JP2014186261A - 集積型光回路素子 - 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、電極配線や電極パッドの直下の半導体材料（機能素子基板）に由来する寄生容量を抑制し、且つ、ボンディング強度が改善された集積型光回路素子を提供すること。
【解決手段】本発明は、基板１２と、前記基板１２上の光導波路１７と、前記光導波路１７を伝搬する光を反射するための、前記光導波路１７の端部に設けられたミラー１８と、前記光導波路１７上の、前記ミラー１８で反射された光が結合するための、フォトダイオード７４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７４の後段に、電極配線８０および電極パッド８２をさらに備え、前記電極配線８０および前記電極パッド８２は、前記光導波路１７の上に直接形成されたことを特徴とする。
【選択図】図４

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、本発明は、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）などの機能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との間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上に設置された機能素子、すなわちＰＤ２２と、電極配線２８と、電極パッド３０とから構成される。

機能素子、すなわちＰＤ２２は、機能素子基板１９を加工して作製されたものであり、ＰＤ２２は、機能素子基板１９上に作製される。ＰＤ２２は、絶縁膜２４によって覆われ、ＰＤ２２には、ＰＤ２２から電気を取り出すための電極層２６が設けられている。ＰＤ２２の後段に、電極配線２８および電極パッド３０が作製される。

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、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）。

図１に示した構造において、ＰＤにより光から変換された電気信号は微弱である。従って、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、ＰＤの後段に作製された電極パッド３０の後段に、電気増幅器３４を備える。電極パッド３０と電気増幅器３４とは、Ａｕ等のワイヤ３２を用いたワイヤボンディングにより接続される。

光回路を構成する光導波路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３４で増幅されて電極配線３６で伝送される。

なお、図１および図２では、コア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、同一基板上にハイブリッド実装された発光素子と受光素子の間の漏話を低減可能な光送受信デバイスが提案されている（特許文献１を参照）。例えば、図３に示すような構造では、基板１０４上には絶縁膜１０６が形成されている。絶縁膜１０６の左側には一対の導体パターン１０８，１１０が形成されており、右側には他の一対の導体パターン１１６，１１８が形成されている。導体パターン１０８上にはレーザーダイオード１１２が実装されており、レーザーダイオード１１２と導体パターン１１０とは金ワイヤ１１４でボンディング接続されている。導体パターン１１６上にはフォトダイオード１２０が実装されており、フォトダイオード１２０と導体パターン１１８とは金ワイヤ１２２でボンディング接続されている。

特開平１１−２７１５４６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２に示す従来の構造では、それぞれのＰＤは、ＰＤの下にある機能素子基板で連結され、機能素子基板の上に電極配線、電極パッドが形成されている。従って、電極配線や電極パッドの直下の半導体材料（機能素子基板）に由来する寄生容量が発生するという問題があった。

また、図１および図２に示す従来の構造では、電極配線および電極パッドは樹脂系接着剤（図示せず）により機能素子基板上に設置されるので、樹脂系接着剤固有の強度までしかボンディング強度が得られないという課題があった。

本願発明は、上記の問題・課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、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、電極配線や電極パッドの直下の半導体材料（機能素子基板）に由来する寄生容量を抑制し、且つ、電極配線、電極パッドのボンディング強度が改善された集積型光回路素子を提供することである。

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、フォトダイオードの後段に、電極配線および電極パッドをさらに備え、電極配線および電極パッドは、光導波路の上に直接形成されたことを特徴とする。

本願発明により、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、電極配線や電極パッドの直下の半導体材料（機能素子基板）に由来する寄生容量を抑制し、且つ、ボンディング強度が改善された集積型光回路素子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、光送受信デバイスの構造を示す断面図である。 本発明に係る、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プロセスを示すフロー図である。

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。

図４に、本発明の一実施形態に係る集積型光回路素子の構造を示す。

図４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、光導波路１７上のＰＤ７４と、ＰＤ７４を被覆する絶縁膜７６と、ＰＤ７４から電気を取り出す電極層７８と、電極配線８０と、電極パッド８２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。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。

ミラー１８は、導波路１７端面に、Ａｌ等の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。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に貼り付けられており、複数の半導体層から構成される。図４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。

絶縁膜７６は、光導波路１７上で樹脂系接着剤部７２およびＰＤ７４を被覆する。絶縁膜７６として、ポリイミド膜等を使用することができる。絶縁膜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層７８が形成される部分を除いた部分が被覆される。

