(57)【要約】【課題】絶縁層が形成されている異種基板の上に形成した半導体層１０６を用いて高効率な光デバイスが形成できるようにする。【解決手段】搬送帯基板１０１の上に、第１開口部１０３を備える第１絶縁層１０２を形成する。次に、第１絶縁層１０２の上に、第１開口部１０３より広い幅の第２開口部１０５を備える第２絶縁層１０４を形成する。次に、第１開口部１０３の底部の半導体基板１０１の表面より、第１開口部１０３を通じて光デバイスを構成するための半導体層１０６を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上に、第１開口部を備える第１絶縁層を形成する第１工程と、
前記第１絶縁層の上に、前記第１開口部の形成領域を含む領域に配置された、前記第１開口部より広い幅の第２開口部を備える第２絶縁層を形成する第２工程と、
前記第１開口部に露出する前記半導体基板の表面より結晶成長させることで、前記半導体基板とは異なる格子定数の半導体成長層を前記第２絶縁層の上まで形成する第３工程と、
前記第２絶縁層の上の部分の前記半導体成長層を研削研磨することで、前記第２絶縁層の表面と同一の平面を形成する平坦な表面を備える光デバイスを構成するための半導体層を形成する第４工程と
を備えることを特徴とする光デバイス構造の作製方法。
【請求項２】
請求項１記載の光デバイス構造の作製方法において、
前記第１絶縁層および前記第２絶縁層は、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，ＳｉＯx，ＳｉＯＮ，Ａｌ2Ｏ3のいずれかから構成し、
前記第２絶縁層の厚さｂを、以下の式（Ａ）を満たす状態に形成する。
ことを特徴とする光デバイス構造の作製方法。
【数１】
2019204833.tif 000008
【請求項３】
請求項１または２記載の光デバイス構造の作製方法において、
前記半導体層は、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＮのいずれか、または、これらの化合物から構成することを特徴とする光デバイス構造の作製方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光デバイス構造の作製方法において、
前記第１絶縁層の厚さａを以下の式（Ｂ）を満たす状態に形成する
ことを特徴とする光デバイス構造の作製方法。
【数２】
2019204833.tif 000009
【請求項５】
半導体基板の上に形成された第１開口部を備える第１絶縁層と、
前記第１絶縁層の上に形成された、前記第１開口部の形成領域を含む領域に配置された、前記第１開口部より広い幅の第２開口部を備える第２絶縁層と、
前記第１開口部に露出する前記半導体基板の表面より前記第１開口部を通じて形成され、前記半導体基板とは異なる格子定数とされ、光デバイスを構成するための半導体層と
を備えることを特徴とする光デバイス構造。
【請求項６】
請求項５記載の光デバイス構造において、
前記第１絶縁層および前記第２絶縁層は、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，ＳｉＯx，ＳｉＯＮ，Ａｌ2Ｏ3のいずれかから構成され、
前記第２絶縁層の厚さｂは、以下の式（Ａ）を満たす状態に形成されている
ことを特徴とする光デバイス構造。
【数３】
2019204833.tif 000010
【請求項７】
請求項５または６記載の光デバイス構造において、
前記半導体層は、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＮのいずれか、または、これらの化合物から構成されていることを特徴とする光デバイス構造。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項に記載の光デバイス構造において、
前記第１絶縁層の厚さａは以下の式（Ｂ）を満たす状態に形成されている
ことを特徴とする光デバイス構造。
【数４】
2019204833.tif 000011
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光デバイスを構成する半導体層を備える光デバイス構造およびその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体は、電子デバイスや光デバイスの材料として用いられている。デバイスとして利用される半導体の多くは層構造を取り、母材となる半導体やサファイアなどの基板上に、結晶成長装置を用いて形成される。
【０００３】
元来、結晶成長は、基板に対して格子整合するように行われてきたが、量産性やデバイス特性向上のため、サファイア基板上へのＧａＮの成長やＳｉ基板上への化合物半導体成長など格子不整合系の成長（ヘテロエピタキシャル成長）も行われるようになってきている。
【０００４】
ヘテロエピタキシャル成長では、ヘテロ界面において各種結晶欠陥が導入され、これが半導体電子・光デバイスを構成する層（デバイス層）へ貫通する。この貫通欠陥は、デバイス特性を劣化させるため、デバイス特性を劣化させないためには、貫通欠陥の抑制が重要である。
【０００５】
