JP2004133408A

JP2004133408A - 誘電体上再成長プロセスを使用した高屈折率ステップ格子の製造

Info

Publication number: JP2004133408A
Application number: JP2003283558A
Authority: JP
Inventors: P Nesunidaru Michael; マイケル・ピー・ネスニダル; David V Forbes; デービッド・ブイ・フォーブス
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 2002-08-01
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2004-04-30
Also published as: US6944373B2; US20040022489A1; EP1394578A2; EP1394578A3

Abstract

【課題】光学的フィルタリング性向上のため導波層とクラック層間に比較的大きな屈折率差の回折格子製造プロセスを提供する。
【解決手段】誘電体層を表面上に付着し、これにパターン化及びエッチングを施して誘電体ストリップ１４を形成し、別の半導体層１６を第１半導体層１２上で誘電体ストリップ１４間で成長させ、誘電体区分１４及び半導体区分を交互に有する光学装置１０。変形例では、誘電体層を第１半導体層に付着し、これにパターン化及びエッチングを施して誘電体ストリップを形成しする。半導体層にエッチングを施して、誘電体ストリップ間に開口部を形成する。別の半導体を開口部内で成長させた後、誘電体ストリップを除去し、その後、別の半導体層を全面に亘って成長させる。いずれの実施例も、空気チャンネルを持つ回折格子に変更もできる。
【選択図】　図２

Description

　本発明は、全体として、半導体回折格子に関し、更に詳細には、互いにラチス適合しており且つ回折格子が間に設けられた半導体エピタキシャル層を含む半導体構造に関する。半導体層及び回折格子材料の屈折率の差は、半導体層の屈折率の差よりも大きい。

　当該技術において、分布帰還型（ＤＦＢ）光学フィルタやオプティカルカプラー等の特定の光学的半導体装置の光学的半導体回折格子が必要とされている。従来の光学的半導体回折格子は、代表的には、外クラッド層間に位置決めされた半導体導波層を含み、導波層の屈折率はクラッド層よりも高く、そのため、光は、クラッド／導波界面の反射によって導波層を伝播し、導波層内に閉じ込められる。回折格子は、リップル又は波形構造を導波層表面又はクラッド層表面のいずれか一方に設けることによって一方のクラッド層と導波層との間の界面に形成され、その結果、界面での反射時に光が格子と相互作用する。かくして、回折層は、格子領域を形成する半導体層間に形成された、ピークとトラフとの間の周期的な長さ方向の屈折率差である。光が導波層を伝播するとき、回折層の周期的な屈折率の変化即ちピークの空間的周期と関連した光波長が後方に反射されるか或いは導波層を透過し、他の光波長から分離され、例えば光学的フィルタを提供する。

　従来の格子界面を半導体装置に形成するための加工技術は良好に確立されている。格子は、電子ビームで直接書き込むことによって、又はホログラフィーでパターン化することによって、導波層に、又はクラッド層表面に形成できる。これらの方法は、両方とも、当業者に理解されている。光学的品質が高く欠陥がほとんどない界面を導波層とクラッド層との間に形成するため、有機金属化学的気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）等の半導体エピタキシャル成長プロセスを使用し、これらの層間で結晶核生成及び成長及びラチス適合を提供するのが望ましい。導波層の屈折率がクラッド層よりも高くなければならないため、導波層はクラッド等と異なる半導体でできていなければならず、又は材料組成が異なっていなければならない。しかしながら、必要な結晶構造及びラチス適合を半導体製造プロセス中に提供するため、導波層及びクラッド層は、結晶成長プロセスが起こることができるように適合性でなければならない。

　導波層での光学的モードの相互作用は、半導体層で形成された回折層での屈折率差の関数であり、これは、格子結合係数によって特徴付けられる。適合性であり且つ結晶成長の必要条件を満たす半導体材料は、屈折率がほぼ同じであり、及びかくしてこれらの装置の回折格子層が提供する光学的波長分離性が制限される。換言すると、結晶成長プロセスは、導波材料及びクラッド材料の屈折率がほぼ同じであることを必要とするため、光学的フィルタ性又は他の光学的波長分離プロセスが制限されるのである。半導体の代表的な屈折率は約３であり、適合性半導体間の差は、通常、最大でも約０．５である。

