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技術 光素子およびその製造方法

出願人 日本電信電話株式会社
発明者 尾身博雄俵毅彦牧本俊樹
出願日 2012年8月15日 (8年6ヶ月経過) 出願番号 2012-180037
公開日 2014年2月27日 (6年11ヶ月経過) 公開番号 2014-038926
状態 特許登録済
技術分野 レーザ(2)
主要キーワード 希土類酸化物層 マイクロディスク エルビウム化合物 ガドリニウム化合物 ファイバー長 酸化ツリウム シリコン基 シリコンフォトニクス
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題

材料を無駄にすることなく、濃度消光などの問題が解消された状態で希土類化合物を用いた光素子が製造できるようにする。

解決手段

エルビウムおよびイッテルビウムが共添加されている酸化イットリウムより構成された希土類含有層105をスパッタ法などの物理蒸着法により、基板を加熱することなく形成し、例えば1000℃に加熱することで、希土類含有層105を溝部104に凝集させ、エルビウムおよびイッテルビウムが共添加されている酸化イットリウムの結晶からなる希土類コア部106を形成する。エルビウムおよびイッテルビウムが共添加されている酸化イットリウムなどの希土類の酸化物は、加熱することで、下地に形成されている凹部に凝集して結晶化する。

概要

背景

光導波路発光素子受光素子シリコン基板上にモノリシックに作製することを目指すシリコンフォトニクス研究分野は、大きく進展している(非特許文献1参照)。このシリコンフォトニクスにおいて、シリコン基板上の発光素子材料としてシリコン系の半導体を用いる場合、発光強度化合物半導体などの直接遷移型半導体材料に比べて非常に弱いことが問題になる。また、シリコンフォトニクスでは、光導波路としてシリコン細線が重要な役割を果たしている (特許文献1,2参照)。波長が1.1μm以下の光は、シリコンに吸収されてしまうので、シリコンフォトニクスでは1.1μm以上の波長の光が必要となる。

このような背景から、1.5μmで発光する希土類元素、例えばエルビウムをシリコンに添加する試みが研究されてきたが、シリコン中へのエルビウムの固溶限界のため、十分な強度の発光が得られていない(非特許文献2参照)。ここで、このようにシリコン系の比較的弱い発光でも、例えば、光ファイバーで実現されているエルビウム添加ファイバ光増幅器(Erbium doped fiber amplifier:EDFA)のような光増幅機能を付加できれば、シリコンフォトニクスにおける励起光あるいは信号光として十分利用できる可能性がある。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

概要

材料を無駄にすることなく、濃度消光などの問題が解消された状態で希土類化合物を用いた光素子が製造できるようにする。エルビウムおよびイッテルビウムが共添加されている酸化イットリウムより構成された希土類含有層105をスパッタ法などの物理蒸着法により、基板を加熱することなく形成し、例えば1000℃に加熱することで、希土類含有層105を溝部104に凝集させ、エルビウムおよびイッテルビウムが共添加されている酸化イットリウムの結晶からなる希土類コア部106を形成する。エルビウムおよびイッテルビウムが共添加されている酸化イットリウムなどの希土類の酸化物は、加熱することで、下地に形成されている凹部に凝集して結晶化する。 D

目的

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、材料を無駄にすることなく、濃度消光などの問題が解消された状態で希土類化合物を用いた光素子が製造できるようにすることを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

第1希土類および前記第1希土類とは異なる第2希土類を共添加した第3希土類の酸化物もしくは前記第1希土類および前記第2希土類を共添加した第3希土類のシリケイトよりなる希土類含有層物理蒸着法により下部シリコン層の上に形成する工程と、前記希土類含有層を加熱して光機能層を形成する工程とを少なくとも備えることを特徴とする光素子の製造方法。

請求項2

請求項1記載の光素子の製造方法において、前記光機能層を形成した後、前記光機能層の上に上部シリコン層を形成する工程を備え、前記下部シリコン層と前記上部シリコン層とは異なる導電型とし、前記希土類含有層を加熱して前記下部シリコン層の上に前記希土類のシリケイトから構成された複数の微細構造体からなる発光層となる前記光機能層を形成することを特徴とする光素子の製造方法。

