JP2021057517A - 波長可変レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents

波長可変レーザ素子およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】安定した波長可変特性および狭スペクトル線幅を得ることが可能な波長可変レーザ素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】シリコンを含み、導波路１１を有する基板１０と、前記基板に接合され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の活性層３０を含む第１半導体素子２０と、前記基板に接合され、前記第１半導体素子が出射する光の伝搬方向において前記第１半導体素子に対向し、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の回折格子６０を含む第２半導体素子４０と、を具備し、前記回折格子は前記光の波長を選択する波長可変レーザ素子１００。【選択図】図１

Description

本発明は波長可変レーザ素子およびその製造方法に関するものである。
化合物半導体基板から取得した発光素子などを含む小片と、導波路を形成したＳＯＩ（Silicon On Insulator、シリコン・オン・インシュレータ）基板とを接合し、光半導体素子を製造する、シリコンフォトニクスが知られている（例えば非特許文献１）。
Minh A.Tran et al., "Multi-Ring Mirror-Based Narrow-Linewidth Widely-Tunable Lasers in Heterogeneous Silicon Photonics", 2018 European Conference on Optical Communication (ECOC), Tu1C.5, DOI: 10.1109/ECOC.2018.8535537.
ＳＯＩ基板には例えばシリコン（Ｓｉ）で導波路および共振器を形成する。小片が出射する光を導波路で伝搬させ、共振器により光の波長を選択する。しかし導波路および共振器において二光子吸収が発生し、ＳＯＩ基板の屈折率が変動することがある。これにより、共振器で選択される発振波長のシフト、およびスペクトル線幅の増大などが発生し、所望の波長可変レーザ特性を得ることが困難となる。そこで、安定した波長可変特性および狭スペクトル線幅が得られる波長可変レーザ素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る波長可変レーザ素子は、シリコンを含み、導波路を有する基板と、前記基板に接合され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の活性層を含む第１半導体素子と、前記基板に接合され、前記第１半導体素子が出射する光の伝搬方向において前記第１半導体素子に対向し、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の回折格子を含む第２半導体素子と、を具備し、前記回折格子は前記光の波長を選択するものである。
本発明に係る波長可変レーザ素子の製造方法は、シリコンを含み、導波路を有する基板に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の活性層を含む第１半導体素子を接合する工程と、前記基板のうち、光の方向に沿って前記第１半導体素子に対向する位置に、第２半導体素子を接合する工程と、前記第２半導体素子に、前記光の波長を選択するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の回折格子を形成する工程と、を有する。
上記発明によれば、安定した波長可変特性および狭スペクトル線幅が得られる。
図１（ａ）は実施例１に係る波長可変レーザ素子を例示する平面図であり、図１（ｂ）は波長可変レーザ素子を例示する断面図であり、図１（ｃ）は回折格子の拡大図である。 図２（ａ）および図２（ｂ）は波長可変レーザ素子の製造方法を例示する断面図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は波長可変レーザ素子の製造方法を例示する断面図である。 図４は波長可変レーザ素子の製造方法を例示する平面図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は波長可変レーザ素子の製造方法を例示する断面図である。 図６は波長可変レーザ素子の製造方法を例示する断面図である。 図７（ａ）は波長可変レーザ素子の製造方法を例示する平面図であり、図７（ｂ）は波長可変レーザ素子の製造方法を例示する断面図である。 図８（ａ）から図８（ｃ）は波長可変レーザ素子の製造方法を例示する断面図である。 図９（ａ）は波長可変レーザ素子の製造方法を例示する平面図であり、図９（ｂ）は波長可変レーザ素子の製造方法を例示する断面図である。 図１０（ａ）は波長可変レーザ素子の製造方法を例示する平面図であり、図１０（ｂ）は波長可変レーザ素子の製造方法を例示する断面図である。 図１１（ａ）は波長可変レーザ素子の製造方法を例示する平面図であり、図１１（ｂ）は波長可変レーザ素子の製造方法を例示する断面図である。
