半導体フォトニック結晶導波路構造及びそれを使用した半導体フォトニック結晶デバイス
【課題】 フォトニック結晶導波路構造を利用した半導体デバイスにおいて、表面再結合を抑制し、良好なデバイス特性を得ることを課題とする。
【解決手段】 半導体基板１上に活性導波路層３と該活性導波路層３を挟むクラッド層２、４を有し、前記半導体基板１に平行な面内に二次元的な屈折率の周期構造が形成されてなる半導体フォトニック結晶導波路構造において、前記屈折率の周期構造は少なくとも前記活性導波路層３を貫通する空気孔６を含み、前記空気孔６の表面のうち、少なくとも前記活性導波路層３の部分は、前記活性導波路層３よりも大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体１１によって被覆されていることを特徴とする。または、前記空気孔６の表面のうち、少なくとも前記活性導波路層３の部分は、前記活性導波路層３を伝搬する光の波長に対して透明である誘電体１１によって被覆されていることを特徴とする。
【解決手段】 半導体基板１上に活性導波路層３と該活性導波路層３を挟むクラッド層２、４を有し、前記半導体基板１に平行な面内に二次元的な屈折率の周期構造が形成されてなる半導体フォトニック結晶導波路構造において、前記屈折率の周期構造は少なくとも前記活性導波路層３を貫通する空気孔６を含み、前記空気孔６の表面のうち、少なくとも前記活性導波路層３の部分は、前記活性導波路層３よりも大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体１１によって被覆されていることを特徴とする。または、前記空気孔６の表面のうち、少なくとも前記活性導波路層３の部分は、前記活性導波路層３を伝搬する光の波長に対して透明である誘電体１１によって被覆されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体フォトニック結晶導波路構造を用いた半導体デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、超小型の光集積回路を実現するためのキーとなる技術として、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、光の波長オーダの周期で屈折率が変調された構造を有するもので、周期場中のマクスウェル方程式の解に従って、結晶中に光に対するフォトニックバンドギャップが形成されるため、フォトニックバンドギャップに相当する特定の波長帯域の光は、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結晶欠陥を導入すると、フォトニックバンドギャップに相当する波長の光は、この欠陥以外の場所には存在できないため、欠陥に光が局在することになる。このような性質を利用して、点欠陥による光の捕捉や線欠陥による光導波路などの実現が可能になる。
【０００３】
厳密な意味でのフォトニックバンドギャップは、三次元フォトニック結晶によってのみ実現されるが、三次元フォトニック結晶の製造プロセスは極めて複雑かつ困難である。一方、ある一方向については周期構造を持たない二次元フォトニック結晶においても、ある程度のフォトニックバンドギャップによる効果が現れることが知られている。
【０００４】
この二次元フォトニックバンドギャップ効果を用いて、光を微小領域に閉じ込める微小レーザが実現されている（非特許文献１）。また、光の波長によって伝搬方向が大きく異なるという特殊な分散効果（スーパープリズム効果と呼ばれる）を、電流注入や電圧印加のような電気的手段により制御し、光スイッチや変調器などを構成することも可能である（非特許文献２）。
【０００５】
上記に挙げたような光デバイスにおいて、通常、二次元面に垂直な方向への光閉じこめには屈折率差による全反射閉じ込めが用いられる。つまり、クラッド層／活性導波路層／クラッド層のような導波路構造を用いることになる。
【０００６】
また、フォトニック結晶を半導体で構成すると、集積化などの点で有利となる。半導体フォトニック結晶は、エッチング等により半導体に孔を形成し、半導体／空気の屈折率周期構造を利用するものが多い。このような場合、少なくとも素子表面から活性導波路層を貫通するようなエッチングを行う必要がある。
【非特許文献１】J.K.Hwang, H.Y.Ryu, D.S.Song, I.Y.Han, H.K.Park, D.H.Jang, and Y.H.Lee, ''Continuous Room-Temperature Operation of Optically Pumped Two-Dimensional Photonic Crystal Lasers at 1.6um'', IEEE Photonics Technology Letters, Vol.12, No.10, October 2000, p.1295-1297
【非特許文献２】David Scrymgeour, Natalia Malkovia, Sungwon Kim and Venkatraman Gopalan, ''Electro-optic control of superprism effect in photonic crystals'', Applied Physics Letters, Vol.82, No.19, 12 May 2003, P.3176-3178
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のような空気孔を有する半導体フォトニック結晶導波路構造においては、活性導波路層を貫く空気孔の存在により、活性領域における露出表面の面積が非常に大きくなる。よく知られているように、半導体表面においては、いわゆる表面準位を介したキャリアの再結合が起こりやすいという性質がある。よって、半導体フォトニック結晶導波路構造を利用した電流注入型あるいは電圧印加型のデバイスにおいて、上記の露出表面におけるキャリア再結合の影響が顕著になり、発光効率の低下あるいはリーク電流の増大などにつながる。特に、フォトニック結晶デバイスでは、活性領域における表面の占める割合が非常に大きいので、フォトニック結晶を用いない従来の半導体デバイスに比べて、表面に起因する問題が深刻であった。
【０００８】
上記に鑑み、本発明は、フォトニック結晶導波路構造を利用した半導体デバイスにおいて、表面再結合を抑制し、良好なデバイス特性を得ることを目的とした。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の目的を達成するためになされたものであり、半導体基板上に活性導波路層と該活性導波路層を挟むクラッド層を有し、前記半導体基板に平行な面内に二次元的な屈折率の周期構造が形成されてなる半導体フォトニック結晶導波路構造において、前記屈折率の周期構造は少なくとも前記活性導波路層を貫通する空気孔を含み、前記空気孔の表面のうち、少なくとも前記活性導波路層の部分は、前記活性導波路層よりも大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体によって被覆されていることを特徴とする半導体フォトニック結晶導波路構造である。
