JP2004029359A

JP2004029359A - 光導波路構造及びその製造方法

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Publication number: JP2004029359A
Application number: JP2002185232A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Akeyoshi; 明吉　智幸; Atsushi Aratake; 荒武　淳
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2022-06-25
Also published as: JP3808804B2

Abstract

【課題】クラッド層の厚みを十分厚くしなくても半導体基板への光の漏れを低減し、光導波路の伝搬損失を低減すること。
【解決手段】半導体基板１１に埋め込まれ、クラッド層１２とコア層１３からなる光導波路の長手方向に沿った周辺部に、光導波路を維持するに十分な複数の梁部１５と複数の溝１６により溝構造が形成されている。光導波路を保持するための梁部１５の形成位置が、光導波路の左右同位置に形成されている構造を示すが、左右互い違いであっても光導波路を保持するものであればどのように配置されていてもよい。コア層１３及びクラッド層１２は、Ｖ型溝の内部にだけ形成されているが、Ｖ型溝の上部にまで形成した構造であっても良い。断面構造がＶ字型であるが溝底面が平らなカップ型構造であってもよい。クラッド層１２は無機絶縁材料、コア層１３は有機高分子材料で構成されている。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路構造及びその製造方法に関し、より詳細には、光通信における送信用あるいは受信用の光半導体装置における光導波路構造及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インターネット需要等の急速な増加に対し、通信容量の拡大が急務になっている。光通信における通信容量を拡大する方法としては、個々の通信の処理速度を上げて複数の信号を多重する時間分割多重（ＴＤＭ）方式と、異なる複数の波長を利用して信号を多重する波長多重（ＷＤＭ）方式が提案されている。ＴＤＭ方式を採用した場合、必然的にファイバー内を流れる信号の速度を速くする必要があるが、現在１０Ｇｂｉｔ／ｓから４０Ｇｂｉｔ／ｓへ上げるための努力がなされている。今後、更にこの通信速度が上がることは必至である。
【０００３】
４０Ｇｂｉｔ／ｓの電気信号をパッケージに入れられた半導体集積回路（ＩＣ）へ入出力することは、技術的に困難はあるものの、現時点において達成されている。しかしながら、電気信号の速度が６０Ｇｂｉｔ／ｓ程度以上になると、ロスが大きくなり、信号をパッケージに入出力することが極めて困難となる。この問題点を解決するため、６０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速信号は光信号で入出力し、６０Ｇｂｉｔ／ｓ以下の低速信号のみ電気で入出力する光・電気インターフェースを有する光・電気融合集積回路（ＯＥＩＣ）の研究開発が行われている。
【０００４】
通信速度が高速化されてパッケージ内に電気信号が入り難いような状況において、高速信号は光で入出力し、パッケージ内で低速に速度変換した信号のみ電気で入出力することにより、実装限界を打破することが可能である。
【０００５】
このような超高速の光インターフェースを必要とする半導体装置では、光学素子と外部光信号の入出力端子の位置合わせが容易ではないことから、光導波路も半導体装置上に集積したチップ上に光配線構造を形成することが提案されている。半導体装置に光導波路を作製する１つの方法として、図１（ａ），（ｂ）に示すような、半導体基板材料１の結晶面ファセットによるＶ型溝を形成し、このＶ型溝内にクラッド層２とコア層３からなる光導波路構造を埋め込んだ構造が提案されている（例えば、特願２０００−２２２９８８号参照）。なお、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は断面図で、図中符号４はフォトダイオードを示している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、半導体材料はその屈折率が大きいため、半導体基板を彫り込んで、この溝内部に光導波路構造を埋め込む構造では、下部クラッド層を厚くして基板の影響が見えなくなるようにする必要がある。溝内部に光導波路構造が埋め込まれる場合、通常クラッド層は無機材料膜が、またコア層には有機材料が利用されるため、両者とも半導体基板の屈折率より小さい材料で構成されることになる。
【０００７】