[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。
本願発明の一形態は、（１）シリコンを含み、導波路を有する基板と、前記基板に接合され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の活性層を含む第１半導体素子と、前記基板に接合され、前記第１半導体素子が出射する光の伝搬方向において前記第１半導体素子に対向し、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の回折格子を含む第２半導体素子と、を具備し、前記回折格子は前記光の波長を選択する波長可変レーザ素子である。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成された回折格子では二光子吸収が起こりにくい。このため安定した波長可変レーザ特性が得られる。
（２）前記回折格子は、前記導波路の延伸方向に沿って、前記第１半導体素子の側から順に並ぶ第１部分回折格子、第２部分回折格子、および反射部を含み、前記第１部分回折格子および前記第２部分回折格子は前記光の波長を選択し、前記反射部は前記選択された波長の光を反射してもよい。第１部分回折格子および第２部分回折格子のバーニア効果により光の波長を制御する。反射部は当該波長の光を反射する。第１部分回折格子、第２部分回折格子および反射部で二光子吸収が起こりにくい。したがって安定した波長可変レーザ特性が得られる。
（３）前記第１部分回折格子は複数の第３部分回折格子を含み、前記第２部分回折格子は複数の第４部分回折格子を含み、隣り合う前記第３部分回折格子の間隔は、隣り合う前記第４部分回折格子の間隔と異なってもよい。第１部分回折格子および第２部分回折格子のバーニア効果により光の波長を制御する。このため発振波長を安定して制御することができる。
（４）前記第２半導体素子は、順に積層され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成された第１半導体層および第２半導体層を有し、前記回折格子は、前記導波路の延伸方向に沿って並ぶ複数の前記第２半導体層を含んでもよい。第１半導体層および第２半導体層の光閉じ込めは弱いため、二光子吸収が抑制される。したがって安定した波長可変レーザ特性が得られる。
（５）前記第１半導体層および前記第２半導体層はインジウムおよびリンを含む化合物半導体で形成されてもよい。第１半導体層および第２半導体層の光閉じ込めは弱いため、二光子吸収が抑制される。したがって安定した波長可変レーザ特性が得られる。
（６）前記第１半導体素子は、第１電極、第２電極、順に積層された第３半導体層、前記活性層および第４半導体層を有し、前記第３半導体層は、前記導波路上に位置し、前記導波路の延伸方向に沿って先細りの第１テーパ部を有し、前記活性層および前記第４半導体層は、前記導波路上に位置し、前記導波路の延伸方向に沿って先細りの第２テーパ部を有し、前記第１テーパ部は前記第２テーパ部よりも長く、前記第１電極は前記第３半導体層の上に設けられ、前記第２電極は前記第４半導体層の上に設けられ、前記第２テーパ部の上には設けられなくてもよい。第１テーパ部および第２テーパ部により第１半導体素子と導波路との光結合が強くなる。第２テーパ部を短くすることで、第２電極が第２テーパ部の上に設けられなくとも光の吸収の影響を小さく抑えられる。
（７）前記第２半導体素子は、前記第１半導体素子に対向し、前記導波路上に位置し、前記導波路の延伸方向に沿って先細りの第３テーパ部を有してもよい。第２半導体素子と導波路との光結合が強くなる。
（８）前記基板は酸化シリコン層と前記酸化シリコン層の上に積層されたシリコン層とを含み、前記導波路は前記シリコン層で形成されてもよい。シリコンの光閉じ込めが強く、二光子吸収が起こりやすい。第２半導体素子の回折格子により波長を制御するため二光子吸収が抑制され、安定した波長可変レーザ特性が得られる。
（９）シリコンを含み、導波路を有する基板に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の活性層を含む第１半導体素子を接合する工程と、前記基板のうち、光の方向に沿って前記第１半導体素子に対向する位置に、第２半導体素子を接合する工程と、前記第２半導体素子に、前記光の波長を選択するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の回折格子を形成する工程と、を有する波長可変レーザ素子の製造方法である。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成された回折格子では二光子吸収が起こりにくい。このため安定した波長可変レーザ特性が得られる。
