特許 7597239 ナノワイヤレーザおよびその製造方法

(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】2024-12-02

(45)【発行日】2024-12-10

(54)【発明の名称】ナノワイヤレーザおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/10 20210101AFI20241203BHJP

   H01S 5/11 20210101ALI20241203BHJP

   H01S 3/16 20060101ALI20241203BHJP

【ＦＩ】

H01S5/10

H01S5/11

H01S3/16

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2023552649

(86)(22)【出願日】2021-10-08

(86)【国際出願番号】 JP2021037314

(87)【国際公開番号】W WO2023058217

(87)【国際公開日】2023-04-13

【審査請求日】2024-02-27

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100153006

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 勇三

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(74)【代理人】

【識別番号】100121669

【弁理士】

【氏名又は名称】本山 泰

(72)【発明者】

【氏名】滝口 雅人

(72)【発明者】

【氏名】納富 雅也

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 智

(72)【発明者】

【氏名】章 国強

(72)【発明者】

【氏名】舘野 功太

(72)【発明者】

【氏名】角倉 久史

(72)【発明者】

【氏名】新家 昭彦

【審査官】村井 友和

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２１－００７１３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１１０１８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０３２７５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０１４８６８２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ５／１０

Ｈ０１Ｓ ５／１１

Ｈ０１Ｓ ３／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板の上に形成された、断面の形状が、長尺の方向が前記基板の平面に平行な方向とされた楕円とされたナノワイヤと、
共振器と
を備え、
前記共振器は、前記ナノワイヤの一端側および他端側の各々に、各々が離間して形成された１次元フォトニック結晶から構成されている
ことを特徴とするナノワイヤレーザ。

【請求項2】

基板の上に形成された、断面の形状が、長尺の方向が前記基板の平面に平行な方向とされた楕円とされたナノワイヤと、
共振器と
を備え、
前記共振器は、前記基板の上で、前記ナノワイヤに接して形成された金属層から構成されていることを特徴とするナノワイヤレーザ。

【請求項3】

請求項１または２記載のナノワイヤレーザにおいて、
前記ナノワイヤは、基底モードの縮退が解ける太さとされていることを特徴とするナノワイヤレーザ。

【請求項4】

基板の上に、断面が円形のナノワイヤを配置する配置工程と、
垂直異方性を有するドライエッチング法により、前記基板の平面に対して垂直な上方より、前記ナノワイヤをエッチング処理して、前記ナノワイヤの断面の形状を、長尺の方向が前記基板の平面に平行な方向とされた楕円とする加工工程と、
共振器を形成する共振器工程と
を備えるナノワイヤレーザの製造方法。

【請求項5】

請求項４記載のナノワイヤレーザの製造方法において、
前記共振器工程は、前記ナノワイヤの一端側および他端の側の各々に、各々離間させて１次元フォトニック結晶を形成する工程を含む
ことを特徴とするナノワイヤレーザの製造方法。

【請求項6】

請求項４記載のナノワイヤレーザの製造方法において、
前記共振器工程は、前記基板と前記ナノワイヤとの間の前記基板の表面に、金属層を形成する工程を含むことを特徴とするナノワイヤレーザの製造方法。

【請求項7】

請求項４～６のいずれか１項に記載のナノワイヤレーザの製造方法において、
前記加工工程は、前記ナノワイヤを、基底モードの縮退が解ける太さに形成する工程を含むことを特徴とするナノワイヤレーザの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ナノワイヤレーザおよびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、半導体ナノワイヤを用いた光学素子の研究が盛んに行われている。ナノワイヤは、半導体から構成され、径が数１０ｎｍ～数μｍで長さが数μｍの非常に小さな構造体である。ナノワイヤは、一度に大量に基板から成長させることが可能であり、条件次第ではシリコン基板上にも直接成長できる。このため、ナノワイヤは、将来の半導体素子だけでなく、量子情報デバイスや光電融合素子にも利用できる重要なナノ材料と考えられている（非特許文献１）。

【0003】

これまでナノワイヤは、トランジスタなどの電子デバイスやセンシング用途で研究されているが、ナノワイヤを構成する半導体の組成を変えれば、様々な波長帯で発光させることが可能であり、レーザとしても有望であると考えられている。

【0004】

ナノワイヤを用いたレーザは様々な波長帯で実証されてきた。特にシリコンに対して透明である通信波長帯ナノワイヤレーザはシリコン光回路に集積し動作させることができるので、将来の光電融合チップに利用できる光源として有望な候補になっている。この中で、シリコン光回路に集積してデバイスとして利用する場合、光導波路への結合が効率的に行えるＴＥ偏波を選択的に発振するナノワイヤレーザの実現が求められている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【文献】M. Notomi et al., "Nanowire photonics toward wide wavelength range and subwavelength confinement [Invited]", Optical Materials Express, vol. 10, no. 10, pp. 2560-2596, 2020.

