JP2022101420A - 半導体光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱抵抗の低下および接合強度の向上が可能な半導体光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、平面視でそれぞれ異なる領域に、テラス、導波路および回折格子を有する基板と、前記回折格子および前記テラスの上に接合され、前記基板の上面に接触し、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成され、光学利得を有する半導体素子と、を具備し、前記導波路は、前記導波路の延伸方向において前記回折格子と光結合し、前記テラスは、前記導波路の延伸方向と交差する方向において、前記導波路および前記回折格子の両側に位置し、前記基板は前記テラスと前記導波路との間に溝を有し、前記回折格子は、前記導波路の延伸方向と交差する方向において前記テラスに連続する半導体光素子。【選択図】 図１Ａ

Description

本開示は半導体光素子およびその製造方法に関するものである。

化合物半導体で形成され光学利得を有する半導体素子を、導波路を形成したＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板（シリコンフォトニクス）などの基板に接合する技術が知られている（例えば非特許文献１）。

Ａｍｉｎ Ａｂｂａｓｉ ｅｔ ａｌ． "４３ Ｇｂ／ｓ ＮＲＺ－ＯＯＫ Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｌｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＩｎＰ／Ｓｉ ＤＦＢ Ｌａｓｅｒ" ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，ＶＯＬ．３５，ＮＯ．６．ＭＡＲＣＨ １５，２０１７

基板に導波路および回折格子などを形成し、光学利得を有する半導体素子を回折格子の上に接合することで、分布帰還型（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザ素子が形成される。

基板と半導体素子との間に樹脂などの中間層を設けると、熱抵抗が上昇する。動作に伴い温度が上昇しやすく、特性が劣化する。一方、中間層を設けずに基板と半導体素子とを直接接合すると、基板に溝が設けられているため、基板と半導体素子との接触面積が小さくなり、接合強度が低下する。また、基板の溝は空気で満たされているため、熱抵抗が高くなってしまう。そこで、熱抵抗の低下および接合強度の向上が可能な半導体光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

本開示に係る半導体光素子は、シリコンを含み、平面視でそれぞれ異なる領域に、テラス、導波路および回折格子を有する基板と、前記回折格子および前記テラスの上に接合され、前記基板の上面に接触し、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成され、光学利得を有する半導体素子と、を具備し、前記導波路は、前記導波路の延伸方向において前記回折格子と光結合し、前記テラスは、前記導波路の延伸方向と交差する方向において、前記導波路および前記回折格子の両側に位置し、前記基板は前記テラスと前記導波路との間に溝を有し、前記回折格子は、前記導波路の延伸方向と交差する方向において前記テラスに連続する。

本開示に係る半導体光素子の製造方法は、シリコンを含み、平面視でそれぞれ異なる領域に、テラス、導波路および回折格子が形成された基板を用意する工程と、前記基板のうち前記回折格子および前記テラスの上に、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成され、光学利得を有する半導体素子を接合する工程を有し、前記接合する工程において前記半導体素子と前記基板の上面とは接触し、前記導波路は、前記導波路の延伸方向において前記回折格子と光結合し、前記テラスは、前記導波路の延伸方向と交差する方向において、前記導波路および前記回折格子の両側に位置し、前記基板は前記テラスと前記導波路との間に溝を有し、前記回折格子は、前記導波路の延伸方向と交差する方向において前記テラスに連続する。

本開示によれば熱抵抗の低下および接合強度の向上が可能である。

図１Ａは実施形態に係る半導体光素子を例示する平面図である。 図１Ｂは図１Ａの線Ａ－Ａに沿った断面図である。 図１Ｃは図１Ａの線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。 図１Ｄは図１Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。 図１Ｅは図１Ａの線Ｄ－Ｄに沿った断面図である。 図２は基板を例示ずる平面図である。 図３Ａは光の強度を例示する図である。 図３Ｂは光の強度を例示する図である。 図４Ａは光の強度を例示する図である。 図４Ｂは光の強度を例示する図である。 図５は半導体素子の製造方法を例示する断面図である。 図６Ａは半導体光素子の製造方法を例示する平面図であり、 図６Ｂは図６Ａの線Ａ－Ａに沿った断面図である。 図６Ｃは図６Ａの線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。 図６Ｄは図６Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。 図６Ｅは図６Ａの線Ｄ－Ｄに沿った断面図である。 図７Ａは半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。 図７Ｂは図７Ａの線Ａ－Ａに沿った断面図である。 図７Ｃは図７Ａの線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。 図７Ｄは図７Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。 図７Ｅは図７Ａの線Ｄ－Ｄに沿った断面図である。 図８Ａは半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。 図８Ｂは図８Ａの線Ａ－Ａに沿った断面図である。 図８Ｃは図８Ａの線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。 図８Ｄは図８Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。 図８Ｅは図８Ａの線Ｄ－Ｄに沿った断面図である。 図９Ａは半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。 図９Ｂは図９Ａの線Ａ－Ａに沿った断面図である。 図９Ｃは図９Ａの線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。 図９Ｄは図９Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。 図９Ｅは図９Ａの線Ｄ－Ｄに沿った断面図である。 図１０Ａは比較例に係る半導体光素子を例示する平面図である。 図１０Ｂは図１０Ａの線Ａ－Ａに沿った断面図である。 図１０Ｃは図１０Ａの線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。 図１０Ｄは図１０Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。 図１０Ｅは図１０Ａの線Ｄ－Ｄに沿った断面図である。 図１１は基板を例示する平面図である。

