0013】また、本発明は、半導体基板上に、複数の
光閉じ込め用のクラッド層と複数の光伝送用のコア層と
が交互に積層されてなる3次元半導体光結晶素子の製造
方法において、まず、前記半導体基板上に、Alを含ん
だ第1の半導体からなる前記クラッド層と、Alを含ま
ない半導体もしくはAlを含んだ半導体であってもその
Alの組成が前記第1の半導体よりも0.02以上小さ
い第2の半導体からなる前記コア層とが、交互に積層さ
れた積層構造を成長させ、次に、前記積層構造による多
層膜に対して垂直に、エッチングにより2次元周期配列
を有する複数の柱状構造を形成し最後に、前記クラッド
層のAlを選択的に酸化することにより、その一部もし
くは全部を酸化物に変化させることを特徴とする。
The present invention also relates to a method for manufacturing a three-dimensional semiconductor photonic crystal element comprising a plurality of light-trapping cladding layers and a plurality of light-transmitting core layers alternately stacked on a semiconductor substrate. First, on the semiconductor substrate, the cladding layer made of the first semiconductor containing Al, and even if the semiconductor does not contain Al or the semiconductor contains Al, the composition of Al is higher than that of the first semiconductor. The core layer made of the second semiconductor smaller than 0.02 or more grows a laminated structure alternately laminated, and then a two-dimensional periodic array is formed by etching perpendicular to the multilayer film having the laminated structure. A plurality of columnar structures are formed, and finally, the Al in the cladding layer is selectively oxidized to change a part or all of the Al into an oxide.

【0014】また、本発明は、半導体基板上に、複数の
光閉じ込め用のクラッド層と複数の光伝送用のコア層と
が交互に積層されてなる3次元半導体光結晶素子の製造
方法において、まず、前記半導体基板上に、Alを含ん
だ第1の半導体からなる前記クラッド層と、Alを含ま
ない半導体もしくはAlを含んだ半導体であってもその
Alの組成が前記第1の半導体よりも0.02以上小さ
い第2の半導体からなる前記コア層とが、交互に積層さ
れた構造を成長させ、次に、前記クラッド層のAlを選
択的に酸化することにより、その一部もしくは全部を酸
化物に変化させ、最後に、前記積層構造による多層膜に
対して垂直に、エッチングにより2次元周期配列を有す
る複数の柱状構造を形成することを特徴とする。
Further, the present invention relates to a method for manufacturing a three-dimensional semiconductor photonic crystal element comprising a plurality of optical confinement cladding layers and a plurality of optical transmission core layers alternately laminated on a semiconductor substrate. First, on the semiconductor substrate, the cladding layer made of the first semiconductor containing Al, and even if the semiconductor does not contain Al or the semiconductor contains Al, the composition of Al is higher than that of the first semiconductor. By growing a structure in which the core layer made of the second semiconductor smaller than 0.02 or more is alternately stacked, and then selectively oxidizing Al of the cladding layer, a part or the whole thereof is partially removed. The oxide is changed to an oxide, and finally, a plurality of columnar structures having a two-dimensional periodic arrangement are formed by etching perpendicular to the multilayer film having the stacked structure.

【0015】また、本発明は、半導体基板がGaAsで
あり前記第1の半導体がAlGaAsであるか、半導体
基板がInPであり前記第1の半導体がInAlGaA
sもしくはAlAsSbであることを特徴とする。
Further, according to the present invention, the semiconductor substrate is GaAs and the first semiconductor is AlGaAs, or the semiconductor substrate is InP and the first semiconductor is InAlGaAs.
s or AlAsSb.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】図面によって本発明の実施の一形
態を説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0017】本発明の製造方法により得られる3次元半
導体光結晶素子は、図1(d)に示すように、強制酸化
により形成されたAl23 層7、GaAs半導体層
3、GaAs基板1及びエッチングにより積層構造8に
開けられた孔6より構成される。
As shown in FIG. 1D, the three-dimensional semiconductor photonic crystal element obtained by the manufacturing method of the present invention has an Al 2 O 3 layer 7, a GaAs semiconductor layer 3, and a GaAs substrate 1 formed by forced oxidation. And a hole 6 formed in the laminated structure 8 by etching.

