JP2019003973A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザなどの半導体光デバイスの特性およびシリコン光導波路の特性劣化を抑制して両者が光結合できるようにする。【解決手段】再成長層１２２をパターニングすることで、光モード変換構造１０６を形成する（第３工程）。光モード変換構造１０６は、光導波路の導波方向に延在した状態に形成する。また、光モード変換構造１０６は、活性層１０５の先端部１０５ａから離れるほど幅が狭くなる状態に形成し、平面視で導波方向に先細りの形状とする。【選択図】 図１Ｈ

Description

本発明は、半導体レーザを備える半導体装置およびその製造方法に関する。

近年、インターネットなどの通信網における通信トラフィックの増加に伴い、光通信デバイスの更なる低消費電力化、高速化、大容量化、高集積化、および低価格化が求められている。これらの要求に対し、シリコン光導波路を用いた光デバイス、およびその光デバイスを集積した光集積回路が注目され、シリコンフォトニクスと呼ばれる技術分野で研究開発が進展している。

これまでにシリコン光導波路をベースとした光フィルタや偏波回転デバイス、光スプリッタなどの光パッシブデバイスが実現している。また、シリコン中のキャリアプラズマ効果を利用した高速な光変調器が実現している。しかし、シリコンは、間接遷移型半導体であるがゆえに高効率なシリコンレーザはいまだ実現していない。

近年、シリコン、あるいはＳＯＩ（silicon on insulator）基板上に、半導体レーザあるいは半導体光増幅器を形成する技術の１つとして、異種材料の半導体ウェハ同士を直接接合するウェハ接合技術が検討されている。例えば、非特許文献１−３では、ウェハ接合技術を用いて、半導体レーザをシリコン上に実現している。

ここで、非特許文献１に示されているデバイスについて、図６Ａ，図６Ｂを参照して説明する。このデバイスは、横方向電流注入型の埋め込み活性層薄膜構造の半導体レーザである。この半導体レーザは、シリコン基板２０１の上の熱酸化によって形成された絶縁層２０２の上に、活性層２０３を備えている。活性層２０３は、ＩｎＧａＡｓＰあるいはＩｎＧａＡｌＡｓから構成され、上下をアンドープのＩｎＰ層２０３ａおよびＩｎＰ層２０３ｂに挾まれている。

また、活性層２０３は、両脇を、ｎ型とされたｎ−ＩｎＰ層２０４とｐ型とされたｐ−ＩｎＰ層２０５によって挾まれている。また、活性層２０３の上には、ＳｉＯ₂による回折格子パターン２１１が形成され、分布ブラッグ反射構造が構成されている。また、ｎ−ＩｎＰ層２０４には、ｎ電極２０６が接続し、ｐ−ＩｎＰ層２０５には、ｐ電極２０７が接続している。

次に、非特許文献２に示されているデバイスについて、図７Ａ、図７Ｂを参照して説明する。このデバイスは縦方向電流注入型の厚膜構造の半導体レーザである。この半導体レーザは、シリコン基板３０１の上のＳｉＯ₂からなる下部クラッド層３０２の上に、シリコンコア３０３を備え、シリコンコア３０３は上部クラッド層３０４に覆われ、シリコン光導波路を構成している。

また、シリコン光導波路の上には、ＩｎＧａＡｓＰあるいはＩｎＧａＡｌＡｓからなる活性層３０６を備えている。また、活性層３０６の下には、ｎ型とされたｎ−ＩｎＰ層３０５が形成され、活性層３０６の上には、ｐ型とされたｐ−ＩｎＰ層３０７が形成されている。ｎ−ＩｎＰ層３０５は、活性層３０６より幅広に形成され、活性層３０６の側部のｎ−ＩｎＰ層３０５には、ｎ電極３０８が形成されている。また、ｐ−ＩｎＰ層３０７の上には、ｐ電極３０９が形成されている。

