JP2020134599A - 光半導体素子および集積型半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータで生じる熱によって光導波層を効率よく加熱することができる光半導体素子および集積型半導体レーザを提供すること。【解決手段】光半導体素子１は、基板２と、基板２よりも上部に形成された光導波層１１とクラッド部とを有する光導波路構造１０と、光導波路構造１０と熱的に接続されたヒータ３と、ヒータ３に電気的に接続された導体配線５と、導体配線５に電気的に接続された電極パッド４と、を備え、導体配線５は、ヒータ３の近傍に位置する部位５ａの断面積が、電極パッド４側に位置する部位５ｂの断面積よりも小さい構造を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、光半導体素子および集積型半導体レーザに関する。

光半導体素子および集積型半導体レーザにおいて、光導波路として機能する光導波路構造に、局所加熱用のヒータを設置し、このヒータを発熱させることによって、光導波路構造を構成する光導波層の温度を変化させ、光導波層の屈折率を変化させることにより、波長選択要素の波長特性を制御する技術が知られている。光導波路構造上に配置したヒータは、通電のための導体配線および電極パッドと電気的に接続する必要がある。

特許文献１には、メサ型の光導波路構造上にヒータを設置し、電極パッドからヒータまで延びる導体配線は、リソグラフィ技術を用いたパターニングによって形成された配線であって、エアブリッジ構造を有することが開示されている。

特開２００７−２７３６９４号公報

光半導体素子や集積型半導体レーザでは、低消費電力化の要求が強く、ヒータでの消費電力を低減することが望まれる。ヒータでの消費電力が減ると、ヒータでの発熱量が減ることになる。そのため、ヒータで生じた熱を光導波層に効率よく伝達させることができ、ヒータの温度変化に対して光導波層の屈折率が感度よく変化することができる構成が望まれる。

ヒータからの熱を光導波層に効率よく伝達させるために、工夫の一つとして、ヒータから導体配線への放熱を抑制する構造が挙げられる。特許文献１に記載の構成では、ヒータに接続された導体配線が細いため、ヒータから導体配線への熱逃げを抑制することができる。

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、リソグラフィ技術を活用して導体配線を細くすることにより導体配線の熱抵抗を高熱抵抗化できるものの、同時に導体配線の電気抵抗を上昇させてしまうというトレードオフが生じる。つまり、ヒータの熱によって光導波層を効率よく加熱するためには、ヒータが効率的に発熱する必要があり、電極パッドからヒータに投入した電力の大部分をヒータで消費させることが好ましく、その途中の導体配線での電力消費を低減するために、ヒータの電気抵抗よりも導体配線の電気抵抗を低くする必要がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、ヒータで生じる熱によって光導波層を効率よく加熱することができる光半導体素子および集積型半導体レーザを提供することにある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る光半導体素子は、基板と、前記基板よりも上部に形成された光導波層とクラッド部とを有する光導波路構造と、前記光導波路構造と熱的に接続された発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体に電気的に接続された導体配線と、前記導体配線に電気的に接続された電極パッドと、を備え、前記導体配線は、前記発熱抵抗体の近傍に位置する部位の断面積が、前記電極パッド側に位置する部位の断面積よりも小さい構造を有することを特徴とする。

本発明の一態様に係る光半導体素子は、前記電極パッドから前記導体配線を介する通電により前記発熱抵抗体で熱が発生する際、前記光導波層の加熱に寄与しない熱拡散を抑制する断熱構造を備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光半導体素子は、前記断熱構造は、前記光導波層の側部に設けられたトレンチ構造を含み、前記導体配線は、前記トレンチ構造の上部に配置されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光半導体素子は、前記トレンチ構造の内部には、樹脂が設けられていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光半導体素子は、前記導体配線は、前記トレンチ構造の上部に配置された部分が前記樹脂によって支持されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光半導体素子は、前記断熱構造は、前記光導波層よりも下部に、熱伝導率が前記クラッド部の熱伝導率よりも低い高熱抵抗層を有することを特徴とする。

本発明の一態様に係る光半導体素子は、前記高熱抵抗層は、空隙であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光半導体素子は、前記高熱抵抗層は、前記クラッド部を構成する半導体材料とは異なる半導体材料により構成されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光半導体素子は、前記高熱抵抗層は、樹脂により構成されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光半導体素子は、前記導体配線の電気抵抗は、前記発熱抵抗体の電気抵抗に比べて低いことを特徴とする。

本発明の一態様に係る光半導体素子は、前記導体配線は、前記電極パッドから前記発熱抵抗体との接続部に向けて延在するに連れて、断面積が連続的に小さくなる構造を有することを特徴とする。

本発明の一態様に係る光半導体素子は、前記導体配線は、前記電極パッドから前記発熱抵抗体との接続部に向けて延在するに連れて、断面積が段階的に小さくなる構造を有することを特徴とする。

