(57)【要約】【課題】ダブルへテロ構造とは異なる、光閉じ込め係数Γの大きい、新規な素子構造を有する半導体発光素子を提供することを提供すること。【解決手段】絶縁膜上に光共振器、該光共振器の両側にそれぞれ配置されたｐ電極及びｎ電極を具備する半導体発光素子であって、前記光共振器は、発光波長よりも狭い間隔を隔てて並置された第１及び第２の半導体細線、これら半導体細線の両端部にそれぞれ設けられた光共振器ミラー、及び前記第１及び第２の半導体細線間に配置され、それぞれた前記第１及び第２の半導体細線に電気的に接続された複数の半導体超薄膜を備え、前記第１の細線は前記ｐ電極に、前記第２の細線は前記ｎ電極にそれぞれ電気的に接続され、電流注入により前記半導体超薄膜からレーザ発振を生ずることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜上に光共振器、該光共振器の両側にそれぞれ配置されたｐ電極及びｎ電極を具備する半導体発光素子であって、前記光共振器は、発光波長よりも狭い間隔を隔てて並置された第１及び第２の半導体細線、これら半導体細線の両端部にそれぞれ設けられた光共振器ミラー、及び前記第１及び第２の半導体細線間に配置され、それぞれた前記第１及び第２の半導体細線に電気的に接続された複数の半導体超薄膜を備え、前記第１の細線は前記ｐ電極に、前記第２の細線は前記ｎ電極にそれぞれ電気的に接続され、電流注入により前記半導体超薄膜からレーザ発振を生ずることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記光共振器ミラーは、高屈折率を有するIVｂ族単体半導体またはIVｂ族化合物半導体と、低屈折率を有する絶縁体からなる誘電体多層構造ミラーであることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子
【請求項３】
前記光共振器が前記光共振器ミラーを介して導波路と光学的に接続され、導波路からレーザ発振光が取り出されることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記光共振器ミラー間の間隔は１０ｎｍ以上、１０μｍ以下であり、前記第１及び第２の細線間の間隔は１０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
絶縁膜上にリング状光共振器、該光共振器の両側にそれぞれ配置されたｐ電極及びｎ電極を具備する半導体発光素子であって、前記光共振器は、発光波長よりも狭い間隔を隔てて並置された第１及び第２のリング状半導体細線、及び前記第１及び第２の半導体細線間に配置され、それぞれた前記第１及び第２の半導体細線に電気的に接続された複数の半導体超薄膜を備え、前記第１の細線は前記ｐ電極に、前記第２の細線は前記ｎ電極にそれぞれ電気的に接続され、電流注入により前記半導体超薄膜からレーザ発振を生ずることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
前記光共振器が、該光共振器に近接する導波路と光学的に接続され、導波路からレーザ発振光が取り出されることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
絶縁膜上に、発光波長よりも狭い間隔を隔てて並置された第１及び第２の半導体細線、該第１及び第２の半導体細線の両側にそれぞれ配置されたｐ電極及びｎ電極を具備する半導体発光素子であって、前記第１及び第２の半導体細線間には、それぞれた前記第１及び第２の半導体細線に電気的に接続された複数の半導体超薄膜が配置され、前記第１の細線は前記ｐ電極に、前記第２の細線は前記ｎ電極にそれぞれ電気的に接続され、前記半導体超薄膜から電流注入発光を生ずることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】
前記半導体超薄膜は、Ｎ及びＦ、またはN及びIn、またはＳ、またはＣ、またはＬａとＬｕを除く希土類イオンを含み、かつ四面体結合構造を有するIVｂ単体半導体、またはIVｂ−IVｂ化合物半導体からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記半導体超薄膜は、不純物を含まず、四面体結合構造を有するIVｂ単体半導体、またはIVｂ−IVｂ化合物半導体からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前半導体超薄膜は、厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記半導体超薄膜の間隔は、前記発光波長より狭いことