JP5551671B2

JP5551671B2 - 光導波路

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Publication number: JP5551671B2
Application number: JP2011226527A
Authority: JP
Inventors: 春喜横山; 健都築; 直輝重川; 則之渡邉; 康之小林
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Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2031-10-14
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Description

本発明は、ＧａＮなどの窒化物半導体によるコアを用いた光導波路に関するものである。

ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ、またはこれらの混晶からなる窒化物化合物半導体は、青色レーザー、発光ダイオードをはじめとする発光素子、携帯電話の基地局等で用いられる高耐圧トランジスターとして利用が進んでいる。また、最近では透明性が高く、屈折率の温度変化が小さいという窒化物半導体の特徴を利用し、光導波路への応用を目指した研究開発が積極的に進められている。

例えば、ＧａＮをコアに用い、これに格子整合するＩｎ_0.18Ａｌ_0.82Ｎをクラッドに用いた光導波路が提案されている（非特許文献１参照）。この光導波路は、図９に断面を模式的に示すように、サファイアなどの結晶基板９０１の上に、バッファー層９０２を介して形成され、Ｉｎ_0.18Ａｌ_0.82Ｎからなるクラッド層９０３，ＧａＮからなるコア層９０４，およびＩｎ_0.18Ａｌ_0.82Ｎからなるクラッド層９０５が積層されている。クラッド層９０３，コア層９０４，クラッド層９０５は、メサ形状に加工されている。

この光導波路を構成する窒化物半導体結晶の成長には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）が用いられ、結晶基板９０１上には、ＧａＮからなるバッファー層９０２が層厚２μｍの厚さで形成され、この上に、上述した各層を順次に結晶成長することで製造されている。各クラッド層は層厚１．６５μｍ程度に形成され、コア層９０４は、層厚０．８μｍ程度に形成されている。

また、クラッド層９０５上に、公知のフォトリソグラフィ技術およびＲＩＥ(Reactive ion etching)を用いたエッチングにより幅２．６μｍのＳｉＮ_xのパタン（不図示）を形成し、このパタンをマスクとしてＩＣＰ（Inductively coupled plasma）−ＲＩＥを用いて各層をエッチングすることで、上述したメサ形状の加工を行っている。なお、バッファー層９０２は、途中までエッチングし、メサの高さが５μｍとなるようにしている。また、ＳｉＮ_xからなるマスクは、エッチング加工の後で除去する。

A. Lupu et al. , "Lattice-Matched GaN.InAlN Waveguides at λ= 1.55μm Grown by Metal.Organic Vapor Phase Epitaxy", Photonic Technology Letters, vol.20, issue2, pp.102-104, 2008. 山口真史監修、「高効率太陽電池の開発と応用」、株式会社シーエムシー出版、第１刷発行、２００９年。 T. Fujimori et al. , "Growth and characterization of AlInN on AlN template", Journal of Crystal Growth, vol.272, pp.381-385, 2004. L. Zhou et al. , "Observation of vertical honeycomb structure in InAlN/GaN heterostructures due to lateral phase separation", Applied Physics Letters, vol.90, 081917, 2007.

ところで、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮの窒化物化合物半導体結晶を成長する時の最適な成長温度は異なる。これは材料による熱的な安定性（蒸発速度）が異なるためである。熱的安定性はＩｎＮ＜ＧａＮ＜ＡｌＮの関係にあり、蒸発により成長速度の低下が始まる温度はＡｌＮの場合が１６５０℃、ＧａＮの場合が１０５０℃付近である。一方、ＩｎＮでは熱的安定性が低いため５５０℃以上で成長速度が低下する（非特許文献２参照）。

また、このような蒸発が支配的な条件下で成長した結晶は多くの点欠陥を含有する。このことはＩｎＡｌＮやＩｎＧａＮなどのＩｎを含む窒化物混晶半導体を高品質な状態で成長することが難しいことを意味しており、特に最適成長温度に大きな差があるＩｎＡｌＮの成長が難しいといえる。さらに、ＩｎＡｌＮの場合にはＡｌ―ＮとＩｎ―Ｎの共有結合長が大きく異なることから相分離が発生しやすいという問題も報告されている（非特許文献３、非特許文献４参照）。

