WO2005078512A1 - フォトニック結晶半導体デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

フォトニック結晶半導体デバイスおよびその製造方法 Download PDF

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WO2005078512A1
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multilayer film
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Tomofumi Kise
Tatsuya Kimoto
Noriyuki Yokouchi
Toshihiko Baba
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The Furukawa Electric Co., Ltd.
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    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
    • H01S5/2018—Optical confinement, e.g. absorbing-, reflecting- or waveguide-layers
    • H01S5/2027—Reflecting region or layer, parallel to the active layer, e.g. to modify propagation of the mode in the laser or to influence transverse modes

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide using a photonic crystal structure having a defect in a periodic structure having a two-dimensional refractive index close to the wavelength of light, a variable wavelength filter, an optical switch, an optical modulator, and an optical resonator.
  • the present invention relates to a photonic crystal semiconductor device such as a semiconductor device and a semiconductor laser, and a method of manufacturing the same.
  • photonic crystals have attracted attention as one of the key technologies for realizing the next-generation ultra-small optical integrated circuits, and many research institutes have been conducting vigorous research from both theoretical and experimental perspectives. ing.
  • This photonic crystal is a crystal having a structure in which the refractive index is modulated at a period about the wavelength of light.
  • a photonic band gap (PBG) for light is formed according to the solution of the Maxwell's equation in the periodic field. Cannot propagate in any direction. If a defect is provided in such a photonic crystal by an appropriate design, light at a frequency corresponding to the PBG cannot exist in the photonic crystal other than the defect, so that light is localized at the defect. . Therefore, it becomes possible to capture light (resonator) by a point defect or to realize an optical waveguide by a line defect.
  • Strict PBG is a force S realized only by three-dimensional photonic crystals, and the manufacturing process is extremely complicated and difficult.
  • a certain degree of PBG effect also appears in two-dimensional photonic crystals.
  • total reflection confinement due to a difference in refractive index is used as light confinement in a vertical direction.
  • a structure in which a photonic crystal is formed in a waveguide layer core layer having a high refractive index and this photonic crystal is sandwiched between cladding layers having a low refractive index is called a two-dimensional photonic crystal slab structure. (Silicon on Insulator) Photonic crystal created on the substrate and empty on both sides
  • Non-Patent Document 1 M.Ito, et al., Extended Abstracts of the 2003 International Conference on Solid State Devices and Materials, Tokyo, 2003, pp.870-871
  • the air-bridge type is not suitable for active devices such as light-emitting elements because of its mechanical fragility and extremely high thermal resistance due to its structure. Therefore, an active device such as a light emitting element by current injection needs to have a two-dimensional photonic crystal slab structure in which a semiconductor cladding layer is sandwiched between upper and lower portions in order to provide a control electrode.
  • the two-dimensional photonic crystal slab structure has a problem that a leak mode called light cone, in which light is emitted upward and downward, exists.
  • the existence of this radiation mode is more remarkable as the refractive index n of the material used for the cladding is higher.
  • n l
  • the effect can be avoided.
  • (n ⁇ 3) there is a problem that the influence of the radiation mode cannot be avoided. This problem is fatal to the realization of active devices such as light-emitting elements that can be replaced only by passive devices such as ordinary waveguides.
  • a distributed Bragg reflector (DBR)) consisting of an air layer and a semiconductor GaAs layer is formed above, below, and on both sides of the core layer in the vertical direction.
  • DBR distributed Bragg reflector
  • Pseudo-three-dimensional photonic crystal point defect with Distributed Bragg Reflector) Reinforces optical confinement by using a resonator structure to reflect light emitted in the vertical direction back to the DBR and back.
  • This photonic crystal resonator has a small mode volume even when compared with a normal two-dimensional photonic crystal slab structure. It is theoretically demonstrated that the Q value of the resonator can be increased while maintaining.
  • this photonic crystal resonator has a problem that it cannot be used as an electrical control device because it uses a DBR composed of an air layer and a semiconductor layer.
  • the present invention has been made in view of the above, and provides a photonic crystal semiconductor device that can easily form various optical devices having a photonic crystal structure using a semiconductor and a semiconductor manufacturing process. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method thereof. Means for solving the problem
  • a photonic crystal semiconductor device provides a semiconductor substrate, a lower semiconductor distributed Bragg reflective multilayer film laminated on the semiconductor substrate, and the lower semiconductor distributed Bragg reflective multilayer film.
  • a photonic crystal structure having a two-dimensional periodic structure with a two-dimensional refractive index close to the wavelength of light is formed in the semiconductor core layer by the upper semiconductor distributed Bragg reflection film and the plurality of holes penetrating the semiconductor core layer. It is characterized by that.
  • the periodic structure having the two-dimensional refractive index includes the holes interposed between the holes. It is characterized by having a linear defect.
  • the periodic structure having the two-dimensional refractive index includes the holes interposed between the holes. It is characterized by having a point defect portion which is a non-existent area.
  • the photonic crystal semiconductor device is the photonic crystal semiconductor device according to any one of the first to third aspects, wherein the lower semiconductor distributed Bragg reflection multilayer film and the semiconductor A lower clad layer laminated between the semiconductor core layer and the upper semiconductor distributed Bragg reflective multilayer film; and a lower clad layer laminated between the semiconductor core layer and the upper semiconductor distributed Bragg reflective multilayer film.
  • the hole penetrates the upper clad layer and the lower clad layer.
  • the plurality of holes are formed in the lower semiconductor distributed Bragg reflection multilayer film. It is characterized in that it penetrates a part or all of the lower semiconductor distributed Bragg reflection multilayer film.
  • a photonic crystal semiconductor device is the device according to the first aspect, further comprising an electrode for applying a current or a voltage to the photonic crystal structure.
  • the photonic crystal semiconductor device is the device according to any one of the second to fifth aspects, wherein the electrode for applying a current or a voltage to the photonic crystal structure portion is provided. It is characterized by having.
  • the photonic crystal semiconductor device is the photonic crystal semiconductor device according to any one of the first to seventh aspects, wherein the selective oxidation includes an aluminum for current confinement near the semiconductor core layer. A layer is provided.
  • a photonic crystal semiconductor device is characterized in that, in any one of the above-described second to eighth aspects, the semiconductor core layer has an active layer.
  • a photonic crystal semiconductor device is the photonic crystal semiconductor device according to any one of the first to ninth aspects, wherein the semiconductor core layer has a multiple quantum well structure. It is characterized.
  • a photonic crystal semiconductor device is the photonic crystal semiconductor device according to any one of the eleventh to eleventh aspects, wherein the semiconductor core layer includes InGaAsP.
  • a photonic crystal semiconductor device is the photonic crystal semiconductor device according to any one of the first to tenth aspects, wherein the semiconductor core layer includes GalnNAsSb.
  • a photonic crystal semiconductor device is characterized in that, in any one of the above-mentioned first to tenth aspects, the semiconductor core layer contains AsGalnAs.
  • a tunable wavelength filter according to a fourteenth aspect of the present invention includes the photonic crystal semiconductor device according to the seventh to thirteenth aspects, and a variable power supply connected to the electrode, It is characterized in that the light flowing through the section is filtered.
  • An optical switch / modulator includes the photonic crystal semiconductor device according to the seventh to thirteenth aspects, a power supply connected to the electrode, and a power supply connected to the electrode.
  • a tunable laser according to a sixteenth aspect of the present invention includes the photonic crystal semiconductor device according to the seventh to thirteenth aspects, and a variable power supply connected to the electrode, The laser light of the variable wavelength amplified by the section is output.
  • the photonic crystal semiconductor device is the photonic crystal semiconductor device according to the first aspect, wherein the semiconductor laser device having an active layer optically connected to the semiconductor core layer is formed of the semiconductor substrate. It is characterized by being formed above.
  • the photonic crystal semiconductor device is the photonic crystal semiconductor device according to the seventeenth aspect, wherein the two-dimensional refractive index periodic structure is interposed between the holes.
  • the active layer has a linear defect that does not exist, and the active layer is optically connected to the linear defect in the semiconductor core layer.
  • a method for manufacturing a photonic crystal semiconductor device uses a photonic crystal structure in which a defect is provided in a periodic structure having a two-dimensional refractive index close to the wavelength of light.
  • a method for manufacturing a photonic crystal semiconductor device wherein a lower semiconductor distributed Bragg reflective multilayer film, a semiconductor core layer on which the photonic crystal is formed, and an upper semiconductor distributed Bragg reflective multilayer film are sequentially laminated on a semiconductor substrate; Forming a plurality of holes penetrating the upper semiconductor distributed Bragg reflective multilayer film and the semiconductor core layer; And forming a dielectric multilayer film on the upper semiconductor Bragg reflective multilayer film.
  • the vacancy is interposed between the vacancies and there is no vacancy.
  • the method includes forming a linear or point defect.
  • the vacancy forming step is a part of the lower semiconductor distributed Bragg reflective multilayer film.
  • the method includes forming a plurality of holes penetrating all layers of the lower semiconductor distributed Bragg reflection multilayer film.
  • the laminating step may include forming an upper portion of the upper semiconductor Bragg reflective multilayer film.
  • a selective oxidizing layer and a contact layer are further laminated sequentially, and in the hole forming step, a hole is formed through the selective oxidizing layer and the contact layer, and a current oxidized to a part of the selective oxidizing layer is formed. It is characterized by forming an oxidized portion for constriction.
  • a method for manufacturing a photonic crystal semiconductor device is the method for manufacturing a photonic crystal semiconductor device according to any one of the nineteenth and twelfth aspects, wherein The method further includes an electrode forming step of forming an electrode at a lower portion.