【0018】この構成を作り出すには、具体的には、ま
ず、半導体基板としてのGaAs基板1上にAlを含ん
だ第1の半導体としてのAlGaAs半導体層2とAl
を含まない半導体もしくはAlを含んだ半導体であって
もそのAlの組成が前記第1の半導体よりも0.02以
上小さい第2の半導体としてのGaAs半導体層3によ
り構成される半導体多層膜4を作成する(図1(a))。
各半導体層を成長する方法としては、半導体エピタキシ
ャル成長法、例えば、分子線エピタキシャル成長法(M
BE)や有機金属気相成長法などがある。各半導体層の
膜厚は光の波長の半分程度であるが、その値は使いたい
光の波長によってそれぞれ異なる。なお、各半導体層の
膜厚は多少のバラツキがあっても許容される。半導体層
は、層の数が多い方がよいが3層ずつ程度でもよい。ま
た、AlGaAs半導体層は、AlxGa(1-x)Asで表
される組成を有する。ここで、AlはGaAs結晶のG
aを置換する形で添加される。このAlの組成xはコア
となる第2の半導体層よりも0.02以上多くAlを含
有するものであれば特定の数値に限定されることはない
が、その後の酸化工程を考慮すると、実用上はx=0.
3以上が適当と考えられる。これにより作成される半導
体多層膜4は、格子の整合した同種半導体の成長である
ことから極めて高品質である。なお、AlGaAs半導
体層の膜圧は、後の酸化工程におけるサイズ変化を織り
込んで厚めに作成しておくこともできる。
In order to create this structure, first, an AlGaAs semiconductor layer 2 as a first semiconductor containing Al and an AlGaAs semiconductor layer 2 as a first semiconductor are formed on a GaAs substrate 1 as a semiconductor substrate.
A semiconductor multilayer film 4 composed of a GaAs semiconductor layer 3 as a second semiconductor whose Al composition is 0.02 or more smaller than that of the first semiconductor even if the semiconductor does not contain Al or a semiconductor containing Al It is created (FIG. 1A).
As a method for growing each semiconductor layer, a semiconductor epitaxial growth method, for example, a molecular beam epitaxial growth method (M
BE) and metal organic chemical vapor deposition. The thickness of each semiconductor layer is about half the wavelength of light, but the value differs depending on the wavelength of light to be used. The thickness of each semiconductor layer is acceptable even if there is some variation. The number of the semiconductor layers is preferably large, but may be about three. The AlGaAs semiconductor layer has a composition represented by Al x Ga (1-x) As. Here, Al is the G of the GaAs crystal.
It is added in a form that replaces a. The composition x of Al is not limited to a specific value as long as it contains 0.02 or more Al than the second semiconductor layer serving as a core. The upper part is x = 0.
Three or more are considered appropriate. The resulting semiconductor multilayer film 4 is of extremely high quality because it is a growth of the same kind of semiconductor with lattice matching. The film thickness of the AlGaAs semiconductor layer can be made thicker by incorporating the size change in the subsequent oxidation step.

【0019】次に、リソグラフィ技術により半導体多層
膜4に2次元屈折率変調構造を作り出すが、まず、半導
体多層膜の表面に電子線リソグラフィーにより2次元周
期構造の任意のマスクパターン5を作成する(図1
(b))。マスクパターンの作成は電子線に限らず、X線
やイオンビームを用いたリソグラフィーでもよい。この
マスクパターンに基づいて垂直にエッチングを行い、半
導体多層膜に周期的な垂直な孔6を形成する(図1
(c))。エッチングの方法は、プラズマエッチングや反
応性イオンエッチングなどがある。この工程により2次
元方向の屈折率変調に関してはエッチングによりあけら
れた孔6の屈折率(空気の屈折率=1)と半導体部分3
の屈折率(GaAsの屈折率=3.4)との屈折率差に
より十分に大きな変調を実現することができる。なお、
孔の径はコアとなるGaAs半導体層の膜圧と同じ程度
のものでよく、特に孔の形状や口径は限定されるもので
はない。
Next, a two-dimensional refractive index modulation structure is created in the semiconductor multilayer film 4 by lithography technology. First, an arbitrary mask pattern 5 having a two-dimensional periodic structure is created on the surface of the semiconductor multilayer film by electron beam lithography ( FIG.
(b)). The creation of the mask pattern is not limited to the electron beam, but may be lithography using an X-ray or an ion beam. The etching is performed vertically based on the mask pattern to form periodic vertical holes 6 in the semiconductor multilayer film.
(c)). Etching methods include plasma etching and reactive ion etching. With respect to the refractive index modulation in the two-dimensional direction by this process, the refractive index of the hole 6 (refractive index of air = 1) and the semiconductor portion 3
(Refractive index of GaAs = 3.4) can realize sufficiently large modulation. In addition,
The diameter of the hole may be about the same as the film pressure of the GaAs semiconductor layer serving as the core, and the shape and diameter of the hole are not particularly limited.

