JP7376837B2 - 半導体チップおよび光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体チップおよび光モジュールに関し、より詳細には、ＩｎＰ基板上に電界吸収型（ＥＡ）光変調器を集積したＤＦＢレーザに、さらに半導体光増幅器（ＳＯＡ）を集積した半導体チップとこれを含む光モジュールに関する。

近年の動画配信サービスの普及、モバイルトラフィック需要の増大などに伴い、ネットワークトラフィックが爆発的に増大している。ネットワークを担う光伝送路においては、伝送レートの高速化、低消費電力化、伝送距離の長延化によるネットワークの低コスト化がトレンドとなっている。このような光通信ネットワークで用いられる半導体変調光源にも、過剰な消費電力の増大を抑制しつつ、高速化、高出力化が求められている。

図１に、従来の電界吸収型変調器集積型ＤＦＢレーザの構成を示す。電界吸収型変調器集積型ＤＦＢ（ＥＡＤＦＢ：Electroabsorption Distributed Feedback）レーザは、直接変調型のレーザと比較して、高い消光特性とすぐれたチャープ特性を有することから、これまでに幅広い用途で用いられてきた。ＥＡＤＦＢレーザ１０は、ＤＦＢレーザ１１およびＥＡ変調器１２が同一チップ内に集積された構造を有する。ＤＦＢレーザ１１は、多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層１３を有し、共振器内に形成された回折格子１４によって単一波長で発振する。また、ＥＡ変調器１２は、ＤＦＢレーザ１１とは異なる組成の多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる光吸収層１５を有し、電圧制御により光吸収量を変化させられる。

ＤＦＢレーザ１１からの出力光を透過・吸収する条件で駆動することにより、光を明滅させ、電気信号を光信号に変換する。ＥＡＤＦＢレーザの課題として、ＥＡ変調器１２が大きな光損失を伴うために、高出力化が困難な点があげられる。この解決策として、ＥＡＤＦＢレーザの光出射端にさらに半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）を集積したＥＡＤＦＢレーザ（ＡＸＥＬ：SOA Assisted Extended Reach EADFB Laser）が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

図２に、従来のＳＯＡ集積型ＥＡＤＦＢレーザの構成を示す。ＡＸＥＬ２０は、ＤＦＢレーザ２１とＥＡ変調器２２の後段にＳＯＡ２３を備え、同一チップ内に集積されている。ＤＦＢレーザ２１、ＥＡ変調器２２は、異なる組成の多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層２４、吸収層２５をそれぞれ有する。ＡＸＥＬ２０においては、ＥＡ変調器２２によって変調された信号光が、集積されたＳＯＡ２３によって増幅され、光出力の向上が可能となる。これにより、一般的なＥＡＤＦＢレーザと比較して約２倍の高出力特性が得られる。加えて、ＡＸＥＬ２０は、ＳＯＡを集積したことによる高効率動作が可能なことから、一般的なＥＡＤＦＢレーザと同一の光出力が得られる動作条件で駆動した場合、約４割の消費電力削減が可能である。さらに、ＡＸＥＬ２０において、ＳＯＡ２３の活性層２６は、ＤＦＢレーザ２１と同一のＭＱＷ構造を有する。従って、ＳＯＡ２３を集積するための再成長プロセスを追加することなく、従来のＥＡＤＦＢレーザと同一の製造工程でデバイス作製が可能である。

ＡＸＥＬにおける課題として、ＳＯＡを集積したことに伴う高出力化によって、反射戻り光による動作特性の劣化が顕著になることが挙げられる。一般的な半導体レーザを用いた光モジュールにおいては、半導体チップの端面で光が反射され、半導体チップ内部に戻る反射戻り光が光素子の動作特性に悪影響を及ぼすことが知られている。そのため、従来の光モジュールでは、半導体チップの端面に反射防止膜（Anti-Reflection Coating）を施し、端面から内部への反射戻り光を０．１％以下に抑制している。

しかしながら、ＳＯＡ集積型ＥＡＤＦＢレーザの場合、その高出力特性によってわずかな反射戻り光でも動作特性に大きな影響を与える。仮に、従来のＥＡＤＦＢレーザに対してＳＯＡ集積型ＥＡＤＦＢレーザの光増幅効果が＋３ｄＢであるとすると、平均光出力が＋３ｄＢ高出力化すると同時に、反射戻り光の強度も３ｄＢ増加することになる。加えて、端面での反射戻り光は、再びＳＯＡ内で増幅されるため、ＳＯＡが実装されていないＥＡＤＦＢレーザと比較して、ＤＦＢレーザに達する反射戻り光強度は、＋６ｄＢ増加することになる。

図３に、従来のＡＸＥＬにおける出力端部の構造を示す。ＡＸＥＬにおける反射戻り光対策としては、ＡＲコーティングに加えて、窓構造と曲げ導波路を組み合わせた構造が採用されている。図３は、ＡＸＥＬの出力端部の拡大図であり、上面から透視した導波路の構造を示している。ＡＸＥＬチップ３０の出射端面３１は、へき開によって形成された結晶面である。一般的な光モジュールでは、半導体チップ内の導波路は、出射端面に対して垂直な角度に形成される。したがって、導波路を伝搬する光は、出射端面に垂直に入射しＡ半導体チップから出射される。これに対して図３に示す構造では、ＡＸＥＬチップ３０内の導波路３２に曲げを設け、出射端面３１に対してθ_ｗｇの入射角をなして光が入射する。これにより、出射端面３１において反射された光が再び導波路３２に結合されにくくなるため、反射戻り光を抑制することができる。一般的に、反射を抑制するための導波路３２の出射端面３１に対する入射角θ_ｗｇは４～８°が用いられる。

また、図３に示す構造では、導波路３２がＡＸＥＬチップ３０の内部で終端しており、導波路３２から放射された光は、窓領域３３と呼ばれるバルクの半導体中を伝搬した後、出射端面３１に達して外部に出射される。このとき、窓領域３３では、回折効果によって出射光のビーム径が広がりながら伝搬する。これにより、出射端面３１で反射されチップ内部の導波路３２に再び結合する反射戻り光の割合をさらに低減させることができる。一般的に、窓領域３３の長さは１０μｍ程度である。ＡＸＥＬでは、このような反射戻り光対策を十分に施さなければ、高出力特性と同時に高品質な伝送特性を得ることができない。

