JP2008177578A - 半導体光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】単一モードの光を出力する半導体光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】シリコン基板１００と、シリコン基板１００上に備えられたIII−Ｖ族半導体利得層１２０と、を含み、シリコン基板１００または半導体利得層１２０に分散ブラッググレーティングが形成される半導体光素子。
【選択図】図２
【解決手段】シリコン基板１００と、シリコン基板１００上に備えられたIII−Ｖ族半導体利得層１２０と、を含み、シリコン基板１００または半導体利得層１２０に分散ブラッググレーティングが形成される半導体光素子。
【選択図】図２
Description
本発明は、半導体光素子及びその製造方法に関し、さらに詳細には、単一モードで発振し、直列抵抗の小さいシリコンベースの半導体光素子及びその製造方法に関する。
光通信の発達により情報量の増大及び伝送速度の高速化が急速に進行しつつある。これと共に、コンピュータの速度も非常に速くなり、トランジスタの大きさは次第に小さくなっている。トランジスタの大きさが小さくなるにつれて、素子のスイッチング時間よりもメタルラインでの光信号のワンダ（ｗａｎｄｅｒ）時間が長くなって相互接続遅延（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｄｅｌａｙ）が発生する。このような相互接続遅延を低減するために、光電子集積回路（ＯＥＩＣ；Ｏｐｔｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）が盛んに開発されている。光電子集積回路では、シリコンベースの駆動部に化合物半導体を用いて信号を処理する異種接合法（ヘテロ接合法）が頻繁に用いられている。
しかし、すべての部分をシリコンで置き換えることに比べて、異種接合光電子集積回路は、製作により長い時間とより多くのコストを必要とする。したがって、光源部、変調部、及び受光部などをシリコンに置き換えようとする試みが続けられているが、シリコン光源の開発には難点が多い。最近、化合物半導体とシリコンとをウェーハ上で異種接合してシリコンからの光を増幅させる方法によって、シリコン光源が実現された。しかし、このような方法を用いたレーザーは、接合面で直列抵抗が高いという短所がある。さらに、前記レーザーは、スペクトルが多重モードで発振するために波長分割多重化（ＷＤＡ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式に採用され得ないという大きな問題がある。
図１は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）１０上に化合物半導体利得層２０が接合された半導体光素子の構造を示す図である。ＳＯＩ１０の上部にあるシリコン層をエッチングして、Ｓｉリブ導波路（ｒｉｂ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）が設けられる。半導体利得層２０の利得媒質としては、ＡｌＧａＩｎＡｓが使われ、ＩｎＰ層上に活性層が形成され、上部にはＩｎＰクラッディング層が形成される。ポンプレーザー３０と半導体光素子との間には、ポンプレーザー３０から放出されるポンプビームを集光させるレンズ２５が配置される。
活性層は、例えば、多重量子ウェル（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造を有し、第１波長λ１のポンプビームにより励起されて所定の第２波長λ２を有するビームを放出する。ポンプレーザー３０は、多重量子ウェルから放出されるビームの第２波長λ２よりも短い第１波長λ１のポンプビームで活性層を励起させる役割を果たす。
ポンプレーザー３０から放出された第１波長λ１のポンプビームが活性層に入射すれば、前記活性層が励起されつつ、特定の第２波長λ２のビームを放出し、放出されたビームはリブ導波路に結合される。そして、リブ導波路の両側鏡面で共振されてリブ導波路の外部に出力される。
量子ウェル層は、複数の量子ウェル（ＱＷ）と、量子ウェル間に位置する障壁層と、量子ウェル（ＱＷ）の上下面上に順次に積層されるストレイン補償層と、を含む。前記ストレイン補償層は、量子ウェル層のストレインを段階的に緩和させ、量子ウェル層のストレインによる構造的欠陥の発生を防止しうる。活性層は、ポンプレーザーから供給されるポンプビームを吸収することによって、励起されてビームを放出する。
