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JP6123452B2 - Ge-based nanowire optical device and manufacturing method thereof - Google Patents

Ge-based nanowire optical device and manufacturing method thereof Download PDF

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JP6123452B2 JP2013088105A JP2013088105A JP6123452B2 JP 6123452 B2 JP6123452 B2 JP 6123452B2 JP 2013088105 A JP2013088105 A JP 2013088105A JP 2013088105 A JP2013088105 A JP 2013088105A JP 6123452 B2 JP6123452 B2 JP 6123452B2
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Description

本発明は、Ge系ナノワイヤ光素子及びその製造方法に関するものであり、例えば、Si等のGeより線熱膨張係数の大きな基板上に引っ張り歪を有するGeを最大成分とするGe系ナノワイヤをモノリシックに形成した高効率発光素子・受光素子に関する。   The present invention relates to a Ge-based nanowire optical device and a method of manufacturing the same, and, for example, a Ge-based nanowire having Ge as a maximum component on a substrate having a larger linear thermal expansion coefficient than that of Ge such as Si is monolithically formed. The present invention relates to the formed high efficiency light emitting element / light receiving element.

近年、高性能な電子・光集積回路の実現に向けて、シリコン上にモノリシックに形成可能で高効率の発光素子および受光素子が求められている。特に、半導体ゲルマニウム(Ge)は、Siと同じIV族半導体であることから、Geを用いた素子の実現が望まれる。   In recent years, high-efficiency light-emitting elements and light-receiving elements that can be formed monolithically on silicon have been demanded for the realization of high-performance electronic / optical integrated circuits. In particular, since semiconductor germanium (Ge) is the same group IV semiconductor as Si, realization of an element using Ge is desired.

しかし、GeはSiと同様に間接遷移型半導体であるため、そのままでは量子効率が低く、発光・受光層材料に適さないという問題がある。そこでGeに数%オーダーの引っ張り歪みを印加し、直接遷移型半導体としての性質を利用することにより高効率の素子を形成することが期待されている。   However, since Ge is an indirect transition type semiconductor like Si, the quantum efficiency is low as it is, and there is a problem that it is not suitable for a light emitting / receiving layer material. Therefore, it is expected that a high-efficiency element is formed by applying a tensile strain of several percent order to Ge and utilizing the property as a direct transition type semiconductor.

Ge薄膜上にH/N含有比率を最適化して熱膨張係数を制御した窒化シリコン(SiN)膜を設けることによって引っ張り歪みを印加したGe発光・受光素子構造が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   A Ge light-emitting / light-receiving element structure in which tensile strain is applied by providing a silicon nitride (SiN) film having a thermal expansion coefficient controlled by optimizing the H / N content ratio on the Ge thin film has been proposed (for example, Patent Documents). 1).

国際公開パンフレット WO 2010/055750International publication pamphlet WO 2010/055750

しかし、提案されている構造においては、SiN膜の熱膨張係数の不安定性に加えて、Ge薄膜の下側が基板に固定された状態となっているため、SiN膜によってGe薄膜に安定して引っ張り歪みを印加することが困難であるという問題がある。   However, in the proposed structure, in addition to the instability of the thermal expansion coefficient of the SiN film, since the lower side of the Ge thin film is fixed to the substrate, the SiN film stably pulls the Ge thin film. There is a problem that it is difficult to apply strain.

したがって、Ge系光素子において、Geを主成分とするGe系半導体に安定した引っ張り歪みを印加することを目的とする。   Accordingly, an object of the Ge optical device is to apply a stable tensile strain to a Ge semiconductor containing Ge as a main component.

開示する一観点からは、Geよりも線膨張係数の小さい基板と、前記基板よりも線膨張係数の大きい材料からなり、前記基板に結晶学的に接合する固定基部と前記基板に拘束されない延伸部を有し、前記延伸部の延伸方向の端面が互いに空隙を介して対向する一対のブロック部と、前記一対のブロック部の互いに対向する端面間に架橋された少なくとも一部がGeを最大成分とするGe系半導体からなるGe系ナノワイヤとを有し、前記Geを最大成分とするGe系半導体のバンド構造が直接遷移型となる値の引っ張り歪を有することを特徴とするGe系ナノワイヤ光素子が提供される。 From one aspect disclosed, a substrate having a smaller linear expansion coefficient than Ge, a material having a larger linear expansion coefficient than the substrate, a fixed base that is crystallographically bonded to the substrate, and an extending portion that is not constrained by the substrate A pair of block portions whose end faces in the extending direction of the extending portions are opposed to each other via a gap, and at least a part of the bridge between the end surfaces facing each other of the pair of block portions has Ge as a maximum component. A Ge-based nanowire optical device comprising: a Ge-based nanowire made of a Ge-based semiconductor, wherein the Ge-based semiconductor band structure having Ge as a maximum component has a tensile strain of a value that is a direct transition type. Provided.

また、開示する別の観点からは、Geよりも線膨張係数の小さい基板に一対の平行に配置された開口部を有する選択成長マスクを設ける工程と、前記開口部に前記基板に結晶学的に接合する固定基部を選択成長する工程と、前記固定基部を基点として横方向成長により前記基板に拘束されない延伸部を、前記延伸部の延伸方向の端面が互いに空隙を介して対向するように形成して、前記固定基部とともに一対のブロック部とする工程と、前記延伸部の端面間に少なくとも一部がGeを最大成分とするGe系半導体からなるGe系ナノワイヤを室温より高温で架橋したのち、室温まで降温して前記Ge系ナノワイヤに前記Geを最大成分とするGe系半導体のバンド構造が直接遷移型となる値の引っ張り歪を印加する工程とを有することを特徴とするGe系ナノワイヤ光素子の製造方法が提供される。 From another viewpoint to be disclosed, a step of providing a selective growth mask having a pair of openings arranged in parallel on a substrate having a smaller coefficient of linear expansion than Ge, and a crystallographic feature on the substrate in the openings. A step of selectively growing a fixed base to be joined, and a stretched portion that is not restrained by the substrate by lateral growth with the fixed base as a base point so that end surfaces in the stretched direction of the stretched portion are opposed to each other via a gap. A step of forming a pair of block portions together with the fixed base, and a Ge-based nanowire made of a Ge-based semiconductor having at least a portion of Ge as a maximum component between the end faces of the extending portion, characterized by a step of band structure of Ge-based semiconductor was lowered and the Ge maximum component in said Ge-based nanowires applies a tensile strain of a direct transition type value until Method of manufacturing a Ge-based nanowire light element is provided.

開示のGe系ナノワイヤ光素子及びその製造方法によれば、Geを主成分とするGe系半導体に安定した引っ張り歪みを印加することが可能になる。   According to the disclosed Ge-based nanowire optical element and the manufacturing method thereof, it is possible to apply a stable tensile strain to a Ge-based semiconductor containing Ge as a main component.