このように、従来のＡＸＥＬにおいては、チップ端面における反射戻り光を極力低減するために、曲げ導波路および窓構造を出力端部に採用している。この構造の主な２つの課題をここでは説明する。

図４は、出力端部に形成された窓構造をへき開によって作製する場合の模式図である。１つ目の課題は、窓構造を形成する時の製造バラつきによる歩留まり低下である。通常、半導体レーザなどの光半導体素子は、ウエハ上に複数の素子を一括して成長させ、複数の半導体チップに分割する。このとき、同一出射端面を持つ複数のチップをバー４１，４２のように、へき開位置４４においてへき開して、出射端面を形成する。すなわち、隣接するバーは、それぞれ出射端面が向い合せになるように配置されている。

図４に示す通り、向かい合う半導体チップはそれぞれ窓構造を有し、へき開位置４４から窓領域４３の長さを隔てた位置に導波路の終端を有する。ここで、実際の半導体チップのへき開工程では、へき開位置の精度に限界があり、へき開位置はある程度のバラつき（誤差）が生じてしまう。したがって、へき開によって製造された窓構造を有する半導体チップは、へき開位置のバラつきにより、窓領域４３ａ－４３ｆの長さがチップによってバラついてしまう。前述した通り、窓領域の長さは、一般的に１０μｍ程度で設計される。したがって、へき開位置の誤差が１０μｍ以上生じた場合、図４に示すどちらか一方のバーの窓領域の全てが消失してしまい、十分な反射抑制効果を得られない。

図５に、従来の複数のＡＸＥＬの光波形品質を評価した結果を示す。同一工程で作製したＡＸＥＬチップから光送信機を作製し、光波形品質を評価した結果である。ＡＸＥＬチップは、１．３μｍ帯を発振波長とするすべて同一構造のチップであり、チップ間で異なるのは製造誤差で生じた窓領域の長さのみである。それぞれのＡＸＥＬチップについて、事前に窓領域の長さを実測した後、各チップを２枚レンズ系で構成される一般的なバタフライ型パッケージに実装し光送信機を作製した。また、バタフライ型パッケージには高周波コネクタが搭載されており、作製した各光送信機を２５Ｇｂｉｔ／ｓのＮＲＺ信号で変調し、光波形（アイ開口波形）を評価した。

図５の縦軸は、光波形の品質を表すマスクマージンと呼ばれる指標で、マージンが大きいほど明瞭なアイの開口を表す。図５の横軸は、窓領域の長さ１０μｍを設計値とし、製造した各ＡＸＥＬチップの窓領域の長さのバラつきを示す。図５から明らかなとおり、窓領域の長さが小さくなるほど、マスクマージンが劣化する傾向であることが確認できる。これは、窓領域の長さが短くなるにつれて、ＡＸＥＬチップの出射端面で反射して、チップ内部に戻る反射戻り光の光強度が増加し、ＡＸＥＬチップの動作の不安的化を招くためと考えられる。図５に示す結果から、窓領域の長さは最低でも５μｍ以上の長さが必要であることがわかる。

図６に、出力端部に形成された窓構造による光ビームの形状を示す。半導体チップ５０の上面と側面とから透視した導波路５２の構造を示している。窓領域５３がへき開位置の製造誤差によって設計よりも長くなった場合の光ビーム５４の形状も合わせて示している。通常、窓構造を設ける場合は、窓領域における光ビームの回折効果によりビーム広がりを考慮して設計される。一般的なＩｎＰ系の光半導体素子の場合、導波路上部のクラッド層を再成長によって形成しており、上部クラッド層の厚さｈは、２μｍ程度である。また、１．５５μｍ帯または１．３μｍ帯の通信波長帯の場合、コア層の厚さｄは、２００ｎｍ～３００ｎｍ程度である。ＩｎＰ系の光半導体素子では、導波路水平方向に比べて導波路垂直方向の光閉じ込めが強い。従って、導波路５２から窓領域５３に出射された光ビーム５４は、出射端面５１において、導波路垂直方向の広がり角の方が、導波路水平方向に比べて大きくなる。

このことから、窓領域５３の長さが設計値より長い場合は、窓領域５３内において、光ビーム５４の上端がクラッド層と半導体チップ外部（空気や電極）との界面に到達してしまう。図６の下図に示すように、ビーム形状に欠損（ケラれ５４ａ）や光損失を生じる原因になってしまう。

図７に、従来の複数のＡＸＥＬの窓領域の長さのバラつきと光損失との関係を示す。図５に示した複数のＡＸＥＬチップを用いて、へき開時の製造誤差で生じた窓領域の長さのバラつきに対する光損失をプロットした結果である。上述した通り、同一構造を有するＡＸＥＬチップを用いて、バタフライ型パッケージに実装する前に、大口径フォトディテクタを用いた光出力特性の評価を行った。その後、バタフライ型パッケージに実装し、光ファイバに結合した光強度を評価することにより、実装により生じた光損失を見積もった。上述した通り、ここで用いた光送信機は、２枚レンズ系を有し、アクティブアライメント工程によってＡＸＥＬチップの実装を行っている。

図７から明らかなとおり、窓領域の長さが長くなると、光送信機内部での損失が増加する傾向が確認できる。これは、窓領域の長さが長くなることによって、出射ビームの上端がクラッド層とチップ外部の境界に達し、ビーム形状に欠損が生じて、光ファイバへの結合効率が低下してしまったためである。ここで、光送信機内の光損失を３．０ｄＢ以下に抑制した光送信機を作成するためには、ＡＸＥＬチップの窓領域の長さが１０μｍ以下である必要がある。しかし、実際の半導体チップのへき開工程においては、一般的に±１０μｍ程度のへき開位置誤差が生じてしまう。したがって、上述した通り、窓構造を有するＡＸＥＬにおいて十分な特性を有する光送信機を製造する上では、へき開による出射端面の形成時に十分なマージンを設けることができない。このため、へき開位置の製造誤差により必ず一定数の不良品、すなわち窓領域の長さが許容値から外れたチップが生じ、製造歩留まりを低下させる原因となっていた。

