JP6926735B2 - 導波路型受光素子の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、導波路型受光素子の製造方法及び導波路型受光素子に関するものである。
特許文献１には、導波路型受光素子を備えるコヒーレントレシーバに関する技術が記載されている。
米国出願公開第２０１６／０２８５５６１号明細書
近年、共通の基板上に光導波路と受光素子とがモノリシックに集積された、いわゆる導波路型受光素子が開発されている。導波路型受光素子は、例えば、位相偏移変調が施された光信号から複数の信号成分を取り出すコヒーレント光受信器に用いられる。導波路型受光素子を作製する際には、例えば、基板上にｎ型（もしくはｐ型）の下部半導体層を成長させ、その上に、受光素子のための光吸収層及びｐ型（もしくはｎ型）の上部半導体層を形成する。そして、光導波路を形成する領域の光吸収層及び上部半導体層をエッチングにより除去し、露出した下部半導体層上に、光導波路のためのコア層及びクラッド層を再成長させる。その後、メサ構造を形成するためのエッチングを行う。
光吸収層及び上部半導体層をエッチングにより除去する際、下部半導体層は、その後の再成長においてコア層と光吸収層との高さを精度良く一致させるために残される。しかしながら、下部半導体層は導電性を有しているため、複数の受光素子を設ける際に、光導波路の下部半導体層によって受光素子間の分離抵抗が小さくなり、受光素子間のクロストークが大きくなるという問題がある。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、受光素子間の分離抵抗を大きくすることができる導波路型受光素子の製造方法及び導波路型受光素子を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、一実施形態に係る導波路型受光素子の製造方法は、第１領域及び第１領域と隣接する第２領域を含む半絶縁性もしくは絶縁性の基板上に、第１導電型の第１半導体層、光吸収層、及び第２導電型の第２半導体層を順に形成する工程と、第１領域上の第２半導体層及び光吸収層をエッチングにより除去したのち、第１領域上の第１半導体層上にコア層及びクラッド層を順に形成する工程と、メサ構造を形成するための第１エッチングマスクを第１領域上から第２領域上にかけて形成する第１エッチングマスク形成工程と、第１半導体層に達するドライエッチングを行い、クラッド層及びコア層を含む第１メサ構造を形成するとともに、第２半導体層および光吸収層を含む複数の第２メサ構造を形成する第１エッチング工程と、複数の第２メサ構造を覆う第２エッチングマスクを、第１エッチングマスクが残存した状態で形成する第２エッチングマスク形成工程と、基板に達するドライエッチングを行い、第１メサ構造に第１半導体層を含める第２エッチング工程と、第１エッチングマスクを残しつつ第２エッチングマスクを選択的に除去する工程と、を備える。
また、一実施形態に係る導波路型受光素子は、共通の半絶縁性若しくは絶縁性の基板上に設けられた光導波路部及び複数の受光素子部を備える。光導波路部は、基板上に設けられた第１導電型の第１半導体層、第１半導体層上に設けられたコア層、及びコア層上に設けられたクラッド層を含む第１メサ構造を有する。複数の受光素子部は、第１半導体層上に設けられた光吸収層、及び光吸収層上に設けられた第２導電型の第２半導体層を含む第１メサ構造を有する。第１メサ構造の側面は基板に達しており、第２メサ構造の側面は基板から離れている。
本発明による導波路型受光素子の製造方法及び導波路型受光素子によれば、受光素子間の分離抵抗を大きくすることができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る導波路型受光素子の構成を示す平面図である。 図２（ａ）、図２（ｂ）、及び図２（ｃ）は、図１に示した導波路型受光素子のIIａ−IIａ線、IIｂ−IIｂ線、及びIIｃ−IIｃ線に沿った断面図である。 図３（ａ）は、製造の一工程を示す平面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のIII−III線に沿った断面図である。 図４（ａ）は、製造の一工程を示す平面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のIV−IV線に沿った断面図である。 図５（ａ）は、製造の一工程を示す平面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 図６は、製造の一工程を示す平面図である。 図７（ａ）は、図６のVIIａ−VIIａ線に沿った断面図である。図７（ｂ）は、図６のVIIｂ−VIIｂ線に沿った断面図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、製造の一工程を示す断面図である。 図９は、Ｓｉ化合物膜を拡大して示す断面図である。 図１０は、製造の一工程を示す平面図である。 図１１（ａ）は、図１０のXIａ−XIａ線に沿った断面図である。図１１（ｂ）は、図１０のXIｂ−XIｂ線に沿った断面図である。図１１（ｃ）は、図１０のXIｃ−XIｃ線に沿った断面図である。 図１２（ａ）、図１２（ｂ）及び図１２（ｃ）は、製造の一工程を示す断面図である。 図１３（ａ）、図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）は、製造の一工程を示す断面図である。 図１４は、製造の一工程を示す平面図である。 図１５（ａ）は、図１４のXVａ−XVａ線に沿った断面図である。図１５（ｂ）は、図１４のXVｂ−XVｂ線に沿った断面図である。図１５（ｃ）は、図１４のXVｃ−XVｃ線に沿った断面図である。 図１６は、製造の一工程を示す平面図である。 図１７（ａ）は、図１６のXVIIａ−XVIIａ線に沿った断面図である。図１７（ｂ）は、図１６のXVIIｂ−XVIIｂ線に沿った断面図である。図１７（ｃ）は、図１６のXVIIｃ−XVIIｃ線に沿った断面図である。
