(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの光学用途での使用のための半導体デバイス（１）であって、
光を透過及び／又は結合することができる、少なくとも１つの光学的受動領域（２）と、
光の発生、増幅、検出及び／又は変調のいずれかの機能で作用する、光学活性モードで動作可能な少なくとも１つの材料を含む少なくとも１つの光学活性材料（３）とを含み、
前記光学的受動領域（２）は、前記光学活性材料の成長のための結晶テンプレートを与える、少なくとも１つの結晶シード層（４）をさらに含み、
前記光学活性材料（３）は、前記光学的受動領域（２）内に設けられて前記結晶シード層（４）の少なくとも上面（４’）まで延びる少なくとも１つの所定の構造（５）内であって、該所定の構造（５）内に設けられた前記光学活性材料より大きいバンドギャップを有する材料を含むバッファ層（３’）の上にエピタキシャルに成長させたものであり、
前記光学的受動領域（２）は、少なくとも１つのフォトニック構造体（６）を含むように構造化され、
前記結晶シード層（４）は、結晶ウェハを含み、
前記光学活性材料（３）は、ＩＩＩ−Ｖ族材料及びＩＩ−ＶＩ族材料のうちの少なくとも１つを含み、
前記所定の構造（５）が前記結晶シード層（４）の中まで延びる、
半導体デバイス（１）。
【請求項２】
前記光学的受動領域（２）は、前記所定の構造（５）内の前記光学活性材料（３）の前記成長の後で、前記フォトニック構造体を含むように構造化される、請求項１に記載の半導体デバイス（１）。
【請求項３】
前記所定の構造（５）は、前記光学的受動領域（２）に対して形成された誘電体開口部を含み、前記光学的受動領域（２）は、前記所定の構造（５）内の前記光学活性材料の前記成長の後で構造化される、請求項１又は請求項２に記載の半導体デバイス（１）。
【請求項４】
前記誘電体開口部は、シリコン、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、アンチモン化ガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、ヒ化インジウムアルミニウム、リン化インジウムヒ素、リン化インジウムガリウム、リン化ガリウム、ヒ化インジウムガリウム、リン化インジウムガリウムヒ素、酸化アルミニウム、五酸化タンタル、二酸化ハフニウム、二酸化チタン、二酸化シリコン、窒化シリコン及び酸窒化シリコンのうちの少なくとも１つを含む、請求項３に記載の半導体デバイス（１）。
【請求項５】
前記所定の構造（５）のアスペクト比、即ち、その幅／直径に対するその高さの比は、１より大きい、請求項１から４までのいずれかに記載の半導体デバイス（１）。
【請求項６】
前記光学活性材料（３）は、レーザ、発光ダイオード、スーパ・ルミネッセント・ダイオード及び半導体光増幅器のうちの少なくとも１つを含む発光構造体として実装される、請求項１から５までのいずれかに記載の半導体デバイス（１）。
【請求項７】
前記所定の構造（５）は、トレンチ、孔又はこれらの組合せである、請求項１から６までのいずれかに記載の半導体デバイス（１）。
【請求項８】
前記所定の構造（５）の少なくとも１つの構造的特性は、前記光学活性材料（３）の所望のエピタキシャル成長をそれにより助長するように選択される、請求項１から７までのいずれかに記載の半導体デバイス（１）。
【請求項９】
前記所定の構造（５）は、前記光学的受動領域（２）の所与の場所に設けられる、請求項１から８までのいずれかに記載の半導体デバイス（１）。
【請求項１０】
前記光学活性材料（３）は、結晶、多結晶又は非晶質材料を含む、請求項１から９までのいずれかに記載の半導体デバイス（１）。
【請求項１１】
前記フォトニック構造体（６）は、少なくとも１つの光導波路（６”）を含む、請求項１から１０までのいずれかに記載の半導体デバイス（１）。
【請求項１２】
前記光学活性材料（３）は、前記フォトニック構造体（６）の透過範囲に実質的に適合する発光波長を有する、請求項１から１１までのいずれかに記載の半導体デバイス（１）。
【請求項１３】
前記結晶シード層（４）は、シリコン、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、結晶酸化物及びチタン酸ストロンチウムバリウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項１２に記載の半導体デバイス（１）。
【請求項１４】
前記光学活性材料（３）の交互層（４０’、４０”）によって実装される少なくとも１つの垂直キャビティ型面発光レーザ（４０）を含む、請求項１から１３までのいずれかに記載の半導体デバイス（１）。
【請求項１５】
前記垂直キャビティ型面発光レーザ（４０）の発光領域（４２）は、前記垂直キャビティ型面発光レーザ（４０）によって発生された光が、前記光学的受動領域（２）の表面に対して垂直な面、及び前記光学的受動領域（２）の面内方向の横方向、のうちの少なくとも１つに実質的に結合されるように、前記光学的受動領域（２）に対して配置される、請求項１４に記載の半導体デバイス（１）。
【請求項１６】
前記光学活性材料（３）によって発生された光は、突合せ結合によって前記フォトニック構造体（６）内に光学的に結合される、請求項１から１５までのいずれかに記載の半導体デバイス（１）。
【請求項１７】
前記フォトニック構造体（６）は、誘電体ブラッグ反射器として実装されるワイヤ状のキャビティを含む、請求項１から１６までのいずれかに記載の半導体デバイス（１）。
【請求項１８】
少なくとも１つの１次元フォトニック結晶キャビティ（１０）を含み、その中に、前記フォトニック構造体（６）の面内方向に、且つ、前記光学活性材料（３）によって発生された光が前記フォトニック構造体（６）に実質的に光学的に結合されるその領域内に、孔（１１）が形成された、請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載の半導体デバイス（１）。
【請求項１９】
前記孔（１１）の孔径は、少なくとも前記フォトニック構造体（６）に向かう一方向において漸進的に大きくなるようにテーパ付けされる、請求項１８に記載の半導体デバイス（１）。
【請求項２０】
少なくとも１つの２次元フォトニック結晶キャビティ（２０）を含み、その中に、周期的孔（１１）が前記フォトニック構造体（６）の２つの面内方向に形成された、請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載の半導体デバイス（１）。
【請求項２１】
前記２次元フォトニック結晶キャビティ（２０）は、少なくとも前記フォトニック構造体（６）及び前記光学活性材料（３）の中に実装された、前記光学活性材料（３）に関して設けられたＩＩＩ−Ｖ族材料又はＩＩ−ＶＩ族材料内に部分的に形成され得るとともに、前記光学的受動領域（２）に関して設けられたシリコン材料内に部分的に形成され得る混合材料キャビティを含む、請求項２０に記載の半導体デバイス（１）。
【請求項２２】
前記光学活性材料（３）によって発生された光を少なくとも１つの所望の場所に結合させるように構成可能な、少なくとも１つのフォトニック結晶導波路（２１）を含む、請求項２０又は請求項２１に記載の半導体デバイス（１）。
【請求項２３】
前記周期的孔（１１）は、実質的に同じサイズである、請求項２０から請求項２２までのいずれか１項に記載の半導体デバイス（１）。
【請求項２４】
少なくとも２つの材料の交互層（３０’、３０”）の少なくとも１つの円形回折格子を含み、前記材料の一方が前記２つの材料の他方よりも低い屈折率を有する、請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載の半導体デバイス（１）。
【請求項２５】
前記フォトニック構造体（６）が、前記光学活性材料からの光を実質的に横方向にフォトニック構造体に光学的に結合させるワイヤ導波路（６”）を含む、請求項２４に記載の半導体デバイス（１）。
【請求項２６】
前記フォトニック構造体（６）は、前記円形回折格子（３０）と、前記光学活性材料（３）によって発生された光が実質的に結合される該フォトニック構造体の領域との間に少なくとも１つのテーパ付き領域（１２）を含む、請求項２４に記載の半導体デバイス（１）。
【請求項２７】
少なくとも１つの光学用途での使用のための半導体デバイス（１）を製造する方法であって、
光を透過及び／又は結合することができる、光学的受動領域（２）の一部分として設けられた、光学活性材料の成長のための結晶テンプレートを与える、結晶ウェハを含む結晶シード層（４）内に、前記結晶シード層（４）の中まで延びる、所定の構造（５）を形成することと
ＩＩＩ−Ｖ族材料及びＩＩ−ＶＩ族材料のうちの少なくとも１つを含み、光の発生、増幅、検出及び／又は変調のいずれかの機能で作用する、光学活性モードで動作可能な光学活性材料を、前記所定の構造（５）内であって、該所定の構造（５）内に設けられた前記光学活性材料より大きいバンドギャップを有する材料を含むバッファ層（３’）の上にエピタキシャルに成長させることと、
前記光学的受動領域（２）を、少なくとも１つのフォトニック構造体（６）を含むように構造化するステップと、
を含む方法。
【請求項２８】
前記光学的受動領域（２）が、前記所定の構造（５）内の前記光学活性材料のエピタキシャル成長の後で、前記フォトニック構造体を含むように構造化される、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記所定の構造（５）は、１より大きいアスペクト比、即ち、その幅／直径に対するその高さの比を有するように形成される、請求項２７又は請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
過剰の光学活性材料を除去するための洗浄ステップをさらに含み、前記洗浄ステップは、前記構造化するステップの前に実施される、請求項２７から請求項２９までのいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学用途に使用するための半導体デバイス及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
