JP2010263153A - 半導体集積光デバイス及びその作製方法 - Google Patents

半導体集積光デバイス及びその作製方法 Download PDF

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Abstract

【課題】作製時の歩留まりが高く、且つ光導波路と半導体光素子との結合効率を高めることができる半導体集積光デバイス及びその作製方法を提供する。
【解決手段】半導体集積光デバイス１Ａは、ｎ型ＩｎＰ基板３と、ｎ型ＩｎＰ基板３上に設けられ、III−Ｖ族化合物半導体を含む光導波路１１０を有する半導体レーザ領域１０と、半導体レーザ領域１０と並んでｎ型ＩｎＰ基板３上に設けられ、光導波路１１０と光学的に結合されｎ型ＩｎＰ基板３の主面に沿って延びる光導波路２１ａ〜２１ｅを有する光導波領域２０とを備える。光導波領域２０は、ｎ型ＩｎＰ基板３と光導波路２１ａ〜２１ｅとの間に設けられた下部クラッドとしての酸化シリコン層２３を更に有し、光導波路２１ａ〜２１ｅは、III−Ｖ族化合物とは異なる半導体からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体集積光デバイス及びその作製方法に関するものである。
特許文献１には、シリコン基板上に形成された光配線上に発光素子や受光素子を貼り付けた構造を備える光集積回路が記載されている。この特許文献１では、光集積回路を作製する際にいわゆるエピタキシャルリフトオフ（ＥＬＯ）と呼ばれる方法を用いている。すなわち、ウェハ上に半導体層を成長させて光素子を形成し、この光素子をワックス剤により保護したのちウェハから分離させ、光配線を有するシリコン基板上に移動させている。
また、非特許文献１に記載されたデバイスは、ＳＯＩ（SiliconOn Insulator）基板に形成されたシリコン導波路上に、ＩｎＰ系化合物半導体からなる活性層を貼り付けた構造を備えている。
ここで、図２４は、非特許文献１に記載されたデバイスの構造を示す平面図であり、図２５は、図２４のXXV−XXV線に沿った断面の一部を示す図である。図２４に示すように、このデバイス２００はＳＯＩ基板２０１に形成された複数本の光導波路２０２を備えており、各光導波路２０２の上には薄化された半導体レーザ素子アレイ２０３が貼り付けられている。
半導体レーザ素子アレイ２０３は、図２５に示すように、ＳＯＩ基板２０１のシリコン層２０４上に貼り付けられたｎ型ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ超格子層２０５と、その上に形成されたｎ型ＩｎＰ層２０６とを備えている。また、半導体レーザ素子２０３は、光導波路２０２上に相当するｎ型ＩｎＰ層２０６の領域上に順に積層された、ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸（ＭＱＷ）層２０７、ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層２０８、ｐ型ＩｎＰクラッド層２０９、及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１０を備えている。コンタクト層２１０上にはアノード電極２１１が設けられ、ｎ型ＩｎＰ層２０６の周縁部付近の領域上にはカソード電極２１２が設けられている。
ＳＯＩ基板２０１上には、この半導体レーザ素子２０３の他に、複数の光導波路２０２のそれぞれに設けられた複数の光変調器１１３と、複数の半導体レーザ素子２０３のそれぞれから光変調器２１３を経て到達した光のうち一つの光を選択して出力する光マルチプレクサ２１４とが更に設けられている。
特開２００７−１６４１１０号公報
Alexander W. Fang etal., "Electrically pumped hybrid AlGaInAs silicon evanescent laser", OPTICSEXPRESS, Vol. 14, No. 20, pp.9203-9210 (2006)
特許文献１に記載された構成では、シリコン導波路と発光素子（又は受光素子）との位置合わせに微細な（例えば１［μｍ］以下の）精度が要求されるので、作製時の歩留まりが抑えられてしまう。また、非特許文献１に記載された構成（図２５）では、光導波方向と直交する面内における光導波路２０２を中心とする導波モードと、半導体レーザ素子２０３における発光部位（多重量子井戸層２０７）との重畳部分が小さいので、光導波路２０２と半導体レーザ素子２０３との間の光結合効率が低く抑えられてしまう。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、作製時の歩留まりが高く、且つ光導波路と半導体光素子との結合効率を高めることができる半導体集積光デバイス及びその作製方法を提供することを目的とする。
上記した課題を解決するために、本発明による半導体集積光デバイスは、III−Ｖ族化合物半導体基板と、III−Ｖ族化合物半導体基板上に設けられ、III−Ｖ族化合物半導体を含む第１の光導波路を有する半導体光素子領域と、半導体光素子領域と並んでIII−Ｖ族化合物半導体基板上に設けられ、第１の光導波路と光学的に結合されIII−Ｖ族化合物半導体基板の主面に沿って延びる第２の光導波路を有する光導波領域とを備え、光導波領域が、III−Ｖ族化合物半導体基板と第２の光導波路との間に設けられた下部クラッドとしての酸化シリコン層を更に有し、第２の光導波路が、III−Ｖ族化合物とは異なる半導体からなることを特徴とする。
上記した半導体集積光デバイスにおいては、一つの基板（III−Ｖ族化合物半導体基板）上に、半導体光素子領域および光導波領域が設けられている。そして、半導体光素子領域の第１の光導波路は、該基板と同系統であるIII−Ｖ族化合物半導体を含むので、該基板上に結晶成長により形成可能である。一方、光導波領域の第２の光導波路と基板との間には、酸化シリコン層が設けられる。この酸化シリコン層は、例えば誘導結合プラズマＣＶＤといった堆積法により形成可能であり、その上の第２の光導波路は、例えばシリコンといったIII−Ｖ族化合物とは異なる半導体を堆積することにより好適に形成される。
そして、このような構成によって、第１の光導波路を中心とする導波モードと、第２の光導波路を中心とする導波モードとを精度良く位置合わせすることが可能となる。すなわち、これらの導波モードの高さ位置に関しては、酸化シリコン層や各半導体層の厚さをその成長（堆積）時間によって制御することにより、精度良く調整することが可能である。また、これらの導波モードの水平位置に関しても、第１及び第２の光導波路をそれぞれフォトリソグラフィ技術を利用して形成することにより、精度良く合わせることが可能である。このように、上記した半導体集積光デバイスによれば、半導体光素子領域と光導波領域との結合効率を高めることができる。
また、特許文献１や非特許文献１に記載された技術とは異なり、半導体光素子領域及び光導波領域の双方を、基板上に材料を成長（堆積）させることにより形成することが可能である。したがって、これらの領域同士の位置合わせに困難性はなく、作製時の歩留まりを高めることができる。
また、半導体集積光デバイスは、第２の光導波路がシリコンからなることが好ましい。これにより、第２の光導波路がIII−Ｖ族化合物半導体からなる場合と比較して周囲との屈折率差が大きくなり、光の閉じ込め作用をより高めることができる。そして、このような効果によって、第２の光導波路を複数配設する場合にこれらの間隔をより狭くできるので、半導体集積光デバイスを更に小型化することが可能となる。