光導波路の伝搬損失を低減するためには、半導体基板側への漏れを無くして光導波路内に光信号を完全に閉じ込める必要があるが、クラッド層の厚みが十分でないと半導体基板への漏れが発生する。半導体基板への信号光の漏れを防ぐためには、利用波長の２〜３倍以上のクラッド膜が必要となる。しかしながら１．５５μｍ帯の光信号を利用する場合には、この厚みは３〜５μｍ以上となるため、半導体プロセスで一般的に利用されるスパッタリングなどによる無機絶縁膜堆法を用いて、溝内部だけにクラッド層を形成することは容易ではなかった。
【０００８】
また、このように厚い無機膜が全面に半導体基板上に形成される場合には、無機膜の応力により半導体ウエハに反り歪みを誘起するため、超高速ＯＥＩＣチップ上に光導波路を光インターフェースとして形成する場合には、電子回路等の特性を劣化させる心配があった。このような理由から、溝内部に形成できるクラッド層厚には限界があるため、半導体基板内部に光導波路構造を埋め込んだ構造では、光導波路のコア材料と同種の有機材料を用いて基板表面に形成した有機矩形光導波路、またはリブ型光導波路等と比較して伝搬損失が大きくなってしまうという問題点があった。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、クラッド層の厚みを十分厚くしなくても半導体基板への光の漏れを低減し、光導波路の伝搬損失を低減することが可能であるような光導波路構造及びその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体基板に光導波路を埋め込んだ光導波路構造において、前記光導波路の長手方向に沿った周辺部に梁部と溝を備えた溝構造を設けたことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記溝構造が、前記半導体基板に埋め込まれた光導波路を取り囲むように、複数の前記梁部と複数の前記溝で形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記溝には、前記半導体基板の屈折率より小さな充填材料又は空気が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記溝に設けられた充填材料の屈折率が、前記光導波路を構成するクラッド層の屈折率より小さいことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記溝に設けられた充填材料の屈折率が、前記光導波路のコア層の屈折率より小さい場合に、前記充填材料を前記光導波路の上部クラッド層として設けたことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明は、請求項３，４又は５に記載の発明において、前記充填材料が有機材料であることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６いずれかに記載の発明において、前記光導波路が、端部に向けて拡開するように幅の変化するスポットサイズ変換構造を有することを特徴とする。
【００１７】
また、請求項８に記載の発明は、光導波路構造の製造方法であって、半導体基板に光導波路を埋め込んだ光導波路構造の製造方法において、化学薬品を用いて前記半導体基板に前記光導波路を埋め込むための溝を形成する工程と、該溝内に前記光導波路を形成する工程と、該光導波路の長手方向の周辺部に、前記半導体基板に化学薬品を用いて複数の前記梁部と複数の前記溝を備えた溝構造を形成する工程とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、前記光導波路の周辺部に形成された前記溝構造内に充填材料を設ける工程を備えたことを特徴とする。
【００１９】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の発明において、前記充填材料が有機材料であることを特徴とする。
【００２０】
このように本発明は、半導体基板に光導波路を埋め込んだ構造において、光導波路構造を保持する梁部を残して周辺部の半導体基板を除去するものである。これによりクラッド層の厚みが十分でなくても半導体基板の高い屈折率の影響を実効的に低減することが可能であり、伝搬損失を低減することが可能になる。梁部が周期的に形成する場合には、利用光波長を考慮の上、この周期長を選択すれば特に干渉や反射の影響は除外できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図２は、本発明の光導波路構造の第１実施例を説明するための斜視図で、本発明の光導波路構造を用いて、ＯＥＩＣ上のフォトダイオードへ光信号を給光する部分の概念図を示している。図中符号１１は半導体基板、１２は光導波路を構成するクラッド層、１３は光導波路を構成するコア層、１４は信号光を受光するフォトダイオード、１５は光導波路を保持するための梁部、１６は半導体基板１１の高い屈折率の影響を実効的に低減するための溝を示している。
【００２２】
半導体基板１１に埋め込まれ、クラッド層１２とコア層１３からなる光導波路の長手方向に沿った周辺部に、光導波路を維持するに十分な複数の梁部１５と複数の溝１６により溝構造が形成されている。
【００２３】