請求項3

請求項1記載の光素子の製造方法において、前記下部シリコン層の表面に凹凸を形成する工程を備え、前記凹凸を形成した前記下部シリコン層の上に前記希土類含有層を形成することを特徴とする光素子の製造方法。

請求項4

請求項3記載の光素子の製造方法において、前記凹凸は溝部であり、前記希土類含有層を加熱して前記溝部に凝集させて光導波路コアとなる前記光機能層を形成することを特徴とする光素子の製造方法。

請求項5

請求項2記載の光素子の製造方法によって製造した光素子。

請求項6

請求項4記載の光素子の製造方法によって製造した光素子であって、前記コアとなる前記光機能層から構成された光増幅部を備えることを特徴とする光素子。

技術分野

0001

本発明は、希土類化合物を用いた光素子およびその製造方法に関するものである。

背景技術

0002

光導波路発光素子受光素子シリコン基板上にモノリシックに作製することを目指すシリコンフォトニクス研究分野は、大きく進展している(非特許文献1参照)。このシリコンフォトニクスにおいて、シリコン基板上の発光素子材料としてシリコン系の半導体を用いる場合、発光強度化合物半導体などの直接遷移型半導体材料に比べて非常に弱いことが問題になる。また、シリコンフォトニクスでは、光導波路としてシリコン細線が重要な役割を果たしている (特許文献1,2参照)。波長が1.1μm以下の光は、シリコンに吸収されてしまうので、シリコンフォトニクスでは1.1μm以上の波長の光が必要となる。

0003

このような背景から、1.5μmで発光する希土類元素、例えばエルビウムをシリコンに添加する試みが研究されてきたが、シリコン中へのエルビウムの固溶限界のため、十分な強度の発光が得られていない(非特許文献2参照)。ここで、このようにシリコン系の比較的弱い発光でも、例えば、光ファイバーで実現されているエルビウム添加ファイバ光増幅器(Erbium doped fiber amplifier:EDFA)のような光増幅機能を付加できれば、シリコンフォトニクスにおける励起光あるいは信号光として十分利用できる可能性がある。

0004

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

0005

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

0006

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

0007

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

0008

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

0009

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

0010

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

0011

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

0012

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

0013

特開2004−281972号公報
特開2004−319668号公報

先行技術

0014

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

発明が解決しようとする課題

0015

ところで、上述したようなシリコンフォトニクスでは、シリコン基板上の所望とする位置に、発光、受光共振器などの機能を作製することが必要であり、光増幅器の場合も同様である。言い換えると、シリコンウエハーの所望とする位置に、例えば酸化エルビウムあるいはエルビウムシリケイトの結晶を配置する技術が重要であり、この技術の確立が強く求められている。

0016

上述した技術として、例えば、光導波路およびマイクロディスクなどの光共振器構造を作製するためには、一般に次のようにしている。まず、シリコン基板上の膜厚数百nmのシリコン酸化膜屈折率n=1.5程度)上に、希土類酸化物(例えば酸化エルビウム)を蒸着して希土類酸化物層を形成する。シリコン酸化膜が下部クラッド層となる。次に、公知のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術により、希土類酸化物層をパターニングし、シリコン酸化膜からなる下部クラッド層の上に酸化エルビウム(屈折率n=2.0程度)の細線コアを形成する。この後、形成した酸化エルビウムの細線コア上に、酸化膜あるいはエポキシ樹脂を塗布して上部クラッド層を形成することにより導波路構造を形成している。

0017

しかし、この方法では基板全面に膜として酸化エルビウムを形成し、上述したようなリソグラフィーおよびエッチングにより大部分を除去している。このように、希土類化合物材料を無駄に使用しており、結果として材料コストの上昇を招いているという問題がある。

0018

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、材料を無駄にすることなく、濃度消光などの問題が解消された状態で希土類化合物を用いた光素子が製造できるようにすることを目的とする。

