JP2005508014A - フォトニック集積回路(pic)およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
【0001】
本発明は、一般的に、フォトニック集積回路(PIC:Photonic Integrated Circuits)およびその製造方法に関する。
【発明の背景】
【0002】
III−V族半導体化合物のフォトニック部品または素子を含むフォトニック集積回路(PIC)の使用が望まれている。このような回路は、本質的に、モノリシック回路であってよい。このようなPICの1つの例は、多数のチャネル数を含む光クロスコネクトの形態のものであってよい。
【0003】
導波光素子をPICに集積するさいに能動部品と受動部品との間を結合することは、基本的に、困難な作業である。能動部品は、一般的に、レーザーダイオード、半導体光増幅器(SOA)、電界吸収型変調器などの機能材料のバンドギャップを光子エネルギーに近いものにする必要がある部品である。受動部品は、一般的に、機能材料のバンドギャップエネルギーが、伝播光子より実質的に高く、導波路ベースのコネクタ、スプリッタ、カプラ、光電子スイッチ、デマルチプレクサなどの波長フィルタリング要素または波長選択要素などの形態のものである。
【0004】
一般的に、能動部品と受動部品とを集積するには、異なる材料を使用する必要がある。しかしながら、結晶材料に求められる格子整合の要求が厳しいため、光学特性が異なる異種の材料の集積が困難な場合がある。
【0005】
能動部品と受動部品を集積する既存の手段は、例えば、結合が弱く損失が大きくなる結果をもたらすため、一般的に、効果的ではないと考えられている。その結果、単一のチップ上に多数の光電子機能を集積した場合の結果が、例えば、特に、電気通信デバイスなどにおいて問題となることがある。
【0006】
2つの一般的な手段は、隣接結合および方向性結合を含む。隣接結合において、導波路コアスタックは、例えば、化学エッチングを用いて選択的に除去される。次いで、整列させた受動導波路構造を再度成長させる。このような接合部の欠点として、接合部形状の再生などに関連することが困難であることに加え、成長ステップを使用することが挙げられる。また、上部に能動層を形成したほぼ連続した受動導波路構造が使用されてよい。受動型となる予定の部分の能動層は、選択的にエッチングされて除去されることができる。
【0007】
また、成長速度とマスクの差を利用する選択成長(SAG)が使用されてもよい。
【0008】
垂直方向性結合において、別個の導波路として作用する垂直面にある異なるエピタキシャル層間の結合が利用され得る。しかしながら、これらの方法の各々には欠点があると考えられている。例えば、製造プロセスにおいてエピタキシャル層を使用すると、適切な材料の選択性が制限される。隣接接合境界などの結合点での損失が、典型的に、例えば、約2〜3dB/境界の程度になり著しい。さらに、典型的に実現される製造歩留まりが低く、約20%程度の場合もあり、これらの技術に関連するコストが高くなる。
【0009】
したがって、能動素子および受動素子を含むPICおよびそれらの製造方法を提供することが強く望まれる。
【発明の概要】
【0010】
複数の光子との動作に適し、光子のエネルギーに近いバンドギャップエネルギーを有する機能材料を含む少なくとも1つのフォトニック部品と、光子より実質的に高いバンドギャップを有し、光子のエネルギーに近いバンドギャップエネルギーを有する機能材料を含む少なくとも1つのフォトニック部品に隣接した機能材料を含む、複数の光子との動作に適した少なくとも1つのフォトニック部品とを備えるフォトニック集積回路であって、光子より実質的に高いバンドギャップエネルギーを有する機能材料を含む少なくとも1つのフォトニック部品が、少なくとも1つのアモルファスシリコン系合金材料を含むフォトニック集積回路が提供される。
【0011】
図面を参照して以下の本発明の好適な実施形態の詳細な説明を考察することによって、本発明を容易に理解することができるであろう。なお、図面において、同一号は同一部分を示す。
【好適な実施形態の詳細な説明】
【0012】
本発明の明確な理解に関連する構成要素を説明するために、本発明の図面および説明を簡潔に記載してきたが、明確にするために、典型的な光デバイス、フォトニック集積回路(PIC)、光導波路、およびそれに関連する製造方法における多数の他の構成要素を削除していることを理解されたい。当業者であれば、本発明を実施するために、他の構成要素が望ましいこと、および/または必要とされることを認識するであろう。しかしながら、このような構成要素は当業者に公知であるため、さらには、このような要素により、本発明の良好な理解が妨げられるため、このような構成要素に関しては、本願明細書において記載しない。本願明細書における記載は、当業者に公知のこのようなデバイス、PIC、導波路、および方法のすべての変更および修正に向けられる。
【0013】
