JP7334582B2 - 半導体光素子およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は半導体光素子およびその製造方法に関するものである。
化合物半導体で形成された発光素子を、導波路を形成したＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板（シリコンフォトニクス）に接合する技術が知られている（例えば非特許文献１）。
Shahram Keyvaninia et al. オプティクス エクスプレス（OPTICS EXPRESS） Vol.21, No.3, 3784-3792, 2013
ＳＯＩ基板に導波路、共振器および回折格子などを形成する。共振器で光の波長を選択し、回折格子は当該波長を有する光を反射する。ＳＯＩ基板のシリコン（Ｓｉ）に凹凸を設け、回折格子として機能させることがある。凹凸の深さにより回折格子の反射特性が決まる。Ｓｉとその外側との屈折率の差が大きいため、凹凸の深さのばらつきにより反射特性が大きく変化する。この結果、光出力の制御が困難となる。そこで、回折格子の反射特性のばらつきを抑制することが可能な半導体光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体光素子は、シリコンを含み、導波路を有する基板と、前記基板に接合され、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成されたコア層を含む第１半導体素子と、前記基板に接合された回折格子を含む第２半導体素子と、を具備し、前記回折格子は、第１半導体層と、前記第１半導体層を埋め込む第２半導体層とを有し、前記第１半導体層および前記第２半導体層はＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成され、前記回折格子は、前記導波路を伝搬した光を反射するものである。
本発明に係る半導体光素子の製造方法は、シリコンを含み、導波路および共振器を有する基板に、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体のコア層を含む第１半導体素子を接合する工程と、回折格子を含む第２半導体素子を接合する工程と、を有し、前記回折格子は、第１半導体層と、前記第１半導体層を埋め込む第２半導体層とを有し、前記第１半導体層および前記第２半導体層はＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成されるものである。
上記発明によれば回折格子の反射特性のばらつきを抑制することが可能である。
図１（ａ）は実施例１に係る半導体光素子を例示する平面図であり、図１（ｂ）半導体光素子を例示する断面図である。図１（ｃ）はリング共振器の特性を示す図である。 図２（ａ）は半導体素子付近を拡大した平面図であり、図２（ｂ）は半導体素子を例示する断面図である。 図３（ａ）は半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。図３（ｂ）は半導体光素子の製造方法を例示する断面図である。 図４（ａ）は半導体光素子の製造方法を例示する平面図であり、図４（ｂ）は半導体光素子の製造方法を例示する断面図である。 図５（ａ）は半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。図５（ｂ）は半導体光素子の製造方法を例示する断面図である。 図６（ａ）は半導体光素子の製造方法を例示する平面図であり、図６（ｂ）は半導体光素子の製造方法を例示する断面図である。 図７（ａ）は半導体光素子の製造方法を例示する平面図であり、図７（ｂ）および図７（ｃ）は半導体光素子の製造方法を例示する断面図である。 図８（ａ）は比較例１に係る半導体光素子を例示する平面図である。図８（ｂ）は回折格子を例示する断面図である。 図９（ａ）は比較例１における屈折率結合係数の計算結果を示す図であり、図９（ｂ）は実施例１における屈折率結合係数の計算結果を示す図である。 図１０（ａ）は比較例１に係る回折格子の反射特性を例示する図であり、図１０（ｂ）は実施例１に係る回折格子の反射特性を例示する図である。 図１１（ａ）は比較例１に係る回折格子の反射特性を例示する図であり、図１１（ｂ）は実施例１に係る回折格子の反射特性を例示する図である。 図１２（ａ）は実施例２に係る半導体光素子２００を例示する平面図である。図１２（ｂ）は実施例３に係る半導体光素子３００を例示する平面図である。図１２（ｃ）は実施例４に係る半導体光素子４００を例示する平面図である。 図１３は実施例５に係る半導体素子を例示する平面図である。 図１４（ａ）は比較例２における反射特性を示す図であり、図１４（ｂ）は拡大図である。 図１５（ａ）は実施例５における反射特性を示す図であり、図１５（ｂ）は拡大図である。