図８に、曲げ導波路を有する半導体チップにおける出射端面の光の伝搬方向を模式的に示す。２つ目の課題は、曲げ導波路を採用した場合の課題として、半導体チップからの出力光に出射角度が生じ、実装時の制約となることである。図８において、曲げ導波路６２は、出射端面にθ_１の入射角を有する。また、半導体チップから出射された光の出射角をθ_２としている。半導体チップにおける等価屈折率をｎ_１、半導体チップ外部の媒質の屈折率をｎ_２とすると、スネルの法則から下式が成り立つ。
ｎ_１sinθ_１=ｎ_２sinθ_２
一般的なＩｎＰ系の半導体チップの等価屈折率を３．２、出射側の媒質を空気（屈折率ｎ２＝１）とすると、曲げ導波路６２の出射端面に対する入射角θ_１が５°の場合、出射角度θ_２は約１６°となる。また、入射角θ_１が７°の場合の出射角度θ_２は約２２°となる。

半導体チップを光モジュールやサブキャリアに搭載する際に、半導体チップからの出射角度に応じて、半導体チップの配置角度を調整し、十分な光出力が光ファイバ等に結合するように実装する必要がある。このとき、半導体チップからの出射角度が大きいほど、光モジュール内部またはサブキャリア上でチップ搭載に必要な領域が大きくなる。このことから、実装時の工程の向上および光モジュールやサブキャリアの小型化に向けた障壁となることが課題であった。

特許５８２３９２０号公報

W Kobayashi et al., "Novel approach for chirp and output power compensation applied to a 40-Gbit/s EADFB laser integrated with a short SOA," Opt. Express, Vol. 23, No. 7, pp. 9533-9542, Apr. 2015. K.Morito et al., "High power semiconductor optical amplifier," OFC/NFOECC2009, Tutorial, OWQ4, March, 2009.

本発明の目的は、光モジュール、サブキャリア等に実装する際の工数が低減され、サブキャリア等における専有面積を削減することができる半導体チップを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、光を出射する出力端部において、出射端面に接することなく内部で終端された導波路と、前記導波路と前記出射端面との間のバルク半導体からなる窓領域とを有する半導体チップにおいて、前記出射端面がエッチングにより形成された側壁であるように、前記出力端部に形成された開口溝を備えたことを特徴とする。

図１は、従来の電界吸収型変調器集積型ＤＦＢレーザの構成を示す断面図、 図２は、従来のＳＯＡ集積型ＥＡＤＦＢレーザの構成を示す断面図、 図３は、従来のＡＸＥＬにおける出力端部の構造を示す図、 図４は、出力端部に形成された窓構造をへき開によって作製する場合の模式図、 図５は、従来の複数のＡＸＥＬの光波形品質を評価した結果を示す図、 図６は、出力端部に形成された窓構造による光ビームの形状を示す図、 図７は、従来の複数のＡＸＥＬの窓領域の長さのバラつきと光損失との関係を示す図、 図８は、曲げ導波路を有する半導体チップにおける出射端面の光の伝搬方向を模式的に示す図、 図９Ａは、本発明の一実施形態にかかる出力端部の構造を示す図、 図９Ｂは、本発明の一実施形態にかかる出力端部の構造を示す図、 図１０は、本実施形態にかかる出力端部の開口溝の構造を示す図、 図１１は、本実施形態にかかる出力端部の開口溝の構造を示す図、 図１２は、実施例１にかかるＡＸＥＬの導波路構造を示す断面図、 図１３は、実施例１にかかるＡＸＥＬの出力端部の構造を示す図、 図１４は、実施例１にかかるＡＸＥＬの開口溝の構造を示す図、 図１５Ａは、実施例１にかかる出力端部の開口溝の構造を示す図、 図１５Ｂは、実施例１にかかる出力端部の開口溝の構造を示す断面図、 図１６は、実施例１にかかるＡＸＥＬの窓領域の長さのバラつきと光損失との関係を示す図、 図１７は、実施例１にかかるＡＸＥＬの光波形品質を評価した結果を示す図、 図１８Ａは、ＡＸＥＬチップを実装した光モジュールの小型化について説明するための図、 図１８Ｂは、ＡＸＥＬチップを実装した光モジュールの小型化について説明するための図、 図１９は、ＡＸＥＬチップの小型化について説明するための図、 図２０は、実施例２にかかるＡＸＥＬチップの構造を示す図、 図２１Ａは、実施例２にかかるＡＸＥＬの出力端部の構造を示す図、 図２１Ｂは、実施例２にかかるＡＸＥＬの開口溝の構造を示す図、 図２２は、実施例２にかかるＡＸＥＬの窓構造をへき開によって作製する場合の模式図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。以下、主としてＡＸＥＬチップを実装した光送信機を例に説明するが、本実施形態は、光を出射する光半導体素子を構成する半導体チップを実装した様々な光モジュールに適用可能であり、個別の構成要素、その構造、発振波長などのパラメータを限定するものではない。

上述した通り、半導体チップのへき開工程においては、±１０μｍ程度のへき開位置の誤差が発生する。これに対して、ＡＸＥＬの特性を担保するうえで必要となる窓領域の長さは５μｍ～１５μｍの範囲であることから、安定して高歩留まりにＡＸＥＬチップを製造することが困難であった。そこで、本実施形態では、ＡＸＥＬチップの出射端面をへき開ではなく、ドライエッチング工程で形成する。出射端面の位置は、フォトリソグラフィ工程による高精度なアライメントが可能であるため、一般的には±１μｍ以下の位置決め精度で出射端面を形成することが可能となる。また、出射端面を形成するドライエッチング工程において、へき開位置の製造誤差を補償するために、十分な長さの開口溝を形成することにより、一般的なへき開プロセスに対してもマージンを担保することができる。

