JP4864837B2 - ナノレーザ構造の作製方法 - Google Patents

Description

本発明はナノレーザ構造の作製方法に関し、特に、ＶＬＳ（Ｖａｐｅｒ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｏｌｉｄ：気相−液相−固相）成長またはＶＳＳ（Ｖａｐｅｒ Ｓｏｌｉｄ Ｓｏｌｉｄ：気相−固相−固相）成長にてナノオーダのレーザ構造を作製する方法に適用して好適なものである。

ナノワイヤを作製する結晶成長方法として、金属触媒を用いたＶＬＳ成長またはＶＳＳ成長が知られている。このＶＬＳ成長またはＶＳＳ成長では、ドーピングを行いながら、原子の結合が途切れていない良好な単結晶を軸の垂直な方向に作製することができ、ナノオーダの受光発光素子を形成することができる。
また、ナノワイヤの表面での非発光再結合を抑えるために、ナノワイヤ形成後に成長温度を上げてキャッピング成長を行うことは、発光素子を実現する上で重要である。ここで、金属触媒を残したままキャッピング成長を行うと、成長温度が高い場合においても、軸方向の成長が速いため、キャッピング成長後の構造がテーパー状となり、共振器を構成する上で障害になる。
一方、非特許文献１には、Ｇｅナノワイヤにおいて、金属のエッチングにより、触媒の金属粒子を選択的に除去する方法が開示されている。
Ｊ．Ｈ．Ｗｏｏｄｒｕｆｆ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．７，１６３７（２００７）．

しかしながら、触媒の金属粒子を選択的に除去するために、金属のエッチングを用いる方法では、微量ながらも溶け出された金属がナノワイヤの表面に再結合するため、キャッピング成長後に金属がナノワイヤに取り込まれ、ナノワイヤの発光特性が劣化することがあるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、ボトムアップ的に制御性よくナノオーダのレーザ構造を作製することが可能なナノレーザ構造の作製方法を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載のナノレーザ構造の作製方法によれば、金属微粒子を半導体基板上に形成する工程と、ＶＬＳ成長またはＶＳＳ成長にて前記金属微粒子下に第１ナノワイヤを形成する工程と、前記第１ナノワイヤよりもエッチングレートの大きな第２ナノワイヤをＶＬＳ成長もしくはＶＳＳ成長にて前記第１ナノワイヤ上に形成する工程と、前記第２ナノワイヤを選択的にエッチングすることにより、前記金属微粒子を第２ナノワイヤとともに前記第１ナノワイヤ上から除去する工程と、前記第２ナノワイヤが除去された前記第１ナノワイヤの周囲に前記第１ナノワイヤとヘテロ接合を構成する第１キャッピング層を結晶成長にて形成する工程と、前記第１キャッピング層の周囲に前記第１キャッピング層とヘテロ接合を構成する第２キャッピング層を結晶成長にて形成する工程とを備えることを特徴とする。

これにより、第１ナノワイヤ上に形成された第２ナノワイヤをエッチングすることにより、金属微粒子を溶かすことなく、触媒の金属微粒子を除去することができる。このため、第１ナノワイヤに金属が取り込まれるのを防止しつつ、第１ナノワイヤの周囲をキャッピング層にて覆うことが可能となるとともに、キャッピング層の形成時の軸方向の成長を抑制することができ、キャッピング成長後の構造を良質な結晶性のロッド状にすることが可能となる。この結果、キャッピング成長後のロッドの上端のファセット面を反射鏡として使用することが可能となり、ロッドの下端の界面との間で共振器を構成することが可能となるとともに、第１キャッピング層を活性層として機能させることができ、ボトムアップ的に制御性よくナノオーダのレーザ構造を作製することができる。

