JP2018133466A - Semiconductor optical element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体光学素子に関し、例えば、光ファイバ通信で使用される化合物半導体レーザと、Si細線導波路を形成したSi基板とを異種接合した半導体光学素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor optical device, for example, a semiconductor optical device in which a compound semiconductor laser used in optical fiber communication and a Si substrate on which a Si fine wire waveguide is formed are heterogeneously bonded.
現在、導入が進展しているFTTH(Fiber to the Home)システム、特にPON(Passive Optical Network)システムには、LD(Laser Diode)やPD(Photo Diode)等の電子デバイスを、光回路の基板表面に実装した半導体光学素子を用いる方法が提案されている。ここで、光回路は、Siを材料として用いる光導波路、例えば、Siをコアとし、Siよりも極めて屈折率が小さいSiO2をクラッドとしたSi細線導波路を用いたものが知られている。 The FTTH (Fiber to the Home) system, especially the PON (Passive Optical Network) system, which is currently being introduced, is equipped with electronic devices such as LD (Laser Diode) and PD (Photo Diode). A method using a semiconductor optical element mounted on the board has been proposed. Here, an optical circuit using an optical waveguide using Si as a material, for example, an Si waveguide having Si as a core and SiO 2 having a refractive index much smaller than Si as a cladding is known.
ところで、半導体レーザは、活性層の温度変化により、その発振波長を可変することが可能である。このような波長可変半導体レーザは、電流注入用電極とは別に、結晶成長側上面に抵抗加熱膜を備え、活性層を温度制御させ、発振波長を可変できるように構成されている。抵抗加熱膜は、材料、膜厚、幅を変更することにより所望の抵抗値にして、抵抗値に準じた発熱量を得るようにしている。通常は、半導体レーザに電流を流し、実際にレーザ発振した状態で、抵抗加熱膜に電流を流している。これにより、半導体レーザは、所望の発熱量を得て、発振波長を制御している。このとき、DFB(Distributed Feedback)レーザの場合、活性層の温度が10℃上昇すると、約1nmほど長波長側にシフトする。 Incidentally, the oscillation wavelength of the semiconductor laser can be varied by changing the temperature of the active layer. Such a wavelength tunable semiconductor laser has a resistance heating film on the upper surface of the crystal growth side, separately from the current injection electrode, and is configured such that the oscillation wavelength can be varied by controlling the temperature of the active layer. The resistance heating film has a desired resistance value by changing the material, film thickness, and width, and obtains a calorific value in accordance with the resistance value. Usually, a current is passed through the semiconductor laser, and a current is passed through the resistance heating film in a state where laser oscillation is actually performed. As a result, the semiconductor laser obtains a desired amount of heat generation and controls the oscillation wavelength. At this time, in the case of a DFB (Distributed Feedback) laser, when the temperature of the active layer rises by 10 ° C., it shifts to the longer wavelength side by about 1 nm.
特許文献1は、P側InPクラッド層とN側InPクラッド層との間に活性層を介挿し、P側InPクラッド層の上部に抵抗加熱膜を形成した波長可変半導体レーザを開示している。また、特許文献2は、n−InP基板を用い、基板反対側の表面にヒータ電極を形成した波長可変半導体レーザを開示している。
Patent Document 1 discloses a wavelength tunable semiconductor laser in which an active layer is interposed between a P-side InP cladding layer and an N-side InP cladding layer, and a resistance heating film is formed on the P-side InP cladding layer.
特許文献1,2に示すような抵抗加熱膜を備えた波長可変半導体レーザは、結晶成長面が上になるように(ジャンクションアップ)、サブキャリアと呼ばれる基板に実装していた。つまり、抵抗加熱膜は、n−InP基板の反対側表面に形成されていた。ところが、半導体レーザは、光導波路を有するシリコン基板上に実装するときには、結晶成長面を下にして(ジャンクションダウン)、シリコン基板に実装する必要がある。
The wavelength tunable semiconductor laser provided with the resistance heating film as shown in
つまり、n−InP基板の結晶成長面は、結晶の厚み制御を精密に行なうことができるので、結晶成長面とシリコン基板とを接合した半導体光学素子は、光軸の高さを高精度に合わせることができるからである。これに対して、 That is, the crystal growth surface of the n-InP substrate can precisely control the thickness of the crystal, so that the semiconductor optical element in which the crystal growth surface and the silicon substrate are bonded can adjust the height of the optical axis with high accuracy. Because it can. On the contrary,
ここで、n−InP基板の結晶成長面とシリコン基板とを接合した半導体光学素子は、特許文献1,2に記載の抵抗加熱膜とシリコン基板とを接合することになる。半導体レーザ材料であるIII−V族化合物(例えば、InPやGaAs)よりもシリコン基板の方が熱伝導率が高いので、半導体レーザは、抵抗加熱膜(加熱部)が発生した熱流が、シリコン基板(シリコンフォトニクス基板)に流れてしまう。つまり、半導体レーザは、活性層の温度制御が困難になり、効率良い波長可変ができないという、新たな問題が生じる。
Here, in the semiconductor optical element in which the crystal growth surface of the n-InP substrate and the silicon substrate are bonded, the resistance heating film and the silicon substrate described in
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、加熱部が発生する熱流を効率良く活性層に伝達することができる半導体光学素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor optical element capable of efficiently transmitting a heat flow generated by a heating unit to an active layer.
