(57)【要約】【課題】  半導体ナノワイヤ光装置及びその製造方法に関し、横方向の光に対するナノワイヤと誘電体光導波路との光結合効率を高める。【解決手段】  半導体基板上に設けた誘電体コア層を含む誘電体光導波路の光入出力端面の近傍に能動層の屈折率が誘電体コア層より高い縦型半導体ナノワイヤを一定のピッチで格子状に配列する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた誘電体光導波路と、
前記半導体基板上に前記誘電体光導波路の一方の光入出力端面の近傍に一定のピッチで格子状に配列され、第１導電型半導体層、能動層、及び、前記第１導電型と反対導電型の第２導電型半導体層が順次積層された複数の縦型半導体ナノワイヤと
前記縦型半導体ナノワイヤの内の前記誘電体光導波路の光入出力端面に対向する少なくとも一つの縦型半導体ナノワイヤの前記第２導電型半導体層に設けられた第１の電極と、
前記半導体基板に設けられた第２の電極と
を有し、
前記誘電体光導波路の誘電体コア層の屈折率が、前記能動層の屈折率と前記縦型半導体ナノワイヤの周囲の屈折率との間の屈折率を有することを特徴とする半導体ナノワイヤ光装置。
【請求項２】
前記能動層が、引っ張り歪みを有する量子井戸層を備えた量子井戸構造活性層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体ナノワイヤ光装置。
【請求項３】
前記縦型半導体ナノワイヤの周囲に樹脂埋込層を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体ナノワイヤ光装置。
【請求項４】
前記半導体基板が、単結晶Ｓｉ基板上に埋込絶縁膜を介して単結晶Ｓｉ層を設けたＳＯＩ基板の前記単結晶Ｓｉ基板であり、
前記単結晶Ｓｉ層の除去部に前記誘電体光導波路及び前記複数の縦型半導体ナノワイヤを設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体ナノワイヤ光装置。
【請求項５】
第１導電型の半導体基板上に、誘電体コア層を含む多層誘電体膜を積層する工程と、
前記多層誘電体膜をエッチング加工して誘電体光導波路と選択成長マスクとなる誘電体薄膜とを形成する工程と、
前記誘電体光導波路の一方の光入出力端面に近傍において前記誘電体薄膜に一定のピッチで格子状に配列した開口部を有する工程と、
前記開口部において露出した前記半導体基板上に、第１導電型半導体層、能動層、及び、前記第１導電型と反対導電型の第２導電型半導体層を順次積層して縦型半導体ナノワイヤを形成する工程と
を有することを特徴とする半導体ナノワイヤ光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ナノワイヤ光装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
面内サイズが小さく高密度に集積が可能な光素子として、縦型半導体ナノワイヤを用いた光素子が期待されている。例えば、光集積回路ナノワイヤ或いは光集積回路ナノコラムを用いたＬＥＤなどの発光素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。或いは、光吸収層として用いることにより、太陽電池への応用が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
これらの応用は、いずれも、ナノワイヤの長軸方向に光を出し入れする素子である。一方で、光通信応用では発光・受光素子などの能動素子が、光変調器や合分波器などの他の導波路型光デバイスと集積されることで光装置を構成することが多い。
【０００４】
特に、小型・低コスト化の観点から、近年シリコンフォトニクスと称される、光変調器や合分波器をＳｉウェーハ上においてＳｉ系材料或いはＳｉ−ＣＭＯＳプロセスに整合する材料系で製造する技術が発展してきている。
【０００５】
しかし、Ｓｉ系半導体は、間接遷移型半導体であるため、効率の点から能動素子、特に発光素子については、化合物半導体の素子を集積する必要があり、化合物半導体ナノワイヤの利用も期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１０８９２４号公報