本発明の1つの態様によれば、モノリシック集積光電子製品の能動素子部品と受動素子部品の導波路結合を、柔軟性があり、屈折率が整合し、低損失のものにするために、アモルファスシリコン(a−Si)材料を使用することができる。本発明の1つの態様によれば、a−SiCx(0<x<1)、a−SiNy(0<y<1.33)、a−SiOz(0<z<2),および、a−SiGew(0<w<1)のようなa−Si:Hおよびa−Si:F系の合金を含むアモルファスシリコン(a−Si)材料を、光電子製品の能動部品と受動部品を集積するための導波路を形成するために利用することができる。これらのアモルファス性質から、a−Si材料は、結晶材料の格子整合要求をもたない。さらに、例えば、光屈折率を、例えば、1.5から4まで実質的に連続して調整できることにより、従来技術と比較して、改良された屈折率整合性および低損失の特徴を備えた能動部品の導波路結合が得られる。
【0014】
本発明の1つの態様によれば、a−Si:Hまたはa−Si:F系合金などのa−Si材料の導波路が、プラズマ強化形化学蒸着(PECVD)を用いて作られ、それにより、低い固有光吸収係数(1.55μmで約0.1cm−1)が得られ、低損失の導波路構造を開発できる。a−Si材料の電子的および光学的特徴は、スパッタリングやPECVDなどの導波路形成方法に応じて変更されることもできる。例えば、スパッタリングされたa−Siは、一般的に、禁制帯において高密度の状態を有し、1.55μmで10cm−1より大きな光吸収係数を有することを特徴としていた。しかしながら、PECVDのa−Si材料は、赤外線の波長、例えば、1.3および1.55μmの範囲において、より低い吸収係数を示す場合がある。
【0015】
このようなa−Si材料の場合、1.55μmの動作波長での光吸収は低いことが望ましく、それにより、当業者により理解されるように、低損失および良好な光伝達特性が得られる。例えば、a−Si:Hに対応する吸収係数は、約0.1cm−1とすることができ、例えば、導波路損失は、1.55μmで約0.5dB/cm程度のものであることが好ましい。
【0016】
さらに、a−Si材料PECVDプロセスにおけるプラズマ支援分解を受ける主要なガス、例えば、SiH4を、他の化学物質、例えば、CH4、CO2、N2、NH3、またはN2Oと混合することにより、より幅の広いエネルギーギャップがより低い屈折率で達成される。
【0017】
図1は、本発明の1つの態様によるa−Si/III−V族半導体能動素子の異種集積部10の断面図を示す。この集積部10は、基板20と、多重量子ウェル(MQW)層40を含む能動素子30と、a−Si材料導波路50とを備える。
【0018】
基板20は、InP、GaAs,またはGaNなど、またはPICに対する基本構造を形成してよいc−Siなどの任意の適切な従来の半導体基板の形態のものとすることができる。能動素子30は、例えば、半導体レーザーなど、従来型のIII−V族半導体能動部品または素子の形態のものとすることができる。このような基板および能動素子の形成および使用は、当業者により十分に理解されているものである。
【0019】
導波路50は、a−SiCx(0<x<1)、a−SiNy(0<y<1.33)、a−SiOz(0<z<2),および、a−SiGew(0<w<1)のようなa−Si:Hおよびa−Si:F系の合金を含むアモルファスシリコン(a−Si)材料から形成されることができる。導波路50は、1.3または1.55μmなどの動作範囲における使用に適したものとすることができる。このような導波路の形成および使用は、当業者により十分に理解されているものである。
【0020】
例えば、導波路50は、c−Siウェハ上に、屈折率が約3.2のa−Si合金材料下部クラッド層が堆積され、その上に、屈折率が約3.4のa−Si合金材料層が堆積された形態のものである。a−Si合金下部クラッド層の厚みは約1μm、a−Si:H合金コアの厚みは約0.5μmとすることができる。上部クラッド層として、屈折率が約3.2のa−Si合金材料層が与えられ、その厚みは、例えば、1μmである。a−Si合金の下部クラッドおよび上部クラッドは、例えば、SiH4またはN2のRFまたはDCプラズマ支援分解(図4を参照)を用いて形成される。N2の場合、基板温度を約250℃に保ちながら、約0.9のN2とSiH4の流量比率が使用され得る。a−Si合金コア層を形成するためには、基板温度を約250℃に保ちながら、N2とSiH4の流量比率は、約0.45とするとよい。例えば、約50Wで13.56MHzのRF電力を保ちながら、処理圧力は約1.5トールとするとよい。
【0021】
導波路およびそのコアは、例えば、平坦なアモルファススタックの標準的なフォトリソグラフィパターニングおよびプラズマエッチングを用いて画定されることができる。例えば、結合損失をさらに低減させるために、機械研磨などの標準的な平坦化ステップが用いられるとよい。
【0022】
さらに図1を参照すると、集積10にa−Si材料導波路50を用いることにより、いくつかの技術的利点が得られる。例えば、a−Si導波路50の屈折率は、さまざまなIII−V族半導体能動部品と適合できるように容易に調整され得る。さらに、a−Si材料を使用することにより、一般的に、能動型のIII−V族半導体素子の集積化が容易になり、光結合損失が低くなり、例えば、エピタキシャル成長と比較した場合、250℃程度に温度が比較的低い処理技術を用いることができ、比較的低コストで高歩留りの製造プロセスを実現できる。