将来のコンピューティング・システムの要件を満たすためには、より高速でエネルギー効率の高い電気的相互接続の代替物、例えば、オン・チップ光相互接続及びチップ間光相互接続が必要となり得る。集積光学系、特にシリコン・フォトニクスは、そのようなニーズを適切に満たすことができる。高速デバイス及び／又は用途に使用するのに適したパフォーマンス・ケイパビリティを有する相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）をベースとするチップの費用効率が高い大量製造のためには、適合する光源による集積光相互接続を設ける必要がある。これに関する問題は、シリコンの間接バンドギャップのため、シリコン・ベースの光源が入手できないこと及び／又は使用できないことである。この問題は、シリコン・フォトニクス及びより一般的にはシリコン・プラットホームに基づく集積光学系に関連した光源として典型的に使用されるＩＩＩ−Ｖ族ベースの半導体材料系を使用することによって対処されてきた。しかし、これに関して、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とシリコンとの間の格子不整合による付随する問題が生じ、このことがシリコン・プラットホーム上にＩＩＩ−Ｖ族ベースの光源を直接的にモノリシック集積化することを容易ではないものにしている。そのような集積を容易にするためにこれまでに提案された手法においては、接合された、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの前処理された光源又はブランケット利得材料が使用されている。これに関して、前処理されたＩＩＩ−Ｖ族ベースの光源を所与の導波路構造体に接合するときに比較的高精度の位置合せを達成することは、特に、位置合せ精度が接合プロセスによってさらに制約され得るので、時間がかかり困難であり得る。ブランケットＩＩＩ−Ｖ族材料を前処理されたシリコン・ベースの導波路の上に接合するために、ＩＩＩ−Ｖ族層のパターン形成に関与するリソグラフィ・ステップのために設けられた、シリコン・ウェハ上に位置する位置合せマークを使用することができる。例えばＩＩＩ−Ｖ族材料などをベースとする光源のような化合物半導体系の、例えばシリコン導波路及び／又は共振器のような光学構造体に対する位置合せ精度は、ある程度リソグラフィ精度に依存し得るので、これは特定の用途には不十分であり得る。一般に、そのような異種／ハイブリッド集積光学系の位置決め精度は、モノリシック集積に比べると本質的に低い。さらに、歩留まりに関して、異種／ハイブリッド集積は、集積電子工学によって規定される標準に適合しないことがある。これに関して、典型的には、歩留まり特性は、例えば単一デバイスに関して９０％程度である。
【０００３】
異種／ハイブリッド集積光学系、特にシリコン・フォトニクスと共に使用されるＩＩＩ−Ｖ族ベースの光源に関して考慮すべきさらなる問題は、発生された光をいかにしてこのような系内に配置するかに関係する。これに関して、光は、ＩＩＩ−Ｖ族材料系との重なりが比較的小さい状態でシリコン内に配置されることになる可能性があり、その結果、比較的低い材料利得及び高い閾値電流となり得る。或は、光は、主としてＩＩＩ−Ｖ族材料系内に配置することも可能であり、その場合、利得区域との比較的良好な重なりが存在することになるが、比較的低い光出力の一因となり得る損失性共振器となる可能性がある。
【０００４】
以前に提案されたシリコン・プラットホーム上のハイブリッド／非集積化を使用して製造されるデバイス／システムは、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３及び非特許文献４に記載されている。
【０００５】
非特許文献５には、ポリマー接着剤を用いたＩＩＩ−Ｖ族層のシリコン・ウェハへの接合が記載されている。この文献は、ハイブリッド／異種集積光学系に関して前述した以前に提案された光デバイス／システムに付随する問題に対する解決策を扱う／与えることができる、所与の光学用途に使用するのに適した光デバイス／システムによる光学的特性及び／又は機能性についての教示をなんら含んでいないように思われる。
【０００６】
次に、非特許文献６を参照すると、シード層を接合して次の成長を行うことによる、シリコン上のＩＩＩ−Ｖ族トランジスタの製造が記載されている。この文献は、ハイブリッド／異種集積光学系に関して前述した以前に提案された光デバイス／システムに付随する問題に対する解決策を扱う／与えることができる、所与の光学用途に使用するのに適した光デバイス／システムによる光学的特性及び／又は機能性についての教示をなんら含んでいないように思われる。
【０００７】
非特許文献７には、アスペクト比トラッピングを用いた、シリコン上の酸化物トレンチ内のＩＩＩ−Ｖ族エピタキシが報告されている。また、非特許文献８を参照すると、アスペクト比トラッピング及びエピタキシャル横方向成長による、シリコン上仮想Ｇｅ基板上の金属有機物化学気相堆積によるＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸レーザの形成が示されている。これらの文献は、それぞれ、シリコン上にＩＩＩ−Ｖ族材料系のような化合物半導体材料系を含む構造体の製造に付随する既知の問題への対処に関するものであり、これらの問題は、かかる構造体が集積されるデバイスの性能低下を引き起こすこともある。かかる問題は、ＩＩＩ−Ｖ族材料系とシリコンとの間の格子不整合及び熱膨張係数の差に関係する。しかし、これらの文献のいずれも、ハイブリッド／異種集積光学系、並びに／又は、モノリシック集積化、及び、光源と、導波路、より一般的にはフォトニック構造体のような光学的構造体との光学的結合に関する前述の問題に対処していない。
【０００８】
シリコン・プラットホーム上の直接のＩＩＩ−Ｖ族材料のエピタキシャル成長及び／又はナノワイヤをベースとする発光デバイス及び光検出器が、非特許文献９、非特許文献１０及び非特許文献１１に報告されている。これらの文献は、シリコン・プラットホーム上のＩＩＩ−Ｖ族ベースの光源のモノリシック集積化に取り組むものではないように思われる。さらに、これらの文献は、ハイブリッド／異種集積光学系に付随する問題及び／又は論点に対する何らかの解決策／代替法に取り組む／提案するものではない。
【０００９】
次に非特許文献１２を参照すると、ここでは、光ポンピング一次元フォトニック・キャビティ・レーザが予め構造化された直線シリコン導波路に垂直方向に結合される。シリコン導波路に対するレーザの位置合せは、シリコン導波路内に形成されたマーカを用いる電子ビーム・リソグラフィによって行われ、５０ｎｍより優れた重ね合わせ精度が潜在的に達成される。この文献は、受動的光学構成要素／側面を有する光源の電気的ポンピング及び／又は横方向結合についてなんら開示していない。さらにこの文献は、本明細書において前述したハイブリッド／異種集積光学系に付随する問題／論点にどのように取り組むかについての指示を与えないように思われる。
【００１０】
非特許文献１３には、２次元フォトニック結晶上への有機利得材料のスピン・コーティングが報告されている。スピン・コーティングは、有機利得材料には適するが、例えばＩＩＩ−Ｖ族材料系のような固体利得材料には適合しない。さらに、この文献は電気的ポンピングについてなにも開示していない。
【００１１】
次に、非特許文献１４を参照すると、円形回折格子、及び開示されたデバイスの変調器としての使用が記載されている。電気的ポンピング、又はＩＩＩ−Ｖ族材料系とシリコンとの集積化についての教示は何ら与えられていない。
【００１２】
特許文献１は、電子を注入するための第１の電極ユニットと、正孔を注入するための第２の電極ユニットと、第１の電極ユニット及び第２の電極ユニットにそれぞれ電気的に接続された発光ユニットとを含む発光デバイスを開示しており、ここで、発光ユニットは単結晶シリコンで形成され、発光ユニットは、第１の表面（上面）及び第１の表面に対向する第２の表面（下面）を有し、第１及び第２の表面の面配向は（１００）面に設定され、第１及び第２の表面に直交する方向の発光ユニットの厚さは極端に薄くされている。この文献は、シリコン光源及びシリコン・レーザの製造及び使用について記述している。光が発生されるプロセスは、直接的バンドギャップ遷移ではなく衝撃イオン化に基づくもののように思われる。さらに、光学活性局面のためのＩＩＩ−Ｖ族材料の使用についても、またそれとシリコンとの集積化及び／又は使用も、この文献には開示されていないように思われる。＜１２００ｎｍにおける動作が記載されているようであり、このことは、開示されたデバイスを例えばシリコン導波路を使用する光伝搬にとっては魅力のないものにし得る。またこの文献は、本明細書において前述したハイブリッド／異種集積光学系に付随する問題／論点にどのように取り組むかについての指示を与えないように思われる。
【００１３】
特許文献２は、ハイブリッド・エバネッセント・レーザを電気的にポンピングするための装置及び方法について記載している。一例として、その装置は、シリコン内に配置された光導波路を含む。活性半導体材料が光導波路を覆うように配置され、光導波路と活性半導体材料との間にエバネッセント結合界面を定め、それにより、光導波路によって案内される光学モードが、光導波路と活性半導体材料の両方に重なるようになっている。電流注入経路は、活性半導体材料の中に定められ、少なくとも部分的に光学モードと重なり、その結果、少なくとも部分的に光学モードに重なる電流注入経路に沿った電流注入に応答して、活性半導体材料の電気的ポンピングに応じて光が発生される。この文献において、活性半導体材料によって発生された光は、受動局面を構成するシリコン導波路にエバネッセントに結合される。シリコン上の光源を役立てるために提起されたこの手法は、直接的なモノリシック集積化ではなくハイブリッド／異種集積化に基づくものである。活性半導体材料は、シリコン導波路から遠いところに配置されるので、発生された光の受動局面に対する位置は相対的に変更されないであろう。また、発生された光と活性半導体材料との重なりは比較的小さくなり得、これは、同時にハイブリッド動作モードを伴い、即ち、主に受動モードであり、活性モードは比較的小さい。そのようなハイブリッド動作モードは、比較的高い閾値電流及び低い光出力レベルを生じ得る。
【００１４】
特許文献３は、化合物半導体をシリコン導波路の上に接合してシリコン基板の上にレーザを実現する方法を開示している。この文献は、モノリシック集積化ではなく、化合物半導体材料系に基づく光源のシリコン基板に対する異種集積化に関するものである。
【００１５】