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記半導体超薄膜は、前記絶縁膜の面に対し、縦に又は横に配置される請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に係り、特に、超薄膜活性層を用いた新規な素子構造を有する半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学的用途には不向きと考えられてきたシリコン材料をベースに、光励起により発振するシリコンラマンレーザー、GHzで高速動作するシリコン光変調器など、未来の超高速・低消費光電気混載ＬＳＩの礎となるシリコンフォトニクス技術が相次ぎ報告されている。
【０００３】
シリコンフォトニクスとは、「発光−伝送−受光」の基本光配線ユニットを構成する個別の光エレクトロニクス素子を、ＣＭＯＳ互換のＬＳＩ技術によりオンチップ化・システム化する研究分野である。現在、米国を中心に、シリコンベースの光変調器、スイッチ、導波路、受光素子が盛んに研究されている。こうした中で、実用的な素子の開発に未だ成功していないのが、シリコンをベースとする電流注入型発光素子であり、中でもシリコン半導体レーザである。
【０００４】
半導体レーザは、基本光配線ユニットにおいて「送信機」の役目を担い、基幹素子として位置づけられる。半導体レーザがシリコン化できると、コスト及び製造メリットは非常に大きい。しかしながら、長年に亘る研究開発にも拘らず、実用的なシリコン半導体レーザは未だ実現できていない。
【０００５】
シリコン半導体レーザの課題を、レーザ発振条件を用いて以下に説明する。
【０００６】
レーザ発振条件は、実効利得（Γ×ｇ）≧損失α（Γ：光閉じ込め係数、ｇ：利得、α：損失）なる条件式で表される。この条件式から、レーザ発振は、実効利得が損失を上回るときに生じることが直感的に理解できる。以下、各物理パラメータΓ、ｇ、αについて、シリコンと化合物半導体とを比較し、シリコンにおける問題を明らかにする。
【０００７】
損失αは、光共振器のミラー損失、半導体材料の吸収、散乱損、回折損を足し合わせたものである。シリコンにより光共振器を構成したときのαは、化合物半導体により光共振器を構成した場合と同等レベルの値とすることが技術的に可能である。このことから、αに関して、シリコンと化合物半導体とで本質的な相違は無い。
【０００８】
利得ｇは、発振を支配する重要な物理パラメータである。発光の内部量子効率が高いほどｇは大きく、レーザ発振しやすい。化合物半導体により半導体レーザが実現できた理由の１つは、内部量子効率が高いためである。一方、シリコンは間接半導体であり、フォノン支援遷移に起因して非発光性であるため、内部量子効率はほぼゼロである。これは、レーザ発振以前の問題として、そもそもシリコンにより発光素子を作ることが困難であることを意味する。
【０００９】
シリコンを用いた発光素子を明るく発光させるために、量子ドット、超薄膜、希土類ドーピング、ディスローケーション・エンジニアリング（dislocation engineering）、半導体シリサイド等、様々な技術が試みられているが、発光の内部量子効率が未だ小さすぎるという課題がある（例えば、非特許文献１、２、３参照）。
【００１０】
本発明者らの研究によれば、シリコンをはじめ、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム化合物などのIV族元素半導体の内部量子効率は、特定の不純物をドーピングし、さらに超薄膜化することで著しく高まり、化合物半導体と同等レベルの強発光性を発現させることが可能である。従って、活性層として厚さ数ｎｍの強発光性「不純物ドープ超薄膜シリコン」を用いることによりｇを増大させることができ、シリコンベースでの発光素子が実現可能になる。このことから、ｇについても、αと同様、シリコンと化合物半導体とで本質的な相違は無い。
【００１１】
光閉じ込め係数Γは、活性層に空間的に閉じ込められている光子エネルギーの割合と定義される量である。シリコン発光素子のΓは低い値を示し、上述のαやｇと異なり、化合物半導体との差が歴然としている。
【００１２】
例えば、絶縁層上に形成されたＰ層とＮ層の間に、超薄膜からなる活性層を備える横通電構造のシリコン発光素子（例えば、特許文献１参照）では、この素子中を伝播する光のモード電場分布は、超薄膜活性層ではなく隣接するＰ層、Ｎ層に集中している。このため、Γはほぼゼロに近い値となる。
【００１３】
