JP2018097199A - 半導体素子及び半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】メサ状の半導体層と樹脂膜との剥離を抑制すること。【解決手段】基板１０と、基板１０上に設けられたメサ状の半導体層（アーム導波路２４ａ、２４ｂなど）と、基板１０上に設けられ、メサ状の半導体層（アーム導波路２４ａ、２４ｂなど）の両側に埋め込まれた樹脂膜４０と、を備え、メサ状の半導体層（アーム導波路２４ａ、２４ｂなど）の脇で且つメサ状の半導体層（アーム導波路２４ａ、２４ｂなど）から離れた位置における樹脂膜４０の上面に、樹脂膜４０の厚さよりも浅い深さの溝４４が設けられている、半導体素子。【選択図】図３

Description

本発明は、半導体素子及び半導体素子の製造方法に関する。

基板上に設けられたメサ状の半導体層の両側を樹脂膜で埋め込んだ半導体素子が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００８−２０５０２５号公報

メサ状の半導体層の両側を樹脂膜で埋め込む場合、メサの高さが高くなると、メサ状の半導体層の上部において、メサ状の半導体層と樹脂膜とに剥離が生じる場合がある。

そこで、メサ状の半導体層と樹脂膜との剥離を抑制することを目的とする。

本願発明は、基板と、前記基板上に設けられたメサ状の半導体層と、前記基板上に設けられ、前記メサ状の半導体層の両側に埋め込まれた樹脂膜と、を備え、前記メサ状の半導体層の脇で且つ前記メサ状の半導体層から離れた位置における前記樹脂膜の上面に、前記樹脂膜の厚さよりも浅い深さの溝が設けられている、半導体素子である。

本願発明は、基板上にメサ状の半導体層を形成する工程と、前記メサ状の半導体層の両側を埋め込むように塗布した樹脂前駆体に対して第１熱処理を行って樹脂中間体を形成する工程と、前記メサ状の半導体層の脇の前記樹脂中間体の上面に前記メサ状の半導体層から離れて設けられ、前記樹脂中間体の厚さよりも浅い深さの溝を形成する工程と、前記溝を形成した後、前記第１熱処理よりも高い温度で前記樹脂中間体に対して第２熱処理を行って樹脂膜を形成する工程と、を備える半導体素子の製造方法である。

本願発明によれば、メサ状の半導体層と樹脂膜との剥離を抑制することができる。

図１は、実施例１に係る光半導体素子の光導波路部分の平面図である。 図２は、実施例１に係る光半導体素子の平面図である。 図３（ａ）は、図２のＡ−Ａ間の断面図、図３（ｂ）は、図２のＢ−Ｂ間の断面図、図３（ｃ）は、図２のＣ−Ｃ間の断面図である。 図４は、図１に示した光導波路部分に樹脂膜に設けられた溝を加えた平面図である。 図５（ａ）から図５（ｃ）は、実施例１に係る光半導体素子の製造方法を示す断面図（その１）である。 図６（ａ）から図６（ｃ）は、実施例１に係る光半導体素子の製造方法を示す断面図（その２）である。 図７は、シミュレーションに用いたモデルの構造を示す斜視図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、樹脂膜内に発生する引っ張り応力のシミュレーション結果を示す図（その１）である。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は、樹脂膜内に発生する引っ張り応力のシミュレーション結果を示す図（その２）である。 図１０は、実施例２に係る光半導体素子の一部を拡大した平面図である。 図１１（ａ）は、実施例３に係る光半導体素子の平面図、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に、本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本願発明は、基板と、前記基板上に設けられたメサ状の半導体層と、前記基板上に設けられ、前記メサ状の半導体層の両側に埋め込まれた樹脂膜と、を備え、前記メサ状の半導体層の脇で且つ前記メサ状の半導体層から離れた位置における前記樹脂膜の上面に、前記樹脂膜の厚さよりも浅い深さの溝が設けられている、半導体素子である。メサ状の半導体層の脇の樹脂膜の上面に溝を設けることで、メサ状の半導体層の側面上部における樹脂膜内に発生する引っ張り応力を低減することができる。これにより、メサ状の半導体層と樹脂膜との剥離を抑制することができる。

前記溝に沿って前記樹脂膜の上面に設けられ、前記メサ状の半導体層上に開口を有する無機絶縁膜と、前記無機絶縁膜の前記開口で露出した前記メサ状の半導体層の上面に設けられた電極と、を備えてもよい。樹脂膜の上面に設けられた無機絶縁膜に開口を形成する際に、樹脂膜に残留する引っ張り応力によってメサ状の半導体層と樹脂膜との剥離が発生し易くなるが、樹脂膜に溝が設けられていることで剥離を抑制することができる。

前記溝は、前記メサ状の半導体層のうちの少なくとも前記電極が設けられた範囲において前記メサ状の半導体層の脇に設けられていてもよい。樹脂膜の上面に設けられた無機絶縁膜に開口を形成する際にメサ状の半導体層と樹脂膜との剥離が発生し易いことから、剥離が発生し易い箇所の樹脂膜に溝が設けられていることで剥離を効果的に抑制することができる。

前記メサ状の半導体層は、コア層と前記コア層を挟む下部クラッド層及び上部クラッド層とを含み、前記電極は、前記コア層を伝搬する光を変調する変調用電極を含み、前記メサ状の半導体層と前記電極とを含んでマッハツェンダ変調器が構成されていてもよい。マッハツェンダ変調器を備える光半導体素子では、樹脂膜の体積が大きくなるため、メサ状の半導体層と樹脂膜との剥離が発生し易くなる。したがって、マッハツェンダ変調器を備える光半導体素子の場合に、メサ状の半導体層の脇の樹脂膜の上面に溝が設けられることが好ましい。