特許文献４は、上面に少なくとも１つの導波路を含むシリコン・オン・インシュレータ基板と、利得層を含む化合物半導体基板とを備え、化合物半導体基板に量子井戸混合プロセスが施され、化合物半導体基板の上面がシリコン・オン・インシュレータ基板の上面に接合された、シリコン・レーザ混合集積デバイスを開示する。この文献は、モノリシック集積化ではなく、化合物半導体基板の表面のシリコン・オン・インシュレータ基板に対するハイブリッド／異種集積化に関するものである。作製された構造体の屈折率コントラストに基づいて、レーザ光源／化合物半導体局面によって発生された光は主としてシリコン内に閉じ込められ、化合物半導体の内部に閉じ込められるのは比較的小さい割合であり、これが、レーザの効率を制限するように働くことがあり、その結果、電力消費が比較的大きくなり得る。
【００１６】
特許文献５は、多様な色の光を放射する装置を開示し、該装置は、水素化シリコンの分離マトリックス内に形成された結晶シリコン量子ドットで形成されたレーザ発振層であって、該量子ドットは３つのパッチ内に形成され、３つのパッチの各々は異なるサイズの量子ドットを中に有し、それにより３つの異なる色の光が生成される、レーザ発振層と、レーザ発振層の下の、ＧａＰ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＺｎＳの群から選択されるｐ型半導体の障壁層と、障壁層の下の基板部材と、レーザ発振層の上の、ＧａＰ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＺｎＳの群から選択されるｎ型半導体層と、基板部材の下の正電位コンタクトと、各々が３つのパッチのうちの異なる１つの上方にある３つの負電位コンタクトであって、この３つのコンタクトの各々が正電位コンタクトと共に、３つのパッチのうちの異なる１つに選択的にバイアスをかけるように働く、３つの負電位コンタクトと、３つのパッチを取り囲む同心回折格子の３つのセクタであって、セクタの各々が３つのパッチのうちの隣接する１つによって生成される光の色に対応する半径方向周期を有し、セクタの各々が隣接パッチによって放射された光子に共振してコヒーレントな光放射を誘導する、３つのセクタと、を含む。この文献は、シリコン内のシリコン量子ドットの作製に関係するものである。これは、シリコン・プラットホームに基づくフォトニック構造体及び／又は光導波路のような光学構造体に関する、ＩＩＩ−Ｖ族材料系等の化合物半導体に基づく光／レーザ光源のモノリシック集積化を取り扱うものではない。
【００１７】
特許文献６は、ドープＧｅを含み、Ｇｅの直接バンドギャップからおよそ１５５０ｎｍの光放射を生成するようになっている少なくとも１つの活性層と、少なくとも１つの活性層の頂部領域に配置された第１の閉じ込め構造体と、少なくとも１つの活性層の底部領域に配置された第２の閉じ込め構造体と、を含むレーザ構造体を開示している。この文献はシリコン・プラットホーム上でのレーザの作製及び使用を記載している。利得媒体は、例えばＩＩＩ−Ｖ族材料系などの化合物半導体ではなく、直接バンドギャップ材料を模倣するように仕立てられドープされたゲルマニウムをベースとするもののように思われる。この検討する開示においては、垂直キャビティ面発光型レーザ(ＶＣＳＥＬ:ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｃａｖｉｔｙ  ｓｅｌｆ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｌａｓｅｒ）のような特定のキャビティ設計が企図されている。この文献は、本明細書で前述したハイブリッド／異種集積光学系に付随する問題／論点にどのように取り組むかについての指示を与えないように思われる。
【００１８】
特許文献７は、（ａ）第１の半導体材料を含むベース層の上に配置され、ベース層まで延びる開口部を定める第１のクラッド層と、（ｂ）第１の半導体材料を含み、基板の上に配置される光導波路と、（ｃ）ベース層の上に少なくとも開口部内でエピタキシャルに成長させられた第２の半導体材料とを含む光検出器であって、導波路に光学的に結合された真性領域を含み、真性領域の少なくとも一部分が第１のクラッド層の上方に延びて導波路と横方向に位置合せされる、光検出器と、を含む集積光検出器装置を開示している。開示された製造方法は、多結晶導波路に横方向に結合され、専用のマルチ・ステップ位置合せ手続きによって該導波路に位置合せされる、ゲルマニウム光検出器に関するものである。この文献は、化合物半導体をベースとする光源をシリコン・プラットホームをベースとする集積光学系に対してどのようにしてモノリシックに集積することができるかに取り組むものではない。
【００１９】
特許文献８は、少なくとも１つの導波路を含むシリコン層と、絶縁層と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物群に格子整合する層とを含む多層構造体であって、格子整合層が絶縁層の１つの面と接触し、この絶縁層の格子整合層とは反対側の面がシリコン層と接触する、多層構造体を開示している。シリコン層及び絶縁層は、光検出器ゾーンを構成するような材料で充填された少なくとも１つの連続キャビティ又は光源ゾーンを構成するような材料で充填された少なくとも１つの連続キャビティのいずれか又は両方を含む。この文献には、表面シリコン層、二酸化シリコン層、格子整合層、埋込み酸化物層及びシリコン・ベースを上から下へ順番に多層ウェハ構造体が開示されている。表面シリコン・コア層は、導波路構造体を含むように構造化され、二酸化シリコン層は、クラッド層を含む。表面シリコン層及び二酸化シリコン層は、格子整合層の上面まで延びるキャビティを含むように構造化される。キャビティは、それにより光学活性局面が光源ゾーン及び／又は光検出器ゾーンを含むように促進する材料で充填される。格子整合層は、光源ゾーン及び光検出器ゾーンの成長のためのテンプレートとして働き、ゲルマニウムを含むことが最も好ましい。ゲルマニウムを含む格子整合層に関して、及び、この文献において認められているように、シリコン上での高品質エピタキシャル・ゲルマニウムの成長は、格子不整合によって形成されるミスフィット転位のために容易ではなく、そして、ゲルマニウム上のホモエピタキシ／へテロエピタキシは良い結晶テンプレートを必要とするので、ゲルマニウム表面内に損傷を引き起すのを避けるように又は後でその損傷を取り除くように、次の／任意の処理ステップを行う必要がある。さらに、格子整合層は上部二酸化シリコン層に接合する必要があり、このことが、この文献に開示されるデバイスの製造における処理ステップの数及び／又は複雑さを増大させることがある。また、この文献は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物のような光学活性材料はシリコン・デバイス製造プロセスを汚染し損傷する危険性があるので、いかなる電子回路及び導波路のシリコン層への組込みも光源及び光検知器ゾーンの準備の前に行うこと、及び、かかる電子回路及び／又は導波構造体の組込みのための処理ステップは、格子整合層に使用される材料の融点を超えないようにする必要があること、という指示を与える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０１２８７１３（Ａ１）号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００８／０００２９２９（Ａ１）号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００８／０１９８８８８（Ａ１）号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００９／０２４５２９８（Ａ１）号明細書
【特許文献５】米国特許第５７０３８９６号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００７／０１０５２５１号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００７／０１０４４４１号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２０１０／０２９５０８３（Ａ１）号明細書
【非特許文献】
【００２１】
【非特許文献１】Ｆａｎｇ他、「Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ｐｕｍｐｅｄ  ｈｙｂｒｉｄ  ＡｌＧａＩｎＡｓ−ｓｉｌｉｃｏｎ  ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ  ｌａｓｅｒ」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、２００６年、第１４巻、第２０号、ｐｐ．９２０３−９２１０
【非特許文献２】Ｖａｎ  Ｃａｍｐｅｎｈｏｕｔ他、「Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ｐｕｍｐｅｄ  ＩｎＰ−ｂａｓｅｄ  ｍｉｃｒｏｄｉｓｋ  ｌａｓｅｒｓ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｗｉｔｈ  ａ  ｎａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｃｉｒｃｕｉｔ」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、２００７年、第１５巻、第１１号、ｐｐ．６７４４−６７４９頁
【非特許文献３】Ｂｏｕｃａｒｔ他、「Ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ  ＤＢＲ  ａｎｄ  ｔｕｎｎｅｌ−ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ：  Ａ  ＣＷ  ＲＴ  ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  ｌｏｎｇ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ＶＣＳＥＬ」、ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｓｅｌ．Ｔｏｐｉｃｓ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、１９９９年、第５巻、第３号、ｐｐ．５２０−５２９