[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施形態の内容を列記して説明する。

本開示の一形態は、（１）シリコンを含み、平面視でそれぞれ異なる領域に、テラス、導波路および回折格子を有する基板と、前記回折格子および前記テラスの上に接合され、前記基板の上面に接触し、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成され、光学利得を有する半導体素子と、を具備し、前記導波路は、前記導波路の延伸方向において前記回折格子と光結合し、前記テラスは、前記導波路の延伸方向と交差する方向において、前記導波路および前記回折格子の両側に位置し、前記基板は前記テラスと前記導波路との間に溝を有し、前記回折格子は、前記導波路の延伸方向と交差する方向において前記テラスに連続する半導体光素子である。半導体素子と基板との接触面積が増大することで、接合強度が向上し、かつ熱抵抗が低下する。
（２）前記基板は、シリコン層を有し、前記テラス、前記導波路および前記回折格子は、前記シリコン層に設けられ、前記回折格子は、前記導波路の延伸方向に沿って前記シリコン層に周期的に配置された凹部と凸部とを含み、前記テラスの上面と、前記回折格子の凸部の上面とは、平面を形成してもよい。半導体素子はテラスおよび凸部に接触するため、接合強度が向上し、かつ熱抵抗が低下する。
（３）前記半導体素子は、前記基板側から順に積層された第１クラッド層、活性層および第２クラッド層を有し、かつ前記回折格子の上に前記基板側から前記基板と反対側に突出する第１メサを有し、前記第１メサは第２クラッド層を含んでもよい。半導体素子が第１メサを有するため、半導体素子への光閉じ込めが強くなり、基板への光の漏洩が抑制され、光のモード制御が可能となる。
（４）前記導波路の延伸方向と交差する方向における前記回折格子の幅は、前記第１メサの幅よりも大きくてもよい。テラスと第１メサとが離れるため、半導体素子への光閉じ込めが強くなり、基板への光の漏洩が抑制される。
（５）前記半導体素子は、前記基板の前記テラスの上に、前記基板側から前記基板とは反対側に突出する第２メサを有し、前記第２メサは、第２クラッド層を含み、かつ前記第１メサから離間し、前記半導体素子は、前記第１クラッド層に電気的に接続された第１電極と、前記第１メサの前記第２クラッド層に電気的に接続された第２電極と、を具備してもよい。第１メサの下部に位置する活性層への光閉じ込めが強くなり、基板への光の漏洩が抑制され、光のモード制御が可能となる。
（６）前記テラスは、前記回折格子に向けて突出する突出部を有し、前記回折格子は前記突出部に接続してもよい。半導体素子と基板との接触面積が増加するため、接合強度が向上し、熱抵抗が低下する。
（７）前記導波路は、前記回折格子側から前記回折格子とは反対側に向けて先細りの第１テーパ部を有してもよい。光の損失を抑制することができる。
（８）前記半導体素子は、前記回折格子側から前記導波路側に向けて先細りの第２テーパ部を有してもよい。半導体素子と基板との光結合が強くなり、光の損失を抑制することができる。
（９）シリコンを含み、平面視でそれぞれ異なる領域に、テラス、導波路および回折格子が形成された基板を用意する工程と、前記基板のうち前記回折格子および前記テラスの上に、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成され、光学利得を有する半導体素子を接合する工程を有し、前記接合する工程において前記半導体素子と前記基板の上面とは接触し、前記導波路は、前記導波路の延伸方向において前記回折格子と光結合し、前記テラスは、前記導波路の延伸方向と交差する方向において、前記導波路および前記回折格子の両側に位置し、前記基板は前記テラスと前記導波路との間に溝を有し、前記回折格子は、前記導波路の延伸方向と交差する方向において前記テラスに連続する半導体光素子の製造方法である。半導体素子と基板との接触面積が増大することで、接合強度が向上し、かつ熱抵抗が低下する。