（１０）前記第１半導体素子を接合する工程および前記第２半導体素子を接合する工程は、等しい厚さの前記第１半導体素子および前記第２半導体素子を前記基板に接合する工程であり、前記回折格子を形成する工程は、前記第１半導体素子を接合する工程、および前記第２半導体素子を接合する工程の後に行われてもよい。第１半導体素子および第２半導体素子の厚さが等しいため、接合時に荷重が均等に加わり、接合強度が向上する。また、接合後に回折格子を形成し、リソグラフィにより回折格子と導波路とのアライメントを行うため、アライメントの精度が向上する。
［本願発明の実施形態の詳細］
本願発明の実施形態に係る波長可変レーザ素子およびその製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
（波長可変レーザ素子）
図１（ａ）は実施例１に係る波長可変レーザ素子１００を例示する平面図である。図１（ｂ）は波長可変レーザ素子１００を例示する断面図であり、導波路１１に沿った断面を図示する。なお、波長可変レーザ素子１００はＹ軸方向に沿って複数の導波路１１、小片２０および４０を含む。図１（ａ）および図１（ｂ）は１つの導波路１１付近を拡大している。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、波長可変レーザ素子１００は基板１０、小片２０（第１半導体素子）、および小片４０（第２半導体素子）を備える。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向は互いに直交する。Ｘ軸方向は小片２０と小片４０とが並ぶ方向である。ＸＹ平面に基板１０の表面は広がる。Ｚ軸方向は基板１０の法線方向である。
図１（ｂ）に示すように、基板１０は順に基板１２、酸化シリコン（ＳｉＯ２）層１４、Ｓｉ層１６を積層したＳＯＩ基板である。図１（ａ）に示すように、基板１０の表面には導波路１１、溝１３およびテラス１５が形成されている。導波路１１のＹ軸方向両側に溝１３が位置する。導波路１１、２つの溝１３の両側にテラス１５が位置する。導波路１１および溝１３はＸ軸方向に延伸する。導波路１１およびテラス１５は基板１０のうちＳｉ層１６で形成されている。溝１３ではＳｉＯ２層１４が露出してもよいし、導波路１１より薄いＳｉ層１６が位置してもよい。
小片２０および４０は基板１０の表面に接合されている。小片２０および４０それぞれの化合物半導体層については後述する。図１（ｂ）に示すように基板１０、小片２０および４０は絶縁膜１７に覆われる。絶縁膜１７は例えば厚さ１μｍの窒化シリコン（ＳｉＮ）などの絶縁体で形成され、図１（ａ）では絶縁膜１７を透視している。絶縁膜１７の屈折率は１．７８であり、他の層より低い。このため光を閉じ込めるクラッド層として機能する。
図１（ｂ）に示すように小片２０は、基板１０に近い側から順に積層されたダメージ緩和層３６、クラッド層３４、光閉じ込め層３２、活性層３０、光閉じ込め層２８、クラッド層２６、コンタクト層２４を有する。光閉じ込め層３２、活性層３０、光閉じ込め層２８、クラッド層２６、コンタクト層２４はメサ２１を形成する。ダメージ緩和層３６およびクラッド層３４はメサ２１よりも広い範囲に広がる。
図１（ａ）に示すように小片２０には電極２９および３１が設けられている。図１（ｂ）に示すように電極３１はオーミック電極３１ａおよび配線層３１ｂを有するｐ型の電極である。オーミック電極３１ａは例えばチタン、白金および金の積層体（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）である。オーミック電極３１ａはメサ２１の上であり、かつコンタクト層２４の上面に設けられる。配線層３１ｂは金（Ａｕ）などの金属で形成され、オーミック電極３１ａの上面からメサ２１の外側にかけて設けられる。電極２９はオーミック電極および配線層を有し、メサ２１から離間し、クラッド層３４の上面に設けられる。オーミック電極は例えば金、ゲルマニウムおよびＮｉの合金（ＡｕＧｅＮｉ）などの金属で形成され、配線層はＡｕなどの金属で形成される。
図１（ｂ）に示すように、小片４０は、基板１０に近い側から順に積層されたダメージ緩和層５６、クラッド層５４、コア層５２（第１半導体層）、回折格子層５０（第２半導体層）を有する。図１（ａ）に示すように１つの回折格子層５０はＹ軸方向に長く、Ｘ軸方向に短い矩形である。複数の回折格子層５０は導波路１１の上に位置し、Ｘ軸方向に並ぶパターンを形成する。回折格子層５０のパターンが回折格子６０として機能する。回折格子層５０同士は離間し、それらの間は絶縁膜１７で埋め込まれる。
図１（ｃ）は回折格子６０の拡大図である。回折格子６０は、−Ｘ側から＋Ｘ側にかけて順に並ぶ部分回折格子（ＳＧ：Sampled Grating）６２および６４、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector、分布ブラッグ反射器）６６（反射部）を含む。部分回折格子６２（第１部分回折格子）は、Ｘ軸方向に並ぶ複数の部分回折格子６５（第３部分回折格子）を含む。部分回折格子６４（第２部分回折格子）は、Ｘ軸方向に並ぶ複数の部分回折格子６７（第４部分回折格子）を含む。部分回折格子６５および６７それぞれの数は例えば７つである。１つの部分回折格子６５および６７はそれぞれ、例えば３つの回折格子層５０を有する。部分回折格子６２における、隣り合う部分回折格子６５間の距離Ｌ５は例えば１５０μｍである。部分回折格子６４における、隣り合う部分回折格子６７間の距離Ｌ６は距離Ｌ５とは異なり、例えば１７０μｍである。部分回折格子６５および６７における回折格子層５０のＸ軸方向の周期Ｐ１は例えば２４０ｎｍである。回折格子６０の屈折率結合係数は例えば１０００ｃｍ−１である。
