特許 7381839 透過型偏光制御素子、光アイソレータ、偏光可変光源、および透過型偏光制御素子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-08

(45)【発行日】2023-11-16

(54)【発明の名称】透過型偏光制御素子、光アイソレータ、偏光可変光源、および透過型偏光制御素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/09 20060101AFI20231109BHJP

   G02F 1/015 20060101ALI20231109BHJP

   G02B 27/28 20060101ALI20231109BHJP

【ＦＩ】

G02F1/09 502

G02F1/09 501

G02F1/015 505

G02B27/28 A

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2019116903

(22)【出願日】2019-06-25

(65)【公開番号】P2021004909

(43)【公開日】2021-01-14

【審査請求日】2022-05-25

(73)【特許権者】

【識別番号】000226057

【氏名又は名称】日亜化学工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101683

【弁理士】

【氏名又は名称】奥田 誠司

(74)【代理人】

【識別番号】100155000

【弁理士】

【氏名又は名称】喜多 修市

(74)【代理人】

【識別番号】100180529

【弁理士】

【氏名又は名称】梶谷 美道

(74)【代理人】

【識別番号】100125922

【弁理士】

【氏名又は名称】三宅 章子

(74)【代理人】

【識別番号】100184985

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 悠

(72)【発明者】

【氏名】門脇 拓也

(72)【発明者】

【氏名】大津 元一

(72)【発明者】

【氏名】川添 忠

【審査官】奥村 政人

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－００８９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０３８３９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／１３２６６８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１３９９１１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】OHTSU et al.，Gigantic Ferromagnetic Magneto-Optical Effect in a SiC Light-emitting Diode Fabricated by Dressed-Photon-Phonon-Assisted Annealing，Off-shell archive，日本，2018年12月26日

【文献】門脇拓也、他，ＳｉＣ発光ダイオードの表面電流を使った巨大偏光回転，２０１９年 第６６回応用物理学会春季学術講演会［講演予稿集］，日本，公益社団法人応用物理学会，2019年02月25日，p.03-333，10p-W621-17

【文献】竪直也、他，ＺｎＯ単結晶を用いた透過型光変調素子の開発とその偏光変調特性に関する検証 ，２０１５年 第７６回応用物理学会秋季学術講演会［講演予稿集］，日本，公益社団法人応用物理学会，2015年09月13日，p.03-537，16p-2G-11

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／００－ １／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１－ ７／００

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１面と前記第１面の反対側に第２面とを有し、前記第１面と前記第２面との間に、ｐ型およびｎ型の一方である第１導電型を有する第１導電型領域、ｐ型およびｎ型の他方である第２導電型を有する第２導電型領域、ならびに前記第１導電型領域と前記第２導電型領域との間に位置するｐｎ接合を含む半導体層と、
前記第１面上に設けられ、前記ｐｎ接合を貫く方向に磁場を形成する電流が流れるループ状電極と、
前記第１導電型領域にドープされ、近接場光を形成する前記第１導電型の不純物が分布する近接場光形成領域と、
を備え、
前記ループ状電極によって囲まれた領域および前記近接場光形成領域を通過する直線偏光の偏光方向を、前記電流に応じて回転させ、
前記ループ状電極は、ギャップを有するリング形状部分を含む、
透過型偏光制御素子。

【請求項2】

前記ｐｎ接合が、前記第２面よりも前記第１面に近い側に位置する、請求項１に記載の透過型偏光制御素子。

【請求項3】

前記第２面上に開口を備える導電部材をさらに有し、
前記開口の縁によって囲まれた領域は、前記ループ状電極が取り囲む領域直下の前記第２面上の領域の少なくとも一部と重なる、請求項１または２に記載の透過型偏光制御素子。

【請求項4】

前記ギャップの長さは、前記リング形状部分の長さの２５％以下である、請求項１から３のいずれかに記載の透過型偏光制御素子。

【請求項5】

前記リング形状部分の内径は、５０μｍ以上３０００μｍ以下である、請求項４に記載の透過型偏光制御素子。

【請求項6】

前記ループ状電極は、１巻以上の渦型導体を有している、請求項１から４のいずれかに記載の透過型偏光制御素子。

【請求項7】

前記第１面から前記第２面へ向かう方向から見たとき、前記ループ状電極によって囲まれた前記領域は、前記近接場光形成領域と重複している、請求項１から６のいずれかに記載の透過型偏光制御素子。

【請求項8】

前記半導体層は間接遷移型の半導体材料から形成されている、請求項１から７のいずれかに記載の透過型偏光制御素子。

【請求項9】

前記半導体材料は、ＳｉＣである、請求項８に記載の透過型偏光制御素子。

【請求項10】

前記半導体層は直接遷移型の半導体材料から形成されているである、請求項１から７のいずれかに記載の透過型偏光制御素子。

【請求項11】

前記半導体材料は、ＺｎＯである、請求項１０に記載の透過型偏光制御素子。

【請求項12】

前記ループ状電極は非磁性金属から形成されている、請求項１から１１のいずれかに記載の透過型偏光制御素子。

【請求項13】

前記半導体層の前記第１面は矩形形状を有し、
前記第１面の２つの辺の各々の長さは、前記第１面に入射する光のビーム径よりも大きい、請求項１から１２のいずれかに記載の透過型偏光制御素子。

【請求項14】

前記ループ状電極の両端は、ワイヤによって駆動回路と電気的に接続されている、請求項１から１３のいずれかに記載の透過型偏光制御素子。

【請求項15】

請求項１から１４のいずれかに記載の透過型偏光制御素子と、
前記透過型偏光制御素子の前記ループ状電極に電気的に接続され、前記ループ状電極を流れる電流を変化させることによって前記磁場を変調する、駆動回路と、
一対の偏光子であって、一方の偏光子は、前記透過型偏光制御素子の光入射側に配置され、他方の偏光子は、前記透過型偏光制御素子の光出射側に配置されており、偏光方向が４５°回転した配置関係にある、一対の偏光子と、
を備える光アイソレータ。

【請求項16】

請求項１から１４のいずれかに記載された偏光制御素子、または、請求項１５に記載された光アイソレータと、
半導体レーザ素子と、
を備える偏光可変光源であって、
前記半導体レーザ素子から出射される光の波長は、前記半導体層を形成する半導体材料のエネルギーギャップに対応する波長よりも長い、偏光可変光源。

【請求項17】

ｐ型およびｎ型の一方である第１導電型を有する第１導電型領域、ｐ型およびｎ型の他方である第２導電型を有する第２導電型領域、および前記第１導電型領域と前記第２導電型領域との間に位置するｐｎ接合を含む半導体層と、
前記半導体層上の第１面上に設けられた第１電極と、
前記第１面の反対側の第２面上に設けられた第２電極と、
を準備する工程と、
前記第１電極と前記第２電極との間に順方向電流を流しながら、レーザ光で前記半導体層を照射することにより、近接場光を形成する前記第１導電型の不純物が分布する近接場光形成領域を形成する工程と、
前記第１電極および前記第２電極を除去する工程と、
前記第１面上に、前記ｐｎ接合を貫く方向に磁場を形成する電流が流れるループ状電極を形成する工程と、
を含む、透過型偏光制御素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、透過型偏光制御素子、光アイソレータ、偏光可変光源、および透過型偏光制御素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