貫通転位密度を低減する技術は、これまでに幾つか提案されているが、この中の一つとして、エピタキシャル横方向成長(epitaxial lateral overgrowth;ＥＬＯ）がある。ＥＬＯは、ＳｉＯ2などのマスク材料を、ヘテロエピタキシャル成長させる半導体基板上に堆積させてマスク層を形成し、このマスク層の一部に開口部を形成し、この開口部より結晶成長を行う。この開口部からの結晶成長において、マスク層の開口部直上に加えてマスク層の上へ覆いかぶさるように成長させる成長様式を用いることで、マスク層の上では、基板からの転位の伝搬を抑制することが可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】G. Suryanarayanan et al., "Microstructure of lateral epitaxial overgrown InAs on (100) GaAs substrates", Applied Physics Letters, vol. 83, no. 10, pp. 1977-1979, 2003.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ＥＬＯによりマスク上に形成された半導体層は、表面の形状が必ずしも基板表面と並行して平坦なものとはならず、例えば量子井戸構造を形成する場合や、半導体デバイス構造を形成する場合には、必ずしも適した形状とはならない（非特許文献１参照）。このような場合、成長した半導体層の表面を、化学機械研磨（Chemical mechanical polishing；ＣＭＰ）などの技術で平坦化することになる。
【０００８】
しかし、ＣＭＰによる平坦化は、必ずしも研磨厚の制御が容易ではなく、基板面内の均一性や半導体層の研磨過剰・不足などの問題が生じてしまいやすい。また、ヘテロエピタキシャル成長においては、格子定数の異なる半導体同士を集積することは可能であるが、半導体と屈折率差の大きい絶縁層などとの集積によって得られる強い光閉じ込めを用いた高効率半導体光デバイスを実現することは困難であった。
【０００９】
絶縁層を用いるＥＬＯにおいても、絶縁層に転位密度低減の効果を期待するものであり、高屈折率差を活かした強い光閉じ込め効果を得られるような構造は提案されてこなかった。このように、ヘテロエピタキシャル成長におけるＥＬＯ技術は、転位密度の抑制効果はあるものの、研磨加工の制御性が悪く、また、絶縁層の光学的効果を利用した高効率なデバイス作製が困難であるという問題があった。
【００１０】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、絶縁層が形成されている異種基板の上に形成した半導体層を用いて高効率な光デバイスが形成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る光デバイス構造は、半導体基板の上に形成された第１開口部を備える第１絶縁層と、第１絶縁層の上に形成された、第１開口部の形成領域を含む領域に配置された第１開口部より広い幅の第２開口部を備える第２絶縁層と、第１開口部に露出する半導体基板の表面より第１開口部を通じて形成され、半導体基板とは異なる格子定数とされ、光デバイスを構成するための半導体層とを備える。
【００１２】
上記光デバイス構造において、第１絶縁層および第２絶縁層は、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，ＳｉＯx，ＳｉＯＮ，Ａｌ2Ｏ3のいずれかから構成され、第２絶縁層の厚さｂは、以下の式（Ａ）を満たす状態に形成されていればよい。
【００１３】
上記光デバイス構造において、半導体層は、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＮのいずれか、または、これらの化合物から構成されていればよい。
【００１４】
上記光デバイス構造において、第１絶縁層の厚さａは以下の式（Ｂ）を満たす状態に形成されていればよい。
【００１５】
また、本発明に係る光デバイス構造の作製方法は、半導体基板の上に、第１開口部を備える第１絶縁層を形成する第１工程と、第１絶縁層の上に、第１開口部の形成領域を含む領域に配置された第１開口部より広い幅の第２開口部を備える第２絶縁層を形成する第２工程と、第１開口部に露出する半導体基板の表面より結晶成長させることで、半導体基板とは異なる格子定数の半導体成長層を第２絶縁層の上まで形成する第３工程と、第２絶縁層の上の部分の半導体成長層を研削研磨することで、第２絶縁層の表面と同一の平面を形成する平坦な表面を備える光デバイスを構成するための半導体層を形成する第４工程とを備える。
【００１６】
上記光デバイス構造の作製方法において、第１絶縁層および第２絶縁層は、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，ＳｉＯx，ＳｉＯＮ，Ａｌ2Ｏ3のいずれかから構成し、第２絶縁層の厚さｂを、以下の式（Ａ）を満たす状態に形成すればよい。
【００１７】