【００１０】
上記のような構造では、活性導波路層における露出表面が、より大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体で被覆されているため、キャリアの表面再結合を抑制することができる。
【００１１】
また、前記大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体は、少なくともＩｎ又はＧａのいずれか一方を含むIII族元素と、少なくともＰ、Ａｓのいずれか一方を含むＶ族元素からなる化合物半導体であることが好ましい。たとえば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰなどが挙げられ、活性導波路層よりもバンドギャップの大きなものを選択するものとする。
【００１２】
また、本発明の半導体フォトニック結晶導波路構造は、前記大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体に代えて、前記活性導波路層を伝搬する光の波長に対して透明である誘電体によって被覆されているものとしてもよい。前記誘電体は半導体表面をパッシベーションするため、キャリアの表面再結合を抑制することができる。また、前記空気孔の表面において、前記活性導波路層の部分と前記誘電体との間にＳｉなどからなる酸素拡散防止層が介在しているものとすると、前記誘電体から半導体層への酸素の拡散を防止することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、半導体フォトニック結晶導波路構造において、活性導波路層におけるキャリアの表面再結合が抑制され、表面リーク電流が低減できるため、逆方向電圧を印加するデバイスにおいては、導波路層へ効率的に電圧印加をすることができる。また、電流を注入するデバイスにおいても、動作電流の低減が実現できる。そのため、高性能の半導体フォトニック結晶デバイスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。実施例1及び実施例２として、波長１．５μｍ帯の光に対して使用できる半導体フォトニック結晶デバイスを作製した。
【００１５】
[実施例１] 図１は、本発明の実施例１に係る半導体フォトニック結晶デバイスを示す断面斜視図である。この半導体フォトニック結晶デバイス２０は、ｎ−ＩｎＰ基板１上にｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２、活性導波路層３（下部光閉じ込め層、多重量子井戸構造及び上部光閉じ込め層からなるものとする）、厚さ１０ｎｍのノンドープＩｎＰ層（図示せず）、厚さ２μｍのｐ−ＩｎＰ上部クラッド層４（ドーピング濃度２×１０１８ｃｍ−３）、厚さ１００ｎｍのｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５（ドーピング濃度１×１０１９ｃｍ−３）が積層された構造を有している。下部光閉じ込め層は、バンドギャップ波長１．０μｍ、１．１μｍ、１．２μｍ、１．３μｍのノンドープＧａＩｎＡｓＰ（膜厚はそれぞれ３０ｎｍ）が基板側から順に積層されたものである。上部光閉じ込め層は、下部光閉じ込め層と同様の層が逆の順序で積層されたものである。また、多重量子井戸構造は、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ量子井戸層（バンドギャップ波長１．５４μｍ、膜厚９ｎｍ、井戸数９）とノンドープＧａＩｎＡｓＰ障壁層（バンドギャップ波長１．３μｍ、膜厚５ｎｍ）からなっている。活性導波路層３は、半導体フォトニック結晶デバイス２０の用途に応じて、発光層、光吸収層あるいは屈折率変化層などとして機能する。
【００１６】
この積層構造において、前記活性導波路層を貫通する断面円形のロッド状の空気孔６が、基板面内に二次元的な周期配列を持って形成され、フォトニック結晶を構成している。空気孔６の直径を３９０ｎｍとし、格子定数（隣接する空気孔の中心から中心までの距離）を６５０ｎｍとする。空気孔６の周期配列は正三角形を最小単位としているが、正方形など他の配列パターンでも良い。このフォトニック結晶の形成される領域は、図１における領域７で表され、５０μｍ×５０μｍの大きさとした。
【００１７】
このフォトニック結晶領域７を囲む１００μｍ×１００μｍの領域は、メサ形状（メサ８）となっている。フォトニック結晶領域７を除いたメサ８の上面には上部電極９が、また、素子下面には下部電極１０が形成されている。上部電極９と下部電極１０に電圧源または電流源を接続することにより、半導体フォトニック結晶デバイス２０を動作させることができる。
【００１８】
空気孔６付近の断面拡大図を図１（ｂ）に示す。空気孔６の表面は、ノンドープＩｎＰ被覆層１１により被覆されている。ＩｎＰのバンドギャップエネルギー（１．３５ｅＶ）は、多重量子井戸構造を構成するＧａＩｎＡｓＰのバンドギャップエネルギー（動作波長１．５５μｍでは０．８ｅＶ）に比べて大きく、その差は４００ｍｅＶ以上である。このため、活性導波路層３のエッチング表面におけるキャリアの表面再結合を抑制することができる。
【００１９】
次に、この半導体フォトニック結晶デバイス２０の作製方法を図２〜５を用いて説明する。このうち、図２〜３は、図１に示した半導体フォトニック結晶デバイスの一部拡大断面図である。
【００２０】
図１に示したｎ−ＩｎＰ基板１上の積層構造を、有機金属気相成長（Metalorganic Chemical Vapor Deposition, ＭＯＣＶＤ）法を用い、基板温度６８０℃で結晶成長を行うことにより形成する。次に、図２（ａ）に示すように、このウエハ１２の表面に厚さ１５０ｎｍのＳｉＮｘ膜１３をプラズマＣＶＤ法により成膜し、更にその表面に厚さ３０ｎｍのＴｉ薄膜１４を電子ビーム蒸着法により成膜する。Ｔｉ薄膜１４の表面のうち、フォトニック結晶領域７に相当する領域に、電子ビームリソグラフィを用いてフォトニック結晶パターンの電子ビームレジスト１５を形成する。
【００２１】
次いで、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）によりフォトニック結晶パターンをＴｉ薄膜１４に転写し、更にＳｉＮｘ膜１３をエッチングする（図２（ｂ））。その後、電子ビームレジスト１５を除去する。
【００２２】