前記溝は、前記メサ状の半導体層の両脇に設けられていてもよい。これにより、メサ状の半導体層と樹脂膜との剥離を効果的に抑制できる。

前記メサ状の半導体層は、コア層と前記コア層を挟む下部クラッド層及び上部クラッド層とを含み、前記下部クラッド層は、前記メサ状の半導体層の外側に延在していて、前記溝は、前記下部クラッド層と前記基板とによる段差よりも前記メサ状の半導体層側に位置していてもよい。メサ状の半導体層と樹脂膜との剥離を抑制するにはメサ状の半導体層の近くに溝を設けることが好ましい。したがって、下部クラッド層と基板とによる段差よりもメサ状の半導体層側に溝を設けることで、メサ状の半導体層と樹脂膜との剥離を効果的に抑制できる。

本願発明は、基板上にメサ状の半導体層を形成する工程と、前記メサ状の半導体層の両側を埋め込むように塗布した樹脂前駆体に対して第１熱処理を行って樹脂中間体を形成する工程と、前記メサ状の半導体層の脇の前記樹脂中間体の上面に前記メサ状の半導体層から離れて設けられ、前記樹脂中間体の厚さよりも浅い深さの溝を形成する工程と、前記溝を形成した後、前記第１熱処理よりも高い温度で前記樹脂中間体に対して第２熱処理を行って樹脂膜を形成する工程と、を備える半導体素子の製造方法である。メサ状の半導体層の脇の樹脂中間体の上面に溝が形成された状態で樹脂中間体に対して熱処理を行って樹脂膜を形成するため、メサ状の半導体層の側面上部における樹脂膜内に発生する引っ張り応力を低減することができる。これにより、メサ状の半導体層と樹脂膜との剥離を抑制することができる。

前記樹脂膜を形成した後、前記溝に沿うように前記樹脂膜の上面及び前記メサ状の半導体層上に無機絶縁膜を形成する工程と、前記メサ状の半導体層上の前記無機絶縁膜を除去して、前記メサ状の半導体層の上面を露出する開口を形成する工程と、前記無機絶縁膜の前記開口で露出した前記メサ状の半導体層の上面に電極を形成する工程と、を備えていてもよい。樹脂膜の上面に形成した無機絶縁膜に開口を形成する際に、樹脂膜に残留する引っ張り応力によってメサ状の半導体層と樹脂膜との剥離が発生し易くなるが、樹脂膜に溝が設けられていることで剥離を抑制することができる。

［本願発明の実施形態の詳細］
本願発明の実施形態に係る半導体素子の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本願発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。また、本願発明の効果がある限りにおいて他の成分が含まれていてもよい。

図１は、実施例１に係る光半導体素子１００の光導波路部分の平面図である。図１のように、実施例１の光半導体素子１００は、基板１０上に、入力導波路１２、出力導波路１４、光カプラ１６ａ、１６ｂ、及び複数のマッハツェンダ変調器２０が設けられている。このように、実施例１の光半導体素子１００は、複数のマッハツェンダ変調器２０を備える多値変調器である。

入力導波路１２、出力導波路１４、及び光カプラ１６ａ、１６ｂは、メサ状の光導波路からなる。光カプラ１６ａ、１６ｂは、ＭＭＩ（Multimode Interferometer）型の光カプラである。複数のマッハツェンダ変調器２０は、メサ状の光導波路の経路を組み合わせた構成をしている。入力導波路１２から入力された光は、光カプラ１６ａで分岐され、マッハツェンダ変調器２０を経由した後、光カプラ１６ｂで合波されて、出力導波路１４に出力される。実施例１の光半導体素子１００の大きさは、例えば１０ｍｍ×４ｍｍである。

マッハツェンダ変調器２０は、基板１０上に、２つの光カプラ２２ａ、２２ｂと、２つの光カプラ２２ａ、２２ｂの間に接続された２本のアーム導波路２４ａ、２４ｂと、を備える。光カプラ２２ａ、２２ｂ及びアーム導波路２４ａ、２４ｂは、メサ状の光導波路からなる。光カプラ２２ａは、入力導波路１２から入力された光を分岐する。２本のアーム導波路２４ａ、２４ｂは、光カプラ２２ａで分岐された光を伝搬させる。光カプラ２２ｂは、２本のアーム導波路２４ａ、２４ｂを伝搬した光を合波する。光カプラ２２ａ、２２ｂは、ＭＭＩ型の光カプラである。複数のマッハツェンダ変調器２０の間隔は例えば２５０μｍ程度である。ここで、複数のマッハツェンダ変調器２０の間隔とは、隣接するマッハツェンダ変調器２０それぞれに備わるアーム導波路２４ａ、２４ｂのうちの互いに近い側のアーム導波路の間の距離である。