これに対して、一般的なリッジ構造を有する化合物半導体レーザでは、Γは数％の値を持つ。この値は、シリコン発光素子と比較して桁違いに大きい。確かに化合物半導体レーザの場合も、シリコン発光素子と同様、活性層に単一量子井戸や多重量子井戸といった超薄膜が用いられる。しかし、横通電構造のシリコン発光素子との根本的な相違は、化合物半導体レーザでは活性層よりも低屈折率で、かつワイドギャップで、かつ導電性を有し、活性層と組成が僅かに異なる半導体層（Ｐ層、Ｎ層）が存在し、それらの層により活性層を直接挟み込むダブルへテロ構造を構成することができる点である。このダブルへテロ構造が可能であるが故に、伝播モードの電場分布を超薄膜活性層内に閉じ込めることができ、延いてはΓの増大を実現できるのである。
【００１４】
活性層が超薄膜からなる横通電構造のシリコン発光素子において、ダブルへテロ構造をとらない理由は２つある。１つは、相応しいＰ層、Ｎ層を構成する材料が無いためである。化合物半導体レーザにおけるＰ層、Ｎ層とは異なり、シリコン発光素子のＰ層、Ｎ層は、超薄膜活性層に電流注入する役割だけを負う。もう１つは、たとえそのような半導体材料が存在したとしても、内部量子効率の観点で、「不純物ドープ超薄膜シリコン」活性層には横通電構造が適しているためである。不純物ドープ超薄膜シリコンでは、電子−正孔対束縛を強めることで内部量子効率を高めており、エネルギー的に強い閉じ込めが必要である。このため、電流注入のためのＰ層、Ｎ層との微小接合部を除けば、残り大部分はワイドギャップの絶縁体と接することが必要だからである。
【００１５】
以上の説明から、シリコン発光素子の実効利得Γｇは、主にΓが小さいことに起因して、化合物半導体レーザと比較して桁違いに小さいことが理解される。従って、シリコン発光素子は、電流注入発光は生じてもレーザ発振は生じない。言い換えれば、発光ダイオードを作ることができても半導体レーザを実現することが困難であった。シリコン半導体レーザの実現には光閉じ込め係数Γの向上が必須であるが、光閉じ込めが難しい横通電構造の超薄膜活性層によりΓの向上を達成することは、非常に困難である。
【非特許文献１】S. Saito, et.al, Jpn. J. Appl. Phys, 45, L679（2006）
【非特許文献２】L. Pavesi, Materials Today, 8, 18（2005）
【非特許文献３】K. P. Homewood, Materials Today, 8, 34（2005）
【特許文献１】特開２００７−２９４６２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述のように、従来のシリコン発光素子では、電流注入によるレーザ発振の実現には至らなかった。
【００１７】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、ダブルへテロ構造とは異なる、光閉じ込め係数Γの大きい、新規な素子構造を有する半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、絶縁膜上に光共振器、該光共振器の両側にそれぞれ配置されたｐ電極及びｎ電極を具備する半導体発光素子であって、前記光共振器は、発光波長よりも狭い間隔を隔てて並置された第１及び第２の半導体細線、これら半導体細線の両端部にそれぞれ設けられた光共振器ミラー、及び前記第１及び第２の半導体細線間に配置され、それぞれた前記第１及び第２の半導体細線に電気的に接続された複数の半導体超薄膜を備え、前記第１の細線は前記ｐ電極に、前記第２の細線は前記ｎ電極にそれぞれ電気的に接続され、電流注入により前記半導体超薄膜からレーザ発振を生ずることを特徴とする半導体発光素子を提供する。
【００１９】
このような半導体発光素子において、前記光共振器ミラーとして、高屈折率を有するIVｂ族単体半導体またはIVｂ族化合物半導体と、低屈折率を有する絶縁体からなる誘電体多層構造ミラーを用いることが出来る。
【００２０】
また、前記光共振器を前記光共振器ミラーを介して導波路と光学的に接続し、導波路からレーザ発振光を取り出することが出来る。
【００２１】
前記光共振器ミラー間の間隔を１０ｎｍ以上、１０μｍ以下とし、前記第１及び第２の細線間の間隔を１０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下とすることが出来る。
【００２２】
本発明の第２の態様は、絶縁膜上にリング状光共振器、該光共振器の両側にそれぞれ配置されたｐ電極及びｎ電極を具備する半導体発光素子であって、前記光共振器は、発光波長よりも狭い間隔を隔てて並置された第１及び第２のリング状半導体細線、及び前記第１及び第２の半導体細線間に配置され、それぞれた前記第１及び第２の半導体細線に電気的に接続された複数の半導体超薄膜を備え、前記第１の細線は前記ｐ電極に、前記第２の細線は前記ｎ電極にそれぞれ電気的に接続され、電流注入により前記半導体超薄膜からレーザ発振を生ずることを特徴とする半導体発光素子を提供する。