この半導体レーザは、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor optical amplifier）と、反射鏡ｆ１−ｆ４、ｆｃおよびアレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ：Arrayed waveguide grating）による外部共振器で構成される。半導体レーザより発振される光のモードは、シリコンコア３０３によるシリコン光導波路および活性層３０６にオーバーラップするように分布する。

次に、非特許文献３に示されているデバイスについて、図８を参照して説明する。このデバイスは、活性層の部分が前述した非特許文献２と同様の構成とされた半導体レーザである。また、この半導体レーザは、図８に示すように、シリコンコア３０３によるシリコン光導波路の上に形成された回折パターン３１１による分布ブラッグ反射構造とされている。回折格子パターン３１１は、エッチングなどを用いたパターニングによりシリコン光導波路の上面に形成される。

シリコンコアによるシリコン光導波路などのシリコンフォトニクスデバイスと半導体レーザとを集積するためには、半導体レーザにおける光モードからシリコン光導波路における光モードに変換する光モード変換構造が必要である。この光モード変換構造について説明する。

例えば、シリコン光導波路と半導体レーザとを集積し、光モードを変換する場合、前述したように、シリコンコア３０３によるシリコン光導波路の上に、活性層３０６による半導体レーザを積層する。この状態を図９Ａ，図９Ｂ，図９Ｃに示す。なお、図９Ａは、図９Ｃのａａ’線の断面であり、図９Ｂは、図９Ｃのｂｂ’線の断面である。活性層３０６による半導体レーザは、前述した非特許文献２と同様であり、利得媒体である活性層３０６の上下に、ｐ−ＩｎＰ層３０７およびｎ−ＩｎＰ層３０５を備え、縦方向（基板面に垂直な方向）に電流を注入する構造を有している。

活性層３０６の上のｐ−ＩｎＰ層３０７は、ｐ電極３０９による光吸収を避けるために、活性層３０６とｐ電極３０９とを光学的に分離可能な厚さ（例えば２μｍ程度）としている。一方、シリコンコア３０３は、活性層３０６と光学的に結合可能な位置（距離）に配置している。

上述した集積構造において、半導体レーザの光モードをシリコン光導波路の光モードに結合させるために、ｎ−ＩｎＰ層３０５、活性層３０６、ｐ−ＩｎＰ層３０７による積層構造の幅をテーパ形状に細めた光モード変換構造３２１を有している。積層構造の幅をテーパ形状に細めた光モード変換構造３２１とすることにより、その実効屈折率をシリコン光導波路の実効屈折率に整合させるように断熱的に変化させている。

光モード変換構造３２１には、不純物ドープされたｎ−ＩｎＰ層３０５、ｐ−ＩｎＰ層３０７が含まれており、この不純物領域に光がオーバーラップすることで、余分な光エネルギーが消費される。従来構造におけるｐ型およびｎ型のＩｎＰ層は、ＩｎＰのエピタキシャル成長過程で形成される。従って、光モード変換構造におけるＩｎＰ層のみを選択的にアンドープとし、不純物ドープされたＩｎＰ層による光吸収を避けることは難しい。

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ここで、従来の光モード変換構造における透過損失の解析結果について、図１０を参照して説明する。なお、光モード変換構造３２１の先細りの先端幅ｗ_tpを４００ｎｍとした。シリコン光導波路厚ｔ_Siが４００ｎｍの場合には、低損失（０．１ｄＢ以下）な光結合が得られている。これは、先細りの光モード変換構造３２１を用いることで、光モード変換構造３２１の先端部の実効屈折率が下がり、４００ｎｍ厚のシリコン光導波路の実効屈折率と整合するためである。