透過光の偏光方向を回転させるファラデー効果、および反射光の偏光方向を回転させる磁気カー効果は、磁気光学効果として知られている。磁気光学効果を示す磁気光学材料は、光の偏光方向を制御する偏光制御素子に広く利用されている。従来の磁気光学材料のうち、例えば磁性ガーネット（Ｇｄ_２ＢｉＦｅ_５Ｏ_１２）では、磁場を印加することによって波長８００ｎｍ付近の赤外領域において磁気光学効果を得ることができる。しかし、磁性ガーネットでは、可視光領域において磁気光学効果を得ることはできない。

【0003】

近年、近接場光の一種である「ドレスト光子（ｄｒｅｓｓｅｄ ｐｈｏｔｏｎ）」の作用により、半導体層に磁場を印加して可視光領域において磁気光学効果が得られることが報告されている。例えば、非特許文献１は、ドレスト光子の作用により、半導体層に磁場を印加して可視光領域における反射光の偏光方向を回転させる反射型偏光制御素子を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】M. Ohtsu and T.Kawazoe,, 『Gigantic Ferromagnetic Magneto-Optical Effects in a SiC Light-emitting Diode Fabricated by Dressed-Photon-Phonon Assisted Annealing』Off-shell archive, OffShell: 1809R.001.v1, (2018).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

非特許文献１に開示されている反射型偏光制御素子とは異なる偏光制御素子の開発が求められている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の透過型偏光制御素子は、一実施形態において、第１面と前記第１面の反対側に第２面とを有し、前記第１面と前記第２面との間に、ｐ型およびｎ型の一方の導電型を有する第１導電型領域、ｐ型およびｎ型の他方の導電型を有する第２導電型領域、ならびに前記第１導電型領域と前記第２導電型領域との間に位置するｐｎ接合を含む半導体層と、前記第１面上に設けられ、前記ｐｎ接合を貫く方向に磁場を形成する電流が流れるループ状電極と、前記第１導電型領域にドープされ、近接場光を形成する前記第１導電型の不純物が分布する近接場光形成領域と、を備え、前記ループ状電極によって囲まれた領域および前記近接場光形成領域を通過する直線偏光の偏光方向を、前記電流に応じて回転させる。

【発明の効果】

【0007】

本開示の実施形態によれば、半導体層に磁場を印加して可視光領域における透過光の偏光方向を回転させる透過型偏光制御素子が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1A】図１Ａは、本開示の実施形態における偏光可変光源１００Ａの構成例を模式的に示す斜視図である。

【図1B】図１Ｂは、図１Ａに示す偏光制御素子１００の構成例を模式的に示すＸＺ平面における断面図である。

【図2A】図２Ａは、実験系を模式的に示すブロック図である。

【図2B】図２Ｂは、偏光制御素子１００におけるループ状電極２０に流れる電流の値の時間変化と、光検出器６６によって検出された光量の時間変化との関係を示す実験結果である。

【図3A】図３Ａは、本実施形態における偏光可変光源２００Ａから光６２ｔが出射される様子を模式的に示す図である。

【図3B】図３Ｂは、本実施形態における偏光可変光源２００Ａに、反射され戻ってきた光６２ｒが入射する様子を模式的に示す図である。

【図4A】図４Ａは、第１の変形例におけるループ状電極２１の構成例を模式的に示す図である。

【図4B】図４Ｂは、第２の変形例におけるループ状電極２２の構成例を模式的に示す図である。

【図4C】図４Ｃは、第３の変形例におけるループ状電極２３の構成例を模式的に示す図である。

【図5A】図５Ａは、本実施形態における偏光制御素子１００の製造方法を説明するための図である。

【図5B】図５Ｂは、本実施形態における偏光制御素子１００の製造方法を説明するための図である。

【図5C】図５Ｃは、本実施形態における偏光制御素子１００の製造方法を説明するための図である。

【図5D】図５Ｄは、本実施形態における偏光制御素子１００の製造方法を説明するための図である。

【図6A】図６Ａは、本実施形態における偏光制御素子１１０の製造方法を説明するための図である。

【図6B】図６Ｂは、本実施形態における偏光制御素子１１０の製造方法を説明するための図である。

【図6C】図６Ｃは、本実施形態における偏光制御素子１１０の製造方法を説明するための図である。

【図6D】図６Ｄは、本実施形態における偏光制御素子１１０の製造方法を説明するための図である。

【図7】図７は、励起子ポラリトンの分散関係を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

（ドレスト光子の概要）
ドレスト光子の理論および実験の詳細については、例えば、Dressed Photons: Concepts of Light-Matter Fusion Technology, Motoichi Ohtsu(Springer, Berlin, Heidelberg, 2014)に記載されている。以下に、ドレスト光子の概要を簡単に説明する。なお、ドレスト光子については未解明な部分も多くあり、ドレスト光子の概要の説明および実施形態の説明には仮説も含まれている。したがって、ドレスト光子の作用による磁気光学効果の原理を断定するわけではない。

【0010】

ドレスト光子は、半導体材料中に存在する電子・正孔対である励起子と光とが結合した励起子ポラリトンに関係している。図７は、励起子ポラリトンの分散関係を模式的に示す図である。放物線状の破線は励起子の分散関係を表し、直線状の破線は光の分散関係を表している。太い実線は、励起子と光とが結合することによって２つに分裂した励起子ポラリトンの分散関係を表している。２つに分裂した励起子ポラリトンの分散関係は「オンシェル（ｏｎ ｓｈｅｌｌ）」と呼ばれている。一方、励起子ポラリトンの分散関係の周辺は、「オフシェル（ｏｆｆ ｓｈｅｌｌ）」と呼ばれている。オフシェルには、仮想光子であるドレスト光子が存在する。ドレスト光子は、電子・正孔対のエネルギーの衣をまとった光子であると考えられている。ドレスト光子の生成確率は、励起子ポラリトンの分散関係から離れるほど低くなる。

【0011】

ドレスト光子は、励起子ポラリトンの分散関係の周辺に存在するので、ドレスト光子の運動量ｐおよびエネルギーＥには、それぞれΔｐおよびΔＥの不確定性が存在する。オンシェルでは、光の局在サイズは、せいぜい光の波長程度である。これに対して、オフシェルでは、ドレスト光子の位置ｘの不確定性Δｘ～ｈ／（２πΔｐ）（ｈ：プランク定数）は運動量ｐの不確定性Δｐが大きいほど小さくなるので、ドレスト光子の局在サイズは光の波長よりもはるかに小さくなる。オンシェルでは、光の生成・消滅時間は、せいぜい光の振動周期程度である。これに対して、オフシェルでは、ドレスト光子の時間ｔの不確定性Δｔ～ｈ／（２πΔＥ）はエネルギーＥの不確定性ΔＥが大きいほど短くなるので、ドレスト光子の生成・消滅時間は光の振動周期よりもはるかに短くなる。このように、オフシェルのドレスト光子は、オンシェルの光では実現できない特性を有する。