図９Ａ，９Ｂに、本発明の一実施形態にかかる出力端部の構造を示す。出力端部に形成された窓構造をへき開によって作製する場合の模式図であり、図９Ａは、半導体チップ１００の上面から透視した導波路１０２の構造を示し、図９Ｂは、半導体チップ１００の側面から透視した導波路１０２の構造を示している。半導体チップ１００は、光を出射する出力端部において、出射端面に接することなく内部で終端された導波路１０２と、導波路と出射端面との間のバルク半導体からなる窓領域１０３とを有している。窓領域１０３ａ，１０３ｂを挟んで向かいあう半導体チップの境界領域、すなわち、へき開面１０４をまたがるように、ドライエッチングで形成された開口溝１０５を有する。開口溝１０５の両端のエッチングにより形成された側壁（エッチドファセット）が出射端面１０６ａ，１０６ｂとなり、この面を通してチップからの出力光が出射される。

エッチドファセットを形成する開口領域の大きさや位置は、フォトリソグラフィのマスクで決定される。したがって、任意の形状の開口溝１０５を、±１μ以下の位置ずれ誤差でウエハ上に一括で形成することができる。図９Ａ，９Ｂからわかる通り、へき開位置のマージンは、この開口溝の大きさで決定される。したがって、開口溝１０５の幅を十分広く設計しておけば一般的なへき開工程で生じるへき開位置ずれに対しても十分なマージンを担保することができる。

図１０に、本実施形態にかかる出力端部の開口溝の構造を示す。曲げ導波路に伴う半導体チップからの出力光の出射角度の課題についても、エッチドファセットを形成する開口部の形状によって解決することができる。図９Ａに示した出力端部では、出射端面１０６ａ，１０６ｂがへき開面１０４と平行であったのに対し、図１０の出力端部では、出射端面１１６がへき開面１１４に対して角度θ_ｆだけ傾いた角度で形成されている。上述した通り、開口部１１５の形状は、フォトリソグラフィのマスクパターンにより決定されるため、任意の形状を作製することができる。

図１０において、へき開面１１４は、従来のＩｎＰ系光半導体素子における出射端面に相当し、バー形状にへき開する際に形成される。導波路を伝搬する光は、曲げ導波路１１２を経て、へき開面１１４の垂線に対してθ_ｗｇの角度をなして伝搬し導波路終端に達する。導波路終端から出射された光は、窓領域１１３を伝搬した後、出射端面１１６となるエッチドファセットへ到達する。この時、エッチドファセットに対する光の入射角をθ_１とし、θ_１は十分な反射抑制効果が得られる角度に設計されている。エッチドファセットに到達した光は屈折され、出射角θ_２をもって開口溝１１５内に出射される。

このとき、出射された光の進行方向は、へき開面１１４に対して垂直になるように設計する。したがって、半導体チップ外部から見れば出射角度は０°となり、出射端面から垂直に光を出力する半導体チップとみなすことができる。これにより実装工程の負荷を低減するとともに、実装時に半導体チップが専有する面積の縮小が可能になる。半導体チップからの出射光がへき開面１１４に対して垂直になるような方向に調整するためには、図１０中のそれぞれの角度が以下の条件を満たす必要がある。
θ_ｗｇ＝θ_２－θ_１
θ_ｆ＝θ_２
ここで、θ_１とθ_２の関係はスネルの法則から導かれる。したがって、端面反射を十分抑制できる入射角θ_１を設計すれば、導波路の曲げ角度θ_ｗｇとエッチドファセットの角度θ_ｆは一意に決定される。

上述したエッチドファセット構造を用いることにより、へき開位置の誤差によらず、窓領域の長さを高精度に作製することができ、窓領域の製造工程における歩留まりを飛躍的に向上することができる。一般的なへき開工程における位置精度は±１０μｍ程度である。図１１に示す通り、曲げ導波路１１２から出射された光ビームの中心が出射端面１１６に到達する出射点１１７とへき開面１１４との距離を開口溝幅Ｗとする。開口溝幅Ｗ＞１０μｍであれば、へき開の位置ずれが生じた場合でも、窓領域１１３の長さＬは影響を受けない。へき開位置にずれが生じた場合でも反射戻り光量、出射角度などの諸特性に影響を与えることがなく、高歩留まりに窓構造を製造することができる。

図１０に示したように、エッチドファセットの角度θ_ｆを設けることにより、半導体チップの外部への出射光の出射角度を０°にすることができる。一例として、一般的に十分な反射抑制効果が得られる出射端面への光の入射確度は７°である。図１０においてθ_１＝７°となることから、スネルの法則よりθ_２＝２２°となる。したがって、導波路の曲げ角度θ_ｗｇ＝１５°、エッチドファセット角度θ_ｆ＝２２°となる。この設計値を用いることにより、チップ外部から観測すると出射角度０°で光出力が得られる。これにより、光モジュール、サブキャリア等に実装する際の工数が大幅に低減されるほか、サブキャリア等における半導体チップの専有面積を大幅に削減することができ、小型で低コストな光送信機を実現することができる。

実施例１では、２５Ｇｂｉｔ／ｓの変調信号を生成可能な１．３μｍ帯光送信機において、高ロスバジェットなシステムに対応するために、変調時光出力を８ｄＢｍ以上に増加させた光送信機を例に説明する。

図１２に、実施例１にかかるＡＸＥＬの導波路構造を示す。ＡＸＥＬ２００は、長さ３００μｍのＤＦＢレーザ２０１と、長さ１５０μｍのＥＡ変調器２０２と、長さ１５０μｍのＳＯＡ２０３とが同一基板上に集積されたモノリシック集積素子である。ＤＦＢレーザ２０１は、電流注入により光利得を生じる多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層２１１と回折格子２１２とを有する。ＥＡ変調器２０２は、ＤＦＢレーザ２０１とは異なる組成の多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる吸収層２２１を有する。ＳＯＡ２０３は、ＤＦＢレーザ２０１と同一組成のＭＱＷ構造からなる活性層２３１を有する。

出力端部２０４における出射端面２４１は、ドライエッチングによって形成されたエッチドファセットを有する。エッチドファセットの角度を調整することにより、導波路２４２から窓領域２４３を介して出射端面２４１から出力された光ビームは、へき開端面と垂直方向に出射される。

