(57)【要約】【課題】散乱損失が低く、製造工程が簡単な垂直方向テーパ構造を持つ光結合器を提供する。【解決手段】基板上に誘電体層と半導体結晶層を有し、この半導体結晶層の少なくとも一部に光の伝搬方向に沿って基板平面に垂直方向の厚さが徐々に変化する垂直方向テーパ構造を有し、この垂直方向テーパ構造部の上面のラフネスが前記半導体結晶層を構成する原子１層分程度である、光結合器。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上の誘電体層と、前記誘電体層上の半導体結晶層を有し、
前記半導体結晶層の少なくとも一部に光の伝搬方向に沿って基板平面に垂直方向の厚さが徐々に変化する垂直方向テーパ構造を有し、
前記垂直方向テーパ構造部の上面のラフネスが前記半導体結晶層を構成する原子１層分程度である、光結合器。
【請求項２】
前記垂直方向テーパ構造部の上面および側面のラフネスが前記半導体結晶層を構成する原子１層分程度である、請求項１記載の光結合器。
【請求項３】
前記半導体結晶層の少なくとも一部がスラブ状光導波路を形成している、請求項１又は２に記載の光結合器。
【請求項４】
前記垂直方向テーパ構造部の少なくとも一部がスラブ状光導波路を形成している、請求項１又は２に記載の光結合器。
【請求項５】
前記半導体結晶層の少なくとも一部がチャンネル状光導波路を形成している、請求項１又は２に記載の光結合器。
【請求項６】
前記垂直方向テーパ構造部の少なくとも一部がチャンネル状光導波路を形成している、請求項１又は２に記載の光結合器。
【請求項７】
前記半導体結晶層の少なくとも一部に光の伝搬方向に沿って基板平面に平行方向の幅が徐々に変化する水平方向テーパ構造を有している、請求項１又は２に記載の光結合器。
【請求項８】
前記垂直方向テーパ構造部の少なくとも一部に光の伝搬方向に沿って基板平面に平行方向の幅が徐々に変化する水平方向テーパ構造を有している、請求項１又は２に記載の光結合器。
【請求項９】
前記半導体結晶層の一部がスラブ状光導波路を形成しており、他の一部がチャンネル状光導波路を形成している、請求項１又は２に記載の光結合器。
【請求項１０】
前記垂直方向テーパ構造部の一部がスラブ状光導波路を形成しており、他の一部がチャンネル状光導波路を形成している、請求項１又は２に記載の光結合器。
【請求項１１】
前記半導体結晶層の一部がスラブ状光導波路を形成しており、他の一部がチャンネル状光導波路を形成しており、
前記スラブ状光導波路と前記チャンネル状光導波路は光学的に接続されており、
前記スラブ状光導波路と前記チャンネル状光導波路との接続部付近の該チャンネル状導波路の両側に、前記スラブ状導波路から遠ざかるに従って徐々に前記半導体結晶層が薄くなる垂直方向テーパ構造を有している、請求項１に記載の光結合器。
【請求項１２】
前記半導体結晶層の一部がスラブ状光導波路を形成しており、他の一部が複数のチャンネル状光導波路を形成しており、
前記スラブ状光導波路と前記複数のチャンネル状導波路は光学的に接続されており、
前記スラブ状光導波路と前記複数のチャンネル状導波路との接続部付近の該チャンネル状導波路同士の間に、前記スラブ状導波路から遠ざかるに従って徐々に前記半導体結晶層が薄くなる垂直方向テーパ構造を有している、請求項１に記載の光結合器。
【請求項１３】
前記基板がシリコン基板である、請求項１から１２のいずれか一項に記載の光結合器。
【請求項１４】
前記誘電体層が酸化シリコン層、窒化シリコン層、酸窒化シリコン層のいずれかである、請求項１から１３のいずれか一項に記載の光結合器。
【請求項１５】
前記半導体結晶層がシリコン層、ゲルマニウム層、珪化ゲルマニウム層のいずれかである、請求項１から１４のいずれか一項に記載の光結合器。
【請求項１６】
基板と、前記基板上の誘電体層と、前記誘電体層上の半導体結晶層からなる積層基板を用意する工程と、
前記半導体結晶層の一部をエッチングする工程と、
前記のエッチング後の積層基板を非酸化性雰囲気下で加熱して前記半導体結晶層を変形させて、基板平面に垂直方向の厚さが徐々に変化する垂直方向テーパ構造部を形成する工程を含み、
前記のエッチングにおいて、前記半導体結晶層は、
エッチング前の該半導体結晶層の厚さより浅くエッチングされ、且つ
前記垂直方向テーパ構造部の厚さが徐々に変化する一定の第１方向に沿って、薄くなる方向側の半導体結晶層の体積が、厚くなる反対方向側の半導体結晶層の体積より小さくなるようにパターニングされる、光結合器の製造方法。
【請求項１７】
前記半導体結晶層を加工してスラブ状の導波路を形成する、請求項１６に記載の光結合器の製造方法。
【請求項１８】
前記垂直方向テーパ構造部に、スラブ状の導波路を形成する、請求項１６に記載の光結合器の製造方法。
【請求項１９】
前記半導体結晶層を加工してチャンネル状の導波路を形成する、請求項１６から１８のいずれか一項に記載の光結合器の製造方法。
【請求項２０】
前記垂直方向テーパ構造部に、チャンネル状の導波路を形成する、請求項１６から１８のいずれか一項に記載の光結合器の製造方法。
【請求項２１】
前記半導体結晶層を加工して、基板平面に平行方向の幅が徐々に変化する水平方向テーパ構造を形成する、請求項１６から２０のいずれか一項に記載の光結合器の製造方法。
【請求項２２】
前記垂直方向テーパ構造部に、基板平面に平行方向の幅が徐々に変化する水平方向テーパ構造を形成する、請求項１６から２０のいずれか一項に記載の光結合器の製造方法。
【請求項２３】
前記のパターニングは、第１方向に交差する第２方向に沿って延在する溝が、ライン・アンド・スペース状に第１方向に沿って配列されるように行う、請求項１６から２２のいずれか一項に記載の光結合器の製造方法。
【請求項２４】
前記の溝は、第１方向に沿って、前記垂直方向テーパ構造部が薄くなる方向側の溝の第１方向の幅が、厚くなる反対方向側の溝の第１方向の幅より広くなるように配列される、請求項２３に記載の光結合器の製造方法。
【請求項２５】
前記の溝は、第１方向に沿って、前記垂直方向テーパ構造部が薄くなる方向側の溝の深さが、厚くなる反対方向側の溝の深さより深くなるように配列される、請求項２３又は２４に記載の光結合器の製造方法。
【請求項２６】
前記のパターニングは、第１方向に沿って前記垂直方向テーパ構造部が薄くなる側へ向かうに従って基板平面に平行方向の幅が徐々に狭くなる水平方向テーパ構造部を形成する、請求項１６から２２のいずれか一項に記載の光結合器の製造方法。
【請求項２７】
前記のパターニングは、第１方向に沿って配列された複数の柱状構造部を形成する、請求項１６から２２のいずれか一項に記載の光結合器の製造方法。
【請求項２８】
前記の複数の柱状構造部は、第１方向に沿って前記垂直方向テーパ構造部が薄くなる側へ向かうに従って基板平面に沿った断面積が徐々に小さくなるように配列される、請求項２７に記載の光結合器の製造方法。
【請求項２９】
前記の複数の柱状構造部は、第１方向に沿って前記垂直方向テーパ構造部が薄くなる側へ向かうに従って間隔が徐々に広くなるように配列される、請求項２７又は２８に記載の光結合器の製造方法。
【請求項３０】
前記のパターニングは、第１方向に沿って配列された複数の開孔を形成する、請求項１６から２２のいずれか一項に記載の光結合器の製造方法。