【0020】最後に、AlGaAs半導体層2のみを選
択的に酸化する。酸化する方法としては、水蒸気を用い
る方法でもよいし他の方法でもよい。この際、酸化は試
料端およびエッチングにより形成された孔6から進行す
る。AlはGaやAsよりも極めて酸化されやすいこと
から、酸化はAlに対してのみ進行し、AlGaAs半
導体層2のみが酸化され強制酸化により形成されたAl
23 層7に置き変わる。この結果、図1(d)のよう
に多層膜積層方向には、クラッドとなる強制酸化により
形成されたAl23 層とコアとなるGaAs半導体層
とが交互に積層された積層構造8が実現する。ここで、
Al23 の屈折率は低く(屈折率=1.5)、多層膜
積層方向についても強い1次元屈折率変調が得られ、上
記のエッチングによる2次元屈折率変調構造とあいまっ
て結果として有効な3次元屈折率変調構造を実現するこ
とができ、全体がPhotonic Band Gap
形成に必要とされる屈折率比2以上の3次元的な光結晶
となる。この酸化工程においては、クラッドとなるAl
GaAs半導体層のAlはAl 23 の結晶を作るが、
GaおよびAsは結晶格子から脱落し、消失することと
なる。従って、この酸化工程において、AlGaAs半
導体層が強制酸化により形成されたAl23 層に転化
することにより多少のサイズ変化が起こるが、このサイ
ズの変化を見込んであらかじめAlGaAs半導体層は
厚めに作成しておくのがよい。なお、サイズの変化は、
脱落したGa・As原子の代わりにO原子が入り込み、
Al原子と結合しAl23 結晶を形成するためにわず
かであり、実用上問題はない。これにより作成される多
層膜は、格子の整合した極めて高品質の同種半導体層に
由来するものであるから、その結果、GaAs半導体層
3と強制酸化により形成されたAl23 層7の積層構
造8も十分に高品質なものが形成されることとなる。な
お、Alが酸化される速さは、Alの組成xに影響さ
れ、xの値が大きければ速く、小さければ遅くなる。従
って、Alの組成xの値が大きい方が作業能率は向上す
る。
Finally, only the AlGaAs semiconductor layer 2 is selected.
Oxidation selectively. As a method of oxidation, use steam
Or another method. At this time, oxidation
Proceed from the end 6 and the hole 6 formed by etching.
You. Al is much more easily oxidized than Ga or As
Therefore, oxidation proceeds only for Al, and
Al formed only by oxidation of the conductor layer 2 and forced oxidation
TwoOThree Replace with layer 7. As a result, as shown in FIG.
In the multi-layer stacking direction, the
Al formedTwoOThree Layer and core GaAs semiconductor layer
Are alternately stacked to realize a stacked structure 8. here,
AlTwoOThree Has a low refractive index (refractive index = 1.5) and is a multilayer film
Strong one-dimensional refractive index modulation was also obtained in the stacking direction.
It is compatible with the two-dimensional refractive index modulation structure by the above etching
As a result, an effective three-dimensional refractive index modulation structure can be realized.
And the whole Photonic Band Gap
Three-dimensional photonic crystal with a refractive index ratio of 2 or more required for formation
Becomes In this oxidation step, the clad Al
Al of the GaAs semiconductor layer is Al TwoOThree Make a crystal of
Ga and As fall off from the crystal lattice and disappear.
Become. Therefore, in this oxidation step, AlGaAs half
Al with conductor layer formed by forced oxidationTwoOThree Converted into layers
This causes a slight size change, but this size
In consideration of the change in size, the AlGaAs semiconductor layer is
It is better to make it thicker. The change in size is
O atoms enter instead of the dropped Ga and As atoms,
Al bonds with Al atomTwoOThree Just to form a crystal
There is no practical problem. The number created by this
The layer film becomes a lattice-matched, extremely high-quality semiconductor layer of the same type.
As a result, the GaAs semiconductor layer
3 and Al formed by forced oxidationTwoOThree Layered structure of layer 7
The structure 8 is also formed of a sufficiently high quality. What
The speed at which Al is oxidized depends on the Al composition x.
If the value of x is large, it is fast, and if it is small, it is slow. Obedience
Therefore, the larger the value of the composition x of Al, the higher the work efficiency.
You.