また、半導体集積光デバイスは、光導波領域が、酸化シリコン層上に設けられて第２の光導波路を覆う上部クラッド層を更に有し、上部クラッド層が、酸化シリコン及びベンゾシクロブテン樹脂の少なくとも一方を含むことを特徴としてもよい。或いは、半導体集積光デバイスは、第２の光導波路が露出していることを特徴としてもよい。
また、半導体集積光デバイスは、酸化シリコン層の層厚が１．５［μｍ］以上４［μｍ］以下であることを特徴としてもよい。酸化シリコン層の層厚が１．５［μｍ］以上であることによって、III−Ｖ族化合物半導体基板への光の漏洩を効果的に抑えることができる。また、酸化シリコン層の層厚が４［μｍ］以下であることによって、膜応力によるIII−Ｖ族化合物半導体基板の反りを効果的に抑えることができる。
また、半導体集積光デバイスは、半導体光素子領域が、一又は複数のＤＦＢ型半導体レーザ構造を含むことを特徴としてもよい。また、この場合、半導体集積光デバイスは、半導体光素子領域が複数のＤＦＢ型半導体レーザ構造を含み、各ＤＦＢ型半導体レーザ構造におけるレーザ発振波長が互いに異なることが好ましい。これにより、波長多重伝送システムにおける送信デバイスを好適に実現できる。
また、半導体集積光デバイスは、半導体光素子領域が、光吸収層を有する一又は複数のフォトダイオード構造を含むことを特徴としてもよい。
また、半導体集積光デバイスは、光導波領域が、第２の光導波路に光結合されたマルチモード干渉型光合分波器を含むことを特徴としてもよい。或いは、半導体集積光デバイスは、光導波領域が、第２の光導波路がマッハツェンダ干渉計を構成することによる波長合分波器を含むことを特徴としてもよい。
また、本発明による半導体集積光デバイスの作製方法は、上記したいずれかの半導体集積光デバイスを作製する方法であって、III−Ｖ族化合物半導体基板上に、第１の光導波路となるIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、III−Ｖ族化合物半導体層のうち光導波領域に相当するIII−Ｖ族化合物半導体基板の領域上に成長した部分を除去する工程と、光導波領域に相当するIII−Ｖ族化合物半導体基板の領域上に酸化シリコン層を誘導結合プラズマＣＶＤ法により堆積させる工程と、酸化シリコン層上に第２の光導波路を形成する工程とを備えることを特徴とする。この作製方法により上記した構成を備える半導体集積光デバイスを好適に作製できる。また、誘導結合プラズマＣＶＤ法により酸化シリコン層を堆積させることによって、酸化シリコン層の膜応力を任意の大きさに容易に調整できる。
III−Ｖ族化合物半導体基板上に堆積した酸化シリコン層の内部応力が５０［ＭＰａ］以上５００［ＭＰａ］以下の圧縮応力であることを特徴としてもよい。膜応力が５０［ＭＰａ］以上の圧縮応力であることによって、酸化シリコン層が例えば２［μｍ］以上といった比較的厚い場合であっても、剥がれたりひび割れたりすることを抑制できる。また、膜応力が５００［ＭＰａ］以下の圧縮応力であることによって、III−Ｖ族化合物半導体基板の反りを少なくし、後の工程におけるリソグラフィーの精度を高めることができる。
本発明による半導体集積光デバイス及びその作製方法によれば、作製時の歩留まりを高め、且つ光導波路と半導体光素子との結合効率を高めることができる。
（ａ）本発明の第１実施形態に係る半導体集積光デバイス１Ａの構成を示す平面図である。（ｂ）図１（ａ）における半導体集積光デバイス１ＡのＩｂ−Ｉｂ線に沿った側断面図である。 （ａ）図１（ｂ）に示した半導体集積光デバイス１Ａが備える半導体レーザ領域１０のIIａ−IIａ線に沿った断面図である。（ｂ）図１（ｂ）に示した半導体集積光デバイス１Ａが備える光導波領域２０のIIｂ−IIｂ線に沿った断面図である。 半導体集積光デバイス１Ａを４波長同時発振光源として使用する場合における、半導体集積光デバイス１Ａから出力されるレーザ光のスペクトルの一例を示す図である。 （ａ），（ｂ）半導体集積光デバイス１Ａを波長切り替え可能な光源として使用する場合における、半導体集積光デバイス１Ａから出力されるレーザ光のスペクトルの一例を示す図である。 半導体集積光デバイス１Ａの作製方法を示すフローチャートである。 （ａ），（ｂ）半導体集積光デバイス１Ａの作製工程の一部を示す、光導波方向に沿った断面を示す側断面図である。 半導体集積光デバイス１Ａの作製工程の一部を示す、光導波方向に沿った断面を示す側断面図である。 （ａ），（ｂ）半導体集積光デバイス１Ａの作製工程の一部を示す、光導波方向に垂直な断面を示す図である。 半導体集積光デバイス１Ａの作製工程の一部を示す、光導波方向に沿った断面を示す側断面図である。 半導体集積光デバイス１Ａの作製工程の一部を示す（ａ）平面図、（ｂ）（ａ）のＸｂ−Ｘｂ線に沿った断面を示す図である。 半導体集積光デバイス１Ａの作製工程の一部を示す、光導波方向に沿った断面を示す側断面図である。 半導体集積光デバイス１Ａの作製工程の一部を示す（ａ）平面図、（ｂ）（ａ）のXIIｂ−XIIｂ線に沿った断面を示す図である。 半導体集積光デバイス１Ａの作製工程の一部を示す（ａ）平面図、（ｂ）（ａ）のXIIIｂ−XIIIｂ線に沿った断面を示す図である。 （ａ）本発明の第２実施形態に係る半導体集積光デバイス１Ｂの構成を示す平面図である。（ｂ）図１４（ａ）における半導体集積光デバイス１ＢのXIVｂ−XIVｂ線に沿った側断面図である。 （ａ）図１４（ｂ）に示した半導体集積光デバイス１Ｂが備えるフォトダイオード領域６０のXVａ−XVａ線に沿った断面図である。（ｂ）図１４（ｂ）に示した半導体集積光デバイス１Ｂが備える光導波領域７０のXVｂ−XVｂ線に沿った断面図である。 方向性結合器７５ａ〜７５ｆの代表的な構成として、方向性結合器７５ａを示す平面図である。 ＭＺ干渉計７６ａ〜７６ｃによって構成される光合分波器の光損失（ロス）の波長依存性を示すグラフである。 半導体集積光デバイス１Ｂの作製工程の一部を示す、光導波方向に沿った断面を示す側断面図である。 （ａ），（ｂ）半導体集積光デバイス１Ｂの作製工程の一部を示す、光導波方向に垂直な断面を示す図である。 半導体集積光デバイス１Ｂの作製工程の一部を示す（ａ）平面図、（ｂ）（ａ）のXXｂ−XXｂ線に沿った断面を示す図である。 半導体集積光デバイス１Ｂの作製工程の一部を示す、光導波方向に沿った断面を示す側断面図である。 半導体集積光デバイス１Ｂの作製工程の一部を示す（ａ）平面図、（ｂ）（ａ）のXXIIｂ−XXIIｂ線に沿った断面を示す図である。 半導体集積光デバイス１Ｂの作製工程の一部を示す（ａ）平面図、（ｂ）（ａ）のXXIIIｂ−XXIIIｂ線に沿った断面を示す図である。 非特許文献１に記載されたデバイスの構造を示す平面図である。 図２４のXXV−XXV線に沿った断面の一部を示す図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体集積光デバイス及びその作製方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１の実施の形態）
図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照すると、第１実施形態に係る半導体集積光デバイス１Ａは、半導体レーザ領域１０と、光導波領域２０と、光増幅領域３０とを備えている。半導体レーザ領域１０は、複数のＤＦＢ型半導体レーザ構造１１ａ〜１１ｄを有している。光導波領域２０は、複数本の光導波路２１ａ〜２１ｅと、マルチモード干渉（ＭＭＩ：Multi-Mode Interferometer）型光合分波器２２（以下、ＭＭＩカプラとする）とを有している。光増幅領域３０は、一つの半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）３１を有している。なお、半導体レーザ領域１０及び光増幅領域３０は、本実施形態における半導体光素子領域である。