図２は、実施例１に係る光半導体素子１００の平面図である。図２では、図１で説明した光導波路部分を細点線で図示している。図２のように、実施例１の光半導体素子１００では、メサ状の光導波路がＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）膜からなる樹脂膜４０によって埋め込まれ、樹脂膜４０上に無機絶縁膜６２を介してＢＣＢ膜からなる樹脂膜４２が設けられている。配線パターンは、変調用電極２６と、変調用電極２６とシグナル電極パッド２８とを接続する配線３０と、を含む。変調用電極２６は、アーム導波路２４ａ、２４ｂ上に設けられている。変調用電極２６にシグナル電極パッド２８から配線３０を介して高周波の電気信号が供給されることで、アーム導波路２４ａ、２４ｂの屈折率が変化し、アーム導波路２４ａ、２４ｂを伝搬する光の位相が変化する。これにより、アーム導波路２４ａ、２４ｂを伝搬する光は位相変調を受けて、変調された光信号となって出力導波路１４に出力される。

図３（ａ）は、図２のＡ−Ａ間の断面図、図３（ｂ）は、図２のＢ−Ｂ間の断面図、図３（ｃ）は、図２のＣ−Ｃ間の断面図である。図３（ａ）から図３（ｃ）のように、例えば半絶縁性のＩｎＰ基板からなる基板１０上に、ｎ型ＩｎＰ（例えばＳｉが添加されたＩｎＰ）の下部クラッド層５０が設けられている。下部クラッド層５０上に、ＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層及びＡｌＩｎＡｓバリア層を含む多重量子井戸構造をしたコア層５２が設けられている。コア層５２上に、ｐ型ＩｎＰ（例えばＺｎが添加されたＩｎＰ）の上部クラッド層５４が設けられている。これにより、基板１０上に、メサ状の光導波路が設けられている。アーム導波路２４ａ、２４ｂにおいては、下部クラッド層５０を共有して互いに電気的に接続されている。すなわち、下部クラッド層５０は、アーム導波路２４ａ、２４ｂの間を延在して設けられている。また、アーム導波路２４ａ、２４ｂの間以外においても、下部クラッド層５０はメサ状の光導波路の外側に延在していて、基板１０との間に段差５６を形成している。メサ状の光導波路から張り出した下部クラッド層５０の幅は例えば４μｍである。段差５６の高さは例えば１μｍ程度である。メサ状の光導波路の高さは例えば２．７５μｍ程度である。１つのマッハツェンダ変調器２０におけるアーム導波路２４ａ、２４ｂの間の距離は例えば５０μｍ程度である。

基板１０上に、メサ状の光導波路を覆って、例えばＳｉＯ_２膜からなる保護膜５８が設けられている。保護膜５８の厚さは例えば０．３μｍ程度である。保護膜５８は、メサ状の光導波路上に開口を有する。アーム導波路２４ａ、２４ｂ上に設けられた開口に、上部クラッド層５４の上面に接するオーミック電極６０が設けられている。アーム導波路２４ａ、２４ｂの幅は例えば１．５μｍ程度であり、オーミック電極６０の幅は例えば１μｍ程度である。このように、オーミック電極６０の幅はアーム導波路２４ａ、２４ｂの幅よりも狭い。オーミック電極６０の厚さは例えば０．５μｍ程度である。

保護膜５８上に、メサ状の光導波路の両側を埋め込む樹脂膜４０が設けられている。樹脂膜４０は、メサ状の光導波路の側面全面を覆っている。樹脂膜４０の下部クラッド層５０が設けられていない部分での厚さは例えば３．７５μｍである。樹脂膜４０の上面には、メサ状の光導波路の脇に溝４４が設けられている。溝４４はメサ状の光導波路から離れて設けられている。溝４４は樹脂膜４０の厚さよりも浅い深さを有し、溝４４下には樹脂膜４０が残存している。メサ状の光導波路と溝４４との間の距離は例えば０．５μｍ〜２μｍである。溝４４の幅は例えば０．５μｍ〜３μｍである。溝４４の深さは例えば０．２μｍ〜１μｍである。

溝４４は、メサ状の光導波路に沿って設けられている。すなわち、溝４４は、入力導波路１２、出力導波路１４、光カプラ１６ａ、１６ｂ、光カプラ２２ａ、２２ｂ、及びアーム導波路２４ａ、２４ｂに沿って設けられている。図４に、図１に示した光導波路部分に樹脂膜４０に設けられた溝４４を加えた平面図を示す。溝４４を点線で図示している。

図３（ａ）から図３（ｃ）のように、溝４４に沿って樹脂膜４０の上面に、例えばＳｉＯ_２膜、ＳｉＯＮ膜、又はＳｉ_３Ｎ_４膜である無機絶縁膜６２が設けられている。無機絶縁膜６２の厚さは例えば０．３μｍ程度である。無機絶縁膜６２には、アーム導波路２４ａ、２４ｂ上にオーミック電極６０を露出する開口が設けられている。オーミック電極６０の幅がアーム導波路２４ａ、２４ｂの幅よりも狭いことから、無機絶縁膜６２は上部クラッド層５４の上面に接している。

無機絶縁膜６２上に、樹脂膜４２が設けられている。樹脂膜４２は、樹脂膜４０に設けられた溝４４を埋め込んでいる。樹脂膜４２の厚さは例えば２μｍである。樹脂膜４２上に、例えばＳｉＯ_２膜、ＳｉＯＮ膜、又はＳｉ_３Ｎ_４膜である無機絶縁膜６４が設けられている。無機絶縁膜６４の厚さは例えば０．３μｍ程度である。アーム導波路２４ａ、２４ｂ上の樹脂膜４２及び無機絶縁膜６４に開口が設けられ、開口内にオーミック電極６０に接する変調用電極２６が設けられている。変調用電極２６の厚さは例えば３μｍである。変調用電極２６の幅はアーム導波路２４ａ、２４ｂの幅よりも広く、変調用電極２６は無機絶縁膜６４の上面にも接している。また、無機絶縁膜６４上には、変調用電極２６とシグナル電極パッド２８とを接続する配線３０が設けられている。