次に、ＡＸＥＬ２００の作製プロセスを説明する。ｎ－ＩｎＰ基板（１００）面上に、下部ＳＣＨ（Separated Confinement Heterostructure）層、多重量子井戸層の活性層（ＭＱＷ１）、上部ＳＣＨ層を順次成長した初期基板を用いる。多重量子井戸層は、発振波長１．３μｍ帯に光利得を有する。多重量子井戸は６層の量子井戸層からなり、これらを含む初期成長基板は、ＤＦＢレーザの高効率動作のために最適化された構造である。

初めに、ＤＦＢレーザ２０１およびＳＯＡ２０３となる部分を残し、その他の活性層を選択的にエッチングし、バットジョイント再成長によりＥＡ変調器２０２のための多重量子井戸層（ＭＱＷ２）を成長させる。ここで、ＤＦＢレーザ２０１、ＥＡ変調器２０２、ＳＯＡ２０３の順に光が伝搬するように配置されている。また、ＳＯＡ２０３では、初期成長基板で形成されたコア層構造をそのまま残し、ＤＦＢレーザ２０１の層構造と同一の層構造とする。これらの領域の層構造の差異は、回折格子２１２の有無のみである。これにより複数領域を集積した構造でありながら再成長回数を抑制し、低コストでの製造が可能になる。

次に、ＤＦＢレーザ２０１とＥＡ変調器２０２の境界部分、ＥＡ変調器２０２とＳＯＡ２０３の境界部分、ＳＯＡ変調器２０２の終端から出射端面に至る出力端部２０４を再び選択的にエッチングする。バットジョイント再成長を行うことにより、出力端部２０４のコア層となるバルク半導体を成長させる。続いて、ＤＦＢレーザ２０１に発振波長１．３μｍ帯で動作するような回折格子２１２を形成する。ここで、ＤＦＢレーザ２０１の共振器は、基板の結晶方位［０１１］または［０１^－１^－］（以後「１^－」は、１の上付きバーを表す）方向に光を出力するように回折格子を形成している。その後、再び再成長により素子全面に、ｐ－ＩｎＰクラッド層およびコンタクト層を成長させる。クラッド層の厚さは、電極領域に光のフィールドがかからないように設計し、実施例１では２．０μｍとする。

次に、導波路となる部分のメサ構造をエッチングによって形成する。また、窓領域２４３において、導波路２４２の終端となる部分についても本工程で一括して作製される。

図１３は、実施例１にかかるＡＸＥＬの出力端部の構造を示す。ＡＸＥＬ２００の上面から透視した導波路の構造を示す。図１３では、へき開工程の前のウエハ状態において、隣接する光送信機のチップの配置をわかりやすくするために、へき開工程で分離される前の隣接する２つのチップを図示している。

上述した通り、ＤＦＢレーザ２０１は、結晶方位［０１１］（または［０１^－１^－］）方向に光を伝播させるように形成されており、ＥＡ変調器２０２、ＳＯＡ２０３についても同一方位、同一光軸上に配列されている。また、ＳＯＡ２０３および、出力端部２０４の窓領域２４３に至るまで導波路を形成している。ここで、窓領域２４３に至る導波路２４２は、結晶方位［０１１］（または［０１^－１^－］）に対してθ_ｗｇの角度を持つような曲げ導波路であり、曲げ導波路以降の光は上記の伝搬角度で伝搬する。実施例１においては、エッチドファセットへの光の入射角θ_１＝５°となるように設計している。したがって、エッチドファセットからの出射角度θ_２は約１６°となることが想定されることから、導波路の曲げ角度θ_ｗｇは１１°とした。

次に埋め込み再成長によってメサの両脇にＦｅをドーピングした半絶縁性ＩｎＰ層を形成する。この工程により窓領域の部分にもバルクのＩｎＰが成長される。続いて、ＤＦＢレーザ２０１、ＥＡ変調器２０２、ＳＯＡ２０３のそれぞれの領域を電気的に分離するために、各領域間のコンタクト層をウェットエッチングにより除去する。続いて、半導体基板上部表面の各領域上のコンタクト層を介して電流を注入するためのＰ側の電極を形成する。

次に、ドライエッチング工程により、後述する開口溝を形成し、これによりＡＸＥＬ２００からの光出力を行う出射端面（エッチドファセット）を形成する。その後、ＩｎＰ基板を１５０μｍ程度まで研磨し、基板裏面に電極を形成して半導体ウエハ上での工程は完了する。次に、結晶の（０１１）面をへき開によって形成することにより、複数のＡＸＥＬチップを含む半導体バーを作製する。ここでは一般的な半導体チップのへき開工程を用い、そのへき開位置精度は±１０μｍ以下である。へき開工程によって作製された複数の光送信機チップが連なった半導体バーにおいて、Ｓ光出力を行う前方側の端面にはＡＲコーティングを、反対側の端面には高反射コーティング（ＨＲ）を施した。

図１４に、実施例１にかかるＡＸＥＬの開口溝の構造を示す。開口溝２０５は、へき開位置２５１をまたがるようにして形成される。上述したように、へき開で形成される面は結晶面（０１１）である。ここでは、開口溝２０５は平行四辺形の形状をしている。結晶方位［０１１］と平行する長さを２Ｗとしている。したがって、へき開位置２５１から光が出射されるエッチドファセット上の出射点までＷの幅で隔てられる。へき開工程の製造誤差を補償するためには、この幅Ｗをへき開精度以上に大きく儲ける必要がある。今回は一般的なへき開位置精度が±１０μｍ以下であることを考慮し、Ｗ＝１０μｍとして作製する。

図１５Ａに、実施例１にかかる出力端部の開口溝の構造を示す。図１５Ｂは、開口溝２０５を形成する辺のうち、導波路２４２から出射された光ビームの中心が交差する側の辺が出射端面となるエッチドファセット２５２を形成する。エッチドファセット２５２の面は、へき開によって形成される結晶面（０１１）に対して角度θ_ｆをなすように設計されている。上述した通り、実施例１ではエッチドファセット２５２への入射角θ_１を５°としている。したがって、エッチドファセット２５２のなす角度θ_ｆ＝１６°となるように設計している。結晶方位［０１１］に対して角度θ_ｗｇ＝１１°をなす導波路から出射された光は、角度θ_１＝５°をなしてエッチドファセットに入射し、出射角θ_２＝１６°で出射される。結果として、この出射光は結晶方位［０１１］と同一方向に出射され、へき開面（０１１）に垂直な方角に出射される。