また、請求項２記載のナノレーザ構造の作製方法によれば、半導体基板上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層に開口部を形成する工程と、前記開口部を介して金属微粒子を半導体基板上に形成する工程と、ＶＬＳ成長またはＶＳＳ成長にて前記金属微粒子下に第１ナノワイヤを形成する工程と、前記第１ナノワイヤよりもエッチングレートの大きな第２ナノワイヤをＶＬＳ成長もしくはＶＳＳ成長にて前記第１ナノワイヤ上に形成する工程と、前記第２ナノワイヤを選択的にエッチングすることにより、前記金属微粒子を第２ナノワイヤとともに前記第１ナノワイヤ上から除去する工程と、前記第２ナノワイヤが除去された前記第１ナノワイヤの周囲が覆われるようにして、前記第１ナノワイヤとヘテロ接合を構成する第１キャッピング層を結晶成長にて前記絶縁層上に形成する工程と、前記第１キャッピング層の周囲が覆われるようにして、前記第１キャッピング層とヘテロ接合を構成する第２キャッピング層を結晶成長にて前記絶縁層上に形成する工程とを備えることを特徴とする。

これにより、第１ナノワイヤに金属が取り込まれるのを防止しつつ、第１キャッピング層を活性層として機能させることが可能となるとともに、キャッピング成長後のロッドの上端のファセット面および絶縁層との界面を反射鏡として使用することが可能となり、ボトムアップ的に制御性よくナノオーダのレーザ構造を作製することができる。
また、請求項３記載のナノレーザ構造の作製方法によれば、前記第１ナノワイヤの途中に前記第１ナノワイヤとヘテロ接合を構成する量子ドットまたは超格子構造を形成する工程とを備えることを特徴とする。

これにより、第１ナノワイヤに金属が取り込まれるのを防止しつつ、第１ナノワイヤからの発光を効率よく行わせることができ、ボトムアップ的に制御性よくナノオーダのレーザ構造を作製することができる。
また、請求項４記載のナノレーザ構造の作製方法によれば、前記第１ナノワイヤの周囲に前記第１キャッピング層と前記第２キャッピング層とが交互に配置された多層構造を形成することを特徴とする。

これにより、第１ナノワイヤに金属が取り込まれるのを防止しつつ、キャッピング成長後の構造を良質な結晶性のロッド状にすることが可能となるとともに、水平方向に光閉じ込め構造を形成することができ、水平方向にレーザ発振を行わせることができる。
また、請求項５記載のナノレーザ構造の作製方法によれば、前記第２キャッピング層を除去することにより、所定間隔を隔てて配置された第１キャッピング層にて水平方向にブラッグ反射鏡を形成することを特徴とする。

これにより、第１ナノワイヤに金属が取り込まれるのを防止しつつ、キャッピング成長後の構造を良質な結晶性のロッド状にすることが可能となるとともに、水平方向に共振器を形成することができ、水平方向にレーザ発振を行わせることができる。
また、請求項６記載のナノレーザ構造の作製方法によれば、前記多層構造の上面を絶縁性基板に貼り合わせる工程と、前記絶縁性基板にて前記多層構造を支持させながら、前記第１ナノワイヤが形成された半導体基板を除去する工程と、前記絶縁性基板に貼り合わされた多層構造の第２キャッピング層を除去することにより、所定間隔を隔てて配置された第１キャッピング層にて水平方向にブラッグ反射鏡を形成する工程とを備えることを特徴とする。

これにより、水平方向に形成された共振器を絶縁性基板上に配置することが可能となり、ナノオーダのレーザ構造を絶縁性基板上に形成することができる。

以上説明したように、本発明によれば、ナノワイヤに金属が取り込まれるのを防止しつつ、ナノワイヤの周囲をキャッピング層にて覆うことが可能となるとともに、キャッピング層の形成時の軸方向の成長を抑制することができ、キャッピング成長後の構造を良質な結晶性のロッド状にすることが可能となることから、ボトムアップ的に制御性よくナノオーダのレーザ構造を作製することができる。