［本発明の実施形態の説明］
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。一実施形態に係る導波路型受光素子の製造方法は、第１領域及び第１領域と隣接する第２領域を含む半絶縁性もしくは絶縁性の基板上に、第１導電型の第１半導体層、光吸収層、及び第２導電型の第２半導体層を順に形成する工程と、第１領域上の第２半導体層及び光吸収層をエッチングにより除去したのち、第１領域上の第１半導体層上にコア層及びクラッド層を順に形成する工程と、メサ構造を形成するための第１エッチングマスクを第１領域上から第２領域上にかけて形成する第１エッチングマスク形成工程と、第１半導体層に達するドライエッチングを行い、クラッド層及びコア層を含む第１メサ構造を形成するとともに、第２半導体層および光吸収層を含む複数の第２メサ構造を形成する第１エッチング工程と、複数の第２メサ構造を覆う第２エッチングマスクを、第１エッチングマスクが残存した状態で形成する第２エッチングマスク形成工程と、基板に達するドライエッチングを行い、第１メサ構造に第１半導体層を含める第２エッチング工程と、第１エッチングマスクを残しつつ第２エッチングマスクを選択的に除去する工程と、を備える。
この製造方法では、第１エッチングマスクを用いてドライエッチングを行うことにより第１メサ構造及び第２メサ構造を形成したのち、第１メサ構造上の第１エッチングマスクが残存した状態で、第２メサ構造を覆う第２エッチングマスクを更に形成する。そして、追加のドライエッチングを行い、第１メサ構造の側面を基板に到達させている。これにより、従来の導波路型受光素子と比較して第１メサ構造（光導波路）における第１半導体層（下部半導体層）の幅が狭くなるので、第１半導体層の電気抵抗が大きくなる。従って、光導波路の第１半導体層を介する受光素子間の分離抵抗を大きくすることができ、受光素子間のクロストークを低減できる。
上記の製造方法では、第１エッチングマスクにＳｉを含む材料を用い、第１エッチング工程において、ドライエッチングの進行中に、第１メサ構造及び第２メサ構造の各側面にＳｉ化合物膜を形成し、第２エッチング工程において、ドライエッチングの進行中に、第１メサ構造の側面にＳｉ化合物膜を更に形成してもよい。或いは、第１エッチング工程において、Ｓｉを含むエッチングガスを用い、ドライエッチングの進行中に、第１メサ構造及び第２メサ構造の各側面にＳｉ化合物膜を形成し、第２エッチング工程において、Ｓｉを含むエッチングガスを用い、ドライエッチングの進行中に、第２メサ構造の側面にＳｉ化合物膜を更に形成してもよい。第１エッチング工程においてこのようなＳｉ化合物膜を形成することにより、第２エッチング工程において第１メサ構造の側面をエッチングガスから保護し、第１メサ構造の幅を維持することができる。また、第１エッチングマスクを残しつつ第２エッチングマスクを選択的に除去する際に、第１メサ構造の側面を保護してダメージを低減し、光損失の増加を抑制することができる。
上記の製造方法では、第２エッチングマスクは感光性材料を含んでもよい。例えばこのような第２エッチングマスクを用いることにより、第１エッチングマスクを残しつつ第２エッチングマスクを選択的に除去することが容易にできる。
一実施形態に係る導波路型受光素子は、共通の半絶縁性若しくは絶縁性の基板上に設けられた光導波路部及び複数の受光素子部を備える。光導波路部は、基板上に設けられた第１導電型の第１半導体層、第１半導体層上に設けられたコア層、及びコア層上に設けられたクラッド層を含む第１メサ構造を有する。複数の受光素子部は、第１半導体層上に設けられた光吸収層、及び光吸収層上に設けられた第２導電型の第２半導体層を含む第２メサ構造を有する。第１メサ構造の側面は基板に達しており、第２メサ構造の側面は基板から離れている。この導波路型受光素子では、第１メサ構造の側面が基板に達しているので、従来の導波路型受光素子と比較して第１メサ構造（光導波路）における第１半導体層（下部半導体層）の幅が狭くなり、第１半導体層の電気抵抗が大きくなる。従って、光導波路の第１半導体層を介する受光素子間の分離抵抗を大きくすることができ、受光素子間のクロストークを低減できる。
［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る導波路型受光素子の製造方法及び導波路型受光素子の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明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及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。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。なお、以下の説明においてアンドープとは、例えばドーパント濃度が１×１０１３ｃｍ−３以下であることをいう。