上記光デバイス構造の作製方法において、半導体層は、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＮのいずれか、または、これらの化合物から構成すればよい。
【００１８】
上記光デバイス構造の作製方法において、第１絶縁層の厚さａを以下の式（Ｂ）を満たす状態に形成すればよい。
【００１９】
【数１】
2019204833.tif 000003
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したことにより、本発明によれば、絶縁層が形成されている異種基板の上に形成した半導体層を用いて高効率な光デバイスが形成できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における光デバイス構造の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における光デバイス構造の他の構成を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における光デバイス構造の他の構成を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態における光デバイス構造による光導波路の構成を示す断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の実施の形態における光デバイス構造による光導波路の作製方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の実施の形態における光デバイス構造による光導波路の作製方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明の実施の形態における光デバイス構造による光導波路の作製方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、本発明の実施の形態における光デバイス構造による光導波路の作製方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。
【図５Ｅ】図５Ｅは、本発明の実施の形態における光デバイス構造による光導波路の作製方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。
【図５Ｆ】図５Ｆは、本発明の実施の形態における光デバイス構造による光導波路の作製方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。
【図５Ｇ】図５Ｇは、本発明の実施の形態における光デバイス構造による光導波路の作製方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。
【図５Ｈ】図５Ｈは、本発明の実施の形態における光デバイス構造による光導波路の作製方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態おける光デバイス構造について図１を参照して説明する。この光デバイス構造は、半導体基板１０１の上に形成された第１絶縁層１０２と、第１絶縁層１０２の上に形成された第２絶縁層１０４とを備える。半導体基板１０１は、例えば、主表面を（００１）面としたダイヤモンド構造を有する半導体の結晶から構成さ、例えば、単結晶シリコンから構成されている。また、第１絶縁層１０２、第２絶縁層１０４は、例えば、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，ＳｉＯx，ＳｉＯＮ，Ａｌ2Ｏ3などから構成されていればよい。
【００２３】
第１絶縁層１０２は、第１開口部１０３を備える。第１開口部１０３は、第１絶縁層１０２を貫通して形成されている。第２絶縁層１０４は、第１開口部１０３の形成領域を含む領域に配置された、第１開口部１０３より広い幅の第２開口部１０５を備える。第２開口部１０５は、第２絶縁層１０４を貫通して形成されている。第１開口部１０３および第２開口部１０５は、断面視で階段状に開口幅が変化している。例えば、第１開口部１０３，第２開口部１０５は、図１の紙面の手前から奥の方に延在する溝である。なお、図１では、第２開口部１０５の幅方向の中央に、第１開口部１０３を配置しているが、これに限るものではない。
【００２４】
第１開口部１０３および第２開口部１０５は、例えば、平面視で矩形とされ、矩形とされた各開口は、半導体基板１０１を構成する半導体の結晶の［１１０］方向に平行または直交する向きに配置されている。例えば、第１開口部１０３および第２開口部１０５の平面視矩形の、一方の対向する２辺の組は、半導体基板１０１を構成する半導体の結晶の［１１０］方向に平行とされ、他方の対向する２辺の組は、半導体基板１０１を構成する半導体の結晶の［１１０］方向に直交している。
【００２５】
第１開口部１０３を備える第１絶縁層１０２は、例えば、所定の絶縁材料を公知の堆積装置により堆積した絶縁膜を、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターニングすることで形成できる。第２開口部１０５を備える第２絶縁層１０４も同様である。また、第１開口部１０３は、第２開口部１０５の中央に配置されている必要な無く、第２開口部１０５の形成領域のいずれかの箇所に形成されていればよい。例えば、断面視で、非対称に第１開口部１０３，第２開口部１０５の花壇状の部分が形成されていてもよい。