本発明の実施の形態のGe系ナノワイヤ光素子の説明図である。It is explanatory drawing of the Ge type nanowire optical element of embodiment of this invention. 本発明の実施例1のGeナノワイヤ発光素子の製造工程の途中までの説明図である。It is explanatory drawing to the middle of the manufacturing process of Ge nanowire light emitting element of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1のGeナノワイヤ発光素子の製造工程の図2以降の説明図である。It is explanatory drawing after FIG. 2 of the manufacturing process of Ge nanowire light emitting element of Example 1 of this invention. 本発明の実施例2のGeナノワイヤ発光素子の製造工程の途中までの説明図である。It is explanatory drawing to the middle of the manufacturing process of Ge nanowire light emitting element of Example 2 of this invention. 本発明の実施例2のGeナノワイヤ発光素子の製造工程の図4以降の途中までの説明図である。It is explanatory drawing to the middle after FIG. 4 of the manufacturing process of Ge nanowire light emitting element of Example 2 of this invention. 本発明の実施例2のGeナノワイヤ発光素子の製造工程の図5以降の説明図である。It is explanatory drawing after FIG. 5 of the manufacturing process of Ge nanowire light emitting element of Example 2 of this invention. 本発明の実施例3のGeナノワイヤレーザの概略的斜視図である。It is a schematic perspective view of Ge nanowire laser of Example 3 of this invention. 本発明の実施例4のGeナノワイヤ発光素子アレイの製造工程の途中までの説明図である。It is explanatory drawing to the middle of the manufacturing process of Ge nanowire light emitting element array of Example 4 of this invention. 本発明の実施例4のGeナノワイヤ発光素子アレイの製造工程の図8以降の途中までの説明図である。It is explanatory drawing to the middle after FIG. 8 of the manufacturing process of Ge nanowire light emitting element array of Example 4 of this invention. 本発明の実施例4のGeナノワイヤ発光素子アレイの製造工程の図9以降の説明図である。It is explanatory drawing after FIG. 9 of the manufacturing process of Ge nanowire light emitting element array of Example 4 of this invention.

ここで、図1を参照して、本発明の実施の形態のGe系ナノワイヤ素子を説明する。図1は、本発明の実施の形態のGe系ナノワイヤ光素子の説明図である。まず、図1(a)に示すように、Geよりも線膨張係数の小さい基板1に、基板1に結晶学的に接合する固定基部3と、固定基部3を基点として基板1に拘束されない延伸部4を空隙5を介して対向するように形成して一対のブロック部2とする。図1(a)は低温の温度Tにおける状態を示しており、延伸部4の長さはLBLとし、空隙5の間隔はdTLする。なお、温度Tは通常は室温を意味する。 Here, a Ge-based nanowire element according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is an explanatory diagram of a Ge-based nanowire optical element according to an embodiment of the present invention. First, as shown in FIG. 1 (a), a base 1 having a linear expansion coefficient smaller than that of Ge, a fixed base 3 that is crystallographically bonded to the substrate 1, and stretching that is not constrained by the substrate 1 with the fixed base 3 as a starting point. The part 4 is formed so as to be opposed to each other through the gap 5 to form a pair of block parts 2. FIGS. 1 (a) shows the state at the low temperature thermal T L, the length of the stretching unit 4 with L BL, the void spacing 5 to d TL. The temperature TL usually means room temperature.

次いで、図1(b)に示すように、室温より高温の温度Tで延伸部4の端面間にGeを最大成分とするGe系半導体からなる長さがLNWのGe系ナノワイヤ6を架橋する。この時、空隙dTLに関して基板1は図において左右方向にΔLSBだけ伸びるとともに、延伸部4は基板1に固定されている固定基部3を基準にしてΔLBLだけ伸びた状態となり、この時点ではGe系ナノワイヤ6には歪は印加されていない。 Then, as shown in FIG. 1 (b), a Ge-based nanowires 6 Ge system length comprising a semiconductor of L NW to the maximum component of Ge between the end face of the extending portion 4 at the temperature T H of a temperature higher than room temperature crosslinking To do. At this time, the substrate 1 extends by ΔL SB in the left-right direction in the drawing with respect to the gap d TL , and the extending portion 4 extends by ΔL BL with reference to the fixed base portion 3 fixed to the substrate 1. No strain is applied to the Ge-based nanowire 6.

この場合の延伸量ΔLBL及びΔLSBは、
ΔLBL=LBLκBLΔT・・・(1)
ΔLSB=dTLκSBΔT・・・(2)
で表される。ここで、基板1とブロック部2の線膨張係数κSB、κBLを、κSB<κBLでとしているので、温度Tにおける空隙の間隔dTHは、温度Tにおける空隙の間隔をdTLとすると、
TH=dTL−2ΔLBL+ΔLSB・・・(3)
となり、昇温前よりも狭まることになる。
The stretch amounts ΔL BL and ΔL SB in this case are
ΔL BL = L BL κ BL ΔT (1)
ΔL SB = d TL κ SB ΔT (2)
It is represented by Here, since the linear expansion coefficients κ SB and κ BL of the substrate 1 and the block portion 2 are set to κ SBBL , the gap interval d TH at the temperature T H is the gap interval d at the temperature T L. TL
d TH = d TL -2ΔL BL + ΔL SB (3)
It becomes narrower than before the temperature rise.

この状態で、Ge系ナノワイヤ6を架橋すると、ナノワイヤ長LNWは、温度Tにおける空隙間隔dTHと等しくなり、
TH=LNW・・・(4)
となる。(1)〜(4)より、
TL=(LNW+2ΔLBL )/(1+κSBΔT)・・・(5)
となる。
In this state, when crosslinking a Ge-based nanowires 6, the nanowire length L NW is equal to the gap spacing d TH at a temperature T H,
d TH = L NW (4)
It becomes. From (1) to (4)
d TL = (L NW + 2ΔL BL ) / (1 + κ SB ΔT) (5)
It becomes.

次いで、図1(c)に示すように、温度Tまで降温すると、延伸部4は元の状態に戻り、その結果、Ge系ナノワイヤ6は引っ張られてΔLNWだけ伸びるので、引っ張り歪が印加されることになる。即ち、空隙間隔の変化とGe系ナノワイヤ6自身の収縮量の分の引っ張り歪みεNWが加わることになる。 Next, as shown in FIG. 1C, when the temperature is lowered to the temperature TL , the stretched portion 4 returns to the original state, and as a result, the Ge-based nanowire 6 is pulled and stretched by ΔL NW, so that tensile strain is applied. Will be. That is, the tensile strain ε NW corresponding to the change in the gap interval and the contraction amount of the Ge-based nanowire 6 itself is applied.

引っ張り歪みεNWは、
εNW=(dTL−dTH+ΔLNW)/LNW・・・(6)
で表される。ここで、温度がΔT変化した時のナノワイヤ部分の長さの変化ΔLNWは、
ΔLNW=LNWκSBΔT・・・(7)
であるので、(5)〜(7)より、引っ張り歪みεNWは、
εNW={(LNW+2ΔLBL )/(1+κSBΔT)−LNW+ΔLNW}/LNW
・・・(8)
で与えられることを見出した。
The tensile strain ε NW is
ε NW = (d TL −d TH + ΔL NW ) / L NW (6)
It is represented by Here, the change ΔL NW in the length of the nanowire portion when the temperature changes ΔT is:
ΔL NW = L NW κ SB ΔT (7)
Therefore, from (5) to (7), the tensile strain ε NW is
ε NW = {(L NW + 2ΔL BL ) / (1 + κ SB ΔT) −L NW + ΔL NW } / L NW
... (8)
I found out that

次に、Geを直接遷移化するのに必要な2.4%以上の一軸引っ張り歪みを加えることが可能であることを、材料とサイズを具体的に挙げて説明する。第1の例として、基板がSi、ブロック部2がGaP、ナノワイヤ全体がGeであるとする。Si,GaP,Geの線膨張係数はそれぞれ2.4×10−6−1、5.6×10−6−1、5.9×10−6−1である。この構成において、ブロック部2の基板1に拘束されない延伸部4の長さがLBL=5μm、架橋前後の温度差がΔT=450℃、架橋時のGeナノワイヤの長さがLNW=1μmであれば、
εNW=0.026
となり、直接遷移型の条件を満たす。
Next, the fact that it is possible to apply a uniaxial tensile strain of 2.4% or more necessary for direct transition of Ge will be described with specific examples of materials and sizes. As a first example, it is assumed that the substrate is Si, the block 2 is GaP, and the entire nanowire is Ge. The linear expansion coefficients of Si, GaP, and Ge are 2.4 × 10 −6 K −1 , 5.6 × 10 −6 K −1 , and 5.9 × 10 −6 K −1 , respectively. In this configuration, the length of the stretched portion 4 that is not constrained by the substrate 1 of the block portion 2 is L BL = 5 μm, the temperature difference before and after crosslinking is ΔT = 450 ° C., and the length of the Ge nanowire during crosslinking is L NW = 1 μm. if there is,
ε NW = 0.026
Thus, the direct transition type condition is satisfied.

