JP2010263180A - 発光デバイス、および平面導波体のインターフェース - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、片面光バンドギャップを備えた発光デバイスおよび導波体デバイスを提供する。
【解決手段】発光デバイスは、高濃度ドープシリコン（Ｓｉ）下部電極と、下部電極の上に配置された、Ｓｉナノ粒子が埋め込まれたＳｉ含有誘電体層とによって構成されている。透明酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）上部電極がＳｉ含有誘電体層の上に配置されており、光バンドギャップ（ＰＢＧ）ブラッグ反射器がＳｉ下部電極の下に配置されている。ＰＢＧブラッグ反射器は、異なる屈折率を有する２つの膜からなる周期的な二層膜を少なくとも１つ含んでいる。片面光バンドギャップ平面導波体のインターフェースは、平面導波体、および、平面導波体の下に配置されたＰＢＧ反射器によって構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して、光学デバイスの集積回路（ＩＣ）の製造に関する。より具体的には、発光デバイス、および、片面に周期に積層された平面導波体のインターフェースに関する。

自由空間光通信、および、光結合アプリケーションは、優れたシステム電源の設計に関して高い集光効率を得るために、光源からの指向性発光を必要とする。従来、Ｓｉナノ粒子をシリコン豊富なシリコン酸化物の内部で発光中間層として用いた自由空間光学結合アプリケーションにおいて、ＳｉＯｘ（ｘ＜２）発光デバイスを直接変調モードで使用することができる。しかし、アクティブＳｉＯｘ（ｘ＜２）層が、透明ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）の上部電極と、他の電極としてのｐまたはｎドープシリコン基板との間に挟まれているとき、空気中への発光効率は低い。この低効率は、２つの主なメカニズムの結果生じる。第一に、放出された光の高い光学指数により、高濃度ドープシリコン基板へ放出された光の大半が損失となる。第二に、上部ＩＴＯ層を通って放出された光が平行ではないため、光検出器による集光が低減される。固定断面を有する光検出器は、ＳｉＯｘエミッタの大きさと比べて光検出器とＳｉＯｘエミッタとの間隔が極めて大きいとき、ごく小帯域の発光角しか検知できない。

図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、シリコン発光デバイス、ならびに、そのフォトルミネセンススペクトルおよびエレクトロルミネセンススペクトル（従来技術）を表している。図１４（ａ）には、単純な発光デバイスが概略的に示されており、アクティブＳｉナノ粒子が、透明ＩＴＯ電極と高濃度ドープＳｉ電極との間に挟まれたＳｉＯｘの誘電体層に埋め込まれている。シリコンはバルク状態において間接バンドギャップ（帯状の隙間または境界）を有しており、これにより、シリコンの発光が妨げられる。しかし、Ｓｉ粒子の大きさが２〜７ｎｍまで低減されるにつれて、上記誘電体に埋め込まれたＳｉ量子ドットは、光学的、または、電気的励起によって発光する。図１４（ｂ）には、上記と同じ材料からの対応ＰＬスペクトルよりも僅かに広帯のＥＬ（エレクトロルミネッセンス）スペクトルが示されている。様々な工程を用いてＳｉナノ粒子の大きさを変えることにより、ピーク発光が調整されている。

図１５は、図１４（ａ）に示された三層配列を用いた有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）数値モデルの部分断面図である。Ｓｉナノ粒子を有するＳｉＯｘ層は、Ｓｉ基板の表面上に直接配置されており、電気的励起のためにＩＴＯによって被覆されている。上記モデルは、ＳｉＯｘ層の内部に点光源を用いており、Ｓｉナノ粒子からの発光を示している。一例として、７５０ｎｍの動作波長の場合、Ｓｉはε_ｓｉ＝１４．４−ｉ０．０９の複合比誘電率を有しており、ＩＴＯは、ε_ＩＴＯ＝４．０−ｉ０．０１７の比誘電率を示している。しかし、シミュレーションにおいて、基板に結合された光の損失が想定されるとともに、ＩＴＯ層が非常に薄い（典型的には、５０ｎｍ以下である）ため、これらの材料が原因の損失はごく僅かである。

シミュレーションのために、上記の例におけるＳｉＯｘ層の厚さを８０ｎｍと想定する。その場合の典型的な放射状態を図示する。動作波長が７５０ｎｍの場合の空気中への光取り出し効率は、Ｓｉ上のＳｉＯｘに関して約１９．７％であると算出され、残りの電力はＳｉ基板内での損失である。

図１４（ａ）に示された装置のための光検知器の集光効率は、図５に示された光検知器および配列を用いて算出された。直径１０ｍｍの光検知器は、０．４ｍｍ×０．４ｍｍの大きさを有するＥＬ装置の上方に２５ｍｍの間隔で配置されている。計算によると、空気中に放出された電力の３．２％以下が、検出器によって集光される。検出器に集められた全電力のうち、ＳＲＯ（Silicon Rich Oxide）に埋め込まれた光源から放出された電力の占める割合は、約０．７％である。

また、集積平面光回路は、例えば小型のオンチップ光結合器またはマイクロ流体生化学センサとしても注目を集めている。ナノスケールのＳｉ粒子が埋め込まれた、発光中間層としてのＳｉＯｘＬＥＤにより、互換性を有する完全ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）のオンチップ集積のための極めて有益な光源が提供される。しかし、光学処理のために光を効率的に平面導波体に集めるのは困難である。代表的なＳｉＯｘＬＥＤにおいて、アクティブＳｉＯｘ層は、（通常は金属製、好適には、損失を低減するためにＩＴＯ製の）上部電極と、高濃度ドープＳｉ下部電極との間に挟まれている。ＳｉとＳｉＯｘとの間に光学指数コントラストの互換性がないので、放出された光のための導波メカニズムは存在しない。

