JP2011085817A - 光半導体装置及びその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】III V族半導体を用いて、シリコン細線と同等の屈折率差をもつ光導波路を形成し、ハイメサ構造よりも更に小さく、機械的な強度が強く導波路の特性に問題の無い光集積回路を実現することができる光半導体装置の作製方法を提供する。
【解決手段】基板１と、この基板１上に形成された第２エッチングストップ層４、コア層２、及び、コア層２よりも屈折率の低い有機材料クラッド層３とを有しており、第２エッチングストップ層４上に有機材料クラッド層３が形成され、この有機材料クラッド層３によって、コア層２の外周面全体が覆われた構造とする。また、この構造は、基板１上に第２エッチングストップ層、クラッド層、第１エッチングストップ層、コア層を順次積層した積層構造を、幅方向の一方側と他方側に２回に分けてエッチング加工をすることによって形成する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は光半導体装置及びその作製方法に関するものである。

現在のインターネットの爆発的な広がりから、必要な通信容量は年々増加している。そのような要求に答えるため、従来の光信号を時間領域で０と１に変調する時分割多重、空間のチャネル数を増やす空間分割多重通信に加え、光の色（波長）に信号を載せる波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）通信が開発されてきた。ＷＤＭ通信は主に長距離の幹線系の通信に用いられ、光ファイバの損失の最も小さな1.55μｍ帯の波長が用いられる。隣り合う波長の間隔は規格で決められているが、例えばＤＷＤＭ（Dense ＷＤＭ）では0.8 nm間隔で光の波長に信号を載せることが取り決められている。ＷＤＭ通信では、それぞれの色を発光するレーザ、それらを受信する受光器が必要なことはもちろんであるが、そのほかに、光の色に応じて出力先を変えるものや、逆に様々な色の光を一つに束ねる光合分波器が必要となる。

このような光合分波器は様々な材料、形状で実現されてきたが、平面状の基板に、屈折率の大きなコア部、それよりも屈折率の小さなクラッド層を有する光導波路を用いて光集積回路を形成する平面型光集積回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）では、ガラスを用いるものが最も一般的であり、光導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）など様々な光合分波器が実現されてきた。特にガラスを用いたＰＬＣによる光合分波器は、波長間隔の非常に狭いＤＷＤＭなどにおいても非常に優れた分波特性を有しているが、近年の通信容量の増大化に伴い、一つのチップで処理するチャネル数が増えたため、そのチップの大きさや消費電力が問題となり始めている。

ＰＬＣにおけるチップの大きさは、そこに用いられる光導波路の曲げ損失によって決まる。光合分波器などの光集積回路においては、平面上で光を引き回すために光導波路を曲げることが不可欠であるが、その際、曲げに対して外側の領域に光が放射していくことが知られており、これを曲げ損失と呼ぶ。この損失はゆるやかに曲げるほど（曲げ半径が大きいほど）小さく、急激に曲げるほど（曲げ半径が小さいほど）大きい。そして、この損失の大きさは光導波路のコア部の屈折率とそれを囲むクラッド部の屈折率の差によって決まる。この屈折率の差が大きいほど光はコア部に良く閉じ込められるが、小さいとクラッド部に大きく漏れ出し曲げ損失が大きくなる。

ガラスを用いたＰＬＣの場合、コア部に不純物をドーピングすることにより屈折率を大きくするが、通常クラッドとの屈折率差は0.1％から３％程度と非常に小さく、例えばＡＷＧの場合、そのチップサイズはせいぜい数ｃｍ角程度である。

このことから、より大きな屈折率差をもつIII V族半導体導波路を用いて光集積回路を構成しようとする試みもなされてきた。III V族半導体を用いる場合には、基板上に屈折率の大きな導波層、その上に屈折率の小さなオーバークラッド層を形成し、導波路の両脇を導波層を突き抜ける深さまでエッチングによって削り、その部分をたとえば低屈折率の有機材料で埋めることによって導波路を形成する（ハイメサ構造）。この場合、導波路の上下方向に関しては半導体同士のため光の閉じ込めはそれほどでもないが、横方向に関しては半導体（屈折率は通常3.4程度）と有機材料（屈折率は1.5〜２程度）のため数十％もの巨大な屈折率差を得ることができる。このとき、例えばＡＷＧを作成した場合、そのチップサイズは数ｍｍ角となり、上下方向の光の漏れがチップの最小サイズを決定する。また、III V族半導体を用いるもう一つの大きなメリットは半導体レーザ（送信器）、受光器と集積可能なことである。送受信機と同一基板上に集積することにより、送受信モジュールをより小さく、挿入損失を抑えて作成するこが可能となる。これはガラス系の材料には無い特徴である。