その後、誘導結合プラズマＲＩＥ（Inductively Coupled Plasma−ＲＩＥ；、ＩＣＰ−ＲＩＥ）によりエッチングを行い、約３．５μｍ深さの空気孔６を形成する（図３（ａ））。このとき、パターン転写されたＴｉ薄膜１４がエッチングマスクとして機能する。
【００２３】
Ｔｉ薄膜１４及びＳｉＮｘ膜１３をバッファードフッ酸（ＢＨＦ）により除去したのち、ＭＯＣＶＤ法を用いてノンドープＩｎＰ被覆層１１の成長を行う（図３（ｂ））。これにより、空気孔６の表面を含むウエハ１２表面が被覆される。このノンドープＩｎＰ被覆層１１の成長は、平坦基板上で２０ｎｍ厚さとなるような条件において行った。また、このとき基板温度は５５０℃と、初めの結晶成長時に比べて低い温度で行っている。これは、温度上昇によるマストランスポート現象でフォトニック結晶構造が変形することを避けるためである。
【００２４】
これ以降の作製方法は、図４〜５に示す斜視図を用いて説明する。ウエハ１２上に、フォトリソグラフィを用いて、フォトニック結晶領域７を覆う５０μｍ×５０μｍのフォトレジスト１６を形成する（図４（ａ））。次に、希塩酸を用いて、このフォトレジスト１６で覆われた領域の外側におけるノンドープＩｎＰ被覆層１１を除去し、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５を露出させる（図４（ｂ））。その後、電子ビーム蒸着・リフトオフ法により、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５表面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる上部電極９を形成する（図４（ｃ））。
【００２５】
さらに、フォトリソグラフィを用いて、フォトニック結晶領域７とその外側の一定領域を覆う１００μｍ×１００μｍのフォトレジスト１７を形成する（図５（ａ））。そして、ＩｎＰを塩酸系、ＧａＩｎＡｓコンタクト層を硫酸系エッチャントを用いてエッチングし、メサ８を形成する（図５（ｂ））。なお、エッチングによる量子井戸活性層の損傷を避けるため、エッチングは量子井戸活性層よりも上で停止するようにした。その後、フォトレジスト１７を除去する。
【００２６】
最後に、ｎ−ＩｎＰ基板１を１００μｍ程度の厚さに研磨し、その裏面にＡｕＧｅＮｉを蒸着することにより下部電極１０を形成したのち、窒素雰囲気中で４００度・３分間のアニール処理を行い、図１に示した半導体フォトニック結晶デバイス２０が完成する。
【００２７】
[実施例２] 実施例２に係る半導体フォトニック結晶デバイスは、図１（ａ）（ｂ）に示したフォトニック結晶の空気孔６の表面に、ノンドープＩｎＰ被覆層１１に代えて、ＳｉＮｘ被覆層１１を有している。このＳｉＮｘ被覆層１１により、空気孔６の表面がパッシベーションされ、活性導波路層３のエッチング表面における表面再結合を抑制することができる。この半導体フォトニック結晶デバイスにおける導波路構造は、既に説明したように波長１．５μｍ帯の光を伝搬させる設計になっており、ＳｉＮｘ被覆層はこの波長帯の光に対して透明であるため、フォトニックバンドギャップ特性に悪影響を与えることがない。
【００２８】
次に、この実施例２に係る半導体フォトニック結晶デバイス２０の作製方法を図２〜５を用いて説明する。このうち、図２〜３は、図１に示した半導体フォトニック結晶デバイスの一部拡大断面図である。
【００２９】
図１に示したｎ−ＩｎＰ基板１上の積層構造を、有機金属気相成長（Metalorganic Chemical Vapor Deposition, ＭＯＣＶＤ）法を用い、基板温度６８０℃で結晶成長を行うことにより形成する。次に、図２（ａ）に示すように、このウエハ１２の表面に厚さ１５０ｎｍのＳｉＮｘ膜１３をプラズマＣＶＤ法により成膜し、更にその表面に厚さ３０ｎｍのＴｉ薄膜１４を電子ビーム蒸着法により成膜する。Ｔｉ薄膜１４の表面のうち、フォトニック結晶領域７に相当する領域に、電子ビームリソグラフィを用いてフォトニック結晶パターンの電子ビームレジスト１５を形成する。
【００３０】
次いで、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）によりフォトニック結晶パターンをＴｉ薄膜１４に転写し、更にＳｉＮｘ膜１３をエッチングする（図２（ｂ））。その後、電子ビームレジスト１５を除去する。
【００３１】
その後、誘導結合プラズマＲＩＥ（Inductively Coupled Plasma−ＲＩＥ；、ＩＣＰ−ＲＩＥ）によりエッチングを行い、約３．５μｍ深さの空気孔６を形成する（図３（ａ））。このとき、パターン転写されたＴｉ薄膜１４がエッチングマスクとして機能する。
【００３２】
Ｔｉ薄膜１４及びＳｉＮｘ膜１３をバッファードフッ酸（ＢＨＦ）により除去したのち、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＮｘ被覆層１１を成膜する（図３（ｂ））。これにより、空気孔６の表面を含むウエハ１２表面が被覆される。このＳｉＮｘ被覆層１１の成膜は、平坦基板上で１５０ｎｍ厚さとなるような条件において行った。このとき、空気孔６のエッチング表面に形成される膜厚は、その半分程度となる。
【００３３】
これ以降の作製方法は、図４〜５に示す斜視図を用いて説明する。ウエハ１２上に、フォトリソグラフィを用いて、フォトニック結晶領域７を覆う５０μｍ×５０μｍのフォトレジスト１６を形成する（図４（ａ））。次に、ＣＦ４ガスを用いたＲＩＥにより、このフォトレジスト１６で覆われた領域の外側におけるＳｉＮｘ被覆層１１を除去し、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５を露出させる（図４（ｂ））。その後、電子ビーム蒸着・リフトオフ法により、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５表面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる上部電極９を形成する（図４（ｃ））。
【００３４】
さらに、フォトリソグラフィを用いて、フォトニック結晶領域７とその外側の一定領域を覆う１００μｍ×１００μｍのフォトレジスト１７を形成する（図５（ａ））。そして、ＩｎＰを塩酸系、ＧａＩｎＡｓコンタクト層を硫酸系エッチャントを用いてエッチングし、メサ８を形成する（図５（ｂ））。なお、エッチングによる量子井戸活性層の損傷を避けるため、エッチングは量子井戸活性層よりも上で停止するようにした。その後、フォトレジスト１７を除去する。
【００３５】
最後に、ｎ−ＩｎＰ基板１を１００μｍ程度の厚さに研磨し、その裏面にＡｕＧｅＮｉを蒸着することにより下部電極１０を形成したのち、窒素雰囲気中で４００度・３分間のアニール処理を行い、図１に示した半導体フォトニック結晶デバイス２０が完成する。
【００３６】