図１６に、実施例１にかかるＡＸＥＬの窓領域の長さのバラつきと光損失との関係を示す。エッチドファセットを導入したことによる効果を確認するために、同一工程で作製した複数のＡＸＥＬチップを用いて光送信機を作製し、光送信機内部での損失を評価した。ここでは、へき開工程が完了したＡＸＥＬチップに対してあらかじめ、ＣＷ駆動による光出力を測定しておき、へき開位置のズレ量を実測値として評価した。ＣＷ駆動の条件は、ＥＡ変調器２０２は無バイアス状態とし、ＤＦＢレーザ２０１に８０ｍＡの電流を印可し、ＳＯＡ２０３に４０ｍＡの電流を印可した際の光出力を測定している。また、ＡＸＥＬチップの動作温度は５５℃とした。

次に、各ＡＸＥＬチップを一般的なアクティブ実装工程によって、バタフライ型パッケージに実装して光送信機を作製した。作製した光送信機に光ファイバを結合し、光出力を上述した測定と同一条件で評価し、光送信機に実装する前後での光結合損失を比較した。図１６には、実施例１にかかる光送信機の評価結果と、従来の窓構造を有する光送信機の評価結果も示している。ここでは横軸にへき開時の位置ズレ量を示し、縦軸には光送信機内部での光損失を示している。

従来例は、図７に示したデータと同一であり、△印で示す。上述した通り、へき開の位置精度には限界があり、図１６に示すようにある程度のバラつきが生じてしまっている。一般的な窓構造の製造工程においては、このへき開位置によって窓領域の長さが決定される。この手法ではへき開位置のズレ量によってモジュールの光結合損失が大きく変動し、設計値よりも窓領域の長さが大きくなった場合に、顕著に光損失が増大する。従来のＡＸＥＬチップの正味の光出力は、変調時の出力で平均１０ｄＢｍ程度と推定される。したがって、光送信機に実装した際に２ｄＢ以上の損失が増加すると、目標とする＋８ｄＢｍ光出力を満たさない光送信機が作製され、このことが光送信機の製造時の歩留まりを低下させる主要因となる。

実施例１にかかる光送信機の評価結果を○印で示す。エッチドファセットを搭載したＡＸＥＬチップでは、製造時のへき開位置のズレ量と光損失とに相関がみられず、へき開の位置ズレに対しても安定した光結合損失が得られている。この結果から、エッチドファセットの導入により、従来は光損失のバラつきが不可避であった窓構造を有するＡＸＥＬチップに対しても、高歩留まりで製造することが可能になる。変調時の光出力の目標値８ｄＢｍ以上に対し、従来の製造方法においては、ウエハ内のＡＸＥＬチップの歩留まりは約４０％であった。しかし、実施例１にかかるＡＸＥＬチップでは、製造歩留まりを約７５％まで飛躍的に向上させることができる。

実施例１のＡＸＥＬチップを実装した光送信機を用いて、２５Ｇｂｉｔ／ｓの変調時の特性評価を行い動作品質の確認を行った。変調信号はＮＲＺ、ＰＲＢＳ２^３１－１を用いた。ここでは、すべてのＡＸＥＬチップにおいて、ＤＦＢレーザ２０１の電流値を８０ｍＡ、ＥＡ変調器２０２への印可電圧を－１．５Ｖに設定して比較を行った。ＳＯＡ２０３の駆動電流については７０ｍＡに設定した。ここでは２５Ｇｂｉｔ／ｓのＥＹＥ波形評価から動的消光比９．１ｄＢが得られた。

図１７に、実施例１にかかるＡＸＥＬの光波形品質を評価した結果を示す。図５と同様に、縦軸は、光波形の品質を表すマスクマージンと呼ばれる指標で、マージンが大きいほど明瞭なアイの開口を表す。従来例は、図５に示したデータと同一であり、△印で示す。実施例１にかかる光送信機の評価結果を○印で示すとおり、へき開位置のズレによらず、安定したマスクマージン＞３０％が得られている。これは、従来のＡＸＥＬチップにおいて良好な品質が得られていた光送信機と同程度の水準である。したがって、実施例１によって光信号の波形品質劣化などはなく、製造歩留まりのみが飛躍的に増大されている。上述した動作条件を用いてシングルモードファイバによる４０ｋｍの伝送特性を評価したところ、ビットエラーレート１０^－１２を下回るエラーフリーの伝送が確認できた。以上の結果から、窓構造を有するＡＸＥＬチップにエッチドファセットを有する窓構造を導入することにより、従来の光送信機の性能を劣化させることなく、製造歩留まりを飛躍的に向上させることができる。

図１８Ａ，１８Ｂを参照して、ＡＸＥＬチップを実装した光送信機の小型化について説明する。図１８Ａに、出力端部に直線導波路を適用したＡＸＥＬチップ３０１と、制御回路等の半導体チップ３０２を、バタフライ型パッケージに実装した光送信機３００を示す。図１８Ｂに、出力端部に曲げ導波路を適用したＡＸＥＬチップ３１１と、制御回路等の半導体チップ３１２を、バタフライ型パッケージに実装した光送信機３１０を示す。光送信機３１０では、ＡＸＥＬチップ３１１からの出射角度の影響から、バタフライ型パッケージの中に斜めに配置する必要があり、チップ専有面積Ａが増大してしまう。従って、光送信機３１０は、光送信機３００より大きなバタフライ型パッケージが必要となり、小型化が困難であった。

一方、図１５に示した実施例１のＡＸＥＬチップを適用すれば、出射光は結晶方位［０１１］と同一方向に出射され、へき開面（０１１）に垂直な方角に出射される。従って、図１８Ａに示したバタフライ型パッケージを適用することができる。なお、バタフライ型パッケージを例に説明したが、光モジュールを構成する様々なパッケージにおいても同様の効果を奏することができる。