前記目的を達成するために、本発明の一の手段は、活性層を有した半導体レーザとシリコンフォトニクス基板とが接合した半導体光学素子において、前記半導体レーザは、前記活性層が加熱部(例えば、抵抗加熱膜28)により加熱されるものであり、前記活性層と前記シリコンフォトニクス基板との距離は、前記加熱部と前記シリコンフォトニクス基板との距離よりも短いことを特徴とする。 In order to achieve the above object, one means of the present invention is to provide a semiconductor optical element in which a semiconductor laser having an active layer and a silicon photonics substrate are bonded, wherein the active layer has a heating part (for example, The distance between the active layer and the silicon photonics substrate is shorter than the distance between the heating unit and the silicon photonics substrate.
シリコン基板の熱伝導率は、1.3[W/(cmK)]であり、InP基板の熱伝導率は、0.68[W/(cmK)]である。また、シリコン基板の方がInP基板よりも体積が大きいので、熱容量も大きい。また、InP基板の方がシリコン基板よりも熱伝導率が悪いので、加熱部で発熱した熱は、一部がシリコン基板に伝導し、吸収されるが、他の熱が熱流として活性層に伝達し、活性層の加熱や昇温に寄与する。特に、加熱部と活性層との距離は、シリコンフォトニクス基板と加熱部との距離よりも短いので、活性層を加熱する熱流の方がシリコン基板を熱吸収させる熱流よりも寄与が大きい。 The thermal conductivity of the silicon substrate is 1.3 [W / (cmK)], and the thermal conductivity of the InP substrate is 0.68 [W / (cmK)]. Moreover, since the volume of the silicon substrate is larger than that of the InP substrate, the heat capacity is also large. Also, since the thermal conductivity of the InP substrate is worse than that of the silicon substrate, part of the heat generated in the heating part is conducted and absorbed by the silicon substrate, but other heat is transferred to the active layer as a heat flow. And contributes to heating and raising the temperature of the active layer. In particular, since the distance between the heating unit and the active layer is shorter than the distance between the silicon photonics substrate and the heating unit, the heat flow for heating the active layer contributes more than the heat flow for absorbing the silicon substrate.
本発明の他の手段は、活性層を有した半導体レーザとシリコンフォトニクス基板とが接合した半導体光学素子において、前記半導体レーザは、前記活性層の両側に溝部(例えば、チャネル構造23,23)を形成したダブルチャネル構造を有し、前記溝部は、その最深部と前記シリコンフォトニクス基板との距離が前記活性層と前記シリコンフォトニクス基板との距離よりも長く形成されており、前記溝部の開口側が前記シリコンフォトニクス基板に面しており、前記活性層を加熱する抵抗加熱膜が前記最深部の周辺に配設されていることを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor optical element in which a semiconductor laser having an active layer and a silicon photonics substrate are bonded. The groove portion is formed, and the groove portion is formed such that a distance between the deepest portion and the silicon photonics substrate is longer than a distance between the active layer and the silicon photonics substrate, and the opening side of the groove portion is It faces the silicon photonics substrate, and a resistance heating film for heating the active layer is disposed around the deepest portion.
本発明によれば、加熱部が発生する熱流を効率良く活性層に伝達することができる。 According to the present invention, the heat flow generated by the heating unit can be efficiently transmitted to the active layer.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態(以下、「本実施形態」と称する)について詳細に説明する。なお、各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention (hereinafter referred to as “the present embodiment”) will be described in detail with reference to the drawings. Each figure is only schematically shown so that the present invention can be fully understood. Moreover, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected about the common component and the same component, and those overlapping description is abbreviate | omitted.
