JP5374106B2 - 半導体光機能デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、半導体光導波路を有する半導体光機能デバイスの構造に関する。
図１は、従来の半導体光機能デバイスの構造を示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ'方向の断面図である。図３は、図１に示すデバイスの作用を説明するための説明図である。図１に示す光導波路型の半導体光機能素子１０において、光導波路２８の横方向に半導体層構造の凹部が形成され、その内部に絶縁層２６が形成されている。光導波路２８の終端部付近において、凹部が形成されていない非導波領域２９が形成されている。この非導波領域２９は、凹部（２６）の外側に連続的につながっている。そして、この非導波領域２９において、基板端面３０に対応する側の壁（以下、半導体界面という）３２が、基板端面３０と平行になっている。
実際の作製プロセスにおいては、まず、第１導電型基板（ｎ−ＩｎＰ）１４上に、第１導電型下側クラッド層（ｎ−ＩｎＰ）１５、コア層（ＩｎＧａＡｓＰ）１６、第２導電型上側クラッド層（Ｐ−ＩｎＰ）１８、第２導電型コンタクト層（Ｐ＋−ＩｎＧａＡｓ）２０を結晶成長させる。ここで、第２導電型上側クラッド層１８と、その上の半導体層２０とのトータルの厚さは、例えば２μｍとする。
次に、フォトリソグラフィー技術により、光が通る部分（２８）の両脇に溝（２６）を形成する。その後、半導体表面にパッシベーション膜（ＳｉＯ２やＳｉＮ）２２を形成する。ここで、非導波領域２９に溝（２６）が形成されないよう、予めマスクパターンを設計しておく。なお、溝（２６）の深さは、第２導電型上側クラッド層１８とその上の半導体層２０のトータルの厚さに対応して、約２μｍとする。
次に、前記の溝（２６）に、有機絶縁膜(例えば、ポリイミド）などの電気的絶縁性を示す材料２６を充填して平坦化する。つづいて、第２の電極（アノード）２４をパッシベーション膜２２上に形成する。また、基板の裏面を適切な厚さ(通常、１００μｍ程度)に研磨し、その面に第１の電極（カソード）１２を形成する。その後、適切なチップサイズに切り出す。なお、切り出した端面（外側）には、適切な反射膜が形成されている。例えば、半導体光増幅器では、端面に無反射膜が形成される。
ところで、上記のような半導体光導波路２８を用いた光素子（光機能デバイス）１０においては、図３に示すように、光導波路２８の終端部での残留反射が、逆方向に進む光（以下、「戻り光」と言う。）を発生させることがある。戻り光は、その光素子の機能に支障をきたす場合がある。特に、半導体光増幅器や、半導体光変調器、あるいはそれらを集積化した機能素子（半導体装置）では、戻り光の影響を受けやすい。
半導体光増幅器の場合、光導波路の終端部での残留反射は共振効果を引き起こし、光増幅器の光学的長さに対応した周期性的な光増幅利得の非平坦性を引き起こす。光増幅利得の非平坦性は、個々の素子の特性のバラツキを大きくし、素子製造工程において歩留を劣化させる要因になる。また、光学利得が、波長や温度などの微妙な違いによって変動するため、光システムの不安定性の要因にもつながる。
例えば、半導体光変調器と半導体レーザを同一基板上に集積化した半導体装置においては、半導体レーザ領域で連続発振したレーザ光は、変調器領域内で変調された後、光導波路の終端部に達する。この時、光導波路の終端部で残留反射があると、戻り光が発生する。戻り光は、再び変調器領域内を通過して、最終的に半導体レーザ領域に戻る。このような戻り光は、半導体レーザ領域で新たな種となり、連続発振状態を不安定にする。また、個々の素子の特性のバラツキが大きくなり、素子製造工程において歩留を劣化させる要因になる。更に、変調応答特性が、変調器にかける電圧や半導体レーザの電流によって変動するため、光システムの不安定性の要因にも繋がる。
このような問題を解決するために、非特許文献１（"Wide range
of operating conditions for a 1000km -2.5Gb/s transmission with a new WDM
optimized design of integrated laser-electroabsorption modulator", Optical