【0012】

ドレスト光子は仮想光子であるため、単独では存在しない。ドレスト光子は、例えば結晶中の格子振動を表すフォノンを介して、ドレスト光子フォノン（ｄｒｅｓｓｅｄ ｐｈｏｔｏｎ ｐｈｏｎｏｎ）として存在し得る。ドレスト光子は、不規則に振動するインコヒーレントフォノンよりも、規則的に振動するコヒーレントフォノンと強く相互作用する。コヒーレントフォノンは、多数の原子によって構成されたバルク物質よりも、少数の原子によって構成されたナノ物質において安定的に存在する。このことは、原子間がバネによって接続されたモデルにおいて、バルク物質での多数の原子は様々な周期で振動するが、ナノ物質での少数原子は規則的に振動することからも理解できる。

【0013】

ドレスト光子フォノンでは、コヒーレントフォノンが生成されるナノ物質にドレスト光子が局在している。ドレスト光子がナノ物質に局在することができるのは、前述したようにドレスト光子が運動量ｐの不確定性Δｐを有し、ドレスト光子の局在サイズがナノサイズになるからである。

【0014】

ドレスト光子を発生させるナノ物質は、例えば、物質のナノサイズの先端部であってもよいし、半導体材料中にドープされた不純物であってもよい。

【0015】

本開示では、ナノ物質に局在する近接場光の作用によって磁気光学効果を示す透過型偏光制御素子を説明する。

【0016】

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態における透過型偏光制御素子、光アイソレータ、偏光可変光源、および透過型偏光制御素子の製造方法を詳細に説明する。複数の図面に表れる同一符号の部分は同一または同等の部分を示す。

【0017】

さらに以下は、本開示の技術思想を具体化するために例示しているのであって、本開示を以下に限定しない。また、構成要素の寸法、材質、形状、その相対的配置などの記載は、本開示の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図している。各図面が示す部材の大きさや位置関係などは、理解を容易にするなどのために誇張している場合がある。

【0018】

（実施形態）
＜透過型偏光制御素子＞
まず、図１Ａおよび図１Ｂを参照して、本開示の実施形態における透過型偏光制御素子、および透過型偏光制御素子を備える偏光可変光源の基本的な構成例を説明する。以下の説明では、透過型偏光制御素子を、単に「偏光制御素子」と称する。

【0019】

図１Ａは、本開示の実施形態における偏光可変光源１００Ａの構成例を模式的に示す斜視図である。図１Ｂは、図１Ａに示す偏光制御素子１００の構成例を模式的に示すＸＺ平面における断面図である。添付の図面では、参考のために、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸が模式的に示されている。

【0020】

本実施形態における偏光可変光源１００Ａは、透過光の偏光方向を制御する偏光制御素子１００と、レーザ光を出射する半導体レーザ素子を含む光源６０とを備える。本実施形態における偏光制御素子１００は、第１面１０ｓ１およびその反対側の第２面１０ｓ２を有する半導体層１０と、第１面１０ｓ１上に設けられたループ状電極２０と、半導体層１０内で近接場光を形成する近接場光形成領域３０と、第２面１０ｓ２上に設けられ、開口４０ｏを備える導電部材４０と、を備える。

【0021】

第１面１０ｓ１および第２面１０ｓ２は、ＸＹ平面に対して平行である。ループ状電極２０は、ギャップ２０ｇを有するリング形状部分２０ｒを含む。ループ状電極２０に電流を流すために、ループ状電極２０の両端は、ワイヤ５２によって駆動回路５０と電気的に接続されている。平面状の白抜きの矢印は、光源６０から出射され、偏光制御素子１００に入射する直線偏光（ｌｉｎｅａｒｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌｉｇｈｔ）である光６２ｉ、および偏光制御素子１００を透過した直線偏光である光６２ｔが伝搬する方向を表している。典型的には、光６２ｉは、ループ状電極２０によって囲まれた領域を通過し、第１面１０ｓ１に対して垂直な方向（Ｚ軸の負方向）に入射し、光６２ｔは、第２面１０ｓ２からその面に対して垂直な方向に出射され、導電部材４０の開口４０ｏを通過する。図１Ａに示す例において、光６２ｉおよび光６２ｔの偏光方向は、光６２ｉおよび光６２ｔの伝搬方向に対して垂直な方向である。なお、光は第２面１０ｓ２に入射し、第１面１０ｓ１から出射されてもよい。

【0022】

半導体層１０は、ｐ型およびｎ型の一方の導電型を有する第１導電型領域１２、ｐ型およびｎ型の他方の導電型を有する第２導電型領域１４、ならびに第１導電型領域１２と第２導電型領域１４との間（界面）に位置するｐｎ接合１６を含む。ｐｎ接合１６は、第２面１０ｓ２よりも第１面１０ｓ１に近い側に位置する。ｐｎ接合１６は、ＸＹ平面に対して平行であり得る。

【0023】

半導体層１０は、非磁性材料であってよい。半導体層１０は、例えば、ＳｉＣなどの間接遷移型の半導体材料、またはＺｎＯなどの直接遷移型の半導体材料から形成され得る。これらの半導体材料は可視光領域で透明であり、透過型の偏光回転素子に適した材料である。ＳｉＣの場合、ｐ型の不純物として例えばアルミニウム（Ａｌ）またはホウ素（Ｂ）をドープすることによってｐ型領域が形成され、ｎ型の不純物として例えば窒素（Ｎ）またはリン（Ｐ）をドープすることによってｎ型領域が形成される。ＺｎＯの場合、ｐ型の不純物として例えば窒素（Ｎ）またはヒ素（Ａｓ）をドープすることによってｐ型領域が形成され、ｎ型の不純物として例えばアルミニウム（Ａｌ）またはガリウム（Ｇａ）をドープすることによってｎ型領域が形成される。

【0024】

半導体層１０のＸ方向およびＹ方向における辺の長さは、例えば１００μｍ以上５０００μｍ以下であり、半導体層１０のＺ方向における厚さは、例えば５０μｍ以上１００μｍ以下である。第１導電型領域１２のＺ方向における厚さは、例えば０．１μｍ以上３μｍ以下である。半導体層１０のサイズは、上記のサイズよりも大きくてもよい。半導体層１０のＸ方向およびＹ方向における辺の長さは、光６２ｉのビーム径よりも大きくなるように設計され得る。

【0025】

ループ状電極２０の両端のうち一方から他方に電流が流れると、ｐｎ接合１６をＺ方向に貫く磁場が形成される。ループ状電極を流れる電流が作る磁場の大きさは、ループ状電極からの距離に反比例する。したがって、ｐｎ接合１６が第２面１０ｓ２よりも第１面１０ｓ１に近ければ、ループ状電極２０とｐｎ接合１６との距離が近くなるので、ｐｎ接合１６の近傍にある近接場光形成領域３０に効率よく磁場を印加することができる。磁場を印加する理由については後述する。ループ状電極２０におけるギャップ２０ｇは磁場を形成しないので、ギャップ２０ｇの長さが短い方が磁場は強くなる。ループ状電極２０において、ギャップ２０ｇの長さは、リング形状部分２０ｒの長さの２５％以下であり得る。磁場の強さは、リング形状部分２０ｒの内径に反比例する。すなわち、リング形状部分２０ｒの内径が小さいほど、磁場は強くなる。リング形状部分２０ｒの内径は、５０μｍ以上３０００μｍ以下である。好ましくは、５０μｍ以上１５００μｍ以下である。