一方、シリコン光導波路厚が２００ｎｍの場合には、テーパ長１ｍｍであっても透過損失は２．４ｄＢに留まる。これは、先細りの光モード変換構造３２１を用いても、２００ｎｍ厚のシリコン光導波路の実効屈折率に整合しないためである。光モード変換構造３２１のテーパ先端幅を５０ｎｍとすれば、シリコン光導波路厚が２００ｎｍであっても、透過損失を０．２ｄＢ以下に低減することが可能であるが、光モード変換構造３２１の先端部の幅と厚みの比が１：４０と高くなるため、製造が困難になる。従って、従来の光モード変換構造３２１においては、低損失な光結合のために、厚み４００−５００ｎｍ程度のシリコン光導波路が用いられている。

次に、シリコン光導波路の厚みが４００ｎｍおよび２００ｎｍの場合の半導体レーザ側の電界の分布について、図１１Ａ、図１１Ｂを参照して説明する。シリコン光導波路の厚みが４００ｎｍの場合、図１１Ａに示すように、光モードはシリコン光導波路のシリコンコア３０３および光モード変換構造３２１にオーバーラップしている。一方、シリコン光導波路の厚みが２００ｎｍの場合、図１１Ｂに示すように、光モードはシリコン光導波路にほとんどオーバーラップせず、光モード変換構造３２１にのみにオーバーラップしている。

ｐ型としたＩｎＰおよびｎ型としたＩｎＰの光吸収係数は、不純物濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3と仮定した場合、各々２０ｃｍ^-1および１ｃｍ^-1程度と、シリコン光導波路の光吸収係数と比較して高い。このため、シリコン光導波路厚を２００ｎｍとした場合には、シリコン光導波路厚を４００ｎｍとした場合と比較して、半導体レーザの内部損失は高くなる。半導体レーザの内部損失の増加は、光出力強度およびレーザの線幅劣化を意味する。この理由からも、厚み４００−５００ｎｍ程度のシリコン光導波路が用いられる。

一方、シリコンフォトニクスデバイス、特に、性能指数Ｖ_πＬが低い小型の光変調器は、厚み２００−３００ｎｍ程度のシリコン光導波路が用いられている。なお、性能指数Ｖ_πＬは、電極単位長さあたりの変調能力を表す指標で小さいほど効率が高いことを示す。例えば、シリコン光導波路厚が４００−６００ｎｍの光変調器では、性能指数Ｖ_πＬは５−１４Ｖ・ｃｍ程度で報告されている（非特許文献４、５参照）。これに対し、シリコン光導波路厚が２００−２５０ｎｍの光変調器では、性能指数Ｖ_πＬが１−３Ｖ・ｃｍ程度と報告されている（非特許文献６，７）。

上述した性能指数の違いは、半導体レーザ（光モード変換構造を含む）と小型光変調器とで、適するシリコン層（ＳＯＩ層）の厚みが整合しないことに起因する。

上述した通り、半導体レーザ（光モード変換構造を含む）とシリコンフォトニクスとでは、各々異なる厚みのシリコン光導波路が用いられているが、それらを集積するために、これまでに次の２通りの集積方法が検討されている。

［方法１］
ＳＯＩ層が４００−５００ｎｍ厚のＳＯＩ基板を用い、シリコンフォトニクスデバイスを形成する領域のＳＯＩ層の厚みを２００−３００ｎｍにエッチングし膜厚調整する。４００−５００ｎｍのＳＯＩ層には半導体レーザ（光モード変換構造を含む）を形成し、２００−３００ｎｍのＳＯＩ層にはシリコンフォトニクスデバイスを形成する。

［方法２］
ＳＯＩ層が２００−３００ｎｍ厚のＳＯＩ基板を用い、半導体レーザ（光モード変換構造を含む）を形成する領域のＳＯＩ層の厚みを４００−５００ｎｍになるようシリコンを積層し膜厚調整する。２００−３００ｎｍ厚のＳＯＩ層には、シリコンフォトニクスデバイスを形成し、４００−５００ｎｍのＳＯＩ層には半導体レーザ（光モード変換構造を含む）を形成する。