【請求項３１】
前記の複数の開孔は、第１方向に沿って前記垂直方向テーパ構造部が薄くなる側へ向かうに従って開口径が徐々に大きくなるように配列される、請求項３０に記載の光結合器の製造方法。
【請求項３２】
前記の複数の開孔は、第１方向に沿って前記垂直方向テーパ構造部が薄くなる側へ向かうに従って間隔が徐々に狭くなるように配列される、請求項３０又は３１に記載の光結合器の製造方法。
【請求項３３】
前記加熱によって変形を起こしたくない部分の半導体結晶層の表面にマスク材を設け、その後に加熱する、請求項１６から３２のいずれか一項に記載の光結合器の製造方法。
【請求項３４】
前記マスク材が酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコンのいずれかである、請求項３３記載の光結合器の製造方法。
【請求項３５】
前記基板がシリコン基板である、請求項１６から３４のいずれか一項に記載の光結合器の製造方法。
【請求項３６】
前記誘電体層が酸化シリコン層、窒化シリコン層、酸窒化シリコン層のいずれかである、請求項１６から３５のいずれか一項に記載の光結合器の製造方法。
【請求項３７】
前記半導体結晶層がシリコン層、ゲルマニウム層、珪化ゲルマニウム層のいずれかである、請求項１６から３６のいずれか一項に記載の光結合器の製造方法。
【請求項３８】
前記積層基板がＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板である、請求項１６から３７のいずれか一項に記載の光結合器の製造方法。
【請求項３９】
前記の加熱の温度が９００〜１１００℃の範囲にある、請求項１６から３８のいずれか一項に記載の光結合器の製造方法。
【請求項４０】
前記の加熱の非酸化性雰囲気が真空雰囲気である、請求項１６から３９のいずれか一項に記載の光結合器の製造方法。
【請求項４１】
前記の加熱の非酸化性雰囲気が還元性雰囲気または不活性雰囲気である、請求項１６から３９のいずれか一項に記載の光結合器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ通信、光インターコネクション、光信号処理等に用いられる光導波路素子に関し、特に、導波路間を光学的に接続する光結合器およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信、光インターコネクション、光信号処理等の分野において、電気信号を光信号に変換する光変調器、光信号の経路や強度を制御する光スイッチ及び光可変減衰器、波長に応じて経路や強度を制御する波長フィルタ及び波長合分波器等は重要な機能を持つ。このような機能を実現する手段として、種々の材料を用いた平面光導波路が研究開発されている。
【０００３】
その中でもシリコン（Ｓｉ）光導波路は、他の光導波路に比べて光を導波路内に閉じ込める作用が強いため、素子サイズを小型化できる、駆動電圧を低くできる、電子回路との集積化が可能、ＬＳＩの製造リソースを利用することで高生産性・低価格にできる、等の特徴があるため、近年特に注目されている。
【０００４】
しかしながら、シリコンはその材料特性から、発光効率が極めて低いため、光機能デバイスとして用いる際には、化合物半導体のレーザーダイオードまたは光増幅器等と結合する必要がある。また、制御された光を外部に出力する際にも、通常光ファイバ等との接続が必要になる。シリコン光導波路と、化合物半導体光導波路、光ファイバ等の他の光学部品と間では、光導波路を伝搬する光の電磁界分布のサイズ・形状が異なるため、その間を低損失・低反射で接続するためには、光の電磁界分布を徐々に変化させるテーパ導波路等の光結合器が必要になる。シリコン光導波路は、コアとなるシリコンの屈折率が非常に高いため、導波路の幅（水平）方向だけでなく厚さ（垂直）方向にもテーパ構造を導入しないと、十分な効果が得られないことがある。
【０００５】
このようなテーパ導波路の例として、特許文献１の図２および図３に記載されたテーパ導波路の断面図および平面図をそれぞれ図１７（ａ）および（ｂ）に示す。
【０００６】
このテーパ導波路は、シリコン基板９０と、シリコン基板上の埋め込み酸化膜層９１と、埋め込み酸化膜層９１上のシリコンコア９２からなり、シリコンコア９２は水平方向に徐々に幅が狭くなるテーパ構造を有すると共に、垂直方向には階段状に厚さが薄くなる構造を有している。
【０００７】
このテーパ導波路の製造方法はおおよそ以下の通りである。まず、通常のフォトリソグラフィ法によって、シリコンコア９２に水平方向テーパを形成する。次にシリコンコア９２の階段状構造の最も厚い部分になる表面９３だけをフォトレジストで覆い、それ以外の部分を階段の１段に相当する高さだけエッチングし、階段状の表面９４を形成する。次に表面９３、９４だけをフォトレジストで覆い、それ以外の部分を階段の１段に相当する高さだけエッチングする。以下、順次同じ手順を繰り返し、最後に表面９３から９５をフォトレジストで覆い、階段の１段に相当する高さだけエッチングし、表面９６を形成すると、図１７（ａ）および（ｂ）に示す水平方向および垂直方向のテーパ構造が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００８−５０９４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の特許文献１に記載のテーパ導波路およびその製造方法には以下の課題がある。このテーパ導波路では、上記の通りシリコンコア９２の表面が階段状になっているが、この階段の段差が大きいと光が段差で散乱するため、散乱損失が大きくなる。そのため段差はできる限り低くすることが望ましいが、段差を低くするためには段数を増やす必要がある。しかしながら、多数の段差を形成するには、レジストの塗布、フォトマスクのアライメント、露光、現像、エッチング、レジストの除去の工程を階段の段数に応じて繰り返す必要があり、製造工程が複雑になる。このように、特許文献１に記載の技術には、散乱損失の低減と製造工程の簡素化の両立が困難であるという課題がある。
【００１０】
本発明の目的は、上記の課題を解決し、散乱損失が低く、製造工程が簡単な光結合器およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、基板と、前記基板上の誘電体層と、前記誘電体層上の半導体結晶層を有し、
前記半導体結晶層の少なくとも一部に光の伝搬方向に沿って基板平面に垂直方向の厚さが徐々に変化する垂直方向テーパ構造を有し、
前記垂直方向テーパ構造部の上面のラフネスが前記半導体結晶層を構成する原子１層分程度である、光結合器が提供される。
【００１２】
また本発明によれば、前記垂直方向テーパ構造部の上面および側面のラフネスが前記半導体結晶層を構成する原子１層分程度である、上記の光結合器が提供される。
【００１３】
また本発明によれば、前記半導体結晶層の少なくとも一部がスラブ状光導波路を形成している、上記の光結合器が提供される。
【００１４】
また本発明によれば、前記垂直方向テーパ構造部の少なくとも一部がスラブ状光導波路を形成している、上記の光結合器が提供される。