【0026】

ループ状電極２０は、例えば、非磁性金属から形成され得る。ループ状電極２０は、例えば非磁性金属層であるＣｒ層とＡｕ層とがＺ方向に積層した積層構造を有し得る。Ｃｒ層の厚さは、例えば８０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であり、Ａｕ層の厚さは、例えば４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。ループ状電極はさらにＰｔ層を設けてもよい。Ｐｔ層の厚さは、例えば８０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下である。非磁性金属から形成されたループ状電極２０は、ループ状電極の材料に起因する磁気光学効果を示さず、透過光の偏光方向を回転させることはない。したがって、本実施形態に係る透過型偏光制御素子では、ループ状電極を流れる電流により形成される磁場の大きさによって偏光の回転量が変化する。つまり、非磁性金属をループ状電極に用いれば、ループ状電極に流す電流を制御することで偏光の回転量を容易に制御することができる。なお、ループ状電極２０が透過光の偏光方向を回転させてもよいのであれば、ループ状電極２０は磁性金属から形成されていてもよい。

【0027】

近接場光形成領域３０は、製造方法の実施形態において詳細を後述するドレスト光子フォノン援用アニール（ｄｒｅｓｓｅｄ ｐｈｏｔｏｎ ｐｈｏｎｏｎ－ａｓｓｉｓｔｅｄ ａｎｎｅａｌｉｎｇ、以下「ＤＰＰアニール」と称する）により、第１導電型領域１２内に、ｐｎ接合１６に沿って形成される。ＤＰＰアニールは、ｐｎ接合１６に順方向電流を流すことで、ジュール熱によって第１導電型領域１２を加熱（アニール）しながら、半導体層１０を光で照射することによって行われる。

【0028】

近接場光形成領域３０およびそれ以外の領域を含む第１導電型領域１２には、第１導電型の不純物がドープされている。近接場光形成領域３０における第１導電型の不純物は、近接場光を形成するが、近接場光形成領域３０以外の領域における第１導電型の不純物は、近接場光を形成しない。近接場光を形成する第１導電型の不純物は、少数の原子から構成されるナノ物質であり、例えば２つの原子から形成されたドーパント対であり得る。ドーパント対のように少数の原子から構成されるナノ物質では、コヒーレントフォノンが安定的に存在し、近接場光が形成されやすい。近接場光形成領域３０では、複数のドーパント対が分布している。近接場光形成領域３０に特定の波長範囲の光が入射すると、近接場光が形成される。特定の波長範囲については後述する。本明細書では、近接場光を形成する第１導電型の不純物が分布する領域を、「近接場光形成領域３０」と称する。

【0029】

さらに、近接場光形成領域３０におけるドーパント対は、２つの原子にそれぞれ位置するスピンを入れ替えた場合にスピン関数が反対称になるスピン一重項と、スピン関数が対称になるスピン三重項とを有する。スピン一重項は１つのエネルギー状態を有し、スピン三重項はゼロ磁場において３つの縮退したエネルギー状態を有する。Ａｌのドーパント対のように、スピン三重項がスピン一重項よりもエネルギー的に安定なとき、スピン三重項の３つのエネルギー状態の１つにおける互いに平行な２つのスピンは、強磁性体と類似する特性を引き起こす。この原理により、近接場光形成領域３０では、強磁性体と類似する特性が現れる。近接場光形成領域３０に磁場を印加すると、複数のドーパント対におけるスピンは、磁場の方向に揃い、近接場光形成領域３０は磁化される。第１面１０ｓ１から第２面１０ｓ２へ向かう方向から見たとき、ループ状電極２０によって囲まれた領域は、近接場光形成領域３０と重複している。この配置関係により、ループ状電極２０によって囲まれた領域に入射する光６２ｉは、磁化された近接場光形成領域３０を通過することができ、磁気光学効果が得られる。

【0030】

導電部材４０は、近接場光形成領域３０を形成するためのＤＰＰアニールの際に用いられる。図１Ｂに示す導電部材４０における開口４０ｏの縁によって囲まれた領域は、ループ状電極２０が取り囲む領域直下の第２面１０ｓ２上の領域の少なくとも一部と重なる。開口４０ｏの縁によって囲まれた領域の内径は、例えば、５０μｍ以上３０００μｍ以下であり、好ましくは５０μｍ以上、１０００μｍ以下である。導電部材４０は、偏光制御素子１００の動作時に必要な構成要素ではないのでＤＰＰアニール後に除去してもよいが、導電部材４０の上記の配置関係から光の通過の妨げにならないので、除去せず残しておくことで製造工程を減らすことができる。

【0031】

導電部材４０は、ループ状電極２０と同様に、例えば、非磁性金属から形成され得る。導電部材４０は、例えば非磁性金属層であるＣｒ層とＰｔ層とＡｕ層とがＺ方向に積層した積層構造から形成され得る。Ｃｒ層の厚さは、例えば８０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であり、Ｐｔ層の厚さは、例えば８０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であり、Ａｕ層の厚さは、例えば４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。導電部材４０が非磁性金属から形成されるか磁性金属から形成されるかは、ループ状電極２０について説明した通りである。

【0032】

駆動回路５０は、ループ状電極２０に流れる電流の値および向きを変化させることにより、近接場光形成領域３０に印加される磁場の強さおよび向き（±Ｚ方向）を調整することができる。＋Ｚ方向とは、Ｚ方向を示す矢印と同じ方向であり、－Ｚ方向とは、Ｚ方向を示す矢印とは反対の方向である。

【0033】

光源６０は、直線偏光を出射するレーザ素子を含み得る。レーザ光の波長は、近接場光を形成する特定の波長範囲にあることが望ましい。特定の波長範囲は、ＤＰＰアニール時の照射光の波長の８０％以上１２０％以下の範囲である。半導体材料が間接遷移型のＳｉＣである場合、半導体レーザ素子から出射された光の波長は、例えば３６０ｎｍ以上６００ｎｍ以下であり、好ましくは、４００ｎｍ以上、６００ｎｍ以下である。半導体材料が直接遷移型のＺｎＯである場合、半導体レーザ素子から出射された光の波長は、例えば３００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であり、好ましくは３６０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下である。半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の波長が、半導体層１０を形成する半導体材料のエネルギーギャップに対応する波長よりも長ければ、半導体層１０での光吸収を低減することができる。

【0034】

半導体レーザ素子は、例えば、ｎ型クラッド層、活性層、およびｐ型クラッド層を含む積層構造を備える。ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とに電圧を印加して閾値以上の電流を流すことにより、半導体レーザ素子は、活性層の出射端面からレーザ光を出射する。半導体レーザ素子は、例えば、可視光領域のレーザ光、または赤外もしくは紫外のレーザ光を出射する。半導体レーザ素子に含まれる半導体に制限はない。半導体レーザ素子は、例えば、ＧａＡｓなどの砒化物半導体を含んでいてもよいし、ＧａＮなどの窒化物半導体を含んでいてもよい。