(構成の説明)
図1は、本発明の実施形態である半導体光学素子を説明する斜視図であり、半導体レーザ10(10a)とシリコンフォトニクスチップ40とが接合された状態を示している。
シリコンフォトニクスチップ40に所望の光回路及び電気配線・電気回路が形成されているが、図1は、特に、半導体レーザ10aとの光結合部周辺の構造を示している。
(Description of configuration)
FIG. 1 is a perspective view for explaining a semiconductor optical element according to an embodiment of the present invention, and shows a state in which a semiconductor laser 10 (10a) and a silicon photonics chip 40 are bonded.
A desired optical circuit and electrical wiring / electric circuit are formed on the silicon photonics chip 40. FIG. 1 particularly shows the structure around the optical coupling portion with the
半導体光学素子100(100a)は、n−InP基板11(図2)を備えた半導体レーザ10aとシリコンフォトニクスチップ40とを接合したものであり、半導体レーザ10aの基板反対側表面32(図2)とシリコンフォトニクスチップ40とが接合されている。つまり、半導体レーザ10aは、その基板反対側表面32とシリコンフォトニクスチップ40との接合面以外は、空気に露出している。
The semiconductor optical element 100 (100a) is obtained by bonding a
シリコンフォトニクスチップ40は、シリコンフォトニクス基板41と、下側クラッド層42と、上側クラッド層44と、シリコン光導波路43と、半導体レーザ10aを固定する複数のシリコン台座45,45,45,45と、アライメントマーク46,46と、4つの抵抗加熱用電極47,47,47,47と、P側用電極48とを備える。半導体レーザ10aは、シリコン光導波路43側(y方向)の端面が出射面であり、反対側の端面が後端面である。
The silicon photonics chip 40 includes a
シリコンフォトニクス基板41は、シリコン(Si)の単結晶基板であり、熱伝導率が1.3[W/(cmK)]である。下側クラッド層42は、シリコンフォトニクス基板41の表面に積層されたSiO2の酸化物層である。シリコン光導波路43は、下側クラッド層42の表面に線状に積層されたシリコン層であり、Si細線光導波路を形成する。上側クラッド層44は、下側クラッド層42の表面に積層され、シリコン光導波路43を覆うSiO2の酸化物層である。なお、シリコンフォトニクス基板41と、下側クラッド層42と、シリコン光導波路43とは、SOI基板から形成される。
The
シリコン台座45は、SiO2で形成されており、半導体レーザ10aの活性層13(図2)の位置とシリコンフォトニクスチップ40のシリコン光導波路43とが同じ高さになるように形成されている。アライメントマーク46は、半導体レーザ10aの位置決めに使用されるものであり、アライメントマーク27(図2)と一致させる。抵抗加熱用電極47は、半導体レーザ10aの抵抗加熱膜用電極29(図2)に接続され、抵抗加熱膜28を通電する通電電極である。P側用電極48は、半導体レーザ10のP側電極26(図2)に接続され、半導体レーザ10aを駆動する駆動電極である。
The silicon pedestal 45 is made of SiO 2 so that the position of the active layer 13 (FIG. 2) of the
図2は、本発明の実施形態である半導体光学素子で使用される半導体レーザの斜視図である。なお、図2は、図1の半導体レーザ10aの上下(z方向)を逆に示している。
半導体レーザ10aは、n−InP基板11と、n−InP基板11の表面に積層されたn−InPバッファ層12と、n−InPバッファ層12の基板反対側表面に積層されたp−InP層17と、y方向に線状に形成された活性層13と、活性層13の両側に形成されたn−InP層18と、活性層13の基板反対側表面に線状に形成されたp−InP層14と、p−InP層19と、p−InP層19の基板反対側表面に積層されたp−InPクラッド層20とを備えている。
FIG. 2 is a perspective view of a semiconductor laser used in the semiconductor optical element according to the embodiment of the present invention. FIG. 2 shows the
The
n−InPバッファ層12は、xz面がメサ形状になるように、凸部が延在している。活性層13は、n−InPバッファ層12の中央部の凸部の基板反対側表面に線状に形成されたものである。p−InP層19は、n−InP層18の基板反対側表面であって、p−InP層14の両側に積層されたものである。半導体レーザ10aは、ファブリペロー(FP)型のIII−V属の化合物半導体レーザであり、活性層13の後端面に全反射ミラーがコートされており、出射面に透過率数%のミラーがコートされている。
The n-
さらに、半導体レーザ10aは、活性層13の両側にチャネル構造23,23が形成されている。チャネル構造23,23は、基板反対側表面32からn−InP基板11の一部まで形成された互いに平行な線状の溝部(凹部)である。チャネル構造23,23は、n−InP基板11の一部まで形成されているので、最深部が活性層13よりもn−InP基板11側に形成されている。半導体レーザ10は、チャネル構造23,23の最深部周辺に、抵抗加熱膜28が線状に配設されている。この抵抗加熱膜28は、例えば、チタン(Ti)膜であり、通電によって発熱し、活性領域の温度制御を可能とする。