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本願発明の一形態は、（１）シリコンを含み、導波路を有する基板と、前記基板に接合され、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成されたコア層を含む第１半導体素子と、前記基板に接合された回折格子を含む第２半導体素子と、を具備し、前記回折格子は、第１半導体層と、前記第１半導体層を埋め込む第２半導体層とを有し、前記第１半導体層および前記第２半導体層はＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成され、前記回折格子は、前記導波路を伝搬した光を反射する半導体光素子である。第１半導体層の厚さの変化に対する回折格子の反射特性の変化率が小さい。このため反射特性のばらつきを抑制することができる。
（２）前記第１半導体層は、周期的に配置された複数のガリウムインジウム砒素リン層を含み、前記第２半導体層はインジウムリン層を含んでもよい。ガリウムインジウム砒素リン層の厚さの変化に対する回折格子の反射特性の変化率が小さい。このため反射特性のばらつきを抑制することができる。
（３）２つの前記第２半導体素子が前記基板に接合され、前記２つの第２半導体素子のうち一方は前記第１半導体素子の一端と光結合し、他方は前記第１半導体素子の他端と光結合し、前記２つの第２半導体素子の反射率は互いに異なってもよい。一方の第２半導体素子で反射された光を、他方の第２半導体素子の側から出射することができる。
（４）前記基板は、前記第１半導体素子と、前記２つの第２半導体素子のうち前記一方との間に位置する共振器を有し、前記共振器により選択される波長の光に対して、前記２つの第２半導体素子のうち前記一方の反射率は、前記他方の反射率よりも高くてもよい。これにより、共振器で選択された波長の光を一方の第２半導体素子で反射し、他方の第２半導体素子の側から出射することができる。
（５）前記第２半導体素子は、前記導波路上に位置し、かつ前記導波路の延伸方向に沿って先細りのテーパ部を有してもよい。光が第２半導体素子の端面で反射されにくくなり、回折格子に乗り移りやすくなる。このため光損失が抑制される。
（６）前記導波路の前記回折格子と重なる部分の幅は前記回折格子に重ならない部分の幅よりも小さくてもよい。屈折率結合係数を高めることができる。
（７）前記共振器は少なくとも１つのリング共振器を含んでもよい。リング共振器により光の波長を制御することができる。
（８）前記第２半導体素子の回折格子はＳＧ－ＤＢＲを形成してもよい。
（９）シリコンを含み、導波路を有する基板に、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体のコア層を含む第１半導体素子を接合する工程と、回折格子を含む第２半導体素子を接合する工程と、を有し、前記回折格子は、第１半導体層と、前記第１半導体層を埋め込む第２半導体層とを有し、前記第１半導体層および前記第２半導体層はＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成される半導体光素子の製造方法である。第１半導体層の厚さの変化に対する回折格子の反射特性の変化率が小さい。このため反射特性のばらつきを抑制することができる。
（１０）犠牲層、前記第１半導体層および前記第２半導体層を形成することで前記第２半導体素子を形成する工程と、前記犠牲層をエッチングすることで除去する工程と、を有し、前記第２半導体素子を接合する工程において、前記犠牲層を除去することで露出する前記第２半導体素子の面を前記基板に接合してもよい。露出する面は平坦であるため、接合強度が向上する。
［本願発明の実施形態の詳細］
本願発明の実施形態に係る半導体光素子およびその製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
図１（ａ）は実施例１に係る半導体光素子１００を例示する平面図である。図１（ａ）に示すように、半導体光素子１００は、基板１０、半導体素子３０（第１半導体素子）、半導体素子６０および６２（第２半導体素子）を有し、シリコンフォトニクスを用いた、ハイブリッド型の波長可変レーザ素子である。
基板１０は後述のようにシリコン（Ｓｉ）層と酸化シリコン（ＳｉＯ２）層とを含むＳＯＩ基板であり、Ｘ軸方向に延伸する辺およびＹ軸方向に延伸する辺を有する。基板１０の表面には、導波路１２、１４および１６、リング共振器１８および２０が設けられ、半導体素子３０、６０および６２が接合されている。半導体素子３０はレーザ光を出射する発光素子である。半導体素子６０および６２は回折格子を有する。回折格子は、レーザ光を反射する分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）として機能する。