　導波層とクラッド層との間の屈折率の差が小さいことは、レーザーにおける光学的モードポンピング等の多くの用途について適当であるが、光学的フィルタリング等の他の用途についてはこれらの屈折率の差が大きいのが望ましい。多くの用途において、結合係数が遙に大きい格子を製造できれば、装置の性能を大幅に改善できる。

　格子層内の屈折率間の差が遙に大きい上文中に論じた種類の半導体回折格子を提供するため、従来、導波層とクラッド層とを互いに結合するためにウェーハ−ウェーハ結合技術を使用することが周知であった。これにより、半導体成長製造プロセスでの幾つかの制限がなくなる。別々の半導体構造を非結晶成長プロセスで互いに接着する様々なウェーハ−ウェーハ結合技術が当該技術分野で周知である。半導体構造を回折リップルを持つ別の半導体構造に結合することによって界面が形成され、この界面では、リップル構造のピーク間に空隙が形成される。従って、光ビームは導波層を伝播し、回折格子層と相互作用し、光ビームは空気と半導体材料とが交互になった領域に入る。空気の屈折率が１であるため、格子を形成する材料間の屈折率の差が大きく、フィルタリング性が向上する。しかしながら、ウェーハ−ウェーハ結合には、光学的回折格子の製造でこの技術を望ましからぬものにする多くの欠点がある。特に、ウェーハ−ウェーハ結合プロセスは、二つの半導体層の結晶構造間に歪みを導入する。これは、回折層における光学的相互作用に影響をもたらす。更に、界面の欠陥により、結合プロセスによる光学的一体性に影響がもたらされる。界面の欠陥は、結晶成長プロセス中には発生しない。更に、ウェーハ−ウェーハ結合プロセスは実施に比較的費用がかかり、及びかくして代表的な格子製造プロセスよりもかなり大きな費用を必要とする。

　半導体結晶成長プロセスを使用し、光学的フィルタリング性を向上するため、回折格子層の導波層とクラッド層との間に比較的大きな屈折率間差を提供する光学的回折格子製造プロセスが必要とされている。従って、本発明の目的はこのようなプロセスを提供することである。

　本発明の教示に従って、光学的回折格子を含む光学装置を開示する。一実施例では、光学装置は第１半導体層を含み、この層上で誘電体層にパターン化及びエッチングを施して誘電体ストリップを形成する。第２半導体層を、エピタキシャル成長プロセスによって第１半導体層上で誘電体ストリップ間で成長させ、誘電体ストリップを包囲する。その結果、間隔が隔てられた誘電体ストリップがストリップ間の第２半導体層とともにストリップの高さまで回折格子層を形成する。次いで、誘電体ストリップをエッチングにより除去し、空気チャンネルを持つ回折格子を形成する。これに続く材料成長工程により、導波層の位置が決定される。第２半導体層を第１半導体層と同じ材料で形成し、導波層を遠隔に配置でき、又は結晶成長プロセスについて第１誘電体層の材料と適合性である限り、第２半導体層自体が導波層であってもよい。

　別の実施例では、第１半導体層を形成し、誘電体層を第１半導体層上に付着し、次いでパターン化及びエッチングを施して誘電体ストリップを形成する。その後、半導体層を化学エッチングに露呈し、誘電体ストリップ間の半導体層に開口部を形成する。別の半導体材料をエピタキシャル成長プロセスによって第１半導体層の開口部内で成長させた後、誘電体ストリップをエッチング除去する。別の半導体層を第１層及び回折領域上で成長させる。回折領域の半導体材料は、空気チャンネルによって回折格子を形成するためにエッチングによって除去される犠牲材料であってもよい。上述のように、導波層をクラッド層間に形成するため、追加の半導体層を提供できる。この場合、導波層を伝播する光が回折層と相互作用し、又は導波層を遠隔に配置できる。