第2の例として、基板1がSi、ブロック部2がSi0.7Ge0.3、ナノワイヤ全体がGeであるとする。Si,Si0.7Ge0.3,Geの線膨張係数はそれぞれ、2.4×10−6−1、3.45×10−6−1、5.9×10−6−1である。この構成において、延伸部4の長さがLBL=8μm、架橋前後の温度差がΔT=450℃、架橋時のGeナノワイヤ全体の長さがLNW=1μmであれば、
εNW=0.026
となり、直接遷移型の条件を満たす。なお、ブロック部2は、単結晶であることが望ましいが、多結晶でも良い。
As a second example, it is assumed that the substrate 1 is Si, the block portion 2 is Si 0.7 Ge 0.3 , and the entire nanowire is Ge. The linear expansion coefficients of Si, Si 0.7 Ge 0.3 , and Ge are 2.4 × 10 −6 K −1 , 3.45 × 10 −6 K −1 , 5.9 × 10 −6 K −, respectively. 1 . In this configuration, if the length of the stretched portion 4 is L BL = 8 μm, the temperature difference before and after crosslinking is ΔT = 450 ° C., and the total length of the Ge nanowires during crosslinking is L NW = 1 μm,
ε NW = 0.026
Thus, the direct transition type condition is satisfied. The block 2 is preferably a single crystal, but may be a polycrystal.

なお、Ge系ナノワイヤ6は純粋なGeナノワイヤに限られるものではなく、Siが15%以下の含有量のSiGe、即ち、Si1−xGe(0.85≦x≦1)も、間接遷移型の最下点がGeと同じL点となるため、同様の手法によって引っ張り歪みを加えることで直接遷移化することが可能である。但し、直接遷移化に必要な歪み量は、より大きくなる。なお、ナノワイヤとは直径が200nm以下のロッド状のものを意味する。 The Ge-based nanowire 6 is not limited to a pure Ge nanowire, and SiGe having a Si content of 15% or less, that is, Si 1-x Ge x (0.85 ≦ x ≦ 1) is also an indirect transition. Since the lowest point of the mold is the same L point as Ge, it is possible to make a transition directly by applying tensile strain by the same method. However, the amount of distortion required for direct transition becomes larger. In addition, nanowire means a rod-shaped thing with a diameter of 200 nm or less.

また、Ge系ナノワイヤ6はSiナノワイヤ/Geナノワイヤ/Siナノワイヤからなるダブルヘテロ接合構造として良いものであり、キャリアがGeナノワイヤに閉じ込められるので、発光効率が高くなる。このダブルヘテロ接合構造のナノワイヤを並列に複数本配列させ、ナノワイヤをナノワイヤより屈折率の小さく且つポリマー側壁が接する環境よりも屈折率の大きなポリマーで被覆することにより、レーザを構成することが可能になる。   Further, the Ge-based nanowire 6 may be a double heterojunction structure composed of Si nanowire / Ge nanowire / Si nanowire, and carriers are confined in the Ge nanowire, so that the light emission efficiency is increased. It is possible to configure a laser by arranging a plurality of nanowires of this double heterojunction structure in parallel and coating the nanowire with a polymer having a refractive index smaller than that of the nanowire and having a larger refractive index than the environment where the polymer side wall is in contact. Become.

このような構造を形成するためには、Geよりも線膨張係数の小さい基板1に一対の平行に配置された開口部を有する選択成長マスクを設け、開口部に基板1に結晶学的に接合する固定基部3を選択成長する。次いで、固定基部3を基点として横方向成長により基板1に拘束されない延伸部4を、延伸部4の延伸方向の端面が互いに空隙5を介して対向するように形成して、固定基部3とともに一対のブロック部2とする。   In order to form such a structure, a selective growth mask having a pair of openings arranged in parallel is provided on a substrate 1 having a smaller linear expansion coefficient than Ge, and crystallographically bonded to the substrate 1 in the openings. The fixed base 3 to be selectively grown is grown. Next, a stretched portion 4 that is not constrained by the substrate 1 by lateral growth with the fixed base 3 as a starting point is formed so that end surfaces in the stretched direction of the stretched portion 4 face each other with a gap 5 therebetween. The block part 2 is as follows.

次いで、延伸部4の端面間に少なくともその一部がGeを最大成分とするGe系半導体からなるGe系ナノワイヤ6を室温より高温で架橋したのち、室温まで降温すれば良い。その結果、Ge系ナノワイヤ6に引っ張り歪が印加される。   Next, a Ge-based nanowire 6 made of a Ge-based semiconductor having at least a part of Ge as a maximum component between the end faces of the extending portions 4 is cross-linked at a temperature higher than room temperature and then cooled to room temperature. As a result, tensile strain is applied to the Ge-based nanowire 6.

なお、Ge系ナノワイヤ6を架橋する工程において、一対のブロック部2の一方の延伸部4の端面の一部にGe系ナノワイヤ6を成長させるための触媒を形成しても良く、触媒を形成した側からGe系ナノワイヤ6が成長する。なお、触媒としては、Au,Cu,Niを用いれば良く、常に、Ge系ナノワイヤ6の成長先端部に触媒が存在するモードで成長が行われる。   In addition, in the step of bridging the Ge-based nanowire 6, a catalyst for growing the Ge-based nanowire 6 may be formed on a part of the end surface of one extending portion 4 of the pair of block portions 2, and the catalyst was formed. Ge-based nanowires 6 grow from the side. Note that Au, Cu, or Ni may be used as the catalyst, and the growth is always performed in a mode in which the catalyst is present at the growth tip of the Ge-based nanowire 6.

或いは、触媒を用いない場合には、一対のブロック部2の一方の延伸部4の端面を成長阻止膜で被覆した状態で、前記一対のブロック部2の他方の延伸部4の端面を基点としてGe系ナノワイヤ6の成長を開始して初期Ge層を形成する。次いで、初期Ge層を形成した後に成長阻止膜の少なくとも一部を除去し、Ge系ナノワイヤ6が成長阻止膜の除去部に当接するまで成長を行うようにしても良い。   Alternatively, in the case where no catalyst is used, the end surface of one extending portion 4 of the pair of block portions 2 is covered with a growth inhibiting film, and the end surface of the other extending portion 4 of the pair of block portions 2 is used as a base point. The growth of the Ge-based nanowire 6 is started to form an initial Ge layer. Next, after the initial Ge layer is formed, at least a part of the growth inhibition film may be removed, and the growth may be performed until the Ge-based nanowire 6 contacts the removal portion of the growth inhibition film.

また、基板1として、単結晶Si基板上にBOX層を介して単結晶Si層を設けた所謂SOI基板を用いて良く、単結晶Si層を加工して単結晶Siコア層を形成することによって、導波路と一体化したGe系ナノワイヤ光素子を実現することができる。なお、光素子としては、発光素子が典型的なものであるが、受光素子として良いものである。   As the substrate 1, a so-called SOI substrate in which a single crystal Si layer is provided on a single crystal Si substrate via a BOX layer may be used. By processing the single crystal Si layer to form a single crystal Si core layer, A Ge-based nanowire optical element integrated with a waveguide can be realized. As the optical element, a light emitting element is typical, but it can be used as a light receiving element.

