JP5191973B2

JP5191973B2 - 光半導体装置及びその作製方法

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Publication number: JP5191973B2
Application number: JP2009239724A
Authority: JP
Inventors: 剛藤澤; 文良狩野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-10-16
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2029-10-16
Also published as: JP2011085816A

Description

本発明は光半導体装置及びその作製方法に関するものである。

現在のインターネットの爆発的な広がりから、必要な通信容量は年々増加している。そのような要求に答えるため、従来の光信号を時間領域で０と１に変調する時分割多重、空間のチャネル数を増やす空間分割多重通信に加え、光の色（波長）に信号を載せる波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）通信が開発されてきた。ＷＤＭ通信は主に長距離の幹線系の通信に用いられ、光ファイバの損失の最も小さな1.55μｍ帯の波長が用いられる。隣り合う波長の間隔は規格で決められているが、例えばＤＷＤＭ（Dense ＷＤＭ）では0.8 nm間隔で光の波長に信号を載せることが取り決められている。ＷＤＭ通信では、それぞれの色を発光するレーザ、それらを受信する受光器が必要なことはもちろんであるが、そのほかに、光の色に応じて出力先を変えるものや、逆に様々な色の光を一つに束ねる光合分波器が必要となる。

このような光合分波器は様々な材料、形状で実現されてきたが、平面状の基板に、屈折率の大きなコア部、それよりも屈折率の小さなクラッド部を有する光導波路を用いて光集積回路を形成する平面型光集積回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）では、ガラスを用いるものが最も一般的であり、光導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）など様々な光合分波器が実現されてきた。特にガラスを用いたＰＬＣによる光合分波器は、波長間隔の非常に狭いＤＷＤＭなどにおいても非常に優れた分波特性を有しているが、近年の通信容量の増大化に伴い、一つのチップで処理するチャネル数が増えたため、そのチップの大きさや消費電力が問題となり始めている。

ＰＬＣにおけるチップの大きさは、そこに用いられる光導波路の曲げ損失によって決まる。光合分波器などの光集積回路においては、平面上で光を引き回すために光導波路を曲げることが不可欠であるが、その際、曲げに対して外側の領域に光が放射していくことが知られており、これを曲げ損失と呼ぶ。この損失はゆるやかに曲げるほど（曲げ半径が大きいほど）小さく、急激に曲げるほど（曲げ半径が小さいほど）大きい。そして、この損失の大きさは光導波路のコア部の屈折率とそれを囲むクラッド部の屈折率の差によって決まる。この屈折率の差が大きいほど光はコア部に良く閉じ込められるが、小さいとクラッド部に大きく漏れ出し曲げ損失が大きくなる。

ガラスを用いたＰＬＣの場合、コア部に不純物をドーピングすることにより屈折率を大きくするが、通常クラッドとの屈折率差は0.1％から３％程度と非常に小さく、例えばＡＷＧの場合、そのチップサイズはせいぜい数ｃｍ角程度である。

このことから、より大きな屈折率差をもつIII V族半導体導波路を用いて光集積回路を構成しようとする試みもなされてきた。III V族半導体を用いる場合には、基板上に屈折率の大きな導波層、その上に屈折率の小さなオーバークラッド層を形成し、導波路の両脇を導波層を突き抜ける深さまでエッチングによって削り、その部分をたとえば低屈折率の有機材料で埋めることによって導波路を形成する（ハイメサ構造）。この場合、導波路の上下方向に関しては半導体同士のため光の閉じ込めはそれほどでもないが、横方向に関しては半導体（屈折率は通常3.4程度）と有機材料（屈折率は1.5〜２程度）のため数十％もの巨大な屈折率差を得ることができる。このとき、例えばＡＷＧを作成した場合、そのチップサイズは数ｍｍ角となり、上下方向の光の漏れがチップの最小サイズを決定する。また、III V族半導体を用いるもう一つの大きなメリットは半導体レーザ（送信器）、受光器と集積可能なことである。送受信機と同一基板上に集積することにより、送受信モジュールをより小さく、挿入損失を抑えて作成するこが可能となる。これはガラス系の材料には無い特徴である。

最近、更なる光集積回路の小型化を目指して、シリコン基板上にシリコンをコア、ガラスをクラッドとする導波路（シリコン細線導波路）を用いた超小型光集積回路の研究が盛んに行われている。シリコンの屈折率は3.5程度、ガラスの屈折率は1.5程度であり、III V族半導体の場合と同等の屈折率差を得ることができるうえに、シリコンをガラス膜の上に堆積することが可能なため、シリコンコアの上下左右どの方向もガラスで囲む導波路構造となるため、どの方向の屈折率差も非常に大きく、III V族半導体の場合よりも更に小型化が可能となる。また、このときのコアの横断面での大きさは通信波長である1.55 μｍに対しては、数百nm程度であり、媒質内の光の波長程度となる。例えばＡＷＧを作成した場合、そのチップサイズは数十μm角となりガラスを用いた場合の１０００分の１となる。この構造の最大の問題点は送受信機との結合にある。シリコン導波路を用いて送受信モジュールを構成する場合には、III V族半導体のように一つのチップ上に集積することは困難なため、半導体レーザとの間をレンズなどで結合することになるが、レンズの集光限界などにより、効率の良い結合は難しい。