ＤＢＲ６６は例えば５つの回折格子層５０を含む。隣り合う回折格子層５０の周期Ｐ２は例えば２４０ｎｍである。
図１（ａ）に示すように、回折格子６０のＹ軸方向の両側に電極４３および４５が設けられている。電極４３および４５は例えばチタンおよびタングステンの合金（ＴｉＷ）などの金属で形成される。２つの電極４３は、部分回折格子６２のＹ軸方向における両側に位置する。２つの電極４５は、部分回折格子６４のＹ軸方向における両側に位置する。
図１（ａ）に示すように、小片２０はテーパ部２３ａ、２３ｂ、２５ａおよび２５ｂを有する。テーパ部２３ａおよび２３ｂ（第１テーパ部）はダメージ緩和層３６およびクラッド層３４（第３半導体層）で形成され、活性層３０を含まない。テーパ部２５ａおよび２５ｂ（第２テーパ部）はメサ２１から延伸し、光閉じ込め層３２、活性層３０、光閉じ込め層２８、クラッド層２６、コンタクト層２４で形成される。
小片２０の４つのテーパ部は基板１０の導波路１１上に位置し、導波路１１の延伸方向であるＸ軸方向に延伸する。４つのテーパ部の先端はＸ軸方向において重なる。テーパ部２３ａおよび２５ａは小片２０の＋Ｘ側に突出し、＋Ｘ側に向けて先細りである。テーパ部２３ｂおよび２５ｂは−Ｘ側に突出し、−Ｘ側に向けて先細りである。小片２０の＋Ｘ側端面からテーパ部２３ａの先端までの長さＬ１は例えば４０μｍである。メサ２１の＋Ｘ側端面からテーパ部２５ａの先端までの長さＬ２は例えば３５μｍである。テーパ部２３ｂおよび２５ｂの寸法は、テーパ部２３ａおよび２５ａと同じである。
小片４０はテーパ部４１（第３テーパ部）を有する。テーパ部４１はダメージ緩和層５６、クラッド層５４およびコア層５２で形成される。テーパ部４１は、導波路１１の上に位置し、Ｘ軸方向に延伸し、−Ｘ側に突出する。テーパ部４１は−Ｘ側に向けて先細りである。小片４０の−Ｘ側端面からテーパ部４１の先端までの長さＬ３は例えば８０μｍである。テーパ部４１の先端は、テーパ部２３ａおよび２５ａに対向する。テーパ部４１とテーパ部２３ａとの間隔Ｌ４は例えば２０μｍである。
図１（ａ）に示す導波路１１の小片２０に重なる部分の幅Ｗ１は例えば２μｍである。導波路１１の回折格子６０に重なる部分の幅Ｗ２は例えば０．５μｍである。導波路１１の幅はテーパ部４１から部分回折格子６２にわたる長さ２０μｍ程度の部分でＷ１からＷ２に連続的に変化する。
小片２０は基板１０にエバネッセント光結合し、小片４０も基板１０に光結合する。小片２０の電極２９および３１に電圧を印加することで、活性層３０にキャリアが注入され、活性層３０は光を出射する。光は基板１０の導波路１１を伝搬し、小片４０に入射する。小片４０の部分回折格子６２および６４のバーニア効果により光の波長が選択される。ＤＢＲ６６は当該波長の光を反射する。反射光は導波路１１を−Ｘ側に伝搬し、出射される。小片４０に設けられた電極４３および４５はヒータとして機能し、これらに電圧が印加されると回折格子６０の温度が変化する。温度変化によって小片４０に含まれる化合物半導体層の屈折率が変化し、光の波長を変化させることができる。すなわち、波長可変レーザ素子１００は、小片２０および４０を基板１０に接合し、小片４０の回折格子６０により波長を制御するハイブリッドレーザである。
波長可変レーザ素子１００の発振波長は例えば１．５５μｍである。光の損失を抑制するため、小片２０および４０に含まれる化合物半導体層は光を吸収しにくいことが好ましい。例えば、光閉じ込め層２８および３２、ダメージ緩和層３６および５６、回折格子層５０のバンドギャップは波長１．２μｍに対応し、発振波長より短い。コア層５２のバンドギャップは波長１．３μｍに対応する。基板１０の＋Ｘ側の端面および−Ｘ側の端面に不図示のコーティング膜を設け、反射率を調節する。例えば−Ｘ側端面の反射率は３０％程度であり、＋Ｘ側端面の反射率はより高い。
（製造方法）
図２（ａ）から図３（ｂ）、図５（ａ）から図６、図７（ｂ）から図８（ｃ）、図９（ｂ）、図１０（ｂ）および図１１（ｂ）は波長可変レーザ素子１００の製造方法を例示する断面図である。図４、図７（ａ）、図９（ａ）、図１０（ａ）および図１１（ａ）は波長可変レーザ素子１００の製造方法を例示する平面図である。
図２（ａ）に示すように、例えば有機金属気相成長法（ＯＭＶＰＥ：Organometallic Vapor Phase Epitaxy）により、基板２２の上に、コンタクト層２４、クラッド層２６、光閉じ込め層２８、活性層３０、光閉じ込め層３２、クラッド層３４およびダメージ緩和層３６を順にエピタキシャル成長する。