【００１５】
また本発明によれば、前記半導体結晶層の少なくとも一部がチャンネル状光導波路を形成している、上記の光結合器が提供される。
【００１６】
また本発明によれば、前記垂直方向テーパ構造部の少なくとも一部がチャンネル状光導波路を形成している、上記の光結合器が提供される。
【００１７】
また本発明によれば、前記半導体結晶層の少なくとも一部に光の伝搬方向に沿って基板平面に平行方向の幅が徐々に変化する水平方向テーパ構造を有している、上記の光結合器が提供される。
【００１８】
また本発明によれば、前記垂直方向テーパ構造部の少なくとも一部に光の伝搬方向に沿って基板平面に平行方向の幅が徐々に変化する水平方向テーパ構造を有している、上記の光結合器が提供される。
【００１９】
また本発明によれば、前記半導体結晶層の一部がスラブ状光導波路を形成しており、他の一部がチャンネル状光導波路を形成している、上記の光結合器が提供される。
【００２０】
また本発明によれば、前記垂直方向テーパ構造部の一部がスラブ状光導波路を形成しており、他の一部がチャンネル状光導波路を形成している、上記の光結合器が提供される。
【００２１】
また本発明によれば、前記半導体結晶層の一部がスラブ状光導波路を形成しており、他の一部がチャンネル状光導波路を形成しており、
前記スラブ状光導波路と前記チャンネル状光導波路は光学的に接続されており、
前記スラブ状光導波路と前記チャンネル状光導波路との接続部付近の該チャンネル状導波路の両側に、前記スラブ状導波路から遠ざかるに従って徐々に前記半導体結晶層が薄くなる垂直方向テーパ構造を有している、上記の光結合器が提供される。
【００２２】
また本発明によれば、前記半導体結晶層の一部がスラブ状光導波路を形成しており、他の一部が複数のチャンネル状光導波路を形成しており、
前記スラブ状光導波路と前記複数のチャンネル状導波路は光学的に接続されており、
前記スラブ状光導波路と前記複数のチャンネル状導波路との接続部付近の該チャンネル状導波路同士の間に、前記スラブ状導波路から遠ざかるに従って徐々に前記半導体結晶層が薄くなる垂直方向テーパ構造を有している、上記の光結合器が提供される。
【００２３】
また本発明によれば、基板と、前記基板上の誘電体層と、前記誘電体層上の半導体結晶層からなる積層基板を用意する工程と、
前記半導体結晶層の一部をエッチングする工程と、
前記のエッチング後の積層基板を非酸化性雰囲気下で加熱して前記半導体結晶層を変形させて、基板平面に垂直方向の厚さが徐々に変化する垂直方向テーパ構造部を形成する工程を含み、
前記のエッチングにおいて、前記半導体結晶層は、
エッチング前の該半導体結晶層の厚さより浅くエッチングされ、且つ
前記垂直方向テーパ構造部の厚さが徐々に変化する一定の第１方向に沿って、薄くなる方向側の半導体結晶層の体積が、厚くなる反対方向側の半導体結晶層の体積より小さくなるようにパターニングされる、光結合器の製造方法が提供される。
【００２４】
また本発明によれば、前記半導体結晶層を加工してスラブ状の導波路を形成する、上記の光結合器の製造方法が提供される。
【００２５】
また本発明によれば、前記垂直方向テーパ構造部に、スラブ状の導波路を形成する、上記の光結合器の製造方法が提供される。
【００２６】
また本発明によれば、前記半導体結晶層を加工してチャンネル状の導波路を形成する、上記の光結合器の製造方法が提供される。
【００２７】
また本発明によれば、前記垂直方向テーパ構造部に、チャンネル状の導波路を形成する、上記の光結合器の製造方法が提供される。
【００２８】
また本発明によれば、前記半導体結晶層を加工して、基板平面に平行方向の幅が徐々に変化する水平方向テーパ構造を形成する、上記の光結合器の製造方法が提供される。
【００２９】
また本発明によれば、前記垂直方向テーパ構造部に、基板平面に平行方向の幅が徐々に変化する水平方向テーパ構造を形成する、上記の光結合器の製造方法が提供される。
【００３０】
また本発明によれば、前記のパターニングは、第１方向に交差する第２方向に沿って延在する溝が、ライン・アンド・スペース状に第１方向に沿って配列されるように行う、上記の光結合器の製造方法が提供される。
【００３１】
また本発明によれば、前記の溝は、第１方向に沿って、前記垂直方向テーパ構造部が薄くなる方向側の溝の第１方向の幅が、厚くなる反対方向側の溝の第１方向の幅より広くなるように配列される、上記の光結合器の製造方法が提供される。
【００３２】
また本発明によれば、前記の溝は、第１方向に沿って、前記垂直方向テーパ構造部が薄くなる方向側の溝の深さが、厚くなる反対方向側の溝の深さより深くなるように配列される、上記の光結合器の製造方法が提供される。
【００３３】
また本発明によれば、前記のパターニングは、第１方向に沿って前記垂直方向テーパ構造部が薄くなる側へ向かうに従って基板平面に平行方向の幅が徐々に狭くなる水平方向テーパ構造部を形成する、上記の光結合器の製造方法が提供される。
【００３４】
また本発明によれば、前記のパターニングは、第１方向に沿って配列された複数の柱状構造部を形成する、上記の光結合器の製造方法が提供される。
【００３５】
また本発明によれば、前記の複数の柱状構造部は、第１方向に沿って前記垂直方向テーパ構造部が薄くなる側へ向かうに従って基板平面に沿った断面積が徐々に小さくなるように配列される、上記の光結合器の製造方法が提供される。
【００３６】
また本発明によれば、前記の複数の柱状構造部は、第１方向に沿って前記垂直方向テーパ構造部が薄くなる側へ向かうに従って間隔が徐々に広くなるように配列される、上記の光結合器の製造方法が提供される。
【００３７】
また本発明によれば、前記のパターニングは、第１方向に沿って配列された複数の開孔を形成する、上記の光結合器の製造方法が提供される。
【００３８】
また本発明によれば、前記の複数の開孔は、第１方向に沿って前記垂直方向テーパ構造部が薄くなる側へ向かうに従って開口径が徐々に大きくなるように配列される、上記の光結合器の製造方法が提供される。
【００３９】
また本発明によれば、前記の複数の開孔は、第１方向に沿って前記垂直方向テーパ構造部が薄くなる側へ向かうに従って間隔が徐々に狭くなるように配列される、上記の光結合器の製造方法が提供される。
【００４０】
また本発明によれば、前記加熱によって変形を起こしたくない部分の半導体結晶層の表面にマスク材を設け、その後に加熱する、上記の光結合器の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、散乱損失が低く、製造工程が簡単な光結合器およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態の光結合器の製造工程を説明するための図。
【図２】本発明の光結合器の一例を示す図。
【図３】本発明の光結合器の他の例を示す図。
【図４】本発明の光結合器の他の例を示す図。
【図５】本発明の光結合器の他の例を示す図。
【図６】本発明の第１の実施形態の光結合器の製造方法に関連する製造方法を説明するための図。
【図７】本発明の第２の実施形態の光結合器の製造工程を説明するための図。
