JP5947148B2 - Manufacturing method of optical element - Google Patents
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Description
本発明は、希土類の化合物を用いた光素子の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a manufacturing method of Hikarimoto child with a compound of a rare earth.
光導波路、発光素子、受光素子を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の研究分野は、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、発光強度が化合物半導体などの直接遷移型の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。 The research field of silicon photonics that aims to monolithically fabricate an optical waveguide, a light emitting element, and a light receiving element on a silicon substrate has greatly advanced (see Non-Patent Document 1). In this silicon photonics, when a silicon-based semiconductor is used as a light emitting element material on a silicon substrate, the problem is that the emission intensity is very weak compared to a direct transition type semiconductor material such as a compound semiconductor. In silicon photonics, thin silicon wires play an important role as optical waveguides (see Patent Documents 1 and 2). Since light having a wavelength of 1.1 μm or less is absorbed by silicon, silicon photonics requires light having a wavelength of 1.1 μm or more.
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ー光増幅器(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。 Against this background, attempts have been made to add rare earth elements that emit light at 1.5 μm, such as erbium, to silicon. However, due to the solid solubility limit of erbium in silicon, sufficient intensity of light emission can be obtained. (See Non-Patent Document 2). Here, even if silicon-based relatively weak light emission can be added with an optical amplification function such as an erbium doped fiber amplifier (EDFA) realized by an optical fiber, excitation in silicon photonics is possible. There is a possibility that it can be sufficiently used as light or signal light.
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。 However, in the case of EDFA, the fiber length for performing optical amplification usually requires several tens of meters, and it is physically impossible to mount on a silicon substrate. Usually, the gain of optical amplification is determined by the concentration (amount) of rare earth ions added to the glass. In the case of EDFA, about 10 19 cm -3 erbium ions are added. This concentration is determined by the solid solution limit of erbium ions in the glass, and the concentration of erbium cannot be increased more than that described above.
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)。 On the other hand, if the fiber length is further increased, the amount of erbium ions contributing to optical amplification can be increased, and the gain of optical amplification can be improved. However, further increasing the fiber length makes it more difficult to apply to silicon photonics. As described above, it is not practical to apply EDFA to silicon photonics due to physical restrictions (see Non-Patent Document 2).
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)。 On the other hand, in the natural world, there are rare earth compounds containing a large amount of rare earth ions, for example. For example, erbium compounds exist. In particular, rare earth oxides and rare earth silicate materials have attracted much attention because of their high potential for application to silicon photonics (see Non-Patent Document 3).
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。 The reason will be described below. For example, when erbium oxide and erbium silicate structures are taken as examples, erbium oxide and erbium silicate crystals naturally contain Er 3+ ions at a concentration of 10 22 cm −3 in the unit cell. This concentration corresponds to about 1000 times when compared with the case of EDFA, and when this is applied to EDFA, even if the length of EDFA is reduced to 1/1000, that is, to a length of several hundred nm, the same level of light amplification. It means that the performance of can be obtained.
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。 Therefore, if the rare earth compound as described above is used, the application to silicon photonics considering optical circuit design on silicon will be in the field of view. For example, erbium oxide and erbium silicate are the most promising material candidates for realizing a light amplification function on a silicon substrate.
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)。 Under such a background, researches on the growth of erbium compounds on silicon substrates and the evaluation of optical properties of erbium compounds have been actively conducted recently (see Non-Patent Documents 4, 5, and 6).
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、濃度消失の機構として知られている。 However, on the other hand, the problem of concentration quenching occurs because the concentration of erbium is too high. Concentration quenching is a phenomenon that occurs when the distance between erbium ions is close to the atomic level. Energy migration and cooperative up-conversion are known as the mechanism of concentration disappearance.
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)。 In order to solve this problem, erbium has recently been added to rare earth oxides, such as yttrium (Y) and gadolinium (Gd), yttrium silicate, gadolinium silicate compound materials, and the like having almost the same ionic radius as erbium ions. Technology has been proposed (see Non-Patent Document 7).
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)。 Furthermore, in order to increase the luminous efficiency of erbium ions, a technique has been proposed in which ytterbium (Yb) is added to yttrium compounds and gadolinium compounds in addition to erbium. In this technology, by making the wavelength of the pump light the same as the energy level of the ytterbium ion, the ytterbium ion in the compound mentioned above effectively absorbs the pump light, and this absorbed energy is absorbed through the ytterbium. To increase the luminous efficiency of erbium ions (Er) (see Non-Patent Document 8).
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。 By the way, in silicon photonics as described above, it is necessary to produce functions such as light emission, light reception, and resonator at desired positions on a silicon substrate, and the same applies to an optical amplifier. In other words, a technique for arranging, for example, erbium oxide or erbium silicate crystals at a desired position of a silicon wafer is important, and establishment of this technique is strongly demanded.