基板２２は例えばｎ＋型インジウムリン（ｎ＋−ＩｎＰ）で形成されたウェハである。コンタクト層２４は例えば厚さ２００ｎｍのｐ＋型ガリウムインジウム砒素（ｐ＋−ＧａＩｎＡｓ）で形成されている。クラッド層２６は例えば厚さ１５００ｎｍのｐ−ＩｎＰで形成されている。光閉じ込め層２８および３２は例えば厚さ１００ｎｍでノンドープのＧａＩｎＡｓＰ（ｉ−ＧａＩｎＡｓＰ）で形成されている。活性層３０は、交互に積層された例えば５つの井戸層と５つのバリア層とを含み、量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）を有する。井戸層は厚さ６ｎｍのＧａＩｎＡｓＰで形成され、バリア層は厚さ１０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰで形成される。クラッド層３４は例えば厚さ２００ｎｍのｎ＋−ＩｎＰで形成されている。ダメージ緩和層３６は例えば厚さ２００ｎｍのｉ−ＧａＩｎＡｓＰで形成されている。
ｐ＋型のコンタクト層２４およびｐ型のクラッド層２６のドーパントは例えば亜鉛（Ｚｎ）である。コンタクト層２４のドーパント濃度は例えば１×１０１９ｃｍ−３である。クラッド層２６のドーパント濃度は例えば１×１０１８ｃｍ−３である。ｎ＋型の基板２２およびクラッド層３４のドーパントは例えばＳｉである。クラッド層３４のドーパント濃度は例えば２×１０１８ｃｍ−３である。
図２（ｂ）に示すように、例えばＯＭＶＰＥ法により、基板４２の上に、エッチングストップ層４４、クラッド層４８、回折格子層５０、コア層５２、クラッド層５４およびダメージ緩和層５６を順にエピタキシャル成長する。
基板４２は例えばｎ＋−ＩｎＰで形成されたウェハである。エッチングストップ層４４は例えば厚さ２００ｎｍのｉ−ＧａＩｎＡｓで形成されている。回折格子層５０、およびダメージ緩和層５６はそれぞれ、例えば厚さ２００ｎｍのｉ−ＧａＩｎＡｓＰで形成されている。クラッド層４８は例えば厚さ１３００ｎｍのｉ−ＩｎＰで形成されている。コア層５２は例えば厚さ２９０ｎｍのｉ−ＧａＩｎＡｓＰで形成されている。クラッド層５４は例えば厚さ２００ｎｍのｉ−ＩｎＰで形成されている。
エピタキシャル成長後、基板２２にダイシングを行うことで複数の小片２０を取得し、基板４２にダイシングを行うことで複数の小片４０を取得する。ダイシング直後の時点では、小片２０の厚さＴ１は小片４０の厚さＴ２と等しい。また、小片２０および４０は例えばバー状の矩形であり、不図示のサセプタなどに配置する。例えば、小片２０および４０それぞれのＹ軸方向の辺の長さは３５ｍｍであり、Ｘ軸方向の辺の長さは２ｍｍである。基板１０のＳｉ層１６にエッチングを行い溝１３および導波路１１を形成する。
小片２０のダメージ緩和層３６、小片４０のダメージ緩和層５６にＮ２プラズマを照射し、表面を活性化し原子の未結合手を生成する。ウェハ状態の基板１０にもＮ２プラズマを照射し、表面を活性化する。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、ダメージ緩和層３６および５６が基板１０の表面に接触するように、小片２０および４０を基板１０上に配置する。真空中において仮接合を行った後、温度を例えば２００℃とし、小片２０および４０を基板１０に向けて押圧し、２時間のアニールを行う。これにより小片２０および４０を基板１０に接合する。小片２０および４０の厚さが等しいため、荷重が小片２０および４０に均等に加わり、接合強度のばらつきが小さくなる。図４に示すように小片２０および４０は複数の導波路１１を横断し、かつ互いに対向する。
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、例えば塩酸（ＨＣｌ）などをエッチャントとして用いたウェットエッチングを小片２０および４０に行う。ウェットエッチングにより、小片２０の基板２２を除去する。コンタクト層２４でエッチングは停止し、コンタクト層２４が露出する。ウェットエッチングにより小片４０の基板４２を除去する。エッチングストップ層４４でエッチングは停止し、エッチングストップ層４４が露出する。
図６に示すように小片２０のコンタクト層２４の上にレジストマスク７０を設ける。レジストマスク７０の開口部から、小片２０のうち導波路１１に重ならない部分に水素イオン（Ｈ＋）などのイオンを注入する。イオン注入されたコンタクト層２４およびクラッド層２６が無秩序化され、電流狭窄領域となる。イオン注入されなかった領域は例えば幅２μｍの電流注入領域となる。小片４０にはイオン注入を行わない。
例えば厚さ１００ｎｍのＳｉＮなどの絶縁膜で基板１０を覆う。バッファードフッ酸（ＢＨＦ）によるエッチングなどでレジストパターンを当該絶縁膜に転写し、絶縁膜からマスク７１を形成する。図７（ａ）に示すように、基板１０および小片２０はマスク７１に覆われ、小片４０はマスク７１から露出する。図７（ｂ）に示すように、例えば硫酸（Ｈ２ＳＯ４）系のエッチャントを用いたウェットエッチングにより、小片４０のエッチングストップ層４４を除去し、ＨＣｌ系のエッチャントを用いたウェットエッチングによりクラッド層４８を除去する。エッチング後、回折格子層５０が露出する。マスク７１は取り除く。