以上のことから、ＩｎＡｌＮを用いた光導波路は、高品質化が難しく、均一な組成のクラッド層を作製することが難しいという問題がある。

ここで、光導波路を構成する場合、コア層より屈折率が小さな材料をクラッド層に用いればよい。また、このように構成した光導波路における光閉じ込め係数（Γ）は、「Γ＝１−Exp（−C・Δｎ・ｄ）」で近似できる。ここで、Cは定数、Δｎは屈折率差、ｄはコア層の厚さである。この式は、屈折率差が大きい材料を用いれば光閉じ込め効果が大きくなることを示している。

ＧａＮの屈折率は２．３３である。一方、ＡｌＮの屈折率は、２．１であり、ＩｎＮの屈折率は、２．５６である。よって、結晶の高品質化と組成の均一化が難しいＩｎ系の窒化物半導体を除いた場合、光導波路として考えられるのはＡｌＧａＮをクラッド層に用い、ＧａＮをコア層に用いた光導波路になる。

しかしながら、ＡｌＧａＮをクラッド層に用いる場合、コア層のＧａＮとの屈折率差を大きくするためにＡｌの組成比を大きくする必要があるが、ＧａＮとの格子不整合が大きくなってしまうため厚いクラッド層を形成することができない。このように薄いクラッド層しか形成できない場合、光閉じ込めが十分できない。

以上に説明したように、光閉じ込めが十分にできるＩｎＡｌＮをクラッド層に用いた光導波路は、均一な組成のＩｎＡｌＮが形成できずに高品質化が難しいという問題がある。一方で、ＡｌＧａＮをクラッド層に用いようとすると、屈折率差を大きくした組成の組み合わせでは、格子の不整合によりクラッド層を厚く形成できず、十分な光閉じ込めができないという問題がある。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＡｌＧａＮ系の窒化物半導体を用い、均質な組成で十分な光閉じ込めができるクラッド層による光導波路が構成できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光導波路は、基板の上に形成された六方晶系の窒化ホウ素からなるクラッド層としての第１窒化ホウ素層と、第１窒化ホウ素層に接して形成されたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなる第１半導体層と、第１半導体層の上に形成されたＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）からなるコア層と、コア層の上に形成されたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなる第２半導体層と、第２半導体層の上に接して形成された六方晶系の窒化ホウ素からなるクラッド層としての第２窒化ホウ素層とを少なくとも備え、ｘ≧ｙである。

上記光導波路において、第１窒化ホウ素層の下に接して基板の上に形成されたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなるクラッド層としての第３半導体層と、第２窒化ホウ素層の上に接して形成されたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなるクラッド層としての第４半導体層とを備えるようにしてもよい。また、第３半導体層の下に接して基板の上に形成された六方晶系の窒化ホウ素からなる第３窒化ホウ素層と、第３窒化ホウ素層の下に接して基板の上に形成されたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなる第５半導体層と、第４半導体層の上に接して形成された六方晶系の窒化ホウ素からなる第４窒化ホウ素層と、第４窒化ホウ素層の上に接して形成されたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなる第６半導体層とを備えるようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、窒化ホウ素の層をクラッドとして用いるようにしたので、ＡｌＧａＮ系の窒化物半導体を用い、均質な組成で十分な光閉じ込めができるクラッド層による光導波路が構成できるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１における光導波路の構成を示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態１における光導波路の光閉じ込め効果の状態を計算した結果を示す説明図である。図３は、サファイア基板の上に窒化ホウ素層およびＡｌＧａＮ層を介して形成したＧａＮの層の表面状態を金属顕微鏡で観察した結果を示す写真である。図４は、サファイア基板の上に窒化ホウ素層およびＡｌＧａＮ層を介して形成したＧａＮのＸ線回折分析の結果を示す特性図である。図５は、本発明の実施の形態２における光導波路の構成を示す断面図である。図６は、本発明の実施の形態２における光導波路の光閉じ込め効果の状態を計算した結果を示す説明図である。図７は、本発明の実施の形態３における光導波路の構成を示す断面図である。図８は、本発明の実施の形態２における光導波路の光閉じ込め効果の状態を計算した結果を示す説明図である。図９は、光導波路の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における光導波路の構成を示す断面図である。この光導波路は、まず、基板１０１の上に形成された六方晶系の窒化ホウ素からなるクラッド層としての第１窒化ホウ素層１０２を備える。基板１０１は、例えば、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）から構成されていればよい。第１窒化ホウ素層１０２は、例えば、層厚１０００ｎｍ程度に形成されていればよい。

