JP2024017558A - 半導体光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力を抑制し、かつ光の波長を制御すること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】光導波路および凹部を有する基板と、前記基板の上面であって前記光導波路の上に接合され、光学利得を有する利得部と、電極と、を具備し、前記基板はシリコン層を有し、前記シリコン層は前記光導波路および前記凹部を有し、前記凹部は前記光導波路に隣接し、前記シリコン層のうち第１領域は、前記凹部の底面に設けられ、前記光導波路に比べて高いドーパント濃度を有し、前記電極は前記第１領域に電気的に接続されている半導体光素子。
【選択図】 図２Ａ

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。

ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板（シリコンフォトニクス）などの基板に、金属のヒータを形成する技術が知られている（例えば非特許文献１および非特許文献２）。

Ｊａｎ Ｓｐａｎｎｈａｋｅ ｅｔ ａｌ． "Ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ＭＥＭＳ Ｈｅａｔｅｒ Ｐｌａｔｆｏｒｍｓ：Ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｍｅｔａｌ ａｎｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｈｅａｔｅｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ" Ｓｅｎｓｏｒｓ，６，４０５－４１９，Ａｐｒｉｌ，２００６ Ａｄｉｌ Ｍａｓｏｏｄ ｅｔ ａｌ． "Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＣＭＯＳ－ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｈｅａｔｅｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅｒｍｏ－ｏｐｔｉｃ ｔｕｎｉｎｇ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ｄｅｖｉｃｅｓ" ＯＰＴＩＣＡＬ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＥＸＰＲＥＳＳ，Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．７，Ｊｕｌｙ，２０１４

ＳＯＩ基板に光導波路を設け、かつＳＯＩ基板に光学利得を有する素子を接合することで、半導体光素子を形成することができる。ヒータに電流を流すことでヒータを発熱させ、基板に設けられた光導波路を加熱する。光導波路の屈折率を変化させ、光の波長を変えることができる。金属製のヒータによる光の吸収を抑制するために、ヒータを光導波路から遠ざける。しかし、ヒータから光導波路へと熱が伝わりにくくなり、ヒータの消費電力が増加してしまう。そこで、消費電力を抑制し、かつ光の波長を制御すること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、光導波路および凹部を有する基板と、前記基板の上面であって前記光導波路の上に接合され、光学利得を有する利得部と、電極と、を具備し、前記基板はシリコン層を有し、前記シリコン層は前記光導波路および前記凹部を有し、前記凹部は前記光導波路に隣接し、前記シリコン層のうち第１領域は、前記凹部の底面に設けられ、前記光導波路に比べて高いドーパント濃度を有し、前記電極は前記第１領域に電気的に接続されている。

本開示に係る半導体光素子の製造方法は、光導波路および前記光導波路に隣接する凹部を有する基板のうち、前記凹部の底面に第１領域を形成する工程と、前記基板の上面であって前記光導波路の上に、光学利得を有する利得部を接合する工程と、前記第１領域に接続される電極を形成する工程と、を有し、前記基板はシリコン層を有し、前記シリコン層は、前記光導波路、および前記凹部を有し、前記第１領域を形成する工程は、前記シリコン層のうち前記凹部の底面にドーピングを行うことで、前記光導波路よりも高いドーパント濃度を有する前記第１領域を形成する工程である。

本開示によれば消費電力を抑制し、かつ光の波長を制御することが可能である。

図１は第１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２Ａは基板を拡大した平面図である。 図２Ｂは図２Ａの線Ａ－Ａに沿った断面図である。 図２Ｃは図２Ａの線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。 図３Ａはドーピング濃度と電気抵抗との関係を例示する図である。 図３Ｂは電圧と発熱量との関係を例示する図である。 図４Ａは半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。 図４Ｂは図４Ａの線Ａ－Ａに沿った断面図である。 図４Ｃは図４Ａの線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。 図５Ａは半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。 図５Ｂは図５Ａの線Ａ－Ａに沿った断面図である。 図５Ｃは図５Ａの線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。 図６Ａは半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。 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１０Ａは第２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１０Ｂは図１０Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。 図１１Ａは半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。 図１１Ｂは図１１Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。 図１２Ａは半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。 図１２Ｂは図１２Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。 図１３Ａは半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。 図１３Ｂは図１３Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。 図１４Ａは半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。 図１４Ｂは図１４Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。 図１５Ａは半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。 図１５Ｂは図１５Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。 図１６Ａは半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。 図１６Ｂは図１６Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。