Fiber Communication 1999, WH1-1）においては、戻り光の量を抑えるために、二つの対策を施している。一つ目は、光導波路をある曲率をもたせて曲げる。二つ目は、光導波路の終端部において、その光導波路の幅を広げた領域（以下、幅広終端領域という）を設ける。これによって、光導波路の終端部で発生する戻り光が、光導波路に結合し難くなる。
"Wide range of operatingconditions for a 1000km -2.5Gb/s transmission with a new WDM optimized designof integrated laser-electroabsorption modulator", Optical FiberCommunication 1999, WH1-1
しかしながら、上記のような従来の方式では、幅広終端領域での戻り光自体の多重反射が発生する。そして、その多重反射光のうち多くは外部に放出され、信号光の品質を劣化させることになる。
特許文献１（特開平０６−０７５１３０号公報）に開示された発明においては、光導波路の端面を基板の端面に対して内側に設けることにより、基板端面からの反射光の光源への戻り光量を低減している。
特開平０６−０７５１３０号公報
特許文献２（特開平０５−０２７１３０号公報）に開示された発明においては、光導波路の端部を界面に対して斜めにすることによって、反射戻り光が光源へ与える影響を小さく抑えている。
特開平０５−０２７１３０号公報
しかしながら、上述した何れの従来技術によっても、光導波路の終端部での端面残留反射に起因した内部反射を十分に低減することができなかった。
本発明は上記のような状況に鑑みてなされたものであり、光導波路の終端部での端面残留反射に起因した内部反射を効果的に低減可能な光機能デバイスを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体光機能デバイスは、基板端面を有する半導体基板と；前記半導体基板上に形成された光導波路と；前記半導体基板上において、少なくとも前記光導波路の終端部と前記基板端面との間に形成された非導波領域と；前記光導波路の周囲に形成され、前記基板端面側に前記非導波領域と接する半導体界面を有する絶縁領域とを備え、前記光導波路の軸が、前記基板端面に対して、垂直ではなく、所定の角度θを持って延び、前記絶縁領域は、前記半導体界面と前記基板端面との距離が、前記光導波路から離れるにしたがって大きくなるように、前記半導体界面の前記基板端面に対する傾斜角が所定の角度Ｚを持って傾斜するように成形され、前記光導波路から出射された光の一部が前記基板端面から出射され、前記光導波路から出射された光の他の一部が前記基板端面で反射され、且つ、前記基板端面で反射されて前記半導体界面に入射する光が全反射されるように前記角度θおよび前記角度Ｚが設定されていることを特徴とする。
ここで、「半導体界面が基板端面に対して平行ではなく、所定の角度をもつ」とは、互いの面が平行ではなく、半導体界面が基板端面に対して所定の方向に傾斜している意味である。
本発明においては、非導波領域の半導体界面は基板端面と平行ではなく、基板端面に対して所定の角度をもっている（斜めに形成されている）ため、戻り光が光導波路に入射し難くなる。基板端面から半導体界面に入射される光はある入射条件では所定量の透過光（半導体界面を介して非導波路領域に透過する光）が存在する。そこで、基板端面から半導体界面に入射される光を半導体界面で全反射するように半導体界面の角度を調整することにより、光導波路の終端部での端面残留反射に起因した内部反射を更に効果的に低減可能となる。
図４は、本発明の第１実施例にかかる半導体光機能デバイス１１０の構造示す斜視図である。図５は、図４のＡ−Ａ'方向の断面図である。図６は、図４のＢ−Ｂ'方向の断面図である。図４に示す光導波路型の半導体光機能素子１１０において、光導波路１２８の横方向に半導体層構造の凹部（１２６）が形成され、その内部に絶縁層１２６が形成されている。光導波路１２８の終端部付近において、凹部が形成されていない非導波領域１２９が形成されている。この非導波領域１２９は、凹部（１２６）の外側に連続的につながっている。
