JP2014174328A - 集積型光回路素子および集積型光回路素子の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】端部にミラーを備えた光導波路上にＰＤが作製された集積型光回路素子に関し、ＰＤ作製時およびワイヤボンディングプロセス時において、ＰＤが光導波路から剥離分離することを抑制可能な集積型光回路素子および作製方法を提供すること。
【解決手段】集積型光回路素子は、基板１２と、基板１２上の光導波路１７（光導波路１７は、下部クラッド１４−１と、コア１６と、上部クラッド１４−２とから構成される）と、光導波路１７端に設けられたミラー１８と、光導波路１７上の樹脂系接着剤部７２と、樹脂系接着剤部７２によって光導波路１７上に貼り付けられるＰＤ７４と、光導波路１７上で樹脂系接着剤部７２およびＰＤ７４を被覆するＳＯＧ膜７６と、ＰＤ７４上の電極７８とから構成される。ＳＯＧ膜７６により、ｎ＋型層７４−１と、ｎ型層７４−２と、ｉ型層７４−３と、ｐ型層７４−４との側面は、完全に被覆される。
【選択図】図６

Description

本発明は、集積型光回路素子に関する。さらに具体的には、光通信や光情報処理の分野で用いられる、平面光波回路とフォトダイオード（本明細書では、「ＰＤ」ともいう）などの受光素子とから構成される集積型光回路素子に関する。

近年、光ファイバ伝送の普及に伴い、多数の光機能素子を高密度に集積する技術が求められている。その技術の一つとして、石英系平面光波回路（本明細書では、「ＰＬＣ」（Planar Lightwave Circuit）ともいう）が知られている。ＰＬＣは低損失、高信頼性、および高い設計自由度といった優れた特徴を有し、複合機能一体集積のプラットフォームとして有望である。

実際に伝送端局における光受信装置にはＰＤなどの受光素子からなる光モジュールや、レーザーダイオード（本明細書では、「ＬＤ」ともいう）などの発光素子と、合分波器、分岐・結合器、光変調器などの機能素子が形成されたＰＬＣとが光結合により実装されている。

また、例えば、波長分割多重伝送方式におけるノード装置においては、ＰＬＣ中の複数の光導波路についての光強度を監視するために、多数のＰＤが集積化されて実装されている。

光導波路と受光素子の光結合を可能とする構造として、図１に示すような構造が提案されている。図１は、従来技術に係る、光を反射してＰＤに結合させるミラーを備えた構造を示す図である。

図１に示す構造は、基板１２と、基板１２上の光導波路１７（光導波路１７は、下部クラッド１４−１と、コア部１６と、上部クラッド１４−２とから構成される）と、光導波路１７端に設けられたミラー１８と、光導波路１７上に設置されたＰＤ２２とから構成される。

基板１２として、Ｓｉ基板等を使用することができる。コア１６を伝搬する光は、ミラー１８で反射されて光路を変換され、ＰＤ２２に結合する。結合した光は、ＰＤ２２で電気信号に変換される。

このような構造は、異方性エッチングにより光導波路に斜めの溝（本明細書では、「ミラー溝」ともいう）を設け、この斜めの溝の側面に、金属や多層膜を堆積させることで作製することができる。堆積させた金属または多層膜を、基板面に対して垂直方向に光路を変換する反射面とすることで、ミラーを作製することができる（非特許文献１を参照）。

ＰＤで変換された電気信号は微弱であるため、後段に電気増幅器を接続して増幅する必要があることに留意する。図２に、図１に示した構造を含む、集積型光回路素子の斜視図を示す。

図２に示す集積型光回路素子は、ＰＤ２２の後段に電気増幅器２６を備える。ＰＤ２２と電気増幅器２６とは、Ａｕ等のワイヤ２４用いたワイヤボンディングにより接続される。

光導波路１７を伝搬する光は、ミラー１８で反射されて光路を変換され、ＰＤ２２に結合する。ＰＤ２２に結合した光は、電気信号に変換される。電気信号は、電気増幅器２６で増幅されて電気配線２８で伝送される。