次に、図2及び図3を参照して、本発明の実施例1のGeナノワイヤ発光素子の製造工程を説明する。まず、図2(a)に示すように、(001)面を主面とする単結晶Si基板11に厚さが200nmのSiO膜12を形成し、幅が2μmの開口部13を30μmのピッチで形成して選択成長マスクとする。 Next, with reference to FIG.2 and FIG.3, the manufacturing process of Ge nanowire light emitting element of Example 1 of this invention is demonstrated. First, as shown in FIG. 2A, an SiO 2 film 12 having a thickness of 200 nm is formed on a single crystal Si substrate 11 having a (001) plane as a main surface, and an opening 13 having a width of 2 μm is formed to have a thickness of 30 μm. A selective growth mask is formed at a pitch.

次いで、図2(b)に示すように、500℃〜600℃の基板温度においてMOCVD(有機金属気相成長)法を用いて一対のGaPブロック14を対向する間隙17が2.5μmになるように成長する。この時、Ga原料としてはトリエチルガリウム(TEGa)を用い、P原料としてはホスフィン(PH)を用いる。まず、開口部13に露出する単結晶Si基板11の表面に固定基部15がエピタキシャル成長し、次いで、横方向成長により延伸部16が成長する。 Next, as shown in FIG. 2B, the gap 17 facing the pair of GaP blocks 14 is 2.5 μm using the MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method at a substrate temperature of 500 ° C. to 600 ° C. To grow. At this time, triethylgallium (TEGa) is used as the Ga material, and phosphine (PH 3 ) is used as the P material. First, the fixed base 15 is epitaxially grown on the surface of the single crystal Si substrate 11 exposed in the opening 13, and then the stretched portion 16 is grown by lateral growth.

次いで、図2(c)に示すように、延伸部16が単結晶Si基板11の拘束を受けないように、SiO膜12の露出部をエッチング除去するとともに、更にサイドエッチにより、延伸部16の下にあるSiO膜12の一部も除去する。なお、延伸部16の下にあるSiO膜12は全部除去しても良いが、構造的に強度が低下する。 Next, as shown in FIG. 2C, the exposed portion of the SiO 2 film 12 is removed by etching so that the stretched portion 16 is not constrained by the single crystal Si substrate 11, and the stretched portion 16 is further etched by side etching. A part of the SiO 2 film 12 underneath is also removed. Although the SiO 2 film 12 under the extending portion 16 may be completely removed, the strength is structurally reduced.

次いで、図2(d)に示すように、SiO膜18を形成した後、間隙17の幅に相当する開口部を有するレジストパターン(図示は省略)を設けて、エッチングすることによって、SiO膜18に延伸部16の端面の一部を開口する開口部19を形成する。なお、この時の開口部19の幅は60nmとする。 Then, as shown in FIG. 2 (d), by after forming a SiO 2 film 18, a resist pattern having an opening corresponding to the width of the gap 17 (shown which is omitted) provided to etch, SiO 2 An opening 19 that opens a part of the end face of the extending portion 16 is formed in the film 18. The width of the opening 19 at this time is 60 nm.

次いで、図3(e)に示すように、一方の開口部19(図においては左側)に露出する延伸部16の端面に触媒となる厚さが20nmのAu薄膜20をイオンプレーティングにより形成する。   Next, as shown in FIG. 3E, an Au thin film 20 having a thickness of 20 nm serving as a catalyst is formed by ion plating on the end face of the extending portion 16 exposed in one opening 19 (left side in the drawing). .

次いで、図3(f)に示すように、600℃の成長温度でまず、長さが1μmのn型Siナノワイヤ22を成長させる。この時、Au薄膜20が溶融して開口部19の幅と同程度の直径の円形のAu触媒21となり、このAu触媒21が常に先端部に位置する成長モードでナノワイヤが他方(図の右側)の開口部19に向かって成長するが、触媒を設けない側では成長が起こらない。また、n型Siナノワイヤ22の直径も開口部19の幅と同程度になる。この場合のSi原料としてはジシラン(Si)を用い、n型ドーパント源としては、フォスフィン(PH)を用いる。 Next, as shown in FIG. 3F, first, an n-type Si nanowire 22 having a length of 1 μm is grown at a growth temperature of 600 ° C. At this time, the Au thin film 20 is melted to form a circular Au catalyst 21 having a diameter approximately equal to the width of the opening 19, and the nanowire is in the growth mode in which the Au catalyst 21 is always located at the tip (the right side in the figure). However, no growth occurs on the side where no catalyst is provided. Further, the diameter of the n-type Si nanowire 22 is approximately the same as the width of the opening 19. In this case, disilane (Si 2 H 6 ) is used as the Si raw material, and phosphine (PH 3 ) is used as the n-type dopant source.

次いで、図3(g)に示すように、長さが0.5μmのi型Geナノワイヤ23と長さが1μmのp型Siナノワイヤ24を順次成長させて、図において右側の開口部19に露出する延伸部16の端面に結合させる。この時、Ge原料としてはゲルマン(GeH)を用い、Si原料としてはジシラン(Si)を用い、p型ドーパント源としては、ジボラン(B)を用いる。 Next, as shown in FIG. 3G, an i-type Ge nanowire 23 having a length of 0.5 μm and a p-type Si nanowire 24 having a length of 1 μm are sequentially grown and exposed to the opening 19 on the right side in the drawing. It joins with the end surface of the extending | stretching part 16 to perform. At this time, germane (GeH 4 ) is used as the Ge raw material, disilane (Si 2 H 6 ) is used as the Si raw material, and diborane (B 2 H 6 ) is used as the p-type dopant source.

次いで、図3(h)に示すように、n型Siナノワイヤ22に接触するようにn側電極25を設けるとともに、p型Siナノワイヤ24に接触するようにp側電極26を設けることにより、本発明の実施例1のGeナノワイヤ発光素子が完成する。なお、n側電極25としてはAu−Sbを用い、p側電極26としてはAu−Gaを用いる。   Next, as shown in FIG. 3 (h), the n-side electrode 25 is provided so as to be in contact with the n-type Si nanowire 22, and the p-side electrode 26 is provided so as to be in contact with the p-type Si nanowire 24. The Ge nanowire light emitting device of Example 1 of the invention is completed. Note that Au—Sb is used as the n-side electrode 25, and Au—Ga is used as the p-side electrode 26.

Si,GaP,Geの線膨張係数はそれぞれ2.4×10−6−1、5.6×10−6−1、5.9×10−6−1であるので、i型Geナノワイヤ23には2.4%以上の引っ張り歪が印加されてバンド構造が直接遷移型になる。したがって、発光性再結合においてフォノンが介在しないので発光効率が向上する。 Since the linear expansion coefficients of Si, GaP, and Ge are 2.4 × 10 −6 K −1 , 5.6 × 10 −6 K −1 , and 5.9 × 10 −6 K −1 , respectively, i-type Ge The nanowire 23 is applied with a tensile strain of 2.4% or more, and the band structure becomes a direct transition type. Therefore, since phonons are not present in luminescent recombination, luminous efficiency is improved.

次に、図4乃至図6を参照して、本発明の実施例2のGeナノワイヤ発光素子の製造工程を説明する。まず、図4(a)に示すように、(001)面を主面とする単結晶Si基板31に厚さが200nmのSiO膜32を形成し、幅が1μmの開口部33を20μmのピッチで形成して選択成長マスクとする。 Next, with reference to FIGS. 4 to 6, a manufacturing process of the Ge nanowire light-emitting element of Example 2 of the present invention will be described. First, as shown in FIG. 4A, an SiO 2 film 32 having a thickness of 200 nm is formed on a single crystal Si substrate 31 having a (001) plane as a main surface, and an opening 33 having a width of 1 μm is formed to have a thickness of 20 μm. A selective growth mask is formed at a pitch.