本発明の一態様に係る集積型半導体レーザは、前記光半導体素子を含むことを特徴とする。

本発明によれば、熱抵抗体で生じる熱によって光導波層を効率よく加熱することができる光半導体素子および集積型半導体レーザを提供することができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る光半導体素子の構造を示す模式図である。 図２は、実施の形態２に係る光半導体素子の構造を示す模式図である。 図３は、実施の形態２の変形例１における光半導体素子の構造を示す模式図である。 図４は、実施の形態２の変形例２における光半導体素子の構造を示す模式図である。 図５は、実施の形態２の変形例３における光半導体素子の構造を示す模式図である。 図６は、実施の形態３に係る光半導体素子の構造を示す模式図である。 図７は、実施の形態４に係る光半導体素子の構造を示す模式図である。 図８は、実施の形態４に係る光半導体素子の斜視図を示す模式図である。 図９は、図８に示すＡ矢視の構造を示す模式図である。 図１０は、図８に示すＢ矢視の構造を示す模式図である。 図１１は、図８に示す光半導体素子の上面図を示す模式図である。 図１２は、図１１に示すＣ−Ｃ線断面を模式的に示す断面図である。 図１３は、図１１に示すＤ−Ｄ線断面を模式的に示す断面図である。 図１４は、実施の形態５に係る光半導体素子の構造を示す模式図である。 図１５は、実施の形態６に係る光半導体素子を含む集積型半導体レーザを示す模式図である。 図１６は、実施の形態６に係る光半導体素子をＤＢＲに適用した場合の構成例を示す模式図である。 図１７は、実施の形態６に係る光半導体素子をリング共振器に適用した場合の構成例を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載においては、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る光半導体素子を示す模式図である。図１に示すように、光半導体素子１は、基板２と、基板２の上部に形成された光導波路構造１０とを備えている。基板２は、例えばＩｎＰからなる半導体基板である。

光導波路構造１０は、光導波路として機能する半導体構造であって、埋め込み構造を有する。この光導波路構造１０は、コア層である光導波層１１と、半導体材料からなるクラッド部とを有する。このクラッド部は、光導波層１１の下部に設けられた下部クラッド層１２と、光導波層１１の上部に設けられた上部クラッド層１３とを含む。図１に示すように、光導波路構造１０は、基板２上に位置する下部クラッド層１２と、下部クラッド層１２の上に位置する光導波層１１と、光導波層１１の上に位置する上部クラッド層１３と、を有する。光導波層１１はクラッド部の内部をＹ方向に沿って延在している。

また、光半導体素子１は、光導波路構造１０の上部に配置されたヒータ３と、二つの電極パッド４と、ヒータ３および電極パッド４と電気的に接続された導体配線５と、を備えている。ヒータ３は、発熱抵抗体であり、光導波路構造１０に含まれる光導波層１１の温度を変化させるための局所加熱用のヒータである。電極パッド４および導体配線５は、ヒータ３を通電させるための構成である。

図１に示すように、ヒータ３は、光導波路構造１０のうち光導波層１１の上部に配置されている。光導波層１１が延在するＹ方向に沿ってヒータ３は所定長さに形成されている。ヒータ３は、光導波路構造１０の上部において、光導波層１１の所定の部分に沿うように延在している。このヒータ３は例えばＮｉＣｒ等からなるマイクロヒータである。

電極パッド４は、基板２上に設けられた積層部６上に配置されている。積層部６は半導体材料からなる半導体層である。電極パッド４の位置は、下部に光導波層１１が設けられていない位置となる。導体配線５は、電極パッド４とヒータ３との間を電気的に接続する配線であり、電極パッド４からヒータ３に向けてＸ方向に延在している。この電極パッド４および導体配線５は例えばＴｉ、Ｐｔ、Ａｕなどの導電性材料からなる。

導体配線５は、ヒータ３との接続部付近では細い形状をしており、電極パッド４に近づくに連れて直線的に太くなる構造を有する。図１に示すように、導体配線５は太さが均一ではなく、Ｙ方向の長さ（幅）が連続的に短くなるテーパ状に形成されている。図１に示す例では、導体配線５の厚さ（Ｚ方向の長さ）は一定である。つまり、導体配線５の断面積について、ヒータ３の近傍に位置する部位５ａの断面積は、相対的に電極パッド４側に位置する部位５ｂの断面積よりも小さく構成されている。なお、この導体配線５の断面積は、図１に示すＹＺ平面での断面積である。

また、導体配線５の電気抵抗は、ヒータ３の電気抵抗よりも低く構成されている。さらに、ヒータ３は例えば幅３ｕｍ、厚さ０．５ｕｍ、長さ１００ｕｍ程度である。導体配線５の幅は、例えばヒータ３付近側で３ｕｍ程度、電極パッド４付近で２０ｕｍ程度のテーパ形状をしている。導体配線５の厚さは１ｕｍ程度で、配線長は３０ｕｍ程度である。電極パッド４は１００ｕｍ角程度である。

このように構成された光半導体素子１では、光導波路構造１０を備える波長選択要素の波長特性を制御するために、局所加熱用のヒータ３が設置されている。光導波路構造１０はメサ構造を含み、その上部にヒータ３が設けられている。そして、このヒータ３を発熱させることによって、ヒータ３で生じた熱が光導波路構造１０の内部を伝達し、光導波層１１の温度を変化させることができる。ヒータ３に通電させて発熱させることにより、光導波層１１に熱が伝わり、光導波層１１の屈折率が変化することにより、光導波層１１を伝搬する光の位相を変化させることができる。

