JP2000174376A - 半導体導波路素子の製造方法及び構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パッシブ導波路とアクティブ素子との境界部
において光回路を精度良く作製でき、これらを極めて滑
らかにかつ連続的に接続できる半導体導波路素子の製造
方法及び構造を提供する。 【解決手段】 半導体基板１上にパッシブ導波路２０と
アクティブ素子３０とをモノリシックに集積する半導体
導波路素子の製造方法及び構造において、半導体基板１
上に、パッシブ導波路構造層をエピタキシャル成長し、
これに連続してアクティブ素子となるダブルヘテロ構造
層をエピタキシャル成長し、その表面に上記パッシブ導
波路２０とアクティブ素子３０とを接続する光回路４０
をパターンニングし、その光回路４０となる領域以外の
領域をエッチングで除去して光回路４０を形成した後、
アクティブ素子３０として用いる領域以外の領域のダブ
ルヘテロ構造層を選択エッチングで除去してパッシブ導
波路２０とアクティブ素子３０とを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体導波路素子
の製造方法及び構造に係り、特に高密度波長多重伝送に
用いられる光デバイス用の半導体導波路素子の製造方法
及び構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高密度波長多重伝送に用いられる光デバ
イス用の半導体導波路素子の構造として、一つの半導体
基板上に、アレイ導波路型回折格子のような光の伝搬特
性を利用して機能するパッシブな導波路構造と、発光や
受光のようなアクティブな動作をするアクティブ素子構
造の両方の構造が形成されたモノリシック集積素子が知
られている。

【０００３】このモノリシック集積素子を製造する方法
として、パッシブ導波路構造とアクティブ素子構造の両
方の構造を１回の結晶成長で作製するために、これらの
構造を上下に重ねる方法は、最も一般的に行われている
ものである。

【０００４】従来、この種の半導体導波路素子の製造方
法としては、半導体基板上にアンダークラッド層、コア
層、オーバークラッド層の順で積層した導波路構造の層
と、さらにその上にダブルヘテロ構造を成す層とを連続
積層してエピタキシャル成長した後、アクティブ素子と
して用いる領域以外の領域（パッシブ導波路として用い
る領域）のダブルヘテロ構造層を選択エッチングで除去
し、しかる後にアクティブ素子として用いる領域のダブ
ルヘテロ構造層上に光回路を形成する方法か、もしくは
選択エッチングした領域（パッシブ導波路として用いる
領域）をさらにオーバークラッド層と同一の結晶で埋込
み成長した後で、これらダブルヘテロ構造層とオーバー
クラッド層上に光回路を形成する方法が用いられてい
る。

【０００５】すなわち、従来は、アクティブ素子を作製
する領域以外のアクティブ素子構造層を選択エッチング
で除去して、アクティブ素子領域とパッシブ導波路領域
の切り分けを行った後、この上から光回路のパターンニ
ングを行っている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術の前者の方法においては、光回路を形成する前に
エッチングを行うと、エッチングした半導体基板の、パ
ッシブな導波路領域とアクティブな素子領域との境界部
にアンダーカット等による段差が生じるため、フォトリ
ソグラフィによって光回路を形成する際にこの境界部で
パターンが変形してしまい、滑らかに精度良くパターン
を形成することが困難である。さらにこの方法で作製さ
れた導波路はオーバークラッドがないか、薄く、このた
め、この導波路を通る光のスポット形状が極めて非対称
であり、この製造方法は、偏波依存性が少なくかつ安定
なシングルモード導波路を作製するのには適さない。

【０００７】一方、後者の方法においても、選択エッチ
ングした領域の埋込み成長時に、パッシブな導波路領域
とアクティブな素子領域との境界部に異常成長による多
くの突起やへこみ等が発生してしまい、これが高精度な
光回路のパターンニングの大きな障害となった。

【０００８】そこで、本発明の目的は、パッシブ導波路
とアクティブ素子との境界部において光回路を精度良く
作製でき、その結果パッシブ導波路とアクティブ素子が
極めて滑らかにかつ連続的に接続できる新規な半導体導
波路素子の製造方法及び構造を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に請求項１の発明は、半導体基板上にパッシブ導波路と
アクティブ素子とをモノリシックに集積する半導体導波
路素子の製造方法において、半導体基板上に、パッシブ
導波路構造層をエピタキシャル成長し、これに連続して
アクティブ素子となるダブルヘテロ構造層をエピタキシ
ャル成長し、その表面に上記パッシブ導波路とアクティ
ブ素子とを接続する光回路をパターンニングし、その光
回路となる領域以外の領域をエッチングで除去して光回
路を形成した後、アクティブ素子として用いる領域以外
の領域のダブルヘテロ構造層を選択エッチングで除去し
て形成する方法である。