本発明の一実施形態では、金属微粒子を半導体基板上に形成し、ＶＬＳ成長またはＶＳＳ成長にて金属微粒子下に第１ナノワイヤおよび第２ナノワイヤを順次形成し、第２ナノワイヤを選択的にエッチングすることにより、金属微粒子を第２ナノワイヤとともに第１ナノワイヤ上から除去し、さらに第１ナノワイヤの周囲に第１キャッピング層および第２キャッピング層を結晶成長にて形成する。ここで、第２ナノワイヤは、第１ナノワイヤよりもエッチングレートの大きな材料を用いることができる。また、第１ナノワイヤ、第１キャッピング層および第２キャッピング層にてダブルヘテロ接合を構成することができる。なお、第１ナノワイヤの製作時に量子ドット構造または超格子構造を形成するようにしてもよく、第１ナノワイヤ、第１キャッピング層および第２キャッピング層の製作時に不純物をドーピングし、ｐｉｎ構造を形成するようにしてもよい。また、第１ナノワイヤの周囲に第１キャッピング層と第２キャッピング層とが交互に配置された多層構造を形成するようにしてもよく、多層構造を形成した後に第２キャッピング層を除去することにより、所定間隔を隔てて配置された第１キャッピング層にて水平方向にブラッグ反射鏡を形成するようにしてもよい。

なお、半導体基板としては、例えば、Ｓｉ（１１１）半導体基板、金属微粒子としては、例えば、直径２０ｎｍ程度のＡｕ微粒子を用いることができる。また、金属微粒子を半導体基板上に形成する方法としては、例えば、金属の蒸着とアニールによる自己形成、ＥＢリソグラフィによるパターニング、あるいはＡｕ微粒子１２を含む溶液の塗布などの方法を用いることができる。

なお、第１ナノワイヤ、第２ナノワイヤ、第１キャッピング層および第２キャッピング層の材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓＰの中から選択することができる。例えば、第１ナノワイヤおよび第２キャッピング層の材料としてＧａＰ、第２ナノワイヤおよび第１キャッピング層の材料としてＧａＡｓを用いることができる。

以下、本発明の実施形態に係るナノレーザ構造の作製方法について図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係るナノレーザ構造の作製方法を示す断面図、図１（ｄ）は、本発明の第１実施形態に係るナノレーザ構造の構成を示すＳＥＭ像である。

図１（ａ）において、直径２０ｎｍ程度のＡｕ微粒子１２をＳｉ（１１１）基板１１上に形成する。なお、Ａｕ微粒子１２をＳｉ（１１１）基板１１上に形成する方法としては、例えば、金属の蒸着とアニールによる自己形成、ＥＢリソグラフィによるパターニング、あるいはＡｕ微粒子１２を含む溶液の塗布などの方法を用いることができる。

次に、Ａｕ微粒子１２が形成されたＳｉ（１１１）基板１１を有機気相成長（ＭＯＶＰＥ）炉内に設置し、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を１×１０^−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）を６×１０^−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＰナノワイヤ１３を４８０℃で１分だけＳｉ（１１１）基板１１上に成長させた。
なお、ＧａＰはＳｉ（１１１）基板１１上にＢ面を形成するため、ＧａＰナノワイヤ１３はＳｉ（１１１）基板１１に垂直に成長させることができる。
また、Ａｕを触媒としたＧａＰのＶＬＳ成長またはＶＳＳ成長は４００−５００℃の範囲内で見られるため、ＧａＰナノワイヤ１３の成長温度を４８０℃に設定した。

次に、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を５×１０^−６ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＡｓＨ_３（アルシン）を６×１０^−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＡｓナノワイヤ１４を４５０℃で１分だけＧａＰナノワイヤ１３上に成長させた。
次に、図１（ｂ）に示すように、ＧａＰナノワイヤ１３およびＧａＡｓナノワイヤ１４が形成されたＳｉ（１１１）基板１１を有機気相成長炉から取り出し、Ｈ_２ＳＯ_４／Ｈ_２Ｏ_２／Ｈ_２Ｏ＝１／１０／１００のエッチング溶液にてＧａＡｓナノワイヤ１４をウェットエッチングすることにより、ＧａＡｓナノワイヤ１４をＡｕ微粒子１２とともにＧａＰナノワイヤ１３上から除去した。なお、ＧａＡｓナノワイヤ１４はこのエッチング溶液にてエッチングされるが、Ａｕ微粒子１２はこのエッチング溶液にて溶け出されることはないので、Ａｕが拡散してＧａＰナノワイヤ１３の表面に付着するのを防止することができる。