［本開示の実施形態の詳細］
本開示の実施形態に係る半導体光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、本開示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。

図１Ａは実施形態に係る半導体光素子１００を例示する平面図である。図１Ｂは図１Ａの線Ａ－Ａに沿った断面図である。図１Ｃは図１Ａの線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。図１Ｄは図１Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。図１Ｅは図１Ａの線Ｄ－Ｄに沿った断面図である。図２は基板１０を例示する平面図である。図１Ａから図１Ｅに示すように、半導体光素子１００は基板１０および半導体素子３０を有するハイブリッド型のＤＦＢレーザ素子である。基板１０および半導体素子３０の表面は絶縁膜４６で覆われているが、図１Ａでは絶縁膜４６を透視している。

（基板）
図１Ｂから図１Ｅに示すように、基板１０は順に積層されたシリコン（Ｓｉ）の基板１２、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層１４およびＳｉ層１６を有するＳＯＩ基板である。基板１０の端面には光の反射を防止するコーティングが施されている。基板１０はＸ軸方向に延伸する辺およびＹ軸方向に延伸する辺を有する。基板１２、ＳｉＯ_２層１４およびＳｉ層１６の積層方向をＺ軸方向とする。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向は互いに直交する。

図１Ａおよび図２に示すように、基板１０のＳｉ層１６には導波路２０、溝２２、テラス２４、および回折格子２６が設けられている。基板１０のＸ軸方向の一端側から他端側にかけて、導波路２０、回折格子２６および導波路２０が順に並ぶ。導波路２０はＸ軸方向に延伸し、回折格子２６に光結合し、回折格子２６との接続部分にテーパ部２１を有する。テーパ部２１は回折格子２６側で幅広であり、Ｘ軸方向に沿って回折格子２６とは反対側に向けて先細りである。

Ｓｉ層１６のうち２つのテーパ部２１に挟まれた部分に、Ｘ軸方向に沿って周期的な凹凸が設けられている。凹部２６ａ内の空気とＳｉの凸部２６ｂとは屈折率差を有しており、複数の凹凸が回折格子２６として機能する。言い換えれば、回折格子２６は複数の凹部２６ａおよび複数の凸部２６ｂを含む。回折格子２６の上に半導体素子３０が接合される。

導波路２０およびテーパ部２１のＹ軸方向の両側に溝２２が設けられている。溝２２の外側にはテラス２４が設けられている。導波路２０の上面、テーパ部２１の上面、テラス２４の上面、および凸部２６ｂの上面はＺ軸方向において同じ高さに位置し、同一の平面を形成する。

溝２２および凹部２６ａはＺ軸方向においてＳｉ層１６の途中まで延伸する。溝２２および凹部２６ａの底面は、Ｓｉ層１６で形成され、Ｚ軸方向において同じ高さに位置し、テラス２４および凸部２６ｂの上面よりも下に位置する。図１Ｃおよび図１Ｄに示すように、溝２２の内側は絶縁膜４６に覆われている。凹部２６ａの内側は空洞である。

図１Ａおよび図２に示すように、回折格子２６とテラス２４との間に溝２２は設けられていない。回折格子２６はＹ軸方向においてテラス２４まで到達し、テラス２４に連続する。詳細には、テラス２４はＹ軸方向において回折格子２６と対向する位置に突出部２４ａを有する。突出部２４ａはＹ軸方向に突出し、回折格子２６に接続されている。回折格子２６の凸部２６ｂはテラス２４の突出部２４ａまで延伸し、突出部２４ａとともに基板１０の上面を形成する。回折格子２６の凹部２６ａのＹ軸方向の両端は突出部２４ａに達する。

図１Ｃおよび図２に示す、Ｙ軸方向における回折格子２６の幅Ｗ１は例えば５μｍである。回折格子２６の幅Ｗ１とは、凹部２６ａおよび凸部２６ｂの幅を意味する。図２に示す、導波路２０の幅Ｗ２は例えば０．５μｍである。溝２２の幅Ｗ３は例えば５μｍである。

（半導体素子）
図１Ａに示す半導体素子３０は、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成された、リッジメサ構造を有する発光素子である。図１Ｂから図１Ｅに示すように、半導体素子３０は、基板１０側から順にＺ軸方向に積層されたクラッド層３２（第１クラッド層）、活性層３４、クラッド層３５（第２クラッド層）およびコンタクト層３６を有する。

