CN114545548A - 半导体光元件及其制造方法 - Google Patents

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semiconductor
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平谷拓生
八木英树
藤原直树
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Abstract

本发明提供具有稳定的特性的衍射光栅且机械性强度较高的半导体光元件及其制造方法。所述半导体光元件具备：衬底，其具有硅的导波路；以及半导体层，其以重叠于所述导波路之上的方式接合于所述衬底，且具有由折射率互不相同的第一半导体层以及第二半导体层形成的衍射光栅，所述导波路包含：弯曲部；以及多个直线部，它们经由所述弯曲部而彼此连接并呈直线状延伸，所述第一半导体层以及所述第二半导体层由化合物半导体形成，多个所述第二半导体层埋入到所述第一半导体层中，并沿所述直线部的延伸方向排列，所述衍射光栅位于所述多个直线部之上。

Description

半导体光元件及其制造方法
技术领域
本公开涉及半导体光元件及其制造方法。
背景技术
已知有将由化合物半导体形成的发光元件与形成导波路的SOI(Silicon OnInsulator，绝缘体上硅芯片)衬底(硅光子)接合而形成的半导体光元件(例如非专利文献1)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：B.Corbett et al.“Transfer-printing for heterogeneousintegration”OFC 2019M2D.1，2019
发明内容
发明所要解决的问题
能够通过衍射光栅控制光的波长。例如在SOI衬底的硅(Si)上设置作为衍射光栅而发挥功能的凹凸。衍射光栅的特性由凹凸的深度决定。然而，由于Si和空气的折射率之差较大，因此衍射光栅的特性会因凹凸的深度的偏差而变化较大。
也可以将形成衍射光栅的化合物半导体的元件接合于SOI衬底上。由于化合物半导体和空气的折射率差比Si和空气的折射率差小，因此衍射光栅的特性的控制性得以提高。另一方面，例如若为了提高反射率而加长衍射光栅，则元件也会变长。由于沿一个方向较长的元件的机械性强度较低，因此在接合时等容易产生形变。因此，本发明的目的在于提供具有稳定的特性的衍射光栅且机械性强度较高的半导体光元件。
用于解决问题的手段
本公开所涉及的半导体光元件具备：衬底，其具有硅的导波路；以及半导体层，其以重叠于所述导波路之上的方式接合于所述衬底，且具有由折射率互不相同的第一半导体层以及第二半导体层形成的衍射光栅，所述导波路包含：弯曲部；以及多个直线部，它们经由所述弯曲部而彼此连接并呈直线状延伸，所述第一半导体层以及所述第二半导体层由化合物半导体形成，多个所述第二半导体层埋入到所述第一半导体层中，并沿所述直线部的延伸方向排列，所述衍射光栅位于所述多个直线部之上。
本公开所涉及的半导体光元件的制造方法具备将具有由折射率互不相同的第一半导体层以及第二半导体层形成的衍射光栅的半导体层接合于具有硅的导波路的衬底的工序，所述导波路包含：弯曲部；以及多个直线部，它们经由所述弯曲部而彼此连接并呈直线状延伸，所述第一半导体层以及所述第二半导体层由化合物半导体形成，多个所述第二半导体层埋入到所述第一半导体层中，并沿所述直线部的延伸方向排列，将所述半导体层接合于所述衬底的工序是以使所述衍射光栅沿所述直线部的延伸方向、且位于所述多个直线部之上的方式对所述半导体层进行接合的工序。
发明效果
根据本公开，能够提供具有稳定的特性的衍射光栅且机械性强度较高的半导体光元件及其制造方法。
附图说明
图1A是对实施方式所涉及的半导体光元件进行示例的俯视图。
图1B是沿图1A的线A-A的剖视图。
图1C是沿图1A的线B-B的剖视图。
图2是对衍射光栅的反射特性进行示例的图。
图3A是对半导体层的制造方法进行示例的俯视图。
图3B是沿图3A的线C-C的剖视图。
图4A是对半导体层的制造方法进行示例的俯视图。
图4B是沿图4A的线C-C的剖视图。
图5A是对半导体层的制造方法进行示例的俯视图。
图5B是沿图5A的线C-C的剖视图。
图6A是对半导体层的制造方法进行示例的俯视图。