【非特許文献４】Ｍｉ他、「Ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃ  ａｎｄ  ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｄｏｔ  ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  ｌｏｎｇ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｌａｓｅｒｓ  ｏｎ  ＧａＡｓ  ａｎｄ  Ｓｉ」、ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｓｅｌｅｃｔｅｄ  ｔｏｐｉｃｓ  ｉｎ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、２００８年、第１４巻、第４号、ｐｐ．１１７１−１１７９
【非特許文献５】Ｒｏｅｌｋｅｎｓ他、「ＩＩＩ−Ｖ／Ｓｉ  ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  ｂｙ  ｄｉｅ  ｔｏ  ｗａｆｅｒ  ｂｏｎｄｉｎｇ」、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｔｏｄａｙ、２００７年、第１０巻、第７−８号、ｐｐ．３６−４３頁、。
【非特許文献６】Ｙｏｋｏｙａｍａ他、「ＩＩＩ−Ｖ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  ｎ−ｃｈａｎｎｅｌ  ｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ  ｗｉｔｈ  ｂｕｒｉｅｄ  Ａｌ２Ｏ３  ｌａｙｅｒｓ  ａｎｄ  ｓｕｌｐｈｕｒ  ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ：  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｉｎ  ｃａｒｒｉｅｒ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ａｔ  ｔｈｅ  ｂｏｔｔｏｍ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、２０１０年、第９６巻、１４２１０６
【非特許文献７】Ｌｉ他、「Ｄｅｆｅｃｔ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ＧａＡｓ  ｅｐｉｔａｘｙ  ｏｎ  Ｓｉ（００１）  ｕｓｉｎｇ  ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ａｓｐｅｃｔ  ｒａｔｉｏ  ｔｒａｐｐｉｎｇ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、２００７年、第９１巻、０２１１１４
【非特許文献８】Ｌｉ他、「Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ  ｌａｓｅｒｓ  ｏｎ  ｖｉｒｔｕａｌ  Ｇｅ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ  ｖｉａ  ａｓｐｅｃｔ−ｒａｔｉｏ  ｔｒａｐｐｉｎｇ」、J．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、２００９年、第１５６巻、Ｈ５７４
【非特許文献９】Ｂｊｏｅｒｋ他、「Ｓｉ−ＩｎＡｓ  ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｅｓａｋｉ  ｔｕｎｎｅｌ  ｄｉｏｄｅｓ  ｗｉｔｈ  ｈｉｇｈ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、２０１０年、第９７巻、１６３０５１
【非特許文献１０】Ｃｈｅｎ他、「Ｎａｎｏｌａｓｅｒｓ  ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ」、Ｎａｔｕｒｅ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ、２０１１年、５巻、ｐｐ．１７０−１７５
【非特許文献１１】Ｃｈｕａｎｇ他、「ＧａＡｓ  ｂａｓｅｄ  ｎａｎｏｎｅｅｄｌｅ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ  ａｎｄ  ａｖａｌａｎｃｈｅ  ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ  ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃａｌｌｙ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｏｎ  ａ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ」、Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、２０１１年、第１１巻、ｐｐ．３８５−３９０
【非特許文献１２】Ｈａｌｉｏｕａ他、「Ｈｙｂｒｉｄ  ＩＩＩ−Ｖ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ／ｓｉｌｉｃｏｎ  ｎａｎｏｌａｓｅｒ」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、２０１１年、第１９巻、９２２１
【非特許文献１３】Ｂａｕｍａｎｎ他、「Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｌａｓｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｇａｉｎ  ｍａｔｅｒｉａｌ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃｓ、２０１０年、第１２巻、０６５００３
【非特許文献１４】Ｍｏｌｌ他、「Ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ  ｑｕａｌｉｔｙ−ｆａｃｔｏｒ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ  ｗｉｔｈ  ｐｅｒｆｅｃｔ  ａｚｉｍｕｔｈａｌ  ｍｏｄａｌ−ｓｙｍｍｅｔｒｙ」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、２００９年、第１７巻、２０９９８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
従って、これまでに提案された、例えば前述のような異種／ハイブリッド集積光学系に基づく光学系を上回る改善された性能、特に低い閾値電流及び／又は高い光出力を与える、任意の所与の光学用途のための半導体デバイスを提供することが課題である。また、そのような半導体デバイスに関して、例えばＩＩＩ−Ｖ族材料系のような化合物材料系に基づく光学活性局面を、例えばシリコンに基づく集積光学プラットホーム上に直接且つモノリシックに集積することが課題である。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の第１の態様の実施形態により、少なくとも１つの光学用途での使用のための半導体デバイスが提供され、該半導体デバイスは、実質的に光学的受動モードで動作可能な少なくとも１つの光学的受動局面と、実質的に光学活性モードで動作可能な少なくとも１つの材料を含む少なくとも１つの光学活性材料とを含み、光学的受動局面は、少なくとも１つの結晶シード層をさらに含み、光学活性材料は、光学的受動局面内に設けられて結晶シード層の少なくとも上面まで延びる少なくとも１つの所定の構造内にエピタキシャルに成長させたものであり、光学的受動局面は、少なくとも１つの受動フォトニック構造体を含むように構造化される。結晶シード層は、結晶ウェハを含むか又は結晶ウェハで構成される。光学活性材料は、ＩＩＩ−Ｖ族材料及びＩＩ−ＶＩ族材料のうちの少なくとも１つを含むか又はそれで構成される。
【００２４】
一実施形態によれば、光学的受動局面は、所定の構造内の光学活性材料の成長の後で、受動フォトニック構造体を含むように構造化される。
【００２５】
本発明の実施形態において、光／レーザ源の基盤を形成する光学活性材料を、光学的受動局面内に設けられた所定の構造内で成長させる。光学活性材料によって発生された光は、光学的受動局面のフォトニック構造体に光学的に結合され、所望の場所に向けて透過され及び／又は案内される。光学活性材料を、選択された材料及び／又は層構成を有する光学的受動局面内で成長させるので、利得媒体及び光透過／案内材料及び／又はそれらの構造部の中で発生された光の遥かに改善された重なりを得ることができる。従って、本発明の実施形態により、従来提案されたデバイスに比べてより高い材料利得及びそれゆえに改善されたモード利得を得ることができる。改善されたモード利得により、本発明の実施形態において、光学活性材料を用いて実装される光／レーザ源の、より低い閾値電流及び改善された光学的性能を役立てることができる。本発明の実施形態のさらに別の有利な特徴は、所定の構造が結晶シード層の少なくとも上面まで延びるように設けられ、これが光学活性材料の成長のための結晶テンプレートを与えるので、実装が容易なことである。従って、所定の構造を設けることが、対応する接合及び／又は位置合せプロセスを必要とせずに行われる。光学的受動局面はまた、半導体デバイスの光学的受動領域として表すこともできる。
【００２６】
一実施形態によれば、所定の構造は、結晶ウェハの中まで延びる。
【００２７】
さらに別の実施形態によれば、所定の構造のアスペクト比、即ち、その幅／直径に対するその高さの比は、１より大きくなるように、より好ましくは３より大きくなるように選択される。
【００２８】