クラッド層３２は例えばｎ型インジウムリン（ｎ－ＩｎＰ）で形成されている。クラッド層３５は例えばｐ－ＩｎＰで形成されている。コンタクト層３６は例えばｐ型のインジウムガリウム砒素（ｐ－ＩｎＧａＡｓ）などで形成されている。活性層３４は例えばアンドープのガリウムインジウム砒素リン（ｉ－ＧａＩｎＡｓＰ）で形成された複数の井戸層およびバリア層を含み、多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を有する。活性層３４とクラッド層３２との間、および活性層３４とクラッド層３５との間にスペーサ層が設けられてもよい。半導体素子３０は、クラッド層３２の上に不図示のｎ型コンタクト層を含んでもよいし、上記以外の半導体で形成されてもよい。

半導体素子３０は３つのメサ４０、４２および４４を有する。メサ４０、４２および４４はＹ軸方向にこの順に並び、互いに離間する。メサ４０およびメサ４４（第２メサ）はテラス２４の上に位置する。メサ４２（第１メサ）は回折格子２６の上に位置する。図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、メサ４０、４２および４４はクラッド層３５およびコンタクト層３６で形成され、半導体素子３０の下面（クラッド層３２）を基準として、基板１０とは反対方向（Ｚ軸方向上側）に突出する。クラッド層３２および活性層３４はメサ４０からメサ４４まで延伸する。

図１Ｃに示すメサ４２の幅Ｗ４は回折格子２６の幅Ｗ１より小さく、例えば２．５μｍである。図１Ａに示すように、メサ４０および４４のＸ軸方向の長さは例えば回折格子２６の長さと同程度である。メサ４２のＸ軸方向の長さは回折格子２６、メサ４０および４４の長さより大きい。メサ４２は２つのテーパ部４３を有する。テーパ部４３は、Ｘ軸方向において回折格子２６よりも突出し、回折格子２６とは反対側に向けて先細りである。

図１Ａ、図１Ｄおよび図１Ｅに示すように、クラッド層３２および活性層３４は２つのテーパ部３９を有する。テーパ部３９は、基板１０のテーパ部２１の上に位置し、Ｘ軸方向において回折格子２６よりも突出し、回折格子２６とは反対側に向けて先細りである。図１Ｄから図１Ｅに示すように、テーパ部４３はテーパ部３９の上に位置する。図１Ｅに示すように、先細りの先端側では、テーパ部４３はテーパ部３９に合流する。テーパ部３９および４３のＸ軸方向の長さは、基板１０のテーパ部２１の長さより小さい。

図１Ｂから図１Ｅに示すように、絶縁膜４６はメサ４０、４２および４４の上面および側面を覆い、メサ間の活性層３４の上面を覆い、基板１０の上面を覆う。絶縁膜４６は例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などで形成されている。絶縁膜４６の屈折率は、Ｓｉ層１６の屈折率およびメサ４２の屈折率よりも低い。このため絶縁膜４６は、メサ４２および導波路２０に光を閉じ込めるクラッドとして機能する。電極３７はｎ型電極である。図１Ｂに示すように、電極３７はメサ４２とメサ４４との間に設けられ、絶縁膜４６の開口部を通じてクラッド層３２に電気的に接続されている。電極３７は、金、ゲルマニウムおよびＮｉの合金（ＡｕＧｅＮｉ）で形成されたオーミック電極層、およびＡｕで形成された配線層を有する。電極３８はｐ型電極である。電極３８は、メサ４２の上面に設けられ、絶縁膜４６の開口部を通じてコンタクト層３６およびクラッド層３５に電気的に接続されている。電極３８は、チタン、白金および金の積層体（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）で形成されたオーミック電極層、およびＡｕで形成された配線層を有する。

半導体素子３０は光学利得を有する。電極３７および３８に電圧が印加されることにより、メサ４２に電流が流れ、活性層３４にキャリアが注入される。これによりメサ４２の下部の活性層３４が発光する。半導体素子３０の活性層３４と基板１０の回折格子２６とは、エバネッセント光結合している。半導体素子３０で生成される光は、回折格子２６、テーパ部２１および導波路２０を伝搬し、基板１０の端面から半導体光素子１００の外に向けて出射される。