【図８】本発明の第３の実施形態の光結合器の製造工程を説明するための図。
【図９】本発明の第４の実施形態の光結合器の製造工程を説明するための図。
【図１０】本発明の第５の実施形態の光結合器の製造工程を説明するための図。
【図１１】本発明の第６の実施形態の光結合器の製造工程を説明するための図。
【図１２】本発明の第７の実施形態の光結合器の製造工程を説明するための図。
【図１３】本発明の第７の実施形態の光結合器の製造工程を説明するための図。
【図１４】本発明の第８の実施形態の光結合器の製造工程を説明するための図。
【図１５】本発明の第８の実施形態の光結合器の製造工程を説明するための図。
【図１６】本発明の第９の実施形態の光結合器の製造工程を説明するための図。
【図１７】関連するテーパ導波路を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
本発明の一実施形態の光結合器は、基板上の誘電体層上に半導体結晶層を有し、この半導体結晶層の少なくとも一部に光の伝搬方向に沿って厚さ（基板平面に垂直方向の長さ）が徐々に変化するテーパ構造部を有し、このテーパ構造部の上面（傾斜面）のラフネスが、当該半導体結晶層を構成する原子１層分程度である。
【００４４】
上記光結合器は、次のような作用効果を利用して得ることができる。結晶表面に凹凸があると、ギブス・トムソン効果により凸部では化学ポテンシャルが高く、凹部では化学ポテンシャルが低くなる。シリコン等の半導体結晶を無酸素雰囲気で高温加熱すると、半導体表面で原子レベルの段差によって生じる化学ポテンシャルの不均一によって、化学ポテンシャルが相対的に高い凸部から化学ポテンシャルが相対的に低い凹部に半導体原子が表面拡散し、半導体表面の平坦化が起こる。この表面拡散は原子オーダーの平坦化にとどまらず、加熱条件によってはミクロンオーダの表面形状の変形を起こすことも可能である。半導体結晶層を半導体結晶層の厚さよりも浅くエッチングして無酸素雰囲気で高温加熱すると、エッチングされた底面部は凹部に、エッチングされずに残った上面部は凸部となるので、凸部から凹部へ表面拡散が起こり、最終的にはエッチングで除去した体積分だけ薄くなった平坦な半導体結晶層が得られる。したがって、エッチングによって除去する半導体結晶層の体積またはエッチング後に残る半導体結晶層の体積を一定の方向に沿って徐々に変化させた後に、適当な条件で加熱（アニール）すると、半導体結晶層の厚さ（基板平面に対して垂直方向の長さ）が、基板平面に平行な一定の方向に沿って徐々に変化する垂直方向テーパ構造を得ることができる。その後、必要に応じて通常のリソグラフィ技術とエッチング技術等を用いて、チャネル導波路、または基板平面に平行な一定の方向に沿って基板平面に平行な方向の幅が徐々に変化する水平方向テーパ導波路を形成することにより、垂直方向にテーパ構造を持つ導波路または垂直方向と水平方向の両方にテーパ構造を持つ導波路を得ることができる。
【００４５】
また、上記の半導体の表面拡散による変形は、半導体の表面を適切なマスク材で覆うことによって抑制することができる。そのため、変形を起こさせたくない部分の半導体表面にマスク材を設置した後で加熱することにより、選択的に変形を起こすことができる。
【００４６】
以上に述べた作用・効果は、上述したように無酸素雰囲気中で半導体結晶を加熱した際に起こる半導体結晶原子の表面拡散によるものであり、表面拡散によって表面が変形した後も結晶性が保たれるという特徴がある。ゲルマニウム（Ｇｅ）、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）等の不純物を添加した石英ガラス（ＳｉＯ2）等を高温加熱して変形させるリフロー工程とは異なるものである。このような作用・効果を利用することにより、光結合器の製造プロセスを簡単にすることができる。また、このようにして形成された光結合器は、半導体結晶表面のラフネスが半導体原子１層分程度になるため、光の散乱による損失を低減することができる。
【００４７】
ここで、ラフネスは、テーパ構造として定義される半導体結晶層の厚さに対し、実際に形成された半導体結晶層の厚さのずれを表し、通常は標準偏差が指標となる。ライン・エッジ・ラフネスに関しては、例えば、山口他、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス（Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ）、第４２巻、３７６３頁〜３７７０頁、２００３年に記載がある。このラフネスは、例えば走査型電子顕微鏡や原子間力顕微鏡により測定することができる。
【００４８】
本実施形態の光結合器において、垂直方向テーパ構造の半導体結晶層上面（傾斜面）のラフネスは、当該半導体結晶層を構成する原子１層分程度であり、すなわち、１原子層の厚みをＬとすると、０．５Ｌ〜１．５Ｌの範囲とすることができ、さらに０．６Ｌ〜１．４Ｌの範囲とすることができ、特に０．８Ｌ〜１．２Ｌの範囲とすることができる。
【００４９】
本実施形態の光結合器において、垂直方向テーパ構造のテーパ角は、光結合器に求められる所望の特性に応じて適宜設定できるが、下限側では例えば０．１度以上に設定でき、さらに０．５度以上に設定でき、上限側では例えば５度以下に設定することができ、さらに１度以下に設定することができる。
【００５０】
また、光結合器の垂直方向テーパ構造部の光伝搬方向の長さは、光結合器に求められる所望の特性に応じて適宜設定できるが、下限側では例えば１０μｍ以上に設定でき、さらに５０μｍ以上に設定でき、上限側では例えば５００μｍ以下に設定でき、さらに３００μｍ以下に設定できる。
【００５１】
以下に、本発明の好適な実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００５２】
第１の実施形態
本発明の第１の実施形態である光結合器の製造方法を説明する。図１は本実施形態における製造工程を示す概略断面図である。
【００５３】
まず、図１（ａ）に示すように、基板１０上に誘電体層１１および半導体結晶層１２が順次積層された積層基板１を用意する。例えばこのような積層基板１としては通常のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハを用いることができる。その場合、基板１０および半導体結晶層１２はシリコン（Ｓｉ）からなり、誘電体層１１は酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる。誘電体層の材料としては、酸化シリコンの他、窒化シリコン（ＳｉＮ）又は酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）を用いることができる。
【００５４】