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。 As a technique described above, for example, in order to fabricate an optical resonator structure such as an optical waveguide and a microdisk, the following is generally performed. First, a rare earth oxide (for example, erbium oxide) is vapor-deposited on a silicon oxide film (refractive index n = about 1.5) having a film thickness of several hundreds nm on a silicon substrate to form a rare earth oxide layer. The silicon oxide film becomes the lower cladding layer. Next, the rare earth oxide layer is patterned by a known photolithography and etching technique to form a thin wire core of erbium oxide (refractive index n = 2.0) on the lower cladding layer made of a silicon oxide film. Thereafter, an oxide film or an epoxy resin is applied on the formed erbium oxide thin wire core to form an upper clad layer, thereby forming a waveguide structure.
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。 However, in this method, erbium oxide is formed as a film on the entire surface of the substrate, and most of it is removed by lithography and etching as described above. Thus, there is a problem that the rare earth compound material is wasted, resulting in an increase in material cost.
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。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an optical element using a rare earth compound can be manufactured in a state where problems such as concentration quenching are solved without wasting materials. The purpose is to do so.
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を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凝集させて光機能層を形成する工程とを少なくとも備える。 The method of manufacturing an optical element according to the present invention includes a third rare earth oxide co-doped with a first rare earth and a second rare earth different from the first rare earth or a third rare earth co-doped with the first rare earth and the second rare earth. It includes at least a step of forming a rare earth-containing layer made of silicate on the lower silicon layer by physical vapor deposition and a step of heating and aggregating the rare earth-containing layer to form an optical functional layer.
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。 The method for manufacturing an optical element includes a step of forming an upper silicon layer on the optical functional layer after forming the optical functional layer, wherein the lower silicon layer and the upper silicon layer have different conductivity types, and the rare earth-containing layer is formed. What is necessary is just to form the optical function layer used as the light emitting layer which consists of a several fine structure comprised from the rare earth silicate on the lower silicon layer by heating. Further, a step of forming irregularities on the surface of the lower silicon layer may be provided, and the rare earth-containing layer may be formed on the lower silicon layer having the irregularities formed thereon. If the irregularities are groove portions, the rare earth-containing layer can be heated and aggregated into the groove portions to form an optical functional layer that becomes the core of the optical waveguide.
また、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。 The optical element is an optical element manufactured by the above-described optical element manufacturing method. For example, it is a light emitting element provided with the said light emitting layer. Further, for example, the optical element is an optical amplifier including an optical amplifying unit configured from an optical functional layer serving as a core.
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。 As described above, according to the present invention, an optical element using a rare earth compound can be manufactured in a state where problems such as concentration quenching are solved without wasting materials.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[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。
[Embodiment 1]
First, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A to 1F. 1A to 1F are a cross-sectional view and a plan view showing a state in each step for explaining a method of manufacturing an optical element in Embodiment 1 of the present invention. 1A to 1E are sectional views, and FIG. 1F is a plan view.
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基板の表面シリコン層がシリコン層103である。
First, as shown in FIG. 1A, a substrate including a silicon layer (lower silicon layer) 103 is prepared. The substrate is an SOI (Silicon On Insulator) substrate including a
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。
Next, as shown in FIG. 1B, a
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。
Next, as shown in FIG. 1C, a rare earth-containing
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。
Here, the rare earth-containing
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。
Next, the rare earth-containing
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。
The rare earth oxide having the above-described structure aggregates in the recess formed in the base by heating. Moreover, since the rare earth-containing
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を堆積することで、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。
Next, as shown in FIG. 1E, a
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。
In the optical waveguide structure formed by the manufacturing method described above, the dimensions of the cross-sectional shape of the rare
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。
As described above, according to the first embodiment, the rare
[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。
[Embodiment 2]
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIGS. 2A to 2F. 2A to 2F are cross-sectional views and plan views showing states in respective steps for explaining the method of manufacturing an optical element in the second embodiment of the present invention. 2A to 2C, 2E, and 2F are cross-sectional views, and FIG. 2D is a plan view.
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。
First, as shown in FIG. 2A, a substrate provided with a silicon layer (lower silicon layer) 203 is prepared. The substrate is an SOI substrate including a
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。
Next, as shown in FIG. 2B, a rare earth-containing
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。
Here, the rare earth-containing
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。
Next, with the rare earth-containing
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。
Next, as shown in FIG. 2E, a silicon layer (upper silicon layer) 206 is formed on the
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。
In the above structure, when the
[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。
[Embodiment 3]
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIGS. 3A to 3F. 3A to 3F are cross-sectional views and plan views showing states in respective steps for explaining the method of manufacturing an optical element in the third embodiment of the present invention. 3A, 3B, 3D, and 3E are cross-sectional views, and FIGS. 3C and 3F are plan views.
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。
First, as shown in FIG. 3A, a substrate provided with a silicon layer (lower silicon layer) 303 is prepared. The substrate is an SOI substrate including a
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。
Next, as shown in FIG. 3B, a
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。
Next, as shown in FIG. 3D, a rare earth-containing
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。
The rare earth-containing
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。
Next, in a state where the rare earth-containing
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。
In the four
[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。
[Embodiment 4]
Next, Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIGS. 4A to 4F. 4A to 4F are a cross-sectional view and a plan view showing a state in each step for explaining the method of manufacturing an optical element in the fourth embodiment of the present invention. 4A, 4B, and 4D to 4F are sectional views, and FIG. 4C is a plan view.