【００２３】
このような半導体発光素子において、前記光共振器を該光共振器に近接する導波路と光学的に接続し、導波路からレーザ発振光を取り出すことが出来る。
【００２４】
本発明の第３の態様は、絶縁膜上に、発光波長よりも狭い間隔を隔てて並置された第１及び第２の半導体細線、該第１及び第２の半導体細線の両側にそれぞれ配置されたｐ電極及びｎ電極を具備する半導体発光素子であって、前記第１及び第２の半導体細線間には、それぞれた前記第１及び第２の半導体細線に電気的に接続された複数の半導体超薄膜が配置され、前記第１の細線は前記ｐ電極に、前記第２の細線は前記ｎ電極にそれぞれ電気的に接続され、前記半導体超薄膜から電流注入発光を生ずることを特徴とする半導体発光素子を提供する。
【００２５】
以上の本発明の第１〜第３の半導体発光素子において、前記半導体超薄膜を、発光センターを形成し、強発光性を与える不純物、即ち、N及びIn、またはＳ、またはＣ、またはＬａとＬｕを除く希土類イオンを含み、かつ四面体結合構造を有するIVｂ単体半導体、またはIVｂ−IVｂ化合物半導体により構成することが出来る。
【００２６】
或いは、前記半導体超薄膜を、不純物を含まず、四面体結合構造を有するIVｂ単体半導体、またはIVｂ−IVｂ化合物半導体により構成することが出来る。
【００２７】
また、前半導体超薄膜の厚さを１０ｎｍ以下とすることが出来る。また、前記半導体超薄膜の間隔を、前記発光波長より狭くすることが出来る。更に、前記半導体超薄膜を、前記絶縁膜の面に対し、縦に又は横に配置することが出来る。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、光閉じ込め係数Γが大きい新規な素子構造とすることで、従来は困難であった、実用可能なシリコン半導体レーザならびに発光ダイオードを提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００３０】
本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の特徴をなす、強発光性の不純物ドープシリコン超薄膜を活性層として用いた、光閉じ込め係数Γが大きい、新規なレーザ素子構造について説明する。また、このレーザ素子構造において、Γが大きくなる理由について説明する。
【００３１】
なお、発光ダイオードは、光共振器ミラーを設けないことを除けば、半導体レーザと基本的に同じ構造である。また、活性層の半導体超薄膜や半導体細線に用いる半導体材料としては、ダイヤモンド構造、または閃亜鉛鉱構造、またはウルツ鉱構造など、ｓｐ３混成軌道で特徴付けられたIV族半導体、またはIV族化合物半導体を用いることが出来る。具体的には、シリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、シリコンカーバイト、カーボンシリコンゲルマニウムなどが挙げられる。以下では、シリコンを例に挙げて説明する。
【００３２】
なお、超薄膜活性層に強発光性を付与する不純物としては、Ｎ−Ｆペア以外では、Ｎ−Ｉｎペア、またはＳ、またはＣ、またはＬａとＬｕを除く希土類イオンを用いることが出来る。強発光性を与える不純物であれば、上記以外の不純物を用いることも出来る。
【００３３】
（１）高Γを有するシリコン半導体レーザのシミュレーション
第１の実施形態に係るシリコン半導体レーザは、図１に示すように、ファブリペロー型光共振器１を有する。第２の実施形態に係るシリコン半導体レーザは、、図２に示すように、リング型光共振器２を有する。両者ともに、光共振器は、絶縁体上に設けられた、発光波長よりも狭く近接する２本のシリコン細線３ａ，３ｂを備える。活性層４を構成する不純物ドープシリコン超薄膜は、シリコン細線３ａ，３ｂ間に縦に複数並べて配置され、各々のシリコン細線３ａ,３ｂと電気的に接続されている点が特徴的である。
【００３４】
なお、ファブリペロー型光共振器１では、シリコン細線３ａ，３ｂの両端に誘電体多層膜ミラー５ａ，ｂが設けられ、導波路６からレーザ発振光が取り出されるように構成されている。リング型光共振器２では、誘電体多層膜ミラー５ａ，ｂは設けられておらず、レーザ発振光は、リング型光共振器２に近接する導波路７から取り出される。
【００３５】
不純物ドープシリコン超薄膜間にはＳｉＯ２が充填されているが、図では省略されている。なお、ＳｉＯ２を充填せずに、空間とすることも可能である。一方のシリコン細線３ａはＰ電極に、他方のシリコン細線３ｂはＮ電極にそれぞれ接続されている。
【００３６】