ＳｉＯｘ装置が効率的に空気中から光検知器に光を放つか、または、導波体の中に光を集めることが望まれている。

平面導波体は、従来のＣＭＯＳ ＩＣ装置に準拠するように製造されることが望まれている。

なお、本発明は、従来考えられていなかった新規技術に関するものであり、本発明に関連する先行技術文献公知発明はない。

上記従来の発光デバイスは、光検出器が狭い範囲の光しか検知できないような、集光効率が低い光を発するという問題点を有している。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、集光効率が高い発光デバイスおよび平面導波体のインターフェースを提供することを目的としている。

本明細書に記載されているのは、自由空間光学通信および検知のための優れた電力設計を達成するために、１対のＳｉナノ粒子が埋め込まれたＳｉＯｘＬＥＤと、光検知器とにより集光効率を高めた装置である。自由空間光学伝播システムは、一般的に、優れた電力設計を達成するために、光源から放出される光と光検知器との間の調整を必要とする。上記電力設計は、ノイズ比に対する高信号および低ビット誤り率（ＢＥＲ）に関して必要である。しかし、単純なシステムおよび他の設計制約のためには、視準および調整を容易に用いることができるとは限らない。本明細書中に記載されている装置は、従来のＳｉＯｘＬＥＤに比べて集光効率が高く、調整がそれほど必要ではない片面光バンドギャップ（ＰＢＧ）ブラッグ反射器を用いる。また、ＰＢＧブラッグ反射器を用いて導波結合を最適化する平面導波体についても記載されている。

したがって、本発明により、片面光バンドギャップを備えた発光デバイスが提供される。発光デバイスは、高濃度ドープシリコン（Ｓｉ）下部電極と、該下部電極の上にあるＳｉナノ粒子が埋め込まれたＳｉ含有誘電体層とからなる。透明酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）の上部電極は、Ｓｉ含有誘電体層の上に配置されており、光バンドギャップ（ＰＢＧ）ブラッグ反射器がＳｉ下部電極の下に配置されている。ＰＢＧブラッグ反射器は、異なる屈折率を有する２つの膜からなる周期的な二層膜を少なくとも１つ備える。

本発明の一形態において、ＰＢＧブラッグ反射器は、第二屈折率（ｎ_２）を有する下部膜を備える二層の積層体を含む。下部膜は、第二屈折率よりも小さい第一屈折率（ｎ_１）を有する上部膜の下に配置されている。しかし、第二屈折率よりも大きい第一屈折率を有するＰＢＧブラッグ反射器を製造することもできる。

さらに、本発明は、片面光バンドギャップ平面導波体のインターフェースについても提供する。平面導波体、および、平面導波体の下に配置されたＰＢＧブラッグ反射器から、インターフェースが形成される。ＰＢＧブラッグ反射器は、２つの膜からなる周期的な二層膜を少なくとも１つ含んでおり、その両方の屈折率が平面導波体の屈折率以下であり、かつその両方の屈折率が１よりも大きい。本発明の一形態において、平面導波体は、Ｓｉナノ粒子が埋め込まれたＳｉ含有材料であり、インターフェースは、平面導波体とＰＢＧブラッグ反射器との間に配置された高濃度ドープＳｉ下部電極をさらに含む。透明ＩＴＯまたは金属の上部電極が平面導波体の上に配置されている。

上記装置について、以下にさらに詳しく説明する。

すなわち、本発明の発光デバイスは、片面光バンドギャップを備えた発光デバイスであって、高濃度ドープシリコン（Ｓｉ）下部電極と、上記下部電極の上に配置された、Ｓｉナノ粒子が埋め込まれたシリコン（Ｓｉ）含有誘電体層と、上記Ｓｉ含有誘電体層の上に配置された透明酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）上部電極と、上記Ｓｉ下部電極の下に配置された、異なる屈折率を有する２つの膜からなる少なくとも一周期の的な二層膜を少なくとも１つ含む光バンドギャップ（ＰＢＧ）ブラッグ反射器と、を備えていることを特徴とする。

また、本発明の発光デバイスは、上記ＰＢＧブラッグ反射体器の周期的な二層膜におけるが、上部膜と、該上部膜の下に配置された下部膜とからなり、上記底下部膜がＳｉＯ２であり、上記上部膜がＳｉＮｘ（ｘ＜２）であることが好ましい。

また、本発明の発光デバイスは、上記ＰＢＧブラッグ反射器が、少なくとも二周期の二層膜を含んでいることが好ましい。

また、本発明の発光デバイスは、上記ＰＢＧブラッグ反射体器の周期的な二層膜におけるが、上部膜と、該上部膜の下に配置された下部膜とからなり、上記底下部膜がＳｉであり、上記上部膜がＳｉＯ_２であることが好ましい。

また、本発明の発光デバイスは、上記Ｓｉ含有誘電体層が、約２〜７ナノメートル（ｎｍ）の範囲内の大きさのＳｉナノ粒子を含んでいることが好ましい。

また、本発明の発光デバイスは、上記Ｓｉ含有誘電体層が、約１０〜３００ｎｍの範囲内の厚さを有していることが好ましい。

また、本発明の発光デバイスは、上記ＩＴＯ上部電極が、２０％を上回る出射効率で光を出射させることが好ましい。

また、本発明の発光デバイスは、各周期的な二層膜におけるピーク光波長の反射率が、ＳｉＯｘの層におけるＳｉナノ粒子によって放出された光のピーク波長の反射率とほぼ等しいことが好ましい。

また、本発明の発光デバイスは、上記ＰＢＧブラッグ反射器の周期的な二層膜が、上部膜と、該上部膜の下に配置された下部膜とからなり、上記下部膜の厚さをｄ_２、上記下部膜の屈折率をｎ_２、上記上部膜の厚さをｄ_１、上記上部膜の屈折率をｎ_１とすれば、ｄ_２×ｎ_２とｄ_１×ｎ_１とを加算した値が、Ｓｉナノ粒子によって放出された光のピーク波長に０．５および０．２５からなる群より選択される数を積算した値に等しいことが好ましい。