【特許文献２】特開２０１０−０２８０９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
化合物半導体ナノワイヤからなる発光・受光素子から出入力される光は、光導波路と横方向に結合する必要がある。しかし、従来の面出入射型のナノワイヤ光素子では、横方向に接続した光導波路へ直接光を結合させることができないという問題がある。
【０００８】
そこで、化合物半導体ナノワイヤで発光素子等を形成する場合に、成長方向に下部クラッド層／能動層／上部クラッド層を順次積層して横方向に光を取り出すことが考えられる。しかし、単に成長方向に下部クラッド層／能動層／上部クラッド層を順次積層した構造では高効率で光を取り出すことができないという問題があるので、この事情を図１２を参照して説明する。
【０００９】
図１２は縦型半導体ナノワイヤ発光素子の説明図であり、図１２（ａ）は縦型半導体ナノワイヤ発光素子の斜視図であり、図１２（ｂ）は光結合効率の説明図である。図１２（ａ）に示すように、横方向から光を取り出すためには、ｎ型Ｓｉ基板８１に開口部を有するＳｉＯ２膜８２を設け、開口部にｎ型クラッド層８４／活性層８５／ｐ型クラッド層８６を順次積層して縦型半導体ナノワイヤ発光素子８３を形成すれば良い。
【００１０】
横方向断面積が小さく、形状に高い対称性を持つ縦型半導体ナノワイヤ発光素子８３は、図１２（ａ）に示すように、横方向については、全方向に等方的に光を出射する。さらに、上下方向、即ち、ナノワイヤ長軸方向に発光する成分も存在する。なお、ここでは、活性層８５は、ナノワイヤの中心に、ナノワイヤ長よりも十分短い領域として存在し、且つ、特別な偏光依存性を持たないものとする。
【００１１】
図１２（ｂ）に示すように、縦型半導体ナノワイヤ発光素子８３に誘電体光導波路８７を横付けしただけの構成では、誘電体光導波路８７から取り出せる光の割合は小さい。誘電体光導波路８７より十分に細い縦型半導体ナノワイヤ発光素子８３を用い、誘電体光導波路端面での反射を十分に抑制したとしても、横方向に出射される光のうち誘電体光導波路８７に結合できる割合は少ない。
【００１２】
例えば、図１２（ｂ）に示すように、２θを縦型半導体ナノワイヤ発光素子８３の中心からの誘電体光導波路８７の見込角とし、縦型半導体ナノワイヤ発光素子８３の中心からの誘電体光導波路８７の端面までの距離をｄ、誘電体光導波路８７の幅をｗとすると、光結合効率はηは２θ／２πとなる。ここで、ｔａｎθはｗ／２ｄであるので、θはｔａｎ−１（ｗ／２ｄ）となる。したがって、光結合効率ηは、
η＝２θ／２π＝２ｔａｎ−１（ｗ／２ｄ）／２π
となる。
【００１３】
例えば、幅ｗが１μｍの誘電体光導波路８７が縦型半導体ナノワイヤ発光素子８３に対して、５００ｎｍ離れて配置されている場合は、光結合効率ηは
η＝２ｔａｎ−１（１）／２π＝２×（π／４）／２π＝１／４
となり、２５％にとどまる。これは、縦型半導体ナノワイヤ受光素子の場合も同様である。
【００１４】
したがって、半導体ナノワイヤ光装置において、横方向の光に対するナノワイヤと誘電体光導波路との光結合効率を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
開示する一観点からは、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた誘電体光導波路と、前記半導体基板上に前記誘電体光導波路の一方の光入出力端面の近傍に一定のピッチで格子状に配列され、第１導電型半導体層、能動層、及び、前記第１導電型と反対導電型の第２導電型半導体層が順次積層された複数の縦型半導体ナノワイヤと前記縦型半導体ナノワイヤの内の前記誘電体光導波路の光入出力端面に対向する少なくとも一つの縦型半導体ナノワイヤの前記第２導電型半導体層に設けられた第１の電極と、前記半導体基板に設けられた第２の電極とを有し、前記誘電体光導波路の誘電体コア層の屈折率が、前記能動層の屈折率と前記縦型半導体ナノワイヤの周囲の屈折率との間の屈折率を有することを特徴とする半導体ナノワイヤ光装置が提供される。
【００１６】