図８（ａ）に示すように、例えばプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition、化学気相成長）法などで小片４０の回折格子層５０の上に絶縁膜のマスク７２を設ける。マスク７２は例えば厚さ５０ｎｍのＳｉＯ２膜である。マスク７２の上にレジストマスク７４を設け、電子ビーム露光（ＥＢ：Electron Beam）法などでパターニングする。レジストマスク７４のパターンは、図１（ａ）から図１（ｃ）に示した回折格子６０に対応するパターンである。
図８（ｂ）に示すように、四フッ化メタン（ＣＦ４）などを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）により、レジストマスク７４のパターンをマスク７２に転写する。図８（ｃ）に示すように、回折格子層５０に、パターニングされたマスク７２、およびＣＨ４／Ｈ２などのエッチャントを用いたＲＩＥを行う。これにより回折格子６０を形成する。図４に示すようにバー形状の小片４０にはＹ軸方向に沿って複数の回折格子６０が形成される。なお、小片２０は例えばマスク７２で覆われ、エッチングされない。エッチングの後、ＢＨＦでマスク７２は除去する。
例えばＣＶＤ法により厚さ３００ｎｍのＳｉＮの絶縁膜を形成する。絶縁膜の上に塗布したレジストにフォトリソグラフィによりパターンを形成する。ＣＦ４を用いたＲＩＥにより絶縁膜にレジストパターンを転写し、絶縁膜のマスク７６を形成する。図９（ａ）に斜線で示すマスク７６により、小片２０の一部および小片４０の全体がマスク７６で覆われる。図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、小片２０のうちマスク７６から露出する部分をＣＨ４／Ｈ２を用いたＲＩＥで除去する。これによりメサ２１、テーパ部２５ａおよび２５ｂを形成する。なお、図４に示すように小片２０はバー形状であり、Ｙ軸方向に沿って複数のメサ２１、テーパ部２５ａおよび２５ｂが形成される。ＲＩＥ後、マスク７６はＢＨＦにより除去する。
図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、マスク７６と同じ方法で絶縁膜のマスク７８を小片２０および４０の上に形成する。小片２０のうちマスク７８から露出する部分にＣＨ４／Ｈ２を用いたＲＩＥを行い、テーパ部２３ａおよび２３ｂを形成する。小片４０のうちマスク７８から露出する部分にＣＨ４／Ｈ２を用いたＲＩＥを行い、テーパ部４１を形成する。マスク７８はＢＨＦにより除去する。
図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、例えばＣＶＤ法により、小片２０および４０を覆う絶縁膜１７を形成する。図１１（ａ）に示すように、ＣＦ４を用いたＲＩＥにより絶縁膜１７のメサ２１から離間した位置に開口部１７ａを形成し、メサ２１上の部分に開口部１７ｂを形成する。開口部１７ａからはクラッド層３４が露出し、開口部１７ｂからはコンタクト層２４が露出する。
フォトリソグラフィにより絶縁膜１７の上にレジストパターンを形成し、蒸着およびリフトオフを行い、図１（ａ）に示した電極２９のオーミック電極を形成する。さらにレジストパターンの形成、蒸着およびリフトオフにより、図１（ｂ）に示した電極３１のオーミック電極３１ａを形成する。メッキ処理によりオーミック電極３１ａの上に配線層３１ｂを形成する。小片４０の上にもレジストパターンの形成、蒸着およびリフトオフを行い、電極４３および４５を形成する。
例えば、バー形状の小片２０および４０を含むように基板１０をダイシングすることで、バー形状の波長可変レーザ素子１００を形成する。基板１０のダイシング後の端面にはコーティング膜を形成し、反射率を調節する。
実施例１によれば二光子吸収を抑制することができる。基板１０のＳｉ層１６の屈折率は３．４５である。Ｓｉ層１６の光閉じ込めは強く、二光子吸収が発生しやすい。一方、小片４０のダメージ緩和層５６および回折格子層５０の屈折率は３．３３であり、クラッド層５４の屈折率は３．１７であり、コア層５２の屈折率は３．３７であり、いずれもＳｉ層１６よりも低い。このため小片４０の光閉じ込めはＳｉ層１６に比べて弱く、二光子吸収が起こりにくい。
実施例１においてはＳＯＩ基板である基板１０に小片２０および４０を接合する。小片４０は、ＧａＩｎＡｓＰのようなＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成された回折格子６０を有する。上記のように光閉じ込めが弱く、二光子吸収の起こりにくい小片４０によって波長を制御するため、二光子吸収が抑制される。二光子吸収の抑制により、発振波長のシフトおよびスペクトル線幅の増大も抑制される。この結果、波長を所望の大きさに制御し、安定した波長可変レーザ特性が得られる。
強い光を小片４０に入射しても二光子吸収は起こりにくい。したがって、例えば導波路１１を分岐させ、光の強度を低下させなくてよい。この結果、光の損失が抑制され、かつ波長可変レーザ素子１００を小型化することができる。
図１（ｃ）に示すように、回折格子６０は、小片２０に近い順から並ぶ部分回折格子６２、６４およびＤＢＲ６６を有する。部分回折格子６２および６４のバーニア効果によって光の波長を制御する。選択された波長を有する光は、ＤＢＲ６６で小片２０側に反射され、波長可変レーザ素子１００の外部に出射される。二光子吸収が起こりにくい小片４０の回折格子６０によって波長の制御および光の反射を行うため、安定した波長可変レーザ特性が得られる。