半導体レーザ領域１０、光導波領域２０及び光増幅領域３０は、図１（ｂ）に示すように互いに共通の半導体基板３上に形成されており、光導波方向に並んで設けられている。光導波方向における半導体レーザ領域１０、光導波領域２０及び光増幅領域３０の好適な幅は、それぞれ２５０［μｍ］、６００［μｍ］、及び１５０［μｍ］である。なお、半導体基板３は、本実施形態におけるIII−Ｖ族化合物半導体基板であって、第１導電型の半導体、例えばｎ型ＩｎＰから成り、半導体レーザ領域１０及び光増幅領域３０において下部クラッド層として機能する。
また、半導体基板３の裏面側には、後述するカソード電極１０３を挟んで冷却構造物４０が設けられている。冷却構造物４０は、例えばヒートシンクとして機能する一対の金属板と、該一対の金属板間に設けられて熱の移動を行うペルチェ素子とを含んで構成され、半導体基板３及びその主面上の積層構造の温度を一定に維持する。
まず、図１及び図２（ａ）を参照して、半導体レーザ領域１０が有する複数の半導体レーザ構造１１ａ〜１１ｄの構成について説明する。なお、図２（ａ）は、半導体レーザ領域１０のIIａ−IIａ線に沿った断面図であり、半導体レーザ領域１０が有する複数の半導体レーザ構造１１ａ〜１１ｄのうち一つ（半導体レーザ構造１１ｃ）を代表して示しているが、他の半導体レーザ構造の構成もこれと同様である。また、図２（ａ）では冷却構造物４０（図１（ｂ））の図示を省略している。
本実施形態の半導体レーザ構造１１ｃは、半導体基板３上に設けられた光導波路１１０と、光導波路１１０上に設けられた上部クラッド層１１５及びコンタクト層１１６とを備えている。光導波路１１０は、本実施形態における第１の光導波路であり、半導体基板３よりバンドギャップ波長が長い（すなわちバンドギャップが小さい）III−Ｖ族化合物半導体を含んで構成され、半導体基板３の主面に沿った光導波方向に延在している。光導波路１１０は、図２（ａ）に示すように、半導体基板３上に設けられた下部光閉じ込め層１１１と、下部光閉じ込め層１１１上に設けられた活性層１１２と、活性層１１２上に設けられた上部光閉じ込め層１１３と、上部光閉じ込め層１１３上に設けられた回折格子層１１４とを含んでいる。
一実施例では、下部光閉じ込め層１１１及び上部光閉じ込め層１１３はアンドープＧａＩｎＡｓＰから成り、活性層１１２はＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。活性層１１２の組成は、例えば１．３［μｍ］波長帯または１．５５［μｍ］波長帯の光を発生するように調整される。また、回折格子層１１４、上部クラッド層１１５、及びコンタクト層１１６は、第２導電型のIII−Ｖ族化合物半導体から成る。例えば、回折格子層１１４はｐ型ＧａＩｎＡｓＰから成り、上部クラッド層１１５はｐ型ＩｎＰから成り、コンタクト層１１６はｐ型ＧａＩｎＡｓから成る。
回折格子層１１４と上部クラッド層１１５との界面には、活性層１１２の発光波長に対応した格子ピッチを有する回折格子１１４ａが形成されている。回折格子１１４ａの格子ピッチは、複数の半導体レーザ構造１１ａ〜１１ｄにおいて互いに異なる長さに設定される。これにより、複数の半導体レーザ構造１１ａ〜１１ｄのレーザ発振波長が互いに異なっている。
光導波路１１０、上部クラッド層１１５及びコンタクト層１１６は、半導体基板３上において、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している（図２（ａ）を参照）。光導波方向と交差する方向におけるストライプメサ構造の横幅は、例えば１．８［μｍ］である。そして、このストライプメサ構造の両側面には、半絶縁性領域１０２が設けられている。半絶縁性領域１０２は、半絶縁性（高抵抗）の半導体、例えばＦｅがドープされたＩｎＰから成る。半絶縁性領域１０２は、半導体基板３のうち上記ストライプメサ構造を除いた領域上に設けられており、上記ストライプメサ構造の両側面を埋め込んでいる。
コンタクト層１１６上には、アノード電極１１７が設けられている。アノード電極１１７は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層１１６との間でオーミック接触を実現する。また、半導体基板３の裏面上には、カソード電極１０３が設けられている。カソード電極１０３は、例えばＡｕＧｅを含んで構成され、半導体基板３との間でオーミック接触を実現する。アノード電極１１７及びカソード電極１０３は、互いに協働して光導波路１１０に電流を注入する。なお、半導体レーザ領域１０の上面のうちアノード電極１１７を除く領域は、例えばＳｉＯ２から成る絶縁膜４によって保護されている。
なお、図１に示すように、光導波方向における半導体レーザ領域１０の端面には、高反射（ＨＲ：High Reflection）膜１０５が設けられている。このＨＲ膜１０５の反射率は、例えば９０％である。
次に、図１及び図２（ｂ）を参照して、光導波領域２０の構成について説明する。なお、図２（ｂ）は、光導波領域２０のIIｂ−IIｂ線に沿った断面図であり、光導波領域２０が有する複数本の光導波路２１ａ〜２１ｅのうち一つ（光導波路２１ｃ）を代表して示しているが、他の光導波路の構成もこれと同様である。また、図２（ｂ）においても、冷却構造物４０（図１（ｂ））の図示を省略している。
本実施形態の光導波領域２０は、半導体基板３の主面に沿って延びる光導波路２１ａ〜２１ｅを備えている。光導波路２１ａ〜２１ｅは本実施形態における第２の光導波路であり、III−Ｖ族化合物とは異なる半導体、例えばアモルファスシリコンからなる。図１（ａ）に示すように、光導波路２１ａの一端は半導体レーザ構造１１ａの光導波路１１０の一端に結合されており、他端はＭＭＩカプラ２２の入力端に結合されている。同様に、光導波路２１ｂ〜２１ｄの一端はそれぞれ半導体レーザ構造１１ｂ〜１１ｄの光導波路１１０の一端に結合されており、他端はＭＭＩカプラ２２の入力端に結合されている。また、光導波路２１ｅの一端はＭＭＩカプラ２２の出力端に結合されており、他端は光増幅領域３０の半導体光増幅器３１の光導波路３２（後述）に結合されている。なお、光導波路２１ａ〜２１ｄの一端と半導体レーザ構造１１ａ〜１１ｄの光導波路１１０の一端とは、これらの導波モードの中心が互いに一致するように相対位置が調整されている。同様に、光導波路２１ｅの一端と半導体光増幅器３１の光導波路３２の一端とは、これらの導波モードの中心が互いに一致するように相対位置が調整されている。光導波路２１ａ〜２１ｅの厚さは例えば０．６［μｍ］であり、光導波方向と直交する方向の幅は例えば１．５［μｍ］である。
また、図１（ｂ）及び図２（ｂ）に示すように、光導波領域２０は、光導波路２１ａ〜２１ｅと半導体基板３との間に設けられた酸化シリコン（ＳｉＯ２）層２３と、光導波路２１ａ〜２１ｅを覆うように半導体基板３上に設けられた上部クラッド層２４とを備えている。酸化シリコン層２３は、光導波路２１ａ〜２１ｅを導波する光に対して下部クラッドとして機能する。また、上部クラッド層２４は、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂によって構成されている。
酸化シリコン層２３の厚さは、１．５［μｍ］以上４［μｍ］以下であることが好ましい。酸化シリコン層２３の厚さが１．５［μｍ］以上であることによって、半導体基板３への光の漏洩を効果的に抑えることができるからである。また、酸化シリコン層２３の厚さが４［μｍ］以下であることによって、酸化シリコン層２３の内部応力による半導体基板３の反りを効果的に抑えることができるからである。なお、一実施例による酸化シリコン層２３の厚さは２［μｍ］である。
