JP2010085724A

JP2010085724A - 導波路

Info

Publication number: JP2010085724A
Application number: JP2008254868A
Authority: JP
Inventors: Masato Toita; 真人戸板
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-04-15

Abstract

【課題】屈折率が小さい領域との屈折率の差が大きく、電磁波の減衰による効率低下が小さい単結晶インジウムアンチモン導波路を提供すること。
【解決手段】半導体基板１の上部に設けられた単結晶インジウムアンチモン薄膜２に、電磁波が透過するコア領域５と電磁波が透過しないクラッド領域４が設けられた構造を備える。クラッド領域４は、低誘電率物質からなる円柱３が一定の周期ａで設けられたフォトニック結晶構造になっている。また低誘電率物質からなる円柱３の直径ｂは、周期ａより十分小さければよい。コア領域５は、屈折率が大きく、かつ電磁波の吸収が小さい単結晶インジウムアンチモン薄膜２に、円柱３が存在しない領域である。
【選択図】図１

Description

本発明は、導波路に関し、より詳細には、赤外線を用いた光送受信装置において光を目的の方向に導くため、あるいは特定の波長の光のみを透過させるフィルターとして用いられる導波路に関する。

半導体基板上に形成される光導波路は、例えば光ファイバーを用いた光通信システムにおいて、レーザー発振器を用いた発光素子や半導体受光素子と組み合わされて用いられている。

光導波路の構造としては、屈折率が大きい物質と屈折率が小さい物質を、光通信に利用する赤外線の波長と同程度の間隔で周期的に配置したフォトニック結晶を用いるものが利用されている。このフォトニック結晶を利用した光導波路とは、屈折率が異なる物質が周期的に配置されている領域をクラッド、屈折率が大きな物質のみで構成されている領域をコアとする、コアの領域に光を通す導波路である。

光導波路のクラッド領域は、目的とする光を透過しない構造であることが望ましい。このため、クラッドに配置する誘電率の小さい領域の周期、すなわちフォトニック結晶としての格子定数aはコア領域を形成する高誘電率物質中での光の波長程度であることが望ましい。

コアに用いる屈折率が大きい物質としては、たとえばシリコン、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、アモルファスもしくは多結晶体のインジウムアンチモン等が使われていた。また、前記屈折率が小さい物質としては空気、ＳｉＯ_２、ポリイミド等が使われていた。（特許文献１、２参照）

特開２００２−８４１０９号公報特開２００２−１８９１３５号公報

しかしながら、従来の導波路においては、屈折率が大きい物質としてシリコン等を用いている場合は、屈折率が小さい物質との屈折率の差が小さく、したがって導波路、もしくはフィルターとしての機能を十分に発揮することができない、もしくは十分な機能を発揮させるためには大きな面積を必要とするため製造コストを低減できないという問題があった。また、屈折率が大きな物質であるアモルファスもしくは多結晶のインジウムアンチモンを用いる場合には、コア領域での電磁波の減衰が過大で、発光素子との組み合わせの場合には十分な発光強度が、受光素子との組み合わせの場合には十分な感度が得られなくなるという問題があった。これはすなわち、アモルファスもしくは多結晶のインジウムアンチモンの透明度が不充分であることに起因している。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、屈折率が小さい領域との屈折率の差が大きく、電磁波の減衰による効率低下が小さい導波路を提供することにある。

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、半導体基板上に形成されたコア部とクラッド部から構成された導波路であって、前記クラッド部は、第１の物質を海とし、前記第１の物質の屈折率より低い屈折率を有する第２の物質を島とする海島構造をなしており、前記１の物質が、単結晶インジウムアンチモンであることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の導波路において、前記半導体基板はシリコン、ＧａＡｓ、及びゲルマニウムのいずれかであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の導波路において、前記半導体基板は、第１の半導体層と、前記第１の半導体基板上に形成され絶縁層と、前記絶縁層上に形成された第２の半導体層とからなることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の導波路において、前記第１及び第２の半導体層は、シリコン、ＧａＡｓ、及びゲルマニウムのいずれかであることを特徴とする。

本発明によれば、屈折率が小さい領域との屈折率の差が大きく、電磁波の減衰による効率低下が小さい導波路が可能になる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（実施形態１）
図１（ａ）に、本発明の実施形態１に係る単結晶インジウムアンチモン導波路の断面図を示し、図１（ｂ）に、その上面図を示す。本発明による導波路は、半導体基板１の上部に設けられた単結晶インジウムアンチモン薄膜２に、電磁波が透過するコア領域５と電磁波が透過しないクラッド領域４が設けられた構造を備える。