III V族半導体を用いてシリコン細線導波路のような超小型光導波路を作製する試みも行われているが、シリコンの場合のように屈折率の小さな膜の上に半導体を堆積することが困難なため、ウェットエッチングにより導波路の下側まで溶かして作製されている。その際に、導波路部分が流されていかないように、導波路と外側のエッチングしない部分を細い半導体の棒でつなぐ必要がある。そのため、この導波路は下側に支えがなく、細い棒で宙吊りになっていることから機械的に弱く、また、光の進行方向に周期的に細い棒が存在し、その部分が不連続部となるため、ある波長の光の透過特性が悪くなるなど、導波路の特性に悪影響を及ぼす。また、周囲が空気であるため、ほぼ導波路は断熱されており、半導体光デバイスにおいてしばしば問題となる、熱の影響をまともにうけてしまう。

K. Okamoto, K. Shuto, H. Takahashi, and H. Ohmori, "Fabrication of 128-channel arrayed waveguide grating multiplexer with 25GHz channel spacing," Electronics Letters, Vol. 32, No. 16, pp. 1474-1476, Aug. 1996. N. Kikuchi, Y. Shibata, H. Okamoto, Y. Kawaguchi, S. Oku, H. Ishii, Y. Yoshikuni, and Y. Tohmori, "Monolithically integrated 64-channel WDM channel selector with novel configuration," Electronics Letters, Vol. 38, No. 7, pp. 331-332, Mar. 2002. K. Sasaki, F. Ohno, A. Motegi, and T. Baba, "Arrayed waveguide grating of 7060 μm2 size based on Si photonic wire waveguides," Electronics Letters, Vol. 41, No. 14, pp. 801-801, July 2005. T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, D. Park, J. B. Khurgin, S. Kanakaraju, and C. J. K. Richardson, "Low-loss suspended quantum well waveguides," Optics Express, Vol. 16, No. 4, pp. 2621-2627, Feb. 2008.

このように、シリコン細線導波路を用いると、光集積回路のチップサイズは飛躍的に小さくなるものの、半導体レーザや受光器との集積が難しい。しかし、III V族半導体のハイメサ導波路を用いた光集積回路では上下方向の光の閉じ込めが小さいため、そこでチップの大きさが決定されてしまう。III V族半導体を用いた細線導波路に関しても、その構造から機械的な強度や導波路の特性に問題がある。

従って、本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、III V族半導体を用いて、シリコン細線と同等の屈折率差をもつ光導波路を形成し、ハイメサ構造よりも更に小さく、機械的な強度が強く導波路の特性に問題の無い光集積回路を実現することができる光半導体装置の作製方法を提供することを課題とする。即ち、基板上に、媒質（基板上の半導体光導波路構造）内での光の波長程度の大きさのコア層を有する光導波路を形成し、それを要素とする光部品の小型化を実現することを課題としている。

上記課題を解決する第１発明の光半導体装置は、基板と、前記基板上に第２エッチングストップ層、クラッド層、第１エッチングストップ層、光の導波層であるコア層を順次積層して成る化合物半導体導波路構造を有し、
前記第１エッチングストップ層及び前記クラッド層が、前記コア層の幅よりも狭い幅に形成されて、前記コア層と前記第２エッチングストップ層とをつなぐ支柱となっており、
前記支柱との接続部を除く前記コア層の外周面全体と、前記支柱の両側面とが、前記コア層よりも屈折率の低い有機材料クラッド層によって覆われていること、
を特徴とする。

また、第２発明の光半導体装置は、第１発明の光半導体装置において、
前記コア層、前記第１エッチングストップ層、前記クラッド層及び前記第２エッチングストップ層の材料は、前記コア層をエッチングするときに前記第１エッチングストップ層がエッチングされず、前記第１エッチングストップ層をエッチングするときに前記コア層及び前記クラッド層がエッチングされず、前記クラッド層をエッチングするときに前記コア層、前記第１エッチングストップ層及び前記第２エッチングストップ層がエッチングされない材料からなっていること、
を特徴とする。

また、第３発明の光半導体装置は、第１又は第２発明の光半導体装置において、
前記コア層に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長が、前記第１エッチングストップ層に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長よりも小さく、
更に前記第１エッチングストップ層に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長が、前記クラッド層に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長よりも大きいこと、
を特徴とする。

また、第４発明の光半導体装置は、第１〜第３発明の何れか１つの発明の光半導体装置において、
前記支柱の幅が、前記コア層の幅の２５〜７５％であることを特徴とする。

また、第５発明の光半導体装置は、第１〜第４発明の何れか１つの発明の光半導体装置において、
前記コア層の下面から前記第２エッチングストップ層の上面までの前記支柱の高さが、１μｍ以上、３μｍ以下であることを特徴とする。

また、第６発明の光半導体装置は、第１〜第５発明の何れか１つの発明の光半導体装置において、
前記コア層がバルク半導体、もしくは半導体を用いた量子井戸構造を含むことを特徴とする。