Further, in the
抵抗加熱膜用電極29,29は、抵抗加熱膜28の端部から基板反対側表面32まで、チャネル構造23,23の表面に積層された電極である。P側電極26は、p−InGaAsコンタクト層21の基板反対側表面であって、活性層13やp−InP層14の上方に線状に形成されている。N側電極30は、n−InP基板11の非成長側に形成されている。半導体レーザ10aは、P側電極26とN側電極30との間に駆動電流を流すと、活性層13で励起が行われる。なお、P側電極26は、電極26aを含み、抵抗加熱膜用電極29は、電極29aを含む。
The resistance
アライメントマーク27,27は、円形の開口部を有した矩形状の金属膜であり、基板反対側表面の両側に設けられている。アライメントマーク27,27は、シリコンフォトニクスチップ40のアライメントマーク46(図1)と中心が一致させられる。なお、アライメントマーク27とアライメントマーク46との位置合わせは、n−InP基板11が可視光を透過しないので、赤外カメラで行う。
The alignment marks 27, 27 are rectangular metal films having a circular opening, and are provided on both sides of the surface opposite to the substrate. The centers of the alignment marks 27 and 27 are aligned with the alignment mark 46 (FIG. 1) of the silicon photonics chip 40. The alignment between the
図1に示す半導体光学素子100aは、半導体レーザ10aの基板反対側表面であるN側電極30とシリコンフォトニクスチップ40のシリコンフォトニクス基板41とが接合されている。このため、活性層13とシリコンフォトニクス基板41との距離d3は、加熱部としての抵抗加熱膜28とシリコンフォトニクス基板41との距離d2よりも短い(図7の断面図参照)。また、溝部としてのチャネル構造23,23は、その開口側がシリコンフォトニクス基板41と接している。
In the semiconductor
図3は、半導体光学素子の作製工程を示すフローチャートである。
半導体光学素子100(100a)の作成工程は、半導体レーザ10aの作成工程と(S10)、作製された半導体レーザ10aとシリコンフォトニクスチップ40とを接合する接合工程と(S40)、を備える。
FIG. 3 is a flowchart showing a manufacturing process of the semiconductor optical element.
The manufacturing process of the semiconductor optical element 100 (100a) includes a manufacturing process of the
図4は、半導体光学素子が備える半導体レーザを作製する作製工程を示すフローチャートである。
半導体レーザ10aは、レーザ構造の結晶成長が行われ(S12)、ストライプマスクが形成され(S14)、メサストライプが形成され(S16)、電流ブロック層の埋め込み成長が行われ(S18)、クラッド層及びコンタクト層の結晶成長が行われ(S20)、ダブルチャネルが形成され(S22)、コンタクトストライプが形成され(S24)、P側電極及びアライメントマークが形成され(S26)、抵抗加熱膜が形成され(S28)、抵抗加熱膜用電極が形成され(S30)、基板薄膜化とN側電極形成(S32)とにより作製される。
FIG. 4 is a flowchart showing a manufacturing process for manufacturing a semiconductor laser included in the semiconductor optical element.
In the
図5A乃至図5Kは、半導体レーザの製造工程を説明する斜視図である。以下、各製造工程について説明するが、各製造工程に関しては一般的なプロセスを用いて実施し、その詳細な条件等は本発明の本質ではないので割愛する。 5A to 5K are perspective views for explaining a manufacturing process of the semiconductor laser. Each manufacturing process will be described below, but each manufacturing process is performed using a general process, and detailed conditions and the like are not the essence of the present invention, and will be omitted.
図5Aは、レーザ構造結晶成長の工程を説明する斜視図である。
n−InP基板11の表面に半導体レーザ構造用として、n−InPバッファ層12と、多重量子井戸(MQW)構造の活性層13と、p−InP層14とを有機金属気相(MOVPE)法により結晶成長させる。このとき、p−InP層14の厚みは、20〜300nm程度とする。また、MQW構造の活性層13は、所望の波長及び特性が得られるように最適化された構造とする。なお、DFBレーザの場合、活性層13の下面又は上面に、所望の発振波長が得られる屈折率差の周期構造を形成するため、グレーティング構造を導入する。
FIG. 5A is a perspective view for explaining a laser structured crystal growth step.