導波路およびリング共振器は空気に露出する。導波路１２、１４および１６は例えば半導体光素子１００の一辺に沿って、Ｘ軸方向に向けて直線状に延伸し、かつＹ軸方向において互いに離間する。半導体素子３０は導波路１２の上に設けられ、導波路１２と光結合する。半導体素子６０は導波路１２の上に設けられ、導波路１２と光結合する。半導体素子６２は導波路１６の上に設けられ、導波路１６と光結合する。半導体素子６０は半導体素子３０の一端に対向し、半導体素子６２は半導体素子３０の他端側に位置する。半導体素子３０、６０および６２の端部にはテーパ部が形成され、これらテーパ部は導波路の上に位置する。
電極２１は導波路１２の上であって、半導体素子３０の他端側に位置する。リング共振器１８は導波路１２と導波路１４との間に位置し、これらと光学的に結合する。リング共振器２０は導波路１４と導波路１６との間に位置し、これらと光学的に結合する。リング共振器１８および２０の透過特性は、曲率半径および屈折率などにより決まる。リング共振器１８の曲率半径はリング共振器２０の曲率半径とは異なる。２つのリング共振器１８および２０を用いたバーニア効果により、特定の波長を発振波長として選択することができる。リング共振器１８の上に電極２２が設けられ、リング共振器２０の上に電極２４が設けられている。電極２１、２２および２４はヒータとして機能する。
図１（ｃ）はリング共振器の特性を示す図である。縦軸は２つのリング共振器１８および２０の光の透過率を表し、横軸は光の波長を表す。図１（ｃ）に示すように、波長に対して周期的に高い透過率が得られる。図１（ｃ）の例では、波長１５５０ｎｍ付近に最大のピークがあり、波長が１５５０ｎｍから離れるにつれてピークの高さは小さくなる。リング共振器１８に設けられた電極２２およびリング共振器２０に設けられた電極２４に印加する電圧を調節することで、リング共振器１８および２０の温度を変化させる。温度変化によりリング共振器１８および２０の屈折率が変化し、ピークの位置をシフトさせることができる。これにより波長の変化が可能となる。
（半導体素子３０）
図１（ｂ）は半導体光素子１００を例示する断面図であり、図１（ａ）の線Ａ－Ａに沿った断面を図示する。図１（ｂ）に示すように、基板１０は厚いシリコン基板（Ｓｉ基板１９）の上にＳｉＯ２層１１とＳｉ層１３とを積層したものである。Ｓｉ層１３の一方の面に半導体素子３０が接合されている。Ｓｉ層１３の半導体素子３０が接合される面とは反対側の面にＳｉＯ２層１１が設けられている。Ｓｉ層１３は導波路１２およびテラス１５を含む。導波路１２の両側には溝が設けられ、溝の外側にテラス１５が位置する。
半導体素子３０はメサ３１および埋め込み層４０を含む。メサ３１はＺ軸方向に順に積層されたコンタクト層３２、コア層３４、クラッド層３６およびコンタクト層３８を含み、導波路１２の上に位置する。半導体素子３０のコンタクト層３２は導波路１２からテラス１５にかけて広がる。埋め込み層４０はコンタクト層３２の上に位置し、メサ３１の両側を埋め込む。埋め込み層４０の上には絶縁膜４２および４４が積層されている。絶縁膜４２は例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）で形成され、絶縁膜４４は例えば酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）で形成されている。
絶縁膜４２および４４はメサ３１の上に開口部を有する。開口部から露出するコンタクト層３８の上にオーミック電極４８が設けられている。オーミック電極４８の上に金属層５２および電極５６が順に積層されている。これらはｐ型の電極を形成する。金属層５２および電極５６はメサ３１の上から下まで延伸する。オーミック電極４８は例えばチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）を積層したものである。金属層５２は、例えばチタンタングステン（ＴｉＷ）で形成されている。電極５６は例えば金（Ａｕ）で形成されている。不図示のｎ型の電極はコンタクト層３２と電気的に接続される。
コンタクト層３２は例えばｎ型インジウムリン（ｎ－ＩｎＰ）で形成されている。コア層３４は、例えばアンドープのガリウムインジウム砒素（ｉ－ＧａＩｎＡｓ）で形成された複数の井戸層およびバリア層を含み、多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）を有する。クラッド層３６は例えばｐ－ＩｎＰで形成されている。コンタクト層３８は例えばｐ－ＧａＩｎＡｓで形成されている。埋め込み層４０は例えば鉄（Ｆｅ）をドープされたＩｎＰで形成されている。半導体素子３０は上記以外の半導体で形成されてもよい。半導体素子３０は光学利得を有しており、電流が注入されることでレーザ光を出射する。
（半導体素子６２）
図２（ａ）は半導体素子６２を例示する平面図である。図２（ａ）に示すように、半導体素子６２は回折格子６４およびテーパ部６６を有する。テーパ部６６は基板１０の導波路１６の上に位置し、導波路１６の延伸方向に沿って細くなる。導波路１６のうち回折格子６４と重なる部分の幅Ｗ１は例えば０．５μｍであり、テーパ部６６付近の幅Ｗ２はＷ１より大きく例えば２μｍである。回折格子６４の幅Ｗ３は例えば幅Ｗ１より８μｍ以上大きい。