また、第７発明の光半導体装置の作製方法は、第２発明の光半導体装置を作製する方法であって、
前記基板上に前記第２エッチングストップ層、前記クラッド層、前記第１エッチングストップ層、前記コア層を順次積層する工程と、
前記コア層をエッチングする工程と、
前記第１エッチングストップ層をエッチングした後、前記クラッド層をエッチングして、前記支柱を形成する工程と、
前記支柱との接続部を除く前記コア層の外周面全体と、前記支柱の両側面とを、前記有機材料クラッド層で覆う工程と、
を実施することを特徴とする。

また、第８発明の光半導体装置の作製方法は、第２発明の光半導体装置を作製する方法であって、
前記基板上に前記第２エッチングストップ層、前記クラッド層、前記第１エッチングストップ層、前記コア層を順次積層する工程と、
前記コア層の幅方向の一方側をエッチングする工程と、
前記第１エッチングストップ層の幅方向の一方側をエッチングした後、前記クラッド層の幅方向の一方側をエッチングして、前記支柱の一方の側面を形成する工程と、
前記コア層の上面、一方の側面及び下面と、前記支柱の一方の側面とを、前記有機材料クラッド層で覆う工程と、
前記コア層の上面を覆っている前記有機材料クラッド層の幅方向の他方側をエッチングする工程と、
前記コア層の幅方向の他方側をエッチングする工程と、
前記第１エッチングストップ層の幅方向の他方側をエッチングした後、前記クラッド層の幅方向の他方側をエッチングして、前記支柱の他方の側面を形成する工程と、
前記コア層の他方の側面及び下面と、前記支柱の他方の側面とを、前記有機材料クラッド層で覆う工程と、
を実施することを特徴とする。

本発明の実施によって、コア層とその周囲の有機材料クラッド層との屈折率差が大きくて、曲げ損失が小さくなるため、半導体レーザや受光器と同一基板上に集積可能な、III V族半導体を用いた超小型の光集積回路の構成を実現することが可能となる。

本発明の実施の形態例１に係る光半導体装置における支柱つきの半導体細線導波路の構造図である。図１Ａとの比較のために示した従来の光半導体装置におけるハイメサ導波路の構造図である。前記支柱つきの半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、基板上に第２エッチングストップ層、クラッド層、第１エッチングストップ層及びコア層を積層する工程を示す図である。前記支柱つきの半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記コア層をエッチングする工程を示す図である。前記支柱つきの半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記第１エッチングストップ層をエッチングする工程を示す図である。前記支柱つきの半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記クラッド層をエッチングする工程を示す図である。前記支柱つきの半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記クラッド層をエッチングする工程を示す図である。前記支柱つきの半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記エッチングされた前記コア層と、前記エッチングされた前記第１エッチングストップ層及び前記クラッド層から成る支柱とを、有機材料クラッド層で覆う工程を示す図である。前記支柱つきの半導体細線導波路の１μｍ当たりの曲げ損失の曲げ半径依存性を示す図である。従来のハイメサ導波路の１μｍ当たりの曲げ損失の曲げ半径依存性を示す図である。本発明の実施の形態例２に係る光半導体装置における支柱つきの半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、基板上に第２エッチングストップ層、クラッド層、第１エッチングストップ層及びコア層を積層する工程を示す図である。前記支柱つきの半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記コア層の幅方向の一方側をエッチングする工程を示す図である。前記支柱つきの半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記第１エッチングストップ層の幅方向の一方側をエッチングする工程を示す図である。前記支柱つきの半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記クラッド層の幅方向の一方側をエッチングする工程を示す図である。前記支柱つきの半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記クラッド層の幅方向の一方側をエッチングする工程を示す図である。前記支柱つきの半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記エッチングされた前記コア層の幅方向の一方側と、前記エッチングされた前記第１エッチングストップ層及び前記クラッド層からなる支柱の幅方向の一方側とを、有機材料クラッド層で覆う工程を示す図である。前記支柱つきの半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記有機材料クラッド層の幅方向の他方側をエッチングする工程を示す図である。前記支柱つきの半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記コア層の幅方向の他方側をエッチングする工程を示す図である。前記支柱つきの半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記第１エッチングストップ層の幅方向の他方側をエッチングする工程を示す図である。前記支柱つきの半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記クラッド層の幅方向の他方側をエッチングする工程を示す図である。前記支柱つきの半導体細線導波路の作製方法を示す図であって、前記エッチングされた前記コア層の幅方向の他方側と、前記エッチングされた前記第１エッチングストップ層及び前記クラッド層からなる支柱の幅方向の他方側とを、有機材料クラッド層で覆う工程を示す図である。