次に、図１（ｂ）に示すように、適当なエッチングマスク材１３を半導体結晶層１２上に成膜した後に、通常のフォトリソグラフィ技術または電子線リソグラフィ技術を用いて、図１（ｃ）に示すように繰り返し方向がある一定方向（この場合はｚ軸方向）に沿ったライン・アンド・スペース状にエッチングマスク材１３をパターニングする。その際に、ライン・アンド・スペースの繰返し周期をＰ、スペースの幅をｓ（ｚ）、とすると、ｓ（ｚ）／Ｐがｚ軸方向に徐々に大きくなるようにする。また、紙面に垂直方向（基板平面に平行で、ｚ軸に垂直な方向）には、ライン・アンド・スペースの繰返し周期Ｐに比べて十分長い範囲に渡って、同じ断面のパターンが形成されている。エッチングマスク材１３はその後に実施する半導体結晶層１２のエッチングに用いるエッチング液またはエッチングガスに対して十分に耐性がある材料であればよく、例えばフォトレジスト、電子線レジスト、酸化シリコン（ＳｉＯ2）等を用いることができる。
【００５５】
次に、図１（ｄ）に示すように、ライン・アンド・スペース状のエッチングマスク材１３をマスクとして半導体結晶層１２をエッチングし複数の溝を形成する。その際、半導体結晶層１２のエッチング深さが半導体結晶層１２の厚さより浅くなるように、すなわち誘電体層１１が露出しないようにする。エッチング方法はウエットエッチング法でもドライエッチング法でもよいが、エッチングする体積の制御性の点で、異方性のドライエッチングが望ましい。複数の溝は、例えば、繰り返し周期Ｐが一定の場合、ｚ軸方向に沿って、スペース幅ｓ（ｚ）に対応する溝幅が徐々に大きくなる順に配列される。繰り返し周期Ｐは必ずしも一定である必要はないが、少なくともテーパ構造部が厚い側に、このような溝幅が徐々に大きくなる順の配列を形成することが好ましい。
【００５６】
次に、図１（ｅ）に示すように、エッチングマスク材１３を除去する。
【００５７】
次に、この積層基板を非酸化性雰囲気で高温加熱する。これにより、半導体結晶層１２の凸部１４から凹部１５へと半導体原子の表面拡散が起こり、半導体結晶層１２の表面が平坦化する。加熱の温度、時間、雰囲気等の熱処理条件を適宜設定することにより、半導体結晶層１２はライン・アンド・スペースの１周期の範囲ではほぼ平坦化され、エッチングで除去された半導体結晶層１２の体積に相当する分だけ厚さが減少する。凹部毎のエッチングで除去された半導体結晶の体積がｚ軸方向に沿って徐々に増加しているため、加熱後には図１（ｆ）に示すようにｚ軸方向に沿って半導体結晶層１２の厚さｔ（ｚ）が徐々に減少する垂直方向テーパ構造が得られる。
【００５８】
この垂直方向テーパ構造について、エッチング前の半導体結晶層１２の厚さをＴ、エッチング深さをｄとすると、概ね、次の式：
ｔ（ｚ）  ＝  Ｔ−ｄ×ｓ（ｚ）／Ｐ
の関係が成り立つ。
【００５９】
平坦化のための加熱処理を非酸化性雰囲気下で行うのは、酸化性物質、特に酸素が存在すると半導体結晶層１２の表面に酸化膜が形成され、半導体の表面拡散が阻害されるためである。そのため、加熱処理の雰囲気は、真空雰囲気、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスを含む不活性雰囲気、水素（Ｈ2）等の還元性ガスを含む還元性雰囲気が望ましい。水素（Ｈ2）等の還元性ガスを含む還元性雰囲気下で加熱すると、半導体結晶層１２の表面に残存する酸化膜を還元して除去することができ、特に水素は半導体原子の表面拡散を遅くする効果があるため、表面拡散工程の安定化・均一化に対する制御性に優れている。
【００６０】
加熱温度は、半導体原子が表面拡散はするが気化はしない程度の温度であればよく、例えばシリコン（Ｓｉ）の場合は、９００〜１１００℃程度が望ましい。例えば加熱雰囲気の圧力が２×１０-7Ｐａ、温度が１１００℃の場合、幅０．８μｍ、高さ１．６μｍのシリコンの凸形状は６０秒程度でほぼ平坦化される。
【００６１】
半導体結晶層１２に溝を形成（凸部１４と凹部１５を形成）する際、前述したように、誘電体層１１が露出しないようにエッチングを途中で止めることが、以下の理由により必要である。
【００６２】
図６（ａ）に、半導体結晶層１２に溝を形成する際、誘電体層１１が露出するようにエッチングした場合の断面図を示す。この場合、半導体結晶層１２の上面の角１６および底部の角１７の両方が凸状になっている。一方、誘電体層１１が露出しないようにエッチングした図１（ｅ）では、半導体結晶層１２の上面の角１４は凸状、半導体結晶層１２の底部の角１５は凹状になっている。前述の通り、加熱した際の半導体原子の表面拡散は凸状部から凹状部へ起こるから、図６（ａ）のように半導体結晶層１２の上面の角と底面の角の両方が凸状の場合には上面から底面への拡散が起こらず、図６（ｂ）に示すように半導体結晶層１２の上面の角と底面の角の両方が円弧状になり、所望のテーパ構造が得られない。
【００６３】
半導体結晶層１２に溝を形成する際、溝の幅は十分にとることが好ましい。図１（ｅ）に示したように誘電体層１１を露出しない場合でも、溝の幅が狭いと、加熱時に半導体結晶層の上面の角１４付近の半導体原子が半導体結晶層の底部の角１５付近に移動する途中で滞留し、半導体結晶層の柱（溝間の半導体結晶層部分）の一部の幅が、加熱前より太くなることがある。そのため、溝の幅が狭すぎると、半導体結晶層の柱同士が加熱中に接触することがある。この接触した部分は凹状となるため、この接触部分に半導体原子が集まり、柱同士が接触部分で連結し、この連結部の下方側の内部に空隙が残り、所望のテーパ構造が得られなくなる。柱同士が接触しない条件を正確に決定することは容易ではないが、柱の加熱中に太くなる部分の断面形状は、加熱前の柱と同じ断面積の円より太くなることはないと仮定し、柱と断面積が同じ円同士が接触しない程度に柱の間隔（溝の幅）を設定することが望ましい。
【００６４】
以上のようにして半導体結晶層１２に垂直方向のテーパ構造を形成した後、必要に応じて、通常のリソグラフィ技術とエッチング技術等を用いてチャネル導波路もしくは水平方向のテーパ導波路を形成する。これにより、導波路コアに垂直方向のテーパ構造を有する光結合器もしくは垂直方向と水平方向の両方にテーパ構造を有する光結合器を形成することができる。
【００６５】
例えば、図２は、図１（ｆ）に示す垂直方向のテーパ構造部に、通常のリソグラフィ技術とエッチング技術等を用いて、コアの断面形状が矩形の直線導波路を形成した場合の構造を示す。図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ’線に沿った断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）のｃ−ｃ’線に沿った断面図、図２（ｄ）は図２（ａ）のｄ−ｄ’線に沿った断面図である。
【００６６】
図３は、図１（ｆ）で形成した垂直方向のテーパ構造部に、通常のリソグラフィ技術とエッチング技術等を用いて、コアの断面形状が矩形の水平方向のテーパ導波路を形成した場合の構造を示す。図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）はｂ−ｂ’線に沿った断面図、図３（ｃ）はｃ−ｃ’線に沿った断面図、図３（ｄ）はｄ−ｄ’線に沿った断面図である。
【００６７】
図４は、図１（ｆ）に示す垂直方向のテーパ構造部に、通常のリソグラフィ技術とエッチング技術等を用いて、コアの断面形状がリブ型（凸型）の直線導波路を形成した場合の構造を示す。図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）はｂ−ｂ’線に沿った断面図、図４（ｃ）はｃ−ｃ’線に沿った断面図、図４（ｄ）はｄ−ｄ’線に沿った断面図である。