次いで、図4(b)に示すように、550℃〜650℃の基板温度において気相成長法を用いて一対のSi0.7Ge0.3からなるSiGeブロック34を対向する間隙37が1μmになるように成長する。この時、Si原料としてはジシラン(Si)を用い、Ge原料としてはゲルマン(GeH)を用いる。まず、開口部33に露出する単結晶Si基板31の表面に固定基部35がエピタキシャル成長し、次いで、横方向成長により延伸部36が成長する。 Next, as shown in FIG. 4B, the gap 37 facing the SiGe block 34 made of a pair of Si 0.7 Ge 0.3 using a vapor phase growth method at a substrate temperature of 550 ° C. to 650 ° C. is 1 μm. Grow to become. At this time, disilane (Si 2 H 6 ) is used as the Si material, and germane (GeH 4 ) is used as the Ge material. First, the fixed base 35 is epitaxially grown on the surface of the single crystal Si substrate 31 exposed in the opening 33, and then the stretched portion 36 is grown by lateral growth.

次いで、図4(c)に示すように、延伸部36が単結晶Si基板31の拘束を受けないように、SiO膜32の露出部をエッチング除去するとともに、更にサイドエッチにより、延伸部36の下にあるSiO膜32の一部も除去する。なお、延伸部36の下にあるSiO膜32は全部除去しても良いが、構造的に強度が低下する。 Next, as shown in FIG. 4C, the exposed portion of the SiO 2 film 32 is removed by etching so that the stretched portion 36 is not constrained by the single crystal Si substrate 31, and the stretched portion 36 is further etched by side etching. A part of the underlying SiO 2 film 32 is also removed. Although the SiO 2 film 32 under the extending portion 36 may be completely removed, the strength is structurally lowered.

次いで、図5(d)に示すように、一方(左側)のSiGeブロック34にPをイオン注入するとともに、他方(右側)のSiGeブロック34にBをイオン注入した後、活性化アニールを施してn型SiGeブロック38及びp型SiGeブロック39とする。   Next, as shown in FIG. 5 (d), P is ion-implanted into one (left side) SiGe block 34, and B is ion-implanted into the other (right side) SiGe block 34, followed by activation annealing. The n-type SiGe block 38 and the p-type SiGe block 39 are used.

次いで、図5(e)に示すように、SiO膜40,41を形成した後、開口部を有するレジストパターン(図示は省略)を設けて、エッチングすることによって、SiO膜40に延伸部36の端面の一部を開口する開口部42を形成する。なお、この時の開口部42の幅は40nmとする。 Next, as shown in FIG. 5E, after the SiO 2 films 40 and 41 are formed, a resist pattern (not shown) having an opening is provided and etched, whereby the stretched portion is formed on the SiO 2 film 40. An opening 42 that opens a part of the end face 36 is formed. The width of the opening 42 at this time is 40 nm.

次いで、図5(f)に示すように、500℃の成長温度でGe原料としてゲルマン(GeH)を用いて初期Ge層となるi型Geナノワイヤ43を成長させる。i型Geナノワイヤ43の直径は開口部42の幅と同程度になる。この場合のSi原料としてはジシラン(Si)を用い、n型ドーパント源としては、フォスフィン(PH)を用いる。 Next, as shown in FIG. 5F, i-type Ge nanowires 43 to be an initial Ge layer are grown using germane (GeH 4 ) as a Ge raw material at a growth temperature of 500 ° C. The diameter of the i-type Ge nanowire 43 is approximately the same as the width of the opening 42. In this case, disilane (Si 2 H 6 ) is used as the Si raw material, and phosphine (PH 3 ) is used as the n-type dopant source.

次いで、図6(g)に示すように、開口部を有するレジストパターン(図示は省略)を設けて、エッチングすることによって、SiO膜41にp型SiGeブロック39の延伸部36の端面の一部を開口する開口部44を形成する。 Next, as shown in FIG. 6G, a resist pattern (not shown) having an opening is provided and etched, so that one end face of the extending portion 36 of the p-type SiGe block 39 is formed on the SiO 2 film 41. An opening 44 is formed to open the part.

次いで、図6(h)に示すように、再び、500℃の成長温度でGe原料としてゲルマン(GeH)を用いてi型Geナノワイヤ43をさらに成長させて開口部44に露出するp型SiGeブロック39の延伸部36の端面に結合させる。この工程においては、Geの持つ同じ材料上で選択的に成長されやすい性質によって、初期Ge層が形成されている側からi型Geナノワイヤ43が伸びていき、対岸のp型SiGeブロック39の延伸部36の端面に結合するまで成長させることができる。 Next, as shown in FIG. 6 (h), the i-type Ge nanowire 43 is further grown again using germane (GeH 4 ) as a Ge raw material at a growth temperature of 500 ° C. and exposed to the opening 44. It connects with the end surface of the extending part 36 of the block 39. In this step, the i-type Ge nanowires 43 are extended from the side on which the initial Ge layer is formed due to the selective growth property of Ge on the same material, and the p-type SiGe block 39 on the opposite bank is stretched. It can be grown until it is bonded to the end face of the portion 36.

次いで、図6(i)に示すように、SiO膜40,41にコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールを埋め込むように、n側電極45を設けるとともに、p側電極46を設けることにより、本発明の実施例2のGeナノワイヤ発光素子が完成する。なお、n側電極45としてはAu−Sbを用い、p側電極46としてはAlを用いる。 Next, as shown in FIG. 6I, a contact hole is formed in the SiO 2 films 40 and 41, and an n-side electrode 45 and a p-side electrode 46 are provided so as to fill the contact hole. The Ge nanowire light-emitting device of Example 2 of the present invention is completed. Note that Au—Sb is used as the n-side electrode 45, and Al is used as the p-side electrode 46.

Si,Si0.7Ge0.3,Geの線膨張係数はそれぞれ、2.4×10−6−1、3.45×10−6−1、5.9×10−6−1であるので、i型Geナノワイヤ43には2.4%以上の引っ張り歪が印加されてバンド構造が直接遷移型になる。したがって、発光性再結合においてフォノンが介在しないので発光効率が向上する。 The linear expansion coefficients of Si, Si 0.7 Ge 0.3 , and Ge are 2.4 × 10 −6 K −1 , 3.45 × 10 −6 K −1 , 5.9 × 10 −6 K −, respectively. 1, so that the band structure is applied 2.4% or more of tensile strain in the i-type Ge nanowire 43 is direct transition type. Therefore, since phonons are not present in luminescent recombination, luminous efficiency is improved.

なお、実施例2においては、ブロック体をSi0.7Ge0.3で形成しているが、混晶比は任意であり、また、i型Geナノワイヤ43の表面については、近赤外領域で透明な樹脂で保護しても良い。 In Example 2, the block body is made of Si 0.7 Ge 0.3 , but the mixed crystal ratio is arbitrary, and the surface of the i-type Ge nanowire 43 is in the near infrared region. It may be protected with a transparent resin.

次に、図7を参照して、本発明の実施例3のGeナノワイヤレーザを説明するが、ナノワイヤをアレイ化するだけで基本的な製造工程は上記の実施例1と同様であるので、最終的な素子構造のみを示す。   Next, the Ge nanowire laser according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7. The basic manufacturing process is the same as that of the first embodiment just by arraying the nanowires. Only a typical device structure is shown.

図7は、本発明の実施例3のGeナノワイヤレーザの概略的斜視図であり、直径が60nmのSi/Ge/Si構造のナノワイヤを500nmのピッチで50本並列に配置したものである。なお、図においては、図示を簡単にするために8本のナノワイヤを図示している。このような、ナノワイヤアレイを形成するためには、各GaPブロック14に設ける開口部のピッチを500nmとすれば良いだけである。   FIG. 7 is a schematic perspective view of a Ge nanowire laser according to Example 3 of the present invention, in which 50 nanowires having a Si / Ge / Si structure with a diameter of 60 nm are arranged in parallel at a pitch of 500 nm. In the figure, eight nanowires are shown for ease of illustration. In order to form such a nanowire array, it is only necessary to set the pitch of the openings provided in each GaP block 14 to 500 nm.