方法１では、シリコンフォトニクスデバイスが形成されるＳＯＩ層厚をエッチングにより調整するため、表面ラフネスや膜厚バラつきが増加し、シリコンフォトニクスデバイスの特性を劣化させる。

一方、方法２では、半導体レーザが形成されるＳＯＩ層厚を例えばポリシリコンの積層により調整するため、光導波路の損失が増加し、半導体レーザの特性を劣化させる。

いずれにおいても、半導体レーザ（光モード変換構造を含む）とシリコンフォトニクスデバイスとで適するシリコン層の厚さが異なるために生じる問題である。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、半導体レーザなどの半導体光デバイスの特性劣化を抑制して半導体レーザとシリコン導波路とを光結合できるようにすることを目的とする。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板の上にシリコンコアからなる光導波路を形成する第１工程と、光導波路の上の層に、化合物半導体から構成されて光導波路の導波方向に延在する活性層を形成する第２工程と、活性層を形成した後で、光導波路の上に光導波路の導波方向に延在し、光導波路に光結合するアンドープの化合物半導体からなる光モード変換構造を、活性層に接続して形成する第３工程と、導波方向に垂直な方向で活性層を基板上で挟む状態に第１電流注入部および第２電流注入部を形成する第４工程とを備え、第１電流注入部は、ｎ型の不純物がドープされた化合物半導体から構成し、第２電流注入部は、ｐ型の不純物がドープされた化合物半導体から構成し、光モード変換構造は、活性層から離れるほど幅が狭くなる状態に形成する。

上記半導体装置の製造方法において、第２工程では、光導波路の上に化合物半導体からなる活性層形成層を形成した後で、厚さ方向に上面より一部の活性層形成層をパターニングすることで活性層を形成し、第３工程では、パターニングで厚さ方向に残った一部の活性層形成層より化合物半導体を再成長することで光モード変換構造を形成する。

上記半導体装置の製造方法において、第４工程では、第３工程のパターニングで厚さ方向に残った一部の活性層形成層より再成長させた化合物半導体に、選択的に不純物を導入することで、第１電流注入部および第２電流注入部を形成する。

上記半導体装置の製造方法において、活性層の上に回折格子を形成する第５工程を備え、活性層、第１電流注入部、および第２電流注入部により回折格子を分布ブラッグ反射構造とする半導体レーザを構成するようにしてもよい。

上記半導体装置の製造方法において、活性層は、ＩｎＧａＡｓＰあるいはＩｎＧａＡｌＡｓから構成すればよい。また、光モード変換構造、第１電流注入部、第２電流注入部は、ＩｎＰから構成すればよい。

本発明に係る半導体装置は、基板の上に形成されたシリコンコアからなる光導波路と、光導波路の上の層に形成された、化合物半導体から構成されて光導波路の導波方向に延在する活性層と、光導波路の上に光導波路の導波方向に延在し、活性層に接続して形成され、光導波路に光結合するアンドープの化合物半導体からなる光モード変換構造と、導波方向に垂直な方向で活性層を基板上で挟む状態に形成された第１電流注入部および第２電流注入部とを備え、第１電流注入部は、ｎ型の不純物がドープされた化合物半導体から構成され、第２電流注入部は、ｐ型の不純物がドープされた化合物半導体から構成され、光モード変換構造は、活性層から離れるほど幅が狭くなる状態に形成されている。