  • the lower semiconductor distributed Bragg reflective multilayer film, the semiconductor core layer on which the photonic crystal is formed, and the upper semiconductor distributed Bragg reflective multilayer from the semiconductor substrate side A film and a dielectric multilayer film are sequentially stacked, and a photonic crystal structure in which a plurality of holes penetrating the upper semiconductor distributed Bragg reflection multilayer film and the semiconductor core layer is formed in the semiconductor core layer. ing. In such a structure, light can be vertically reflected and confined by the upper semiconductor distributed Bragg reflective multilayer film and the dielectric multilayer film.
  • Enclosement can be performed reliably, and In addition, the aspect ratio (depth / diameter) of the holes formed in the semiconductor layer can be reduced. Therefore, there is an effect that a device which is not inferior to an air bridge type photonic crystal device can be easily manufactured by a semiconductor process.
  • FIG. 1 is a partially cutaway view of a tunable wavelength filter, which is a photonic crystal semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, viewed obliquely.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the variable wavelength filter shown in FIG.
  • FIG. 3 is a plan view of the variable wavelength filter shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a drawing (1) showing a step of manufacturing the tunable wavelength filter shown in FIG. 1.
  • FIG. 5 is a drawing (No. 2) showing a step of manufacturing the tunable wavelength filter shown in FIG.
  • FIG. 6 is a drawing (No. 3) showing a step of manufacturing the tunable wavelength filter shown in FIG.
  • FIG. 7 is a drawing (No. 4) showing a step of manufacturing the tunable wavelength filter shown in FIG. 1.
  • FIG. 8 is a sectional view showing a modification of the variable wavelength filter shown in FIG. 1.
  • FIG. 9 is a diagram showing a configuration when the structure shown in FIG. 1 is applied to an optical switch or an optical modulator.
  • FIG. 10 is a diagram showing a configuration when the structure shown in FIG. 1 is applied to a slab optical waveguide.
  • FIG. 11 is a partially cutaway view of another structure of a variable wavelength filter as a photonic crystal semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, as viewed obliquely.
  • FIG. 12 is a partially cutaway view of a semiconductor laser as a photonic crystal semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, as viewed obliquely.
  • FIG. 13 is a plan view of the semiconductor laser shown in FIG.
  • FIG. 14 is a perspective view showing a super prism as a photonic crystal semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a plan view showing a core layer of the photonic crystal semiconductor device shown in FIG.
  • FIG. 16 is a partially cutaway view of a semiconductor laser integrated photonic crystal optical device according to a fourth embodiment of the present invention as viewed obliquely.
  • FIG. 17 is a sectional view taken along the line I-I of FIG.
  • FIG. 18 is a sectional view taken along the line II in FIG.
  • variable wavelength finolator that is a photonic crystal semiconductor device according to the first embodiment will be described.
  • FIG. 1 is a partially cutaway view of a tunable wavelength filter according to Embodiment 1 of the present invention when viewed obliquely.
  • FIG. 2 is a sectional view of the variable wavelength filter shown in FIG.
  • FIG. 3 is a plan view of the variable wavelength filter shown in FIG.
  • this tunable wavelength filter uses a photonic crystal structure having a line defect 10 which is a linear defect.
  • the line defect 10 is used as an optical waveguide, and the photonic crystal structure is used.
  • the refractive index of the optical waveguide By changing the refractive index of the optical waveguide, the wavelength band through which the optical waveguide passes can be varied.
  • the length of the optical waveguide is 10 x m-1 100 z m.
  • the passing wavelength band is the 1550 nm band.
  • This tunable wavelength filter has a lower DBR layer 1, a core layer 2, an upper DBR layer 3, a selective oxidation layer 4, and a contact layer 5 on an ⁇ — ⁇ substrate 11 having a thickness of about 120 ⁇ m. It has a sequentially stacked structure, and has a plurality of cylindrical holes 9 penetrating a part of the lower DBR layer 1 on the core layer side, the core layer 2, the upper DBR layer 3, the selective oxidation layer 4, and the contact layer 5. Are formed in a triangular shape, and a line defect portion 10 in which the holes 9 do not exist linearly is formed in a portion surrounded by the holes 9.
  • a dielectric multilayer film 6 is formed on the contact layer 5 in a stripe-shaped region corresponding to the line defect portion 10, and the dielectric multilayer film 6 is formed on the contact layer 5.
  • the ⁇ -side electrode 7 is formed in a region not to be formed and on both sides of the dielectric multilayer film 6.
  • an ⁇ -side electrode 8 facing the ⁇ -side electrode 7 is formed on the lower part of the ⁇ - ⁇ substrate 11.
  • a variable current source 12 is connected to the ⁇ -side electrode 7 and the ⁇ -side electrode 8.
  • the lower DBR layer 1 is a ⁇ -type semiconductor distribution Bragg reflection multilayer film composed of 30 pairs of InGaAsP / AlInAs.
  • the core layer 2 has a composition having an energy bandgap wavelength of 1300 nm, is formed of InGaAsP here, and has a thickness of 597 nm.
  • the upper DBR layer 3 is a two-pair p-type semiconductor distributed Bragg reflecting multilayer film having a pair of InGaAsP / AlInAs. Oxidized portions 4a are formed at both ends of the selective oxidation layer 4 by an oxidizing process, thereby performing current confinement.
  • the selective oxidation layer 4 is made of a semiconductor containing aluminum, for example, AlInAs.
  • the contact layer 5 is formed of a p-type semiconductor.
  • the holes 9 have a diameter of 200 nm and a lattice constant of 350 nm, and the width of the line defect portion 10 is 406 nm. is there.
  • the core layer 2 having the holes 9 and the line defect portions 10 forms a photonic crystal structure.
  • the parameters of the photonic crystal structure are determined by the wavelength of the target light.
  • the lattice constant of the holes 9 can be changed in the range of 300 to 400 nm.
  • the dielectric multilayer film 6 is composed of three pairs of Si ⁇ and amorphous silicon.
  • the thickness of Si ⁇ is 340 nm, and the thickness of amorphous silicon is 149 ⁇ .
  • the reflectivity of the dielectric multilayer film 6 is 99.9% or more.
  • the p-side electrode 7 is realized by a multilayer structure of TiZPtZAu, and the n-side electrode 8 is formed of AuGe
  • the line defect 10 functions as an optical waveguide in the 1550 nm band.
  • the amount of current injected by the power supply 12 is changed, the refractive index of the photonic crystal structure changes, and the wavelength band in which the line defect 10 allows waveguides changes, so that it functions as a variable wavelength filter. Will be. (If the p-side electrode 7, the n-side electrode 8, and the power supply 12 are not provided, they function as a slab waveguide that guides only light of a predetermined wavelength.)
  • a lower DBR layer 1, a core layer 2, an upper DBR layer 3, a selective oxidation layer 4, and a contact layer 5 are sequentially formed on an n-InP semiconductor substrate 11 using a MOCVD (Metall Organic Chemical Vapor Deposition) crystal growth apparatus. Form. Thereafter, the contact layer 5 and a part of the region 21 of the selective oxidation layer 4 are removed by photolithography and dry etching equipment (FIG. 4).
  • MOCVD Metall Organic Chemical Vapor Deposition
  • oxidation is promoted from the side surface of the selective oxidation layer 4 containing A1 by using an oxidation furnace to form an oxidized portion 4a for current confinement.
  • the pattern of the photonic crystal structure shown in FIG. 3, that is, the hole pattern having a lattice arrangement of circles is transferred using an electron beam drawing apparatus, and an etching mask of the hole pattern is formed on the contact layer 5.
  • chlorine-based A hole 9 is formed from the contact layer 5 to the upper partial region of the lower DBR layer 1 using a light etching apparatus.
  • the depth of the holes 9 is about 2 ⁇ . With the diameter of the holes being 200 nm, the aspect ratio of the holes is about 10: 1 (Fig. 5).
  • the layers 22 are stacked, and the regions 22 are removed by etching so as to cover at least the stripe regions corresponding to the line defect portions 10, thereby forming the stripe-shaped dielectric multilayer film 6 (FIG. 6).
  • the lower portion of the n-InP substrate 11 is polished so that the thickness including the dielectric multilayer film 6 is about 120 ⁇ m.
  • a slab optical waveguide is formed by forming the p-side electrode 7 and the n-side electrode 8 (FIG. 7).
  • a variable wavelength filter is manufactured.
  • the holes 9 penetrate down to the lower DBR layer 1.
  • the present invention is not limited to this.
  • the aspect ratio of the holes 9 is reduced, and the holes 9 with high precision can be formed.
  • the etching depth when forming the holes 9 is small, and the parameters relating to the holes 9 among the parameters that must be considered so as to obtain the predetermined reflection characteristics of the lower DBR layer 1 are unnecessary. , And the design of the lower DBR layer 1 becomes more difficult.
  • the force that forms the DBR layer made of InGaAsP / AlInAs on the InP substrate is not limited to this.
  • one pair of GaAs / AlGaAs is formed on the GaAs substrate.
  • a DBR layer may be formed.
  • the core layer 2 may include AsGalnAs.
  • the dielectric multilayer film 6 is a dielectric multilayer film, another configuration may be used as long as a high reflectance can be obtained for a desired wavelength.
  • the dielectric multilayer film 6 is formed by contact coating a polymer or a dielectric material by spin coating or the like so as to fill the holes 9 in advance.
  • the coating may be performed after being applied on the layer 5 and subjected to a heat treatment or the like to solidify the polymer or the dielectric material, and then performing a flattening process.