導波路２０の両側には溝２２が設けられているため、Ｓｉ層からなる導波路２０と溝２２内の絶縁膜４６（または空気）との屈折率差によって、光を導波路２０に強く閉じ込めることができる。一方、回折格子２６の両側には溝２２が設けられておらず、回折格子２６はテラス２４の突出部２４ａに接続する。半導体素子３０は、回折格子２６上にメサ４２を有するリッジメサ構造を有する。リッジメサ構造により、光がメサ４２の下部に位置する活性層３４の領域に強く閉じ込められ、基板１０のＳｉ層１６に漏洩しにくい。これにより、所望の光のモード分布を得ることが可能である。

図３Ａから図４Ｂは光の強度を例示する図である。図３Ａおよび図３Ｂは、図１Ｂのように半導体素子３０と回折格子２６の凸部２６ｂとが並ぶ断面における光の強度を表す。図４Ａおよび図４Ｂは、図１Ｃのように半導体素子３０と回折格子２６の凹部２６ａとが並ぶ断面における光の強度を表す。図３Ａから図４Ｂの縦軸は光の強度を示す。

図３Ａおよび図４Ａの横軸はＹ軸方向における位置を示す。すなわち図３Ａおよび図４ＡはＹ軸方向の光の分布を表す。Ｙ軸方向の５μｍの位置が、メサ４２のうち幅方向の中央に対応する。図３Ａおよび図４Ａに示すように、４～６μｍの範囲に光が分布し、この範囲に光の強度のピークが存在する。光がＹ軸方向の中央、すなわちメサ４２に集中する。回折格子２６の幅は、図３Ａおよび図４Ａに示すＹ軸方向の光の分布の範囲よりも大きいことが好ましい。具体的には、回折格子２６の幅は、メサ４２の幅の２倍以上である。

図３Ｂおよび図４Ｂの横軸は、メサ４２を含むＺ軸方向における位置を示す。すなわち図３Ｂおよび図４ＢはＺ軸方向の光の分布を表す。図３Ｂに示すように、凸部２６ｂを含む断面では、光が２つのピークＰ１およびＰ２を有する。ピークＰ１は基板１０のＳｉ層１６に現れる。ピークＰ２は、ピークＰ１より大きく、メサ４２の活性層３４に現れる。図４Ｂに示すように、凹部２６ａを含む断面では、光は活性層３４にのみピークを示す。

凸部２６ｂを含む断面では、活性層３４への光閉じ込め係数は３．７４％である。光は主に活性層３４に分布するが、図３Ｂに示すようにＳｉ層１６にも漏洩する。凹部２６ａを含む断面では、光閉じ込め係数は５．７７％である。図４Ａおよび図４Ｂに示すように、凹部２６ａを含む断面においては、凸部２６ｂを含む断面におけるよりも、光が活性層３４により強く閉じ込められる。回折格子２６に複数の凹部２６ａおよび凸部２６ｂを交互に配置し、リッジメサ構造の半導体素子３０を接合することで、接合部分の全体での光閉じ込め係数は４％以上である。ここで全体での光閉じ込め係数とは、凹部２６ａを含む断面における光閉じ込め係数と凸部２６ｂを含む断面における光閉じ込め係数とを用いて、凹部２６ａと凸部２６ｂとのＸ軸方向の長さの配分（回折格子のデューティー比）を考慮して計算される平均の光閉じ込め係数である。

（製造方法）
半導体光素子１００の製造には、例えば２つのウェハを用いる。２つのウェハとは、ＳＯＩ基板のウェハ（基板１０）、および半導体素子３０を製造するためのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体のウェハである。

ウェハ状態のＳＯＩ基板は、半導体光素子１００が形成される領域を複数有する。ＳＯＩ基板の当該領域のそれぞれに図２に示した導波路２０、テーパ部２１、溝２２、テラス２４、および回折格子２６を形成する。電子線描画などによりレジストパターンを形成し、導波路２０、テーパ部２１、テラス２４、および回折格子２６の凸部２６ｂとなる部分をレジストで覆う。Ｓｉ層１６のうちレジストから露出する部分にドライエッチングを行い、溝２２および凹部２６ａを形成する。レジストで保護された部分に導波路２０、テーパ部２１、テラス２４、および凸部２６ｂが形成される（図２参照）。

図５は半導体素子３０の製造方法を例示する断面図である。例えば有機金属気相成長法（ＯＭＶＰＥ：Ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）などにより、ＩｎＰの基板５０にコンタクト層３６、クラッド層３５、活性層３４およびクラッド層３２を順にエピタキシャル成長する。ウェハにダイシングを行い、複数の半導体素子３０を形成する。ダイシングの時点では、半導体素子３０にメサ４０、４２および４４、電極、テーパ部４３は形成されていない。