図５（ａ）から図６（ｃ）は、実施例１に係る光半導体素子１００の製造方法を示す断面図である。図５（ａ）のように、基板１０上に、有機金属気相成長（ＯＭＶＰＥ：Organo-Metallic Vapor Phase Epitaxy）法を用いて、下部クラッド層５０、コア層５２、及び上部クラッド層５４を形成する材料の結晶成長を行う。その後、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、結晶成長した材料を加工してメサ状の光導波路を形成する。すなわち、入力導波路１２、出力導波路１４、光カプラ１６ａ、１６ｂ、光カプラ２２ａ、２２ｂ、及びアーム導波路２４ａ、２４ｂを形成する。次に、アーム導波路２４ａ、２４ｂの間及びメサ状の光導波路の脇に下部クラッド層５０が残存するように下部クラッド層５０をエッチングにより除去して基板１０を露出させる。これにより、基板１０と下部クラッド層５０とによる段差５６が形成される。次に、化学気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法を用いて、基板１０及びメサ状の光導波路を覆う保護膜５８を形成する。

次に、保護膜５８上に、メサ状の光導波路の両側を埋め込むように樹脂膜４０の原材料となる樹脂前駆体をスピン塗布する。次に、樹脂前駆体に対して、ソフトキュア工程である熱処理を行う。熱処理は、例えば窒素雰囲気中で２４０℃、２分間の条件で行う。この熱処理によって、樹脂前駆体の大部分は樹脂膜になると共に、樹脂膜中に部分的に樹脂前駆体が残存する樹脂中間体４６となる。次に、メサ状の光導波路の上部クラッド層５４の上面が露出するように、樹脂中間体４６をドライエッチングによりエッチバックし、メサ状の光導波路上の保護膜５８をドライエッチングにより除去する。これにより、メサ状の光導波路の上部クラッド層５４の上面と樹脂中間体４６の上面とは略同一面となる。

図５（ｂ）のように、メサ状の光導波路の脇に開口を有するマスク層７０を樹脂中間体４６上に形成する。マスク層７０は、例えばレジストマスクである。マスク層７０をマスクに樹脂中間体４６をドライエッチングして、メサ状の光導波路の脇の樹脂中間体４６の上面に溝４４を形成する。溝４４は、メサ状の光導波路から離れて形成される。

図５（ｃ）のように、マスク層７０を除去した後、樹脂中間体４６に対して、ハードキュア工程である熱処理を行う。熱処理は、例えば窒素雰囲気中で３５０℃、２分間の条件で行う。この熱処理によって、樹脂中間体４６に部分的に残存していた樹脂前駆体はほぼ全てが熱硬化されて樹脂膜４０になる。

図５（ａ）及び図５（ｃ）の熱処理による硬化によって樹脂の体積が収縮するため、樹脂膜４０内には引っ張り応力が発生する。

図６（ａ）のように、プラズマＣＶＤ法を用いて、溝４４に沿うように樹脂膜４０の上面に無機絶縁膜６２を形成する。無機絶縁膜６２上に、アーム導波路２４ａ、２４ｂ上に開口を有するマスク層７２を形成する。マスク層７２の開口の幅は、アーム導波路２４ａ、２４ｂの幅よりも狭い。マスク層７２は、例えばレジストマスクである。マスク層７２をマスクに、無機絶縁膜６２をドライエッチングして、上部クラッド層５４の上面が露出した開口６６を形成する。

図６（ｂ）のように、真空蒸着法及びリフトオフ法を用いて、上部クラッド層５４の上面にオーミック電極６０を形成する。

図６（ｃ）のように、無機絶縁膜６２上に、樹脂膜４２の原材料となる樹脂前駆体をスピン塗布する。次に、樹脂前駆体に対して、ハードキュア工程である熱処理を行う。熱処理は、例えば窒素雰囲気中で３５０℃、２分間の条件で行う。この熱処理によって、樹脂前駆体は硬化されて樹脂膜４２となる。樹脂膜４２の上面に、プラズマＣＶＤ法を用いて、無機絶縁膜６４を形成する。フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、アーム導波路２４ａ、２４ｂ上の樹脂膜４２及び無機絶縁膜６４を除去して開口を形成する。スパッタ法及びリフトオフ法、又は、めっき法を用いて、開口内に埋め込まれてオーミック電極６０に接する変調用電極２６を形成すると共に、無機絶縁膜６４上に変調用電極２６に接続された配線３０を形成する。

ここで、発明者が行ったシミュレーションについて説明する。発明者は、樹脂膜４０の上面に溝４４を形成することで、図５（ａ）及び図５（ｃ）で説明した熱処理による体積収縮によって樹脂膜４０内に発生する引っ張り応力がどのように変化するかをシミュレーションした。シミュレーションは、隣接するマッハツェンダ変調器のアーム導波路間の構造を模したモデルを用いて行った。図７は、シミュレーションに用いたモデルの構造を示す斜視図である。図７のように、基板１０上に隣接するマッハツェンダ変調器それぞれのアーム導波路２４ａ、２４ｂが設けられた構造を半導体で形成し、アーム導波路２４ａ、２４ｂの間にＢＣＢ膜である樹脂膜４０が埋め込まれているとした。そして、一方のマッハツェンダ変調器に備わるアーム導波路２４ａの脇の樹脂膜４０の上面に溝４４が形成されている又は形成されていない場合についてシミュレーションを行った。