An n-
図5Bは、ストライプマスク形成の工程を説明する斜視図である。
p−InP層14は、化学気相堆積(CVD)法等によって、SiO2等の絶縁膜が堆積される。絶縁膜が堆積されたp−InP層14は、フォトリソプロセスが行われ、絶縁膜マスク15が形成される。絶縁膜マスク15は、次工程のメサストライプ幅を考慮して、所望のストライプ形状となるように形成される。
FIG. 5B is a perspective view illustrating a step of forming a stripe mask.
An insulating film such as SiO 2 is deposited on the p-
図5Cは、メサストライプ形成の工程を説明する斜視図である。
p−InP層14、MQW構造の活性層13、及びn−InPバッファ層12は、絶縁膜マスク15でマスクされたストライプ領域以外の領域が塩酸の混合エッチング液(例えば、臭化水素、塩酸、過酸化水素水、及び純水を組み合わせた混合液)により除去される。このウェットエッチングにより、p−InP層14、及びMQW構造の活性層13のストライプ構造と、n−InPバッファ層12のメサ構造とが形成される。n−InPバッファ層12、活性層13、及びp−InP層14は、サイドエッチングが入り、絶縁膜マスク15の幅よりも細く形成される。この構造は、埋め込み成長の際に、異常成長を抑制させる効果がある。
FIG. 5C is a perspective view illustrating a process of forming a mesa stripe.
The p-
また、p−InP層14、MQW構造の活性層13、及びn−InPバッファ層12は、メサストライプ構造を形成する。なお、このエッチング工程は、ドライエッチング法と併用し、ドライエッチング後に、前記した混合エッチング液によるウェットエッチングを行ってもよい。
The p-
図5Dは、電流ブロック層埋め込み成長の工程を説明する斜視図である。
n−InPバッファ層12の表面は、p−InP層17、n−InP層18、及びp−InP層19の順に、MOVPE法による結晶成長がp−InP層14の高さまで行われる。これにより、p−InP層19、n−InP層18、p−InP層17、及びn−InPバッファ層12は、pnpnのサイリスタ構造を成している。なお、各InP層17,18,19の厚みや、ドーパント及びそのキャリア密度は、これらの層が、電流ブロック層として機能するように設定される。また、p−InP層14と、その両側のp−InP層19とは、ドーパントや、そのキャリア密度が異なっている。なお、InPのアクセプタ原子は、C,Be,Mg,Znが代表的であり、ドナー原子は、Li,Sn,Si,Teが代表的である。
FIG. 5D is a perspective view illustrating a process of embedding a current blocking layer.
On the surface of the n-
図5Eは、クラッド層及びコンタクト層結晶成長の工程を説明する斜視図である。
絶縁膜マスク15(図5D)が除去された後、p−InP層19の表面は、p−InPクラッド層20、p−InGaAsコンタクト層21がMOVPE法によって、結晶成長される。このときの各層の厚みやドーパント及びキャリア密度は、光の閉じ込めや電流注入時の直列抵抗を考慮して設定される。結晶成長後、p−InGaAsコンタクト層21の表面は、絶縁膜マスク22が中央、及び両側に形成される。絶縁膜マスク22の形成後、フォトリソが行われ、2本のストライプ形状31が形成される。
FIG. 5E is a perspective view for explaining a crystal growth process of the cladding layer and the contact layer.
After the insulating film mask 15 (FIG. 5D) is removed, the p-InP clad
図5Fは、ダブルチャネル形成の工程を説明する斜視図である。
2本のストライプ形状31(図5E)の形成後、臭素系エッチャント(例えば、臭素BrとメタノールCH3OHとの混合液)により、2つの溝部としてのチャネル構造23,23が形成される。2つのチャネル構造23,23の間隔は、電極形成後のレーザ素子の電気容量が所望の値になるように設定される。なお、2本のチャネル構造23,23は、ダブルチャネル構造と呼ばれる。
FIG. 5F is a perspective view illustrating a process of forming a double channel.
After the formation of the two stripe shapes 31 (FIG. 5E),
図5Gは、コンタクトストライプ形成の工程を説明する斜視図である。
2本のチャネル構造23,23(図5F)の形成後、絶縁膜マスク22(図5F)の除去と、CVD法、及びフォトリソによる絶縁膜マスク24,24,24,24の形成とが行われる。絶縁膜マスク24,24,24,24の形成後、フォトリソが行われ、コンタクトストライプ25が形成される。
FIG. 5G is a perspective view illustrating a step of forming a contact stripe.