　本発明のこの他の目的、利点、及び特徴は、以下の説明及び独立項を添付図面を参照して読むことにより明らかになるであろう。

　光学的半導体回折装置及びその製造方法に関する好ましい実施例の以下の議論は、単なる例であって、本発明又はその用途又は使用を制限しようとするものではない。
　図１は、本発明の一実施例による光学的回折格子構造１０の製造工程の断面図である。格子構造１０は、ＭＯＣＶＤ又はＭＢＥ等のエピタキシャル成長プロセスによって適合性半導体基板上で成長させた半導体層１２を含む。この半導体層１２を特定の光学的用途について所望の厚さまで成長させた後、ウェーハを結晶成長装置から取り出し、誘電体層、例えば二酸化珪素又は窒化珪素を半導体層１２の上面に付着させる。ホログラフィー、電子ビーム書き込み露光技術等の適当な半導体パターン化プロセスによって誘電体層にパターンを付け、誘電体回折格子ストリップ１４のパターンを形成する。化学的な又はプラズマを用いた任意の適当なエッチング等のエッチングプロセスを使用し、ストリップ１４間の望ましからぬ誘電体部分をエッチングにより除去する。エッチングは、誘電体層の望ましからぬ誘電体部分が、図１に示すように、エッチングによってストリップ１４間で層１２を露呈するのに十分大きく除去されるように選択的に制御される。

　誘電体格子ストリップ１４を層１２上に形成した後、構造１０を半導体成長装置に戻す。図２は、これに続いて行われる構造１０の製造工程を示し、この工程では、エピタキシャル再成長プロセスによって第２半導体層１６を層１２上で成長させる。この層１６は、ストリップ１４間に露呈された層１２とラチス適合しており、又はほぼラチス適合しており、層１６を形成する。成長プロセスは、ストリップ１４が完全に包囲されるまで続けられる。本説明の目的で、層１２及び層１６は同じ半導体で形成されているが、以下の議論から明らかになるように、成長プロセスに適合する限り、層１６は層１２と異なる半導体であってもよい。誘電体ストリップ１４は、フィルタ等の光学装置用の回折格子を形成する。ストップ１４の誘電体の屈折率は約１．５乃至２であり、そのため、ストリップ１４と半導体材料との間の屈折率の差は、標準的なエピタキシャル成長半導体回折格子間の差よりも大きい。

　再成長工程後に誘電体ストリップ１４を取り除いて図３に示すように空気チャンネル２０を形成することによって、回折ストリップ１４と半導体との間の屈折率の差を更に大きくできる。図４は、層１６の製造後にストリップ１４を選択的に取り除くための製造プロセスを示す、構造１０の平面図である。最終的な光学装置用の使用可能な光学的領域を表す、光学装置領域２２が構造１０に形成される。光ビームは領域２２をストリップ１４に対して横方向に伝播する。通しエッチングチャンネル２４及び２６を構造１０の上面を通して適当なマスキング及びエッチングプロセスによって、ストリップ１４の端部が空気に露呈されるまで下方にパターンをなしてエッチングする。次いで、通しチャンネル２４及び２６に適当なエッチング剤を導入し、これによりストリップ１４を選択的に除去し、空気チャンネル２０を形成する。エッチングプロセスは、ストリップ１４が全長に亘って除去されて空気チャンネル２０が形成されたときに完了する。必要であれば、チャンネル開口部を閉鎖するのに十分な不活性化絶縁膜を通しチャンネル２４及び２６内に付着することによってチャンネル２０をシールできる。