そして、この非導波領域１２９において、基板端面１３０側の絶縁膜１２６の端面１３２（以下、「半導体界面」という。）が、光導波路１２８からを遠ざかるにつれて、基板端面１３０から離れるような傾斜形状となっている。傾斜の角度（Ｚ）は、具体的には５度〜６０度程度とする。
実際の作製プロセスにおいては、まず、第１導電型基板（ｎ−ＩｎＰ）１１４上に、第１導電型下側クラッド層（ｎ−ＩｎＰ）１１５、コア層（ＩｎＧａＡｓＰ）１１６、第２導電型上側クラッド層（Ｐ−ＩｎＰ）１１８、第２導電型コンタクト層（Ｐ＋−ＩｎＧａＡｓ）１２０を結晶成長させる。ここで、第２導電型上側クラッド層１１８と、その上の半導体層１２０とのトータルの厚さは、例えば２μｍとする。
次に、フォトリソグラフィー技術により、光が通る部分（１２８）の両脇に溝（１２６）を形成する。その後、半導体表面にパッシベーション膜（ＳｉＯ２やＳｉＮ）１２２を形成する。非導波領域１２９において、溝（１２６）が形成されないよう、予めマスクパターンを設計しておく。なお、溝（１２６）の深さは、第２導電型上側クラッド層１１８とその上の半導体層１２０のトータルの厚さに対応して、約２μｍとする。
次に、前記の溝（１２６）に、有機絶縁膜(例えば、ポリイミド）などの電気的絶縁性を示す材料１２６を充填して平坦化する。つづいて、第２の電極（アノード）１２４をパッシベーション膜１２２上に形成する。また、基板の裏面を適切な厚さ(通常、１００μｍ程度)に研磨し、その面に第１の電極（カソード）１１２を形成する。その後、適切なチップサイズに切り出す。なお、切り出した端面（外側面）には、適切な反射膜が形成されている。例えば、半導体光増幅器では、端面に無反射膜が形成される。
図７は、本発明の第２実施例にかかる半導体光機能デバイスの構造示す斜視図である。図８は、図７のＡ−Ａ'方向の断面図である。図９は、図７のＢ−Ｂ'方向の断面図である。本実施例に係る半導体光機能デバイス２１０においては、光導波路２２８が形成されている方向に、２つの半導体光機能素子が形成されている。一方がレーザダイオード２２４ａ、他方が半導体光変調器２２４ｂである。
図７に示す光導波路型の半導体光機能素子２１０において、光導波路２２８の横方向に半導体層構造の凹部（２２６）が形成され、その内部に絶縁層２２６が形成されている。光導波路２２８の終端部付近において、凹部が形成されていない非導波領域２２９が形成されている。この非導波領域２２９は、凹部（２２６）の外側に連続的につながっている。
そして、この非導波領域２２９において、基板端面２３０側の絶縁膜２２６の端面２３２（以下、「半導体界面」という。）が、光導波路２２８からを遠ざかるにつれて、基板端面２３０から離れるような傾斜形状となっている。傾斜の角度（Ｚ）は、具体的には５度〜６０度程度とする。
実際の作製プロセスにおいては、まず、第１導電型基板（ｎ−ＩｎＰ）２１４上に、第１導電型下側クラッド層（ｎ−ＩｎＰ）２１５、コア層（ＩｎＧａＡｓＰ）２１６、第２導電型上側クラッド層（Ｐ−ＩｎＰ）２１８、第２導電型コンタクト層（Ｐ＋−ＩｎＧａＡｓ）２２０を結晶成長させる。ここで、第２導電型上側クラッド層２１８と、その上の半導体層２２０とのトータルの厚さは、例えば２μｍとする。
次に、フォトリソグラフィー技術により、光が通る部分（２２８）の両脇に溝（２２６）を形成する。その後、半導体表面にパッシベーション膜（ＳｉＯ２やＳｉＮ）２２２を形成する。非導波領域２２９において、溝（２２６）が形成されないよう、予めマスクパターンを設計しておく。なお、溝（２２６）の深さは、第２導電型上側クラッド層２１８とその上の半導体層２２０のトータルの厚さに対応して、約２μｍとする。
次に、前記の溝（２２６）に、有機絶縁膜(例えば、ポリイミド）などの電気的絶縁性を示す材料２２６を充填して平坦化する。つづいて、第２の電極（アノード）２２４をパッシベーション膜２２２上に形成する。また、基板の裏面を適切な厚さ(通常、１００μｍ程度)に研磨し、その面に第１の電極（カソード）２１２を形成する。その後、適切なチップサイズに切り出す。なお、切り出した端面（外側面）には、適切な反射膜が形成されている。例えば、半導体光増幅器では、端面に無反射膜が形成される。