After the formation of the two
図5Hは、P側電極及びアライメントマーク形成の工程を説明する斜視図である。
コンタクトストライプ25(図5G)の形成後、P側オーミック電極として、例えば、AuZn及びAuが蒸着される。P側オーミック電極の蒸着後、フォトリソ又はリフトオフにより、P側電極26、及びアライメントマーク27が形成される。なお、P側電極26は、一方のチャネル構造23を介して引き出される電極26aを含む。
FIG. 5H is a perspective view illustrating a process of forming a P-side electrode and an alignment mark.
After forming the contact stripe 25 (FIG. 5G), for example, AuZn and Au are vapor-deposited as the P-side ohmic electrode. After the deposition of the P-side ohmic electrode, the P-
図5I(a)は、抵抗加熱膜形成の工程を説明する斜視図であり、図5(b)は、その平面図である。
P側電極26、及びアライメントマーク27(図5H)の形成後、再度、フォトリソ技術を用いて、加熱部としての抵抗加熱膜28が形成される。このとき、ネガタイプのレジストを用いて、ダブルチャネル上にマスクを合わせて、ダブルチャネル溝の中以外を露光する。この露光によって、ダブルチャネル溝内のレジストが除去される。
FIG. 5I (a) is a perspective view for explaining a process of forming a resistance heating film, and FIG. 5 (b) is a plan view thereof.
After the formation of the P-
レジストの除去後、Ti(チタン)薄膜の蒸着やスパッタ等が行われ、2本の抵抗加熱膜28,28が形成される。抵抗加熱膜28,28は、例えば、厚さ25nmであり、チャネル構造23の幅が10μm程度である。抵抗加熱膜28,28は、材料及び厚みによって、抵抗率(面積抵抗率)が決定するので、幅に応じて単位長さ当りの抵抗値が決定される。つまり、材料、厚み、幅やy方向の長さの設定変更は、注入電流による発熱量を制御する。なお、一方の抵抗加熱膜28は、その長さが半導体レーザ10aの全長に略等しいが、他方の抵抗加熱膜28は、電極26aの部分で分割されている。
After the resist is removed, Ti (titanium) thin film is deposited, sputtered, etc., and two
図5J(a)は、抵抗加熱膜用電極形成の工程を説明する斜視図であり、図5(b)は、その平面図である。
抵抗加熱膜28(図5I)の形成後、フォトリソ及び蒸着によって、抵抗加熱膜用電極29が形成される。この抵抗加熱膜用電極29は、電流通流用なので、Au(金)などの抵抗率の低い金属材料を用いる。また、抵抗加熱膜用電極29は、電極26a(図5I(b))の部分で分割された抵抗加熱膜28を互いに接続する電極29aを含む。
FIG. 5J (a) is a perspective view for explaining a process of forming a resistance heating film electrode, and FIG. 5 (b) is a plan view thereof.
After the formation of the resistance heating film 28 (FIG. 5I), the resistance
図5Kは、基板薄膜化とN側電極形成との工程を説明する斜視図である。
抵抗加熱膜用電極29の形成後、n−InP基板11の裏面は、研磨又はエッチングによる薄膜化プロセスが施される。そして、研磨等された裏面は、例えば、Au−Ge−Niなどが蒸着され、N側電極30が形成される。このとき、アライメントマーク27は、フォトリソなどによって、電極用の蒸着物質が除去され、円形の絶縁膜マスク24が露出する。
FIG. 5K is a perspective view for explaining steps of substrate thinning and N-side electrode formation.
After the formation of the resistance
図6は、半導体レーザとシリコンフォトニクスチップとを接合する接合工程を説明する斜視図である。
半導体レーザ10aの基板反対側表面32としてのP側電極26、及びアライメントマーク27の面と、シリコンフォトニクスチップ40のシリコンフォトニクス基板41とが接合され、半導体光学素子100aが構成される。このとき、アライメントマーク46と半導体レーザ10aのアライメントマーク27とは、位置合わせ用のマークである。位置合わせにより、シリコン光導波路43と半導体レーザ10aの活性層13とが光結合させられる。なお、シリコン光導波路43と活性層13との高さは、半導体レーザ10aの結晶成長の厚み制御で、予め一致させられているものとする。
FIG. 6 is a perspective view illustrating a bonding process for bonding the semiconductor laser and the silicon photonics chip.