  • the difference in the refractive index between the core layer 2 and the lower DBR layer and the upper DBR layer 3 in the photonic crystal structure becomes small, and the characteristics of the photonic crystal structure shift.
  • the parameters of the photonic crystal structure for example, the lattice constant, the diameter of the holes 9, and the width of the line defect portion 10 may be appropriately designed.
  • the measurement results of the characteristics of the variable wavelength filter shown in FIG. 1 will be described.
  • the optical waveguide in which the line defect 10 was formed had an optical waveguide loss of about 7 dBZmm with respect to light having a wavelength of 1530 to 1560 nm.
  • the Fabry-Perot cavity wavelength of the optical waveguide could be shifted up to about 5 nm.
  • FIG. 9 is a partially cutaway view of an example of the optical switch viewed obliquely. As shown in FIG. 9, this optical switch is provided with a fixed power supply 23 and a switch 24 arranged in series in place of the variable power supply 12 shown in FIG. 1, and the control unit 25 controls the on / off of the switch 24. I am trying to do it.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a slab optical waveguide realized by forming only the photonic crystal structure of the variable wavelength filter corresponding to FIG.
  • a slab optical waveguide in the case of a slab optical waveguide, there is no need to perform electrodes, current confinement, and the like. In both cases, since an etching process for generating a shape is not required, a slab optical waveguide using a photonic crystal structure can be formed with a simple configuration.
  • holes 9 may be formed through the entire lower DBR layer 1. The holes 9 may be formed so as to be deeper than the boundary between the core layer 2 and the lower DBR layer 1.
  • the holes 9 of the photonic crystal structure having the line defect portions 10 are formed with a minimum necessary aspect ratio by using a semiconductor process.
  • a nick crystal structure can be formed.
  • the radiation leakage mode of the two-dimensional photonic crystal structure can be easily suppressed by using a semiconductor reflection film such as the lower DBR layer 1.
  • the core layer 2 is sandwiched between the upper clad layer 2a and the lower clad layer 2b from above and below.
  • the upper cladding layer 2a and the lower cladding layer 2b are made of, for example, InGaAsP, and the energy band gap is made wider than the energy band gap of the core layer 2 by adjusting the composition ratio.
  • the holes 9 constituting the photonic crystal reach the upper cladding layer 2a, the core layer 2, and the lower cladding layer 2b, but have a depth that does not reach the lower DBR layer 1.
  • the holes 9 may have a depth reaching the lower DBR layer 1, as in FIG.
  • a light confinement structure is formed above the line defect 10 by vertically reflecting light by the upper DBR layer 3 and the dielectric multilayer film 6 and returning the light to the line defect 10.
  • the lateral light is confined by a photonic crystal structure having holes 9.
  • holes 9 are formed only in the upper DBR layer 3 without forming holes 9 in the entire upper reflection film composed of the dielectric multilayer film 6 and the upper DBR layer 3. Therefore, the aspect ratio of the holes 9 becomes small.
  • Lower DBR layer 1 and lower cladding layer 2b are doped with an n-type dopant, for example, silicon (Si), to become n-type.
  • Upper DBR layer 3, upper cladding layer 2a, selective oxidation layer 4 and contact layer 5 are A p-type dopant, for example, zinc (Zn) is doped to become p-type.
  • the photonic crystal semiconductor device having the photonic crystal structure having the line defect portion 10 is described.
  • the photonic crystal structure having the point defect portion is formed. It has realized photonic crystal semiconductor devices.
  • FIG. 12 is a sectional view of the semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 13 is a plan view of the semiconductor laser shown in FIG.
  • this semiconductor laser is an in-plane resonance type semiconductor laser
  • a core layer 32 having an active layer 32a of GalnNAsSb is provided instead of the core layer 2 shown in FIG.
  • the other cross-sectional structure is the same as the structure shown in FIG. 1, but forms a photonic crystal structure having a point defect portion 30 which is different from the line defect portion 10. That is, as shown in FIG. 13, a point defect 30 is formed as a defect in the photonic crystal, and the surroundings confine light two-dimensionally. Therefore, the holes 39 of the photonic crystal also have a structure surrounding the point defect portion 30.
  • the electrode 37 also has an annular shape that does not have a stripe shape.
  • a GaAs substrate is used instead of the n-InP substrate, and the DBR layers such as the lower DBR layer 1 are also formed by a DBR layer having a pair of GaAs / AlGaAs.
  • the light of the 131 Onm band excited by the excitation is applied to the active layer 32 a of the point defect portion 30, and the lower DBR layer 1 and the upper DBR layer 3 are excited.
  • the laser beam resonates with the dielectric multilayer film 6 and is emitted through the dielectric multilayer film 6.
  • the point defect portion 30 may be a plurality of point defects that do not correspond to the defect of one hole 39. Further, a multiple quantum well structure may be used as the active layer 32a.
  • the Q value of the point defect portion 30 according to the second embodiment is about 3000
  • Q value of air bridge type is about 4000. Therefore, it can be said that the semiconductor laser described in the second embodiment has a resonator substantially equivalent to that of the air-bridge type semiconductor laser.
  • the depth of the holes 39 in FIG. 12 may be a depth that does not reach the lower DBR layer 1, as in the holes 9 shown in FIG.
  • FIG. 14 is a perspective view showing a photonic crystal semiconductor device used as a super prism according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a perspective view of the photonic crystal semiconductor device shown in FIG. It is a top view showing a core layer.
  • the same symbols as those in FIGS. 1 and 11 indicate the same elements.
  • the contact layer 5 are sequentially formed by MOCVD, and a dielectric multilayer film 6 in the form of stripes is formed on the contact layer 5 along the optical waveguide direction. Further, on both sides of the dielectric multilayer film 6, the p-side electrodes 7 are formed on the contact layer 5.
  • a plurality of holes 9 are formed in a triangle shape in the upper DBR layer 3, the upper cladding layer 2a, the core layer 2, and the lower cladding layer 2b, thereby forming a photonic crystal structure.
  • the photonic crystal structure has no point defects and no line defects.
  • the traveling direction of light can be largely changed by slightly changing the wavelength or the incident angle of light incident on the core layer 2. That is, in the photonic crystal, a photonic band structure is formed due to the periodic structure, and the direction of light transmission changes sensitively according to the wavelength and the incident angle of the light.
  • the lower part of the dielectric multilayer film 6 is used as an optical waveguide, and as shown in FIG. 15, one end force of the core layer 2 of the optical waveguide is used to emit light of a plurality of wavelengths ⁇ ⁇ , 2 2, ⁇ 3.
  • the light is split from the other end of the core layer 2 according to the difference in wavelength, and the light emission position is different.
  • the incident position and angle of the light are different at different wavelengths at the other end of the core layer 2, light of different wavelengths is multiplexed and emitted at the same position at one end.
  • the photonic crystal semiconductor device of FIG. 14 is used as an optical multiplexing / demultiplexing element.
  • the waveguide in the core layer 2 is guided.
  • the wavelength band of light can be changed. Adjusting the width of the dielectric multilayer film 6 allows the current flowing from the p-electrode 7 to flow to the core layer 2 below the dielectric film 6.
  • FIG. 16 is a perspective sectional view showing a semiconductor laser integrated photonic crystal optical device according to the fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 17 is a sectional view taken along the line I--I of FIG. 16, and
  • FIG. — ⁇ is a cross-sectional view.
  • FIGS. 16 and 17 the same symbols as those in FIG. 1 indicate the same elements.
  • a variable wavelength filter 40 formed according to the process described in the first embodiment is formed in a region where a photonic crystal semiconductor device is formed in the n-InP substrate 11.
  • the tunable wavelength filter 40 includes a lower DBR layer 1, a lower cladding layer 2b, a core layer 2, an upper cladding layer 2a, an upper DBR layer 3, a selective oxidation layer 4, a contact layer 5, a dielectric multilayer film 6, and a P-side electrode 7. have.
  • a semiconductor laser 20 is formed in a semiconductor laser formation region adjacent to the variable wavelength filter 40.
  • This semiconductor laser 20 has an n-type cladding layer 14 of n-InP, an active layer 15 having a SCH structure, a p-type cladding layer 16 of p_InP, A contact layer 17 made of InGaAs; and a laser driving p-side electrode 18 formed on the contact layer 17.
  • the p-side electrode 18 is composed of Ti / Pt / Au force.
  • the active layer 15 has a SCH (Separate Confinement Heterostructure) structure, and is composed of a multiple quantum well layer and a light confinement layer sandwiching a multiple quantum well layer from above and below.
  • the multiple quantum well layer is composed of a plurality of quantum well layers and barrier layers sandwiching each quantum well layer.
  • the quantum well layer and the barrier layer are composed of InGaAsP having different composition ratios.
  • the optical confinement layer is made of InGaAsP, and its composition is adjusted so that the energy band gap is wider than that of the barrier layer.
  • the semiconductor layers constituting the semiconductor laser 20 from the n-type cladding layer 14 to the p-type cladding layer 16 are selectively grown with the photonic crystal semiconductor device region covered with a dielectric film.
  • the semiconductor layers from the lower DBR layer 1 to the selective oxide layer 4 constituting the photonic crystal semiconductor device 40 are selectively formed with the semiconductor laser region covered with a dielectric film. Lengthened. For example, silicon dioxide or silicon nitride is used as the material of the dielectric film.
  • the contact layer 17 of the semiconductor laser 20 and the contact layer 5 of the variable wavelength filter are formed at the same time, and the contact layers 5 and 17 are separated via a groove 18a formed by photolithography.