このナノワイヤアレイの間を導波路となるベンゾシクロブテン(BCB)からなるポリマー27で埋め込むとともに、導波路の両端に共振器を構成する反射膜28を形成する。なお、図においては、構造を理解しやすいように一方の端面にのみ反射膜28を図示している。反射膜28としては、発振波長の1/4光学膜厚を有する屈折率の異なる2つの誘電体を交互に積層した誘電体多層膜ミラーを用いれば良いが、これに限定されるものではない。   A space between the nanowire arrays is filled with a polymer 27 made of benzocyclobutene (BCB) serving as a waveguide, and reflection films 28 constituting a resonator are formed at both ends of the waveguide. In the figure, the reflective film 28 is shown only on one end face so that the structure can be easily understood. As the reflective film 28, a dielectric multilayer film mirror in which two dielectrics having different refractive indexes and having an optical film thickness of ¼ of the oscillation wavelength may be used. However, the present invention is not limited to this.

このように、本発明の実施例3においては、本来間接遷移型であるGeに引っ張り歪を印加して直接遷移型にしているので、Geナノワイヤを密集して設けることによってレーザを実現することができる。   As described above, in Example 3 of the present invention, since a tensile strain is applied to Ge, which is originally an indirect transition type, to make a direct transition type, a laser can be realized by densely providing Ge nanowires. it can.

次に、図8乃至図10を参照して、本発明の実施例4のGeナノワイヤ発光素子アレイの製造工程を説明するが、発光素子部の製造工程は上記の実施例2と基本的に同様である。まず、図8(a)に示すように、(001)面を主面とする単結晶Si基板51上に厚さが3μmのSiOからなるBOX層52を介して厚さが250nmの単結晶Si層53を設けたSOI基板を用意する。 Next, the manufacturing process of the Ge nanowire light-emitting element array according to Example 4 of the present invention will be described with reference to FIGS. 8 to 10. The manufacturing process of the light-emitting element part is basically the same as that of Example 2 described above. It is. First, as shown in FIG. 8A, a single crystal having a thickness of 250 nm is formed on a single crystal Si substrate 51 having a (001) plane as a main surface through a BOX layer 52 made of SiO 2 having a thickness of 3 μm. An SOI substrate provided with the Si layer 53 is prepared.

次いで、図8(b)に示すように、単結晶Si層53をエッチング加工して幅が400nmで10μmのピッチで単結晶Siコア層54を形成する。なお、図においては、図示を容易にするために3本の単結晶Siコア層54を図示しているが本数は任意である。   Next, as shown in FIG. 8B, the single crystal Si layer 53 is etched to form a single crystal Si core layer 54 with a width of 400 nm and a pitch of 10 μm. In the figure, three single crystal Si core layers 54 are shown for ease of illustration, but the number is arbitrary.

次いで、図8(c)に示すように、SiO膜を成長させたのち、単結晶Siコア層54の両端面が露出するようにエッチングして上部クラッド層55とする。なお、BOX層52が下部クラッド層となる。次いで、BOX層52に幅が1μmの開口部56を20μmのピッチで形成して選択成長マスクとする。 Next, as shown in FIG. 8C, after an SiO 2 film is grown, etching is performed so that both end faces of the single crystal Si core layer 54 are exposed to form the upper cladding layer 55. The BOX layer 52 becomes the lower cladding layer. Next, openings 56 having a width of 1 μm are formed in the BOX layer 52 at a pitch of 20 μm to form a selective growth mask.

次いで、図9(d)に示すように、単結晶Siコア層54の一方の端面を覆うようにSiNからなる成長阻止膜57を設ける。以降は、上記の実施例2と同様に、550℃〜650℃の基板温度において気相成長法を用いて一対のSi0.7Ge0.3からなるSiGeブロック58を対向する間隙が1μmになるように成長する。この時、Si原料としてはジシラン(Si)を用い、Ge原料としてはゲルマン(GeH)を用いる。まず、開口部56に露出する単結晶Si基板51の表面に固定基部59がエピタキシャル成長し、次いで、横方向成長により延伸部60が成長する。 Next, as shown in FIG. 9D, a growth inhibition film 57 made of SiN is provided so as to cover one end face of the single crystal Si core layer 54. Thereafter, as in the second embodiment, the gap between the SiGe block 58 made of a pair of Si 0.7 Ge 0.3 is set to 1 μm using the vapor phase growth method at the substrate temperature of 550 ° C. to 650 ° C. To grow. At this time, disilane (Si 2 H 6 ) is used as the Si material, and germane (GeH 4 ) is used as the Ge material. First, the fixed base 59 is epitaxially grown on the surface of the single crystal Si substrate 51 exposed in the opening 56, and then the stretched portion 60 is grown by lateral growth.

次いで、図9(e)に示すように、SiGeブロック58が成長阻止膜57に達する直前にSiGeブロック58の成長を中断して成長阻止膜57を選択的に除去する。成長阻止膜57を除去したのち、再び成長を開始して、図において右側のSiGeブロック58が単結晶Siコア層54に結合するまで成長を行う。   Next, as shown in FIG. 9E, the growth inhibition film 57 is selectively removed by interrupting the growth of the SiGe block 58 immediately before the SiGe block 58 reaches the growth inhibition film 57. After the growth blocking film 57 is removed, the growth is started again, and the growth is continued until the right SiGe block 58 is bonded to the single crystal Si core layer 54 in the drawing.

次いで、図10(f)に示すように、延伸部60が単結晶Si基板51の拘束を受けないように、BOX層52の露出部をエッチング除去するとともに、更にサイドエッチにより、延伸部60の下にあるBOX層52の一部も除去する。なお、延伸部60の下にあるBOX層52は全部除去しても良いが、構造的に強度が低下する。   Next, as shown in FIG. 10 (f), the exposed portion of the BOX layer 52 is etched away so that the stretched portion 60 is not constrained by the single crystal Si substrate 51, and the stretched portion 60 is further etched by side etching. A portion of the underlying BOX layer 52 is also removed. The BOX layer 52 under the extending portion 60 may be completely removed, but the strength is structurally reduced.

次いで、一方(左側)のSiGeブロック58にPをイオン注入するとともに、他方(右側)のSiGeブロック58にBをイオン注入した後、活性化アニールを施してn型SiGeブロック61及びp型SiGeブロック62とする。次いで、n型SiGeブロック61及びp型SiGeブロック62をエッチングすることによって単結晶Siコア層54のピッチに合うように分割する。   Next, P is ion-implanted into one (left side) SiGe block 58, and B is ion-implanted into the other (right side) SiGe block 58, and then activation annealing is performed to perform n-type SiGe block 61 and p-type SiGe block. 62. Next, the n-type SiGe block 61 and the p-type SiGe block 62 are etched to be divided so as to match the pitch of the single crystal Si core layer 54.

次いで、図10(g)に示すように、SiO膜63,64を形成した後、開口部を有するレジストパターン(図示は省略)を設けて、エッチングすることによって、SiO膜63に延伸部60の端面の一部を開口する開口部65を形成する。なお、この時の開口部65の幅は40nmとする。 Next, as shown in FIG. 10 (g), after forming the SiO 2 films 63 and 64, a resist pattern (not shown) having an opening is provided and etched, whereby the stretched portion is formed on the SiO 2 film 63. An opening 65 that opens a part of the end face of 60 is formed. The width of the opening 65 at this time is 40 nm.