図３に、図１のＰＤ２２周辺の詳細な断面図を示す。図３はＰＤの詳細な構造の一例を示す断面図である。

図３に示すように、ＰＤ７４は、樹脂系接着剤部７２により上部クラッド１４−２に貼り付けられた複数の半導体層から構成される。複数の半導体層は、下から順に、ｎ＋型層７４−１と、ｎ型層７４−２と、ｉ型層７４−３と、ｐ型層７４−４とが積層されて構成される。

なお、図１乃至図３では、コア部１６が伸長する方向がｘ軸方向、光導波路１７が積層される基板１２の法線方向がｚ軸方向、ｘ軸およびｚ軸に垂直な方向がｙ軸方向となるように座標軸を設定している。この座標軸は、以後の説明においても同様に設定されるものとする。

本発明に関連する従来技術として、スピンオングラス（本明細書では、「ＳＯＧ」ともいう）膜と下地酸化膜との接着性を向上させた半導体装置が提案されている（特許文献１を参照）。図４に示すような構造では、数十ナノメートルオーダの凹凸を下地酸化膜１０３の表面に形成することが可能となり、ＳＯＧ膜１０６と下地酸化膜１０３との間の接触面積を増加させることが可能となる。このため、ＳＯＧ膜１０６と下地酸化膜１０３との接着性を向上させることが可能となり、ＳＯＧ膜１０６を脱水重合反応させる際にＳＯＧ膜１０６が体積収縮を起こした場合においても、下地酸化膜１０３とＳＯＧ膜１０６との間の界面に発生する応力に対抗して、ＳＯＧ膜１０６が下地酸化膜１０３から剥がれることを防止することができる。

本発明に関連する別の従来技術として、高精度に平坦化されたＳＯＧ膜を半導体素子上に形成してなる半導体装置が提案されている（特許文献２を参照）。図５に示すように、半導体装置は、半導体基板上の半導体素子２０１の周囲をこの半導体素子２０１とは２μｍ程度の等間隔をおいて壁状突起物２０２を形成して、半導体素子２０１が中央に位置するように壁状突起物２０２で囲んだ状態で、ＳＯＧ膜を形成することにより、壁状突起物２０２がストッパーとして機能し、流れ込んだＳＯＧは壁状突起物２０２の側壁に近接した位置では傾斜状態となるが、中央部分の半導体素子２０１上では平坦状となって、半導体素子２０１上のＳＯＧ膜２０６の膜厚は均一になる。このように、半導体素子の配線間を被覆し、平坦化することを目的にスピンオングラスを用いる構造が提案されている。

特開２００４−２４７４７２号公報 特開２０１０−０４０７１３号公報

Kurata, Yu; Nasu, Yusuke; Tamura, Munehisa; Yokoyama, Haruki; Muramoto, Yoshifumi, "Heterogeneous Integration of High-Speed InP PDs on Silica-Based Planar Lightwave Circuit Platform", Proc. ECOC2011, Th.12, LeSaleve.5, (2011)

図１および図３に示す構造を作製するためには、光導波路上の任意の位置に機能素子（ＰＤ）基板を樹脂系接着剤にて貼り付けた後、機能素子基板を加工してＰＤを任意かつ複数の位置に作製する必要がある。また、図１および図３に示した構造を作製した後で、ＰＤは、後段の電気増幅器とワイヤボンディングにより接続する必要がある（図２を参照）。

従って、このようなＰＤ作製時およびワイヤボンディングプロセス時において、ＰＤが光導波路から剥離分離することを抑制しなければならないという課題が存在する。

また、図３に示したように、光導波路１７の上に半導体層７４を貼り付ける樹脂系接着剤部７２は、側面が剥き出しの状態になっている。従って、光導波路上にＰＤを作製した後の工程、具体的には電極パッドおよび電極配線工程において、剥き出しの樹脂系接着剤部７２が有機汚染源となってしまうという問題があった。