上記半導体装置において、活性層の上に形成された回折格子を備え、活性層、第１電流注入部、および第２電流注入部により回折格子を分布ブラッグ反射構造とする半導体レーザが構成されているようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、光導波路に光結合するアンドープの化合物半導体からなる光モード変換構造を、半導体光デバイスの活性層に接続して形成するようにしたので、半導体レーザなどの半導体光デバイスの特性劣化を抑制して半導体レーザとシリコン導波路とを結合できるという優れた効果が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。 図１Ｃは、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。 図１Ｄは、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す平面図である。 図１Ｅは、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。 図１Ｆは、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す平面図である。 図１Ｇは、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。 図１Ｈは、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す平面図である。 図１Ｉは、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。 図１Ｊは、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す平面図である。 図２は、実施の形態の半導体装置における光モード変換構造１０６の電界の分布について示す分布図である。 図３Ａは、実施の形態の半導体装置における光モード変換構造１０６の電界の分布について示す分布図である。 図３Ｂは、実施の形態の半導体装置における光モード変換構造１０６の電界の分布について示す分布図である。 図４は、光モード変換構造１０６の幅Ｗと光モード変換構造１０６への閉じ込め率との関係を示す特性図である。 図５は、光モード変換構造１０６の長さ（テーパ長）と透過損失との関係を示す特性図である。 図６Ａは、非特許文献１に示されているデバイスの構成を示す断面図である。 図６Ｂは、非特許文献１に示されているデバイスの構成を示す平面図である。 図７Ａは、非特許文献２に示されているデバイスの構成を示す断面図である。 図７Ｂは、非特許文献２に示されているデバイスの構成を示す構成図である。 図８は、非特許文献３に示されているデバイスの一部構成を示す平面図である。 図９Ａは、シリコン光導波路と半導体レーザとを集積して光モードを変換するための構成を示す断面図である。 図９Ｂは、シリコン光導波路と半導体レーザとを集積して光モードを変換するための構成を示す断面図である。 図９Ｃは、シリコン光導波路と半導体レーザとを集積して光モードを変換するための構成を示す平面図である。 図１０は、従来の光モード変換構造における透過損失の解析結果を示す特性図である。 図１１Ａは、従来の光モード変換構造におけるシリコン光導波路の厚みが４００ｎｍの場合の半導体レーザ側の電界の分布を示す分布図である。 図１１Ｂは、従来の光モード変換構造におけるシリコン光導波路の厚みが２００ｎｍの場合の半導体レーザ側の電界の分布を示す分布図である。

以下、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法ついて、図１Ａ〜図１Ｊを参照して説明する。

まず、図１Ａに示すように、基板１０１の上にシリコンコア１０２からなる光導波路を形成する（第１工程）。基板１０１は、例えば、ＳＯＩ（silicon on insulator）基板であり、埋め込み絶縁層を下部クラッド層１０３としている。また、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層をパターニングすることでシリコンコア１０２を形成している。なお、シリコンコア１０２の上には、例えば、公知の化学的気相成長法などにより堆積した酸化シリコンによる上部クラッド層１０４が形成されている。なお、図１Ａは、光導波路の導波方向に垂直な断面を示している。

この例では、光導波路を、シリコンコア１０２に接続するスラブ層１０２ａを備えるリブ（リッジ）型光導波路としている。なお、これに限るものではなく、スラブ層を備えないチャネル型の光導波路としてもよい。

次に、図１Ｂに示すように、光導波路（上部クラッド層１０４）の上に、化合物半導体からなる活性層形成層１２１を形成する。活性層形成層１２１は、例えばＩｎＧａＡｓＰあるいはＩｎＧａＡｌＡｓから構成し、バルクの構成としてもよく、多重量子井戸構造としてもよい。例えば、まず、図示しない他基板（成長基板）に化合物半導体を結晶成長することで活性層形成層１２１を形成する。次に、他基板に形成した活性層形成層１２１を、上部クラッド層１０４の上に貼り合わせる。この後、他基板を除去することで、上部クラッド層１０４の上に活性層形成層１２１を形成すればよい。なお、図１Ｂは、導波方向に垂直な断面を示している。