【0023】
ここで図2を参照すると、a−SiCxを含む導波路を形成するために、PECVDプロセスで使用されるCH4とSiH4の比率と、達成可能な屈折率との関係を表したグラフが示されている。さらに図3を参照すると、a−SiNyを含む導波路材料を形成するために、PECVDプロセスで使用されるN2とSiH4の比率と、達成可能な屈折率との関係を表したグラフが示されている。このように、a−Si材料導波路50は、例えば、素子30(図1)などの特定のタイプのIII−V族半導体素子とともに使用するのに適した所望の屈折率をもつように形成される。
【0024】
図4を参照すると、本発明の1つの態様によるPIC600が示されている。PIC600は、一般的に、能動素子610と、その上に形成された受動素子620とを有する基板650を含む。基板650は、例えば、c−Siまたは適切な半導体化合物などの任意の適切な形態のものとすることができる。能動素子610は、例えば、多重量子ウェルを含む半導体レーザーの形態のものとすることができる。受動素子620は、a−SiNy導波路などの導波路の形態のものとすることができる。能動素子610は、当業者に従来理解されているようなコンタクト630およびミラー640を含むものとすることができる。
【0025】
本発明の1つの態様によれば、素子610、620間の境界は、従来理解されているように、屈折率が整合されたものであってよく、受動素子620の光吸収は、図1〜図3に関して記載したものと同じように低いものであってよい。さらに、低境界反射が達成され、例えば、屈折率の差(Δn)<0.01、反射率(R)<10−5の場合、能動部品610との使用に望ましい場合がある。さらに、受動素子620の形成にPECVDを使用することで、例えば、スパッタリングとは対照的に、素子610、620の境界での能動素子610との表面の適合性が高められ、境界散乱損失が低くなる。例えば、図5を参照すると、コア屈折率と典型的なモード損失との関係が示されている。再度、図2および図3を参照すると、当業者に明らかなように、図5に示すコア屈折率は、PECVDプロセスにおいてSiH4およびCH4またはN2を用いて得られる。
【0026】
図6〜図9を参照すると、本発明によるフォトニック集積回路(PIC)を実現するためのいくつかの非制限的な例が示されている。
【0027】
図6を参照すると、本発明の1つの態様によるモノリシック集積された波長可変レーザーモジュール800のブロック図が示されている。波長可変レーザーモジュール800の位相および分布ブラッグ反射器格子領域810、820は、屈折率整合されたプラズマ強化形化学蒸着を施したa−Si材料を用いて実現可能である。さらに、ゲイン領域830は、例えば、従来のIII−V族半導体材料を用いて実現される。
【0028】
図7を参照すると、レーザーなどの伝送用光源910に結合された導波路950が示されている。光検出器930、940に、カプラ960が結合される。導波路950およびカプラ960は、プラズマ強化形化学蒸着が施されたa−Si材料から作られ、レーザー910および検出器930、940は、従来理解されているように、III−V族半導体材料で作られている。
【0029】
図8を参照すると、レーザー1020と電界吸収変調器1030とを結合する導波路1010を含む、本発明の1つの態様によるPIC1000が示されている。導波路1010は、屈折率整合されたプラズマ強化形化学蒸着が施されたa−Si材料から作られ、レーザー1020およびEA変調器1030は、例えば、III−V族半導体材料から作られている。
【0030】
図11を参照すると、本発明の1つの態様によるPIC1100の概要図が示されている。PIC1100は、一般的に、能動部品1110、1120と、素子1110および1120を互いに光学的に結合する受動部品1130とを有する基板1105を含む。基板1105は、c−Siの形態のものとすることができる。能動部品1110、1120は、III−V族半導体能動素子の形態のものとすることができる。受動部品1130は、a−SiCx(0<x<1)、a−SiNy(0<y<1.33)、a−SiOz(0<z<2),および、a−SiGew(0<w<1)のようなa−Si:Hおよびa−Si:F系の合金などのプラズマ強化形化学蒸着が施されたアモルファスシリコン(a−Si)材料の導波路の形態のものとすることができる。部品1110、1120は、従来技術を用いて形成されてよい。導波路1130は、本願明細書において記載したものと同じプラズマ強化形化学蒸着を用いて形成されることができる。当業者に認識されるように、導波路1130の形成と関連して、より低い処理温度が使用されることがあるため、例えば、エピタキシャル成長と比較した場合、導波路1130の形成は、形成された素子110、1120に悪影響を及ぼすことがない。
【0031】