最近、更なる光集積回路の小型化を目指して、シリコン基板上にシリコンをコア、ガラスをクラッドとする導波路（シリコン細線導波路）を用いた超小型光集積回路の研究が盛んに行われている。シリコンの屈折率は3.5程度、ガラスの屈折率は1.5程度であり、III V族半導体の場合と同等の屈折率差を得ることができるうえに、シリコンをガラス膜の上に堆積することが可能なため、シリコンコアの上下左右どの方向もガラスで囲む導波路構造となるため、どの方向の屈折率差も非常に大きく、III V族半導体の場合よりも更に小型化が可能となる。また、このときのコアの横断面での大きさは通信波長である1.55 μｍに対しては、数百nm程度であり、媒質内の光の波長程度となる。例えばＡＷＧを作成した場合、そのチップサイズは数十μm角となりガラスを用いた場合の１０００分の１となる。この構造の最大の問題点は送受信機との結合にある。シリコン導波路を用いて送受信モジュールを構成する場合には、III V族半導体のように一つのチップ上に集積することは困難なため、半導体レーザとの間をレンズなどで結合することになるが、レンズの集光限界などにより、効率の良い結合は難しい。

III V族半導体を用いてシリコン細線導波路のような超小型光導波路を作製する試みも行われているが、シリコンの場合のように屈折率の小さな膜の上に半導体を堆積することが困難なため、ウェットエッチングにより導波路の下側まで溶かして作製されている。その際に、導波路部分が流されていかないように、導波路と外側のエッチングしない部分を細い半導体の棒でつなぐ必要がある。そのため、この導波路は下側に支えがなく、細い棒で宙吊りになっていることから機械的に弱く、また、光の進行方向に周期的に細い棒が存在し、その部分が不連続部となるため、ある波長の光の透過特性が悪くなるなど、導波路の特性に悪影響を及ぼす。また、周囲が空気であるため、ほぼ導波路は断熱されており、半導体光デバイスにおいてしばしば問題となる、熱の影響をまともにうけてしまう。

K. Okamoto, K. Shuto, H. Takahashi, and H. Ohmori, "Fabrication of 128-channel arrayed waveguide grating multiplexer with 25GHz channel spacing," Electronics Letters, Vol. 32, No. 16, pp. 1474-1476, Aug. 1996. N. Kikuchi, Y. Shibata, H. Okamoto, Y. Kawaguchi, S. Oku, H. Ishii, Y. Yoshikuni, and Y. Tohmori, "Monolithically integrated 64-channel WDM channel selector with novel configuration," Electronics Letters, Vol. 38, No. 7, pp. 331-332, Mar. 2002. K. Sasaki, F. Ohno, A. Motegi, and T. Baba, "Arrayed waveguide grating of 7060 μm2 size based on Si photonic wire waveguides," Electronics Letters, Vol. 41, No. 14, pp. 801-801, July 2005. T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, D. Park, J. B. Khurgin, S. Kanakaraju, and C. J. K. Richardson, "Low-loss suspended quantum well waveguides," Optics Express, Vol. 16, No. 4, pp. 2621-2627, Feb. 2008.

このように、シリコン細線導波路を用いると、光集積回路のチップサイズは飛躍的に小さくなるものの、半導体レーザや受光器との集積が難しい。しかし、III V族半導体のハイメサ導波路を用いた光集積回路では上下方向の光の閉じ込めが小さいため、そこでチップの大きさが決定されてしまう。III V族半導体を用いた細線導波路に関しても、その構造から機械的な強度や導波路の特性に問題がある。

従って、本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、III V族半導体を用いて、シリコン細線と同等の屈折率差をもつ光導波路を形成し、ハイメサ構造よりも更に小さく、機械的な強度が強く導波路の特性に問題の無い光集積回路を実現することができる光半導体装置の作製方法を提供することを課題とする。即ち、III V族半導体混晶基板上に、媒質（基板上の半導体光導波路構造）内での光の波長程度の大きさのコア層を有する光導波路を形成し、それを要素とする光部品の小型化を実現することを課題とする。