图6B是沿图6A的线C-C的剖视图。
图7A是对半导体层的制造方法进行示例的俯视图。
图7B是沿图7A的线C-C的剖视图。
图7C是对半导体层与衬底的接合的工序进行示例的剖视图。
图8是对比较例所涉及的半导体元件进行示例的俯视图。
图9是对第二实施方式所涉及的半导体光元件进行示例的俯视图。
图10A是对半导体层附近进行放大的俯视图。
图10B是沿图10A的线B-B的剖视图。
图11是对第三实施方式所涉及的半导体光元件进行示例的俯视图。
附图标记说明
10、10R、11、30：衬底；
10a、10b：端部；
12：氧化硅层；
13：硅层；
14、42：导波路；
14a1～14a3、42a1、42a2、52：直线部；
14b1、14b2、42b、54：弯曲部；
20、20R、60、64：半导体层；
20a：面；
21、66：衍射光栅；
21a：部分衍射光栅；
22、22a、22b：InP层；
24：GaInAsP层；
31：开口部；
32：牺牲层；
33：桥；
35：戳；
46、48、44、45、50、70：电极；
51：焊盘；
100、100R、200、300：半导体光元件。
具体实施方式
[本公开的实施方式的说明]
首先，罗列本公开的实施方式的内容来进行说明。
本公开的一个方式为，(1)半导体光元件具备：衬底，其具有硅的导波路；以及半导体层，其以重叠于所述导波路之上的方式接合于所述衬底，且具有由折射率互不相同的第一半导体层以及第二半导体层形成的衍射光栅，所述导波路包含：弯曲部；以及多个直线部，它们经由所述弯曲部而彼此连接并呈直线状延伸，所述第一半导体层以及所述第二半导体层由化合物半导体形成，多个所述第二半导体层埋入到所述第一半导体层中，并沿所述直线部的延伸方向排列，所述衍射光栅位于所述多个直线部之上。由于导波路具有弯曲部，因此可以不使一个方向形成得较长。由于半导体层也与导波路同样地不沿一个方向形成得较长，因此半导体层的机械性强度得以提高。能够抑制由第二半导体层的厚度的变化导致的衍射光栅的特性的偏差，并获得稳定的特性。
(2)可以是，所述多个第二半导体层横跨所述多个直线部。通过沿多个直线部分别配置衍射光栅，能够获得优异的特性。
(3)可以是，所述衍射光栅包含多个部分衍射光栅，所述多个部分衍射光栅沿所述直线部排列。通过沿多个直线部分别配置多个部分衍射光栅，能够获得优异的特性。
(4)可以是，所述衍射光栅包含多个部分衍射光栅，所述多个部分衍射光栅沿所述直线部周期性排列，形成SG-DBR。通过沿多个直线部分别配置多个部分衍射光栅，能够获得优异的反射特性。
(5)可以是，所述第一半导体层包含磷化铟，所述第二半导体层包含镓铟砷磷。能够抑制衍射光栅的特性的偏差，并获得稳定的特性。
(6)可以是，所述多个直线部彼此沿相同方向延伸。可以使导波路不会沿直线部的方向形成得较长。由于半导体层也与导波路同样地不会沿一个方向形成得较长，因此半导体层的机械性强度得以提高。
(7)可以是，所述导波路包含三个以上的所述直线部，所述衍射光栅位于所述三个以上的直线部之上。可以使导波路不会沿直线部的方向形成得较长。由于半导体层也与导波路同样地不会沿一个方向形成得较长，因此半导体层的机械性强度得以提高。
(8)可以是，在所述半导体层的端部中的所述导波路的所述直线部上的部分，沿所述直线部设置有尖头的锥部。能够提高半导体层和导波路的耦合效率，抑制光的损失。
(9)可以是，所述半导体光元件具备沿所述导波路而设置于所述半导体层的加热器。通过使加热器沿弯曲的导波路设置，在加热器间热会进行传导。能够抑制电力的消耗量，进行高效的温度变化以及波长的抑制。
(10)可以是，所述半导体光元件具备接合于所述衬底且由化合物半导体形成的具有光学增益的增益区域，所述半导体层对从所述增益区域射出的光进行反射。由于衍射光栅具有较高的反射率，因此能够抑制光的损失，使光向增益区域侧反射。
(11)半导体光元件的制造方法具备将具有由折射率互不相同的第一半导体层以及第二半导体层形成的衍射光栅的半导体层接合于具有硅的导波路的衬底的工序，所述导波路包含：弯曲部；以及多个直线部，它们经由所述弯曲部而彼此连接并呈直线状延伸，所述第一半导体层以及所述第二半导体层由化合物半导体形成，多个所述第二半导体层埋入到所述第一半导体层中，并沿所述直线部的延伸方向排列，将所述半导体层接合于所述衬底的工序是以使所述衍射光栅沿所述直线部的延伸方向、且位于所述多个直线部之上的方式对所述半导体层进行接合的工序。由于导波路具有弯曲部，因此可以不使一个方向形成得较长。由于半导体层也与导波路同样地不会沿一个方向形成得较长，因此半导体层的机械性强度得以提高。能够抑制第二半导体层的厚度的变化导致的衍射光栅的特性的偏差，并获得稳定的特性。