本発明は、上記の課題および問題を鑑みてなされたものであり、端部にミラーを備えた光導波路上にＰＤが作製された集積型光回路素子に関し、ＰＤ作製時およびワイヤボンディングプロセス時において、ＰＤが光導波路から剥離分離することを抑制可能な集積型光回路素子および作製方法を提供することを目的とする。

また、本発明に係る集積型光回路素子では、樹脂系接着剤部が電極パッドおよび電極配線工程において汚染源となることを防止することができる。

本発明は、基板と、基板上の、クラッドおよびコアから構成された光導波路と、光導波路を伝搬する光を反射するための、光導波路の端部に設けられたミラーと、光導波路上の、ミラーで反射された光が結合するための、フォトダイオードと、を備えた集積型光回路素子であって、フォトダイオードは、樹脂系接着剤部を介して、光導波路に貼り付けられており、樹脂系接着剤部の側面は、感光性または非感光性のスピンオングラスにより形成されるスピンオングラス膜によって被覆されていることを特徴とする。

本発明の一実施形態において、光導波路は、下部クラッド、コア、および上部クラッドが順に積層されて構成され、上部クラッドは、表面に溝を備え、スピンオングラス膜を形成するスピンオングラスは、溝に入り込んでいることを特徴とする。

本発明の一実施形態において、スピンオングラスの屈折率は、上部クラッドの屈折率と該同一であることを特徴とする。

本発明は、集積型光回路素子を作製する方法であって、基板上に、下部クラッドと、コアと、上部クラッドとを順次成膜して、光導波路を作製するステップと、上部クラッドに、樹脂系接着剤を塗布して樹脂系接着剤部を形成するステップと、上部クラッドに、樹脂系接着剤部を介してエピタキシャル層を貼り付けるステップと、エピタキシャル層を加工して、複数の半導体層から成るフォトダイオードを形成するステップと、スピンオングラス塗布により、樹脂系接着剤部の側面をスピンオングラス膜で被覆するステップとを含むことを特徴とする。

本発明の一実施形態において、樹脂系接着剤部の側面をスピンオングラス膜で被覆するステップの前に、上部クラッドに溝を形成するステップをさらに備えたことを特徴とする。

本発明により、ＰＤ作製時およびワイヤボンディングプロセス時において、ＰＤが光導波路から剥離分離することを抑制可能な集積型光回路素子および作製方法を提供することができる。

従来技術に係る、光を反射してＰＤに結合させるミラーを備えた構造を示す断面図である。 従来技術に係る、図１に示した構造を含む集積型光回路素子の斜視図である。 従来技術に係る、ＰＤの詳細な構造を示す断面図である。 従来技術に係る、ＳＯＧ膜と下地酸化膜との接着性を向上させた半導体装置の構造を示す断面図である。 従来技術に係る、ＳＯＧ膜を形成した半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る、集積型光回路素子の断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る、集積型光回路素子の断面図である。 本発明に係る、集積型光回路素子の作製方法を説明する図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図６に、本発明の第１の実施形態に係る集積型光回路素子の構造を示す。図６に示すように、集積型光回路素子は、基板１２と、基板１２上の光導波路１７（光導波路１７は、下部クラッド１４−１と、コア１６と、上部クラッド１４−２とから構成される）と、光導波路１７端に設けられたミラー１８と、光導波路１７上の樹脂系接着剤部７２と、樹脂系接着剤部７２によって光導波路１７上に貼り付けられるＰＤ７４と、光導波路１７上で樹脂系接着剤部７２およびＰＤ７４を被覆するＳＯＧ膜７６と、ＰＤ７４上の電極７８とから構成される。

基板１２として、Ｓｉ基板等を使用することができる。光導波路１７において光信号処理用の光回路が形成される。コア１６を伝搬する光は、ミラー１８で反射されて光路を変換されてＰＤ７４に結合し、ＰＤ７４で電気信号に変換される。