これら光共振器１，２は、１本のシリコン導波路を発光波長以下の狭い溝を隔てて２本のシリコン細線３ａ，３ｂに分割したものであり、そこに活性層材料が充填された系と考えることができる。期待される効果は、共振器モードの光電場分布と活性層とが空間的に良く重なり合うために、高いΓが得られることである。
【００３７】
図１及び２に示すシリコン半導体レーザは、次のように動作する。即ち、電流注入するとＮ層とＰ層を介して活性層の不純物ドープ超薄膜シリコンに電子と正孔が各々供給され、不純物中心において電子正孔対が再結合発光し、光共振器で増幅され、Γｇ≧αとなるしきい電流を超えると、レーザ発振が生じる。
【００３８】
レーザ発振させるためには、Γの値として化合物半導体レーザ並みの％オーダーの値が必要である。図３は、図１に示すシリコン半導体レーザの屈折率分布から求めた、光電場モード分布のシミュレーション結果を示す。図４は、従来構造（例えば、特許文献１）のシミュレーション結果を示す。
【００３９】
ここで、光の波長は１２００ｎｍ、超薄膜を構成する不純物ドープシリコンの屈折率はバルク結晶シリコンと同じ３．５、膜厚２ｎｍ、幅１００ｎｍ、高さ２００ｎｍ、隣接間ピッチ２０ｎｍとし、超薄膜の間はＳｉＯ２（屈折率約１．５）で充填され、一方、活性層領域をサンドイッチするシリコン細線３ａ，３ｂは、幅２００ｎｍ、高さ２００ｎｍとして計算した。
【００４０】
計算結果より、図４に示すように、従来構造ではＰ層、Ｎ層に光電場モード分布が集中しており、活性層の超薄膜シリコンとは空間的に重ならないことがわかる。これに対して、図１に示す構造のシリコン半導体レーザでは、図３に示すように、活性層と重なるように光電場モードが分布する。これらの光電場分布からΓを計算すると、従来構造が０．０２％であるのに対して、図１に示す構造構造は３．５％となった。
【００４１】
図１に示す構造とすることにより、Γは従来構造の１００倍以上に増大し、化合物半導体レーザと同等レベルにまで光閉じ込めが可能になるのである。
【００４２】
（２）高Γとなる理由（スロット導波路効果）
図１に示す本実施形態に係る構造では、光電場が活性層に集中分布するが、これは一般にスロット導波路効果と呼ばれる物理現象であると考えられる（V. R. Almeida, Q. Xu, C. A. Barrios, and M. Lipson, Opt. Lett, 29, 1209（2004）； V. R. Almeida, Q. Xu, C. A. Barrios, and M. Lipson, Opt. Lett, 29, 1209（2004））。
【００４３】
スロット導波路とは、図５に示すような、高屈折率物質からなる導波路中に設けられた、低屈折率物質（または真空、または大気を含むガス雰囲気）からなり、伝播光の波長サイズより遥かに狭いナノメータースケールの、導波路内にある第２の導波路のことを指す。スロット導波路効果は、ＴＥモードの光（図５に示す構造では、光電場が低屈折率領域／高屈折率領域界面に対して垂直な光）が、選択的に、低屈折率のスロット導波路内に強く閉じ込められながら伝播する現象である。
【００４４】
この現象の本質は、マックスウェル方程式を満たすために、図５に示す低屈折率領域／高屈折率領域界面の法線方向に関して、光電場ではなく、電束が保存する点にある。ｎｓ、ｎｈをそれぞれ低屈折率領域と高屈折領域の屈折率とし、εｓ(≒ｎs２)、εｈ(≒ｎｈ２)をそれぞれ低屈折率領域と高屈折領域の誘電率とし、Ｅｓ、Ｅｈを界面における低屈折率側光電場と高屈折率側光電場とすると、電束Ｄ＝εs×Ｅｓ＝εｈ×Ｅｈとなる。従って、Ｅｓ＝Ｅｈ×（εｈ／εｓ)≒Ｅｈ×（ｎｈ／ｎｓ)２となり、界面の低屈折率側の光電場は、高屈折率側に対して（ｎｈ／ｎｓ)２倍に増大する。
【００４５】
この光電場増大は、屈折率界面だけに生ずる現象であり、界面から離れると低屈折率側の光電場は急速に減衰する。要するに、低屈折率側の光電場は屈折率界面のエバネッセント場の一種である。ところが、スロット導波路では低屈折領域が非常に狭いために、２つの屈折率界面の光電場増強効果が足し合わされて、低屈折率領域に強く閉じ込められた導波モードが形成されるのである。
【００４６】
（３）光電場増大の物理解析（Γの解析的な見積り）
本実施形態において、スロット導波路は強発光性の半導体超薄膜と、その間を充填するＳｉＯ２（屈折率〜１．５）などの絶縁性の低屈折率物質あるいは中空構造からなり、スロット導波路をサンドイッチする高屈折率媒体は半導体細線からなる。図４の計算に用いた素子構造を例にとると、この系で高Γが得られるキーポントは、
（１）不純物ドープ超薄膜シリコンの厚さ２ｎｍに対して、ＳｉＯ２が１８ｎｍであるため、活性層領域の屈折率は体積換算で１．７と低く、