また、開示する別の観点からは、第１導電型の半導体基板上に、誘電体コア層を含む多層誘電体膜を積層する工程と、前記多層誘電体膜をエッチング加工して誘電体光導波路と選択成長マスクとなる誘電体薄膜とを形成する工程と、前記誘電体光導波路の一方の光入出力端面に近傍において前記誘電体薄膜に一定のピッチで格子状に配列した開口部を形成する工程と、前記開口部において露出した前記半導体基板上に、第１導電型半導体層、能動層、及び、前記第１導電型と反対導電型の第２導電型半導体層を順次積層して縦型半導体ナノワイヤを形成する工程とを有することを特徴とする半導体ナノワイヤ光装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
開示の半導体ナノワイヤ光装置及びその製造方法によれば、横方向の光に対するナノワイヤと誘電体光導波路との光結合効率を高めることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態の半導体ナノワイヤ光装置の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態の半導体ナノワイヤ光装置の集光原理の説明図である。
【図３】本発明の実施例１の半導体ナノワイヤ発光装置の説明図である。
【図４】本発明の実施例１の半導体ナノワイヤ発光装置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１の半導体ナノワイヤ発光装置の製造工程の図４以降の途中までの説明図である。
【図６】本発明の実施例１の半導体ナノワイヤ発光装置の製造工程の図５以降の説明図である。
【図７】本発明の実施例２の半導体ナノワイヤ発光装置の概念的平面図である。
【図８】本発明の実施例３の半導体ナノワイヤ光集積回路装置の概念的断面図である。
【図９】本発明の実施例３の半導体ナノワイヤ光集積回路装置の製造工程の途中までの説明図である。
【図１０】本発明の実施例３の半導体ナノワイヤ光集積回路装置の製造工程の図９以降の途中までの説明図である。
【図１１】本発明の実施例３の半導体ナノワイヤ光集積回路装置の製造工程の図１０以降の説明図である。
【図１２】縦型半導体ナノワイヤ発光素子の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態の半導体ナノワイヤ光装置を説明する。図１は本発明の実施の形態の半導体ナノワイヤ光装置の説明図であり、図１（ａ）は概略的平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。図に示すように、第１導電型の半導体基板１１上に誘電体光導波路１５を設け、誘電体光導波路１５の一方の光入出力端面の近傍に一定のピッチで格子状に複数の縦型半導体ナノワイヤ１７を配列する。
【００２０】
半導体基板１１は、典型的にはＩＶ族半導体基板であり、特に、（１１１）面を主面とするＳｉ基板、Ｇｅ基板、Ｃ基板或いはＳｉＧｅ基板等を用いる。また、縦型半導体ナノワイヤ１７は、下部クラッド層１８となる第１導電型の半導体層、能動層１９、及び、上部クラッド層２０となる前記第１導電型と反対導電型の第２導電型の半導体層が順次積層された積層構造を有する。能動層は発光層でも受光層でも良いが、特に、能動層を、引っ張り歪みを有する量子井戸層を備えたIII-Ｖ族化合物半導体量子井戸構造活性層とすることによって、高効率の半導体ナノワイヤ発光素子とすることができる。即ち、引っ張り歪み量子井戸においては、発光遷移が伝導帯と軽い正孔の価電子帯の間で起こるため、電界振幅がナノワイヤ長軸方向で、横方向のみに伝播可能なＴＭモード光が支配的に発生するためである。量子井戸構造を用いる場合には、単一量子井戸構造でも良いが、光強度を高めるためには多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を採用することが望ましい。
【００２１】
複数の縦型半導体ナノワイヤ１７の内の誘電体光導波路１５の入出力端面に対向する少なくとも一つの縦型半導体ナノワイヤ１７の上部クラッド層２０に第１の電極２２を設けて能動素子とするとともに、半導体基板１１に第２の電極２３を設ける。
【００２２】