好ましくは、所定の構造は、光学的受動局面に対して形成された誘電体開口部を含み、光学的受動局面は、所定の構造内の光学活性材料の成長の後で構造化される。本発明の実施形態において、所定の構造は、光学的受動局面内に形成される。所定の構造の外側側壁に関して、光学的受動局面は、各々の層がそれぞれの誘電体材料を含むことができるとともにそれらの層のうちの１層が別の層よりも低い屈折率を有する、複層構造体を含むことができる。本発明の実施形態において、誘電体開口部の構造的特性及び／又は材料組成を選択して、所定の構造から光学活性材料によって発生される光の、フォトニック構造体へのより効率的な光学的結合、及び、フォトニック構造体による所望の場所への光透過／案内の損失の削減をサポートすることができる。このようにして、より低い閾値電流及びより高い光出力を役立てることができ、これが改善されたデバイス性能の利点を本発明の実施形態に及ぼす。これに関して、誘電体開口部は、シリコン、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、アンチモン化ガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、ヒ化インジウムアルミニウム、リン化インジウムヒ素、リン化インジウムガリウム、リン化ガリウム、ヒ化インジウムガリウム、リン化インジウムガリウムヒ素、酸化アルミニウム、五酸化タンタル、二酸化ハフニウム、二酸化チタン、二酸化シリコン、窒化シリコン及び酸窒化シリコン、のうちの少なくとも１つを含むことが望ましい。
【００２９】
光学活性材料は、レーザ、発光ダイオード、スーパ・ルミネッセント・ダイオード及び半導体増幅器のうちの少なくとも１つを含む発光構造体として実装されることが好ましい。光学活性材料は、多数の異なる形態の発光構造体として実装することができるので、この特徴は、用途の広さという利点を本発明の実施形態に及ぼす。
【００３０】
所定の構造は、トレンチ、孔又はこれらの組合せであることが望ましい。所定の構造は、光学的受動局面に関して設けられた構造的特徴部であり、本発明の実施形態において、トレンチ、孔又はこれらの組合せとして選択される。このような構造部は、場所及び／又は構造的特性に関して比較的容易に及び／又は正確に設けることができるので、それらの形状及び／又はサイズを目的の特定のデバイスに合わせて典型的には１０ナノメートルから１０マイクロメートルまでの範囲で適合させることができることから、実装の容易さ及び用途の広さという利点を本発明の実施形態に及ぼす。
【００３１】
所定の構造の少なくとも１つの構造的特性は、光学活性材料の所望のエピタキシャル成長をそれにより助長するように選択されることが好ましい。光学的受動局面は、所定の構造内での光学活性材料のエピタキシャル成長の後で構造化され、それにより光学活性材料の所望の光学的結合がもたらされる。所定の構造の幅、高さ及び／又は形状などの１つ又は複数の構造的特性を適切に選択することによって、光学活性材料のエピタキシャル成長及び／又は光学的受動局面に対する光学的結合をさらに改善することができ、及び／又は、例えば本発明の実施形態の用途に適合するように設けることができる。さらに、光学活性材料及び光学的受動局面に使用されるそれぞれの材料／材料系の間のいかなる格子不整合に対しても、かかる選択によって対処することができる。
【００３２】
所定の構造は、光学的受動局面の所定の位置に設けられることが望ましい。光学活性材料と光学的受動局面との光学的結合に関して、光学活性材料は、光学的受動局面の表面全体にわたって成長させるのではなく所定の構造内に局所的に成長させる。例えば、所定の構造を、光学的受動局面内の、光学活性材料によるレーザ／光源の集積化が予期されるところに形成することができる。光学活性材料を光学的受動局面に対して全般的に設けた場合には、光学活性材料を所定の構造以外の領域から除去するためのさらなる処理ステップを必要とするが、本発明の実施形態のこの特徴は、光学活性材料を光学的受動局面に対して所望通りに設けることができるので、本発明の実施形態に設計、製造及び実装の容易さの利点を及ぼすことができる。
【００３３】
実施形態によれば、光学活性材料は、ヒ化ガリウム、アンチモン化ガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、ヒ化インジウムアルミニウム、リン化インジウムヒ素、リン化インジウムガリウム、リン化ガリウム、ヒ化インジウムガリウム及びリン化インジウムガリウムヒ素のうちの少なくとも１つを含む、ＩＩＩ−Ｖ族材料系、ＩＩ−ＶＩ族材料系及びそれらのヘテロ構造体のうちの少なくとも１つを含む。光学活性材料は、結晶、多結晶又は非晶質材料を含むことが望ましい。本発明の実施形態は、光学活性材料のための特定の材料／材料系の使用に限定されず、実際に光学活性材料のために多様な広範囲の材料を使用することができ、この特徴が、本発明の実施形態を使用することができるデバイス及び／又は光学系／用途の点で多用性の増大という利点をもたらす。適切な材料積層体及び／又は量子ドットが、光学活性材料に関して本発明の範囲に包含される。
【００３４】
フォトニック構造体は、少なくとも１つの光導波路を含むことが好ましい。この特徴により、光を所定の構造から所望の場所へ透過し及び／又は結合することができる。
【００３５】
光学活性材料は、フォトニック構造体の透過領域に実質的に適合する発光波長を有することが望ましい。この特徴は、本発明の実施形態において改善された及び／又は所望の光学的結合／光透過を促進することができる。
【００３６】
一実施形態によれば、結晶シード層は、結晶ウェハを含む。別の実施形態によれば、結晶シード層は、結晶酸化物層を含む。本発明の実施形態において、結晶シード層は、所定の構造での光学活性材料の成長のための結晶テンプレートを与え、それにより、改善された光学的結合及び／又はデバイス性能の利点を本発明の実施形態に及ぼす。結晶シード層は、シリコン、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、結晶酸化物及びチタン酸ストロンチウムバリウムのうちの少なくとも１つを含むことが望ましい。結晶酸化物層を含む結晶シード層に付随する利点としては、結晶シード層が結晶酸化物層を含む場合の本発明の実施形態において典型的に設けられる下層のホスト基板からの分離を与える絶縁層となること、導波路構造体を含むように構造化された光学的受動局面に関して下部クラッド層として使用することができること、調整可能な屈折率材料として機能することもできること、という機能の任意の組合せが挙げられる。そのうえ、従来提案されたデバイスとは対照的に、結晶酸化物層は光学活性材料と格子整合する必要はない。
【００３７】
本発明の一実施形態は、光学活性材料の交互層によって実装される少なくとも１つの垂直キャビティ型面発光レーザを含むことが好ましい。この特徴は、垂直キャビティ構造部によって光学活性材料と光学的受動局面とを光学的結合するための結合機構を含む。具体的には、誘電体ブラッグ反射器を形成する光学活性材料の交互層を有する垂直キャビティ型面発光レーザが提案される。この特徴の利点は、結合特性を、ミラー反射率の変化により、即ち、より多くの又はより少ない光学活性材料の交互層を使用することにより、又は光学活性材料の積層体の組成を変えることにより、所望の通りに調整することができることであり得る。この特徴のさらなる利点は、横方向平面のスペース節約が所望される光学系／用途における本発明の実施形態の集積化／実装の容易さであり得る。これに関して、垂直キャビティ型面発光レーザの少なくとも発光領域は、垂直キャビティ型面発光レーザによって発生された光が、光学的受動局面の表面に対して垂直な面、及び光学的受動局面の面内方向の横方向、のうちの少なくとも１つに実質的に結合するように、光学的受動局面に対して配置されることが望ましい。この特徴により、垂直キャビティ型面発光レーザからの光を、光学的受動局面に対して所望の１つ又は複数の平面内で結合させることができ、それゆえ、本発明の実施形態を使用することができる用途／光学系の範囲を広げるという利点を及ぼすことができる。
【００３８】
本発明の一実施形態における横向きキャビティ構造部による第１の結合機構に関連して、光学活性材料によって発生された光は、突合せ結合（ｂｕｔｔ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）によってフォトニック構造体内に光学的に結合されることが好ましい。本発明の実施形態のこの特徴に関連する利点としては、光学活性材料から光を実質的に横方向にフォトニック構造体に光学的に結合させることの容易さ、特にフォトニック構造体がシリコンを含む場合の、かかる構造体を確立された相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）プロセスによって製造することができることによる、製造及び／又は集積化の容易さ、が挙げられる。本発明の一実施形態において、フォトニック構造体は、誘電体ブラッグ反射器として実装されるワイヤ・キャビティを含むことが望ましく、この特徴が突合せ結合に関して述べた上記の利点に加わると、レーザ光源及び誘導放出を容易にするというさらなる別の利点を与える。
【００３９】
横向きキャビティ構造部による第２の結合機構に関連して、本発明の一実施形態は、少なくとも１つの１次元フォトニック結晶キャビティを含み、その中に、フォトニック構造体の面内方向に、且つ、光学活性材料によって発生された光がフォトニック構造体に実質的に光学的に結合されるその領域内に、周期的な孔が形成されることが好ましい。１次元フォトニック結晶キャビティとして実装される横向きキャビティのモード体積及び／又は品質因子はより良く制御することができるので、対応する利点が上記の特徴により本発明の実施形態に及ぼされる。これに関して、周期的な孔の孔径は、少なくともフォトニック構造体に向かう一方向において漸進的に大きくなるようにテーパ付けされることが望ましい。漸進的にテーパ付けされた孔は、キャビティ・モードのモード整形及び高い品質因子、並びに改善された品質因子対モード体積比という利点を本発明の実施形態に及ぼす。
【００４０】