  • the lower portion of the n-type cladding layer 14, the active layer 15, and the p-type cladding layer 14 of the semiconductor laser 20 are patterned in a stripe shape in the optical waveguide direction to form a ridge structure. It has become.
  • a current block structure having a configuration in which a p_InP buried layer 19a and an n-InP buried layer 19b are sequentially stacked is formed.
  • One end of the striped active layer 15 is connected to the end of the core layer 2 of the line defect 10 of the variable wavelength filter 40.
  • the active layer of the semiconductor laser 20 has a variable wavelength.
  • Laser light having a broad wavelength spectrum is emitted toward the core layer 2 of the filter 40.
  • the variable wavelength filter 40 having the laser light incident thereon selects the wavelength of the light and guides the light to the line defect portion 10. The selection of the wavelength is performed by adjusting the value of the current flowing through the photonic crystal between the n-side electrode 8 and the p-side electrode 7 of the variable wavelength filter 12.
  • the semiconductor laser integrated photonic crystal optical device since the semiconductor laser 20 and the variable wavelength filter 40 are formed on one n-InP substrate 11, the optical integrated device can be miniaturized. Can be achieved.
  • the photonic crystal semiconductor device integrated with the semiconductor laser 20 on the InP plate 11 includes, in addition to the tunable wavelength filter 40, the slab waveguide and the optical switch as described in the above embodiment. , A light modulator, a super prism, or the like.

Abstract

　半導体および半導体製造プロセスを用いてフォトニック結晶構造をもった各種光デバイスを容易に形成することができるフォトニック結晶半導体デバイスおよびその製造方法を提供すること。 　ｎ−ＩｎＰ基板１１側から下部ＤＢＲ層１、コア層２、上部ＤＢＲ層３および誘電体多層膜である誘電体多層膜６が順次積層され、コア層２及び上部ＤＢＲ層３で膜厚方向に複数の空孔９が形成され、かつ複数の空孔９に挟まれて空孔９が存在しない領域で線欠陥部１０を有したフォトニック結晶構造を有し、線欠陥部１０が光導波路として機能する。

Description

明 細 書
フォトニック結晶半導体デバイスおよびその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、光の波長に近い 2次元的な屈折率の周期構造に欠陥部を有するフォト ニック結晶構造を用いた光導波路、可変波長フィルタ、光スィッチ、光変調器、光共 振器、半導体レーザなどのフォトニック結晶半導体デバイスおよびその製造方法に関 するものである。
背景技術
[0002] 近年、次世代の超小型光集積回路を実現するためのキーテクノロジ一としてフォト ニック結晶が注目を集めており、多くの研究機関により理論 ·実験の両面から精力的 な研究が行われている。このフォトニック結晶とは、光の波長程度の周期で屈折率が 変調された構造を有する結晶である。フォトニック結晶中には、周期場中のマックスゥ エル方程式の解に従って、光に対するフォトニックバンドギャップ（PBG： Photonic Band Gaps)が形成されるため、 PBGに相当する周波数の光は、結晶中のいかなる 方向にも伝搬することができない。このようなフォトニック結晶に適切な設計によって 欠陥を設けると、 PBGに相当する周波数の光は、この欠陥以外のフォトニック結晶中 には存在できないため、この欠陥に光が局在することになる。従って、点欠陥による 光の捕捉 (共振器)や線欠陥による光導波路の実現などが可能になる。
[0003] 厳密な PBGは、 3次元フォトニック結晶によってのみ実現される力 S、製造プロセスは 極めて複雑であり、かつ困難である。一方、 2次元フォトニック結晶においても、ある 程度の PBGによる効果が現れることが知られている。一般的に、 2次元フォトニック結 晶の製造は、垂直方向の光閉じ込めとして、屈折率差による全反射閉じ込めが用い られる。フォトニック結晶を屈折率の高い導波路層コア層に作成し、このフォトニック 結晶を屈折率の低レ、クラッド層で挟んだ構造は、 2次元フォトニック結晶スラブ構造と 呼ばれ、たとえば SOI (Silicon on Insulator)基板上に作成されたフォトニック結晶や、 両側を空
気クラッドで挟んだエアブリッジ型などがある。 [0004] 非特許文献 1 : M.Ito，et al., Extended Abstracts of the 2003 International Conference on Solid State Devices and Materials, Tokyo, 2003， pp.870-871
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] し力 ながら、エアブリッジ型は、構造上、機械的に脆いことや熱抵抗が非常に高い こと力ら、発光素子のようなアクティブデバイスには適さない。このため、電流注入によ る発光素子などのようなアクティブデバイスは、制御用電極を設けるために上下を、 半導体クラッド層で挟んだ 2次元フォトニック結晶スラブ構造にする必要がある。
[0006] 一方、 2次元フォトニック結晶スラブ構造には、ライトコーンと呼ばれる、光が上下方 向へ放射する漏れモードが存在するという問題点があった。この放射モードの存在 は、クラッドに使用する材料の屈折率 nが高いほど顕著であり、空気クラッド (n= l )を 用いるエアブリッジ型の場合にはその影響を避けることができるが、半導体クラッド (n ^ 3)の場合には、放射モードの影響を回避することができないとレ、う問題点があった 。この問題点は、通常の導波路などのパッシブデバイスだけでなぐ発光素子などの アクティブデバイスの実現には致命的な問題となる。
[0007] そこで、上下方向への放射漏れモードを制御する試みのひとつとして、コア層に対 して垂直方向の上下及び両側に、空気層と半導体 GaAs層からなる分布ブラッグ反 射鏡（DBR (Distributed Bragg Reflector))を設けた擬 3次元フォトニック結晶点欠陥 共振器構造を用いることによって、垂直方向へ放射する光を DBRによって反射させ て戻すことで、光閉じ込めを補強するようにしているものがある（非特許文献 1参照）。 これは、空気層と半導体層とからなる DBRで挟んだフォトニック結晶共振器であり、こ のフォトニック結晶共振器は、通常の 2次元フォトニック結晶スラブ構造と比較しても、 小さいモード体積を保ちつつ、共振器の Q値を高くすることができることを理論的に 実証している。
[0008] し力 ながら、このフォトニック結晶共振器は、空気層と半導体層とからなる DBRを 用いているため、電気的な制御デバイスとしては利用することができないという問題 点があった。
[0009] さらに、電気的な制御のために、全て半導体層からなる DBRを用いたデバイスを考 えた場合、通常は光を有効的に閉じ込めるために上下両側を 20— 30ペアからなる 半導体 DBRで挟む必要がある。この構造には、 2次元フォトニック結晶を作成するた めには、少なくとも上部 DBRおよびコア部（導波路層）、もしくはさらに下部 DBRを貫 通した空孔をエッチングによって形成しなければならなレ、。ここで、空孔の径が数百 ナノメートルであることを考慮すると、アスペクト比にして 20 : 1上の空孔を形成するこ とになり、設計通りのサイズ'形状をもつ空孔の作成は、非常に困難であるという問題 点があった
[0010] この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、半導体および半導体製造プロセス を用いてフォトニック結晶構造をもった各種光デバイスを容易に形成することができる フォトニック結晶半導体デバイスおよびその製造方法を提供することを目的とする。 課題を解決するための手段