ＡＸＥＬチップは、複数の機能を有する領域を集積したデバイスであることから、光の伝搬方向に対するチップの長さが比較的長い。さらに、光出力の高出力化には、光路長の長いＳＯＡが必要であることから、さらにＡＸＥＬチップが長尺化してしまう。一般的なＡＸＥＬチップの長さは１２５０μｍ、幅は２５０μｍであり、これに端面反射抑制のための曲げ導波路を角度７°で設定した場合、出射角度θ_２は２２°となる。従って、ＡＸＥＬチップ３１１を、バタフライ型パッケージの出射方向に対してθ_２＝２２°の角度で配置する必要がある。この場合、ＡＸＥＬチップ３１１の専有面積Ａは、ＡＸＥＬチップ３０１と比較して、約４倍増加してしまう。

図１９を参照して、ＡＸＥＬチップの小型化についても説明する。上述したように、ＡＸＥＬの高出力のためには、チップの光軸方向のサイズを低減することは難しい。加えて、光軸と直交するチップ幅のサイズを低減することも困難である。ＡＸＥＬチップ３３０は、長さ３００μｍのＤＦＢレーザ３３１と、長さ１５０μｍのＥＡ変調器３３２と、長さ１５０μｍのＳＯＡ３３３とが集積され、全長１２５０μｍのモノリシック集積素子である。

ＡＸＥＬチップ３３０に曲げ導波路３４２を導入した場合、導波路からの出射光がへき開面３４１に到達するビーム出射位置３４４は、へき開面３４１の中央からずれてしまう。すなわち、ＡＸＥＬチップ３３０の幅Ｗを小さくしすぎると、光ビームの出射位置がへき開面３４１の端に近づいてしまう。加えて、光ビームの出射位置を端面の端にあるように設計すると、上述の通り、へき開工程においては位置ずれ誤差が大きいので、出射位置がへき開面から外れ側壁に到達してしまう懸念が生じる。したがって、従来はへき開位置の誤差を補償できる程度に、ＡＸＥＬチップの幅を大きめに設計しており、幅Ｗ＝２５０μｍ程度が必要であった。実施例１によれば、エッチドファセットの導入により、へき開工程の製造誤差による出射位置の位置ズレを防ぐことができるので、ＡＸＥＬチップの幅を短縮することができる。

図２０に、実施例２にかかるＡＸＥＬチップの構造を示す、実施例１にかかるＡＸＥＬチップと同じく、ＩｎＰ基板（１００）面上に作製されたＡＸＥＬチップ４００であり、ＤＦＢレーザ４０１とＥＡ変調器４０２とは、それぞれ結晶方位［０１１］方向に光軸を有する。実施例２においては、高光出力特性と同時に十分なチップ端面の反射抑制効果を得るために、チップの出射端面に対する入射角度θ_１を７°とした。したがって、エッチドファセット４５２を設け、チップからの出射角度を０°とするために、結晶方位［０１１］に対してθｗｇ＝１５°となるような曲げ導波路４４２を用いた。さらに、実施例２では、曲げ導波路４４２における光損失を補償するために、ＳＯＡ４０３を曲げ導波路４４２の後段に配置した。ＳＯＡ４０３のさらに後段には、窓領域４４３が配置され、エッチドファセット４５２によって光の出射方向が結晶方位［０１１］と並行に変換され、チップ外部に出力される。

ＡＸＥＬチップ４００は、１．３μｍ帯を発振波長とする長さ３００μｍのＤＦＢレーザ４０１と、長さ１５０μｍのＥＡ変調器４０２と、ＳＯＡ４０３とが集積されたモノリシック集積素子である。ＳＯＡ４０３の長さは２００μｍであり、２５Ｇｂｉｔ／ｓ変調時の光波形品質と高出力特性を両立するうえで最も長い長さに設定している。ＡＸＥＬチップ４００の［０１１］方向の全長Ｌは、１２５０μｍである。

図２１Ａに、実施例２にかかるＡＸＥＬの出力端部の構造を示す。ここでは、曲げ導波路４４２とＳＯＡ４０３とを、結晶方位［０１１］に対して、曲げ領域４３１、ＳＯＡ領域４３２、出射領域４３３に区分している。曲げ領域４３１は、角度θｗｇ＝１５°に導波路を曲げるために必要とされる最低の長さとして１５０μｍとした。ＳＯＡ領域４３２長、ＳＯＡ４０３の長さにｃｏｓθｗｇを乗じた長さになる。窓領域４４３を含めた出射領域４３３の長さは１００μｍである。したがって、ＡＸＥＬチップにおける曲げ導波路以降の結晶方位［０１１］に対して必要とされる長さは、最大４５０μｍとなる。なお、曲げ導波路４４２の出射端部には、徐々に導波路幅が狭くなるテーパ構造を用いている（例えば、特許文献１参照）。

このとき、結晶方位［０１^－１］に対する光軸のオフセットＷ_ＯＦは、約１２０μｍとなり（４５０μｍ×ｔａｎθｗｇ）、この値がＡＸＥＬチップ４００の幅Ｗの限界値となる。実施例２では、曲げ導波路４４２からチップの側壁までのマージンＷ_ＭＧを３０μｍとし、ＡＸＥＬチップ４００の幅は１５０μｍである。光の出射位置は、へき開端面４４１の（０１１）面とチップ側壁の（０１^－１）面の交点付近に当たることになる。この構成によれば、エッチドファセットの導入により、へき開工程の製造誤差による出射位置の位置ズレを防ぐことができるので、図１９に示したＡＸＥＬチップ３３０の幅Ｗ＝２５０μｍと比較して、大幅に短縮することができる。