また、本発明の発光デバイスは、上記ＰＢＧブラッグ反射器の周期的な二層膜が、第一屈折率（ｎ_１）を有する上部膜と、該上部膜の下に配置された第二屈折率（ｎ_２）を有する下部膜とからなり、上記第一屈折率（ｎ_１）は、上記第二屈折率（ｎ_２）よりも小さいことが好ましい。

また、本発明の発光デバイスは、上記Ｓｉ含有誘電体層が、Ｓｉと、ＳｉＮｘ（ｘ＜２）およびＳｉＯｘ（ｘ＜２）からなる群より選択される化合物とを含む材料であることが好ましい。

本発明のインターフェースは、片面光バンドギャップを有する平面導波体のインターフェースであって、平面導波体と、上記平面導波体の下に配置された、２つの膜からなる周期的な二層膜を少なくとも１つ含む光バンドギャップ（ＰＢＧ）ブラッグ反射器と、を備えており、上記二層膜を構成する２つの膜の両方が、上記平面導波体の屈折率以下であり、かつ１より大きい屈折率を有していることを特徴とする。

また、本発明のインターフェースは、上記平面導波体が、Ｓｉナノ粒子が埋め込まれたシリコン（Ｓｉ）含有誘導材料であり、さらに、上記平面導波体と上記ＰＢＧブラッグ反射器との間に配置された高濃度ドープＳｉ下部電極と、上記平面導波体の上に配置された透明酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）上部電極と、を備えていることが好ましい。

また、本発明のインターフェースは、上記ＰＢＧブラッグ反射器の周期的な二層膜が、第一屈折率（ｎ_１）を有する上部膜と、該上部膜の下に配置された第二屈折率（ｎ_２）を有する下部膜とからなり、上記第一屈折率（ｎ_１）は、上記第二屈折率よりも小さいことが好ましい。

また、本発明のインターフェースは、上記上部膜がＳｉＯ_２であり、上記下部膜がＳｉであることが好ましい。

また、本発明のインターフェースは、上記ＰＢＧブラッグ反射器が、少なくとも二周期の二層膜を含んでいることが好ましい。

また、本発明のインターフェースは、上記下部膜がＳｉＮｘであり、上記上部膜がＳｉＯ_２（ｘ＜２）であることが好ましい。

また、本発明のインターフェースは、上記Ｓｉ含有誘電体材料が、約２〜７ナノメートル（ｎｍ）の範囲内の大きさのＳｉナノ粒子を含んでいることが好ましい。

また、本発明のインターフェースは、上記平面導波体が、１５０ｎｍを上回る厚さを有していることが好ましい。

また、本発明のインターフェースは、上記ＰＢＧブラッグ反射器の周期的な二層膜が、上部膜と、該上部膜の下に配置された下部膜とからなり、上記下部膜の厚さをｄ_２、上記下部膜の屈折率をｎ_２、上記上部膜の厚さをｄ_１、上記上部膜の屈折率をｎ_１とすれば、ｄ_２×ｎ_２と、ｄ_１×ｎ_１とを加算した値が、Ｓｉナノ粒子によって放出された光のピーク波長に０．５および０．２５からなる群より選択される数を積算した値に等しいことが好ましい。

また、本発明のインターフェースは、上記平面導波体が、１０％を上回る結合効率を有していることが好ましい。

また、本発明のインターフェースは、上記平面導波体が、Ｓｉと、ＳｉＮｘ（ｘ＜２）およびＳｉＯｘ（ｘ＜２）からなる群より選択される化合物とを含む材料であることが好ましい。

本発明の発光デバイスは、以上のように、片面光バンドギャップを備えた発光デバイスであって、高濃度ドープシリコン（Ｓｉ）下部電極と、上記下部電極の上に配置された、Ｓｉナノ粒子が埋め込まれたシリコン（Ｓｉ）含有誘電体層と、上記Ｓｉ含有誘電体層の上に配置された透明酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）上部電極と、上記Ｓｉ下部電極の下に配置された、異なる屈折率を有する２つの膜からなる周期的な二層膜を少なくとも１つ含む光バンドギャップ（ＰＢＧ）ブラッグ反射器と、を備えているものである。

それゆえ、本発明の発光デバイスは、集光効率を高めることができるという効果を奏する。

また、本発明のインターフェースは、以上のように、片面光バンドギャップを有する平面導波体のインターフェースであって、平面導波体と、上記平面導波体の下に配置された、２つの膜からなる周期的な二層膜を少なくとも１つ含む光バンドギャップ（ＰＢＧ）ブラッグ反射器と、を備えており、上記二層膜を構成する２つの膜の両方が、上記平面導波体の屈折率以下であり、かつ１より大きい屈折率を有しているものである。

それゆえ、本発明のインターフェースは、集光効率を高めることができるという効果を奏する。

片面光バンドギャップを備えた発光デバイスを示す部分断面図である。 図１に示されたＰＢＧブラッグ反射器の詳細を示す部分断面図である。 片面光バンドギャップ平面導波体のインターフェースを示す部分断面図である。 図３に示された平面導波体のインターフェースの変形例を示す部分断面図である。 光検出器を用いてＳｉＯｘ発光デバイス（ＬＥＤ）から集光するシステムを示している図である。 図１に図示された発光デバイスについて動作中の特定の変形例を示す部分断面図である。 連続したＳｉＯ_２およびＳｉＮｘ層からなる１０層の積層体を介した透過を示すグラフであり、入射角はそれぞれ、０°および６０°である。 異なるタイプのブラッグ反射器を用いてＥＬ装置の異なる領域に放射した電力の電界のプロファイルである。 異なる厚さのＳｉＯ_２を用いてＳｉＯ_２層およびＳｉＮｘ層を周期的に積層した１０層の積層体について算出された反射を示すグラフである。 図３の平面導波体を示す略ブロック図であり、互換性を有するＣＭＯＳ集積光回路のアプリケーションに用いられる。 導波体インターフェースの異なる領域に放射された電力の電界プロファイルである。 ＳｉＮｘまたはＳｉ層を用いたＰＢＧブラッグ反射器の変形例を示す。 異なるブラッグ反射器を備えた平面導波体インターフェースの異なる領域に放射した電力の電界プロファイルである。 シリコン発光デバイス、ならびに、そのフォトルミネセンススペクトルおよびエレクトロルミネセンススペクトルを示す部分断面図である（従来技術）。 図１４に示された三層配列を用いた有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）数値モデルの部分断面図である。