次に、図１（ｃ）に示すように、Ａｕ微粒子１２およびＧａＡｓナノワイヤ１４が除去されたＳｉ（１１１）基板１１を有機気相成長炉内に再度設置し、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を２×１０^−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＡｓＨ_３（アルシン）を６×１０^−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＰナノワイヤ１３の周囲が覆われるようにＧａＡｓキャッピング層１５を５５０℃で２分だけＳｉ（１１１）基板１１上にエピタキシャル成長させた。

さらに、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を２×１０^−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＰＨ_３（フォスフィン）を６×１０^−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＡｓキャッピング層１５の周囲が覆われるようにＧａＰキャッピング層１６を５５０℃で５分だけＳｉ（１１１）基板１１上にエピタキシャル成長させた。
なお、ＧａＰナノワイヤ１３およびＧａＰキャッピング層１６を形成する時にｐ型またはｎ型不純物のドーピングを行うことにより、ｐｉｎ型ダイオードを形成するようにしてもよい。

そして、図１（ｃ）のサンプルについてフォトルミネッセンス測定にて発光特性を調べたところ、室温で８２０ｎｍにピークを持つ発光が確認できた。
ここで、Ａｕ微粒子１２を除去してから、ＧａＡｓキャッピング層１５およびＧａＡｓキャッピング層１６を形成することにより、図１（ｄ）に示すように、平坦な（１１１）Ｂファセットを上端に形成することができ、側壁が（１１０）面で囲まれたロッド構造を形成することができる。

これにより、キャッピング成長後のロッドの上端のファセット面を反射鏡として使用することが可能となり、ロッドの下端の界面との間で共振器を構成することが可能となるとともに、ＧａＰナノワイヤ１３およびＧａＰキャッピング層１６を光閉じ込め層として機能させつつ、ＧａＡｓキャッピング層１５を活性層として機能させることができ、ボトムアップ的に制御性よくナノオーダのレーザ構造を作製することができる。

図２は、本発明の第２実施形態に係るナノレーザ構造の作製方法を示す断面図である。
図２（ａ）において、ＣＶＤなどの方法にてＳｉ（１１１）基板１１上にＳｉＯ_２層１７を成膜し、ＥＢリソグラフィおよびドライエッチング技術を用いてＳｉＯ_２層１７をパターニングすることで、直径２０ｎｍ程度の開口部をＳｉＯ_２層１７に形成する。そして、ＳｉＯ_２層１７に形成された開口部を通して直径２０ｎｍ程度のＡｕ微粒子１２をＳｉ（１１１）基板１１上に形成する。なお、Ａｕ微粒子１２をＳｉ（１１１）基板１１上に形成する方法としては、例えば、金属の蒸着とアニールによる自己形成、ＥＢリソグラフィによるパターニング、あるいはＡｕ微粒子１２を含む溶液の塗布などの方法を用いることができる。

次に、Ａｕ微粒子１２が形成されたＳｉ（１１１）基板１１を有機気相成長（ＭＯＶＰＥ）炉内に設置し、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を１×１０^−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）を６×１０^−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、４８０℃でＧａＰナノワイヤ１３をＳｉ（１１１）基板１１上に１分だけ成長させた。
次に、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を５×１０^−６ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＡｓＨ_３（アルシン）を６×１０^−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＡｓナノワイヤ１４を４５０℃で１分だけＧａＰナノワイヤ１３上に成長させた。

次に、図２（ｂ）に示すように、ＧａＰナノワイヤ１３およびＧａＡｓナノワイヤ１４が形成されたＳｉ（１１１）基板１１を有機気相成長炉から取り出し、Ｈ_２ＳＯ_４／Ｈ_２Ｏ_２／Ｈ_２Ｏ＝１／１０／１００のエッチング溶液にてＧａＡｓナノワイヤ１４をウェットエッチングすることにより、ＧａＡｓナノワイヤ１４をＡｕ微粒子１２とともにＧａＰナノワイヤ１３上から除去した。

次に、図１（ｃ）に示すように、Ａｕ微粒子１２およびＧａＡｓナノワイヤ１４が除去されたＳｉ（１１１）基板１１を有機気相成長炉内に再度設置し、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を２×１０^−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＡｓＨ_３（アルシン）を６×１０^−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＰナノワイヤ１３の周囲が覆われるようにＧａＡｓキャッピング層１５を５５０℃で２分だけＳｉＯ_２層１７上にエピタキシャル成長させた。

