JPH0369904A - テーパ付き半導体導波路とそのエッチング方法 - Google Patents
テーパ付き半導体導波路とそのエッチング方法Info
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- JPH0369904A JPH0369904A JP2204060A JP20406090A JPH0369904A JP H0369904 A JPH0369904 A JP H0369904A JP 2204060 A JP2204060 A JP 2204060A JP 20406090 A JP20406090 A JP 20406090A JP H0369904 A JPH0369904 A JP H0369904A
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/1028—Coupling to elements in the cavity, e.g. coupling to waveguides adjacent the active region, e.g. forward coupled [DFC] structures
- H01S5/1032—Coupling to elements comprising an optical axis that is not aligned with the optical axis of the active region
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- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
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- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
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- H01L21/30612—Etching of AIIIBV compounds
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は、半導体デバイス、特に光導波路構造を有する
半導体デバイスに関する。
半導体デバイスに関する。
（従来技術）
１つの導波路から他の導波路へ光学波信号を効率良く転
送することは、光システムや回路の開発にとって重要な
ことである。光学波通信システムは、光ファイバのよう
な伝送媒体と、レーザ、カップラ、スイッチ、ディテク
タのような導波路デバイス間の通信を最小限必要として
いる。比較すると、伝送媒体中の光学波信号の伝搬モー
ドは導波路デバイス中より著しく大きい。例えば信号モ
ード光ファイバは約６−１０μｍ幅の基本モードを有す
る光学波信号を伝搬するのに対し、単一周波数半導体レ
ーザのような導波路デバイスは約１μｍ以下の基本モー
ド幅を有する光学波信号しか運ばない。
送することは、光システムや回路の開発にとって重要な
ことである。光学波通信システムは、光ファイバのよう
な伝送媒体と、レーザ、カップラ、スイッチ、ディテク
タのような導波路デバイス間の通信を最小限必要として
いる。比較すると、伝送媒体中の光学波信号の伝搬モー
ドは導波路デバイス中より著しく大きい。例えば信号モ
ード光ファイバは約６−１０μｍ幅の基本モードを有す
る光学波信号を伝搬するのに対し、単一周波数半導体レ
ーザのような導波路デバイスは約１μｍ以下の基本モー
ド幅を有する光学波信号しか運ばない。
テーバは、導かれる光学波信号のモード・サイズを制御
するために開発され、それは先導波路デバイスと光ファ
イバとの効率良い結合を可能にしている。テーバは２つ
の形状で実現されており、それは、その名が示すように
単独の光ファイバをベースにしたファイバ・テーバと、
単独のデバイス構造をベースにしたテーバ付き導波路で
ある。
するために開発され、それは先導波路デバイスと光ファ
イバとの効率良い結合を可能にしている。テーバは２つ
の形状で実現されており、それは、その名が示すように
単独の光ファイバをベースにしたファイバ・テーバと、
単独のデバイス構造をベースにしたテーバ付き導波路で
ある。
画形状において、テーバは光学波信号の伝搬方向に沿っ
て増加又は減少する。
て増加又は減少する。
半導体材料又は電気光学的材料のいずれかをベースにし
たテーバ付き導波路は、エピタキシャル成長、 又は光
電気化学エツチングや選択的化学エツチングのような特
殊エツチング技術により形成される。更に、テーバは伝
搬方向を横断する水平又は垂直方向のいずれかに形成さ
れる。これらは例えば、Ａｐｐｌ 、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔ
ｔ、 、 ２Ｂ （６） 、 ｐｐＪ３７−４０ （１
９７５）、米国特許３，９９３．９６３号、及び米国特
許３，９７８．４２６号に記載しである。テーバ付き導
波路を作る試みは個々には成功しているが、そこで用い
られている技術は１つのテーバ付き導波路と次のテーバ
導波路を同一に作るための十分な制御性に欠けている。
たテーバ付き導波路は、エピタキシャル成長、 又は光
電気化学エツチングや選択的化学エツチングのような特
