JP5718007B2 - 半導体光導波路素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体光導波路素子およびその製造方法に関するものである。

光通信ネットワークの普及や進展に伴って、光通信システムで使用される光部品の高機能化が進んでいる。光部品には、信号光を発光または受光するような光能動部品、信号光を分岐または合波するような光受動部品、信号光の伝送線路となる光ファイバなどがあり、それぞれの光部品に対して高機能化や低コスト化のニーズが高まっている。

電流または電圧で動作制御を行なう光能動部品に関しては、半導体光増幅器、半導体レーザ、半導体光変調器および半導体フォトダイオードといった半導体材料をベースとした光素子が主に使用されている。半導体をベースとした光能動部品は光増幅機能や高速動作、コンパクトな集積が可能であるという特徴を有している。光通信用光源としての半導体レーザや光変調器の多くは導波路型であり、光導波路の典型的なスポットサイズは１〜２μｍ程度である。

光受動部品に関しては、シリカ系材料をベースとした光導波路であるプレーナ光波回路（ＰＬＣ）の素子が製品化され、広く使用されている。ＰＬＣ導波路ベースの光受動部品は低損失で偏波依存性が小さいという長所を有している。ＰＬＣ導波路のスポットサイズはコア層とクラッド部との比屈折率差（Δ）によって異なるが、Δが０．８％程度である従来のＰＬＣ導波路ではスポットサイズは７〜８μｍ程度である。最近ではΔを高くして光回路サイズを小さくする技術が開発されており、例えばΔが２．５％程度のＰＬＣ導波路ではスポットサイズは４〜５μｍ程度と小さくなっている。また光ファイバもＰＬＣ導波路と同様にシリカ系材料をベースとしたものが主流であり、最近では０．２ｄＢ／ｋｍ以下の非常に低損失な光ファイバが実用化されている。通常のシングルモード光ファイバのスポットサイズは、９〜１０μｍ程度となっている。

このように、光能動部品、光受動部品、光ファイバでは、光導波路技術が共通して使われているものの、材料の屈折率やサイズの違いなどから、それぞれの光導波路のスポットサイズは異なっている。このように異なるスポットサイズを有する光導波路同士を結合する際、そのまま突き合わせて接合すると、スポットサイズの不整合によって大きな結合損失が発生してしまう。従って、異なるスポットサイズを有する光導波路を接続する際には、接続箇所付近でどちらか一方もしくは両方のスポットサイズを変化させ、互いのスポットサイズを整合させて接合することがよく行われる。スポットサイズを変化させる役割を担う部分はスポットサイズ変換器と呼ばれ、様々な構造が提案されている。

基板上に形成された埋込型光導波路構造を有する半導体光導波路素子用のスポットサイズ変換器では、埋め込まれるコア層の形状を光伝搬方向に沿って徐々に変化させてテーパー形状としたテーパー導波路がしばしば用いられる。たとえば特許文献１では、コア層の厚さを徐々に薄くしてテーパー形状とした厚さテーパー導波路によるスポットサイズ変換器が記載されている。この厚さテーパー導波路によれば、コア層の厚さを徐々に薄くすることによって、導波する光のスポットサイズを徐々に拡大するようにしている。

スポットサイズ変換器は、スポットサイズを拡大した場合に、拡大した光のフィールドがスポットサイズ変換器の上面に到達すると、そこで光が反射、散乱、吸収されて光損失が発生する。その結果、スポットサイズ変換器やこれに接続する素子の特性の低下や結合損失の増加が起こるという問題がある。特に、スポットサイズ変換器の上部に、高濃度にｐ型ドープされたコンタクト層や電極が形成されている場合には、ｐ型ドーパントの光吸収や電極の光反射によって、光損失が大きくなる。

これに対して、たとえば特許文献１では、コア層の上部に形成された上部クラッド層であるｐ−ＩｎＰクラッド層の厚さを、通常のレーザ構造で設定されている上部クラッド層の厚さよりも厚くして、スポットサイズ拡大によって広がった光のフィールドの一部が電極に到達しないようにしている。

特開２０００−２７７７２１号公報

従来、基板上に埋込型光導波路構造を有する半導体光導波路素子を形成する場合は、半導体光増幅器等の能動部とスポットサイズ変換器とで、共通の上部クラッド層を同じ工程で形成するのが一般的である。ところが、この場合、光のフィールドの拡大に起因する光損失の発生を抑制するためにスポットサイズ変換器の上部クラッド層の厚さを厚くしようとすると、能動部の上部クラッド層も同時に厚くなってしまう。

図２０は、従来の半導体光導波路素子の製造方法を説明する図である。図２０の上段は製造工程におけるスポットサイズ変換器（Spot Size Converter：ＳＳＣ）の模式的断面を示し、下段は製造工程における半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier：ＳＯＡ）の模式的断面を示している。従来の製造方法では、まず、共通の基板３０２上に形成した下部クラッド層３０３上に、ＳＳＣについてはコア層３１０および上部クラッド層３１１を順次形成し、ＳＯＡについては活性コア層３０４および上部クラッド層３０５を順次形成する。そして、エッチング用のマスクＭを上部クラッド層３１１、３０５上に形成してエッチングを行ってメサ構造を形成する。つぎに、マスクＭを成長マスクとして下部埋め込み層３０６ａおよび上部埋め込み層３０６ｂを埋め込み成長し、メサ構造を埋め込む。その後、マスクＭを除去し、共通の上部クラッド層３０７およびコンタクト層３０８を順次形成する。

