(57)【要約】【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。【選択図】  図１Ｄ
2014038926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【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、
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。
【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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、希土類の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。
【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。
【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、濃度消失の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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−２８１９７２号公報
【特許文献２】特開２００４−３１９６６８号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】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。
【非特許文献２】A. J. Kenyon , "Erbium in silicon", Semicond. Sci. Technol. , VOL.20, R65-R84, 2005.
【非特許文献３】須藤  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。
【非特許文献４】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.
【非特許文献５】John B. Gruber et al. , "Modeling optical transitions of Er3+.4f11… in C2 and C3i sites in polycrystalline Y2O3", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol.104, 023101, 2008.
【非特許文献６】H.ISSHIKI and 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.
【非特許文献７】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.
【非特許文献８】R. Guo et al. , "Optical amplification Eｒ/Yb silicate loaded waveguide", Appl. Phys. Lett. , vol. 99, 161115, 2011.
【発明の概要】
【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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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。
【発明を実施するための形態】
【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基板の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。
【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。
【符号の説明】
【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。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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