本発明の実施形態について図１〜図１５に基づいて説明すると以下の通りである。なお、本発明はこれに限定されるものではない。

分散ブラッグ反射器、すなわち、ブラッグ反射器は、光ファイバーなどの導波体に使用される反射器である。また、ブラッグ反射器を用いた反射現象をブラッグ反射という。ブラッグ反射器は、異なる屈折率を有する交互に積層された材料の複数の層によって構成されており、誘導的導波体のいくつかの特徴（例えば厚さ）の周期的変化によって構成される。その結果、導波体における効果的な屈折率において周期的変形が生じる。各層の境界が、光波の部分的な反射を引き起こす。層の光学的厚さの４倍近くの波長を有する波に関して、多くの反射が建設的干渉と結合し、層が反射器として働く。反射された波長帯域は、光ストップバンドと呼ばれる。上記波長帯域の範囲内では、構造内での光の伝播は許されない。ブラッグ反射器の反射率（Ｒ）は、下記の数式によって求められる。

このとき、ｎ_０は周囲媒体、ｎ_１およびｎ_２は２つの交互に積層された材料、ｎ_３は基板の各屈折率であり；Ｎは、低/高屈折率材料の繰り返し単位の数である。

光ストップバンドの帯域Δｖ_０は、下記の数式によって算出される。

このとき、ｖ_０は帯域の中心周波数であり、ＰＢＧの中心波長はｎ_１およびｎ_２層の厚さ（積層体の周期）に対応する。

したがって、ブラッグ反射器における周期の数が増加するにつれ、鏡面反射率が増大する。ブラッグ対における材料間の屈折率のコントラストが増大するにつれ、反射率および帯域の両方が増大する。

図１は、片面光バンドギャップ（帯状の隙間または境界）を備えた発光デバイスを示す部分断面図である。発光デバイス１００は、高濃度ドープシリコン（Ｓｉ）下部電極１０２と、Ｓｉナノ粒子が埋め込まれたＳｉ含有誘電体１０４とを備える。Ｓｉ含有誘電体１０４は、下部電極１０２の上に配置されている。Ｓｉ含有誘電体層１０４は、Ｓｉ、ＳｉＮｘ（ｘ＜２）、または、ＳｉＯｘ（ｘ＜２）などの材料であってもよい。

一般的に、Ｓｉナノ粒子１０６の大きさ（直径）は、約２〜７ナノメートル（ｎｍ）の範囲内である。透明酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）または金属上部電極１０８は、ＳｉＯｘ層１０４の上に配置されており、光バンドギャップ（ＰＢＧ）ブラッグ反射器１１０は、Ｓｉ下部電極１０２の下に配置されている。ＰＢＧブラッグ反射器１１０は、異なる屈折率を有する、２つの膜からなる少なくとも一周期の的な二層膜を少なくとも１つ含む。本発明の一実施形態において、Ｓｉ含有誘電体層１０４は、約１０〜３００ｎｍの範囲内の厚さ１１２を有する。

従来の設計（例えば、図１４（ａ））では、基板の屈折率が空気中の屈折率よりも大きいため、生成された光の８０％以下が、基板内での消耗によって損失する。ブラッグ反射器における周期的な二層は、空気中に反射させる鏡として考えられている。

図２は、図１に示されたＰＢＧブラッグ反射器１１０を詳しく示した部分断面図である。ＰＢＧブラッグ反射器１１０は、下部膜２０２を備える周期的な二層の積層体２００を備える。下部膜２０２は、第二屈折率（ｎ_２）を有しており、第一屈折率（ｎ_１）を有する上部膜２０４の下に配置されている。第一屈折率（ｎ_１）は、第二屈折率（ｎ_２）よりも小さい。本発明において、代替的に、ｎ_１はｎ_２よりも大きくてもよい。図２において、ｎが特定の数値に制限されない変数である場合の、二層の積層体２００ｎ（二層の積層体２００ａ）を示す。本発明の一実施形態において、ＰＢＧブラッグ反射器１１０は、少なくとも２つの二層周期を含む。本発明の他の実施形態において、２〜１０の間の二層周期を用いることができる。

本発明の一実施形態において、下部膜２０２はＳｉＯ_２であり、上部膜２０４はＳｉＮｘ（ｘ＜２）である。本発明の異なる形態において、下部膜２０２はＳｉであり、上部膜２０４はＳｉＯ_２である。各下部膜２０２（ｄ_２）×（ｎ_２）の厚さ２０６＋各上部膜（ｄ_１）×（ｎ_１）の厚さ２０８は、一般的に、Ｓｉナノ粒子が放出する光のピーク波長の０．５倍または０．２５倍と同一である。

図１に戻ると、動作中に、Ｓｉナノ粒子を備えるＳｉ含有誘電体層が、２０％を上回る効率でＩＴＯ上部電極を介して発光し、各周期的な二層のピーク光波長の反射率は、ＳｉＯｘ層におけるＳｉナノ粒子によって放たれた光のピーク波長の反射率とほぼ等しい。

図３は、片面光バンドギャップ平面導波体のインターフェースの部分断面図である。インターフェース３００は、平面導波体３０２と、平面導波体３０２の下に配置されたＰＢＧブラッグ反射器１１０とを備える。ＰＢＧブラッグ反射器１１０は、少なくとも１つの周期的な二層膜を含んでいる。その屈性率は、平面導波体３０２の屈折率以下であり、かつ１よりも大きい。

