(57)【要約】【課題】高精度の微細加工をしなくても容易に作製することが可能な半導体光集積素子を提供すること。【解決手段】本発明に係る半導体光集積素子は、半導体基板上に下部クラッド層３、下部コア層４、中間クラッド層５、上部コア層６、及び上部クラッド層７がこの順に積層されており、第一領域、第二領域、及び第三領域に亘って、下部クラッド層３、下部コア層４、中間クラッド層５、上部コア層６、及び上部クラッド層７がそれぞれ形成されており、第一領域及び第三領域における中間クラッド層５の厚みＤ１が、第二領域における中間クラッド層５の厚みＤ２と異なることを特徴とする。【選択図】図２
2010204364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に第一クラッド層、第一コア層、第二クラッド層、第二コア層、及び第三クラッド層がこの順に積層されており、
第一領域、第二領域、及び第三領域に亘って、前記第一クラッド層、前記第一コア層、前記第二クラッド層、前記第二コア層、及び前記第三クラッド層が連結して形成されており、
前記第一領域及び第三領域における前記第二クラッド層の厚みが、前記第二領域における前記第二クラッド層の厚みと異なる半導体光集積素子。
【請求項２】
前記第一領域には、前記第一クラッド層、前記第一コア層、前記第二クラッド層、前記第二コア層、及び前記第三クラッド層を有する第一方向性結合器が配置されており、
前記第二領域には、前記第一クラッド層、前記第一コア層、前記第二クラッド層、前記第二コア層、及び前記第三クラッド層を有する光機能素子が配置されており、
前記第三領域には、前記第一クラッド層、前記第一コア層、前記第二クラッド層、前記第二コア層、及び前記第三クラッド層を有する第二方向性結合器が配置されている請求項１に記載の半導体光集積素子。
【請求項３】
前記第一領域から前記第二領域を介して前記第三領域へ光を移す場合、
前記第一領域に存在する第一導波路の長さは、前記第一領域における前記第一コア層と前記第二コア層との第一結合長の１０％以上であり、
前記第二領域に存在する第二導波路の長さは、前記第二領域における前記第一コア層と前記第二コア層との第二結合長の１０％以下であり、
前記第三領域に存在する第三導波路の長さは、前記第三領域における前記第一コア層と前記第二コア層との第三結合長の１０％以上である請求項１または２に記載の半導体光集積素子。
【請求項４】
前記第三クラッド層上に設けられたコンタクト層、前記コンタクト層上に設けられた第一電極、及び前記基板の裏面に設けられた第二電極を更に備え、
前記半導体基板、前記第一クラッド層、及び前記第二クラッド層は第一導電型を有し、
前記第三クラッド層及び前記コンタクト層は、前記第一導電型とは異なる第二導電型を有し、
前記第一コア層は、アンドープまたは前記第一導電型の量子井戸層を有し、
前記第二コア層は、アンドープの量子井戸層を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体光集積素子。
【請求項５】
前記第三クラッド層上に設けられたコンタクト層、前記コンタクト層上に設けられた第一電極、及び前記基板の裏面に設けられた第二電極を更に備え、
前記半導体基板及び前記第一クラッド層は第一導電型を有し、
前記第二クラッド層、前記第三クラッド層、及び前記コンタクト層は、前記第一導電型とは異なる第二導電型を有し、
前記第一コア層は、アンドープの量子井戸層を有し、
前記第二コア層は、アンドープまたは前記第二導電型の量子井戸層を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体光集積素子。
【請求項６】
前記第二領域において、前記第一コア層の幅が前記第二コア層の幅と異なる請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体光集積素子。
【請求項７】
前記第一クラッド層、前記第一コア層、前記第二クラッド層、前記第二コア層、及び前記第三クラッド層は、化合物半導体からなる請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体光集積素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光集積素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体光集積素子には、単一モードの導波路を複数の導波路に分岐させる、あるいは、複数の導波路の光を一つの導波路に合流させる合分岐の機能を活用するものがある。このような半導体光集積素子の代表的なものとして、マッハツェンダ型変調器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載のマッハツェンダ型変調器は、第一方向性結合器と第二方向性結合器との間に、位相シフト器が設けられた構造を有する。位相シフト器は、水平方向に並んで配置された二つの導波路からなる。第一方向性結合器は、位相シフト器の入力側に設けられており、光を分岐する機能を有する。第二方向性結合器は、位相シフト器の出力側に設けられており、光を結合する機能を有する。