このように、従来の半導体光導波路素子においては、スポットサイズ変換器の上部クラッド層の厚さを厚くしようとした場合は、同時に能動部の上部クラッド層も必要以上に厚くなってしまうため、能動部の電気抵抗が増加する。その結果、能動部の駆動電圧が上昇するため、消費電力が増加してしまうという問題が生じる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光損失の発生および消費電力の増加を同時に抑制した半導体光導波路素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る半導体光導波路素子は、基板上に形成された埋込型の半導体光導波路素子であって、活性コア層と、前記活性コア層の上部に形成されたクラッド領域とを有する能動部と、前記能動部に接続し、該能動部の活性コア層から出力する光のスポットサイズを拡大するようにテーパー状に形成したコア層と、前記コア層の上部に形成されたクラッド領域とを有するスポットサイズ変換部と、を備え、前記コア層の上部のクラッド領域の厚さが、前記活性コア層の上部のクラッド領域の厚さよりも厚いことを特徴とする。

また、本発明に係る半導体光導波路素子は、上記の発明において、前記コア層の上部のクラッド領域の少なくとも一部は、前記コア層の埋込構造を形成する埋込層が該コア層の上部に到るまで形成されたことによって構成されたものであることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体光導波路素子は、上記の発明において、前記コア層の上部のクラッド領域の少なくとも一部は、選択成長によって前記活性コア層の上部のクラッド領域と同時に形成されたものであることを特徴とする。

また、本発明に係る導体光導波路素子の製造方法は、埋込型の半導体光導波路素子の製造方法であって、活性コア層を含む半導体積層構造を形成する能動領域形成工程と、前記活性コア層に接続するように形成したコア層を含む積層構造を形成する受動領域形成工程と、前記活性コア層を含む積層構造および前記コア層を含む積層構造の上にエッチングマスクを形成するマスク形成工程と、前記エッチングマスクを用いたエッチングにより、前記活性コア層を含むメサ構造と、前記コア層を含み、前記活性コア層から出力する光のスポットサイズを拡大するようにテーパー状に該コア層を形成したメサ構造とを形成するメサ構造形成工程と、前記受動領域の少なくとも一部において前記エッチングマスクを除去する第１マスク除去工程と、前記形成したメサ構造を埋め込む埋込層を成長する埋込成長工程と、前記能動領域において前記エッチングマスクを除去する第２マスク除去工程と、前記能動領域および前記受動領域に上部クラッド層を形成する上部クラッド層形成工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る導体光導波路素子の製造方法は、埋込型の半導体光導波路素子の製造方法であって、活性コア層を含む半導体積層構造を形成する能動領域形成工程と、前記活性コア層に接続するように形成したコア層を含む積層構造を形成する受動領域形成工程と、前記活性コア層を含む積層構造および前記コア層を含む積層構造の上にエッチングマスクを形成するマスク形成工程と、前記エッチングマスクを用いたエッチングにより、前記活性コア層を含むメサ構造と、前記コア層を含み、前記活性コア層から出力する光のスポットサイズを拡大するようにテーパー状に該コア層を形成したメサ構造とを形成するメサ構造形成工程と、前記形成したメサ構造を埋め込む埋込層を成長する埋込成長工程と、前記エッチングマスクを除去するマスク除去工程と、前記受動領域の上に、前記メサ構造を挟むように選択成長マスクを形成する選択成長マスク形成工程と、前記能動領域および前記受動領域に上部クラッド層を形成する上部クラッド層形成工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、光損失の発生および消費電力の増加を同時に抑制した半導体光導波路素子を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る半導体光導波路素子の模式的な平面図である。 図２は、図１に示す半導体光導波路素子のＡ−Ａ線要部断面図である。 図３は、図１に示す半導体光導波路素子のＢ−Ｂ線要部断面図である。 図４は、図１に示す半導体光導波路素子のＣ−Ｃ線要部断面図である。 図５は、図１のＣ−Ｃ線断面に対応する断面における半導体光導波路素子の製造方法を説明する図である。 図６は、図１に示す半導体光導波路素子の製造方法を説明する図である。 図７は、図１に示す半導体光導波路素子の製造方法を説明する図である。 図８は、埋め込み成長を行なった後の状態を示す図である。 図９は、ｐ側電極を形成した後の状態を示す図である。 図１０は、図１に示す半導体光導波路素子の製造方法を説明する図である。 図１１は、実施の形態２に係る半導体光導波路素子の模式的な平面図である。 図１２は、図１１に示す半導体光導波路素子のＤ−Ｄ線要部断面図である。 図１３は、図１１に示す半導体光導波路素子のＥ−Ｅ線要部断面図である。 図１４は、図１１に示す半導体光導波路素子のＦ−Ｆ線要部断面図である。 図１５は、図１１に示す半導体光導波路素子の製造方法を説明する図である。 図１６は、埋め込み成長を行なった後の状態を示す図である。 図１７は、図１１に示す半導体光導波路素子の製造方法を説明する図である。 図１８は、選択成長を行った後の状態を示す図である。 図１９は、層厚比のマスク幅および開口幅依存性を示す図である。 図２０は、従来の半導体光導波路素子の製造方法を説明する図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る半導体光導波路素子の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する構成要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚さや厚さの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。

（実施の形態１）
はじめに、本発明の実施の形態１に係る半導体光導波路素子について説明する。以下では、はじめに本実施の形態１に係る半導体光導波路素子の構成を説明し、つぎにこの半導体光導波路素子の動作を説明し、つぎにこの半導体光導波路素子の製造方法の一例を説明する。

（構成）
図１は、実施の形態１に係る半導体光導波路素子の模式的な平面図である。図１に示すように、この半導体光導波路素子１００は、順次接続した、スポットサイズ変換部であるスポットサイズ変換器１１と、曲げ導波路１２と、電流または電圧で動作制御を行なう能動部である半導体光増幅器１３と、曲げ導波路１４と、スポットサイズ変換器１５とを備えている。図１は、これらの導波路のコア層（または活性コア層）の幅方向の形状を示している。

スポットサイズ変換器１１、１５、曲げ導波路１２、１４は、それぞれ受動領域ＰＡ１に形成されている。また、半導体光増幅器１３は能動領域ＡＡ１に形成されている。また、この半導体光導波路素子１００は、光入射端面１００ａと、光出射端面１００ｂとを有する。光入射端面１００ａと光出射端面１００ｂとは、劈開により形成されており、表面に無反射コーティングが施されている。