図３（ａ），（ｂ）は、図２のＡ−Ａ′及びＢ−Ｂ′線における光導波路の光信号伝搬方向に対して垂直な断面図である。ここでは光導波路を保持するための梁部１５の形成位置が、光導波路の左右同位置に形成されている構造を示すが、この形成位置は左右同位置である必要はなく、左右互い違いであっても光導波路を保持するものであればどのように配置されていても問題ないことは勿論である。
【００２４】
なお、ここではコア層１３及びクラッド層１２は、Ｖ型溝の内部にだけ形成されているが、Ｖ型溝の上部にまで形成した構造であっても良いことは言うまでもない。また、断面構造がＶ字型であるが溝底面が平らなカップ型構造であってもよい。ここではクラッド層１２は無機絶縁材料、コア層１３は有機高分子材料で構成されている。
【００２５】
具体的には、無機絶縁材料としては、スパッタリングや化学気相成長法（ＣＶＤ）により形成した二酸化シリコンなどの堆積膜を、また、有機高分子材料としてはスピンコートで塗布した後、熱または紫外線（ＵＶ）により硬化（キュア）した樹脂などである。なお、本発明では、これらの材料および形成方法を特に限定するものではないことは言うまでもない。
【００２６】
光導波路構造を保持するための梁部に関しては、その長さや幅および形成する間隔は特に限定しないが、この構造長が利用光信号波長と相互しないことが望ましい。また同様に半導体基板高い屈折率の影響を実効的に低減するための溝に関しても、その長さや幅および形成する間隔は特に限定しないが、この溝の構造長が利用光信号波長と相互しないことが望ましいことはいうまでもない。また、溝の断面構造として異方性エッチング形状を例示してあるが、光導波路の断面と半導体基板の間に空間を設ける構造であれば特にその断面形状を限定するものではない。
【００２７】
［実施例２］
図４は、本発明の光導波路構造の第２実施例を説明するための断面図で、図中符号１７は有機材料を示している。光導波路の周辺部に形成された溝が有機材料１７などで充填されている。この充填材料の屈折率は、光導波路構造を作製した半導体基板の屈折率より小さい材料であることが必要である。また、充填材料の屈折率が、光導波路を構成するクラッド材料の屈折率より小さければ更に望ましいが、特に限定するものではない。
【００２８】
充填材料の屈折率が光導波路のコア材料の屈折率より小さい場合には、図５に示すように、光導波路の上部クラッド層１８として利用することも可能である。
【００２９】
［実施例３］
図６（ａ）〜（ｈ）は、本発明の光導波路構造の製造方法について説明する工程図で、図６（ａ）〜（ｄ）は断面図、図６（ｅ）〜（ｈ）は断面図に対応する斜視図である。なお、ここでは利用する半導体基板を（１００）面のＩｎＰ基板として説明する。
【００３０】
まず、通常の半導体プロセスによって、半導体基板上に光導波路構造を形成する溝のためのレジストパターンを形成した後、酸やその混合物などにより異方性ウエットエッチングを行う（図６（ａ），（ｅ））。ウエットエッチングを用いて溝構造を形成する場合、異方性エッチングを行う場合、基板の面指数およびエッチング液により形成される結晶面ファセットが異なる。
【００３１】
半導体基板として（１００）面のＩｎＰ基板を用い、かつ、メタノールに臭素を数％程度含有させたようなエッチング液を用いる場合、（０１−１）面に垂直な方向に関しては深さ方向に溝幅が小さくなるような順メサ面（具体的は、（１１１）面および（１−１−１）面）が形成される。また、（０−１−１）面に垂直な方向に関しては、深さ方向に溝幅が大きくなるような逆メサ面（具体的は、（−１１−１）面および（−１−１１）面）が形成される。
【００３２】
従って、図３のような構造を得るためには、光導波路の長手方向を（０１−１）面に垂直とすれば、希望とするメサ面が形成できる。このような形状を与えるエッチング液としては上記の他に、臭酸（ＨＢｒ）原液や臭酸と過酸化水素水を混合したものなどが知られているが、ここでは特に限定するものではない。レジストマスクを除去した後、先に形成したエッチング溝内に無機絶縁膜のクラッド層を形成する。ここで無機絶縁膜は、スパッタリングや化学気相成長法（ＣＶＤ）などにより形成することができる。
【００３３】
なお、溝以外に形成される膜については、リフトオフ法や反応性イオンビームエッチング（ＲＩＥ）法などにより除去しても良く、また、無機絶縁膜の堆積法はクラッド層が形成できるものならどんな方法でも良いことは言うまでもない（図６（ｂ），（ｆ））。
【００３４】
引き続きスピンコート等によって有機高分子材料からなるコア層を形成する（図６（ｃ），（ｇ））。ここで有機高分子材料としては、通常電子デバイスの分野で平面平坦材として利用されているポリイミド、ＢＣＢ（ベンゾサイクロブテン）、有機ケイ素ポリマー、エポキシ系樹脂などの有機高分子樹脂である。有機材料膜を形成後、熱または紫外線（ＵＶ）により該コア材料を硬化（キュア）させる。クラッド層と同様に不要な部分の有機高分子材料を除去することも可能であり、また、この除去工程は下部クラッド層のそれと同時に行われても良い。
【００３５】
その後、光導波路の周辺部に溝構造を形成のためのレジストパターンを形成した後、再度ウエットエッチングを行う（図６（ｄ），（ｈ））。ここでのエッチングは異方性であっても等方性であっても良いが、クラッド層を浸食しないエッチング液であることが必要である。