以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。

＜実施の形態例１＞
図１Ａに示すように、本発明の実施の形態例１に係る光半導体装置は、半導体混晶基板１と、この基板１上に第２エッチングストップ層２、半導体クラッド層３、第１エッチングストップ層４、光の導波層である半導体導波路コア層５を順次積層して成る化合物半導体導波路（半導体細線導波路）の構造を有している。即ち、基板１上に、光の進行方向（図１Ａの紙面に垂直な方向）に垂直な断面（横断面）の大きさが媒質（基板上の半導体光導波路構造）内での光の波長程度の大きさであるコア層５を有する光導波路を形成している。そして、第１エッチングストップ層４及びクラッド層３が、コア層５の幅よりも狭い幅に形成されて、コア層５と第２エッチングストップ層２とをつなぐ支柱７となっており、且つ、この支柱７との接続部を除くコア層５の外周面全体と、支柱７の両側面とが、コア層５よりも屈折率の低い有機材料を用いたクラッド層６によって覆われている。

つまり、本導波路構造は、コア層５の下に、コア層５の幅Ｗ１よりも細く、且つ、第２エッチングストップ層２を介して基板１とつながっている支柱７があることを特徴としており、この支柱７はコア層５の幅Ｗ１よりも狭い幅Ｗ２の第１エッチングストップ層４とクラッド層３から成っている。従って、コア層５は支柱７と第２エッチングストップ層２を介して基板１につながっている。また、有機材料クラッド層６によって、支柱７との接続部を除くコア層５の外周面全体が覆われている。即ち、コア層５の光進行方向（図１Ａの紙面に垂直な方向）と垂直な断面の外周面である上面５ａと、両側面５ｂ，５ｃと、下面５ｄの両側部分（支柱７が接続されている部分以外の部分）とが、有機材料クラッド層６によって覆われている。また、有機材料クラッド層６は支柱７の両側も覆っている。即ち、支柱７の前記光進行方向と垂直な断面の両側の面７ａ，７ｂ全体が、有機材料クラッド層６で覆われている。

また、コア層５から下層４，３へと順次エッチング加工して上記構造の半導体細線導波路を形成することができるようにするため、コア層５、第１エッチングストップ層４、クラッド層３及び第２エッチングストップ層２の材料は、コア層５をエッチングするときに第１エッチングストップ層４がエッチングされず、第１エッチングストップ層４をエッチングするときにコア層５及びクラッド層３がエッチングされず、クラッド層３をエッチングするときにコア層５、第１エッチングストップ層４及び第２エッチングストップ層２がエッチングされない材料からなっている。

その際、例えば、コア層５に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長を、第１エッチングストップ層４に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長よりも小さくし、更に第１エッチングストップ層４に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長を、クラッド層３に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長よりも大きくする。

上記構造の半導体細線導波路に対して、図１Ｂに示すように従来のハイメサ導波路は、基板１上に下部クラッド層３、コア層５、上部クラッド層３を順次積層し、これらの両側面だけが有機材料を用いたクラッド層６によって覆われた構造になっている。

次に、本実施の形態例１に係るIII V族半導体を用いた細線導波路の作製方法を説明する。半導体細線導波路は図２Ａ〜図２Ｆの順で作製する。

まず、図２Ａに示すように、III V族半導体混晶基板であるInP基板１上に、第２エッチングストップ層２、InPクラッド層３、第１エッチングストップ層４、コア層５を順次成長させる。このとき、第２エッチングストップ層２はコア層５と同じ材料で良く、厚さは数十nm程度あれば良い。第１エッチングストップ層４はコア層５の材料と選択性ウェットエッチングが可能な材料とする。即ち、第１エッチングストップ層４には、コア層５をエッチングするときに第１エッチングストップ層４がエッチングされない材料を用いる。

第１エッチングストップ層４としては、コア層５をバンドギャップ波長λ₁のInGaAsPとすると、それよりも長いバンドギャップ波長λ₂をもつInGaAsPとする。但し、λ₂は導波路を伝搬させる光の波長λよりも短波長であるとする。つまり、λ₁＜λ₂＜λである。第１エッチングストップ層４の厚さはやはり数十nm程度あれば良い。コア層５は所望の厚さに成長させる。ここではコア層５及び第２エッチングストップ層２をバンドギャップ波長λ₁のInGaAsP、第１エッチングストップ層４をバンドギャップ波長λ₂（＞λ₁）のInGaAsPとする。

次に、コア層５を形成する部分にマスク（図示省略）をつけ、ドライエッチングによって、第１エッチングストップ層４の上面までコア層５を削る。その結果、図２Ｂに示すような状態になる。より具体的にはＣＨ₄とＨ₂を用いたリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）、ハロゲンガスを用いた反応性ＲＩＥ（ＩＣＰ−ＲＩＥ：Inductive Coupled Plasma-RIE）、リアクティブイオンビームエッチング（ＲＩＢＥ：Reactive Ion Beam Etching）などを用いてコア層５をエッチングする。