以上説明した通り、実施の形態１によれば、導体配線５はヒータ３との接続部側が相対的に細くなる構造を有することによって、ヒータ３の近傍の部位５ａで熱抵抗を大きくすることができ、ヒータ３から導体配線５を経由した放熱（熱逃げ）を抑制することができる。これにより、ヒータ３で生じた熱の大部分が、ヒータ３の下部に位置する光導波層１１に伝達されることになり、ヒータ３で生じる熱によって光導波層１１を効率よく加熱することができる。

また、ヒータ３の電気抵抗よりも導体配線５の電気抵抗が低く設定されていることにより、光導波層１１を加熱するために投入した電力の大部分がヒータ３で消費されるようになり、ヒータ３で効率よく発熱されることになる。

仮に、従来構造のように導体配線が均一の太さである場合、導体配線を太くすることによって導体配線の電気抵抗を低くすることは可能であるが、同時に導体配線の熱抵抗も低くなるため、ヒータ３から導体配線へと熱が逃げ易くなってしまう。つまり、ヒータ３から光導波層１１に向けた熱の伝達が減少してしまう。これに対して、上述した実施の形態１が有する構造によれば、導体配線５の電気抵抗はヒータ３の電気抵抗よりも低くすることができ、かつヒータ３との接続部付近の導体配線５は熱抵抗を高くすることができる。そのため、光半導体素子１によれば、ヒータ接続部側を経由する導体配線５への放熱（熱逃げ）を抑制することが可能となる。そして、導体配線５の電気抵抗がヒータ３の電極抵抗よりも低いために、ジュール熱の大部分がヒータ３で発生し、ヒータ３の発熱効率が高くなる。電極パッド４とヒータ３との電流経路は導体配線５に沿う一方、熱経路は導体配線５の方向だけでなく基板２側、すなわち光導波路構造１０側への流路がある。そのため、導体配線５は、相対的に温度上昇の大きくなるヒータ接続部付近では導体配線５の方向の熱流速（熱逃げ）を抑制し、温度上昇の小さい電極パッド４付近では導体配線５による熱逃げの影響が低いため、熱流速をあまり考慮せず、導体配線５を太くして抵抗を調整することができる。そのため、従来構造のように均一な太さの導体配線で起こりうる電気抵抗と熱抵抗とのトレードオフという課題は、この実施の形態１に係る光半導体素子１により解消することが可能となる。なお、この実施の形態１において、導体配線５の幅は直線的に変化しているが、この幅は曲線的に変化していてもよい。以降の実施の形態においても同様である。

（実施の形態２）
図２は、実施の形態２に係る光半導体素子の構造を示す模式図である。実施の形態２では、実施の形態１とは異なり、光導波層１１の側部にトレンチ構造が設けられている。なお、実施の形態２の説明では、実施の形態１と同様の構成については説明を省略し、その参照符号を引用する。

図２に示すように、実施の形態２に係る光半導体素子１Ａは、埋め込みメサ構造（ＢＨ導波路）を有する光導波路構造１０Ａを備え、光導波層１１Ａの側部にトレンチ構造２０が形成されている。光導波路構造１０Ａは、光導波層１１Ａと、下部クラッド層１２Ａと、上部クラッド層１３Ａとを備える。

トレンチ構造２０は、光導波層１１Ａに沿って両側の側部にＹ方向に延びて形成されている。図２に示すように、光導波層１１Ａの両側の側部に二本のトレンチ構造２０が設けられている。この光半導体素子１Ａでは、光導波層１１Ａが延在するＹ方向に沿ってヒータ３は所定長さに形成されている。図２に示すＹ方向の長さについて、トレンチ構造２０の長さはヒータ３の長さよりも長く形成されている。例えば、トレンチ構造２０は半導体層をエッチングにより形成され、幅が１０ｕｍ程度、深さが５ｕｍ程度である。導体配線５はトレンチ構造２０の上部に配置されている。ヒータ３の両側に設けられた電極に導体配線５が接続されている。また、光導波路構造１０Ａは、例えば幅３ｕｍ程度である。

このトレンチ構造２０を有する光半導体素子１Ａは、実施の形態１のようにトレンチがない構造に比べて、光導波路構造１０Ａの断熱性が高い構造となる。つまり、トレンチ構造２０は断熱構造として機能するものであり、ヒータ３で熱が発生した際に、光導波層１１Ａの加熱に寄与しない熱拡散を抑制する機能を発揮する。

以上説明した通り、実施の形態２によれば、光導波層１１Ａの側部にトレンチ構造２０を有することによって、光導波路構造１０Ａ側での断熱性（Ｘ方向両側での熱抵抗）を高くするができる。これにより、光導波路構造１０Ａ側でヒータ３の熱が光導波層１１Ａの加熱に寄与しない熱拡散を抑制することができるとともに、導体配線５の断面積がヒータ接続部側で小さいことにより、ヒータ３から導体配線５へと放熱が生じることを抑制できる。