[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）光導波路および凹部を有する基板と、前記基板の上面であって前記光導波路の上に接合され、光学利得を有する利得部と、電極と、を具備し、前記基板はシリコン層を有し、前記シリコン層は前記光導波路および前記凹部を有し、前記凹部は前記光導波路に隣接し、前記シリコン層のうち第１領域は、前記凹部の底面に設けられ、前記光導波路に比べて高いドーパント濃度を有し、前記電極は前記第１領域に電気的に接続されている半導体光素子である。電極を用いて第１領域に電流を流すことで、第１領域は発熱する。第１領域で発生する熱が光導波路に伝わることで、光導波路の温度が変化し、屈折率も変化する。屈折率の変化によって光の波長を制御することができる。シリコン層の熱伝導率が高いため、第１領域から光導波路に熱が伝わりやすい。第１領域を高温に加熱しなくてよいため、消費電力を抑制することができる。
（２）上記（１）において、前記シリコン層の上に設けられ、前記光導波路および前記凹部を覆う絶縁膜を具備してもよい。絶縁膜を設けることで、光導波路に光を強く閉じ込めることができる。シリコン層の熱伝導率は絶縁膜の熱伝導率より高い。第１領域で発生する熱が光導波路に伝わりやすい。波長を制御することが可能で、消費電力を抑制することができる。
（３）上記（１）または（２）において、前記光導波路の両側に前記凹部が設けられ、前記第１領域は、前記光導波路の両側の前記凹部のそれぞれに設けられてもよい。両側から光導波路に熱が伝わるため、効果的に温度を変化させることができる。
（４）上記（１）から（３）のいずれかにおいて、前記第１領域のドーピング濃度は、２×１０^２０ｃｍ^－３以上、１×１０^２２ｃｍ^－３以下でもよい。第１領域の電気抵抗を適切な値とすることができる。第１領域の電気抵抗を適切な値とすることで、第１領域に電流が流れやすくなる。電流が流れることで、第１領域が発熱する。
（５）上記（１）から（４）のいずれかにおいて、前記第１領域の電気抵抗は１０００Ω以下でもよい。第１領域の電気抵抗を適切な値とすることで、第１領域に電流が流れやすくなる。電流が流れることで、第１領域が発熱する。
（６）上記（１）から（５）のいずれかにおいて、前記光導波路と前記第１領域との間の距離は１００ｎｍ以上でもよい。第１領域のキャリアによる光の吸収を抑制することができる。
（７）上記（１）から（６）のいずれかにおいて、前記光導波路はリング共振器を形成し、前記凹部のうち前記リング共振器に隣接する部分に前記第１領域が設けられてもよい。リング共振器の温度を変化させることで、光の波長を制御することができる。
（８）上記（１）から（７）のいずれかにおいて、前記光導波路のうち前記利得部が接合される部分には、回折格子が設けられ、前記第１領域は、前記凹部のうち前記回折格子に沿う部分に設けられてもよい。回折格子の温度を変化させることで、光の波長を制御することができる。
（９）上記（１）から（８）のいずれかにおいて、前記第１領域は接続部を有し、前記接続部は前記光導波路とは反対に位置し、前記電極は前記接続部に接続されてもよい。電極による光の吸収を抑制することができる。
（１０）光導波路および前記光導波路に隣接する凹部を有する基板のうち、前記凹部の底面に第１領域を形成する工程と、前記基板の上面であって前記光導波路の上に、光学利得を有する利得部を接合する工程と、前記第１領域に接続される電極を形成する工程と、を有し、前記基板はシリコン層を有し、前記シリコン層は、前記光導波路、および前記凹部を有し、前記第１領域を形成する工程は、前記シリコン層のうち前記凹部の底面にドーピングを行うことで、前記光導波路よりも高いドーパント濃度を有する前記第１領域を形成する工程である半導体光素子の製造方法である。電極を用いて第１領域に電流を流すことで、第１領域は発熱する。第１領域で発生する熱が光導波路に伝わることで、光導波路の温度が変化し、屈折率も変化する。屈折率の変化によって光の波長を制御することができる。シリコン層の熱伝導率が高いため、第１領域から光導波路に熱が伝わりやすい。第１領域を高温に加熱しなくてよいため、消費電力を抑制することができる。