図１は、本発明の一実施形態に係る導波路型受光素子１Ａの構成を示す平面図である。図２（ａ）、図２（ｂ）、及び図２（ｃ）は、図１に示した導波路型受光素子１ＡのIIａ−IIａ線、IIｂ−IIｂ線、及びIIｃ−IIｃ線に沿った断面図である。これらの図に示すように、本実施形態の導波路型受光素子１Ａは、所定方向Ａ１に延びる共通の基板１０上に設けられた複数（本実施形態では４つ）の受光素子部３Ａ〜３Ｄ及び光導波路部５を備える。
基板１０は、半絶縁性若しくは絶縁性の基板である。半絶縁性の基板としては、例えばＦｅがドープされたIII−Ｖ族化合物半導体基板が挙げられる。III−Ｖ族化合物半導体は、例えばＩｎＰである。なお、基板１０の構成材料は、該基板１０上に直接もしくはバッファ層を介して、後述する第１半導体層１１をエピタキシャル成長させ得るものであればよい。
受光素子部３Ａ〜３Ｄは、所定方向Ａ１における基板１０の一端寄りに配置され、所定方向Ａ１と交差する方向Ａ２に沿って並んでいる。図２（ｃ）には受光素子部３Ａの断面構造が示されているが、他の受光素子部３Ｂ〜３Ｄの断面構造もこれと同様である。図２（ｃ）に示すように、受光素子部３Ａ〜３Ｄは、第１半導体層１１、光吸収層１２、第２半導体層１３、及びコンタクト層１４を有する。
第１半導体層１１は、基板１０上に設けられた第１導電型の半導体層である。第１導電型は例えばｎ型である。第１半導体層１１は、基板１０上にエピタキシャル成長した層であり、例えばｎ型ＩｎＰといったIII−Ｖ族化合物半導体により構成されている。第１半導体層１１の厚さは例えば１．５μｍ〜３．０μｍであり、第１半導体層１１の不純物濃度は例えば５×１０１６ｃｍ−３〜７×１０１８ｃｍ−３である。
光吸収層１２は、第１半導体層１１上に設けられたアンドープの半導体層である。光吸収層１２は、第１半導体層１１上にエピタキシャル成長した層であり、例えば第１半導体層１１よりもバンドギャップが小さいＧａＩｎＡｓといったIII−Ｖ族化合物半導体により構成されている。光吸収層１２の厚さは例えば２００ｎｍ〜５００ｎｍであり、一実施例では４００ｎｍである。光吸収層１２は、後述する光導波路部５のコア層２１を伝搬した光を受けて、この光をキャリアに変換する。
第２半導体層１３は、光吸収層１２上に設けられた第２導電型の半導体層である。第２導電型は例えばｐ型である。第２半導体層１３は、光吸収層１２上にエピタキシャル成長した層であり、例えば光吸収層１２よりもバンドギャップが大きいｐ型ＩｎＰといったIII−Ｖ族化合物半導体により構成されている。第２半導体層１３の厚さは例えば０．５μｍ〜１．０μｍであり、第２半導体層１３の不純物濃度は例えば５×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３である。
コンタクト層１４は、第２半導体層１３上に設けられた高濃度の第２導電型の半導体層である。コンタクト層１４は、第２半導体層１３上にエピタキシャル成長した層であり、例えばｐ型ＧａＩｎＡｓといったIII−Ｖ族化合物半導体により構成されている。第２半導体層１３の厚さは例えば１００ｎｍ〜５００ｎｍであり、第２半導体層１３の不純物濃度は例えば７×１０１７ｃｍ−３〜９×１０１９ｃｍ−３である。
光吸収層１２、第２半導体層１３、及びコンタクト層１４は、所定方向Ａ１に沿って延びるメサ構造４１（第２メサ構造）を構成している。このメサ構造４１は、後述するようにドライエッチングにより形成され、一対の側面４１ａ，４１ｂを有する。一対の側面４１ａ，４１ｂは、コンタクト層１４から第１半導体層１１に達しているが、基板１０には達しておらず、基板１０から離れている。一対の側面４１ａ，４１ｂの下縁と基板１０との距離は例えば０．５μｍ〜１．０μｍである。これら一対の側面４１ａ，４１ｂにおいて、光吸収層１２、第２半導体層１３、及びコンタクト層１４の各側面は互いに面一である。言い換えれば、基板１０の厚さ方向から見て、光吸収層１２、第２半導体層１３、及びコンタクト層１４の各側面は互いに揃っている。一方、第１半導体層１１は、第１電極３３（例えばカソード電極）と接触するための領域１１ａを表面に有する。この領域１１ａは、基板１０の厚さ方向から見てメサ構造４１からはみ出している。
第１半導体層１１の領域１１ａ上には第１電極３３が設けられ、第１電極３３は第１半導体層１１とオーミック接触を成している。従って、第１半導体層１１は、第１導電型のコンタクト層として機能する。第１電極３３の構成材料は、例えばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕである。また、コンタクト層１４上には第２電極３２が設けられ、第２電極３２はコンタクト層１４とオーミック接触を成している。第２電極３２の構成材料は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕである。
第１半導体層１１には、所定方向Ａ１に沿った一対の側面１１ｂ，１１ｃが形成されている。これら一対の側面１１ｂ，１１ｃは、後述するように、メサ構造４１を形成するためのエッチングとは別のエッチングによって形成される。このエッチングは半絶縁性若しくは絶縁性の基板１０に達しており、互いに隣り合う受光素子部３Ａ〜３Ｄの第１半導体層１１同士を電気的に分離する。
メサ構造４１の一対の側面４１ａ，４１ｂ上、及び第１半導体層１１の一対の側面１１ｂ，１１ｃ上には、半絶縁性の半導体膜３１が設けられている。この半導体膜３１は、側面４１ａ，４１ｂ上及び側面１１ｂ，１１ｃ上にエピタキシャル成長した膜であり、例えばＦｅがドープされたIII−Ｖ族化合物半導体により構成されている。