殊エツチング技術により形成される。更に、テーバは伝
搬方向を横断する水平又は垂直方向のいずれかに形成さ
れる。これらは例えば、Ａｐｐｌ 、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔ
ｔ、 、 ２Ｂ （６） 、 ｐｐＪ３７−４０ （１
９７５）、米国特許３，９９３．９６３号、及び米国特
許３，９７８．４２６号に記載しである。テーバ付き導
波路を作る試みは個々には成功しているが、そこで用い
られている技術は１つのテーバ付き導波路と次のテーバ
導波路を同一に作るための十分な制御性に欠けている。
（発明の概要）
断熱モード制御と高度の構造再現性は、本発明のテーバ
付き半導体導波路構造によって遠戚され、本発明におい
ては、個々の半導体ガイド層はそれに対応する個々のス
トップ−エッチ層を挟み込んでおり、各々次のガイド層
は、階段状コア即ちガイド構造を形成するため・に、直
接上部に隣接するガイド層より導波路伝搬軸に沿ってよ
り遠くに延伸している。テーバ構造より低い屈折率を有
する適切な半導体材料のクラッド領域が、テーバ構造を
完全に囲むために付は加えられる。テーバガイド構造の
輪郭は、直線、放物線、指数関数曲線などの望ましい形
で実現されることが可能である。
付き半導体導波路構造によって遠戚され、本発明におい
ては、個々の半導体ガイド層はそれに対応する個々のス
トップ−エッチ層を挟み込んでおり、各々次のガイド層
は、階段状コア即ちガイド構造を形成するため・に、直
接上部に隣接するガイド層より導波路伝搬軸に沿ってよ
り遠くに延伸している。テーバ構造より低い屈折率を有
する適切な半導体材料のクラッド領域が、テーバ構造を
完全に囲むために付は加えられる。テーバガイド構造の
輪郭は、直線、放物線、指数関数曲線などの望ましい形
で実現されることが可能である。
他の実施例においては、より高い屈折率の半導体材料の
追加の層が、テーバ付き導波路に沿って伝搬する拡張空
間モードの追加のビーム形状作りを可能にするため、ク
ラッド層の中に設けられる。
追加の層が、テーバ付き導波路に沿って伝搬する拡張空
間モードの追加のビーム形状作りを可能にするため、ク
ラッド層の中に設けられる。
更に別の実施例においては、テーバ付き半導体導波路は
、例えば端面においてビーム拡張を作るために半導体レ
ーザの空洞内要素として入れられる。 より大きい露出
領域を連続的に形成するホトリソグラフィック・マスク
は、導波路構造の上に配置、堆積され、各エツチング工
程の終了後に取除かれる。材料選択的エツチング技術が
、ガイド層の露出部分（マスクされてない部分）を除去
するために用いられる。続いて、ガイド層の下にあった
ストップ・エッチ層の露出部分が材料選択的エツチング
技術を用いて除去される。上記プロセス−ステップを繰
返すことによって所定のテーバ導波路が作られる。
、例えば端面においてビーム拡張を作るために半導体レ
ーザの空洞内要素として入れられる。 より大きい露出
領域を連続的に形成するホトリソグラフィック・マスク
は、導波路構造の上に配置、堆積され、各エツチング工
程の終了後に取除かれる。材料選択的エツチング技術が
、ガイド層の露出部分（マスクされてない部分）を除去
するために用いられる。続いて、ガイド層の下にあった
ストップ・エッチ層の露出部分が材料選択的エツチング
技術を用いて除去される。上記プロセス−ステップを繰
返すことによって所定のテーバ導波路が作られる。
（実施例の説明）
第１図に示される半導体のヘテロ構造は、分子線エピタ
キシ、・蒸気相エピタキシ、金属有機化学蒸気堆積など
の標準エピタキシャル・プロセッシング技術によって製
造される。本発明の原理による第４図、第５図に示され
る典型的デバイスを実現するための半導体の層成長、不
純物ドーピング、ホトリソグラフィック、及び接触金属
化などの製造技術は、この分野の当業者に周知である。
キシ、・蒸気相エピタキシ、金属有機化学蒸気堆積など
の標準エピタキシャル・プロセッシング技術によって製
造される。本発明の原理による第４図、第５図に示され
る典型的デバイスを実現するための半導体の層成長、不
純物ドーピング、ホトリソグラフィック、及び接触金属
化などの製造技術は、この分野の当業者に周知である。
この技術の概要説明は、Ａ Ｔ ＆ Ｔ Ｔｅｃｈｎ
ｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ、Ｖｏｌ、６８．Ｎｏ、１
（Ｊａｎｕａｒｙ／Ｆｅｂｒｕａｒｙ １９８９）に
記されている。
ｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ、Ｖｏｌ、６８．Ｎｏ、１
（Ｊａｎｕａｒｙ／Ｆｅｂｒｕａｒｙ １９８９）に
記されている。
ＩｎＧａＡｓＰガイド層の材料系で、テーバの半導体導
波路デバイスを製造することを以下に述べるが、これ以
外の材料の組合わせ、即ち、Ｇ ａ Ａ ｓ ／ Ａ
Ｉ Ｇ ａ Ａ ｓ ＳＧ ａ Ａ ｓ ／ Ａ Ｉ
Ａ ｓ 。
波路デバイスを製造することを以下に述べるが、これ以
外の材料の組合わせ、即ち、Ｇ ａ Ａ ｓ ／ Ａ
Ｉ Ｇ ａ Ａ ｓ ＳＧ ａ Ａ ｓ ／ Ａ Ｉ
Ａ ｓ 。
ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａ
ＡｌＡｓ５ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡ ｌＡｓＳｂなどの■