ＰＤ２２には、ＰＤ２２から電気を取り出すための電極層７８が設けられている。ｎ＋型層７４−１と、ｐ型層７４−４との上面の一部は、絶縁膜７６によって被覆されておらず、この絶縁膜７６によって被覆されない部分に、電極層７８が形成される。

ＰＤ２２の後段には、電極層７８を介して、電極配線８０および電極パッド８２が作製される。

本願発明の重要な特徴は、電極配線８０および電極パッド８２が、石英系材料である光導波路１７上に直接形成されることである。本願発明は、上記の従来技術と異なり、電極配線および電極パッドが機能素子基板上に形成されない（図１および図２を参照）。

このように、本願発明では、ＰＤの材料である機能素子基板を除去することによって、剥き出しになった光導波路に、直接に電極配線および電極パッドを形成する。従って、電極配線の直下、電極パッドの直下には、半導体材料（機能素子基板）が存在しない。よって、半導体材料に由来する寄生容量を低減することができ、このことは、ＰＤの高速化に資する。

他の有利な効果として、石英材料の光導波路上に電極配線や電極パッドを半田等により直接形成するため、強い接着強度が得ることができ、その結果、ワイヤボンディング時に電極配線や電極パッドが剥離することを防ぐことができる。

（作製方法）
図５に、本実施形態に係る集積型光回路素子の作製方法の一例を示す。
最初に、Ｓｉ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。並行して、ＩｎＰ基板８４上に、上からｎ＋型層８６−１と、ｎ型層８６−２と、ｉ型層８６−３と、ｐ型層８６−４とから成るエピタキシャル層８６の構造をＭＯＣＶＤ法等により形成する（図５（ａ）を参照）。

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。樹脂系接着剤部７２を介して、光導波路構造を持つＳｉ基板と、エピタキシャル層構造を持つＩｎＰ基板とを貼り合わせる（図５（ｂ）を参照）。

次に、貼り合わせた、光導波路１７構造を持つＳｉ基板１２と、エピタキシャル層８６構造を持つＩｎＰ基板８４とに対し、塩酸系ウエット選択エッチングを行う。これにより、ＩｎＰ基板８４が除去される（図５（ｃ）を参照）。

次に、光導波路１７の表面全体（エピタキシャル層８６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、ウエットエッチングにより、エピタキシャル層８６（機能素子基板）を加工する。エピタキシャル層８６を加工して、複数の半導体層（上からｐ型層８６−４、ｉ型層８６−３、ｎ型層８６−２、ｎ＋型層８６−１）から構成されるメサ形のＰＤ８８を作製する。メサ型のＰＤ８８を作製した後、ＰＤ８８を絶縁膜７６で被覆する（図５（ｄ）を参照）。

エピタキシャル層８６（機能素子基板）加工によるＰＤ作製時には、ＰＤ８８の直下のみしかエピタキシャル層が残存しないようにパターンを形成する。

次に、Ｏ_２ガスアッシング法により、樹脂系接着剤部７２を除去する。この際、絶縁膜７６で覆われたＰＤ８８の部分の直下のみしか樹脂系接着剤部７２が残存しないように、樹脂系接着剤部７２を除去する（図５（ｅ）を参照）。

次に、異方性エッチングにより斜めの溝を形成し、この斜めの溝において露出した導波路端部に金属を蒸着し、ミラー１８を形成する（図５（ｆ）を参照）。

最後に、電極層、電極配線、電極パターンを光導波路１７上に直接形成する。電極配線、電極パターンは、上部クラッドの直上に形成される（図示せず）。

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
１９ 機能素子基板
２２ ＰＤ
２４ 絶縁膜
２６ 電極層
２８ 電極配線
３０ 電極パッド
３２ ワイヤ
３４ 電気増幅器
３６ 電極配線
７２ 樹脂系接着剤部
７４，８８ ＰＤ
７４−１，８６−１ ｎ＋型層
７４−２，８６−２ ｎ型層
７４−３，８６−３ ｉ型層
７４−４，８６−４ ｐ型層
７６ 絶縁膜
７８ 電極層
８０ 電極配線
８２ 電極パッド
８４ ＩｎＰ基板
８６ エピタキシャル層
１０４ 基板
１０６ 絶縁膜
１０８，１１０，１１６，１１８ 導体パターン
１１２ レーザーダイオード
１１４，１２２ 金ワイヤ
１２０ フォトダイオード
１２４，１２６ 光導波路
１２８ 電極
１３０ 導電性樹脂

Claims (1)

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の後段に、電極配線および電極パッドをさらに備え、
   前記電極配線および前記電極パッドは、前記光導波路の上に直接形成されたことを特徴とする集積型光回路素子。

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