【００６８】
図５は、図１（ｆ）に示す垂直方向のテーパ構造部に、通常のリソグラフィ技術とエッチング技術等を用いて、コアの断面形状がリブ型（凸型）の水平方向のテーパ導波路を形成した場合の構造を示す。図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）はｂ−ｂ’線に沿った断面図（ｂ）、図５（ｃ）はｃ−ｃ’線に沿った断面図、図５（ｄ）はｄ−ｄ’線に沿った断面図である。
【００６９】
いずれの場合も、必要に応じてコアとなる半導体結晶層１２を覆うように、半導体結晶層１２より屈折率の低い材料からなるクラッド層を設けてもよい。このようなクラッド層の材料としては、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、ポリマ材料などが挙げられる。
【００７０】
第１の実施形態によれば、リソグラフィ工程を何度も繰り返す必要がなく、簡便なプロセスにより所望のテーパ構造をもつ光結合器を形成することができる。
【００７１】
また、第１の実施形態の製造方法で形成した垂直方向テーパ構造は、そのテーパ構造上面のラフネスが半導体結晶層を構成する原子１層分程度になり、光の散乱損失を低減できる。
【００７２】
第２の実施形態
次に、本発明の第２の実施形態である光結合器の製造方法を説明する。
【００７３】
まず、前述の第１の実施形態と同様にして図１（ａ）〜（ｅ）を用いて説明した工程を実施し、図１（ｅ）に示す構造を得る。
【００７４】
エッチングマスク材を除去した後、加熱する前に、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、半導体結晶層１２上に表面拡散マスク材２０〜２３を形成する。図７（ａ）は、このときの状態を示す平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のｂ−ｂ’線に沿った断面図である。表面拡散マスク材２０〜２３は、後の加熱時に半導体原子の表面拡散を起こしたくない部分の半導体結晶層１２の表面に設ける。
【００７５】
表面拡散マスク材２０〜２３の材料は加熱時の温度や雰囲気に対して耐性があるものであれば限定されないが、半導体結晶層１２がシリコン層の場合、耐熱性、成膜の容易性、シリコンとの密着性等の観点から、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）等が好適である。
【００７６】
次に、第１の実施の形態と同様に積層基板を非酸化性雰囲気で加熱する。この加熱により、表面拡散マスク材２０〜２３が設けられていない部分の半導体結晶層１２の表面だけで表面拡散が起こり、加熱前の図７（ｂ）に対応する加熱後の図７（ｃ）に示すように、表面拡散マスク材２０〜２３が設けられていない部分に垂直方向テーパ構造が形成される。
【００７７】
その後、表面拡散マスク材２０〜２３を除去し、第１の実施の形態と同様の工程を経ることで、垂直方向にテーパ構造を有する光結合器もしくは垂直方向と水平方向の両方にテーパ構造を有する光結合器を得ることができる。
【００７８】
なお、エッチングマスク材１３が表面拡散マスク材として用いることができる場合、エッチングマスク材１３の一部を除去せずに残して表面拡散マスク材として用いてもよい。また、表面拡散マスク材２０〜２３がクラッド材として用いることができる場合、表面拡散マスク材２０〜２３を除去する工程を省略してもよい。
【００７９】
本実施形態によれば、半導体結晶層１２上に表面拡散マスク材２０〜２３を設けることにより、第１の実施形態に比べて、垂直方向テーパの開始位置および終了位置を正確に確定できる。また、垂直方向テーパを形成したい部分以外の部分での表面拡散による半導体結晶層１２の形状の変形を防止することができる。例えば、図７（ａ）に示すように表面拡散マスク材２２、２３を設けることで、表面拡散マスク材２２、２３が接する半導体結晶層１２のｘ軸方向の段差が表面拡散によってだれることを防止できる。
【００８０】
第３の実施形態
次に、本発明の第３の実施形態である光結合器の製造方法を説明する。
【００８１】
まず、前述の第１の実施形態と同様にして図１（ａ）〜（ｃ）を用いて説明した工程を実施し、図１（ｃ）に示す構造を得る。
【００８２】
次に、図８に示すように、エッチングマスク材１３をマスクとして半導体結晶層１２をエッチングする。本実施形態では、半導体結晶層１２のエッチングされた幅だけでなく深さもｚ軸方向に徐々に変化している。このような構造は、エッチングに寄与するエッチング液またはエッチングガスがエッチングされた溝の底部に供給される量が、エッチングマスク材１３の開口幅に依存することを利用して、エッチング条件を適切に選択することで、１回のエッチングでも形成することができる。
【００８３】
その後、第１の実施形態と同様にして、エッチングマスク材１３を除去し、非酸化性雰囲気で加熱することで垂直方向テーパ構造を得ることができる。この場合の加熱後の半導体結晶層１２の厚さｔ（ｚ）は、エッチング深さをｄ（ｚ）とすると、概ね以下の式：
ｔ（ｚ）  ＝  Ｔ−ｄ（ｚ）×ｓ（ｚ）／Ｐ
で表せる。
【００８４】
本実施形態は、第１の実施の形態に比べて、加熱前後の半導体結晶層１２の形状変化が小さいので、他の加熱条件が同じであれば加熱時間を短くできるという効果がある。さらに、加熱時間を短くできるため、加熱によって変形して欲しくない部分の変形を小さくできる。
【００８５】
第４の実施形態
次に、本発明の第４の実施形態である光結合器の製造方法を説明する。本実施形態の製造方法は、半導体結晶層１２のエッチングパターン以外は第２の実施形態と同じである。
【００８６】
図９（ａ）に、所定のパターンのエッチングマスク材１３をマスクとして半導体結晶層１２をエッチングし、エッチングマスク材１３を除去した後に、表面拡散マスク材２０〜２３を設置した時点での平面図を示し、図９（ｂ）に、図９（ａ）のｂ−ｂ’線に沿った断面図を示し、図９（ｃ）に、図９（ａ）のｃ−ｃ’線に沿った断面図を示し、図９（ｄ）は、図９（ａ）のｄ−ｄ’線部に沿った断面図を示す。図９（ｅ）は、加熱前の図９（ｄ）に対応する加熱後の構造の断面図を示す。
【００８７】
第２の実施形態では半導体結晶層１２のエッチング後に残った部分がｘ軸方向に一様なライン状であるが、本実施形態では半導体結晶層１２のエッチング後に残った部分の幅ｗ（ｚ）がｚ軸方向に沿って徐々に狭くなる複数のテーパ形状になっている。
【００８８】
その後、第２の実施形態と同様にして非酸化性雰囲気中で加熱することで図９（ｅ）に示すような垂直方向テーパ構造を得ることができる。この場合、複数のテーパ同士が接している部分（テーパの幅が広い側の端部）のテーパの幅をＷとすると、加熱後の半導体結晶層１２の厚さｔ（ｚ）は、概ね以下の式：
ｔ（ｚ）  ＝  Ｔ−ｄ（ｚ）×（１−ｗ（ｚ）／Ｗ）
で表せる。
【００８９】