上記課題を解決する第１発明の光半導体装置は、基板と、前記基板上に形成された第２エッチングストップ層、光の導波層であるコア層及び前記コア層よりも屈折率の低い有機材料クラッド層とを有しており、
前記第２エッチングストップ層上に前記有機材料クラッド層が形成され、
前記有機材料クラッド層によって、前記コア層の外周面全体が覆われていること、
を特徴とする。

また、第２発明の光半導体装置は、第１発明の光半導体装置において、
前記第２エッチングストップ層の上面から前記コア層の下面までの高さが、１μm以上であることを特徴とする。

また、第３発明の光半導体装置は、第１又は第２発明の光半導体装置において、
前記コア層がバルク半導体、もしくは半導体を用いた量子井戸構造を含むことを特徴とする。

また、第４発明の光半導体装置の作製方法は、第１〜第３発明の何れか１つの発明の光半導体装置を作製する方法であって、
第１エッチングストップ層には前記コア層をエッチングするときに前記第１エッチングストップ層がエッチングされない材料を用い、前記コア層及びクラッド層には前記第１エッチングストップ層をエッチングするときに前記コア層及び前記クラッド層がエッチングされない材料を用い、前記コア層、前記第１エッチングストップ層及び前記第２エッチングストップ層には前記クラッド層をエッチングするときに前記コア層、前記第１エッチングストップ層及び前記第２エッチングストップ層がエッチングされない材料を用いることにより、
前記基板上に前記第２エッチングストップ層、前記クラッド層、前記第１エッチングストップ層、前記コア層を順次積層する工程と、
前記コア層の幅方向の一方側をエッチングする工程と、
前記第１エッチングストップ層の幅方向の一方側をエッチングする工程と、
前記クラッド層の幅方向の一方側をエッチングする工程と、
前記コア層の上面、一方の側面及び下面を、前記有機材料クラッド層で覆う工程と、
前記コア層の上面を覆っている前記有機材料クラッド層の幅方向の他方側をエッチングする工程と、
前記コア層の幅方向の他方側をエッチングする工程と、
前記第１エッチングストップ層の幅方向の他方側をエッチングする工程と、
前記クラッド層の幅方向の他方側をエッチングする工程と、
前記コア層の他方の側面及び下面を、前記有機材料クラッド層で覆う工程と、
を実施することを特徴とする。

また、第５発明の光半導体装置の作製方法は、第４発明の光半導体装置の作製方法において、
前記コア層に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長が、前記第１エッチングストップ層に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長よりも小さく、更に前記第１エッチングストップ層に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長が、前記クラッド層に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長よりも大きいことを特徴とする。

本発明の実施によって、コア層とその周囲の有機材料クラッド層との屈折率差が大きくて、曲げ損失が小さくなるため、半導体レーザや受光器と同一基板上に集積可能な、III V族半導体を用いた超小型の光集積回路の構成を実現することが可能となる。

本発明の実施の形態例１に係る光半導体装置におけるIII V族半導体を用いた半導体細線導波路の構造図である。 前記半導体細線導波路を作製するための積層構造図である。 図１Ａとの比較のために示した従来の光半導体装置におけるハイメサ導波路の構造図である。 本発明の実施の形態例１に係る光半導体装置における半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、基板上に第２エッチングストップ層、クラッド層、第１エッチングストップ層及びコア層を積層する工程を示す図である。 前記半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記コア層の幅方向の一方側をエッチングする工程を示す図である。 前記半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記第１エッチングストップ層の幅方向の一方側をエッチングする工程を示す図である。 前記半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記クラッド層の幅方向の一方側をエッチングする工程を示す図である。 前記半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記クラッド層の幅方向の一方側をエッチングする工程を示す図である。 前記半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記コア層の外周の幅方向の一方側全体を、有機材料クラッド層で覆う工程を示す図である。 前記半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記有機材料クラッド層の幅方向の他方側をエッチングする工程を示す図である。 前記半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記コア層の幅方向の他方側をエッチングする工程を示す図である。 前記支柱つきの半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記第１エッチングストップ層の幅方向の他方側をエッチングする工程を示す図である。 前記半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記クラッド層の幅方向の他方側をエッチングする工程を示す図である。 前記半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記コア層の外周の幅方向の他方側全体を、前記有機材料クラッド層で覆う工程を示す図である。 前記半導体細線導波路の９０度当たりの曲げ損失の曲げ半径依存性を示す図である。 従来のハイメサ導波路の９０度当たりの曲げ損失の曲げ半径依存性を示す図である。