【文献】M. Takiguchi et al., "Thermal effect of InP/InAs nanowire lasers integrated on different optical platforms", OSA Continuum, vol. 4, no. 6, pp. 1838-1845, 2021.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、これまでのナノワイヤレーザは、ＴＥ、ＴＭの両方で発振するマルチモードでの動作であり、光導波路への結合が効率的に行えないという問題があった。

【0007】

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＴＥ偏波を選択的に発振して光導波路への結合が効率的に行えるナノワイヤレーザの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係るナノワイヤレーザは、基板の上に形成された、断面の形状が、長尺の方向が基板の平面に平行な方向とされた楕円とされたナノワイヤと、共振器とを備える。

【0009】

また、本発明に係るナノワイヤレーザの製造方法は、基板の上に、断面が円形のナノワイヤを配置する配置工程と、垂直異方性を有するドライエッチング法により、基板の平面に対して垂直な上方より、ナノワイヤをエッチング処理して、ナノワイヤの断面の形状を、長尺の方向が基板の平面に平行な方向とされた楕円とする加工工程と、共振器を形成する共振器工程とを備える。

【発明の効果】

【0010】

以上説明したように、本発明によれば、断面形状が楕円のナノワイヤを用いるので、ＴＥ偏波を選択的に発振して光導波路への結合が効率的に行えるナノワイヤレーザが提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本発明の実施の形態１に係るナノワイヤレーザの構成を示す斜視図である。

【図2A】図２Ａは、本発明の実施の形態１に係るナノワイヤレーザの製造方法を説明するための途中工程のナノワイヤレーザの状態を示す斜視図である。

【図2B】図２Ｂは、本発明の実施の形態１に係るナノワイヤレーザの製造方法を説明するための途中工程のナノワイヤレーザの状態を示す斜視図である。

【図2C】図２Ｃは、本発明の実施の形態１に係るナノワイヤレーザの製造方法を説明するための途中工程のナノワイヤレーザの状態を示す斜視図である。

【図3】図３は、実施の形態１に係るナノワイヤレーザの１次元フォトニック結晶１０３ａ、１０３ｂによるフォトニック結晶構造の電磁界シミュレーションを示す分布図である。

【図4A】図４Ａは、実際に作製した実施の形態１に係るナノワイヤレーザの電子顕微鏡画像を示す写真である。

【図4B】図４Ｂは、実際に作製した実施の形態１に係るナノワイヤレーザの電子顕微鏡画像を示す写真である。

【図5A】図５Ａは、断面が円形のナノワイヤの直径の変化に対する実効屈折率（等価屈折率）の変化を示す特性図である。

【図5B】図５Ｂは、断面が楕円形のナノワイヤの短径の変化に対する実効屈折率（等価屈折率）の変化を示す特性図である。

【図6】図６は、ダメージ部分を除去するとともに楕円とするドライエッチング処理をする前後の、ナノワイヤレーザの発光強度の変化を示す特性図である。

【図7】図７は、本発明の実施の形態２に係るナノワイヤレーザの構成を示す斜視図である。

【図8A】図８Ａは、本発明の実施の形態２に係るナノワイヤレーザの製造方法を説明するための途中工程のナノワイヤレーザの状態を示す斜視図である。

【図8B】図８Ｂは、本発明の実施の形態２に係るナノワイヤレーザの製造方法を説明するための途中工程のナノワイヤレーザの状態を示す斜視図である。

【図9】図９は、ナノワイヤを金属基板の上に配置したナノワイヤレーザの基底モードの光閉じ込めを示す特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態に係るナノワイヤレーザについて説明する。

【0013】

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１に係るナノワイヤレーザについて、図１を参照して説明する。このナノワイヤレーザは、基板１０１の上に形成されたナノワイヤ１０２、および、ナノワイヤ１０２の一端側および他端側の各々に形成された１次元フォトニック結晶１０３ａ、１０３ｂから構成されている。

【0014】

この例において、基板１０１の上に、上面が平坦な凸部１０１ａが形成され、凸部１０１ａの上にナノワイヤ１０２が配置されている。凸部１０１ａの上面は、基板１０１の平面に平行に形成されている。また、凸部１０１ａは、上面からみて、ナノワイヤ１０２と略同じ面積とされている。ナノワイヤ１０２は、断面の形状が、長尺の方向が凸部１０１ａ（基板１０１）の平面に平行な方向とされた楕円とされている。また、ナノワイヤ１０２は、基底モードの縮退が解ける太さとされている。