−ｖ族半導体から選ぶこともできる。
ＡｌＡｓ５ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡ ｌＡｓＳｂなどの■
−ｖ族半導体から選ぶこともできる。
これらの半導体システムにおいて、各層は適当なＧａＡ
ｓ又はＩｎＰ基板に格子整合されている。
ｓ又はＩｎＰ基板に格子整合されている。
歪を有する層が基板材料上に成長する不整合も考えられ
ている。結局、デバイス構造の拡張は、■−Ｖ族化合物
半導体に対しても考えられている。
ている。結局、デバイス構造の拡張は、■−Ｖ族化合物
半導体に対しても考えられている。
本発明の実施において、連続した層に階段状の輪郭形成
を含んでいるので、必要な連続層をもつ出発材料を得る
ことが必要である。望ましい必要特性を持つ典型的な連
続層は、第１図に示すように、複数のガイド層と、それ
に挟み込まれた対応する複数のストップ・エッチ層（エ
ツチング阻止層）を有している。この技術分野の当業者
に良く知られた標準エピタキシャル成長技術が第１図の
半導体ヘテロ構造形成に用いられる。
を含んでいるので、必要な連続層をもつ出発材料を得る
ことが必要である。望ましい必要特性を持つ典型的な連
続層は、第１図に示すように、複数のガイド層と、それ
に挟み込まれた対応する複数のストップ・エッチ層（エ
ツチング阻止層）を有している。この技術分野の当業者
に良く知られた標準エピタキシャル成長技術が第１図の
半導体ヘテロ構造形成に用いられる。
第１図に示すように、下部クラッド層１０が、ガイド層
とストップ・エッチ層の介在構造を支えている。層１０
はＩｎＰからなり、ある適用においては、それは、ガイ
ド層／ストップ・エッチ層介在構造と基板の間に置かれ
る。別の応用においては、層１０は導波路用基板の役目
をすることもある。
とストップ・エッチ層の介在構造を支えている。層１０
はＩｎＰからなり、ある適用においては、それは、ガイ
ド層／ストップ・エッチ層介在構造と基板の間に置かれ
る。別の応用においては、層１０は導波路用基板の役目
をすることもある。
層１０の上には、以下述べる層が連続成長している。ガ
イド層１１、ストップ・エッチ層１２、ガイド層１３、
ストップ・エッチ層１４、ガイド層１５、ストップ・エ
ッチ層１６、ガイド層１７、ストップ・エッチ層１８、
ガイド層１９、ストップ・エッチ層２０、ガイド層２１
である。ガイド層は、導波路のクラツデイングを形成す
る半導体、空気又はその他のいずれかの材料の屈折率よ
り高い屈折率の半導体材料からなっている。本発明の例
では、Ｉ ｎ、、Ｇａ、ＡｓｘＰｌ−ｘからなる４元素
材料かガイド層として用いられ、この合金成分比ｘＳｙ
は、ヘテロ構造のための特定の格子定数と特定の波長、
又はエネルギー・バンド・ギャップを作るように選ばれ
る。Ｘとｙを選ぶ技術は、Ｊ、ＥＩｅｃｔｒｏｎ Ｍａ
ｔｅｒｉａｌｓ、Ｖｏｌ、３．ｐ、層３５ ｅｔ ｓｅ
ｑ、（１９７４〉にＲ，Ｎｏｏｎ他が述べている。個々
のガイド層の厚さは、テーバ付き導波路の形状、及びテ
ーバ付き導波路の各端部と長さに沿う望ましい空間モー
ドの制約量を決める時に考慮される。
イド層１１、ストップ・エッチ層１２、ガイド層１３、
ストップ・エッチ層１４、ガイド層１５、ストップ・エ
ッチ層１６、ガイド層１７、ストップ・エッチ層１８、
ガイド層１９、ストップ・エッチ層２０、ガイド層２１
である。ガイド層は、導波路のクラツデイングを形成す
る半導体、空気又はその他のいずれかの材料の屈折率よ
り高い屈折率の半導体材料からなっている。本発明の例
では、Ｉ ｎ、、Ｇａ、ＡｓｘＰｌ−ｘからなる４元素
材料かガイド層として用いられ、この合金成分比ｘＳｙ
は、ヘテロ構造のための特定の格子定数と特定の波長、
又はエネルギー・バンド・ギャップを作るように選ばれ
る。Ｘとｙを選ぶ技術は、Ｊ、ＥＩｅｃｔｒｏｎ Ｍａ
ｔｅｒｉａｌｓ、Ｖｏｌ、３．ｐ、層３５ ｅｔ ｓｅ
ｑ、（１９７４〉にＲ，Ｎｏｏｎ他が述べている。個々
のガイド層の厚さは、テーバ付き導波路の形状、及びテ
ーバ付き導波路の各端部と長さに沿う望ましい空間モー
ドの制約量を決める時に考慮される。
ストップ・エッチ層は、ガイド層の処理に用いられる腐
蝕液やエツチング技術に対して、エツチング速度が実質
的に遅い半導体材料からなっている。本実施例では、Ｉ
ｎＰストップ・エッチ層は、ＩｎＧａＡｓＰガイド層の
露出部分を除去するため１′：用いられる材料選択的腐
蝕液に対して、より低いエツチング速度を有している。
蝕液やエツチング技術に対して、エツチング速度が実質
的に遅い半導体材料からなっている。本実施例では、Ｉ
ｎＰストップ・エッチ層は、ＩｎＧａＡｓＰガイド層の
露出部分を除去するため１′：用いられる材料選択的腐
蝕液に対して、より低いエツチング速度を有している。
これらの技術を用いることによって、ガイド層に導かれ
る光信号の摂動を防ぐために、ヘテロインタフェイスか
らヘテロインタフェイスへ測った厚さを十分薄くし得る
ストップ・エッチ層をもつテーバ付き導波路の製造が可
能になる。しかし、光信号特性を乱すストップ・エッチ
層の使用は、全体的効果としてはテーバ付き導波路の動
作を大きくは害しないよう考慮されている。
る光信号の摂動を防ぐために、ヘテロインタフェイスか
らヘテロインタフェイスへ測った厚さを十分薄くし得る
ストップ・エッチ層をもつテーバ付き導波路の製造が可