また、特許文献１に記載のマッハツェンダ型変調器には、ニオブ酸リチウム基板が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２５０９０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のマッハツェンダ型変調器において、良好な特性を得るためには、水平方向に並んで配置される二つの導波路の分岐比が正確に制御されている必要がある。よって、高精度の微細加工が必要とされていた。また、小型化の観点から、アクティブデバイスとの集積が可能な化合物半導体材料を半導体光集積素子に用いることが望まれている。化合物半導体材料は、石英やニオブ酸リチウムなどの材料に比べて屈折率が高いため、化合物半導体材料を用いた場合、単一モード光導波路の導波路幅等のサイズを小さくすることが可能であり、小型化できる。しかし、化合物半導体材料で光導波路を作製する場合、高精度の微細加工が必要とされる。さらに、化合物半導体材料では、石英やニオブ酸リチウムなどの材料に比べて、光導波路を構成するコアとクラッドとの屈折率差を大きくできるため、光導波路内への光閉じ込めを大きくすることができる。しかし、マッハツェンダ型変調器などのように、複数の光導波路を光結合させるための光結合器を有する光導波路素子においては、複数の光導波路間の光結合を実現するために、石英やニオブ酸リチウムなどの材料を用いた場合に比べて、1桁程度小さい間隔で２つの光導波路を配置し、光結合する必要がある。光結合の状態や素子特性は、この２つの光導波路の間隔によって強く影響を受けるため、このような光導波路素子の作製には、さらに高精度の微細加工が必要とされるため、作製が困難であるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高精度の微細加工をしなくても容易に作製することが可能な半導体光集積素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するため、本発明の半導体光集積素子は、半導体基板上に第一クラッド層、第一コア層、第二クラッド層、第二コア層、及び第三クラッド層がこの順に積層されており、第一領域、第二領域、及び第三領域に亘って、第一クラッド層、第一コア層、第二クラッド層、第二コア層、及び第三クラッド層が連結して形成されており、第一領域及び第三領域における第二クラッド層の厚みが、第二領域における第二クラッド層の厚みと異なることを特徴とする。
【０００８】
本発明の半導体光集積素子は、第一コア層と第二コア層とが、水平方向に並んで配置された構造ではなく、垂直方向に積層された構造を有している。このような積層構造は、半導体基板上に第一クラッド層、第一コア層、第二クラッド層、及び第三コア層を順次、例えば、エピタキシャル成長させることにより容易に得られる。そして、第一領域及び第三領域における第二クラッド層の厚みが、第二領域における第二クラッド層の厚みと異なることにより、第一領域、第二領域、及び第三領域の機能を分離することができる。水平方向に並んで配置される２つのコア層の分岐比の制御と比較して、垂直方向に積層される第一コア層及び第二コア層の厚み制御は簡単にできる。このため、第一コア層と第二コア層との間隔をより高精度に微細加工しなくても、容易に作製することが可能な半導体光集積素子を提供することができる。
【０００９】
また、第一領域には、第一クラッド層、第一コア層、第二クラッド層、第二コア層、及び第三クラッド層を有する第一方向性結合器が配置されており、第二領域には、第一クラッド層、第一コア層、第二クラッド層、第二コア層、及び第三クラッド層を有する光機能素子が配置されており、第三領域には、第一クラッド層、第一コア層、第二クラッド層、第二コア層、及び第三クラッド層を有する第二方向性結合器が配置されていることが好ましい。水平方向に並んで配置されるコア層の分岐比の制御と比較して、垂直方向に積層される２つのコア層における厚みの制御は簡単である。よって、第一方向性結合器における第一コア層及び第二コア層を含む導波路と、光機能素子における第一コア層及び第二コア層を含む導波路と、第二方向性結合器における第一コア層及び第二コア層を含む導波路との厚み制御を行うことにより、第一領域、第二領域、及び第三領域との機能を容易に分離することができる。このように、第一コア層と第二コア層との間隔をより高精度に微細加工しなくても、容易に作製することが可能な半導体光集積素子を提供することができる。
【００１０】
また、第一領域から第二領域を介して第三領域へ光を移す場合、第一領域に存在する第一導波路の長さは、第一領域における第一コア層と第二コア層との第一結合長の１０％以上であり、第二領域に存在する第二導波路の長さは、第二領域における第一コア層と第二コア層との第二結合長の１０％以下であり、第三領域に存在する第三導波路の長さは、第三領域における第一コア層と第二コア層との第三結合長の１０％以上であることが好ましい。第一導波路の長さが第一結合長の１０％以上であることにより、第一領域を、光を分岐または結合する機能を有する光導波路として実用上十分に使用することができる。また、第二の領域における第一コア層と第二コア層との光結合がゼロでない場合には信号光の消光比が劣化するが、第二導波路の長さが、第二結合長の１０％以下であることにより、第二の領域を光が進行する間に他方のコア層に移行する光の強度を１０％以内に抑制することが出来る。この結果、第二の領域における第一コア層と第二コア層との光結合による信号光の消光比の劣化の影響を小さくすることができる。例えば、１０ｄＢ以上の消光比を確保することが出来る。また、第三導波路の長さが第三結合長の１０％以上であることにより、第三領域を、光を分岐または結合する機能を有する光導波路として実用上十分に使用することができる。ここで「結合長」とは、片方のコア層から入射した光が当該コア層中を伝搬する間に、他方のコア層に完全に乗り移るのに要する最短の長さをいう。