部分回折格子６２は複数の部分回折格子６５を含み、部分回折格子６４は複数の部分回折格子６７を含む。隣り合う部分回折格子６５間の距離Ｌ５は隣り合う部分回折格子６７間の距離Ｌ６とは異なる。部分回折格子６２および６４のバーニア効果により波長掃引が可能である。このため発振波長を安定して制御することができる。
小片４０はコア層５２および回折格子層５０を有する。回折格子６０は、Ｘ軸方向に並ぶ複数の回折格子層５０で形成される。コア層５２および回折格子層５０はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されており、Ｓｉに比べて低い屈折率を有する。また、これらの層の屈折率の差は、例えばＳｉの導波路１１とＳｉＮの絶縁膜１７との差に比べて小さい、したがって導波路１１に比べて光閉じ込めが弱く、二光子吸収が起こりにくい。このため安定した波長可変レーザ特性が得られる。
例えば、コア層５２および回折格子層５０はｉ−ＧａＩｎＡｓＰで形成されている。ｉ−ＧａＩｎＡｓＰの光閉じ込めはＳｉより弱いため、小片４０においては導波路１１に比べて二光子吸収が起こりにくい。このため安定した波長可変レーザ特性が得られる。二光子吸収を抑制するために、コア層５２および回折格子層５０はｉ−ＧａＩｎＡｓＰ以外の化合物半導体で形成されてもよく、例えばＩｎおよびＰを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成される。
基板１０はＳｉを含む基板であり、例えばＳＯＩ基板である。基板１０のＳｉ層１６に導波路１１が形成される。Ｓｉ層１６の屈折率が高く、二光子吸収が発生しやすい。特に強度の高い光がＳｉのリング共振器などに入射すると二光子吸収が起こりやすい。二光子吸収を抑制するためには、Ｓｉ層１６にリング共振器など波長を選択する光回路を形成しないことが好ましい。実施例１においては小片４０の回折格子６０が波長を選択するため、二光子吸収を抑制し、かつ所望の波長の光を出射することができる。
小片４０に設けられた電極４３および４５は電圧の印加によって発熱するヒータとして機能し、回折格子６０の温度を変化させる。温度変化によって回折格子６０の屈折率が変化し、発振波長を調整することができる。
小片２０は導波路１１の上にテーパ部２３ａおよび２３ｂ、テーパ部２５ａおよび２５ｂを有する。これにより小片２０と導波路１１との光結合を強めることができる。特に、テーパ部２３ａおよび２３ｂはテーパ部２５ａおよび２５ｂより長いため、小片２０と導波路１１との光結合効率がより向上する。テーパ部２３ａおよび２３ｂはクラッド層３４を含み、活性層３０は含まないため、光を吸収しにくい。したがって光の損失が抑制される。
テーパ部２５ａおよび２５ｂは活性層３０を含み、テーパ部２５ａおよび２５ｂには電極３１が設けられない。活性層３０のうち電極３１に重ならない部分は光を吸収しやすい。したがってテーパ部２５ａおよび２５ｂを長くすると、これらに含まれる活性層３０により過飽和吸収が発生する恐れがある。実施例１のテーパ部２５ａおよび２５ｂはテーパ部２３ａおよび２３ｂより短い。このため過飽和吸収が起こりにくく、光の損失が抑制される。
小片４０は、導波路１１の上に、小片２０に対向するテーパ部４１を有する。小片４０と導波路１１との光結合効率が高くなる。導波路１１を伝搬する光が小片４０の端部で反射されにくくなり、小片４０に入射しやすくなる。
図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように小片２０の厚さＴ１と小片４０の厚さＴ２とは等しい。したがって接合の際に荷重を小片２０と小片４０とに均等に加え、接合強度を高めることができる。接合前にメサ２１、回折格子６０を形成してもよい。しかし、メサ２１および回折格子６０を形成すると、小片２０および４０の上面の平坦性が低下する。また小片２０の厚さと小片４０の厚さが異なってしまう。このため小片２０および４０に均等な荷重をかけて基板１０に接合することが困難となる。荷重を均一化し、接合強度のばらつきを小さくするために、メサ２１形成前の小片２０、および回折格子６０形成前の小片４０を基板１０に接合し、接合後にメサ２１および回折格子６０を形成することが好ましい。
また、接合前にテーパ部２３ａおよび２３ｂ、２５ａおよび２５ｂ、４１を形成してもよい。しかしテーパ部と導波路１１とのアライメントが困難である。実施例１では図９（ａ）および図１０（ａ）に示すように、接合後の小片２０および４０にテーパ部を形成する。テーパ部と導波路１１とのアライメントの精度が向上する。
実施例１では、小片２０および４０、基板１０の表面をプラズマ照射により活性化する、プラズマ活性化接合を行った。犠牲層のエッチングで形成した小片２０および４０をウェハから分離し、エッチング後の面を基板１０に接合するトランスファプリンティングでもよい。小片２０および４０はバー形状であり、波長可変レーザ素子１００もバー形状としたが、これらは他の形状でもよい。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０、１２、２２、４２ 基板