図２（ｂ）は半導体素子６２を例示する断面図であり、図２（ａ）の線Ｂ－Ｂに沿った断面を図示する。図２（ｂ）に示すように、半導体素子６２はガリウムインジウム砒素リン（ＧａＩｎＡｓＰ）層６８（第１半導体層）およびＩｎＰ層７０（第２半導体層）を有する。ＧａＩｎＡｓＰ層６８の屈折率はＩｎＰ層７０の屈折率とは異なる。複数のＧａＩｎＡｓＰ層６８は互いに離間し、導波路１６の延伸方向に沿って周期的に並ぶ。ＩｎＰ層７０は複数のＧａＩｎＡｓＰ層６８を埋め込む。ＧａＩｎＡｓＰ層６８とＩｎＰ層７０との並ぶ部分が回折格子６４を形成する。回折格子６４のＸ軸方向の長さＬ１、およびＧａＩｎＡｓＰ層６８の厚さＴ１、Ｘ軸方向において隣り合うＧａＩｎＡｓＰ層６８間の周期Ｘ１などにより、回折格子６４の反射特性が定まる。周期Ｘ１は例えば０．３μｍであり、厚さＴ１は例えば０．０５μｍ以上、０．２μｍ以下である。半導体素子６２の厚さＴ２は例えば０．１μｍ以上、０．２５μｍ以下である。
半導体素子６０は半導体素子６２と同様の構成を有する。半導体素子６０のＧａＩｎＡｓＰ層６８の数は、半導体素子６２のＧａＩｎＡｓＰ層６８の数より少ない。このため半導体素子６０の反射率は半導体素子６２の反射率よりも低い。
半導体素子３０にキャリアが注入されることで、半導体素子３０はレーザ光を出射する。導波路１２、１４および１６、リング共振器１８および２０は、半導体素子３０の出射光の経路を形成する。２つのリング共振器１８および２０のＦＳＲ（自由スペクトル領域）の差によるバーニア効果を用いて、光の波長を制御する。制御された波長の光は導波路１６を伝搬し、半導体素子６２に入射する。半導体素子６２の回折格子は、当該波長の光を反射する。反射された光は導波路１２、１４および１６などを伝搬する。光のうち少なくとも一部は、半導体素子６０を透過して半導体光素子１００の外部に出射される。
（製造方法）
図３（ａ）、図４（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）および図７（ａ）は半導体素子６２の製造方法を例示する平面図である。図３（ｂ）、図４（ｂ）、図５（ｂ）、図６（ｂ）、図７（ｂ）および図７（ｃ）は半導体素子６２の製造方法を例示する断面図であり、対応する平面図の線Ｃ－Ｃに沿った断面を図示する。なお、半導体素子６０も半導体素子６２と同様の方法で製造される。
図３（ｂ）に示すように、基板７２の上に、例えば有機金属気相成長法（ＯＭＶＰＥ：Organometallic Vapor Phase Epitaxy）などで犠牲層７４、ＩｎＰ層７０ａ、ＧａＩｎＡｓＰ層６８およびＩｎＰ層７０ｂを順にエピタキシャル成長する。基板７２は例えばＩｎＰで形成され、犠牲層７４は例えばＡｌＩｎＡｓで形成されている。
例えば電子線描画などでレジストパターンを形成し、ＣＨ４およびＨ２系ガスを用いたドライエッチングにより、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すようにＩｎＰ層７０ｂおよびＧａＩｎＡｓＰ層６８をエッチングし、ＩｎＰ層７０ｂおよびＧａＩｎＡｓＰ層６８のパターンを形成する。
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、ＯＭＶＰＥ法などでＩｎＰ層をエピタキシャル成長する。ＩｎＰ層はＩｎＰ層７０ａおよび７０ｂと一体になり、ＧａＩｎＡｓＰ層６８を埋め込むＩｎＰ層７０が形成される。
図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、ＩｎＰ層７０および犠牲層７４をドライエッチングすることで、これらの層に開口部７１を形成する。開口部７１はＧａＩｎＡｓＰ層６８を囲み、開口部７１からは犠牲層７４の側面、および基板７２の表面が露出する。図６（ａ）に示すように開口部７１の内側と外側とはブリッジ７３で接続されている。
図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、ウェットエッチングにより犠牲層７４を除去する。これにより半導体素子６２が形成され、半導体素子６２の面６２ａは露出する。半導体素子６２はブリッジ７３で支持される。
図７（ｃ）は接合の工程を例示する断面図である。図７（ｃ）に示すように、スタンプ７５（ＰＤＭＳ）が半導体素子６２をピックアップし、面６２ａが基板１０に接触するように基板１０の上に配置する。半導体素子６２を基板１０に向けて加圧することで、半導体素子６２が基板１０に接合される。半導体素子６０も半導体素子６２と同様の工程で形成され、基板１０に接合される。接合の後、半導体素子６０および６２に上にレジストパターンを形成し、メタン／水素系のガス（ＣＨ４およびＨ２）を用いたドライエッチングにより、テーパ部６６を形成する。
半導体素子３０は、ＯＭＶＰＥ法などによる半導体層の成長、エッチングによるメサ３１の形成、蒸着などによる電極の形成などで製造される。半導体素子３０もスタンプ７５を用いて基板１０に接合する。
（比較例１）
