(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部鏡面部と上部鏡面部を備え、上部鏡面部と下部鏡面部との間に可視発光性層を有し、可視発光性層と下部鏡面部とが多孔質シリコンよりなり、かつ下部鏡面部の屈折率が可視発光性層の屈折率より小さくなるように制御されている多孔質シリコン光素子であって、上部鏡面部が金属薄膜であり、下部鏡面部の多孔質シリコン層がλ／４超格子多層膜（λは発光ピーク波長）であり、上部鏡面部である金属薄膜を通して励起光を入射させたときに、上部鏡面部である金属薄膜と下部鏡面部であるλ／４超格子多層膜の効果により垂直光共振器としての構造を有することを特徴とする多孔質シリコン光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、多孔質シリコン光素子に関するものである。さらに詳しくは、この発明は、その構造が単純で、製造が容易であり、且つ安価でもある、垂直光共振器に有用な２次元層状構造の多孔質シリコン光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
発光、受光、光増幅、光導波等の光機能と電気信号処理機能とを共に集積した光電子集積素子は、光通信用集積化素子、光機能素子、光並列コンピューティング、光ニューロコンピューティング、光インターコネクション等の基盤技術として様々な構造の素子が従来より検討されている。この光電子集積素子を高性能なものとするためには光信号処理と電気信号処理に関して高い集積機能を持ち合わせていなければならない。しかしながら、電気信号処理に関して高い集積機能を持つ従来のシリコン素子の場合には可視発光機能を持たないため、光機能部分には発光性を有する直接遷移形化合物半導体を用いなければならない。このため、従来の光電子集積素子は、一つの素子内に電子機能用のシリコンと光機能用の化合物半導体との異なった種類の材料を組み合わせなければならないため、素子製造時にヘテロエピタキシー等の複雑な製造工程を必要とし、また、活性層と基板の熱的・機械的性質が異なるためにプロセスパラメータの厳密制御が必要であり、さらにまた、素子の安定な動作のためにヘテロ接合部に生じる界面準位を最小限に抑えなければならないという欠点があった。
【０００３】
このように従来の光電子集積素子の場合には、製造が複雑で且つ高コストであり、動作制御が困難なために応用範囲の面で大きな限界があった。この発明は、上記のような従来技術の欠点を解決するために創案されたものであり、一つの素子内に異種材料を組み合わせずに、可視発光性を有する多孔質シリコンのみを用いることにより製造及び動作制御が容易で、安価な多孔質シリコン光素子を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を解決するものとして、下部鏡面部と上部鏡面部を備え、上部鏡面部と下部鏡面部との間に可視発光性層を有し、可視発光性層と下部鏡面部とが多孔質シリコンよりなり、かつ下部鏡面部の屈折率が可視発光性層の屈折率より小さくなるように制御されている多孔質シリコン光素子であって、上部鏡面部が金属薄膜であり、下部鏡面部の多孔質シリコン層がλ／４超格子多層膜（λは発光ピーク波長）であり、上部鏡面部である金属薄膜を通して励起光を入射させたときに、上部鏡面部である金属薄膜と下部鏡面部であるλ／４超格子多層膜の効果により垂直光共振器としての構造を有することを特徴とする多孔質シリコン光素子を提供する。
【０００５】
【作用】
この発明においては、シリコンに陽極酸化処理を施すことにより生成される多孔質シリコン層は量子サイズ効果の発現により特異な電気的・光学的性質を有するために可視発光性を有する多孔質シリコン素子とすることができ、深さ方向の屈折率の制御によって光機能及び電子機能の両機能をさらに高度化することが可能となる。このため、構成が単純で、高集積化・大面積化が容易であり、さらに製造が容易で、且つ安価な光電子素子を実現することができる。
【０００６】
この場合、屈折率の制御により、多孔質シリコン層は、活性層、クラッド層、あるいは反射層として作用することになる。この屈折率の制御については、不純物濃度の制御、または陽極酸化条件の選択によって可能とされる。それぞれの一般的な態様を説明すると以下の通りである。
【０００７】
＜不純物濃度＞
陽極酸化処理前に、シリコン基板表面付近に不純物濃度分布をつくる（イオン注入、エピタキシャル成長等により）。これに一定電流で陽極酸化すると、ドーピングプロファイルに応じて屈折率分布が形成できる。
＜陽極酸化＞