トレンチ構造２０によって光導波路構造１０ＡのＸ方向への熱拡散を抑制することができるという意味合いで、トレンチ構造２０は光導波路構造１０Ａに対する断熱構造として機能する。そして、トレンチ構造２０により光導波路構造１０Ａの断熱性が向上することにより、ヒータ接続部から導体配線５を経由する放熱を抑制することが重要となる。この点、導体配線５はヒータ接続部側の断面積が電極パッド４側の断面積よりも小さい構造を有することにより、ヒータ３から導体配線５へと熱が伝達すること（熱逃げ）を抑制できる。そのため、光導波路構造１０Ａではヒータ３で生じた熱によって光導波層１１Ａを効率よく加熱することができる。

（実施の形態２の変形例）
（変形例１）
図３は、実施の形態２の変形例１における光半導体素子の構造を示す模式図である。図３に示すように、実施の形態２の変形例１における光半導体素子１Ａでは、ハイメサ構造（ハイメサ導波路）を有する光導波路構造１０Ｂを備えている。光導波路構造１０Ｂは、光導波層１１Ｂと、下部クラッド層１２Ｂと、上部クラッド層１３Ｂとを有する。この光導波路構造１０Ｂは例えば幅２ｕｍ程度である。このハイメサ構造では、光導波層１１Ｂの側面がトレンチ構造２０により形成されており、光導波層１１Ｂの側面とトレンチ構造２０との屈折率の差が大きい構造となる。このように、ハイメサ構造に構成された光導波路構造１０Ｂにも、導体配線５の構成を適用することが可能である。この変形例１によれば、上述した実施の形態２と同様に、光導波層１１Ｂを加熱するためにヒータ３で熱を生じる際、ヒータ接続部側から導体配線５への放熱（熱逃げ）を抑制することができる。

（変形例２）
図４は、実施の形態２の変形例２における光半導体素子の構造を示す模式図である。図４に示すように、この変形例２における光半導体素子１Ａでは、導体配線５Ａが、電極パッド４側の部位５ｂからヒータ接続部側の部位５ａに向けて段階的に幅（Ｙ方向の長さ）が細くなる構造を有する。すなわち、導体配線５Ａは、ヒータ３との接続部付近では幅が細く、電極パッド４に近づくに連れて段階的に幅が太くなる構造を有する。この導体配線５Ａはトレンチ構造２０の上部に配置されている。ヒータ３は光導波路構造１０Ａの上に設けられたマイクロヒータである。

導体配線５Ａの熱逃げは、温度の高いヒータ接続部に近い部分に位置する部位５ａによる影響が大きく、温度の低い電極パッド４に近づくに連れて導体配線５Ａの熱逃げの影響は小さくなる。ここで、熱逃げについて、図４に示す構造の導体配線５Ａと図１に示す構造の導体配線５とを比較する。図４に示す導体配線５Ａでは、部位５ａの幅がヒータ接続部に近い位置でＸ方向に所定長さに亘り細い幅を維持する。これに対し、図１に示す導体配線５では、部位５ａの幅がヒータ接続部に近い位置から徐々に広がる。そのため、同じ抵抗設計であり、かつ部位５ａの端（ヒータ３側の先端部）と部位５ｂの端（電極パッド４側の末端部）の断面設計が同じ場合には、図４に示す導体配線５Ａの方が図１に示す導体配線５よりも熱逃げ抑制効果が大きくなる。また、従来構造のような導体配線幅が固定されている構造に比べて、図４に示す構造は、導体配線５Ａの幅の設計自由度が高く、導体配線５Ａ全体の電気抵抗はヒータ３の電気抵抗に比べて低いことも満たすことが可能となる。また、導体配線５Ａの構造は、実施の形態２における埋め込みメサ構造の光導波路構造１０Ａだけでなく、上述した変形例１におけるハイメサ構造の光導波路構造１０Ｂにも同様に適用でき、導体配線５Ａからの熱逃げを抑制する効果が期待される。さらに、導体配線５Ａの構造は、トレンチがない構造である実施の形態１における光導波路構造１０にも適用可能である。

例えば、ヒータ３は幅３ｕｍ、厚さ０．５ｕｍ、長さ１００ｕｍ程度である。電極パッド４は１００ｕｍ角程度で、厚さ１ｕｍ程度である。導体配線５Ａは、例えばヒータ３付近側で幅３ｕｍ程度、長さ１０ｕｍ程度、導体配線５Ａの中心付近は幅１０ｕｍ程度、長さ１０ｕｍ程度、電極パッド４付近で幅２０ｕｍ程度、長さ１０ｕｍ程度のピラミッド形状をしている。図４に示す導体配線５Ａの構造では、ヒータ３側の部位５ａは幅１０ｕｍ程度、電極パッド４側の部位５ｂは幅２０ｕｍ程度である。また、導体配線５Ａの厚さは全て１ｕｍ程度である。なお、幅はＹ方向の長さ、厚さはＺ方向の長さ、長さはＸ方向の長さである。また、この実施の形態２の変形例２では導体配線５Ａの幅は２段階で変化しているが、この幅は３段以上の多段に変化してもよい。