図１に示すように、光導波路部５は、基板１０上において主に所定方向Ａ１に沿って配置されており、上述した４つの受光素子部３Ａ〜３Ｄと光学的に結合される。本実施形態の光導波路部５は、第１光導波路５ａないし第８光導波路５ｈと、２つのスポットサイズ変換器（ＳＳＣ）５３，５４と、２入力４出力のＭＭＩカプラ５１と、２入力２出力のＭＭＩカプラ５２とを含む。
図２（ｂ）には第３光導波路５ｃの断面構造が示されているが、他の光導波路５ａ，５ｂ，５ｄ〜５ｈの断面構造もこれと同様である。図２（ｂ）に示すように、各光導波路５ａ〜５ｈは、第１半導体層１１、コア層２１、及びクラッド層２２を有する。第１半導体層１１は前述した受光素子部３Ａ〜３Ｄと共通の層であり、その厚さおよび構成材料も受光素子部３Ａ〜３Ｄの第１半導体層１１と同じである。コア層２１は、第１半導体層１１上に設けられている。コア層２１は、例えば第１半導体層１１よりも屈折率が小さいＧａＩｎＡｓＰといったIII−Ｖ族化合物半導体により構成されている。コア層２１の厚さは例えば３００ｎｍ〜６００ｎｍであり、一実施例では受光素子部３Ａ〜３Ｄの光吸収層１２の厚さと同じである。コア層２１のバンドギャップ波長は例えば１３００ｎｍである。クラッド層２２は、コア層２１上に設けられている。クラッド層２２は、例えばコア層２１よりも屈折率が大きいＩｎＰといったIII−Ｖ族化合物半導体により構成されている。クラッド層２２の厚さは例えば１．０μｍ〜２．０μｍであり、一実施例では受光素子部３Ａ〜３Ｄの第２半導体層１３とコンタクト層１４とを合わせた厚さと同じである。なお、コア層２１及びクラッド層２２はアンドープである。
第１半導体層１１、コア層２１、及びクラッド層２２は、各光導波路５ａ〜５ｈの延在方向に沿って延びるメサ構造４２（第１メサ構造）を構成している。このメサ構造４２は、後述するようにドライエッチングにより形成され、一対の側面４２ａ，４２ｂを有する。少なくとも第３光導波路５ｃ、第４光導波路５ｄ、第７光導波路５ｇ、及び第８光導波路５ｈにおいて、一対の側面４２ａ，４２ｂはクラッド層２２から基板１０に達しており、第１半導体層１１、コア層２１、及びクラッド層２２の各側面は互いに面一である。言い換えれば、基板１０の厚さ方向から見て、第１半導体層１１、コア層２１、及びクラッド層２２の各側面は互いに揃っている。メサ構造４２には、基板１０の一部が含まれる。
なお、ここで言う面一とは、厳密に平坦であることを意味するものではない。例えば、第１半導体層１１の側面とコア層２１の側面との間にわずかな段差が生じていてもよく、そのような場合であってもメサ構造４２の加工の観点からは十分に面一とみなすことができる。
図１に示すように、第１光導波路５ａは、スポットサイズ変換器５３とＭＭＩカプラ５１の一方の入力端とを光学的に結合する。すなわち、第１光導波路５ａの一端はスポットサイズ変換器５３と連続しており、第１光導波路５ａの他端はＭＭＩカプラ５１の一方の入力端と連続している。また、第２光導波路５ｂは、スポットサイズ変換器５４とＭＭＩカプラ５１の他方の入力端とを光学的に結合する。すなわち、第２光導波路５ｂの一端はスポットサイズ変換器５４と連続しており、第２光導波路５ｂの他端はＭＭＩカプラ５１の他方の入力端と連続している。ＭＭＩカプラ５１の２つの入力端の間隔がスポットサイズ変換器５３，５４の間隔よりも狭いので、第１光導波路５ａ及び第２光導波路５ｂの間隔は、スポットサイズ変換器５３，５４からＭＭＩカプラ５１に近づくに従って次第に狭くなっている。
第３光導波路５ｃは、ＭＭＩカプラ５１の第１出力端と受光素子部３Ａとを光学的に結合する。すなわち、第３光導波路５ｃの一端はＭＭＩカプラ５１の第１出力端と連続しており、第３光導波路５ｃの他端は受光素子部３Ａと連続している。第３光導波路５ｃのコア層２１の端面は、受光素子部３Ａの光吸収層１２の端面とバットジョイント技術により接合されている。第４光導波路５ｄは、ＭＭＩカプラ５１の第２出力端と受光素子部３Ｂとを光学的に結合する。すなわち、第４光導波路５ｄの一端はＭＭＩカプラ５１の第２出力端と連続しており、第３光導波路５ｃの他端は受光素子部３Ｂと連続している。第４光導波路５ｄのコア層２１の端面は、受光素子部３Ｂの光吸収層１２の端面とバットジョイント技術により接合されている。
第５光導波路５ｅは、ＭＭＩカプラ５１の第３出力端とＭＭＩカプラ５２の一方の入力端とを光学的に結合する。すなわち、第５光導波路５ｅの一端はＭＭＩカプラ５１の第３出力端と連続しており、第５光導波路５ｅの他端はＭＭＩカプラ５２の一方の入力端と連続している。第６光導波路５ｆは、ＭＭＩカプラ５１の第４出力端とＭＭＩカプラ５２の他方の入力端とを光学的に結合する。すなわち、第６光導波路５ｆの一端はＭＭＩカプラ５１の第４出力端と連続しており、第６光導波路５ｆの他端はＭＭＩカプラ５２の他方の入力端と連続している。
第７光導波路５ｇは、ＭＭＩカプラ５２の一方の出力端と受光素子部３Ｃとを光学的に結合する。すなわち、第７光導波路５ｇの一端はＭＭＩカプラ５２の一方の出力端と連続しており、第７光導波路５ｇの他端は受光素子部３Ｃと連続している。第７光導波路５ｇのコア層２１の端面は、受光素子部３Ｃの光吸収層１２の端面とバットジョイント技術により接合されている。第８光導波路５ｈは、ＭＭＩカプラ５２の他方の出力端と受光素子部３Ｄとを光学的に結合する。すなわち、第８光導波路５ｈの一端はＭＭＩカプラ５２の他方の出力端と連続しており、第８光導波路５ｈの他端は受光素子部３Ｄと連続している。第８光導波路５ｈのコア層２１の端面は、受光素子部３Ｄの光吸収層１２の端面とバットジョイント技術により接合されている。