このような構造が電気駆動方式に応用されるときには、半導体利得層とＳＯＩとを接合させるために接合面で高い抵抗が発生するという短所がある。したがって、このような接合構造を有する半導体光素子の光効率は低い。また、前記半導体光素子で発生する光は、多重モードのスペクトルを有するために波長分割多重化方式に用いられないという短所がある。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、発振波長を単一モードで放出するシリコンベースの半導体光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、シリコンと格子定数がマッチングされる利得物質をＳＯＩに成長させることによって、低抵抗のシリコンベースの半導体光素子及びその製造方法を提供することを他の目的とする。
上記目的を達成するために本発明は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に備えられたIII−Ｖ族半導体利得層と、を備え、前記シリコン基板または前記半導体利得層に分散ブラッググレーティングが形成されていることを特徴とする半導体光素子を提供する。
前記半導体利得層は、シリコンと格子定数の同じ利得媒質を含むことができる。
前記利得媒質は、Ｇａ（Ｉｎ）ＮＡｓＰまたはＧａＮＡｓＰを含むことができる。
前記分散ブラッググレーティングは、ホログラフィー法またはリソグラフィー法により形成しうる。
前記シリコン基板は、第１シリコン層、絶縁層、及び第２シリコン層を含むことができる。
前記第２シリコン層に複数の二酸化シリコン層が備えられ、隣接する二酸化シリコン層間に導波路が形成されうる。
前記二酸化シリコン層は、イオン注入法または熱酸化により形成されうる。
前記分散ブラッググレーティングは、前記導波路の上面または側面に形成されうる。
前記分散ブラッググレーティングは、不連続的に形成されうる。
前記目的を達成するために本発明による半導体光素子の製造方法は、シリコン基板上にIII−Ｖ族半導体利得層を成長させる段階と、前記シリコン基板または前記半導体利得層に分散ブラッググレーティングを形成する段階と、を含む。
本発明による半導体光素子は、シリコンベースのレーザーを提供し、シリコン基板または半導体利得層に分散ブラッググレーティングを備えて単一モードの光を出力する。これにより、波長分割多重化方式または挿入／分岐（ａｄｄ／ｄｒｏｐ）多重化方式の光通信に有用に使用しうる。
本発明による半導体光素子の製造方法は、シリコン基板上にシリコンと類似した格子定数を有する半導体利得層を成長させることにより直列抵抗を減少させ、かつ大面積の製造を可能とする。
以下、添付した図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
本発明による半導体光素子は、図２を参照すれば、シリコン基板１００上にIII−Ｖ族半導体利得層１２０が備えられた構造を有し、シリコン基板１００または半導体利得層１２０に分散ブラッググレーティング（Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ：ブラッグ回折格子）が備えられる。分散ブラッググレーティングについては、図３Ａ〜図３Ｃを参照して説明する。分散ブラッググレーティングは、屈折率の異なる２つの半導体層が発振ビームの波長の約１／４ｎ（ｎは、自然数）の厚さで交互に反復するように積層された構造を有する。グレーティングの構造は、屈折率の異なる２つの媒質が交互に配置される構造と同じであり、このような分散ブラッググレーティングを通じて単一モードの光が放出されうる。
シリコン基板１００は、例えば、第１シリコン層１０１、絶縁層１０２、及び第２シリコン層１０３が順次に積層されて形成されたＳＯＩウェーハ構造を有することができる。半導体利得層１２０は、シリコンと類似した格子定数を有する利得媒質で形成でき、例えば、ＧａＮＡｓＰまたはＧａ（Ｉｎ）ＮＡｓＰで形成されうる。
分散ブラッググレーティング１２６は、図３Ａに示されたように、半導体利得層１２０に形成されうる。半導体利得層１２０は、活性層１２２、Ｎ型クラッディング層１２４を含み、活性層１２２は多重量子ウェル層で構成されうる。ここで、分散ブラッググレーティング１２６は、Ｎ型クラッディング層１２４に形成されうる。または、Ｎ型クラッディング層が形成された位置にＰ型クラッディング層が形成され、Ｐ型クラッディング層に分散ブラッググレーティングが形成されうる。ここで、分散ブラッググレーティングは、ホログラフィー法またはリソグラフィー法で形成されうる。