【００１１】
また、第三クラッド層上に設けられたコンタクト層、コンタクト層上に設けられた第一電極、及び基板の裏面に設けられた第二電極を更に備え、半導体基板、第一クラッド層、及び第二クラッド層は第一導電型を有し、第三クラッド層及びコンタクト層は、第一導電型とは異なる第二導電型を有し、第一コア層は、アンドープまたは第一導電型の量子井戸層を有し、第二コア層は、アンドープの量子井戸層を有しても良い。これにより、第一導電型の第二クラッド層、アンドープの第二コア層、及び第二導電型の第三クラッド層からなるＰＩＮ構造が存在することとなる。このようなＰＩＮ構造に、第一電極及び第二電極を用いて逆バイアスを加えると、第二コア層の屈折率が変化する。従って、光を合波させるときの干渉条件を変えることができ、半導体光集積素子を、光のオン・オフを制御することが可能なマッハツェンダ型変調器として機能させることができる。
【００１２】
また、第三クラッド層上に設けられたコンタクト層、コンタクト層上に設けられた第一電極、及び基板の裏面に設けられた第二電極を更に備え、半導体基板及び第一クラッド層は第一導電型を有し、第二クラッド層、第三クラッド層、及びコンタクト層は、第一導電型とは異なる第二導電型を有し、第一コア層は、アンドープの量子井戸層を有し、第二コア層は、アンドープまたは第二導電型の量子井戸層を有しても良い。これにより、第一導電型の第一クラッド層、アンドープの第一コア層、及び第二導電型の第二クラッド層からなるＰＩＮ構造が存在することとなる。このようなＰＩＮ構造に、第一電極及び第二電極を用いて逆バイアスを加えると、第一コア層の屈折率が変化する。従って、光を合波させるときの干渉条件を変えることができ、半導体光集積素子を、光のオン・オフを制御することが可能なマッハツェンダ型変調器として機能させることができる。
【００１３】
また、第二領域において、第一コア層の幅が第二コア層の幅と異なっていても良い。このように、第一コア層と第二コア層を非対称な構造とすることにより、導波路長が同じなのにもかかわらず、位相シフトを生じさせることができる。よって、半導体光集積素子の無バイアス時の動作を制御することが出来る。
【００１４】
また、第一クラッド層、第一コア層、第二クラッド層、第二コア層、及び第三クラッド層は、化合物半導体からなることが好ましい。半導体光素子に化合物半導体を用いる場合、水平方向に並んで配置される２つのコア層の間隔の制御と比較して、垂直方向に積層される第一コア層及び第二コア層の厚み制御は簡単である。従って、化合物半導体からなる半導体光素子をアクティブデバイスと集積することができ、小型化を達成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、垂直方向に積層される第一コア層、第二クラッド層、及び第二コア層の厚みの制御を行うことにより、第一領域、第二領域、及び第三領域の機能を容易に分離することができる。従って、高精度の微細加工をしなくても容易に作製することが可能な半導体光集積素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明に係る半導体光集積素子を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１におけるII−II線に沿った断面図である。
【図３】図３、図１におけるIII−III線に沿った断面図である。
【図４】図４は、図１におけるIV−IV線に沿った断面図である。
【図５】図５は、本発明に係る半導体光集積素子を構成する各層の厚みと結合長を示す表である。
【図６】図６は、半導体基板上に選択成長用マスクを配置した状態を示す上面図である。
【図７】図７（ａ）は、図６におけるVII−VIIに沿った断面図である。図７（ｂ）は、選択成長用マスクを用いて各層を成膜した状態を示す断面図である。
【図８】図８は、半導体基板上に選択成長用マスク及びメサ用マスクを配置した状態を示す上面図である。
【図９】図９は、図８におけるIX−IXに沿った断面図である。
【図１０】図１０は、選択成長用マスク及びメサ用マスクを用いてエッチングした状態を示す断面図である。
【図１１】図１１は、メサ部及び半導体基板上に保護膜が形成された状態を示す上面図である。
【図１２】図１２は、保護膜に上部電極形成用の開口部が形成された状態を示す上面図である。
【図１３】図１３は、図１２におけるXIII−XIII線に沿った断面図である。
【図１４】図１４は、半導体基板上に上部電極が形成された状態を示す上面図である。
【図１５】図１５は、本発明に係る半導体光集積素子の変形例を示す断面図である。
【図１６】図１６は、本発明に係る半導体光集積素子の製造方法の変形例に用いられる選択性成長用マスクを半導体基板上に配置した状態を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、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。
【００１８】