導波体の結合のために、ブラッグ反射器は、光が表面の導波体の中に結合される機会を増やす。導波体を２回通過する光は、導波体の近傍にある光場の最適化を考慮しなかったとしても、導波体を１回しか通過しない光と比べて結合の機会が多い。周期的な二層を用いて、特により高い屈折率コントラストと混合されるとき、光反射が光連結効率を高める。一般的に、導波体の設計は、１００ｎｍ以下のモードナンバーを有する図１の垂直発光装置と比較すると、少なくとも１つの誘導モードを有する。

図２に戻ると、ＰＢＧブラッグ反射器１１０は、下部膜２０２を備えた周期的な二層２００（２００ａ，２００ｎ）を有する。下部膜２０２は第二屈折率（ｎ_２）を有しており、上部膜２０４の下に配置されている。上部膜２０４は、第二屈折率よりも小さい第一屈折率（ｎ_１）を有する。一般的に、少なくとも２つの二層周期２００がある。本発明の一実施形態において、上部膜２０４はＳｉＯ_２であり、下部膜２０２はＳｉである。本発明の他の形態において、下部膜２０２はＳｉＮｘ（ｘ＜２）であり、上部膜２０４はＳｉＯ_２である。

図４は、図３に示された平面導波体のインターフェースの変形例を示した部分断面図である。上記形態において、平面導波体３０２は、Ｓｉナノ粒子４００が埋め込まれた、Ｓｉ含有の誘電体材料である。例えば、平面導波体３０２は、Ｓｉ、ＳｉＮｘ（ｘ＜２）、または、ＳｉＯｘ（ｘ＜２）などの材料であってもよい。一般的に、Ｓｉ含有の平面導波体材料は、約２〜７ｎｍの範囲内の大きさを有するＳｉナノ粒子４００を含む。さらに、インターフェース３００は、平面導波体３０２とＰＢＧブラッグ反射器１１０との間に置かれた高濃度ドープＳｉ下部電極４０２を備える。透明ＩＴＯまたは金属の上部電極４０４は、平面導波体３０２の上に配置されている。

図２と図４とを対比させると、本発明の一実施形態において、平面導波体３０２は、少なくとも１つの誘導モードを保証するために、１５０ｎｍを上回る厚さ４０６を有する。本発明の他の形態において、各下部膜２０２（ｄ_２）×（ｎ_２）の厚さ２０６＋各上部膜２０４（ｄ_１）×（ｎ_１）の厚さ２０８は、一般的に、Ｓｉナノ粒子が放出する光のピーク波長の０．５倍または０．２５倍と同一である。以下に詳述するように、平面導波体は動作中に１０％以上の結合効率を有する。

図５には、ＳｉＯｘ発光デバイス（ＬＥＤ）から光を集める光検出器を用いたシステムが示されている。図示された配列に関して、角度分布を用いて示したように、ＩＴＯを介して空気中に放出された光の集光効率が３％以下であることがわかった。Ｓｉの屈折率（３．４５以下）は、ＳｉＯｘの屈折率（２．０以下）、および、空気の屈折率（１．０以下）よりも高いので、ＩＴＯを介して空気中に光が放出されるよりも、アクティブＳｉＯｘ層から光が放出される方が、より高い抽出（例えば７０％以下）が実現される。この結果は、以下に詳述するＦＤＴＤ（有限差分時間領域）シミュレーションにより実証される。

図６は、図１に示された発光デバイスの動作中の特定の変形例を示す部分断面図である。装置設計には、Ｓｉ、ＳｉＮｘ、またはＴｉＯ_２（本例においては、ＳｉＮｘ）などの高い屈折率を有する積層体材料、および、アクティブＳｉＯｘ層１０４の下に、低い屈折率を有する材料（例えばＳｉＯ_２）が代わりに用いられてもよい。これらの積層体構造は、光バンドギャップを形成する。すなわち、これらの構造が、特定の波長帯域の光が自由に伝播するのを禁止する。ＰＢＧ積層体構造に関して、光の伝播は一過性のものである。すなわち、指数関数的減衰により、光は極めて短距離の範囲内を伝播する。したがって、１００％近い光が入射方向に反射、すなわち、ＩＴＯ電極１０８を介して空気中に放出される。上記装置設計の他の利点は、図５に示された発光角度分散と比べ、装置からのより直接的な発光であるので、あらゆる光検出器の集光効率を高めることにある。

図１４（ａ）および１５に示された背景技術の説明の中で集光効率および抽出効率が低いことを検討したが、図１および図６に示すように、高屈折率および低屈折率の積層体材料を交互に用いて発光デバイスにおける高濃度ドープＳｉ電極側に光バンドギャップを形成することにより、ＳｉＯｘＬＥＤからデバイスにおける有益な空気側への光の抽出を向上させることができる。光バンドギャップの形成は、ブラッグ反射による積層体構造からの反射率を高める。

図６のデバイスにおいて、Ｓｉナノ粒子からの発光を示すのにＳｉＯｘ層内部に点光源を用いることができる。このデバイスにおいて、ＳｉＮｘおよびＳｉＯ_２の代わりに他の高屈折率、および、低屈折率の材料を用いてもよい。また、デバイスは、ガラス基板上にあると想定される。多層の積層体構造は、ブラッグ反射器として働き、基板への光の結合を低減させ、抽出効率を高める。ここでは、上記構造は、Ｓｉ層とＩＴＯ層との間に挟まれるとともに、電気的励起のために使用されるＳｉＯｘ層の例と捉える。

図７（ａ）および図７（ｂ）は、０°の入射角、および、６０°の入射角をそれぞれ有する、連続的ＳｉＯ_２およびＳｉＮｘ層の１０層の積層体を介する透過を示す。図７（ａ）および図７（ｂ）の両方において、ＰＢＧブラッグ反射器における各個々の層の厚さは１１０ｎｍである。入射波はＳｉＯｘ層から来ると想定され、そして、ガラス基板を透過する。ＳｉＯ_２およびＳｉＮｘ層の積層体が周期的なブラッグ反射器として働き、放出された光を空気に向けて反射する。図７（ａ）は、正常入射波についての１１０ｎｍのＳｉＯ_２および１１０ｎｍのＳｉＮｘの連続層（正常化のために使用される周期ａは、２２０ｎｍと等しい）からなる周期的な多層の積層体の透過状態を示す。この構造が所望の波長帯域における電力の大半を反射するように、パラメータを設定することができる。しかし、透過状態は角度依存しており、正常方向に反射される同波長が、他の角度において上記多層の積層体を介して透過される可能性がある。図７（ｂ）において、同じ構造に関して６０°で透過を算出することにより上記問題を解決している。