光増幅領域３０の半導体光増幅器３１は、回折格子を含まない点を除いて半導体レーザ構造１１ａ〜１１ｄと同様の構成を備えている。すなわち、半導体光増幅器３１は、図１に示すように、半導体基板３上に設けられた光導波路３２と、光導波路３２上に設けられた上部クラッド層３３及びコンタクト層３４とを備えている。光導波路３２は、本実施形態における第１の光導波路であり、半導体基板３よりバンドギャップ波長が長いIII−Ｖ族化合物半導体を含んで構成され、半導体基板３の主面に沿った光導波方向に延在している。光導波路３２は、半導体基板３上に設けられた下部光閉じ込め層と、下部光閉じ込め層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた上部光閉じ込め層とを含んで構成されている。
また、光導波路３２、上部クラッド層３３及びコンタクト層３４は、図２（ａ）に示した半導体レーザ構造１１ｃと同様に、半導体基板３上において、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している。このストライプメサ構造の両側面には、図示しない半絶縁性領域が設けられている。この半絶縁性領域は、半導体レーザ構造１１ｃの半絶縁性領域１０２と共通の材料からなる。
コンタクト層３４上には、アノード電極３５が設けられている。アノード電極３５は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層３４との間でオーミック接触を実現する。また、半導体基板３の裏面上には、半導体レーザ領域１０と共通のカソード電極１０３が設けられている。アノード電極３５及びカソード電極１０３は、互いに協働して光導波路３２に電流を注入する。光増幅領域３０の上面のうちアノード電極３５を除く領域は、例えばＳｉＯ２から成る絶縁膜５によって保護されている。
なお、図１に示すように、光導波方向における光増幅領域３０の端面には、反射防止（ＡＲ：Anti Reflection）膜３７が設けられている。このＡＲ膜３７の反射率は、例えば０．１％である。
以上の構成を備える半導体集積光デバイス１Ａは、次のように動作する。まず、半導体レーザ領域１０が備える複数の半導体レーザ構造１１ａ〜１１ｄの各アノード電極１１７とカソード電極１０３との間に電流が供給されると、活性層１１２において光が発生する。この光は、各半導体レーザ構造１１ａ〜１１ｄが有する回折格子１１４ａの作用により、各半導体レーザ構造１１ａ〜１１ｄで互いに異なる発振波長でもってレーザ発振する。なお、このときのレーザ発振光の導波モードは、横長の楕円形である。
こうして半導体レーザ構造１１ａ〜１１ｄから出力されたレーザ光は、光導波路２１ａ〜２１ｄをそれぞれ導波してＭＭＩカプラ２２へ入力される。ＭＭＩカプラ２２は、半導体レーザ構造１１ａ〜１１ｄから得られた４つのレーザ光を一つに結合（合波）し、光導波路２１ｅを介して光増幅領域３０へ出力する。なお、このとき、４つのレーザ光の強度はそれぞれ１／４となる。
光増幅領域３０では、半導体光増幅器３１のアノード電極３５とカソード電極１０３との間に電流が供給されることにより、光導波路３２の活性層において上記レーザ光が増幅される。増幅されたレーザ光は、ＡＲ膜３７を通過して半導体集積光デバイス１Ａの外部へ出力される。
ここで、図３は、半導体集積光デバイス１Ａを４波長同時発振光源として使用する場合における、半導体集積光デバイス１Ａから出力されるレーザ光のスペクトルの一例を示す図である。この場合、図３に示すように、各半導体レーザ構造１１ａ〜１１ｄから出力された波長の異なる４つのレーザ光Ｌ１〜Ｌ４が、レーザ出力に波長成分として含まれる。
また、図４（ａ）及び図４（ｂ）は、半導体集積光デバイス１Ａを波長切り替え可能な光源として使用する場合における、半導体集積光デバイス１Ａから出力されるレーザ光のスペクトルの一例を示す図である。図４（ａ）は、一つの半導体レーザ構造１１ａのみを動作させ、レーザ出力にレーザ光Ｌ１のみが含まれる場合のスペクトルを示している。また、図４（ｂ）は、別の半導体レーザ構造１１ｃに動作を切り替え、レーザ出力にレーザ光Ｌ３のみが含まれる場合のスペクトルを示している。
続いて、本実施形態の半導体集積光デバイス１Ａの作製方法について説明する。図５は、本実施形態に係る半導体集積光デバイス１Ａの作製方法を示すフローチャートである。また、図６〜図１３は、本実施形態に係る半導体集積光デバイス１Ａの作製工程を順に示す図である。
まず、図６（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰから成る基板としてのウェハ５０を準備する。そして、ウェハ５０の主面５０ａ上に、光導波路１１０及び３２となるIII−Ｖ族化合物半導体層、すなわちアンドープＧａＩｎＡｓＰから成る下部光閉じ込め層１１１、活性層１１２及び上部光閉じ込め層１１３を、ＭＯＶＰＥ法により順にエピタキシャル成長させる（図５の工程Ｓ１）。なお、光閉じ込め層１１１及び１１３の好適なバンドギャップ波長は１．２［μｍ］であり、好適な厚さはそれぞれ８０［ｎｍ］である。また、活性層１１２のバリア層及び井戸層の好適な総膜厚は例えば１２０［ｎｍ］であり、多重量子井戸の好適なバンドギャップ波長は１．５５［μｍ］である。
次に、回折格子を形成する（図５の工程Ｓ２）。すなわち、図６（ｂ）に示すように、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰから成る回折格子層１１４を、ＭＯＶＰＥ法により上部光閉じ込め層１１３上にエピタキシャル成長させる。なお、回折格子層１１４の好適なバンドギャップ波長は１．２［μｍ］であり、好適な厚さは例えば２０［ｎｍ］である。そして、半導体レーザ領域１０に相当する回折格子層１１４の表面に、所定の格子ピッチを有する回折格子１１４ａを形成する。このとき、各半導体レーザ構造１１ａ〜１１ｄのそれぞれに対応する領域において、互いに格子ピッチを異ならせる。また、回折格子１１４ａの結合係数κは例えば４０［ｃｍ−１］以下である。回折格子１１４ａの形成方法としては、例えば回折格子層１１４の表面において回折格子１１４ａとなる部分を電子ビーム露光にて描画したのち、回折格子層１１４をドライエッチングにより加工し、回折格子１１４ａを形成するとよい。
その後、回折格子層１１４の回折格子１１４ａを埋め込むように、ｐ型ＩｎＰをＭＯＶＰＥ法により成長させる（図５の工程Ｓ３）。そして、図７に示すように、ｐ型ＩｎＰから成る上部クラッド層１１５（３３）と、ｐ型ＧａＩｎＡｓから成るコンタクト層１１６（３４）とを、ＭＯＶＰＥ法により順にエピタキシャル成長させる（図５の工程Ｓ４）。なお、上部クラッド層１１５（３３）及びコンタクト層１１６（３４）の好適な厚さはそれぞれ２［μｍ］、２００［ｎｍ］である。
続いて、図８（ａ）に示すように、光導波路１１０となる部分を除くウェハ５０上の積層構造に対してウェハ５０の途中までドライエッチングを施すことにより、複数のストライプメサ構造５２を形成する（図５の工程Ｓ５）。なお、図示しないが、このとき半導体光増幅器３１の光導波路３２となる部分についても同様のストライプメサ構造を形成する。これらのストライプメサ構造の高さ（すなわちエッチング深さ）は例えば３．５［μｍ］であり、延伸方向と直交する方向の幅は例えば１．８［μｍ］である。また、複数のストライプメサ構造５２同士の間隔は例えば１００［μｍ］である。エッチングガスとしては、ＣＨ４／Ｈ２及びＯ２を交互に使用するとよい。この工程により、各半導体レーザ構造１１ａ〜１１ｄの光導波路１１０、及び半導体光増幅器３１の光導波路３２が形成される。
