(57)【要約】【課題】  Ｇｅ系ナノワイヤ光素子及びその製造方法に関し、Ｇｅを主成分とするＧｅ系半導体に安定した引っ張り歪みを印加する。【解決手段】  Ｇｅよりも線膨張係数の小さい基板上に、基板よりも線膨張係数の大きい材料からなり、基板に拘束されない延伸部を有するブロック部を設け、一対のブロック部の互いに対向する端面間に引っ張り歪を有し、少なくともその一部がＧｅを最大成分とするＧｅ系半導体からなるＧｅ系ナノワイヤを架橋させる。【選択図】  図１
2014212232.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｇｅよりも線膨張係数の小さい基板と、
前記基板よりも線膨張係数の大きい材料からなり、前記基板に結晶学的に接合する固定基部と前記基板に拘束されない延伸部を有し、前記延伸部の延伸方向の端面が互いに空隙を介して対向する一対のブロック部と、
前記一対のブロック部の互いに対向する端面間に架橋された少なくとも一部がＧｅを最大成分とするＧｅ系半導体からなるＧｅ系ナノワイヤと
を有し、
前記Ｇｅを最大成分とするＧｅ系半導体が引っ張り歪を有することを特徴とするＧｅ系ナノワイヤ光素子。
【請求項２】
前記引っ張り歪が、前記Ｇｅを最大成分とするＧｅ系半導体のバンド構造が直接遷移型となる値であることを特徴とする請求項１に記載のＧｅ系ナノワイヤ光素子。
【請求項３】
前記少なくとも一部がＧｅを最大成分とするＧｅ系半導体からなるＧｅ系ナノワイヤが、平行に複数本配列されてアレイを構成していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＧｅ系ナノワイヤ光素子。
【請求項４】
Ｇｅよりも線膨張係数の小さい基板に一対の平行に配置された開口部を有する選択成長マスクを設ける工程と、
前記開口部に前記基板に結晶学的に接合する固定基部を選択成長する工程と、
前記固定基部を基点として横方向成長により前記基板に拘束されない延伸部を、前記延伸部の延伸方向の端面が互いに空隙を介して対向するように形成して、前記固定基部とともに一対のブロック部とする工程と、
前記延伸部の端面間に少なくとも一部がＧｅを最大成分とするＧｅ系半導体からなるＧｅ系ナノワイヤを室温より高温で架橋したのち、室温まで降温して前記Ｇｅ系ナノワイヤに引っ張り歪を印加する工程と
を有することを特徴とするＧｅ系ナノワイヤ光素子の製造方法。
【請求項５】
前記Ｇｅ系ナノワイヤを架橋する工程において、前記一対のブロック部の一方の端面の一部に前記Ｇｅ系ナノワイヤを成長させるための触媒を形成する工程を有することを特徴とする請求項４に記載のＧｅ系ナノワイヤ光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｇｅ系ナノワイヤ光素子及びその製造方法に関するものであり、例えば、Ｓｉ等のＧｅより線熱膨張係数の大きな基板上に引っ張り歪を有するＧｅを最大成分とするＧｅ系ナノワイヤをモノリシックに形成した高効率発光素子・受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高性能な電子・光集積回路の実現に向けて、シリコン上にモノリシックに形成可能で高効率の発光素子および受光素子が求められている。特に、半導体ゲルマニウム（Ｇｅ）は、Ｓｉと同じＩＶ族半導体であることから、Ｇｅを用いた素子の実現が望まれる。
【０００３】
しかし、ＧｅはＳｉと同様に間接遷移型半導体であるため、そのままでは量子効率が低く、発光・受光層材料に適さないという問題がある。そこでＧｅに数％オーダーの引っ張り歪みを印加し、直接遷移型半導体としての性質を利用することにより高効率の素子を形成することが期待されている。
【０００４】
Ｇｅ薄膜上にＨ／Ｎ含有比率を最適化して熱膨張係数を制御した窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を設けることによって引っ張り歪みを印加したＧｅ発光・受光素子構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開パンフレット  ＷＯ  ２０１０／０５５７５０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、提案されている構造においては、ＳｉＮ膜の熱膨張係数の不安定性に加えて、Ｇｅ薄膜の下側が基板に固定された状態となっているため、ＳｉＮ膜によってＧｅ薄膜に安定して引っ張り歪みを印加することが困難であるという問題がある。