さらに、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を２×１０^−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＰＨ_３（フォスフィン）を６×１０^−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＡｓキャッピング層１５の周囲が覆われるようにＧａＰキャッピング層１６を５５０℃で５分だけＳｉＯ_２層１７上にエピタキシャル成長させた。
なお、ＧａＰナノワイヤ１３およびＧａＰキャッピング層１６を形成する時にｐ型またはｎ型不純物のドーピングを行うことにより、ｐｉｎ型ダイオードを形成するようにしてもよい。

そして、Ｓｉ（１１１）基板１１とＧａＰキャッピング層１６とを配線することで、Ｓｉ（１１１）基板１１とＧａＰキャッピング層１６との間に電源１８を接続した。
これにより、ＧａＰナノワイヤ１３にＡｕが取り込まれるのを防止しつつ、ＧａＡｓキャッピング層１５を活性層として機能させることが可能となるとともに、キャッピング成長後のロッドの上端のファセット面およびロッドの下端のＳｉＯ_２層１７との界面との間で共振器を構成することが可能となり、ボトムアップ的に制御性よくナノオーダのレーザ構造を作製することができる。

なお、上述した第２実施形態では、ＧａＡｓキャッピング層１５の下端に屈折率の小さな材料を配置するために、ＧａＡｓキャッピング層１５の下端にＳｉＯ_２層１７を形成する方法について説明したが、ＧａＡｓよりも屈折率の小さな材料ならば、Ｓｉ_３Ｎ_４層などのＳｉＯ_２層以外の材料であってもよい。
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、本発明の第３実施形態に係るナノレーザ構造の作製方法を示す断面図、図３（ｄ）は、本発明の第４実施形態に係るナノレーザ構造の概略構成を示す断面図である。

図３（ａ）において、直径４００ｎｍ程度のＡｕ微粒子１２をＳｉ（１１１）基板１１上に形成する。なお、Ａｕ微粒子１２をＳｉ（１１１）基板１１上に形成する方法としては、例えば、金属の蒸着とアニールによる自己形成、ＥＢリソグラフィによるパターニング、あるいはＡｕ微粒子１２を含む溶液の塗布などの方法を用いることができる。
次に、Ａｕ微粒子１２が形成されたＳｉ（１１１）基板１１を有機気相成長（ＭＯＶＰＥ）炉内に設置し、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を１×１０^−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＰＨ_３（フォスフィン）を６×１０^−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＰナノワイヤ１３ａを４８０℃で１分だけＳｉ（１１１）基板１１上に成長させた。

さらに、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を５×１０^−６ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＡｓＨ_３（アルシン）を６×１０^−４、ｍｏｌ／ｍｉｍＰＨ_３（フォスフィン）を６×１０^−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂを４５０℃で２０秒だけＳｉ（１１１）基板１１上に成長させた。
さらに、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を１×１０^−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＰＨ_３（フォスフィン）を６×１０^−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＰナノワイヤ１３ｃを４８０℃で１分だけＳｉ（１１１）基板１１上に成長させた。

次に、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を５×１０^−６ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＡｓＨ_３（アルシン）を６×１０^−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＡｓナノワイヤを４５０℃で１分だけＧａＰナノワイヤ１３ｃ上に成長させた。
次に、ＧａＰナノワイヤ１３ａ、１３ｃ、ＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂおよびＧａＡｓナノワイヤが形成されたＳｉ（１１１）基板１１を有機気相成長炉から取り出し、Ｈ_２ＳＯ_４／Ｈ_２Ｏ_２／Ｈ_２Ｏ＝１／１０／１００のエッチング溶液にてＧａＡｓナノワイヤをウェットエッチングすることにより、ＧａＡｓナノワイヤをＡｕ微粒子１２とともにＧａＰナノワイヤ１３ｃ上から除去した。