能になる。しかし、光信号特性を乱すストップ・エッチ
層の使用は、全体的効果としてはテーバ付き導波路の動
作を大きくは害しないよう考慮されている。
テーバ形成は、第２図に示されるように、最上ガイド層
２１をホトリソグラフィック・マスクで覆うことによっ
て始まり、マスク／エツチングの繰返しによって実現さ
れる。シブリ（Ｓｈｌｐｌａｙ ）又はＡＺなどのホト
レジスト・マスクが、マスク２２の使用に適している。
２１をホトリソグラフィック・マスクで覆うことによっ
て始まり、マスク／エツチングの繰返しによって実現さ
れる。シブリ（Ｓｈｌｐｌａｙ ）又はＡＺなどのホト
レジスト・マスクが、マスク２２の使用に適している。
ＣＶＤなどの堆積技術もマスク堆積に適している。ＣＶ
Ｄ技術を使う時は、通常シリコン窒化物又はシリコン酸
化物の層がマスキング用に使われる。マスク２２は層２
１の露出範囲を決める開口部を含んでいる。
Ｄ技術を使う時は、通常シリコン窒化物又はシリコン酸
化物の層がマスキング用に使われる。マスク２２は層２
１の露出範囲を決める開口部を含んでいる。
マスクが設けられた後、マスクによって露出されている
部分を除去するために、材料選択的腐蝕液がガイド層２
１に接触する。数種類の湿式化学腐蝕液が、第２図のヘ
テロ構造内に存在する４元素半導体材料を選択的に除去
するのに適している。
部分を除去するために、材料選択的腐蝕液がガイド層２
１に接触する。数種類の湿式化学腐蝕液が、第２図のヘ
テロ構造内に存在する４元素半導体材料を選択的に除去
するのに適している。
数種類の選択的腐蝕液の例としては、割合が３＝１＝１
及び１０：１：１のＨ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２：ＨＯの溶液
、又はＡ溶液が約４０ ｍ ｌ 、 Ｈ２０＋０．３ｇ
、ＡｇＮＯ３＋４０ｍ１．ＨＦ５Ｂ溶液が約４０ｇ、Ｃ
ｒｙ３＋４０ｍ１．Ｈ２ＯのＡＢ腐蝕液、又はＫＯＨ：
Ｋ Ｆ ｅ （ＣＮ） ｅ ： Ｈ２０などがある
。エツチング時間は個々の４元素層の厚さ、温度、及び
層の合金成分比によって変わる。エツチングは、通常腐
蝕液を例えば脱イオン化水で洗い流すことによって終了
する。マスク２２は、この時点、又はストップ・エッチ
層２０の露出部分の除去後に取り除かれる。
及び１０：１：１のＨ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２：ＨＯの溶液
、又はＡ溶液が約４０ ｍ ｌ 、 Ｈ２０＋０．３ｇ
、ＡｇＮＯ３＋４０ｍ１．ＨＦ５Ｂ溶液が約４０ｇ、Ｃ
ｒｙ３＋４０ｍ１．Ｈ２ＯのＡＢ腐蝕液、又はＫＯＨ：
Ｋ Ｆ ｅ （ＣＮ） ｅ ： Ｈ２０などがある
。エツチング時間は個々の４元素層の厚さ、温度、及び
層の合金成分比によって変わる。エツチングは、通常腐
蝕液を例えば脱イオン化水で洗い流すことによって終了
する。マスク２２は、この時点、又はストップ・エッチ
層２０の露出部分の除去後に取り除かれる。
層２１の露出部分が除去された後、層２１の垂直端部は
、ストップ・エッチ層２０の露出部分をマスキングする
のに適している。ＨＣｌ又はＩＣ１： Ｈ３Ｐ Ｏ４（
例えば２：１）などの腐蝕液は、ＩｎＰストップ・エッ
チ層のエツチングに有用である。一般に、ＨＣｌのよう
な腐蝕液は特定の結晶グラフィック面が露出するまでＩ
ｎＰに反応し続ける。そのように、層２０のエツチング
を止めるために、洗い流しが必要な場合と、必要でない
場合がある。
、ストップ・エッチ層２０の露出部分をマスキングする
のに適している。ＨＣｌ又はＩＣ１： Ｈ３Ｐ Ｏ４（
例えば２：１）などの腐蝕液は、ＩｎＰストップ・エッ
チ層のエツチングに有用である。一般に、ＨＣｌのよう
な腐蝕液は特定の結晶グラフィック面が露出するまでＩ
ｎＰに反応し続ける。そのように、層２０のエツチング
を止めるために、洗い流しが必要な場合と、必要でない
場合がある。
テーバ形成プロセスを続けるために、第３図に示される
ように層２１の上にホトリソグラフィック・マスク３０
を形成することが必要である。マスク３０は、現在は取
除かれているマスク２２の以前の開口部端部と、一方の
側がほぼ同位置におかれる。マスク３０の開口部は、層
２１のより大きい部分を露出する（除去された部分の左
に延伸する）。その結果、両ガイド層２１．１９の部分
が次のエツチングのために露出される。上述したプロセ
スは、テーパ付きリング・プロセスの概念的理解を得る
ために有用である。実際のウェーハ製造においては、チ
ップは、１つのチップからの下降テーバが他のチップの
上昇テーバになるようにフリップ・フロップされる。そ
の時には、下降テーバ、上昇テーバ間に割れ目が作られ
る。又、テーバ形成プロセスは、導波路の垂直側面など
を決めるための横方向のプロセスが始まる前に行われる
。
ように層２１の上にホトリソグラフィック・マスク３０
を形成することが必要である。マスク３０は、現在は取
除かれているマスク２２の以前の開口部端部と、一方の
側がほぼ同位置におかれる。マスク３０の開口部は、層
２１のより大きい部分を露出する（除去された部分の左
に延伸する）。その結果、両ガイド層２１．１９の部分
が次のエツチングのために露出される。上述したプロセ
スは、テーパ付きリング・プロセスの概念的理解を得る
ために有用である。実際のウェーハ製造においては、チ
ップは、１つのチップからの下降テーバが他のチップの
上昇テーバになるようにフリップ・フロップされる。そ