　上文中に説明したプロセスで製造した構造１０は、本発明の教示に従って様々な光学装置に使用できる。図５は、層１２を表す下半導体クラッド層３２及び上半導体クラッド層３４を含む光学装置３０の断面図である。装置３０について、半導体層１６は、屈折率がクラッド層３２及び３４よりも大きい半導体導波層３６であり、この導波層３６を伝播する光学的波動はこの層に閉じ込められる。この実施例では、回折格子層３８が導波層３６とクラッド層３２との間の界面に形成される。回折格子層３８は、ストリップ１４を表す周期的に間隔が隔てられた誘電体ストリップ４０、及びこれらのストリップ４０間で成長した、導波層３６の結晶再成長部分である半導体領域４２を含む。ストリップ１４をパターン化した後に構造１０を結晶成長装置に再度導入したとき、導波層３６は、クラッド層３２を形成する材料と異なる適合性半導体材料として再成長する。次いで、クラッド層３２と同じ材料のクラッド層３４が導波層３６上で成長する。従って、全ての層３２、３４、及び３６は結晶成長プロセスに適合性である。上文中に論じたのと同様の方法でストリップ４０を除去し、空気チャンネル２０を形成できる。

　図６は、半導体領域５４によって離間された空気チャンネル５２によって形成された回折格子層５０を持つ下クラッド層４８を含む別の光学装置４６の断面図である。この設計では、再成長層１６はクラッド層４８を形成する層１２と同じ材料で形成されており、回折層５０は埋設回折層である。空気チャンネル５２を形成するためにストリップ１４を除去する代わりに、ストリップ１４を保持して上文中に論じた別の種類の光学装置を提供することができる。層１６を再成長させて層４８を形成した後、屈折率がクラッド層４８よりも高い導波層５６をクラッド４８上で成長させ、上クラッド層５８を導波層５６上で成長させる。導波層５６を伝播する波動は、当業者に理解されるように、光学的フィルタリングを行う目的でクラッド層４８に進入し、回折層５０と接触するモードを有する。クラッド層、回折格子層、及び導波層の任意の組み合わせを、適合性半導体層を互いの上でエピタキシャル成長させる上文中に論じた本発明の範疇で提供できる。

　図７乃至図１０は、光学回折装置で使用されるべき、本発明の別の実施例による光学回折格子構造６２の製造工程を示す断面図である。この実施例では、半導体層６４は、適合性の半導体基板（図示せず）上で成長し、次いで誘電層を半導体層６４に付着させ、これを適当なパターン化プロセスによってパターン化し且つエッチングし、誘電体ストリップ６６を形成する。次いで、構造６２をエッチング剤に露呈する。エッチング剤は、ストップ６６間の層６４の材料をエッチングにより除去するが、誘電体をエッチング除去せず、エッチング穴６８を形成する。エッチングは、穴６８の深さ及び形状を制御するように制御される。誘電体ストリップ６６は、穴６８内で犠牲半導体材料を選択的にエピタキシャル再成長させるためのマスクとして役立つ。次いで、構造６２を成長装置に戻し、穴６８内で犠牲半導体領域７０を図示のように層６４の上面とほぼ等しいレベルまで成長させる。領域７０用の半導体は、領域７０をエッチングによって選択的に除去できるが成長プロセスと適合できるように層６４の材料とは異なる。

　次いで、ストリップ６６を、半導体材料に影響を及ぼさない適当なエッチングプロセスによって除去する。ストリップ６６が除去されたとき、構造６２を成長装置に戻し、別の半導体層７２を領域７０及び層６４上で成長させ、領域７０を図９に示すように包囲する。その後、エッチングチャンネル２４及び２６を使用する上文中に論じたエッチングプロセスによって犠牲領域７０を除去し、回折格子層７６を形成する空気チャンネル７４を含む図１０に示す構造を提供する。半導体層７２は半導体層６４と同じ半導体材料で形成されていてもよいし、上文中に説明したように、構造６２が導波層とクラッド層との間に埋設回折層又は界面回折層を形成できるように別の半導体材料で形成されていてもよい。

　空気チャンネル２０及び７４を提供することによって、半導体材料と矛盾しない最大可能な結合係数を回折格子によって得ることができる。格子の歯高さ及び形状の正確性及び制御が従来の製造方法よりも大幅に改善される。ストリップ１４間の又はチャンネル７４間の空間的周期は、フィルタされる特定波長で決まる。ストリップ１４の厚さは、設計者が光をどれ程強く回折しようとするのかで決まり、１０００オングストローム程度である。上文中に論じた光学装置で使用できる半導体材料には、当業者に理解されるように、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ、及び他の半導体材料が挙げられる。上文中に論じたプロセスによって、他の種類の光学装置についての平面的格子構造もまた形成できる。