［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。

＜第１実施形態＞
図１は第１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１に示すように、半導体光素子１００は基板１０および利得部３０を有するハイブリッド型の波長可変レーザ素子である。基板１０は例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板である。利得部３０は光学利得を有する発光素子である。

図１に示すように、基板１０の２つの辺はＸ軸に平行である。基板１０の別の２つの辺はＹ軸に平行である。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向は互いに直交する。基板１０の上面はＸＹ平面に平行である。基板１０の上面はクラッド層３２（絶縁膜）で覆われているが、図１ではクラッド層３２を透視している。

基板１０は上面に光導波路２０が設けられている。光導波路２０は、ループミラー２２および２４、リング共振器２６および２８を有する。光導波路２０が湾曲しループミラー２２およびループミラー２４が形成される。光導波路２０がリング状になりリング共振器２６および２８が形成される。基板１０の１つの端部１０ａから反対の端部１０ｂに向けて、ループミラー２２、リング共振器２６、リング共振器２８、およびループミラー２４がこの順番に配置されている。光導波路２０の１つの端部２０ａは基板１０の端部１０ｂに位置し、光の出射ポートとして機能する。

光導波路２０のうちリング共振器２６とリング共振器２８との間の部分を部分２３とする。部分２３はＸ軸に沿って直線状に延伸し、当該部分に利得部３０が接合される。利得部３０はＸ軸方向の両端にテーパ部３１を有する。光導波路２０は、利得部３０のテーパ部３１と重なる部分にテーパ部２１を有する。テーパ部２１および３１は、利得部３０から離れるほど細くなる。

利得部３０は、例えばＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成されている。利得部３０は、ｎ型のクラッド層、活性層、ｐ型のクラッド層を有する。ｎ型のクラッド層は例えばｎ型のインジウムリン（ｎ－ＩｎＰ）で形成される。ｐ型のクラッド層は例えばｐ型のインジウムリン（ｐ－ＩｎＰ）で形成される。活性層は多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を有し、複数の井戸層およびバリア層を含む。井戸層およびバリア層は例えばアンドープのガリウムインジウム砒素（ｉ－ＧａＩｎＡｓ）で形成される。ｎ型クラッド層にｎ型の電極３４が接続される。ｐ型クラッド層にｐ型の電極３６が接続される。電極３４は金、ゲルマニウムおよびＮｉの合金（ＡｕＧｅＮｉ）などの金属で形成される。電極３６はチタン、白金および金の積層体（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）などの金属で形成される。電極３４および電極３６はＡｕの配線層を有してもよい。

リング共振器２６の近傍、リング共振器２８の近傍、光導波路２０の部分２３の近傍のそれぞれに、領域４０（第１領域）が設けられている。領域４０はヒータとして機能し、図１では網掛けで示されている。

図２Ａは基板１０を拡大した平面図である。図２Ａではクラッド層３２を透視している。図２Ｂは図２Ａの線Ａ－Ａに沿った断面図である。図２Ｃは図２Ａの線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、基板１０は、基板１２、ボックス層１４およびシリコン（Ｓｉ）層１６を有する。基板１２、ボックス層１４およびＳｉ層１６が、Ｚ軸の方向にこの順番で積層されている。基板１２およびＳｉ層１６はＳｉで形成されている。ボックス層１４およびクラッド層３２は例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）で形成されている。ボックス層１４の厚さは例えば２μｍである。Ｓｉ層１６の厚さは例えば２２０ｎｍである。Ｓｉ層１６の上面はクラッド層３２に覆われる。クラッド層３２の厚さは例えば１．２μｍである。

図２Ａから図２Ｃに示すように、Ｓｉ層１６は、光導波路２０、凹部２５、テラス２７を有する。凹部２５は光導波路２０に隣接し、光導波路２０の両側に設けられている。テラス２７は凹部２５の外側に位置する。すなわち、光導波路２０は凹部２５の間に位置する。光導波路２０および凹部２５は、２つのテラス２７の間に位置する。凹部２５にはクラッド層３２が埋め込まれている。光導波路２０の上面および側面はクラッド層３２で覆われる。図示しないが、凹部２５のうち利得部３０の下の部分は、クラッド層３２で充填されず、空洞である。