加熱時間を短くするためには、テーパの幅が広い側の幅をできる限り狭くし、テーパの数を増やすことが望ましい。本実施形態は、第２の実施形態に比べて、半導体結晶層１２のエッチングで残った部分の体積がｚ軸方向により滑らかに変化するため、より短い加熱時間でも滑らかな垂直方向テーパ構造を得ることができる。さらに、加熱時間が短くできるため、加熱によって変形して欲しくない部分の変形を小さくできる。
【００９０】
第５の実施形態
次に、本発明の第５の実施形態である光結合器の製造方法を説明する。本実施形態の製造方法は、半導体結晶層１２のエッチングパターン以外は第４の実施形態と同じである。
【００９１】
図１０（ａ）に、所定のパターンのエッチングマスク材１３をマスクとして半導体結晶層１２をエッチングし、エッチングマスク材１３を除去した後に、表面拡散マスク材２０〜２３を設置した時点での平面図を示し、図１０（ｂ）に、図１０（ａ）のｂ−ｂ’線に沿った断面図（ｂ）を示す。
【００９２】
第４の実施形態では半導体結晶層１２のエッチング後に残った部分がｚ軸方向に徐々に幅が狭くなるテーパ形状になっているが、本実施形態では離散的な柱の列となっており、柱の断面積（基板平面に平行方向の断面の面積）がｚ軸方向に沿って徐々に小さくなる順に配列されている。
【００９３】
その後、第４の実施形態と同様にして、非酸化性雰囲気中で加熱することで図９（ｅ）に示すような垂直方向テーパ構造を得ることができる。この場合、ｚ軸方向のある位置ｚ付近で半導体結晶層１２がエッチングされている面積割合をａ（ｚ）、エッチング深さをｄ（ｚ）、エッチング前の半導体結晶層１２の厚さをＴとすると、加熱後の半導体結晶層１２の厚さｔ（ｚ）は、概ね以下の式：
ｔ（ｚ）  ＝  Ｔ−ｄ（ｚ）×ａ（ｚ）
で表せる。
【００９４】
本実施形態は、半導体結晶層１２がｚ軸方向に沿って連続的な第４の実施形態に比べて、半導体結晶層１２の表面積を大きくすることができるので、半導体結晶層１２の表面拡散が起こりやすくなり、加熱条件が同じであれば加熱時間を更に短くできる。さらに、加熱時間が短くできるため、加熱によって変形して欲しくない部分の変形を小さくできる。また、テーパ形状の設計の自由度が増す。
【００９５】
第６の実施形態
次に、本発明の第６の実施形態である光結合器の製造方法を説明する。本実施形態の製造方法は、半導体結晶層１２のエッチングパターン以外は第５の実施形態と同じである。
【００９６】
図１１（ａ）に、所定のパターンのエッチングマスク材１３をマスクとして半導体結晶層１２をエッチングし、エッチングマスク材１３を除去した後に、表面拡散マスク材２０〜２３を設置した時点での平面図を示し、図１１（ｂ）に、図１１（ａ）のｂ−ｂ’線に沿った断面図を示す。
【００９７】
第５の実施形態では半導体結晶層１２のエッチング後に残った部分が離散的な複数の柱を形成し、これらの柱は柱の断面積がｚ軸方向に沿ってのみ徐々に小さくなるように配列されていたが、本実施形態では離散的な柱の断面積がｚ軸方向およびｘ軸方向の両方に沿って徐々に小さくなるように配置されている。
【００９８】
その後、第５の実施形態と同様にして、非酸化性雰囲気中で加熱することで、ｚ軸およびｘ軸の両方向に沿って半導体結晶層１２の厚さが徐々に変化するテーパ構造を形成することができる。この場合、ｚ軸およびｘ軸方向のある位置（ｚ，ｘ）付近で半導体結晶層１２がエッチングされている面積割合をａ（ｚ，ｘ）、エッチング深さをｄ（ｚ，ｘ）、エッチング前の半導体結晶層１２の厚さをＴとすると、加熱後の半導体結晶層１２の厚さｔ（ｚ，ｘ）は、概ね以下の式：
ｔ（ｚ，ｘ）  ＝  Ｔ−ｄ（ｚ，ｘ）×ａ（ｚ，ｘ）
で表せる。
【００９９】
本実施形態では、半導体結晶層１２の柱をその断面積が２次元的に変化するように配置することにより、所望の垂直方向テーパ構造を形成できる。
【０１００】
なお、第５および第６の実施形態では、加熱する前の半導体結晶層１２の構造として、柱の断面積が水平方向に沿って徐々に変化するように柱が配置された例を示したが、エッチングで形成される溝（孔）の開口面積が水平方向に沿って徐々に変化するように溝を配置してもよい。また、柱または溝の間隔が水平方向に沿って徐々に変化するように配置してもよい。柱の断面積と間隔の両方が水平方向に沿って徐々に変化するように配置してもよいし、溝の開口面積と間隔の両方が水平方向に沿って徐々に変化するように配置してもよい。柱の断面積が小さくなる側に向かうに従って薄くなるテーパ構造を形成でき、柱の間隔が広くなる側に向かうに従って薄くなるテーパ構造を形成できる。溝の開口面積が大きくなる側へ向かうに従って薄くなるテーパ構造を形成でき、溝の間隔が狭くなる側へ向かうに従って薄くなるテーパ構造を形成できる。
【０１０１】
第７の実施形態
次に、本発明の第７の実施形態である光結合器の製造方法を説明する。本実施形態の製造方法は、半導体結晶層１２のエッチングパターンと加熱の条件以外は第１の実施形態とほぼ同じである。
【０１０２】
図１２（ａ）に、所定のパターンのエッチングマスク材１３をマスクとして半導体結晶層１２をエッチングし、エッチングマスク材１３を除去した時点での平面図を示し、図１２（ｂ）に図１２（ａ）のｂ−ｂ’線に沿った断面図、図１２（ｃ）に図１２（ａ）のｃ−ｃ’線に沿った断面図、図１２（ｄ）に図１２（ａ）のｄ−ｄ’線に沿った断面図を示す。半導体結晶層１２のｂ−ｂ’線部およびｃ−ｃ’線部での断面は、図１２（ｂ）及び図１２（ｃ）に示すように凸状にエッチングされており、凸部の幅は、図１２（ａ）に示すようにｚ軸方向に沿って徐々に狭くなっている。
【０１０３】
図１３に、図１２に示したエッチング後の積層基板を非酸化性雰囲気中で加熱した後の状態を示す。図１３（ａ）は平面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のｂ−ｂ’線に沿った断面図、図１３（ｃ）は図１３（ａ）のｃ−ｃ’線に沿った断面図、図１３（ｄ）は図１３（ａ）のｄ−ｄ’線に沿った断面図を示している。
【０１０４】
これまでの第１から第６の実施形態では、エッチングで形成した半導体結晶層１２の凸部が局所的にはほぼ平坦化する程度に加熱を行ったが、本実施の形態では、第１から第６までの実施形態に比べて短時間または低温の加熱を行い、少なくともｂ−ｂ’線部付近では角が鈍った凸形状が残る程度の加熱を行う。これにより、図１３（ｂ）に示すような比較的コア層が厚い導波路から、図１３（ｃ）に示すような比較的コア層が薄い導波路へ、図１３（ｄ）に示すように滑らかなテーパ構造を得ることができる。なお、図１３（ｂ）、（ｃ）に示すように、半導体結晶層１２の凸部の角は丸みを帯びるため、図１３（ａ）において、半導体結晶層１２の凸部の輪郭を正確に平面図にすることはできない。そのため、図１３（ａ）において半導体結晶層１２の凸部の輪郭を表す三角形の形状は、図１３（ｃ）での半導体結晶層１２の凸部の高さと同じ高さの部分を表す等高線を示している。
【０１０５】
なお、必要に応じて、半導体結晶層１２の凸部の形状を保護するために、第２の実施形態と同様に、加熱の前に半導体結晶層１２の表面の一部に表面拡散マスク材を設けてもよい。
【０１０６】