【０００７】
したがって、Ｇｅ系光素子において、Ｇｅを主成分とするＧｅ系半導体に安定した引っ張り歪みを印加することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
開示する一観点からは、Ｇｅよりも線膨張係数の小さい基板と、前記基板よりも線膨張係数の大きい材料からなり、前記基板に結晶学的に接合する固定基部と前記基板に拘束されない延伸部を有し、前記延伸部の延伸方向の端面が互いに空隙を介して対向する一対のブロック部と、前記一対のブロック部の互いに対向する端面間に架橋された少なくとも一部がＧｅを最大成分とするＧｅ系半導体からなるＧｅ系ナノワイヤとを有し、前記Ｇｅを最大成分とするＧｅ系半導体が引っ張り歪を有することを特徴とするＧｅ系ナノワイヤ光素子が提供される。
【０００９】
また、開示する別の観点からは、Ｇｅよりも線膨張係数の小さい基板に一対の平行に配置された開口部を有する選択成長マスクを設ける工程と、前記開口部に前記基板に結晶学的に接合する固定基部を選択成長する工程と、前記固定基部を基点として横方向成長により前記基板に拘束されない延伸部を、前記延伸部の延伸方向の端面が互いに空隙を介して対向するように形成して、前記固定基部とともに一対のブロック部とする工程と、前記延伸部の端面間に少なくとも一部がＧｅを最大成分とするＧｅ系半導体からなるＧｅ系ナノワイヤを室温より高温で架橋したのち、室温まで降温して前記Ｇｅ系ナノワイヤに引っ張り歪を印加する工程とを有することを特徴とするＧｅ系ナノワイヤ光素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
開示のＧｅ系ナノワイヤ光素子及びその製造方法によれば、Ｇｅを主成分とするＧｅ系半導体に安定した引っ張り歪みを印加することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態のＧｅ系ナノワイヤ光素子の説明図である。
【図２】本発明の実施例１のＧｅナノワイヤ発光素子の製造工程の途中までの説明図である。
【図３】本発明の実施例１のＧｅナノワイヤ発光素子の製造工程の図２以降の説明図である。
【図４】本発明の実施例２のＧｅナノワイヤ発光素子の製造工程の途中までの説明図である。
【図５】本発明の実施例２のＧｅナノワイヤ発光素子の製造工程の図４以降の途中までの説明図である。
【図６】本発明の実施例２のＧｅナノワイヤ発光素子の製造工程の図５以降の説明図である。
【図７】本発明の実施例３のＧｅナノワイヤレーザの概略的斜視図である。
【図８】本発明の実施例４のＧｅナノワイヤ発光素子アレイの製造工程の途中までの説明図である。
【図９】本発明の実施例４のＧｅナノワイヤ発光素子アレイの製造工程の図８以降の途中までの説明図である。
【図１０】本発明の実施例４のＧｅナノワイヤ発光素子アレイの製造工程の図９以降の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ここで、図１を参照して、本発明の実施の形態のＧｅ系ナノワイヤ素子を説明する。図１は、本発明の実施の形態のＧｅ系ナノワイヤ光素子の説明図である。まず、図１（ａ）に示すように、Ｇｅよりも線膨張係数の小さい基板１に、基板１に結晶学的に接合する固定基部３と、固定基部３を基点として基板１に拘束されない延伸部４を空隙５を介して対向するように形成して一対のブロック部２とする。図１（ａ）は低温の温度ＴＬにおける状態を示しており、延伸部４の長さはＬＢＬとし、空隙５の間隔はｄＴＬする。なお、温度ＴＬは通常は室温を意味する。
【００１３】
次いで、図１（ｂ）に示すように、室温より高温の温度ＴＨで延伸部４の端面間にＧｅを最大成分とするＧｅ系半導体からなる長さがＬＮＷのＧｅ系ナノワイヤ６を架橋する。この時、空隙ｄＴＬに関して基板１は図において左右方向にΔＬＳＢだけ伸びるとともに、延伸部４は基板１に固定されている固定基部３を基準にしてΔＬＢＬだけ伸びた状態となり、この時点ではＧｅ系ナノワイヤ６には歪は印加されていない。