【００２６】
また、実施の形態における光デバイス構造は、第１開口部１０３に露出する半導体基板１０１の表面より第１開口部１０３を通じて形成され、半導体基板１０１とは異なる格子定数とされ、光デバイスを構成するための半導体層１０６を備える。半導体層１０６は、例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＮなどの化合物半導体から構成すればよい。
【００２７】
上述した実施の形態における光デバイス構造は、例えば、図２に示すように、第１開口部１０３に露出する半導体基板１０１の表面より結晶成長させることで第２絶縁層１０４の上まで形成した半導体成長層１０６ａを、ＣＭＰ（Chemical mechanical polishing）などの研削研磨の技術により研磨することで形成すればよい。半導体成長層１０６ａは、半導体層１０６とする層であり、半導体基板１０１とは異なる格子定数の半導体から構成されている。
【００２８】
第２絶縁層１０４は、半導体成長層１０６ａに比較して研磨速度が十分遅い材料によって構成される。第２絶縁層１０４の研磨速度が十分に遅ければ、半導体成長層１０６ａを研削研磨していくと、実質的に第２絶縁層１０４の上部（上面）と半導体成長層１０６ａ（半導体層１０６）の高さ（上面）とが揃った時点で研磨が停止する。この結果、図１に示すように、第２絶縁層１０４の表面と半導体層１０６の表面とが、同一の平面を形成する平坦な状態となる。このように、実施の形態によれば、半導体層１０６を形成するための研磨厚の制御が容易である。また、実施の形態によれば、同一の半導体基板１０１に複数の光デバイス構造を設けることで、基板面内での各光デバイス構造の均一性も向上させることができる。
【００２９】
第２絶縁層１０４の層厚を決定する上では、第２絶縁層１０４と同様の層厚となる半導体層１０６が使用する波長（動作波長）において、半導体層１０６より構成される光デバイスがシングルモードとなることが望ましい。半導体層１０６よりプレーナ光導波路を構成した場合、コアの厚さ方向にシングルモードとなるためには、動作波長をλ、半導体層１０６の屈折率をｎcore、第１絶縁層１０２の屈折率をｎcladとすると、第２絶縁層１０４の厚さｂは、おおよそ下記の関係を満たせば良い。
【００３０】
【数２】
2019204833.tif 000004
【００３１】
例えば、動作波長１．５５μｍ、半導体層１０６の材料がＩｎＰ，第１絶縁層１０２がＳｉＯ2である場合、おおよそ第２絶縁層１０４の厚さｂは、０．２５μｍ以下となる。なお、第１絶縁層１０２および第２絶縁層１０４は、ＳｉＯ2以外にも、ＳｉＮ，ＳｉＯx，ＳｉＯＮ，Ａｌ2Ｏ3等が考えられるがこの限りではない。
【００３２】
第１開口部１０３と第２開口部１０５との開口寸法の差ｃは、転位の貫通を防ぐため極力大きい方が良い。例えば、半導体基板１０１の主表面が（００１）面の場合、ヘテロエピタキシャル成長により形成した半導体層１０６の転位１２１は、（１１１）面をすべり面として形成されやすいことが知られている。この場合、転位１２１は、半導体基板１０１の主表面から５４．７°の角度をもって形成されるため、図１に示すとおり、第１開口部１０３の開口端より、第２絶縁層１０４の層厚をｂとして、「ｂ／ｓｑｒｔ（２）」程度の距離まで貫通することが考えられる。
【００３３】
このように形成される転移を避けて光閉じ込め領域１２２が配置されるためには、第２開口部１０５の開口端は、少なくとも第１開口部１０３の開口端より外側へ、以下の式（２）だけ離れていることが重要となる。
【００３４】
【数３】
2019204833.tif 000005
【００３５】
第１絶縁層１０２の層厚ａを決定する上では、例えば半導体層１０６を低損失な光導波路とする場合には、半導体層１０６に閉じ込められる光の染み出しが第１絶縁層１０２の内部で留まり、第１絶縁層１０２よりも下部へ影響しない必要がある。半導体層１０６をプレーナ光導波路として構成する場合、第１絶縁層１０２への光の染み出しは、第１絶縁層１０２上面を原点とし基板垂直上方向をｘ軸とすると、例えば式（３）のように書ける。
【００３６】
【数４】
2019204833.tif 000006
【００３７】
ただし、Ｎは導波モードの実効屈折率であり、ｎclad＜Ｎ＜ｎcoreの関係がある。ａの最小値はＮ〜ｎcoreの場合であるので、ａは少なくとも以下の式（４）を関係を満たすことが重要となる。
【００３８】
【数５】
2019204833.tif 000007
【００３９】
一方、半導体層１０６とは別に第１絶縁層１０２の下部（基板側）に例えば光導波路構造を作り込み、半導体層１０６の光を基板側の光導波路へ結合させたい場合には、式（３）の不等号が逆向きの条件を満たす必要がある。
【００４０】