その後、図８（ｂ）に示すように、露出したウェハ５０の主面上に、ＦｅドープＩｎＰといった高抵抗の半導体をＭＯＶＰＥ法により成長させることによって、半絶縁性領域１０２を形成し、複数のストライプメサ構造５２を両側面から埋め込む（図５の工程Ｓ６）。
続いて、ウェハ５０上に堆積された各半導体層において、光導波領域２０に相当するウェハ５０の領域上に成長した部分を除去する。まず、ウェハ５０の全面に例えばＳｉＯ２といった絶縁膜を堆積し（図５の工程Ｓ７）、この絶縁膜のうち光導波領域２０上に相当する部分を除去することにより、図９に示すように、光導波領域２０に対応する開口５４ａを有するマスク５４を形成する（図５の工程Ｓ８）。そして、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、ウェハ５０上の積層構造に対してマスク５４を介してドライエッチングを施すことにより、光導波領域２０に相当する積層構造を除去する（図５の工程Ｓ９）。このとき、エッチング方法としては例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用い、エッチングガスとしては例えばＣｌ２を使用するとよい。また、エッチング深さは、例えば４．７［μｍ］とするとよい。なお、エッチング後、マスク５４をフッ酸を用いて除去する。
続いて、図１１に示すように、光導波領域２０に相当するウェハ５０の領域上に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）層２３を堆積させ（図５の工程Ｓ１０）、更にその上にアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層５６を堆積させる（図５の工程Ｓ１１）。酸化シリコン層２３を堆積させる際には、例えば誘導結合プラズマＣＶＤ法を用い、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を原料としてＳｉＯ２を堆積するとよい。また、アモルファスシリコン層５６を堆積させる際には、ＥＣＲスパッタ法を用いることが好ましい。ＥＣＲスパッタ法によれば緻密な膜を堆積できるので（例えばＡＦＭを用いた膜の表面粗さＲａの測定結果が５［ｎｍ］程度）、マグネトロンスパッタといった他の方法と比較して、光導波路２１ａ〜２１ｅの光導波ロスを低くすることができるからである。なお、アモルファスシリコン層５６の厚さは例えば０．６［μｍ］である。
酸化シリコン層２３を堆積させる際には、上述したように誘導結合プラズマＣＶＤ法を用いることが好ましい。誘導結合プラズマＣＶＤ法により酸化シリコン層２３を堆積させることによって、上部電極と下部電極への投入電力の調整により酸化シリコン層２３の内部応力を任意の大きさに容易に調整できるからである。酸化シリコン層２３の内部応力は数十〜数百［ＭＰａ］程度の圧縮応力であることが好ましく、５０［ＭＰａ］以上５００［ＭＰａ］以下の圧縮応力であることがより好ましい。内部応力が５０［ＭＰａ］以上の圧縮応力であることによって、酸化シリコン層２３の厚さが例えば２［μｍ］以上といった比較的厚い場合であっても、剥がれたりひび割れたりすることを抑制できる。また、内部応力が５００［ＭＰａ］以下の圧縮応力であることによって、ウェハ５０の反りを少なくし、後の工程におけるリソグラフィーの精度を高めることができる。
続いて、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示すように、アモルファスシリコン層５６を加工して光導波路２１ａ〜２１ｅ及びＭＭＩカプラ２２を形成する（図５の工程Ｓ１２）。具体的には、光導波路２１ａ〜２１ｅ及びＭＭＩカプラ２２の平面形状に相当する形状を有するレジストマスク（不図示）をアモルファスシリコン層５６上に形成し、このレジストマスクを介してアモルファスシリコン層５６にドライエッチングを施す。このとき、エッチングガスとしては例えばＳＦ６を用いるとよい。また、好適なエッチング深さは例えば０．５［μｍ］であり、光導波路２１ａ〜２１ｅの周囲に薄い（厚さ０．１［μｍ］）アモルファスシリコン層が残るようにする。
続いて、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示すように、光導波路２１ａ〜２１ｅ及びＭＭＩカプラ２２を覆うように酸化シリコン層２３上にＢＣＢ樹脂を塗布し、光導波領域２０に相当する部分のＢＣＢ樹脂のみ硬化させることにより、上部クラッド層２４を形成する（図５の工程Ｓ１３）。
続いて、半導体レーザ領域１０及び光増幅領域３０に堆積した絶縁膜（ＳｉＯ２）に対し、フッ酸またはＣＦ４ガスを用いたドライエッチングを施すことにより、この絶縁膜を薄化して絶縁膜４，５を形成する。このとき、例えば絶縁膜の厚さが２［μｍ］から０．３［μｍ］となった時点でエッチングを終了するとよい。その後、光導波路１１０上及び光導波路３２上に位置する部分の絶縁膜４，５を完全に除去してコンタクト層１１６上及びコンタクト層３４上に開口を形成する。そして、リフトオフ法を用いて、コンタクト層１１６上、及びコンタクト層３４上にそれぞれアノード電極１１７及び３５を形成する。また、ウェハ５０の裏面上にカソード電極１０３を蒸着する（図５の工程Ｓ１４）。
最後に、ウェハ５０を棒状に劈開し（図５の工程Ｓ１５）、その劈開面の一方にＨＲ膜１０５をコーティングし、他方にＡＲ膜３７をコーティングする（図５の工程Ｓ１６）。そして、これをチップ状に分割して冷却構造物４０上に実装（ダイボンディング）する。こうして、本実施形態に係る半導体集積光デバイス１Ａが完成する。
以上に説明した本実施形態による半導体集積光デバイス１Ａ及びその作製方法により得られる効果について説明する。半導体集積光デバイス１Ａにおいては、一つの半導体基板３上に、半導体レーザ領域１０、光導波領域２０および光増幅領域３０が設けられている。そして、半導体レーザ領域１０及び光増幅領域３０の各光導波路１１０及び３２は、半導体基板３と同系統であるIII−Ｖ族化合物半導体を含むので、図６において説明したように半導体基板３となるウェハ５０上に結晶成長により形成可能である。一方、光導波領域２０の光導波路２１ａ〜２１ｅと半導体基板３との間には、酸化シリコン層２３が設けられる。この酸化シリコン層２３は、上述したように例えば誘導結合プラズマＣＶＤといった堆積法により形成可能であり、その上の光導波路２１ａ〜２１ｅは、例えばシリコンといったIII−Ｖ族化合物とは異なる半導体を堆積することにより好適に形成される。
そして、このような構成によって、光導波路１１０及び３２を中心とする各導波モードと、光導波路２１ａ〜２１ｅを中心とする導波モードとを精度良く位置合わせすることが可能となる。すなわち、これらの導波モードの高さ位置に関しては、酸化シリコン層２３や各半導体層の厚さをその成長（堆積）時間によって制御することにより、精度良く調整することが可能である。また、これらの導波モードの水平位置に関しても、光導波路１１０及び３２、並びに光導波路２１ａ〜２１ｅをそれぞれフォトリソグラフィ技術を利用して形成することにより、精度良く合わせることが可能である。このように、半導体集積光デバイス１Ａ及びその作製方法によれば、半導体レーザ領域１０及び光増幅領域３０といった半導体光素子領域と、光導波領域２０との結合効率を高めることができる。
また、本実施形態による半導体集積光デバイス１Ａ及びその作製方法においては、図６〜図１３に示したように、半導体レーザ領域１０及び光増幅領域３０といった半導体光素子領域と、光導波領域２０とを半導体基板３（ウェハ５０）上に材料を成長（堆積）させることにより形成可能である。したがって、これらの領域同士の位置合わせに困難性はなく、作製時の歩留まりを高めることができる。