課題を解決するための手段

0019

本発明に係る光素子の製造方法は、第1希土類および第1希土類とは異なる第2希土類を共添加した第3希土類の酸化物もしくは第1希土類および第2希土類を共添加した第3希土類のシリケイトよりなる希土類含有層物理蒸着法により下部シリコン層の上に形成する工程と、希土類含有層を加熱して光機能層を形成する工程とを少なくとも備える。

0020

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

0021

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

発明の効果

0022

以上説明したことにより、本発明によれば、材料を無駄にすることなく、濃度消光などの問題が解消された状態で希土類化合物を用いた光素子が製造できるようになる。

図面の簡単な説明

0023

図1Aは、本発明の実施の形態1における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。
図1Bは、本発明の実施の形態1における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。
図1Cは、本発明の実施の形態1における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。
図1Dは、本発明の実施の形態1における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。
図1Eは、本発明の実施の形態1における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。
図1Fは、本発明の実施の形態1における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す平面図である。
図2Aは、本発明の実施の形態2における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。
図2Bは、本発明の実施の形態2における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。
図2Cは、本発明の実施の形態2における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。
図2Dは、本発明の実施の形態2における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す平面図である。
図2Eは、本発明の実施の形態2における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。
図2Fは、本発明の実施の形態2における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。
図3Aは、本発明の実施の形態3における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。
図3Bは、本発明の実施の形態3における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。
図3Cは、本発明の実施の形態3における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す平面図である。
図3Dは、本発明の実施の形態3における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。
図3Eは、本発明の実施の形態3における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。
図3Fは、本発明の実施の形態3における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す平面図である。
図4Aは、本発明の実施の形態4における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す平面図である。
図4Bは、本発明の実施の形態4における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す平面図である。
図4Cは、本発明の実施の形態4における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す平面図である。
図4Dは、本発明の実施の形態4における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す平面図である。
図4Eは、本発明の実施の形態4における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す平面図である。
図4Fは、本発明の実施の形態4における光素子の製造方法を説明する各工程における状態を示す平面図である。
図5は、本発明の実施の形態における光素子の構成例を示す平面図である。
図6は、本発明の実施の形態における光素子の構成例を示す断面図である。
図7は、本発明の実施の形態における光素子の構成例を示す平面図である。

実施例

0024

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

0025

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

0026

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

0027

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

0028

次に、図1Cに示すように、希土類含有層105を形成する。希土類含有層105は、第1希土類および第1希土類とは異なる第2希土類を共添加した第3希土類の酸化物である。例えば、第1希土類はエルビウムであり、第2希土類はイッテルビウムである。また、第3希土類はイットリウムである。この場合、希土類含有層105は、エルビウムおよびイッテルビウムが共添加されている酸化イットリウムから構成されたものとなる。

0029

ここで、希土類含有層105は、スパッタ法などの物理蒸着法により、基板を加熱することなく形成する。なお、真空蒸着法により希土類含有層105を形成してもよい。このようにして形成した希土類含有層105は、非結晶アモルファス)状態となっている。

0030

次に、希土類含有層105を例えば1000℃に加熱することで、希土類含有層105を溝部104に凝集させ、図1Dに示すように、第1希土類および第1希土類とは異なる第2希土類を共添加した第3希土類の酸化物の結晶からなる希土類コア部(光機能層)106を形成する。実施の形態1では、エルビウムおよびイッテルビウムが共添加されている酸化イットリウムの結晶からなる希土類コア部106が形成される。

0031

上述した構成の希土類の酸化物は、加熱することで、下地に形成されている凹部に凝集する。また、この加熱により、アモルファス状態であった希土類含有層105が結晶化するので、希土類コア部106は、結晶から構成されたものとなる。言い換えると、凝集させる温度は、少なくとも上述した構成の希土類含有層105が結晶化する温度とすることが重要である。なお、希土類コア部106の寸法、例えば、断面形状の高さは、希土類含有層105の量によって決定される。

0032

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

0033

上述した製造方法により形成する光導波路構造では、希土類コア部106の断面形状の寸法は、例えば、高さおよび幅が1.5μm以上である。また、シリコン層103の層厚は、希土類コア部106の厚さの半分以上とされていればよい。