次に、Ａｕ微粒子１２およびＧａＡｓナノワイヤが除去されたＳｉ（１１１）基板１１を有機気相成長炉内に再度設置し、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を２×１０^−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＡｓＨ_３（アルシン）を６×１０^−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＰナノワイヤ１３ａ、１３ｃおよびＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂの周囲が覆われるようにＧａＡｓキャッピング層１４ａを５５０℃でＳｉ（１１１）基板１１上にエピタキシャル成長させた。

さらに、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を２×１０^−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＰＨ_３（フォスフィン）を６×１０^−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら、ＧａＡｓキャッピング層１４ａの周囲が覆われるようにＧａＰキャッピング層１５ａを５５０℃でＳｉ（１１１）基板１１上にエピタキシャル成長させた。
以上のキャッピング成長を３回だけ繰り返すことにより、ＧａＰナノワイヤ１３ａ、１３ｃおよびＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂの周囲にＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃおよびＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃが交互に配置されるようにＳｉ（１１１）基板１１上に形成した。

なお、ＧａＰナノワイヤ１３ａ、１３ｃおよびＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂを形成する時にｐ型またはｎ型不純物のドーピングを行うことにより、ｐｉｎ型ダイオードを形成するようにしてもよい。
次に、図３（ｂ）に示すように、ＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃおよびＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃからなるキャッピング構造の周囲をレジストにて覆い、このキャッピング構造の側壁をレジストにて保護しながら、ＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃおよびＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃの表面のドライエッチングを行うことにより、ＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃの表面を露出させた。

次に、図３（ｃ）に示すように、Ｈ_２ＳＯ_４／Ｈ_２Ｏ_２／Ｈ_２Ｏ＝１／１０／１００のエッチング溶液にてＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃをウェットエッチングすることにより、ＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃをＳｉ（１１１）基板１１上から除去した。
ここで、Ａｕ微粒子１２を除去してから、ＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃおよびＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃを形成することにより、平坦な（１１１）Ｂファセットを上端に形成することができ、側壁が（１１０）面で囲まれたロッド構造を形成することができる。

なお、ＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃの水平方向の厚さは、その材料の屈折率をｎ、ＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂの発光波長をλ（＝７６０ｎｍ）とすると、３＊λ／（４ｎ）となるように設定した。また、ＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃの２層目以降の水平方向の厚さは、λ／４となるように設定した。
これにより、発光波長λの光は、ＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃと空気の多層構造にてブラッグ反射させることが可能となる。また、中心のワイヤ径ｄを４０ｎｍとすると、１層目のＧａＡｓキャッピング層１４ａの水平方向の厚さを（λ／２−ｎｄ）／（２ｎ）とすることにより、半波長の共振器構造を水平方向に形成することができ、水平方向にレーザ発振を行わせることができる。

なお、上述した第３実施形態では、ダブルへテロ接合を形成するために、ＧａＰナノワイヤ１３ａ、１３ｃおよびＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂを中心に形成する方法について説明したが、ＧａＰナノワイヤ１３を中心に形成し、ＧａＡｓキャッピング層１４ａおよびＧａＰキャッピング層１５ａを残すことで、ＧａＡｓキャッピング層１４ａを活性層として機能させるようにしてもよい。

ここで、ＧａＡｓキャッピング層１４ａおよびＧａＰキャッピング層１５ａを残したまま、ＧａＰキャッピング層１５ｂ、１５ｃと空気の多層構造からなるブラッグ反射層を水平方向に形成するために、ＧａＰキャッピング層１５ａ上をレジストにて保護しながら、ＧａＡｓキャッピング層１４ｂ、１４ｃおよびＧａＰキャッピング層１５ｂ、１５ｃの表面のドライエッチングを行うことにより、ＧａＡｓキャッピング層１４ｂ、１４ｃの表面を露出させ、Ｈ_２ＳＯ_４／Ｈ_２Ｏ_２／Ｈ_２Ｏ＝１／１０／１００のエッチング溶液にてＧａＡｓキャッピング層１４ｂ、１４ｃをウェットエッチングすることができる。

図４は、本発明の第５実施形態に係るナノレーザ構造の作製方法を示す断面図である。
図４（ａ）において、図３（ａ）と同様の方法により、ＧａＰナノワイヤ１３ａ、１３ｃおよびＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂを中心として、ＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃおよびＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃをＳｉ（１１１）基板１１上に形成する。