　以上は、本発明の単なる例示の実施例を論じ且つ説明したものである。特許請求の範囲に記載の本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変形及び変更を行うことができるということは、当業者には、このような議論から及び添付図面及び特許請求の範囲から容易に理解されるであろう。

本発明の一実施例による光学的半導体回折格子構造の製造工程の断面図である。本発明の一実施例による光学的半導体回折格子構造の製造工程の断面図である。本発明の一実施例による光学的半導体回折格子構造の製造工程の断面図である。図３に示す光学的半導体回折格子構造の製造工程の平面図である。本発明による光学的半導体回折格子構造を含む光学装置の断面図である。本発明による別の光学的半導体回折格子構造を含む光学装置の断面図である。本発明の別の実施例による光学的半導体回折格子構造の製造プロセスの断面図である。本発明の別の実施例による光学的半導体回折格子構造の製造プロセスの断面図である。本発明の別の実施例による光学的半導体回折格子構造の製造プロセスの断面図である。本発明の別の実施例による光学的半導体回折格子構造の製造プロセスの断面図である。

符号の説明

　１０　光学的回折格子構造
　１２　半導体層
　１４　誘電体回折格子ストリップ
　１６　第２半導体層
　２０　空気チャンネル

Claims

　光ビームを回折するための光学装置において、
　第１半導体材料でできた第１半導体層、
　第２半導体材料でできた第２半導体層であって、この第２半導体層は前記第１半導体層と接触しており、前記第２半導体材料は前記第１半導体材料と適合性であり、前記第１及び第２の半導体層間でエピタキシャル成長が可能である、第２半導体層、及び
　前記第１及び第２の半導体層間の界面に位置決めされた回折格子であって、所定の空間周期によって間隔が隔てられた複数の空気チャンネルを含み、これらの空気チャンネルは前記第１半導体層の部分である半導体領域によって離間されている回折格子を含むことを特徴とする光学装置。
　請求項１に記載の装置において、前記空気チャンネルは、前記装置から除去されたパターン化されたエッチングされた誘電体ストリップによる形状を有することを特徴とする装置。
　請求項２に記載の装置において、前記空気チャンネルは矩形形状を有することを特徴とする装置。
　請求項１に記載の装置において、前記空気チャンネルは、パターン化されたエッチングされた誘電体マスク間で前記第１半導体層内に穴をエッチングで形成したことによって得られた形状を有することを特徴とする装置。
　請求項４に記載の装置において、前記空気チャンネルは円形の断面形状を有することを特徴とする装置。
　請求項１に記載の装置において、前記空気チャンネルは互いに実質的に平行であり、これらの空気チャンネルは、光ビームの波長に基づいて所定距離離間されていることを特徴とする装置。
　請求項１に記載の装置において、前記第１及び第２の半導体層は同じであり、前記回折格子は、共通の半導体領域内の埋設回折格子であることを特徴とする装置。
　請求項１に記載の装置において、前記第１半導体層は前記第２半導体層と異なる半導体材料でできていることを特徴とする装置。
　請求項８に記載の装置において、前記第１半導体層の屈折率は、前記第２半導体層の屈折率よりも高いことを特徴とする装置。
　請求項８に記載の装置において、前記第１半導体層の屈折率は、前記第２半導体層の屈折率よりも低いことを特徴とする装置。
　光ビームを回折するための光学装置において、
　半導体材料でできた第１半導体層、
　前記第１半導体層と隣接して位置決めされており且つ接触した、所定の空間周期で間隔が隔てられた交互の回折ストリップ及び半導体ストリップを含む回折格子層であって、前記半導体ストリップは、前記第１半導体層の半導体材料とエピタキシャル成長について適合性の半導体材料でできており、前記回折ストリップは、前記第１半導体層とエピタキシャル成長について適合性の材料でできており、前記回折ストリップ及び前記半導体ストリップは屈折率が異なる、回折格子層、及び
