半導体マッハツェンダー光変調器及びその製造方法、半導体光集積素子及びその製造方法
【課題】それぞれの位相変調領域が電気的に分離され、かつ高い光透過率を有する半導体マッハツェンダー光変調器及びその製造方法並びに半導体光集積素子及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明は、基板１１上にコア層１３と上部クラッド層１５とが積層されている。その上には、光導波路１ａ及び１ｂ、ＭＭＩ分波器２ａ、ＭＭＩ合波器２ｂを備える。光導波路１ａ及び１ｂには位相変調領域が設けられている。ＭＭＩ分波器２ａから出射された光は、光導波路１ａ及び１ｂで位相変調され、ＭＭＩ合波器２ｂへ出射する。また、光導波路１ａ及び１ｂの両側にコア層１３を貫通して形成された２本のトレンチ５に挟まれたメサ部１９が形成されている。なお、光導波路１ａ及び１ｂは、位相変調領域とＭＭＩ分波器２ａ及び位相変調領域とＭＭＩ合波器２ｂとの間で長さＬｇａｐの分離溝Ｇａｐで分離されている。
【解決手段】本発明は、基板１１上にコア層１３と上部クラッド層１５とが積層されている。その上には、光導波路１ａ及び１ｂ、ＭＭＩ分波器２ａ、ＭＭＩ合波器２ｂを備える。光導波路１ａ及び１ｂには位相変調領域が設けられている。ＭＭＩ分波器２ａから出射された光は、光導波路１ａ及び１ｂで位相変調され、ＭＭＩ合波器２ｂへ出射する。また、光導波路１ａ及び１ｂの両側にコア層１３を貫通して形成された２本のトレンチ５に挟まれたメサ部１９が形成されている。なお、光導波路１ａ及び１ｂは、位相変調領域とＭＭＩ分波器２ａ及び位相変調領域とＭＭＩ合波器２ｂとの間で長さＬｇａｐの分離溝Ｇａｐで分離されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路を有する半導体マッハツェンダー光変調器及び半導体光集積素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ、光増幅器、光変調器、光検出器及び光導波路等の、機能が異なる領域をモノリシック集積することによる、半導体光集積素子の小型化、低価格化が期待されている。例えば、光変調器と光源をモノリシック集積した半導体光集積素子では、ハイメサ導波路構造、ＢＨ（Ｂｕｒｉｅｄ Ｈｅｔｅｒｏ）構造及びリッジ導波路構造など、それぞれの領域において最適な導波路構造を採用することが望ましい。
【０００３】
しかし、半導体光集積素子を作製する観点からは、素子内における導波路構造を統一して、一括形成することが望ましい。また、高温特性や変調屈折率特性の優位性から、コア層をＡｌＧａＩｎＡｓやＡｌＩｎＡｓなどの、Ａｌを含む組成とする場合が増えている。ところが、ハイメサ導波路構造やＢＨ構造では、その製造過程においてＡｌを含むコア層が露出する。そのため、酸化の影響や、当該コア層を半導体結晶で埋め込む際の前処理などに注意を払う必要がある。一方、リッジ導波路構造は、Ａｌを含むコア層が露出しないので、コア層が酸化する懸念が無い。さらに、ハイメサ導波路構造と同様に、結晶成長の回数が少なく、製作工程を簡素化できる。従って、このような半導体光集積素子においては、リッジ導波路構造を一括形成することが望ましい。
【０００４】
また、上述の半導体光集積素子を高速動作させるため、マッハツェンダー（以下ＭＺ：Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）光変調器を適用することが考えられる。ＭＺ光変調器は、２つの位相変調領域を個別に電界駆動させなければならない。そのため、それぞれの位相変調領域を電気的に分離する必要がある。このような電気的分離の方法として、光導波路の合分波領域における上部クラッド層を高抵抗層に置き換える、または、光導波路に分離溝を形成して、空間的に分離する（特許文献１乃至３）といった手法が取られている。
【０００５】
しかし、前者は、上部クラッド層のエッチングと、半導体結晶を再成長させる工数が新たに必要となる。さらに、半導体結晶を再成長させた接合面の凹凸により、その後の光導波路形成において不具合が生じる恐れも少なくない。
【０００６】
一方、後者も、新たな工数が必要であるとともに、分離溝をコア層まで貫通させる場合には、コア層が酸化される懸念が生じる。これを防止するため、コア層を保護する酸化膜または窒化膜の形成や、ポリイミドなどの熱硬化樹脂の充填などが必要となり、工数が増加する。また、光導波路に分離溝を設けた場合には、光導波路が分離された部分において結合損失が生じ、導波される光結合効率が低下する。
【０００７】
上記の問題を解決する構造として、特許文献１には、コア層を形成した後に、クラッド層を選択成長することで光導波路と分離溝を同時に形成し、２つの位相変調器領域を電気的に分離する構造が提案されている。図８Ａは、特許文献１に記載された半導体ＭＺ光変調器の、光の出射側から見た場合の選択成長後における断面構造を示す断面図である。この半導体ＭＺ光変調器は、図８Ａに示すように、ｎ型ＩｎＰの（１００）面を主面とする基板３１上に、ｎ型ＩｎＰからなるクラッド層３２、真性型ＩｎＧａＡｓＰからなるコア層３３及び真性型ＩｎＰからなるクラッド層３４が順に積層されている。クラッド層３４の上には、リッジ構造導波路を成長させる部分が開口した、誘電体マスク３７が形成されている。誘電体マスク３７の開口部には、選択成長法により成長された、リッジ構造導波路を構成する、ｐ型ＩｎＰからなるクラッド層３５及びｐ型ＩｎＧａＡｓからなるキャップ層３６が形成されている。
【０００８】
また、図８Ｂは、図８Ａに示すVIIＢ−VIIＢ線断面図である。この半導体ＭＺ光変調器は、図８Ａと同様に、基板３１上に、クラッド層３２、コア層３３、クラッド層３４が順に積層されている。クラッド層３４の上には、分離溝３８を形成する部分に誘電体マスク３７が形成されている。また、誘電体マスク３７が形成されていない部分には、選択成長法により、リッジ構造導波路を構成する、クラッド層３５及びキャップ層３６が形成されている。
【０００９】
また、特許文献３には、素子端面の近傍における光導波路をテーパ形状とすることで、光ファイバとの結合損失を低減する構造が開示されている。さらに、特許文献４では、テーパ形状の光導波路間に、光導波路と所定の角度をなす溝を設ける構造が開示されている。
【００１０】
特許文献５では、リッジ型導波路構造を有する半導体光デバイスにおいて、光導波路の両側の半導体層に溝を形成する導電素子構造を採用し、半導体光デバイスの高速動作性を向上させる構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平９−０２１９８５号公報
【特許文献２】特開平９−１０５８９３号公報
【特許文献３】特開２００１−４２１４９号公報
【特許文献４】特開平７−２０３５９号公報
【特許文献５】特開２００３−６９１５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところが、特許文献１のように、選択成長法により分離溝を形成する場合には、分離溝の端面が傾斜してしまう、分離溝の長さを十分に小さく形成することができないなどの問題が生じる。また、端面が垂直に形成されない。従って、導波される光の透過率はさらに低下する。
【００１３】
また、特許文献３において光導波路に設けられたテーパ部は、素子端面近傍の光のモードプロファイルを拡大するものであり、かつ分離溝は設けられていない。特許文献４は、光導波路間に設けられたコア層を貫通する溝で端面反射を抑制できるが、Ａｌを含むコア層を用いた場合には端面が酸化されてしまう。
【００１４】
すなわち、既存の構造及び製造方法により、光導波路に分離溝を設けて位相変調領域同士を電気的に分離すると、光結合効率が低下することは避けられない。
【００１５】
本発明は、光導波路に分離溝を設けて位相変調領域同士を電気的に分離し、かつ高い光透過率を有する半導体ＭＺ光変調器及びその製造方法ならびに半導体光集積素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一態様である半導体マッハツェンダー光変調器は、半導体基板と、前記半導体基板上に積層されたコア層及びクラッド層を含む半導体積層体と、前記半導体積層体上に形成された、外部から入射する入射光を分波する分波器と、前記分波器から出射された光の位相を変調する位相変調領域が設けられた第１及び第２の光導波路と、前記第１及び前記第２の光導波路から出射された光を合波する合波器と、前記コア層を貫通して前記第１及び前記第２の光導波路の両側に形成された２本のトレンチに挟まれたメサ部とを少なくとも備え、前記第１及び前記第２の光導波路は、前記位相変調領域と前記分波器との間、及び、前記位相変調領域と前記合波器との間で、所定の長さの分離溝で分離されているものである。