２つのスポットサイズ変換器５３，５４は、所定方向Ａ１における基板１０の他端寄りに配置され、所定方向Ａ１と交差する方向に沿って並んでいる。これらのスポットサイズ変換器５３，５４では、導波路型受光素子１Ａと外部の光配線との光学的結合を容易にするために、外部と光結合される一端側においてコア幅が広くなっており、第１光導波路５ａ及び第２光導波路５ｂと光結合される他端側においてコア幅が狭くなっている。図２（ａ）にはスポットサイズ変換器５３の断面構造が示されているが、スポットサイズ変換器５４の断面構造もこれと同様である。図２（ａ）に示すように、スポットサイズ変換器５３，５４は、第１半導体層１１、コア層２１、及びクラッド層２２を有する。これらの層は第１光導波路５ａないし第８光導波路５ｈと共通であり、その構成材料及び厚さは、第１光導波路５ａないし第８光導波路５ｈと同様である。また、第１半導体層１１、コア層２１、及びクラッド層２２は、スポットサイズ変換器５３，５４の延在方向に沿って延びるメサ構造４３を構成している。このメサ構造４３は、後述するようにドライエッチングにより形成され、一対の側面４３ａ，４３ｂを有する。
スポットサイズ変換器５３，５４では、第１半導体層１１の幅が光吸収層１２よりも広くなっており、第１半導体層１１に一対の側面１１ｂ，１１ｃが形成されている。また、メサ構造４３及び第１半導体層１１を覆うように、半絶縁性の半導体膜３１が設けられている。この半導体膜３１は、受光素子部３Ａ〜３Ｄの半導体膜３１と同様に、例えばＦｅがドープされたIII−Ｖ族化合物半導体により構成されている。
本実施形態の導波路型受光素子１Ａは、例えばコヒーレント光受信器に用いられる。その場合、一方のスポットサイズ変換器５３には、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying：４位相偏移変調）方式によって変調された４つの信号成分を含む光信号が導波路型受光素子１Ａの外部より入力される。また、他方のスポットサイズ変換器５４には、局部発振光が入力される。ＭＭＩカプラ５１，５２は、９０°光ハイブリッドを構成する。すなわち、ＭＭＩカプラ５１，５２は、光信号と局部発振光とを相互に干渉させることによって、光信号を、ＱＰＳＫ方式によって変調された４つの信号成分に分岐する。なお、これら４つの信号成分のうち、２つの信号成分は偏波状態が互いに等しく、同相（In-phase）関係を有する。また、他の２つの信号成分の偏波状態は、互いに等しく且つ先の２つの信号成分の偏波状態とは異なっている。これらの信号成分は、直角位相（Quadrature）関係を有する。受光素子部３Ａ〜３Ｄのカソード電極には、一定のバイアス電圧が供給される。受光素子部３Ａ〜３Ｄそれぞれは、光導波路５ｃ，５ｄ，５ｇ，５ｈを介して４つの信号成分それぞれを受け、これら信号成分の光強度に応じた電気信号（光電流）を生成する。
続いて、本実施形態の導波路型受光素子１Ａの製造方法について説明する。図３〜図１５は、導波路型受光素子１Ａの製造方法の一例を示す図である。まず、平面図である図３（ａ）及びそのIII−III線に沿った断面図である図３（ｂ）に示すように、第１領域１０ａ及び第２領域１０ｂを有する基板１０上に、第１半導体層１１、光吸収層１２、第２半導体層１３、及びコンタクト層１４をこの順でエピタキシャル成長させる。第１領域１０ａは、光導波路部５を形成するための領域である。第２領域１０ｂは、受光素子部３Ａ〜３Ｄを形成するための領域である。この工程では、例えば有機金属気相成長法（ＯＭＶＰＥ法）によってこれらの層１１〜１４を成長させる。
次に、平面図である図４（ａ）及びそのIV−IV線に沿った断面図である図４（ｂ）に示すように、第２領域１０ｂ上のコンタクト層１４、第２半導体層１３及び光吸収層１２を覆うエッチングマスク６１を形成する。エッチングマスク６１は例えばＳｉＮからなり、その厚さは例えば２００ｎｍである。一実施例では、まず、気相成長法（ＣＶＤ法）によってコンタクト層１４上の全面にＳｉＮ膜を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術を用いて第２領域１０ｂ上のＳｉＮ膜を覆うレジストを形成し、レジストから露出した第１領域１０ａ上のＳｉＮ膜を、例えばＢＨＦといったエッチャントを用いてウェットエッチングを行い除去する。こうして、エッチングマスク６１が形成される。
続いて、エッチングマスク６１から露出した第１領域１０ａ上のコンタクト層１４、第２半導体層１３及び光吸収層１２をエッチングにより除去し、バットジョイント接合の端面４４を形成する。このときのエッチングは例えばウェットエッチングである。これらの層がＩｎＰ系の半導体からなる場合、例えばＨＣｌ系またはＨＢｒ系のエッチャントを用いる。光吸収層１２と第１半導体層１１とのエッチングレートの違いを利用して、エッチングを停止することができる。このエッチングにより、第１半導体層１１が露出する。
続いて、平面図である図５（ａ）及びそのＶ−Ｖ線に沿った断面図である図５（ｂ）に示すように、エッチングマスク６１を残した状態で、第１領域１０ａ上の第１半導体層１１上に、光導波路部５のためのコア層２１及びクラッド層２２を順にエピタキシャル成長させる（再成長工程）。この選択再成長には、例えばＯＭＶＰＥ法が用いられる。この工程により、コア層２１と光吸収層１２との間にバットジョイント接合部が形成される。