クラッド領域４は、低誘電率物質からなる円柱３が一定の周期aで設けられた、いわゆるフォトニック結晶構造になっており、フォトニック結晶の格子定数に相当する周期aは、使用する電磁波の波長により最適な値に調整することができるが、たとえば0.5μmから20μmである。また低誘電率物質からなる円柱３の直径ｂは、周期aより十分小さければよく、例えば0.1μmから10μmである。クラッド領域４に周期的に設けられている低誘電率物質の円柱３は、例えば空気、SiO₂、ポリイミドである。

コア領域５は、単結晶インジウムアンチモン薄膜２に、円柱３が存在しない領域であり、この領域を電磁波が通過する。コア領域５は屈折率が大きく、かつ電磁波の吸収が小さい単結晶インジウムアンチモン膜２よりなる。この単結晶インジウムアンチモン薄膜２は半導体基板1上に分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）もしくは有機金属気相エピタキシー法（ＭＯＶＰＥ法）を用いてエピタキシャルに成長される。単結晶インジウムアンチモン薄膜２の膜厚cは、例えば0.1μmから10μｍである。

半導体基板１は、例えばＧａＡｓ、もしくはシリコン、もしくはゲルマニウムである。

また単結晶インジウムアンチモン導波路の上部には、低誘電率物質層６を設けても良い。この低誘電率物質層６は、例えばシランガスを原料の一部としたプラズマＣＶＤ法を用いて形成するSiO₂であり、低誘電率物質からなる円柱３と同時に形成するようにしても良い。

次に、図２（ａ）から（ｅ）を用いて本発明による単結晶インジウムアンチモン導波路の製造方法の例を説明する。

図２（ａ）は、半導体基板１の断面図である。半導体基板１の材料としては、GaAsまたはシリコンもしくはゲルマニウムが好ましく、後に半導体基板１上に成長させるインジウムアンチモン結晶と格子定数の差が10％未満であることが望ましい。本実施例ではGaAs基板を用いた。

図２（ｂ）は、半導体基板１上に、単結晶インジウムアンチモン薄膜２を形成した状態を示す断面図である。本実施例では、ＭＢＥ法にて単結晶インジウムアンチモン薄膜２を、膜厚２μｍになるように形成した。このとき単結晶インジウムアンチモン薄膜２は、単結晶である半導体基板１に結晶格子を整合させるように成長させているので、例えばSiO₂のようなアモルファス物質上に成長させる場合とは異なり、透明度の高い単結晶のインジウムアンチモン薄膜２が得られる。

図２（ｃ）は、単結晶インジウムアンチモン薄膜２上にリソグラフィー工程にて、フォトレジストパターン７を形成した状態を示す。リソグラフィー工程は公知のフォトレジスト塗布、露光、現像、ベーク技術により行う。露光技術としてはｇ線、i線などの紫外線露光方式によってもよく、電子ビーム露光方式によってもよい。

従来の技術に関連して述べたとおり、クラッド領域に電磁波を透過させないためには、低誘電率物質からなる円柱３の周期ａ、すなわちクラッド領域をフォトニック結晶としてみた場合の格子定数aは、導波路内での電磁波の波長程度であれば良い。したがって例えば光通信に一般的に用いられている波長1.55μmの赤外光を用いる場合、この波長に対する単結晶インジウムアンチモン膜２の屈折率は4程度であるからa=0.4μm程度であれば良い。

また、低誘電率物質からなる円柱３の直径は格子定数ａの1/10から1/2程度であれば良い。

尚、本実施例において示した格子定数ａは波長1.55μmの赤外線を用いる場合の例であり、格子定数ａを適切に選ぶことによって、使用する電磁波は波長のより大きな遠赤外領域の光であってもよく、また、マイクロ波、ミリ波などの電磁波であっても良い。

図２（ｄ）は、フォトレジストパターン７にもとづいて単結晶インジウムアンチモン層２をエッチングし、低誘電率物質からなる円柱３を形成する領域に円柱状の空孔８を形成した状態を示す。単結晶インジウムアンチモン層２のエッチングにおいては、ＣＦ４等のフッ化物系ガスを用いたドライエッチングによっても、塩素系ガスを用いたドライエッチングによっても良い。このとき形成される円柱状の空孔８の寸法およびテーパー形状の制御性から、ウエットエッチングよりはドライエッチングが好ましい。