【００１７】
本発明の一態様である半導体マッハツェンダー光変調器の製造方法は、半導体基板上にコア層及びクラッド層を積層して半導体積層体を形成する工程と、外部から入射する入射光を分波する分波器と、前記分波器から出射された光の位相を変調する位相変調領域が設けられた第１及び第２の光導波路と、前記第１及び前記第２の光導波路から出射された光を合波する合波器とを前記半導体積層体上に形成する工程と、前記第１及び前記第２の光導波路の両側に、前記コア層を貫通する２本トレンチに挟まれたメサ部を形成する工程とを少なくとも備え、前記第１及び前記第２の光導波路は、前記位相変調領域と前記分波器との間、及び、前記位相変調領域と前記合波器との間で、所定の長さの分離溝で分離されている。
【００１８】
本発明の一態様である半導体光集積素子の製造方法は、半導体基板上の半導体レーザを形成する領域に回折格子を形成する工程と、前記半導体基板上及び前記回折格子上に活性層を積層する工程と、半導体マッハツェンダー光変調器を形成する領域の前記活性層をエッチングして除去する工程と、前記半導体基板上の前記半導体マッハツェンダー光変調器を形成する領域に前記活性層とバットジョイント接合させてコア層を積層する工程と、前記活性層及び前記コア層上にクラッド層を積層する工程と、外部から入射する入射光を分波する分波器と、前記分波器から出射された光の位相を変調する位相変調領域が設けられた第１及び第２の光導波路と、前記第１及び前記第２の光導波路から出射された光を合波する合波器とを前記クラッド層上の前記半導体マッハツェンダー光変調器を形成する領域に形成する工程と、前記第１及び前記第２の光導波路の両側に、前記コア層を貫通する２本トレンチに挟まれたメサ部を形成する工程とを少なくとも備え、前記第１及び前記第２の光導波路は、前記位相変調領域と前記分波器との間、及び、前記位相変調領域と前記合波器との間で、所定の長さの分離溝で分離されている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、それぞれの位相変調領域が電気的に分離され、かつ高い光透過率を有する半導体マッハツェンダー光変調器及びその製造方法並びに半導体光集積素子及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施の形態１にかかる半導体ＭＺ光変調器の構成を示す上面図である。
【図２】実施の形態１にかかる半導体ＭＺ光変調器の断面構成を示す斜視図である。
【図３Ａ】実施の形態１にかかる半導体ＭＺ光変調器の製造工程を示す斜視図である。
【図３Ｂ】実施の形態１にかかる半導体ＭＺ光変調器の製造工程を示す斜視図である。
【図３Ｃ】実施の形態１にかかる半導体ＭＺ光変調器の製造工程を示す斜視図である。
【図３Ｄ】実施の形態１にかかる半導体ＭＺ光変調器の製造工程を示す斜視図である。
【図３Ｅ】実施の形態１にかかる半導体ＭＺ光変調器の製造工程を示す斜視図である。
【図４Ａ】テーパ部を形成した光導波路における光の透過率を表す等高線図である。
【図４Ｂ】テーパ部を形成した光導波路における光の透過率を表す等高線図である。
【図５】実施の形態２にかかる半導体光集積素子の構成を示す上面図である。
【図６】実施の形態２にかかる半導体光集積素子の断面を模式的に示す断面図である。
【図７Ａ】実施の形態２にかかる半導体光集積素子の製造工程を示す断面図である。
【図７Ｂ】実施の形態２にかかる半導体光集積素子の製造工程を示す断面図である。
【図７Ｃ】実施の形態２にかかる半導体光集積素子の製造工程を示す断面図である。
【図７Ｄ】実施の形態２にかかる半導体光集積素子の製造工程を示す断面図である。
【図８Ａ】特許文献１にかかる半導体ＭＺ光変調器の製造工程を示す断面図である。
【図８Ｂ】特許文献１にかかる半導体ＭＺ光変調器の製造工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。尚、以下では、同様な構成要素には同様の符号を記し、適宜説明を省略する。
実施の形態１
実施の形態１にかかる半導体ＭＺ光変調器の構成について説明する。図１は、実施の形態１にかかる半導体ＭＺ光変調器の上面図である。この半導体ＭＺ光変調器は、図１に示すように、光導波路１ａ及び１ｂが設けられている。光導波路１ａ及び１ｂの一端には、ＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄe Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）分波器２ａが光学的に接続されている。もう一方の一端には、ＭＭＩ合波器２ｂが光学的に接続されている。また、光導波路１ａ及び２ａには、電界により光の位相を回転させる位相変調領域が設けられている。光導波路１ａ及び２ａは、位相変調領域の両端にて分離溝Ｇａｐにより、分離されている。
【００２２】
ＭＭＩ分波器２ａには、入射光を導波させる入射光導波路３が光学的に接続されている。ＭＭＩ合波器２ｂには、出射光を導波させる出射光導波路４が光学的に接続されている。
【００２３】
さらに、光導波路１ａ及び１ｂの両側には、トレンチ５が設けられている。なおトレンチ５は、図１に示すように、光導波路１ａ及び１ｂのみならず、入射光導波路３、出射光導波路４、ＭＭＩ分波器２ａ及びＭＭＩ合波器２ｂの両側に設けられてもよい。
【００２４】
次に、この半導体ＭＺ光変調器の光導波路１ａ及び１ｂの分離溝Ｇａｐ近傍における断面構造について、光導波路１ａを例として説明する。図２は、この半導体ＭＺ光変調器の光導波路１ａの分離溝Ｇａｐ付近における断面構成を示す斜視図である。図２に示すように、この半導体ＭＺ光変調器は、例えば、ｎ型ＩｎＰの（１００面）を主面とする基板１１上に、例えば、ｎ型ＩｎＰからなるバッファ層１２（例えば、厚さ０．２μｍ、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３）、ＡｌＧａＩｎＡｓからなる量子井戸構造を有するコア層１３（例えば、厚さ０．３μｍ、発光波長１．４μｍ）、ＩｎＧａＡｓＰからなるエッチングストップ層１４（例えば、厚さ０．０２μｍ、発光波長１．１５μｍ）、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層１５（例えば、厚さ１．５μｍ、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３）が形成されている。
【００２５】
上部クラッド層１５には、分離溝Ｇａｐにより分離された、リッジ構造を有する光導波路１ａが形成されている。また、光導波路１ａには、分離溝Ｇａｐに向かってその幅が連続的に細くなるテーパ部が設けられている。なお、ここで、分離溝Ｇａｐの長さをＬｇａｐ、テーパ部の長さをＬｔａｐｅｒ、光導波路１ａの幅をＷｒｉｂ、テーパ部先端における光導波路１ａの幅をＷｔａｐｅｒとする。
【００２６】
また、光導波路１ａの両側には、エッチングストップ層１４とコア層１３を貫通して、バッファ層１２に達するトレンチ５が形成されている。また、２本のトレンチ５に挟まれた部分は、メサ部１９となる。メサ部１９に含まれるコア層１３の幅をＷｍｅｓａとして、本構成では、例えば、Ｗｍｅｓａ＝６μｍである。
【００２７】
次に、この半導体ＭＺ光変調器の製造方法について説明する。図３Ａ〜Ｅは、この半導体ＭＺ光変調器の製造工程を示す、分離溝Ｇａｐ付近における斜視図である。まず、図３Ａに示すように、基板１１上に、例えば、ＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法により、バッファ層１２、コア層１３、エッチングストップ層１４、上部クラッド層１５を順に積層する。
【００２８】
次に、図３Ｂに示すように、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法とフォトリソグラフィにより、ＳｉＯ２からなるマスク１６を形成する。マスク１６は、分離溝Ｇａｐ部において１μｍ程度の狭い幅で開口している。また、分離溝Ｇａｐ近傍における形状は、分離溝Ｇａｐに近づくに従って幅が細くなるテーパ形状とする。
【００２９】