の時には、下降テーバ、上昇テーバ間に割れ目が作られ
る。又、テーバ形成プロセスは、導波路の垂直側面など
を決めるための横方向のプロセスが始まる前に行われる
。
材料選択的腐蝕液は、下のストップ・エッチ層２０．１
８を露出させるためにカイト層の露出部に与えられる。
８を露出させるためにカイト層の露出部に与えられる。
このエツチングのステップは、ストップ・エッチ層によ
って実質的に終了する。もし必要があれば、腐蝕液を洗
い流すことによって、このエツチング工程は完全に終了
する。他の材料選択的腐蝕液が次ぎに、ストップ・エッ
チ層２０゜１８の部分を除去するために、現在露出して
いる部分に与えられる。連続的マスク／エッチの工程で
出来た典型的構造は第３図に示される。
って実質的に終了する。もし必要があれば、腐蝕液を洗
い流すことによって、このエツチング工程は完全に終了
する。他の材料選択的腐蝕液が次ぎに、ストップ・エッ
チ層２０゜１８の部分を除去するために、現在露出して
いる部分に与えられる。連続的マスク／エッチの工程で
出来た典型的構造は第３図に示される。
この作業は、更にマスク／エッチ工程が続けられ、各ホ
トリソグラフィック・マスクは、その前のマスクの開口
部より所定量だけ大きい開口部が決められる。この連続
的マスク／エッチ工程を５回繰返すことによって、第１
図の初期形状は第４図のような階段状テーバ輪郭になる
。
トリソグラフィック・マスクは、その前のマスクの開口
部より所定量だけ大きい開口部が決められる。この連続
的マスク／エッチ工程を５回繰返すことによって、第１
図の初期形状は第４図のような階段状テーバ輪郭になる
。
第４図に示されるように、追加クラッド層４０が、露出
したテーバ付き導波路の上にエピタキシャル成長される
。層４０はテーバ構造のそれよりも、低い屈折率を持つ
材料から選択される。断面図はヘテロ構造の上と下から
のガイド層に対するクラッドを示しているが、横方向又
は横断方向のクラッド領域かヘテロ構造の周囲に形成さ
れることも考慮されている。
したテーバ付き導波路の上にエピタキシャル成長される
。層４０はテーバ構造のそれよりも、低い屈折率を持つ
材料から選択される。断面図はヘテロ構造の上と下から
のガイド層に対するクラッドを示しているが、横方向又
は横断方向のクラッド領域かヘテロ構造の周囲に形成さ
れることも考慮されている。
境界Ｘ−Ｘ−とｙ−ｙ−は、テーバの各端における最外
部のガイド層の基準点を示している。対応する基準点は
、光信号が伝搬する伝搬軸と直角方向に示されている。
部のガイド層の基準点を示している。対応する基準点は
、光信号が伝搬する伝搬軸と直角方向に示されている。
これらの基準点は、テーバに沿った各点における空間モ
ードを比較するのに有用である。第６図に示すように、
空間モード６０を持つ光信号は、テーバ付き導波路の入
力であり、ガイド層１１から２１の基準点Ｘ−Ｘ＝の間
にほぼ閉じ込められている。信号の中心モードはテーバ
動作が良い効果を現すためにシフトされている。信号は
突穴どうりには描かれていないことに注意されたい。光
信号がテーバ付き導波路を横断する時、光信号はテーバ
の周囲のクラッド領域中へ結合する増加した光バワニを
もった断熱的ビーム拡張を受ける。
ードを比較するのに有用である。第６図に示すように、
空間モード６０を持つ光信号は、テーバ付き導波路の入
力であり、ガイド層１１から２１の基準点Ｘ−Ｘ＝の間
にほぼ閉じ込められている。信号の中心モードはテーバ
動作が良い効果を現すためにシフトされている。信号は
突穴どうりには描かれていないことに注意されたい。光
信号がテーバ付き導波路を横断する時、光信号はテーバ
の周囲のクラッド領域中へ結合する増加した光バワニを
もった断熱的ビーム拡張を受ける。
テーバ出力に達すると、光信号は空間モード６１に示さ
れるようなモードを持ち、それはテーバ入力ビームより
著しく大きく、基準点がｙ−ｙ−であるガイド層（例え
ば層１１）によってなおガイドされている。従って、テ
ーバを横断する光信号の空間モードは、レーザ出力のよ
うな厳しく制御されたモードから、例えばファイバ結合
のために優れた非常に大きなモードへ、断熱的に転移す
ることを強いられる。
れるようなモードを持ち、それはテーバ入力ビームより
著しく大きく、基準点がｙ−ｙ−であるガイド層（例え
ば層１１）によってなおガイドされている。従って、テ
ーバを横断する光信号の空間モードは、レーザ出力のよ
うな厳しく制御されたモードから、例えばファイバ結合
のために優れた非常に大きなモードへ、断熱的に転移す
ることを強いられる。
モード・サイズの拡張により、テーパ付き導波路による
光信号出力のビーム発散を制御し抑制することが可能に
なる。これはテーバ付き導波路からの大きな基本的空間
モード出力が、はぼ平らな同位相波面をしめずことが可
能になる。ビーム発散制御は、テーバ付き導波路が、伝
搬軸に沿って測った長さ１００μｍ以上に亘って約３０
００オングストローム（Ｘ−Ｘ″）から約５００オング
ストローム（ｙ−ｙ−）に減少するようにな上記導波路
と同様な導波路デバイスでの遠距離フィールドでの測定
から観察される。遠距離フィールドフルの放射パターン
のための半パワー角は、垂直、水平両横断軸に対して１
０°と１２″の間に観測される。
光信号出力のビーム発散を制御し抑制することが可能に
なる。これはテーバ付き導波路からの大きな基本的空間