次に、厚さ方向に上面より一部の活性層形成層１２１をパターニングすることで、図１Ｃ，図１Ｄに示すように、活性層１０５を形成する（第２工程）。公知のフォトリソグラフィーで形成したマスクパターン（不図示）を用い、活性層形成層１２１を選択的にエッチングすればよい。活性層１０５の、周囲の上部クラッド層１０４上には、薄くされた活性層形成層１２１ａが残る。なお、図１Ｃは、図１Ｄのｃｃ’線における導波方向に垂直な断面を示している。ここで、活性層１０５は、光導波路の上の層において、平面視で、一部のシリコンコア１０２の上にオーバーラップする。また、活性層１０５は、導波方向に延在して形成する。

以上のように、活性層１０５を形成した後で、図１Ｅ，図１Ｆに示すように、再成長層１２２を形成する。再成長層１２２は、上述したパターニングで厚さ方向に残った活性層形成層１２１ａより、アンドープの化合物半導体（例えばＩｎＰ）を再成長することで形成する。例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長により再成長させればよい。再成長層１２２は、主表面が平坦化された状態に活性層１０５を覆って形成する。なお、図１Ｅは、図１Ｆのｅｅ’線における導波方向に垂直な断面を示している。

次に、再成長層１２２をパターニングすることで、図１Ｇ，図１Ｈに示すように、光モード変換構造１０６を形成する（第３工程）。光モード変換構造１０６は、光導波路の導波方向に延在した状態に形成する。また、光モード変換構造１０６は、活性層１０５の先端部１０５ａから離れるほど幅が狭くなる状態に形成し、平面視で導波方向に先細りの形状とする。ここで、光モード変換構造１０６は、平面視で線形に細くなる状態としてもよく、任意の関数で幅が細められたテーパ形状でも良い。例えば、上記関数は、放物線関数であればよい。

このように、再成長層１２２をパターニングすることで形成した光モード変換構造１０６は、活性層１０５の先端部１０５ａと、所謂バットジョイントして接続した構成となる。なお、先端部１０５ａは、活性層１０５による半導体レーザのレーザ光出射端となる。なお、図１Ｇは、図１Ｈのｇｇ’線における導波方向に垂直な断面を示している。

次に、図１Ｉ，図１Ｊに示すように、導波方向に垂直な方向で活性層１０５を基板１０１上で挟む状態に、第１電流注入部１０７および第２電流注入部１０８を形成する（第４工程）。例えば、よく知られた選択イオン注入により、活性層１０５の両脇の再成長層１２２に、ｎ型不純物およびｐ型不純物を順次に導入する。これにより、第１電流注入部１０７は、ｎ型の不純物がドープされた化合物半導体から構成され、第２電流注入部１０８は、ｐ型の不純物がドープされた化合物半導体から構成される。なお、活性層１０５の上には、アンドープの化合物半導体層１０５ｂが残る。

また、活性層１０５の上に回折格子（不図示）を形成する（第５工程）。公知のリソグラフィー技術およびウェットエッチング、ドライエッチングによるパターニングにより回折格子を形成すればよい。また、第１電流注入部１０７にオーミック接続するｎ電極１１１を形成し、第２電流注入部１０８にオーミック接続するｐ電極１１２を形成する。ここで、ｎ電極１１１、ｐ電極１１２による光吸収を避けるために、活性層１０５と各電極とは、光学的に分離可能な位置に配置する。

以上の工程により、活性層１０５、第１電流注入部１０７、および第２電流注入部１０８により回折格子を分布ブラッグ反射構造（共振器）とする半導体レーザ（半導体光デバイス）を形成する。形成した半導体レーザは、保護膜により保護する構成とするとよい。この半導体レーザは、基板１０１の平面に平行な方向で活性層１０５に電流が注入される。なお、図１Ｉは、図１Ｊのｉｉ’線における導波方向に垂直な断面を示している。

光モード変換構造１０６は、半導体レーザの端部に光結合して形成された状態となる。この光モード変換構造１０６は、活性層１０５を含まず、また、アンドープの化合物半導体（例えばＩｎＰ）から構成され、導波方向に沿ってテーパ形状に細められている。光モード変換構造１０６には活性層１０５を含まないため、活性層１０５による光吸収は生じない。また、光モード変換構造１０６は、アンドープとされているため、不純物ドープされた化合物半導体による光吸収は生じない。