（変形例３）
図５は、実施の形態２の変形例３における光半導体素子の構造を示す模式図である。図５に示すように、この変形例３における光半導体素子１Ａでは、導体配線５Ｂが、ヒータ接続部付近の部位５ａでは幅が細くかつ厚さの薄い形状をしており、電極パッド４Ａに近づくに連れて直線的に幅が太くかつ厚くなる構造を有する。すなわち、導体配線５Ｂは、ヒータ３との接続部付近では幅および厚さが小さく、電極パッド４Ａに近づくに連れて連続的に幅および厚さが大きくなる構造を有する。電極パッド４Ａの厚さは、上述した変形例１等の電極パッド４の厚さよりも厚く形成されている。例えば、電極パッド４Ａは厚さ１ｕｍ程度である。

例えば、フォトリソグラフィにより導体配線５Ｂをパターニングし、導体配線５Ｂをスパッタリング等により成膜すると、細い配線箇所は成膜金属がパターニング箇所に入り込みにくくなるため、太い配線パターン箇所と比べて薄く成膜され、図６に示す導体配線５Ｂの構造が作製可能となる。導体配線５Ｂは、例えばヒータ付近側で幅３ｕｍ、厚さ０．５ｕｍ程度であり、電極パッド４Ａ付近で幅２０ｕｍ、厚さ１ｕｍ程度のテーパ形状をしている。また、導体配線５Ｂの長は３０ｕｍ程度である。

このように、変形例３における導体配線５Ｂの構造により、導体配線５Ｂの熱逃げの影響を幅方向のみならず、厚さ方向でも制限することが可能である。導体配線５Ｂのパターニング幅はフォトリソグラフィの特性上、狭くても数ｕｍ程度に制限されてしまうものの、熱逃げは導体配線５Ｂの断面積に対して効いてくる。そのため、導体配線５Ｂの構造によれば、導体配線５Ｂの厚さ方向に対してヒータ接続部付近の部位５ａを薄くすることで導体配線５Ｂからの熱逃げを抑制する効果がより一層発揮されることになる。また、従来構造のように導体配線断面構造が固定されている構造に比べて、この変形例３における導体配線５Ｂの構造は、配線断面の設計自由度が高く、導体配線５Ｂ全体の電気抵抗はヒータ３の電気抵抗に比べて低いことも満たすことが可能となる。

（実施の形態３）
図６は、実施の形態３に係る光半導体素子の構造を示す模式図である。実施の形態３では、実施の形態２とは異なり、トレンチ構造２０の内部に樹脂が設けられている。なお、実施の形態３の説明では、実施の形態２と同様の構成については説明を省略し、その参照符号を引用する。

図６に示すように、実施の形態３に係る光半導体素子１Ｂは、光導波路構造１０Ａを備え、光導波層１１Ａの側部に形成されたトレンチ構造２０の内部に、絶縁性を有する樹脂７が設けられた構造を有する。トレンチ構造２０内が樹脂７で埋められている。導体配線５は樹脂７によって支持されている。

この実施の形態３によれば、トレンチ構造２０内の樹脂７は光導波路構造１０Ａや導体配線５に比べて十分に熱抵抗が高いため、ヒータ３から導体配線５への放熱を抑制でき、かつ絶縁性の樹脂７により導体配線５が支持されているため、機械的強度が上がる。つまり、トレンチ構造２０の内部に樹脂７を設けた構造は、高熱抵抗構造として機能する。そのうえで、光導波路構造１０Ａ上のヒータ３の発熱に対する樹脂７での断熱効果の向上と、樹脂７よる機械的強度の向上とが図れる。

（実施の形態４）
次に、図７〜図１３を参照して、実施の形態３における光半導体素子について説明する。実施の形態３では、上述した各実施の形態とは異なり、光導波路構造と基板との間に、ヒータの熱が光導波路構造から基板に伝達することを抑制するための高熱抵抗層を有する。なお、実施の形態３の説明では、実施の形態２と同様の構成については説明を省略し、その参照符号を引用する。

図７に示すように、実施の形態４に係る光半導体素子１Ｃでは、光導波路構造１０Ｃの周辺にトレンチ構造２０を形成した上で、光導波路構造１０Ｃと基板２との間に空隙Ｓが形成されている。空隙Ｓは厚さ方向のギャップである。光導波路構造１０Ｃは、空隙Ｓの上方に配置された下部クラッド層１２Ｃと、光導波層１１Ｃと、上部クラッド層１３Ｃとを有する。積層部６と基板２との間には、犠牲層８が設けられている。空隙Ｓは、犠牲層８を除去したことにより形成された構造である。

例えば、光導波路構造１０Ｃの側面には保護膜（パッシベーション膜）を形成し、下部クラッド層１２Ｃと基板２との間に犠牲層８を設けており、保護膜や光導波層１１Ｃよりも犠牲層８の方がエッチングレートの高いエッチング液を用いることで、犠牲層８のみがエッチングされて下部クラッド層１２Ｃと基板２との間に、空隙Ｓが形成されている。犠牲層８は、例えばＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓなどの半導体混晶材料からなる。犠牲層８の厚さは例えば０．３μｍである。また、保護膜には、光導波層１１Ｃ、下部クラッド層１２Ｃ、および上部クラッド層１３Ｃよりも屈折率が低い材料、例えばＳｉＮ等を用いる。この保護膜の厚さは例えば０．３μｍである。