また、この光導波路は、第１窒化ホウ素層１０２の上に接して形成されたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなる第１半導体層１０３を備える。第１半導体層１０３は、層厚１００ｎｍ程度に形成されていればよい。また、第１半導体層１０３の上には、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）からなるコア層１０４が形成されている。コア層１０４は、例えばＧａＮから構成すればよく、層厚１８００ｎｍ程度に形成されていればよい。

また、コア層１０４の上には、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなる第２半導体層１０５が形成されている。第２半導体層１０５は、層厚１００ｎｍ程度に形成されていればよい。第１半導体層１０３および第２半導体層１０５は、例えば、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎから構成されていればよい。第１半導体層１０３および第２半導体層１０５は、全く同じ組成比とする必要はなく、ｘ≧ｙであればよい。

また、第２半導体層１０５の上には、六方晶系の窒化ホウ素からなるクラッド層としての第２窒化ホウ素層１０６が接して形成されている。第２窒化ホウ素層１０６は、層厚１０００ｎｍ程度に形成されていればよい。なお、第１半導体層１０３，コア層１０４，第２半導体層１０５，および第２窒化ホウ素層１０６は、幅３μｍ程度のメサ形状に加工されている。

次に、製造方法について簡単に説明する。まず、主表面をＣ面としたサファイアからなる基板１０１を用意し、よく知られた有機金属気相成長法により、トリエチルボロンおよびアンモニアをソースガスとして窒化ホウ素を堆積させることで、第１窒化ホウ素層１０２を形成する。キャリアガスには水素を用い、基板加熱はタングステンヒーターを用いて行い１０５０℃程度とし、また、有機金属気相成長装置の反応炉内の圧力は約１００００Ｐａ（０．１気圧）とすればよい。なお、第１窒化ホウ素層１０２の形成前に、基板１０１の表面を、反応炉内の圧力を３９９９９．６Ｐａ（３００Ｔｏｒｒ）とした水素ガス雰囲気で、基板温度を１０８０℃に加熱することによるサーマルクリーニングを行っておくとよい。

次に、第１窒化ホウ素層１０２の成長に引き続き、今度は、トリメチルガリウム，トリメチルアルミニウム，およびアンモニアをソースガスとしてＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎを結晶成長することで、第１半導体層１０３を形成し、引き続き、トリメチルガリウムおよびアンモニアをソースガスとしてＧａＮを結晶成長することでコア層１０４を形成し、引き続き、トリメチルアルミニウム，およびアンモニアをソースガスとしてＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎを結晶成長することで、第２半導体層１０５を形成する。さらに、引き続いて、トリエチルボロンおよびアンモニアをソースガスとして窒化ホウ素を堆積させることで、第２窒化ホウ素層１０６を形成する。これらは、基板温度条件を１０５０℃として行えばよい。

次に、第２窒化ホウ素層１０６の上にフォトリソグラフィ技術とＲＩＥ（Reactive ion etching）を用いたエッチングにより幅３．０μｍのＳｉＮ_xのパタンを形成する。次に、形成したＳｉＮ_xのパタンをマスクとしてＩＣＰ（Inductively coupled plasma）−ＲＩＥを用い、第１半導体層１０３，コア層１０４，第２半導体層１０５，および第２窒化ホウ素層１０６をエッチング加工し、メサ形状とする。この後、ＳｉＮ_xからなるパタンを除去する。

上述した本実施の形態１では、窒化ホウ素からクラッド層を構成したところが特徴である。窒化ホウ素は、閃亜鉛鉱型、ウルツ鉱型、六方晶型の結晶構造を有する材料であるが、一般的な気相成長法で得られるのは結晶構造が六方晶型（六方晶系）の窒化ホウ素である。また、六方晶系の窒化ホウ素の屈折率は１．８であり、ＧａＮの２．３３５と比較しても十分に小さな値であり、クラッド層として十分な性能が発揮される。

ただし、六方晶系の窒化ホウ素の上には、ＧａＮは結晶成長せずに多結晶となるが、ＡｌＧａＮは結晶成長する。例えば、Ａｌ組成が１０％を超えるＡｌＧａＮは、六方晶系の窒化ホウ素の上に結晶成長することが、発明者らにより確認されている。従って、上述した実施の形態のように、ＡｌＧａＮからなる第１半導体層１０３，第２半導体層１０５を用いることで、ＧａＮからなるコア層１０４を、第１窒化ホウ素層１０２および第２窒化ホウ素層１０６で挟んだ光導波路が形成できる。このように窒化ホウ素の層をクラッド層とすることで、コア層１０４との間に十分な屈折率差を得ることができ、十分な光閉じ込めができるようになる。