【0015】

１次元フォトニック結晶１０３ａ、１０３ｂは、所定の間隔で直線状に周期的に設けられた格子要素１０４から構成されている。格子要素１０４は、ナノワイヤ１０２とは屈折率とされた部分であり、柱状（例えば円柱）の穴部である。このように構成された１次元フォトニック結晶１０３ａおよび１次元フォトニック結晶１０３ｂは、各々が離間して形成され、共振器を構成している。

【0016】

このナノワイヤレーザによれば、ナノワイヤ１０２に励起光を照射することで、レーザ発振を得ることができる。また、光励起ではなく、電流注入によりキャリアを注入することでレーザ発振させることができる。この場合、ナノワイヤ１０２に、活性層および活性層を挟む状態にｐ型領域，ｎ型領域を形成する。ｐ型領域，ｎ型領域に電流を注入することで、レーザ発振させることができる。

【0017】

次に、実施の形態１に係るナノワイヤレーザの製造方法について、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃを参照して説明する。

【0018】

まず、図２Ａに示すように、断面が円形で所定の径のナノワイヤ１２１を用意し、用意したナノワイヤ１２１を、基板１０１の上に配置（転写）する（配置工程）。次に、図１Ｂに示すように、ナノワイヤ１２１の表面に、酸化膜１２２を形成する。例えば、よく知られた原子層堆積（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ）装置を用いることで、ナノワイヤ１２１を被覆する状態に、酸化膜１２２が形成できる。また、このように酸化膜１２２を形成することで、基板１０１とナノワイヤ１２１との間の接着をよくするので、最終的に、後工程で基板１０１を洗浄する際に、ナノワイヤが吹き飛んでしまうのを防ぐことも期待できる。

【0019】

次に、図２Ｃに示すように、ナノワイヤ１２１の一端側および他端の側の各々に、各々離間させて１次元フォトニック結晶１０３ａ、１次元フォトニック結晶１０３ｂを形成し、共振器を形成する（共振器工程）。例えば、電子線描画法になどにより、格子要素１０４を形成する箇所の酸化膜１２２に開口を形成する。次いで、開口を形成した酸化膜１２２をマスクとし、ドライエッチング法によりナノワイヤ１２１をエッチング加工して格子要素１０４を形成することで、１次元フォトニック結晶１０３ａ、１次元フォトニック結晶１０３ｂを形成する。

【0020】

また、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いた加工により、格子要素１０４を形成することができる。ＦＩＢ加工によれば、上述した方法より、作製の難易度を下げることができる。ただし、ＦＩＢ加工では、観察におけるチャージアップの発生を抑制するために、酸化膜１２２の厚さは、厚くても１００ｎｍ程度とすることが望ましい。

【0021】

次に、垂直異方性を有するドライエッチング法により、基板１０１の平面に対して垂直な上方より、ナノワイヤ１２１をエッチング処理して、断面の形状を長尺の方向が基板１０１の平面に平行な方向とされた楕円のナノワイヤ１０２とする（加工工程）。この加工により、ナノワイヤ１２１の径の縦横比が変わり、断面楕円のナノワイヤ１０２が形成される。また、この加工により、ナノワイヤ１０２の周囲の基板１０１もエッチングされ、凸部１０１ａが形成され、凸部１０１ａの上にナノワイヤ１０２が配置された状態となる（図１参照）。

【0022】

前述したＦＩＢ加工は、非常に加工精度が高く任意の構造を形成可能であるが、加工に用いられるイオン（ＧａやＮｅイオンなど）が、ナノワイヤ１２１にダメージや、撃ち込まれたイオンが吸収媒体となり、発光特性を著しく劣化させてしまう場合がある。これに対し、上述した径の縦横比を変えるための垂直異方性を有するドライエッチングを実施することで、断面楕円とするとともに、ＦＩＢ加工で受けたダメージを取り除くことができる。

【0023】

上述した実施の形態１によれば、ナノワイヤ１０２は、断面の形状を楕円として異方向形状としたのでモードの選択性が向上し、ＴＥ偏波を選択的に発振させることが可能となる。また、ナノワイヤ１０２を、基底モードの縮退が解ける太さとすることで、シングルモードでＴＥ偏波を選択的に発振させることができる。