[0011] 本発明の第 1の態様に係るフォトニック結晶半導体デバイスは、半導体基板と、前 記半導体基板上に積層された下部半導体分布ブラッグ反射多層膜と、前記下部半 導体分布ブラッグ反射多層膜上に積層された半導体コア層と、前記半導体コア層上 に積層された上部半導体分布ブラッグ反射多層膜と、前記上部半導体分布ブラッグ 反射多層膜上に積層された誘電体多層膜とを有し、前記上部半導体分布ブラッグ反 射膜と前記半導体コア層を貫通する複数の空孔により、光の波長に近い 2次元的な 屈折率の周期構造を有するフォトニック結晶構造が前記半導体コア層に形成されて レ、ることを特徴とする。
[0012] 本発明の第 2の態様に係るフォトニック結晶半導体デバイスは、第 1の態様におい て、前記 2次元的な屈折率の周期構造は、前記空孔に挟まれ前記空孔が存在しな い線状の欠陥部を有することを特徴とする。
[0013] 本発明の第 3の態様に係るフォトニック結晶半導体デバイスは、第 1の態様におい て、前記 2次元的な屈折率の周期構造は、前記空孔に挟まれ前記空孔が存在しな い領域である点欠陥部を有することを特徴とする。
[0014] 本発明の第 4の態様に係るフォトニック結晶半導体デバイスは、上記の第 1乃至 3の いずれ力 1つの態様において、前記下部半導体分布ブラッグ反射多層膜と前記半導 体コア層との間に積層された下部クラッド層、及び前記半導体コア層と前記上部半導 体分布ブラッグ反射多層膜との間に積層された上部クラッド層とをさらに有し、前記 複数の空孔は、前記上部クラッド層と前記下部クラッド層を貫通していることを特徴と する。
[0015] 本発明の第 5の態様に係るフォトニック結晶半導体デバイスは、上記の第 1乃至 4の いずれ力 4つの態様において、前記複数の空孔は、前記下部半導体分布ブラッグ反 射多層膜の一部あるいは前記下部半導体分布ブラッグ反射多層膜の全層を貫通し ていることを特徴とする。
[0016] 本発明の第 6の態様に係るフォトニック結晶半導体デバイスは、上記の第 1の態様 において、前記フォトニック結晶構造部分に対して電流あるいは電圧を印加する電 極を備えたことを特徴とする。
[0017] 本発明の第 7の態様に係るフォトニック結晶半導体デバイスは、上記の第 2乃至 5の いずれ力 1つの態様において、前記フォトニック結晶構造部分に対して電流あるいは 電圧を印加する電極を備えたことを特徴とする。
[0018] 本発明の第 8の態様に係るフォトニック結晶半導体デバイスは、上記の第 1乃至 7の いずれ力 1つの態様において、前記半導体コア層の近傍に電流狭窄用のアルミニゥ ムを含む選択酸化層が設けられることを特徴とする。
[0019] 本発明の第 9の態様に係るフォトニック結晶半導体デバイスは、上記の第 2— 8の態 様のいずれ力 1つにおいて、前記半導体コア層は、活性層を有することを特徴とする
[0020] 本発明の第 10の態様に係るフォトニック結晶半導体デバイスは、上記の第 1一 9の 態様のいずれ力、 :Lつにおいて、前記半導体コア層は、多重量子井戸構造を有するこ とを特徴とする。
[0021] 本発明の第 11の態様に係るフォトニック結晶半導体デバイスは、上記の第 1一 10 の態様のいずれか 1つにおいて、前記半導体コア層は、 InGaAsPを含むことを特徴 とする。
[0022] 本発明の第 12の態様に係るフォトニック結晶半導体デバイスは、上記の第 1乃至 1 0の態様のいずれ力 4つにおいて、前記半導体コア層は、 GalnNAsSbを含むことを 特徴とする。
[0023] 本発明の第 13の態様に係るフォトニック結晶半導体デバイスは、上記の第 1一 10 の態様のいずれか 1つにおいて、前記半導体コア層は、 AsGalnAsを含むことを特 徴とする。
[0024] 本発明の第 14の態様に係る可変波長フィルタは、上記の第 7— 13の態様に記載 のフォトニック結晶半導体デバイスと、前記電極に接続された可変電源とを備え、前 記欠陥部に流れる光のフィルタリングを行うことを特徴とする。
[0025] 本発明の第 15の態様に係る光スィッチ/変調器は、上記の第 7— 13の態様に記 載のフォトニック結晶半導体デバイスと、前記電極に接続された電源と、前記電源か ら前記フォトニック結晶半導体デバイスへの電源供給をスイッチングするスィッチと、 前記スィッチのスイッチング制御を行う制御手段とを備え、前記欠陥部を流れる光の オンオフあるいは変調を行うことを特徴とする。
[0026] 本発明の第 16の態様に係る可変波長レーザは、上記の第 7— 13の態様に記載の フォトニック結晶半導体デバイスと、前記電極に接続された可変電源と、を備え、前記 欠陥部で増幅された可変波長のレーザ光を出力することを特徴とする。
[0027] 本発明の第 17の態様に係るフォトニック結晶半導体デバイスは、上記の第 1の態様 において、前記半導体コア層と光学的に接続された活性層を有する半導体レーザ素 子が前記半導体基板上に形成されていることを特徴とする。
[0028] 本発明の第 18の態様に係るフォトニック結晶半導体デバイスは、上記の第 17の態様 において、前記 2次元的な屈折率の周期構造は、前記空孔に挟まれ前記空孔が存 在しない線状の欠陥部を有し、前記活性層は、前記半導体コア層の前記線状の欠 陥部と光学的に接続されていることを特徴とする。
[0029] 本発明の第 19の態様に係るフォトニック結晶半導体デバイスの製造方法は、光の 波長に近レ、 2次元的な屈折率の周期構造に欠陥部を設けたフォトニック結晶構造を 用いたフォトニック結晶半導体デバイスの製造方法において、半導体基板上に下部 半導体分布ブラッグ反射多層膜、前記フォトニック結晶が形成される半導体コア層、 上部半導体分布ブラッグ反射多層膜を順次積層する積層工程と、前記上部半導体 分布ブラッグ反射多層膜および前記半導体コア層を貫通する複数の空孔を形成す る空孔形成工程と、前記上部半導体ブラッグ反射多層膜の上部に誘電体多層膜を 形成する誘電体多層膜形成工程とを含むことを特徴とする。
[0030] 本発明の第 20の態様に係るフォトニック結晶半導体デバイスの製造方法は、上記の 第 19の態様において、前記空孔形成工程は、前記空孔に挟まれ、かつ空孔が存在 しない線状あるいは点の欠陥部を形成することを含むことを特徴とする。
[0031] 本発明の第 21の態様に係るフォトニック結晶半導体デバイスの製造方法は、上記の 第 19又は 20の態様において、前記空孔形成工程は、前記下部半導体分布ブラッグ 反射多層膜の一部、あるいは前記下部半導体分布ブラッグ反射多層膜の全層を貫 通する複数の空孔を形成することを含むことを特徴とする。
[0032] 本発明の第 22の態様に係るフォトニック結晶半導体デバイスの製造方法は、上記 の第 19一 21のいずれか一つの態様において、前記積層工程は、前記上部半導体 ブラッグ反射多層膜の上部に、選択酸化層およびコンタクト層を順次さらに積層し、 前記空孔形成工程は、前記選択酸化層およびコンタクト層をも貫通する空孔を形成 するとともに、前記選択酸化層の一部に酸化した電流狭窄用の酸化部を形成するこ とを特徴とする。
[0033] 本発明の第 23の態様に係るフォトニック結晶半導体デバイスの製造方法は、上記 の第 19一 22の態様のいずれ力 1つにおいて、前記コンタクト層の一部上面および前 記半導体基板の下部に電極を形成する電極形成工程をさらに含むことを特徴とする
発明の効果
[0034] この発明にかかるフォトニック結晶半導体デバイスおよびその製造方法では、半導 体基板側から下部半導体分布ブラッグ反射多層膜、前記フォトニック結晶が形成さ れる半導体コア層、上部半導体分布ブラッグ反射多層膜および誘電体多層膜が順 次積層され、さらに上部半導体分布ブラッグ反射多層膜、半導体コア層を貫通する 複数の空孔が形成されたフォトニック結晶構造を前記半導体コア層に形成するように している。このような構造では、上部半導体分布ブラッグ反射多層膜及び誘電体多 層膜によって光を垂直方向に反射させて閉じ込めることができるので、上部半導体分 布ブラッグ反射多層膜のペア数が少なくても光閉じ込めを確実に行うことができ、ま た、半導体層に形成する空孔のアスペクト比（深さ/直径）を小さくできる。このため、 エアブリッジ型によるフォトニック結晶デバイスに劣らないデバイスを半導体プロセス によって容易に製造することができるという効果を奏する。
図面の簡単な説明
[図 1]図 1は、本発明の第 1の実施の形態に力かるフォトニック結晶半導体デバイスで ある可変波長フィルタを斜めからみた一部破断図である。
[図 2]図 2は、図 1に示した可変波長フィルタの断面図である。
[図 3]図 3は、図 1に示した可変波長フィルタの平面図である。
[図 4]図 4は、図 1に示した可変波長フィルタの製造工程を示す図（その 1)である。
[図 5]図 5は、図 1に示した可変波長フィルタの製造工程を示す図（その 2)である。
[図 6]図 6は、図 1に示した可変波長フィルタの製造工程を示す図（その 3)である。
[図 7]図 7は、図 1に示した可変波長フィルタの製造工程を示す図（その 4)である。
[図 8]図 8は、図 1に示した可変波長フィルタの変形例を示す断面図である。
[図 9]図 9は、図 1に示した構造を光スィッチあるいは光変調器に適用した場合の構 成を示す図である。
[図 10]図 10は、図 1に示した構造をスラブ光導波路に適用した場合の構成を示す図 である。
[図 11]図 11は、本発明の第 1の実施の形態に力かるフォトニック結晶半導体デバイス である可変波長フィルタの別の構造を斜めからみた一部破断図である。
[図 12]図 12は、本発明の第 2の実施の形態に力かるフォトニック結晶半導体デバイス である半導体レーザを斜めからみた一部破断図である。
[図 13]図 13は、図 12に示した半導体レーザの平面図である。
[図 14]図 14は、本発明の第 3の実施の形態に力かるフォトニック結晶半導体デバイス であるスーパープリズムを示す斜視図である。