ただし、光導波路構造１０Ｃ下の犠牲層８全てがエッチングされているわけではなく、光導波路構造１０Ｃを支持するために、Ｙ方向においてヒータ３から離れた箇所でパターニングにより犠牲層８を残している。例えば、図８に示すように、トレンチ構造２０は、ヒータ３が配置された位置に対応して形成されているため、Ｙ方向に有限の長さとなっている。そのため、Ｙ方向でトレンチ構造２０から離れた位置では、光導波路構造１０Ｃ下の犠牲層８がエッチングされずに残っている（図示せず）。また、図８〜図１３に示す構造の光半導体素子１Ｃでは、積層部６と光導波路構造１０Ｃとが一体的に形成された構造を有し、積層部６が犠牲層８の上に支持された構造となっている。

この実施の形態４における空隙Ｓを有する光導波路構造１０Ｃでは、空隙Ｓによって、下部クラッド層１２Ｃと基板２との間に空気層が形成される。空気の方が半導体材料よりも熱伝導率が大幅に小さい。つまり、空隙Ｓからなる空気層は高熱抵抗層となる。そのため、空隙Ｓのない構造に比べて、空隙Ｓを有する光半導体素子１Ｃは高熱抵抗な光導波路構造１０Ｃとなる。そして、光導波路構造１０Ｃ側の熱抵抗を高くすることにより、導体配線５からの熱逃げを抑制することがより重要となるため、光導波路構造１０Ｃの高熱抵抗化により、導体配線５の構造による放熱抑制効果がより一層有効となる。

なお、図示しないが、実施の形態４の変形例として、光導波層１１Ｂとトレンチ構造２０とが一体の構造となっているハイメサ構造の光導波路構造１０Ｂにも同様に適用でき、導体配線５からの熱逃げを抑制する効果が得られる。

（実施の形態５）
図１４は、実施の形態５に係る光半導体素子の構造を示す模式図である。実施の形態５では、下部クラッド層と基板２との間に高熱抵抗層を有する構造である点では上述した実施の形態４と同様であるが、高熱抵抗層の構成が実施の形態４とは異なる。なお、実施の形態５の説明では、実施の形態４と同様の構成については説明を省略し、その参照符号を引用する。

図１４に示すように、実施の形態５に係る光半導体素子１Ｄは、下部クラッド層１２Ｄと基板２との間に、半導体材料からなる高熱抵抗層９を有する。光導波路構造１０Ｄは、高熱抵抗層９の上に配置された、下部クラッド層１２Ｄと、光導波層１１Ｄと、上部クラッド層１３Ｄとを有する。つまり、高熱抵抗層９によって光導波路構造１０Ｄが支持されている。

ここで、光半導体素子１Ｄの製造方法について説明する。例えば、上述した実施の形態４に係る光半導体素子１Ｃの構造作製に用いていた犠牲層８が、下部クラッド層１２Ｄを構成する半導体材料よりも高い熱抵抗を有する半導体材料である。この犠牲層８を、積層部６と基板２との間だけでなく、下部クラッド層１２Ｄと基板２との間にも残した構造をしているものが実施の形態５に係る光半導体素子１Ｄである。この場合に、残存する犠牲層８が、図１４に示す高熱抵抗層９となる。その結果、高熱抵抗層９を構成する半導体材料は、下部クラッド層１２Ｄを構成する半導体材料とは異なるとともに、その熱伝導率も異なる。

このように、実施の形態５における光半導体素子１Ｄの構造は、高熱抵抗層９（犠牲層）が無い光導波路構造１０Ａに比べて熱抵抗が高いため、光導波路構造１０Ｄから基板２へと熱が逃げることを抑制することが可能となる。すなわち、高熱抵抗層９によって光導波路構造１０Ｄが高熱抵抗化される。そのため、導体配線５からの熱逃げ抑制効果がより一層有効となり、配線構造による断熱効果が高まる。加えて、光導波路構造１０Ｄは半導体層である高熱抵抗層９により支持されているため、光半導体素子１Ｄの機械的強度も確保されている。

（実施の形態６）
実施の形態６は、集積型半導体レーザに適用した構成例である。図１５は、実施の形態６に係る集積型半導体レーザの構成を示す模式図である。集積型半導体レーザ１００は、共通の基板１０２上に形成された、第１光導波路部１１０と第２光導波路部１２０とを備えている。集積型半導体レーザ１００はレーザ発振し、レーザ光Ｌ１を出力するように構成されている。基板１０２は例えばｎ型ＩｎＰからなる。なお、基板１０２の裏面にはｎ側電極１３０が形成されている。ｎ側電極１３０は、例えばＡｕＧｅＮｉを含んで構成され、基板１０２とオーミック接触する。

第１光導波路部１１０は、光導波路１１１と、積層部１１２と、ｐ側電極１１３と、Ｔｉからなるマイクロヒータ１１４と、２つの電極パッド１１５と、テーパ形状の導体配線１１６とを備えている。第１光導波路部１１０は埋め込み構造を有する。光導波路１１１は積層部１１２内にＹ方向に延伸するように形成されている。積層部１１２は光導波路１１１に対してクラッド部の機能等を備える。