なお、本実施形態では、光導波路１１０及び３２を中心とする各導波モードの中心と、光導波路２１ａ〜２１ｅを中心とする導波モードの中心とが一致するように、光導波路１１０及び３２並びに光導波路２１ａ〜２１ｅの高さ位置・水平位置を合わせているが、これらの導波モードの中心が互いに所望の値だけずれるように高さ位置・水平位置を設計してもよい。
また、本実施形態のように、光導波路２１ａ〜２１ｅはシリコンからなることが好ましい。これにより、光導波路２１ａ〜２１ｅがIII−Ｖ族化合物半導体からなる場合と比較して周囲との屈折率差が大きくなり、光の閉じ込め作用をより高めることができる。そして、このような効果によって、光導波路２１ａ〜２１ｅの互いの間隔を、例えば０．１［μｍ］〜０．５［μｍ］とより狭くでき、また曲げ半径をより小さくできるので、半導体集積光デバイス１Ａを更に小型化することが可能となる。
また、本実施形態のように、半導体レーザ領域１０は、複数の半導体レーザ構造１１ａ〜１１ｄを含み、各半導体レーザ構造１１ａ〜１１ｄにおけるレーザ発振波長が互いに異なることが好ましい。これにより、波長多重伝送システムにおける送信デバイスを好適に実現できる。
（第２の実施の形態）
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）を参照すると、第２実施形態に係る半導体集積光デバイス１Ｂは、フォトダイオード領域６０および光導波領域７０を備えている。フォトダイオード領域６０は、複数のフォトダイオード構造６１ａ〜６１ｄを有している。光導波領域７０は、複数の光導波路７１ａ〜７１ｄを有している。なお、フォトダイオード領域６０は、本実施形態における半導体光素子領域である。フォトダイオード領域６０及び光導波領域７０は、図１４（ｂ）に示すように互いに共通の半導体基板６上に形成されており、所定方向に並んで設けられている。なお、半導体基板６は、本実施形態におけるIII−Ｖ族化合物半導体基板であって、第１導電型の半導体、例えばｎ型ＩｎＰから成り、フォトダイオード領域６０において下部クラッド層として機能する。
また、半導体基板６の裏面側には、後述するカソード電極６０３を挟んで冷却構造物８０が設けられている。冷却構造物８０は、第１実施形態の冷却構造物４０と同様の構成を備えており、半導体基板６及びその主面上の積層構造の温度を一定に維持する。
まず、図１４及び図１５（ａ）を参照して、フォトダイオード領域６０が有する複数のフォトダイオード構造６１ａ〜６１ｄの構成について説明する。なお、図１５（ａ）は、フォトダイオード領域６０のXVａ−XVａ線に沿った断面図であり、フォトダイオード領域６０が有する複数のフォトダイオード構造６１ａ〜６１ｄのうち一つ（フォトダイオード構造６１ｃ）を代表して示しているが、他のフォトダイオード構造の構成もこれと同様である。また、図１５（ａ）では冷却構造物８０（図１４（ｂ））の図示を省略している。
本実施形態のフォトダイオード構造６１ｃは、半導体基板６上に設けられた光導波路６１０と、光導波路６１０上に設けられた光吸収層６１１と、光吸収層６１１上に設けられた上部クラッド層６１２及びコンタクト層６１３とを備えている。光導波路６１０は、本実施形態における第１の光導波路であり、半導体基板６よりバンドギャップ波長が長い（すなわちバンドギャップが小さい）III−Ｖ族化合物半導体を含んで構成され、半導体基板６の主面に沿った光導波方向に延在している。
一実施例では、光導波路６１０はアンドープＧａＩｎＡｓＰから成り、光吸収層６１１はアンドープＧａＩｎＡｓから成る。光吸収層６１１の組成は、例えば１．３［μｍ］波長帯または１．５５［μｍ］波長帯の光を吸収するように調整される。上部クラッド層６１２及びコンタクト層６１３は、第２導電型のIII−Ｖ族化合物半導体から成る。例えば、上部クラッド層６１２はｐ型ＩｎＰから成り、コンタクト層６１３はｐ型ＧａＩｎＡｓから成る。
光導波路６１０、光吸収層６１１、上部クラッド層６１２及びコンタクト層６１３は、半導体基板６上において、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している（図１５（ａ）を参照）。光導波方向と交差する方向におけるストライプメサ構造の横幅は、例えば１．８［μｍ］である。そして、このストライプメサ構造の両側面には、半絶縁性領域６０２が設けられている。半絶縁性領域６０２は、半絶縁性（高抵抗）の半導体、例えばＦｅがドープされたＩｎＰから成る。半絶縁性領域６０２は、半導体基板６のうち上記ストライプメサ構造を除いた領域上に設けられており、上記ストライプメサ構造の両側面を埋め込んでいる。
コンタクト層６１３上には、アノード電極６１７が設けられている。アノード電極６１７は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層６１３との間でオーミック接触を実現する。また、半導体基板６の裏面上には、カソード電極６０３が設けられている。カソード電極６０３は、例えばＡｕＧｅを含んで構成され、半導体基板６との間でオーミック接触を実現する。アノード電極６１７及びカソード電極６０３は、光吸収層６１１において発生したキャリアを互いに協働して光電流として取り出す。なお、フォトダイオード領域６０の上面のうちアノード電極６１７を除く領域は、例えばＳｉＯ２から成る絶縁膜７によって保護されている。
次に、図１４及び図１５（ｂ）を参照して、光導波領域７０の構成について説明する。なお、図１５（ｂ）は、光導波領域７０のXVｂ−XVｂ線に沿った断面図であり、光導波領域７０が有する複数本の光導波路７１ａ〜７１ｄのうち一つ（光導波路７１ｃ）を代表して示しているが、他の光導波路の構成もこれと同様である。また、図１５（ｂ）においても、冷却構造物８０（図１４（ｂ））の図示を省略している。
本実施形態の光導波領域７０は、半導体基板６の主面に沿って延びる光導波路７１ａ〜７１ｄを備えている。光導波路７１ａ〜７１ｄは本実施形態における第２の光導波路であり、III−Ｖ族化合物とは異なる半導体、例えばアモルファスシリコンからなる。図１４（ａ）に示すように、光導波路７１ａの一端はフォトダイオード構造６１ａの光導波路６１０の一端に結合されている。同様に、光導波路７１ｂ〜７１ｄの一端はそれぞれフォトダイオード構造６１ｂ〜６１ｄの光導波路６１０の一端に結合されている。また、光導波路７１ａ〜７１ｄのうち一本の光導波路７１ｃの他端が光導波領域７０の端面に達している。なお、光導波路７１ａ〜７１ｄの一端とフォトダイオード構造６１ａ〜６１ｄの光導波路６１０の一端とは、これらの導波モードの中心が互いに一致するように相対位置が調整されている。光導波路７１ａ〜７１ｄの厚さ、及び光導波方向と直交する方向の幅は、例えば共に０．８［μｍ］である。
光導波路７１ａ〜７１ｄは、更に以下の構成を有することにより、光合分波器を構成している。すなわち、入力用光導波路としての光導波路７１ｃと光導波路７１ｂとは一組の方向性結合器７５ａ，７５ｂによって結合され、その間の光導波路７１ｂ，７１ｃの長さ（アーム長）が異なることにより、マッハツェンダー干渉計（以下、ＭＺ干渉計）７６ａを構成している。同様に、光導波路７１ｂと光導波路７１ａとは他の一組の方向性結合器７５ｃ，７５ｄによって結合され、その間の光導波路７１ａ，７１ｂのアーム長が異なることによりＭＺ干渉計７６ｂを構成している。また、光導波路７１ｃと光導波路７１ｄとは更に他の一組の方向性結合器７５ｅ，７５ｆによって結合され、その間の光導波路７１ｃ，７１ｄのアーム長が異なることによりＭＺ干渉計７６ｃを構成している。
なお、ＭＺ干渉計７６ａにおける光導波路７１ｂのアーム長Ａ１と光導波路７１ｃのアーム長Ａ２との差（Ａ１−Ａ２）は、例えば６８．２７２［μｍ］である。ＭＺ干渉計７６ｂにおける光導波路７１ａのアーム長Ａ３と光導波路７１ｂのアーム長Ａ４との差（Ａ３−Ａ４）は、例えば３４．１３６［μｍ］である。ＭＺ干渉計７６ｃにおける光導波路７１ｃのアーム長Ａ５と光導波路７１ｄのアーム長Ａ６との差（Ａ５−Ａ６）は、例えば−３４．０２２［μｍ］である。また、シリコンから成る光導波路７１ａ〜７１ｄの実効屈折率は、波長１．５５［μｍ］の光に対して３．４である。