【0021】上記の場合は、エッチング後に酸化処理を
行う構成であるが、半導体多層膜4作成後にAlGaA
s半導体層2のみを選択的に酸化し、最後にエッチング
を行う構成としてもよい。このようにした場合でも、A
lのみが選択的に酸化され、GaAs半導体層3は酸化
されることはなく、3次元屈折率変調構造が得られる。
また、半導体多層膜4に孔を空ける凹型ではなく、図2
のように半導体多層膜を柱状に残す凸型の構成としても
凹型と同じ目的を達成することができる。この柱状にエ
ッチング処理された多層膜13の柱も、凹型の場合と同
じく、コアの役割を果たすGaAs半導体層11とクラ
ッドの役割を果たす強制酸化により形成されたAl23
層12とから構成される。
In the above case, the oxidation treatment is performed after the etching.
A configuration in which only the s-semiconductor layer 2 is selectively oxidized and finally etched may be employed. Even in this case, A
Only 1 is selectively oxidized, and the GaAs semiconductor layer 3 is not oxidized, and a three-dimensional refractive index modulation structure is obtained.
In addition, the semiconductor multilayer film 4 is not a concave type in which a hole is formed, and FIG.
As described above, the same purpose as that of the concave type can be achieved even with the convex type structure in which the semiconductor multilayer film is left in a columnar shape. As in the case of the concave type, the pillars of the multilayer film 13 etched into the pillar shape also have the GaAs semiconductor layer 11 serving as a core and Al 2 O 3 formed by forced oxidation serving as a clad.
And a layer 12.

【0022】ここで、強制酸化により形成されたAl2
3 層7、12はGaAs基板1、10とコア部である
GaAs半導体層3、11とを電気的に絶縁してしまう
が、酸化時間を調整することにより第3図のように一部
に未酸化のAlGaAs領域22を残すこともでき、こ
の様な構成をとると多層膜の垂直方向に電気的接触をと
ることも可能である。図3(b)において、21は柱状
にエッチング処理された多層膜20の一周期部分の拡大
図であが、中心部の22は未酸化のAlGaAs領域で
あり、23の部分は強制酸化により形成されたAl23
領域である。この場合、多層膜の上下に電極を作成す
れば垂直方向に電流を流すことが可能になり、電流注入
型のレーザなどに利用することが可能である。この構成
は、凹型・凸型を問わず実現することができる。なお、
酸化工程においては、最上層は多層膜の周囲からばかり
でなく、上方向からも酸化が進むため、最上層はAlの
組成xの小さい半導体層で終了するか、酸化を防止する
ための保護層をつける必要がある。また、酸化工程にお
いて一部酸化し、その後にエッチング処理をした場合に
は、多層膜の周囲の部分のみ酸化され、中央部に未酸化
領域ができることになるが、このような場合でも、中央
部を光結晶としてではなく、導電領域としてのみ用いる
こともできるので問題はない。
Here, Al 2 formed by forced oxidation is used.
The O 3 layers 7 and 12 electrically insulate the GaAs substrates 1 and 10 from the GaAs semiconductor layers 3 and 11, which are core portions. The unoxidized AlGaAs region 22 can be left, and with such a configuration, it is possible to make electrical contact in the vertical direction of the multilayer film. In FIG. 3B, reference numeral 21 is an enlarged view of one period portion of the multilayer film 20 which has been etched into a columnar shape. A central portion 22 is an unoxidized AlGaAs region, and a portion 23 is formed by forced oxidation. Al 2 O 3
Area. In this case, if electrodes are formed above and below the multilayer film, a current can flow in the vertical direction, and it can be used for a current injection type laser or the like. This configuration can be realized irrespective of a concave type or a convex type. In addition,
In the oxidation step, the uppermost layer is oxidized not only from the periphery of the multilayer film but also from above, so that the uppermost layer ends with a semiconductor layer having a small Al composition x or a protective layer for preventing oxidation. It is necessary to attach. In addition, when a part of the multilayer film is oxidized in the oxidation step and then etched, only the peripheral part of the multilayer film is oxidized, and an unoxidized region is formed in the central part. Can be used not only as a photonic crystal but also as a conductive region, so there is no problem.