[本公开的实施方式的详细内容]
对本公开的实施方式所涉及的半导体光元件及其制造方法的具体例，在以下一边参照附图一边进行说明。此外，本公开不限于这些示例，而由权利要求书进行表示，以期包含在与权利要求书等同的意思以及范围内的全部的变更。
＜第一实施方式＞
(半导体光元件)
图1A是对实施方式所涉及的半导体光元件100进行示例的俯视图。图1B是沿图1A的线A-A的剖视图。图1C是沿图1A的线B-B的剖视图。如图1A至图1C所示，半导体光元件100具有衬底10以及半导体层20。在图1A中对半导体层20进行透视。
如图1B以及图1C所示，衬底10是具有依次层叠了的硅的衬底11、氧化硅(SiO2)层12、以及硅层(Si层)13而成的SOI衬底。SiO2层12的厚度例如是2μm。Si层13的厚度例如是220nm。在衬底10中的Si层13之中，如后所述设置有导波路14以及槽15。在衬底10的Si层13的上表面接合有半导体层20。可以设置对衬底10以及半导体层20进行覆盖的绝缘膜。衬底10的两个边沿X轴方向延伸，其他两个边沿Y轴方向延伸。Z轴方向是衬底11、SiO2层12、以及Si层13的层叠方向。X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向彼此正交。
例如，图1A所示的衬底10的X轴方向的长度L1是0.6mm，Y轴方向的长度L2是0.4mm。半导体层20的X轴方向的长度L3是0.4mm，Y轴方向的长度例如与衬底10相同。衬底10的端面施加了涂布以防止光的反射。以衬底10的X轴方向的端部中的一方为端部10a，以另一方为端部10b。
如图1A所示，导波路14具有三个直线部14a1～14a3以及两个弯曲部14b1～14b2。直线部14a1～14a3沿X轴方向延伸。三个直线部14a1～14a3依次地沿Y轴方向排列，且彼此分离。
弯曲部14b1以及14b2例如是圆弧状。弯曲部14b1是朝向从与衬底10的端部10b靠近的方向离开的方向而成180°折回的形状。弯曲部14b2是朝向从与衬底10的端部10a靠近的方向离开的方向而成180°折回的形状。在弯曲部14b1以及14b2中，弯曲部14b1靠近端部10b，弯曲部14b2靠近端部10a。
直线部14a1的一端位于衬底10的端部10a，另一端与弯曲部14b1的一端连接。直线部14a2的一端与弯曲部14b1的另一端连接，直线部14a2的另一端与弯曲部14b2的一端连接。直线部14a3的一端与弯曲部14b2的另一端连接，另一端位于衬底10的端部10b处。
如图1C所示，在直线部14a1～14a3的Y轴方向的两侧设置有槽15。在弯曲部14b1以及14b2的两侧也设置有槽15。槽15的内侧例如可以埋入空气，也可以埋入SiO2等绝缘体。Si层13的平面(平台17)位于槽15的外侧。在Z轴方向，导波路14的上表面与平台17的上表面位于同一高度。
半导体层20例如由III-V族化合物半导体形成，并与衬底10的上表面接合。如图1A所示，半导体层20对导波路14的三个直线部14a1～14a3以及两个弯曲部14b1以及14b2之上进行覆盖，与导波路14进行光耦合。在半导体层20的端部中的直线部14a1或14a3上的部分，沿直线部的延伸方向设置有尖头的锥部23。其中一个锥部23位于导波路14的直线部14a1之上，从半导体层20朝向衬底10的端部10a而变尖。另一个锥部23位于直线部14a3之上，从半导体层20朝向衬底10的端部10b而变尖。锥部23对半导体层20的端部中的光的反射进行抑制，由此半导体层20和导波路14的耦合效率变高。也可以在导波路14的直线部14a1以及14a3设置与锥部23对应的形状的锥部。
如图1B以及图1C所示，半导体层20具有磷化铟(InP)层22、以及镓铟砷磷(GaInAsP)层24。如图1B所示，多个GaInAsP层24沿X轴方向周期性排列，并埋入InP层22内。多个GaInAsP层24在Y轴方向横跨导波路14的直线部14a1～14a3。