ここで、図１６は、方向性結合器７５ａ〜７５ｆの代表的な構成として、方向性結合器７５ａを示す平面図である。図１６に示すように、方向性結合器７５ａは二本の光導波路７１ｂ及び７１ｃの一部が互いに僅かな隙間をあけて光学的に結合された構成を有している。光導波路７１ｂ及び７１ｃの結合部分の長さＬは、例えば１００［μｍ］である。また、結合部分における光導波路７１ｂ及び７１ｃの間隔Ｄは、例えば０．３［μｍ］である。この例では、方向性結合器７５ａの結合率は０．５となる。他の方向性結合器７５ｂ〜７５ｆも、図１６に示した方向性結合器７５ａと同様の構成を有する。
再び図１４及び図１５を参照すると、光導波領域７０は、光導波路７１ａ〜７１ｄと半導体基板６との間に設けられた酸化シリコン層７３と、光導波路７１ａ〜７１ｄを覆うように半導体基板６上に設けられた上部クラッド層７４とを備えている。酸化シリコン層７３は、光導波路７１ａ〜７１ｄを導波する光に対して下部クラッドとして機能する。また、本実施形態の上部クラッド層７４は、酸化シリコン層７３と同じＳｉＯ２から成る。
酸化シリコン層７３の厚さは、第１実施形態の酸化シリコン層２３と同様の理由により、１．５［μｍ］以上４［μｍ］以下であることが好ましい。なお、一実施例による酸化シリコン層７３の厚さは２［μｍ］である。
図１４に示すように、光導波方向におけるフォトダイオード領域６０及び光導波領域７０の端面には、それぞれＡＲ膜６０５及び７０１が設けられている。これらＡＲ膜６０５及び７０１の反射率は、例えば０．１％である。
以上の構成を備える半導体集積光デバイス１Ｂは、次のように動作する。まず、半導体集積光デバイス１Ｂの外部から、例えば４つの波長成分を含む信号光がＡＲ膜７０１を介して光導波路７１ｃに入力される。４つの波長成分のうち２つは、ＭＺ干渉計７６ａによって光導波路７１ｂへ分波される。分岐された２つの波長成分のうち一方は、ＭＺ干渉計７６ｂによって光導波路７１ａへ分波される。残りの２つの波長成分のうち一方は、ＭＺ干渉計７６ｃによって光導波路７１ｄへ分波される。こうして、信号光に含まれていた４つの波長成分がそれぞれ光導波路７１ａ〜７１ｄへ分波され、それぞれ４つのフォトダイオード構造６１ａ〜６１ｄの光導波路６１０へ進む。なお、このときの各波長成分の導波モードは、ほぼ円形である。
各フォトダイオード構造６１ａ〜６１ｄの光導波路６１０に達した各波長成分は、円形の導波モードを保ちながら伝搬し、光吸収層６１１に吸収されて光電流に変換される。この光電流は、アノード電極６１７及びカソード電極６０３から半導体集積光デバイス１Ｂの外部へ取り出される。
ここで、図１７は、ＭＺ干渉計７６ａ〜７６ｃによって構成される光合分波器の光損失（ロス）の波長依存性を示すグラフである。図中のグラフＧ１は、光導波路７１ａからフォトダイオード構造６１ａに達する光の損失を示している。同様に、図中のグラフＧ２〜Ｇ４は、それぞれ光導波路７１ｂ〜７１ｄからフォトダイオード構造６１ｂ〜６１ｄに達する光の損失を示している。図１７に示すように、グラフＧ１〜Ｇ４のそれぞれで互いに異なる波長成分に対する損失がゼロとなっており、信号光に含まれる互いに異なる波長成分がフォトダイオード構造６１ａ〜６１ｄに好適に分波される。
続いて、本実施形態の半導体集積光デバイス１Ｂの作製方法について説明する。図１８〜図２３は、本実施形態に係る半導体集積光デバイス１Ｂの作製工程を順に示す図である。
まず、図１８に示すように、ｎ型ＩｎＰから成る基板としてのウェハ９０を準備する。そして、ウェハ９０の主面９０ａ上に、アンドープＧａＩｎＡｓＰから成る半導体層６１０、ｐ型ＧａＩｎＡｓから成る光吸収層６１１、ｐ型ＩｎＰから成る上部クラッド層６１２、およびｐ型ＧａＩｎＡｓから成るコンタクト層６１３を、ＭＯＶＰＥ法により順にエピタキシャル成長させる。なお、半導体層６１０の好適な厚さは２００［ｎｍ］であり、光吸収層６１１の好適な厚さは１００［ｎｍ］である。また、上部クラッド層６１２及びコンタクト層６１３の好適な厚さはそれぞれ２［μｍ］、２００［ｎｍ］である。光吸収層６１１の好適なバンドギャップ波長は１．３［μｍ］である。
続いて、図１９（ａ）に示すように、光導波路６１０となる部分を除くウェハ９０上の積層構造に対してウェハ９０の途中までドライエッチングを施すことにより、複数のストライプメサ構造９２を形成する。これらのストライプメサ構造９２の高さ（すなわちエッチング深さ）は例えば３．５［μｍ］であり、延伸方向と直交する方向の幅は例えば１．８［μｍ］である。エッチングガスとしては、ＣＨ４／Ｈ２及びＯ２を交互に使用するとよい。この工程により、各フォトダイオード構造６１ａ〜６１ｄの光導波路６１０が形成される。
その後、図１９（ｂ）に示すように、露出したウェハ９０の主面上に、ＦｅドープＩｎＰといった高抵抗の半導体をＭＯＶＰＥ法により成長させることによって、半絶縁性領域６０２を形成し、複数のストライプメサ構造９２を両側面から埋め込む。
続いて、ウェハ９０上に堆積された各半導体層において、光導波領域７０に相当するウェハ９０の領域上に成長した部分を除去する。まず、ウェハ９０の全面に例えばＳｉＯ２といった絶縁膜を堆積し、この絶縁膜のうち光導波領域７０上に相当する部分を除去することにより、図２０（ａ）及び図２０（ｂ）に示すように、フォトダイオード領域６０に対応する領域のみ覆うマスク９４を形成する。そして、ウェハ９０上の積層構造に対してマスク９４を介してドライエッチングを施すことにより、光導波領域７０に相当する積層構造を除去する。なお、このときのエッチング方法や条件は、第１実施形態の工程Ｓ９と同様である。
続いて、図２１に示すように、光導波領域７０に相当するウェハ９０の領域上に、酸化シリコン層７３を堆積させ、更にその上にアモルファスシリコン層９６を堆積させる。なお、酸化シリコン層７３及びアモルファスシリコン層９６の形成方法は、アモルファスシリコン層９６の厚さを除いて第１実施形態の工程Ｓ１０，Ｓ１１と同様である。本実施形態では、アモルファスシリコン層９６の厚さを例えば０．８［μｍ］とする。
続いて、図２２（ａ）及び図２２（ｂ）に示すように、アモルファスシリコン層９６を加工して光導波路７１ａ〜７１ｄを形成する。具体的には、光導波路７１ａ〜７１ｄの平面形状に相当する形状を有するレジストマスク（不図示）をアモルファスシリコン層９６上に形成し、このレジストマスクを介してアモルファスシリコン層９６にドライエッチングを施す。このとき、エッチングガスとしては例えばＳＦ６を用いるとよい。また、好適なエッチング深さは例えばアモルファスシリコン層９６の厚さと同じ０．８［μｍ］であり、光導波路７１ａ〜７１ｄの周囲にアモルファスシリコン層が残らないようにする。
続いて、図２３（ａ）及び図２３（ｂ）に示すように、光導波路７１ａ〜７１ｄを覆うように酸化シリコン層７３上にＳｉＯ２を堆積させることにより、上部クラッド層７４を形成する。
続いて、フォトダイオード領域６０に堆積したＳｉＯ２に対し、フッ酸またはＣＦ４ガスを用いたドライエッチングを施すことにより、この絶縁膜を薄化して絶縁膜７を形成する。このとき、例えばＳｉＯ２の厚さが２［μｍ］から０．３［μｍ］となった時点でエッチングを終了するとよい。その後、光導波路６１０上に位置する部分の絶縁膜７を完全に除去してコンタクト層６１３上に開口を形成する。そして、リフトオフ法を用いて、コンタクト層６１３上にアノード電極６１７を形成する。また、ウェハ９０の裏面上にカソード電極６０３を蒸着する。