スポットサイズ変換器１１の光伝搬方向である中心軸は、光入射端面１００ａにおける光の反射を抑制するために、光入射端面１００ａの法線に対し７度傾斜している。同様に、スポットサイズ変換器１５の光伝搬方向である中心軸は、光出射端面１００ｂの法線に対し７度傾斜している。これらの傾斜は、曲げ導波路１２、１４によって実現されている。

スポットサイズ変換器１１と光入射端面１００ａとの間、およびスポットサイズ変換器１５と光出射端面１００ｂとの間には、窓構造１００ｃ、１００ｄがそれぞれ形成されており、上述した７度の傾斜とともに端面反射をさらに抑制している。

スポットサイズ変換器１１は、光入射端面１００ａ側から半導体光増幅器１３側に向かって、光の伝搬方向に沿って幅がテーパー状に増加するコア層を有している。また、スポットサイズ変換器１５は、半導体光増幅器１３側から光出射端面１００ｂ側に向かって、光の伝搬方向に沿って幅がテーパー状に減少するコア層を有している。

スポットサイズ変換器１１の光入射端面１００ａ側におけるコア層の幅は０．５μｍであるが、たとえば０．３μｍ以上１．０μｍ以下とできる。また、半導体光増幅器１３側におけるコア層の幅は、曲げ導波路１２、１４のコア層および半導体光増幅器１３の活性コア層の幅と同一であり、波長１．５５μｍ帯の光をシングルモード伝送するように、２μｍに設定されている。また、スポットサイズ変換器１１の光の伝搬方向の長さは３００μｍであるが、たとえば２００〜５００μｍとできる。スポットサイズ変換器１５の形状はスポットサイズ変換器１１と同一である。すなわち、光出射端面１００ｂ側におけるコア層の幅は０．５μｍであり、半導体光増幅器１３側におけるコア層の幅はたとえば２μｍであり、光の伝搬方向の長さは３００μｍである。また、窓構造１００ｃ、１００ｄの長さは１０μｍである。

つぎに、この半導体光導波路素子１００の断面構造について説明する。図２は、図１に示す半導体光導波路素子１００のＡ−Ａ線断面図であり、半導体光増幅器１３の断面を示している。図３は、図１に示す半導体光導波路素子１００のＢ−Ｂ線断面図であり、スポットサイズ変換器１５の断面を示している。

はじめに、半導体光増幅器１３の断面構造について説明する。図２に示すように、半導体光増幅器１３は、裏面にＡｕＧｅＮｉからなるｎ側電極１０１を形成した、ｎ型ＩｎＰからなる共通の基板１０２上に、バッファ層としても機能するｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層１０３と、ＩｎＧａＡｓＰからなり、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造の上下に分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）を形成したＭＱＷ−ＳＣＨ構造を有する活性コア層１０４と、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層１０５が順次積層した構成を有する。なお、活性コア層１０４は、波長１．５５μｍ帯の波長の光を増幅できるようにその組成が調整されている。

また、下部クラッド層１０３の一部、活性コア層１０４、および上部クラッド層１０５はメサ構造を構成しており、このメサ構造は、埋込層１０６によって埋め込まれている。このように、半導体光増幅器１３は埋込型の光導波路である。また、埋込層１０６は、ＦｅをドープしたＩｎＰからなる半絶縁層１０６ａとｎ型ＩｎＰ層１０６ｂとが順次積層した構造を有しており、活性コア層１０４に対して埋込構造とともに電流狭窄構造を形成している。なお、Ｆｅをドープした半絶縁層１０６ａは、ｐ型ドーパントを含まないため、導波路損失を低減することができ好ましい。

さらに、半導体光増幅器１３は、上部クラッド層１０５および埋込層１０６上には、ｐ型ＩｎＰからなる共通の上部クラッド層１０７と、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層１０８と、ＳｉＮｘからなる保護膜１１２および保護膜１１２の開口部に形成したＡｕＺｎからなるｐ側電極１０９とが順次積層した構成を有している。

この半導体光増幅器１３では、上部クラッド層１０５、１０７が、活性コア層１０４の上部のクラッド領域Ｃ１として機能する。

つぎに、スポットサイズ変換器１５の断面構造について説明する。図３に示すように、スポットサイズ変換器１５は、裏面にｎ側電極１０１を形成した共通の基板１０２上に、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層１０３と、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰからなるコア層１１０と、ノンドープのＩｎＰからなる上部クラッド層１１１が順次積層した構成を有する。なお、コア層１１０は、波長１．５５μｍ帯の光を透過するようにその組成が調整されている。

また、下部クラッド層１０３の一部、コア層１１０、および上部クラッド層１１１はメサ構造を構成している。ここで、スポットサイズ変換器１５のメサ構造は、半導体光増幅器１３と同様に、半絶縁層１０６ａとｎ型ＩｎＰ層１０６ｂとからなる埋込層１０６によって埋め込まれており、埋込型光導波路を形成している。しかし、半導体光増幅器１３の場合とは異なり、埋込層１０６はメサ構造を埋め込むとともに、メサ構造の上部に到るまでメサ構造を覆うように形成されている。

さらに、スポットサイズ変換器１５は、この埋込層１０６上に、共通の上部クラッド層１０７と、ＳｉＮｘからなる保護膜１１２とが順次積層した構成を有している。

したがって、このスポットサイズ変換器１５では、上部クラッド層１０７、１１１に加え、メサ構造の上部に到るまで形成された埋込層１０６が、コア層１１０の上部のクラッド領域Ｃ２として機能する。その結果、スポットサイズ変換器１５の上部のクラッド領域Ｃ２の厚さは、半導体光増幅器１３の上部のクラッド領域Ｃ１の厚さよりも、ほぼ埋込層１０６の厚さｄだけ厚くなっている。なお、上部クラッド層１０７、１１１および埋込層１０６は、いずれもＩｎＰからなるので、屈折率は略同一である。