【0023】さらに、半導体多層膜を組成の異なる2種
以上のAlGaAs半導体層で構成し、最もAlの組成
xの大きい層を選択的に酸化することによっても3次元
屈折率変調構造を得ることができる。また、半導体基板
としてInP、半導体多層膜の構成としてInAlGa
As半導体層又はAlAsSb半導体層を用いてもよ
い。同様に、その他Alを含む混晶材料を半導体基板上
に成長した材料系でもよい。なお、Alの組成xの異な
る半導体多層膜においてAlを酸化する場合は、Alの
組成xに0.02以上の差があれば、xの値の大きい半
導体層のAlみが選択的に酸化され、xの値の小さい層
のAlは酸化されることはない。従って、Alの組成x
の大きな半導体層のAlのみを選択的に強制酸化により
形成されたAl23 層に転化することができるので、
3次元屈折率変調構造を容易に作成することが可能であ
る。この場合の酸化工程においても、AlGaAs半導
体層とGaAs半導体層からなる半導体多層膜の場合と
同様に、半導体層中のAlの組成xが小さくなればなる
ほど、Alを酸化するのに要する時間は長くなる傾向に
ある。また、酸化工程においては、半導体層中のAlの
組成xの差が大きければ大きいほどxの値が大きい半導
体層のAlのみが選択的に酸化されやすく、Alの組成
xの差が同じ値をとるならばxの絶対値が大きくなれば
なるほどxの値が大きな半導体層のAlのみが選択的に
酸化されやすくなる傾向にある。
Further, a three-dimensional refractive index modulation structure can be obtained by forming a semiconductor multilayer film of two or more AlGaAs semiconductor layers having different compositions and selectively oxidizing a layer having the largest Al composition x. it can. Further, InP is used as the semiconductor substrate, and InAlGa is used as the configuration of the semiconductor multilayer film.
An As semiconductor layer or an AlAsSb semiconductor layer may be used. Similarly, a material system in which a mixed crystal material containing Al is grown on a semiconductor substrate may be used. In the case where Al is oxidized in a semiconductor multilayer film having a different Al composition x, if there is a difference of 0.02 or more in the Al composition x, only the Al in the semiconductor layer having a large x value is selectively oxidized. , X is not oxidized. Therefore, the composition x of Al
Can be selectively converted to an Al 2 O 3 layer formed by forced oxidation,
It is possible to easily create a three-dimensional refractive index modulation structure. Also in the oxidation step in this case, as in the case of the semiconductor multilayer film including the AlGaAs semiconductor layer and the GaAs semiconductor layer, the smaller the composition x of Al in the semiconductor layer, the longer the time required to oxidize Al becomes longer. Tend to be. Further, in the oxidation step, as the difference in the composition x of Al in the semiconductor layer is larger, only the Al in the semiconductor layer in which the value of x is larger is easily oxidized selectively, and the difference in the composition x of Al has the same value. In this case, as the absolute value of x increases, only Al in a semiconductor layer having a large value of x tends to be selectively oxidized.

【0024】[0024]

【実施例】以下図面を用いて本発明の3次元半導体光結
晶素子の製造法の実施例を説明する。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG.

【0025】まず、分子線エピタキシャル成長法によ
り、GaAs基板1上に厚さ0.12μmのAlxGa
1-xAs(x=0.95)の半導体層2と厚さ0.12μmのG
aAs半導体層3を交互に10層成長し半導体多層膜4
を作り出す(図1(a))。この多層膜上に電子線リソグ
ラフィにより2次元周期構造のマスクパターン5を形成
する(図1(b))。これをマスクとして垂直にエッチン
グを行い、多層膜に口径が0.12μmの周期的な垂直
な孔6を形成する(図1(c))。
First, an Al x Ga layer having a thickness of 0.12 μm is formed on a GaAs substrate 1 by a molecular beam epitaxial growth method.
1-x As (x = 0.95) semiconductor layer 2 and 0.12 μm thick G
aAs semiconductor layers 3 are alternately grown in ten layers to form a semiconductor multilayer film 4.
(Fig. 1 (a)). A mask pattern 5 having a two-dimensional periodic structure is formed on the multilayer film by electron beam lithography (FIG. 1B). Using this as a mask, etching is performed vertically to form periodic vertical holes 6 having a diameter of 0.12 μm in the multilayer film (FIG. 1C).

【0026】次に、これを425度の高温水蒸気雰囲気
中で30分間熱処理し、AlGaAs半導体層を酸化す
る。これによりAlGaAs半導体層2が強制酸化によ
り形成されたAl23 層7に置き換わる。この結果、
構造は図1(d)のように多層膜積層方向には強制酸化
により形成されたAl23 層とGaAs半導体層が交
互に積層された積層構造8が実現する。
Next, this is heat-treated in a 425 ° C. high-temperature steam atmosphere for 30 minutes to oxidize the AlGaAs semiconductor layer. Thereby, the AlGaAs semiconductor layer 2 is replaced with the Al 2 O 3 layer 7 formed by forced oxidation. As a result,
As a structure, as shown in FIG. 1D, a laminated structure 8 in which an Al 2 O 3 layer and a GaAs semiconductor layer formed by forced oxidation are alternately laminated in a multilayer film laminating direction is realized.

【0027】[0027]

【発明の効果】本発明の方法によれば、多層膜作成後の
プロセスによって特定の材料で構成される特定の膜のみ
を酸化し、低屈折率の材料に転化するため、多層膜の垂
直方向についても強い屈折率変調を得ることができる。
このため、リソグラフィー技術のみでは困難であった光
の波長オーダーの3次元屈折率変調構造を容易に作成す
ることができる。
According to the method of the present invention, only a specific film composed of a specific material is oxidized and converted into a material having a low refractive index by a process after the formation of the multilayer film. , A strong refractive index modulation can be obtained.
Therefore, it is possible to easily create a three-dimensional refractive index modulation structure on the order of the wavelength of light, which has been difficult only by lithography technology.

