JP4864837B2 - ナノレーザ構造の作製方法 - Google Patents
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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).
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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、H2SO4/H2O2/H2O=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。
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。
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。
図2(a)において、CVDなどの方法にてSi(111)基板11上にSiO2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SiO2層17をパターニングすることで、直径20nm程度の開口部をSiO2層17に形成する。そして、SiO2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、TMGa(トリメチルガリウム)を5×10−6mol/mim、AsH3(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。
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。
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SiO2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。
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。
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、PH3(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1×10−5mol/mim、PH3(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、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、H2SO4/H2O2/H2O=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。
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。
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。
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。
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。
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(c)に示すように、H2SO4/H2O2/H2O=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。
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SiO2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、SiO2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。
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。
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。
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 SiO2層
18、23 電源
13b GaAsP量子ドット
21 SiO2基板
22 透明電極
24 開口部
Claims (6)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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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