最後に、ウェハ９０を棒状に劈開し、その劈開面の一方にＡＲ膜６０５をコーティングし、他方にＡＲ膜７０１をコーティングする。そして、これをチップ状に分割して冷却構造物８０上に実装する。こうして、本実施形態に係る半導体集積光デバイス１Ｂが完成する。
以上に説明した本実施形態による半導体集積光デバイス１Ｂ及びその作製方法によれば、第１実施形態の半導体集積光デバイス１Ａ及びその作製方法と同様の効果が得られる。すなわち、光導波路６１０を中心とする各導波モードと、光導波路７１ａ〜７１ｄを中心とする導波モードとを精度良く位置合わせすることが可能となるので、フォトダイオード領域６０といった半導体光素子領域と、光導波領域７０との結合効率を高めることができる。また、図１８〜図２３に示したように、フォトダイオード領域６０といった半導体光素子領域と、光導波領域７０とを半導体基板６（ウェハ９０）上に材料を成長（堆積）させることにより形成可能なので、これらの領域同士の位置合わせに困難性はなく、作製時の歩留まりを高めることができる。
また、本実施形態のように、フォトダイオード領域６０が複数のフォトダイオード構造６１ａ〜６１ｄを含み、光導波領域７０が光合分波器を備えることにより、波長多重伝送システムにおいて伝送路を流れる光信号の波長及びパワーをモニタするための装置を好適に実現できる。
本発明による半導体集積光デバイス及びその作製方法は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記各実施形態では第２の光導波路を覆う上部クラッド層が酸化シリコン層上に設けられているが、本発明においては、酸化シリコン層上に上部クラッド層が設けられず第２の光導波路が露出してもよい。このような構成であっても、第１及び第２の実施形態と同様の作用効果を好適に得ることができる。
また、上記第１実施形態では半導体レーザ領域１０が複数の半導体レーザ構造１１ａ〜１１ｄを有しているが、半導体光素子領域は単一の半導体レーザ構造を有するものであってもよい。同様に、上記第２実施形態ではフォトダイオード領域６０が複数のフォトダイオード構造６１ａ〜６１ｄを有しているが、半導体光素子領域は単一のフォトダイオード構造を有するものであってもよい。また、本発明の半導体光素子領域は、光導波路を有する構造であれば、半導体レーザ構造やフォトダイオード構造以外にも様々な半導体光素子構造を含むことができる。
また、上記第１及び第２の実施形態では、III−Ｖ族化合物半導体の例としてＩｎＰ系化合物を例示しているが、他のIII−Ｖ族化合物半導体であっても同様の作用効果を得ることができる。
１Ａ，１Ｂ…半導体集積光デバイス、３，６…半導体基板、４，５，７…絶縁膜、１０…半導体レーザ領域、１１ａ〜１１ｄ…半導体レーザ構造、２０，７０…光導波領域、２１ａ〜２１ｅ，７１ａ〜７１ｄ…光導波路、２２…ＭＭＩカプラ、２３，７３…酸化シリコン層、２４，７４…上部クラッド層、３０…光増幅領域、３１…半導体光増幅器、３２…光導波路、３３…上部クラッド層、３４…コンタクト層、３５…アノード電極、３７，６０５，７０１…ＡＲ膜、４０，８０…冷却構造物、５０，９０…ウェハ、１０２，６０２…半絶縁性領域、１０３，６０３…カソード電極、１０５…ＨＲ膜、１１０，６１０…光導波路、１１１…下部光閉じ込め層、１１２…活性層、１１３…上部光閉じ込め層、１１４…回折格子層、１１４ａ…回折格子、１１５，６１２…上部クラッド層、１１６，６１３…コンタクト層、１１７，６１７…アノード電極、６０…フォトダイオード領域、６１ａ〜６１ｄ…フォトダイオード構造、７５ａ〜７５ｆ…方向性結合器、７６ａ〜７６ｃ…マッハツェンダ干渉計、６１１…光吸収層。

Claims (12)

  1. III−Ｖ族化合物半導体基板と、
    前記III−Ｖ族化合物半導体基板上に設けられ、III−Ｖ族化合物半導体を含む第１の光導波路を有する半導体光素子領域と、
    前記半導体光素子領域と並んで前記III−Ｖ族化合物半導体基板上に設けられ、前記第１の光導波路と光学的に結合され前記III−Ｖ族化合物半導体基板の主面に沿って延びる第２の光導波路を有する光導波領域と
    を備え、
    前記光導波領域が、前記III−Ｖ族化合物半導体基板と前記第２の光導波路との間に設けられた下部クラッドとしての酸化シリコン層を更に有し、
    前記第２の光導波路が、III−Ｖ族化合物とは異なる半導体からなることを特徴とする、半導体集積光デバイス。
  2. 前記第２の光導波路がシリコンからなることを特徴とする、請求項１に記載の半導体集積光デバイス。
  3. 前記光導波領域が、前記酸化シリコン層上に設けられて第２の光導波路を覆う上部クラッド層を更に有し、
    前記上部クラッド層が、酸化シリコン及びベンゾシクロブテン樹脂の少なくとも一方を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体集積光デバイス。
  4. 前記第２の光導波路が露出していることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体集積光デバイス。
  5. 前記酸化シリコン層の層厚が１．５［μｍ］以上４［μｍ］以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体集積光デバイス。
  6. 前記半導体光素子領域が、一又は複数のＤＦＢ型半導体レーザ構造を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体集積光デバイス。
  7. 前記半導体光素子領域が複数の前記ＤＦＢ型半導体レーザ構造を含み、
    各ＤＦＢ型半導体レーザ構造におけるレーザ発振波長が互いに異なることを特徴とする、請求項６に記載の半導体集積光デバイス。
  8. 前記半導体光素子領域が、光吸収層を有する一又は複数のフォトダイオード構造を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体集積光デバイス。
  9. 前記光導波領域が、前記第２の光導波路に光結合されたマルチモード干渉型光合分波器を含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体集積光デバイス。
  10. 前記光導波領域が、前記第２の光導波路がマッハツェンダ干渉計を構成することによる波長合分波器を含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体集積光デバイス。
  11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の半導体集積光デバイスを作製する方法であって、
    前記III−Ｖ族化合物半導体基板上に、前記第１の光導波路となるIII−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
    前記III−Ｖ族化合物半導体層のうち前記光導波領域に相当する前記III−Ｖ族化合物半導体基板の領域上に成長した部分を除去する工程と、
    前記光導波領域に相当する前記III−Ｖ族化合物半導体基板の領域上に前記酸化シリコン層を誘導結合プラズマＣＶＤ法により堆積させる工程と、
    前記酸化シリコン層上に前記第２の光導波路を形成する工程と
    を備えることを特徴とする、半導体集積光デバイスの作製方法。
  12. 前記III−Ｖ族化合物半導体基板上に堆積した前記酸化シリコン層の内部応力が５０［ＭＰａ］以上５００［ＭＰａ］以下の圧縮応力であることを特徴とする、請求項１１に記載の半導体集積光デバイスの作製方法。
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