以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。

＜実施の形態例１＞
図１Ａに示すように、本発明の実施の形態例１に係る光半導体装置は、半導体混晶基板１と、この基板１上に形成された第２エッチングストップ層４、光の導波層であり半導体混晶で構成されている光導波路コア層２、及び、コア層２よりも屈折率の低い有機材料クラッド層３とを有している。そして、第２エッチングストップ層４上に有機材料クラッド層３が形成され、この有機材料クラッド層３によって、コア層２の外周面全体が覆われた構造となっている。即ち、コア層２の光の進行方向（図１Ａの紙面に垂直な方向）と垂直な断面の外周面である上面２ａ、両側面２ａ，２ｃ及び下面２ｄが、有機材料クラッド層３によって覆われている。コア層２は、前記光の進行方向に垂直な断面（横断面）の大きさが媒質（基板上の半導体細線導波路構造）内での光の波長程度の大きさである。

このIII V族半導体を用いた細線導波路を作製するための積層構造は、図１Ｂに示すとおりである。即ち、基板１上に第２エッチングストップ層４、クラッド層５、第１エッチングストップ層６、コア層２を順次積層した構造となっている。そして、詳細は後述するが、この積層構造を幅方向（図１Ｂの左右方向）の一方側と他方側に２回に分けてエッチング加工をすることによって、図１Ａのような半導体細線導波路構造を形成する。

また、コア層２から下層６，５へと順次エッチング加工して上記構造の半導体細線導波路を形成することができるようにするため、コア層２、第１エッチングストップ層６、クラッド層５及び第２エッチングストップ層４の材料は、コア層２をエッチングするときに第１エッチングストップ層６がエッチングされず、第１エッチングストップ層６をエッチングするときにコア層２及びクラッド層５がエッチングされず、クラッド層５をエッチングするときにコア層２、第１エッチングストップ層６及び第２エッチングストップ層４がエッチングされない材料からなっている。

その際、例えば、コア層２に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長を、第１エッチングストップ層６に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長よりも小さくし、更に第１エッチングストップ層６に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長を、クラッド層５に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長よりも大きくする。
また、第２エッチングストップ層４の上面４ａからコア層の下面２ｄまでの高さＨ（即ちコア層４と第２エッチングストップ層４の間の有機材料クラッド層３の厚さ）は、１μm以上である。

上記構造の半導体細線導波路に対して、図１Ｃに示すように従来のハイメサ導波路は、基板１上に下部クラッド層５、コア層２、上部クラッド層５を順次積層し、これらの両側面だけが有機材料を用いたクラッド層３によって覆われた構造になっている。

次に、本実施の形態例１に係るIII V族半導体を用いた細線導波路の作製方法を説明する。半導体細線導波路は図２Ａ〜図２Ｋの順で作製する。コア層２からクラッド層５までのエッチング加工を２回に分けて行うことに特徴がある。

まず、図２Ａに示すように、III V族半導体混晶基板であるInP基板１上に、第２エッチングストップ層４、InPクラッド層５、第１エッチングストップ層６、コア層２を順次成長させる。

このとき、第２エッチングストップ層４はコア層２と同じ材料で良く、厚さは数十nm程度あれば良い。InPクラッド層５はコア層２を基板１から十分に離すために１μm程度の厚さが必要である。第１エッチングストップ層４はコア層５の材料と選択性ウェットエッチングが可能な材料とする。即ち、第１エッチングストップ層６には、コア層２をエッチングするときに第１エッチングストップ層６がエッチングされない材料を用いればよい。コア層２がInGaAsPの場合には、例えば第１エッチングストップ層６をInGaAsとすることで、ウェットエッチングでの選択エッチングが可能となる。第１エッチングストップ層６の厚さはやはり数十nm程度あれば良い。コア層５は所望の厚さに成長させる。ここではコア層２、第２エッチングストップ層４をInGaAsP、第１エッチングストップ層をInGaAsとする。