次に、図３Ｃに示すように、ドライエッチングにより、エッチングストップ層１４の近傍まで、かつ、エッチングストップ層１４が露出しない程度に、上部クラッド層１５を深さ方向に異方性エッチングする。
【００３０】
続いて、図３Ｄに示すように、例えば、塩酸を含むエッチング液を用いたウェットエッチングにより、残存している上部クラッド層１５を選択的にエッチングする。
【００３１】
次に、マスク１６を除去して、図３Ｅに示すように、ＣＶＤ法とフォトリソグラフィにより、例えばＳｉＯ２からなるマスク１７を形成する。このマスク１７には、トレンチ５を形成する部分に開口１８を設ける。
【００３２】
次いで、例えばウェットエッチングにより、トレンチ５を形成する。その後、マスク１７を除去して、図２に示す半導体ＭＺ光変調器を作製することができる。
【００３３】
本構成によれば、光導波路１ａ及び１ｂにはそれぞれ分離溝Ｇａｐが形成されているので、光導波路１ａ及び１ｂは電気的に分離される。よって、位相変調領域において、それぞれの光導波路に個別の電界をかけて、位相変調を行うことが可能である。
【００３４】
ところが、光導波路に分離溝を設けると、一般に光透過率は低下する。そのため、本構成では、光導波路１ａ及び１ｂの分離溝Ｇａｐ近傍にテーパ部を設けることで、光透過率の低下を抑制している。
【００３５】
光導波路にテーパ部を設けることによる効果を見積もるため、本構成にかかる半導体ＭＺ光変調器において、ＢＰＭ（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）解析により、Ｗｔａｐｅｒ、Ｌｔａｐｅｒ及びＬｇａｐを変化させた場合の、波長１．５５μｍの光に対する光透過率の分布をシミュレーションした。図４Ａは、Ｌｇａｐ＝１．５μｍとして、ＷｔａｐｅｒとＬｔａｐｅｒを変化させた場合の光透過率を示す等高線図である。また、図４Ｂは、Ｌｔｅｐｅｒ＝２５μｍとして、ＷｔａｐｅｒとＬｇａｐを変化させた場合の光透過率を示す等高線図である。
【００３６】
図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、基本的にはＬｇａｐとＷｔａｐｅｒをともに小さくすることで光透過率の低下を抑制できることがわかる。例えば、図４（ｂ）に示すように、Ｗｔａｐｅｒ＝０．８μｍ、Ｌｔａｐｅｒ＝２５μｍ、Ｌｇａｐ＝０．２μｍの場合では、光透過率を９５％程度とすることができる。
【００３７】
なお、上述のシミュレーションは、光導波路の幅が直線的に変化するテーパ形状の場合について行ったものであるが、例えば、関数曲線的に変化してもその傾向は大きく異なるものではない。
【００３８】
なお、電気的分離の効果を向上させるならば、分離溝Ｇａｐをコア層まで貫通させることが望ましい。しかし、この場合には、分離溝形状や端面の平滑性により光結合効率が大きく変動するという問題が生じる。さらに、Ａｌを含むコア層を用いる場合には、当該コア層が露出して酸化されることを防止するために、酸化膜、窒化膜及びポリイミドなどの熱硬化樹脂層で保護することが必要となり、工数の増大を招く。よって、本構成では、電気的分離効果と光結合効率の確保の両立を考慮して、上部クラッド層１５に分離溝Ｇａｐを設ける構造としている。
【００３９】
なお、ハイメサ導波路構造において、分離溝近傍における導波路をテーパ形状とすると、コア層から光が放射して光透過率は大きく低下し、かえって損失を増加させてしまう。よって、光導波路にテーパ部を設けることは、コア層が分断せずに上部クラッド層のみが分離するリッジ導波路構造において有効である。
【００４０】
また、本構成によれば、２本のトレンチ５に挟まれたメサ部１９が形成されており、これにより、光の横モードの制御性を向上させることができる。併せて、光設計と電気設計を独立して行うことができるようになり、高速動作を想定した設計の自由度を向上させることができる。さらに、コア層１３及びエッチングストップ層１４の電流が流れる面積を狭窄化することで、寄生容量を低減できるので、高速動作が可能となる。
【００４１】
なお、トレンチ５を形成することにより、Ａｌを含むコア層１３が露出するので、酸化の影響が懸念される。しかし、光導波路１ａ及び１ｂとトレンチ５の距離はある程度離れているので、その酸化の影響は小さい。
【００４２】
なお、上述の製造方法によれば、主としてドライエッチングにより分離溝Ｇａｐを形成する。すなわち、ウェットエッチングや選択成長法により形成する場合と比べて、分離溝の長さＬｇａｐを小さくすることができる。さらにまた、垂直性に優れた形状を有する分離溝端面を形成でき、光導波路１ａ及び１ｂにおける光結合効率低下を抑制する観点から有効である。
【００４３】
さらに、上述の製造方法によれば、光導波路１ａ及び１ｂと分離溝Ｇａｐを一括形成できるので、選択成長法を用いる場合のように結晶成長回数が増加することもなく、作製工程が簡単であり、低コスト化が期待できる。
【００４４】
実施の形態２
また、実施の形態１にかかる半導体ＭＺ光変調器を、半導体レーザ等の光源と同一の基板上にモノリシック集積することにより、半導体光集積素子を形成することが可能である。図５は実施の形態２にかかる半導体光集積素子の構成を示す上面図である。この半導体光集積素子は、同一基板上に、図５に示すように、半導体ＭＺ光変調器領域２０１とＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＦｅｅｄＢａｃｋ ｌａｓｅｒ）レーザ領域２０２とが集積されている。
【００４５】
半導体ＭＺ光変調器領域２０１は、光導波路２０３がＭＭＩ分波器２ａと光学的に接続されている。光導波路２０４がＭＭＩ合波器２ｂと光学的に接続されている。その他の構成は図１と同様であるので、説明を省略する。
【００４６】
ＤＦＢレーザ領域２０２には、半導体ＭＺ光変調器領域２０１から延在する、光導波路２０３が設けられている。
【００４７】
次に、この半導体光集積素子の断面構造について説明する。図６は、この半導体光集積素子の断面を模式的に示す断面図である。図６に示すように、この半導体光集積素子は、半導体ＭＺ光変調器領域２０１とＤＦＢレーザ領域２０２により構成される。
【００４８】
半導体ＭＺ光変調器領域２０１においては、例えば、ｎ型ＩｎＰの（１００）面を主面とする基板２１上に、ＡｌＧａＩｎＡｓからなる量子井戸構造を有するコア層２２（例えば、厚さ０．３μｍ、発光波長１．４μｍ）、ＩｎＧａＡｓＰからなるエッチングストップ層２３（例えば、厚さ０．０２μｍ、発光波長１．１５μｍ）、ｐ型ＩｎＰかならなるクラッド層２４（例えば、厚さ０．０１μｍ、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３）が形成されている。
【００４９】
ＤＦＢレーザ領域２０２においては、例えば、半導体ＭＺ光変調器領域２０１と共通の基板２１上に、回折格子２５、ＩｎＧａＡｓＰからなる量子井戸構造を有する活性層２６（例えば、厚さ０．３μｍ、発光波長１．５５μｍ）、ｐ型ＩｎＰからなるクラッド層２７（例えば、厚さ０．０１μｍ）が形成されている。なお、活性層２６は、クラッド層２７と比べて、半導体ＭＺ光変調器領域２０１側に食い込んで設けられている。
【００５０】
コア層２２と活性層２６とは光学的に接続され、半導体ＭＺ光変調器領域２０１とＤＦＢレーザ領域２０２とを小さな結合損失で結合するバットジョイント接合を形成している。さらに、半導体ＭＺ光変調器領域２０１に形成されるクラッド層２４は、上部保護層としての役割を果たす厚さを有していればよいため、十分に薄く形成できる。よって、バットジョイント接合において大幅な段差が生じる懸念はない。
【００５１】
さらに、クラッド層２４及びクラッド層２７の上には、上部クラッド層２８が形成されている。図示しないが、図１に示す光導波路１ａ及び１ｂは、この上部クラッド層２８に形成される。
【００５２】
次に、この半導体光集積素子の製造方法について説明する。図７Ａ〜Ｄは、この半導体光集積素子の製造方法を示す断面図である。まず、図７Ａに示すように、基板２１上のＤＦＢレーザ領域２０２に、回折格子２５を形成する。次に、例えばＭＯＶＰＥ法により、基板２１及び回折格子２５の上に、活性層２６及びクラッド層２７を順に積層させる。
【００５３】
次いで、図７Ｂに示すように、ＣＶＤ法とフォトリソグラフィにより、例えば、ＳｉＯ２からなるマスク２９をＤＦＢレーザ領域２０２に形成する。その後、ドライエッチングにより、半導体ＭＺ光変調器領域２０１のクラッド層２７と活性層２６を除去する。この際、活性層２６は、基板２１が露出しない程度までエッチングする。