ここで、コア層１０４に接して設けられる第１半導体層１０３および第２半導体層１０５においては、コア層１０４を構成する窒化物半導体より屈折率が小さくなる組成とされていればよい。また、コア層１０４のＡｌ組成ｙが０．１以上の時には、第１半導体層１０３および第２半導体層１０５は、どちらか一方、あるいは両方がコア層１０４を構成する窒化物半導体と屈折率が等しくなる組成とされていてもよい。言い換えると、前述したように、コア層１０４のＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）と、第１半導体層１０３，第２半導体層１０５のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）において、ｘ≧ｙであればよい。

コア層１０４に対して第１半導体層１０３および第２半導体層１０５の屈折率の方が大きい場合、第１窒化ホウ素層１０２および第２窒化ホウ素層１０６で挟んだ光導波路内で、光が分離して導波する場合が発生する。このような場合、各半導体層における組成揺らぎなどに起因する僅かな等価光路長差により干渉を起こすような弊害が懸念される。これに対し、ｘ≧ｙであれば、第１窒化ホウ素層１０２および第２窒化ホウ素層１０６で挟んだ光導波路内で、光が分離して導波する状態が抑制され、コア層１０４に光が集中して導波するようになり、上述した弊害が抑制されるようになる。なお、上述したコア層、およびコア層と第１半導体層，第２半導体層との間の層のＡｌ組成に関しては、後述の実施の形態２、および実施の形態３においても同様である。

本実施の形態における光導波路の、光閉じ込め状態を計算により解析した結果を図２に示す。図２では、光導波路の断面において、コア層１０４を中心にした渦紋の広がり状態で光の閉じ込め状態を示している。図２に示すように、コア層１０４内に渦紋が閉じ込められており、本実施の形態によれば、コア層１０４に導波する光が効率よく閉じ込められることがわかる。

さらに、本実施の形態によれば、各層を均質な組成で形成することが容易である。通常は格子不整合が大きい状態で、窒化物半導体を積層しようとすると、格子緩和（転移）が発生するため高品質な結晶を厚く形成することが困難である。これに対し、六方晶系の窒化ホウ素は、グラファイトと同様の層状物質であり、この層間がファンデルワールス力によって結合しているために、格子不整合な状態であっても、歪みを吸収して高品位な結晶の層が形成可能となる。

また、上述したように，六方晶系の窒化ホウ素は歪みを吸収するので、ＡｌＧａＮとＧａＡｓを積層した構造としても、発生する歪みをヘテロ界面付近の数原子層の窒化ホウ素の層で吸収することができる。この結果、高品質な状態でＡｌＧａＮとＧａＮの積層構造が形成できる。また、これらの製造は、よく用いられる有機金属気相成長法を用いればよく、複雑な製造プロセスを必要としない。

次に、六方晶系の窒化ホウ素についてより詳細に説明する。六方晶系の窒化ホウ素は、前述したように、グラファイトと同様の結晶構造を有している。発明者らの鋭意研究の結果、六方晶系の窒化ホウ素の層の上には、ＧａＮは層として結晶成長させることができないが、Ａｌを含む窒化物半導体であれば、層（膜）として結晶成長させることができることを見いだした。

六方晶系の窒化ホウ素は、例えばサファイア基板の上に結晶成長させることができ、このように形成した窒化ホウ素層の上に、ＡｌＧａＮの層であれば形成できるので、窒化ホウ素層の上に、ＡｌＧａＮ層を形成すれば、この上にＧａＮ層が形成できる。このようにして、窒化ホウ素層の上にＡｌＧａＮ層を介して形成したＧａＮの層は、図３の写真に示すように、極めて平坦な表面状態で形成できる。なお、図３は、光学顕微鏡による観察結果である。

また、この状態をＸ線回折分析すると、図４に示すように、ＧａＮ層の（０００２）からの回折、およびＡｌＧａＮ層の（０００２）からの回折が、各々明瞭に観察された。ＧａＮ層のｃ軸格子定数は、０．５１８７ｎｍであり、無歪みのＧａＮのｃ軸格子定数０．５１８５５ｎｍに近く、形成されたＧａＮ層のｃ軸格子歪みは、＋０．０２８９％と求められた。また、ＡｌＧａＮ層のｃ軸格子定数は、０．５１５４ｎｍであり、Ａ_l0.16Ｇａ_0.84Ｎの組成となっていることがわかった。なお、ＡｌＧａＮに限らず、ＡｌＮも六方晶系の窒化ホウ素の上に結晶成長できることがわかっている。発明者らの検討により、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）であれば、六方晶系の窒化ホウ素の層の上に結晶成長できることが判明している。