そして、第１エッチングストップ層４がコア層５よりも早くエッチングされるような溶液を用いて、即ち第1エッチングストップ層４のみをエッチングする溶液を用いて、第１エッチングストップ層４のウェットエッチングを行う。例えば、硫酸と水と過酸化水素水を３：１：１で混合した溶液を用いると、InGaAsPのエッチングレートはバンドギャップ波長が長いほど大きく、またInPはエッチングされないため、バンドギャップ波長λ₂のInGaAsPの第１エッチングストップ層４はエッチングされるが、バンドギャップ波長λ₁のInGaAsPのコア層５と、InPのクラッド層３はエッチングされない。即ち、コア層５及びクラッド層３には、第１エッチングストップ層４をエッチングするときにコア層５及びクラッド層３がエッチングされない材料を用いている。このエッチングの結果、図２Ｃのような状態になる。このとき、コア層５の下のInGaAsPの第１エッチングストップ層４の幅が、コア層５の幅Ｗ１よりも狭い所望の幅Ｗ２になるようにエッチング時間を調整する。

更に、この図２Ｃの状態から、ドライエッチングによりInPクラッド層３をエッチングして、図２Ｄのような状態にした後、InPのみを溶かすような溶液、例えば塩酸と燐酸を１：３で混合した溶液を用いて、InPクラッド層３のウェットエッチングを行うと、図２Ｅのような状態になる。即ち、コア層５の幅Ｗ１よりも狭い幅Ｗ２の第１エッチングストップ層４とクラッド層３から成る支柱７が形成される。このクラッド層３をエッチングするときにコア層５、第１エッチングストップ層４及び第２エッチングストップ層２がエッチングされない材料を、コア層５、第１エッチングストップ層４及び第２エッチングストップ層２に用いている。ここでは前記溶液の塩酸と燐酸の混合比を１：３としたが、他の混合比でも良い。もし、第１エッチングストップ層４が無く、コア層５をエッチング後、直接InPクラッド層３をエッチングすると、結晶の面方位によっては、コア層５がマスクとなって、横方向へのエッチングが進行せず、コア層５下の支柱７を形成することができない。

この図２Ｅの状態から、コア層５の上についているマスクを除去して、有機材料（ここではＢＣＢ（benzocyclobutene）とする）を塗布することにより、支柱７との接続部を除くコア層５の外周面全体（即ち上面５ａ、コア層５のエッチングで形成された両側面５ｂ，５ｃ、支柱７の両側面７ａ，７ｂの形成で露出した支柱７の両側の下面５ｄ）と、支柱７の両側面７ａ，７ｂ）とを、コア層５よりも屈折率の低い有機材料クラッド層６によって覆う。かくして、図２Ｆのような状態の半導体細線導波路が作製される。

なお、図２Ｂから図２Ｄの工程において、図２Ｃと図２Ｄの工程の順番を逆にしても問題は無い。つまり、先にドライエッチングでクラッド層３までエッチングした後にウェットエッチングで第１エッチングストップ層４をエッチングしても良い。また、第１エッチングストップ層４をウェットエッチングでエッチングした後のクラッド層３のドライエッチング(図２Ｄ)を省略して、図２Ｅのクラッド層３のウェットエッチングを行っても良い。

本半導体細線導波路の構造では、導波路の周りが全て有機材料のクラッド層６で埋まっているため、機械的な強度に関しては問題が無い。また光の進行方向に不連続部も生じないため導波路の特性も通常のものとなる。更に、周囲を埋める物質が空気ではないために、空気中にさらした導波路よりも放熱は良い。なお、ここでは導波路の周りを埋める有機材料をＢＣＢとしたが、その屈折率が半導体に比べて小さいものであれば他の有機材料、例えばポリイミドでも良い。この半導体細線導波路構造は従来のハイメサ導波路構造と似ているが、上部クラッド層が無いためにコア層５の上側への光の閉じ込めは強く、コア層５の下側に関しても、支柱７がコア層５の幅よりも細いために、強い光の閉じ込めが可能となる。

図３Ａ、図３Ｂはそれぞれ、光の波長1.55μmに対する、支柱つき細線導波路、ハイメサ導波路の１μm当たりの曲げ損失の曲げ半径依存性を示したものである。ここに、ハイメサ導波路の導波路幅は1.5 μm、コア層５の厚さは0.4μm、上部クラッド層３の高さは２μm、メサ全体の高さは３μmである。細線導波路部に関しては、導波路コア層５の幅、厚さを0.5 μmとし、支柱７の幅Ｗ２を0.25 μmとし、支柱７の高さＨを１μm、1.5 μm、２μmとしている。導波路の幅は共に、導波モードが単一である条件を満たす幅とした。両導波路共に、クラッド層６は有機材料ＢＣＢであり、コア層５はInGaAsPである。コア層５は基板１に格子整合しているものとし、その組成はバンドギャップ波長によって特定するものとする。例えば、バンドギャップ波長が1.1 μmの場合は1.1Ｑと書くことにする。