【0028】また、はじめの多層膜は格子の整合した同
種半導体の成長であることから極めて高品質の半導体多
層膜の形成が可能であり、その結果AlGaAs半導体
層膜酸化後のGaAs半導体層と強制酸化により形成さ
れたAl23 層の積層構造も十分に高品質なものが形
成できる。そしてこの酸化過程において、Alを構成要
素として含む半導体は酸化容易度がAlの組成xに極め
て敏感であり、Alの組成にわずかな差をつけておけ
ば、条件を選定することにより一方の材料だけを選択的
に酸化することが可能であり、幅広い材料を用いて3次
元半導体光結晶素子の製造が可能となる。
Further, since the first multilayer film is a growth of the same kind of semiconductor with lattice matching, it is possible to form a very high quality semiconductor multilayer film. As a result, the AlGaAs semiconductor layer film is forcibly combined with the oxidized GaAs semiconductor layer. A sufficiently high-quality laminated structure of Al 2 O 3 layers formed by oxidation can be formed. In this oxidation process, a semiconductor containing Al as a constituent element has a very high degree of oxidation sensitivity to the Al composition x, and if a slight difference is made in the Al composition, one of the materials can be selected by selecting conditions. Can be selectively oxidized, and a three-dimensional semiconductor photonic crystal element can be manufactured using a wide range of materials.

【0029】さらに、強制酸化により形成されたAl2
3 層は絶縁層であり基板とコア部とを電気的に絶縁し
てしまうが、酸化時間を調整することにより第3図のよ
うに一部に未酸化のAlGaAs領域22を残すと、多
層膜の垂直方向にも電流を流すことができ、電流注入型
のレーザなどに利用することも可能となる。
Further, Al 2 formed by forced oxidation
The O 3 layer is an insulating layer and electrically insulates the substrate and the core. However, if the unoxidized AlGaAs region 22 is partially left as shown in FIG. A current can also flow in the direction perpendicular to the film, and it can be used for a current injection type laser or the like.

【0030】加えて、基板としてGaAs、半導体多層
膜の構成としてAlGaAs半導体層及びGaAs半導
体層を用いている場合の他、半導体多層膜を組成の異な
る2種以上のAlGaAs半導体層で構成しても、ま
た、基板としてInP、多層膜の構成として、InAl
GaAs半導体層またはAlAsSb半導体層を用いて
も、その他Alを含む混晶材料を半導体基板上に成長し
た材料系でも、3次元屈折率変調構造を構成することが
可能であり、幅広い材料を用いて3次元半導体光結晶素
子を作ることができる。
In addition to the case where GaAs is used as the substrate and the AlGaAs semiconductor layer and the GaAs semiconductor layer are used as the structure of the semiconductor multilayer film, the semiconductor multilayer film may be formed of two or more kinds of AlGaAs semiconductor layers having different compositions. InP is used as the substrate, and InAl is used as the configuration of the multilayer film.
Even if a GaAs semiconductor layer or an AlAsSb semiconductor layer is used, a three-dimensional refractive index modulation structure can be formed even if a mixed material containing Al is grown on a semiconductor substrate. A three-dimensional semiconductor photonic crystal device can be manufactured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明における3次元半導体光結晶素子の
製造方法を示す図である。(a)はエピタキシャル成長さ
れた半導体多層膜の斜視図、(b)は半導体多層膜上に
施された2次元周期のマスクパターンの斜視図、(c)
はエッチング後の半導体多層膜の斜視図(一部透視
図)、(d)は酸化処理後の多層膜の斜視図(一部透視
図)である。
FIG. 1 is a diagram showing a method for manufacturing a three-dimensional semiconductor photonic crystal device according to the present invention. (a) is a perspective view of an epitaxially grown semiconductor multilayer film, (b) is a perspective view of a two-dimensional periodic mask pattern formed on the semiconductor multilayer film, (c)
3 is a perspective view (partially transparent view) of the semiconductor multilayer film after etching, and (d) is a perspective view (partially transparent view) of the multilayer film after oxidation treatment.

【図2】 本発明における別の実施形態により製造さ
れた3次元光半導体光結晶素子を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a three-dimensional optical semiconductor photonic crystal device manufactured according to another embodiment of the present invention.