本発明に係る半導体光集積素子は、方向性結合器を有する光機能デバイスとして機能し、マッハツェンダ型変調器に適用することができる。図１は、本発明に係る半導体光集積素子を示す斜視図である。図２は、図１におけるII−II線に沿った断面図である。図３は、図１におけるIII−III線に沿った断面図である。図４は、図１におけるIV−IV線に沿った断面図である。
【００１９】
図１及び図２に示すように、半導体光集積素子１は、一端Ｓ１側から他端Ｓ２側へ向かって順次連結するように形成された入力導波路ＩＮ、第一遷移領域Ｔ１、第一方向性結合器Ｃ１、第二遷移領域Ｔ２、光機能素子Ｌ、第三遷移領域Ｔ３、第二方向性結合器Ｃ２、第四遷移領域Ｔ４、及び出力導波路ＯＵＴを備えている。
【００２０】
図２に示すように、入力導波路ＩＮ、第一遷移領域Ｔ１、第一方向性結合器Ｃ１、第二遷移領域Ｔ２、光機能素子Ｌ、第三遷移領域Ｔ３、第二方向性結合器Ｃ２、第四遷移領域Ｔ４、及び出力導波路ＯＵＴには、半導体基板Ｓ上に、下部クラッド層（第一クラッド層）３、下部コア層（第一コア層）４、中間クラッド層（第二クラッド層）５、上部コア層（第二コア層）６、上部クラッド層（第三クラッド層）７、コンタクト層８、及び絶縁層Ｂがこの順に積層されている。
【００２１】
また、下部クラッド層３、下部コア層４、中間クラッド層５、上部コア層６、上部クラッド層７、コンタクト層８は、入力導波路ＩＮ、第一遷移領域Ｔ１、第一方向性結合器Ｃ１、第二遷移領域Ｔ２、光機能素子Ｌ、第三遷移領域Ｔ３、第二方向性結合器Ｃ２、第四遷移領域Ｔ４、及び出力導波路ＯＵＴの形成されている各領域に亘って連結して形成されている。
【００２２】
図２に示すように、第一遷移領域Ｔ１は、入力導波路ＩＮ側から第一方向性結合器Ｃ１側へ向かって厚みが減少するように形成されている。第二遷移領域Ｔ２は、第一方向性結合器Ｃ１側から光機能素子Ｌ側へ向かって厚みが増加するように形成されている。第三遷移領域Ｔ３は、光機能素子Ｌ側から第二方向性結合器Ｃ２側へ向かって厚みが減少するように形成されている。第四遷移領域Ｔ４は、第二方向性結合器Ｃ２側から出力導波路ＯＵＴ側へ向かって厚みが増加するように形成されている。
【００２３】
半導体光集積素子１は、第一領域、第二領域、及び第三領域を有する。第一領域には、第一方向性結合器Ｃ１が配置されている。第二領域には、光機能素子Ｌが配置されている。第三領域には、第二方向性結合器Ｃ２が配置されている。図２に示すように、第一方向性結合器Ｃ１（第一領域）又は第二方向性結合器Ｃ２（第三領域）における中間クラッド層５の積層方向の厚みＤ１は、光機能素子Ｌ（第二領域）における中間クラッド層５の積層方向の厚みＤ２と異なる。第一方向性結合器Ｃ１又は第二方向性結合器Ｃ２における中間クラッド層５の積層方向の厚みＤ１は、光機能素子Ｌにおける中間クラッド層５の積層方向の厚みＤ２よりも小さい。
【００２４】
図３に第一方向性結合器Ｃ１におけるＹ−Ｚ断面を示すが、第二方向性結合器Ｃ２におけるＹ−Ｚ断面も図３と同様の構造となる。図４は、光機能素子ＬにおけるＹ−Ｚ断面を示す。図３または図４に示すように、下部クラッド層３、下部コア層４、中間クラッド層５、上部コア層６、上部クラッド層７、及びコンタクト層８の導波路幅Ｗ１（Ｙ方向における長さ）は、入力導波路ＩＮ、第一遷移領域Ｔ１、第一方向性結合器Ｃ１、第二遷移領域Ｔ２、光機能素子Ｌ、第三遷移領域Ｔ３、第二方向性結合器Ｃ２、第四遷移領域Ｔ４、及び出力導波路ＯＵＴの形成されている各領域に亘って一定である。例えば、当該導波路幅Ｗ１として１．５μｍとすることができる。
【００２５】
図５に、半導体光集積素子１を構成する各層の厚みの一例を示す。図５の例では、第一方向性結合器Ｃ１及び第二方向性結合器Ｃ２における下部コア層４の厚さ（１２０ｎｍ）は、入力導波路ＩＮ、光機能素子Ｌ、及び出力導波路ＯＵＴにおける下部コア層４の厚さ（２４０ｎｍ）の半分である。第一方向性結合器Ｃ１及び第二方向性結合器Ｃ２における中間クラッド層５の厚さ（１７００ｎｍ）は、入力導波路ＩＮ、光機能素子Ｌ、及び出力導波路ＯＵＴにおける中間クラッド層５の厚さ（３４００ｎｍ）の半分である。第一方向性結合器Ｃ１及び第二方向性結合器Ｃ２における上部コア層６の厚さ（１２０ｎｍ）は、入力導波路ＩＮ、光機能素子Ｌ、及び出力導波路ＯＵＴにおける上部コア層６の厚さ（２４０ｎｍ）の半分である。第一方向性結合器Ｃ１及び第二方向性結合器Ｃ２における上部クラッド層７の厚さ（１５００ｎｍ）は、入力導波路ＩＮ、光機能素子Ｌ、及び出力導波路ＯＵＴにおける上部クラッド層７の厚さ（３０００ｎｍ）の半分である。
【００２６】
図５の例では、第一方向性結合器Ｃ１における結合長（第一結合長）及び第二方向性結合器Ｃ２における結合長（第三結合長）は１５３μｍである。対して、入力導波路ＩＮ、光機能素子Ｌ、及び出力導波路ＯＵＴにおける結合長（第二結合長）は３９４００μｍである。ここで「結合長」とは、片方のコア層から入射した光が当該コア層中を伝搬する間に、他方のコア層に完全に乗り移るのに要する最短の長さをいう。なお、第一結合長、第二結合長、及び第三結合長は、波長１．３μｍの光を想定して算出した値である。
【００２７】
図２に示す入力導波路ＩＮ及び出力導波路ＯＵＴの素子長Ｎ１，Ｎ９は、例えば、それぞれ２５０μｍとすることができる。第一〜第四遷移領域Ｔ１〜Ｔ４の素子長Ｎ２，Ｎ４，Ｎ６，Ｎ８は、例えば、それぞれ２０μｍとすることができる。第一方向性結合器Ｃ１及び第二方向性結合器Ｃ２の素子長Ｎ３，Ｎ７は、例えば、それぞれ７０μｍとすることができる。光機能素子Ｌの素子長Ｎ５は、例えば、１０００μｍとすることができる。