次に、図４（ｂ）に示すように、上端のＧａＰキャッピング層１５ｃにＳｉＯ_２基板２１を貼り合わせ、エッチングまたは研削などの方法でＳｉ（１１１）基板１１を除去する。
次に、図４（ｃ）に示すように、Ｈ_２ＳＯ_４／Ｈ_２Ｏ_２／Ｈ_２Ｏ＝１／１０／１００のエッチング溶液にてＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃをウェットエッチングすることにより、ＧａＰナノワイヤ１３ａおよびＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃがＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃにて保持されるようにしたまま、ＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂをＧａＡｓキャッピング層１４ａから露出させる。

これにより、ＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃと空気の多層構造からなるブラッグ反射層をＳｉＯ_２基板２１上に配置することが可能となり、ナノオーダのレーザ構造をＳｉＯ_２基板２１上に形成することができる。
なお、上述した第５実施形態では、ＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃと空気の多層構造からなるブラッグ反射層をＳｉＯ_２基板２１上に配置する方法について説明したが、Ｓｉ（１１１）基板１１とは異なる材料ならば、ＳｉＯ_２基板２１以外のセラミック基板などを用いるようにしてもよい。

図５は、本発明の第６実施形態に係るナノレーザ構造の概略構成を示す斜視図である。
図５において、図３（ｃ）のＳｉ（１１１）基板１１上には、ＧａＰナノワイヤ１３ａ、１３ｃおよびＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂを中心として、ＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃと空気の多層構造からなるブラッグ反射層が形成されている。そして、ＧａＰナノワイヤ１３ｃ上には、ＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂに電流を注入する透明電極２２が形成され、Ｓｉ（１１１）基板１１と透明電極２２とを配線することで、Ｓｉ（１１１）基板１１と透明電極２２との間に電源２３が接続されている。

これにより、ＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃと空気の多層構造からなるブラッグ反射層を水平方向に形成し、ナノオーダのレーザ構造を形成することが可能となるとともに、垂直方向から光を取り出すことができる。
図６は、本発明の第７実施形態に係るナノレーザ構造の概略構成を示す平面図である。
図６において、図３（ｂ）のＳｉ（１１１）基板１１上には、ＧａＰナノワイヤ１３ａ、１３ｃおよびＧａＡｓＰ量子ドット１３ｂを中心として、ＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃおよびＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃの多層構造が形成されている。そして、ＧａＡｓキャッピング層１４ａ〜１４ｃには、特定の方向に沿うようにして開口部２４が形成され、ＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃと空気の多層構造からなるブラッグ反射層が特定の方向に形成されている。

これにより、ＧａＰキャッピング層１５ａ〜１５ｃと空気の多層構造からなるブラッグ反射層を特定の方向に形成することができ、光の出射方向を制御しつつ、ボトムアップ的に制御性よくナノオーダのレーザ構造を作製することができる。
なお、上述した実施形態では、ＶＬＳ成長またはＶＳＳ成長を行わせるために、Ｓｉ（１１１）半導体基板を用いる方法について説明したが、ＧａＡｓ基板やＩｎＰ基板上にヘテロ接合のナノワイヤを形成し、触媒の金属微粒子をナノワイヤの一部とともに除去してから、Ａｓ系材料およびＰ系材料を組み合わせてキャッピング層を形成し、選択エッチングにて空気層と半導体層からなる反射鏡を形成するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、選択エッチングとしてウェットエッチングを用いる方法について説明したが、ハロゲンガスを用いたドライエッチングを用いるようにしてもよい。さらに、活性層を光吸収層として使用することで、受光器や変調器として応用するようにしてもよい。

図１（ａ）〜図１（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係るナノレーザ構造の作製方法を示す断面図、図１（ｄ）は、本発明の第１実施形態に係るナノレーザ構造の構成を示すＳＥＭ像である。 本発明の第２実施形態に係るナノレーザ構造の作製方法を示す断面図である。 図３（ａ）〜図３（ｃ）は、本発明の第３実施形態に係るナノレーザ構造の作製方法を示す断面図、図４（ｄ）は、本発明の第４実施形態に係るナノレーザ構造の概略構成を示す断面図である。 本発明の第５実施形態に係るナノレーザ構造の作製方法を示す断面図である。 本発明の第６実施形態に係るナノレーザ構造の概略構成を示す斜視図である。 本発明の第７実施形態に係るナノレーザ構造の概略構成を示す平面図である。