１１ 導波路
１４ ＳｉＯ２層
１６ Ｓｉ層
２０、４０ 小片
２１ メサ
２３ａ、２３ｂ、２５ａ、２５ｂ、４１ テーパ部
２４ コンタクト層
２６、３４、４８、５４ クラッド層
２８、３２ 光閉じ込め層
２９、３１、４３、４５ 電極
３０ 活性層
３１ａ オーミック電極
３１ｂ 配線層
３６、５６ ダメージ緩和層
４４ エッチングストップ層
５０ 回折格子層
５２ コア層
６０ 回折格子
６２、６４、６５、６７ 部分回折格子
６６ ＤＢＲ
７０、７４ レジストマスク
７１、７２、７６、７８ マスク
１００ 波長可変レーザ素子

Claims (10)

  1. シリコンを含み、導波路を有する基板と、
    前記基板に接合され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の活性層を含む第１半導体素子と、
    前記基板に接合され、前記第１半導体素子が出射する光の伝搬方向において前記第１半導体素子に対向し、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の回折格子を含む第２半導体素子と、を具備し、
    前記回折格子は前記光の波長を選択する波長可変レーザ素子。
  2. 前記回折格子は、前記導波路の延伸方向に沿って、前記第１半導体素子の側から順に並ぶ第１部分回折格子、第２部分回折格子、および反射部を含み、
    前記第１部分回折格子および前記第２部分回折格子は前記光の波長を選択し、
    前記反射部は前記選択された波長の光を反射する請求項１に記載の波長可変レーザ素子。
  3. 前記第１部分回折格子は複数の第３部分回折格子を含み、
    前記第２部分回折格子は複数の第４部分回折格子を含み、
    隣り合う前記第３部分回折格子の間隔は、隣り合う前記第４部分回折格子の間隔と異なる請求項２に記載の波長可変レーザ素子。
  4. 前記第２半導体素子は、順に積層され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成された第１半導体層および第２半導体層を有し、
    前記回折格子は、前記導波路の延伸方向に沿って並ぶ複数の前記第２半導体層を含む請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の波長可変レーザ素子。
  5. 前記第１半導体層および前記第２半導体層はインジウムおよびリンを含む化合物半導体で形成されている請求項４に記載の波長可変レーザ素子。
  6. 前記第１半導体素子は、第１電極、第２電極、順に積層された第３半導体層、前記活性層および第４半導体層を有し、
    前記第３半導体層は、前記導波路上に位置し、前記導波路の延伸方向に沿って先細りの第１テーパ部を有し、
    前記活性層および前記第４半導体層は、前記導波路上に位置し、前記導波路の延伸方向に沿って先細りの第２テーパ部を有し、
    前記第１テーパ部は前記第２テーパ部よりも長く、
    前記第１電極は前記第３半導体層の上に設けられ、
    前記第２電極は前記第４半導体層の上に設けられ、前記第２テーパ部の上には設けられない請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の波長可変レーザ素子。
  7. 前記第２半導体素子は、前記第１半導体素子に対向し、前記導波路上に位置し、前記導波路の延伸方向に沿って先細りの第３テーパ部を有する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の波長可変レーザ素子。
  8. 前記基板は酸化シリコン層と前記酸化シリコン層の上に積層されたシリコン層とを含み、
    前記導波路は前記シリコン層で形成されている請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の波長可変レーザ素子。
  9. シリコンを含み、導波路を有する基板に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の活性層を含む第１半導体素子を接合する工程と、
    前記基板のうち、光の方向に沿って前記第１半導体素子に対向する位置に、第２半導体素子を接合する工程と、
    前記第２半導体素子に、前記光の波長を選択するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の回折格子を形成する工程と、を有する波長可変レーザ素子の製造方法。
  10. 前記第１半導体素子を接合する工程および前記第２半導体素子を接合する工程は、等しい厚さの前記第１半導体素子および前記第２半導体素子を前記基板に接合する工程であり、
    前記回折格子を形成する工程は、前記第１半導体素子を接合する工程、および前記第２半導体素子を接合する工程の後に行われる請求項９に記載の波長可変レーザ素子の製造方法。
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