【００１４】
この場合の延伸量ΔＬＢＬ及びΔＬＳＢは、
ΔＬＢＬ＝ＬＢＬκＢＬΔＴ・・・（１）
ΔＬＳＢ＝ｄＴＬκＳＢΔＴ・・・（２）
で表される。ここで、基板１とブロック部２の線膨張係数κＳＢ、κＢＬを、κＳＢ＜κＢＬでとしているので、温度ＴＨにおける空隙の間隔ｄＴＨは、温度ＴＬにおける空隙の間隔をｄＴＬとすると、
ｄＴＨ＝ｄＴＬ−２ΔＬＢＬ＋ΔＬＳＢ・・・（３）
となり、昇温前よりも狭まることになる。
【００１５】
この状態で、Ｇｅ系ナノワイヤ６を架橋すると、ナノワイヤ長ＬＮＷは、温度ＴＨにおける空隙間隔ｄＴＨと等しくなり、
ｄＴＨ＝ＬＮＷ・・・（４）
となる。（１）〜（４）より、
ｄＴＬ＝（ＬＮＷ＋２ΔＬＢＬ  ）／（１＋κＳＢΔＴ）・・・（５）
となる。
【００１６】
次いで、図１（ｃ）に示すように、温度ＴＬまで降温すると、延伸部４は元の状態に戻り、その結果、Ｇｅ系ナノワイヤ６は引っ張られてΔＬＮＷだけ伸びるので、引っ張り歪が印加されることになる。即ち、空隙間隔の変化とＧｅ系ナノワイヤ６自身の収縮量の分の引っ張り歪みεＮＷが加わることになる。
【００１７】
引っ張り歪みεＮＷは、
εＮＷ＝（ｄＴＬ−ｄＴＨ＋ΔＬＮＷ）／ＬＮＷ・・・（６）
で表される。ここで、温度がΔＴ変化した時のナノワイヤ部分の長さの変化ΔＬＮＷは、
ΔＬＮＷ＝ＬＮＷκＳＢΔＴ・・・（７）
であるので、（５）〜（７）より、引っ張り歪みεＮＷは、
εＮＷ＝｛（ＬＮＷ＋２ΔＬＢＬ  ）／（１＋κＳＢΔＴ）−ＬＮＷ＋ΔＬＮＷ｝／ＬＮＷ
・・・（８）
で与えられることを見出した。
【００１８】
次に、Ｇｅを直接遷移化するのに必要な２．４％以上の一軸引っ張り歪みを加えることが可能であることを、材料とサイズを具体的に挙げて説明する。第１の例として、基板がＳｉ、ブロック部２がＧａＰ、ナノワイヤ全体がＧｅであるとする。Ｓｉ，ＧａＰ，Ｇｅの線膨張係数はそれぞれ２．４×１０−６Ｋ−１、５．６×１０−６Ｋ−１、５．９×１０−６Ｋ−１である。この構成において、ブロック部２の基板１に拘束されない延伸部４の長さがＬＢＬ＝５μｍ、架橋前後の温度差がΔT＝４５０℃、架橋時のＧｅナノワイヤの長さがＬＮＷ＝１μｍであれば、
εＮＷ＝０．０２６
となり、直接遷移型の条件を満たす。
【００１９】
第２の例として、基板１がＳｉ、ブロック部２がＳｉ０．７Ｇｅ０．３、ナノワイヤ全体がＧｅであるとする。Ｓｉ，Ｓｉ０．７Ｇｅ０．３，Ｇｅの線膨張係数はそれぞれ、２．４×１０−６Ｋ−１、３．４５×１０−６Ｋ−１、５．９×１０−６Ｋ−１である。この構成において、延伸部４の長さがＬＢＬ＝８μｍ、架橋前後の温度差がΔＴ＝４５０℃、架橋時のＧｅナノワイヤ全体の長さがＬＮＷ＝１μｍであれば、
εＮＷ＝０．０２６
となり、直接遷移型の条件を満たす。なお、ブロック部２は、単結晶であることが望ましいが、多結晶でも良い。
【００２０】
なお、Ｇｅ系ナノワイヤ６は純粋なＧｅナノワイヤに限られるものではなく、Ｓｉが１５％以下の含有量のＳｉＧｅ、即ち、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（０．８５≦ｘ≦１）も、間接遷移型の最下点がＧｅと同じＬ点となるため、同様の手法によって引っ張り歪みを加えることで直接遷移化することが可能である。但し、直接遷移化に必要な歪み量は、より大きくなる。なお、ナノワイヤとは直径が２００ｎｍ以下のロッド状のものを意味する。
【００２１】
また、Ｇｅ系ナノワイヤ６はＳｉナノワイヤ／Ｇｅナノワイヤ／Ｓｉナノワイヤからなるダブルヘテロ接合構造として良いものであり、キャリアがＧｅナノワイヤに閉じ込められるので、発光効率が高くなる。このダブルヘテロ接合構造のナノワイヤを並列に複数本配列させ、ナノワイヤをナノワイヤより屈折率の小さく且つポリマー側壁が接する環境よりも屈折率の大きなポリマーで被覆することにより、レーザを構成することが可能になる。
【００２２】
このような構造を形成するためには、Ｇｅよりも線膨張係数の小さい基板１に一対の平行に配置された開口部を有する選択成長マスクを設け、開口部に基板１に結晶学的に接合する固定基部３を選択成長する。次いで、固定基部３を基点として横方向成長により基板１に拘束されない延伸部４を、延伸部４の延伸方向の端面が互いに空隙５を介して対向するように形成して、固定基部３とともに一対のブロック部２とする。