ＰＤ７４は、樹脂系接着剤部７２により上部クラッド１４−２に貼り付けられた複数の半導体層から構成される。図６に示す例では、複数の半導体層は、下から順に、ｎ＋型層７４−１と、ｎ型層７４−２と、ｉ型層７４−３と、ｐ型層７４−４とが積層されて構成されているが、ＰＤの構造はこれに限定されない。複数の半導体層から成るＰＤ７４は、光導波路１７上に貼り付けたエピタキシャル層をフォトエッチング等により加工することによって作製するが、これについては後述する。

ＰＤ７４は一例として、半絶縁性ＩｎＰ基板の上に、ＩｎＰからなるｎ型コンタクト層、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰからなる層厚２３０ｎｍの電子走行層、ｐ型にドーピングされたＩｎＧａＡｓからなる層厚３０ｎｍの光吸収層を備える。

本実施形態の重要な特徴は、集積型光回路素子が、光導波路１７上で樹脂系接着剤部７２およびＰＤ７４を被覆するＳＯＧ膜７６を備えることである。ＳＯＧ膜７６により、ｎ＋型層７４−１と、ｎ型層７４−２と、ｉ型層７４−３と、ｐ型層７４−４との側面は、完全に被覆される。ＳＯＧ膜７６により、ｎ＋型層７４−１と、ｐ型層７４−４との上面のうちの電極７８が形成される部分を除いた部分が被覆される。

ＳＯＧ膜７６の材料は、上部クラッド１４−２と同等の屈折率を持つ材料を使う必要がある。これは、上部クラッド１４−２とＳＯＧ膜７６との境界における、光散乱による損失を低減するためである。なお、ＳＯＧ膜７６の材料は、感光性であっても良いし、非感光性であっても良く、作製方法によって適宜選択することが可能である。

ＰＤ７４をＳＯＧ膜７６で被覆・封止（モールド）することにより、ＰＤが光導波路から剥離分離することを防止することができる。また、樹脂系接着剤部７２の側面はＳＯＧ膜７６によって完全に被覆されるので、樹脂系接着剤部が電極パッドおよび電極配線工程において汚染源となることを防止することができる。

ｎ＋型層７４−１と、ｐ型層７４−４との上面の一部は、ＳＯＧ膜７６によって被覆されておらず、このＳＯＧ膜７６によって被覆されない部分に、電極７８が形成される。

（第２の実施形態）
図７に、本発明の第２の実施形態に係る集積型光回路素子の構造を示す。図７に示すように、上部クラッド１４−２が溝を備えていても良い。ＳＯＧは、溝に入り込んでＳＯＧ膜７６を形成するので、第１の実施形態に係る集積型光回路素子よりも、ＰＤ７４を強く封止することができるので、ＰＤはより剥離しにくくなる。

（作製方法）
図８を参照しながら、第１の実施形態および第２の実施形態で示した構造の作製方法を説明する。

最初に、基板１２上に、下部クラッド１４−１と、コア１６と、上部クラッド１４−２とを順次成膜して、光導波路１７を作製する（図８（ａ）を参照）。

次に、上部クラッド１４−２に溝を形成する（図８（ｂ）を参照）。なお、第１の実施形態の構造（図６を参照）を作製する際は、この工程は必要ではない。

次に、上部クラッド１４−２に樹脂系接着剤を塗布して、樹脂系接着剤部７２を形成する（図８（ｃ）を参照）。

次に、上部クラッド１４−２に、樹脂系接着剤部７２を介して、エピタキシャル層８０を貼り付ける（図８（ｄ）を参照）。

次に、光導波路１７の表面全体（エピタキシャル層８０を含む）に亘って、スプレーコートによりフォトレジストを塗布すること、ＵＶ光露光によるフォトリソグラフィー、エッチング、貼り付けたエピタキシャル層８０を加工する。エピタキシャル層８０を加工して、複数の半導体層から構成されるＰＤ７４を作製する（図８（ｅ）を参照）。図８（ｅ）に示す例では、複数の半導体層は、下から順に、ｎ＋型層７４−１と、ｎ型層７４−２と、ｉ型層７４−３と、ｐ型層７４−４とが積層されて構成されているが、ＰＤの構造はこれに限定されない。