光導波路２０の上面、凹部２５の底面およびテラス２７の上面は、Ｓｉ層１６で形成されている。光導波路２０の上面およびテラス２７の上面は、Ｚ軸方向において同一の高さに位置する。凹部２５の底面は、光導波路２０の上面およびテラス２７の上面よりも窪んでいる。凹部２５の底面から光導波路２０およびテラス２７の上面までの距離（凹部２５の深さＤ１）は例えば１９０ｎｍである。凹部２５の幅Ｗ１は例えば５μｍである。光導波路２０の幅Ｗ２は例えば５００ｎｍである。

２つの凹部２５それぞれの底面に領域４０が設けられている。光導波路２０は２つの領域４０に挟まれる。領域４０は、Ｓｉ層１６の光導波路２０よりも高いドーピング濃度を有する。ドーパントは例えばホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）である。

図２Ａに示すように、領域４０は光導波路２０と同じ方向に延伸する。Ｘ軸方向における領域４０の長さＬ１は例えば１００μｍである。領域４０は光導波路２０およびテラス２７から離間する。領域４０と光導波路２０との間の距離Ｌ２は例えば１００ｎｍである。領域４０の幅Ｗ３は例えば２μｍである。領域４０の厚さＴ１は例えば３０ｎｍである。

領域４０は光導波路２０から離れる方向に延伸し、当該延伸した端部に接続部４２を有する。２つの接続部４２のそれぞれに電極４４が電気的に接続される。電極４４は領域４０の接続部４２に接触し、かつパッド４５に接続される。パッド４５はテラス２７の上面に設けられる。図２Ｂに示すように、電極４４およびパッド４５は、クラッド層３２から露出する。電極４４は銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）などの金属で形成される。クラッド層３２は光導波路２０の上面および側面を覆う。クラッド層３２は、半導体光素子１００の表面のうち金属部分以外の全体を覆ってもよい。

図２Ａから図２Ｃでは光導波路２０の部分２３付近を図示した。リング共振器２６および２８の付近にも領域４０、電極４４およびパッド４５が設けられる。

電極３４および電極３６に電圧を印加することで、利得部３０に電流を流す。利得部３０に電流を流すと、利得部３０の活性層にキャリアが注入される。キャリアの注入によって、利得部３０は発光する。利得部３０と基板１０の光導波路２０とはエバネッセント光結合している。テーパ部２１および３１が設けられているため、光の反射は抑制され、光が利得部３０から光導波路２０に遷移し、光導波路２０を伝搬する。光導波路２０はクラッド層３２で覆われている。Ｓｉの光導波路２０は、ＳｉＯ_２のクラッド層３２に比べて高い屈折率を有する。光を光導波路２０に強く閉じ込めることができるため、光の損失は抑制される。

光の波長はリング共振器２６および２８によって選択される。光は２つのループミラー２２および２４により繰り返し反射されることで、レーザ発振する。光の一部はループミラー２４を透過し、端部２０ａから半導体光素子１００の外に向けて出射される。

光の波長を変化させる場合、図２Ａに示すパッド４５および電極４４を用いて、領域４０に電圧を印加する。領域４０は、Ｓｉ層１６のうち領域４０以外の部分よりも高いドーピング濃度を有しているため、低い電気抵抗を有する。電圧の印加によって、領域４０に電流が流れる。電流が流れると領域４０にジュール熱が発生する。熱は領域４０から光導波路２０に伝わり、光導波路２０の温度を変化させる。温度変化によって光導波路２０の屈折率が変化する。図１の半導体光素子１００において、光導波路２０の部分２３の屈折率、リング共振器２６および２８の屈折率を変化させることができる。屈折率の変化により光路長も変化する。これにより光の発振波長を調整することができる。

図３Ａはドーピング濃度と電気抵抗との関係を例示する図である。領域４０の形状は直方体としている。領域４０の長さＬ１は１００μｍ、厚さＴ１は３０ｎｍ、幅Ｗ３は２μｍとして、電気抵抗を計算している。図３Ａの横軸は領域４０におけるドーピング濃度を表す。縦軸は領域４０の電気抵抗を表す。図３Ａに示すように、ドーピング濃度が高くなると領域４０の電気抵抗は低下する。ドーピング濃度が２×１０^２０ｃｍ^－３以上の場合、電気抵抗は１０００Ω以下になる。ドーピング濃度が８×１０^２０ｃｍ^－３の場合、電気抵抗は約３００Ωになる。