The surface of the P-
抵抗加熱用電極47及びP側用電極48に金錫(AuSn)半田を塗布し、フリップチップ実装により、半導体レーザ10aを実装する。その後、ワイヤーボンディングにより、半導体レーザ10aのN側電極30(図5K)とシリコンフォトニクスチップ40の電子回路とをAuワイヤで接続する。
Gold tin (AuSn) solder is applied to the resistance heating electrode 47 and the P-side electrode 48, and the
図7は、本発明の実施形態である半導体光学素子の断面図である。
図6の接合工程により、半導体光学素子100aは、半導体レーザ10aの基板反対側表面32であるN側電極30とシリコンフォトニクス基板41とが接合させられる。このため、半導体レーザ10aの活性層13は、シリコンフォトニクス基板41との間隔がシリコンフォトニクス基板41と抵抗加熱膜28との間隔の中間になる領域(中間領域)に配設されることになる。言い換えれば、シリコンフォトニクス基板41と抵抗加熱膜28との長さd2の方が活性層13と抵抗加熱膜28との長さd1よりも長い。
FIG. 7 is a cross-sectional view of a semiconductor optical element according to an embodiment of the present invention.
In the bonding step of FIG. 6, in the semiconductor
シリコンフォトニクス基板41の熱伝導率は、1.3[W/(cmK)]であり、n−InP基板11の熱伝導率は、0.68[W/(cmK)]である。また、シリコンフォトニクス基板41の方がn−InP基板11よりも体積が大きいので、熱容量も大きい。また、n−InP基板11の方がシリコンフォトニクス基板41よりも熱伝導率が悪い。
The thermal conductivity of the
このため、加熱部としての抵抗加熱膜28で発熱した熱は、一部がP側電極26(図5H)を介して、シリコンフォトニクス基板41に伝導し、吸収されるが、他の熱が熱流としてn−InP基板11を介して、活性層13に伝達し、活性層の加熱や昇温に寄与する。特に、抵抗加熱膜28と活性層13との距離d1は、シリコンフォトニクス基板41と抵抗加熱膜28との距離d2よりも短いので、活性層13を加熱する熱流の方がシリコンフォトニクス基板41を熱吸収させる熱流よりも寄与が大きい。
For this reason, a part of the heat generated by the
また、シリコンフォトニクス基板41の熱容量は大きいが、半導体レーザ10a自体の熱容量は小さい。このため、半導体レーザ10aの活性層13は、高速に温度上昇し、急速に温度低下する。
In addition, although the
(効果の説明)
以上説明したように、活性層13の温度制御により発振波長を制御する機能を有する半導体レーザ10aをシリコンフォトニクスチップ40に実装する場合、本実施形態のように、活性層13よりもn−InP基板11側に抵抗加熱膜28を配設することにより、抵抗加熱膜28で発熱した熱量は、シリコンフォトニクスチップ40への伝達が少なくなり、効率よく活性層13に伝達できる。このため、半導体レーザ10aは、抵抗加熱膜28に必要な発熱電力が少なくなり、消費電力の削減が可能となる。
(Explanation of effect)
As described above, when the
(変形例)
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
(1)前記実施形態の半導体レーザ10aは、図5Fのように2本のチャネル構造23,23を形成し、ダブルチャネル構造としたが、図8の半導体レーザ10bのように、チャネル構造23を1本のみ形成しても構わない。
(Modification)
The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications such as the following are possible.
(1) The
(2)前記実施形態の半導体光学素子100aは、半導体レーザ10aの内部に加熱部としての抵抗加熱膜28(図5I)を形成したが、図9に示すように、半導体レーザ10cの外部に加熱部50を設けても構わない。つまり、加熱部50は、半導体レーザ10cのN側電極30に接合させても構わない。この状態においても、半導体光学素子100bは、活性層13がシリコンフォトニクス基板41と加熱部50との中間である中間領域に配設されている。なお、この場合は、半導体レーザ10aは、ダブルチャネル構造にする必要はない。また、シリコンフォトニクスチップ40bは、シリコンフォトニクスチップ40a(図1,6)と比較して、抵抗加熱用電極47が削除されている。
(2) In the semiconductor
(3)前記実施形態の半導体レーザ10aは、埋め込み型の半導体レーザであったが、リッジ導波路を用いたリッジ導波路型半導体レーザに関しても適応可能である。
(4)前記実施形態の半導体レーザ10aは、n−InP基板11を用いたが、GaAs基板を用いた半導体レーザ構造でも適応可能である。なお、GaAsの熱伝導率は、0.55[W/(cmK)]である。
(3) Although the
(4) Although the n-
(5)前記実施形態の半導体レーザ10aは、ファブリペロー(FP)型であったが、分布帰還型(Distributed Feedback:DFB)レーザや、ブラッグ反射を用いた分布反射型(Distributed Bragg Reflector :DBR)レーザに関しても適応可能である。DFBレーザの場合、活性層13の下面又は上面に、所望の発振波長が得られる屈折率差の周期構造を形成するため、グレーティング構造を導入すればよい。
(5) The
(6)前記実施形態の半導体レーザ10aは、シングルストライプの単波長発振構造であったが、マルチストライプ構造による半導体レーザアレイ構造に関しても適応可能である。
(7)前記実施形態の半導体レーザ10aは、シングルストライプ方向に単電極構造であったが、多電極構造(活性層領域、位相調整領域、DBR領域等を有する)に関しても適応可能である。
(6) Although the
(7) Although the
(8)前記実施形態の半導体レーザ10aのチャネル構造23は、正面視U字状に形成したが、両側面を底面に対して、垂直に形成したチャネル構造でも構わない。
(8) The
10,10a,10b,10c 半導体レーザ
11 n−InP基板
12 n−InPバッファ層