【００２３】
次いで、延伸部４の端面間に少なくともその一部がＧｅを最大成分とするＧｅ系半導体からなるＧｅ系ナノワイヤ６を室温より高温で架橋したのち、室温まで降温すれば良い。その結果、Ｇｅ系ナノワイヤ６に引っ張り歪が印加される。
【００２４】
なお、Ｇｅ系ナノワイヤ６を架橋する工程において、一対のブロック部２の一方の延伸部４の端面の一部にＧｅ系ナノワイヤ６を成長させるための触媒を形成しても良く、触媒を形成した側からＧｅ系ナノワイヤ６が成長する。なお、触媒としては、Ａｕ，Ｃｕ，Ｎｉを用いれば良く、常に、Ｇｅ系ナノワイヤ６の成長先端部に触媒が存在するモードで成長が行われる。
【００２５】
或いは、触媒を用いない場合には、一対のブロック部２の一方の延伸部４の端面を成長阻止膜で被覆した状態で、前記一対のブロック部２の他方の延伸部４の端面を基点としてＧｅ系ナノワイヤ６の成長を開始して初期Ｇｅ層を形成する。次いで、初期Ｇｅ層を形成した後に成長阻止膜の少なくとも一部を除去し、Ｇｅ系ナノワイヤ６が成長阻止膜の除去部に当接するまで成長を行うようにしても良い。
【００２６】
また、基板１として、単結晶Ｓｉ基板上にＢＯＸ層を介して単結晶Ｓｉ層を設けた所謂ＳＯＩ基板を用いて良く、単結晶Ｓｉ層を加工して単結晶Ｓｉコア層を形成することによって、導波路と一体化したＧｅ系ナノワイヤ光素子を実現することができる。なお、光素子としては、発光素子が典型的なものであるが、受光素子として良いものである。
【実施例１】
【００２７】
次に、図２及び図３を参照して、本発明の実施例１のＧｅナノワイヤ発光素子の製造工程を説明する。まず、図２（ａ）に示すように、（００１）面を主面とする単結晶Ｓｉ基板１１に厚さが２００ｎｍのＳｉＯ２膜１２を形成し、幅が２μｍの開口部１３を３０μｍのピッチで形成して選択成長マスクとする。
【００２８】
次いで、図２（ｂ）に示すように、５００℃〜６００℃の基板温度においてＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて一対のＧａＰブロック１４を対向する間隙１７が２．５μｍになるように成長する。この時、Ｇａ原料としてはトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を用い、Ｐ原料としてはホスフィン(ＰＨ３)を用いる。まず、開口部１３に露出する単結晶Ｓｉ基板１１の表面に固定基部１５がエピタキシャル成長し、次いで、横方向成長により延伸部１６が成長する。
【００２９】
次いで、図２（ｃ）に示すように、延伸部１６が単結晶Ｓｉ基板１１の拘束を受けないように、ＳｉＯ２膜１２の露出部をエッチング除去するとともに、更にサイドエッチにより、延伸部１６の下にあるＳｉＯ２膜１２の一部も除去する。なお、延伸部１６の下にあるＳｉＯ２膜１２は全部除去しても良いが、構造的に強度が低下する。
【００３０】
次いで、図２（ｄ）に示すように、ＳｉＯ２膜１８を形成した後、間隙１７の幅に相当する開口部を有するレジストパターン（図示は省略）を設けて、エッチングすることによって、ＳｉＯ２膜１８に延伸部１６の端面の一部を開口する開口部１９を形成する。なお、この時の開口部１９の幅は６０ｎｍとする。
【００３１】
次いで、図３（ｅ）に示すように、一方の開口部１９（図においては左側）に露出する延伸部１６の端面に触媒となる厚さが２０ｎｍのＡｕ薄膜２０をイオンプレーティングにより形成する。
【００３２】
次いで、図３（ｆ）に示すように、６００℃の成長温度でまず、長さが１μｍのｎ型Ｓｉナノワイヤ２２を成長させる。この時、Ａｕ薄膜２０が溶融して開口部１９の幅と同程度の直径の円形のＡｕ触媒２１となり、このＡｕ触媒２１が常に先端部に位置する成長モードでナノワイヤが他方（図の右側）の開口部１９に向かって成長するが、触媒を設けない側では成長が起こらない。また、ｎ型Ｓｉナノワイヤ２２の直径も開口部１９の幅と同程度になる。この場合のＳｉ原料としてはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を用い、ｎ型ドーパント源としては、フォスフィン（ＰＨ３）を用いる。