なお、図３Ａに示すＮ型クラッディング層１２４は、屈折率の異なる２つの半導体層が積層されて形成されており、分散ブラッググレーティング１２６は、屈折率の異なる２つの半導体層の界面が周期的な凹凸構造を有するように形成されてなる。このような凹凸構造の高さは、発振ビームの波長の約１／４ｎ（ｎは、自然数）であることが好ましい。
または、図３Ｂに示されたように、シリコン基板１００に分散ブラッググレーティング１２８を形成しうる。シリコン基板について具体的に説明すれば、シリコン基板１００がＳＯＩウェーハで構成され、ＳＯＩウェーハは、第１シリコン層１０１、絶縁層１０２、及び第２シリコン層１０３を含む。そして、第２シリコン層１０３にシリコンリブ導波路１０５が形成される。第２シリコン層１０３に酸化物イオン（ｏｘｉｄｅ ｉｏｎ）を注入するか、熱酸化（ｔｈｅｒｍａｌ ｏｘｉｄｅ）工程を通じて第２シリコン層１０３に部分的に二酸化シリコン層１０７が形成され、二酸化シリコン層１０７間にリブ導波路１０５が形成される。分散ブラッググレーティングは、リブ導波路１０５の上面または側面に形成されうる。そして、二酸化シリコン層１０７とリブ導波路１０５上にシリコンと格子定数が類似しているか、または同じIII−Ｖ族半導体物質を成長させて半導体利得層を形成する。
なお、図３Ｂに示す分散ブラッググレーティング１２８は、リブ導波路１０５の上面が周期的な凹凸構造を有するように形成されてなる。
本発明によるシリコンベースの半導体光素子では、分散ブラッググレーティングを通じて単一モードの光が発振される。このような単一モードの発振が、波長分割多重化や挿入／分岐（ａｄｄ／ｄｒｏｐ）多重化に必要とされる。また、図３Ｃに示されたように、分散ブラッググレーティングが不連続的に形成されることも可能である。
一方、本発明による半導体光素子を用いて波長分割多重化は実現される。図４は、波長分割多重化システムを示す図であり、シリコン基板１１０に複数の半導体利得層１１１が備えられ、シリコン基板１１０と半導体利得層１１１との間から延びたリブ導波路１１２が光変調器１１３に結合される。リブ導波路１１２から出射された光は、光変調器１１３により変調される。変調された光は、マルチプレクサ１１４を通じて光フィーバーまたは他の導波路１１５に結合される。リブ導波路１１２の各々に形成されるブラッググレーティングの周期を互いに異ならせることによって、レーザー光の波長を変化させることができる。これにより、一つのIII−Ｖ族半導体物質を成長させて波長分割多重化を可能とする。
図５は、分散ブラッググレーティングが半導体利得層に形成された半導体光素子の内部光モードプロファイルを示す図である。ここで、半導体利得媒質の閉じ込め係数（ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｆａｃｔｏｒ）が５％以内であり、シリコンの閉じ込め係数が５０％以上である。分散ブラッググレーティングのグレーティング周期に合う波長の光のみが建設的干渉（ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）を生じ、他の波長の光は相殺される。例えば、半導体利得層は、利得媒質の発振波長が１．５５μｍになるように成長され、分散ブラッググレーティングの周期は１．５５μｍに形成されうる。
そして、シリコン基板で光モードがよく拘束されるように利得領域をリブ導波路よりも屈折率の低い物質で形成し、リブ導波路はＳＯＩウェーハ上に形成する。リブ導波路の屈折率が利得領域よりも大きければ、内部フィールド（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｉｅｌｄ）が導波路側に結合されて、シリコン基板から光が出力される。本発明による半導体光素子は、側面から光が放出されるエッジ型レーザーであり得る。
一方、シリコン基板と半導体利得層は、互いに接合されるか、またはシリコン基板上に半導体利得層が成長されうる。また、本発明による半導体光素子は、光学的に励起されるか、電気的に励起されうる。光学的に励起する場合、ポンプレーザーを利用しうる。また、電気的に励起する場合、電極を備えねばならない。電極は、例えば、図６Ａに示されたように、半導体利得層１２０上にＮ−金属層１３０を形成し、シリコン基板１００の下部にＰ−金属層１３２を形成して備えられうる。または、その逆に形成されることもある。図６Ａでは、第１シリコン層１０１と第２シリコン層１０３との間にパターン化された絶縁層１０２’が形成されたことを示す。絶縁層１０２’は、例えば、二酸化シリコン層でありうる。