（２）発光波長の１２００ｎｍに対して不純物ドープ超薄膜シリコンの厚さやピッチが各々２ｎｍ、２０ｎｍと十分短く、この波長光では分解能は無いことから、活性層領域は等価屈折率１．７の均一な低屈折率媒質と見做せるためである。
【００４７】
ここで、解析的にΓを見積もる。活性層領域における光電場の強さは、両側の高屈折率シリコン細線領域と比較して（３．５／１．７）２≒４倍に増大する。光子エネルギーに換算すると、活性層領域のエネルギーは高屈折率領域の４２＝１６倍に達する。Γの定義は活性層に閉じ込められた光子エネルギーの割合であることから、Γを式（Ｅｓ２×スロット導波路幅)／[（Ｅｓ２×スロット導波路幅)＋（Ｅｈ２×シリコン細線幅×シリコン細線本数)]×（スロット導波路中を占める超薄膜活性層の体積率)×（平均的光電場／最大光電場)で近似すると、Γ≒１６Ｅ２×１００ｎｍ／（１６Ｅ２×１００ｎｍ＋Ｅ２×２００ｎｍ×２本)×１０％×（１／√２)＝５．７％と求められる。
【００４８】
この値はシミュレーション結果の１．６倍程度であり、ラフな解析ではあるが、一致の度合いは良好である。この結果が示す重要な点は、シミュレーションでは主にΓの数値結果が得られたが、物理的な解析結果からも、本実施形態に係る構造のΓは、確かに高い値を示したという点である。
【００４９】
上式によれば、幅一定の条件下では、Γが最大となる超薄膜活性層の体積率が存在する。即ち、活性層の体積率６０％で、Γは最大１８％にまで達すると見積もられる。物理解析ではΓを過大評価する傾向にあるが、それでも１０％程度の値が期待できる。なお、これまでの議論から明らかなように、不純物ドープ超薄膜シリコンの膜厚やピッチが発光波長に対して無視できない大きさになると、スロット導波路効果は弱まり、Γは大きく減少する。
【００５０】
以上はＴＥモードの光についての結果である。ＴＭモードの光（図５に示す構造では、光電場が低屈折率領域／高屈折率領域界面に対して平行な光）については、仮に低屈折率領域が低透磁率領域であり、高屈折率領域が高透磁率領域であるとするならば、上の議論における屈折率、電場、電束をそれぞれ透磁率、磁場、磁束に置き換え、上のＴＥモードの場合と同様の議論を展開することにより、ＴＭモードの光がスロット導波路内に強く閉じ込められながら伝播することが示されるであろう。しかしながら、導波路に用いられるＳｉＯ２やシリコンのような物質の透磁率は、普通物質の種類に依らずほぼ１と見做して良い。従って、ＴＭモードの光がスロット導波路内へ閉じ込められる現象はまず起こらない。スロット導波路効果は偏波依存性を有する。
【００５１】
最後に、米国Cornell大のBarriosらは、図１に示す構造と類似したレーザ素子構造において、スロット導波路領域に、活性層材料として、半導体の不純物ドープ超薄膜シリコンではなく、絶縁体のＥｒドープＳｉＯ２単体を充填した系を想定し、電流注入によりＥｒからレーザ発振させるタイプの半導体レーザを提唱している（C. A. Barrios and M. Lipson, Opt. Express, 13, 10092（2005））。
【００５２】
しかし、彼らの系は大きな問題を抱えている。その問題とは、ＥｒドープＳｉＯ２への電流注入が困難なことである。図１に示す構造と類似の構造であるため、Γは確かに高い値を示すが、彼らの系はそもそも電流注入発光が微弱で、利得ｇは小さいものと推測される。その結果、彼らの系は結局Γｇ積が小さく、レーザ発振が困難であると思われる。この点が、Γとｇを両方高めてΓｇ積を増大させた本発明と根本的に異なる点である。これを裏付けるように、提案はされたものの、彼らの構造による電流注入レーザ発振は、まだ実現されていない。
【００５３】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子について説明する。
【００５４】
不純物ドープ超薄膜シリコンを用いて半導体レーザ素子を構成する際のポイントの１つは、活性層の形成である。本発明の一実施形態に係るて半導体レーザ素子について説明する前に、これについて簡単に説明する。
【００５５】
本発明の一実施形態に係るシリコン半導体レーザ素子の模式的な図は、図１に示す通りである。なお、図１に示す素子は、以下に説明する半導体レーザ素子の作製プロセスの説明のために例として取り上げたものであり、もちろん、図２に示すリング共振器を有するリング型半導体レーザなど、他の素子構成も可能である。
【００５６】
図１に示す横通電型半導体レーザ素子では、ｐ領域、活性層である不純物ドープ超薄膜シリコン領域、ｎ領域が面内に並ぶ構造を持つ。図示していないが、ｐ領域はｐ電極と接し、ｎ領域はｎ電極と接する。ｐ領域から正孔を注入し、またｎ領域から電子を注入することで、不純物ドープ超薄膜シリコン領域で電子と正孔を再結合発光させる。
【００５７】