0034

以上に説明したように、実施の形態1によれば、蒸着した希土類含有層105の大部分をエッチングなどにより除去することなく、希土類コア部106が形成できる。希土類コア部106より構成される光導波路は、光変調器(光素子)として用いることができる。このように、実施の形態1によれば、材料を無駄にすることなく、希土類化合物を用いた光素子が製造できる。また、実施の形態1によれば、希土類コア部106は、例えば、エルビウムおよびイッテルビウムが共添加されている酸化イットリウムから構成されたものとなるため、これを用いた光素子では、濃度消光の問題が解消されたものとなる。

0035

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

0036

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

0037

次に、図2Bに示すように、シリコン層203の上に、希土類含有層204を形成する。希土類含有層204は、第1希土類および第1希土類とは異なる第2希土類を共添加した第3希土類の酸化物である。例えば、第1希土類はエルビウムであり、第2希土類はイッテルビウムである。また、第3希土類はイットリウムである。この場合、希土類含有層204は、エルビウムおよびイッテルビウムが共添加されている酸化イットリウム(ErxYbyY2-x-yO3)から構成されたものとなる。

0038

ここで、希土類含有層204は、スパッタ法などの物理蒸着法により、基板を加熱することなく形成する。なお、真空蒸着法により希土類含有層204を形成してもよい。このようにして形成した希土類含有層204は、アモルファス状態となっている。

0039

次に、希土類含有層204までを形成した状態でこれらを例えば1000℃に加熱することで、希土類含有層204とシリコン層203のシリコンとを反応させ、図2Cおよび図2Dに示すように、第1希土類および第1希土類とは異なる第2希土類を共添加した第3希土類のシリケイトからなる複数のナノ構造(光機能層)205を形成する。実施の形態2では、シリコン層203に凹凸が形成されていないため、加熱により希土類含有層204が一体に凝集することがなく、下層のシリコン層203のシリコンと反応してシリケイトを形成し、部分的に凝集してナノ構造205を形成する。実施の形態2では、「ErxYbyY2-x-yO3+O2+Si→ErxYbyY2-x-ySiO5」あるいは「ErxYbyY2-x-yO3+2O2+2Si→ErxYbyY2-x-ySi2O7」の化学反応により、2つの希土類が共添加されている希土類のシリケイトを生成する。

0040

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

0041

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

0042

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

0043

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

0044

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

0045

次に、図3Dに示すように、シリコン層303の上に、希土類含有層305を形成する。希土類含有層305は、第1希土類および第1希土類とは異なる第2希土類を共添加した第3希土類の酸化物である。例えば、第1希土類はエルビウムであり、第2希土類はイッテルビウムである。また、第3希土類はイットリウムである。この場合、希土類含有層305は、エルビウムおよびイッテルビウムが共添加されている酸化イットリウム(ErxYbyY2-x-yO3)から構成されたものとなる。

0046

また、希土類含有層305は、スパッタ法などの物理蒸着法により、基板を加熱することなく形成する。なお、真空蒸着法により希土類含有層305を形成してもよい。このようにして形成した希土類含有層305は、アモルファス状態となっている。

0047

次に、希土類含有層305までを形成した状態でこれらを例えば1000℃に加熱することで、図3Eおよび図3Fに示すように、4つの溝部304には、第1希土類および第1希土類とは異なる第2希土類を共添加した第3希土類の酸化物(ErxYbyY2-x-yO3)の結晶からなるパターン部306を形成するとともに、これらに囲われた領域のシリコン層303の上には、第1希土類および第1希土類とは異なる第2希土類を共添加した第3希土類のシリケイト(例えばErxYbyY2-x-ySiO5またはErxYbyY2-x-ySi2O7)からなる複数のナノ構造307を形成する。

0048

4つの溝部304には、希土類含有層305が凝集してパターン部306が形成される。一方、4つの溝部304に囲われた平坦な領域では、下層のシリコン層303のシリコンと反応してシリケイトを形成し、ナノ構造307となる。このように、シリコン層303に形成する凹凸により、特定の領域にナノ構造307を配置させることができる。パターン部306の厚さおよびナノ構造307の大きさは、希土類含有層305の蒸着量と、溝部304の幅、各溝部304の間隔により制御できる。