【００１０】請求項２の発明は、半導体基板上にパッシ
ブ導波路とアクティブ素子とをモノリシックに集積する
半導体導波路素子の構造において、半導体基板上に、パ
ッシブ導波路構造層をエピタキシャル成長し、これに連
続してアクティブ素子となるダブルヘテロ構造層をエピ
タキシャル成長し、その表面に上記パッシブ導波路とア
クティブ素子とを接続する光回路をパターンニングし、
その光回路となる領域以外の領域をエッチングして光回
路を形成した後、アクティブ素子として用いる領域以外
の領域のダブルヘテロ構造層を選択エッチングで除去し
て形成したものである。

【００１１】すなわち、本発明は、従来のごとくパッシ
ブ導波路とアクティブ素子との境界部の切り分けを行っ
た後で光回路を形成するのではなく、最初に光回路を形
成し、しかる後に切り分けを行うことが可能となるよう
に、メサ型導波路の側壁保護膜をマスクとして導波路の
オーバークラッド層を追加選択成長する新規な選択成長
法と、レジストエッチバック法や選択エッチングのよう
な従来技術とを新規に組み合わせたものである。

【００１２】上記構成によれば、光回路のパターンニン
グは、この段階では結晶成長後の極めて平坦な表面上に
行うため、何の問題もなく高精度なパターンニングが可
能となる。そして、この光回路パターンを使用したエッ
チングの段階では、全てのメサ型導波路は本来の導波路
構造層とアクティブ素子構造層との２層が上下に重なっ
た構造のままである。

【００１３】さらに全面に第１保護膜を形成し、これに
レジストを塗布すると、メサ型導波路の上面のレジスト
膜厚は、他の平坦部のそれより薄くなる性質がある。こ
のように塗布されたレジストを、等速、等方的なエッチ
ング方法でエッチングしていくと（このエッチング方法
は、レジストエッチバック法として広く知られてい
る。）、メサ型導波路の上面のみレジストがなくなる。
ここでレジストのエッチングをやめる。

【００１４】この状態で第１保護膜のエッチングを行う
とメサ型導波路の上面のみ第１保護膜が除去されて結晶
が露出することになる。この後、レジストを全面除去す
る。

【００１５】さらに第２保護膜によってアクティブ素子
領域をマスクし、アクティブ素子構造層のエッチングを
行う。エッチングは第１保護膜によっても第２保護膜に
よってもマスクされていないパッシブ領域のメサ型導波
路の上面からのみ進行し、本来の導波路構造層に達した
ところでエッチングをやめる。

【００１６】これらの保護膜を残したまま選択結晶成長
を行うと、パッシブ領域のメサ型導波路の部分のみに結
晶成長が行われ、この領域の導波路にオーバークラッド
層が付加されてパッシブ導波路構造が完成する。

【００１７】アクティブ領域との境界部では上面のみに
異常成長がみられるが、この後には光回路形成のような
高精度が必要なフォト（露光）工程はないので問題な
い。

【００１８】そして、第２保護膜を除去し、第３保護膜
を形成してアクティブ領域を選択エッチングすると、こ
の部分がアクティブ素子へのスルーホールとなり電極を
形成できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に、本発明の好適一実施の形態
を添付図面に基づいて詳述する。

【００２０】図１に本発明により製造された半導体導波
路素子のパッシブ導波路とアクティブ素子との接続部の
斜視図を示す。

【００２１】図１に示すように、本発明にかかる半導体
導波路素子は、インジウムリン（ＩｎＰ）基板上１に、
アレイ導波路型回折格子分波器（パッシブ導波路２０）
とその出力側に受光用フォトダイオード（アクティブ素
子３０）とがモノリシック集積されると共に、これらが
メサ状に連続的に形成されている。すなわち、この半導
体導波路素子のパッシブ導波路２０とアクティブ素子３
０との接続部の光回路４０は、中央のメサ部４１とその
両側の平坦部４２とからなるメサ型導波路構造で形成さ
れている。

【００２２】パッシブ導波路２０は、アンダークラッド
層としてのｎ型ＩｎＰ基板１と、その上に０．５μｍ成
長したバンドギャップ波長１．０５μｍのｎ型ＩｎＧａ
ＡｓＰコア層２と、さらにその上にアクティブ素子３０
の厚さに応じて、パッシブ導波路とアクティブ素子とを
切り分ける際の選択エッチングのエッチストップ層とも
なるＩｎＰオーバークラッド層３上に成長したアンドー
プＩｎＰ層１１とから構成されている。