[比較例] 比較例として、従来の半導体フォトニック結晶デバイスを作製した。この従来の半導体フォトニック結晶デバイスは、図１（ａ）（ｂ）に示したフォトニック結晶の空気孔６の表面に被覆層を有していないものである。
【００３７】
[実施例１、２及び比較例のデバイス特性] 実施例１、２及び比較例の各デバイスの上下電極間に電圧を印加し、電流−電圧特性を測定した。逆バイアスを３Ｖ印加した時の逆方向リーク電流は、実施例１（ノンドープＩｎＰ被覆層を有する構造）では１００ｐＡ〜１μＡ、実施例２（ＳｉＮｘ被覆層を有する構造）では１μＡ〜１０μＡと小さな値が得られたが、比較例では１〜５ｍＡの値であった。
【００３８】
なお、実施例１では、フォトニック結晶の空気孔表面を被覆する層としてノンドープＩｎＰを用いたが、これに限られるものではなく、他の化合物半導体、たとえばＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰなどであってもよい。また、活性導波路層の材料によっては、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＳｅなどを用いてもよい。但し、活性導波路層よりもバンドギャップエネルギーの大きな化合物半導体を選ぶものとする。上記の活性導波路層と被覆する層とのバンドギャップエネルギー差は、実施例１では５５０ｍｅＶであるが、実施例１で活性導波路層の組成を変更して動作波長が１．３μｍとなるようにした場合でも、上記バンドギャップエネルギー差は４００ｍｅＶと十分大きな値になる。また、上記バンドギャップエネルギー差は、もっと小さくてもよい。動作波長にもよるが、５０ｍｅＶ以上であれば本発明の効果を得ることができ、１００ｍｅＶとすることが好ましい。
【００３９】
また、被覆する化合物半導体は、活性導波路層を構成する材料と格子定数が近いものであることが好ましいが、その厚さが薄いことから、格子定数にある程度差があっても特に問題はない。
【００４０】
また、実施例２では、フォトニック結晶の空気孔表面を被覆する層としてＳｉＮｘを用いたが、これに限られるものではなく、使用する光の波長に対して透明であれば他の誘電体（ＳｉＯｘ、ＡｌＮｘ、ＡｌＯｘ、ＴｉＯｘなど）であってもよい。これらの誘電体膜の形成には、プラズマＣＶＤ法などの方法が使用可能であるが、たとえば、活性導波路層の材料がＡｌＧａＡｓで構成されている場合には、酸化により表面にＡｌＯｘを形成するようにしてもよい。
【００４１】
空気孔表面を被覆する層の厚さは、上記の実施例１、２に示した値に限られるものではなく、半導体の場合は５〜２０ｎｍ、誘電体の場合は５〜５０ｎｍの範囲であれば、本発明の効果が得られ、かつフォトニック結晶の機能が良好に保たれる。なお、誘電体の場合は、屈折率が半導体に比べて十分に低いため、誘電体を上記の範囲よりもさらに厚くして、空気孔が誘電体によって完全にふさがれる構造としても、フォトニック結晶の機能は維持できる。
【００４２】
ところで、被覆する層は、単一の層からなるのもの限られず、二以上の層からなるものとしてもよい。また、この二以上の層が、半導体と誘電体とを組み合わせたものであってもよい。たとえば、空気孔表面において、活性導波路層の部分と被覆する誘電体との間にＳｉなどの層を介在させるものとすると、誘電体から半導体層への酸素の拡散が防止される。
【００４３】
なお、実施例１、２では、フォトニック結晶の空気孔をエッチングにより形成した場合について示したが、他にも、陽極酸化法や微小な選択成長を利用する方法も考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】（ａ）は、本発明の実施形態に係る半導体フォトニック結晶デバイスを示す断面斜視図である。（ｂ）は、（ａ）の一部断面拡大図である。
【図２】（ａ）（ｂ）は、本発明の実施形態に係る半導体フォトニック結晶デバイスの作製方法を示す断面図である。
【図３】（ａ）（ｂ）は、本発明の実施形態に係る半導体フォトニック結晶デバイスの作製方法を示す断面図である。
【図４】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の実施形態に係る半導体フォトニック結晶デバイスの作製方法を示す斜視図である。
【図５】（ａ）（ｂ）は、本発明の実施形態に係る半導体フォトニック結晶デバイスの作製方法を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ ｎ−ＩｎＰ基板
２ ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層
３ 活性導波路層
４ ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層
５ ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
６ 空気孔
７ フォトニック結晶領域
８ メサ
９ 上部電極
１０ 下部電極
１１ ノンドープＩｎＰ被覆層又はＳｉＮｘ被覆層
１２ ウエハ
１３ ＳｉＮｘ膜
１４ Ｔｉ薄膜
１５ 電子ビームレジスト
１６ フォトレジスト
１７ フォトレジスト
２０ 半導体フォトニック結晶デバイス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体フォトニック結晶導波路構造を用いた半導体デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、超小型の光集積回路を実現するためのキーとなる技術として、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、光の波長オーダの周期で屈折率が変調された構造を有するもので、周期場中のマクスウェル方程式の解に従って、結晶中に光に対するフォトニックバンドギャップが形成されるため、フォトニックバンドギャップに相当する特定の波長帯域の光は、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結晶欠陥を導入すると、フォトニックバンドギャップに相当する波長の光は、この欠陥以外の場所には存在できないため、欠陥に光が局在することになる。このような性質を利用して、点欠陥による光の捕捉や線欠陥による光導波路などの実現が可能になる。
【０００３】
厳密な意味でのフォトニックバンドギャップは、三次元フォトニック結晶によってのみ実現されるが、三次元フォトニック結晶の製造プロセスは極めて複雑かつ困難である。一方、ある一方向については周期構造を持たない二次元フォトニック結晶においても、ある程度のフォトニックバンドギャップによる効果が現れることが知られている。
【０００４】