【0035】

半導体レーザ素子から発振したレーザ光である光６２ｉが磁化された近接場光形成領域３０へ入射すると、近接場光形成領域３０を通過する際に光６２ｉの偏光方向が回転し、第２導電型領域１４を通過して、光６２ｔとして外部に出射される。以上の過程により、透過光である光６２ｔの偏光方向は、入射光である光６２ｉの偏光方向と比較して回転する。

【0036】

以上のように、本実施形態によれば、半導体層に磁場を印加して可視光領域における透過光の偏光方向を回転させる透過型偏光制御素子が提供される。

【0037】

＜偏光制御素子１００の実施例＞
次に、図２Ａから図２Ｃを参照して、室温で偏光制御素子１００によって可視光領域における透過光の偏光方向が回転する実験結果を説明する。半導体層１０は、間接遷移型の非磁性半導体材料である４Ｈ－ＳｉＣから形成されている。第１導電型領域１２は「ｐ型領域１２」、第２導電型領域１４は「ｎ型領域１４」、第１導電型の不純物は「ｐ型の不純物」である。

【0038】

図２Ａは、実験系を模式的に示すブロック図である。半導体レーザ素子を含む光源６０から出射された波長４５０ｎｍのレーザ光が、偏光ビームスプリッタ６３を通過し、偏光制御素子１００に入射する。偏光ビームスプリッタ６３を通過した光の偏光方向はＸ方向に対して平行である。偏光制御素子１００を透過した光は、偏光子６４を通過し、レンズ６５によって集束され、光検出器６６によって検出される。偏光子６４の偏光方向はＹ方向に対して平行であり、偏光ビームスプリッタ６３を通過した光の偏光方向に直交している。

【0039】

図２Ｂは、偏光制御素子１００におけるループ状電極２０に流れる電流の値の時間変化と、光検出器６６によって検出された光量の時間変化との関係を示す実験結果である。破線は、ループ状電極２０に流れる電流の値を表し、実線は、検出光量に相当する電圧の値を表している。電圧はフォトダイオードを用いて観測した。ループ状電極２０に流れる電流の値は、図１Ａに示す駆動回路５０によって調整した。電流値がゼロのとき、検出光量もゼロであった。すなわち、図１Ａに示す透過光である光６２ｔの偏光方向は、入射光である光６２ｉの偏光方向に等しかった。電流値が増加すると、検出光量も電流値にしたがって増加し、電流値が減少すると、検出光量も電流値にしたがって減少した。すなわち、図１Ａに示す透過光である光６２ｔの偏光方向は、ループ状電極２０に流れる電流の値にしたがって回転した。電流値の周期的な変化とともに、検出光量も周期的に変化した。電流値の変化のタイミングと、検出光量の変化のタイミングはほぼ同じであった。磁束密度に対する偏光回転角θの変化率は大きく、５．４ｄｅｇ／ｍＴであった。図２Ｂに示す実験結果は、可視光領域における透過光の偏光回転角が偏光制御素子１００によって制御可能であることを示している。

【0040】

透過光である光６２ｔの偏光方向の回転の大きさは、入射光である光６２ｉの偏光方向と、半導体層１０を形成する４Ｈ－ＳｉＣの結晶方向とにも依存する。４Ｈ－ＳｉＣの結晶において、入射光である光６２ｉの偏光方向が逆格子空間のΓ－Ｍ方向に対して平行である場合、透過光である光６２ｔの偏光方向は最も大きく回転する。図２Ｂに示す実験結果がこの場合に相当する。入射光である光６２ｉの偏光方向がΓ－Ｍ方向に対して平行でない場合、透過光である光６２ｔの偏光方向の回転は小さくなる。このように面内方向において異方性が生じるのは、以下の理由が考えられる。間接遷移型の半導体材料である４Ｈ－ＳｉＣでは、エネルギーバンド構造において、価電子帯の最高エネルギーがΓ点に存在し、伝導帯の最低エネルギーがＭ点に存在する。運動量が一致しないΓ－Ｍ間でドレスト光子フォノンを生成させるために、近接場光形成領域３０では、複数のドーパント対が４Ｈ－ＳｉＣの結晶中の特定方向に沿って配列することで、面内方向において異方性が生じると考えられる。

【0041】

以上のように、本実施形態における偏光制御素子１００は、ループ状電極２０によって囲まれた領域および近接場光形成領域３０を通過する直線偏光の偏光方向を、ループ状電極２０に流れる電流に応じて回転させることができる。これにより、本実施形態における偏光可変光源１００Ａから出射される光６２ｔの偏光方向を変化させることができる。

【0042】

＜光アイソレータ＞
次に、図３Ａおよび図３Ｂを参照して、本実施形態における光アイソレータ、および光アイソレータを備える偏光可変光源の基本的な構成例を説明する。

【0043】

図３Ａは、本実施形態における偏光可変光源２００Ａから光６２ｔが出射される様子を模式的に示す図である。図３Ｂは、本実施形態における偏光可変光源２００Ａに、反射して戻ってきた光６２ｒが入射する様子を模式的に示す図である。本実施形態における偏光可変光源２００Ａは、反射され戻ってきた光を遮断する光アイソレータ２００と、半導体レーザ素子を含む光源６０とを備える。本実施形態における光アイソレータ２００は、偏光制御素子１００と、駆動回路５０と、偏光制御素子１００の光入射側に配置された第１偏光子７０ａと、偏光制御素子１００の光出射側に配置された第２偏光子７０ｂとを備える。

【0044】

駆動回路５０は、ループ状電極２０にワイヤ５２によって電気的に接続され、ループ状電極２０を流れる電流を変化させることによって磁場を変調する。具体的には、駆動回路５０は、偏光制御素子１００を透過した光の偏光方向が４５°回転するように、ループ状電極２０に電流を流す。

【0045】

第１偏光子７０ａおよび第２偏光子７０ｂの偏光方向は、４５°回転した配置関係にある。図３Ａおよび図３Ｂに示す例では、第１偏光子７０ａの偏光方向は、Ｘ方向に対して平行であり、第２偏光子７０ｂの偏光方向は、ＸＹ平面においてＸ軸の矢印の方向からＹ軸の矢印の方向に向けて４５°回転（以下、「ＸＹ平面を反時計回りに４５°回転」と称する）した方向に対して平行である。第１偏光子７０ａおよび第２偏光子７０ｂにおける縞模様に対して平行な方向が、偏光子の偏光方向に相当する。第１偏光子７０ａおよび第２偏光子７０ｂを、「一対の偏光子」と称することがある。

【0046】

図３Ａに示す例では、光源６０から出射された光６２ｉの偏光方向は、第１偏光子７０ａの偏光方向に等しい。したがって、光６２ｉは、第１偏光子７０ａを通過し、偏光制御素子１００に入射する。偏光制御素子１００を透過した光６２ｔの偏光方向は、光６２ｉの偏光方向と比較してＸＹ平面において反時計回りに４５°だけ回転し、第２偏光子７０ｂの偏光方向に等しくなる。したがって、光６２ｔは、第２偏光子７０ｂを通過することができる。