以上のことより、サファイア基板の上に、六方晶系の窒化ホウ素の層を形成し、この上にＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体の層を介することで、例えば、結晶性のよいＧａＮ層が結晶成長できることがわかる。当然ながら、六方晶系の窒化ホウ素の層の上には、結晶性のよいＡｌＧａＮが結晶成長できる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態２における光導波路の構成を示す断面図である。この光導波路は、まず、基板５０１の上に核形成層５０２を介し、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなるクラッド層としての第３半導体層５０３が形成されている。基板５０１は、例えば、サファイアから構成されていればよい。核形成層５０２は、ＧａＮから構成され、層厚５０ｎｍ程度とされていればよい。また、第３半導体層５０３は、例えば、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎから構成され、層厚１４５０ｎｍ程度に形成されていればよい。

また、第３半導体層５０３の上には、六方晶系の窒化ホウ素からなるクラッド層としての第１窒化ホウ素層５０４が接して形成されている。第１窒化ホウ素層５０４は、例えば、層厚５０ｎｍ程度に形成されていればよい。

また、この光導波路は、第１窒化ホウ素層５０４の上に接して形成されたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなる第１半導体層５０５を備える。第１半導体層５０５は、層厚１００ｎｍ程度に形成されていればよい。また、第１半導体層５０５の上には、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）からなるコア層５０６が形成されている。コア層５０６は、例えばＧａＮから構成すればよく、層厚８００ｎｍ程度に形成されていればよい。また、コア層５０６の上には、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなる第２半導体層５０７が形成されている。第２半導体層５０７は、層厚１００ｎｍ程度に形成されていればよい。第１半導体層５０５および第２半導体層５０７は、例えば、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎから構成されていればよい。

また、第２半導体層５０７の上には、六方晶系の窒化ホウ素からなるクラッド層としての第２窒化ホウ素層５０８が接して形成されている。第２窒化ホウ素層５０８は、層厚５０ｎｍ程度に形成されていればよい。加えて、第２窒化ホウ素層５０８の上には、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなる第４半導体層５０９が形成されている。第４半導体層５０９は、例えば、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎから構成され、層厚１４５０ｎｍ程度に形成されていればよい。なお、第１窒化ホウ素層５０４，第１半導体層５０５，コア層５０６，第２半導体層５０７，第２窒化ホウ素層５０８，および第４半導体層５０９は、幅３μｍ程度のメサ形状に加工されている。また、このメサは、メサの高さが３μｍ程度となるように、第３半導体層５０３の途中まで形成されている。

次に、製造方法について簡単に説明する。まず、主表面をＣ面としたサファイアからなる基板５０１を用意し、よく知られた有機金属気相成長法により、トリメチルガリウムおよびアンモニアをソースガスとし、基板温度条件６００でＧａＮを堆積することで核形成層５０２を形成する。キャリアガスには水素を用い、基板加熱はタングステンヒーターを用いればよい。また、有機金属気相成長装置の反応炉内の圧力は約１００００Ｐａ（０．１気圧）とすればよい。

次に、トリメチルガリウム，トリメチルアルミニウム，およびアンモニアをソースガスとし、基板温度条件１０５０℃でＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎを結晶成長することで、第３半導体層５０３を形成する。引き続き、今度は、トリエチルボロンおよびアンモニアをソースガスとして窒化ホウ素を結晶成長させることで、第１窒化ホウ素層５０４を形成する。

次に、第１窒化ホウ素層５０４の成長に引き続き、今度は、トリメチルガリウム，トリメチルアルミニウム，およびアンモニアをソースガスとしてＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎを結晶成長することで、第１半導体層５０５を形成し、引き続き、トリメチルガリウムおよびアンモニアをソースガスとしてＧａＮを結晶成長することでコア層５０６を形成し、引き続き、トリメチルアルミニウム，およびアンモニアをソースガスとしてＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎを結晶成長することで、第２半導体層５０７を形成する。

さらに、引き続いて、トリエチルボロンおよびアンモニアをソースガスとして窒化ホウ素を堆積させることで、第２窒化ホウ素層５０８を形成し、引き続き、トリメチルガリウム，トリメチルアルミニウム，およびアンモニアをソースガスとしてＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎを結晶成長することで、第４半導体層５０９を形成する。