GaInAsP层24的折射率与InP层22的折射率不同。InP层22和GaInAsP层24所交替排列的部分作为衍射光栅21而发挥功能。如图1A以及图1B所示，衍射光栅21包含多个部分衍射光栅21a，作为SG-DBR(Sampled Grating-Distributed Bragg Reflector，采样光栅分布式布拉格反射器)区域而发挥功能。多个部分衍射光栅21a彼此分离，沿X轴方向排列。图1A所示的、相邻的部分衍射光栅21a间的周期P例如是100μm。一个部分衍射光栅的X轴方向的长度L4例如是10μm。部分衍射光栅21a横贯三个直线部14a1～14a3之上，与直线部正交。
从图1A的端部10a以及10b的任一者向导波路14射入光。光在导波路14传输，被衍射光栅21反射。在图1A的例子中，在三个直线部14a1～14a3上，分别配置有三个部分衍射光栅21a。因而得到与在导波路14之上配置九个部分衍射光栅的结构等同的特性。在图中，部分衍射光栅21a的数量是三个，但可以是两个，也可以是三个以上。
在图1B以及图1C中，衬底10的上表面以及半导体层20的上表面向空气露出。为了保护衬底10以及半导体层20，可以用绝缘膜(在图1B以及图1C中未图示)覆盖衬底10以及半导体层20。绝缘膜例如是由二氧化硅(SiO2)等形成的无机绝缘膜。绝缘膜的厚度例如设为1μm等。为了对来自半导体层20的光的渗出量进行控制，优选绝缘膜的厚度例如是0.8μm以上。为了对由应力导致的衍射光栅21的特性的变化进行抑制，优选绝缘膜的厚度是2μm以下。
图2是对衍射光栅21的反射特性进行示例的图。横轴表示光的波长，纵轴表示反射率。设为一个部分衍射光栅21a的长度L＝10μm，周期P＝100μm，部分衍射光栅21a的个数＝2个，半导体层20的厚度T1＝0.2μm，半导体层20的GaInAsP层24的厚度T2＝90nm，以此进行反射特性的计算。通过在三个直线部14a1～14a3上分别设置两个部分衍射光栅21a，从而得到与配置六个部分衍射光栅的情况相同的特性。如图2所示，在1500nm～1600nm的范围的多个波长得到反射率的峰值。在半导体层20之上设置绝缘膜的情况下，考虑到绝缘膜和空气的折射率不同，优选使GaInAsP层24形成得较厚。在设置了绝缘膜的情况下，也得到与图2相同的反射率。
(制造方法)
在半导体光元件100的制造中，使用用于制造衬底10的SOI衬底的晶圆、以及用于制造半导体层20的化合物半导体的晶圆。
晶圆状态的SOI衬底具有多个供半导体光元件100形成的区域。对SOI衬底进行蚀刻，在该区域分别形成导波路14。具体而言，进行抗蚀剂图案化，用抗蚀剂覆盖成为导波路14以及平台17的部分，使成为槽15的部分从抗蚀剂露出。对从抗蚀剂露出的Si层13例如进行干法蚀刻，从而形成槽15。在由抗蚀剂保护了的部分形成导波路14以及平台17。
图3A、图4A、图5A、图6A以及图7A是对半导体层20的制造方法进行示例的俯视图。图3B、图4B、图5B、图6B、图7B是对应的俯视图的沿线C-C的剖视图。图7C是对半导体层20和衬底10的接合的工序进行示例的剖视图。
如图3A以及图3B所示，例如通过有机金属气相生长法(OMVPE：Organo metallicVapor Phase Epitaxy)等，在晶圆状的衬底30的上表面，依次外延生长牺牲层32、InP层22a、GaInAsP层24以及InP层22b。衬底30例如由InP形成，牺牲层32例如由铝铟砷(AlInAs)形成。
例如通过电子束绘制等在InP层22b之上形成抗蚀剂图案。利用使用了甲烷(CH4)以及氢(H2)系气体的干法蚀刻，如图4A以及图4B所示对InP层22b以及GaInAsP层24进行蚀刻，形成InP层22b以及GaInAsP层24的图案。
如图5A以及图5B所示，通过OMVPE法等外延生长InP层。InP层与InP层22a以及22b形成一体，形成埋入有GaInAsP层24的InP层22。
如图6A以及图6B所示，通过对InP层22以及牺牲层32中的比GaInAsP层24靠外侧的部分进行干法蚀刻，形成开口部31。开口部31包围GaInAsP层24，牺牲层32的侧面、以及衬底30的正面从开口部31露出。如图6A所示，开口部31的内侧和外侧通过桥33连接。
如图7A以及图7B所示，利用湿法蚀刻除去牺牲层32，形成半导体层20。半导体层20的下侧的面20a在湿法蚀刻后露出。半导体层20由桥33支承。