【００２８】
光を分岐または結合させる観点から、第一方向性結合器Ｃ１（第一領域）の素子長（第一導波路の長さ）Ｎ３は、第一方向性結合器Ｃ１における下部コア層４と上部コア層６との第一結合長の１０％以上とすることができる。これによって、第一領域において、実用上必要な下部コア層４と上部コア層６との光結合を得ることができる。より好適には、第一方向性結合器Ｃ１（第一領域）の素子長（第一導波路の長さ）Ｎ３は、第一方向性結合器Ｃ１における下部コア層４と上部コア層６との第一結合長の約１／２であることが望ましい。第一導波路の長さを第一結合長の約１／２とすることにより、例えば下部コア層４から導入された光を下部コア層４と上部コア層６とにほぼ同じ強度比で分岐することが出来る。また、第二方向性結合器Ｃ２（第三領域）の素子長（第三導波路の長さ）Ｎ７は、第二方向性結合器Ｃ２における下部コア層４と上部コア層６との第三結合長の１０％以上とすることができる。これによって、第三領域において、実用上必要な下部コア層４と上部コア層６との光結合を得ることができる。より好適には、第二方向性結合器Ｃ２（第三領域）の素子長（第三導波路の長さ）Ｎ７は、第二方向性結合器Ｃ２における下部コア層４と上部コア層６との第三結合長の約１／２であることが望ましい。第三導波路の長さを第三結合長の約１／２とすることにより、下部コア層４と上部コア層６との光を効果的に干渉させて、一つのコア層に光を集光するスイッチ動作をさせることが出来る。例えば、第一領域に存在する第一導波路の長さを７０μｍとすると、遷移領域Ｔ１，Ｔ２における結合とあわせて、方向性結合器としての実効的な長さを、第一結合長の長さ（１５３μｍ）の約１／２とすることができる。同様に、例えば、第三領域に存在する第三導波路の長さを７０μｍとすることにより、方向性結合器の実効的な長さを第三結合長の長さ（１５３μｍ）の約１／２とすることができる。
【００２９】
光を分岐または結合させない観点から、光機能素子Ｌ（第二領域）の素子長（第二導波路の長さ）Ｎ５は、光機能素子Ｌにおける下部コア層４と上部コア層６との第二結合長の１０％以下であることが望ましい。第二導波路の長さが第二結合長の１０％以下であることにより、第二の領域を光が進行する間に他方のコア層に移行する光の強度を１０％以内に抑制することが出来る。第二の領域における下部コア層４と上部コア層６との光結合がゼロでない場合には、信号光の消光比が劣化するが、第二領域の長さが第二領域における結合長の１０％以下であれば、この第二領域における下部コア層４と上部コア層６との光結合による消光比の劣化の影響は小さく、１０ｄＢ以上の消光比を確保することが出来る。例えば、第二領域の中間クラッド層５の厚さを３４００ｎｍとした場合、理論上求められる結合長は３９４００μｍとなる。このため、光機能素子Ｌの長さを一般的に用いられる、例えば、１０００μｍとしても、第二導波路の長さは、上記の第二結合長に対して十分短い長さにすることができる。
【００３０】
半導体基板Ｓ、下部クラッド層３、下部コア層４、中間クラッド層５、上部コア層６、上部クラッド層７、及びコンタクト層８は、化合物半導体からなる。具体的には、半導体基板Ｓはｎ型ＩｎＰ基板である。下部クラッド層３は、ｎ型ＩｎＰから構成されている。下部コア層４は、多重量子井戸（ＭＱＷ:  Multiple  Quantum  Well）構造を有している。下部コア層４のＭＱＷ構造は、ＧａＩｎＡｓＰ半導体からなるバリア層と、アンドープまたはｎ型ＧａＩｎＡｓＰ半導体からなる量子井戸層とが交互に１０周期積層された構造の両側に、ＳＣＨ（Separate  ConfinementHeterostructure）層が形成されたものである。例えば、バリア層の厚さを６ｎｍ、量子井戸層の厚さを４ｎｍとすることができる。
【００３１】
中間クラッド層５はｎ型ＩｎＰから構成されている。上部コア層６は、ＭＱＷ構造を有している。上部コア層６のＭＱＷ構造は、ＧａＩｎＡｓＰ半導体からなるバリア層と、アンドープのＧａＩｎＡｓＰ半導体からなる量子井戸層とが交互に１０周期積層された構造の両側に、ＳＣＨ層が形成されたものである。なお、上部コア層６におけるバリア層、量子井戸層、及びＳＣＨ層の厚みは、下部コア層４におけるバリア層、量子井戸層、及びＳＣＨ層の厚みと同じにしても良いし、必要に応じて変えることも出来る。
【００３２】
上部クラッド層７はｐ型ＩｎＰから構成されている。コンタクト層８はｐ型ＩｎＧａＡｓから構成されている。絶縁層ＢはＳｉＯ２から構成されている。コンタクト層８は、光機能素子Ｌと良好な電気的な接合を得るために設けることが望ましい。不要な領域に電流が流れ込むのを防ぐために、光機能素子Ｌ以外の部分のコンタクト層８は除去されていることが望ましい。
【００３３】
図４に示すように、光機能素子Ｌにおける絶縁層Ｂ及びコンタクト層８の一部上には、コンタクト層８とｐ型オーミック接合が取られた上部電極Ｅ１が設けられている。一方、半導体基板Ｓの裏面には、半導体基板Ｓとｎ型オーミック接合が取られた下部電極Ｅ２が設けられている。
【００３４】
以下に、本発明に係る半導体光集積素子の製造方法について述べる。図６は、半導体基板Ｓ上に選択成長用マスクＭ１を配置した状態を示す上面図である。図７（ａ）は、図６におけるVII−VIIに沿った断面図である。図７（ｂ）は、選択成長用マスクＭ１を用いて、半導体光集積素子を構成する各層を成膜した状態を示す断面図である。