次に、第４半導体層５０９の上にフォトリソグラフィ技術とＲＩＥ（Reactive ion etching）を用いたエッチングにより幅３．０μｍのＳｉＮ_xのパタンを形成する。次に、形成したＳｉＮ_xのパタンをマスクとしてＩＣＰ−ＲＩＥを用い、
第１窒化ホウ素層５０４，第１半導体層５０５，コア層５０６，第２半導体層５０７，第２窒化ホウ素層５０８，および第４半導体層５０９をエッチング加工し、メサ形状とする。また、このエッチングは、第３半導体層５０３の途中まで行い、一部の第３半導体層５０３もメサ形状に加工する。この後、ＳｉＮ_xからなるパタンを除去する。

上述した実施の形態２では、窒化ホウ素およびＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からクラッド層を構成したところが特徴である。前述したように、六方晶系の窒化ホウ素の屈折率は１．８であり、ＧａＮの２．３３５と比較しても十分に小さな値であり、クラッド層として十分な性能が発揮される。ところで、このような窒化ホウ素の層の形成には、比較的時間を要するため、窒化ホウ素の層はより薄くした方が、工程の時間短縮が図れる。このため、実施の形態２では、第１窒化ホウ素層５０４および第２窒化ホウ素層５０８を、層厚５０ｎｍ程度と薄く形成する。これに加え、コア層５０６より見て、第１窒化ホウ素層５０４および第２窒化ホウ素層５０８の外側に、第３半導体層５０３および第４半導体層５０９を設け、クラッド層全体を十分に厚い層に形成した。

このように窒化ホウ素の層をクラッド層とすることで、工程時間を長くすることなく、コア層５０６との間に十分な屈折率差を得るクラッド層を形成することができ、十分な光閉じ込めができるようになる。

本実施の形態における光導波路の、光閉じ込め状態を計算により解析した結果を図６に示す。図６では、光導波路の断面において、コア層５０６を中心にした渦紋の広がり状態で光の閉じ込め状態を示している。図６に示すように、渦紋は、第３半導体層５０３と第４半導体層５０９との間に閉じ込められており、本実施の形態によれば、コア層５０６に導波する光が効率よく閉じ込められることがわかる。

さらに、実施の形態２においても、前述した実施の形態１と同様であり、各層を均質な組成で形成することが容易である。ＧａＮとＡｌＧａＮなどの組み合わせのように、格子不整合が大きい状態で、窒化物半導体を積層しようとすると、通常は、格子緩和（転移）が発生するため高品質な結晶を厚く形成することが困難である。これに対し、六方晶系の窒化ホウ素は、グラファイトと同様の層状物質であり、この層間がファンデルワールス力によって結合しているために、格子不整合な状態であっても、歪みを吸収して高品位な結晶の層が形成可能となる。

［実施の形態３］
この光導波路は、まず、基板７０１の上に核形成層７０２を介し、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなる第５半導体層７０３が形成されている。基板７０１は、例えば、サファイアから構成されていればよい。核形成層７０２は、ＧａＮから構成され、層厚５０ｎｍ程度とされていればよい。第５半導体層７０３は、例えば、例えば、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎから構成され、層厚６００ｎｍ程度に形成されていればよい。

また、第５半導体層７０３の上には、六方晶系の窒化ホウ素からなる第３窒化ホウ素層７０４が形成され、第３窒化ホウ素層７０４の上には、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなるクラッド層としての第３半導体層７０５が接して形成され、第３半導体層７０５の上には、六方晶系の窒化ホウ素からなるクラッド層としての第１窒化ホウ素層７０６が接して形成されている。第３窒化ホウ素層７０４および第１窒化ホウ素層７０６は、例えば、層厚５０ｎｍ程度に形成されていればよい。また、第３半導体層７０５は、例えば、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎから構成され、層厚１４５０ｎｍ程度に形成されていればよい。

また、この光導波路は、第１窒化ホウ素層７０６の上に接して形成されたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなる第１半導体層７０７を備える。第１半導体層７０７は、層厚１００ｎｍ程度に形成されていればよい。また、第１半導体層７０７の上には、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）からなるコア層７０８が形成されている。コア層７０８は、例えばＧａＮから構成すればよく、層厚８００ｎｍ程度に形成されていればよい。また、コア層７０８の上には、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなる第２半導体層７０９が形成されている。第２半導体層７０９は、層厚１００ｎｍ程度に形成されていればよい。第１半導体層７０７および第２半導体層７０９は、例えば、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎから構成されていればよい。