【００５４】
引き続き、図７Ｃに示すように、硫酸、過酸化水素水及び水の混合液を用いたウェットエッチングにより、残存している活性層２６を選択的に除去する。なお、ウェットエッチングでは、等方的にエッチングが進行する。そのため、活性層２６はサイドエッチングにより、クラッド層２７と比べてその界面が半導体ＭＺ光変調器領域２０１側に後退する。その結果、クラッド層２７は活性層２６に対して庇形状を有することとなる。
【００５５】
次に、図７Ｄに示すように、半導体ＭＺ光変調器領域２０１に、例えばＭＯＶＰＥ法により、コア層２２、エッチングストップ層２３、クラッド層２４を形成する。ここで、コア層２２は、ＤＦＢレーザ領域２０２の活性層２６とバットジョイント接合するように形成する。この際、クラッド層２７は活性層２６に対して庇形状を有しているので、バットジョイント接合の接合部での異常成長を防止しつつ、結晶成長を行うことができる。更に、クラッド層２４は、バットジョイント接合に大幅な段差が生じないように十分に薄く形成する。続いて、マスク２９を除去する。
【００５６】
次いで、例えばＭＯＶＰＥ法により、上部クラッド層２８を積層する。以降は、実施の形態１に説明した製造工程と同様に、半導体ＭＺ光変調器領域２０１及びＤＦＢレーザ領域２０２に光導波路を一括形成し、その後、光導波路の両側にトレンチを形成して、実施の形態２にかかる半導体光集積素子を得ることができる。
【００５７】
すなわち、この半導体光集積素子は、ＤＦＢレーザ領域２０２とバットジョイント接合の工程以外は、半導体ＭＺ光変調器単体と同じ工程で作製することができる。また、活性層２６とエッチングストップ層２３との高さはほぼ一致している。よって、ドライエッチングとウェットエッチングの併用で形成されるリッジ導波路の高さを揃えることができる。
【００５８】
よって、本構成及び製造方法によれば、リッジ導波路形成と同時に、半導体ＭＺ光変調器領域２０１の光導波路に分離溝を形成することができる。従って、作製工程が容易で、光透過率の低下を抑制できる半導体光集積素子を得ることができる。
【００５９】
その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上記の実施の形態で示した寸法やキャリア濃度は一例であり、結晶成長条件、素子構造などに応じて適切な寸法、濃度を採用すべきことは言うまでもない。
【００６０】
また、マスクに用いる誘電体についてはＳｉＯ２に限られず、例えば、窒化シリコンまたは酸窒化シリコンなどの、他の誘電体を用いることができる。
【００６１】
半導体ＭＺ光変調器における層構造もｐ−ｉ−ｎ構造に限られず、例えばｎ−ｐ−ｉ−ｎ構造でも構わない。
【００６２】
基板は導電性基板に限らず、高抵抗基板を用いてもよい。
【００６３】
コア層の組成は、ＡｌＧａＩｎＡｓに限られず、例えばＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｓなどの、他の半導体混晶を用いてもよい。また、活性層はＩｎＧａＡｓＰに限られず、ＡｌＧａＩｎＡｓやＩｎＧａＡｓなどの、他の半導体混晶を用いてもよい。また、コア層または活性層の構造も量子井戸構造に限られず、例えば、バルク構造などの他の構造でもよい。
【００６４】
また、半導体ＭＺ光変調器と集積される機能領域はＤＦＢレーザに限られないことは言うまでもない。さらに、半導体ＭＺ光変調器と集積される機能領域は１つでもよいし、複数でも構わない。
【符号の説明】
【００６５】
１ａ、１ｂ 光導波路
２ａ ＭＭＩ分波器
２ｂ ＭＭＩ合波器
３ 入射側導波路
４ 出射側導波路
５ トレンチ
１１ 基板
１２ バッファ層
１３ コア層
１４ エッチングストップ層
１５ 上部クラッド層
１６、１７ マスク
１８ 開口
１９ メサ部
２１ 基板
２２ コア層
２３ エッチングストップ層
２４ クラッド層
２５ 回折格子
２６ 活性層
２７ クラッド層
２８ 上部クラッド層
２９ マスク
３１ 基板
３２ クラッド層
３３ コア層
３４ クラッド層
３５ クラッド層
３６ キャップ層
３７ 誘電体マスク
３８ 分離溝
２０１ 半導体ＭＺ光変調器領域
２０２ ＤＦＢレーザ領域
２０３、２０４ 光導波路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路を有する半導体マッハツェンダー光変調器及び半導体光集積素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ、光増幅器、光変調器、光検出器及び光導波路等の、機能が異なる領域をモノリシック集積することによる、半導体光集積素子の小型化、低価格化が期待されている。例えば、光変調器と光源をモノリシック集積した半導体光集積素子では、ハイメサ導波路構造、ＢＨ（Ｂｕｒｉｅｄ Ｈｅｔｅｒｏ）構造及びリッジ導波路構造など、それぞれの領域において最適な導波路構造を採用することが望ましい。
【０００３】
しかし、半導体光集積素子を作製する観点からは、素子内における導波路構造を統一して、一括形成することが望ましい。また、高温特性や変調屈折率特性の優位性から、コア層をＡｌＧａＩｎＡｓやＡｌＩｎＡｓなどの、Ａｌを含む組成とする場合が増えている。ところが、ハイメサ導波路構造やＢＨ構造では、その製造過程においてＡｌを含むコア層が露出する。そのため、酸化の影響や、当該コア層を半導体結晶で埋め込む際の前処理などに注意を払う必要がある。一方、リッジ導波路構造は、Ａｌを含むコア層が露出しないので、コア層が酸化する懸念が無い。さらに、ハイメサ導波路構造と同様に、結晶成長の回数が少なく、製作工程を簡素化できる。従って、このような半導体光集積素子においては、リッジ導波路構造を一括形成することが望ましい。
【０００４】
また、上述の半導体光集積素子を高速動作させるため、マッハツェンダー（以下ＭＺ：Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）光変調器を適用することが考えられる。ＭＺ光変調器は、２つの位相変調領域を個別に電界駆動させなければならない。そのため、それぞれの位相変調領域を電気的に分離する必要がある。このような電気的分離の方法として、光導波路の合分波領域における上部クラッド層を高抵抗層に置き換える、または、光導波路に分離溝を形成して、空間的に分離する（特許文献１乃至３）といった手法が取られている。
【０００５】
しかし、前者は、上部クラッド層のエッチングと、半導体結晶を再成長させる工数が新たに必要となる。さらに、半導体結晶を再成長させた接合面の凹凸により、その後の光導波路形成において不具合が生じる恐れも少なくない。
【０００６】
一方、後者も、新たな工数が必要であるとともに、分離溝をコア層まで貫通させる場合には、コア層が酸化される懸念が生じる。これを防止するため、コア層を保護する酸化膜または窒化膜の形成や、ポリイミドなどの熱硬化樹脂の充填などが必要となり、工数が増加する。また、光導波路に分離溝を設けた場合には、光導波路が分離された部分において結合損失が生じ、導波される光結合効率が低下する。
【０００７】
上記の問題を解決する構造として、特許文献１には、コア層を形成した後に、クラッド層を選択成長することで光導波路と分離溝を同時に形成し、２つの位相変調器領域を電気的に分離する構造が提案されている。図８Ａは、特許文献１に記載された半導体ＭＺ光変調器の、光の出射側から見た場合の選択成長後における断面構造を示す断面図である。この半導体ＭＺ光変調器は、図８Ａに示すように、ｎ型ＩｎＰの（１００）面を主面とする基板３１上に、ｎ型ＩｎＰからなるクラッド層３２、真性型ＩｎＧａＡｓＰからなるコア層３３及び真性型ＩｎＰからなるクラッド層３４が順に積層されている。クラッド層３４の上には、リッジ構造導波路を成長させる部分が開口した、誘電体マスク３７が形成されている。誘電体マスク３７の開口部には、選択成長法により成長された、リッジ構造導波路を構成する、ｐ型ＩｎＰからなるクラッド層３５及びｐ型ＩｎＧａＡｓからなるキャップ層３６が形成されている。
【０００８】
また、図８Ｂは、図８Ａに示すVIIＢ−VIIＢ線断面図である。この半導体ＭＺ光変調器は、図８Ａと同様に、基板３１上に、クラッド層３２、コア層３３、クラッド層３４が順に積層されている。クラッド層３４の上には、分離溝３８を形成する部分に誘電体マスク３７が形成されている。また、誘電体マスク３７が形成されていない部分には、選択成長法により、リッジ構造導波路を構成する、クラッド層３５及びキャップ層３６が形成されている。