【図3】 本発明において酸化時間を制御することに
よってAlGaAs半導体層に未酸化領域を残し、電流
を流すチャネルを確保した構造を示す図である。(a)
は図2において柱状にエッチング処理した多層膜の柱1
本を示す斜視図、(b)は当該柱の一周期部分を拡大し
たものの斜視図(一部透視図)である。
FIG. 3 is a view showing a structure in which an unoxidized region is left in an AlGaAs semiconductor layer by controlling an oxidation time in the present invention to secure a channel through which a current flows. (A)
Is a multi-layered pillar 1 etched into a pillar shape in FIG.
FIG. 2B is a perspective view showing the book, and FIG. 2B is a perspective view (partially see-through view) of an enlarged one-period portion of the column.

【図4】 従来の方法における3次元半導体光結晶素
子の製造方法を示す図である。
FIG. 4 is a view showing a method for manufacturing a three-dimensional semiconductor photonic crystal element in a conventional method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1;GaAs基板 2;AlGaAs半導体層 3;GaAs半導体層 4;半導体多層膜 5;マスクパターン 6;孔 7;強制酸化により形成されたAl23 層 8;積層構造 10;GaAs基板 11;GaAs半導体層 12;強制酸化により形成されたAl23 層 13;柱状にエッチング処理された多層膜 20;多層膜の柱1本 21;一周期部分 22;未酸化のAlGaAs領域 23;強制酸化により形成されたAl23 領域 24;GaAs半導体層 30;半導体単結晶 31;レジスト上に形成された2次元周期パターン 32;エッチング用のビーム1; GaAs substrate 2; AlGaAs semiconductor layer 3; GaAs semiconductor layer 4; semiconductor multilayer film 5; mask pattern 6; hole 7; Al 2 O 3 layer 8 formed by forced oxidation; stacked structure 10; GaAs substrate 11; GaAs Semiconductor layer 12; Al 2 O 3 layer 13 formed by forced oxidation 13; multilayer film 20 etched in a columnar shape 20; one pillar of multilayer film 21; one-period portion 22; unoxidized AlGaAs region 23; Formed Al 2 O 3 region 24; GaAs semiconductor layer 30; semiconductor single crystal 31; two-dimensional periodic pattern 32 formed on resist; beam for etching