図３Ｂは電圧と発熱量との関係を例示する図である。横軸は領域４０に印加される電圧を表す。縦軸は領域４０の発熱量を表す。領域４０の形状およびサイズは図３Ａのシミュレーションに用いたものと同じである。図３Ｂの実線の例では領域４０の電気抵抗が３００Ωである。点線の例では電気抵抗が５００Ωである。破線の例では電気抵抗が１０００Ωである。同一の電圧においては、電気抵抗が低いほど、領域４０に流れる電流が増加し、発熱量も増加する。電圧を高くすると発熱量は増加する。発熱量は電圧の二乗に比例する。

（製造方法）
図４Ａから図９Ｃは半導体光素子１００の製造方法を例示する図であり、図２Ａから図２Ｃに対応した平面図および断面図である。図１に示す利得部３０は、基板１０とは別のウェハから製造される。

図４Ａから図４Ｃに示すように、基板１０のＳｉ層１６に例えばドライエッチングを行うことで、凹部２５を形成する。ドライエッチングはＳｉ層１６の途中まで進み、凹部２５の底面（Ｓｉ層１６の面）が形成される。Ｓｉ層１６のうちドライエッチングされない部分は光導波路２０およびテラス２７となる。

図５Ａから図５Ｃに示すように、Ｓｉ層１６の上面にレジスト５０を形成する。レジストパターニングを行い、レジスト５０に開口部５０ａを形成する。開口部５０ａは凹部２５の上に位置し、レジスト５０を貫通する。開口部５０ａから凹部２５の底面が露出する。

図６Ａから図６Ｃに示すように、凹部２５の底面にイオンを注入することで、領域４０を形成する。イオンはホウ素（Ｂ）イオンおよびリン（Ｐ）イオンなどである。イオンが注入される深さは例えば３０ｎｍである。凹部２５の底面からＳｉ層１６とボックス層１４との界面までイオンが注入され、領域４０が形成される。領域４０は、Ｓｉ層１６の領域４０以外の部分に比べて高いドーピング濃度を有し、低い電気抵抗を有する。Ｓｉ層１６のうちレジスト５０で覆われた部分にはイオンが注入されない。すなわち、領域４０はドーピングされた部分である。Ｓｉ層１６のうち領域４０以外の部分には意図的なドーピングが行われない。イオン注入の後、レジスト５０は除去される。

基板１０のＳｉ層１６の表面および利得部３０の下面を、プラズマ照射などで活性化する。利得部３０をＳｉ層１６に接触させ、加圧することで、図１に示した利得部３０を基板１０に接合する。エッチングなどにより利得部３０にメサおよびテーパ部３１を形成する。

図７Ａおよび図７Ｃに示すように、例えばプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｔｉｏｎ、化学気相成長法）法などにより、クラッド層３２を形成する。クラッド層３２は凹部２５の内側を埋め、光導波路２０の上面および側面を覆う。図７Ｂに示すように、領域４０の接続部４２を含む断面において、クラッド層３２は光導波路２０の上面および側面を覆う。領域４０の接続部４２を含む断面において、凹部２５の途中からテラス２７の途中までの範囲には、クラッド層３２は形成されない。領域４０の一部（接続部４２）はクラッド層３２から露出する。利得部３０の上にもクラッド層３２は形成されない。

図８Ａから図８Ｃに示すように、基板１０およびクラッド層３２の上にレジスト５２を設ける。レジストパターニングを行い、レジスト５２に開口部５２ａを形成する。開口部５２ａは領域４０の接続部４２の上に位置し、レジスト５２を貫通する。開口部５２ａから領域４０の接続部４２が露出する。

図９Ａおよび図９Ｂに示すように、例えば真空蒸着およびリフトオフにより、接続部４２に電極４４を形成する。レジスト５２を除去する。電極４４と接続されるパッド４５をＳｉ層１６に形成する（図２Ａおよび図２Ｂ参照）。利得部３０に接続される電極も真空蒸着などで形成する。以上の工程で半導体光素子１００が形成される。

第１実施形態によれば、基板１０のＳｉ層１６は光導波路２０および領域４０を有する。領域４０は凹部２５に設けられ、光導波路２０に比べて高いドーピング濃度を有する。領域４０の電気抵抗は光導波路２０の電気抵抗よりも低い。電極４４から領域４０に電流を流すことで、領域４０にジュール熱が発生する。つまり領域４０がヒータとして機能する。領域４０で発生する熱が光導波路２０に伝わることで、光導波路２０の温度が変化し、屈折率も変化する。光導波路２０の屈折率が変化することで、光導波路２０を伝搬する光の位相が変化し、光の波長が変化する。光の波長を制御することが可能であり、かつ消費電力を抑制することができる。