この二次元フォトニックバンドギャップ効果を用いて、光を微小領域に閉じ込める微小レーザが実現されている（非特許文献１）。また、光の波長によって伝搬方向が大きく異なるという特殊な分散効果（スーパープリズム効果と呼ばれる）を、電流注入や電圧印加のような電気的手段により制御し、光スイッチや変調器などを構成することも可能である（非特許文献２）。
【０００５】
上記に挙げたような光デバイスにおいて、通常、二次元面に垂直な方向への光閉じこめには屈折率差による全反射閉じ込めが用いられる。つまり、クラッド層／活性導波路層／クラッド層のような導波路構造を用いることになる。
【０００６】
また、フォトニック結晶を半導体で構成すると、集積化などの点で有利となる。半導体フォトニック結晶は、エッチング等により半導体に孔を形成し、半導体／空気の屈折率周期構造を利用するものが多い。このような場合、少なくとも素子表面から活性導波路層を貫通するようなエッチングを行う必要がある。
【非特許文献１】J.K.Hwang, H.Y.Ryu, D.S.Song, I.Y.Han, H.K.Park, D.H.Jang, and Y.H.Lee, ''Continuous Room-Temperature Operation of Optically Pumped Two-Dimensional Photonic Crystal Lasers at 1.6um'', IEEE Photonics Technology Letters, Vol.12, No.10, October 2000, p.1295-1297
【非特許文献２】David Scrymgeour, Natalia Malkovia, Sungwon Kim and Venkatraman Gopalan, ''Electro-optic control of superprism effect in photonic crystals'', Applied Physics Letters, Vol.82, No.19, 12 May 2003, P.3176-3178
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のような空気孔を有する半導体フォトニック結晶導波路構造においては、活性導波路層を貫く空気孔の存在により、活性領域における露出表面の面積が非常に大きくなる。よく知られているように、半導体表面においては、いわゆる表面準位を介したキャリアの再結合が起こりやすいという性質がある。よって、半導体フォトニック結晶導波路構造を利用した電流注入型あるいは電圧印加型のデバイスにおいて、上記の露出表面におけるキャリア再結合の影響が顕著になり、発光効率の低下あるいはリーク電流の増大などにつながる。特に、フォトニック結晶デバイスでは、活性領域における表面の占める割合が非常に大きいので、フォトニック結晶を用いない従来の半導体デバイスに比べて、表面に起因する問題が深刻であった。
【０００８】
上記に鑑み、本発明は、フォトニック結晶導波路構造を利用した半導体デバイスにおいて、表面再結合を抑制し、良好なデバイス特性を得ることを目的とした。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の目的を達成するためになされたものであり、半導体基板上に活性導波路層と該活性導波路層を挟むクラッド層を有し、前記半導体基板に平行な面内に二次元的な屈折率の周期構造が形成されてなる半導体フォトニック結晶導波路構造において、前記屈折率の周期構造は少なくとも前記活性導波路層を貫通する空気孔を含み、前記空気孔の表面のうち、少なくとも前記活性導波路層の部分は、前記活性導波路層よりも大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体によって被覆されていることを特徴とする半導体フォトニック結晶導波路構造である。
【００１０】
上記のような構造では、活性導波路層における露出表面が、より大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体で被覆されているため、キャリアの表面再結合を抑制することができる。
【００１１】
また、前記大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体は、少なくともＩｎ又はＧａのいずれか一方を含むIII族元素と、少なくともＰ、Ａｓのいずれか一方を含むＶ族元素からなる化合物半導体であることが好ましい。たとえば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰなどが挙げられ、活性導波路層よりもバンドギャップの大きなものを選択するものとする。
【００１２】
また、本発明の半導体フォトニック結晶導波路構造は、前記大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体に代えて、前記活性導波路層を伝搬する光の波長に対して透明である誘電体によって被覆されているものとしてもよい。前記誘電体は半導体表面をパッシベーションするため、キャリアの表面再結合を抑制することができる。また、前記空気孔の表面において、前記活性導波路層の部分と前記誘電体との間にＳｉなどからなる酸素拡散防止層が介在しているものとすると、前記誘電体から半導体層への酸素の拡散を防止することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、半導体フォトニック結晶導波路構造において、活性導波路層におけるキャリアの表面再結合が抑制され、表面リーク電流が低減できるため、逆方向電圧を印加するデバイスにおいては、導波路層へ効率的に電圧印加をすることができる。また、電流を注入するデバイスにおいても、動作電流の低減が実現できる。そのため、高性能の半導体フォトニック結晶デバイスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。実施例1及び実施例２として、波長１．５μｍ帯の光に対して使用できる半導体フォトニック結晶デバイスを作製した。
【００１５】
[実施例１] 図１は、本発明の実施例１に係る半導体フォトニック結晶デバイスを示す断面斜視図である。この半導体フォトニック結晶デバイス２０は、ｎ−ＩｎＰ基板１上にｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２、活性導波路層３（下部光閉じ込め層、多重量子井戸構造及び上部光閉じ込め層からなるものとする）、厚さ１０ｎｍのノンドープＩｎＰ層（図示せず）、厚さ２μｍのｐ−ＩｎＰ上部クラッド層４（ドーピング濃度２×１０１８ｃｍ−３）、厚さ１００ｎｍのｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５（ドーピング濃度１×１０１９ｃｍ−３）が積層された構造を有している。下部光閉じ込め層は、バンドギャップ波長１．０μｍ、１．１μｍ、１．２μｍ、１．３μｍのノンドープＧａＩｎＡｓＰ（膜厚はそれぞれ３０ｎｍ）が基板側から順に積層されたものである。上部光閉じ込め層は、下部光閉じ込め層と同様の層が逆の順序で積層されたものである。また、多重量子井戸構造は、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ量子井戸層（バンドギャップ波長１．５４μｍ、膜厚９ｎｍ、井戸数９）とノンドープＧａＩｎＡｓＰ障壁層（バンドギャップ波長１．３μｍ、膜厚５ｎｍ）からなっている。活性導波路層３は、半導体フォトニック結晶デバイス２０の用途に応じて、発光層、光吸収層あるいは屈折率変化層などとして機能する。