符号の説明

１１ Ｓｉ（１１１）基板
１２ Ａｕ微粒子
１３、１３ａ、１３ｃ ＧａＰナノワイヤ
１４ ＧａＡｓナノワイヤ
１５、１４ａ〜１４ｃ ＧａＡｓキャッピング層
１６、１５ａ〜１５ｃ ＧａＰキャッピング層
１７ ＳｉＯ_２層
１８、２３ 電源
１３ｂ ＧａＡｓＰ量子ドット
２１ ＳｉＯ_２基板
２２ 透明電極
２４ 開口部

Claims (6)

1. 金属微粒子を半導体基板上に形成する工程と、
   ＶＬＳ成長またはＶＳＳ成長にて前記金属微粒子下に第１ナノワイヤを形成する工程と、
   前記第１ナノワイヤよりもエッチングレートの大きな第２ナノワイヤをＶＬＳ成長もしくはＶＳＳ成長にて前記第１ナノワイヤ上に形成する工程と、
   前記第２ナノワイヤを選択的にエッチングすることにより、前記金属微粒子を第２ナノワイヤとともに前記第１ナノワイヤ上から除去する工程と、
   前記第２ナノワイヤが除去された前記第１ナノワイヤの周囲に前記第１ナノワイヤとヘテロ接合を構成する第１キャッピング層を結晶成長にて形成する工程と、
   前記第１キャッピング層の周囲に前記第１キャッピング層とヘテロ接合を構成する第２キャッピング層を結晶成長にて形成する工程とを備えることを特徴とするナノレーザ構造の作製方法。
2. 半導体基板上に絶縁層を形成する工程と、
   前記絶縁層に開口部を形成する工程と、
   前記開口部を介して金属微粒子を半導体基板上に形成する工程と、
   ＶＬＳ成長またはＶＳＳ成長にて前記金属微粒子下に第１ナノワイヤを形成する工程と、
   前記第１ナノワイヤよりもエッチングレートの大きな第２ナノワイヤをＶＬＳ成長もしくはＶＳＳ成長にて前記第１ナノワイヤ上に形成する工程と、
   前記第２ナノワイヤを選択的にエッチングすることにより、前記金属微粒子を第２ナノワイヤとともに前記第１ナノワイヤ上から除去する工程と、
   前記第２ナノワイヤが除去された前記第１ナノワイヤの周囲が覆われるようにして、前記第１ナノワイヤとヘテロ接合を構成する第１キャッピング層を結晶成長にて前記絶縁層上に形成する工程と、
   前記第１キャッピング層の周囲が覆われるようにして、前記第１キャッピング層とヘテロ接合を構成する第２キャッピング層を結晶成長にて前記絶縁層上に形成する工程とを備えることを特徴とするナノレーザ構造の作製方法。
3. 前記第１ナノワイヤの途中に前記第１ナノワイヤとヘテロ接合を構成する量子ドットまたは超格子構造を形成する工程とを備えることを特徴とする請求項１または２記載のナノレーザ構造の作製方法。
4. 前記第１ナノワイヤの周囲に前記第１キャッピング層と前記第２キャッピング層とが交互に配置された多層構造を形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のナノレーザ構造の作製方法。
5. 前記第２キャッピング層を除去することにより、所定間隔を隔てて配置された第１キャッピング層にて水平方向にブラッグ反射鏡を形成することを特徴とする請求項４記載のナノレーザ構造の作製方法。
6. 前記多層構造の上面を絶縁性基板に貼り合わせる工程と、
   前記絶縁性基板にて前記多層構造を支持させながら、前記第１ナノワイヤが形成された半導体基板を除去する工程と、
   前記絶縁性基板に貼り合わされた多層構造の第２キャッピング層を除去することにより、所定間隔を隔てて配置された第１キャッピング層にて水平方向にブラッグ反射鏡を形成する工程とを備えることを特徴とする請求項４記載のナノレーザ構造の作製方法。

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