【００３５】
まず、図６及び図７（ａ）に示すような選択成長用マスクＭ１を半導体基板Ｓ上に形成する。図６に示すように、６つの選択成長用マスクＭ１を半導体基板Ｓ上に設ける。具体的には、入力導波路ＩＮが形成される領域Ｒ１及び第一遷移領域Ｔ１が形成される領域Ｒ２の両側に、２つの選択成長用マスクＭ１を対向配置する。また、第二遷移領域Ｔ２が形成される領域Ｒ４、光機能素子Ｌが形成される領域Ｒ５、第三遷移領域Ｔ３が形成される領域Ｒ６の両側に、２つの選択成長用マスクＭ１を対向配置する。また、第四遷移領域Ｔ４が形成される領域Ｒ８及び出力導波路ＯＵＴが形成される領域Ｒ９の両側に、２つの選択成長用マスクＭ１を対向配置する。各選択成長用マスクＭ１において、第一遷移領域Ｔ１〜第四遷移領域Ｔ４が形成される領域Ｒ２，Ｒ４，Ｒ６，Ｒ８に対応する部分には傾斜Ｇを設ける。なお、選択成長用マスクＭ１は、ＳｉＯ２とすることができる。
【００３６】
この際、図６に示すように、対向する選択成長用マスクＭ１同士は、一定の間隔Ｗｇａｐをおいて配置させる。また、各選択成長用マスクＭ１の傾斜Ｇを除く部分は、一定の幅Ｗｍａｓｋ１を有する。例えば、選択成長用マスクＭ１同士の間隔Ｗｇａｐを８μｍとし、選択成長用マスクＭ１の幅Ｗｍａｓｋ１を２０μｍとすることができる。
【００３７】
次いで、有機金属気相成長装置を用いて、図７（ｂ）に示すように、選択成長用マスクＭ１が形成されていない半導体基板Ｓ上に、下部クラッド層３となる膜１３、下部コア層４となる膜１４、中間クラッド層５となる膜１５、上部コア層６となる膜１６、上部クラッド層７となる膜１７、及びコンタクト層８となる膜１８をそれぞれ選択的に成長させる。
【００３８】
なお、下部クラッド層３となる膜１３には、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３のＳｉをドーピングしたＩｎＰを用いる。中間クラッド層５となる膜１５には、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３のＳｉをドーピングしたＩｎＰを用いる。上部クラッド層７となる膜１７には、キャリア濃度１×１０１７ｃｍ−３のＺｎをドーピングしたＩｎＰを用いる。コンタクト層８となる膜１８には、キャリア濃度１×１０１９ｃｍ−３のＺｎをドーピングしたＧａＩｎＡｓを用いる。
【００３９】
図６及び図７（ａ）を用いて説明した選択成長マスクＭ１を用いることにより、入力導波路ＩＮが形成される領域Ｒ１、光機能素子Ｌが形成される領域Ｒ５、及び出力導波路ＯＵＴが形成される領域Ｒ９における成膜速度が、第一方向性結合器Ｃ１が形成される領域Ｒ３及び第二方向性結合器Ｃ２が形成される領域Ｒ７における成膜速度の２倍となる。なお、選択成長用マスクＭ１の有無により、部分的に厚みの異なる膜が成膜されるが、この際、選択成長用マスクＭ１の有無によって成膜される膜における厚みの異なる部分間の組成の違いはほとんど無視できる。
【００４０】
選択成長用マスクＭ１に傾斜Ｇが設けられているため、第一遷移領域Ｔ１が形成される領域Ｒ２、第二遷移領域Ｔ２が形成される領域Ｒ４、第三遷移領域Ｔ３が形成される領域Ｒ６、及び第四遷移領域Ｔ４が形成される領域Ｒ８を、図２に示すような勾配を有する形状とすることができる。
【００４１】
図７（ｂ）に示すように、下部クラッド層３となる膜１３、下部コア層４となる膜１４、中間クラッド層５となる膜１５、上部コア層６となる膜１６、上部クラッド層７となる膜１７、及びコンタクト層８となる膜１８からなる両側Ｑ，Ｐの厚さは、中央部Ｃの厚さに比べてやや大きくなる。これは、マスクＭ１上に供給された原料が拡散することにより、マスク近傍の成長速度が増加するためである。
【００４２】
次に、両側Ｑ，Ｐ部分を取り除いてメサ部を形成する工程を説明する。図８に、メサ用マスクＭ２をさらに配置した状態を示す。図９は、図８におけるIX−IXに沿った断面図である。図９に示すように、コンタクト層となる膜１８上に、メサ用マスクＭ２をフォトリソグラフィー技術により形成する。図８に示すように、メサ用マスクＭ２を、Ｘ方向を長軸とし、Ｙ方向を短軸とする長方形状とする。また、メサ用マスクＭ２の幅（Ｙ方向における長さ）Ｗａは、例えば１．５μｍとすることができる。なお、選択成長用マスクＭ１は、ＳｉＯ２とすることができる。
【００４３】
図１０は、選択成長用マスクＭ１及びメサ用マスクＭ２を用いてエッチングした状態を示す断面図である。エッチングには、例えばＣＨ４とＨ２との混合ガスを反応ガスとした反応性イオンエッチングを用いることができる。エッチングにより、メサ部９が形成される。ここで、選択成長用マスクＭ１が残るようにエッチング量を調整すると良い。選択成長用のマスクＭ１を残すことにより、不必要な段差が生じることを避けられ、図１０に示すような素子構造が得られる。
【００４４】
続いて、選択成長用マスクＭ１及びメサ用マスクＭ２を除去する。次に、光機能素子Ｌの部分にマスクを形成してから、このマスクを用いて、リン酸（過酸化水素を成分とする溶液）でエッチングすることにより、膜１８における光機能素子Ｌ部以外の部分を選択的に除去することにより、コンタクト層８を得る。マスクには、ＳｉＯ２、あるいはレジスト等を用いることができる。その後、図１１に示すように、メサ部９及びエッチングにより露出した半導体基板Ｓの表面に、ＳｉＯ２からなる保護膜１０を形成する。