図４は、図１に示す半導体光導波路素子１００のＣ−Ｃ線断面図である。図４に示すように、半導体光導波路素子１００は、スポットサイズ変換器１１、１５、曲げ導波路１２、１４、および半導体光増幅器１３を、共通の基板１０２上にモノリシックに集積したものである。また、受動領域ＰＡ１のスポットサイズ変換器１１、および曲げ導波路１２、１４は、スポットサイズ変換器１５と同様の断面構造を有している。また、窓構造１００ｃ、１００ｄは埋込層１０６によって実現されている。

（動作）
つぎに、この半導体光導波路素子１００の動作を説明する。まず、この半導体光導波路素子１００を、たとえばＰＬＣ導波路に接続する。そして、入力側のＰＬＣ導波路から波長１．５５μｍ帯の光を入力して、光入射端面１００ａおよび窓構造１００ｃを介してスポットサイズ変換器１１に入力させる。

スポットサイズ変換器１１は、入力された光のスポットサイズを半導体光増幅器１３のスポットサイズに近づけるように縮小して、曲げ導波路１２を介して半導体光増幅器１３に入力させる。半導体光増幅器１３は、ｎ側電極１０１とｐ側電極１０９との間に電圧を印加し、電流が注入されている。したがって、半導体光増幅器１３は、入力された光を増幅し、増幅光を曲げ導波路１４を介してスポットサイズ変換器１５に出力する。スポットサイズ変換器１５は、入力された増幅光のスポットサイズを出力側のＰＬＣ導波路のスポットサイズに近づけるように拡大して、窓構造１００ｄおよび光出射端面１００ｂを介して出力側のＰＬＣ導波路に出力する。

ここで、スポットサイズ変換器１５は、半導体光増幅器１３の上部のクラッド領域Ｃ１の厚さよりも厚さｄだけ厚い上部のクラッド領域Ｃ２を有する。その結果、スポットサイズ変換器１５において光のスポットサイズが拡大しても、拡大した光のフィールドが上部クラッド層１０７の上面および保護膜１１２に到達することが防止される。同様に、スポットサイズ変換器１１も、厚い上部のクラッド領域Ｃ２を有するので、ＰＬＣ導波路からの入力光のフィールドが上部クラッド層１０７の上面および保護膜１１２に干渉しないようにしてこの入力光を受け付けることができる。その結果、この半導体光導波路素子１００は、スポットサイズ変換器１１、１５における光損失の発生が抑制されるので、ＰＬＣ導波路との結合損失の増加が抑制される。

また、スポットサイズ変換器１１、１５の上部のクラッド領域が厚くされているにもかかわらず、半導体光増幅器１３の上部のクラッド領域Ｃ１の厚さは厚くされていないままである。したがって、ｐ側電極１０９から電流が注入される際の電気抵抗の増加は抑制されている。その結果、この半導体光導波路素子１００は、消費電力の増加が抑制されたものとなる。

なお、上部クラッド層１０７の厚さは約２μｍであるが、半導体光増幅器１３の動作に必要とされる厚さに適宜設定することができ、たとえば１．５〜３μｍ程度が好ましい。また、埋込層１０６の厚さｄは約２．５μｍである。埋込層１０６の厚さについては、上部クラッド層１０７の厚さおよび埋込層の電流阻止特性を考慮して、半導体光導波路素子１００に接続するＰＬＣ導波路等の光導波路のスポットサイズに応じて適宜設定することができ、たとえば１．５〜３μｍ程度が好ましい。

以上のように、本実施の形態１に係る半導体光導波路素子１００は、消費電力の増加および光損失の発生による結合損失の増加を同時に抑制したものとなる。

（製造方法）
つぎに、本実施の形態１に係る半導体光導波路素子１００の製造方法の一例について、図５〜図１０を用いて説明する。

図５は、図１のＣ−Ｃ線断面に対応する断面を示す図である。また、図６、７は、図１と同様に、導波路のコア層（または活性コア層）幅方向の形状を示している。まず、図５（ａ）に示すように、有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法を用いて、基板１０２上に下部クラッド層１０３、活性コア層１０４、上部クラッド層１０５を結晶成長する。

つぎに、全面にＳｉＮｘ膜を成膜した後、このＳｉＮｘ膜を能動領域ＡＡ１に対応する領域にだけ残すようにパターニングしてマスクＭ１を形成する。つぎに、マスクＭ１をマスクとして、活性コア層１０４の底面に到る深さまでエッチングし、マスクＭ１が形成されていない受動領域ＰＡ１の上部クラッド層１０５と活性コア層１０４とを除去する（図５（ｂ）参照）。

つぎに、マスクＭ１を選択成長用マスクとして、選択成長によって、受動領域ＰＡ１に、コア層１１０および上部クラッド層１１１をバットジョイント成長する（図５（ｃ）参照）。

つぎに、マスクＭ１を除去した後、全面にＳｉＮｘ膜を成膜し、このＳｉＮｘ膜を図１に示す導波路の形状にパターニングしてストライプパターンマスクＭ２を形成する（図６参照）。そして、このストライプパターンマスクＭ２をエッチングマスクとして下部クラッド層１０３の内部に到る深さまでドライエッチングを行い、図２、３に示すようなメサ構造の光導波路を形成する。

つぎに、全面にレジストを塗布し、能動領域ＡＡ１のストライプパターンマスクＭ２だけを残すようにパターニングする。そして、図７に示すように、受動領域ＰＡ１においてストライプパターンマスクＭ２を除去する。これによって、受動領域ＰＡ１においては、メサ構造の上部を構成する上部クラッド層１１１が露出する。