【００３６】
なお、光導波路に関しては、図７（ａ）〜（ｈ）に示すように、一部にスポットサイズ変換構造１９、つまり、端部に向けて拡開するように光導波路の幅が変化する部分が存在しても同様に作製可能であることは言うまでもない。なお、図７（ａ）〜（ｄ）は斜視図、図７（ｅ）〜（ｈ）は斜視図に対応する上面図を示している。
【００３７】
［実施例４］
以下、本発明の光導波路構造の第２の製造方法について説明する。実施例３に記載した製造方法に従って光導波路の外部に溝１６を形成した後、半導体基板より屈折率の小さな有機材料を塗布して溝１６の内部に充填する。ここで理想的には溝内部が完全に充填されていることが望ましいが、充填が完全ではなく内部に気泡が残ったとしても、表面部に大きな凹凸を生じなければ特に問題ではない。
【００３８】
その後、熱または紫外線（ＵＶ）により硬化（キュア）させれば完成する。なお、この充填材料の屈折率がコア材料より小さい場合には、特に溝内部だけでなく、光導波路の形成部分の上面にまで形成されても良い。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、半導体基板に光導波路を埋め込んだ光導波路構造において、光導波路の長手方向に沿った周辺部に梁部と溝を備えた溝構造を設けたので、一般的に屈折率の大きな半導体基板に埋め込まれた光導波路において、クラッド層の厚みを十分厚くしなくても半導体基板への光の漏れを低減し、光導波路の伝搬損失を低減することが可能である。特に、超高速ＯＥＩＣの一部に光インターフェースとして光導波路を形成する場合には、電子回路等に大きな影響を与えることなく低損失の光導波路を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体基板に光導波路を埋め込んだ従来構造を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図２】本発明の光導波路構造の第１実施例を説明するための斜視図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、図２のＡ−Ａ′及びＢ−Ｂ′線における光導波路の光信号伝搬方向に対して垂直な断面図である。
【図４】本発明の光導波路構造の第２実施例を説明するための断面図である。
【図５】本発明の第２実施例として上部クラッド層を形成した場合の断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｈ）は、本発明の光導波路構造の製造方法について説明する工程図である。
【図７】（ａ）〜（ｈ）は、光導波路の幅が一部変化する場合の、本発明の光導波路構造の製造方法について説明する工程図である。
【符号の説明】
１　半導体基板材料
２　クラッド層
３　コア層３
４　フォトダイオード
１１　半導体基板
１２　クラッド層
１３　コア層
１４　フォトダイオード
１５　梁部
１６　溝
１７，１８　有機材料
１９　スポットサイズ変換構造

Claims

半導体基板に光導波路を埋め込んだ光導波路構造において、前記光導波路の長手方向に沿った周辺部に梁部と溝を備えた溝構造を設けたことを特徴とする光導波路構造。
前記溝構造が、前記半導体基板に埋め込まれた光導波路を取り囲むように、複数の前記梁部と複数の前記溝で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路構造。
前記溝には、前記半導体基板の屈折率より小さな充填材料又は空気が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路構造。
前記溝に設けられた充填材料の屈折率が、前記光導波路を構成するクラッド層の屈折率より小さいことを特徴とする請求項３に記載の光導波路構造。
前記溝に設けられた充填材料の屈折率が、前記光導波路のコア層の屈折率より小さい場合に、前記充填材料を前記光導波路の上部クラッド層として設けたことを特徴とする請求項３に記載の光導波路構造。
前記充填材料が有機材料であることを特徴とする請求項３，４又は５に記載の光導波路構造。
前記光導波路が、端部に向けて拡開するように幅の変化するスポットサイズ変換構造を有することを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の光導波路構造。
半導体基板に光導波路を埋め込んだ光導波路構造の製造方法において、化学薬品を用いて前記半導体基板に前記光導波路を埋め込むための溝を形成する工程と、該溝内に前記光導波路を形成する工程と、該光導波路の長手方向の周辺部に、前記半導体基板に化学薬品を用いて複数の前記梁部と複数の前記溝を備えた溝構造を形成する工程とを備えたことを特徴とする光導波路構造の製造方法。
前記光導波路の周辺部に形成された前記溝構造内に充填材料を設ける工程を備えたことを特徴とする請求項８に記載の光導波路構造の製造方法。
前記充填材料が有機材料であることを特徴とする請求項９に記載の光導波路構造の製造方法。