[図 15]図 15は、図 14に示したフォトニック結晶半導体デバイスのコア層を示す平面 図である。
[図 16]図 16は、本発明の第 4の実施の形態に力かる半導体レーザ集積型フォトニッ ク結晶光デバイスを斜めからみた一部破断図である。 [図 17]図 17は、図 16の I一 I線断面図である。
[図 18]図 18は、図 16の Iト II線断面図である。
符号の説明
[0036] 1 下部 DBR層
2, 32 コア層
2a, 2b クラッド層
32a 活性層
3, 6, 36 多層膜
4, 34 選択酸化層
4a, 34a 酸化部
5, 35 コンタクト層
7, 37, 18 p側電極
8, 38 n側電極
9, 39 空孔
10 線欠陥部
11 n - InP基板
12, 23, 42 電源
14, 16 クラッド層
15 活性層
17 コンタクト層
20 半導体レーザ
24 スィッチ
25 制御部
30 点欠陥部
発明を実施するための最良の形態
[0037] 以下、この発明を実施するための最良の形態であるフォト スおよびその製造方法について説明する。
[0038] (第 1の実施の形態） まず、実施の形態 1にかかるフォトニック結晶半導体デバイスである可変波長フィノレ タについて説明する。
[0039] 図 1は、この発明の実施の形態 1である可変波長フィルタの斜めからみた一部破断 図である。図 2は、図 1に示した可変波長フィルタの断面図である。図 3は、図 1に示し た可変波長フィルタの平面図である。図 1一図 3において、この可変波長フィルタは、 線状の欠陥部である線欠陥部 10を有したフォトニック結晶構造を利用し、この線欠 陥部 10を光導波路とし、フォトニック結晶構造の屈折率を変化させることによって光 導波路の通過する波長帯を可変しょうとするものである。光導波路の長さは、 10 x m 一 100 z mとする。なお、通過波長帯は 1550nm帯である。
[0040] この可変波長フィルタは、 120 μ m程度の厚さをもつ η— ΙηΡ基板 11上に、下部 DB R層 1、コア層 2、上部 DBR層 3、選択酸化層 4、コンタクト層 5が順次積層された構造 を有し、下部 DBR層 1のコア層側の一部、コア層 2、上部 DBR層 3、選択酸化層 4、 およびコンタクト層 5を貫通する円柱状の複数の空孔 9がトライアングノレ状に形成され 、この空孔 9に囲まれた部分であって空孔 9が線状に存在しない線欠陥部 10が形成 されている。さらに、コンタクト層 5の上部であって線欠陥部 10に対応するストライプ 状の領域に誘電体多層膜 6が形成されるとともに、コンタクト層 5上であって、この誘 電体多層膜 6が形成されない領域でかつ誘電体多層膜 6の両側に ρ側電極 7が形成 される。また、 η-ΙηΡ基板 11の下部には、 ρ側電極 7に対向する η側電極 8が形成さ れる。さらに、 ρ側電極 7と η側電極 8には、電流可変の電源 12が接続される。
[0041] 下部 DBR層 1は、 InGaAsP/AlInAsを 1ペアとする 30ペアからなる η型半導体分 布ブラッグ反射多層膜である。コア層 2は、エネルギーバンドギャップ波長 1300nmと なる組成を有し、ここでは InGaAsPで形成され、膜厚は、 597nmである。上部 DBR 層 3は、 InGaAsP/AlInAsを 1ペアとする 2ペア力 なる p型半導体分布ブラッグ反 射多層膜である。選択酸化層 4の両端は、酸化処理によって酸化部 4aが形成され、 これによつて電流狭窄を行うようにしている。選択酸化層 4は、アルミニウムを含む半 導体、例えば AlInAsから構成されている。コンタクト層 5は、 p型半導体によって形成 される。
[0042] 空孔 9は、直径 200nm、格子定数 350nmであり、線欠陥部 10の幅は、 406nmで ある。この空孔 9および線欠陥部 10を有するコア層 2がフォトニック結晶構造を形成 する。なお、これらフォトニック結晶構造のパラメータは、対象とする光の波長によって 決定されるものであり、たとえば、空孔 9による格子定数は、 300— 400nmの範囲で 変化させることができる。
[0043] 誘電体多層膜 6は、 Si〇とアモルファスシリコンとを 1ペアとして 3ペアからなる誘電
2
体多層膜である。 Si〇の膜厚は 340nmであり、アモルファスシリコンの膜厚は 149η
2
mである。この誘電体多層膜 6の反射率は、 99. 9%以上となる。
[0044] p側電極 7は TiZPtZAuによる多層構造によって実現され、 n側電極 8は、 AuGe
NiZAuによる多層構造によって実現される。
[0045] この実施の形態 1に示した可変波長フィルタでは、コア層 2における積層方向に垂 直な方向に対してはフォトニック結晶構造によって線欠陥部 10から光の漏れがなぐ 線欠陥部 10に波長 1550nm帯の光が閉じ込められる。一方、積層方向に対しては、 下部 DBR層 1と、上部 DBR層 3,誘電体多層膜 6とによって波長 1550nm帯の光が 閉じ込められる。この結果、線欠陥部 10は、 1550nm帯の光導波路として機能する。 ここで、電源 12によって注入される電流量を変化させると、フォトニック結晶構造部分 の屈折率が変化し、線欠陥部 10が導波を許す波長帯が変化するので、可変波長フ ィルタとして機能することになる。 （なお、 p側電極 7, n側電極 8,電源 12を設けない 場合には、所定の波長の光のみを導波するスラブ導波路として機能する。 )
[0046] つぎに、図 4一図 7を参照して、図 1に示した可変波長フィルタの製造方法について 説明する。
まず、 MOCVD (Meta卜 Organic Chemical Vapor Deposition)結晶成長装置を用い て、 n— InP半導体基板 11上に下部 DBR層 1、コア層 2、上部 DBR層 3、選択酸化層 4、コンタクト層 5を順次形成する。その後、フォトリソグラフィおよびドライエッチング装 置によって、コンタクト層 5および選択酸化層 4の一部の領域 21を除去する（図 4)。
[0047] さらに、酸化炉を用いて A1を含む選択酸化層 4の側面から酸化を促進させ、電流 狭窄用の酸化部 4aを形成する。その後、電子ビーム描画装置を用いて図 3に示した フォトニック結晶構造のパターン、すなわち円の格子配列である空孔パターンを転写 し、コンタクト層 5上に空孔パターンのエッチングマスクを形成する。その後、塩素系ド ライエッチング装置を用いて、コンタクト層 5から下部 DBR層 1の上部一部領域に達 するまでの空孔 9を形成する。この空孔 9の深さは、 2 μ ΐη程度である。空孔の直径が 200nmであること力 、この空孔のアスペクト比は、 10 : 1程度である（図 5)。
[0048] その後、 Si〇とアモルファスシリコンとを 1ペアとした 3ペアからなる誘電体多層膜を
2
積層し、線欠陥部 10に対応するストライプ領域を少なくとも覆うように、領域 22をエツ チングによって除去し、ストライプ状の誘電体多層膜 6を形成する（図 6)。
[0049] その後、 n— InP基板 11の下部を研磨し、誘電体多層膜 6を含めた厚みを 120 μ m 程度にする。その後、 p側電極 7と n側電極 8とを形成することによってスラブ光導波路 が形成される（図 7)。その後、可変の電源 12を接続することによって、可変波長フィ ルタが製造される。
[0050] なお、図 1に示した可変波長フィルタでは、空孔 9が下部 DBR層 1まで貫通してい たが、これに限られるものではなぐ空孔 9形成時にエッチング制御を精度高く行うこ とによって、図 8に示すように、空孔 9の下部をコア層 2と下部 DBR層 1との境界で止 める力、下部 DBR層 1に達しないようにしてもよレ、。これにより、空孔 9のアスペクト比 が低くなり、精度の高い空孔 9を形成することができる。また、空孔 9を形成する際の エッチング深さが浅くて済むし、さらに、下部 DBR層 1の所定の反射特性が得られる ように考慮しなければならないパラメータのうち空孔 9に関するものが不要になって、 下部 DBR層 1の設計がしゃすくなる。
[0051] また、上述した実施の形態 1では、 InP基板上に InGaAsP/AlInAsからなる DBR 層を形成するようにしていた力 これに限らず、たとえば GaAs基板上に GaAs/AlG aAsを 1ペアとする DBR層を形成するようにしてもよい。また、コア層 2に AsGalnAs を含むようにしてもよい。さらに、線欠陥部 10に対応する部分以外にも電圧を印加す る場合には、選択酸化膜 4を設ける必要はない。また、誘電体多層膜 6は誘電体多 層膜であつたが、所望の波長に対して高い反射率が得られるものであれば他の構成 であってもよい。
[0052] さらに、上述した実施の形態 1において、コア層 2として多重量子井戸構造を用いる と屈折率変化を大きくすることができるため、可変波長範囲を広げることが可能である [0053] また、誘電体多層膜 6の形成は、フォトニック結晶の空孔 9の影響を避けるため、予 め空孔 9内を充填するようにポリマーや誘電体材料をスピンコートなどによってコンタ タト層 5上に塗布し、熱処理などを施してこれらポリマーや誘電体材料を固化させ、平 坦ィ匕処理を行った後に行うようにしてもよい。この場合、フォトニック結晶構造におけ るコア層 2と、下部 DBR層および上部 DBR層 3との間の屈折率差が小さくなつて、フ オトニック結晶構造の特性がずれてしまうことが考えられ、この場合には、フォトニック 結晶構造のパラメータ、たとえば格子定数、空孔 9の径、線欠陥部 10の幅を適宜設 計すればよい。
[0054] ここで、図 1に示した可変波長フィルタの特性の測定結果について説明する。線欠 陥部 10が形成される光導波路は、透過光強度の測定結果から、波長 1530 1560 nmの光に対し、光導波路損失が、約 7dBZmmであった。また、電源 12から電流を 注入することによって、光導波路のフアブリペロー共振器波長が最大で 5nm程度シ フトさせることができた。