モード出力が、はぼ平らな同位相波面をしめずことが可
能になる。ビーム発散制御は、テーバ付き導波路が、伝
搬軸に沿って測った長さ１００μｍ以上に亘って約３０
００オングストローム（Ｘ−Ｘ″）から約５００オング
ストローム（ｙ−ｙ−）に減少するようにな上記導波路
と同様な導波路デバイスでの遠距離フィールドでの測定
から観察される。遠距離フィールドフルの放射パターン
のための半パワー角は、垂直、水平両横断軸に対して１
０°と１２″の間に観測される。
典型的な実施例と適用において、テーバ付き導波路は、
テーパ付き導波路の前の共振子空洞の長さ部分に沿った
多重量子井戸の能動層構造を持つレーザ空洞内で使われ
る。多重量子井戸の層構造は、ホトルミネッセンス波長
λが約１．５μｍに等しい値を持つ井戸の能動スタック
を含んでいる。
テーパ付き導波路の前の共振子空洞の長さ部分に沿った
多重量子井戸の能動層構造を持つレーザ空洞内で使われ
る。多重量子井戸の層構造は、ホトルミネッセンス波長
λが約１．５μｍに等しい値を持つ井戸の能動スタック
を含んでいる。
多ｆｆ１ｆｆｉ子井戸の能動スタックは、井戸と障壁夫
々の材料としてＩ ｎＧａＡｓとＩｎＧａＡｓＰ （１
゜３μｍ）を用いた約８００オングストロームの全体厚
を持つ４つの量子井戸からなる。能動層構造（図示せず
）は、第１図のテーバヘテロ構造の最上部に位置し、約
２００オングストロームの厚さを持つＩｎＰストップ・
エッチ層（同じく図示せず）によって層２１から隔離さ
れている。能動層構造とそのすぐ下のストップ・エッチ
層は、レーザ空洞の所定の部分に沿った受動透明導波路
のヘテロ構造を残すために除去され、それは上記原理に
従ったテーパ付き導波路の中に変成される。ストップ・
エッチ層と残存ストップ・エッチ層は、約２００オング
ストロームの厚さである。ガイド層２１から１１は、Ｉ
ｎＧａＡｓＰ （１，３μｍ）からなる。約１０２５オ
ングストロームの厚さを有するガイド層２１は、能動層
スタックとその下のエツチング層（図示せず）のエツチ
ング層の端部を越えて約２０μｍ伸びている。約７００
オングストロームの厚さを有するガイド層１つは、層２
１と２０のエツチング端を越えて約２０μｍ伸びている
。約４２５オングストロームの厚さを有するガイド層１
７は、層１９と１８のエツチング端を越えて約２５μｍ
伸びている。約３００オングストロームの厚さを有する
ガイド層１５は、層１７と１６のエツチング端を越えて
約３０μｍ伸びている。約２００オングストロームの厚
さを有するガイド層１３は、層１５と１４のエツチング
端を越えて約４０μｍ伸びている。約５００オングスト
ロームの厚さを有するガイド層１１は、層１３と１２の
エツチング端を越えて、テーパ付き導波路デバイスの出
力ガイド層として伸びている。
々の材料としてＩ ｎＧａＡｓとＩｎＧａＡｓＰ （１
゜３μｍ）を用いた約８００オングストロームの全体厚
を持つ４つの量子井戸からなる。能動層構造（図示せず
）は、第１図のテーバヘテロ構造の最上部に位置し、約
２００オングストロームの厚さを持つＩｎＰストップ・
エッチ層（同じく図示せず）によって層２１から隔離さ
れている。能動層構造とそのすぐ下のストップ・エッチ
層は、レーザ空洞の所定の部分に沿った受動透明導波路
のヘテロ構造を残すために除去され、それは上記原理に
従ったテーパ付き導波路の中に変成される。ストップ・
エッチ層と残存ストップ・エッチ層は、約２００オング
ストロームの厚さである。ガイド層２１から１１は、Ｉ
ｎＧａＡｓＰ （１，３μｍ）からなる。約１０２５オ
ングストロームの厚さを有するガイド層２１は、能動層
スタックとその下のエツチング層（図示せず）のエツチ
ング層の端部を越えて約２０μｍ伸びている。約７００
オングストロームの厚さを有するガイド層１つは、層２
１と２０のエツチング端を越えて約２０μｍ伸びている
。約４２５オングストロームの厚さを有するガイド層１
７は、層１９と１８のエツチング端を越えて約２５μｍ
伸びている。約３００オングストロームの厚さを有する
ガイド層１５は、層１７と１６のエツチング端を越えて
約３０μｍ伸びている。約２００オングストロームの厚
さを有するガイド層１３は、層１５と１４のエツチング
端を越えて約４０μｍ伸びている。約５００オングスト
ロームの厚さを有するガイド層１１は、層１３と１２の
エツチング端を越えて、テーパ付き導波路デバイスの出
力ガイド層として伸びている。
上記のテーバ付き導波路は、多少非直線のテーバ輪郭を
持っているが、直線、２次曲線、対数曲線、指数関数曲
線、その他望ましい輪郭が考えられ、それはテーバ構造
に含まれる各種ガイド層の長さ、又は厚さ、又は長さと
厚さの双方を変えることによって達成可能である。１つ
のガイド層の前の層のエツチング端からの延長は、導波
路モード輪郭の正しい断熱変化を確保するため、数個の
光波長より長くなるように選ばれ、このことは当業者に
は明らかなことである。これらの延長は、通常、数ミク
ロンのオーダーである。
持っているが、直線、２次曲線、対数曲線、指数関数曲
線、その他望ましい輪郭が考えられ、それはテーバ構造
に含まれる各種ガイド層の長さ、又は厚さ、又は長さと
厚さの双方を変えることによって達成可能である。１つ
のガイド層の前の層のエツチング端からの延長は、導波
路モード輪郭の正しい断熱変化を確保するため、数個の
光波長より長くなるように選ばれ、このことは当業者に
は明らかなことである。これらの延長は、通常、数ミク