如图7C所示，使树脂制成的戳35(PDMS)与半导体层20的上表面接触。在戳35将半导体层20提起时桥33被切断，半导体层20从衬底30分离。通过戳35而将半导体层20运送到衬底10上，使面20a与衬底10接触，使半导体层20朝向衬底10而进行加压，由此将半导体层20接合于衬底10。接合之后，在半导体层20形成抗蚀剂图案。在不被抗蚀剂图案保护的部分，通过进行使用了甲烷/氢系的气体(CH4以及H2)的干法蚀刻等，形成如图1A所示的锥部23。接合后，通过对SOI衬底进行切片，形成多个半导体光元件100。如上所述，可以设置对衬底10和半导体层20进行覆盖的绝缘膜。在设置绝缘膜的情况下，在切片之前使用化学气相生长法(CVD：Chemical Vapor Deposition)或溅射法等，在衬底10的上表面以及半导体层20的上表面沉积SiO2的绝缘膜。
图8是对比较例所涉及的半导体元件100R进行示例的俯视图。半导体元件100R具有衬底10R以及半导体层20R。衬底10R的导波路14是直线状，沿X轴方向延伸，不具有弯曲部。半导体层20R接合于衬底10R，具有衍射光栅21。衍射光栅21包含多个部分衍射光栅21a。部分衍射光栅21a位于导波路14之上，沿X轴方向排列。
由于多个部分衍射光栅21a形成SG-DBR，因此得到较高的反射率。然而为了使多个部分衍射光栅21a在导波路14上排列，半导体层20R沿X轴方向形成得较长。半导体层20R的X轴方向的长度L5例如是2mm等，为0.5mm以上。Y轴方向的长度L6例如是0.5mm，为小于L5。半导体层20R的长宽比L5/L6变大，机械性强度降低。例如存在通过接合的工序等而在半导体层20R产生形变等、产生波长的变化等的隐患。
根据第一实施方式，导波路14具有直线部14a1～14a3以及弯曲部14b1及14b2，因此与如比较例那样导波路14为直线状的情况相比，导波路14在X轴方向上变得较短。接合于导波路14之上的半导体层20的X轴方向的长度L3也变小，半导体层20的长宽比L3/L2降低。换言之，与图8所示的细长的半导体层20R相比，图1A所示的半导体层20的平面形状接近正方形，半导体层20的机械性强度提高。在接合的工序等中难以在半导体层20产生形变，特性的变差得以抑制。
若衬底10的Si层13形成衍射光栅，则由于Si和空气的折射率差变大，从而因Si层13的蚀刻深度的偏差而特性变化较大。本实施方式的衍射光栅21由InP层22、以及在InP层22中埋入的GaInAsP层24形成。这些层的折射率差小于Si和空气的折射率差。对由GaInAsP层24的厚度的偏差等导致的特性的变化进行抑制，衍射光栅21的特性得以稳定。
由于GaInAsP层24埋入InP层22，因此衍射光栅21中的折射率的分布在上下方向(Z轴方向)对称。因此能够抑制散射损失。例如能够调整OMVPE法中的气体的流量以及生长时间等，控制InP层22的厚度以及GaInAsP层24的厚度T2，调整有效的折射率。衍射光栅21可以由InP以及GaInAs以外的化合物半导体形成，尤其是通过由III-V族化合物半导体形成而能够使特性稳定。使折射率不同的多个化合物半导体层作为衍射光栅21而发挥功能。
由于半导体层20横跨导波路14的三个直线部14a1～14a3之上，因此在直线部上分别形成有衍射光栅21。得到与如比较例那样在较长的导波路14之上配置了衍射光栅21的例子同样的优异的特性。例如，如图1A所示，衍射光栅21的三个部分衍射光栅21a横跨于导波路14的三个直线部14a1～14a3之上。得到与在导波路14之上配置了九个部分衍射光栅的结构同程度的特性。
多个部分衍射光栅21a沿导波路14的直线部14a1～14a3周期性排列，形成SG-DBR区域。衍射光栅21具有如图2的那样的反射特性，对在导波路14传输的光进行反射。部分衍射光栅21a的数量可以是两个，也可以是三个以上。多个部分衍射光栅21a可以等间隔地进行排列，也可以隔开不同的间隔地进行排列。衍射光栅21可以不作为SG-DBR而发挥功能，也可以不包含部分衍射光栅21a。
如图1A所示，导波路14的弯曲部14b1以及14b2是180°折回的形状，直线部14a1～14a3沿相同方向(X轴方向)延伸。导波路14沿X轴方向变短，半导体层20也与导波路14同样地沿X轴方向变短。半导体层20的长宽比变小，机械性强度得以提高。由于衍射光栅21在Y轴方向横跨三个直线部14a1～14a3，因此得到与在直线部14a1～14a3分别设置了衍射光栅21的结构相同的特性。直线部以及弯曲部的数量可以变更。导波路14只要具备两个以上的直线部、以及将多个直线部连接的弯曲部即可。弯曲部可以是圆弧状，也可以是椭圆弧状。多个弯曲部的形状可以不同，但优选为相同。多个弯曲部中的光路变得相同。