【００２３】また、アクティブ素子３０は、ｎ型ＩｎＧ
ａＡｓＰコア層２上に、０．１μｍ成長したＩｎＰオー
バークラッド層３、その上に０．４μｍ成長したＩｎＰ
に格子整合するアンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層４、そ
の上に１．０μｍ成長したｐ型ＩｎＰクラッド層５、及
びその上に０．２μｍ成長したｐ型ＩｎＧａＡｓコンタ
クト層６と、そのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６上に
形成されたｐ電極１３と、ｎ型ＩｎＰ基板１上に形成さ
れたｎ電極１４とから構成されている。

【００２４】そして、これらパッシブ導波路２０とアク
ティブ素子３０は、メサ部４１の長手方向と垂直な面を
挟んで接続され、パッシブ導波路２０領域とアクティブ
素子３０領域との境界部２５に突起やへこみ等がなく、
滑らかに連続して形成されており、特にメサ部４１の側
壁４１ｓにおいては著しく滑らか、かつ連続的に形成さ
れている。

【００２５】また、メサ部４１は、その側壁４１ｓから
平坦部４２にわたって形成された保護膜８に支持されて
おり、さらにパッシブ導波路２０の上面が保護膜１２で
覆われている。

【００２６】次に、この半導体導波路素子の製造方法を
図１〜図７を用いて説明する。

【００２７】まず、図２に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板
１上に有機金属気相成長法を用いて、バンドギャップ波
長１．０５μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰコア層２を０．５
μｍ成長した後、ｎ型ＩｎＰオーバークラッド層３を
０．１μｍ成長する。尚、真性半導体基板を用いる場合
には、この上にアンダークラッド層を成長させておく。

【００２８】さらに連続して、ＩｎＰに格子整合するア
ンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層４を０．４μｍ、ｐ型Ｉ
ｎＰクラッド層５を１．０μｍ、ｐ型ＩｎＧａＡｓコン
タクト層６を０．２μｍ、順次エピタキシャル成長す
る。

【００２９】そして、図３に示すように、メサ型導波路
構造の光回路４０を形成する。この光回路４０を形成す
るに際しては、フォトリソグラフィー法によってフォト
レジスト層７をパターンニングする。この段階でのパタ
ーンニングは結晶成長後の極めて平坦な表面上に行うた
め、何の問題もなく高精度の良好なパターンニングが可
能である。さらにこのレジスト層７をマスクとしてエッ
チングを行い、メサ型導波路を形成する。この段階では
パッシブ導波路構造層とアクティブ素子構造層とが上下
に重なった構造のままである。

【００３０】その後、フォトレジスト層７を除去し、図
４に示すように、全面にＳｉＯ₂ 保護膜（第１保護膜）
８を形成し、さらにその上にフォトレジスト層９を形成
する。このとき、メサ型導波路の上面のレジスト膜厚
は、他の平坦部４２のレジスト膜より薄くなる性質があ
るため、これを酸素プラズマ中で等速、等方向にエッチ
ング（このエッチング方法は、レジストエッチバック法
として広く知られている。）し、メサ型導波路の上面の
みＳｉＯ₂ 保護膜８を露出させる。これが図４に示した
状態であり、このＳｉＯ₂ 保護膜（第１保護膜）８が露
出した時点でレジスト９のエッチングを止める。

【００３１】この状態でＳｉＯ₂ 保護膜（第１保護膜）
８のエッチングを行い、メサ型導波路の上面部のみＳｉ
Ｏ₂ 保護膜（第１保護膜）８を除去してｐ型ＩｎＧａＡ
ｓコンタクト層６の結晶表面を露出させる。この後、レ
ジスト９を全面除去する。

【００３２】図５は、さらにＳｉＯ₂ 保護膜（第１保護
膜）８とは異なる材料のＳｉＮｘ保護膜（第２保護膜）
１０によってフォトダイオードとなるアクティブ素子３
０領域をマスクし、パッシブ導波路２０とする領域のア
クティブ素子構造層のエッチングを行った後の構造を示
した。

【００３３】パッシブ導波路２０上のアクティブ素子構
造層のエッチングは、硫酸系でｐ型ＩｎＧａＡｓコンタ
クト層６（このとき下のｐ型ＩｎＰクラッド層５はエッ
チングされない。）、塩素系でｐ型ＩｎＰクラッド層５
（このとき下のアンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層４はエ
ッチングされない。）、さらに硫酸系でアンドープＩｎ
ＧａＡｓ光吸収層４（このとき下のｎ型ＩｎＰオーバー
クラッド層３はエッチングされない。）を順次行なう。
このように選択性に優れたエッチングすることにより、
図６に示すように、パッシブ導波路２０とアクティブ素
子３０とを切り分ける際の選択エッチングのエッチスト
ップ層ともなるＩｎＰオーバークラッド層３はそのまま
の厚さで残される。