【０００９】
また、特許文献３には、素子端面の近傍における光導波路をテーパ形状とすることで、光ファイバとの結合損失を低減する構造が開示されている。さらに、特許文献４では、テーパ形状の光導波路間に、光導波路と所定の角度をなす溝を設ける構造が開示されている。
【００１０】
特許文献５では、リッジ型導波路構造を有する半導体光デバイスにおいて、光導波路の両側の半導体層に溝を形成する導電素子構造を採用し、半導体光デバイスの高速動作性を向上させる構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平９−０２１９８５号公報
【特許文献２】特開平９−１０５８９３号公報
【特許文献３】特開２００１−４２１４９号公報
【特許文献４】特開平７−２０３５９号公報
【特許文献５】特開２００３−６９１５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところが、特許文献１のように、選択成長法により分離溝を形成する場合には、分離溝の端面が傾斜してしまう、分離溝の長さを十分に小さく形成することができないなどの問題が生じる。また、端面が垂直に形成されない。従って、導波される光の透過率はさらに低下する。
【００１３】
また、特許文献３において光導波路に設けられたテーパ部は、素子端面近傍の光のモードプロファイルを拡大するものであり、かつ分離溝は設けられていない。特許文献４は、光導波路間に設けられたコア層を貫通する溝で端面反射を抑制できるが、Ａｌを含むコア層を用いた場合には端面が酸化されてしまう。
【００１４】
すなわち、既存の構造及び製造方法により、光導波路に分離溝を設けて位相変調領域同士を電気的に分離すると、光結合効率が低下することは避けられない。
【００１５】
本発明は、光導波路に分離溝を設けて位相変調領域同士を電気的に分離し、かつ高い光透過率を有する半導体ＭＺ光変調器及びその製造方法ならびに半導体光集積素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一態様である半導体マッハツェンダー光変調器は、半導体基板と、前記半導体基板上に積層されたコア層及びクラッド層を含む半導体積層体と、前記半導体積層体上に形成された、外部から入射する入射光を分波する分波器と、前記分波器から出射された光の位相を変調する位相変調領域が設けられた第１及び第２の光導波路と、前記第１及び前記第２の光導波路から出射された光を合波する合波器と、前記コア層を貫通して前記第１及び前記第２の光導波路の両側に形成された２本のトレンチに挟まれたメサ部とを少なくとも備え、前記第１及び前記第２の光導波路は、前記位相変調領域と前記分波器との間、及び、前記位相変調領域と前記合波器との間で、所定の長さの分離溝で分離されているものである。
【００１７】
本発明の一態様である半導体マッハツェンダー光変調器の製造方法は、半導体基板上にコア層及びクラッド層を積層して半導体積層体を形成する工程と、外部から入射する入射光を分波する分波器と、前記分波器から出射された光の位相を変調する位相変調領域が設けられた第１及び第２の光導波路と、前記第１及び前記第２の光導波路から出射された光を合波する合波器とを前記半導体積層体上に形成する工程と、前記第１及び前記第２の光導波路の両側に、前記コア層を貫通する２本トレンチに挟まれたメサ部を形成する工程とを少なくとも備え、前記第１及び前記第２の光導波路は、前記位相変調領域と前記分波器との間、及び、前記位相変調領域と前記合波器との間で、所定の長さの分離溝で分離されている。
【００１８】
本発明の一態様である半導体光集積素子の製造方法は、半導体基板上の半導体レーザを形成する領域に回折格子を形成する工程と、前記半導体基板上及び前記回折格子上に活性層を積層する工程と、半導体マッハツェンダー光変調器を形成する領域の前記活性層をエッチングして除去する工程と、前記半導体基板上の前記半導体マッハツェンダー光変調器を形成する領域に前記活性層とバットジョイント接合させてコア層を積層する工程と、前記活性層及び前記コア層上にクラッド層を積層する工程と、外部から入射する入射光を分波する分波器と、前記分波器から出射された光の位相を変調する位相変調領域が設けられた第１及び第２の光導波路と、前記第１及び前記第２の光導波路から出射された光を合波する合波器とを前記クラッド層上の前記半導体マッハツェンダー光変調器を形成する領域に形成する工程と、前記第１及び前記第２の光導波路の両側に、前記コア層を貫通する２本トレンチに挟まれたメサ部を形成する工程とを少なくとも備え、前記第１及び前記第２の光導波路は、前記位相変調領域と前記分波器との間、及び、前記位相変調領域と前記合波器との間で、所定の長さの分離溝で分離されている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、それぞれの位相変調領域が電気的に分離され、かつ高い光透過率を有する半導体マッハツェンダー光変調器及びその製造方法並びに半導体光集積素子及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施の形態１にかかる半導体ＭＺ光変調器の構成を示す上面図である。
【図２】実施の形態１にかかる半導体ＭＺ光変調器の断面構成を示す斜視図である。
【図３Ａ】実施の形態１にかかる半導体ＭＺ光変調器の製造工程を示す斜視図である。
【図３Ｂ】実施の形態１にかかる半導体ＭＺ光変調器の製造工程を示す斜視図である。
【図３Ｃ】実施の形態１にかかる半導体ＭＺ光変調器の製造工程を示す斜視図である。
【図３Ｄ】実施の形態１にかかる半導体ＭＺ光変調器の製造工程を示す斜視図である。
【図３Ｅ】実施の形態１にかかる半導体ＭＺ光変調器の製造工程を示す斜視図である。
【図４Ａ】テーパ部を形成した光導波路における光の透過率を表す等高線図である。
【図４Ｂ】テーパ部を形成した光導波路における光の透過率を表す等高線図である。
【図５】実施の形態２にかかる半導体光集積素子の構成を示す上面図である。
【図６】実施の形態２にかかる半導体光集積素子の断面を模式的に示す断面図である。
【図７Ａ】実施の形態２にかかる半導体光集積素子の製造工程を示す断面図である。
【図７Ｂ】実施の形態２にかかる半導体光集積素子の製造工程を示す断面図である。
【図７Ｃ】実施の形態２にかかる半導体光集積素子の製造工程を示す断面図である。
【図７Ｄ】実施の形態２にかかる半導体光集積素子の製造工程を示す断面図である。
【図８Ａ】特許文献１にかかる半導体ＭＺ光変調器の製造工程を示す断面図である。
【図８Ｂ】特許文献１にかかる半導体ＭＺ光変調器の製造工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。尚、以下では、同様な構成要素には同様の符号を記し、適宜説明を省略する。
実施の形態１
実施の形態１にかかる半導体ＭＺ光変調器の構成について説明する。図１は、実施の形態１にかかる半導体ＭＺ光変調器の上面図である。この半導体ＭＺ光変調器は、図１に示すように、光導波路１ａ及び１ｂが設けられている。光導波路１ａ及び１ｂの一端には、ＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄe Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）分波器２ａが光学的に接続されている。もう一方の一端には、ＭＭＩ合波器２ｂが光学的に接続されている。また、光導波路１ａ及び２ａには、電界により光の位相を回転させる位相変調領域が設けられている。光導波路１ａ及び２ａは、位相変調領域の両端にて分離溝Ｇａｐにより、分離されている。
【００２２】
ＭＭＩ分波器２ａには、入射光を導波させる入射光導波路３が光学的に接続されている。ＭＭＩ合波器２ｂには、出射光を導波させる出射光導波路４が光学的に接続されている。
【００２３】
さらに、光導波路１ａ及び１ｂの両側には、トレンチ５が設けられている。なおトレンチ５は、図１に示すように、光導波路１ａ及び１ｂのみならず、入射光導波路３、出射光導波路４、ＭＭＩ分波器２ａ及びＭＭＩ合波器２ｂの両側に設けられてもよい。
【００２４】