衬底10的槽15是空洞，由空气填满。由于由Si形成的导波路14和空气的折射率差较大，因此导波路14的横向的光阻隔较强。抑制了导波路14的弯曲部14b1以及14b2中的光的损失。例如考虑有效的折射率等，来决定弯曲部14b1以及14b2的曲率半径以及半导体层20的厚度，以抑制光的损失。
如图1A所示，在半导体层20的端部中的导波路14之上设置有锥部23。通过锥部23对端部中的光的反射进行抑制，能够提高半导体层20和导波路14的耦合效率，减少光的损失。
如图7C所示，使用将在化合物半导体的晶圆中形成的半导体层20向衬底10上移动并接合的转印。由于蚀刻后的面20a是平坦的，且使面20a与衬底10的上表面接触，因此接合强度变高。接合也可以使用转印以外的方法。
＜第二实施方式＞
图9是对第二实施方式所涉及的半导体光元件200进行示例的俯视图。图10A是将半导体层20附近放大的俯视图。图10B是沿图10A的线B-B的剖视图。如图9所示，半导体光元件200是具有衬底10、半导体层20、60及64、电极50的混合型的波长可变激光元件。对与第一实施方式相同的结构省略说明。
衬底10是SOI衬底，如图9所示设置有导波路14及42、环形谐振器40。从衬底10的端部10a侧朝向端部10b侧，排列有半导体层20、半导体层60(增益区域)、以及环形谐振器40。绝缘膜56例如由SiO2等绝缘体形成，如图10B所示对衬底10以及半导体层20进行覆盖，进一步地对如图9所示的半导体层60以及64进行覆盖。
如图9所示，在衬底10的端部10b侧，沿Y轴方向依次排列有导波路14的直线部14a3、环形谐振器40以及导波路42。导波路42具有两个直线部42a1以及42a2、以及一个弯曲部42b。直线部42a1以及42a2沿X轴方向延伸，与导波路14的直线部14a3在Y轴方向上排列。弯曲部42b例如呈180°折回。在弯曲部42b的一端连接有直线部42a1，在另一端连接有直线部42a2。直线部42a2的一端位于衬底10的端部10b。与图10B所示的导波路14同样地，在导波路42以及环形谐振器40的两侧设置有槽15。导波路14以及42、环形谐振器40的上表面与平台17的上表面位于同一平面。
在衬底10的上表面接合有半导体层20、60及64。与第一实施方式同样地，半导体层20对导波路14的直线部14a1～14a3以及弯曲部14b1～14b2之上进行覆盖。
如图10A所示，电极50包含焊盘51、直线部52以及弯曲部54，例如由钛以及钨的合金(TiW)等金属形成，并设置于绝缘膜56的上表面。焊盘51从半导体层20分离。电极50的直线部52以及弯曲部54沿导波路14而设置于半导体层20之上。弯曲部54位于导波路14的弯曲部14b1以及14b2之上。如图10B所示，电极50的直线部52位于导波路14的直线部14a1～14a3之上。焊盘51、直线部52以及弯曲部54例如为同一金属层，且进行了电连接。
如图9所示，半导体层60位于半导体层20和环形谐振器40之间，且设置于直线部14a3之上。半导体层60例如包含从衬底10侧依次层叠了的n型包覆层、芯层以及p型包覆层，具有光学增益。n型包覆层例如由n型磷化铟(n-InP)形成。p型包覆层例如由p-InP形成。芯层例如包含由非掺杂的镓铟砷磷(i-GaInAsP)形成的多个阱层以及屏障层，具有重叠量子阱结构(MQW：Multi Quantum Well)。在半导体层60的端部、且导波路14之上的部分，沿X轴方向设置有尖头的锥部62。半导体层60与导波路14进行倏逝(evanescent)光耦合。
电极46例如包含金、锗以及Ni的合金(AuGeNi)、及Au的配线层等，与半导体层60的n型包覆层连接。电极48例如包含钛、铂以及金的层叠体(Ti/Pt/Au)，以及Au的配线层等，与p型包覆层连接。
半导体层64具有衍射光栅66，设置于导波路42的直线部42a2之上。衍射光栅66例如沿导波路42而设置，作为DBR区域而发挥功能。在半导体层64的X轴方向的两端、且导波路42之上的部分，沿X轴方向设置有尖头的锥部65。半导体层64的衍射光栅66与半导体层20的衍射光栅21同样地由InP层以及InGaAsP层形成。