なお、シミュレーションでは各部の厚さなどを以下のようにした。すなわち、アーム導波路２４ａ、２４ｂの間隔Ａを２５０μｍとした。アーム導波路２４ａ、２４ｂの幅Ｗ１を１．５μｍとした。アーム導波路２４ａ、２４ｂのメサ部の高さＨを２．７５μｍとした。素子分離メサの幅Ｗ２を４μｍ、厚さＴを１μｍとした。アーム導波路２４ａ、２４ｂの間に埋め込まれた樹脂膜４０に全体で２８ＭＰａの引っ張り応力が残留しているとした。樹脂膜４０の上面に設けた溝４４の幅を１μｍとし、深さを０．５μｍとした。なお、樹脂膜４０に残留しているとした２８ＭＰａという値は、図５（ａ）及び図５（ｃ）で説明した熱処理による硬化よって樹脂の体積が収縮した量に相当する値である。

図８（ａ）から図９（ｂ）は、樹脂膜４０内に発生する引っ張り応力のシミュレーション結果を示す図である。図８（ａ）から図９（ｂ）では、Ｘ方向における引っ張り応力の分布を等高線で表している。図８（ａ）は、溝４４が形成されていない場合のシミュレーション結果である。図８（ｂ）は、アーム導波路２４ａと溝４４の中央との距離が１μｍである場合のシミュレーション結果である。図９（ａ）は、アーム導波路２４ａと溝４４の中央との距離が２μｍである場合のシミュレーション結果である。図９（ｂ）は、アーム導波路２４ａと溝４４の中央との距離が４μｍである場合のシミュレーション結果である。

図８（ａ）のように、溝４４が形成されていない場合、アーム導波路２４ａの上部であって、アーム導波路２４ａと樹脂膜４０とが接する部分（界面）近傍における樹脂膜４０内に大きな引っ張り応力が局所的に発生している。具体的には、１０３ＭＰａ以上の引っ張り応力が発生している。アーム導波路２４ａの側面上部における樹脂膜４０内の引っ張り応力が大きくなったのは以下の理由によるものと考えられる。すなわち、樹脂膜４０の下側は基板１０などに密着しているのに対して上側は他の部材に密着していないため、樹脂膜４０の上側部分では樹脂膜４０を形成する際の熱処理による収縮量が大きくなる。このために、アーム導波路２４ａの側面上部における樹脂膜４０内の引っ張り応力が大きくなったと考えられる。図８（ａ）から図９（ｂ）で表された引っ張り応力はＸ方向の引っ張り応力であるので、樹脂膜４０がアーム導波路２４ａから剥がれる方向に働く応力である。このため、溝４４が形成されていない場合は、樹脂膜４０がアーム導波路２４ａから剥離して隙間が形成されることが起こり得る。

図８（ｂ）のように、アーム導波路２４ａから１μｍ離れた位置に溝４４が形成された場合、アーム導波路２４ａの側面上部における樹脂膜４０内の引っ張り応力が大幅に低減されている。具体的には、アーム導波路２４ａの側面上部における樹脂膜４０内の引っ張り応力が４１ＭＰａ〜６２ＭＰａとなっている。このように、引っ張り応力が小さくなったのは以下の理由によるものと考えられる。すなわち、樹脂膜４０の体積が大きいほど、樹脂膜４０を形成する際の熱処理による樹脂の収縮量が大きくなり、樹脂膜４０内に大きな引っ張り応力が発生すると考えられる。このため、図８（ａ）のように溝４４が形成されていない場合では、樹脂膜４０内に大きな引っ張り応力が発生して、アーム導波路２４ａの側面上部における樹脂膜４０内の引っ張り応力が大きくなったものと考えられる。これに対して、溝４４を形成することで、樹脂膜４０内の引っ張り応力を分断させることができる。つまり、樹脂膜４０の大きい体積の引っ張り応力によって樹脂膜４０が引っ張られても溝４４の幅が広がるだけでアーム導波路２４ａ近傍の樹脂膜４０までは応力が伝わり難くなる。また、溝４４とアーム導波路２４ａとの間の樹脂膜４０の体積は小さいために発生する引っ張り応力は小さい。これらのために、アーム導波路２４ａの側面上部における樹脂膜４０内の引っ張り応力が小さくなったものと考えられる。

また、図８（ｂ）のように、溝４４の側面の外側に位置する樹脂膜４０では、引っ張り応力が小さい。引っ張り応力が小さい範囲は、溝４４の側面から溝４４の深さの約２倍程度の範囲である。また、溝４４の底部下に位置する樹脂膜４０では、４１ＭＰａ〜６２ＭＰａの比較的大きな引っ張り応力が発生している。しかしながら、図８（ａ）において、アーム導波路２４ａの側面上部における樹脂膜４０内の引っ張り応力よりも小さい。

図９（ａ）のように、アーム導波路２４ａから２μｍ離れた位置に溝４４が形成された場合でも、アーム導波路２４ａの側面上部における樹脂膜４０内の引っ張り応力が低減されている。具体的には、アーム導波路２４ａの側面上部における樹脂膜４０内の引っ張り応力の最大値は８３ＭＰａ〜１０３ＭＰａとなっている。しかしながら、図８（ｂ）の場合と比べると、引っ張り応力は大きくなっている。これは、図８（ｂ）の場合よりも溝４４がアーム導波路２４ａから離れた位置に設けられているために、以下の２つの理由によって引っ張り応力が大きくなったものと考えられる。１つ目の理由は、溝４４がアーム導波路２４ａから離れていることで、溝４４の側面の外側における引っ張り応力の小さい領域がアーム導波路２４ａまで届かなくなったためと考えられる。２つ目の理由は、溝４４とアーム導波路２４ａとの間をアーム導波路２４ａの高さ方向に延在する樹脂膜４０の体積が大きくなったためと考えられる。