横向きキャビティ構造部による第３の結合機構に関連して、本発明の一実施形態は、少なくとも１つの２次元フォトニック結晶キャビティを含み、その中に、周期的孔がフォトニック構造体の２つの面内方向に形成されることが好ましい。２次元フォトニック結晶キャビティとして実装される横向きキャビティによって、面内の両方向におけるモード体積、品質因子、及び／又は、改善された品質因子対モード体積比のさらに良好な制御を達成することができるで、対応する利点が本発明の実施形態に及ぼされる。本発明の一実施形態において、２次元フォトニック結晶キャビティは、少なくともフォトニック構造体及び光学活性材料の中に実装された混合材料キャビティを含むことが望ましい。この特徴は、キャビティが光学活性材料又はフォトニック構造体のどちらかの中に形成されるように限定されないので、実装の容易さという利点を本発明の実施形態に与える。さらに、かかる実装は特定のデバイス及び／又は用途に適合させることができるので、多用性という利点を本発明の実施形態に与えることができる。代替的に、２次元キャビティは、実質的に光学活性材料内に実装されることが好ましく、この特徴は、本発明の実施形態に関して、目標を特定したデバイス及び／又は用途のために用いることができる。第３の結合機構に関して、光学活性材料によって発生された光を少なくとも１つの所望の場所に結合させるように構成可能な少なくとも１つのフォトニック結晶導波路が設けられることが望ましく、この特徴は、光学活性材料によって発生された光の所望の場所に対する改善された光学的結合をもたらすことができるので、本発明の実施形態の改善されたデバイス性能を促進する。２次元フォトニック結晶キャビティを含む本発明の実施形態に関して、周期的な孔は、実質的に同じサイズであることが好ましく、この特徴は、付随して製造及び／又は実装の容易さという利点を有するので、そうした対応する利点を本発明の実施形態に与える。
【００４１】
横向きキャビティ構造部による第４の結合機構に関連して、本発明の一実施形態は、少なくとも２つの材料の交互層の少なくとも１つの円形回折格子を含み、この２つの材料の一方は２つの材料の他方よりも低い屈折率を有することが望ましい。かかる横向きキャビティ設計は、方位対称性を与え、その結果、実質的に全ての面内ｋベクトルに対してバンドギャップをもたらすことができる。さらに、かかるキャビティ設計は、例えば１０６のような高い品質因子値を促進することができる。第４の結合機構に関して、フォトニック構造体は、ワイヤ導波路を含むことが好ましく、この特徴の利点は、光学活性材料からの光を実質的に横方向にフォトニック構造体に光学的に結合させることの容易さ、製造及び／又は集積化の容易さという利点を本発明の実施形態に及ぼす。第４の結合機構に関して、フォトニック構造体は、円形回折格子と、光学活性材料によって発生された光が実質的に結合される該フォトニック構造体の領域との間に少なくとも１つのテーパ付き領域を含むことが望ましい。このテーパ付き構造部は、例えば、光源がＩＩＩ−Ｖ族材料系であり、光学的受動局面がシリコンの光導波路を含む場合、光学活性材料をベースとする光源と光学的受動局面とのそれぞれのモードサイズを適合させるために有利に使用することができる。このようにして、本発明の実施形態のモード利得をさらに向上させることができる。
【００４２】
対応する方法の態様もまた提供されるので、本発明の第２の態様の実施形態によれば、少なくとも１つの光学用途での使用のための半導体デバイスを製造する方法が提供され、該方法は、
光学的受動局面の一部分として設けることができる結晶シード層内に所定の構造を形成するステップを含む。光学的受動局面は、実質的に光学的受動モードで動作することができる。結晶シード層は、結晶ウェハを含むことができ又は結晶ウェハとすることができる。該方法は、さらに、
ＩＩＩ−Ｖ族材料及びＩＩ−ＶＩ族材料のうちの少なくとも１つを含む又は少なくとも１つから成る光学活性材料を所定の構造内にエピタキシャルに成長させるステップを含む。光学活性材料は、実質的に光学活性モードで動作することができる。
該方法は、さらに、
光学的受動面を、少なくとも１つの受動フォトニック構造体を含むように構造化するステップを含む。
【００４３】
本方法のさらなる実施形態によれば、フォトニック構造体を含むように光学的受動局面を構造化するステップは、所定の構造内の光学活性材料のエピタキシャル成長の後に行われる。
【００４４】
さらなる実施形態によれば、過剰な光学活性材料を除去するための洗浄ステップが設けられる。過剰な光学活性材料は、所定の構造の周囲及び／又は光学的受動局面上の任意の光学活性材料とすることができる。過剰な光学活性材料の除去は、湿式化学エッチング、化学機械研磨又はこの目的に適した任意の他の方法によって行うことができる。洗浄ステップは、受動フォトニック構造体を含むように受動部分を構造化するステップの前に行われることが好ましい。
【００４５】
本方法のさらに別の実施形態によれば、所定の構造は、結晶ウェハ内に延びるように形成される。
【００４６】
本方法のさらに別の実施形態によれば、所定の構造は、１より大きい、より好ましくは３より大きいアスペクト比、即ち、その幅／直径に対するその高さの比を有するように形成される。
【００４７】
次に、例証として、添付の図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態の側面図を示す。
【図２】本発明の別の実施形態の側面図を示す。
【図３】（Ａ）〜（Ｄ）本発明の一実施形態を製造するために用いることができるプロセスの異なる段階に対応する本発明の一実施形態の平面図を示す。
【図４】本発明の一実施形態における横向きキャビティ構造部による第１の結合機構を示す。
【図５】本発明の一実施形態における横向きキャビティ構造部による第１の結合機構を示す。
【図６】本発明の一実施形態における横向きキャビティ構造部による第２の結合機構を示す。
【図７】本発明の一実施形態における横向きキャビティ構造部による第３の結合機構を示す。
【図８】本発明の一実施形態における横向きキャビティ構造部による第３の結合機構を示す。
【図９】本発明の一実施形態における横向きキャビティ構造部による第３の結合機構を示す。
【図１０】本発明の一実施形態における横向きキャビティ構造部による第４の結合機構を示す。
【図１１】本発明の一実施形態における横向きキャビティ構造部による第４の結合機構を示す。
【図１２】垂直キャビティ構造部による結合機構を示す。
【図１３】垂直キャビティ構造部による結合機構を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
説明中、同じ参照数字又は記号は同じ部分等を示すのに使用されている。
【００５０】
ここで本発明の第１の態様の実施形態による半導体デバイス１を示す図１を参照すると、該半導体デバイスは、半導体デバイス１の使用中に、光の発生、増幅、検出及び／又は変調のためではなく、所与の位置からの所望の位置への光の透過及び／又は結合のために実質的に光学的受動モードで動作することができる少なくとも１つの光学的受動局面又は領域２を含む。光学的受動局面２は、それにより光学的受動局面２に関して設けられた結晶シード層４の少なくとも上面４’まで延びる、又は図１に示すような本発明の所与の実施形態の場合のように結晶シード層４の中にまで延びる、少なくとも１つの所定の構造５を含むように構造化される。また、実質的に光学活性モードで動作することができる、光の発生、増幅、検出及び／又は変調に適することで選択される少なくとも１つの材料を含む少なくとも１つの光学活性材料３も設けられる。光学活性とは、光学活性材料３が、光学利得を提供することにより発光及び／又は光増幅を促進する特性を有し、そのことによりレーザのような光源及び半導体光増幅器のような光増幅器に適したものとなること、及び／又は、比較的高い非線形性を有し、そのことにより変調器の製造に適したものとなること、又は検出器の製造のための比較的高い吸収特性を有することを意味する。光学活性材料３を所定の構造５内で成長させ、その後、光学的受動局面２を少なくとも１つのフォトニック構造体６を含むように構造化する。このようにして、光学活性材料３は、少なくとも横方向の面内で、光学的受動局面２、特にフォトニック構造体６のようなその構造部と光学的に結合される。
【００５１】
本発明の実施形態において、光学的受動局面２は、結晶シード層４の上面４’上に設けられた多層構造体６’、６”を含む。好ましい実施形態において光導波路を含むフォトニック構造体６は、多層構造体６’、６”の少なくとも１つの層６”内にパターン形成される。これに関して、多層構造体６’、６”の材料は、光学活性材料３によって発生された光のフォトニック構造体６への光学的結合をサポートするように、且つ、フォトニック構造体６の導波特性もサポートするように選択される。好ましい実施形態において、多層構造体６’、６”の材料組成は、１つの層が別の層よりも高い屈折率を有するように選択される。従って、一例として、シリコンが１つの層６”に対してコア層として選択され、二酸化シリコンがクラッド層として機能するように多層構造体６’、６”の別の層６’に対して選択され、フォトニック構造体６は、多層構造体６’、６”のコア・シリコン層６”内にパターン形成された光導波路を含む。本発明の好ましい実施形態において、多層構造体６’、６”は、上部クラッド層６’と、コア層６”と、結晶シード層４の上面４’に隣接して配置された下部クラッド層６’とを含む。一般に、多層構造体６’、６”の材料は、所定の構造５が、光学活性材料３がその中で成長される誘電体開口部を含むように選択される。これに関して、多層構造体６’、６”の材料は、誘電体開口部が、シリコン、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、アンチモン化ガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、ヒ化インジウムアルミニウム、リン化インジウムヒ素、リン化インジウムガリウム、リン化ガリウム、ヒ化インジウムガリウム、リン化インジウムガリウムヒ素、酸化アルミニウム、五酸化タンタル、二酸化ハフニウム、二酸化チタン、二酸化シリコン、窒化シリコン及び酸窒化シリコンのうちの少なくとも１つを含むように選択される。勿論、本発明の実施形態は、多層構造体６’、６”に対するこれらの材料の使用に限定されず、実際には、上記の様なフォトニック構造体６及び／又は誘電体開口部の機能をサポートすることができる任意の材料をそのために使用することができる。代替的に、所定の構造５は、ブロッキングｐ−ｎ接合を備える開口部とすることができる。ブロッキングｐ−ｎ接合の材料は、光学活性材料３及び／又は光学活性材料３を用いて実装される光源構造体をブロックするように選択される。
【００５２】