シリコン基板の不純物濃度が一定でも、陽極酸化電流を制御することによって、屈折率分布を形成できる。たとえば陽極酸化電流を周期的に「大小大小」と変えると、表面から内部に向かって、屈折率が「小大小大」の層ができる。
【０００８】
また、上記の多孔質シリコン光素子を利用した光機能部品の構成について説明すると以下の通りである。
＜横方向光導波路＞
屈折率、損失、利得などに空間分布を与え、基板の面方向に光波の伝搬固有モードが生ずるようにした光伝送路である。
＜垂直光共振器＞
ある波長の光のエネルギーを選択的に蓄える光共振器において、２枚の反射鏡を基板面に平行に配置した共振器である。
＜可視域発光素子＞
波長が３８０〜７３０ｎｍ（エネルギーでは１．７〜３．２ｅＶ）の可視光を電気的励起等によって放出しうる素子である。
＜可視域受光素子＞
波長が３８０〜７３０ｎｍ（エネルギーでは１．７〜３．２ｅＶ）の可視光に感度を持ち、光強度に応じた信号を出力する素子である。
＜光集積素子＞
受光・発光・光増幅などの光機能を基板内に集積した半導体素子である。
＜光電子集積回路素子＞
受光・発光・光増幅などの光機能とともに、電気信号の処理・増幅・演算・メモリの機能も集積化した素子である。
【０００９】
【実施例】
以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発明について説明する。もちろんこの発明は以下の例によって限定されるものではない。
【００１０】
（参考例）
図１（ａ）は、この発明の参考例として、２層の多孔質シリコンと単結晶シリコン基板とから成る横方向導波路素子の構造を例示したものである。また、図１（ｂ）は、この素子の屈折率を示した分布図である。
【００１１】
まず、裏面にオーミック電極をとった面方位（１００）のｎ型シリコン基板（比抵抗：２〜３Ωｃｍ、厚さ：６０μｍ）（１）の表面にＰ（リン）を加速電圧２００ｋｅＶ、ドース１０14ｃｍ-2でイオン注入し、９５０℃で２時間アニール処理を施すことによりｎ++−ｎ構造の試料を形成する。この試料に５０ｗｔ％ＨＦ水溶液とエタノールとの混合液（混合比は１：１）中において電流密度２５ｍＡ／ｃｍ2の定電流の陽極酸化処理を２００秒間施すことにより、イオン注入層よりも深い領域まで多孔質シリコン層を形成させる。陽極酸化処理中には５００Ｗのタングステンランプにより試料面を光照射する。この陽極酸化処理後、試料の端面を並行にへき開することにより清浄な鏡面を形成させ、横方向導波路素子を生成する。この生成された横方向導波路素子は、単結晶シリコン基板（１）の上に多孔質シリコンクラッド層（２）があり、さらにその層の上に活性多孔質シリコン層（３）、つまり可視発光性多孔質シリコン層（３）がある層状構造となっている。この素子のサイズ、つまり鏡面間の距離は５００μｍである。また、素子の深さ方向には、図１（ｂ）に示された屈折率分布が形成されている。この屈折率分布から明らかなように、活性多孔質シリコン層（３）に生じるフォトルミネセンス（ＰＬ）発光は空気層と多孔質シリコンクラッド層（２）との間に閉じ込められ、横方向に導波する。
【００１２】
この横方向への光導波を検出するために、素子の表面に垂直な方向からＡｒレーザ励起光（４）により光励起させ、素子の可視発光性多孔質シリコン層（３）の端面から放出されるフォトルミネセンス（ＰＬ）（５）のスペクトルを測定する。この測定は、発光強度の高い状態での実験によって光導波を明確に確認するために低温で行った。
【００１３】
図２および図３は、この発明の参考例である横方向導波路素子のＰＬスペクトルの測定結果を示した図である。図２は、弱励起（励起強度が弱い）の場合のＰＬスペクトルを示した図であり、図３は、強励起（励起強度が強い）の場合のＰＬスペクトルを示した図である。図２から明らかなように、弱励起の場合は、ＰＬスペクトルは７００ｎｍにピークを持つ幅広い形状となっており、明確な構造が現れていない。しかしながら、励起強度を上げて行くと、ＰＬ強度が増大し、それに伴ってＰＬスペクトル上に多数の鋭いピークが現れるようになる。ＰＬスペクトル上のピークの振幅はＰＬ励起強度に比例して増大して行き、強励起においては、図３から明らかなように、その構造が顕著になる。また、各ピーク間の波長間隔は共振器長を５００μｍとしたときのファブリペロー共振モードの波長間隔と一致する。従って、この特性はＰＬ発光の横方向導波とそれに伴う端面間の干渉効果によるものと考えられる。このように屈折率が制御された多孔質シリコンを用いることにより横方向光導波を行うことのできる横方向導波路素子を簡易に製造することができる。
【００１４】
（実施例）