次に、コア層２の一部分（図２Ｂの右側だけ）にマスク（図示省略）をつけ、ドライエッチングによって、第１エッチングストップ層６の上面まで、コア層２の幅方向の一方側（図２Ｂの左側）をエッチングして削る。その結果、図２Ｂに示すような状態になる。より具体的にはＣＨ₄とＨ₂を用いたリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）、ハロゲンガスを用いた反応性ＲＩＥ（ＩＣＰ−ＲＩＥ：Inductive Coupled Plasma-RIE）、リアクティブイオンビームエッチング（ＲＩＢＥ：Reactive Ion Beam Etching）などを用いてコア層２をエッチングする。

そして、第１エッチングストップ層６がコア層２よりも早くエッチングされるような溶液を用いて、即ち第１エッチングストップ層６のみをエッチングする溶液を用いて、第１エッチングストップ層６の幅方向の一方側（図２Ｃの左側）のウェットエッチングを行う。例えば、硫酸と水と過酸化水素水を３：１：１で混合した溶液を用いると、InGaAsのエッチングレートはInGaAsPよりも早く、またInPはエッチングされないため、InGaAsの第１エッチングストップ層６はエッチングされるが、InGaAsPのコア層２と、InPのクラッド層５はエッチングされない。即ち、コア層２及びクラッド層５には、第１エッチングストップ層６をエッチングするときにコア層２及びクラッド層５がエッチングされない材料を用いている。このエッチングの結果、図２Ｃのような状態になる。

更に、この図２Ｃの状態から、ドライエッチングによりInPクラッド層５の幅方向の一方側（図２Ｄの左側）をエッチングして、図２Ｄのような状態にした後、InPのみを溶かすような溶液、例えば塩酸と燐酸を１：３で混合した溶液を用いて、InPクラッド層５の幅方向の一方側（図２Ｅの左側）のウェットエッチングを行うと、図２Ｅのような状態になる。即ち、クラッド層５をエッチングするときにコア層２、第１エッチングストップ層６及び第２エッチングストップ層４がエッチングされない材料を、コア層２、第１エッチングストップ層６及び第２エッチングストップ層４に用いている。ここでは前記溶液の塩酸と燐酸の混合比を１：３としたが、他の混合比でも良い。もし、第１エッチングストップ層６が無く、コア層２をエッチング後、直接InPクラッド層５をエッチングすると、結晶の面方位によっては、コア層２がマスクとなって、横方向へのエッチングが進行せず、コア層２下の半導体を取り除くことができない。

この図２Ｅの状態から、コア層２の上についているマスクを除去して、有機材料（ここではＢＣＢ（benzocyclobutene）とする）を塗布することより、コア層２の上面２ａ、一方の側面２ｂ及び下面２ｄ（即ちコア層２のエッチングで形成された一方の側面２ｂと、第１エッチングストップ層６及びクラッド層５のエッチングで露出した下面５ｄの一方側）を、有機材料クラッド層３で覆う。その結果、図２Ｆのような状態となる。ここで１回目のエッチング加工が終了する。

なお、図２Ｂから図２Ｄの工程において、図２Ｃと図２Ｄの工程の順番を逆にしても問題は無い。つまり、先にドライエッチングでクラッド層５までエッチングした後にウェットエッチングで第１エッチングストップ層６をエッチングしても良い。また、第１エッチングストップ層６をウェットエッチングでエッチングした後のクラッド層５のドライエッチング(図２Ｄ)を省略して、図２Ｅのクラッド層５のウェットエッチングを行っても良い。

２回目のエッチング加工では、始めに、図２Ｇに示すように、コア層２を所望の幅だけ残すように有機材料クラッド層３にマスク（図示省略）をつけ、その他の部分の有機材料クラッド層３をエッチングする。即ち、コア層２の上面２ａを覆っている有機材料クラッド層６の幅方向の他方側（図２Ｇの右側）をエッチングする。その後は１回目のエッチング加工と同様の手順で同様のエッチング加工を繰り返す。

即ち、まず、ドライエッチングによって、第１エッチングストップ層６の上面まで、コア層２の幅方向の他方側（図２Ｈの右側）をエッチングして削る。その結果、図２Ｈに示すような状態になる。