この時、誘電体光導波路１５の誘電体コア層１３の屈折率が、能動層１９の屈折率と縦型半導体ナノワイヤ１７の周囲の屈折率との間の屈折率を有するように材料を選択する。典型的には、誘電体光導波路１５は、下部クラッド層１２をＳｉＯ２膜とし、誘電体コア層１３をＳｉＮ膜とし、上部クラッド層１４をＳｉＯ２膜とした積層構造からなる。また、縦型半導体ナノワイヤ１７の周囲にＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）樹脂等の樹脂埋込層を設けることが強度の観点等から望ましい。
【００２３】
なお、半導体基板としては、ＳＯＩ基板の単結晶Ｓｉ基板を用いても良く、この場合には、ＳＯＩ基板の単結晶Ｓｉ層を加工して誘電体光導波路１５に接続するＳｉコア層及び光変調器を設けても良い。この場合の光変変調器としては分岐アームからなるマッハ・ツェンダー型のＳｉ光変調器が典型的なものである。
【００２４】
このような半導体ナノワイヤを形成するためには、第１導電型の半導体基板１１上に、誘電体コア層１３を含む多層誘電体膜を積層し、多層誘電体膜をエッチング加工して誘電体光導波路１５と選択成長マスク１６となる誘電体薄膜を形成する。次いで、誘電体光導波路１５の一方の光入出力端面に近傍において選択成長マスクに一定のピッチで格子状に配列した開口部を形成する。次いで、この開口部内に下部クラッド層１８となる第１導電型の半導体層、能動層１９、及び、上部クラッド層２０となる第２導電型の半導体層を順次積層して縦型半導体ナノワイヤ１７を形成すれば良い。
【００２５】
また、ＳＯＩ基板を用いる場合には、誘電体多層膜を積層する前に埋込絶縁層単結晶Ｓｉ層の一部を除去し、除去部に誘電体コア層１３を含む誘電体多層膜を形成すれば良い。その時、単結晶Ｓｉ層を加工して、誘電体光導波路１５に接続するＳｉコア層と、Ｓｉ光導波路に接続するＳｉ光変調器とを形成しても良い。
【００２６】
次に、図２を参照して、本発明の実施の形態の半導体ナノワイヤ光装置の集光原理を説明する。図２は、本発明の実施の形態の半導体ナノワイヤ光装置の集光原理の説明図である。一般的に、周囲環境に対して異なる屈折率を有する構造体が規則的に配列すると、その周期と一定の関係を満たす波長の光が変調を受けることが知られている。特に、対象とする波長の半分の光学距離を１周期として繰り返された場合、その周期構造は、反射鏡として作用する。ここで、光学距離は材料の厚さｄに材料の屈折率ｎを乗じたｎ×ｄで表される。
【００２７】
鋭意検討の結果、半導体ナノワイヤをそのような構造体とみなした時、シリコンフォトニクス応用として期待される１．３μｍや１．５５μｍの近赤外波長領域に対して、反射鏡となるような構成があることを見出した。例えば、屈折率３．２、直径１００ｎｍのＩｎＰナノワイヤを屈折率１．５のＢＣＢ樹脂中に間隔２２０ｎｍで格子状に配列することで、波長１．３μｍに対して反射する構造体となることを見出した。
【００２８】
この知見を基にして、図２（ａ）のように、半導体ナノワイヤ発光素子３１の周囲に半導体ナノワイヤ３２を格子状に配置し、一方向にのみ半導体ナノワイヤ３２を取り除く。そうすると、取り除いた方向に半導体ナノワイヤ発光素子３１から横方向に出射される光を集めることが可能であることが分かった。
【００２９】
さらに、この光を導波路内へ良好に導くには、図２（ｂ）に示すように、線状に空いた空隙内に光導波路を配置することが必須である。この時、光導波路としては、屈折率が半導体ナノワイヤ発光素子３１の能動層と周囲環境（埋込樹脂層を設ける場合には、埋込樹脂層の屈折率）の中間の屈折率を有するコアで構成されている必要があることが検討の結果初めて見出された。
【００３０】
このような条件を満たす光導波路としては、誘電体コア層を備えた誘電体光導波路３３が好適である。なお、Ｓｉ光導波路はＳｉの屈折率が高すぎるので不適である。図２（ｂ）に示した配置によって、半導体ナノワイヤ発光素子３１から横方向に出射される成分を高効率に誘電体光導波路３３に結合することが可能になる。
【００３１】
なお、本発明では、直径が５００ｎｍ未満の半導体ワイヤを半導体ナノワイヤ３２として定義する。このような半導体ナノワイヤ３２のサイズ（直径、長さ）と誘電体光導波路３３との位置関係を考慮すると、ドライエッチングなどのトップダウンプロセスでは困難なスケールであり、ボトムアップで形成した半導体ナノワイヤによってのみ製造可能である。
【実施例１】