ｐ側電極１１３は、積層部１１２上において、光導波路１１１の所定の部分に沿うように配置されている。なお、積層部１１２には後述するＳｉＮ保護膜が形成されており、ｐ側電極１１３はＳｉＮ保護膜に形成された開口部を介して積層部１１２に接触している。マイクロヒータ１１４は、積層部１１２のＳｉＮ保護膜上において、光導波路１１１の所定の部分に沿うように配置されている。各電極パッド１１５は、積層部１１２のＳｉＮ保護膜上に配置され、導体配線１１６を介してマイクロヒータ１１４と電気的に接続している。マイクロヒータ１１４は、各電極パッド１１５から導体配線１１６を介して電流を供給されることによって発熱する。

第２光導波路部１２０は、２分岐部１２１と、２つのアーム部１２２、１２３と、リング状導波路（リング共振器）１２４と、ＮｉＣｒ等からなるマイクロヒータ１２５とを備えている。

２分岐部１２１は、１×２型の多モード干渉型（ＭＭＩ）導波路１２１ａを含む１×２型の分岐型導波路で構成され、２ポート側が２つのアーム部１２２、１２３のそれぞれに接続されるとともに１ポート側が第１光導波路部１１０側に接続されている。２分岐部１２１により、２つのアーム部１２２、１２３は、その一端が統合され、回折格子層１４（図１６に示す）と光学的に結合される。

アーム部１２２、１２３は、いずれもＹ方向に延伸し、リング状導波路１２４を挟むように配置されている。アーム部１２２、１２３はリング状導波路１２４と近接し、いずれも同一の結合係数κでリング状導波路１２４と光学的に結合している。κの値は例えば０．２である。アーム部１２２、１２３とリング状導波路１２４とは、リング共振器フィルタＲＦ１を構成している。また、リング共振器フィルタＲＦ１と２分岐部１２１とは、反射ミラーＭ１を構成している。マイクロヒータ１２５はリング状であり、リング状導波路１２４を覆うように形成されたＳｉＮ保護膜上に配置されている。マイクロヒータ１２５は、電流を供給されることによって発熱し、リング状導波路１２４を加熱する。供給される電流量を変化させることによってリング状導波路１２４の温度が変化し、その屈折率が変化する。

２分岐部１２１、アーム部１２２、１２３、リング状導波路１２４は、いずれも、ＧａＩｎＡｓＰからなる光導波層１２０ａが下部クラッド層と上部クラッド層とによって挟まれたハイメサ構造を有している。

また、アーム部１２３の一部のＳｉＮ保護膜上には、マイクロヒータ１２６が配置されている。アーム部１２３のうちマイクロヒータ１２６の下方の領域は、光の位相を変化させる位相調整部１２７として機能する。マイクロヒータ１２６は、電流を供給されることによって発熱し、位相調整部１２７を加熱する。供給される電流量を変化させることによって位相調整部１２７の温度が変化し、その屈折率が変化する。なお、このマイクロヒータ１２６を上述したヒータ３に変更して、電極パッド４および導体配線５の構造を適用することも可能である。

第１光導波路部１１０と第２光導波路部１２０は、互いに光学的に接続された一組の波長選択要素である回折格子層と反射ミラーＭ１とにより構成される、光共振器Ｃ１を構成している。

この集積型半導体レーザ１００は、周期的な波長特性を有するＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）およびリング共振器を有し、その波長特性をヒータの発熱量で制御することによりバーニア型の波長可変レーザとして動作する。これらに含まれる光導波層を有するヒータ用導体配線構造の模式図を図１６と図１７とに示す。

図１６は、実施の形態６に係る光半導体素子をＤＢＲに適用した場合の構成例を示す模式図である。図１６に示すように、光半導体素子１Ｅは、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）型の回折格子層１４を、埋め込みメサ構造に形成された光導波路構造１０Ｅにおける光導波層１１Ｅの上部に設けた構造を有する。この光半導体素子１Ｅは、図１５に示す第１光導波路部１１０にトレンチ構造２０を設けるなど、埋め込みメサ構造および導体配線構造を適用したものである。なお、図１５には、トレンチ構造２０が図示されていない。

光導波路構造１０Ｅは、基板１０２の上に配置された下部クラッド層１２Ｅと、光導波層１１Ｅと、回折格子層１４と、上部クラッド層１３Ｅとを有する。この光導波路構造１０Ｅ上に、ヒータ１１４Ａが配置されている。ヒータ１１４Ａは、導体配線１１６を介して電極パッド１１５Ａと電気的に接続されている。導体配線１１６は、トレンチ構造２０の上部に配置されており、ヒータ接続部側の部位１１６ａが電極パッド１１５Ａ側の部位１１６ｂよりも細い（断面積が小さい）構造を有する。電極パッド１１５Ａは、積層部１１２上に配置されている。例えば、ヒータ１１４Ａは幅３ｕｍ、厚さ０．５ｕｍ、長さ５００ｕｍ程度である。また、回折格子層１４は、長さ５００ｕｍ程度である。