环形谐振器40与导波路14的直线部14a3以及导波路42的直线部42a1光耦合。电极45设置于绝缘膜56之上以及环形谐振器40之上。电极44设置于绝缘膜56之上以及导波路14的直线部14a3之上，位于半导体层60和环形谐振器40之间。电极44以及45例如由钛以及钨的合金(TiW)等金属形成。
通过向电极46以及48施加电压，向半导体层60的芯层注入载流子。通过注入载流子在半导体层60生成的光从半导体层60向导波路14转移，在导波路14传输。光向半导体层20以及环形谐振器40射入。
利用半导体层20的衍射光栅21和环形谐振器40之间的游标效应，使激光振荡。半导体层20的衍射光栅21例如具有图2所示那样的特性。环形谐振器40也与衍射光栅21同样地具有包含多个峰值的特性。衍射光栅21以及环形谐振器40一起以成为峰值的波长使激光振荡。光的一部分从导波路14向导波路42转移。半导体层64的衍射光栅66的反射率比衍射光栅21低，因此光透过半导体层64，从导波路42的直线部42a2的端部向半导体光元件200外射出。
电极44、45以及50作为加热器而发挥功能。通过使电流在电极44流动，而使导波路14的温度发生变化。通过使电流在电极45流动而使环形谐振器40的温度发生变化。通过温度变化能够使导波路14以及环形谐振器40的折射率变化，从而改变光路长。通过向电极50的焊盘51施加电压，使电流在直线部52以及弯曲部54流动，而使衍射光栅21的温度变化，使折射率变化。通过折射率的变化例如能够使图2的反射率的峰值发生偏移，来调整振荡波长。
(制造方法)
在半导体光元件200的制造中例如使用四个晶圆。四个晶圆是指：用于制造衬底10的SOI衬底的晶圆、用于制造半导体层20的化合物半导体的晶圆、用于制造半导体层60的晶圆、以及用于制造半导体层64的晶圆。
对晶圆状态的衬底10的Si层13进行干法蚀刻等，形成导波路14以及42、环形谐振器40。通过与第一实施方式相同的制造方法制造半导体层20。也与半导体层20同样地通过OMVPE法等使各个晶圆生长半导体，通过进行切片而形成半导体层60及64。
将半导体层20、60及64接合于衬底10。接合后，利用抗蚀剂图案化以及蚀刻，在半导体层20形成锥部23，在半导体层64形成锥部65。在半导体层60形成包含芯层的台面、锥部62。通过溅射法等形成绝缘膜56。例如通过蒸镀法等，在绝缘膜56之上形成电极44、45、46、48及50。
根据第二实施方式，与第一实施方式同样地，将半导体层20接合于弯曲的导波路14之上。通过使半导体层20的长宽比L3/L2降低，机械性强度得以提高。难以在半导体层20产生形变，从而抑制特性的变差。
由于衍射光栅21由InP层22以及GaInAsP层24形成，因此衍射光栅21的特性得以稳定。衍射光栅21的三个部分衍射光栅21a横跨导波路14的三个直线部14a1～14a3，作为SG-DBR而发挥功能。得到与在导波路14之上设置了九个部分衍射光栅的结构同程度的特性。在导波路14传输的光在衍射光栅21和环形谐振器40之间反射，利用衍射光栅21和环形谐振器40之间的游标效应而进行激光振荡。半导体光元件200可以具有两个以上的环形谐振器，也可以具有环形谐振器40以外的光学元件。
通过向电极44、45及50通电而使导波路14、环形谐振器40以及衍射光栅21的温度发生变化，由此能够改变光的波长。如图10A以及图10B所示，电极50设置于半导体层20，具有与导波路14对应的形状的直线部52以及弯曲部54。由于在Y轴方向排列有三个直线部52，因此热在相邻的直线部52间传递。因而，能够抑制电力的消耗量，进行高效的温度变化以及波长的抑制。电极50的形状只要设置成与导波路14的形状对应的形状即可。
＜第三实施方式＞
图11是对第三实施方式所涉及的半导体光元件300进行示例的俯视图，对半导体层20附近进行放大。在半导体层20设置有电极50以及两个电极70。电极以外的构成与第二实施方式相同。
电极50不具有弯曲部54，未设置于导波路14的弯曲部14b1～14b3之上。两个电极70中的一方设置于弯曲部14b1之上，另一方设置于弯曲部14b2之上。电极70作为对弯曲部14b1以及14b2的温度进行控制的加热器而发挥功能。电极50和电极70彼此分离，独立地进行动作。