本実施形態は、第１から第６の実施形態に比べて、高温加熱の後にチャネル状の導波路を形成するために改めてパターニングをする必要がないため、より製造方法が簡素化できる。また、第１から第６までの実施形態では、垂直方向テーパを形成するために行う加熱の後に、チャネル状の導波路を形成するためにエッチングを行うため、このエッチングで生じた側壁のラフネスにより、光が散乱される可能性がある。一方、本実施形態では垂直方向テーパを形成する加熱時に、同時に導波路側壁のラフネスも改善できるため、より散乱損失を低くできる。
【０１０７】
第８の実施形態
次に、本発明の第８の実施形態である光結合器の製造方法を説明する。本実施形態の製造方法は、半導体結晶層１２のエッチングパターンと加熱の条件以外は第７の実施の形態とほぼ同じである。
【０１０８】
図１４（ａ）に、所定のパターンのエッチングマスク材１３をマスクとして半導体結晶層１２をエッチングし、エッチングマスク材１３を除去した時点での平面図を示し、図１４（ｂ）に図１４（ａ）のｂ−ｂ’線に沿った断面図、図１４（ｃ）に図１４（ａ）のｃ−ｃ’線に沿った断面図、図１４（ｄ）に図１４（ａ）のｄ−ｄ’線に沿った断面図を示す。図１４（ａ）に示すように、半導体結晶層１２は、ａ−ａ’線部付近ではエッチングされておらず、スラブ状の形状になっている。ｂ−ｂ’線部およびｃ−ｃ’線部での断面は、図１４（ｂ）及び図１４（ｃ）に示すように２つの凸状にエッチングされた構造（凸部）が隣り合って配置され、凸部の幅は、図１４（ａ）に示すようにｚ軸方向に沿って徐々に狭くなっている。これに応じて、２つの凸部の間の幅がスラブ部から遠ざかるに従って徐々に広くなっている。
【０１０９】
図１５に、図１４に示したエッチング後の積層基板を非酸化性雰囲気中で加熱した後の状態を示す。図１５（ａ）は平面図、図１５（ｂ）は図１５（ａ）のｂ−ｂ’線に沿った断面図、図１５（ｃ）は図１５（ａ）のｃ−ｃ’線に沿った断面図、図１５（ｄ）は図１５（ａ）のｄ−ｄ’線に沿った断面図を示している。
【０１１０】
加熱によって、半導体結晶層１２のスラブ状部および２つの凸部からこれらの凸部の間の溝へと半導体原子の表面拡散が起こり、図１５（ｄ）に示すように凸部の間の溝がスラブ状部に近づくに従って徐々に浅くなる構造が得られる。
【０１１１】
なお、必要に応じて、半導体結晶層１２の凸部の形状を保護するために、第２の実施形態と同様に、加熱の前に半導体結晶層１２の表面の一部に表面拡散マスク材を設けてもよい。
【０１１２】
本実施形態で形成される構造は、チャンネル導波路とスラブ導波路を接続する光結合器の接続損失を低減する効果がある。チャンネル導波路とスラブ導波路の接続は、スラブ導波路の円弧状の端面に複数のチャンネル導波路を接続した構造のスターカプラや、２つのスターカプラを多数の長さの異なるアレイ導波路で接続したアレイ導波路格子などで多用されており、本実施形態である光結合器の製造方法は、これらの光デバイスの損失の低減にも効果がある。
【０１１３】
なお、図１４及び図１５では複数のチャンネル状導波路の中心線は互いに平行で、導波路の幅が徐々に変化する場合を示したが、複数のチャンネル状導波路の幅は一定で中心線が徐々に互いに離れるように放射線状に広がっていてもよいし、複数のチャンネル状導波路の幅が徐々に変化し、且つ中心線が徐々に互いに離れるように放射線状に広がっていてもよい。
【０１１４】
第９の実施形態
次に、本発明の第９の実施形態である光結合器の製造方法を説明する。本実施形態の製造方法は、半導体結晶層１２のエッチングパターンと加熱の条件以外は第８の実施の形態とほぼ同じである。
【０１１５】
図１６（ａ）に、所定のパターンのエッチングマスク材１３をマスクとして半導体結晶層１２をエッチングし、エッチングマスク材１３を除去した時点での平面図を示し、図１６（ｂ）に図１６（ａ）のｂ−ｂ’線に沿った断面図を示す。
【０１１６】
本実施形態と第８の実施形態との相違は、半導体結晶層１２の２つの凸状にエッチングされた構造（凸部）の間の溝部に、半導体結晶層１２の柱が複数設置されており、柱の間隔がスラブ状部から遠ざかるに従って徐々に広くなっている。本実施形態では、図１６（ａ）に示すように、凸部の両側に沿って柱が配置されている。これにより、加熱後に、チャネル状導波路の両側にテーパ構造を形成することができる。
【０１１７】
加熱の際は、これらの柱がほぼ平坦になり、チャネル状部は導波路として機能する程度に形状が維持される程度に加熱する。従って、個々の柱の体積は、チャネル状導波路の体積に比べて小さい方が望ましい。
【０１１８】
なお、必要に応じて、半導体結晶層１２の凸部の形状を保護するために、第２の実施形態と同様に、加熱の前に半導体結晶層１２の表面の一部に表面拡散マスク材を設けてもよい。
【０１１９】
本実施形態は、第８の実施形態に比べて、加熱した際に溝部を埋める半導体原子を多く供給できるので、溝部において緩やかなテーパ構造を形成でき、チャンネル導波路とスラブ導波路を接続する光結合器の接続損失を更に低減することができる。
【０１２０】
なお、柱の間隔を徐々に広くする代わりに、柱の断面積が徐々に小さくなるように配置もよいし、柱の間隔を徐々に広くし、且つ柱の断面積が徐々に小さくなるように配置してもよい。更に、第８の実施形態で示したチャネル状導波路の間の溝の幅を徐々に広げる構造を併用してもよい。
【０１２１】
なお、上記の第８および第９の実施形態では複数のチャンネル導波路とスラブ導波路との接続に関して説明したが、単一のチャンネル導波路とスラブ導波路を接続する場合であっても、光結合器のチャンネル状導波路とスラブ状導波路の接続部付近からチャンネル状導波路の両側に沿ってダミーのチャンネル状の構造を配置すれば、第８および第９の実施形態と同様なプロセルを経て、単一のチャンネル導波路とスラブ導波路を低損失で接続する構造を得ることができる。
【０１２２】
なお、上記の第１から第９の実施形態では主に半導体結晶層１２としてシリコン（Ｓｉ）層の場合を述べたが、ゲルマニウム（Ｇｅ）層や珪化ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）層でもよい。半導体結晶層１２がシリコン層の場合、市販のＳＯＩ基板を用いることで、製造工程を簡素化できる。一方、半導体結晶層１２としてゲルマニウム層や珪化ゲルマニウム層を用いた場合は、シリコン層に比べてキャリアの移動度が高いため、キャリア濃度制御によって屈折率を変調する光変調器や光スイッチ等を高速にすることができる効果がある。また、波長１．３〜１．６μｍ付近の光信号を電気信号に変換する光検出器を集積できる効果もある。
【符号の説明】
【０１２３】
１：ＳＯＩウエハ（積層基板）
１０：基板
１１：誘電体層
１２：半導体結晶層
１３：エッチングマスク材
１４、１６、１７：半導体結晶層の凸部
１５：半導体結晶層の凹部
１８、１９：半導体結晶層の円弧状部
２０、２１、２２、２３：表面拡散マスク材
９０：シリコン基板
９１：埋め込み酸化膜層
９２：シリコンコア
９３、９４、９５、９６：シリコンコアの階段状の表面
【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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【図１７】
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