図９（ｂ）のように、アーム導波路２４ａから４μｍ離れた位置に溝４４が形成された場合でも、図８（ｂ）及び図９（ａ）と同様に、溝４４の側面の外側に位置する樹脂膜４０内の引っ張り応力が小さい。しかしながら、溝４４がアーム導波路２４ａから大きく離れた位置に設けられているため、溝４４の側面の外側における引っ張り応力の小さい領域がアーム導波路２４ａまで届いていない。また、溝４４とアーム導波路２４ａとの間をアーム導波路２４ａの高さ方向に延在する樹脂膜４０の体積が大きくなる。これらのために、アーム導波路２４ａの側面上部における樹脂膜４０内の引っ張り応力の最大値は１０３ＭＰａ以上と大きくなっている。

図８（ｂ）及び図９（ａ）のように、メサ状の光導波路の脇における樹脂膜４０の上面に溝４４を設けることで、メサ状の光導波路の側面上部における樹脂膜４０内の引っ張り応力を低減できる。例えば、図８（ｂ）及び図９（ａ）から、溝４４のメサ状の光導波路側の端とメサ状の光導波路の溝４４側の端との間隔は、溝４４の深さの３倍以下の場合が好ましく、２倍以下の場合がより好ましく、１倍以下の場合がさらに好ましい。一方、図９（ｂ）のように、メサ状の光導波路から遠く離れた位置に溝４４を形成しても、メサ状の光導波路の側面上部における樹脂膜４０内の引っ張り応力の低減効果は得られ難い。したがって、溝４４は、溝４４によってメサ状の光導波路の側面上部における樹脂膜４０内の引っ張り応力が低減できる範囲でメサ状の光導波路から離れて設けられていることが好ましい。例えば、メサ状の光導波路のメサ部の高さが２．７５μｍである場合、溝４４はメサ状の光導波路から３．５μｍよりも近くに設けられることが好ましく、３μｍよりも近くに設けられていることがより好ましい。なお、溝４４とメサ状の光導波路との間をメサ状の光導波路の高さ方向に延在する樹脂膜４０の体積が、メサ状の光導波路の側面における樹脂膜４０内の引っ張り応力に影響を与えると考えられる。したがって、メサ状の光導波路のメサ部の高さが２．７５μｍよりも低い場合では、メサの高さに応じて溝４４をメサ状の光導波路から４μｍより離した位置に設けても引っ張り応力による樹脂膜の剥離は起こり難いと考えられる。

なお、溝４４の側面の外側における引っ張り応力の小さい領域の大きさは、溝４４の深さに依存すると考えられる。すなわち、溝４４を深くするほど、溝４４の側面の外側における引っ張り応力の小さい領域は大きくなると考えられる。したがって、溝４４を深くすれば、溝４４をメサ状の光導波路から離して設けても、メサ状の光導波路の側面における樹脂膜４０内の引っ張り応力を小さくできると考えられる。しかしながら、溝４４を深くし過ぎると、アーム導波路２４ａ、２４ｂ上にオーミック電極６０を形成する工程において、オーミック電極６０の幅を精度良く形成することが難しくなる。したがって、溝４４の深さは、０．２μｍ以上且つ１μｍ以下の場合が好ましく、０．４μｍ以上且つ０．９μｍ以下の場合がより好ましく、０．６μｍ以上且つ０．８μｍ以下の場合がさらに好ましい。

実施例１によれば、図２から図３（ｃ）のように、メサ状の光導波路（メサ状の半導体層）の両側が樹脂膜４０で埋め込まれていて、メサ状の光導波路の脇の樹脂膜４０の上面に溝４４が設けられている。溝４４は、メサ状の光導波路から離れて設けられている。これにより、図８（ｂ）及び図９（ａ）のように、メサ状の光導波路の側面上部における樹脂膜４０内の引っ張り応力を低減することができる。このため、メサ状の光導波路と樹脂膜４０との剥離を抑制することができる。

実施例１の製造方法によれば、図５（ａ）のように、基板１０上にメサ状の光導波路を形成した後、メサ状の光導波路の両側を埋め込むように塗布した樹脂前駆体に対して熱処理を行って樹脂中間体４６を形成する。図５（ｂ）のように、メサ状の光導波路の脇の樹脂中間体４６の上面に、メサ状の光導波路から離れた溝４４を形成する。図５（ｃ）のように、溝４４を形成した後、樹脂中間体４６を形成するときの熱処理よりも高い温度で樹脂中間体４６に対して熱処理を行って樹脂膜４０を形成する。このように、まず比較的低い温度の熱処理によって樹脂中間体４６を形成した後に樹脂中間体４６の上面に溝４４を形成し、樹脂中間体４６の上面に溝４４が形成された状態で比較的高い温度の熱処理によって樹脂膜４０を形成する。これにより、比較的高い温度の熱処理において樹脂膜４０内に発生している引っ張り応力は溝４４で分断されるため、メサ状の光導波路の側面上部における樹脂膜４０内の引っ張り応力を低減することができる。よって、メサ状の光導波路と樹脂膜４０との剥離を抑制することができる。