【００３２】
次に、図３乃至図６を参照して、本発明の実施例１の半導体ナノワイヤ発光装置を説明する。図３は本発明の実施例１の半導体ナノワイヤ発光装置の説明図であり、図３（ａ）は概略的平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。図に示すように、ｎ型Ｓｉ基板４１上にＳｉＯ２膜４２／ＳｉＮ膜４３／ＳｉＯ２膜４４からなる誘電体光導波路４５を設け、誘電体光導波路４５の一方の光入出力端面の近傍に一定のピッチで格子状に複数の半導体ナノワイヤ４８を配列する。
【００３３】
誘電体光導波路４５は、厚さが２０００ｎｍのＳｉＯ２膜４２、厚さが４００ｎｍのＳｉＮ膜４３及び厚さが２０００ｎｍのＳｉＯ２膜４４からなり、幅は４００ｎｍとする。なお、ＳｉＯ２の屈折率は１．４であり、ＳｉＮの屈折率は２．０である。
【００３４】
半導体ナノワイヤ４８は、厚さが２０００ｎｍのｎ型ＩｎＰクラッド層４９、厚さが４００ｎｍのＭＱＷ活性層５０及び厚さが２０００ｎｍのｐ型ＩｎＰクラッド層５１を順次成長させて形成する。ＭＱＷ活性層５０は、波長組成が１．０５μｍのＩｎＧａＡｓＰバリアと、Ｉｎ組成比が４５％でＩｎＧａＡｓ井戸層により発光波長が１．３μｍ帯で引っ張り歪み量子井戸構造とする。ここでは、ＩｎＧａＡｓ井戸層を１０層設ける。
【００３５】
この半導体ナノワイヤ４８の直径は８０ｎｍ〜１２０ｎｍとし、ピッチは２００ｎｍ〜２２０ｎｍとする。また、隣接する半導体ナノワイヤ４８の間隙を屈折率が１．５のＢＣＢ樹脂で埋め込んでＢＣＢ樹脂埋込層５２を設ける。最後に、誘電体光導波路４５に対向する１本の半導体ナノワイヤ４８のｐ型ＩｎＰクラッド層５１上にｐ側電極５３を設け、ｎ型Ｓｉ基板４１の露出部にｎ側電極５４を設ける。
【００３６】
このｐ側電極５３を設けた半導体ナノワイヤ４８が半導体ナノワイヤ発光素子となり、その他の半導体ナノワイヤ４８は反射体となる。ｐ側電極５３とｎ側電極５４との間に順方向バイアスを印加するとＭＱＷ活性層５０において再結合発光が生じ、放出された光は直接或いは周囲の半導体ナノワイヤ４８で反射されて誘電体光導波路４５に導かれる。
【００３７】
次に、図４乃至図６を参照して、本発明の実施例１の半導体ナノワイヤ発光装置の製造工程を説明する。なお、各図における上図は平面図であり、下図は一部断面を含む側面図である。まず、図４（ａ）に示すように、（１１１）面を主面とするｎ型Ｓｉ基板４１上にＣＶＤ法を用いて厚さが２０００ｎｍのＳｉＯ２膜４２、厚さが４００ｎｍのＳｉＮ膜４３及び厚さが２０００ｎｍのＳｉＯ２膜４４を順次堆積する。
【００３８】
次いで、図４（ｂ）に示すように、リソグラフィとエッチングにより幅が４００ｎｍの誘電体導波路４５を形成する。この時、ＳｉＯ２膜４２を５０ｎｍだけ残して選択成長マスク４６とする。
【００３９】
次いで、図５（ｃ）に示すように、エッチングによりナノワイヤ形成部に開口部４７を形成してｎ型Ｓｉ基板４１の表面を露出させる。開口部４７の直径は８０ｎｍ〜１２０ｎｍとし、ピッチは２００ｎｍ〜２２０ｎｍとする。
【００４０】
次いで、図５（ｄ）に示すように、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法を用いて、３５０℃〜４５０℃の成長温度において、厚さが２０００ｎｍのｎ型ＩｎＰクラッド層４９、厚さが４００ｎｍのＭＱＷ活性層５０及び厚さが２０００ｎｍのｐ型ＩｎＰクラッド層５１を順次成長させて半導体ナノワイヤ４８を形成する。ＭＱＷ活性層５０は、波長組成が１．０５μｍのＩｎＧａＡｓＰバリアと、Ｉｎ組成比が４５％のＩｎＧａＡｓ井戸層をＩｎＧａＡｓ井戸層が１０層になるように交互に成長させる。
【００４１】
この時、ｎ型ＩｎＰクラッド層４９を成長させる際には、原料としてＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、ＰＨ３、ドーパント源としてＨ２Ｓを用い、Ｓ濃度が１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３になるように流量を制御する。一方、ｐ型ＩｎＰクラッド層５１を成長させる際には、原料としてＴＭＩｎ、ＰＨ３、ドーパント源としてＤＥＺｎ（ジエチルジンク）を用い、Ｚｎ濃度が５×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１8ｃｍ−３になるように流量を制御する。また、ＭＱＷ活性層５０を成長させる際には、Ｇａ原料にはＴＥＧａ（トリエチルガリウム）を用い、Ａｓ原料にはＡｓＨ３を用いる。