図３Ａ、図３Ｂから、ハイメサ導波路の場合には、コア層５に1.3Ｑを用いたとしても、９０度当たりの曲げ損失0.01 dBを達成するには曲げ半径が１００μm以上でなければならないのに対し、支柱つき細線導波路ではコア層５が1.2Ｑであっても曲げ半径５μmで達成できることがわかる。このとき、一つの曲げ部における導波路長さは、ハイメサ導波路では６２８μm、細線導波路では３０μmと２０分の１に小さくすることが可能である。このことから、曲げ部を多数含む光集積回路にした場合でも同様のサイズ低減を計ることが可能である。但し、基板１から支柱７の高さＨが小さいと、基板１への漏れ損失が大きくなり、曲げ損失とは別の損失が発生するため、Ｈはなるべく大きいほうが良く、図３ＡからＨが１μmのとき、漏れ損失が１０^-5 dB程度であることから、少なくともＨは１μm以上であることが望ましい。しかしあまりに高すぎると、機械的に弱くなるため、一般的なハイメサ導波路の高さである３μm以下であることが望ましい。
また、支柱の幅Ｗ２については、細いほど光の閉じ込めが強くなるが、あまりに細いと機械的に弱くなってしまい、太すぎると光の閉じ込めが弱いことから、コア層５の幅Ｗ１の２５〜７５％程度が良い。支柱つきの本細線導波路構造では通常の細線導波路に比べて、導波路が基板とつながっているため、作製の工程や、完成した後で機械的な強度が強いという利点がある。

＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態例２の光半導体装置では、半導体細線導波路の構造は上記実施の形態例１の半導体細線導波路の構造（図１参照）と同じであるが、その作製方法に違いがある。その作製方法を図４Ａ〜図４Ｋに示す。半導体細線導波路は図２Ａ〜図２Ｆの順で作製する。ほとんどの工程は実施の形態例１の場合と同様であるが、本実施の形態例２ではコア層５からクラッド層３までのエッチング加工を２回に分けて行うことに特徴がある。

まず、図４Ａに示すように、III V族半導体混晶基板であるInP基板１上に、第２エッチングストップ層２、InPクラッド層３、第１エッチングストップ層４、コア層５を順次成長させる。このとき、第２エッチングストップ層２はコア層５と同じ材料で良く、厚さは数十nm程度あれば良い。第１エッチングストップ層４はコア層５の材料と選択性ウェットエッチングが可能な材料とする。即ち、第１エッチングストップ層４には、コア層５をエッチングするときに第１エッチングストップ層４がエッチングされない材料を用いればよい。

次に、コア層５の一部分（図４Ｂの右側だけ）にマスク（図示省略）をつけ、ドライエッチングによって、第１エッチングストップ層４の上面まで、コア層５の幅方向の一方側（図４Ｂの左側）をエッチングして削る。その結果、図４Ｂに示すような状態になる。より具体的にはＣＨ₄とＨ₂を用いたリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）、ハロゲンガスを用いた反応性ＲＩＥ（ＩＣＰ−ＲＩＥ）、リアクティブイオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）などを用いてコア層５をエッチングする。

そして、第１エッチングストップ層４がコア層５よりも早くエッチングされるような溶液を用いて、即ち第1エッチングストップ層４のみをエッチングする溶液を用いて、第１エッチングストップ層４の幅方向の一方側（図４Ｃの左側）のウェットエッチングを行う。例えば、硫酸と水と過酸化水素水を３：１：１で混合した溶液を用いると、InGaAsPのエッチングレートはバンドギャップ波長が長いほど大きく、またInPはエッチングされないため、バンドギャップ波長λ₂のInGaAsPの第１エッチングストップ層４はエッチングされるが、バンドギャップ波長λ₁のInGaAsPのコア層５と、InPのクラッド層３はエッチングされない。即ち、コア層５及びクラッド層３には、第１エッチングストップ層４をエッチングするときにコア層５及びクラッド層３がエッチングされない材料を用いている。このエッチングの結果、図４Ｃのような状態になる。このとき、コア層５の下のInGaAsPの第１エッチングストップ層４の幅が、コア層５の幅Ｗ１よりも狭い所望の幅Ｗ２になるようにエッチング時間を調整する。

更に、この図４Ｃの状態から、ドライエッチングによりInPクラッド層３の幅方向の一方側（図４Ｄの左側）をエッチングして、図４Ｄのような状態にした後、InPのみを溶かすような溶液、例えば塩酸と燐酸を１：３で混合した溶液を用いて、InPクラッド層３の幅方向の一方側（図４Ｅの左側）のウェットエッチングを行うと、図４Ｅのような状態になる。即ち、コア層５の幅Ｗ１よりも狭い幅Ｗ２の第１エッチングストップ層４とクラッド層３から成る支柱７の幅方向の一方側（図４Ｅの左側）が形成される。このクラッド層３をエッチングするときにコア層５、第１エッチングストップ層４及び第２エッチングストップ層２がエッチングされない材料を、コア層５、第１エッチングストップ層４及び第２エッチングストップ層２に用いている。ここでは前記溶液の塩酸と燐酸の混合比を１：３としたが、他の混合比でも良い。もし、第１エッチングストップ層４が無く、コア層５をエッチング後、直接InPクラッド層３をエッチングすると、結晶の面方位によっては、コア層５がマスクとなって、横方向へのエッチングが進行せず、コア層５下の支柱７を形成することができない。