【0024】

また、１次元フォトニック結晶１０３ａ、１０３ｂによる共振器によれば、ナノワイヤの端面反射によるファブリーペロー共振器に比較して、より高い反射率を得ることができ、発振閾値を低くすることができる。このフォトニック結晶構造は、図３に示す電磁界シミュレーションが示すように、断面が楕円形状のナノワイヤ１０２に共振器をつくり、強く光を閉じ込めることを可能にする。端面反射は通常３０％程度であるが、フォトニック結晶構造とすることで、反射率は９０％以上にすることは可能である。なお、フォトニック結晶構造による反射率は、格子要素の数を多くすることや、１つ１つの格子要素の径の大きさを微調整することで制御できる。

【0025】

上述したように、高い反射率の共振器とした実施の形態１によれば、レーザ発振閾値を下げることができ、室温で連続発振が実現できる。これまでのナノワイヤレーザは、室温で連続発振の実現には至っていないが、この原因は、レーザ発振閾値が高いことにある。レーザ発振の閾値が高いと、利得の飽和や、熱による利得のブロードニングが影響し、連続発振ができず、パルス発振するものと考えられている（非特許文献２）。これに対し、実施の形態１では、共振器において高い反射率が得られるので、レーザ発振閾値を低くでき、この結果、室温における連続発振を可能としている。

【0026】

ＦＩＢを用いて実際に作製したナノワイヤレーザの電子顕微鏡画像を図４Ａに示す。ナノワイヤに周期的な空気穴が作製できている。また、基板面に対して垂直方向にドライエッチングで表層を削り取った後のナノワイヤを、斜め４５度方向から観測した電子顕微鏡画像を図４Ｂに示す。ナノワイヤの断面が楕円になっており、本発明の構造が作製可能であることを示している。

【0027】

例えば、通信波長帯の材料の場合は、直径が４００－５００ｎｍ程度のナノワイヤでは、図５Ａに示すように、光はシングルモード伝播する。なお、図５Ａにおいて、凡例の数字は、モード次数を示している。ここで、図５Ａでは、次数１のモードと次数２のモードとが重なって示されており、縮退していることが示されている。

【0028】

上述したようにＦＩＢで加工する場合、ナノワイヤの上面から数１００ｎｍ程度の深さまでは、ＦＩＢで打ち込まれたイオンによりダメージを受けている。このため、この部分を削ることが必要となる。従って、図２Ａを用いて説明した工程では、ターゲットの径よりも数１００ｎｍ太い径のナノワイヤ１２１を用意し、基板１０１の上に配置（転写）する。

【0029】

上述した太めのナノワイヤ１２１を、垂直異方性を有するドライエッチング法により、基板１０１の平面に対して垂直な上方よりエッチング処理して形成したナノワイヤ１０２は、全体的に径が細くなり、また、径の縦横比が変わる。初期に径が１μｍのナノワイヤ１２１を、上述したドライエッチング法により加工して得られるナノワイヤ１０２の導波モードを図５Ｂに示す。図５Ｂにおいて、横軸の直径（Diameter）は短径である。また、図５Ｂにおいても、凡例の数字は、モード次数を示している。

【0030】

図５Ｂでは、次数１のモード（基底モード）と次数２のモードとが分離し、この分離が、短径が小さくなるほど明瞭となり、次数１のモードと次数２のモードとの縮退が解けている（基底モードの縮退が解けている）ことがわかる。径が０．４μｍより小さくなると、シングルモードによる導波となり、縮退が解けている状態であれば、ＴＭモードを排除し、ＴＥモードを選択的に取り出すことができる。

【0031】

ＦＩＢで加工して１次元フォトニック結晶による共振器を形成したナノワイヤレーザについて、ダメージ部分を除去するとともに楕円とするドライエッチング処理をする前後の、発光強度の変化を図６に示す。図６において、（ａ）は、上述したドライエッチング処理をする前の発光強度を示し、（ｂ）は、上述したドライエッチング処理をした後の発光強度を示す。図６に示されているように、ダメージ部分を除去することで、発光強度が改善している。

【0032】

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係るナノワイヤ１０２レーザについて、図７を参照して説明する。このナノワイヤレーザは、基板１０１の上に形成されたナノワイヤ１０２と、金属層１０５とから構成されている。金属層１０５は、基板１０１の上で、ナノワイヤ１０２に接して形成されている。

【0033】

この例において、基板１０１の上に、上面が平坦な凸部１０１ａが形成され、凸部１０１ａの上面に金属層１０５が形成されている。また、金属層１０５の上に接してナノワイヤ１０２が配置されている。凸部１０１ａの上面は、基板１０１の平面に平行に形成されている。また、凸部１０１ａおよび金属層１０５は、上面からみて、ナノワイヤ１０２と略同じ面積とされている。ナノワイヤ１０２は、断面の形状が、長尺の方向が凸部１０１ａ（基板１０１）の平面に平行な方向とされた楕円とされている。また、ナノワイヤ１０２は、基底モードの縮退が解ける太さとされている。