図８（ａ）は比較例１に係る半導体光素子１００Ｃを例示する平面図である。図８（ａ）に示すように、半導体光素子１００Ｃは、半導体素子６０および６２を有さず、回折格子８０および８１を有する。他の構成は半導体光素子１００と同じである。
図８（ｂ）は回折格子８１を例示する断面図である。図８（ｂ）に示すように、回折格子８１は、基板１０のＳｉ層１３に設けられ、導波路１６の延伸方向に並ぶ凹凸である。回折格子８０も、回折格子８１と同様の構成である。こうした回折格子８０および８１の凹凸は空気に露出する。回折格子８０および８１の反射特性は凹凸の周期および溝の深さＤなどによって定まる。
（屈折率結合係数）
図９（ａ）は比較例１における屈折率結合係数の計算結果を示す図であり、図９（ｂ）は実施例１における屈折率結合係数の計算結果を示す図である。図９（ａ）および図９（ｂ）において、三角は導波路１６の幅Ｗ１が０．５μｍの例、四角は幅Ｗ１が１μｍの例、円は幅Ｗ１が２μｍの例である。導波路１６の幅Ｗ１が小さいほど、導波路１６から回折格子へと光が乗り移りやすくなるため、屈折率結合係数は大きくなる。
図９（ａ）の横軸はＳｉ層１３のエッチング深さＤであり、縦軸は導波路１６と回折格子８１との屈折率結合係数である。図９（ａ）に示すように、比較例１では、エッチング深さＤが大きくなると、屈折率結合係数も大きくなる。Ｗ１＝０．５μｍの例では、エッチング深さＤが０．０１μｍ変化することで、屈折率結合係数は約７００ｃｍ－１変化する。回折格子８０の屈折率結合係数も図９（ａ）と同様の性質を示す。
図９（ｂ）の横軸は半導体素子６２が有する回折格子６４の厚さＴ２であり、縦軸は導波路１６と回折格子６４との屈折率結合係数である。回折格子６４のうち、ＧａＩｎＡｓＰ層６８の上下それぞれにおけるＩｎＰ層７０の厚さは２０μｍで固定し、ＧａＩｎＡｓＰ層６８の厚さＴ１を変えることで回折格子６４の厚さＴ２を変化させる。図９（ｂ）に示すように、実施例１では、厚さＴ２が大きくなると、屈折率結合係数も大きくなる。Ｗ１＝０．５μｍの例では、厚さＴ２が０．０５μｍ変化することで、屈折率結合係数は約５００ｃｍ－１変化する。半導体素子６０の回折格子も図９（ｂ）と同様の性質を示す。
図８（ｂ）に示すようにＳｉ層１３は空気に露出しており、Ｓｉと空気との間の屈折率差は大きい。このため図９（ａ）に示すように、エッチング深さＤの変化に対して回折格子８１の屈折率結合係数も大きく変化する。したがって屈折率結合係数の制御が困難である。一方、図２（ｂ）に示すように回折格子６４はＧａＩｎＡｓＰ層６８とＩｎＰ層７０とで形成され、ＧａＩｎＡｓＰ層６８はＩｎＰ層７０に埋め込まれている。層間での屈折率差が小さいため、ＧａＩｎＡｓＰ層６８の厚さＴ１の変化に対して屈折率結合係数は緩やかに変化する。回折格子６４の屈折率結合係数の変化率は、回折格子８１に比べて１／１０程度である。したがって、厚さＴ１を調整することで、回折格子６４の屈折率結合係数を精度よく制御することができる。
屈折率結合係数は回折格子の反射特性に影響し、屈折率結合係数が変化することで反射特性が変化する。反射特性とは図１０（ａ）から図１１（ｂ）に示すような反射率、および高い反射率が得られる波長帯域（反射帯域）である。屈折率結合係数が大きいほど、反射率は高くなり、反射帯域は広くなる。屈折率結合係数の制御が難しい場合、反射特性にばらつきが生じる。屈折率結合係数を正確に制御できる場合、反射特性も安定して制御することができる。
図１０（ａ）は比較例１に係る回折格子８０の反射特性を例示する図であり、図１０（ｂ）は実施例１に係る回折格子６４の反射特性を例示する図である。横軸は光の波長を表し、縦軸は反射率を表す。回折格子の長さは４μｍである。図１０（ａ）の実線はＳｉ層１３のエッチング深さＤが２０ｎｍの例、破線はエッチング深さＤが３０ｎｍの例、点線はエッチング深さＤが４０ｎｍの例である。図１０（ｂ）の実線は回折格子６４の厚さＴ２が２２０ｎｍの例、破線は厚さＴ２が２３０ｎｍの例、点線は厚さＴ２が２４０ｎｍの例である。図９（ｂ）と同様にＧａＩｎＡｓＰ層６８の厚さＴ１を変えることで回折格子６４の厚さＴ２を変化させる。図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、いずれの例でも波長１５５０ｎｍ付近で反射率は最大となり、波長が１５５０ｎｍから離れるにつれて反射率は緩やかに減少する。
図１０（ａ）に示すように、比較例１では深さＤが大きくなると反射率は増加する。深さＤが１０ｎｍ変化することで反射率は約２０％変化する。Ｄ１＝２０ｎｍの例とＤ１＝４０ｎｍの例とでは反射率が約４０％異なる。一方、図１０（ｂ）に示すように、実施例１では厚さＴ２が大きくなると反射率は増加する。厚さＴ２が２０ｎｍ変化することによる反射率の変化は１０％以下である。つまり、ＧａＩｎＡｓＰ層６８の厚さＴ２の変化に対する反射率の変化率は、比較例１の変化率よりも小さい。このため反射率のばらつきが抑制される。
図１１（ａ）は比較例１に係る回折格子８１の反射特性を例示する図であり、図１１（ｂ）は実施例１に係る回折格子６４の反射特性を例示する図である。回折格子の長さは３０μｍである。いずれの例も反射率の高い帯域（反射帯域）を有する。