　エピタキシャル成長について前記半導体ストリップ及び前記第１半導体層と適合性の半導体材料で形成された、前記回折層と隣接し且つ接触して位置決めされた第２半導体層を含むことを特徴とする光学装置。
　請求項１１に記載の装置において、前記回折ストリップは誘電体材料でできていることを特徴とする装置。
　請求項１１に記載の装置において、前記回折ストリップは空気でできていることを特徴とする装置。
　請求項１１に記載の装置において、前記第１半導体層、前記半導体ストリップ、及び前記第２半導体層は同じ半導体材料でできており、そのため前記回折ストリップが共通の半導体領域に埋設されることを特徴とする装置。
　請求項１１に記載の装置において、前記半導体ストリップは前記第２半導体層の部分であることを特徴とする装置。
　請求項１５に記載の装置において、前記第１半導体層及び前記第２半導体層は異なる半導体材料でできていることを特徴とする装置。
　請求項１１に記載の装置において、前記第２半導体層と隣接しており且つこれと接触して位置決めされた第３半導体層を更に含み、前記第１及び第３の半導体層は、同じ半導体材料でできたクラッド層であり、前記第２半導体層は異なる半導体材料でできた導波層であり、この導波層を通って伝播する光ビームがそこに閉じ込められることを特徴とする装置。
　請求項１１に記載の装置において、第３半導体層及び第４半導体層を更に含み、前記第１及び第２の半導体層は一つのクラッド層であり、前記第４半導体層は同じ半導体材料でできた別のクラッド層であり、前記第３半導体層は導波層であり、前記回折層は前記第１及び第２の半導体層内の埋設回折層であり、導波層を通って伝播する前記光ビームがそこに閉じ込められることを特徴とする装置。
　光ビームを回折するための光学装置において、
　第１半導体層、
　前記第１半導体層と隣接しており且つこれと接触して位置決めされた回折格子層であって、この回折層は、前記第１半導体層に形成されており且つ所定の空間周期で間隔が隔てられた回折領域を含み、前記回折領域の屈折率は前記第１半導体層の屈折率と異なる、回折格子層、及び
　前記第１半導体層及び前記回折層と隣接しており且つこれと接触して位置決めされた第２半導体層であって、エピタキシャル成長について、前記第１半導体層の前記半導体材料と適合性の半導体材料でできており、回折領域間の前記第１半導体層と適合することを特徴とする光学装置。
　請求項１９に記載の装置において、前記回折領域は、エピタキシャル成長について前記第１半導体層と適合性の半導体材料でできていることを特徴とする装置。
　請求項１９に記載の装置において、前記回折領域は空気であることを特徴とする装置。
　請求項１９に記載の装置において、前記第１及び第２の半導体層は同じ半導体材料でできており、そのため前記回折層は共通の半導体領域に埋設されていることを特徴とする装置。
　請求項１９に記載の装置において、前記第１及び第２の半導体層は異なる半導体材料でできていることを特徴とする装置。
　請求項１９に記載の装置において、前記第２半導体層と隣接しており且つこれと接触して位置決めされた第３半導体層を更に含み、前記第１及び第３半導体層は同じ半導体材料でできたクラッド層であり、前記第２半導体層は、異なる半導体材料でできた導波層であり、この導波層を通って伝播する前記光ビームがそこに閉じ込められることを特徴とする装置。
　請求項１９に記載の装置において、第３半導体層及び第４半導体層を更に含み、前記第１及び第２半導体層は一つのクラッド層であり、前記第４半導体層は、同じ半導体材料でできた別のクラッド層であり、前記第３半導体層は導波層であり、前記回折層は前記第１及び第２半導体層内の埋設回折層であり、前記導波層を通って伝播する前記光ビームがそこに閉じ込められることを特徴とする装置。