本発明の実施形態において、所定の構造５は、トレンチ、孔又はこれらの組合せであることが好ましい。所定の構造５の、幅、高さ及び／又は形状のうちの少なくとも１つの構造的特性は、光学的受動局面２に対する、光学活性材料３の所望のエピタキシャル成長及び／又は光学的結合を助長するように選択することができる。本発明の好ましい実施形態において、所定の構造５のアスペクト比、即ち、その幅／直径に対するその高さの比は、１より大きくなるように、より好ましくは３より大きくなるように選択される。本発明の好ましい実施形態において、アスペクト比は、光学活性材料３及び光学的受動局面２に対して使用されるそれぞれの材料／材料系間の格子不整合による欠陥の、アスペクト比による閉じ込めを助長するように、広く選択される。本発明の好ましい実施形態において、所定の構造５の高さは１０００ｎｍとなるように選択され、幅／直径は２５０ｎｍとなるように選択される。本発明の実施形態は、勿論、所定の構造５のアスペクト比、高さ及び／又は幅の寸法の所与の例に限定されず、実際には本発明の範囲に入るその他の任意の寸法を使用することができる。
【００５３】
本発明の実施形態において、所定の構造５は、光学的受動局面２の所与の場所に設けられ、この光学的受動局面は、所定の構造５内に光学活性材料３を成長させた後で構造化される。これに関して、光学的受動局面２は、前述のように多層構造体６’、６”を含むように構造化され、その場合、本発明の好ましい実施形態においては、多層構造体６’、６”の下部クラッド層６’はパターン形成されない。光学活性材料３と光学的受動局面２との光学的結合に関して、光学活性材料３は、光学的受動局面２の表面全体にわたって成長させるのではなく所定の構造５内に局所的に成長させる。これに関して、所定の構造５は、光学的受動局面２内の、光学活性材料３によるレーザ／光源の集積化が予期されるところに形成される。
【００５４】
所定の構造５内の光学活性材料３のエピタキシャル成長に関して、本発明の実施形態において２つの方法が提案される。１つの方法では、光学活性材料３を所定の構造５内で実質的に選択的に成長させる選択的エピタキシャル成長が行われる。これに関して、好ましい実施形態において、多層構造体６’、６”の最上層６’が酸化物層となるように選択される。これは、２重の機能を果たし、導波路として実装されるフォトニック構造体６のクラッド層として役立ち、さらにまた、光学的受動局面２の所定の構造５内の光学活性材料３の選択的成長のためのマスクとして役立つ。別の方法では、光学活性材料３の高さ選択的エピタキシャル成長が行われ、この場合、光学活性材料３を、所定の構造５が形成される光学的受動局面２の表面に対して、少なくとも所定の構造５の領域を超えるように成長させる。従って、光学活性材料３を、少なくとも所定の構造５の内部又は周囲で成長するように光学的受動局面２に対して成長させる。過剰の光学活性材料３は、所定の構造５の周囲及び／又は光学的受動局面の上の任意の光学活性材料とすることができ、これが除去され、その結果、所定の構造５内に光学活性材料３が設けられる。過剰の光学活性材料３の除去は、湿式化学エッチング、化学機械研磨又はこの目的に適した任意の他の方法によって行うことができる。
【００５５】
結晶シード層４に関して、これは、所定の構造５内の光学活性材料３のエピタキシャル成長のための結晶テンプレートを与える。この機能は、結晶シード層４の上面４’によって果たされ、これは本発明の実施形態においては光学的受動局面２の多層構造体６’、６”に隣接して配置され、そしてまた所定の構造５の輪郭に追従する。本発明の実施形態において、結晶シード層４は、結晶ウェハ及び結晶酸化物層のうちの１つを含むことができる。結晶シード層４が結晶ウェハ４を含むように選択される場合、所定の構造は、少なくとも結晶ウェハ４の上面４’まで、又は結晶ウェハ４の中に延びるようにさえ形成することができ、後者のシナリオが図１に示されている。結晶シード層４が結晶酸化物層を含む本発明の実施形態を図１ｂに概略的に示す。結晶酸化物層４は、図２に示すようにハンドリング基板／ウェハ９の上に設けることができ、本発明の好ましい実施形態においては、チタン酸ストロンチウムバリウムを含むように選択される。本発明の実施形態において、且つ結晶シード層４に関して一般的に説明したように、結晶酸化物層４の上面４’は、所定の構造５内の光学活性材料３のエピタキシャル成長に関する情報を与える。代替的に、実装の容易さのために、結晶酸化物層４は、それに隣接する多層構造体６’、６”の最下クラッド層６’と融合されて、それにより所定の構造５内の光学活性材料３の成長に関する結晶情報を与える。一般に、結晶シード層４の材料組成に関して、シリコン、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、及び、チタン酸ストロンチウムバリムのような結晶酸化物、のうちの少なくとも１つを含むように選択することができる。勿論、本発明の実施形態は、結晶シード層４に対するそれらの材料の使用に限定されず、実際には、所定の構造５内の光学活性材料３のエピタキシャル成長を助長することができる他の任意の適切な材料が本発明の範囲内に包含されると見なされる。
【００５６】
本発明の実施形態において、光学活性材料３は、所定の構造５内に直接成長させることができ、又は代替的に、図１から最も明白に分かるように、所定の構造５内に成長させた／設けられた中間／バッファ層３’の上に成長させる。バッファ層３’は、光学活性材料３の構成材料と結晶シード層４との間に存在し得る格子不整合／歪みに対処するために設けることができる。このようにして、歪み緩和によって生成された欠陥を光学活性材料３に伝搬せずに、バッファ層３’に閉じ込めることができる。従って、バッファ層３’の組成は、光学活性材料３によって発生される光を好ましくは吸収しないように光学活性材料３よりも大きいバンドギャップを有する材料を含むように選択することができる。
【００５７】
本発明の実施形態における光発生のための光学活性材料３の実装に関して、これは、光学活性材料３をベースとする光源が、レーザ、発光ダイオード、スーパ・ルミネッセント・ダイオード及び半導体光増幅器のうちの少なくとも１つを含む発光構造体となるように行われる。これに関して、スーパ・ルミネッセント・ダイオードは、レーザと発光ダイオードとの間の中間段階にあるものと考えることができる。半導体光増幅器は、光信号の元の波長を変えずに所望通りに光信号を増幅する、キャビティなしのレーザと考えることができ、その機能は、例えば、特定の高性能受信機構のような特定の用途／デバイスにおいて魅力的であり得る。これに関して、発光構造体は、量子ドット・レーザ及び／又は発光ダイオード、ナノワイヤ・レーザ及び／又は発光ダイオード、量子ポスト・レーザ及び／又は発光ダイオード、量子井戸レーザ及び／又は発光ダイオード、及び単一光子光源のうちの１つによって実装することができる。勿論、本発明の実施形態は、本発明の実施形態における光源を助長するための光学活性材料３の列挙された実装のいずれにも限定されず、実際には、他の任意の適切な実装が本発明の範囲内に包含される。
【００５８】
本発明の実施形態において、光学活性材料３に関して、広く多様な範囲の材料及び／材料系、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族材料系、ＩＩ−ＶＩ族材料系、少なくともシリコン・ナノ粒子、少なくともシリコン量子ドット、ゲルマニウム、及び、それらの、ヒ化ガリウム、アンチモン化ガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、ヒ化インジウムアルミニウム、リン化インジウムヒ素、リン化インジウムガリウム、リン化ガリウム、ヒ化インジウムガリウム、リン化インジウムガリウムヒ素、のうちの少なくとも１つを含むヘテロ構造体、を使用することができる。光学活性材料３に関して、結晶シリコンのような結晶材料、多結晶シリコンのような多結晶材料、又は、非晶質シリコン、非晶質チタン酸バリウムのような非晶質材料を本発明の実施形態において使用することができる。前述の材料／材料系は例として与えられたものである。本発明の実施形態はそれらの使用に限定されず、光学活性材料３に関する本発明の範囲内に入り得る任意の他の材料／材料系が本発明の範囲内に含まれるものと見なされる。一般に、光学活性材料３に関して、所与の目標波長によって定められる所与の用途に適した、比較的高い非線形性、即ち、比較的高い光学利得及び高い吸収を示すようなバンドギャプ特性を有する材料／材料系を、本発明の実施形態において使用することができる。
【００５９】
本発明の実施形態において、光学活性材料３は、光学的受動局面２、特に光導波路として実装される場合のフォトニック構造体６の透過領域と実質的に適合する発光波長を有するように選択することができる。例として、フォトニック構造体６がシリコン導波路を含む場合、光学活性材料３は、１１００ｎｍよりも長波長の透過領域を有するように選択することができる。これに関して、かかる波長領域は、ＧａＡｓでキャップされたＩｎＡｓ量子ドット、（Ｉｎ、Ｇａ）Ａｓ、（Ｉｎ、Ｇａ）（Ａｓ、Ｎ、Ｐ）又は（Ｉｎ、Ｇａ）（Ａｓ、Ｎ、Ｓｂ）、（Ｉｎ、Ｇａ）（Ａｓ、Ｎ）量子井戸、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸、ＩｎＡｓＰ量子井戸、他のＩＩＩ−Ｖ族又はＩＩ−ＶＩ族化合物材料又はゲルマニウムである、光学活性材料３から得ることができる。
【００６０】
図１及び図２に示す本発明の実施形態のさらなる特徴に関して、発光領域／光学活性材料３の電気コンタクトを与えることができるボトムコンタクト８’及びトップコンタクト８”が設けられ。それにより本発明の実施形態が駆動される。ボトムコンタクト８’とトップコンタクト８”とを互いに電気的に分離するために絶縁材料８を設けることができ、これは、例えば酸化シリコン又は窒化シリコンを含むことができる。
【００６１】
次に図３（Ａ）から図３（Ｄ）までを参照すると、本発明の実施形態を作製するのに使用することができるプロセスの種々の段階に対応する本発明の実施形態の平面図が示される。図３（Ａ）に示されるように、所定の構造５が、下にある、光学的受動局面２の結晶シード層４に対して形成される。この例では、図３（Ａ）から分かるように、所定の構造５はトレンチとなるように選択される。図３（Ｂ）に示されるように、光学活性材料３を所定の構造５内にエピタキシャルに成長させる。続いて、図３（Ｃ）に示されるように光学的受動局面２が構造化され、これにより図３（Ｃ）の矢印で示されるように１００ｎｍから５μｍまでの範囲とすることができるがこれに限定されない長手面内の位置合せ公差を伴うフォトニック構造体６を含むようにされ、これが、実装の融通性及び容易さという利点を本発明の実施形態に及ぼす。最後に、図３（Ｄ）に示されるように、本発明の実施形態に対して電気コンタクトが設けられる。