または、図６Ｂに示されたように、第１シリコン層１０１と絶縁層１０２’の両側にＰ−金属層１４２を形成し、ビアホール１４１を通じて電極を連結することもできる。絶縁層１０２’は、二酸化シリコン層で構成され、パターン化されて形成されうる。Ｐ−金属層は、蒸着法（ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）または電気メッキ法を用いるか、これら方式を混用して形成されうる。このようにビアホールを通じて電極を連結することによって、直列抵抗を低減することができる。ビアホールの形成前には、電子が薄い層を通じて移動するために、直列抵抗が高いという問題がある。
図７は、図６Ｂのように電極を構成した場合、波長による吸収係数をドーピングレベル別に示す図である。リブ導波路側に電流が流れるとき、抵抗を低めるためにドーピングが必要である。ところで、ドーピング部分が光路上にあるために、ドーピングによる自由キャリアの吸収問題が発生しうる。ここで、ドーピングレベルによって吸収係数の変化量が異なることが分かる。図７を参照すれば、一般的に半導体光素子で使われる４番のドーピングレベル（３．２×１０１７ｃｍ−３）で吸収が少なく発生する。したがって、ドーピングに対する吸収問題は心配ない。
次いで、シリコン基板と半導体利得層との境界面での抵抗を減らすために、シリコン基板上にシリコンと格子定数とが実質的に同じ物質、例えば、ＧａＮＡｓＰまたはＧａ（Ｉｎ）ＮＡｓＰを成長させる。図８は、格子定数によるバンドギャップエネルギーを示すものであり、シリコンと格子定数が同じか類似した物質は、Ｇａ（Ｉｎ）ＮＡｓＰまたはＧａＮＡｓＰである。格子定数の同じ物質を用いて成長させることによって、シリコン基板と半導体利得層との境界面での抵抗を減少させ、大面積の製造が可能となる。
次いで、本発明による半導体光素子の製造方法について説明する。
図２を参照すれば、シリコン基板１００上にIII−Ｖ族半導体利得層１２０を成長させる。シリコン基板１００は、第１シリコン層１０１上に絶縁層１０２と第２シリコン層１０３とが積層されて形成される。引き続き、第２シリコン層１０３に部分的に酸化物イオンを注入するか、熱酸化を通じて複数の二酸化シリコン層１０７を形成する。これにより、隣接する二酸化シリコン層１０７の間にリブ導波路１０５が形成される。
次いで、リブ導波路１０５の上面または側面に分散ブラッググレーティングを形成する。そして、前記二酸化シリコン層上に半導体利得層１２０を成長させる。まず、活性層１２２として多重量子ウェル層を成長させ、その上にＮ型クラッディング層１２４を成長させる。多重量子ウェル層はＧａ（Ｉｎ）ＮＡｓＰで形成され、Ｎ型クラッディング層１２４はＧａ（Ｉｎ）ＮＡｓＰで形成されうる。
一方、分散ブラッググレーティングをリブ導波路１０５に形成する代わりに、クラッディング層１２４に形成することも可能である。また、分散ブラッググレーティングは、リソグラフィー法で形成するか、ホログラフィー法で形成しうる。本発明の半導体光素子は、分散ブラッググレーティングを通じて単一モードの光を出力することによって、波長分割多重化方式の光通信に採用しうる。
上記実施形態は、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これより多様な変形及び均等な他の実施形態が可能である。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的思想により決まるべきである。
本発明は、半導体光素子関連の製造技術分野に好適に適用されうる。
１００ シリコン基板、
１０１ 第１シリコン層、
１０２ 絶縁層、
１０３ 第２シリコン層、
１０７ 二酸化シリコン層、
１０５ リブ導波路、
１２０ III−Ｖ族半導体利得層、
１２２ 活性層、
１２４ Ｎ型クラッディング層。
１０１ 第１シリコン層、
１０２ 絶縁層、
１０３ 第２シリコン層、
１０７ 二酸化シリコン層、
１０５ リブ導波路、
１２０ III−Ｖ族半導体利得層、
１２２ 活性層、
１２４ Ｎ型クラッディング層。
Claims (28)
- シリコン基板と、
前記シリコン基板上に備えられたIII−Ｖ族半導体利得層と、を備え、
前記シリコン基板または前記半導体利得層に分散ブラッググレーティングが形成されていることを特徴とする半導体光素子。 - 前記半導体利得層は、シリコンと格子定数の同じ利得媒質を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
- 前記利得媒質は、Ｇａ（Ｉｎ）ＮＡｓＰまたはＧａＮＡｓＰを含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体光素子。