図２Ｃに示すように、クラッド層３２はＳｉ層１６の上に設けられ、光導波路２０および凹部２５を覆う。クラッド層３２は例えばＳｉＯ_２で形成され、Ｓｉ層１６より低い屈折率を有する。クラッド層３２を設けることで光導波路２０に光を閉じ込め、損失を抑制することができる。一方、クラッド層３２の熱伝導率はＳｉ層１６よりも低い。金属のヒータをクラッド層３２の上に設けると、ヒータからの熱が光導波路２０に伝わりにくい。クラッド層３２上のヒータを用いて光導波路２０の温度変化を行うには、ヒータを高温に加熱する。このためヒータの消費電力が増大する。高温環境での信頼性が低下する恐れもある。

第１実施形態によれば、Ｓｉ層１６の領域４０がヒータとして機能する。Ｓｉ層１６の熱伝導率はクラッド層３２の熱伝導率の約１００倍である。領域４０から光導波路２０に熱が伝わりやすい。このため消費電力を抑制することができる。Ｓｉ層１６の熱伝導率が高いため、金属のヒータに比べて領域４０を高温に加熱しなくてよい。高温環境での信頼性が向上する。

図２Ａに示すように、凹部２５は光導波路２０の両側に設けられ、領域４０も光導波路２０の両側に設けられる。光導波路２０の両側に領域４０が設けられることで、２つの領域４０から効率的に熱が伝わる。光導波路２０の温度変化を効率的に行うことができる。領域４０は光導波路２０の左側および右側のうち一方に設けられ、もう一方には設けられなくてもよい。つまり、領域４０は光導波路２０の両側のうち少なくとも一方に設けられてもよい。

図６Ａから図６Ｃに示すように、Ｓｉ層１６にイオンを注入して領域４０を形成することができるため、領域４０を製造するための工程が簡単である。

領域４０のドーピング濃度は例えば２×１０^２０ｃｍ^－３以上、１×１０^２２ｃｍ^－３以下でもよい。領域４０の電気抵抗は１０００Ω以下、数十Ω以上となる。領域４０に電流が流れ、発熱する。発熱量を増加させるためには領域４０のドーピング濃度を高め、電気抵抗を下げればよい。例えば、領域４０のドーピング濃度を８×１０^２０ｃｍ^－３、電気抵抗を３００Ωとする。電気抵抗を適切な値とすることで、領域４０に電流が流れやすくなる。電流が流れることで、領域４０が発熱する。

光導波路２０と領域４０との距離Ｌ２が小さくなると、領域４０から光導波路２０に熱が伝わりやすくなる。領域４０のキャリア密度は、Ｓｉ層１６の領域４０以外の部分に比べて高い。距離Ｌ２が小さくなると、光が領域４０のキャリアに吸収されやすくなる。距離Ｌ２を大きくすると、光の吸収は抑制される。領域４０がｎ型イオンでドーピングされ、領域４０の電気抵抗が３００Ω、距離Ｌ２＝１００ｎｍのとき、光の損失は０．００１ｄＢ／ｃｍである。Ｌ２＝１００ｎｍで光の損失は低く抑えることができる。距離Ｌ２を１００ｎｍ以上とすることで、光の損失を抑制することができる。

図１に示すように、領域４０は光導波路２０の部分２３、リング共振器２６および２８の近傍に設けられる。光導波路２０の部分２３の屈折率が変化する。リング共振器２６および２８の屈折率が変化する。光の波長を調整することができる。領域４０は基板１０の上記以外の位置に設けられてもよい。

領域４０は接続部４２を有する。接続部４２は光導波路２０とは反対に位置し、電極４４が接続される。電極４４を通じて領域４０に電流を流すことで、領域４０が発熱する。接続部４２は光導波路２０から離れる方向に延伸するため、電極４４は光導波路２０から離間する。金属の電極４４による光の吸収を抑制することができる。

＜第２実施形態＞
図１０Ａは第２実施形態に係る半導体光素子２００を例示する平面図である。図１０Ｂは図１０Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。