[0055] なお、上述した実施の形態では、半導体プロセスによってフォトニック結晶構造を形 成し、光導波路や可変波長フィルタを実現しているが、これに限らず、同様な線状の 欠陥をもったフォトニック結晶構造を用いて、光スィッチや光変調器などの半導体デ バイスも形成することができる。図 9は、光スィッチの一例を斜めからみた一部破断図 である。図 9に示すように、この光スィッチは、図 1に示した可変の電源 12に代えて、 直列配置された固定の電源 23とスィッチ 24とを設け、このスィッチ 24を制御部 25が オンオフ制御するようにしている。スィッチ 24がオンのときには電流がフォトニック結 晶構造に流れ、屈折率が変化することによって、線欠陥部 10の光導波路を通過する 光の波長帯がシフトするので、オフ時に光導波路を流れることができた波長帯の光の 通過が遮断される。これによつて、所望の波長帯の光のオンオフを行う光スィッチが 実現される。なお、光変調器を実現する場合には、制御部 25がオンオフ指示する信 号が変調信号に対応してレ、ればよレ、。
[0056] 図 10は、図 1に対応した可変波長フィルタのフォトニック結晶構造のみを形成して 実現されるスラブ光導波路の断面図である。図 10に示すように、スラブ光導波路の 場合には、電極や電流狭窄などを行う必要がないため、選択酸化膜 4などを設けるこ とも、形状生成のためのエッチング処理も必要ないため、簡易な構成で、フォトニック 結晶構造を用いたスラブ光導波路を形成することができる。なお、下部 DBR層 1の全 層に貫通する空孔 9を形成してもよい。また、空孔 9は、コア層 2と下部 DBR層 1の境 界よりも深くしなレ、ように形成してもよレ、。
[0057] この実施の形態では、線欠陥部 10をもつフォトニック結晶構造の空孔 9を、半導体 プロセスを利用して必要最小限のアスペクト比で形成するようにしているので、精度 の高いフォトニック結晶構造を形成することができる。また、下部 DBR層 1などの半導 体反射膜を用いて 2次元フォトニック結晶構造の放射漏れモードを容易に抑制するこ とができる。
[0058] ところで、下部 DBR層 1と上部 DBR層 3の間の層において、図 11に示すように、コ ァ層 2を上部クラッド層 2aと下部クラッド層 2bにより上下から挟んだ構造であることが 好ましレ、。この場合、上部クラッド層 2aと下部クラッド層 2bは例えば InGaAsPにより 構成され、その組成比を調製することによりそのエネルギーバンドギャップをコア層 2 のエネルギーバンドギャップよりも広くする。
[0059] この場合、フォトニック結晶を構成する空孔 9は、上部クラッド層 2a、コア層 2及び下 部クラッド層 2bまで達し、且つ下部 DBR層 1まで達しない深さとなっている。或いは、 空孔 9は、図 1と同様に、下部 DBR層 1に達する深さであってもよい。
[0060] この場合にも、線欠陥部 10の上方では上部 DBR層 3及び誘電体多層膜 6によって 光を垂直方向に反射させて線欠陥部 10に戻す光閉じ込め構造となり、線欠陥部 10 の両側では、空孔 9を有するフォトニック結晶構造によって横方向の光を閉じ込めて いる。また、線欠陥部 10の両側方の領域では、垂直方向の光閉じ込めが弱くてもレ、 いので、誘電体多層膜 6は形成されていなレ、。線欠陥部 10の両側では、誘電体多 層膜 6と上部 DBR層 3により構成される上部反射膜の全部に空孔 9を形成せずに上 部 DBR層 3にだけ空孔 9が形成されているので、空孔 9のアスペクト比は小さくなる。 しかも、上部反射膜の途中の上部 DBR層 3上に p側電極 7を配置しているので、 p側 電極 7と n側電極 8の距離が短くなり、それらの間の抵抗が低減されて消費電力が小 さくなる。なお、線欠陥部 10に導波させる光は、フォト二タス結晶のフォトニックバンド ギャップに相当する波長帯の光である。 [0061] 下部 DBR層 1、下部クラッド層 2bは n型ドーパント、例えばシリコン（Si)がドープさ れて n型となり、上部 DBR層 3、上部クラッド層 2a、選択酸化層 4及びコンタクト層 5は p型ドーパント、例えば亜鉛 (Zn)がドープされて p型となってレ、る。
[0062] (第 2の実施の形態）
つぎに、この発明の第 2の実施の形態について説明する。上述した実施の形態で は、線欠陥部 10を有したフォトニック結晶構造を有するフォトニック結晶半導体デバ イスであつたが、この実施の形態 2では、点欠陥部を有したフォトニック結晶構造を有 するフォトニック結晶半導体デバイスを実現している。
[0063] 図 12は、この発明の実施の形態 2である半導体レーザの断面図であり、図 13は、 図 12に示した半導体レーザの平面図である。図 12において、この半導体レーザは、 面内共振型の半導体レーザであり、図 1に示したコア層 2に代えて GalnNAsSbの活 性層 32aを有するコア層 32が設けられている。その他の断面構造は図 1に示した構 造と同じであるが、線欠陥部 10ではなぐ点欠陥部 30を有するフォトニック結晶構造 を形成している。すなわち、図 13に示すように、フォトニック結晶の欠陥として、点欠 陥部 30を形成し、二次元的に周囲が光閉じ込めを行っている。したがって、フォト二 ック結晶の空孔 39も、点欠陥部 30を囲む構造となる。さらに、電極 37もストライプ状 ではなぐ円環状となる。また、 n— InP基板に代えて GaAs基板を用い、下部 DBR層 1などの DBR層も、 GaAs/AlGaAsを 1ペアとする DBR層によって形成されている。
[0064] 可変の電源 42から電極 37を介して電流注入されると、点欠陥部 30の活性層 32a におレ、て励起した 131 Onm帯の光が下部 DBR層 1と上部 DBR層 3,誘電体多層膜 6との間で共振し、誘電体多層膜 6を介し、レーザ光が出射される。
[0065] なお、点欠陥部 30は、 1つの空孔 39の欠陥に対応するものでなぐ複数の点欠陥 であってもよい。また、活性層 32aとして多重量子井戸構造を用いてもよい。
[0066] この実施の形態 2に示した半導体レーザとほぼ同じ構造をもつエアブリッジ型の半 導体レーザとを比較すると、この実施の形態 2による点欠陥部 30の Q値が 3000程度 であり、エアブリッジ型の Q値が 4000程度である。したがって、この実施の形態 2に示 した半導体レーザでは、エアブリッジ型の半導体レーザとほぼ同等な共振器が形成 されていると言える。 なお、図 12における空孔 39の深さは、図 8に示した空孔 9と同様に、下部 DBR層 1 に到達しない深さにしてもよい。
[0067] (第 3の実施の形態）
図 14は、本発明の第 3の実施の形態を示すスーパープリズムとして使用されるフォ トニタス結晶半導体デバイスを示す斜視図であり、また、図 15は、図 14に示すフォト 二タス結晶半導体デバイスのコア層を示す平面図である。なお、これらの図において 、図 1、図 11と同じ符合は同じ要素を示している。
[0068] 図 14,図 15において、 n— InP基板 11上には下部 DBR層 1、下部クラッド層 2b、コ ァ層 2、上部クラッド層 2a、上部 DBR層 3、選択酸化層 4、コンタクト層 5が MOCVD 法により順に形成され、さらにコンタクト層 5の上には光導波方向に沿ってストライプ 状の誘電体多層膜 6が形成されいている。また、誘電体多層膜 6の両側では、コンタ タト層 5上に p側電極 7が形成されている。
[0069] また、上部 DBR層 3、上部クラッド層 2a、コア層 2及び下部クラッド層 2bにはトライア ングル状に複数の空孔 9が形成され、これによりフォトニック結晶構造が構成される。 そのフォトニック結晶構造には、第 第 2の実施の形態と相違して、点欠陥部、線欠 陥部は形成されていない。
[0070] このような実施形態のフォトニック結晶では、コア層 2に入射する光の波長又は入射 角度を少し変えただけで光の進む方向を大きく変えることができる。即ち、フォトニック 結晶中では、その周期構造に起因してフォトニックバンド構造が形成され、光の波長 や入射角度に応じて光の伝わる方向が敏感に変化する。
[0071] 従って、誘電体多層膜 6の下方を光導波路とし使用し、図 15に示すように、光導波 路のコア層 2の一端力 複数の波長 λ ΐ、 え 2、 λ 3の光を入射すると、コア層 2の他 端からは波長の違いに応じて分波されて光の出射位置が異なる。また、その逆に、コ ァ層 2の他端において異なる波長毎に光の入射位置や角度を異ならせると、その一 端の同じ位置で異なる波長の光が合波されて出射される。
[0072] このように、図 14のフォト二タス結晶半導体デバイスは、光合分波素子として用いら れる。
[0073] ρ側電極 7と η側電極 8の間に流す電流を変化することにより、コア層 2内を導波する 光の波長帯を変えることができる。なお、誘電体多層膜 6の幅を調整することにより、 p 電極 7から流れる電流を誘電体膜 6の下方のコア層 2に流すことが可能である。
[0074] (第 4の実施の形態）
図 16は、本発明の第 4の実施の形態に係る半導体レーザ集積型フォトニック結晶 光デバイスを示す斜視断面図、図 17は図 16の I一 I線断面図、図 18は図 16の Π—Π線 断面図である。なお、図 16、図 17において、図 1と同じ符合は同じ要素を示している
[0075] 図 16において、 n— InP基板 11のうちフォトニック結晶半導体デバイスの形成領域 には、第 1の実施の形態で示した工程に従って形成された可変波長フィルタ 40が形 成されている。可変波長フィルタ 40は、下部 DBR層 1、下部クラッド層 2b、コア層 2、 上部クラッド層 2a、上部 DBR層 3、選択酸化層 4、コンタクト層 5、誘電体多層膜 6及 び P側電極 7を有している。