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。
First, as shown in FIG. 4A, a substrate provided with a silicon layer (lower silicon layer) 403 is prepared. The substrate is an SOI substrate including a
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。
Next, as shown in FIG. 4B, a
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。
Next, as shown in FIG. 4D, a rare earth-containing
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。
The rare earth-containing
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。
Next, by removing the
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。
Next, in a state where the rare earth-containing
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。 As described above, various optical elements can be formed by heating a rare earth-containing layer made of a rare earth oxide formed on a silicon layer by physical vapor deposition. For example, if unevenness is formed in the silicon layer, the rare earth-containing layer can be aggregated and crystallized in the recess. In this case, by forming the thin line the recess in plan view, Er x Yb y Y 2- xy O 3 of the third rare earth co added different second rare earth and the first earth and the first rare earth, such as A thin wire core (optical functional layer) made of an oxide crystal can be formed, and an optical amplifying element can be configured by using this. In this structure, an electrode can be provided to function as a light-emitting element.
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。 Further, in the flat region of the silicon layer can be formed nanostructures consisting of silicate, such as Er x Yb y Y 2-xy SiO 5 or Er x Yb y Y 2-xy Si 2 O 7. A plurality of nanostructures made of rare earth silicate co-doped with two different rare earths can be used as a light emitting material free from problems such as concentration quenching.
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。
For example, as shown in the plan view of FIG. 5, the
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。
Under the
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。
Further, as shown in the plan view of FIG. 7, the
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。
The
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。
Further, these can be formed by a generally used LSI integrated circuit manufacturing technique, and the positional accuracy with respect to the waveguide direction can be in units of sub-μm. Therefore, it is easy to align the
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。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, in the above description, the case where the first rare earth and the third rare earth oxide co-doped with the second rare earth different from the first rare earth is formed by physical vapor deposition as the rare earth-containing layer has been described. Instead, a third rare earth silicate co-doped with the first rare earth and the second rare earth may be formed by physical vapor deposition.
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。 In addition, the case of using yttrium oxide co-added with erbium and ytterbium has been described. However, the present invention is not limited to this. Europium oxide co-added with ytterbium and thulium, neodymium oxide co-added with ytterbium and thulium , Thulium oxide co-doped with ytterbium and thulium, praseodymium oxide co-doped with ytterbium and thulium, hafnium oxide co-doped with ytterbium and thulium, gadolinium oxide co-doped with ytterbium and thulium, terbium oxide co-doped with ytterbium and thulium This also applies to other rare earth oxides such as dysprosium oxide co-doped with ytterbium and thulium. The same applies to aluminum oxide and tellurium oxide.
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。 The rare earth-containing layer may contain not only the rare earth and rare earth oxides described above, but also, for example, yttrium oxide, silicon oxide, titanium oxide, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, and the like. These can be formed, for example, in the state of being included in the rare earth-containing layer by vapor deposition at the same time as the rare earth oxide. Note that since the crystallization temperature differs depending on the material, the temperature of the heat treatment is set appropriately. Even when a nanostructure made of silicide is formed, the heat treatment time is appropriately set in order to form a complete compound.
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。
In the above description, the SOI substrate is used. However, the present invention is not limited to this, and a silicon substrate, a germanium substrate, a GOI (Germanium on insulator) substrate, or an SGOI (Silicon germanium on insulator) substrate may be used. . Further, for example, the linear
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。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記希土類含有層を加熱して凝集させ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。 A rare earth-containing layer comprising a third rare earth oxide co-doped with a first rare earth and a second rare earth different from the first rare earth or a third rare earth silicate co-doped with the first rare earth and the second rare earth Forming on the lower silicon layer by vapor deposition;
And a step of heating and aggregating the rare earth-containing layer to form an optical functional layer.
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。 In the manufacturing method of the optical element of Claim 1,
After forming the optical functional layer, comprising a step of forming an upper silicon layer on the optical functional layer,
The lower silicon layer and the upper silicon layer have different conductivity types,
The optical functional layer to be a light emitting layer composed of a plurality of microstructures composed of the rare earth silicate is formed on the lower silicon layer by heating the rare earth-containing layer. Method.
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。 In the manufacturing method of the optical element of Claim 1,
Comprising the step of forming irregularities on the surface of the lower silicon layer,
A method for manufacturing an optical element, comprising forming the rare earth-containing layer on the lower silicon layer having the irregularities formed thereon.
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の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。 In the manufacturing method of the optical element of Claim 3,
The unevenness is a groove,
A method of manufacturing an optical element, comprising heating the rare earth-containing layer to agglomerate in the groove to form the optical functional layer serving as a core of an optical waveguide.
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