そして、第１エッチングストップ層６がコア層２よりも早くエッチングされるような溶液を用いて、即ち第１エッチングストップ層６のみをエッチングする溶液を用いて、第１エッチングストップ層６の幅方向の他方側（図２Ｉの右側）のウェットエッチングを行う。その結果、第１エッチングストップ層６が全て削除されて、図２Ｉのような状態となる。

更に、この図２Ｉの状態から、InPのみを溶かすような溶液を用いて、InPクラッド層５の幅方向の他方側（図２Ｊの右側）のウェットエッチングを行う。その結果、InPクラッド層５が全て削除されて、図２Ｊのような状態となる。第１エッチングストップ層６とクラッド層５を全て削除しても、一回目のエッチング加工時に有機材料クラッド層３の殻側を形成しているため、この片側の有機材料クラッド層３によってコア層２を支持することができる。

最後に、もう一度、有機材料（ＢＣＢ）を塗布することにより、コア層５の他方の側面５ｃ及び下面５ｄ（即ちコア層２のエッチングで形成された他方の側面２ｃと、第１エッチングストップ層６及びクラッド層５のエッチングで露出した下面５ｄの他方側）を、有機材料クラッド層６で覆う。かくして、コア層２の外周面全体（上下面２ａ，２ｄ、両側面２ｂ，２ｃ）が、有機材料クラッド層３によって覆われた状態となる。即ち、図４Ｋのような状態となり、半導体細線導波路の構造が完成する。

本半導体細線導波路の構造では、導波路の周りが全て有機材料のクラッド層３で埋まっているため、機械的な強度に関しては問題が無く、上下左右全ての方向に対して強く光を閉じ込めることができる。また、光の進行方向に不連続部も生じないため導波路の特性も通常のものとなる。更に、周囲を埋める物質が空気ではないために、空気中にさらした導波路よりも放熱は良い。なお、ここでは導波路の周りを埋める有機材料をＢＣＢとしたが、その屈折率が半導体に比べて小さいものであれば他の有機材料、例えばポリイミドでも良い。

図３Ａ、図３Ｂはそれぞれ、光の波長1.55 μmに対する、細線導波路、ハイメサ導波路の９０度曲げ損失の曲げ半径依存性を示したものである。ここに、ハイメサ導波路の導波路幅は1.5 μm、コア層２の厚さは0.4 μm、上部クラッド層５の高さは２μm、メサ全体の高さは３μmである。また、細線導波路に対しては、コア層２の幅Ｗ、厚さともに0.4 μmである。導波路の幅は共に、コア層２の厚さ0.4 μmに対し、導波モードが単一である条件を満たす幅とした。両導波路共に、クラッド層３は有機材料BCBであり、コア層２はInGaAsPである。コア層２は基板１に格子整合しているものとし、その組成はバンドギャップ波長によって特定するものとする。例えば、バンドギャップ波長が1.1 μmの場合は1.1Ｑと書くことにする。

図３Ａ、図３Ｂから、ハイメサ導波路の場合には、コア層２に1.3Ｑを用いたとしても、９０度当たりの曲げ損失0.01 dBを達成するには曲げ半径が１００μm以上でなければならないのに対し、細線導波路ではコア層が1.2Ｑであっても曲げ半径２μmで達成できるのがわかる。このとき、一つの曲げ部における導波路長さは、ハイメサ導波路では６２８μm、細線導波路では１３μmと５０分の１に小さくすることが可能である。このことから、曲げ部を多数含む光集積回路にした場合でも同様のサイズ低減を計ることが可能である。

＜実施の形態例２＞
本発明の実施の形態例２の光半導体装置では、半導体細線導波路の構造及び作製方法は実施の形態例１と同じであるが（図１Ａ，図２Ａ〜図２Ｋ参照）、第１エッチングストップ層６をInGaAlAsとすることに特徴がある。通常、アルミニウムを混ぜた半導体混晶は酸に対してより溶けやすい性質をもっているため、InGaAlAsを本発明の半導体細線導波路を作成するための第１エッチングストップ層４に用いることができ、実施の形態例１と同様の効果を得ることができる。