つぎに、ストライプパターンマスクＭ２を選択成長用マスクとして、全面に半絶縁層１０６ａとｎ型ＩｎＰ層１０６ｂとを順次再成長して、メサ構造の埋め込み成長を行なう。

図８は、埋め込み成長を行なった後の状態を示す図である。なお、図８（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図１のＡ−Ａ線断面、Ｃ−Ｃ線断面、Ｂ−Ｂ線断面に対応している。図８に示すように、ストライプパターンマスクＭ２が存在する能動領域ＡＡ１においては、半絶縁層１０６ａとｎ型ＩｎＰ層１０６ｂとからなる埋込層１０６はメサ構造の両側にのみ形成される（図８（ａ）、（ｂ）参照）。一方、ストライプパターンマスクＭ２が存在しない受動領域ＰＡ１においては、埋込層１０６はメサ構造の両側およびメサ構造の上部にこれを覆うように形成される（図８（ｂ）、（ｃ）参照）。

つぎに、ストライプパターンマスクＭ２を除去して、全面に上部クラッド層１０７およびコンタクト層１０８を順次形成する。つぎに、受動領域ＰＡ１のコンタクト層１０８を除去し、全面に保護膜１１２を形成する。その後、能動領域ＡＡ１の保護膜１１２に開口部を設け、この開口部においてコンタクト層１０８上にｐ側電極１０９を形成する。図９は、ｐ側電極１０９を形成した後の状態を示す図である。図９（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図１のＡ−Ａ線断面、Ｃ−Ｃ線断面、Ｂ−Ｂ線断面に対応している。

なお、上記の方法によれば、埋込層１０６を形成する工程の際に同時にコア層１１０の上部のクラッド領域Ｃ２を厚く形成することができる。したがって、従来のように上部クラッド層１０７を厚く形成する方法と比較して、厚く結晶成長させるためにさらなる時間を掛けることが不要であり好ましい。

つぎに、図１０に示すように、基板１０２の裏面を研磨した後にこの裏面にｎ側電極１０１を形成する。その後、半導体層を成長した基板を劈開して光入射端面１００ａ、光出射端面１００ｂを形成し、光入射端面１００ａ、光出射端面１００ｂに無反射コーティングを施した後にさらに素子ごとに分離して、半導体光導波路素子１００が完成する。

なお、本製造方法では、受動領域ＰＡ１のコンタクト層１０８を除去しているが、除去しなくてもよい。本実施の形態１に係る半導体光導波路素子１００において、仮にスポットサイズ変換器１１、１５上にコンタクト層１０８があったとしても、光のフィールドがコンタクト層１０８に到達することが無いので、コンタクト層１０８の光吸収等による光損失の増大は発生しない。

また、本製造方法では、埋め込み成長の前に、受動領域ＰＡ１における曲げ導波路１２、１４上およびスポットサイズ変換器１１、１５上のストライプパターンマスクＭ２を除去しているが、光のフィールドが拡大するのは、コア層をテーパー状に形成した領域であるスポットサイズ変換器１１、１５上である。したがって、スポットサイズ変換器１１、１５上のストライプパターンマスクＭ２だけ除去してもよい。

（実施例１）
本発明の実施例１として、上記の製造方法に従って半導体光導波路素子１００の構造を有する半導体光導波路素子を製造した。そして、実施例１の半導体光導波路素子をキャリアにボンディングし、ＰＬＣ導波路との結合損失を評価した。なお、ＰＬＣ導波路は、コア層とクラッド部との比屈折率差Δが１．２％であり、コア層の断面のサイズが６μｍ×６μｍのものを使用した。その結果、結合損失は約０．５ｄＢと非常に良好であった。
また従来の形態の半導体光導波路素子において、半導体光増幅器１３の上部のクラッド領域Ｃ１に相当する領域の厚さを本発明の実施例１におけるコア層１１０の上部のクラッド領域Ｃ２の厚さと同じにした場合と比較すると、素子抵抗で約１Ωの低減が可能であり、消費電力は約２０〜３０％低減が可能であった。

（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２に係る半導体光導波路素子について説明する。以下では、はじめに本実施の形態２に係る半導体光導波路素子の構成を説明し、つぎにこの半導体光導波路素子の動作を説明し、つぎにこの半導体光導波路素子の製造方法の一例を説明する。

（構成）
図１１は、実施の形態２に係る半導体光導波路素子の模式的な平面図である。図１１に示すように、この半導体光導波路素子２００は、図１に示す実施の形態１の係る半導体光導波路素子１００と同様に、順次接続した、スポットサイズ変換器２１と、曲げ導波路２２と、半導体光増幅器２３と、曲げ導波路２４と、スポットサイズ変換器２５とを備えている。図１１は、これらの導波路のコア層（または活性コア層）の幅方向の形状を示している。

スポットサイズ変換器２１、２５、曲げ導波路２２、２４は、それぞれ受動領域ＰＡ２に形成されている。また、半導体光増幅器２３は能動領域ＡＡ２に形成されている。また、この半導体光導波路素子２００は、光入射端面２００ａと、光出射端面２００ｂとを有する。光入射端面２００ａと光出射端面２００ｂとは、劈開により形成されており、表面に無反射コーティングが施されている。

スポットサイズ変換器２１、２５の中心軸は、それぞれ光入射端面２００ａ、光出射端面２００ｂの法線に対し７度傾斜している。さらに、窓構造２００ｃ、２００ｄが形成されており、上述した７度の傾斜とともに光入射端面２００ａ、光出射端面２００ｂにおける光端面反射を抑制している。

スポットサイズ変換器２１は、光入射端面２００ａ側から半導体光増幅器２３側に向かって、光の伝搬方向に沿って幅がテーパー状に増加するコア層を有している。また、スポットサイズ変換器２５は、半導体光増幅器２３側から光出射端面２００ｂ側に向かって、光の伝搬方向に沿って幅がテーパー状に減少するコア層を有している。

スポットサイズ変換器２１の光入射端面２００ａ側におけるコア層の幅は０．５μｍであるが、たとえば０．３μｍ以上１．０μｍ以下とできる。また、半導体光増幅器２３側におけるコア層の幅は、曲げ導波路２２、２４のコア層および半導体光増幅器２３の活性コア層の幅と同一であり、波長１．５５μｍ帯の光をシングルモード伝送するように、２μｍに設定されている。また、スポットサイズ変換器２１の光の伝搬方向の長さは３００μｍであるが、たとえば２００〜５００μｍとできる。スポットサイズ変換器２５の形状はスポットサイズ変換器２１と同一である。また、窓構造２００ｃ、２００ｄの長さは１０μｍである。