次に、この半導体ＭＺ光変調器の光導波路１ａ及び１ｂの分離溝Ｇａｐ近傍における断面構造について、光導波路１ａを例として説明する。図２は、この半導体ＭＺ光変調器の光導波路１ａの分離溝Ｇａｐ付近における断面構成を示す斜視図である。図２に示すように、この半導体ＭＺ光変調器は、例えば、ｎ型ＩｎＰの（１００面）を主面とする基板１１上に、例えば、ｎ型ＩｎＰからなるバッファ層１２（例えば、厚さ０．２μｍ、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３）、ＡｌＧａＩｎＡｓからなる量子井戸構造を有するコア層１３（例えば、厚さ０．３μｍ、発光波長１．４μｍ）、ＩｎＧａＡｓＰからなるエッチングストップ層１４（例えば、厚さ０．０２μｍ、発光波長１．１５μｍ）、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層１５（例えば、厚さ１．５μｍ、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３）が形成されている。
【００２５】
上部クラッド層１５には、分離溝Ｇａｐにより分離された、リッジ構造を有する光導波路１ａが形成されている。また、光導波路１ａには、分離溝Ｇａｐに向かってその幅が連続的に細くなるテーパ部が設けられている。なお、ここで、分離溝Ｇａｐの長さをＬｇａｐ、テーパ部の長さをＬｔａｐｅｒ、光導波路１ａの幅をＷｒｉｂ、テーパ部先端における光導波路１ａの幅をＷｔａｐｅｒとする。
【００２６】
また、光導波路１ａの両側には、エッチングストップ層１４とコア層１３を貫通して、バッファ層１２に達するトレンチ５が形成されている。また、２本のトレンチ５に挟まれた部分は、メサ部１９となる。メサ部１９に含まれるコア層１３の幅をＷｍｅｓａとして、本構成では、例えば、Ｗｍｅｓａ＝６μｍである。
【００２７】
次に、この半導体ＭＺ光変調器の製造方法について説明する。図３Ａ〜Ｅは、この半導体ＭＺ光変調器の製造工程を示す、分離溝Ｇａｐ付近における斜視図である。まず、図３Ａに示すように、基板１１上に、例えば、ＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法により、バッファ層１２、コア層１３、エッチングストップ層１４、上部クラッド層１５を順に積層する。
【００２８】
次に、図３Ｂに示すように、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法とフォトリソグラフィにより、ＳｉＯ２からなるマスク１６を形成する。マスク１６は、分離溝Ｇａｐ部において１μｍ程度の狭い幅で開口している。また、分離溝Ｇａｐ近傍における形状は、分離溝Ｇａｐに近づくに従って幅が細くなるテーパ形状とする。
【００２９】
次に、図３Ｃに示すように、ドライエッチングにより、エッチングストップ層１４の近傍まで、かつ、エッチングストップ層１４が露出しない程度に、上部クラッド層１５を深さ方向に異方性エッチングする。
【００３０】
続いて、図３Ｄに示すように、例えば、塩酸を含むエッチング液を用いたウェットエッチングにより、残存している上部クラッド層１５を選択的にエッチングする。
【００３１】
次に、マスク１６を除去して、図３Ｅに示すように、ＣＶＤ法とフォトリソグラフィにより、例えばＳｉＯ２からなるマスク１７を形成する。このマスク１７には、トレンチ５を形成する部分に開口１８を設ける。
【００３２】
次いで、例えばウェットエッチングにより、トレンチ５を形成する。その後、マスク１７を除去して、図２に示す半導体ＭＺ光変調器を作製することができる。
【００３３】
本構成によれば、光導波路１ａ及び１ｂにはそれぞれ分離溝Ｇａｐが形成されているので、光導波路１ａ及び１ｂは電気的に分離される。よって、位相変調領域において、それぞれの光導波路に個別の電界をかけて、位相変調を行うことが可能である。
【００３４】
ところが、光導波路に分離溝を設けると、一般に光透過率は低下する。そのため、本構成では、光導波路１ａ及び１ｂの分離溝Ｇａｐ近傍にテーパ部を設けることで、光透過率の低下を抑制している。
【００３５】
光導波路にテーパ部を設けることによる効果を見積もるため、本構成にかかる半導体ＭＺ光変調器において、ＢＰＭ（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）解析により、Ｗｔａｐｅｒ、Ｌｔａｐｅｒ及びＬｇａｐを変化させた場合の、波長１．５５μｍの光に対する光透過率の分布をシミュレーションした。図４Ａは、Ｌｇａｐ＝１．５μｍとして、ＷｔａｐｅｒとＬｔａｐｅｒを変化させた場合の光透過率を示す等高線図である。また、図４Ｂは、Ｌｔｅｐｅｒ＝２５μｍとして、ＷｔａｐｅｒとＬｇａｐを変化させた場合の光透過率を示す等高線図である。
【００３６】
図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、基本的にはＬｇａｐとＷｔａｐｅｒをともに小さくすることで光透過率の低下を抑制できることがわかる。例えば、図４（ｂ）に示すように、Ｗｔａｐｅｒ＝０．８μｍ、Ｌｔａｐｅｒ＝２５μｍ、Ｌｇａｐ＝０．２μｍの場合では、光透過率を９５％程度とすることができる。
【００３７】
なお、上述のシミュレーションは、光導波路の幅が直線的に変化するテーパ形状の場合について行ったものであるが、例えば、関数曲線的に変化してもその傾向は大きく異なるものではない。
【００３８】
なお、電気的分離の効果を向上させるならば、分離溝Ｇａｐをコア層まで貫通させることが望ましい。しかし、この場合には、分離溝形状や端面の平滑性により光結合効率が大きく変動するという問題が生じる。さらに、Ａｌを含むコア層を用いる場合には、当該コア層が露出して酸化されることを防止するために、酸化膜、窒化膜及びポリイミドなどの熱硬化樹脂層で保護することが必要となり、工数の増大を招く。よって、本構成では、電気的分離効果と光結合効率の確保の両立を考慮して、上部クラッド層１５に分離溝Ｇａｐを設ける構造としている。
【００３９】
なお、ハイメサ導波路構造において、分離溝近傍における導波路をテーパ形状とすると、コア層から光が放射して光透過率は大きく低下し、かえって損失を増加させてしまう。よって、光導波路にテーパ部を設けることは、コア層が分断せずに上部クラッド層のみが分離するリッジ導波路構造において有効である。
【００４０】
また、本構成によれば、２本のトレンチ５に挟まれたメサ部１９が形成されており、これにより、光の横モードの制御性を向上させることができる。併せて、光設計と電気設計を独立して行うことができるようになり、高速動作を想定した設計の自由度を向上させることができる。さらに、コア層１３及びエッチングストップ層１４の電流が流れる面積を狭窄化することで、寄生容量を低減できるので、高速動作が可能となる。
【００４１】
なお、トレンチ５を形成することにより、Ａｌを含むコア層１３が露出するので、酸化の影響が懸念される。しかし、光導波路１ａ及び１ｂとトレンチ５の距離はある程度離れているので、その酸化の影響は小さい。
【００４２】
なお、上述の製造方法によれば、主としてドライエッチングにより分離溝Ｇａｐを形成する。すなわち、ウェットエッチングや選択成長法により形成する場合と比べて、分離溝の長さＬｇａｐを小さくすることができる。さらにまた、垂直性に優れた形状を有する分離溝端面を形成でき、光導波路１ａ及び１ｂにおける光結合効率低下を抑制する観点から有効である。
【００４３】
さらに、上述の製造方法によれば、光導波路１ａ及び１ｂと分離溝Ｇａｐを一括形成できるので、選択成長法を用いる場合のように結晶成長回数が増加することもなく、作製工程が簡単であり、低コスト化が期待できる。
【００４４】
実施の形態２
また、実施の形態１にかかる半導体ＭＺ光変調器を、半導体レーザ等の光源と同一の基板上にモノリシック集積することにより、半導体光集積素子を形成することが可能である。図５は実施の形態２にかかる半導体光集積素子の構成を示す上面図である。この半導体光集積素子は、同一基板上に、図５に示すように、半導体ＭＺ光変調器領域２０１とＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＦｅｅｄＢａｃｋ ｌａｓｅｒ）レーザ領域２０２とが集積されている。
【００４５】
半導体ＭＺ光変調器領域２０１は、光導波路２０３がＭＭＩ分波器２ａと光学的に接続されている。光導波路２０４がＭＭＩ合波器２ｂと光学的に接続されている。その他の構成は図１と同様であるので、説明を省略する。
【００４６】
ＤＦＢレーザ領域２０２には、半導体ＭＺ光変調器領域２０１から延在する、光導波路２０３が設けられている。
【００４７】