【００３３】
次いで、図３（ｇ）に示すように、長さが０．５μｍのｉ型Ｇｅナノワイヤ２３と長さが１μｍのｐ型Ｓｉナノワイヤ２４を順次成長させて、図において右側の開口部１９に露出する延伸部１６の端面に結合させる。この時、Ｇｅ原料としてはゲルマン（ＧｅＨ４）を用い、Ｓｉ原料としてはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を用い、ｐ型ドーパント源としては、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）を用いる。
【００３４】
次いで、図３（ｈ）に示すように、ｎ型Ｓｉナノワイヤ２２に接触するようにｎ側電極２５を設けるとともに、ｐ型Ｓｉナノワイヤ２４に接触するようにｐ側電極２６を設けることにより、本発明の実施例１のＧｅナノワイヤ発光素子が完成する。なお、ｎ側電極２５としてはＡｕ−Ｓｂを用い、ｐ側電極２６としてはＡｕ−Ｇａを用いる。
【００３５】
Ｓｉ，ＧａＰ，Ｇｅの線膨張係数はそれぞれ２．４×１０−６Ｋ−１、５．６×１０−６Ｋ−１、５．９×１０−６Ｋ−１であるので、ｉ型Ｇｅナノワイヤ２３には２．４％以上の引っ張り歪が印加されてバンド構造が直接遷移型になる。したがって、発光性再結合においてフォノンが介在しないので発光効率が向上する。
【実施例２】
【００３６】
次に、図４乃至図６を参照して、本発明の実施例２のＧｅナノワイヤ発光素子の製造工程を説明する。まず、図４（ａ）に示すように、（００１）面を主面とする単結晶Ｓｉ基板３１に厚さが２００ｎｍのＳｉＯ２膜３２を形成し、幅が１μｍの開口部３３を２０μｍのピッチで形成して選択成長マスクとする。
【００３７】
次いで、図４（ｂ）に示すように、５５０℃〜６５０℃の基板温度において気相成長法を用いて一対のＳｉ０．７Ｇｅ０．３からなるＳｉＧｅブロック３４を対向する間隙３７が１μｍになるように成長する。この時、Ｓｉ原料としてはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を用い、Ｇｅ原料としてはゲルマン（ＧｅＨ４）を用いる。まず、開口部３３に露出する単結晶Ｓｉ基板３１の表面に固定基部３５がエピタキシャル成長し、次いで、横方向成長により延伸部３６が成長する。
【００３８】
次いで、図４（ｃ）に示すように、延伸部３６が単結晶Ｓｉ基板３１の拘束を受けないように、ＳｉＯ２膜３２の露出部をエッチング除去するとともに、更にサイドエッチにより、延伸部３６の下にあるＳｉＯ２膜３２の一部も除去する。なお、延伸部３６の下にあるＳｉＯ２膜３２は全部除去しても良いが、構造的に強度が低下する。
【００３９】
次いで、図５（ｄ）に示すように、一方（左側）のＳｉＧｅブロック３４にＰをイオン注入するとともに、他方（右側）のＳｉＧｅブロック３４にＢをイオン注入した後、活性化アニールを施してｎ型ＳｉＧｅブロック３８及びｐ型ＳｉＧｅブロック３９とする。
【００４０】
次いで、図５（ｅ）に示すように、ＳｉＯ２膜４０，４１を形成した後、開口部を有するレジストパターン（図示は省略）を設けて、エッチングすることによって、ＳｉＯ２膜４０に延伸部３６の端面の一部を開口する開口部４２を形成する。なお、この時の開口部４２の幅は４０ｎｍとする。
【００４１】
次いで、図５（ｆ）に示すように、５００℃の成長温度でＧｅ原料としてゲルマン（ＧｅＨ４）を用いて初期Ｇｅ層となるｉ型Ｇｅナノワイヤ４３を成長させる。ｉ型Ｇｅナノワイヤ４３の直径は開口部４２の幅と同程度になる。この場合のＳｉ原料としてはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を用い、ｎ型ドーパント源としては、フォスフィン（ＰＨ３）を用いる。
【００４２】
次いで、図６（ｇ）に示すように、開口部を有するレジストパターン（図示は省略）を設けて、エッチングすることによって、ＳｉＯ２膜４１にｐ型ＳｉＧｅブロック３９の延伸部３６の端面の一部を開口する開口部４４を形成する。
【００４３】