図６Ａ、図７Ａ、図８Ａ、および図９Ａは半導体光素子１００の製造方法を例示する平面図であり、基板１０への半導体素子３０の接合以降の工程を示す。図６Ｂ、図７Ｂ、図８Ｂ、および図９Ｂはそれぞれ対応する平面図の線Ａ－Ａに沿った断面を図示する。図６Ｃ、図７Ｃ、図８Ｃ、および図９Ｃはそれぞれ対応する平面図の線Ｂ－Ｂに沿った断面を図示する。図６Ｄ、図７Ｄ、図８Ｄ、および図９Ｄはそれぞれ対応する平面図の線Ｃ－Ｃに沿った断面を図示する。図６Ｅ、図７Ｅ、図８Ｅ、および図９Ｅはそれぞれ対応する平面図の線Ｄ－Ｄに沿った断面を図示する。

例えば半導体素子３０のクラッド層３２の表面、および基板１０のＳｉ層１６の表面を、プラズマ照射などで活性化する。図６Ａから図６Ｅに示すように、半導体素子３０をＳｉ層１６に接触させ、半導体素子３０を基板１０の上面に接合する。半導体素子３０の面と基板１０の上面との間に接着剤などは設けず、表面同士を接触させる。接合の後、ウェットエッチングにより、半導体素子３０の基板５０は除去し、コンタクト層３６の表面を露出させる。ウェットエッチングのエッチャントは基板１０の溝２２に流入するが、回折格子２６の凸部２６ｂおよびテラス２４によりせき止められる。半導体素子３０の下面（クラッド層３２）のエッチングは抑制される。

図７Ａから図７Ｅに示すように、半導体素子３０にメサ４０、４２および４４を形成する。半導体素子３０の表面にマスク用の絶縁膜を形成し、絶縁膜の上にレジストパターンを形成する。レジストパターンを用いて絶縁膜をドライエッチングすることで、開口を有する絶縁膜マスク（不図示）を形成する。レジストパターンを除去する。コンタクト層３６の一部が絶縁膜マスクの開口から露出する。半導体素子３０のうち露出する部分にドライエッチングを行い、メサ４０、４２および４４を形成する。絶縁膜マスクで覆われる部分はエッチングされない。エッチングの後、絶縁膜マスクは除去する。

図８Ａから図８Ｅに示すように、半導体素子３０にテーパ部３９を形成する。半導体素子３０にマスク用の絶縁膜を形成し、絶縁膜の上にレジストパターンを形成する。レジストパターンを用いて絶縁膜をドライエッチングすることで、絶縁膜マスク（不図示）を形成する。レジストパターンを除去する。活性層３４の一部は絶縁膜マスクから露出する。半導体素子３０のうち絶縁膜マスクから露出する部分にドライエッチングを行うことで、テーパ部３９が形成される。図８Ｂおよび図８Ｃに示すように、メサ４０、４２および４４、メサ間の部分はエッチングされない。図８Ｄおよび図８Ｅに示すように、基板１０の上面の一部は露出する。絶縁膜マスクを除去する。

図９Ａから図９Ｅに示すように、例えば化学気相成長法（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などにより、基板１０および半導体素子３０の表面に絶縁膜４６を形成する。メサ４２の上、およびメサ４２とメサ４４との間の絶縁膜４６に開口部を設け、例えば真空蒸着などで図１Ａなどに示した電極３８および３７を設ける。以上の工程で、図１Ａ～図１Ｅに示す半導体光素子１００が形成される。

（比較例）
図１０Ａは比較例に係る半導体光素子１００Ｒを例示する平面図である。図１０Ｂから図１０Ｅはそれぞれ図１０Ａの線Ａ－Ａ、線Ｂ－Ｂ、線Ｃ－Ｃ、線Ｄ－Ｄに沿った断面図である。図１１は基板１０Ｒを例示する平面図である。半導体光素子１００Ｒは、基板１０に代えて基板１０Ｒを有する。

図１０Ａから図１１に示すように、基板１０Ｒの回折格子２６の両側には溝２２が設けられている。テラス２４は突出部２４ａを有さず、回折格子２６から離間する。半導体素子３０の活性層３４への光の閉じ込めを強めるためには、溝２２を広くすることが好ましい。しかし回折格子２６とテラス２４との間に溝２２があることにより、半導体素子３０と基板１０Ｒとの接触面積が小さくなり、接合強度が低下する。