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板上に、複数の光閉じ込め用の
クラッド層と複数の光伝送用のコア層とが交互に積層さ
れてなる3次元半導体光結晶素子の製造方法において、 まず、前記半導体基板上に、Alを含んだ第1の半導体
からなる前記クラッド層と、Alを含まない半導体もし
くはAlを含んだ半導体であってもそのAlの組成が前
記第1の半導体よりも0.02以上小さい第2の半導体
からなる前記コア層とが、交互に積層された積層構造を
成長する工程と、 次に、前記積層構造による多層膜に対して垂直に、エッ
チングにより2次元周期配列を有する複数の孔を形成す
る工程と、 最後に、前記クラッド層のAlを選択的に酸化すること
により、その一部もしくは全部を酸化物に変化させる工
程と、 からなることを特徴とする、3次元半導体光結晶素子の
製造方法。
1. A method for manufacturing a three-dimensional semiconductor photonic crystal element comprising a plurality of light-trapping cladding layers and a plurality of light-transmitting core layers alternately stacked on a semiconductor substrate. On the substrate, the cladding layer made of the first semiconductor containing Al, and even if the semiconductor does not contain Al or the semiconductor contains Al, the composition of Al is 0.02 or more than that of the first semiconductor. A step of growing a stacked structure in which the core layer made of the small second semiconductor is alternately stacked; and a plurality of two-dimensional periodic arrays formed by etching perpendicular to the multilayer film having the stacked structure. Forming a hole, and finally, selectively oxidizing Al of the cladding layer to change a part or all of the hole to an oxide. Method for producing a conductive optical crystal element.
【請求項2】 半導体基板上に、複数の光閉じ込め用の
クラッド層と複数の光伝送用のコア層とが交互に積層さ
れてなる3次元半導体光結晶素子の製造方法において、 まず、前記半導体基板上に、Alを含んだ第1の半導体
からなる前記クラッド層と、Alを含まない半導体もし
くはAlを含んだ半導体であってもそのAlの組成が前
記第1の半導体よりも0.02以上小さい第2の半導体
からなる前記コア層とが、交互に積層された積層構造を
成長する工程と、 次に、前記クラッド層のAlを選択的に酸化することに
より、その一部もしくは全部を酸化物に変化させる工程
と、 最後に、前記積層構造による多層膜に対して垂直に、エ
ッチングにより2次元周期配列を有する複数の孔を形成
する工程と、 からなることを特徴とする、3次元半導体光結晶素子の
製造方法。
2. A method for manufacturing a three-dimensional semiconductor photonic crystal element comprising a plurality of light-trapping cladding layers and a plurality of light-transmitting core layers alternately stacked on a semiconductor substrate. On the substrate, the cladding layer made of the first semiconductor containing Al, and even if the semiconductor does not contain Al or the semiconductor contains Al, the composition of Al is 0.02 or more than that of the first semiconductor. A step of growing a laminated structure in which the core layer made of a small second semiconductor is alternately laminated; and then, by selectively oxidizing Al of the cladding layer, a part or the whole thereof is oxidized. A step of forming a plurality of holes having a two-dimensional periodic array by etching perpendicularly to the multilayer film having the laminated structure. Method for producing a conductive optical crystal element.
【請求項3】 半導体基板上に、複数の光閉じ込め用の
クラッド層と複数の光伝送用のコア層とが交互に積層さ
れてなる3次元半導体光結晶素子の製造方法において、 まず、前記半導体基板上に、Alを含んだ第1の半導体
からなる前記クラッド層と、Alを含まない半導体もし
くはAlを含んだ半導体であってもそのAlの組成が前
記第1の半導体よりも0.02以上小さい第2の半導体
からなる前記コア層とが、交互に積層された積層構造を
成長する工程と、 次に、前記積層構造による多層膜に対して垂直に、エッ
チングにより2次元周期配列を有する複数の柱状構造を
形成する工程と、 最後に、前記クラッド層のAlを選択的に酸化すること
により、その一部もしくは全部を酸化物に変化させる工
程と、 からなることを特徴とする、3次元半導体光結晶素子の
製造方法。
3. A method for manufacturing a three-dimensional semiconductor photonic crystal element comprising a plurality of light-trapping cladding layers and a plurality of light-transmitting core layers alternately stacked on a semiconductor substrate. On the substrate, the cladding layer made of the first semiconductor containing Al, and even if the semiconductor does not contain Al or the semiconductor contains Al, the composition of Al is 0.02 or more than that of the first semiconductor. A step of growing a stacked structure in which the core layer made of the small second semiconductor is alternately stacked; and a plurality of two-dimensional periodic arrays formed by etching perpendicular to the multilayer film having the stacked structure. Forming a columnar structure, and finally, selectively oxidizing Al of the cladding layer to change a part or all of the cladding layer to an oxide. Method of manufacturing dimensional semiconductor optical crystal element.
【請求項4】 半導体基板上に、複数の光閉じ込め用の
クラッド層と複数の光伝送用のコア層とが交互に積層さ
れてなる3次元半導体光結晶素子の製造方法において、 まず、前記半導体基板上に、Alを含んだ第1の半導体
からなる前記クラッド層と、Alを含まない半導体もし
くはAlを含んだ半導体であってもそのAlの組成が前
記第1の半導体よりも0.02以上小さい第2の半導体
からなる前記コア層とが、交互に積層された積層構造を
成長する工程と、 次に、前記クラッド層のAlを選択的に酸化することに
より、その一部もしくは全部を酸化物に変化させる工程
と、 最後に、前記積層構造による多層膜に対して垂直に、エ
ッチングにより2次元周期配列を有する複数の柱状構造
を形成する工程と、 からなることを特徴とする、3次元半導体光結晶素子の
製造方法。
4. A method for manufacturing a three-dimensional semiconductor photonic crystal element comprising a plurality of light-trapping cladding layers and a plurality of light-transmitting core layers alternately laminated on a semiconductor substrate. On the substrate, the cladding layer made of the first semiconductor containing Al, and even if the semiconductor does not contain Al or the semiconductor contains Al, the composition of Al is 0.02 or more than that of the first semiconductor. A step of growing a laminated structure in which the core layer made of a small second semiconductor is alternately laminated; and then, by selectively oxidizing Al of the cladding layer, a part or the whole thereof is oxidized. And a step of forming a plurality of columnar structures having a two-dimensional periodic array by etching perpendicularly to the multilayer film having the laminated structure. Method of manufacturing dimensional semiconductor optical crystal element.
【請求項5】 前記半導体基板がGaAsであり前記第
1の半導体がAlGaAsであるか、前記半導体基板が
InPであり前記第1の半導体がInAlGaAsもし
くはAlAsSbであることを特徴とする、請求項1乃
至請求項4のいずれか1項に記載の3次元半導体光結晶
素子の製造方法。
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is GaAs and the first semiconductor is AlGaAs, or the semiconductor substrate is InP and the first semiconductor is InAlGaAs or AlAsSb. A method for manufacturing a three-dimensional semiconductor photonic crystal device according to claim 1.
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