続いて、平面図である図６、そのVIIａ−VIIａ線及びVIIｂ−VIIｂ線にそれぞれ沿った断面図である図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、メサ構造４１〜４３（図２参照）を形成するためのエッチングマスク６２（第１エッチングマスク）を、第１領域１０ａ上から第２領域１０ｂ上にかけて形成する（第１エッチングマスク形成工程）。エッチングマスク６２の材料としては、Ｓｉを含む材料（一例ではＳｉＮ）が用いられる。一実施例では、ＣＶＤ法によって基板１０上の全面にＳｉＮ膜を形成する。このＳｉＮ膜の厚さは例えば３００ｎｍである。そして、フォトリソグラフィ技術を用いてメサ構造４１〜４３の平面形状に応じたパターンを有するレジストを形成する。その後、レジストから露出したＳｉＮ膜を、例えばＣＦ４を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により除去する。これにより、メサ構造４１〜４３の平面形状に応じたパターンを有するエッチングマスク６２が形成される。
続いて、図７（ａ）及び図７（ｂ）にそれぞれ対応する断面図である図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、エッチングマスク６２から露出した領域に対し、第１半導体層１１に達するまでドライエッチングを行う（第１エッチング工程）。これにより、受光素子部３Ａ〜３Ｄにおいて、第２半導体層１３および光吸収層１２を含むメサ構造４１が形成される（図８（ｂ））。また、光導波路部５において、クラッド層２２及びコア層２１を含むメサ構造４２，４３が形成される（図８（ａ））。このドライエッチングは、第１半導体層１１の途中で停止される。
この工程では、ドライエッチングの進行中に、メサ構造４１の側面４１ａ，４１ｂ、メサ構造４２の側面４２ａ，４２ｂ、及びメサ構造４３の側面４３ａ，４３ｂに、Ｓｉ化合物膜６２ａが形成される。図９は、Ｓｉ化合物膜６２ａを拡大して示す断面図である。Ｓｉ化合物膜６２ａは、具体的には例えばＳｉとＯとを含む化合物からなる。このＳｉ化合物膜６２ａは、Ｓｉを含むエッチングマスクがドライエッチングによって削られ、生成されたＳｉ化合物が各側面に堆積したものである。或いは、Ｓｉを含むエッチングガス（例えばＳｉＨ４，ＳｉＨ２Ｃｌ２，ＳｉＨＣｌ３，ＳｉＣｌ４，ＳｉＦ４，Ｓｉ２Ｈ６など）を用いることによっても、同様のＳｉ化合物膜６２ａが形成される。この場合、エッチングマスクはＳｉを含まなくてもよい。Ｓｉ化合物膜６２ａは極めて薄く、その厚さ（各側面に垂直な方向の厚さ）は例えば１ｎｍ〜４０ｎｍである。Ｓｉ化合物膜６２ａは、各側面４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂの頂部から根元にわたって形成される。すなわち、Ｓｉ化合物膜６２ａは、受光素子部３Ａ〜３Ｄにおいてはコンタクト層１４から第１半導体層１１にわたって形成され、光導波路部５においてはクラッド層２２から第１半導体層１１にわたって形成される。なお、エッチング底面（第１半導体層１１の上面）では、エッチングが進行するのでＳｉ化合物膜は堆積しない。
続いて、平面図である図１０、そのXIａ−XIａ線、XIｂ−XIｂ線、及びXIｃ−XIｃにそれぞれ沿った断面図である図１１（ａ）、図１１（ｂ）、及び図１１（ｃ）に示すように、４つの受光素子部３Ａ〜３Ｄ（図１を参照）の第１半導体層１１を互いに分離するためのエッチングの準備として、エッチングマスク６３（第２エッチングマスク）を形成する（第２エッチングマスク形成工程）。この工程では、メサ構造４１を覆うとともにメサ構造４２の少なくとも一部を露出させるエッチングマスク６３を、エッチングマスク６２が残存した状態で形成する。本実施形態のエッチングマスク６３は、４つの受光素子部３Ａ〜３Ｄのメサ構造４１を個別に覆うとともに、２つのスポットサイズ変換器５３，５４のメサ構造４３を個別に覆うように形成される。フォトリソグラフィの際のパターン精度の観点から、所定方向Ａ１と交差する方向におけるエッチングマスク６３の幅は、同方向におけるエッチングマスク６２の幅よりも大きくされる。光導波路５ａ〜５ｈ及びＭＭＩカプラ５１，５２のメサ構造４２は、エッチングマスク６３から露出する。エッチングマスク６３には、エッチングマスク６２に対して選択的に除去可能な材料、例えばレジストなどの感光性材料を含む材料が用いられる。
続いて、図１１（ａ）、図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）にそれぞれ対応する断面図である図１２（ａ）、図１２（ｂ）及び図１２（ｃ）に示すように、エッチングマスク６２，６３から露出した第１半導体層１１に対してドライエッチングを行う（第２エッチング工程）。エッチングガスとしては、例えばハロゲン系のガスが用いられる。このドライエッチングは、基板１０に達するまで行われる。これにより、受光素子部３Ａ〜３Ｄのメサ構造４１の周囲に第１半導体層１１の一対の側面１１ｂ，１１ｃが形成される。また、スポットサイズ変換器５３，５４のメサ構造４３の周囲にも、第１半導体層１１の一対の側面１１ｂ，１１ｃが形成される。
この工程では、スポットサイズ変換器５３，５４を除く光導波路部５のメサ構造４２に、第１半導体層１１が含められる。すなわち、このメサ構造４２にはエッチングマスク６３が形成されていないので、エッチングマスク６２を介したドライエッチングがメサ構造４２に隣接する第１半導体層１１に対して行われ、メサ構造４２がさらに高くなる。その結果、メサ構造４２が第１半導体層１１を含むこととなり、第１半導体層１１の側面と、コア層２１及びクラッド層２２の各側面とが互いに面一となる。