図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、基板１０に光導波路２０が設けられている。光導波路２０は直線状であり、基板１０の１つの端部から反対の端部までＸ軸方向に延伸する。光導波路２０は、Ｘ軸方向の中央部に回折格子５５を有する。Ｓｉ層１６の上面に周期的に設けられた凹凸が回折格子５５として機能する。回折格子５５の上に利得部３０が接合されている。半導体光素子２００は、分布帰還型（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザ素子である。

光導波路２０の両側に凹部２５が設けられている。凹部２５の外側にテラス２７が設けられている。２つの凹部２５の底面に領域４０が設けられている。領域４０は、利得部３０および回折格子５５の両側に位置している。クラッド層３２は、利得部３０の上、電極４４およびパッド４５の近傍には設けられていないが、光導波路２０および凹部２５の上に設けられている。

利得部３０はクラッド層６０、活性層６２、クラッド層６４およびコンタクト層６６を有する。クラッド層６０は基板１０のＳｉ層１６の上面に接合されている。クラッド層６０の上に活性層６２、クラッド層６４およびコンタクト層６６がこの順番で積層されている。クラッド層６０および活性層６２は、光導波路２０、凹部２５、テラス２７の上に設けられている。利得部３０はメサ６７を有する。メサ６７はクラッド層６４およびコンタクト層６６で形成されている。メサ６７は、クラッド層６０および活性層６２よりも小さな幅を有し、光導波路２０および凹部２５の上に位置する。

利得部３０は絶縁膜６１に覆われる。絶縁膜６１はメサ６７から離間した位置に開口部を有し、メサ６７の上に盛開口部を有する。電極３４は、メサ６７から離間した位置に設けられ、クラッド層６０に電気的に接続される。電極３６は、メサ６７の上に位置し、コンタクト層６６に電気的に接続される。

クラッド層６０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６４は例えばｐ－ＩｎＰで形成されている。コンタクト層６６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６２は多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を有し、複数の井戸層および複数のバリア層を含む。井戸層およびバリア層は、例えばアンドープのガリウムインジウム砒素（ｉ－ＧａＩｎＡｓ）で形成される。

図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、凹部２５の底面には高ドープの領域４０が設けられている。図１０Ｂに示す断面では、光導波路２０の上面はクラッド層６０の下面に接触している。図１０Ａに示すように光導波路２０は、利得部３０に重なる部分に回折格子５５を有する。

電極３４および電極３６に電圧印加することで、利得部３０に電流を流す。キャリアの注入によって、利得部３０は発光する。光の発振波長は回折格子５５によって決まる。光の波長を変化させる場合、パッド４５および電極４４を用いて、領域４０に電圧を印加する。電流が流れると領域４０にジュール熱が発生する。熱は領域４０から回折格子５５に伝わり、回折格子５５の温度を変化させる。温度変化によって回折格子５５の屈折率が変化する。屈折率の変化により光の発振波長を調整することができる。

（製造方法）
図１１Ａから図１６Ｂは半導体光素子２００の製造方法を例示する図であり、図１０Ａおよび図１０Ｂに対応した平面図および断面図である。図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、基板１０のＳｉ層１６にドライエッチングを行い凹部２５および回折格子５５を形成する。

図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、Ｓｉ層１６の上面にレジスト７０を形成する。レジスト７０は凹部２５の上に開口部７０ａを有する。イオン注入を行い、凹部２５の底面に領域４０を形成する。イオン注入の後、レジスト７０は除去する。

図１３Ａおよび図１３Ｂに示すように、利得部３０を接合する。利得部３０のクラッド層６０の下面、およびＳｉ層１６の上面を、プラズマ照射によって活性化する。クラッド層６０とＳｉ層１６とを接触させることで、利得部３０をＳｉ層１６に接合する。

図１４Ａおよび図１４Ｂに示すように、例えばドライエッチングなどで利得部３０にメサ６７を形成する。図１５Ａおよび図１５Ｂに示すように、例えばプラズマＣＶＤ法などにより、利得部３０の表面に絶縁膜６１を形成する。Ｓｉ層１６の上面にクラッド層３２を形成する。絶縁膜６１とクラッド層３２とは同じ材料で形成されてもよく、単一の工程で同時に形成されてもよい。

図１６Ａおよび図１６Ｂに示すように、真空蒸着などで、領域４０の上面に電極４４を形成する。絶縁膜６１にエッチングなどで開口部を形成する。当該開口部に、真空蒸着などで、電極３４および電極３６を形成する。メッキ処理などによって、パッド４５を形成する。以上の工程で半導体光素子２００が形成される。