【００１６】
この積層構造において、前記活性導波路層を貫通する断面円形のロッド状の空気孔６が、基板面内に二次元的な周期配列を持って形成され、フォトニック結晶を構成している。空気孔６の直径を３９０ｎｍとし、格子定数（隣接する空気孔の中心から中心までの距離）を６５０ｎｍとする。空気孔６の周期配列は正三角形を最小単位としているが、正方形など他の配列パターンでも良い。このフォトニック結晶の形成される領域は、図１における領域７で表され、５０μｍ×５０μｍの大きさとした。
【００１７】
このフォトニック結晶領域７を囲む１００μｍ×１００μｍの領域は、メサ形状（メサ８）となっている。フォトニック結晶領域７を除いたメサ８の上面には上部電極９が、また、素子下面には下部電極１０が形成されている。上部電極９と下部電極１０に電圧源または電流源を接続することにより、半導体フォトニック結晶デバイス２０を動作させることができる。
【００１８】
空気孔６付近の断面拡大図を図１（ｂ）に示す。空気孔６の表面は、ノンドープＩｎＰ被覆層１１により被覆されている。ＩｎＰのバンドギャップエネルギー（１．３５ｅＶ）は、多重量子井戸構造を構成するＧａＩｎＡｓＰのバンドギャップエネルギー（動作波長１．５５μｍでは０．８ｅＶ）に比べて大きく、その差は４００ｍｅＶ以上である。このため、活性導波路層３のエッチング表面におけるキャリアの表面再結合を抑制することができる。
【００１９】
次に、この半導体フォトニック結晶デバイス２０の作製方法を図２〜５を用いて説明する。このうち、図２〜３は、図１に示した半導体フォトニック結晶デバイスの一部拡大断面図である。
【００２０】
図１に示したｎ−ＩｎＰ基板１上の積層構造を、有機金属気相成長（Metalorganic Chemical Vapor Deposition, ＭＯＣＶＤ）法を用い、基板温度６８０℃で結晶成長を行うことにより形成する。次に、図２（ａ）に示すように、このウエハ１２の表面に厚さ１５０ｎｍのＳｉＮｘ膜１３をプラズマＣＶＤ法により成膜し、更にその表面に厚さ３０ｎｍのＴｉ薄膜１４を電子ビーム蒸着法により成膜する。Ｔｉ薄膜１４の表面のうち、フォトニック結晶領域７に相当する領域に、電子ビームリソグラフィを用いてフォトニック結晶パターンの電子ビームレジスト１５を形成する。
【００２１】
次いで、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）によりフォトニック結晶パターンをＴｉ薄膜１４に転写し、更にＳｉＮｘ膜１３をエッチングする（図２（ｂ））。その後、電子ビームレジスト１５を除去する。
【００２２】
その後、誘導結合プラズマＲＩＥ（Inductively Coupled Plasma−ＲＩＥ；、ＩＣＰ−ＲＩＥ）によりエッチングを行い、約３．５μｍ深さの空気孔６を形成する（図３（ａ））。このとき、パターン転写されたＴｉ薄膜１４がエッチングマスクとして機能する。
【００２３】
Ｔｉ薄膜１４及びＳｉＮｘ膜１３をバッファードフッ酸（ＢＨＦ）により除去したのち、ＭＯＣＶＤ法を用いてノンドープＩｎＰ被覆層１１の成長を行う（図３（ｂ））。これにより、空気孔６の表面を含むウエハ１２表面が被覆される。このノンドープＩｎＰ被覆層１１の成長は、平坦基板上で２０ｎｍ厚さとなるような条件において行った。また、このとき基板温度は５５０℃と、初めの結晶成長時に比べて低い温度で行っている。これは、温度上昇によるマストランスポート現象でフォトニック結晶構造が変形することを避けるためである。
【００２４】
これ以降の作製方法は、図４〜５に示す斜視図を用いて説明する。ウエハ１２上に、フォトリソグラフィを用いて、フォトニック結晶領域７を覆う５０μｍ×５０μｍのフォトレジスト１６を形成する（図４（ａ））。次に、希塩酸を用いて、このフォトレジスト１６で覆われた領域の外側におけるノンドープＩｎＰ被覆層１１を除去し、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５を露出させる（図４（ｂ））。その後、電子ビーム蒸着・リフトオフ法により、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５表面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる上部電極９を形成する（図４（ｃ））。
【００２５】
さらに、フォトリソグラフィを用いて、フォトニック結晶領域７とその外側の一定領域を覆う１００μｍ×１００μｍのフォトレジスト１７を形成する（図５（ａ））。そして、ＩｎＰを塩酸系、ＧａＩｎＡｓコンタクト層を硫酸系エッチャントを用いてエッチングし、メサ８を形成する（図５（ｂ））。なお、エッチングによる量子井戸活性層の損傷を避けるため、エッチングは量子井戸活性層よりも上で停止するようにした。その後、フォトレジスト１７を除去する。
【００２６】
最後に、ｎ−ＩｎＰ基板１を１００μｍ程度の厚さに研磨し、その裏面にＡｕＧｅＮｉを蒸着することにより下部電極１０を形成したのち、窒素雰囲気中で４００度・３分間のアニール処理を行い、図１に示した半導体フォトニック結晶デバイス２０が完成する。
【００２７】
[実施例２] 実施例２に係る半導体フォトニック結晶デバイスは、図１（ａ）（ｂ）に示したフォトニック結晶の空気孔６の表面に、ノンドープＩｎＰ被覆層１１に代えて、ＳｉＮｘ被覆層１１を有している。このＳｉＮｘ被覆層１１により、空気孔６の表面がパッシベーションされ、活性導波路層３のエッチング表面における表面再結合を抑制することができる。この半導体フォトニック結晶デバイスにおける導波路構造は、既に説明したように波長１．５μｍ帯の光を伝搬させる設計になっており、ＳｉＮｘ被覆層はこの波長帯の光に対して透明であるため、フォトニックバンドギャップ特性に悪影響を与えることがない。
【００２８】
次に、この実施例２に係る半導体フォトニック結晶デバイス２０の作製方法を図２〜５を用いて説明する。このうち、図２〜３は、図１に示した半導体フォトニック結晶デバイスの一部拡大断面図である。
【００２９】