次いで、500℃の成長温度でGe原料としてゲルマン(GeH)を用いて初期Ge層となるi型Geナノワイヤ66を成長させる。i型Geナノワイヤ66の直径は開口部65の幅と同程度になる。この場合のSi原料としてはジシラン(Si)を用い、n型ドーパント源としては、フォスフィン(PH)を用いる。 Next, i-type Ge nanowires 66 serving as an initial Ge layer are grown using germanium (GeH 4 ) as a Ge raw material at a growth temperature of 500 ° C. The diameter of the i-type Ge nanowire 66 is approximately the same as the width of the opening 65. In this case, disilane (Si 2 H 6 ) is used as the Si raw material, and phosphine (PH 3 ) is used as the n-type dopant source.

次いで、開口部を有するレジストパターン(図示は省略)を設けて、エッチングすることによって、SiO膜64にp型SiGeブロック62の延伸部60の端面の一部を開口する開口部67を形成する。次いで、再び、500℃の成長温度でGe原料としてゲルマン(GeH)を用いてi型Geナノワイヤ66をさらに成長させて開口部67に露出するp型SiGeブロック62の延伸部60の端面に結合させる。 Next, a resist pattern (not shown) having an opening is provided and etched to form an opening 67 that opens a part of the end surface of the extended portion 60 of the p-type SiGe block 62 in the SiO 2 film 64. . Next, again, an i-type Ge nanowire 66 is further grown using germane (GeH 4 ) as a Ge raw material at a growth temperature of 500 ° C., and bonded to the end face of the extended portion 60 of the p-type SiGe block 62 exposed in the opening 67. Let

次いで、SiO膜63,64にコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールを埋め込むように、n側電極68を設けるとともに、p側電極69を設ける。次いで、i型Geナノワイヤ66を個別に被覆するようにBCBからなるポリマークラッド70を設けることにより、本発明の実施例4のGeナノワイヤ発光素子アレイが完成する。なお、n側電極68としてはAu−Sbを用い、p側電極69としてはAlを用いる。 Next, contact holes are formed in the SiO 2 films 63 and 64, and an n-side electrode 68 and a p-side electrode 69 are provided so as to fill the contact holes. Next, a polymer cladding 70 made of BCB is provided so as to individually coat the i-type Ge nanowires 66, thereby completing the Ge nanowire light-emitting element array of Example 4 of the present invention. Note that Au—Sb is used as the n-side electrode 68, and Al is used as the p-side electrode 69.

本発明の実施例4においては、基板としてSOI基板を用いているので、引っ張り歪印加により直接遷移型化したGeナノワイヤを用いた高効率の発光素子アレイと光導波路をモノリシックに一体化することができる。   In Example 4 of the present invention, since an SOI substrate is used as the substrate, it is possible to monolithically integrate a high-efficiency light-emitting element array and an optical waveguide using Ge nanowires that have been directly transitioned by applying tensile strain. it can.

ここで、実施例1乃至実施例4を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
(付記1)Geよりも線膨張係数の小さい基板と、前記基板よりも線膨張係数の大きい材料からなり、前記基板に結晶学的に接合する固定基部と前記基板に拘束されない延伸部を有し、前記延伸部の延伸方向の端面が互いに空隙を介して対向する一対のブロック部と、前記一対のブロック部の互いに対向する端面間に架橋された少なくとも一部がGeを最大成分とするGe系半導体からなるGe系ナノワイヤとを有し、前記Geを最大成分とするGe系半導体のバンド構造が直接遷移型となる値の引っ張り歪を有することを特徴とするGe系ナノワイヤ光素子。
(付記)前記Geを最大成分とするGe系半導体がGeであり、前記引っ張り歪が、前記互いに対向する端面間を結ぶ方向において2.4%以上であることを特徴とする付記に記載のGe系ナノワイヤ光素子。
(付記)前記基板が、単結晶Si基板であり、前記ブロック部が、単結晶半導体からなることを特徴とする付記1または付記2に記載のGe系ナノワイヤ光素子。
(付記)前記ブロック部が、GaP或いはSiGeのいずれかからなることを特徴とする付記に記載のGe系ナノワイヤ光素子。
(付記)前記少なくとも一部がGeを最大成分とするGe系半導体からなるGe系ナノワイヤが、平行に複数本配列されてアレイを構成していることを特徴とする付記1乃至付記のいずれか1に記載のGe系ナノワイヤ光素子。
(付記)前記各Ge系ナノワイヤが、前記Ge系ナノワイヤより屈折率の低いポリマーで被覆されていることを特徴とする付記に記載のGe系ナノワイヤ光素子。
(付記)Geよりも線膨張係数の小さい基板に一対の平行に配置された開口部を有する選択成長マスクを設ける工程と、前記開口部に前記基板に結晶学的に接合する固定基部を選択成長する工程と、前記固定基部を基点として横方向成長により前記基板に拘束されない延伸部を、前記延伸部の延伸方向の端面が互いに空隙を介して対向するように形成して、前記固定基部とともに一対のブロック部とする工程と、前記延伸部の端面間に少なくとも一部がGeを最大成分とするGe系半導体からなるGe系ナノワイヤを室温より高温で架橋したのち、室温まで降温して前記Ge系ナノワイヤに前記Geを最大成分とするGe系半導体のバンド構造が直接遷移型となる値の引っ張り歪を印加する工程とを有することを特徴とするGe系ナノワイヤ光素子の製造方法。
(付記)前記Ge系ナノワイヤを架橋する工程において、前記一対のブロック部の一方の端面の一部に前記Ge系ナノワイヤを成長させるための触媒を形成する工程を有することを特徴とする付記に記載のGe系ナノワイヤ光素子の製造方法。
(付記)前記Ge系ナノワイヤを架橋する工程が、前記一対のブロック部の一方の端面を成長阻止膜で被覆した状態で、前記一対のブロック部の他方の端面を基点として前記Ge系ナノワイヤの成長を開始して初期Ge層を形成する工程と、前記初期Ge層を形成した後に前記成長阻止膜の少なくとも一部を除去する工程と、前記Ge系ナノワイヤが前記成長阻止膜の除去部に当接するまで成長を行う工程とを有することを特徴とする付記に記載のGe系ナノワイヤ光素子の製造方法。
Here, the following supplementary notes are attached to the embodiments of the present invention including Examples 1 to 4.
(Supplementary note 1) A substrate having a linear expansion coefficient smaller than that of Ge, a material having a linear expansion coefficient larger than that of the substrate, a fixed base portion that is crystallographically bonded to the substrate, and an extending portion that is not constrained by the substrate. A pair of block parts whose end faces in the extension direction of the extension parts are opposed to each other via a gap, and at least a part of the bridge between the opposite end faces of the pair of block parts is Ge-based. A Ge-based nanowire optical element comprising: a Ge-based nanowire made of a semiconductor; and a band structure of the Ge-based semiconductor having Ge as a maximum component has a tensile strain value that is a direct transition type .
(Supplementary Note 2) In the case of Ge-based semiconductor is Ge to Ge and the maximum component, according to Note 1, wherein the tensile strain, characterized in that said at 2.4% or more in the direction connecting between mutually facing end surfaces Ge-based nanowire optical device.
(Supplementary note 3 ) The Ge-based nanowire optical element according to Supplementary note 1 or 2, wherein the substrate is a single crystal Si substrate and the block portion is made of a single crystal semiconductor.
(Supplementary note 4 ) The Ge-based nanowire optical element according to Supplementary note 3 , wherein the block portion is made of either GaP or SiGe.
(Supplementary note 5 ) Any one of Supplementary notes 1 to 4, wherein a plurality of Ge-based nanowires made of a Ge-based semiconductor having Ge as a maximum component are arranged in parallel to form an array. 2. A Ge-based nanowire optical device according to claim 1.
(Supplementary note 6 ) The Ge-based nanowire optical element according to Supplementary note 5 , wherein each Ge-based nanowire is coated with a polymer having a refractive index lower than that of the Ge-based nanowire.
(Appendix 7 ) A step of providing a selective growth mask having a pair of openings arranged in parallel on a substrate having a linear expansion coefficient smaller than that of Ge, and a fixed base that is crystallographically bonded to the substrate is selected in the openings. And a step of growing and an extending portion that is not constrained by the substrate by lateral growth with the fixed base as a starting point so that end surfaces in the extending direction of the extending portion face each other with a gap therebetween, together with the fixed base A step of forming a pair of block parts, and a Ge-based nanowire made of a Ge-based semiconductor having at least a part of Ge as a maximum component between the end faces of the stretched part are cross-linked at a temperature higher than room temperature, and then cooled to room temperature. Applying a tensile strain of such a value that the band structure of the Ge-based semiconductor containing Ge as a maximum component is a direct transition type to the nano-wire. A method of manufacturing a light element.
In the step of crosslinking the (Supplementary Note 8) The Ge-based nanowires, Appendix characterized by having a step of forming a catalyst for growing the Ge based nanowires on a part of one end face of said pair of blocks 7 The manufacturing method of Ge type | system | group nanowire optical element of description.
(Supplementary note 9 ) The step of bridging the Ge-based nanowire is a state in which one end surface of the pair of block portions is covered with a growth blocking film, and the other end surface of the pair of block portions is used as a base point. A step of starting growth to form an initial Ge layer; a step of removing at least a portion of the growth inhibition film after the formation of the initial Ge layer; and the Ge-based nanowire hits the removal portion of the growth inhibition film. The method for producing a Ge-based nanowire optical element according to appendix 7 , characterized by comprising a step of growing until contact.