図８（ａ）〜図８（ｄ）は、異なるタイプのブラッグ反射器を用いた、ＥＬデバイスの異なる領域における放射電力の電界のプロファイルである。図８（ａ）は１１０ｎｍのＳｉＮｘ（上部膜）および１１０ｎｍのＳｉＯ_２（下部膜）の２周期の二層の積層体、図８（ｂ）は１１０ｎｍのＳｉＮｘ（上部膜）および１１０ｎｍのＳｉＯ_２（下部膜）の４周期の二層の積層体、図８（ｃ）は１１０ｎｍのＳｉＮｘ（上部膜）および１１０ｎｍのＳｉＯ_２（下部膜）の６周期の二層の積層体、および、図８（ｄ）は１１０ｎｍのＳｉＮｘ（上部膜）および１１０ｎｍのＳｉＯ_２（下部膜）の１０周期の二層の積層体のものである。ＳｉＯｘアクティブ層は、上部にＩＴＯ電極を備えたＳｉ電極上に配置されている。ＩＴＯ層の厚さは５０ｎｍであり、ＳｉＯｘの厚さは８０ｎｍである。７５０ｎｍの動作波長において、全放射パターンが算出される。

反射積層体構造における異なる数の周期的な層は、これらの層が抽出効率および放射パターンに与える影響を示している。それによれば、通常方向での基板領域への透過が強く抑制されることが見られる。しかし、図７（ａ）および図７（ｂ）の結果から予想されるように、より大きい角度の場合は、層の積層体を介して伝播される。これら全ての場合について抽出効率および集光効率を算出し、表１にその結果をまとめた。６層の積層体を用いることにより、約２．１％の全集光効率が達成される。これは、反射積層体を備えていない構造（図１４（ａ））における抽出効率の３倍優れている。

さらに抽出効率を上げるための１つの選択肢として、層のいくつかがより大きい入射角を反射するように、多層の積層体全体に渡って層の厚さを変更することが挙げられる。この結果を得るために、積層体における層の厚さを増大させることができ、これにより、同じ動作波長において、より高い入射角がこれらの層から完全に反射される。

図９（ａ）および図９（ｂ）は、厚さが異なるＳｉＯ_２の周期的なＳｉＯ_２層およびＳｉＮｘ層の１０層の積層体について算出された反射を示す。図９（ａ）において、各ＳｉＮｘ層は９０ｎｍの厚さを有しており、７５０ｎｍの動作波長における異なる入射角について、１６０ｎｍ、２１０ｎｍ、および２８０ｎｍの厚さの酸化物が図示されている。図９（ｂ）は、図９（ａ）に示されたものと同構造のスペクトル状態であり、正常な入射入力波について算出およびプロットされる。

図９（ａ）によると、厚さを変更することにより、異なる範囲の角度を対象とすることができる。これら全ての層を積層体内に設けることにより、少なくとも理論上は、全ての入射角についての反射を達成することができる。図９（ｂ）に示したように、厚さが変わる場合、正常入射が必ずしも全ての層から反射されるわけではないことに留意すべきである。

本発明の一実施形態において、ＰＢＧブラッグ反射器は、ＳｉＯ_２およびＳｉＮｘの交互の層を備えた８周期の二層を用いる。全てのＳｉＯ_２層の厚さは１１０ｎｍであり、ＳｉＮｘの厚さが、（上部層から底部層の順番に）１１０ｎｍ、１１０ｎｍ、１３０ｎｍ、および１５０ｎｍである。その結果、構造は３０％の抽出効率、２．９％の集光効率を有しており、これは、図１４（ａ）の反射積層体を有していない単純な構造の集光効率０．７％に比べ、４倍に増加している。

図１０は、図３の平面導波体を示した略ブロック図であり、ＣＭＯＳ互換集積光学回路アプリケーションに使用されるものを示す。ＣＭＯＳ互換光検知器（ＰＤ）技術と組み合わせることにより、光相互接続装置および検知アプリケーションのための、光源、光検知器、および導波体などのモノリシックＣＭＯＳ互換光学回路が製造され得る。

図１１（ａ）〜図１１（ｄ）は、導波体のインターフェースにおける異なる領域に対する放射電力の電界のプロファイルである。導波体は、ＳｉＮ層上、ＳｉＯ_２バッファ層上に増大するＳｉＯｘアクティブ層と、その上に設けられたＩＴＯ電極からなる。ＩＴＯ層の厚さは５０ｎｍであり、ＳｉＮ層の厚さは１００ｎｍであり、ＳｉＯｘの厚さは図１１（ｂ）において５０ｎｍ、図１１（ｃ）において１００ｎｍ、図１１（ｄ）において２００ｎｍである。全放射パターンは、７５０ｎｍの一般的な動作波長にて算出される。

導波体モードを得るために、相対的に大きい厚さ（＞１μｍ）を有する低屈折率（ｎ＝１．４５）のＳｉＯ_２材料をバッファ層として使用し、底部基板からデバイスを隔絶する。加えて、導波体効果を最適化するために、各ＳｉＯ_２バッファ層において、薄いポリシリコン電極（損失を少なくするため、１０ｎｍ以下）の下に、ＳｉＯｘ（すなわち、ｎが２．０以下）と同様の屈折率を有するＳｉＮｘ層を使用する。この場合には、各ＳｉＯ_２である、相対的に厚いバッファ層により、構造がＩＴＯ−ＳｉＯｘ−ＳｉＮ層における制限モードを支持するように、十分な指数コントラストが提供される。