次に、実施の形態の半導体装置における光モード変換構造１０６の特性について説明する。まず、電界の分布について説明する。図２に示すように、半導体レーザにおいて、光モードはシリコン光導波路（シリコンコア１０２）および活性層１０５にオーバーラップする。光モードが活性層１０５にオーバーラップすることで、レーザ発振に必要な利得が得られる。同時に、光吸収の少ないシリコン光導波路に光を閉じ込めることで、半導体レーザの内部損失の低減が可能となる。

図３Ａは、ＩｎＰから構成した光モード変換構造１０６の幅Ｗが、５００ｎｍの場合の光モード変換構造１０６における電界の分布である。また、図３Ｂは、ＩｎＰから構成した光モード変換構造１０６の幅Ｗが、５０ｎｍの場合の光モード変換構造１０６における電界の分布である。光モード変換構造１０６においては、幅が細くなるにつれて光閉じ込めが弱くなる。一方シリコン光導波路側への光閉じ込めは、光モード変換構造１０６の幅が細くなるにつれて強くなり、最終的にシリコン光導波路の光モードに変換される。図４に示すように、光モード変換構造１０６の幅Ｗが２００ｎｍ以下で、光モード変換構造１０６への閉じ込め率（Fill factor）が１％以下となる。公知のリソグラフィー技術により、ＩｎＰなどの化合物半導体の層を、幅２００ｎｍにパターニングすることは可能である。

図５に示すように、光モード変換構造１０６の長さ、すなわちテーパ長（Taper length）が１０μｍ以上で透過損失（Coupling loss）が０．１ｄＢ程度となることが分かる。ただし、テーパ先端幅を２００ｎｍ、ＩｎＰ層厚を２００ｎｍ、活性層１０５の幅を６００ｎｍ、シリコンコア１０２の厚さを２００ｎｍ、シリコンコア１０２の幅を６００ｎｍ、シリコンコア１０２のリッジ高さを１００ｎｍ、光モード変換構造１０６とシリコンコア１０２との間隔を１００ｎｍとした。

以上のように、半導体レーザを横方向電流注入型の埋め込み活性層薄膜構造とし、埋め込みに用いる薄膜の化合物半導体層を光モード変換構造の層として用いることにより、２００ｎｍ厚のシリコン光導波路に光モードを０．１ｄＢ程度の結合損失で光結合させることができる。これにより、同一の厚さのシリコン層により、半導体レーザと小型光変調器との集積が可能となる。すなわち、半導体レーザなどの半導体光デバイスの特性およびシリコン光導波路の特性劣化を抑制して両者が半導体レーザとシリコン導波路とを光結合できるようになる。

なお、上述では、シリコン光導波路と光結合する半導体光デバイスとして半導体レーザを例に説明したが、これに限るものではなく、半導体光デバイスは、共振器を備えない半導体光増幅器であってもよい。また上述では、半導体レーザを構成する共振器を、回折格子による分布ブラッグ反射構造としたが、これに限るものではない。例えば、シリコン光フィルタを用いた外部共振器型の半導体レーザでも良い。シリコン光フィルタとしては、例えば、リング共振器やＡＷＧ、回折格子などが挙げられる。

以上に説明したように、本発明によれば、光導波路に光結合するアンドープの化合物半導体からなる光モード変換構造を、半導体光デバイスの活性層に接続して形成するようにしたので、半導体レーザなどの半導体光デバイスの特性劣化を抑制して半導体レーザとシリコン導波路とを光結合できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、シリコン光導波路のクラッドをＳｉＯ₂から構成する場合を例に説明したが、これに限るものではない、例えば、シリコンコアの左右を空気によるクラッドとしても良い。また、クラッドとする材料はＳｉＯ₂に限らず、例えばＳｉＯＮなどでも良い。