ロンのオーダーである。
追加のビーム制御又はビーム形状作りは、テ−パ構造の
周囲のクラッド領域に、１つ又はそれ以上のガイド層を
有することによって達成される。
周囲のクラッド領域に、１つ又はそれ以上のガイド層を
有することによって達成される。
そのような追加ガイド層は、テーパ構造の近傍へ光パワ
ーを入れる結果となり、より望ましいビーム輪郭を作る
ことができる。追加ガイド層の非対称的及び対称的変位
が、ビーム制御と形状作りのために考えられる。
ーを入れる結果となり、より望ましいビーム輪郭を作る
ことができる。追加ガイド層の非対称的及び対称的変位
が、ビーム制御と形状作りのために考えられる。
テーパ付き導波路と合成されたビーム制御と形状作りの
エレメントの一実施例が、第５図に示される。挟み込ま
れたガイド層とストップ・エッチ層を含むテーパ付き導
波路構造は、クラッド層５１．５３．５４及び５６を含
むより低い屈折率のクラッド領域に囲まれている。クラ
ッド層の中に、より高い屈折率のガイド層５２と５５が
、テーパ導波路からの光信号出力に対する空間モードの
形を制御するために設けられている。
エレメントの一実施例が、第５図に示される。挟み込ま
れたガイド層とストップ・エッチ層を含むテーパ付き導
波路構造は、クラッド層５１．５３．５４及び５６を含
むより低い屈折率のクラッド領域に囲まれている。クラ
ッド層の中に、より高い屈折率のガイド層５２と５５が
、テーパ導波路からの光信号出力に対する空間モードの
形を制御するために設けられている。
第７図は、第５図の構造に従ったビーム制御と形状作り
の効果を示している。信号の中心モードはテーパ動作が
良い効果を現すようにシフトされている。信号は突穴ど
うりに描かれていないが、この分析のためには十分であ
る。この例では、追加された光信号パワーは、クラッド
領域内のガイド層５２と５５を介したビーム形状形成に
ょリテーパ出力へ導かれる。テーパ出力６１と比較して
、テーバ出カフ１は基準点ｚ−ｚ”間のより多くの出力
パワーを含み、図示のごとくｚ′ （位置７３）と２（
位置７２）に置けるモードに或種の追加的形状を有して
いる。
の効果を示している。信号の中心モードはテーパ動作が
良い効果を現すようにシフトされている。信号は突穴ど
うりに描かれていないが、この分析のためには十分であ
る。この例では、追加された光信号パワーは、クラッド
領域内のガイド層５２と５５を介したビーム形状形成に
ょリテーパ出力へ導かれる。テーパ出力６１と比較して
、テーバ出カフ１は基準点ｚ−ｚ”間のより多くの出力
パワーを含み、図示のごとくｚ′ （位置７３）と２（
位置７２）に置けるモードに或種の追加的形状を有して
いる。
上述のテーパ付き導波路構造を用いることにより多くの
効果が得られる。製法は標準的で安定したものである。
効果が得られる。製法は標準的で安定したものである。
さらにそれは、ｍ−ｖ族し−ザや光集積回路の製造に用
いられている現在の技術と両立し得るものである。結果
的に、本導波路は光デバイスと集積可能であり、大量生
産に適している。大きなテーパ光出力によって、きわど
い配列工程が減少し、それによってテーパ付き導波路デ
バイスは大きな収容裕度が可能となる。テーパの設計は
、通常、ガイド層から隣接のガイド層へインタフェイス
する各ステップの損失が等しくなるように行われる。
いられている現在の技術と両立し得るものである。結果
的に、本導波路は光デバイスと集積可能であり、大量生
産に適している。大きなテーパ光出力によって、きわど
い配列工程が減少し、それによってテーパ付き導波路デ
バイスは大きな収容裕度が可能となる。テーパの設計は
、通常、ガイド層から隣接のガイド層へインタフェイス
する各ステップの損失が等しくなるように行われる。
第１図乃至第４図は、本発明によるテーパ付き半導体導
波路の各製造ステップを示す断面図、第５図は、ビーム
形状作りの要素を含む本発明の典型的なテーパ付き半導
体導波路の断面図、第６図と第７図は、第４図と第５図
に示された、テーパ付き半導体導波路からの典型的な光
学波信号の入力と出力を示す図である。 出 願 人：アメリカン テレフォン アンドＦＩＧ、
２ ＦＩＧ、５
波路の各製造ステップを示す断面図、第５図は、ビーム
形状作りの要素を含む本発明の典型的なテーパ付き半導
体導波路の断面図、第６図と第７図は、第４図と第５図
に示された、テーパ付き半導体導波路からの典型的な光
学波信号の入力と出力を示す図である。 出 願 人：アメリカン テレフォン アンドＦＩＧ、
２ ＦＩＧ、５
Claims (20)
- （１）交互に挟み込まれたガイド層とストップ・エッチ
層を有する多層半導体ヘテロ構造体に、導波路を形成す
るエッチング方法において、対応する所定のストップ・
エッチ層部分を露出させるのに十分な時間、第１材料選
択的化学腐食液を所定の露出されたガイド層部分の表面
に接触させる第１接触ステップと、 対応する所定のガイド層部分を露出させるのに十分な時
間、第２材料選択的化学腐食液を所定の露出されたスト
ップ・エッチ層部分の表面に接触させる第２接触ステッ
プと、 階段状のテーパ付き半導体導波路の輪郭を形成するため
に、所定の繰返しの間の所定の露出層部分が、前の繰返
しにおける所定の露出層部分より長く、かつ少なくとも
それを含むように、第１接触ステップと第２接触ステッ
プを順次繰返すステップ、 とを含むことを特徴とするエッチング方法。 - （２）多層半導体ヘテロ構造体は、III、Ｖ族、及びII