つぎに、この半導体光導波路素子２００の断面構造について説明する。図１２は、図１１に示す半導体光導波路素子１００のＤ−Ｄ線断面図であり、半導体光増幅器２３の断面を示している。図１３は、図１１に示す半導体光導波路素子２００のＥ−Ｅ線断面図であり、スポットサイズ変換器２５の断面を示している。

はじめに、半導体光増幅器２３の断面構造について説明する。図１２に示すように、半導体光増幅器２３は、半導体光増幅器１３と同様の断面構造を有している。すなわち、半導体光増幅器２３は、裏面にｎ側電極２０１を形成した共通の基板２０２上に、下部クラッド層２０３と、活性コア層２０４と、上部クラッド層２０５が順次積層した構成を有する。また、下部クラッド層２０３の一部、活性コア層２０４、および上部クラッド層２０５はメサ構造を構成しており、半絶縁層２０６ａとｎ型ＩｎＰ層２０６ｂとからなる埋込層２０６によって埋め込まれている。さらに、半導体光増幅器２３の上部クラッド層２０５および埋込層２０６上には、共通の上部クラッド層２０７と、コンタクト層２０８と、ＳｉＮｘからなる保護膜２１２および保護膜２１２の開口部に形成したｐ側電極２０９とが順次積層した構成を有している。

この半導体光増幅器２３では、上部クラッド層２０５、２０７が、活性コア層２０４の上部におけるクラッド領域Ｃ３として機能する。

つぎに、スポットサイズ変換器２５の断面構造について説明する。図１３に示すように、スポットサイズ変換器２５は、半導体光導波路素子１００のスポットサイズ変換器１５と同様に、裏面にｎ側電極２０１を形成した共通の基板２０２上に、下部クラッド層２０３と、コア層２１０と、上部クラッド層２１１が順次積層した構成を有する。また、下部クラッド層２０３の一部、コア層２１０、および上部クラッド層２１１はメサ構造を構成している。なお、このメサ構造は、半絶縁層２０６ａとｎ型ＩｎＰ層２０６ｂとからなる埋込層２０６によって埋め込まれており、埋込型光導波路を形成している。ただし、スポットサイズ変換器１５とは異なり、埋込層２０６はメサ構造の上部を覆うように形成されていない。

さらに、スポットサイズ変換器２５は、上部クラッド層２１１および埋込層２０６上には、共通の上部クラッド層２０７と、コンタクト層２０８と、保護膜２１２が順次積層した構成を有している。このスポットサイズ変換器２５では、上部クラッド層２１１、２０７が、コア層２１０の上部におけるクラッド領域Ｃ４として機能する。

ここで、図１２〜１４を参照して上部クラッド層２０７の構造について具体的に説明する。なお、図１４は、図１１に示す半導体光導波路素子２００のＦ−Ｆ線断面図である。図１２〜１４に示すように、上部クラッド層２０７は、能動領域ＡＡ２と受動領域ＰＡ２とでは形状が異なっている。すなわち、上部クラッド層２０７は、能動領域ＡＡ２では全面に一様な厚さで形成されている。一方、受動領域ＰＡ２では、上部クラッド層２０７は、導波路に沿って導波路上に突出するように、受動領域ＰＡ２よりも幅が狭くかつ厚さが厚く形成されている。なお、コンタクト層２０８も、受動領域ＰＡ２では受動領域ＰＡ２よりも厚さが厚く形成されている。

したがって、このスポットサイズ変換器２５の上部のクラッド領域Ｃ４の厚さは、半導体光増幅器２３の上部のクラッド領域Ｃ３の厚さよりも厚くなっている。

また、図１４に示すように、受動領域ＰＡ２のスポットサイズ変換器２１、および曲げ導波路２２、２４は、スポットサイズ変換器２５と同様の断面構造を有している。なお、能動領域ＡＡ２と接続する受動領域ＰＡ２の部分では上部クラッド層２０７およびコンタクト層２０８の厚さが徐々に変化しているが、この変化している部分の長さは能動領域ＡＡ２や受動領域ＰＡ２の長さと比較すると十分に短いものである。また、窓構造２００ｃ、２００ｄは埋込層２０６によって実現されている。

（動作）
この半導体光導波路素子２００は、半導体光導波路素子１００と同様に動作させることができる。すなわち、半導体光導波路素子２００をたとえばＰＬＣ導波路に接続し、半導体光増幅器２３に電流を注入するとともに入力側のＰＬＣ導波路から波長１．５５μｍ帯の光を入力することによって、増幅光を出力側のＰＬＣ導波路に出力することができる。

この半導体光導波路素子２００では、スポットサイズ変換器２１、２５が、半導体光増幅器２３の上部のクラッド領域Ｃ３の厚さよりも厚い上部のクラッド領域Ｃ４を有する。その結果、スポットサイズ変換器２５において光のスポットサイズが拡大しても、拡大した光のフィールドがコンタクト層２０８に到達することが防止される。同様に、スポットサイズ変換器２１も、ＰＬＣ導波路からの入力光のフィールドがコンタクト層２０８に干渉しないようにしてこの入力光を受け付けることができる。その結果、この半導体光導波路素子２００は、スポットサイズ変換器２１、２５における光損失の増大が抑制されるので、ＰＬＣ導波路との結合損失の増加が抑制される。

また、スポットサイズ変換器２１、２５の上部のクラッド領域が厚くされているにもかかわらず、半導体光増幅器２３の上部のクラッド領域Ｃ３の厚さは厚くされていないままである。したがって、ｐ側電極２０９から電流が注入される際の電気抵抗の増加は抑制されている。その結果、この半導体光導波路素子２００は、消費電力の増加が抑制されたものとなる。