また、第２半導体層７０９の上には、六方晶系の窒化ホウ素からなるクラッド層としての第２窒化ホウ素層７１０が接して形成されている。第２窒化ホウ素層７１０は、層厚５０ｎｍ程度に形成されていればよい。また、第２窒化ホウ素層７１０の上には、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなる第４半導体層７１１が形成されている。第４半導体層７１１は、例えば、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎから構成され、層厚５００ｎｍ程度に形成されていればよい。

加えて、第４半導体層７１１の上には、六方晶系の窒化ホウ素からなる第４窒化ホウ素層７１２が接して形成され、第４窒化ホウ素層７１２の上には、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなる第６半導体層７１３が形成されている。第４窒化ホウ素層７１２は、層厚５０ｎｍ程度に形成されていればよい。第６半導体層７１３は、例えば、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎから構成され、層厚９００ｎｍ程度に形成されていればよい。

なお、第１窒化ホウ素層７０６，第１半導体層７０７，コア層７０８，第２半導体層７０９，第２窒化ホウ素層７１０，第４半導体層７１１，第４窒化ホウ素層７１２，第６半導体層７１３は、幅３μｍ程度のメサ形状に加工されている。また、このメサは、メサの高さが３μｍ程度となるように、第３半導体層７０５の途中まで形成されている。

次に、製造方法について簡単に説明する。まず、主表面をＣ面としたサファイアからなる基板７０１を用意し、よく知られた有機金属気相成長法により、トリメチルガリウムおよびアンモニアをソースガスとし、基板温度条件６００でＧａＮを堆積することで核形成層７０２を形成する。キャリアガスには水素を用い、基板加熱はタングステンヒーターを用いればよい。また、有機金属気相成長装置の反応炉内の圧力は約１００００Ｐａ（０．１気圧）とすればよい。

次に、トリメチルガリウム，トリメチルアルミニウム，およびアンモニアをソースガスとし、基板温度条件１０５０℃でＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎを結晶成長することで、第５半導体層７０３を形成し、引き続き、今度は、トリエチルボロンおよびアンモニアをソースガスとして窒化ホウ素を結晶成長させることで、第３窒化ホウ素層７０４を形成する。引き続き、トリメチルガリウム，トリメチルアルミニウム，およびアンモニアをソースガスとし、基板温度条件１０５０℃でＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎを結晶成長することで、第３半導体層７０５を形成し、続いて、トリエチルボロンおよびアンモニアをソースガスとして窒化ホウ素を結晶成長させることで、第１窒化ホウ素層７０６を形成する。

次に、第１窒化ホウ素層７０６の成長に引き続き、今度は、トリメチルガリウム，トリメチルアルミニウム，およびアンモニアをソースガスとしてＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎを結晶成長することで、第１半導体層７０７を形成し、引き続き、トリメチルガリウムおよびアンモニアをソースガスとしてＧａＮを結晶成長することでコア層７０８を形成し、引き続き、トリメチルアルミニウム，およびアンモニアをソースガスとしてＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎを結晶成長することで、第２半導体層７０９を形成する。

引き続いて、トリエチルボロンおよびアンモニアをソースガスとして窒化ホウ素を堆積させることで、第２窒化ホウ素層７１０を形成し、引き続き、トリメチルガリウム，トリメチルアルミニウム，およびアンモニアをソースガスとしてＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎを結晶成長することで、第４半導体層７１１を形成する。さらに、引き続いて、トリエチルボロンおよびアンモニアをソースガスとして窒化ホウ素を堆積させることで、第４窒化ホウ素層７１２を形成し、続いて、トリメチルガリウム，トリメチルアルミニウム，およびアンモニアをソースガスとしてＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎを結晶成長することで、第６半導体層７１３を形成する。

次に、第６半導体層７１３の上にフォトリソグラフィ技術とＲＩＥ（Reactive ion etching）を用いたエッチングにより幅３．０μｍのＳｉＮ_xのパタンを形成する。次に、形成したＳｉＮ_xのパタンをマスクとしてＩＣＰ−ＲＩＥを用い、第１窒化ホウ素層７０６，第１半導体層７０７，コア層７０８，第２半導体層７０９，第２窒化ホウ素層７１０，第４半導体層７１１，第４窒化ホウ素層７１２，および第６半導体層７１３をエッチング加工し、メサ形状とする。また、このエッチングは、第３半導体層７０５の途中まで行い、一部の第３半導体層７０５もメサ形状に加工する。この後、ＳｉＮ_xからなるパタンを除去する。