【0047】

図３Ｂに示す例では、反射されて戻ってきた光６２ｒの偏光方向は、第２偏光子７０ｂの偏光方向に等しい。したがって、光６２ｒは、第２偏光子７０ｂを通過し、偏光制御素子１００に入射する。偏光制御素子１００を透過した光６２ｒｔの偏光方向は、磁気光学効果の非相反性（ｎｏｎｒｅｃｉｐｒｏｃｉｔｙ）により、光６２ｒと比較してＸＹ平面において反時計回りにさらに４５°だけ回転し、第１偏光子７０ａの偏光方向に直交する。したがって、光６２ｒｔは、第１偏光子７０ａを通過することができなくなる。

【0048】

光源６０から出射された光が戻ってきて、光源６０に入射すると、光源６０の動作に悪影響を与える可能性がある。本実施形態における光アイソレータ２００は、戻り光による光源６０の動作の悪影響を低減することができる。

【0049】

本実施形態における偏光可変光源２００Ａでは、駆動回路５０によってループ状電極２０に流れる電流の値を変化させて偏光制御素子１００を透過する光の偏光回転角を調整することにより、第２偏光子７０ｂから出射される光の強度を調整することができる。偏光制御素子１００を透過する光の偏光回転角が０°の場合、第２偏光子７０ｂから出射される光の強度はゼロであり、偏光制御素子１００を透過する光の偏光回転角が４５°の場合、第２偏光子７０ｂから出射される光の強度は最大になる。

【0050】

半導体レーザ素子に注入する電流の値を変化させて半導体レーザ素子から出射される光の強度を調整すると、半導体レーザ素子の動作が不安定になることがある。これに対して、偏光可変光源２００Ａでは、光源６０の外部で出射光の強度を調整することができる。

【0051】

以上のように、本開示では、近接場光によって得られた磁気光学効果により、半導体層に磁場を印加して可視光領域における透過光の偏光方向を回転させることができる。

【0052】

＜ループ状電極の変形例＞
前述した例では、ループ状電極２０におけるリング形状部分２０ｒは１個のギャップ２０ｇを有しているが、２個以上のギャップを有していてもよい。

【0053】

図４Ａは、第１の変形例におけるループ状電極２１の構成例を模式的に示す図である。ループ状電極２１は、第１ギャップ２１ｇ１および第２ギャップ２１ｇ２を有するリング形状部分２１ｒを含む。リング形状部分２１ｒは、第１弓状部分２１ｒ１および第２弓状部分２１ｒ２を有し、第１弓状部分２１ｒ１および第２弓状部分２１ｒ２は、湾曲部分を外側にして対向している。第１ギャップ２１ｇ１および第２ギャップ２１ｇ２の各々は、第１弓状部分２１ｒ１と第２弓状部分２１ｒ２との隙間に相当する。前述したようにギャップの長さが短い方が、強い磁場が形成される。図４Ａに示す例では、第１ギャップ２１ｇ１の長さと第２ギャップ２１ｇ２の長さとの合計が、第１弓状部分２１ｒ１の円弧の長さと第２弓状部分２１ｒ２の円弧の長さとの合計の２５％以下である。第１弓状部分２１ｒ１および第２弓状部分２１ｒ２の各々の一端から他端に向けて、ＸＹ平面において時計回りの同じ方向に電流を流すことにより、ループ状電極２１によって囲まれた領域には、－Ｚ方向に磁場が発生する。また、ＸＹ平面において反時計周りに同じ方向の電流を流すことにより、ループ状電極２１によって囲まれた領域には＋Ｚ方向に磁場が発生する。

【0054】

前述した例以外に、ループ状電極は、１巻き以上の渦型導体またはコイル導体を有していてもよい。ループ状電極を流れる電流により形成される磁場の大きさは重ね合わせの原理によって大きくなる。したがって、複数の巻き数を有するループ状電極を用いれば、巻き数が１のループ状電極と比べて同じ電流値でより大きな磁場を印加できるようになる。言い換えると、巻き数が１の場合と２以上の場合とで同じ大きさの磁場を印加する場合は、巻き数が２以上の場合の方が必要となる電流値が小さくすることができる。これにより、ループ状電極を流れる電流により発生する熱の影響で偏光制御素子１００が劣化することを低減することができる。

【0055】

図４Ｂは、第２の変形例におけるループ状電極２２の構成例を模式的に示す図である。ループ状電極２２は、３巻きの渦型導体を有している。巻き数は任意であり、１巻き以上である。コイル導体の一端から他端に向けて電流を流すことにより、Ｚ方向から見てループ状電極２２の一番内側のリング形状部分によって囲まれた領域には、Ｚ方向に磁場が形成される。磁場は巻き数に比例して強くなる。

【0056】

図４Ｃは、第３の変形例におけるループ状電極２３の構成例を模式的に示す図である。ループ状電極２３は、３巻きのコイル導体を有している。巻き数は任意であり、１巻以上である。コイル導体は、例えば、各々がギャップを有する複数のリング形状部分２３ｒが、不図示の絶縁層を介してＺ方向に積層された構造を有し得る。隣接するリング形状部分２３ｒの端は、電流が複数のリング形状部分２３ｒに同じ方向に流れるように、導電部分２３ｃによって電気的に接続されている。コイル導体の一端から他端に向けて電流を流すことにより、Ｚ方向から見てループ状電極２３によって囲まれた領域には、Ｚ方向に磁場が形成される。磁場は巻き数に比例して強くなる。コイル導体の上記の一端は、一番下にあるリング形状部分２３ｒの両端のうち導電部分２３ｃが接続されていない方の端に相当し、コイル導体の上記の他端は一番上にあるリング形状部分２３ｒの両端のうち導電部分２３ｃが接続されていない方の端に相当する。

【0057】

図１Ａに示すループ状電極２０の代わりに、図４Ａから図４Ｃにそれぞれ示すループ状電極２１からループ状電極２３を用いても、同じ効果が得られる。

【0058】

（偏光制御素子の製造方法）
以下に、図５Ａから図５Ｄおよび図６Ａから図６Ｄを参照して、本開示の偏光制御素子の製造方法の実施形態を説明する。以下の実施形態は、半導体ウエハに複数の偏光制御素子を形成し、その半導体ウエハを個片化することによって１つの偏光制御素子を製造する製造方法も含む。

【0059】

図５Ａから図５Ｄは、本実施形態における偏光制御素子１００の製造方法を説明するための図である。

【0060】

最初の工程では、図５Ａに示すように、半導体層１０が準備される。半導体層１０はｐ型およびｎ型の一方の導電型を有する第１導電型領域１２と、ｐ型およびｎ型の他方の導電型を有する第２導電型領域１４と、第１導電型領域１２と第２導電型領域１４との間に位置するｐｎ接合１６と、を含んでいる。半導体層１０は、図５Ｂに示すように、半導体層１０の第１面１０ｓ１上に設けられた第１電極と、半導体層１０の第１面１０ｓ１の反対側の第２面１０ｓ２上に設けられた第２電極とを備えている。

【0061】

第１導電型領域１２はｐ型もしくはｎ型の不純物を有しており、また、第２導電領域１４は第１導電型領域１２の不純物とは異なる導電型の不純物を有している。第１導電型の不純物は、例えば、イオン注入により行うことができる。イオン注入を行う場合は、イオン注入を行った後に、半導体層１０の結晶構造を回復させるためにアニールを行ってもよい。アニールは所定の時間で1回行っても良いし、複数回行ってもよい。