なお、上部クラッド層２０７の厚さは、半導体光増幅器２３の上部のクラッド領域Ｃ３では約２μｍ、スポットサイズ変換器２１、２５の上部のクラッド領域Ｃ４では約４μｍであるが、それぞれ１．５〜３μｍ程度、３〜６μｍ程度が好ましい。

以上のように、本実施の形態２に係る半導体光導波路素子２００は、消費電力の増加および光損失の発生による結合損失の増加を同時に抑制したものとなる。

（製造方法）
つぎに、本実施の形態２に係る半導体光導波路素子２００の製造方法の一例について、図１５〜図１８を用いて説明する。

はじめに、図５に示した工程と同様の工程を行なう。すわなち、ＭＯＣＶＤ法を用いて、基板２０２上に下部クラッド層２０３、活性コア層２０４、上部クラッド層２０５を結晶成長する。つぎに、全面にＳｉＮｘ膜を成膜した後、このＳｉＮｘ膜を能動領域ＡＡ２に対応する領域にだけ残すようにパターニングしてマスクを形成し、これをマスクとして、活性コア層２０４の底面に到る深さまでエッチングし、受動領域ＰＡ２の上部クラッド層２０５と活性コア層２０４とを除去する。つぎに、上記のマスクを選択成長用マスクとして、選択成長によって、受動領域ＰＡ２に、コア層２１０および上部クラッド層２１１をバットジョイント成長する。

つぎに、マスクを除去した後、全面にＳｉＮｘ膜を成膜し、このＳｉＮｘ膜を図１１に示す導波路の形状にパターニングしてストライプパターンマスクＭ３を形成する（図１５参照）。そして、このストライプパターンマスクＭ３をエッチングマスクとして下部クラッド層２０３の内部に到る深さまでドライエッチングを行い、図１２、１３に示すようなメサ構造の光導波路を形成する。

つぎに、ストライプパターンマスクＭ３を選択成長用マスクとして、全面に半絶縁層１０６ａとｎ型ＩｎＰ層１０６ｂとを順次再成長して、メサ構造の埋め込み成長を行なう。図１６は、埋め込み成長を行なった後の状態を示す図である。なお、図１６は、図１１のＦ−Ｆ線断面に対応している。

つぎに、ストライプパターンマスクＭ３を除去した後、受動領域ＰＡ２において、メサ構造Ｍesaを挟むようにｎ型ＩｎＰ層２０６ｂ上に選択成長用マスクＭ４を形成する。なお、選択成長用マスクＭ４の幅をマスク幅Ｗｍ、マスクに挟まれた開口部Ｏの幅を開口幅Ｗｇとする（図１７参照）。ここで、図１７は、導波路のコア層（または活性コア層）の幅方向の形状を示している。

つぎに、全面に上部クラッド層２０７およびコンタクト層２０８を順次選択成長する。このとき、選択成長用マスクＭ４に挟まれた開口部Ｏ以外の領域では、上部クラッド層２０７およびコンタクト層２０８は通常通りの成長レートで結晶成長する。一方、選択成長用マスクＭ４上に供給された結晶成長用の原料はそこで消費されずに、開口部Ｏにマイグレーションする。その結果、開口部Ｏ内では、通常の量の原料に加え、その両側のマスク幅Ｗｍに応じてより多くの原料が供給される。したがって、開口部Ｏにおいては、結晶の成長レートはマスク幅Ｗｍに応じて増大する。その結果、上部クラッド層２０７およびコンタクト層２０８は、開口部Ｏの領域では、その幅が開口幅Ｗｇとなり、かつ厚さが厚く形成される。

図１８は、選択成長を行った後の状態を示す図である。図１８（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図１１のＤ−Ｄ線断面、Ｆ−Ｆ線断面、Ｅ−Ｅ線断面に対応している。図１８に示すように、上部クラッド層２０７およびコンタクト層２０８は、選択成長用マスクを形成した受動領域ＰＡ２において能動領域ＡＡ２よりも厚く形成される。

つぎに、基板２０２の裏面を研磨した後にこの裏面にｎ側電極２０１を形成する。その後、半導体層を成長した基板を劈開して光入射端面２００ａ、光出射端面２００ｂを形成し、光入射端面２００ａ、光出射端面２００ｂに無反射コーティングを施した後にさらに素子ごとに分離して、半導体光導波路素子２００が完成する。

このように、選択成長によれば、能動領域ＡＡ２と受動領域ＰＡ２とで厚さが異なる上部クラッド層２０７を、同時に形成することが容易にできる。また、従来のように上部クラッド層１０７を厚く形成する方法と比較して、厚く結晶成長させるためにさらなる時間を掛けることが不要であり好ましい。

なお、本発明者が、ＭＯＣＶＤ法を用いた選択成長を行なった場合に、開口部とそれ以外の領域とでの成長した半導体層の層厚比のマスク幅Ｗｍおよび開口幅Ｗｇ依存性を系統的に実験したところ、以下の結果を得た。図１９は、層厚比のマスク幅Ｗｍおよび開口幅Ｗｇ依存性を示す図である。図１９に示すように、層厚比はマスク幅Ｗｍに対してほぼ線形的に増加し、かつその傾きは開口幅Ｗｇが狭くなるにつれて増加する。なお、ＭＯＣＶＤ結晶成長装置や成長条件により多少の差異はあるものの、層厚比のマスク幅Ｗｍや開口幅Ｗｇの依存性は概ね同様の傾向を示す。

たとえば、マスク幅Ｗｍを５３μｍ、開口幅Ｗｇを２０μｍとすると、図１９に示すように、層厚比は約２となる。したがって、開口部においては、結晶の成長レートが開口部以外の領域の約２倍となる。このように、選択成長によれば、マスク幅Ｗｍと開口幅Ｗｇとを調整することによって、半導体光増幅器とスポットサイズ変換器とで厚さが異なる上部クラッド層を容易に形成することができる。