ＳｉＯｘ層がより厚い場合、抽出効率は増大する。空気に対する抽出効率は、５０ｎｍのＳｉＯｘサンプルにおける１５．１％から、１００ｎｍのＳｉＯｘサンプルにおける１８．４％に、さらに、２００ｎｍのＳｉＯｘサンプルにおける１９．９％に増加する。しかし、ＳｉＮｘ層における誘導モードに対する結合効率は、全ての場合で約５０％のままである。このようなＳｉＯｘアクティブ層の非感受性は、集積設計において役立つ。

２μｍのＳｉＯ_２バッファを用いた場合でも、底部基板への光の漏出は多く見られる。この漏出を制限する方法として、光の漏出を防ぐブラッグ反射器を形成するために交互に高低の光学指数を備えた多層構造を用いることが挙げられる。

高い光学指数、および、低い光学指数の材料としては、ＳｉＮｘ（ｎが２．０以下）、および、ＳｉＯ_２（ｎが１．４５以下）を用いることができる。しかし、指数コントラストが低いため、積層体から形成されるバンドギャップが抑制光において最適ではなく、大きい入射角にて基板内に入る可能性がある。代替の方法として、より高い指数を有するＳｉ（ｎが３．４５以下）をＳｉＮｘの代わりに用いてもよい。光は積層体構造内に深く伝播しないので、Ｓｉの吸収の結果生じる、より高い損失は顕著ではない。高い指数を有するものとしてＳｉＮｘ、およびＳｉを用いることについては、下記に説明する。

図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、ＳｉＮｘおよびＳｉ層（図１２（ａ）においてＳｉＮｘ、図１２（ｂ）においてＳｉ層）を用いたＰＢＧブラッグ反射器の代替的変形例を示す。ＳｉＯｘアクティブ層は、Ｓｉ電極とＩＴＯ電極との間に挟まれている。図１２（ａ）はＳｉＯ_２層およびＳｉＮｘ層の周期を表しており、図１２（ｂ）は、ＳｉＯ_２層およびＳｉ層の周期を表している。両構造がガラス基板に設けられていると想定される。ＳｉＯ_２とＳｉＮｘとの間の指数コントラストは、積層体からの全方向性反射を与えるのに十分ではなく、より大きい角度での波は、周期的な積層体を介して伝播する。この問題を避けるため、（より大きい指数コントラストを有する）Ｓｉ層およびＳｉＯ_２層の積層体が反射器として使用される。図１２（ａ）に示したように、ＩＴＯ電極は５０ｎｍであり、ＳｉＯｘアクティブ層は９０ｎｍであり、Ｓｉ下部電極は６０ｎｍである。しかし、１１０ｎｍのＳｉＯ_２およびＳｉＮｘの連続層を用いる代わりに、図１２（ｂ）のデバイスは、８０ｎｍの厚さのＳｉ層およびＳｉＯ_２層を用いる。この場合のより小さい格子定数（二重層の厚さ）は、より高い指数コントラストを補完するのに用いられ、７５０ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲内にて正常方向にギャップの中心を生成する。

図１３（ａ）〜図１３（ｆ）は、異なるブラッグ反射器を有する平面導波体インターフェースの異なる領域に対する放射電力を示す電界のプロファイルである。ＳｉＯｘアクティブ層は、Ｓｉ電極とＩＴ電極との間に設けられている。ＩＴＯ層の厚さは５０ｎｍであり、ＳｉＯｘの厚さは９０ｎｍである。全放射パターンは、７５０ｎｍの動作波長にて算出される。図１３（ａ）、図１３（ｃ）、図１３（ｅ）の反射多層積層体は、周期的な積層体において、１１０ｎｍの厚さのＳｉＮｘおよび１１０ｎｍの厚さのＳｉＯ_２からなる、４、６、および、１０の交互の層によってそれぞれ構成されている。図１３（ｂ）、図１３（ｄ）、図１３（ｆ）の反射多層積層体は、周期的な積層体において、８０ｎｍの厚さのＳｉおよび８０ｎｍの厚さのＳｉＯ_２からなる、４、６、および、８の交互の層によってそれぞれ構成されている。

Ｓｉ−ＳｉＯ_２積層体を使用するとき、基板領域への光の伝播は強く抑制されるのが見られる。ＳｉＯ_２周期的な積層体とＳｉＮｘ周期的な積層体とを対比させると、より高い指数コントラストのＳｉが、全方向の抑制を生み出す。すなわち、より大きい光の角度分散を対象とする。表２にその結果を表した。Ｓｉ構造に関して、空気に対する光の損失は、層の数が異なる場合でもほとんど同じであるが、導波体への結合は６０％にまで増大する。このとき、２つの強度を合わせるとほぼ１００％である。ＳｉＮｘの場合、より多い量の光（大きい入射角において約５０％）が、ブラッグ積層体の下に配置されたＳｉ基板によって吸収されていた。

以上のように、片面光バンドギャップを備えた発光デバイスおよび導波体デバイスについて説明した。本発明を説明するために、特定の材料および大きさを例示した。しかし、本発明は、上記の例のみに限定されるものではない。当業者であれば、他の変形例および実施形態を想定できる。

本発明は、光学デバイスの集積回路（ＩＣ）などに適用することができる。

１００ 発光デバイス
１０２ Ｓｉ下部電極（下部電極）
１０４ Ｓｉ含有誘電体（Ｓｉ含有誘電体層、ＳｉＯｘ層）
１０６ Ｓｉナノ粒子
１０８ ＩＴＯ上部電極（上部電極、ＩＴＯ電極）
１１０ ＰＢＧブラック反射器
２００ａ 二層（二層膜、二層の積層体、二層周期）
２００ｎ 二層（二層膜、二層の積層体、二層周期）
２０２ 下部膜
２０４ 上部膜
３００ インターフェース
３０２ 平面導波体
４００ Ｓｉナノ粒子
４０２ Ｓｉ下部電極（下部電極）
４０４ ＩＴＯ上部電極（上部電極、ＩＴＯ電極）