図１７は、実施の形態６に係る光半導体素子をリング共振器に適用した場合の構成例を示す模式図である。図１７に示すように、光半導体素子１Ｆは、ハイメサ構造を有する光導波路構造１０Ｆにより構成されたリング共振器構造のリング状導波路１２４Ａを備える。光導波路構造１０Ｆは、リング状の光導波層１１Ｆと、下部クラッド層１２Ｆと、上部クラッド層１３Ｆとを有する。このリング状の光導波路構造１０Ｆの上に、ヒータ１２５Ａが配置されている。ヒータ１２５Ａは、導体配線５を介して電極パッド４と電気的に接続されている。この導体配線５は、アーム部１２２の側部に形成されたトレンチ構造２０の上方に配置されている。例えば、ヒータ１２５Ａは幅３ｕｍ、厚さ０．５ｕｍ、長さ１００ｕｍ程度である。

実施の形態６に係る集積型半導体レーザ１００によれば、高効率なヒータを用いているので、波長可変動作のために必要なヒータの消費電力を抑制でき、低消費電力な波長可変レーザとして用いることができる。

このように、本発明に係る導体配線の構造は、半導体の光導波路のみならず、図１６に示すＤＢＲや、図１７に示すリング共振器を有する集積型半導体レーザ１００にも適用可能である。そして、集積型半導体レーザ１００において、ヒータから導体配線を経由した熱逃げを抑制することが可能となる。なお、図１６に示す構造は、埋め込みメサ構造（ＢＨ導波路）だけでなく、ハイメサ構造（ハイメサ導波路）にも適用でき、配線熱逃げを抑制する効果が期待される。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ 光半導体素子
２ 基板
３、１１４Ａ、１２５Ａ ヒータ
４、４Ａ、１１５Ａ、 電極パッド
５、５Ａ、５Ｂ、１１６ 導体配線
５ａ、５ｂ 部位
６、１１２ 積層部
７ 樹脂
８ 犠牲層
９ 高熱抵抗層
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ 光導波路構造
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ、１１Ｆ 光導波層
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ、１２Ｆ 下部クラッド層
１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ、１３Ｆ 上部クラッド層
２０ トレンチ構造
１００ 集積型半導体レーザ
１２５、１２６ マイクロヒータ
１１５ 電極パッド
１２２、１２３ アーム部
１２４Ａ リング状導波路
Ｃ１ 光共振器
Ｌ１ レーザ光
Ｍ１ 反射ミラー
ＲＦ１ リング共振器フィルタ
Ｓ 空隙

Claims (13)

1. 基板と、
   前記基板よりも上部に形成された光導波層とクラッド部とを有する光導波路構造と、
   前記光導波路構造と熱的に接続された発熱抵抗体と、
   前記発熱抵抗体に電気的に接続された導体配線と、
   前記導体配線に電気的に接続された電極パッドと、
   を備え、
   前記導体配線は、前記発熱抵抗体の近傍に位置する部位の断面積が、前記電極パッド側に位置する部位の断面積よりも小さい構造を有する
   ことを特徴とする光半導体素子。
2. 前記電極パッドから前記導体配線を介する通電により前記発熱抵抗体で熱が発生する際、前記光導波層の加熱に寄与しない熱拡散を抑制する断熱構造を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。
3. 前記断熱構造は、前記光導波層の側部に設けられたトレンチ構造を含み、
   前記導体配線は、前記トレンチ構造の上部に配置されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の光半導体素子。
4. 前記トレンチ構造の内部には、樹脂が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の光半導体素子。
5. 前記導体配線は、前記トレンチ構造の上部に配置された部分が前記樹脂によって支持されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の光半導体素子。
6. 前記断熱構造は、前記光導波層よりも下部に、熱伝導率が前記クラッド部の熱伝導率よりも低い高熱抵抗層を有する
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の光半導体素子。
7. 前記高熱抵抗層は、空隙であることを特徴とする請求項６に記載の光半導体素子。
8. 前記高熱抵抗層は、前記クラッド部を構成する半導体材料とは異なる半導体材料により構成されている
   ことを特徴とする請求項６に記載の光半導体素子。
9. 前記高熱抵抗層は、樹脂により構成されていることを特徴とする請求項６に記載の光半導体素子。
10. 前記導体配線の電気抵抗は、前記発熱抵抗体の電気抵抗に比べて低い
    ことを特徴とする請求項１から９のうちのいずれか一項に記載の光半導体素子。
11. 前記導体配線は、前記電極パッドから前記発熱抵抗体との接続部に向けて延在するに連れて、断面積が連続的に小さくなる構造を有する
    ことを特徴とする請求項１から１０のうちのいずれか一項に記載の光半導体素子。
12. 前記導体配線は、前記電極パッドから前記発熱抵抗体との接続部に向けて延在するに連れて、断面積が段階的に小さくなる構造を有する
    ことを特徴とする請求項１から１０のうちのいずれか一項に記載の光半導体素子。
13. 請求項１から１２のうちのいずれか一項に記載の光半導体素子を含む集積型半導体レーザ。

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