また、図３（ａ）のように、溝４４に沿って樹脂膜４０の上面に無機絶縁膜６２が設けられている。無機絶縁膜６２は、アーム導波路２４ａ、２４ｂ上に開口を有していて、この開口で露出したアーム導波路２４ａ、２４ｂの上面にオーミック電極６０が設けられている。無機絶縁膜６２及びオーミック電極６０は次のように形成される。図６（ａ）のように、溝４４に沿うように樹脂膜４０の上面に無機絶縁膜６２を形成する。アーム導波路２４ａ、２４ｂ上の無機絶縁膜６２を除去して、アーム導波路２４ａ、２４ｂの上面を露出する開口６６を形成する。図６（ｂ）のように、開口６６で露出したアーム導波路２４ａ、２４ｂの上面にオーミック電極６０を形成する。樹脂膜４０の上面に溝４４が設けられていない場合、無機絶縁膜６２を除去してアーム導波路２４ａ、２４ｂ上に開口６６を形成する際に、樹脂膜４０内に残留する引っ張り応力によってアーム導波路２４ａ、２４ｂと樹脂膜４０とが剥離し易い。しかしながら、実施例１のように、樹脂膜４０の上面に溝４４が設けられていることで、無機絶縁膜６２を除去してアーム導波路２４ａ、２４ｂ上に開口６６を形成した場合でも、アーム導波路２４ａ、２４ｂと樹脂膜４０との剥離を抑制することができる。

また、図２から図３（ｃ）のように、溝４４はメサ状の光導波路の両脇に設けられている。メサ状の光導波路の片側にのみ溝４４が設けられている場合でもよいが、メサ状の光導波路と樹脂膜４０との剥離を効果的に抑制する点から、メサ状の光導波路の両脇に溝４４が設けられていることが好ましい。なお、メサ状の光導波路の片側にのみ溝４４が設けられている場合は、メサ状の光導波路の両側を埋め込む樹脂膜４０のうちの体積の大きい方側に溝４４が設けられていることが好ましい。また、メサ状の光導波路の片側において、溝４４が複数本設けられていてもよい。

また、図８（ｂ）から図９（ｂ）のように、メサ状の光導波路と樹脂膜４０との剥離を効果的に抑制する点から、溝４４はメサ状の光導波路からあまり離れずに設けられている場合が好ましい。したがって、図３（ａ）から図３（ｃ）のように、溝４４は、メサ状の光導波路に含まれ且つメサ状の光導波路の外側に延在する下部クラッド層５０と基板１０とによる段差５６よりもメサ状の光導波路側に位置して設けられていることが好ましい。

図３（ａ）から図３（ｃ）のように、溝４４の断面形状は、底面と側面が略直角な矩形形状である場合を例に示したが、この場合に限られない。溝４４の断面形状は、側面が傾斜した矩形形状である場合や、半円形形状である場合や、くさび形状である場合など、その他の形状をしていてもよい。

図４のように、溝４４は、入力導波路１２から出力導波路１４にかけて延在している場合を例に示したが、所々で分断されていてもよい。

図１０は、実施例２に係る光半導体素子２００の一部を拡大した平面図である。なお、図１０では、変調用電極２６、無機絶縁膜６４、樹脂膜４２、無機絶縁膜６２を透視して、溝４４ａ、４４ｂやオーミック電極６０などを図示している。図１０のように、実施例２の光半導体素子２００では、樹脂膜４０の上面に設けられた溝４４ａ、４４ｂは、オーミック電極６０が設けられた範囲のアーム導波路２４ａ、２４ｂの脇にのみ設けられている。すなわち、入力導波路１２、出力導波路１４、光カプラ１６ａ、１６ｂ、及び光カプラ２２ａ、２２ｂの脇の樹脂膜４０の上面には溝は設けられていない。

アーム導波路２４ａ、２４ｂの一方側の脇には、例えば３μｍ以下の間隔Ｔで配列した複数の溝４４ａが設けられている。オーミック電極６０の端と溝４４ａの端との長さＬも例えば３μｍ以下となっている。アーム導波路２４ａ、２４ｂの他方側の脇には、オーミック電極６０よりも長い溝４４ｂが１本設けられている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。

実施例２のように、樹脂膜４０の上面に設けられた溝４４ａ、４４ｂは、メサ状の光導波路のうちの少なくともオーミック電極６０が設けられた範囲におけるメサ状の光導波路の脇に設けられていることが好ましい。実施例１で説明したように、オーミック電極６０を形成するにあたって無機絶縁膜６２に開口６６を形成するが、開口６６を形成する際にメサ状の光導波路と樹脂膜４０とに剥離が生じ易い。したがって、溝４４は剥離が生じ易い箇所に少なくとも設けられることが好ましいためである。

複数の溝４４ａの間隔Ｔ、及び、オーミック電極６０の端と溝４４ａの端との長さＬは、３μｍ以下の場合が好ましい。３μｍよりも長くなると、溝４４ａが設けられていない範囲に位置するメサ状の光導波路の側面において樹脂膜４０の剥離が起こり易くなるためである。

実施例２では、溝４４ｂはオーミック電極６０よりも長い場合を例に示したが、短い場合でもよい。溝４４ｂがオーミック電極６０よりも短い場合は、オーミック電極６０の端と溝４４ｂの端との長さは３μｍ以下の場合が好ましい。