【0062】

第１電極はループ状電極２０であり、第２電極は開口４０оを備える導電部材４０である。

【0063】

次の工程では、図５Ｃに示すように、第１電極および第２電極にワイヤ５２によって電源５４を電気的に接続し、第１電極から第２電極との間に順方向電流を流しながら、レーザ光を半導体層１０に照射することにより、近接場光を形成する第１導電型の不純物が分布する近接場光形成領域３０を設ける。ジュール熱によって第１導電型領域１２をアニールすると、不純物が拡散され、不純物の再分布が引き起こされる。レーザ光を半導体層に照射することで、不純物の位置にドレスト光子およびドレスト光子フォノンが生じる。

【0064】

ドレスト光子フォノンは、ドレスト光子と同様に運動量ｐの不確定性Δｐを有している。このため、価電子帯の最高エネルギーと伝導帯の最低エネルギーとでの運動量の不一致が問題にならず、間接遷移型の半導体材料であっても、順方向電流によって反転分布が生じたｐｎ接合１６の近傍において、光が誘導放出される。光の誘導放出によってドーパント対はエネルギーを失い、ドーパント対の熱拡散が収まる。その結果、ドーパント対は、照射光に応じた位置に自己組織的に分布する。この分布は不均一であるが、分布が均一であるか不均一であるかは近接場光の形成には関係がない。複数のドーパント対が分布した領域が、図１Ｂに示す近接場光形成領域３０に相当する。ＤＰＰアニール後では、前述した特定の波長範囲の光が近接場光形成領域３０に入射すると、順方向電流を流さなくても、近接場光が形成される。なお、ＤＰＰアニール後の間接遷移型の半導体材料であるＳｉＣに順方向電流を流すと、発光が生じる。このときに発せられる光は、ＤＰＰアニール時の照射光と同じ波長を含んでいる。

【0065】

次の工程では、図５Ｄに示すようにワイヤ５２および電源５４を除去して偏光制御素子１００が得られる。第２面１０ｓ２上に設けられた導電部材４０は、偏光制御素子１００の動作時には不要であるので除去してもよい。

【0066】

以下では、４Ｈ－ＳｉＣから形成された半導体層１０が４Ｈ－ＳｉＣである場合について説明する。

【0067】

半導体層１０は、例えば、以下のように形成される。１０ｍΩｃｍ以上１０００ｍΩｃｍ以下のｎ型４Ｈ－ＳｉＣ基板（０００１）上に厚さ１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下のｎ型ＳｉＣバッファー層が形成され、ｎ型ＳｉＣバッファー層上に厚さ１μｍ以上１０μｍ以下のｎ型ＳｉＣエピタキシャル層が形成される。ｎ型の不純物は窒素（Ｎ）である。ｎ型４Ｈ－ＳｉＣ基板（０００１）でのＮのドープ量は例えば１×１０^１６ｃｍ^－３以上２×１０^１９ｃｍ^－３以下であり、ｎ型ＳｉＣエピタキシャル層でのＮのドープ量は例えば１×１０^１５ｃｍ^－３以上１×１０^１６ｃｍ^－３以下である。ｎ型ＳｉＣエピタキシャル層の表面にｐ型の不純物としてＡｌイオンのイオン注入を行うことにより、ｎ型ＳｉＣエピタキシャル層の表面は、ｐ型ＳｉＣ層になる。ｐ型ＳｉＣ層でのＡｌのドープ量は、ｐｎ接合１６近傍において例えば１×１０^１８ｃｍ^－３以上２×１０^１９ｃｍ^－３以下である。イオン注入した後で結晶構造を回復させるために複数回アニールしてもよい。１回のアニール時間は、例えば、３分以上１５分以下である。好ましくは３分以上１０分以下である。

【0068】

本実施形態では、ｎ型４Ｈ－ＳｉＣ基板（０００１）のｃ軸は、Ｚ方向に対して平行であるが、Ｚ方向に対して平行でなくてもよい。ただし、ｃ軸がＺ方向に対して平行でない場合、複屈折の影響により、偏光制御素子１００をＺ方向に透過する光の偏光方向は、磁場を印加しなくても回転し得る。

【0069】

図５Ａに示すように、第２導電型領域１４は、第１サブ領域１４ａおよび、その上に位置する第２サブ領域１４ｂを含む。ｎ型４Ｈ－ＳｉＣ基板（０００１）およびｎ型ＳｉＣバッファー層は、第１サブ領域１４ａに相当し、ｎ型ＳｉＣエピタキシャル層は、第２サブ領域１４ｂに相当する。ｐ型ＳｉＣ層は、第１導電型領域１２に相当する。

【0070】

次の工程では、図５Ｂに示すように、ループ状電極２０が半導体層１０の第１面１０ｓ１上に設けられ、開口４０ｏを備える導電部材４０が半導体層１０の第２面１０ｓ２上に設けられる。図５Ｂでは、説明の便宜上、ループ状電極２０と、半導体層１０と、導電部材４０とが分離された状態で記載されている。ループ状電極２０によって囲まれた領域を通過し、第１面１０ｓ１に入射した光は、第２面１０ｓ２から出射され、導電部材４０における開口４０ｏを通過する。

【0071】

次の工程では、図５Ｃに示すように、ＤＰＰアニールが行われる。すなわち、ループ状電極２０および導電部材４０にワイヤ５２によって電源５４を電気的に接続し、ループ状電極２０と導電部材４０との間に順方向電流を流しながら、光源６０から出射されたレーザ光である光６２ｉが半導体層１０に照射される。ループ状電極２０と導電部材４０との間に、電流密度が１Ａ／ｃｍ^２以上３Ａ／ｃｍ^２以下である順方向電流を流してジュール熱によって第１導電型領域１２をアニールすると、ｐ型の不純物がｐｎ接合１６に沿って熱拡散し、ｐ型の不純物の再分布が引き起こされる。このアニールの際に第１導電型導領域１２を例えば波長３６５ｎｍ以上４５０ｎｍ以下およびパワー２０ｍＷ以上１００ｍＷ以下のレーザ光である６２ｉで３０分以上１２０分以下照射すると、ｐ型の不純物は、照射光に応じた複数のドーパント対（Ａｌドーパント対）を形成する。このドーパント対におけるコヒーレントフォノンと、照射光から変換されたドレスト光子とが相互作用してドレスト光子フォノンが生成される。

【0072】

次の工程では、図５Ｄに示すように、ワイヤ５２および電源５４を除去して偏光制御素子１００が得られる。第２面１０ｓ２上に設けられた導電部材４０は、偏光制御素子１００の動作時には不要であるので除去してもよい。

【0073】

次に、図６Ａから図６Ｄを参照して、本開示の偏光制御素子の他の製造方法を説明する。図６Ａから図６Ｄは、本実施形態における偏光制御素子１１０の製造方法を説明するための図である。