次いで、図６（ｈ）に示すように、再び、５００℃の成長温度でＧｅ原料としてゲルマン（ＧｅＨ４）を用いてｉ型Ｇｅナノワイヤ４３をさらに成長させて開口部４４に露出するｐ型ＳｉＧｅブロック３９の延伸部３６の端面に結合させる。この工程においては、Ｇｅの持つ同じ材料上で選択的に成長されやすい性質によって、初期Ｇｅ層が形成されている側からｉ型Ｇｅナノワイヤ４３が伸びていき、対岸のｐ型ＳｉＧｅブロック３９の延伸部３６の端面に結合するまで成長させることができる。
【００４４】
次いで、図６（ｉ）に示すように、ＳｉＯ２膜４０，４１にコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールを埋め込むように、ｎ側電極４５を設けるとともに、ｐ側電極４６を設けることにより、本発明の実施例２のＧｅナノワイヤ発光素子が完成する。なお、ｎ側電極４５としてはＡｕ−Ｓｂを用い、ｐ側電極４６としてはＡｌを用いる。
【００４５】
Ｓｉ，Ｓｉ０．７Ｇｅ０．３，Ｇｅの線膨張係数はそれぞれ、２．４×１０−６Ｋ−１、３．４５×１０−６Ｋ−１、５．９×１０−６Ｋ−１であるので、ｉ型Ｇｅナノワイヤ４３には２．４％以上の引っ張り歪が印加されてバンド構造が直接遷移型になる。したがって、発光性再結合においてフォノンが介在しないので発光効率が向上する。
【００４６】
なお、実施例２においては、ブロック体をＳｉ０．７Ｇｅ０．３で形成しているが、混晶比は任意であり、また、ｉ型Ｇｅナノワイヤ４３の表面については、近赤外領域で透明な樹脂で保護しても良い。
【実施例３】
【００４７】
次に、図７を参照して、本発明の実施例３のＧｅナノワイヤレーザを説明するが、ナノワイヤをアレイ化するだけで基本的な製造工程は上記の実施例１と同様であるので、最終的な素子構造のみを示す。
【００４８】
図７は、本発明の実施例３のＧｅナノワイヤレーザの概略的斜視図であり、直径が６０ｎｍのＳｉ／Ｇｅ／Ｓｉ構造のナノワイヤを５００ｎｍのピッチで５０本並列に配置したものである。なお、図においては、図示を簡単にするために８本のナノワイヤを図示している。このような、ナノワイヤアレイを形成するためには、各ＧａＰブロック１４に設ける開口部のピッチを５００ｎｍとすれば良いだけである。
【００４９】
このナノワイヤアレイの間を導波路となるベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）からなるポリマー２７で埋め込むとともに、導波路の両端に共振器を構成する反射膜２８を形成する。なお、図においては、構造を理解しやすいように一方の端面にのみ反射膜２８を図示している。反射膜２８としては、発振波長の１／４光学膜厚を有する屈折率の異なる２つの誘電体を交互に積層した誘電体多層膜ミラーを用いれば良いが、これに限定されるものではない。
【００５０】
このように、本発明の実施例３においては、本来間接遷移型であるＧｅに引っ張り歪を印加して直接遷移型にしているので、Ｇｅナノワイヤを密集して設けることによってレーザを実現することができる。
【実施例４】
【００５１】
次に、図８乃至図１０を参照して、本発明の実施例４のＧｅナノワイヤ発光素子アレイの製造工程を説明するが、発光素子部の製造工程は上記の実施例２と基本的に同様である。まず、図８（ａ）に示すように、（００１）面を主面とする単結晶Ｓｉ基板５１上に厚さが３μｍのＳｉＯ２からなるＢＯＸ層５２を介して厚さが２５０ｎｍの単結晶Ｓｉ層５３を設けたＳＯＩ基板を用意する。
【００５２】
次いで、図８（ｂ）に示すように、単結晶Ｓｉ層５３をエッチング加工して幅が４００ｎｍで１０μｍのピッチで単結晶Ｓｉコア層５４を形成する。なお、図においては、図示を容易にするために３本の単結晶Ｓｉコア層５４を図示しているが本数は任意である。
【００５３】
次いで、図８（ｃ）に示すように、ＳｉＯ２膜を成長させたのち、単結晶Ｓｉコア層５４の両端面が露出するようにエッチングして上部クラッド層５５とする。なお、ＢＯＸ層５２が下部クラッド層となる。次いで、ＢＯＸ層５２に幅が１μｍの開口部５６を２０μｍのピッチで形成して選択成長マスクとする。
【００５４】