【0034】

実施の形態２では、ナノワイヤ１０２と、ナノワイヤ１０２に接して形成されている金属層１０５とにより、共振器が構成されている。金属層１０５のナノワイヤ１０２と接している箇所には、プラズモニック導波路が形成される。

【0035】

ナノワイヤ１０２に接している箇所の金属層１０５においては、ナノワイヤ１０２よりみ出している光が、金属層１０５の表面に表面プラズモンポラリトンを誘起する。表面プラズモンポラリトンは、自由電子を持つ金属層１０５の表面に誘起される表面プラズモンと金属層１０５に照射された光がカップリングした素励起の一種である。このようにして誘起された表面プラズモンポラリトンが、上述したプラズモニック導波路を導波する。

【0036】

実施の形態２においては、上述したプラズモニック導波路を構成しているナノワイヤ１０２の端面反射により、ファブリーペロー共振器が構成される。この構成によれば、プラズモニック導波路構造としているため、通常のナノワイヤの端面反射に比較し、プラズモンの光閉じ込めの効果により高い光閉じ込め効果が得られる。これに加え、実施の形態２では、ナノワイヤ１０２の断面形状を楕円としているので、さらに高い光閉じ込め効果が得られるものとなる。この結果、実施の形態２によれば、発振閾値をより低くすることができる。

【0037】

次に、実施の形態２に係るナノワイヤレーザの製造方法について、図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃを参照して説明する。

【0038】

まず、図８Ａに示すように、基板１０１の上に、金属層１０５を形成する。例えば、よく知られた蒸着法により金（Ａｕ）を堆積することで、基板１０１の上に、Ａｕからなる金属層１０５を形成することができる。次に、図８Ｂに示すように、断面が円形で所定の径（例えば直径１μｍ）のナノワイヤ１２１を用意し、用意したナノワイヤ１２１を、金属層１０５が形成されている基板１０１の上に配置（転写）する（配置工程）。

【0039】

次に、垂直異方性を有するドライエッチング法により、基板１０１の平面に対して垂直な上方より、ナノワイヤ１２１をエッチング処理して、断面の形状を長尺の方向が基板１０１の平面に平行な方向とされた楕円のナノワイヤ１０２とする（加工工程）。この加工により、ナノワイヤ１２１の径の縦横比が変わり、断面楕円のナノワイヤ１０２が形成される。この加工において、例えば、ナノワイヤ１０２の短尺の長さを、０．４μｍにすることができる。また、この加工により、ナノワイヤ１０２の周囲の金属層１０５および基板１０１もエッチングされ、凸部１０１ａが形成され、凸部１０１ａの上に、金属層１０５を介してナノワイヤ１０２が配置された状態となる（図７参照）。

【0040】

上述した実施の形態２おいても、ナノワイヤ１０２は、断面の形状を楕円として異方向形状としたのでモードの選択性が向上し、ＴＥ偏波を選択的に発振させることが可能となる。また、ナノワイヤ１０２を、基底モードの縮退が解ける太さとすることで、シングルモードでＴＥ偏波を選択的に発振させることができる。

【0041】

直径１μｍのナノワイヤを上述した製造方法により加工して得られた断面楕円のナノワイヤを金属基板に配置したナノワイヤレーザと、直径１μｍの断面円形のナノワイヤを金属基板の上に配置したナノワイヤレーザの、基底モードの光閉じ込めについて図９に示す。断面楕円のナノワイヤによるナノワイヤレーザの、基底モードの光閉じ込めは、図９の黒丸で示されている。断面円形のナノワイヤによるナノワイヤレーザの、基底モードの光閉じ込めは、図９の黒四角で示されている。図９に示されているように、断面楕円のナノワイヤを金属基板に配置したナノワイヤレーザの方が、高い光閉じ込めが得られている。

【0042】

以上に説明したように、本発明によれば、断面形状が楕円のナノワイヤを用いるので、ＴＥ偏波を選択的に発振して光導波路への結合が効率的に行えるナノワイヤレーザが提供できるようになる。

【0043】

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

【符号の説明】

【0044】

１０１…基板、１０１ａ…凸部、１０２…ナノワイヤ、１０３ａ，１０３ｂ…１次元フォトニック結晶、１０４…格子要素。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9】