なお、本実施例においては、レーザダイオード領域２２４ａでは、コア層（２１６）の上もしくは下に、回折格子構造が形成される（図示せず）。また、半導体光変調器２２４ｂのコア層（２１６）と、レーザダイオード２２４ａのコア層（２１６）は、一般的に、別々の結晶成長で形成されるが、一括成長することもできる。非導波領域２２９は、半導体光変調器２２４ｂからみてレーザダイオード２２４ａと反対側の方向に形成される。
図１０は、本発明の第３実施例にかかる半導体光機能デバイスの構造示す斜視図である。図１１は、図１０のＡ−Ａ'方向の断面図である。図１２は、図１０のＢ−Ｂ'方向の断面図である。図１３は、図１０のＣ−Ｃ'方向の断面図である。本実施例は、上述した第２実施例の光導波路を屈曲させたものである。その他の構造に本質的な違いはない。
図１０に示す光導波路型の半導体光機能素子３１０において、光導波路３２８の横方向に半導体層構造の凹部（３２６）が形成され、その内部に絶縁層３２６が形成されている。光導波路３２８の終端部付近において、凹部が形成されていない非導波領域３２９が形成されている。この非導波領域３２９は、凹部（３２６）の外側に連続的につながっている。
そして、この非導波領域３２９において、基板端面３３０側の絶縁膜３２６の端面３３２（以下、「半導体界面」という。）が、光導波路３２８からを遠ざかるにつれて、基板端面３３０から離れるような傾斜形状となっている。傾斜の角度（Ｚ）は、具体的には５度〜６０度程度とする。
実際の作製プロセスにおいては、まず、第１導電型基板（ｎ−ＩｎＰ）３１４上に、第１導電型下側クラッド層（ｎ−ＩｎＰ）３１５、コア層（ＩｎＧａＡｓＰ）３１６、第２導電型上側クラッド層（Ｐ−ＩｎＰ）３１８、第２導電型コンタクト層（Ｐ＋−ＩｎＧａＡｓ）３２０を結晶成長させる。ここで、第２導電型上側クラッド層３１８と、その上の半導体層３２０とのトータルの厚さは、例えば２μｍとする。
次に、フォトリソグラフィー技術により、光が通る部分（３２８）の両脇に溝（３２６）を形成する。その後、半導体表面にパッシベーション膜（ＳｉＯ２やＳｉＮ）３２２を形成する。非導波領域３２９において、溝（３２６）が形成されないよう、予めマスクパターンを設計しておく。なお、溝（３２６）の深さは、第２導電型上側クラッド層３１８とその上の半導体層３２０のトータルの厚さに対応して、約２μｍとする。
次に、前記の溝（３２６）に、有機絶縁膜(例えば、ポリイミド）などの電気的絶縁性を示す材料３２６を充填して平坦化する。つづいて、第２の電極（アノード）３２４をパッシベーション膜３２２上に形成する。また、基板の裏面を適切な厚さ(通常、１００μｍ程度)に研磨し、その面に第１の電極（カソード）３１２を形成する。その後、適切なチップサイズに切り出す。なお、切り出した端面（外側面）には、適切な反射膜が形成されている。例えば、半導体光増幅器では、端面に無反射膜が形成される。
なお、本実施例においては、レーザダイオード領域３２４ａでは、コア層（３１６）の上もしくは下に、回折格子構造が形成される（図示せず）。また、半導体光変調器３２４ｂのコア層（３１６）と、レーザダイオード３２４ａのコア層（３１６）は、一般的に、別々の結晶成長で形成されるが、一括成長することもできる。非導波領域３２９は、半導体光変調器３２４ｂからみてレーザダイオード３２４ａと反対側の方向に形成される。
本実施例においては、光導波路３２８が屈曲しているため、基板端面３３０に対して半導体界面３３２の角度を大きくし易くなる。
図１４は、本発明の作用を示す説明図である。いか、上述した本発明の実施例の作用について図１４を参照して説明する。非導波領域（１２９，２２９，３２９）に光が入力したときに、基板端面（１３０，２３０，３３０）からの戻り光は、半導体界面（１３２，２３２，３３２）にて、光導波路（１２８，２２８，３２８）から大きく離れる方向に反射される。この半導体界面（１３２，２３２，３３２）が基板端面（１３０，２３０，３３０）に対して一定の角度Ｚを有するため、半導体界面（１３０，２３０，３３０）での反射角度は、多重反射の回数に従って、規則的に大きくなる。
これより、その戻り光は、半導体光機能素子（１１０，２１０，３１０）の凹部（１２６，２２６，３２６）の外側の自由空間中に広がっていく。したがって、戻り光は拡散してしまい、最終的に光導波路（１２８，２２８，３２８）に戻ってこなくなり、光機能素子本来の特性に影響を及ぼすことがなくなる。よって、個々の素子の特性のバラツキが小さくなり、素子製造工程において歩留を劣化させることもない。また、この光機能素子を用いる光システムが安定になる。