【0074】

まず、最初の工程では、半導体層１０と、半導体層１０の第１面１０ｓ１上に設けられた第１電極８０ａと、半導体層１０の第２面１０ｓ２上に設けられた第２電極８０ｂとが準備される。半導体層１０はｐ型およびｎ型の一方の導電型を有する第１導電型領域１２と、ｐ型およびｎ型の他方の導電型を有する第２導電型領域１４と、第１導電型領域１２と第２導電型領域との間に位置するｐｎ接合１６と、を含んでいる。また、第１電極８０ａは例えばＨ型の形状を有し、第２電極８０ｂは例えば平板形状を有し得る。第１電極８０ａの形状および第２電極８０ｂの形状は任意である。

【0075】

次の工程では、図６Ｂに示すように、ＤＰＰアニールが行われる。すなわち、第１電極８０ａおよび第２電極８０ｂにワイヤ５２によって電源５４を電気的に接続し、第１電極８０ａと第２電極８０ｂとの間に順方向電流を流しながら、光源６０から出射されたレーザ光である光６２ｉが半導体層１０に照射される。これにより、図１Ｂに示すように、第１導電型領域１２内に近接場光形成領域３０が形成される。レーザ光である光６２ｉは、半導体層１０の第１面１０ｓ１のうち、第１電極８０ａが設けられていない箇所から半導体層１０に入射することができる。なお、第１電極８０ａがＩＴＯなどの透明電極であれば、第１電極８０ａは第１面１０ｓ１全体を覆ってもよい。

【0076】

次の工程では、図６Ｃに示すように、第１電極８０ａおよび第２電極８０ｂが除去される。第２電極８０ｂが透明電極であれば、第２電極８０ｂは除去しなくてもよい。

【0077】

次の工程では、図６Ｄに示すように、半導体層１０の第１面１０ｓ１上にループ状電極２０を形成して偏光制御素子１１０が得られる。図６Ｄに示す偏光制御素子１１０では、図５Ｄに示す偏光制御素子１００とは異なり、導電部材４０が存在しない。

【0078】

図６Ａから図６Ｄを参照して説明した偏光制御素子１１０の製造方法では、ｎ型領域およびｐ型領域が形成された半導体ウエハの上面に、例えばメッシュ形状を有する第１電極８０ａを設け、下面に例えば平板形状を有する第２電極８０ｂを設けることにより、半導体ウエハのＤＰＰアニールを行うことができる。メッシュ形状を有する第１電極８０ａの一箇所と、平板形状を有する第２電極８０ｂの一箇所とにワイヤ５２によって電源５４を接続することにより、半導体ウエハ全体に順方向電流を流すことができる。ＤＰＰアニール時の照射光は、第１電極８０ａのメッシュ部分から半導体ウエハに入射する。

【0079】

半導体ウエハにＤＰＰアニールを行った後、第１電極８０ａおよび第２電極８０ｂを除去し、半導体ウエハの上面に複数のループ状電極２０をＸ方向およびＹ方向に沿って配列し、ダイシングなどの加工によって複数のループ状電極２０を備える半導体ウエハを個片化してもよい。これにより、偏光制御素子１１０を量産することができる。

【0080】

＜製造方法の実施例＞
図５Ａに示す半導体層１０は、以下のように形成された。２５ｍΩｃｍのｎ型４Ｈ－ＳｉＣ基板（０００１）上に厚さ５００ｎｍのｎ型ＳｉＣバッファー層が形成され、ｎ型ＳｉＣバッファー層上に厚さ１０μｍのｎ型ＳｉＣエピタキシャル層が形成された。ｎ型の不純物は窒素（Ｎ）であった。ｎ型４Ｈ－ＳｉＣ基板（０００１）でのＮのドープ量は１×１０^１８ｃｍ^－３であり、ｎ型ＳｉＣエピタキシャル層でのＮのドープ量は１×１０^１６ｃｍ^－３であった。ｎ型ＳｉＣエピタキシャル層の表面にｐ型の不純物としてＡｌのイオン注入を行うことにより、ｎ型ＳｉＣエピタキシャル層の表面は、ｐ型ＳｉＣ層になった。ｐ型ＳｉＣ層でのＡｌのドープ量は、ｐｎ接合１６近傍において例えば１×１０^１９ｃｍ^－３であった。Ａｌイオンを活性化するために、１８００℃で５分間のアニールを半導体層１０に２回行った。

【0081】

図５Ａに示す半導体層１０のＸ方向およびＹ方向における辺の長さは３０００μｍであり、Ｚ方向における厚さは７５μｍであった。

【0082】

図５Ｂに示すループ状電極２０は、厚さ３０ｎｍのＣｒ層、および厚さ７００ｎｍのＡｕ層の積層構造から形成された。ループ状電極２０のリング形状部分２０ｒの内径は１３００μｍであった。図５Ｂに示す導電部材４０は、厚さ３０ｎｍのＣｒ層、厚さ２００ｎｍのＰｔ層、および厚さ７００ｎｍのＡｕ層の積層構造から形成された。導電部材４０の開口４０оの縁によって囲まれた領域の内径は、２０００μｍであった。

【0083】

図５Ｃに示すＤＰＰアニールでは、電流密度２．２Ａ／ｃｍ^２の順方向電流を流して、第１導電型領域１２が、波長４０５ｎｍおよびパワー２０ｍＷのレーザ光である光６２ｉで４０分間照射された。

【0084】

以上の説明では、半導体層１０を４Ｈ－ＳｉＣとし、第１導電型領域１２を「ｐ型半導体層」、第２導電型領域１４を「ｎ型半導体層」として説明してきたが、適宜ドーパント種を選択することで第１導電型領域１２を「ｎ型半導体層」、第２導電型領域１４を「ｐ型半導体層」としてもよい。また、４Ｈ－ＳｉＣ以外の半導体材料を用い、適宜ドーパント種を選択することで第１導電型領域１２を「ｐ型半導体層」または「ｎ型半導体層」としてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0085】

本開示の透過型偏光制御素子、光アイソレータ、および偏光可変光源は、偏光制御が行われる任意の光デバイスに適用することができる。

【符号の説明】

【0086】

１０ 半導体層
１０ｓ１ 第１面
１０ｓ２ 第２面
１２ 第１導電型領域
１４ 第２導電型領域
１４ａ 第１サブ領域
１４ｂ 第２サブ領域
１６ ｐｎ接合
２０、２１、２２、２３ ループ状電極
２０ｇ ギャップ
２０ｒ リング形状部分
２１ｇ１ 第１ギャップ
２１ｇ２ 第２ギャップ
２１ｒ、２３ｒ リング形状部分
２１ｒ１ 第１弓状部分
２１ｒ２ 第２弓状部分
２３ｃ 導電部分
３０ 近接場光形成領域
４０ 導電部材
４０ｏ 開口
５０ 駆動回路
５２ ワイヤ
５４ 電源
６０ 光源
６２ｉ、６２ｔ、６２ｒ、６２ｒｔ 光
６３ 偏光ビームスプリッタ
６４ 偏光子
６５ レンズ
６６ 光検出器
７０ａ 第１偏光子
７０ｂ 第２偏光子
８０ａ 第１電極
８０ｂ 第２電極
１００、１１０ 偏光制御素子
１００Ａ、２００Ａ 偏光可変光源
２００ 光アイソレータ

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図7】