図１１（ａ）に示すように、比較例１ではエッチング深さＤが小さいほど反射帯域が広くなる。Ｄ＝４０ｎｍの例では反射帯域はおよそ１５４０～１５６０ｎｍの範囲に位置する。Ｄ＝３０ｎｍの例では反射帯域はおよそ１５３０～１５７０ｎｍの範囲に位置する。Ｄ＝２０ｎｍの例では反射帯域はおよそ１５２０～１５８０ｎｍの範囲に位置する。エッチング深さＤが１０ｎｍ変化すると、反射帯域は約２０ｎｍ変化する。
図１１（ｂ）に示すように、実施例１では厚さＴ２が小さいほど反射帯域が広くなる。厚さＴ２が２０ｎｍ変化すると、反射帯域は約２ｎｍ変化する。実施例１における反射帯域の変化率は比較例１よりも小さい。したがって反射帯域のばらつきが抑制される。
比較例１によれば、Ｓｉ層１３のエッチング深さＤにばらつきが生じることで、図９（ａ）に示すように屈折率結合係数が大きく変化し、図１０（ａ）および図１１（ａ）に示すように反射率および反射帯域も大きくばらついてしまう。図８（ａ）に示すように、Ｓｉ層１３をエッチングすることで２つの回折格子８０および８１を形成する。Ｓｉ層１３の２つの場所においてエッチング深さＤを所望の大きさに制御することは困難であり、反射特性にばらつきが発生する。
一方、実施例１によれば、半導体素子３０、６０および６２が基板１０に接合され、半導体素子６０および６２は回折格子６４を有する。図２（ｂ）に示すように、回折格子６４は、ＧａＩｎＡｓＰ層６８と、それを埋め込むＩｎＰ層７０とで形成されている。これらの層の屈折率差が小さいため、図９（ｂ）に示すように、ＧａＩｎＡｓＰ層６８の厚さＴ１の変化に対する屈折率結合係数の変化率は小さい。したがって図１０（ｂ）および図１１（ｂ）に示すように反射率および反射帯域のばらつきも小さくなる。すなわち、ＧａＩｎＡｓＰ層６８の厚さにばらつきが発生した場合でも、回折格子６４の反射特性のばらつきを抑制することができる。
回折格子６４は周期的に配置された複数のＧａＩｎＡｓＰ層６８、およびそれを埋め込むＩｎＰ層７０で形成されている。回折格子６４の反射特性は、例えばＧａＩｎＡｓＰ層６８の数および厚さＴ１によって定まる。厚さＴ１の変化による屈折率結合係数および反射特性の変化率は、比較例１に比べて小さい。したがって回折格子６４の反射特性のばらつきを抑制することができる。例えばＯＭＶＰＥ法におけるガスの流量および成長時間などを調整し、ＧａＩｎＡｓＰ層６８の厚さＴ１を制御する。
実施例１における回折格子６４のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体と基板１０のＳｉとの屈折率差は、比較例１における空気とＳｉとの屈折率差より小さい。したがって例えば１０００ｃｍ－１以上などの大きな屈折率結合係数が得られ、十分に広い反射帯域が得られる。また、Ｓｉ層１３のグレーティングが空気に露出する比較例１では、屈折率の分布が非対称である。このため、光の散乱損失が増加する。ＧａＩｎＡｓＰ層６８がＩｎＰ層７０で埋め込まれるため、回折格子６４における屈折率の分布が上下方向（Ｚ軸方向）で対称となる。このため散乱損失を抑制することができる。なお、半導体素子６０および６２は、ＧａＩｎＡｓＰおよびＩｎＰ以外のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成されてもよく、半導体素子３０の出射光を吸収しにくい材料で形成されることが好ましい。
基板１０には２つの半導体素子６０および６２が接合される。半導体素子６０は半導体素子３０の－Ｘ側端部と光結合し、半導体素子６２は半導体素子３０の＋Ｘ側端部と光結合する。半導体素子６２の反射率は、半導体素子６０の反射率より高い。半導体素子６２で反射された光の一部が半導体素子６０を通過し、出射される。半導体素子６２の反射率を高めるには、例えば半導体素子６０よりも長さＬ１を大きくし、ＧａＩｎＡｓＰ層６８の数を増やせばよい。
半導体素子３０と半導体素子６２との間に２つのリング共振器１８および２０が設けられている。リング共振器１８および２０は図１（ｃ）に示すような特性を有し、これらの共振器によって発振波長を選択することができる。半導体素子６２の回折格子６４は、リング共振器１８および２０により選択される波長の光に対して、例えば１００％の高い反射率を有する。また、半導体素子６０の回折格子６４は、選択される波長の光に対して例えば３０％程度の反射率を有し、光の一部を反射し、かつ一部を透過させる。このため、半導体素子３０が出射する光を半導体素子６２で反射し、半導体素子６０を透過した光を半導体光素子１００の外部に出射することができる。半導体光素子１００にはリング共振器以外の共振器が設けられてもよく、光の波長を可変とする光回路が設けられればよい。