なお、角度Ｚの設定は、基板端面（１３０，２３０，３３０）と半導体界面（１３２，２３２，３３２）との距離、基板端面（１３０，２３０，３３０）に対する光導波路（１２８，２２８，３２８）の軸角度θ、非導波領域（１２９，２２９，３２９）の屈折率等に基づいて、求めることができる。例えば、軸角度θが６度の光導波路において、２回目に基板端面に入射する角度を２６度としてその反射光を導波路から大きく離れる方向に伝搬させるには、角度Ｚを１０度とすればよい。
更に、図１５に示すように、半導体界面（１３２，２３２，３３２）が基板端面（１３０，２３０，３３０）に対して一定の角度Ｚの調整によって、光導波路（１２８，２２８，３２８）から出力され、基板端面（１３０，２３０，３３０）で反射した光を全反射させることにより、光導波路（１２８，２２８，３２８）の終端部での端面残留反射に起因した内部反射を更に効果的に低減可能となる。
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において変更可能なものである。
上記実施例では、リッジ型の導波路構造を例に示したが、光導波路の両側に溝があるDouble-channel-Buried−Hetero型（ダブルチャネルBH型）の導波路構造についても、同様に適用できることは言うまでもない。
また、半導体光増幅器及び半導体光変調器を同一基板上に集積化した半導体レーザの他に、例えば、ＭＺ型、サニャック型、方向性結合器型などの光変調器や光スイッチ等に適用可能である。
図１は、従来の半導体光機能デバイスの構造を示す斜視図である。 図２は、図１のＡ−Ａ'方向の断面図である。 図３は、図１に示すデバイスの作用の説明するための説明図である。 図４は、本発明の第１実施例にかかる半導体光機能デバイスの構造示す斜視図である。 図５は、図４のＡ−Ａ'方向の断面図である。 図６は、図４のＢ−Ｂ'方向の断面図である。 図７は、本発明の第２実施例にかかる半導体光機能デバイスの構造示す斜視図である。 図８は、図７のＡ−Ａ'方向の断面図である。 図９は、図７のＢ−Ｂ'方向の断面図である。 図１０は、本発明の第３実施例にかかる半導体光機能デバイスの構造示す斜視図である。 図１１は、図１０のＡ−Ａ'方向の断面図である。 図１２は、図１０のＢ−Ｂ'方向の断面図である。 図１３は、図１０のＣ−Ｃ'方向の断面図である。 図１４は、本発明の作用を示す説明図である。 図１５は、本発明の作用を示す説明図である。
符号の説明
１２６，２２６，３２６：絶縁層（凹部）
１２８，２２８，３２８：光導波路
１２９，２２９，３２９：非導波領域
１３０，２３０，３３０：基板端面
１３２，２３２，３３２：半導体界面

Claims (2)

  1. 基板端面を有する半導体基板と；
    前記半導体基板上に形成された光導波路と；
    前記半導体基板上において、少なくとも前記光導波路の終端部と前記基板端面との間に形成された非導波領域と；
    前記光導波路の周囲に形成され、前記基板端面側に前記非導波領域と接する半導体界面を有する絶縁領域とを備え、
    前記光導波路の軸が、前記基板端面に対して、垂直ではなく、所定の角度θを持って延び、
    前記絶縁領域は、前記半導体界面と前記基板端面との距離が、前記光導波路から離れるにしたがって大きくなるように、前記半導体界面の前記基板端面に対する傾斜角が所定の角度Ｚを持って傾斜するように成形され、
    前記光導波路から出射された光の一部が前記基板端面から出射され、前記光導波路から出射された光の他の一部が前記基板端面で反射され、且つ、前記基板端面で反射されて前記半導体界面に入射する光が全反射されるように前記角度θおよび前記角度Ｚが設定されていることを特徴とする半導体光機能デバイス。
  2. 前記基板端面に対する前記半導体界面の角度を５〜６０度に設定したことを特徴とする
    請求項１に記載の半導体光機能デバイス。
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