1 基板
2 ブロック部
3 固定基部
4 延伸部
5 空隙
6 Ge系ナノワイヤ
11 単結晶Si基板
12 SiO
13 開口部
14 GaPブロック
15 固定基部
16 延伸部
17 間隙
18 SiO
19 開口部
20 Au薄膜
21 Au触媒
22 n型Siナノワイヤ
23 i型Geナノワイヤ
24 p型Siナノワイヤ
25 n側電極
26 p側電極
27 ポリマー
28 反射鏡
31 単結晶Si基板
32 SiO
33 開口部
34 SiGeブロック
35 固定基部
36 延伸部
37 間隙
38 n型SiGeブロック
39 p型SiGeブロック
40,41 SiO
42 開口部
43 i型Geナノワイヤ
44 開口部
45 n側電極
46 p側電極
51 単結晶Si基板
52 BOX層
53 単結晶Si層
54 単結晶Siコア層
55 上部クラッド層
56 開口部
57 成長阻止膜
58 SiGeブロック
59 固定基部
60 延伸部
61 n型SiGeブロック
62 p型SiGeブロック
63,64 SiO
65 開口部
66 i型Geナノワイヤ
67 開口部
68 n側電極
69 p側電極
70 ポリマークラッド
1 substrate 2 block 3 fixed base 4 extending portion 5 gap 6 Ge-based nanowires 11 single-crystal Si substrate 12 SiO 2 film 13 opening 14 GaP block 15 fixed base 16 extending portions 17 gaps 18 SiO 2 film 19 opening 20 Au thin film 21 Au catalyst 22 n-type Si nanowire 23 i-type Ge nanowire 24 p-type Si nanowire 25 n-side electrode 26 p-side electrode 27 polymer 28 reflector 31 single crystal Si substrate 32 SiO 2 film 33 opening 34 SiGe block 35 fixed base 36 Stretched portion 37 Gap 38 n-type SiGe block 39 p-type SiGe block 40, 41 SiO 2 film 42 opening 43 i-type Ge nanowire 44 opening 45 n-side electrode 46 p-side electrode 51 single crystal Si substrate 52 BOX layer 53 single crystal Si layer 54 Single crystal Si core layer 55 Upper cladding layer 56 Opening 57 Growth prevention film 58 SiGe block 59 Fixed base 60 Extending portion 61 n-type SiGe block 62 p-type SiGe block 63, 64 SiO 2 film 65 opening 66 i-type Ge nanowire 67 opening 68 n-side electrode 69 p-side electrode 70 polymer cladding

Claims (4)

Geよりも線膨張係数の小さい基板と、
前記基板よりも線膨張係数の大きい材料からなり、前記基板に結晶学的に接合する固定基部と前記基板に拘束されない延伸部を有し、前記延伸部の延伸方向の端面が互いに空隙を介して対向する一対のブロック部と、
前記一対のブロック部の互いに対向する端面間に架橋された少なくとも一部がGeを最大成分とするGe系半導体からなるGe系ナノワイヤと
を有し、
前記Geを最大成分とするGe系半導体のバンド構造が直接遷移型となる値の引っ張り歪を有することを特徴とするGe系ナノワイヤ光素子。
A substrate having a smaller linear expansion coefficient than Ge;
It is made of a material having a larger linear expansion coefficient than that of the substrate, and has a fixed base portion crystallographically bonded to the substrate and an extending portion that is not constrained by the substrate, and end surfaces in the extending direction of the extending portion are mutually spaced via a gap. A pair of opposing block portions;
And a Ge-based nanowire made of a Ge-based semiconductor having at least a part of a bridge between the opposed end faces of the pair of block portions, the Ge being a maximum component;
A Ge-based nanowire optical element, wherein the Ge-based semiconductor band structure having Ge as a maximum component has a tensile strain of a value that is a direct transition type .
前記少なくとも一部がGeを最大成分とするGe系半導体からなるGe系ナノワイヤが、平行に複数本配列されてアレイを構成していることを特徴とする請求項1に記載のGe系ナノワイヤ光素子。 The Ge-based nanowire optical element according to claim 1, wherein a plurality of Ge-based nanowires made of a Ge-based semiconductor having at least a part of Ge as a maximum component are arranged in parallel to form an array. . Geよりも線膨張係数の小さい基板に一対の平行に配置された開口部を有する選択成長マスクを設ける工程と、
前記開口部に前記基板に結晶学的に接合する固定基部を選択成長する工程と、
前記固定基部を基点として横方向成長により前記基板に拘束されない延伸部を、前記延伸部の延伸方向の端面が互いに空隙を介して対向するように形成して、前記固定基部とともに一対のブロック部とする工程と、
前記延伸部の端面間に少なくとも一部がGeを最大成分とするGe系半導体からなるGe系ナノワイヤを室温より高温で架橋したのち、室温まで降温して前記Ge系ナノワイヤに前記Geを最大成分とするGe系半導体のバンド構造が直接遷移型となる値の引っ張り歪を印加する工程と
を有することを特徴とするGe系ナノワイヤ光素子の製造方法。
Providing a selective growth mask having a pair of openings arranged in parallel on a substrate having a smaller linear expansion coefficient than Ge;
Selectively growing a fixed base crystallographically bonded to the substrate in the opening;
A stretched portion that is not restrained by the substrate by lateral growth with the fixed base as a starting point is formed so that end surfaces in the stretched direction of the stretched portion face each other with a gap therebetween, and a pair of block portions together with the fixed base And a process of
A Ge-based nanowire made of a Ge-based semiconductor having at least a portion of Ge as a maximum component between the end faces of the stretched portion is cross-linked at a temperature higher than room temperature, and then cooled to room temperature, and the Ge-based nanowire has the Ge as the maximum component. Applying a tensile strain having a value such that the band structure of the Ge-based semiconductor is a direct transition type .
前記Ge系ナノワイヤを架橋する工程において、前記一対のブロック部の一方の端面の一部に前記Ge系ナノワイヤを成長させるための触媒を形成する工程を有することを特徴とする請求項に記載のGe系ナノワイヤ光素子の製造方法。 In the step of crosslinking the Ge based nanowires, according to claim 3, characterized in that it comprises a step of forming a catalyst for growing the Ge based nanowires on a part of one end face of the pair of block portions A method for producing a Ge-based nanowire optical element.
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