[0076] また、 n— InP基板 11のうち可変波長フィルタ 40に隣接する半導体レーザ形成領域 には半導体レーザ 20が形成されている。この半導体レーザ 20は、 n— InP基板 11上 に MOCVD法により順に形成された n— InPよりなる n型クラッド層 14、 SCH構造を有 する活性層 15、 p_InPよりなる p型クラッド層 16、 p+—InGaAsよりなるコンタクト層 17 を有し、さらに、コンタクト層 17上に形成されたレーザ駆動用 p側電極 18を有している 。なお、 p側電極 18は Ti/Pt/Au力ら構成されている。
[0077] 活性層 15は、 SCH (Separate Confinement Heterostructure)構造を有し、多重量 子井戸層と、多重量子井戸層を上下から挟む光閉じ込め層から構成されている。多 重量子井戸層は、複数の量子井戸層と、各量子井戸層を挟むバリア層とから構成さ れている。量子井戸層とバリア層は、それぞれ組成比の異なる InGaAsPから構成さ れている。また、光閉じ込め層は、 InGaAsPからなり、バリア層よりもエネルギーバン ドギャップが広くなるように組成が調整される。
[0078] 半導体レーザ 20を構成する n型クラッド層 14から p型クラッド層 16までの半導体層 は、フォトニック結晶半導体デバイス領域を誘電体膜により覆った状態で選択成長さ れる。また、フォトニック結晶半導体デバイス 40を構成する下部 DBR層 1から選択酸 化層 4までの半導体層は、半導体レーザ領域を誘電体膜により覆った状態で選択成 長される。誘電体膜の材料として例えば二酸化シリコン、窒化シリコンを用いる。
[0079] 半導体レーザ 20のコンタクト層 17と可変波長フィルタのコンタクト層 5は同時に形成 され、それらのコンタクト層 5, 17の間はフォトリソグラフィ一により形成される溝 18aを 介して分離されている。
[0080] また、半導体レーザ 20を構成する n型クラッド層 14と活性層 15と p型クラッド層 14 下部は、図 18に示すように、光導波方向にストライプ状にパターユングされてリッジ構 造になっている。また、リッジ構造の両側には、 p_InP埋込層 19aと n— InP坦込層 19 bを順に積層した構成を有する電流ブロック構造が形成されている。
ストライプ状の活性層 15の一端は可変波長フィルタ 40の線欠陥部 10のコア層 2の 端部に接続されている。
[0081] 以上のような構造の半導体レーザ集積型フォトニック結晶光素子において、半導体 レーザ 20の p側電極 18から n側電極 8に電流を流すと、半導体レーザ 20の活性層 1 5力 可変波長フィルタ 40のコア層 2に向けてブロードな波長スペクトルを有するレー ザ光が出射される。このレーザ光を入射した可変波長フィルタ 40は、光を波長選択し て線欠陥部 10に導波させる。その波長選択は、可変波長フィルタ 12の n側電極 8と p 側電極 7の間のフォトニック結晶に流される電流値を調整することによりなされる。
[0082] 以上のような半導体レーザ集積型フォトニック結晶光素子によれば、 1つの n— InP 基板 11上に半導体レーザ 20と可変波長フィルタ 40を形成しているので光集積素子 の超小型化を図ることができる。
[0083] なお、 InP板 11上で半導体レーザ 20と集積化されるフォトニック結晶半導体デバイ スとしては、可変波長フィルタ 40の他に、上記した実施形態に示したようなスラブ導 波路、光スィッチ、光変調器、スーパープリズム等のいずれかであってもよい。

Claims

請求の範囲
[1] 半導体基板と、
前記半導体基板上に積層された下部半導体分布ブラッグ反射多層膜と、 前記下 部半導体分布ブラッグ反射多層膜上に積層された半導体コア層と、
前記半導体コア層上に積層された上部半導体分布ブラッグ反射多層膜と、 前記上部半導体分布ブラッグ反射多層膜上に積層された誘電体多層膜と を有し、
前記上部半導体分布ブラッグ反射膜と前記半導体コア層を貫通する複数の空孔に より、光の波長に近レ、 2次元的な屈折率の周期構造を有するフォトニック結晶構造が 前記半導体コア層に形成されていること
を特徴とするフォトニック結晶半導体デバイス。
[2] 前記 2次元的な屈折率の周期構造は、前記空孔に挟まれ前記空孔が存在しない 線状の欠陥部を有することを特徴とする請求項 1に記載のフォトニック結晶半導体デ ノイス。
[3] 前記 2次元的な屈折率の周期構造は、前記空孔に挟まれ前記空孔が存在しない 領域である点欠陥部を有することを特徴とする請求項 1に記載のフォトニック結晶半 導体デバイス。
[4] 前記下部半導体分布ブラッグ反射多層膜と前記半導体コア層との間に積層された下 部クラッド層、及び
前記半導体コア層と前記上部半導体分布ブラッグ反射多層膜との間に積層された 上部クラッド層とをさらに有し、
前記複数の空孔は、前記上部クラッド層と前記下部クラッド層を貫通していること を特徴とする請求項 1乃至 3のいずれか一つに記載のフォトニック結晶半導体デバ イス。
[5] 前記複数の空孔は、前記下部半導体分布ブラッグ反射多層膜の一部あるいは前記 下部半導体分布ブラッグ反射多層膜の全層を貫通していることを特徴とする請求項
1乃至 4のいずれか一つに記載のフォトニック結晶半導体デバイス。
[6] 前記フォトニック結晶構造部分に対して電流あるいは電圧を印加する電極を備えた ことを特徴とする請求項 1に記載のフォトニック結晶半導体デバイス。
[7] 前記フォトニック結晶構造部分に対して電流あるいは電圧を印加する電極を備えた ことを特徴とする請求項 2— 5のいずれか一つに記載のフォトニック結晶半導体デバ イス。
[8] 前記半導体コア層の近傍に電流狭窄用の A1を含む選択酸化層が設けられることを 特徴とする請求項 1一 7のいずれか一つに記載のフォトニック結晶半導体デバイス。
[9] 前記半導体コア層は、活性層を有することを特徴とする請求項 2 8のいずれか一 つに記載のフォトニック結晶半導体デバイス。
[10] 前記半導体コア層は、多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項 1一 9の いずれか一つに記載のフォトニック結晶半導体デバイス。
[11] 前記半導体コア層は、 InGaAsPを含むことを特徴とする請求項 1一 10のいずれか 一つに記載のフォトニック結晶半導体デバイス。
[12] 前記半導体コア層は、 GalnNAsSbを含むことを特徴とする請求項 1一 10のいず れか一つに記載のフォトニック結晶半導体デバイス。
[13] 前記半導体コア層は、 AsGalnAsを含むことを特徴とする請求項 1一 10のいずれ か一つに記載のフォトニック結晶半導体デバイス。
[14] 請求項 7— 13に記載のフォトニック結晶半導体デバイスと、
前記電極に接続された可変電源と、
を備え、前記欠陥部に流れる光のフィルタリングを行うことを特徴とする可変波長フ イノレタ。
[15] 請求項 7— 13に記載のフォトニック結晶半導体デバイスと、
前記電極に接続された電源と、
前記電源から前記フォトニック結晶半導体デバイスへの電源供給をスイッチングす るスィッチと、
前記スィッチのスイッチング制御を行う制御手段と、
を備え、前記欠陥部を流れる光のオンオフあるいは変調を行うことを特徴とする光ス イッチ Z変調器。
[16] 請求項 7— 13に記載のフォトニック結晶半導体デバイスと、 前記電極に接続された可変電源と、
を備え、前記欠陥部で増幅された可変波長のレーザ光を出力することを特徴とする 可変波長レーザ。
[17] 前記半導体コア層と光学的に接続された活性層を有する半導体レーザ素子が前 記半導体基板上に形成されてレ、ること
を特徴とする請求項 1に記載のフォトニック結晶半導体デバイス。
[18] 前記 2次元的な屈折率の周期構造は、前記空孔に挟まれ前記空孔が存在しない 線状の欠陥部を有し、
前記活性層は、前記半導体コア層の前記線状の欠陥部と光学的に接続されている こと
を特徴とする請求項 17に記載のフォトニック結晶半導体デバイス。
[19] 光の波長に近レ、 2次元的な屈折率の周期構造に欠陥部を設けたフォトニック結晶 構造を用いたフォトニック結晶半導体デバイスの製造方法において、
半導体基板上に下部半導体分布ブラッグ反射多層膜、前記フォトニック結晶が形 成される半導体コア層、上部半導体分布ブラッグ反射多層膜を順次積層する積層ェ 程と、
前記上部半導体分布ブラッグ反射多層膜および前記半導体コア層を貫通する複 数の空孔を形成する空孔形成工程と、
前記上部半導体ブラッグ反射多層膜の上部に誘電体多層膜を形成する誘電体多 層膜形成工程と、
を含むことを特徴とするフォトニック結晶半導体デバイスの製造方法。
[20] 前記空孔形成工程は、前記空孔に挟まれ、かつ空孔が存在しない線状あるいは点 の欠陥部を形成することを含むことを特徴とする請求項 19に記載のフォトニック結晶 半導体デバイスの製造方法。
[21] 前記空孔形成工程は、前記下部半導体分布ブラッグ反射多層膜の一部、あるいは 前記下部半導体分布ブラッグ反射多層膜の全層を貫通する複数の空孔を形成する ことを含むことを特徴とする請求項 19又は 20に記載のフォトニック結晶半導体デバイ スの製造方法。
[22] 前記積層工程は、前記上部半導体ブラッグ反射多層膜の上部に、選択酸化層お よびコンタクト層を順次さらに積層し、
前記空孔形成工程は、前記選択酸化層およびコンタクト層をも貫通する空孔を形 成するとともに、前記選択酸化層の一部に酸化した電流狭窄用の酸化部を形成する ことを特徴とする請求項 19一 21のいずれか一つに記載のフォトニック結晶半導体デ バイスの製造方法。
[23] 前記コンタクト層の一部上面および前記半導体基板の下部に電極を形成する電極 形成工程をさらに含むことを特徴とする請求項 19一 22のいずれか一つに記載のフ オトニック結晶半導体デバイスの製造方法。
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