次いで、図９（ｄ）に示すように、単結晶Ｓｉコア層５４の一方の端面を覆うようにＳｉＮからなる成長阻止膜５７を設ける。以降は、上記の実施例２と同様に、５５０℃〜６５０℃の基板温度において気相成長法を用いて一対のＳｉ０．７Ｇｅ０．３からなるＳｉＧｅブロック５８を対向する間隙が１μｍになるように成長する。この時、Ｓｉ原料としてはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を用い、Ｇｅ原料としてはゲルマン（ＧｅＨ４）を用いる。まず、開口部５６に露出する単結晶Ｓｉ基板５１の表面に固定基部５９がエピタキシャル成長し、次いで、横方向成長により延伸部６０が成長する。
【００５５】
次いで、図９（ｅ）に示すように、ＳｉＧｅブロック５８が成長阻止膜５７に達する直前にＳｉＧｅブロック５８の成長を中断して成長阻止膜５７を選択的に除去する。成長阻止膜５７を除去したのち、再び成長を開始して、図において右側のＳｉＧｅブロック５８が単結晶Ｓｉコア層５４に結合するまで成長を行う。
【００５６】
次いで、図１０（ｆ）に示すように、延伸部６０が単結晶Ｓｉ基板５１の拘束を受けないように、ＢＯＸ層５２の露出部をエッチング除去するとともに、更にサイドエッチにより、延伸部６０の下にあるＢＯＸ層５２の一部も除去する。なお、延伸部６０の下にあるＢＯＸ層５２は全部除去しても良いが、構造的に強度が低下する。
【００５７】
次いで、一方（左側）のＳｉＧｅブロック５８にＰをイオン注入するとともに、他方（右側）のＳｉＧｅブロック５８にＢをイオン注入した後、活性化アニールを施してｎ型ＳｉＧｅブロック６１及びｐ型ＳｉＧｅブロック６２とする。次いで、ｎ型ＳｉＧｅブロック６１及びｐ型ＳｉＧｅブロック６２をエッチングすることによって単結晶Ｓｉコア層５４のピッチに合うように分割する。
【００５８】
次いで、図１０（ｇ）に示すように、ＳｉＯ２膜６３，６４を形成した後、開口部を有するレジストパターン（図示は省略）を設けて、エッチングすることによって、ＳｉＯ２膜６３に延伸部６０の端面の一部を開口する開口部６５を形成する。なお、この時の開口部６５の幅は４０ｎｍとする。
【００５９】
次いで、５００℃の成長温度でＧｅ原料としてゲルマン（ＧｅＨ４）を用いて初期Ｇｅ層となるｉ型Ｇｅナノワイヤ６６を成長させる。ｉ型Ｇｅナノワイヤ６６の直径は開口部６５の幅と同程度になる。この場合のＳｉ原料としてはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を用い、ｎ型ドーパント源としては、フォスフィン（ＰＨ３）を用いる。
【００６０】
次いで、開口部を有するレジストパターン（図示は省略）を設けて、エッチングすることによって、ＳｉＯ２膜６４にｐ型ＳｉＧｅブロック６２の延伸部６０の端面の一部を開口する開口部６７を形成する。次いで、再び、５００℃の成長温度でＧｅ原料としてゲルマン（ＧｅＨ４）を用いてｉ型Ｇｅナノワイヤ６６をさらに成長させて開口部６７に露出するｐ型ＳｉＧｅブロック６２の延伸部６０の端面に結合させる。
【００６１】
次いで、ＳｉＯ２膜６３，６４にコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールを埋め込むように、ｎ側電極６８を設けるとともに、ｐ側電極６９を設ける。次いで、ｉ型Ｇｅナノワイヤ６６を個別に被覆するようにＢＣＢからなるポリマークラッド７０を設けることにより、本発明の実施例４のＧｅナノワイヤ発光素子アレイが完成する。なお、ｎ側電極６８としてはＡｕ−Ｓｂを用い、ｐ側電極６９としてはＡｌを用いる。
【００６２】
本発明の実施例４においては、基板としてＳＯＩ基板を用いているので、引っ張り歪印加により直接遷移型化したＧｅナノワイヤを用いた高効率の発光素子アレイと光導波路をモノリシックに一体化することができる。
【００６３】
ここで、実施例１乃至実施例４を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）Ｇｅよりも線膨張係数の小さい基板と、前記基板よりも線膨張係数の大きい材料からなり、前記基板に結晶学的に接合する固定基部と前記基板に拘束されない延伸部を有し、前記延伸部の延伸方向の端面が互いに空隙を介して対向する一対のブロック部と、前記一対のブロック部の互いに対向する端面間に架橋された少なくとも一部がＧｅを最大成分とするＧｅ系半導体からなるＧｅ系ナノワイヤとを有し、前記Ｇｅを最大成分とするＧｅ系半導体が引っ張り歪を有することを特徴とするＧｅ系ナノワイヤ光素子。