図６は、ＮＦドープ超薄膜シリコンを例にとり、素子形成プロセスを工程順に示す斜視図である。一連の流れは、ＳＯＩ基板のトップシリコン層をエッチングにより導波路形状に加工する工程（ａ）と、この導波路と接する層にＡｓとＢをそれぞれイオン注入しアニールしてＮ型化、Ｐ型化する工程（ｂ）と、その後、今度はＮとＦをイオン注入し、アニールして発光センターを形成し、活性化する工程（ｃ）と、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）プロセスによる活性層である不純物ドープ超薄膜シリコンを形成し、ＮＦドープ超薄膜シリコン表面のプロセスダメージ劣化層を除去し、発光の内部量子効率を改善する表面酸化の工程（ｄ）と、ＮＦドープ超薄膜シリコン間の中空領域へＳｉＯ２を充填する工程（ｅ）とからなる。
【００５８】
光共振器ミラーは、図１に示すように、シリコン導波路を加工したシリコン／ＳｉＯ２誘電体多層ミラー５である。なお、電極の作製工程はＬＳＩで採用されている通常のプロセスに準拠しており、誘電体多層膜ミラー作製工程と合わせて、その詳細は省略する。
【００５９】
Ｎ、Ｆ注入工程では、エネルギー、ドーズ、基板面方位、チルト角、基板温度などを最適化して注入する。ＳＯＩ基板のトップシリコン層中に注入分布が含まれるように、上記注入パラメータを選択する。
【００６０】
アニール工程では、イオン注入で乱された結晶格子を回復すると同時にＮＦ発光センターの形成を行う。アニール温度、時間、雰囲気を調整し最適化することで残留欠陥を減少し、トップシリコン層の結晶のクオリティーを上げておく。こうすることで、後工程のＳＴＩによる超薄膜化において、高品位なＮＦドープ超薄膜シリコンが得られる。
【００６１】
ＮＦドープ超薄膜シリコン作製工程では、ＳＴＩプロセスにより、すでにＮＦ発光センターが形成済であるＳＯＩ基板のトップシリコン層を異方性エッチングしながら超薄膜化する。膜厚はガス種、ガス圧、温度、時間などで制御する。
【００６２】
以上説明したように、イオン注入とアニールとＳＴＩとを組み合わせることで、不純物ドープ超薄膜シリコンからなる活性層を作ることができる。なお、これ以外の方法によって作られた不純物ドープ超薄膜シリコンや、Ｎ、Ｆ以外で強発光性を与える他の不純物原子を含む不純物ドープ超薄膜シリコンを用いることもできる。強発光性を与える不純物であれば、上記以外の不純物を用いることも出来る。
【００６３】
なお、以上、不純物ドープ超薄膜シリコンについて説明したが、ノンボープ超薄膜シリコンによっても、ｇは小さく、しきい値が高いが、レーザ発振を行なうことが可能である。また、超薄膜はＳＯＩ基板上に縦に配置したが、ＳＯＩ基板上に横に配置することも可能である。
【００６４】
以下、本発明の種々の実施例を示し、本発明についてより具体的に説明する。
【００６５】
（実施例１）（半導体レーザ）
本実施例は、図１に示した半導体レーザ素子を具体化した例である。すなわち、本実施例に係るシリコン半導体レーザ素子は、母体半導体がシリコンからなる横通電構造を有する。光共振器長は、誘電体多層膜ミラー５ａ，ｂ間の距離とすると、３００μｍである。なお、ミラー反射率を高めれば、より短い光共振器長でレーザ発振が可能になる。
【００６６】
活性層である不純物ドープ超薄膜シリコン領域には、不純物としてＮとＦをドープしている。ＮとＦ濃度はともに１×１０18／ｃｍ3である。活性層のＮＦドープ超薄膜シリコン層の膜厚は２ｎｍとした。その他のサイズは図３に示す構造と同様である。
【００６７】
本実施例に係る素子で用いたＮ、Ｆ不純物は、特許文献１にも示されるように、シリコンのバンドギャップ内に光学許容となる２準位を作る。結晶シリコン中では、ＮＦ発光センター由来の励起準位とシリコン伝導帯とがエネルギー的に近接し、ＮＦ発光センターからシリコンに電子が逃げて電子正孔対が解離するために室温消光する。この系は、遷移自体は光学許容であるため、シリコンの超薄膜化により電子正孔対の結合を強めて解離を抑えることにより、室温発光が可能になる。
【００６８】
このように構成された半導体レーザ素子を電流駆動すると、ｐ領域から正孔が注入され、またｎ領域から電子が注入され、ＮＦドープ超薄膜シリコンからなる活性層領域で電子と正孔が再結合することで電流注入発光が生じる。発光は光共振器で増幅され、閾値電流を超えるとレーザ発振が生ずる。
【００６９】
本実施例に係る素子では、電流注入により１．２μｍ付近（〜１ｅＶ）にピークを持つ電流注入発光が得られ、３０ｍＡを超える電流を振り込むと、０．９８ｅＶに鋭いピークを持つレーザ発振が得られた。室温２５℃における動作特性は、出力２０ｍＷ、外部量子効率１８．５5％（１１０ｍＡ、４．４Ｖ動作時）である。本発明の原理に従ってΓを高める素子構造とすることにより、シリコンにより実用的な特性を有する半導体レーザが得られる。