＜実施の形態例３＞
本発明の実施の形態例３の光半導体装置では、半導体細線導波路の構造及び作製方法は実施の形態例１，２と同じであるが、コア層２及び第１エッチングストップ層６をInGaAlAsとすることに特徴がある。コア層２と第１エッチングストップ層６のバンドギャップ波長を変えることで、実施の形態例１と同様に半導体細線導波路を作成することができ、同様の効果を得ることができる。

なお、上記実施の形態例１〜３においては、導波路層にはInP、InGaAsP、InGaAlAsを用いたが、使用する光の波長がバンドギャップ波長よりも長く、前述の材料条件、即ちコア層５、第１エッチングストップ層４、クラッド層３及び第２エッチングストップ層２の材料が、コア層５をエッチングするときに第１エッチングストップ層４がエッチングされず、第１エッチングストップ層４をエッチングするときにコア層５及びクラッド層３がエッチングされず、クラッド層３をエッチングするときにコア層５、第１エッチングストップ層４及び第２エッチングストップ層２がエッチングされない材料からなるという条件を満たすならば、他の半導体材料GaAs、AlGaAs、GaInNAs、ZnSe、GaNを用いても良い。
また、上記実施の形態例１〜４においては、基板はInPを用いたが、GaAs、Si、サファイア基板などを用いても良い。
また、コア層がバルク半導体、もしくは半導体を用いた量子井戸構造であってもよい。

本発明は光半導体装置及びその作製方法に関するものであり、半導体レーザや半導体受光器のような光半導体送受信装置などに適用して有用なものである。

１ 半導体混晶基板
２ 半導体導波路コア層
２ａ コア層の上面
２ｂ，２ｃ 側面
２ｄ 下面
３ 有機材料クラッド層
４ 第２エッチングストップ層
５ 半導体クラッド層
６ 第１エッチングストップ層

Claims (5)

1. 基板と、前記基板上に形成された第２エッチングストップ層、光の導波層であるコア層及び前記コア層よりも屈折率の低い有機材料クラッド層とを有しており、
   前記第２エッチングストップ層上に前記有機材料クラッド層が形成され、
   前記有機材料クラッド層によって、前記コア層の外周面全体が覆われていること、
   を特徴とする光半導体装置。
2. 請求項１に記載の光半導体装置において、
   前記第２エッチングストップ層の上面から前記コア層の下面までの高さが、１μm以上であることを特徴とする光半導体装置。
3. 請求項１又は２に記載の光半導体装置において、
   前記コア層がバルク半導体、もしくは半導体を用いた量子井戸構造を含むことを特徴とする光半導体装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の光半導体装置を作製する方法であって、
   第１エッチングストップ層には前記コア層をエッチングするときに前記第１エッチングストップ層がエッチングされない材料を用い、前記コア層及びクラッド層には前記第１エッチングストップ層をエッチングするときに前記コア層及び前記クラッド層がエッチングされない材料を用い、前記コア層、前記第１エッチングストップ層及び前記第２エッチングストップ層には前記クラッド層をエッチングするときに前記コア層、前記第１エッチングストップ層及び前記第２エッチングストップ層がエッチングされない材料を用いることにより、
   前記基板上に前記第２エッチングストップ層、前記クラッド層、前記第１エッチングストップ層、前記コア層を順次積層する工程と、
   前記コア層の幅方向の一方側をエッチングする工程と、
   前記第１エッチングストップ層の幅方向の一方側をエッチングする工程と、
   前記クラッド層の幅方向の一方側をエッチングする工程と、
   前記コア層の上面、一方の側面及び下面を、前記有機材料クラッド層で覆う工程と、
   前記コア層の上面を覆っている前記有機材料クラッド層の幅方向の他方側をエッチングする工程と、
   前記コア層の幅方向の他方側をエッチングする工程と、
   前記第１エッチングストップ層の幅方向の他方側をエッチングする工程と、
   前記クラッド層の幅方向の他方側をエッチングする工程と、
   前記コア層の他方の側面及び下面を、前記有機材料クラッド層で覆う工程と、
   を実施することを特徴とする光半導体装置の作製方法。
5. 請求項４に記載の光半導体装置の作製方法において、
   前記コア層に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長が、前記第１エッチングストップ層に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長よりも小さく、更に前記第１エッチングストップ層に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長が、前記クラッド層に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長よりも大きいことを特徴とする光半導体装置の作製方法。

Images