（実施例２）
本発明の実施例２として、上記の製造方法に従って半導体光導波路素子２００の構造を有する半導体光導波路素子を製造した。そして、実施例２の半導体光導波路素子をキャリアにボンディングし、ＰＬＣ導波路との結合損失を評価した。なお、ＰＬＣ導波路は、コア層とクラッド部との比屈折率差Δが１．２％であり、コア層の断面のサイズが６μｍ×６μｍのものを使用した。その結果、結合損失は約０．７ｄＢと非常に良好であった。

なお、上記実施の形態２では、選択成長によって能動領域と受動領域とで上部クラッド層の厚さを変えるようにしているが、本発明はこれに限られず、エッチング等によって上部クラッド層の厚さを変えるようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、電流狭窄構造を実現する埋込層としてＦｅをドープした半絶縁層を用いているが、埋込層としては、ｐ型ＩｎＰ層とｎ型ＩｎＰ層とからなるｐｎ埋込型を採用してもよい。

また、上記実施の形態では、曲げ導波路によって端面反射を抑制しているが、本発明はこれに限定されるものではない。たとえば、曲げ導波路を使用せずに、スポットサイズ変換器と半導体光増幅器とを直線状に配置するとともに光入出射端面の法線に対して傾斜させて配置してもよい。また、半導体光増幅器を曲げ導波路構造にしてもよい。ただし、実施の形態のように曲げ導波路を使用すると、埋込構造による半導体光増幅器での電流狭窄効果を再現性、信頼性高く実現できるので好ましい。また、実施の形態のように特に光出射側で曲げ導波路を使用すると、能動領域と受動領域とのバットジョイント結合部分において発生する非結合光の成分が、スポットサイズ変換器からの出力光とともに迷光として出力されることが防止されるので好ましい。

また、上記実施の形態では、能動部は半導体光増幅器であるが、半導体光増幅器を半導体レーザや光変調器、半導体フォトダイオード等の他の半導体能動部品に置き換えてもよい。

また、上記実施の形態では、波長１．５５μｍの光を使用するために、半導体材料としてＩｎＰ系材料を用いているが、使用したい光の波長に応じて、ＧａＡｓ系などの他の半導体材料を用いることができる。

また、上記実施の形態の各構成要素を適宜組み合わせたものも本発明に含まれる。たとえば、実施の形態１に係る半導体光導波路素子において、さらに選択成長などによって受動領域の上部クラッド層の厚さを厚くしても良い。

１１、１５、２１、２５ スポットサイズ変換器
１２、１４、２２、２４ 曲げ導波路
１３、２３ 半導体光増幅器
１００、２００ 半導体光導波路素子
１００ａ、２００ａ 光入射端面
１００ｂ、２００ｂ 光出射端面
１００ｃ、１００ｄ、２００ｃ、２００ｄ 窓構造
１０１、２０１ ｎ側電極
１０２、２０２ 基板
１０３、２０３ 下部クラッド層
１０４、２０４ 活性コア層
１０５、１０７、１１１、２０５、２０７、２１１ 上部クラッド層
１０６、２０６ 埋込層
１０６ａ、２０６ａ 半絶縁層
１０６ｂ、２０６ｂ ｎ型ＩｎＰ層
１０８、２０８ コンタクト層
１０９，２０９ ｐ側電極
１１０、２１０ コア層
１１２、２１２ 保護膜
ＡＡ１、ＡＡ２ 能動領域
Ｃ１〜Ｃ４ クラッド領域
Ｍ１ マスク
Ｍ２、Ｍ３ ストライプパターンマスク
Ｍ４ 選択成長用マスク
Ｍesa メサ構造
Ｏ 開口部
ＰＡ１、ＰＡ２ 受動領域
Ｗｇ 開口幅
Ｗｍ マスク幅

Claims (2)

1. 埋込型の半導体光導波路素子の製造方法であって、
   活性コア層を含む半導体積層構造を形成する能動領域形成工程と、
   前記活性コア層に接続するように形成したコア層を含む積層構造を形成する受動領域形成工程と、
   前記活性コア層を含む積層構造および前記コア層を含む積層構造の上にエッチングマスクを形成するマスク形成工程と、
   前記エッチングマスクを用いたエッチングにより、前記活性コア層を含むメサ構造と、前記コア層を含み、前記活性コア層から出力する光のスポットサイズを拡大するようにテーパー状に該コア層を形成したメサ構造とを形成するメサ構造形成工程と、
   前記受動領域の少なくとも一部において前記エッチングマスクを除去する第１マスク除去工程と、
   前記形成したメサ構造を埋め込む埋込層を成長する埋込成長工程と、
   前記能動領域において前記エッチングマスクを除去する第２マスク除去工程と、
   前記能動領域および前記受動領域に上部クラッド層を形成する上部クラッド層形成工程と、
   を含むことを特徴とする半導体光導波路素子の製造方法。
2. 埋込型の半導体光導波路素子の製造方法であって、
   活性コア層を含む半導体積層構造を形成する能動領域形成工程と、
   前記活性コア層に接続するように形成したコア層を含む積層構造を形成する受動領域形成工程と、
   前記活性コア層を含む積層構造および前記コア層を含む積層構造の上にエッチングマスクを形成するマスク形成工程と、
   前記エッチングマスクを用いたエッチングにより、前記活性コア層を含むメサ構造と、前記コア層を含み、前記活性コア層から出力する光のスポットサイズを拡大するようにテーパー状に該コア層を形成したメサ構造とを形成するメサ構造形成工程と、
   前記形成したメサ構造を埋め込む埋込層を成長する埋込成長工程と、
   前記エッチングマスクを除去するマスク除去工程と、
   前記受動領域の上に、前記メサ構造を挟むように選択成長マスクを形成する選択成長マスク形成工程と、
   前記能動領域および前記受動領域に上部クラッド層を形成する上部クラッド層形成工程と、
   を含むことを特徴とする半導体光導波路素子の製造方法。

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