次に、この半導体光集積素子の断面構造について説明する。図６は、この半導体光集積素子の断面を模式的に示す断面図である。図６に示すように、この半導体光集積素子は、半導体ＭＺ光変調器領域２０１とＤＦＢレーザ領域２０２により構成される。
【００４８】
半導体ＭＺ光変調器領域２０１においては、例えば、ｎ型ＩｎＰの（１００）面を主面とする基板２１上に、ＡｌＧａＩｎＡｓからなる量子井戸構造を有するコア層２２（例えば、厚さ０．３μｍ、発光波長１．４μｍ）、ＩｎＧａＡｓＰからなるエッチングストップ層２３（例えば、厚さ０．０２μｍ、発光波長１．１５μｍ）、ｐ型ＩｎＰかならなるクラッド層２４（例えば、厚さ０．０１μｍ、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３）が形成されている。
【００４９】
ＤＦＢレーザ領域２０２においては、例えば、半導体ＭＺ光変調器領域２０１と共通の基板２１上に、回折格子２５、ＩｎＧａＡｓＰからなる量子井戸構造を有する活性層２６（例えば、厚さ０．３μｍ、発光波長１．５５μｍ）、ｐ型ＩｎＰからなるクラッド層２７（例えば、厚さ０．０１μｍ）が形成されている。なお、活性層２６は、クラッド層２７と比べて、半導体ＭＺ光変調器領域２０１側に食い込んで設けられている。
【００５０】
コア層２２と活性層２６とは光学的に接続され、半導体ＭＺ光変調器領域２０１とＤＦＢレーザ領域２０２とを小さな結合損失で結合するバットジョイント接合を形成している。さらに、半導体ＭＺ光変調器領域２０１に形成されるクラッド層２４は、上部保護層としての役割を果たす厚さを有していればよいため、十分に薄く形成できる。よって、バットジョイント接合において大幅な段差が生じる懸念はない。
【００５１】
さらに、クラッド層２４及びクラッド層２７の上には、上部クラッド層２８が形成されている。図示しないが、図１に示す光導波路１ａ及び１ｂは、この上部クラッド層２８に形成される。
【００５２】
次に、この半導体光集積素子の製造方法について説明する。図７Ａ〜Ｄは、この半導体光集積素子の製造方法を示す断面図である。まず、図７Ａに示すように、基板２１上のＤＦＢレーザ領域２０２に、回折格子２５を形成する。次に、例えばＭＯＶＰＥ法により、基板２１及び回折格子２５の上に、活性層２６及びクラッド層２７を順に積層させる。
【００５３】
次いで、図７Ｂに示すように、ＣＶＤ法とフォトリソグラフィにより、例えば、ＳｉＯ２からなるマスク２９をＤＦＢレーザ領域２０２に形成する。その後、ドライエッチングにより、半導体ＭＺ光変調器領域２０１のクラッド層２７と活性層２６を除去する。この際、活性層２６は、基板２１が露出しない程度までエッチングする。
【００５４】
引き続き、図７Ｃに示すように、硫酸、過酸化水素水及び水の混合液を用いたウェットエッチングにより、残存している活性層２６を選択的に除去する。なお、ウェットエッチングでは、等方的にエッチングが進行する。そのため、活性層２６はサイドエッチングにより、クラッド層２７と比べてその界面が半導体ＭＺ光変調器領域２０１側に後退する。その結果、クラッド層２７は活性層２６に対して庇形状を有することとなる。
【００５５】
次に、図７Ｄに示すように、半導体ＭＺ光変調器領域２０１に、例えばＭＯＶＰＥ法により、コア層２２、エッチングストップ層２３、クラッド層２４を形成する。ここで、コア層２２は、ＤＦＢレーザ領域２０２の活性層２６とバットジョイント接合するように形成する。この際、クラッド層２７は活性層２６に対して庇形状を有しているので、バットジョイント接合の接合部での異常成長を防止しつつ、結晶成長を行うことができる。更に、クラッド層２４は、バットジョイント接合に大幅な段差が生じないように十分に薄く形成する。続いて、マスク２９を除去する。
【００５６】
次いで、例えばＭＯＶＰＥ法により、上部クラッド層２８を積層する。以降は、実施の形態１に説明した製造工程と同様に、半導体ＭＺ光変調器領域２０１及びＤＦＢレーザ領域２０２に光導波路を一括形成し、その後、光導波路の両側にトレンチを形成して、実施の形態２にかかる半導体光集積素子を得ることができる。
【００５７】
すなわち、この半導体光集積素子は、ＤＦＢレーザ領域２０２とバットジョイント接合の工程以外は、半導体ＭＺ光変調器単体と同じ工程で作製することができる。また、活性層２６とエッチングストップ層２３との高さはほぼ一致している。よって、ドライエッチングとウェットエッチングの併用で形成されるリッジ導波路の高さを揃えることができる。
【００５８】
よって、本構成及び製造方法によれば、リッジ導波路形成と同時に、半導体ＭＺ光変調器領域２０１の光導波路に分離溝を形成することができる。従って、作製工程が容易で、光透過率の低下を抑制できる半導体光集積素子を得ることができる。
【００５９】
その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上記の実施の形態で示した寸法やキャリア濃度は一例であり、結晶成長条件、素子構造などに応じて適切な寸法、濃度を採用すべきことは言うまでもない。
【００６０】
また、マスクに用いる誘電体についてはＳｉＯ２に限られず、例えば、窒化シリコンまたは酸窒化シリコンなどの、他の誘電体を用いることができる。
【００６１】
半導体ＭＺ光変調器における層構造もｐ−ｉ−ｎ構造に限られず、例えばｎ−ｐ−ｉ−ｎ構造でも構わない。
【００６２】
基板は導電性基板に限らず、高抵抗基板を用いてもよい。
【００６３】
コア層の組成は、ＡｌＧａＩｎＡｓに限られず、例えばＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｓなどの、他の半導体混晶を用いてもよい。また、活性層はＩｎＧａＡｓＰに限られず、ＡｌＧａＩｎＡｓやＩｎＧａＡｓなどの、他の半導体混晶を用いてもよい。また、コア層または活性層の構造も量子井戸構造に限られず、例えば、バルク構造などの他の構造でもよい。
【００６４】
また、半導体ＭＺ光変調器と集積される機能領域はＤＦＢレーザに限られないことは言うまでもない。さらに、半導体ＭＺ光変調器と集積される機能領域は１つでもよいし、複数でも構わない。
【符号の説明】
【００６５】
１ａ、１ｂ 光導波路
２ａ ＭＭＩ分波器
２ｂ ＭＭＩ合波器
３ 入射側導波路
４ 出射側導波路
５ トレンチ
１１ 基板
１２ バッファ層
１３ コア層
１４ エッチングストップ層
１５ 上部クラッド層
１６、１７ マスク
１８ 開口
１９ メサ部
２１ 基板
２２ コア層
２３ エッチングストップ層
２４ クラッド層
２５ 回折格子
２６ 活性層
２７ クラッド層
２８ 上部クラッド層
２９ マスク
３１ 基板
３２ クラッド層
３３ コア層
３４ クラッド層
３５ クラッド層
３６ キャップ層
３７ 誘電体マスク
３８ 分離溝
２０１ 半導体ＭＺ光変調器領域
２０２ ＤＦＢレーザ領域
２０３、２０４ 光導波路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に積層されたコア層及びクラッド層を含む半導体積層体と、
前記半導体積層体上に形成された、
外部から入射する入射光を分波する分波器と、
前記分波器から出射された光の位相を変調する位相変調領域が設けられた第１及び第２の光導波路と、
前記第１及び前記第２の光導波路から出射された光を合波する合波器と、
前記コア層を貫通して前記第１及び前記第２の光導波路の両側に形成された２本のトレンチに挟まれたメサ部とを少なくとも備え、
前記第１及び前記第２の光導波路は、前記位相変調領域と前記分波器との間、及び、前記位相変調領域と前記合波器との間で、所定の長さの分離溝で分離されている半導体マッハツェンダー光変調器。
【請求項２】
前記第１及び前記第２の光導波路は、前記分離溝に向かって連続的に幅が細くなることを特徴とする、
請求項１に記載の半導体マッハツェンダー光変調器。
【請求項３】
前記半導体基板はＩｎＰからなることを特徴とする、
請求項１または２に記載の半導体マッハツェンダー光変調器。
【請求項４】
前記コア層はＡｌを含む半導体混晶からなることを特徴とする、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体マッハツェンダー光変調器。
【請求項５】
前記コア層はＡｌＧａＩｎＡｓまたはＡｌＩｎＡｓからなることを特徴とする、
請求項４に記載の半導体マッハツェンダー光変調器。
【請求項６】
前記コア層は量子井戸構造を有することを特徴とする、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体マッハツェンダー光変調器。