図２（ａ）に示すように半導体素子６２は、導波路１６上において、導波路１６の延伸方向に沿って先細りのテーパ部６６を有する。半導体素子６０も同様にテーパ部６６を有する。テーパ部６６を設けることで、光が半導体素子６０および６２の端面で反射されにくくなり、回折格子６４に乗り移りやすくなる。このため光損失が抑制される。テーパ部６６の形成後に半導体素子６０および６２を接合してもよいし、接合後にテーパ部６６を形成してもよい。テーパ部６６と導波路との位置合わせをするためには、接合後にテーパ部６６を形成することが好ましい。
図２（ａ）に示すように導波路１６のうち回折格子６４と重なる部分の幅Ｗ１は、回折格子６４に重ならない部分の幅Ｗ２より小さい。これにより光が回折格子６４に乗り移りやすくなり、屈折率結合係数が高くなる。半導体素子６０および６２の厚さＴ２は例えば０．１μｍ以上、０．２５μｍ以下などである。半導体素子６０および６２を薄膜化することで光の結合損失が抑制されるが、屈折率結合係数が減少する。上記のように幅Ｗ１を小さくして、屈折率結合係数を高めることが好ましい。幅Ｗ１は例えば０．５μｍ以上、１．５μｍ以下であることが好ましい。
半導体素子６０および６２の幅Ｗ３（回折格子６４の幅）は導波路の幅Ｗ１よりも例えば８μｍ以上大きい。光が回折格子６４の中では導波路の幅Ｗ１よりも広がる。回折格子６４の幅Ｗ３を大きくすることで屈折率結合係数が高くなる。また、接合時に半導体素子６０および６２の位置が数μｍ程度ずれても、回折格子６４が導波路の上に位置する。
図７（ｂ）から図７（ｃ）に示すように、犠牲層７４のエッチング後に半導体素子６２を取り上げて基板１０に接合する、いわゆるトランスファプリンティングを行う。犠牲層７４をエッチングして露出する面６２ａを接合界面とする。面６２ａは平坦であるため、接合強度が向上する。
図１２（ａ）は実施例２に係る半導体光素子２００を例示する平面図である。実施例１と同じ構成については説明を省略する。図１２（ａ）に示すように、リング共振器２０と半導体素子６２との間に非対称型のマッハツェンダ干渉計８２が設けられている。マッハツェンダ干渉計８２は導波路１６および８３、および電極８４を含む。導波路８３は湾曲しており、両端は導波路１６に接続される。導波路１６を伝搬する光の一部は導波路８３に分岐して伝搬し、導波路１６に合流する。導波路８３の上に設けられた電極８４に電圧を印加することで、導波路８３の屈折率が変化する。マッハツェンダ干渉計８２により光を変調し、例えば隣接するモードの抑圧比を改善することができる。実施例２によれば、実施例１と同様に、回折格子６４の反射特性のばらつきを抑制することができる。
図１２（ｂ）は実施例３に係る半導体光素子３００を例示する平面図である。実施例１と同じ構成については説明を省略する。図１２（ｂ）に示すように、リング共振器１８は半導体素子３０の＋Ｘ側端部と半導体素子６２との間に設けられている。リング共振器２０は、半導体素子３０の－Ｘ側端部と半導体素子６０との間に設けられている。リング共振器２０は導波路１２および２３と光結合する。導波路２３は湾曲している。半導体素子６０は導波路２３の上に設けられ、導波路２３と光結合する。実施例３によれば、実施例１と同様に、回折格子６４の反射特性のばらつきを抑制することができる。
図１２（ｃ）は実施例４に係る半導体光素子４００を例示する平面図である。実施例１と同じ構成については説明を省略する。図１２（ｃ）に示すように、半導体光素子４００は１つのリング共振器１８を有する。実施例４によれば、実施例１と同様に、回折格子６４の反射特性のばらつきを抑制することができる。２つのリング共振器のバーニア効果によって波長を可変とする実施例１に比べ、実施例４では１つのリング共振器１８によって波長を制御するため波長の可変範囲は狭い。
実施例１～４に示したように、レーザ発振の波長を選択するための共振器としてリング共振器を用いることができる。リング共振器の数は少なくとも１つであり、１つでもよいし、２つ、および３つ以上でもよい。リング共振器以外の共振器を設けてもよい。
図１３は実施例５に係る半導体素子６２を例示する平面図である。半導体素子６２はＸ軸方向に並ぶ複数の回折格子６４を有する。複数の回折格子６４はＳＧ－ＤＢＲ（Sampled Grating-Distributed Bragg Reflector）領域を形成する。１つの回折格子６４の長さをＬ１は例えば１０μｍであり、回折格子６４間の周期Ｌ２は例えば１００μｍである。回折格子６４の数は例えば６個である。半導体素子６０も同様にＳＧ－ＤＢＲ領域を有する。ＳＧ－ＤＢＲ領域を有する半導体素子６０および６２が基板１０に接合される。
図１４（ａ）は比較例２における反射特性を示す図であり、図１４（ｂ）は拡大図である。比較例２では基板１０のＳｉ層１３に図８（ｂ）のように凹凸で形成された回折格子を複数並べ、ＳＧ－ＤＢＲ領域を設ける。実線はエッチング深さＤが１０ｎｍの例であり、破線はエッチング深さＤが２０ｎｍの例である。図１５（ａ）は実施例５における反射特性を示す図であり、図１５（ｂ）は拡大図である。実線はＧａＩｎＡｓＰ層６８の厚さＴ１が９０ｎｍの例であり、破線は厚さＴ１が１００ｎｍの例である。比較例２および実施例５において、１つの回折格子の長さは１０μｍ、回折格子間の周期は１００μｍ、回折格子の数は６個である。