（付記２）前記引っ張り歪が、前記Ｇｅを最大成分とするＧｅ系半導体のバンド構造が直接遷移型となる値であることを特徴とする付記１に記載のＧｅ系ナノワイヤ光素子。
（付記３）前記Ｇｅを最大成分とするＧｅ系半導体がＧｅであり、前記引っ張り歪が、前記互いに対向する端面間を結ぶ方向において２．４％以上であることを特徴とする付記２に記載のＧｅ系ナノワイヤ光素子。
（付記４）前記基板が、単結晶Ｓｉ基板であり、前記ブロック部が、単結晶半導体からなることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１に記載のＧｅ系ナノワイヤ光素子。
（付記５）前記ブロック部が、ＧａＰ或いはＳｉＧｅのいずれかからなることを特徴とする付記４に記載のＧｅ系ナノワイヤ光素子。
（付記６）前記少なくとも一部がＧｅを最大成分とするＧｅ系半導体からなるＧｅ系ナノワイヤが、平行に複数本配列されてアレイを構成していることを特徴とする付記１乃至付記５のいずれか１に記載のＧｅ系ナノワイヤ光素子。
（付記７）前記各Ｇｅ系ナノワイヤが、前記Ｇｅ系ナノワイヤより屈折率の低いポリマーで被覆されていることを特徴とする付記６に記載のＧｅ系ナノワイヤ光素子。
（付記８）Ｇｅよりも線膨張係数の小さい基板に一対の平行に配置された開口部を有する選択成長マスクを設ける工程と、前記開口部に前記基板に結晶学的に接合する固定基部を選択成長する工程と、前記固定基部を基点として横方向成長により前記基板に拘束されない延伸部を、前記延伸部の延伸方向の端面が互いに空隙を介して対向するように形成して、前記固定基部とともに一対のブロック部とする工程と、前記延伸部の端面間に少なくとも一部がＧｅを最大成分とするＧｅ系半導体からなるＧｅ系ナノワイヤを室温より高温で架橋したのち、室温まで降温して前記Ｇｅ系ナノワイヤに引っ張り歪を印加する工程とを有することを特徴とするＧｅ系ナノワイヤ光素子の製造方法。
（付記９）前記Ｇｅ系ナノワイヤを架橋する工程において、前記一対のブロック部の一方の端面の一部に前記Ｇｅ系ナノワイヤを成長させるための触媒を形成する工程を有することを特徴とする付記８に記載のＧｅ系ナノワイヤ光素子の製造方法。
（付記１０）前記Ｇｅ系ナノワイヤを架橋する工程が、前記一対のブロック部の一方の端面を成長阻止膜で被覆した状態で、前記一対のブロック部の他方の端面を基点として前記Ｇｅ系ナノワイヤの成長を開始して初期Ｇｅ層を形成する工程と、前記初期Ｇｅ層を形成した後に前記成長阻止膜の少なくとも一部を除去する工程と、前記Ｇｅ系ナノワイヤが前記成長阻止膜の除去部に当接するまで成長を行う工程とを有することを特徴とする付記８に記載のＧｅ系ナノワイヤ光素子の製造方法。
【符号の説明】
【００６４】
１  基板
２  ブロック部
３  固定基部
４  延伸部
５  空隙
６  Ｇｅ系ナノワイヤ
１１  単結晶Ｓｉ基板
１２  ＳｉＯ２膜
１３  開口部
１４  ＧａＰブロック
１５  固定基部
１６  延伸部
１７  間隙
１８  ＳｉＯ２膜
１９  開口部
２０  Ａｕ薄膜
２１  Ａｕ触媒
２２  ｎ型Ｓｉナノワイヤ
２３  ｉ型Ｇｅナノワイヤ
２４  ｐ型Ｓｉナノワイヤ
２５  ｎ側電極
２６  ｐ側電極
２７  ポリマー
２８  反射鏡
３１  単結晶Ｓｉ基板
３２  ＳｉＯ２膜
３３  開口部
３４  ＳｉＧｅブロック
３５  固定基部
３６  延伸部
３７  間隙
３８  ｎ型ＳｉＧｅブロック
３９  ｐ型ＳｉＧｅブロック
４０，４１  ＳｉＯ２膜
４２  開口部
４３  ｉ型Ｇｅナノワイヤ
４４  開口部
４５  ｎ側電極
４６  ｐ側電極
５１  単結晶Ｓｉ基板
５２  ＢＯＸ層
５３  単結晶Ｓｉ層
５４  単結晶Ｓｉコア層
５５  上部クラッド層
５６  開口部
５７  成長阻止膜
５８  ＳｉＧｅブロック
５９  固定基部
６０  延伸部
６１  ｎ型ＳｉＧｅブロック
６２  ｐ型ＳｉＧｅブロック
６３，６４  ＳｉＯ２膜
６５  開口部
６６  ｉ型Ｇｅナノワイヤ
６７  開口部
６８  ｎ側電極
６９  ｐ側電極
７０  ポリマークラッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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