13 活性層(MQW)
14,17,19 p−InP層
15,22,24 絶縁膜マスク
16 メサストライプ構造
18 n−InP層
20 p−InPクラッド層
21 p−InGaAsコンタクト層
23 チャネル構造(溝部)
25 コンタクトストライプ
26 P側電極
27 アライメントマーク
28 抵抗加熱膜(加熱部)
29 抵抗加熱膜用電極
30 N側電極
31 ストライプ形状
32 基板反対側表面
40 シリコンフォトニクスチップ
41 シリコンフォトニクス基板
42 下側クラッド層
43 シリコン光導波路
44 上側クラッド層
45 シリコン台座
46 アライメントマーク
47 抵抗加熱用電極
48 P側用電極
50 加熱部
100,100a,100b 半導体光学素子
10, 10a, 10b, 10c Semiconductor laser 11 n-InP substrate 12 n-
14, 17, 19 p-
25 Contact stripe 26
29 Resistance heating film electrode 30 N side electrode 31
Claims (5)
前記半導体レーザは、前記活性層が加熱部により加熱されるものであり、
前記活性層と前記シリコンフォトニクス基板との距離は、前記加熱部と前記シリコンフォトニクス基板との距離よりも短い
ことを特徴とする半導体光学素子。 In a semiconductor optical element in which a semiconductor laser having an active layer and a silicon photonics substrate are joined,
In the semiconductor laser, the active layer is heated by a heating unit,
A distance between the active layer and the silicon photonics substrate is shorter than a distance between the heating unit and the silicon photonics substrate.
前記加熱部は、前記半導体レーザが有する抵抗加熱膜である
ことを特徴とする半導体光学素子。 The semiconductor optical element according to claim 1,
The semiconductor optical element, wherein the heating unit is a resistance heating film included in the semiconductor laser.
前記半導体レーザは、前記活性層の両側に溝部を形成したダブルチャネル構造を有し、
前記抵抗加熱膜は、前記溝部の最深部周辺に配設されている
ことを特徴とする半導体光学素子。 The semiconductor optical element according to claim 2,
The semiconductor laser has a double channel structure in which grooves are formed on both sides of the active layer,
The semiconductor heating element according to claim 1, wherein the resistance heating film is disposed around a deepest portion of the groove.
前記半導体レーザの基板反対側の表面が前記シリコンフォトニクス基板と接合しており、
前記活性層の光軸と前記シリコンフォトニクス基板のシリコン光導波路の光軸とが一致している
ことを特徴とする半導体光学素子。 The semiconductor optical element according to claim 1,
The surface of the semiconductor laser opposite to the substrate is bonded to the silicon photonics substrate,
A semiconductor optical element, wherein an optical axis of the active layer and an optical axis of a silicon optical waveguide of the silicon photonics substrate coincide with each other.
前記半導体レーザは、前記活性層の両側に溝部を形成したダブルチャネル構造を有し、
前記溝部は、その最深部と前記シリコンフォトニクス基板との距離が前記活性層と前記シリコンフォトニクス基板との距離よりも長く形成されており、
前記溝部の開口側が前記シリコンフォトニクス基板に面しており、
前記活性層を加熱する抵抗加熱膜が前記最深部の周辺に配設されている
ことを特徴とする半導体光学素子。 In a semiconductor optical element in which a semiconductor laser having an active layer and a silicon photonics substrate are joined,
The semiconductor laser has a double channel structure in which grooves are formed on both sides of the active layer,
The groove is formed such that the distance between the deepest part and the silicon photonics substrate is longer than the distance between the active layer and the silicon photonics substrate,
The opening side of the groove portion faces the silicon photonics substrate,
A semiconductor optical element, wherein a resistance heating film for heating the active layer is disposed around the deepest portion.
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