【００７０】
（実施例２）（リング型半導体レーザ）
本実施例は、図２に示すリング型半導体レーザを具体化した例である。本実施例に係る半導体レーザが、実施例１に係る半導体レーザと異なる点は、光共振器２がリング型である点、従って光共振器ミラーが無い点、そしてレーザ光を光共振器の外に取り出すために、光共振器に近接して分布結合型の導波路７が設けられている点の３点であり、それ以外の点は実施例１に係る半導体レーザと同様である。なお、リングの大きさは、１００μｍ×１００μｍであり、コーナー部の半径は１０μｍである。
【００７１】
このように構成された半導体レーザ素子を電流駆動すると、ｐ領域から正孔が注入され、またｎ領域から電子が注入され、ＮＦドープ超薄膜シリコンからなる活性層領域で電子と正孔が再結合することで電流注入発光が生じる。発光は光共振器２で増幅され、閾値電流を超えるとレーザ発振が生ずる。
【００７２】
本実施例に係る半導体レーザ素子では、電流注入により１．２μｍ付近（〜１ｅＶ）にピークを持つ電流注入発光が得られ、２５ｍＡを超える電流を振り込むと、０．９６ｅＶに鋭いピークを持つレーザ発振が得られた。室温２５℃における動作特性は、出力１８ｍＷ、外部量子効率１８．８％（１００ｍＡ、４Ｖ動作時）である。本発明の原理に従ってΓを高める素子構造とすることにより、シリコンにより実用的な特性を有する半導体レーザが得られる。
【００７３】
（実施例３）（発光ダイオード）
本実施例は、図７に示す発光ダイオード素子を具体化した例である。本実施例に係る発光ダイオード素子が実施例１に係る半導体レーザと異なる点は、光共振器が無い点、従って誘電体多層膜ミラーを設けていない点であり、それ以外の点は実施例１に係る半導体レーザと同じである。
【００７４】
このように構成された発光ダイオード素子を電流駆動すると、ｐ領域から正孔が注入され、またｎ領域から電子が注入され、ＮＦドープ超薄膜シリコンからなる活性層４の領域で電子と正孔が再結合することで電流注入発光が生じる。
【００７５】
本実施例に係る素子では、電流注入により１．２μｍ付近（〜１ｅＶ）にピークを持つ指向性の強い電流注入発光が得られた。室温２５℃における動作特性は、出力１５ｍＷ、外部量子効率１２．５％（１２０ｍＡ、４．５Ｖ動作時）であった。本発明の原理に従ってΓを高めた素子構造とすることにより、シリコンにより実用的な特性を有する指向性の強い発光ダイオードが得られる。
【００７６】
以上の実施例では、細線及び超薄膜を構成する材料として、シリコンを用いた例を示したが、本発明では、シリコンに限らず、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、シリコンカーバイト、カーボンシリコンゲルマニウムなどのIV族半導体またはIV族化合物半導体を用いることが出来る。
【００７７】
また、超薄膜活性層に強発光性を付与する不純物としては、Ｎ−Ｆペア以外では、Ｎ−Ｉｎペア、またはＳ、またはＣ、またはＬａとＬｕを除く希土類イオンを用いることが出来る。強発光性を与える不純物であれば、上記以外の不純物を用いることも出来る。
【００７８】
更に、不純物ドープ超薄膜について説明したが、ノンボープ超薄膜によっても、ｇは小さく、しきい値が高いが、レーザ発振を行なうことが可能である。また、超薄膜はＳＯＩ基板上に縦に配置したが、ＳＯＩ基板上に横に配置することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るシリコン半導体レーザの斜視図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るシリコン半導体レーザの斜視図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るシリコン半導体レーザの光電場モード分布のシミュレーション結果を示す図。
【図４】従来の半導体レーザの光電場モード分布のシミュレーション結果を示す図。
【図５】スロット導波路の説明図
【図６】本発明の第１の実施形態に係るシリコン半導体レーザのの素子形成のプロセスを工程順に示す図。
【図７】本発明の第３の実施形態に係るシリコン発光ダイオードの斜視図。
【符号の説明】
【００８０】
１…ファブリペロー型光共振器、２…リング型光共振器、３ａ，３ｂ…シリコン細線、４…活性層、５ａ，５ｂ…誘電体多層膜ミラー、６，７…導波路。
【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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