図１に示したｎ−ＩｎＰ基板１上の積層構造を、有機金属気相成長（Metalorganic Chemical Vapor Deposition, ＭＯＣＶＤ）法を用い、基板温度６８０℃で結晶成長を行うことにより形成する。次に、図２（ａ）に示すように、このウエハ１２の表面に厚さ１５０ｎｍのＳｉＮｘ膜１３をプラズマＣＶＤ法により成膜し、更にその表面に厚さ３０ｎｍのＴｉ薄膜１４を電子ビーム蒸着法により成膜する。Ｔｉ薄膜１４の表面のうち、フォトニック結晶領域７に相当する領域に、電子ビームリソグラフィを用いてフォトニック結晶パターンの電子ビームレジスト１５を形成する。
【００３０】
次いで、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）によりフォトニック結晶パターンをＴｉ薄膜１４に転写し、更にＳｉＮｘ膜１３をエッチングする（図２（ｂ））。その後、電子ビームレジスト１５を除去する。
【００３１】
その後、誘導結合プラズマＲＩＥ（Inductively Coupled Plasma−ＲＩＥ；、ＩＣＰ−ＲＩＥ）によりエッチングを行い、約３．５μｍ深さの空気孔６を形成する（図３（ａ））。このとき、パターン転写されたＴｉ薄膜１４がエッチングマスクとして機能する。
【００３２】
Ｔｉ薄膜１４及びＳｉＮｘ膜１３をバッファードフッ酸（ＢＨＦ）により除去したのち、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＮｘ被覆層１１を成膜する（図３（ｂ））。これにより、空気孔６の表面を含むウエハ１２表面が被覆される。このＳｉＮｘ被覆層１１の成膜は、平坦基板上で１５０ｎｍ厚さとなるような条件において行った。このとき、空気孔６のエッチング表面に形成される膜厚は、その半分程度となる。
【００３３】
これ以降の作製方法は、図４〜５に示す斜視図を用いて説明する。ウエハ１２上に、フォトリソグラフィを用いて、フォトニック結晶領域７を覆う５０μｍ×５０μｍのフォトレジスト１６を形成する（図４（ａ））。次に、ＣＦ４ガスを用いたＲＩＥにより、このフォトレジスト１６で覆われた領域の外側におけるＳｉＮｘ被覆層１１を除去し、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５を露出させる（図４（ｂ））。その後、電子ビーム蒸着・リフトオフ法により、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５表面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる上部電極９を形成する（図４（ｃ））。
【００３４】
さらに、フォトリソグラフィを用いて、フォトニック結晶領域７とその外側の一定領域を覆う１００μｍ×１００μｍのフォトレジスト１７を形成する（図５（ａ））。そして、ＩｎＰを塩酸系、ＧａＩｎＡｓコンタクト層を硫酸系エッチャントを用いてエッチングし、メサ８を形成する（図５（ｂ））。なお、エッチングによる量子井戸活性層の損傷を避けるため、エッチングは量子井戸活性層よりも上で停止するようにした。その後、フォトレジスト１７を除去する。
【００３５】
最後に、ｎ−ＩｎＰ基板１を１００μｍ程度の厚さに研磨し、その裏面にＡｕＧｅＮｉを蒸着することにより下部電極１０を形成したのち、窒素雰囲気中で４００度・３分間のアニール処理を行い、図１に示した半導体フォトニック結晶デバイス２０が完成する。
【００３６】
[比較例] 比較例として、従来の半導体フォトニック結晶デバイスを作製した。この従来の半導体フォトニック結晶デバイスは、図１（ａ）（ｂ）に示したフォトニック結晶の空気孔６の表面に被覆層を有していないものである。
【００３７】
[実施例１、２及び比較例のデバイス特性] 実施例１、２及び比較例の各デバイスの上下電極間に電圧を印加し、電流−電圧特性を測定した。逆バイアスを３Ｖ印加した時の逆方向リーク電流は、実施例１（ノンドープＩｎＰ被覆層を有する構造）では１００ｐＡ〜１μＡ、実施例２（ＳｉＮｘ被覆層を有する構造）では１μＡ〜１０μＡと小さな値が得られたが、比較例では１〜５ｍＡの値であった。
【００３８】
なお、実施例１では、フォトニック結晶の空気孔表面を被覆する層としてノンドープＩｎＰを用いたが、これに限られるものではなく、他の化合物半導体、たとえばＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰなどであってもよい。また、活性導波路層の材料によっては、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＳｅなどを用いてもよい。但し、活性導波路層よりもバンドギャップエネルギーの大きな化合物半導体を選ぶものとする。上記の活性導波路層と被覆する層とのバンドギャップエネルギー差は、実施例１では５５０ｍｅＶであるが、実施例１で活性導波路層の組成を変更して動作波長が１．３μｍとなるようにした場合でも、上記バンドギャップエネルギー差は４００ｍｅＶと十分大きな値になる。また、上記バンドギャップエネルギー差は、もっと小さくてもよい。動作波長にもよるが、５０ｍｅＶ以上であれば本発明の効果を得ることができ、１００ｍｅＶとすることが好ましい。
【００３９】
また、被覆する化合物半導体は、活性導波路層を構成する材料と格子定数が近いものであることが好ましいが、その厚さが薄いことから、格子定数にある程度差があっても特に問題はない。
【００４０】
また、実施例２では、フォトニック結晶の空気孔表面を被覆する層としてＳｉＮｘを用いたが、これに限られるものではなく、使用する光の波長に対して透明であれば他の誘電体（ＳｉＯｘ、ＡｌＮｘ、ＡｌＯｘ、ＴｉＯｘなど）であってもよい。これらの誘電体膜の形成には、プラズマＣＶＤ法などの方法が使用可能であるが、たとえば、活性導波路層の材料がＡｌＧａＡｓで構成されている場合には、酸化により表面にＡｌＯｘを形成するようにしてもよい。
【００４１】
空気孔表面を被覆する層の厚さは、上記の実施例１、２に示した値に限られるものではなく、半導体の場合は５〜２０ｎｍ、誘電体の場合は５〜５０ｎｍの範囲であれば、本発明の効果が得られ、かつフォトニック結晶の機能が良好に保たれる。なお、誘電体の場合は、屈折率が半導体に比べて十分に低いため、誘電体を上記の範囲よりもさらに厚くして、空気孔が誘電体によって完全にふさがれる構造としても、フォトニック結晶の機能は維持できる。
【００４２】
ところで、被覆する層は、単一の層からなるのもの限られず、二以上の層からなるものとしてもよい。また、この二以上の層が、半導体と誘電体とを組み合わせたものであってもよい。たとえば、空気孔表面において、活性導波路層の部分と被覆する誘電体との間にＳｉなどの層を介在させるものとすると、誘電体から半導体層への酸素の拡散が防止される。
【００４３】