Claims (22)

1. 片面光バンドギャップを備えた発光デバイスであって、
   高濃度ドープシリコン（Ｓｉ）下部電極と、
   上記下部電極の上に配置された、Ｓｉナノ粒子が埋め込まれたシリコン（Ｓｉ）含有誘電体層と、
   上記Ｓｉ含有誘電体層の上に配置された透明酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）上部電極と、
   上記Ｓｉ下部電極の下に配置された、異なる屈折率を有する２つの膜からなる周期的な二層膜を少なくとも１つ含む光バンドギャップ（ＰＢＧ）ブラッグ反射器と、
   を備えていることを特徴とする発光デバイス。
2. 上記ＰＢＧブラッグ反射器の周期的な二層膜が、上部膜と、該上部膜の下に配置された下部膜とからなり、
   上記下部膜がＳｉＯ_２であり、上記上部膜がＳｉＮｘ（ｘ＜２）であることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
3. 上記ＰＢＧブラッグ反射器が、少なくとも二周期の二層膜を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
4. 上記ＰＢＧブラッグ反射器の周期的な二層膜が、上部膜と、該上部膜の下に配置された下部膜とからなり、
   上記下部膜がＳｉであり、上記上部膜がＳｉＯ_２であることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
5. 上記Ｓｉ含有誘電体層が、２〜７ナノメートル（ｎｍ）の範囲内の大きさのＳｉナノ粒子を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
6. 上記Ｓｉ含有誘電体層が、１０〜３００ｎｍの範囲内の厚さを有していることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
7. 上記ＩＴＯ上部電極が、２０％を上回る出射効率で光を出射させることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
8. 各周期的な二層膜におけるピーク光波長の反射率が、ＳｉＯｘの層におけるＳｉナノ粒子によって放出された光のピーク波長の反射率とほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
9. 上記ＰＢＧブラッグ反射器の周期的な二層膜が、上部膜と、該上部膜の下に配置された下部膜とからなり、
   上記下部膜の厚さをｄ_２、上記下部膜の屈折率をｎ_２、上記上部膜の厚さをｄ_１、上記上部膜の屈折率をｎ_１とすれば、ｄ_２×ｎ_２とｄ_１×ｎ_１とを加算した値が、Ｓｉナノ粒子によって放出された光のピーク波長に０．５および０．２５からなる群より選択される数を積算した値に等しいことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
10. 上記ＰＢＧブラッグ反射器の周期的な二層膜が、第一屈折率（ｎ_１）を有する上部膜と、該上部膜の下に配置された第二屈折率（ｎ_２）を有する下部膜とからなり、
    上記第一屈折率（ｎ_１）は、上記第二屈折率（ｎ_２）よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
11. 上記Ｓｉ含有誘電体層が、Ｓｉと、ＳｉＮｘ（ｘ＜２）およびＳｉＯｘ（ｘ＜２）からなる群より選択される化合物とを含む材料であることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
12. 片面光バンドギャップを有する平面導波体のインターフェースであって、
    平面導波体と、
    上記平面導波体の下に配置された、２つの膜からなる周期的な二層膜を少なくとも１つ含む光バンドギャップ（ＰＢＧ）ブラッグ反射器と、
    を備えており、
    上記二層膜を構成する２つの膜の両方が、上記平面導波体の屈折率以下であり、かつ１より大きい屈折率を有していることを特徴とするインターフェース。
13. 上記平面導波体は、Ｓｉナノ粒子が埋め込まれたシリコン（Ｓｉ）含有誘導材料であり、
    さらに、上記平面導波体と上記ＰＢＧブラッグ反射器との間に配置された高濃度ドープＳｉ下部電極と、
    上記平面導波体の上に配置された透明酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）上部電極と、
    を備えていることを特徴とする請求項１２に記載のインターフェース。
14. 上記ＰＢＧブラッグ反射器の周期的な二層膜が、第一屈折率（ｎ_１）を有する上部膜と、該上部膜の下に配置された第二屈折率（ｎ_２）を有する下部膜とからなり、
    上記第一屈折率（ｎ_１）は、上記第二屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項１２に記載のインターフェース。
15. 上記上部膜がＳｉＯ_２であり、上記下部膜がＳｉであることを特徴とする請求項１４に記載のインターフェース。
16. 上記ＰＢＧブラッグ反射器が、少なくとも二周期の二層膜を含んでいることを特徴とする請求項１２に記載のインターフェース。
17. 上記下部膜がＳｉＮｘであり、上記上部膜がＳｉＯ_２（ｘ＜２）であることを特徴とする請求項１４に記載のインターフェース。
18. 上記Ｓｉ含有誘電体材料が、２〜７ナノメートル（ｎｍ）の範囲内の大きさのＳｉナノ粒子を含んでいることを特徴とする請求項１３に記載のインターフェース。
19. 上記平面導波体が、１５０ｎｍを上回る厚さを有していることを特徴とする請求項１３に記載のインターフェース。
20. 上記ＰＢＧブラッグ反射器の周期的な二層膜が、上部膜と、該上部膜の下に配置された下部膜とからなり、
    上記下部膜の厚さをｄ_２、上記下部膜の屈折率をｎ_２、上記上部膜の厚さをｄ_１、上記上部膜の屈折率をｎ_１とすれば、ｄ_２×ｎ_２と、ｄ_１×ｎ_１とを加算した値が、Ｓｉナノ粒子によって放出された光のピーク波長に０．５および０．２５からなる群より選択される数を積算した値に等しいことを特徴とする請求項１３に記載のインターフェース。
21. 上記平面導波体が、１０％を上回る結合効率を有していることを特徴とする請求項１３に記載のインターフェース。
22. 上記平面導波体が、Ｓｉと、ＳｉＮｘ（ｘ＜２）およびＳｉＯｘ（ｘ＜２）からなる群より選択される化合物とを含む材料であることを特徴とする請求項１３に記載のインターフェース。