【００４２】
次いで、図６（ｅ）に示すように、隣接する半導体ナノワイヤ４８の間隙をＢＣＢ樹脂で埋め込んでＢＣＢ樹脂埋込層５２を形成する。次いで、図６（ｄ）に示すように、誘電体光導波路４５に対向する１本の半導体ナノワイヤ４８のｐ型ＩｎＰクラッド層５１上にｐ側電極５３を設ける。一方、選択成長マスク４６に開口部を形成してｎ型Ｓｉ基板４１に対するｎ側電極５４を形成することによって、本発明の実施例１の半導体ナノワイヤ発光装置の基本構成が完成する。
【００４３】
本発明の実施例１においては、発光素子となる１本の半導体ナノワイヤ４８の周囲に一定のピッチで格子状に半導体ナノワイヤを配置して反射体としているので、１本の半導体ナノワイヤ４８からの光を効率良く誘電体光導波路４５に導くことができる。なお、ｐ側電極５３のコンタクト抵抗を低減するために、ｐ型ＩｎＰクラッド層５１上に、厚さが１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層を形成しても良い。
【実施例２】
【００４４】
次に、図７を参照して本発明の実施例２の半導体ナノワイヤ発光装置を説明するが、発光素子となる半導体ナノワイヤを複数本にしただけで、基本的な構造及び製造工程は上記の実施例１と同様であるので、平面図のみを示す。図７は本発明の実施例２の半導体ナノワイヤ発光装置の概念的平面図であり、誘電体光導波路４５の幅に対して２列の半導体ナノワイヤ４８が対向するように半導体ナノワイヤ４８の直径とピッチを設定し、計４本の半導体ナノワイヤ４８にｐ側電極５３を設けて半導体ナノワイヤ発光素子とする。
【００４５】
この実施例２においては、４本の半導体ナノワイヤを半導体ナノワイヤ発光素子としているので、導出する光強度を高めることができる。なお、図においては４本を半導体ナノワイヤ発光素子としているが、本数は任意である。
【実施例３】
【００４６】
次に、図８図乃至図１１を参照して、本発明の実施例３の半導体ナノワイヤ光集積回路装置を説明する。なお、基本的な構成は上記の実施例１と同様であるので、一部断面を含む側面図のみを示す。図８は、本発明の実施例３の半導体ナノワイヤ光集積回路装置の概略的側面図であり、ＳＯＩ基板を用いるとともに、誘電体光導波路６９に接続するようにＳｉコア層６４，６６を備えたＳｉ光導波路及びＳｉ光変調器６５を設けたものである。Ｓｉ光変調器としては、マッハ・ツェンダー型の光変調器を用いる。
【００４７】
ｐ側電極７８を設けた半導体ナノワイヤ７２で生成されＳｉＮコア層６７を有する誘電体光導波路６９の中を伝播した連続光（ＣＷ光）は、Ｓｉコア層６４に伝播し、その先にあるＳｉ光変調器によって変調光信号に変換される。この場合、光が損失しないように、ＳｉＮコア層６７とＳｉコア層６４の位置合わせが重要である。
【００４８】
次に、図９乃至図１１を参照して、本発明の実施例３の半導体ナノワイヤ光集積回路装置の製造工程を説明する。まず、図９（ａ）に示すように、（１１１）面を主面とするｎ型Ｓｉ基板６１上に厚さが２０００ｎｍのＳｉＯ２膜をＢＯＸ層６２として設け、その上に（１００）面を主面とする厚さが５００ｎｍ〜１０００ｎｍの単結晶Ｓｉ層６３を設けたＳＯＩ基板６０を用意する。
【００４９】
次いで、図９（ｂ）に示すように、誘電体光導波路及び半導体ナノワイヤを形成する領域の単結晶Ｓｉ層６３を除去するとともに、それ以外の領域の単結晶Ｓｉ層６３をパターニングして幅が５００ｎｍのＳｉコア層６４，６６とＳｉ光変調器６５を形成する。この場合のＳｉ光変調器６５は、マッハ・ツェンダー型の光変調器とする。
【００５０】
次いで、図９（ｃ）に示すように、ＣＶＤ法を用いて全面に厚さが５００ｎｍのＳｉＮコア層６７と厚さが２０００ｎｍのＳｉＯ２上部クラッド層６８を堆積する。
【００５１】
次いで、図１０（ｄ）に示すように、ＳｉＯ２上部クラッド層６８乃至ＢＯＸ層６２をエッチングして幅が５００ｎｍの誘電体光導波路６９を形成する。この時、ＢＯＸ層６２を５０ｎｍだけ残して選択成長マスク７０とする。