比較例では、半導体素子３０から露出する溝２２の内側は絶縁膜４６で覆われている。一方、半導体素子３０の下に位置する溝２２の内側は空気で満たされている。空気の熱伝導率は基板１０Ｒの熱伝導率より低いため、熱抵抗は上昇してしまう。動作に伴う温度上昇によって半導体光素子１００Ｒの特性が劣化する。半導体素子３０の基板をウェットエッチングする際に、エッチャントが溝２２に侵入し、半導体素子３０を下側からエッチングすることがある。エッチングによって半導体素子３０がはがれやすくなる。

本実施形態によれば、基板１０はテラス２４、回折格子２６および導波路２０を有する。図２に示すように導波路２０の両側に溝２２があることで、導波路２０に光を強く閉じ込めることができる。一方、回折格子２６の両側には溝２２が設けられていない。回折格子２６はＹ軸方向においてテラス２４まで延伸し、テラス２４に接続される。半導体素子３０はテラス２４および回折格子２６の上に接合され、基板１０の表面に接触する。比較例に比べて、半導体素子３０と基板１０との接触面積が大きくなるため、接合強度が高くなる。

図１Ｂから図１Ｅに示すように、半導体素子３０と基板１０との間に接着剤などを介在させず、半導体素子３０の下面と基板１０の上面とが接触する。樹脂などの接着剤を用いる場合に比べて、熱抵抗が低下する。また、回折格子２６の両側に溝２２が設けられていないため、半導体素子３０と基板１０との間の空気の量が比較例に比べて減少し、半導体素子３０と基板１０との接触面積が大きくなる。熱抵抗が低下し、動作時の熱が基板１０に効果的に放出される。半導体素子３０の温度上昇が抑制され、特性が安定する。回折格子２６の両側に溝２２が設けられていないため、例えば図５に示す基板５０をウェットエッチングする際に、エッチャントが半導体素子３０の下に侵入しにくい。半導体素子３０のエッチングが抑制され、はがれにくくなる。

基板１０のＳｉ層１６に導波路２０、テラス２４および回折格子２６が形成される。図２に示すように、回折格子２６は凹部２６ａと凸部２６ｂとを含む。図１Ｂに示すように、凸部２６ｂ、テラス２４はＺ軸方向において同じ高さに位置し、基板１０の上面を形成する。半導体素子３０は凸部２６ｂおよびテラス２４に接触する。基板１０とＳｉ層１６との接触面積が大きくなるため、接合強度が向上し、放熱性も高くなる。凹部２６ａの底面はＳｉ層１６であることが好ましい。熱がＳｉ層１６を伝わり、放出される。

回折格子２６は周期的に配置された複数の凹部２６ａと複数の凸部２６ｂとを含む。凹部２６ａおよび凸部２６ｂの並ぶ周期によって光の波長を調整することができる。図２のように、複数の凹部２６ａと複数の凸部２６ｂとが一様に並んでもよい。回折格子２６は例えば複数の部分回折格子を有し、ＳＧ－ＤＢＲ（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ－Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）として機能してもよい。

図２に示すテラス２４の突出部２４ａは、回折格子２６に向けてＹ軸方向に突出する。突出部２４ａと半導体素子３０とが接触することで接合強度が高くなり、放熱性が向上する。突出部２４ａが溝２２に侵入するエッチャントをせき止めるため、半導体素子３０の下側からのエッチングが抑制される。

半導体素子３０は回折格子２６の上にメサ４２を有し、テラス２４の上にメサ４０および４４を有する、リッジメサ構造である。電極３８はメサ４２の上に設けられている。電極３７および３８に電圧を印加し、メサ４２下の活性層３４から光を出射する。光のモードの形状をメサ４２によって規定することができ、モードの制御性が向上する。図１Ｃに示す凹部２６ａを含む断面における光閉じ込め係数は３．７４％である。図１Ｂに示す凸部２６ｂを含む断面における光閉じ込め係数は５．７７％である。半導体素子３０の接合部分全体で、４％以上の光閉じ込め係数を得ることができる。したがって特性の劣化が抑制される。光閉じ込めの向上のためには、半導体素子３０は回折格子２６の上にメサ４２を有していればよく、メサ４０および４４は有さなくてもよい。

テラス２４の突出部２４ａが長いほど、接触面積が大きくなり、接合強度の向上が可能である。一方、突出部２４ａが長く、回折格子２６の幅Ｗ１が小さいと、半導体素子３０への光の閉じ込めが弱くなり、光が基板１０に漏洩してしまう。回折格子２６の幅Ｗ１は、例えば半導体素子３０のメサ４２の幅よりも大きいことが好ましい。一例としては、回折格子２６の幅Ｗ１はメサ４２の幅の２倍以上であることが好ましい。メサ４２とテラス２４とが離れるため、半導体素子３０への光閉じ込めが強くなり、基板１０への光の漏洩を抑制し、モードの形状を制御することが可能である。回折格子２６の幅Ｗ１が溝２２をふさぐ程度に大きい場合、テラス２４に突出部２４ａを設けなくてもよい。