根据第三实施方式，与第一实施方式以及第二实施方式同样地，半导体层20的机械性强度得以提高。由于衍射光栅21由InP层22以及GaInAsP层24形成，因此衍射光栅21的特性得以稳定。能够利用衍射光栅21和环形谐振器40之间的游标效应进行激光振荡。
在图11中将多个部分衍射光栅21a中的最右侧的部分衍射光栅与弯曲部14b1之间的距离设为X1，将最左侧的部分衍射光栅与弯曲部14b2之间的距离设为X2。若距离X1和距离X2相等，则光路长为同等程度，光的损失被抑制。然而，在半导体层20的接合之时有时产生位置偏移而距离X1与距离X2成为不同的大小。通过在弯曲部14b1以及14b2中设置的电极70，使弯曲部14b1以及14b2的温度变化，对弯曲部14b1以及14b2的折射率进行调整。通过利用折射率的变化来补偿位置偏移而能够抑制光路长的偏差，从而减少光的损失。
以上，对本公开的实施方式进行了详述，但本公开不限于特定的实施方式，可以在权利要求书所记载的本公开的主旨的范围内进行各种的变形、变更。

Claims (11)

1.一种半导体光元件，其特征在于，所述半导体光元件具备：
衬底，其具有硅的导波路；以及
半导体层，其以重叠于所述导波路之上的方式接合于所述衬底，且具有由折射率互不相同的第一半导体层以及第二半导体层形成的衍射光栅，
所述导波路包含：弯曲部；以及多个直线部，它们经由所述弯曲部而彼此连接并呈直线状延伸，
所述第一半导体层以及所述第二半导体层由化合物半导体形成，
多个所述第二半导体层埋入到所述第一半导体层中，并沿所述直线部的延伸方向排列，
所述衍射光栅位于所述多个直线部之上。
2.根据权利要求1所述的半导体光元件，其特征在于，所述多个第二半导体层横跨所述多个直线部。
3.根据权利要求1或2所述的半导体光元件，其特征在于，
所述衍射光栅包含多个部分衍射光栅，
所述多个部分衍射光栅沿所述直线部排列。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体光元件，其特征在于，
所述衍射光栅包含多个部分衍射光栅，
所述多个部分衍射光栅沿所述直线部周期性排列，形成SG-DBR。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体光元件，其特征在于，
所述第一半导体层包含磷化铟，
所述第二半导体层包含镓铟砷磷。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体光元件，其特征在于，所述多个直线部彼此沿相同方向延伸。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的半导体光元件，其特征在于，
所述导波路包含三个以上的所述直线部，
所述衍射光栅位于所述三个以上的所述直线部之上。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的半导体光元件，其特征在于，在所述半导体层的端部中的所述导波路的所述直线部上的部分，沿所述直线部设置有尖头的锥部。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的半导体光元件，其特征在于，所述半导体光元件具备沿所述导波路而设置于所述半导体层的加热器。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的半导体光元件，其特征在于，所述半导体光元件具备接合于所述衬底且由化合物半导体形成的具有光学增益的增益区域，所述半导体层对从所述增益区域射出的光进行反射。
11.一种半导体光元件的制造方法，其特征在于，
所述制造方法具备将具有由折射率互不相同的第一半导体层以及第二半导体层形成的衍射光栅的半导体层接合于具有硅的导波路的衬底的工序，
所述导波路包含：弯曲部；以及多个直线部，它们经由所述弯曲部而彼此连接并呈直线状延伸，
所述第一半导体层以及所述第二半导体层由化合物半导体形成，
多个所述第二半导体层埋入到所述第一半导体层中，并沿所述直线部的延伸方向排列，
将所述半导体层接合于所述衬底的工序是以使所述衍射光栅沿所述直线部的延伸方向、且位于所述多个直线部之上的方式对所述半导体层进行接合的工序。
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