【００３４】この後、図７に示すように、有機金属気相
成長法を用いてパッシブ導波路２０となる領域のみに選
択的にオーバークラッド層としてアンドープＩｎＰ層１
１を成長する。この時、アンドープＩｎＰ層１１の側壁
４０ｓは、アクティブ素子３０の側壁４０ｓに密着して
連続的に形成されたＳｉＯ₂ 保護膜（第１保護膜）８に
支持されながら成長するので、アクティブ素子３０との
境界部２５が滑らかに形成される。尚、この境界部２５
では上面のみに若干の異常成長が見られることもある
が、この後のプロセスでは問題とならない。

【００３５】そして、ＳｉＮｘ保護膜（第２保護膜）１
０を除去し、改めてＳｉＮｘ保護膜（第２保護膜と同一
でも異なる材料でも良い。）を全面に形成した後、図１
に示したように、そのＳｉＮｘ保護膜のフォトダイオー
ド素子部を選択エッチングして、パッシブ導波路部にの
みＳｉＮｘ保護膜（第３保護膜）１２を残す。

【００３６】最後に、この選択エッチングしたフォトダ
イオード素子部をスルーホールとして、ｐ型ＩｎＧａＡ
ｓコンタクト層６上にｐ電極１３、ｎ型ＩｎＰ基板１上
にｎ電極１４を形成して、半導体導波路素子が製造され
る。

【００３７】以上説明したように、本発明によれば、光
回路４０は、結晶成長後の極めて平坦な表面上にパター
ニングされエッチングされて形成されるので、パッシブ
導波路２０とアクティブ素子３０との境界部２５が滑ら
かに形成され、精度良く作製できる。

【００３８】また、本発明は、アクティブ素子構造層の
各層をそれぞれに応じたエッチング液で順次エッチング
（選択エッチング）するので、パッシブ導波路構造層が
エッチングされず、偏波依存性が少なくかつ安定なシン
グルモード導波路となる構造を形成できる。

【００３９】尚、本実施の形態では、アクティブ素子と
して、フォトダイオードを形成する例で説明したが、発
光ダイオードや半導体アンプをモノリシック集積した半
導体導波路素子に対しても同様の製造方法及び構造が適
用できることは言うまでもない。

【００４０】また、パッシブ導波路として、アレイ導波
路型回折格子を形成する例で説明したが、光の伝搬特性
を利用して機能するようなパッシブな導波路素子であれ
ばこれに限定されない。

【００４１】

【発明の効果】以上により明らかなごとく、本発明によ
れば、偏波依存性が少なくかつ安定なシングルモード導
波路となる構造を有するパッシブ導波路とアクティブ素
子とが極めて滑らかにかつ精度良く接続された半導体導
波路素子を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示す半導体導波路素子
を示す概略図である。

【図２】図１の半導体導波路素子の製造方法を説明する
ための図である。

【図３】図１の半導体導波路素子の製造方法を説明する
ための図である。

【図４】図１の半導体導波路素子の製造方法を説明する
ための図である。

【図５】図１の半導体導波路素子の製造方法を説明する
ための図である。

【図６】図５の半導体導波路素子の VI-VI線矢示断面図
である。

【図７】図１の半導体導波路素子の製造方法を説明する
ための図である。

【符号の説明】

２０ パッシブ導波路 ３０ アクティブ素子 ４０ 光回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上にパッシブ導波路とアクテ
   ィブ素子とをモノリシックに集積する半導体導波路素子
   の製造方法において、半導体基板上に、パッシブ導波路
   構造層をエピタキシャル成長し、これに連続してアクテ
   ィブ素子となるダブルヘテロ構造層をエピタキシャル成
   長し、その表面に上記パッシブ導波路とアクティブ素子
   とを接続する光回路をパターンニングし、その光回路と
   なる領域以外の領域をエッチングで除去して光回路を形
   成した後、アクティブ素子として用いる領域以外の領域
   のダブルヘテロ構造層を選択エッチングで除去して形成
   することを特徴とする半導体導波路素子の製造方法。
2. 【請求項２】 半導体基板上にパッシブ導波路とアクテ
   ィブ素子とをモノリシックに集積する半導体導波路素子
   の構造において、半導体基板上に、パッシブ導波路構造
   層をエピタキシャル成長し、これに連続してアクティブ
   素子となるダブルヘテロ構造層をエピタキシャル成長
   し、その表面に上記パッシブ導波路とアクティブ素子と
   を接続する光回路をパターンニングし、その光回路とな
   る領域以外の領域をエッチングして光回路を形成した
   後、アクティブ素子として用いる領域以外の領域のダブ
   ルヘテロ構造層を選択エッチングで除去して形成したこ
   とを特徴とする半導体導波路素子の構造。