上述した実施の形態３では、前述した実施の形態２に比較して、窒化ホウ素の層を増やしたところが特徴である。実施の形態３では、新たに、第３窒化ホウ素層７０４および第４窒化ホウ素層７１２を追加している。前述したように、六方晶系の窒化ホウ素の屈折率は１．８であり、ＧａＮの２．３３５と比較しても十分に小さな値であり、クラッド層としての窒化ホウ素の層を増やすことで、より高い閉じ込め効果が得られるようになる。

このように、複数の薄い窒化ホウ素の層を用いることで、工程時間を長くすることなく、コア層７０８との間に十分な屈折率差を得るクラッド層を形成することができ、十分な光閉じ込めができるようになる。

実施の形態３における光導波路の、光閉じ込め状態を計算により解析した結果を図８に示す。図８では、光導波路の断面において、コア層７０８を中心にした渦紋の広がり状態で光の閉じ込め状態を示している。図８に示すように、渦紋は、第３窒化ホウ素層７０４と第４窒化ホウ素層７１２との間に閉じ込められており、実施の形態３によれば、コア層７０８に導波する光が効率よく閉じ込められることがわかる。

さらに、実施の形態３においても、前述した実施の形態１と同様であり、各層を均質な組成で形成することが容易である。ＧａＮとＡｌＧａＮなどの組み合わせのように、格子不整合が大きい状態で、窒化物半導体を積層しようとすると、通常は、格子緩和（転移）が発生するため高品質な結晶を厚く形成することが困難である。これに対し、六方晶系の窒化ホウ素は、グラファイトと同様の層状物質であり、この層間がファンデルワールス力によって結合しているために、格子不整合な状態であっても、歪みを吸収して高品位な結晶の層が形成可能となる。

以上に説明したように、本発明によれば、クラッド層に窒化ホウ素を用いるようにしたので、均一な結晶層が容易に形成できるＡｌＧａＮ（Ａｌの組成比は０以上１以下）を用い、光導波路が形成できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述した実施の形態では、第１窒化ホウ素層と第２窒化ホウ素層とに挟まれた領域に配置したコア層を、ＧａＮから構成する場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、コア層を、他の半導体層を構成するＡｌＧａＮよりＡｌの組成が少ないＡｌＧａＮから構成してもよい。

また、第１窒化ホウ素層と第２窒化ホウ素層との間を、第１半導体層および第２半導体層と同じ、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）から構成してもよい。この場合、第１半導体層および第２半導体層もコア層の一部となり、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなるコア層を、六方晶系の窒化ホウ素からなるクラッド層で挟んだ光導波路となる。

また、窒化物半導体から構成する各半導体層に、ｐ型またはｎ型のドーピングを行うようにしてもよい。例えば、クラッド層とする半導体層にドーピングを行うことで、電圧の印加によりコア層の電界を制御できるようになる。この光導波路を用いることで、マッハツェンダー変調器が構成可能となる。

１０１…基板、１０２…第１窒化ホウ素層、１０３…第１半導体層、１０４…コア層、１０５…第２半導体層、１０６…第２窒化ホウ素層。

Claims

基板の上に形成された六方晶系の窒化ホウ素からなるクラッド層としての第１窒化ホウ素層と、
前記第１窒化ホウ素層に接して形成されたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなる第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に形成されたＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）からなるコア層と、
前記コア層の上に形成されたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなる第２半導体層と、
前記第２半導体層の上に接して形成された六方晶系の窒化ホウ素からなるクラッド層としての第２窒化ホウ素層と
を少なくとも備え、ｘ≧ｙであることを特徴とする光導波路。
請求項１記載の光導波路において、
前記第１窒化ホウ素層の下に接して前記基板の上に形成されたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなるクラッド層としての第３半導体層と、
前記第２窒化ホウ素層の上に接して形成されたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなるクラッド層としての第４半導体層と
を備えることを特徴とする光導波路。
請求項２記載の光導波路において、
第３半導体層の下に接して前記基板の上に形成された六方晶系の窒化ホウ素からなる第３窒化ホウ素層と、
前記第３窒化ホウ素層の下に接して前記基板の上に形成されたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなる第５半導体層と、
前記第４半導体層の上に接して形成された六方晶系の窒化ホウ素からなる第４窒化ホウ素層と、
前記第４窒化ホウ素層の上に接して形成されたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）からなる第６半導体層と
を少なくとも備えることを特徴とする光導波路。