図２（ｅ）は、空孔８にプラズマＣＶＤ法によってSiO₂を堆積させ、低誘電率物質からなる円柱３を形成した後、さらにプラズマＣＶＤ法による堆積を継続し、低誘電率物質層６を形成した状態を示す。このようにして、本発明の単結晶インジウムアンチモン導波路を作製することができる。

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２に係る単結晶インジウムアンチモン導波路について、図３を参照しながら説明する。実施形態２は、第１の半導体基板９の上に第１の低誘電率物質層１０が形成されており、さらにその低誘電率物質層１０の上に第２の半導体基板１１が形成されており、第２の半導体基板の上に実施形態１の半導体基板１上に形成される単結晶インジウムアンチモン導波路が形成されていることを特徴とする。すなわち、実施形態２は、実施形態１の半導体基板１を第１の半導体基板、第１の低誘電率物質層１０、第２の半導体基板で置き換えたものである。

実施形態２において、第１の半導体基板９は典型的にはシリコンであり、第１の低誘電率物質層１０は典型的にはＳｉＯ_２（二酸化珪素）であり、第２の半導体物質１１は典型的にはシリコンである。

第１のシリコン基板上にＳｉＯ_２層が形成され、さらにそのＳｉＯ_２層上に第２のシリコン基板が形成されている構成の基板は、一般にＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板と呼ばれているものである。このＳＯＩ基板を用いて本発明の単結晶インジウムアンチモン導波路を形成し、例えば赤外線を導波するようにすれば、第１の低誘電率物質層１０が赤外線を反射するミラーの役割をはたすので赤外線の導波路から第１の半導体基板９方向への漏れを防止することができるため好ましい。

このとき第２の半導体基板１１の厚みは０．１μmから１０μm程度であればよい。

実施形態２においては、第１の半導体基板９はシリコンのほか、ＧａＡｓであっても、ゲルマニウムであってもよく、第２の半導体基板１１はシリコンのほかＧａＡｓであってもゲルマニウムであってもよい。

以上に説明したように、本発明の単結晶インジウムアンチモン導波路によれば屈折率が典型的には４程度と大きいインジウムアンチモンを用いているため、屈折率が小さい領域との屈折率の差が大きく、したがって小さな面積でも導波路、もしくはフィルターとしての機能を十分に発揮することができる。さらに、本発明による単結晶インジウムアンチモン導波路は、インジウムアンチモン薄膜を分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）もしくは有機金属気相蒸着法（ＭＯＶＰＥ法）を用い、半導体基板上に格子整合させる状態で成膜しているため単結晶であり、したがって透過する電磁波の減衰による効率低下という問題が解決されている。

また、本発明の単結晶インジウムアンチモン導波路は、ＳＯＩ基板の上に形成することにより、低誘電率物質層、典型的にはＳｉＯ_２が赤外線等の電磁波を反射するミラーの役目を果たすことから、電磁波の減衰による効率低下という問題が解決されている。

（ａ）は、本発明の実施形態１に係る単結晶インジウムアンチモン導波路の断面図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態１に係る単結晶インジウムアンチモン導波路の上面図である。（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施形態１に係る単結晶インジウムアンチモン導波路の作製方法を説明する図である。本発明の実施形態２に係る単結晶インジウムアンチモン導波路の断面図である。

符号の説明

１、９、１１半導体基板
２単結晶インジウムアンチモン膜
３、１２低誘電率物質からなる円柱３
４クラッド領域
５コア領域
６、１０、１３低誘電率物質層
７レズスト
８空孔

Claims

半導体基板上に形成されたコア部とクラッド部から構成された導波路であって、
前記クラッド部は、第１の物質を海とし、前記第１の物質の屈折率より低い屈折率を有する第２の物質を島とする海島構造をなしており、前記１の物質が、単結晶インジウムアンチモンであることを特徴とする導波路。
前記半導体基板はシリコン、ＧａＡｓ、及びゲルマニウムのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の導波路。
前記半導体基板は、
第１の半導体層と、
前記第１の半導体基板上に形成され絶縁層と、
前記絶縁層上に形成された第２の半導体層と
からなることを特徴とする請求項１に記載の導波路。
前記第１及び第２の半導体層は、シリコン、ＧａＡｓ、及びゲルマニウムのいずれかであることを特徴とする請求項３に記載の導波路。