この図４Ｅの状態から、コア層５の上についているマスクを除去して、有機材料（ここではＢＣＢ（benzocyclobutene）とする）を塗布することより、コア層５の上面５ａ、一方の側面５ｂ及び下面５ｄ（即ちコア層５のエッチングで形成された一方の側面５ｂと、支柱７の一方の側面７ａの形成で露出した下面５ｄの一方側）と、支柱７の一方の側面７ａとを、有機材料クラッド層６で覆う。その結果、図４Ｆのような状態となる。ここで１回目のエッチング加工が終了する。

なお、図４Ｂから図４Ｄの工程において、図４Ｃと図４Ｄの工程の順番を逆にしても問題は無い。つまり、先にドライエッチングでクラッド層３までエッチングした後にウェットエッチングで第１エッチングストップ層４をエッチングしても良い。また、第１エッチングストップ層４をウェットエッチングでエッチングした後のクラッド層３のドライエッチング(図４Ｄ)を省略して、図４Ｅのクラッド層３のウェットエッチングを行っても良い。

２回目のエッチング加工では、始めに、図４Ｇに示すように、コア層５を所望の幅だけ残すように有機材料クラッド層６にマスク（図示省略）をつけ、その他の部分の有機材料クラッド層６をエッチングする。即ち、コア層５の上面５ａを覆っている有機材料クラッド層６の幅方向の他方側（図４Ｇの右側）をエッチングする。その後は１回目のエッチング加工と同様の手順で同様のエッチング加工を繰り返す。

即ち、まず、ドライエッチングによって、第１エッチングストップ層４の上面まで、コア層５の幅方向の他方側（図４Ｈの右側）をエッチングして削る。その結果、図４Ｈに示すような状態になる。

そして、第１エッチングストップ層４がコア層５よりも早くエッチングされるような溶液を用いて、即ち第１エッチングストップ層４のみをエッチングする溶液を用いて、第１エッチングストップ層４の幅方向の他方側（図４Ｉの右側）のウェットエッチングを行う。その結果、図４Ｉのような状態となる。このとき、コア層５の下のInGaAsPの第１エッチングストップ層４の幅が、コア層５の幅Ｗ１よりも狭い所望の幅Ｗ２になるようにエッチング時間を調整する。

更に、この図４Ｉの状態から、InPのみを溶かすような溶液を用いて、InPクラッド層３の幅方向の他方側（図４Ｊの右側）のウェットエッチングを行う。その結果、図４Ｊのような状態となる。即ち、支柱７の幅方向の他方側（図４Ｅの左側）が形成されて、支柱７が完成する。

最後に、もう一度、有機材料（ＢＣＢ）を塗布することにより、コア層５の他方の側面５ｃ及び下面５ｄ（即ちコア層５のエッチングで形成された他方の側面５ｂと、支柱７の他方の側面７ａの形成で露出した下面５ｄの他方側）と、支柱７の他方の側面７ｂとを、有機材料クラッド層６で覆う。かくして、支柱７との接続部を除くコア層５の外周面全体と、支柱７の両側面とが、有機材料クラッド層６によって覆われた状態となる。即ち、図４Ｋのような状態となり、半導体細線導波路の構造が完成する。

なお、図４Ｊの工程では、１回目のエッチング加工の図４Ｄ，図４Ｅと同様にクラッド層３をドライエッチングしてからウェットエッチングをするようにしてもよい。また、この場合には、先にドライエッチングでクラッド層３までエッチングした後にウェットエッチングで第１エッチングストップ層４をエッチングしても良い。

本実施の形態例２の作製方法では、第１エッチングストップ層４とクラッド層３をエッチングして支柱を形成する際に、常に片側がより大きな物質にくっついている状態でエッチングすることができる。即ち、１回目のエッチング加工では、図４Ｅに示すように第１エッチングストップ層４及びクラッド層３の片側部分（２回目のエッチング加工で除去される部分）が支柱７にくっついている状態であり、２回目のエッチング加工では、図４Ｊに示すように有機材料クラッド層６が支柱７にくっついている状態である。従って、支柱７が細いときなどに、それが倒れてしまうことを防ぎ、半導体細線導波路を作製する途中での機械的な強度を改善することが可能である。

＜実施の形態例３＞
本発明の実施の形態例３の光半導体装置では、半導体細線導波路の構造及び作製方法は実施の形態例１，２と同じであるが（図１Ａ，図２Ａ〜図２Ｆ，図４Ａ〜図４Ｋ参照）、第１エッチングストップ層４をInGaAlAsとすることに特徴がある。通常、アルミニウムを混ぜた半導体混晶は酸に対してより溶けやすい性質をもっているため、InGaAlAsを本発明の半導体細線導波路を作成するための第１エッチングストップ層４に用いることができ、実施の形態例１，２と同様の効果を得ることができる。

＜実施の形態例４＞
本発明の実施の形態例３の光半導体装置では、半導体細線導波路の構造及び作製方法は実施の形態例１，２と同じであるが、コア層５及び第１エッチングストップ層４をInGaAlAsとすることに特徴がある。コア層５と第１エッチングストップ層４のバンドギャップ波長を変えることで、実施の形態例１，２と同様に半導体細線導波路を作成することができ、同様の効果を得ることができる。