【００４５】
次いで、レジストマスクを用いて、上記の光機能素子Ｌの部分のコンタクト層８が形成されている領域の保護膜１０をエッチングし、上部電極Ｅ１形成用の開口部Ｈを形成する。開口部Ｈの部分には、コンタクト層８が露出している。図１２に、保護膜１０に上部電極形成用の開口部Ｈが形成された状態を示す上面図を示す。図１３は、図１２におけるXIII−XIII線に沿った断面図である。光機能素子Ｌのメサ部９の頂部に形成されている保護膜１０の一部を除去することにより、開口部Ｈを形成する。これにより、図１３に示されるような、開口部Ｈを有する絶縁層Ｂを得る。
【００４６】
その後、開口部Ｈ及び絶縁層Ｂ上に、Ｔｉ、Ｐｔ、及びＡｕの積層構造からなる上部電極Ｅ１を形成する。図１４に、半導体基板Ｓ上に上部電極Ｅ１が形成された状態を示す。さらに、半導体基板Ｓの裏面に、ＡｕＧｅ、Ｎｉ、及びＡｕの積層構造からなる下部電極Ｅ２を形成する。最後に、劈開することによりチップ化して、図１〜４に示したような半導体光集積素子１を得る。
【００４７】
以下に、本発明に係る半導体光集積素子の動作を説明する。まず、光を、一端Ｓ１側から入力導波路ＩＮの上部コア層６に導入する。当該光は、第一遷移領域Ｔ１を介して、入力導波路ＩＮから第一方向性結合器Ｃ１の上部コア層６に進む。第一方向性結合器Ｃ１の上部コア層６に進んだ光の一部は、第一方向性結合器Ｃ１内の下部コア層４に分岐される。
【００４８】
ここで、第一方向性結合器Ｃ１には、所定の光結合を有する下部コア層（第一導波路）と上部コア層（第一導波路）とが積層されている。具体的には、第一方向性結合器Ｃ１の素子長（第一導波路の長さ：例えば７０μｍ）を、第一結合長（例えば１５３μｍ）の半分よりもわずかに短い長さに設定する。このため、第一方向性結合器Ｃ１の前後の第一遷移領域Ｔ１及び第二遷移領域Ｔ２の一部を加えた実効的な素子長を結合長の半分の長さにする。この場合、第一方向性結合器Ｃ１内へ入射した光は、下部コア層４と上部コア層６に５０％ずつ分岐される。
【００４９】
また、光機能素子Ｌでは、中間クラッド層５が厚いので、光結合が無視できるほど小さい。具体的には、光機能素子Ｌの素子長（第二導波路の長さ：例えば１０００μｍ）を、光機能素子Ｌにおける下部コア層４と上部コア層６との第二結合長（例えば３９４００μｍ）よりも十分短く設定する。このため、光は、下部コア層４と上部コア層６とに５０％ずつ分配されたままの状態で、第二方向性結合器Ｃ２へ導入される。
【００５０】
また、第二方向性結合器Ｃ２には、所定の光結合を有する下部コア層（第三導波路）と上部コア層（第三導波路）とが積層されている。具体的には、第二方向性結合器Ｃ２の素子長（第三導波路の長さ：例えば７０μｍ）を、第三結合長（例えば１５３μｍ）の半分よりもわずかに短い長さに設定する。第二方向性結合器Ｃ２においても、第一方向性結合器Ｃ１と同様に、第三遷移領域Ｔ３及び第四遷移領域Ｔ４の一部を加えた実効的な素子長を結合長の半分になるように設計している。このため、光機能素子Ｌをまったく同じ光学長で進行してきた上部コア層６及び下部コア層４の光は、第二方向性結合器Ｃ２にて結合して、その全てが下部コア層４へ１００％遷移していく。そして、結合された光は、出力導波路ＯＵＴの下部コア層４から出射される。
【００５１】
上述したように、光機能素子Ｌの上部を構成する中間クラッド層５はｎ型ＩｎＰから構成され、上部コア層６はアンドープの量子井戸層から構成され、上部クラッド層７はｐ型ＩｎＰから構成され、コンタクト層８はｐ型ＩｎＧａＡｓから構成されている。すなわち、光機能素子Ｌの上部には、ＰＩＮ構造が形成されている。このため、光機能素子Ｌの上部電極Ｅ１に負の電圧を印加すると、ＰＮ逆接合が存在する上部コア層６に電界がかかり、例えば量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ：Quantum  Confined  Stark  Effect）により、上部コア層６の屈折率が変化する。この際、下部コア層４にはほとんど電界が印加されない。例えば、光機能素子Ｌに−２．５Ｖの電圧を掛けると、第二方向性結合器Ｃ２に入射する下部コア層４と上部コア層６に存在する光の位相がπずれた状態になる。第二方向性結合器Ｃ２の出口では、下部コア層４に存在する光は上部コア層６に移り、下部コア層４からは光は出力されない。
【００５２】
このように、下部コア層４と上部コア層６の各々の導波路に分岐された２つの光が受ける位相変化量の差により、合波後の光の強度が決まる。この位相変化量の差を変化させることで、変調器の光出力の強度を変化させることが可能となる。従って、本発明に係る半導体光集積素子をマッハツェンダ型変調器として動作させることができる。
【００５３】
以下に、本発明に係る半導体光集積素子による効果を説明する。本発明の半導体光集積素子は、下部コア層と上部コア層とが、水平方向に並んで配置された構造ではなく、垂直方向に積層された縦積み構造を有している。このような縦積み構造は、半導体基板上に順次、下部クラッド層、下部コア層、中間クラッド層、及び上部コア層を例えばエピタキシャル成長させることにより容易に得られる。そして、第一領域及び第三領域における中間クラッド層の厚みが、第二領域における中間クラッド層の厚みと異なることにより、第一領域、第二領域、及び第三領域の機能を分離することができる。水平方向に並んで配置される２つのコア層の分岐比の制御と比較して、垂直方向に積層される下部コア層及び上部コア層の厚み制御は簡単にできる。このため、下部コア層と上部コア層との間隔を高精度に微細加工する必要を回避することができ、容易に作製することが可能な半導体光集積素子を提供することができる。