第２実施形態によれば、基板１０のＳｉ層１６は領域４０を有する。領域４０で発生する熱によって、回折格子５５の温度を変化させ、屈折率を変化させることができる。回折格子５５の屈折率が変化することで、光導波路２０を伝搬する光の位相が変化し、光の波長を変化させることができる。Ｓｉ層１６に領域４０を設けることで、金属のヒータに比べて消費電力を低減することができる。

図１０Ａに示すように、凹部２５は回折格子５５の両側に設けられ、領域４０も回折格子５５の両側に設けられる。回折格子５５の両側に領域４０が設けられることで、２つの領域４０から効率的に熱が伝わる。温度変化を効率的に行うことができる。領域４０は回折格子５５の両側のうち少なくとも一方に設けられてもよい。

回折格子５５の上に利得部３０が接合される。このため、回折格子５５の近傍に金属のヒータを設けることは難しい。第２実施形態によれば、凹部２５のうち回折格子５５の近傍の部分に領域４０を設ける。領域４０で発生する熱によって回折格子５５の温度を変化させることができる。基板１０が回折格子５５とリング共振器とを有してもよい。回折格子５５の近傍およびリング共振器の近傍に領域４０を設けてもよい。

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、１２ 基板
１０ａ、１０ｂ、２０ａ 端部
１４ ボックス層
１６ Ｓｉ層
２０ 光導波路
２１、３１ テーパ部
２２、２４ ループミラー
２３ 部分
２５ 凹部
２６、２８ リング共振器
２７ テラス
３０ 利得部
３４、３６、４４ 電極
４５ パッド
３２、６０、６４ クラッド層
４０ 領域
４２ 接続部
５０、５２、７０ レジスト
５０ａ、５２ａ、７０ａ 開口部
５５ 回折格子
６１ 絶縁膜
６２ 活性層
６６ コンタクト層
６７ メサ
１００、２００ 半導体光素子

Claims (10)

1. 光導波路および凹部を有する基板と、
   前記基板の上面であって前記光導波路の上に接合され、光学利得を有する利得部と、
   電極と、を具備し、
   前記基板はシリコン層を有し、
   前記シリコン層は前記光導波路および前記凹部を有し、
   前記凹部は前記光導波路に隣接し、
   前記シリコン層のうち第１領域は、前記凹部の底面に設けられ、前記光導波路に比べて高いドーパント濃度を有し、
   前記電極は前記第１領域に電気的に接続されている半導体光素子。
2. 前記シリコン層の上に設けられ、前記光導波路および前記凹部を覆う絶縁膜を具備する請求項１に記載の半導体光素子。
3. 前記光導波路の両側に前記凹部が設けられ、
   前記第１領域は、前記光導波路の両側の前記凹部のそれぞれに設けられる請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
4. 前記第１領域のドーピング濃度は、２×１０^２０ｃｍ^－３以上、１×１０^２２ｃｍ^－３以下である請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
5. 前記第１領域の電気抵抗は１０００Ω以下である請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
6. 前記光導波路と前記第１領域との間の距離は１００ｎｍ以上である請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
7. 前記光導波路はリング共振器を形成し、
   前記凹部のうち前記リング共振器に隣接する部分に前記第１領域が設けられる請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
8. 前記光導波路のうち前記利得部が接合される部分には、回折格子が設けられ、
   前記第１領域は、前記凹部のうち前記回折格子に沿う部分に設けられる請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
9. 前記第１領域は接続部を有し、
   前記接続部は前記光導波路とは反対に位置し、
   前記電極は前記接続部に接続されている請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
10. 光導波路および前記光導波路に隣接する凹部を有する基板のうち、前記凹部の底面に第１領域を形成する工程と、
    前記基板の上面であって前記光導波路の上に、光学利得を有する利得部を接合する工程と、
    前記第１領域に接続される電極を形成する工程と、を有し、
    前記基板はシリコン層を有し、
    前記シリコン層は、前記光導波路、および前記凹部を有し、
    前記第１領域を形成する工程は、前記シリコン層のうち前記凹部の底面にドーピングを行うことで、前記光導波路よりも高いドーパント濃度を有する前記第１領域を形成する工程である半導体光素子の製造方法。
    
    

Images