また、この工程では、メサ構造４２の側面４２ａ，４２ｂがＳｉ化合物膜６２ａによって既に覆われているので、側面４２ａ，４２ｂが保護され、メサ構造４２の幅は殆ど変化しない。また、前述した第１エッチング工程と同様、この工程においても、ドライエッチングの進行中に、メサ構造４２の側面にＳｉ化合物膜６２ａが更に形成される。従って、Ｓｉ化合物膜６２ａは、メサ構造４２の側面４２ａ，４２ｂの根元まで形成される。すなわち、スポットサイズ変換器５３，５４を除く光導波路部５において、Ｓｉ化合物膜６２ａはクラッド層２２から基板１０にわたって形成される。
続いて、図１１（ａ）、図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）にそれぞれ対応する断面図である図１３（ａ）、図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）に示すように、エッチングマスク６２を残しつつエッチングマスク６３を除去する。この工程では、例えば有機溶媒及び酸素プラズマによるアッシングを行ってエッチングマスク６３を剥離する。このとき、メサ構造４１〜４３の各側面はＳｉ化合物膜６２ａによって覆われているので、これらの側面へのダメージが低減される。
続いて、平面図である図１４、そのXVａ−XVａ線、XVｂ−XVｂ線、及びXVｃ−XVｃ線にそれぞれ沿った断面図である図１５（ａ）、図１５（ｂ）、及び図１５（ｃ）に示すように、選択成長マスク６４を形成する。具体的には、まず、マスク材料（例えばＳｉＮ）を基板１０上の全面に形成する。そして、フォトリソグラフィによるパターニングを行い、例えばＢＨＦといったエッチャントを用いたウェットエッチングを行うことにより、図１５（ａ）に示される開口６４ａ、及び図１５（ｃ）に示される開口６４ｂ，６４ｃを形成する。開口６４ａは、メサ構造４３及び第１半導体層１１の一対の側面１１ｂ，１１ｃを露出させる。開口６４ｂは、メサ構造４１の一対の側面４１ａ，４１ｂを露出させる。開口６４ｃは、第１半導体層１１の一対の側面１１ｂ，１１ｃを露出させる。メサ構造４１の上面及び第１半導体層１１の領域１１ａは、選択成長マスク６４によって覆われる。
続いて、例えばＨＣｌ系のエッチャントを用いたウェットエッチングにより、ドライエッチングにより生じた半導体表面の損傷層を除去する。そして、選択成長マスク６４から露出した基板１０上の領域に、半絶縁性の半導体膜３１の埋め込み再成長を行う。この再成長は、例えばＯＭＶＰＥ法によって行われる。その後、平面図である図１６、そのXVIIａ−XVIIａ線、XVIIｂ−XVIIｂ線、及びXVIIｃ−XVIIｃ線にそれぞれ沿った断面図である図１７（ａ）、図１７（ｂ）、及び図１７（ｃ）に示すように、選択成長マスク６４を例えばＢＨＦを用いたウェットエッチングにより除去する。
続いて、図１及び図２に示された第１電極３３及び第２電極３２を形成する。具体的には、まず、保護膜（例えばＳｉＮ膜）を基板１０上の全面に形成し、フォトリソグラフィによるパターニングを行い、例えばＣＦ４といったエッチングガスを用いたＲＩＥを行うことにより、保護膜に電極形成のための開口を形成する。そして、開口部分に金属を堆積させることにより、第１電極３３及び第２電極３２を形成する。以上の工程によって、本実施形態の導波路型受光素子１Ａが作製される。
以上に説明した本実施形態の導波路型受光素子１Ａの製造方法によって得られる効果について説明する。本実施形態では、エッチングマスク６２を用いてドライエッチングを行うことによりメサ構造４１〜４３を形成したのち、メサ構造４２上のエッチングマスク６２が残存した状態で、メサ構造４１，４３を覆うエッチングマスク６３を更に形成する。そして、追加のドライエッチングを行い、メサ構造４２の側面４２ａ，４２ｂを基板１０に到達させている。これにより、従来の導波路型受光素子と比較してメサ構造４２（光導波路）における第１半導体層１１の幅が狭くなるので、光導波方向に垂直な断面における第１半導体層１１の断面積が小さくなり、その結果、第１半導体層１１の電気抵抗が大きくなる。従って、光導波路部５の第１半導体層１１を介する受光素子部３Ａ〜３Ｄ間の分離抵抗を大きくすることができ、受光素子部３Ａ〜３Ｄ間のクロストークを低減できる。
なお、第１エッチング工程ののち、エッチングマスク６２を一旦除去し、追加のドライエッチングのためのエッチングマスクを改めて形成することも考えられる。しかしながらそのような方法では、エッチングマスクの位置精度の都合上、追加のエッチングマスクの幅をメサ構造４２の幅よりも広くせざるを得ない。従って、必然的に第１半導体層１１の幅がメサ構造４２の幅よりも広くなり、第１半導体層１１の電気抵抗を大きくすることが制限されてしまう。これに対し、本実施形態では、第１半導体層１１の幅をメサ構造４２の幅程度まで狭くすることができるので、第１半導体層１１の電気抵抗を更に大きくすることができる。