図２１Ｂに、実施例２にかかるＡＸＥＬの開口溝の構造を示す。エッチドファセット４５２を形成する開口溝４５０は、へき開で形成される（０１１）面とチップ側壁の（０１^－１）面とにまたがるように配置される。単一のＡＸＥＬチップ内では、この開口溝４５０は、エッチドファセット４５２を形成する辺を斜辺とする直角三角形になっている。また、（０１１）面と（０１^－１）面それぞれに平行な辺をａ、ｂとすると、斜辺と辺ａのなす角がθ_ｆとなる。実施例２においてはθ_ｆ＝２２°とすることにより、ＡＸＥＬチップ４００からの出射角度を０°として光を取り出すことができる。また、（０１１）面と（０１^－１）面の位置ズレ誤差を補償するためには、各辺の長さをへき開精度以上に設計する必要がある。実施例２では、辺ａの長さを２５μｍ、辺ｂの長さを１０．１μｍとした。したがって、エッチドファセット４５２を構成する斜辺の長さは２７μｍである。

図２２は、実施例２にかかるＡＸＥＬの窓構造をへき開によって作製する場合の模式図である。開口溝５５０は、へき開位置５５１をまたがるようにして、隣接する４つのＡＸＥＬチップ５００ａ－５００ｄに形成される。上述したように、へき開で形成される面は結晶面（０１１）である。開口溝５５０は、一辺２７μｍのひし形の形状をしており、対向す２辺が、２つのＡＸＥＬチップ５００ｂ，５００ｃにエッチドファセットを形成している。ひし形の内角は４４°と１３６°であり、２本の対角線の長さは、図２１Ｂに示し辺ａ，ｂから、２ａ、２ｂに等しく５０μｍと２０．２μｍである。

なお、実際のウエハ上には、４つのＡＸＥＬチップを基本構成単位として、８×６６個のチップが１ｃｍ四方に配置されて１群をなし、さらに複数のチップ群が作製さる。

ここで、へき開プロセスについて説明する。上述した１群のチップ群（８×６６個）をウエハから切り出したのち、（０１１）面をへき開して、チップ６６個を含むバーを８本が作製される。各バーの（０１１）面と（０１^－１^－）面にＡＲ、ＨＲコーティングを施したのち、各バーの（０１^－１）面のへき開を行い、単一のＡＸＥＬチップへの切り出しを行う。２回のへき開工程における位置精度を確認したところ、すべてのへき開工程において位置誤差が±１０μｍ以下であることを確認した。作製したＡＸＥＬチップのチップ出射角度を確認したところ、へき開端面５５１の（０１１）面に対してすべてのチップで±０．０１°以下の出射角度が達成されていることが確認された。

前述の通り、チップ幅１５０μｍ、出射角度０°のＡＸＥＬチップが高歩留まりで実現されている。従来のＡＸＥＬチップでは出射角度２２°、チップ幅２５０μｍ程度が限界であった。これに対して、本実施例のＡＸＥＬチップでは、チップサイズを４割程度削減したことに加えて、出射角度を０°にしたことにより、光送信機として実装した時のチップ専有面積を７５％低減可能となった。

作製したＡＸＥＬチップの基本特性評価を行った。５５℃の動作温度において、ＤＦＢレーザに８０ｍＡの電流を印可し、ＳＯＡに１００ｍＡの電流を印可した。ＥＡ変調器には、印可電圧－１．５Ｖ、振幅電圧Ｖｐｐ＝１．５Ｖで２５Ｇｂｉｔ／ｓＮＲＺ信号による変調を行ったところ、変調時光出力として１１ｄＢｍに達する高出力特性が確認された。この、ＡＸＥＬチップにより光送信機を作製した際の歩留まりを評価したところ、変調時光出力の目標値１０ｄＢｍ以上に対し、実施例２に係るエッチドファセットを有するＡＸＥＬチップでは、約６０％の非常に良好な結果が確認された。

Claims (7)

1. 光を出射する出力端部において、出射端面に対して離間した内部の位置に終端面を有する導波路と、
   前記導波路の前記終端面と前記出射端面との間のバルク半導体からなる窓領域と、
   前記出射端面がエッチングにより形成された側壁であるように、前記出力端部に形成された開口溝と、
   前記開口溝に設けられ、前記出射端面から出射した光が入射するへき開面と、を備え、
   前記導波路の前記終端面は前記光を前記終端面の垂線方向に非屈折にて前記窓領域へ出射する端面であり、
   前記出射端面をなす前記窓領域の終端面は、前記へき開面の垂線方向と異なる方向の垂線を有し、かつ、前記窓領域の終端面の垂線方向からずれた入射角にて、前記窓領域を伝搬した前記光が入射し、前記入射角にて入射した前記光を前記へき開面の垂線方向へ屈折して出射する、ことを特徴とする半導体チップ。
2. 前記導波路の前記終端面から前記出射端面に至る前記窓領域の長さＬは、５μｍ＜Ｌ＜１５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の半導体チップ。
3. 前記導波路は、前記へき開面の垂線に対してθ_wgの角度をなす曲げ導波路であり、前記出射端面と前記へき開面とのなす角度がθ _f であり、前記出射端面に対する光の前記入射角をθ₁とし、前記出射端面において屈折され出射角θ₂をもって前記開口溝に出射されるとき、
   θ_wg＝θ₂－θ₁
   θ_f＝θ₂
   を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体チップ。
4. 前記出射端面に対する光の前記入射角を表すθ₁は、４°＜θ₁＜８°であることを特徴とする請求項３に記載の半導体チップ。
5. 電流注入により光利得を生じる多重量子井戸からなる活性層と回折格子を有するＤＦＢレーザと、
   前記ＤＦＢレーザとは異なる組成の多重量子井戸からなる吸収層を有するＥＡ変調器と、
   前記ＤＦＢレーザと同一組成の活性領域を有し、前記出力端部の前記導波路に接続された半導体光増幅器とをさらに備え、
   同一基板上にモノリシックに集積されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体チップ。
6. 前記ＤＦＢレーザ、前記ＥＡ変調器、および前記半導体光増幅器は、ＩｎＰ基板の（１００）面上に形成され、前記ＤＦＢレーザの光軸が前記ＩｎＰ基板の結晶方位［０１１］または［０１^-１^-］の方向であることを特徴とする請求項５に記載の半導体チップ。
7. 請求項３または４に記載の半導体チップが、パッケージに実装されたことを特徴とする光モジュール。

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