次に、ＳＯＧを塗布し、樹脂系接着剤部７２と、ｎ＋型層７４−１と、ｎ型層７４−２と、ｉ型層７４−３と、ｐ型層７４−４との側面を完全に被覆するように、ＳＯＧ膜７６を形成する（厚さ：200nm）。ｎ＋型層７４−１の上面およびｐ型層７４−４の上面は、ＳＯＧ膜７６により、電極が形成される部分を除いた部分が被覆される。なお、上部クラッド１４−２に溝を形成した場合（図８（ｂ）を参照）は、ＳＯＧが溝に入り込むようにしてＳＯＧ膜７６を形成する（図８（ｆ）を参照）。

このＳＯＧ材料は、無機系化合物（例えば、シリコン系化合物、ガリウム系化合物、ヒ素系化合物、ホウ素系化合物、またはこれらの無機元素および材料の組み合わせ）を含んでなる。スピンコート後に１８０度で焼成する。
最後に、ＰＤ７４の上面（図８に示す例では、ｎ＋型層７４−１の上面およびｐ型層７４−４の上面）に電極７８を形成する。（図８（ｇ）を参照）。

１２ 基板
１４ クラッド
１４−１ 下部クラッド
１４−２ 上部クラッド
１６ コア
１７ 光導波路
１８ ミラー
２２ ＰＤ
２４ ワイヤ
２６ 電気増幅器
２８ 電気配線

７２ 樹脂系接着剤部
７４ ＰＤ
７４−１ ｎ＋型層
７４−２ ｎ型層
７４−３ ｉ型層
７４−４ ｐ型層
７６ ＳＯＧ膜
７８ 電極
８０ エピタキシャル層

１０１ 絶縁層
１０２ 配線層
１０３ 下地酸化膜
１０３ａ 凸部
１０６ ＳＯＧ膜

２０１ 半導体素子
２０２ 壁上突起物
２０３ シリコン基板
２０４ シリコン酸化膜
２０５ 基体
２０６ ＳＯＧ膜
２０７，２０８ 配線

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板上の、クラッドおよびコアから構成された光導波路と、
   前記光導波路を伝搬する光を反射するための、前記光導波路の端部に設けられたミラーと、
   前記光導波路上の、前記ミラーで反射された光が結合するための、フォトダイオードと、
   を備えた集積型光回路素子であって、
   前記フォトダイオードは、樹脂系接着剤部を介して、前記光導波路に貼り付けられており、
   前記樹脂系接着剤部の側面は、感光性または非感光性のスピンオングラスにより形成されるスピンオングラス膜によって被覆されていることを特徴とする集積型光回路素子。
2. 前記光導波路は、下部クラッド、コア、および上部クラッドが順に積層されて構成され、
   前記上部クラッドは、表面に溝を備え、
   前記スピンオングラス膜を形成するスピンオングラスは、前記溝に入り込んでいることを特徴とする請求項１に記載の集積型光回路素子。
3. 前記スピンオングラスの屈折率は、前記上部クラッドの屈折率と該同一であることを特徴とする請求項１または２に記載の集積型光回路素子。
4. 基板上に、下部クラッドと、コアと、上部クラッドとを順次成膜して、光導波路を作製するステップと、
   前記上部クラッドに、樹脂系接着剤を塗布して樹脂系接着剤部を形成するステップと、
   前記上部クラッドに、前記樹脂系接着剤部を介してエピタキシャル層を貼り付けるステップと、
   前記エピタキシャル層を加工して、複数の半導体層から成るフォトダイオードを形成するステップと、
   スピンオングラス塗布により、前記樹脂系接着剤部の側面をスピンオングラス膜で被覆するステップと
   を含むことを特徴とする集積型光回路素子を作製する方法。
5. 前記樹脂系接着剤部の側面をスピンオングラス膜で被覆するステップの前に、前記上部クラッドに溝を形成するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項４に記載の方法。

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