【００６２】
一般に、本発明の一実施形態に関して、光源は、光学活性材料３内にのみ配置することができ、光学的又は電気的にポンピングされた発光を示す。シリコンは、その間接バンドギャップため十分な光ルミネセンス効率を示さないが、比較的低い伝搬損失及び散乱を示す。さらに、シリコンは、確立されたＣＭＯＳプロセスで製造することができるので、容易に集積することができる、費用効率の高い方式で製造することができる導波材料として使用するのに魅力的なものとなる。従って、好ましい実施形態において、光学活性材料３は、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの材料系に基づくものであり、フォトニック構造体６は、シリコン導波路によって実装することができる。これに関して、光学活性材料３によって発生された光の、受動フォトニック構造体６、具体的にはそのコア導波層６”に対する、又は所望の場所に対する光学的結合は、以下に説明する種々の結合機構によって行うことができる。
【００６３】
次に、本発明の一実施形態における横向きキャビティ構造部による第１の結合機構を示す図４及び図５を参照する。図４に示すように、本発明の一実施形態において、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの光源３によって発生された光をシリコン導波路６に実質的に横方向に結合させるための突合せ結合が使用される。レーザを形成するためには、キャビティは、光子が利得媒体内を進み、それにより誘導放出が生成されるように、実装する必要がある。従って、第１の結合機構の代替的実施形態において、受動フォトニック構造体６は、図５に示すように、誘電体ブラッグ反射器として実装されるワイヤ・キャビティを含む。誘電体ブラッグ反射器を形成するためには、例えば、シリコンよりも屈折率が低い、例えば空気のような材料が、図５で分かるように受動フォトニック構造体のシリコンの間に周期的に導入される。
【００６４】
次に、本発明の一実施形態における横向きキャビティ構造部による第２の結合機構を示す図６を参照する。第２の結合機構は、１次元フォトニック結晶キャビティ１０に基づくものであり、その中に、フォトニック構造体６の面内方向に、且つ、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの光源３によって発生された光がフォトニック構造体６に実質的に結合されるその領域内に、周期的な孔１１が形成される。シリコン及びＩＩＩ−Ｖ族材料などの比較的屈折率が高い材料の使用により、屈折率による案内（ｉｎｄｅｘ−ｇｕｉｄｉｎｇ）による垂直及び面内の閉じ込めが容易になる。本発明の実施形態による第２の結合機構の一例においては、図６に示すように、１次元フォトニック結晶キャビティ１０は、ＩＩＩ−Ｖ族材料内に周期的孔１１を形成することによって実装され、シリコン材料は、実質的に、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの光源３によって発生された光を所望の場所に案内するために使用される。図６から分かるように、周期的孔１１は、受動フォトニック構造体６の基盤を形成するシリコン材料に向かう方向に、所与のサイズまで漸進的に大きくなるように実装することができる。漸進的にテーパ付けされた孔は、キャビティ・モードのモード整形及び高い品質因子値という利点を図６に示すような本発明の実施形態に及ぼす。
【００６５】
次に、本発明の一実施形態における横向きキャビティ構造部による第３の結合機構が示す図７から図９までを参照すると、その基盤は、実質的に同じサイズの周期的孔１１がフォトニック構造体６の２つの面内方向に形成された２次元フォトニック結晶キャビティ２０である。周期的孔１１は、反射器として機能する。２次元フォトニック・キャビティ２０内に、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの光源３によって発生された光が閉じ込められる欠陥が存在し、この欠陥の位置は、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの光源３が配置される場所に対応する。これに関して、２次元フォトニック結晶キャビティ２０は、混合材料キャビティとして実装することができ、即ち、図７に示すように、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの光源３のＩＩＩ−Ｖ族材料内に部分的に形成され得るとともに光学的受動局面２に関して設けられたシリコン材料内に部分的に形成され得る欠陥によって実装することができる。代替的に、２次元フォトニック結晶キャビティ２０は、図８及び図９に示すように、完全にＩＩＩ−Ｖ族ベースの光源３のＩＩＩ−Ｖ族材料内に実装することができる。ＩＩＩ−Ｖ族ベースの光源３によって発生された光の結合に関して、光は欠陥に閉じ込められたままであり、図７及び図８のシナリオにおいてはフォトニック結晶導波路２１によって、図９のシナリオにおいてはコア・シリコン層６”及び低屈折率クラッド層６’を含む従来のシリコン導波路６によって、それぞれ、所望の場所又は受動フォトニック構造体６に結合される。
【００６６】
横向きキャビティ構造部の代替的実施形態において、図１０及び図１１に示す第４の結合機構が提供される。これに関して、受動フォトニック構造体６は、ワイヤ導波路６”として実装され、２つの材料のうちの一方が他方よりも低い屈折率を有する少なくとも２つの材料の交互層／キャビティ・ミラー３０’、３０”で形成される円形回折格子３０が設けられ、かかる材料の例は、酸化シリコンと窒化シリコンである。これに関して、図１０及び図１１に示すように、交互層／キャビティ・ミラー３０’、３０”は、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの光源３の基盤を形成するＩＩＩ−Ｖ族材料の場所に相当する場所に作製することができ、シリコン導波路６は、実施的に単独で導波機能を果たし、それにより、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの光源３によって発生された光を所望の場所に結合する。図１１に示す第４の結合機構による横向きキャビティ構造部の例は、シリコン導波路６がそれぞれのキャビティ・モードと導波路モードとの整合を容易にすることができるテーパ付き領域１２を含む点で、図１０に示す構造部に対するさらなる修正を含む。
【００６７】
次に、図１２及び図１３を参照すると、垂直キャビティ型面発光レーザＶＣＳＥＬのような垂直キャビティ型発光構造体によって実装される垂直キャビティ構造部４０に基づく本発明の一実施形態における結合機構が図示されている。ＶＣＳＥＬ４０は、ＩＩＩ−Ｖ族材料の交互層４０’、４０”を含み、これが誘電体ブラッグ反射器／ミラー４１を形成する。積層された多層４０’、４０”は、交互の屈折率を有し、それゆえブラッグ反射器４１が１に近い反射率を有するのを容易にする。これは、本発明の実施形態において、比較的閾値が低い高出力垂直発光レーザ及び／又は発光ダイオードを製造することを容易にする。一般に、垂直キャビティ型面発光レーザ４０は、図１及び図２に示す結晶シード層４の上面４’に対して形成される。
【００６８】
図１２は、垂直キャビティ型面発光レーザ４０の発光領域４２が発生する光が光学的受動局面２、具体的にはフォトニック構造体６の表面に対して実質的に垂直な面内で結合されるようになっている、本発明の実施形態を示す。図１３は、垂直キャビティ型面発光レーザの少なくとも１つの発光領域４２が発生する光が光学的受動局面２、具体的にはフォトニック構造体６の面内方向において実質的に横方向に結合されるようになっている、本発明の実施形態を示す。図１３に示す本発明の実施形態に付随する利点は、トップ・ミラー及びボトム・ミラー４１’が役立てられることである。これとは対照的に、図１２に示す本発明の実施形態においては、トップ・ミラー４１’のみが役立てられる。
【００６９】
図１２及び図１３に示すそれぞれの垂直キャビティ設計は、単独で実装されることも、又は図３から図６までを参照しながら上述した横向きキャビティ構造部のいずれか１つと組み合せて実装することもできる。さらに、図１２及び図１３のミラー／反射器は、誘電体ブラッグ・ミラーではなく、より小型の構造体の使用を容易にすることができる高コントラスト回折格子を用いて実装することができる。ＩＩＩ−Ｖ族材料／光学活性材料３の成長位置は、所定の構造５の位置によって決定され、これが金属有機物化学気相堆積及び分子線エピタキシャル成長のそれぞれの際の気体及び分子前駆体のアクセス点を定める。
【００７０】
ＩＩＩ−Ｖ族ベースの光源３の、フォトニック構造体６／導波路コア６”／導波路クラッド６’／所望の場所に対する光学的結合に関して、ＩＩＩ−Ｖ族／シリコン混合共振器及び／又は３次元キャビティを有するハイブリッド構造を本発明の実施形態の範囲内で企図することができる。
【００７１】
本発明は単に例として説明したものであり、本発明の範囲内で細部の修正を行うことができる。
【００７２】
本説明、及び適切な場合には特許請求の範囲及び図面において開示された各々の特徴は、単独で又は任意の適切な組合せで提供され得る。
【符号の説明】
【００７３】
１：半導体デバイス
２：光学的受動局面
３：光学活性材料
３’：バッファ層
４：結晶シード層
４’：結晶シード層４の上面
５：所定の構造
６：受動フォトニック構造体
８’：ボトムコンタクト
８”：トップコンタクト
８：絶縁材料
９：ハンドリング基板／ウェハ
１０：１次元フォトニック結晶キャビティ
１１：周期的孔
１２：テーパ付き領域
２０：２次元フォトニック結晶キャビティ
２１：フォトニック結晶導波路
３０：円形回折格子
４０：垂直キャビティ型面発光レーザ
４１：ブラッグ反射器／ミラー
４２：発光領域
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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