【００５２】
次いで、図１０（ｅ）に示すように、ナノワイヤ形成部の選択成長マスクをエッチングして開口部７１を形成してｎ型Ｓｉ基板６１の表面を露出させる。開口部７１の直径は８０ｎｍ〜１２０ｎｍとし、ピッチは２００ｎｍ〜２２０ｎｍとする。
【００５３】
次いで、図１０（ｆ）に示すように、ＭＯＶＰＥ法を用いて、３５０℃〜４５０℃の成長温度において、厚さが２０００ｎｍのｎ型ＩｎＰクラッド層７３、厚さが４００ｎｍのＭＱＷ活性層７４及び厚さが２０００ｎｍのｐ型ＩｎＰクラッド層７５を順次成長させて半導体ナノワイヤ７２を形成する。ＭＱＷ活性層７４は、波長組成が１．０５μｍのＩｎＧａＡｓＰバリアと、Ｉｎ組成比が４５％のＩｎＧａＡｓ井戸層をＩｎＧａＡｓ井戸層が１０層になるように交互に成長させる。この時、全面にＳｉＮコア層６７を堆積しているので、誘電体光導波路６９および半導体ナノワイヤ７２の形成工程においてＳｉコア層６４，６６及びＳｉ光変調器６５を保護することができる。
【００５４】
次いで、図１１（ｇ）に示すように、隣接する半導体ナノワイヤ７２の間隙をＢＣＢ樹脂で埋め込んでＢＣＢ樹脂埋込層７６を形成する。次いで、図１１（ｈ）に示すように、Ｓｉコア層６４，６６及びＳｉ光変調器６５の上に堆積している不要なＳｉＮコア層６７及びＳｉＯ２上部クラッド層６８を除去する。
【００５５】
次いで、図１１（ｉ）に示すように、全面に厚さが２０００ｎｍのＳｉＯ２上部クラッド層７７を形成したのち、誘電体光導波路６９及び半導体ナノワイヤ形成領域上に堆積したＳｉＯ２上部クラッド層７７を除去する。次いで、選択成長マスク７０の一部を除去してｎ型Ｓｉ基板６１を露出させる。次いで、誘電体光導波路６９に対向する１本の半導体ナノワイヤ７２のｐ型ＩｎＰクラッド層（７５）上にｐ側電極７８を設けるとともに、ｎ型Ｓｉ基板６１の露出部にｎ側電極７９を形成する。なお、ここでは、図示を省略しているが、ＳｉＯ２上部クラッド層７７にコンタクトホールを形成して、Ｓｉ光変調器６５に対する電極を形成することによって、本発明の実施例３の半導体ナノワイヤ光集積回路装置の基本構成が完成する。
【００５６】
本発明の実施例３においては、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層を誘電体光導波路６９とＳｉ光導波路の共通の下部クラッド層としているので、Ｓｉ光変調器６５等を一体化する場合にもＳｉＮコア層６７とＳｉコア層６４との良好な高さ合わせが可能となる。
【００５７】
ここで、実施例１乃至実施例３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）第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた誘電体光導波路と、前記半導体基板上に前記誘電体光導波路の一方の光入出力端面の近傍に一定のピッチで格子状に配列され、第１導電型半導体層、能動層、及び、前記第１導電型と反対導電型の第２導電型半導体層が順次積層された複数の縦型半導体ナノワイヤと前記縦型半導体ナノワイヤの内の前記誘電体光導波路の光入出力端面に対向する少なくとも一つの縦型半導体ナノワイヤの前記第２導電型半導体層に設けられた第１の電極と、前記半導体基板に設けられた第２の電極とを有し、前記誘電体光導波路の誘電体コア層の屈折率が、前記能動層の屈折率と前記縦型半導体ナノワイヤの周囲の屈折率との間の屈折率を有することを特徴とする半導体ナノワイヤ光装置。
（付記２）前記能動層が、引っ張り歪みを有する量子井戸層を備えた量子井戸構造活性層であることを特徴とする付記１に記載の半導体ナノワイヤ光装置。
（付記３）前記縦型半導体ナノワイヤの周囲に樹脂埋込層を有することを特徴とする付記１または付記２に記載の半導体ナノワイヤ光装置。
（付記４）前記誘電体光導波路が、ＳｉＯ２下部クラッド層／ＳｉＮコア層／ＳｉＯ２上部クラッド層の積層構造を有していることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１に記載の半導体ナノワイヤ光装置。
（付記５）前記半導体基板が、ＩＶ族半導体基板であり、前記縦型半導体ナノワイヤは、III-Ｖ族化合物半導体ナノワイヤであることを特徴とする付記１乃至付記４のいずれか１に記載の半導体ナノワイヤ光装置。