- 前記半導体利得層を前記シリコン基板に成長させることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
- 前記分散ブラッググレーティングは、ホログラフィー法またはリソグラフィー法により形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
- 前記シリコン基板は、第１シリコン層、絶縁層、及び第２シリコン層を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
- 前記第２シリコン層に複数の二酸化シリコン層が備えられ、隣接する二酸化シリコン層間に導波路が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体光素子。
- 前記二酸化シリコン層は、イオン注入法により形成されることを特徴とする請求項７に記載の半導体光素子。
- 前記二酸化シリコン層は、熱酸化により形成されることを特徴とする請求項７に記載の半導体光素子。
- 前記分散ブラッググレーティングは、前記導波路の上面または側面に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体光素子。
- 前記分散ブラッググレーティングは、不連続的に形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体光素子。
- 前記半導体利得層上に形成されたＮ金属層と、
前記シリコン基板の下部に形成されたＰ金属層と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。 - 前記半導体利得層上に形成されたＰ金属層と、
前記シリコン基板の下部に形成されたＮ金属層と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。 - 前記シリコン基板の両側に蒸着法または電気メッキ法を用いて形成されたＰ金属層と、
前記Ｐ金属層に形成されて電極を連結するビアホールと、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。 - 前記シリコン基板と前記半導体利得層とが接合されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
- シリコン基板上にIII−Ｖ族半導体利得層を成長させる段階と、
前記シリコン基板または前記半導体利得層に分散ブラッググレーティングを形成する段階と、を含むことを特徴とする半導体光素子の製造方法。 - 前記半導体利得層は、シリコンと格子定数の同じ利得媒質を含むことを特徴とする請求項１６に記載の半導体光素子の製造方法。
- 前記利得媒質は、Ｇａ（Ｉｎ）ＮＡｓＰまたはＧａＮＡｓＰを含むことを特徴とする請求項１７に記載の半導体光素子の製造方法。
- 前記分散ブラッググレーティングは、ホログラフィー法またはリソグラフィー法により形成されることを特徴とする請求項１６に記載の半導体光素子の製造方法。
- 前記シリコン基板は、第１シリコン層、絶縁層、及び第２シリコン層を含むことを特徴とする請求項１６に記載の半導体光素子の製造方法。
- 前記第２シリコン層に複数の二酸化シリコン層が備えられ、隣接する二酸化シリコン層間に導波路が形成されることを特徴とする請求項２０に記載の半導体光素子の製造方法。
- 前記二酸化シリコン層は、イオン注入法により形成されることを特徴とする請求項２１に記載の半導体光素子の製造方法。
- 前記二酸化シリコン層は、熱酸化により形成されることを特徴とする請求項２１に記載の半導体光素子の製造方法。
- 前記分散ブラッググレーティングは、前記導波路の上面または側面に形成されることを特徴とする請求項２１に記載の半導体光素子の製造方法。
- 前記分散ブラッググレーティングは、不連続的に形成されることを特徴とする請求項１６に記載の半導体光素子の製造方法。
- 前記半導体利得層上にＮ金属層を形成し、前記シリコン基板の下部にＰ金属層を形成することを特徴とする請求項１６に記載の半導体光素子の製造方法。
- 前記半導体利得層上にＰ金属層を形成し、前記シリコン基板の下部にＮ金属層を形成することを特徴とする請求項１６に記載の半導体光素子の製造方法。
- 前記シリコン基板の両側に蒸着法または電気メッキ法を用いてＰ金属層を形成し、前記Ｐ金属層にビアホールを備えて電極を連結することを特徴とする請求項１６に記載の半導体光素子の製造方法。
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