また、メサ状の光導波路の一方側の脇と他方側の脇とに異なる形状をした溝が設けられている場合でもよいし、同じ形状をした溝が設けられている場合でもよい。

図１１（ａ）は、実施例３に係る光半導体素子３００の平面図、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図１１（ａ）のように、実施例３の光半導体素子３００では、マッハツェンダ変調器２０が１つだけ設けられている。変調用電極２６に接続された配線３０は、メサ状の光導波路の上部を跨がずにシグナル電極パッド２８に接続されている。図１１（ｂ）のように、メサ状の光導波路の両側を埋め込む樹脂膜４０の上面に設けられた無機絶縁膜６２上には樹脂膜４２が設けられていない。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。

実施例１及び実施例２では、光半導体素子が複数のマッハツェンダ変調器を備えた多値変調器である場合を例に説明したが、実施例３のように、光半導体素子は１つのマッハツェンダ変調器だけを備えている場合でもよい。

なお、実施例１から実施例３では、樹脂膜４０は、感光性又は非感光性のＢＣＢ膜である場合を例に示したが、熱硬化性樹脂膜であれば、ポリイミド膜などの他の樹脂膜の場合でもよい。

実施例１から実施例３では、アーム導波路２４ａ、２４ｂと、アーム導波路２４ａ、２４ｂ上に設けられた変調用電極２６と、を有するマッハツェンダ変調器２０を備えた光半導体素子の場合を例に示したがこれに限られない。メサ状の半導体層と、メサ状の半導体層の両側を埋め込む樹脂膜と、を有する半導体素子であれば、光半導体素子以外の半導体素子でもよい。しかしながら、マッハツェンダ変調器を備えた光半導体素子では、メサが高いことに起因してメサ状の光導波路の両側を埋め込む樹脂膜の体積が大きくなるため、樹脂膜内の引っ張り応力が大きくなって、メサ状の光導波路と樹脂膜とが剥離し易い。したがって、マッハツェンダ変調器を備えた光半導体素子の場合に、本願発明を適用することが好ましい。

１０ 基板
１２ 入力導波路
１４ 出力導波路
１６ａ、１６ｂ 光カプラ
２０ マッハツェンダ変調器
２２ａ、２２ｂ 光カプラ
２４ａ、２４ｂ アーム導波路
２６ 変調用電極
２８ シグナル電極パッド
３０ 配線
４０ 樹脂膜
４２ 樹脂膜
４４〜４４ｂ 溝
４６ 樹脂中間体
５０ 下部クラッド層
５２ コア層
５４ 上部クラッド層
５６ 段差
５８ 保護膜
６０ オーミック電極
６２ 無機絶縁膜
６４ 無機絶縁膜
６６ 開口
７０、７２ マスク層
１００〜３００ 光半導体素子

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられたメサ状の半導体層と、
   前記基板上に設けられ、前記メサ状の半導体層の両側に埋め込まれた樹脂膜と、を備え、
   前記メサ状の半導体層の脇で且つ前記メサ状の半導体層から離れた位置における前記樹脂膜の上面に、前記樹脂膜の厚さよりも浅い深さの溝が設けられている、半導体素子。
2. 前記溝に沿って前記樹脂膜の上面に設けられ、前記メサ状の半導体層上に開口を有する無機絶縁膜と、
   前記無機絶縁膜の前記開口で露出した前記メサ状の半導体層の上面に設けられた電極と、を備える、請求項１に記載の半導体素子。
3. 前記溝は、前記メサ状の半導体層のうちの少なくとも前記電極が設けられた範囲において前記メサ状の半導体層の脇に設けられている、請求項２に記載の半導体素子。
4. 前記メサ状の半導体層は、コア層と前記コア層を挟む下部クラッド層及び上部クラッド層とを含み、
   前記電極は、前記コア層を伝搬する光を変調する変調用電極を含み、
   前記メサ状の半導体層と前記電極とを含んでマッハツェンダ変調器が構成されている、請求項２または３に記載の半導体素子。
5. 前記溝は、前記メサ状の半導体層の両脇に設けられている、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体素子。
6. 前記メサ状の半導体層は、コア層と前記コア層を挟む下部クラッド層及び上部クラッド層とを含み、
   前記下部クラッド層は、前記メサ状の半導体層の外側に延在していて、
   前記溝は、前記下部クラッド層と前記基板とによる段差よりも前記メサ状の半導体層側に位置している、請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体素子。
7. 基板上にメサ状の半導体層を形成する工程と、
   前記メサ状の半導体層の両側を埋め込むように塗布した樹脂前駆体に対して第１熱処理を行って樹脂中間体を形成する工程と、
   前記メサ状の半導体層の脇の前記樹脂中間体の上面に前記メサ状の半導体層から離れて設けられ、前記樹脂中間体の厚さよりも浅い深さの溝を形成する工程と、
   前記溝を形成した後、前記第１熱処理よりも高い温度で前記樹脂中間体に対して第２熱処理を行って樹脂膜を形成する工程と、を備える半導体素子の製造方法。
8. 前記樹脂膜を形成した後、前記溝に沿うように前記樹脂膜の上面及び前記メサ状の半導体層上に無機絶縁膜を形成する工程と、
   前記メサ状の半導体層上の前記無機絶縁膜を除去して、前記メサ状の半導体層の上面を露出する開口を形成する工程と、
   前記無機絶縁膜の前記開口で露出した前記メサ状の半導体層の上面に電極を形成する工程と、を備える、請求項７に記載の半導体素子の製造方法。
   

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