図１Ａおよび図２に示すように、基板１０のＳｉ層１６はテーパ部２１を有する。テーパ部２１は回折格子２６側から回折格子２６とは反対側に向けて先細りである。テーパ部２１により、回折格子２６と導波路２０との間で光の反射を抑制し、光の損失を抑制することができる。

図１Ａに示すように、半導体素子３０は回折格子２６側から導波路２０側に向けて先細りのテーパ部４３を有する。テーパ部４３により、半導体素子３０と導波路２０との光結合を強め、光の損失を抑制することができる。

以上、本開示の実施形態について詳述したが、本開示は係る特定の実施形態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開示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、１０Ｒ、１２、５０ 基板
１４ ＳｉＯ_２層
１６ Ｓｉ層
２０ 導波路
２１、３９、４３ テーパ部
２２ 溝
２４ テラス
２４ａ 突出部
２６ 回折格子
２６ａ 凹部
２６ｂ 凸部
３０ 半導体素子
３２、３５ クラッド層
３４ 活性層
３６ コンタクト層
３７、３８ 電極
４０、４２、４４ メサ
４６ 絶縁膜
１００、１００Ｒ 半導体光素子

Claims (9)

1. シリコンを含み、平面視でそれぞれ異なる領域に、テラス、導波路および回折格子を有する基板と、
   前記回折格子および前記テラスの上に接合され、前記基板の上面に接触し、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成され、光学利得を有する半導体素子と、を具備し、
   前記導波路は、前記導波路の延伸方向において前記回折格子と光結合し、
   前記テラスは、前記導波路の延伸方向と交差する方向において、前記導波路および前記回折格子の両側に位置し、
   前記基板は前記テラスと前記導波路との間に溝を有し、
   前記回折格子は、前記導波路の延伸方向と交差する方向において前記テラスに連続する半導体光素子。
2. 前記基板は、シリコン層を有し、
   前記テラス、前記導波路および前記回折格子は、前記シリコン層に設けられ、
   前記回折格子は、前記導波路の延伸方向に沿って前記シリコン層に周期的に配置された凹部と凸部とを含み、
   前記テラスの上面と、前記回折格子の凸部の上面とは、平面を形成する、請求項１に記載の半導体光素子。
3. 前記半導体素子は、前記基板側から順に積層された第１クラッド層、活性層および第２クラッド層を有し、かつ前記回折格子の上に前記基板側から前記基板と反対側に突出する第１メサを有し、
   前記第１メサは第２クラッド層を含む、請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
4. 前記導波路の延伸方向と交差する方向における前記回折格子の幅は、前記第１メサの幅よりも大きい、請求項３に記載の半導体光素子。
5. 前記半導体素子は、前記基板の前記テラスの上に、前記基板側から前記基板とは反対側に突出する第２メサを有し、
   前記第２メサは、第２クラッド層を含み、かつ前記第１メサから離間し、
   前記半導体素子は、前記第１クラッド層に電気的に接続された第１電極と、前記第１メサの前記第２クラッド層に電気的に接続された第２電極と、を具備する、請求項３または請求項４に記載の半導体光素子。
6. 前記テラスは、前記回折格子に向けて突出する突出部を有し、
   前記回折格子は前記突出部に接続する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体光素子。
7. 前記導波路は、前記回折格子側から前記回折格子とは反対側に向けて先細りの第１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半導体光素子。
8. 前記半導体素子は、前記回折格子側から前記導波路側に向けて先細りの第２テーパ部を有する、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の半導体光素子。
9. シリコンを含み、平面視でそれぞれ異なる領域に、テラス、導波路および回折格子が形成された基板を用意する工程と、
   前記基板のうち前記回折格子および前記テラスの上に、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成され、光学利得を有する半導体素子を接合する工程を有し、
   前記接合する工程において前記半導体素子と前記基板の上面とは接触し、
   前記導波路は、前記導波路の延伸方向において前記回折格子と光結合し、
   前記テラスは、前記導波路の延伸方向と交差する方向において、前記導波路および前記回折格子の両側に位置し、
   前記基板は前記テラスと前記導波路との間に溝を有し、
   前記回折格子は、前記導波路の延伸方向と交差する方向において前記テラスに連続する半導体光素子の製造方法。
   

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