図４は、この発明の一実施例として、金属薄膜と１層の多孔質シリコン層と多孔質シリコン超格子反射鏡と単結晶シリコン基板とから成る垂直光共振器の構成図を例示したものである。
【００１５】
まず、裏面にオーミック電極をとった面方位（１００）のｐ型シリコン基板（比抵抗：０．４〜０．６Ωｃｍ、厚さ：２００μｍ）（６）の表面に、５０ｗｔ％ＨＦ水溶液とエタノールとの混合液（混合比は１：１）中において電流密度２００ｍＡ／ｃｍ2の定電流の陽極酸化処理を１２秒間施すことにより、発光層である活性（可視発光性）多孔質シリコン層（３）を形成させる。その後引き続いて、低電流密度と高電流密度の陽極酸化処理を交互に連続的に繰り返し施すことにより２０層のλ／４超格子多層膜（λ：発光波長）である多孔質シリコン超格子反射鏡層（７）を活性多孔質シリコン層（３）とシリコン基板（６）との間に形成させる。その後、試料表面に厚さ２５ｎｍのＡｇ薄膜を真空蒸着させ、活性多孔質シリコン層（３）の上側にＡｇ薄膜反射鏡（８）を形成させる。以上のような処理を施すことにより垂直光共振器を生成する。この生成された垂直光共振器は、単結晶シリコン基板（６）の上に多孔質シリコン超格子反射鏡層（７）があり、その上に活性（可視発光性）多孔質シリコン層（３）があり、そして表面にＡｇ薄膜反射鏡がある層状構造となっている。
【００１６】
形成した可視発光性多孔質シリコン層（３）は７７０ｎｍにピーク波長を持つ幅広いフォトルミネセンス（ＰＬ）スペクトルとなる。また、λ／４超格子多層膜である多孔質シリコン超格子反射鏡（７）の形成時に、λがこの発光ピーク波長に対応するように陽極酸化条件が設定されているため、この超格子多層膜は７７０ｎｍ帯の光に対して９６％の反射率となる。従って、この多孔質シリコン層を光励起すると、上下の反射鏡の効果によるファブリペロー共振動作が発現し、これによりＰＬスペクトル幅が大幅に低減される。
【００１７】
この効果を検出するために、可視発光性多孔質シリコン層（３）をＡｇ薄膜（８）を通してＨｅ−Ｃｄレーザ励起光（波長：３２５ｎｍ）（４）により光励起させ、試料面に垂直な方向に放出されるＰＬ発光（５）のスペクトルを測定した。この測定は、発光強度の高い状態でファブリペロー共振動作を明確に確認するために温度１０Ｋの低温で行った。
【００１８】
図５は、この発明の一実施例である垂直光共振器のＰＬスペクトルの測定結果を示した図である。図４において、実線は、温度１０ＫにおけるＰＬスペクトルを示し、比較のために共振器を装荷しない可視発光性多孔質シリコン層の固有のＰＬスペクトルを点線で示した。この図４より明らかなように、実線で示されたこの発明の一実施例である垂直光共振器のＰＬスペクトルの半値幅は２４ｍｅＶであり、点線で示された共振器を装荷しない可視発光性多孔質シリコン層の固有のＰＬスペクトルに比べて一桁以上低減されている。
【００１９】
この狭帯化されたＰＬスペクトルのピーク強度は、ＰＬ励起強度に比例して増大する。また、ピークエネルギーは、温度に依存せず一定であった。従って、図４の実線で示されるこの発明の一実施例である垂直光共振器の鋭いＰＬスペクトルは、多孔質シリコン超格子反射鏡と金属薄膜反射鏡から成るファブリペロー共振器の干渉効果によるものである。
【００２０】
【発明の効果】
この発明により、光機能及び電子機能の両機能が高度化された、構成が単純で、高集積化・大面積化が容易であり、さらに製造が容易で、且つ安価な光電子素子が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）は、この発明の参考例である横方向導波路素子の構造図である。
（ｂ）は、この横方向導波路素子の深さ方向の屈折率分布図である。
【図２】  この発明の参考例である横方向導波路素子の弱励起状態におけるＰＬ発光スペクトル図である。
【図３】  この発明の参考例である横方向導波路素子の強励起状態におけるＰＬ発光スペクトル図である。
【図４】  この発明の一実施例である垂直光共振器の構造図である。
【図５】  この発明の一実施例である垂直光共振器のＰＬ発光スペクトル図である。
【符号の説明】
１  単結晶シリコン基板
２  多孔質シリコンクラッド層
３  活性（可視発光性）多孔質シリコン層
４  Ａｒレーザ励起光
５  出力光
６  単結晶シリコン基板
７  多孔質シリコン超格子反射鏡層
８  Ａｇ薄膜反射鏡
【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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