0049

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

0050

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

0051

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

0052

次に、図4Dに示すように、マスクパターン404が形成されているシリコン層403の上に、希土類含有層406を形成する。希土類含有層406は、第1希土類および第1希土類とは異なる第2希土類を共添加した第3希土類の酸化物である。例えば、第1希土類はエルビウムであり、第2希土類はイッテルビウムである。また、第3希土類はイットリウムである。この場合、希土類含有層406は、エルビウムおよびイッテルビウムが共添加されている酸化イットリウムから構成されたものとなる。

0053

また、希土類含有層406は、スパッタ法などの物理蒸着法により、基板を加熱することなく形成する。なお、真空蒸着法により希土類含有層406を形成してもよい。このようにして形成した希土類含有層406は、アモルファス状態となっている。

0054

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

0055

次に、希土類含有層406までを形成した状態でこれらを例えば1000℃に加熱し、希土類含有層406とシリコン層403のシリコンとを反応させることで、図4Fに示すように、特定の領域のシリコン層403の上に、第1希土類および第1希土類とは異なる第2希土類を共添加した第3希土類のシリケイト(例えばErxYbyY2-x-ySiO5またはErxYbyY2-x-ySi2O7)からなる複数のナノ構造407を形成する。実施の形態4では、マスクパターン404を用いることで、所望とする特定の領域に、ナノ構造407を配置させている。

0056

以上に示したように、物理蒸着法によりシリコン層の上に形成した希土類の酸化物よりなる希土類含有層を加熱することで、様々な光素子が形成できる。例えば、シリコン層に凹凸を形成しておけば、凹部に希土類含有層を凝集させるとともに結晶化することができる。この場合、凹部を平面視で細線状に形成しておけば、ErxYbyY2-x-yO3などの第1希土類および第1希土類とは異なる第2希土類を共添加した第3希土類の酸化物の結晶からなる細線コア(光機能層)が形成でき、これを用いることで、光増幅素子が構成できる。また、この構造において、電極を設けることで発光素子として機能させることもできる。

0057

また、シリコン層の平坦な領域には、ErxYbyY2-x-ySiO5またはErxYbyY2-x-ySi2O7などのシリケイトからなるナノ構造を形成することができる。2つの異なる希土類が共添加されている希土類のシリケイトからなる複数のナノ構造は、濃度消光などの問題がない発光材料として利用することができる。

0058

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

0059

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

0060

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

0061

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

0062

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

0063

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、希土類含有層として、第1希土類および第1希土類とは異なる第2希土類を共添加した第3希土類の酸化物を物理蒸着法により形成した場合について説明したが、これに限るものではなく、第1希土類および第2希土類を共添加した第3希土類のシリケイトを、物理蒸着法により形成してもよい。

0064

また、主にエルビウムおよびイッテルビウムが共添加されている酸化イットリウムを用いた場合について説明したが、これに限るものではなく、イッテルビウムとツリウムを共添加した酸化ユーロピウム、イッテルビウムとツリウムを共添加した酸化ネオジム、イッテルビウムとツリウムを共添加した酸化ツリウム、イッテルビウムとツリウムを共添加した酸化プラセオジム、イッテルビウムとツリウムを共添加した酸化ハフニウム、イッテルビウムとツリウムを共添加した酸化ガドリニウム、イッテルビウムとツリウムを共添加した酸化テルビウム、およびイッテルビウムとツリウムを共添加した酸化ジスプロシウムなどの他の希土類酸化物であっても同様である。また、酸化アルミニウムおよび酸化テルルについても同様である。

0065

また、希土類含有層は、上述した希土類,希土類酸化物のみではなく、例えば、酸化イットリウム、酸化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ビスマス酸化ゲルマニウムなどが含まれていてもよい。これらは、例えば、希土類の酸化物と同時に蒸着することで、希土類含有層に含まれた状態に形成できる。なお、各々材料に応じて結晶化の温度が異なるので、加熱処理の温度は適宜に設定する。また、シリサイドからなるナノ構造を形成する場合においても、完全な化合物を形成するためには、加熱処理の時間を適宜に設定する。

0066

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

0067

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

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