図１４（ａ）に示すように、比較例２においてエッチング深さＤが１０ｎｍから２０ｎｍに変化することで、例えば１５２０ｎｍ付近および１５８０ｎｍ付近など、不要な波長帯域における反射率が上昇する。また、図１４（ｂ）に示すように、反射帯域が変化する。リング共振器１８および２０により選択した波長の光に対する反射率が低下し、所望の波長を有する光の出力が低下してしまう。
図１５（ａ）に示すように、実施例２において厚さＴ１が９０ｎｍから１００ｎｍに変化した場合の反射率の変化は、比較例２に比べて小さい。また、図１５（ｂ）に示すように反射帯域のシフト量も数ｎｍ程度であり、比較例２より小さい。したがってリング共振器１８および２０により選択した波長の光に対する反射率は高く、所望の波長を有する光を出力することができる。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０、５０、７２ 基板
１１ ＳｉＯ２層
１２、１４、１６、１７、２３、８３ 導波路
１３ Ｓｉ層
１５ テラス
１８、２０ リング共振器
１９ Ｓｉ基板
２１、２２、２４、５６、８４ 電極
３０、６０、６２ 半導体素子
３１ メサ
３２、３８ コンタクト層
３４ コア層
３６ クラッド層
４０ 埋め込み層
４２、４４ 絶縁膜
４８ オーミック電極
５２ 金属層
６４、８０、８１ 回折格子
６６ テーパ部
６８ ＧａＩｎＡｓＰ層
７０、７０ａ、７０ｂ ＩｎＰ層
７１ 開口部
７３ ブリッジ
７４ 犠牲層
７５ スタンプ
８２ マッハツェンダ干渉計
１００、２００、３００、４００ 半導体光素子

Claims (8)

  1. シリコンを含み、導波路を有する基板と、
    前記基板に接合され、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成されたコア層を含む第１半導体素子と、
    前記基板に接合された回折格子を含む第２半導体素子と、を具備し、
    前記回折格子は、第１半導体層と、前記第１半導体層を埋め込む第２半導体層とを有し、
    前記第１半導体層および前記第２半導体層はＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成され、
    前記回折格子は、前記導波路を伝搬した光を反射し、
    前記第１半導体素子および前記第２半導体素子は、前記導波路上に位置し、かつ前記導波路の延伸方向に沿って先細りのテーパ部を有する半導体光素子。
  2. 前記第１半導体層は、周期的に配置された複数のガリウムインジウム砒素リン層を含み、
    前記第２半導体層はインジウムリン層を含む請求項１に記載の半導体光素子。
  3. ２つの前記第２半導体素子が前記基板に接合され、
    前記２つの第２半導体素子のうち一方は前記第１半導体素子の一端と光結合し、他方は前記第１半導体素子の他端と光結合し、
    前記２つの第２半導体素子の反射率は互いに異なる請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
  4. 前記基板は、前記第１半導体素子と、前記２つの第２半導体素子のうち前記一方との間に位置する共振器を有し、
    前記共振器により選択される波長の光に対して、前記２つの第２半導体素子のうち前記一方の反射率は、前記他方の反射率よりも高い請求項３に記載の半導体光素子。
  5. 前記共振器は少なくとも１つのリング共振器を含む請求項４に記載の半導体光素子。
  6. 前記導波路の前記回折格子と重なる部分の幅は前記回折格子に重ならない部分の幅よりも小さい請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体光素子。
  7. 前記第２半導体素子の回折格子はＳＧ－ＤＢＲを形成する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体光素子。
  8. シリコンを含み、導波路を有する基板に、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体のコア層を含む第１半導体素子を接合する工程と、
    犠牲層、第１半導体層および第２半導体層を形成することで、回折格子を有する第２半導体素子を形成する工程と、
    前記犠牲層をエッチングすることで除去する工程と、
    前記第２半導体素子を前記基板に接合する工程と、を有し、
    前記回折格子は、前記第１半導体層と、前記第１半導体層を埋め込む前記第２半導体層とを有し、
    前記第１半導体層および前記第２半導体層はＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成され、
    前記第２半導体素子を接合する工程において、前記犠牲層を除去することで露出する前記第２半導体素子の面を前記基板に接合する半導体光素子の製造方法。
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