また、半導体基板１０１基板と接する形で第１絶縁層１０２を形成する構造の他に、図３に示すように、半導体基板１０１の上に、半導体層１０７を形成し、半導体層１０７の上に、上述した第１絶縁層１０２，第２絶縁層１０４，半導体層１０６による構造が形成されるようにしてもよい。このように、半導体基板１０１から所定の距離を離した位置に第１絶縁層１０２を形成してもよい。
【００４１】
次に、実施の形態における光デバイス構造による光導波路について、図４を参照して説明する。図４は、光導波方向に垂直な面の断面を示している。この光導波路は、第２開口部１０５の内部における第１絶縁層１０２の上に、半導体からなるコア層１０８を備える。コア層１０８により、コア層１０８を光閉じ込め領域とした光導波路が構成される。コア層１０８は、第２絶縁層１０４より厚く（高く）形成されている。なお、この例では、第２開口部１０５の平面視で中央からずれた箇所に、第１開口部１０３ａを形成している。
【００４２】
以下、図４を用いて説明した光デバイス構造（光導波路）の作製方法について図５Ａ〜図５Ｈを参照して説明する。
【００４３】
まず、図５Ａに示すように、半導体基板１０１の上に第１絶縁層１０２を形成する。例えば、スパッタ法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などによりＳｉＮを堆積することで、第１絶縁層１０２を形成すればよい。次に、図５Ｂに示すように第１絶縁層１０２の上に第２絶縁層１０４を形成する。例えば、スパッタ法やＣＶＤ法などによりＳｉＯ2を堆積することで、第２絶縁層１０４を形成すればよい。
【００４４】
次に、よく知られたフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、図５Ｃに示すように、第２絶縁層１０４に開口部２０１を形成し、連続して第１絶縁層１０２に第１開口部１０３ａを形成する（第１工程）。なお、各開口部を形成した後で、エッチングに用いたマスクパターンは除去する。
【００４５】
次に、よく知られたフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、図５Ｄに示すように、第２絶縁層１０４に第２開口部１０５を形成する（第２工程）。ここでは、ＳｉＮに対してＳｉＯ2を選択的にエッチングする条件でエッチング処理を実施するとよい。例えば、ＨＦをエッチャントとするウエットエッチングにより、ＳｉＯ2を選択的にエッチングすることで、第２開口部１０５を形成すればよい。なお、第２開口部１０５を形成した後で、エッチングに用いたマスクパターンは除去する。
【００４６】
次に、第１開口部１０３ａに露出する半導体基板１０１の表面より、例えば、よく知られた有機金属気相成長法などの結晶成長法によりＩｎＰを結晶成長させることで、半導体成長層２０２を第２絶縁層１０４の上まで形成する（第３工程）。ＩｎＰは、半導体基板１０１を構成するシリコンとは異なる格子定数の半導体である。
【００４７】
次に、第２絶縁層１０４の上の部分の半導体成長層２０２を研削研磨する。例えば、ＣＭＰにより、ＩｎＰが選択的に研削研磨される条件で、半導体成長層２０２を研削研磨する。これにより、図５Ｆに示すように、第２絶縁層１０４の表面と同一の平面を形成する平坦な表面を備える光デバイスを構成するための半導体層１０６を形成する（第４工程）。
【００４８】
次に、再成長などにより、図５Ｆに示すように、半導体層１０６の上にＩｎＰからなる再成長層２０３を形成する。次に、再成長層２０３が形成された半導体層１０６を、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、図５Ｈに示すように、コア層１０８を形成し、コア層１０８より構成されるプレーナ光導波路やチャネル型光導波路を形成する。
【００４９】
前述したように、第１開口部１０３ａの底面の半導体基板１０１より伸びるヘテロエピタキシャル成長により形成した半導体層１０６の転位は、第２絶縁層１０４の層厚をｂとして、第１開口部１０３の開口端より「ｂ／ｓｑｒｔ（２）」程度の距離まで貫通する。この距離より第１開口部１０３の開口端より離れた箇所に、コア層１０８を形成すれば、コア層１０８には、貫通転移が形成されていない（伝搬していない）状態となる。なお、再成長層２０３に変わり、量子井戸構造（多重量子井戸構造）を形成し、機能性のある構造を付加した光導波路（光デバイス）としてもよい。
【００５０】
以上に説明したように、本発明によれば、第１開口部を備える第１絶縁層の上に、第１開口部より広い幅の第２開口部を備える第２絶縁層を形成し、半導体基板の表面より第１開口部を通じて光デバイスを構成するための半導体層を形成するので、絶縁層が形成されている異種基板の上に形成した半導体層を用いて高効率な光デバイスが形成できるようになる。
【００５１】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００５２】
１０１…半導体基板、１０２…第１絶縁層、１０３…第１開口部、１０４…第２絶縁層、１０５…第２開口部、１０６…半導体層、１２１…転位、１２２…光閉じ込め領域。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図５Ｈ】
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