本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、本発明の装置およびプロセスにさまざまな修正および変更が加えられてよいことは、当業者に明らかであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれと同等のものの範囲内のものであれば、本発明の修正および変更に範囲が及ぶことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】本発明の1つの態様によるa−Si材料/III−V族能動素子の異種集積の断面図である。
【図2】従来技術を用いてa−SiCxを含む導波路材料を形成するために、PECVDプロセスで使用されるCH4とSiH4の比率と、達成可能な屈折率との関係を表したグラフである。
【図3】従来技術を用いてa−SiNxを含む導波路材料を形成するために、PECVDプロセスで使用されるN2とSiH4の比率と、達成可能な屈折率との関係を表したグラフである。
【図4】本発明の1つの態様によるPICを示す図である。
【図5】コア屈折率と典型的なモード損失との関係を表したグラフである。
【図6】本発明によるフォトニック集積回路(PIC)を実現するための非制限的な例の1つを示す図である。
【図7】本発明によるフォトニック集積回路(PIC)を実現するための非制限的な例の1つを示す図である。
【図8】本発明によるフォトニック集積回路(PIC)を実現するための非制限的な例の1つを示す図である。
【図9】本発明によるフォトニック集積回路(PIC)を実現するための非制限的な例の1つを示す図である。
Claims (10)
- 複数の光子との動作に適し、前記光子のエネルギーに近いバンドギャップエネルギーを有する機能材料を含む少なくとも1つのフォトニック部品と、
前記光子より実質的に高いバンドギャップを有し、前記光子のエネルギーに近いバンドギャップエネルギーを有する機能材料を含む前記少なくとも1つのフォトニック部品に隣接した機能材料を含む、前記複数の光子との動作に適した少なくとも1つのフォトニック部品と
を備えるフォトニック集積回路であって、
前記光子より実質的に高いバンドギャップエネルギーを有する機能材料を含む前記少なくとも1つのフォトニック部品が、少なくとも1つのアモルファスシリコン系合金材料を備えるフォトニック集積回路。 - 前記アモルファスシリコン系合金材料は、プラズマ強化形化学蒸着が施される、請求項1に記載のフォトニック集積回路。
- 前記アモルファスシリコン系合金材料は、a−Si:Hおよびa−Si:F系合金からなる群から選択される少なくとも1つの材料を含む、請求項1に記載のフォトニック集積回路。
- 前記アモルファスシリコン系合金材料は、水素化またはフッ素化処理された、a−SiCx(0<x<1)、a−SiNy(0<y<1.33)、a−SiOz(0<z<2),および、a−SiGew(0<w<1)からなる群から選択される少なくとも1つの材料を含む、請求項1に記載のフォトニック集積回路。
- 前記光子のエネルギーに近いバンドギャップエネルギーを有する機能材料を含む前記少なくとも1つのフォトニック部品は、複数のIII−V族半導体素子を含み、前記光子より実質的に高いバンドギャップエネルギーを有する機能材料を含む前記少なくとも1つのフォトニック部品は、前記III−V族半導体素子を互いに光学的に結合する、請求項1に記載のフォトニック集積回路。
- 前記光子のエネルギーに近いバンドギャップエネルギーを有する機能材料を含む前記少なくとも1つのフォトニック部品は、フォトニック伝送源、電界吸収変調器、半導体光増幅器、ゲイン領域、およびフォトニック検出器からなる群から選択される少なくとも1つの素子を含む、請求項1に記載のフォトニック集積回路。
- 前記光子より実質的に高いバンドギャップエネルギーを有する機能材料を含む前記少なくとも1つのフォトニック部品は、導波路ベースのコネクタ、導波路ベースのスプリッタ、波長フィルタリング要素、波長選択要素、分布ブラッグ格子反射器、位相領域からなる群から選択される少なくとも1つの素子を含む、請求項1に記載のフォトニック集積回路。
- 基板上に少なくとも1つのIII−V族半導体素子を形成することと、
プラズマ強化形化学蒸着を用いて、前記基板上に少なくとも1つのアモルファスシリコン材料導波路を形成することと
を含むフォトニック集積回路形成方法であって、
前記少なくとも1つの導波路は、前記少なくとも1つのIII−V族半導体素子に光学的に結合される方法。 - 前記アモルファスシリコン材料は、a−Si:Hおよびa−Si:F系合金からなる群から選択される少なくとも1つの材料を含む、請求項8に記載の方法。
- 前記アモルファスシリコン材料は、水素化またはフッ素化処理された、a−SiCx(0<x<1)、a−SiNy(0<y<1.33)、a−SiOz(0<z<2),および、a−SiGew(0<w<1)からなる群から選択される少なくとも1つの材料を含む、請求項8に記載の方法。
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