（付記６）前記半導体基板が、単結晶Ｓｉ基板上に埋込絶縁膜を介して単結晶Ｓｉ層を設けたＳＯＩ基板の前記単結晶Ｓｉ基板であり、前記単結晶Ｓｉ層の除去部に前記誘電体光導波路及び前記複数の縦型半導体ナノワイヤを設けたことを特徴とする付記１乃至付記５のいずれか１に記載の半導体ナノワイヤ光装置。
（付記７）前記誘電体光導波路に接続するＳｉ光導波路と、前記Ｓｉ光導波路に接続するＳｉ光変調器とを有し、前記Ｓｉ光導波路のＳｉコア層及び前記Ｓｉ光変調器部が、前記単結晶Ｓｉ層を加工して形成されたＳｉコア層及びＳｉ光変調器であることを特徴とする付記６に記載の半導体ナノワイヤ光装置。
（付記８）第１導電型の半導体基板上に、誘電体コア層を含む多層誘電体膜を積層する工程と、前記多層誘電体膜をエッチング加工して誘電体光導波路と選択成長マスクとなる誘電体薄膜とを形成する工程と、前記誘電体光導波路の一方の光入出力端面に近傍において前記誘電体薄膜に一定のピッチで格子状に配列した開口部を形成する工程と、前記開口部において露出した前記半導体基板上に、第１導電型半導体層、能動層、及び、前記第１導電型と反対導電型の第２導電型半導体層を順次積層して縦型半導体ナノワイヤを形成する工程とを有することを特徴とする半導体ナノワイヤ光装置の製造方法。
（付記９）前記縦型半導体ナノワイヤの周囲を、前記誘電体コア層の屈折率より低屈折率の樹脂層で埋め込む工程を有することを特徴とする付記８に記載の半導体ナノワイヤ光装置の製造方法。
（付記１０）前記半導体基板が、単結晶Ｓｉ基板上に埋込絶縁膜を介して単結晶Ｓｉ層を設けたＳＯＩ基板の前記単結晶Ｓｉ基板であり、前記誘電体多層膜を積層する工程の前に、前記単結晶Ｓｉ層の一部を除去する工程を有し、前記除去部に前記誘電体コア層を含む多層誘電体膜を形成することを特徴とする付記８または付記９に記載の半導体ナノワイヤ光装置の製造方法。
（付記１１）前記単結晶Ｓｉ層を加工して、前記誘電体光導波路に接続するＳｉ光導波路のＳｉコア層と、前記Ｓｉ光導波路に接続するＳｉ光変調器とを形成する工程を有することを特徴とする付記１０に記載の半導体ナノワイヤ光装置の製造方法。
【符号の説明】
【００５８】
１１  半導体基板
１２  下部クラッド層
１３  誘電体コア層
１４  上部クラッド層
１５  誘電体光導波路
１６  選択成長マスク
１７  縦型半導体ナノワイヤ
１８  下部クラッド層
１９  能動層
２０  上部クラッド層
２１  絶縁性埋込層
２２，２３  電極
３１  半導体ナノワイヤ発光素子
３２  半導体ナノワイヤ
３３  誘電体光導波路
４１  ｎ型Ｓｉ基板
４２  ＳｉＯ２膜
４３  ＳｉＮ膜
４４  ＳｉＯ２膜
４５  誘電体光導波路
４６  選択成長マスク
４７  開口部
４８  半導体ナノワイヤ
４９  ｎ型ＩｎＰクラッド層
５０  ＭＱＷ活性層
５１  ｐ型ＩｎＰクラッド層
５２  ＢＣＢ樹脂埋込層
５３  ｐ側電極
５４  ｎ側電極
６０  ＳＯＩ基板
６１  ｎ型Ｓｉ基板
６２  ＢＯＸ層
６３  単結晶Ｓｉ層
６４，６６  Ｓｉコア層
６５  Ｓｉ光変調器
６７  ＳｉＮコア層
６８  ＳｉＯ２上部クラッド層
６９  誘電体光導波路
７０  選択成長マスク
７１  開口部
７２  半導体ナノワイヤ
７３  ｎ型ＩｎＰクラッド層
７４  ＭＱＷ活性層
７５  ｐ型ＩｎＰクラッド層
７６  ＢＣＢ樹脂埋込層
７７  ＳｉＯ２上部クラッド層
７８  ｐ側電極
７９  ｎ側電極
８１  ｎ型Ｓｉ基板
８２  ＳｉＯ２膜
８３  縦型半導体ナノワイヤ発光素子
８４  ｎ型クラッド層
８５  活性層
８６  ｐ型クラッド層
８７  誘電体光導波路
【図１】
2015226021.tif 000003
【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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【図１１】
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【図１２】
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