【００５４】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、上部コア層に電界をかける構造について説明したが、下部コア層に電界をかける構造でも良い。この場合、中間クラッド層の導電型を上部クラッド層と同じ導電型にすれば、上部コア層に電界を発生させず、下部コア層に電界を印加させることができる。具体的には、例えば、ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板Ｓ上に、ｎ型ＩｎＰから構成される下部クラッド層、アンドープの量子井戸層を有する下部コア層、ｐ型ＩｎＰから構成される中間クラッド層、アンドープまたはｐ型の量子井戸層を有する上部コア層、ｐ型ＩｎＰから構成される上部クラッド層、及びｐ型ＩｎＧａＡｓから構成されるコンタクト層をこの順に形成された半導体光素子を用いれば良い。すなわち、光機能素子の下部には、ＰＩＮ構造が形成されている。このため、光機能素子の上部電極に負の電圧を印加すると、ＰＮ逆接合が存在する下部コア層に電界がかかり、下部コア層の屈折率が変化する。この際、上部コア層にはほとんど電界が印加されない。この場合においても、半導体光集積素子をマッハツェンダ型変調器として動作させることができる。
【００５５】
また、上記実施形態では、下部コア層と上部コア層とが同じ幅を有し、同じ光学的特性を有している場合について説明したが、下部コア層と上部コア層とが異なる幅を有していても良い。すなわち、目的によっては、下部コア層と上部コア層の光学的長さを１/２波長ずらすなど、非対称な構造にしても良い。このような半導体光集積素子の変形例を図１５に示す。この変形例では、半導体光素子は、下部クラッド層３３、下部コア層３４、中間クラッド層３５、上部コア層３６、上部クラッド層３７、コンタクト層３８を有しており、下部コア層３４の導波路幅Ｗ２（Ｙ方向における長さ）が、上部コア層３６の導波路幅（Ｙ方向における長さ）Ｗ３よりも大きい。
【００５６】
このような半導体光集積素子を製造するには、素子全体のメサ部を１．８μｍの幅（Ｙ方向における長さＷ２）で形成した後に、光機能素子Ｌを形成する領域にのみ、幅１．２μｍの抜き幅（Ｙ方向における長さＷ３）を有するエッチングマスクを形成する。このエッチングマスクを用いて、中間クラッド層３５の上層までドライエッチングする。これにより、光機能素子Ｌにおいて、下部コア層３４の導波路幅（Ｙ方向における長さ：１．８μｍ）Ｗ２を上部コア層３６の導波路幅（Ｙ方向における長さ：１．２μｍ）Ｗ３よりも大きくすることができる。この場合、光機能素子Ｌにおける下部コア層３４の実効屈折率を３．２４２５、上部コア層３６の実効屈折率を、３．２１８６とすることができる。このような条件では、波長１．５５μｍの光に対して、光機能素子Ｌの長さ、３２．５μｍ毎に、１／２波長の位相ずれを生じさせることが出来る。また、光機能素子Ｌの長さを３２．５μｍの奇数倍、例えば、３５７．５μｍにすることにより、下部コア層３４と上部コア層３６の導波路が光学的に位相を反転した素子を作ることができる。さらに、下部コア層３４と上部コア層３６の実効屈折率を合わせるために、上部コア層３６の厚み（Ｚ方向における長さ）を下部コア層３４の厚み（Ｚ方向における長さ）に対して大きくしても良い。
【００５７】
また、上記実施形態では、６つの選択成長用マスクＭ１を用いて半導体光集積素子を製造する例を示した。しかしながら、本発明に係る半導体光集積素子の製造方法はこれに限定されない。例えば、図１６に示すように、対向配置させた２つの選択成長用マスクＭ３を用いてもよい。このとき、２つの選択成長用マスクＭ３の間隔（導波路幅）Ｗｂを１．５μｍとすることができる。また、第一方向性結合器Ｃ１が形成される領域Ｒ３又は第二方向性結合器Ｃ２が形成される領域Ｒ７に隣接する選択成長用マスクＭ３の各領域Ｒ１０の幅（Ｙ方向における長さ）Ｗｍａｓｋ２を６μｍとすることができる。また、入力導波路ＩＮが形成される領域Ｒ１、光機能素子Ｌが形成される領域Ｒ５、又は出力導波路ＯＵＴが形成される領域Ｒ９に隣接する領域から上記幅Ｗｍａｓｋ２を除いた幅Ｗｍａｓｋ3を１８μｍとすることができる。また、選択成長用マスクＭ３に傾斜Ｇを設けることによって、第一遷移領域Ｔ１が形成される領域Ｒ２、第二遷移領域Ｔ２が形成される領域Ｒ４、第三遷移領域Ｔ３が形成される領域Ｒ６、及び第四遷移領域Ｔ４が形成される領域Ｒ８を、図２に示すような勾配を有する形状とすることができる。
【符号の説明】
【００５８】
１…半導体光集積素子、ＩＮ…入力導波路、Ｅ…光機能素子、Ｃ１…第一方向性結合器、Ｃ２…第二方向性結合器、ＯＵＴ…出力導波路、Ｓ…半導体基板、Ｅ１…上部電極、Ｅ２…下部電極、３…下部クラッド層、４…下部コア層、５…中間クラッド層、６…上部コア層、７…上部クラッド層、８…コンタクト層、Ｂ…絶縁層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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