なお、上記実施の形態例１〜４においては、導波路層にはInP、InGaAsP、InGaAlAsを用いたが、使用する光の波長がバンドギャップ波長よりも長く、前述の材料条件、即ち
コア層５、第１エッチングストップ層４、クラッド層３及び第２エッチングストップ層２の材料が、コア層５をエッチングするときに第１エッチングストップ層４がエッチングされず、第１エッチングストップ層４をエッチングするときにコア層５及びクラッド層３がエッチングされず、クラッド層３をエッチングするときにコア層５、第１エッチングストップ層４及び第２エッチングストップ層２がエッチングされない材料からなるという条件を満たすならば、他の半導体材料GaAs、AlGaAs、GaInNAs、ZnSe、GaNを用いても良い。
また、上記実施の形態例１〜４においては、基板はInPを用いたが、GaAs、Si、サファイア基板などを用いても良い。
また、コア層がバルク半導体、もしくは半導体を用いた量子井戸構造であってもよい。

本発明は光半導体装置及びその作製方法に関するものであり、半導体レーザや半導体受光器のような光半導体送受信装置などに適用して有用なものである。

１半導体混晶基板
２第２エッチングストップ層
３半導体クラッド層
４第１エッチングストップ層
５半導体導波路コア層
５ａコア層の上面
５ｂ，５ｃコア層の側面
５ｄコア層の下面
６有機材料クラッド層
７支柱

Claims

基板と、前記基板上に第２エッチングストップ層、クラッド層、第１エッチングストップ層、光の導波層であるコア層を順次積層して成る化合物半導体導波路構造を有し、
前記第１エッチングストップ層及び前記クラッド層が、前記コア層の幅よりも狭い幅に形成されて、前記コア層と前記第２エッチングストップ層とをつなぐ支柱となっており、
前記支柱との接続部を除く前記コア層の外周面全体と、前記支柱の両側面とが、前記コア層よりも屈折率の低い有機材料クラッド層によって覆われていること、
を特徴とする光半導体装置。
請求項１に記載の光半導体装置において、
前記コア層、前記第１エッチングストップ層、前記クラッド層及び前記第２エッチングストップ層の材料は、前記コア層をエッチングするときに前記第１エッチングストップ層がエッチングされず、前記第１エッチングストップ層をエッチングするときに前記コア層及び前記クラッド層がエッチングされず、前記クラッド層をエッチングするときに前記コア層、前記第１エッチングストップ層及び前記第２エッチングストップ層がエッチングされない材料からなっていること、
を特徴とする光半導体装置。
請求項１又は２に記載の光半導体装置において、
前記コア層に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長が、前記第１エッチングストップ層に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長よりも小さく、
更に前記第１エッチングストップ層に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長が、前記クラッド層に用いる半導体混晶のバンドギャップ波長よりも大きいこと、
を特徴とする光半導体装置。
請求項１〜３の何れか１項に記載の光半導体装置において、
前記支柱の幅が、前記コア層の幅の２５〜７５％であることを特徴とする光半導体装置。
請求項１〜４の何れか１項に記載の光半導体装置において、
前記コア層の下面から前記第２エッチングストップ層の上面までの前記支柱の高さが、１μｍ以上、３μｍ以下であることを特徴とする光半導体装置。
請求項１〜５の何れか１項に記載の光半導体装置において、
前記コア層がバルク半導体、もしくは半導体を用いた量子井戸構造を含むことを特徴とする光半導体装置。
請求項２に記載の光半導体装置を作製する方法であって、
前記基板上に前記第２エッチングストップ層、前記クラッド層、前記第１エッチングストップ層、前記コア層を順次積層する工程と、
前記コア層をエッチングする工程と、
前記第１エッチングストップ層をエッチングした後、前記クラッド層をエッチングして、前記支柱を形成する工程と、
前記支柱との接続部を除く前記コア層の外周面全体と、前記支柱の両側面とを、前記有機材料クラッド層で覆う工程と、
を実施することを特徴とする光半導体装置の作製方法。
請求項２に記載の光半導体装置を作製する方法であって、
前記基板上に前記第２エッチングストップ層、前記クラッド層、前記第１エッチングストップ層、前記コア層を順次積層する工程と、
前記コア層の幅方向の一方側をエッチングする工程と、
前記第１エッチングストップ層の幅方向の一方側をエッチングした後、前記クラッド層の幅方向の一方側をエッチングして、前記支柱の一方の側面を形成する工程と、
前記コア層の上面、一方の側面及び下面と、前記支柱の一方の側面とを、前記有機材料クラッド層で覆う工程と、
前記コア層の上面を覆っている前記有機材料クラッド層の幅方向の他方側をエッチングする工程と、
前記コア層の幅方向の他方側をエッチングする工程と、
前記第１エッチングストップ層の幅方向の他方側をエッチングした後、前記クラッド層の幅方向の他方側をエッチングして、前記支柱の他方の側面を形成する工程と、
前記コア層の他方の側面及び下面と、前記支柱の他方の側面とを、前記有機材料クラッド層で覆う工程と、
を実施することを特徴とする光半導体装置の作製方法。