また、本実施形態のように、エッチングマスク６２にＳｉを含む材料を用い、第１エッチング工程において、ドライエッチングの進行中に、メサ構造４１〜４３の各側面にＳｉ化合物膜６２ａを形成し、第２エッチング工程において、ドライエッチングの進行中に、メサ構造４２の側面４２ａ，４２ｂにＳｉ化合物膜６２ａを更に形成してもよい。或いは、第１エッチング工程において、Ｓｉを含むエッチングガスを用い、ドライエッチングの進行中に、メサ構造４１〜４３の各側面にＳｉ化合物膜６２ａを形成し、第２エッチング工程において、Ｓｉを含むエッチングガスを用い、ドライエッチングの進行中に、メサ構造４２の側面４２ａ，４２ｂにＳｉ化合物膜６２ａを更に形成してもよい。第１エッチング工程においてこのようなＳｉ化合物膜６２ａを形成することにより、第２エッチング工程においてメサ構造４２の側面４２ａ，４２ｂをエッチングガスから保護し、メサ構造４２の幅を維持することができる。また、エッチングマスク６２を残しつつエッチングマスク６３を選択的に除去する際に、メサ構造４２の側面４２ａ，４２ｂを保護してダメージを低減し、光損失の増加を抑制することができる。
また、本実施形態のように、エッチングマスク６３は感光性材料を含んでもよい。例えばこのようなエッチングマスク６３を用いることにより、エッチングマスク６２を残しつつエッチングマスク６３を選択的に除去することが容易にできる。
また、本実施形態の導波路型受光素子１Ａでは、メサ構造４２の側面４２ａ，４２ｂが基板１０に達しているので、従来の導波路型受光素子と比較してメサ構造４２における第１半導体層１１の幅が狭くなり、光導波方向に垂直な断面における第１半導体層１１の断面積が小さくなる。その結果、第１半導体層１１の電気抵抗が大きくなる。従って、光導波路部５の第１半導体層１１を介する受光素子部３Ａ〜３Ｄ間の分離抵抗を大きくすることができ、受光素子部３Ａ〜３Ｄ間のクロストークを低減できる。
本発明による導波路型受光素子の製造方法及び導波路型受光素子は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では基板、第１半導体層、光吸収層、第２半導体層、コア層及びクラッド層がＩｎＰ系の半導体からなる例を示したが、これらは他のIII−Ｖ族化合物半導体によって構成されてもよく、或いはIII−Ｖ族化合物半導体以外の半導体によって構成されてもよい。また、上記実施形態ではコヒーレント光受信器に用いられる導波路型受光素子を例示したが、他の用途に用いられる導波路型受光素子に本発明が適用されてもよい。
１Ａ…導波路型受光素子、３Ａ〜３Ｄ…受光素子部、５…光導波路部、５ａ…第１光導波路、５ｂ…第２光導波路、５ｃ…第３光導波路、５ｄ…第４光導波路、５ｅ…第５光導波路、５ｆ…第６光導波路、５ｇ…第７光導波路、５ｈ…第８光導波路、１０…基板、１０ａ…第１領域、１０ｂ…第２領域、１１…第１半導体層、１１ａ…領域、１１ｂ，１１ｃ…側面、１２…光吸収層、１３…第２半導体層、１４…コンタクト層、２１…コア層、２２…クラッド層、３１…半導体膜、３２…第２電極、３３…第１電極、４１〜４３…メサ構造、４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂ…側面、４４…端面、５１，５２…ＭＭＩカプラ、５３，５４…スポットサイズ変換器、６１〜６３…エッチングマスク、６２ａ…Ｓｉ化合物膜、６４…選択成長マスク、６４ａ〜６４ｃ…開口。

Claims (4)

  1. 第１領域及び第１領域と隣接する第２領域を含む半絶縁性若しくは絶縁性の基板上に、第１導電型の第１半導体層、光吸収層、及び第２導電型の第２半導体層を順に形成する工程と、
    前記第１領域上の前記第２半導体層及び前記光吸収層をエッチングにより除去したのち、前記第１領域上の前記第１半導体層上にコア層及びクラッド層を順に形成する工程と、
    メサ構造を形成するための第１エッチングマスクを第１領域上から第２領域上にかけて形成する第１エッチングマスク形成工程と、
    前記第１半導体層に達するドライエッチングを行い、前記クラッド層及び前記コア層を含む第１メサ構造を形成するとともに、前記第２半導体層および前記光吸収層を含む複数の第２メサ構造を形成する第１エッチング工程と、
    前記複数の第２メサ構造を覆う第２エッチングマスクを、前記第１エッチングマスクが残存した状態で形成する第２エッチングマスク形成工程と、
    前記基板に達するドライエッチングを行い、前記第１メサ構造に前記第１半導体層を含める第２エッチング工程と、
    前記第１エッチングマスクを残しつつ前記第２エッチングマスクを選択的に除去する工程と、
    を備える、導波路型受光素子の製造方法。
  2. 前記第１エッチングマスクにＳｉを含む材料を用い、
    前記第１エッチング工程において、ドライエッチングの進行中に、前記第１メサ構造及び前記第２メサ構造の各側面にＳｉ化合物膜を形成し、
    前記第２エッチング工程において、ドライエッチングの進行中に、前記第１メサ構造の側面にＳｉ化合物膜を更に形成する、請求項１に記載の導波路型受光素子の製造方法。
  3. 前記第１エッチング工程において、Ｓｉを含むエッチングガスを用い、ドライエッチングの進行中に、前記第１メサ構造及び前記第２メサ構造の各側面にＳｉ化合物膜を形成し、
    前記第２エッチング工程において、Ｓｉを含むエッチングガスを用い、ドライエッチングの進行中に、前記第１メサ構造の側面にＳｉ化合物膜を更に形成する、請求項１に記載の導波路型受光素子の製造方法。
  4. 前記第２エッチングマスクは感光性材料を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の導波路型受光素子の製造方法。
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