【請求項７】
前記クラッド層はＩｎＰからなることを特徴とする、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体マッハツェンダー光変調器。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の前記半導体マッハツェンダー光変調器と、
前記半導体基板上に前記半導体マッハツェンダー光変調器とモノリシック集積された半導体レーザとを備え、
前記半導体レーザは、
前記半導体基板上に形成された回折格子と、
前記回折格子上に積層された活性層と、
前記活性層上に積層された前記半導体マッハツェンダー光変調器と共通する前記クラッド層とを少なくとも備える半導体光集積素子。
【請求項９】
前記コア層と前記活性層とはバットジョイント接合していることを特徴とする、
請求項８に記載の半導体光集積素子。
【請求項１０】
半導体基板上にコア層及びクラッド層を積層して半導体積層体を形成する工程と、
外部から入射する入射光を分波する分波器と、
前記分波器から出射された光の位相を変調する位相変調領域が設けられた第１及び第２の光導波路と、
前記第１及び前記第２の光導波路から出射された光を合波する合波器とを前記半導体積層体上に形成する工程と、
前記第１及び前記第２の光導波路の両側に、前記コア層を貫通する２本トレンチに挟まれたメサ部を形成する工程とを少なくとも備え、
前記第１及び前記第２の光導波路は、前記位相変調領域と前記分波器との間、及び、前記位相変調領域と前記合波器との間で、所定の長さの分離溝で分離されている半導体マッハツェンダー光変調器の製造方法。
【請求項１１】
半導体基板上の半導体レーザを形成する領域に回折格子を形成する工程と、
前記半導体基板上及び前記回折格子上に活性層を積層する工程と、
半導体マッハツェンダー光変調器を形成する領域の前記活性層をエッチングして除去する工程と、
前記半導体基板上の前記半導体マッハツェンダー光変調器を形成する領域に前記活性層とバットジョイント接合させてコア層を積層する工程と、
前記活性層及び前記コア層上にクラッド層を積層する工程と、
外部から入射する入射光を分波する分波器と、
前記分波器から出射された光の位相を変調する位相変調領域が設けられた第１及び第２の光導波路と、
前記第１及び前記第２の光導波路から出射された光を合波する合波器とを前記クラッド層上の前記半導体マッハツェンダー光変調器を形成する領域に形成する工程と、
前記第１及び前記第２の光導波路の両側に、前記コア層を貫通する２本トレンチに挟まれたメサ部を形成する工程とを少なくとも備え、
前記第１及び前記第２の光導波路は、前記位相変調領域と前記分波器との間、及び、前記位相変調領域と前記合波器との間で、所定の長さの分離溝で分離されている半導体光集積素子の製造方法。
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に積層されたコア層及びクラッド層を含む半導体積層体と、
前記半導体積層体上に形成された、
外部から入射する入射光を分波する分波器と、
前記分波器から出射された光の位相を変調する位相変調領域が設けられた第１及び第２の光導波路と、
前記第１及び前記第２の光導波路から出射された光を合波する合波器と、
前記コア層を貫通して前記第１及び前記第２の光導波路の両側に形成された２本のトレンチに挟まれたメサ部とを少なくとも備え、
前記第１及び前記第２の光導波路は、前記位相変調領域と前記分波器との間、及び、前記位相変調領域と前記合波器との間で、所定の長さの分離溝で分離されている半導体マッハツェンダー光変調器。
【請求項２】
前記第１及び前記第２の光導波路は、前記分離溝に向かって連続的に幅が細くなることを特徴とする、
請求項１に記載の半導体マッハツェンダー光変調器。
【請求項３】
前記半導体基板はＩｎＰからなることを特徴とする、
請求項１または２に記載の半導体マッハツェンダー光変調器。
【請求項４】
前記コア層はＡｌを含む半導体混晶からなることを特徴とする、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体マッハツェンダー光変調器。
【請求項５】
前記コア層はＡｌＧａＩｎＡｓまたはＡｌＩｎＡｓからなることを特徴とする、
請求項４に記載の半導体マッハツェンダー光変調器。
【請求項６】
前記コア層は量子井戸構造を有することを特徴とする、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体マッハツェンダー光変調器。
【請求項７】
前記クラッド層はＩｎＰからなることを特徴とする、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体マッハツェンダー光変調器。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の前記半導体マッハツェンダー光変調器と、
前記半導体基板上に前記半導体マッハツェンダー光変調器とモノリシック集積された半導体レーザとを備え、
前記半導体レーザは、
前記半導体基板上に形成された回折格子と、
前記回折格子上に積層された活性層と、
前記活性層上に積層された前記半導体マッハツェンダー光変調器と共通する前記クラッド層とを少なくとも備える半導体光集積素子。
【請求項９】
前記コア層と前記活性層とはバットジョイント接合していることを特徴とする、
請求項８に記載の半導体光集積素子。
【請求項１０】
半導体基板上にコア層及びクラッド層を積層して半導体積層体を形成する工程と、
外部から入射する入射光を分波する分波器と、
前記分波器から出射された光の位相を変調する位相変調領域が設けられた第１及び第２の光導波路と、
前記第１及び前記第２の光導波路から出射された光を合波する合波器とを前記半導体積層体上に形成する工程と、
前記第１及び前記第２の光導波路の両側に、前記コア層を貫通する２本トレンチに挟まれたメサ部を形成する工程とを少なくとも備え、
前記第１及び前記第２の光導波路は、前記位相変調領域と前記分波器との間、及び、前記位相変調領域と前記合波器との間で、所定の長さの分離溝で分離されている半導体マッハツェンダー光変調器の製造方法。
【請求項１１】
半導体基板上の半導体レーザを形成する領域に回折格子を形成する工程と、
前記半導体基板上及び前記回折格子上に活性層を積層する工程と、
半導体マッハツェンダー光変調器を形成する領域の前記活性層をエッチングして除去する工程と、
前記半導体基板上の前記半導体マッハツェンダー光変調器を形成する領域に前記活性層とバットジョイント接合させてコア層を積層する工程と、
前記活性層及び前記コア層上にクラッド層を積層する工程と、
外部から入射する入射光を分波する分波器と、
前記分波器から出射された光の位相を変調する位相変調領域が設けられた第１及び第２の光導波路と、
前記第１及び前記第２の光導波路から出射された光を合波する合波器とを前記クラッド層上の前記半導体マッハツェンダー光変調器を形成する領域に形成する工程と、
前記第１及び前記第２の光導波路の両側に、前記コア層を貫通する２本トレンチに挟まれたメサ部を形成する工程とを少なくとも備え、
前記第１及び前記第２の光導波路は、前記位相変調領域と前記分波器との間、及び、前記位相変調領域と前記合波器との間で、所定の長さの分離溝で分離されている半導体光集積素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図７Ｄ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図７Ｄ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【公開番号】特開２０１０−２５６７６１（Ｐ２０１０−２５６７６１Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０８９５９（Ｐ２００９−１０８９５９）
【出願日】平成２１年４月２８日（２００９．４．２８）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２８日（２００９．４．２８）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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