また、上述では、光モード変換構造の材料をＩｎＰとしたが、他の半導体材料でも良い。例えば、ＩｎＧａＡｓから光モード変換構造を構成してもよい。また光モード変換構造は、光吸収が無視できる程度の濃度の不純物が含まれていてもよい。

１０１…基板、１０２…シリコンコア、１０２ａ…スラブ層、１０３…下部クラッド層、１０４…上部クラッド層、１０５…活性層、１０５ａ…先端部、１０５ｂ…化合物半導体層、１０６…光モード変換構造、１０７…第１電流注入部、１０８…第２電流注入部、１１１…ｎ電極、１１２…ｐ電極、１２１…活性層形成層、１２２…再成長層。

Claims (7)

1. 基板の上にシリコンコアからなる光導波路を形成する第１工程と、
   前記光導波路の上の層に、化合物半導体から構成されて前記光導波路の導波方向に延在する活性層を形成する第２工程と、
   前記活性層を形成した後で、前記光導波路の上に前記光導波路の導波方向に延在し、前記光導波路に光結合するアンドープの化合物半導体からなる光モード変換構造を、前記活性層に接続して形成する第３工程と、
   前記導波方向に垂直な方向で前記活性層を前記基板上で挟む状態に第１電流注入部および第２電流注入部を形成する第４工程と
   を備え、
   前記第１電流注入部は、ｎ型の不純物がドープされた化合物半導体から構成し、
   前記第２電流注入部は、ｐ型の不純物がドープされた化合物半導体から構成し、
   前記光モード変換構造は、前記活性層から離れるほど幅が狭くなる状態に形成する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第２工程では、前記光導波路の上に化合物半導体からなる活性層形成層を形成した後で、厚さ方向に上面より一部の前記活性層形成層をパターニングすることで前記活性層を形成し、
   前記第３工程では、前記パターニングで厚さ方向に残った一部の前記活性層形成層より化合物半導体を再成長することで前記光モード変換構造を形成する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 請求項２記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第４工程では、前記第３工程で前記パターニングで厚さ方向に残った一部の前記活性層形成層より再成長させた化合物半導体に、選択的に不純物を導入することで、前記第１電流注入部および前記第２電流注入部を形成する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記活性層の上に回折格子を形成する第５工程を備え、
   前記活性層、前記第１電流注入部、および前記第２電流注入部により前記回折格子を分布ブラッグ反射構造とする半導体レーザを構成する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記活性層は、ＩｎＧａＡｓＰあるいはＩｎＧａＡｌＡｓから構成し、前記光モード変換構造、前記第１電流注入部、前記第２電流注入部は、ＩｎＰから構成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 基板の上に形成されたシリコンコアからなる光導波路と、
   前記光導波路の上の層に形成された、化合物半導体から構成されて前記光導波路の導波方向に延在する活性層と、
   前記光導波路の上に前記光導波路の導波方向に延在し、前記活性層に接続して形成され、前記光導波路に光結合するアンドープの化合物半導体からなる光モード変換構造と、
   前記導波方向に垂直な方向で前記活性層を前記基板上で挟む状態に形成された第１電流注入部および第２電流注入部と
   を備え、
   前記第１電流注入部は、ｎ型の不純物がドープされた化合物半導体から構成され、
   前記第２電流注入部は、ｐ型の不純物がドープされた化合物半導体から構成され、
   前記光モード変換構造は、前記活性層から離れるほど幅が狭くなる状態に形成されている
   ことを特徴とする半導体装置。
7. 請求項６記載の半導体装置において、
   前記活性層の上に形成された回折格子を備え、
   前記活性層、前記第１電流注入部、および前記第２電流注入部により前記回折格子を分布ブラッグ反射構造とする半導体レーザが構成されている
   ことを特徴とする半導体装置。