なお、実施例１、２では、フォトニック結晶の空気孔をエッチングにより形成した場合について示したが、他にも、陽極酸化法や微小な選択成長を利用する方法も考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】（ａ）は、本発明の実施形態に係る半導体フォトニック結晶デバイスを示す断面斜視図である。（ｂ）は、（ａ）の一部断面拡大図である。
【図２】（ａ）（ｂ）は、本発明の実施形態に係る半導体フォトニック結晶デバイスの作製方法を示す断面図である。
【図３】（ａ）（ｂ）は、本発明の実施形態に係る半導体フォトニック結晶デバイスの作製方法を示す断面図である。
【図４】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の実施形態に係る半導体フォトニック結晶デバイスの作製方法を示す斜視図である。
【図５】（ａ）（ｂ）は、本発明の実施形態に係る半導体フォトニック結晶デバイスの作製方法を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ ｎ−ＩｎＰ基板
２ ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層
３ 活性導波路層
４ ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層
５ ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
６ 空気孔
７ フォトニック結晶領域
８ メサ
９ 上部電極
１０ 下部電極
１１ ノンドープＩｎＰ被覆層又はＳｉＮｘ被覆層
１２ ウエハ
１３ ＳｉＮｘ膜
１４ Ｔｉ薄膜
１５ 電子ビームレジスト
１６ フォトレジスト
１７ フォトレジスト
２０ 半導体フォトニック結晶デバイス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に活性導波路層と該活性導波路層を挟むクラッド層を有し、前記半導体基板に平行な面内に二次元的な屈折率の周期構造が形成されてなる半導体フォトニック結晶導波路構造において、
前記屈折率の周期構造は少なくとも前記活性導波路層を貫通する空気孔を含み、前記空気孔の表面のうち、少なくとも前記活性導波路層の部分は、前記活性導波路層よりも大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体によって被覆されていることを特徴とする半導体フォトニック結晶導波路構造。
【請求項２】
前記大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体は、少なくともＩｎ又はＧａのいずれか一方を含むIII族元素と、少なくともＰ、Ａｓのいずれか一方を含むＶ族元素からなる化合物半導体であることを特徴とする請求項１に記載の半導体フォトニック結晶導波路構造。
【請求項３】
半導体基板上に活性導波路層と該活性導波路層を挟むクラッド層を有し、前記半導体基板に平行な面内に二次元的な屈折率の周期構造が形成されてなる半導体フォトニック結晶導波路構造において、
前記屈折率の周期構造は少なくとも前記活性導波路層を貫通する空気孔を有し、前記空気孔の表面のうち、少なくとも前記活性導波路層の部分は、前記活性導波路層を伝搬する光の波長に対して透明である誘電体によって被覆されていることを特徴とする半導体フォトニック結晶導波路構造。
【請求項４】
前記空気孔の表面において、前記活性導波路層の部分と前記誘電体との間に酸素拡散防止層が介在していることを特徴とする請求項３に記載の半導体フォトニック結晶導波路構造。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体フォトニック結晶導波路構造と、該半導体フォトニック結晶導波路構造に電流又は電圧を印加する手段を含むことを特徴とする半導体フォトニック結晶半導体デバイス。
【請求項１】
半導体基板上に活性導波路層と該活性導波路層を挟むクラッド層を有し、前記半導体基板に平行な面内に二次元的な屈折率の周期構造が形成されてなる半導体フォトニック結晶導波路構造において、
前記屈折率の周期構造は少なくとも前記活性導波路層を貫通する空気孔を含み、前記空気孔の表面のうち、少なくとも前記活性導波路層の部分は、前記活性導波路層よりも大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体によって被覆されていることを特徴とする半導体フォトニック結晶導波路構造。
【請求項２】
前記大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体は、少なくともＩｎ又はＧａのいずれか一方を含むIII族元素と、少なくともＰ、Ａｓのいずれか一方を含むＶ族元素からなる化合物半導体であることを特徴とする請求項１に記載の半導体フォトニック結晶導波路構造。
【請求項３】
半導体基板上に活性導波路層と該活性導波路層を挟むクラッド層を有し、前記半導体基板に平行な面内に二次元的な屈折率の周期構造が形成されてなる半導体フォトニック結晶導波路構造において、
前記屈折率の周期構造は少なくとも前記活性導波路層を貫通する空気孔を有し、前記空気孔の表面のうち、少なくとも前記活性導波路層の部分は、前記活性導波路層を伝搬する光の波長に対して透明である誘電体によって被覆されていることを特徴とする半導体フォトニック結晶導波路構造。
【請求項４】
前記空気孔の表面において、前記活性導波路層の部分と前記誘電体との間に酸素拡散防止層が介在していることを特徴とする請求項３に記載の半導体フォトニック結晶導波路構造。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体フォトニック結晶導波路構造と、該半導体フォトニック結晶導波路構造に電流又は電圧を印加する手段を含むことを特徴とする半導体フォトニック結晶半導体デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−４７６６６（Ｐ２００６−４７６６６Ａ）
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２２８２６９（Ｐ２００４−２２８２６９）
【出願日】平成１６年８月４日（２００４．８．４）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【出願人】（５０４１８２２５５）国立大学法人横浜国立大学 (429)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月４日（２００４．８．４）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【出願人】（５０４１８２２５５）国立大学法人横浜国立大学 (429)
【Ｆターム（参考）】
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