、VI族から選ばれた成分からなる半導体材料を含むこと
を特徴とする請求項１記載の方法。 - （３）ガイド層はＩｎＧａＡｓＰを含み、ストップ・エ
ッチ層は１ｎＰを含み、第１の材料選択的腐食液は、Ｈ
＿２ＳＯ＿４：Ｈ＿２Ｏ＿２：Ｈ＿２Ｏを、第２の材料
選択的腐食液は、ＨＣｌを含む ことを特徴とする請求項１記載の方法。 - （４）第２材料選択的腐食液は、 ＨＣｌ：Ｈ＿３ＰＯ＿４を含むことを特徴とする請求項
３記載の方法。 - （５）各ガイド層は、前記多層半導体ヘテロ構造体の所
定の軸に沿って、直線、放物線、及び指数関数曲線の輪
郭のグループの中から選ばれた階段状輪郭を示すために
、前記ガイド層に対し十分遠くに伸びていることを特徴
とする請求項１記載の方法。 - （６）ガイド層はＩｎＧａＡｓＰを含み、ストップ・エ
ッチ層はＩｎＰを含み、第１材料選択的腐食液はＡＢ腐
食液溶剤、第２材料選択的腐食液はＨＣｌを含むことを
特徴とする請求項２記載の方法。 - （７）第２材料選択的腐食液は、 ＨＣｌ：Ｈ＿３ＰＯ＿４を含むことを特徴とする請求項
６記載の方法。 - （８）ガイド層はＩｎＧａＡｓＰを含み、ストップ・エ
ッチ層はＩｎＰを含み、第１材料選択的腐食液はＫＯＨ
：Ｋ＿３Ｆｅ（ＣＮ）＿６：Ｈ＿２Ｏを含み、第２材料
選択的腐食液はＨＣｌを含むことを特徴とする請求項２
記載のエッチング方法。 - （９）第２材料選択的腐食液は、 ＨＣｌ：Ｈ＿３ＰＯ＿４を含むことを特徴とする請求項
８記載のエッチング方法。 - （１０）伝搬軸とそれに垂直に規定された基準面とを有
するテーパ付き半導体導波路において、第１半導体材料
を含む複数のガイド層と、第２半導体材料を含む複数の
ストップ・エッチ層とを有し、 前記ストップ・エッチ層は、前記ガイド層と交互に配置
され、 前記ガイド層は、直接その上部に隣接するガイド層より
遠方へ前記伝搬軸に沿って前記基準面より伸びて配置さ
れる ことを特徴とするテーパ付き半導体導波路。 - （１１）前記複数のガイド層とストップ・エッチ層の外
表面をほぼ囲むクラッド領域を有し、前記クラッド領域
は第３半導体材料からなり、前記第１半導体材料は第３
半導体材料より大きい屈折率を有することを特徴とする
請求項１０記載の導波路。 - （１２）第１、第２、第３半導体材料は、 III−Ｖ族、及びII−IV族成分からなるグループから選
ばれていることを特徴とする請求項１１記載の導波路。 - （１３）前記第１半導体材料はＩｎＧａＡｓＰを含み、
前記第２、第３半導体材料はＩｎＰを含むことを特徴と
する請求項１１記載の導波路。 - （１４）前記複数の各ガイド層は、伝搬軸に沿って、直
線、放物線、及び指数関数曲線の輪郭のグループ中から
選ばれた階段状輪郭を示すために、前記複数のガイド層
に対し十分遠くに伸びていることを特徴とする請求項１
０記載の導波路。 - （１５）伝搬軸とそれに垂直に定められた基準面を有す
るテーパ付き半導体導波路において、第１半導体材料を
含む複数のガイド層と、第２半導体材料を含む複数スト
ップ・エッチ層と、前記複数のガイド層とストップ・エ
ッチ層の外表面を囲むクラッド領域を有し、 前記ストップ・エッチ層は、前記ガイド層と交互に配置
され、 前記ガイド層は、直接上部に隣接する前記ガイド層より
遠方へ前記伝搬軸に沿って前記基準面より伸びて配置さ
れ、 前記クラッド領域は、第３半導体材料からなり、前記第
１半導体材料は、前記第３半導体材料の屈折率よりも大
きい屈折率を有し、 前記クラッド領域は更に、前記テーパ付き半導体導波路
に沿って伝搬する光学波信号の所定の特性を制御する手
段を有する ことを特徴とするテーパ付き半導体導波路。 - （１６）前記制御手段は、前記第３半導体材料の前記屈
折率よりも大きい屈折率を有する第４半導体材料を含む
第１ビーム制御層を少なくとも有し、前記第１ビーム制
御層は前記複数のガイド層と平行に配置されていること
を特徴とする請求項１５記載の導波路。 - （１７）前記第１乃至第４半導体材料は、 III−Ｖ族、及びII−VI族成分からなるグループから選
ばれることを特徴とする請求項１６記載の導波路。 - （１８）前記制御手段は、前記第３半導体材料の前記屈
折率よりも大きい屈折率を有する第５半導体材料を含む
第２ビーム制御層を有し、この第２ビーム制御層は、前
記複数のガイド層と平行に配置され、かつ前記第１ビー
ム制御層に対し前記複数のガイド層の反対側に配置され
ることを特徴とする請求項１６記載の導波路。 - （１９）前記第１乃至第５半導体材料は、 III−Ｖ族、及びII−VI族成分からなるグループから選
ばれることを特徴とする請求項１８記載の導波路。 - （２０）前記複数の各ガイド層は、伝搬軸に沿って、直
線、放物線、及び指数関数曲線の輪郭の中から選ばれた
階段状輪郭を示すために、前記複数のガイド層に対し十
分遠くに伸びていることを特徴とする請求項１７、１９
のいずれかに記載の導波路。
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| US07/389,074 US4944838A (en) | 1989-08-03 | 1989-08-03 | Method of making tapered semiconductor waveguides |
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