(57)【要約】      （修正有）【課題】波長可変レーザを光変調器と単一の基板上にモノリシックに集積するに際して、レーザダイオードの性能を提供するための構造、及び光変調器の性能を提供するための構造を共存させる構造を有する半導体光集積素子を提供する。【解決手段】レーザ導波路２９、半導体導波路１７、並びに第１アーム導波路３７ｂ及び第２アーム導波路３７ｃが埋込領域３９で埋め込まれるので、導波路の側面を保護できると共に電気印加に係るリーク電流を低減できる。第１アーム導波路及び第２アーム導波路を埋込領域で埋め込むことに加えて、第１アーム導波路及び第２アーム導波路にトレンチ構造（４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄ）を埋込領域に設けている。これらのトレンチ溝は、塗布により形成される樹脂体の厚さを第１アーム導波路及び第２アーム導波路上において均一にすることに寄与する。【選択図】図１
2015216318.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体光集積素子であって、
第１エリア、第２エリア及び第３エリアを含む主面を有する半導体基板と、
レーザ導波路、ヒーター、回折格子、及び電極を含み、前記半導体基板の前記第１エリア上に設けられた波長可変型のレーザダイオードと、
前記半導体基板の前記第２エリア上に設けられた半導体導波路と、
第１ＭＭＩ、第１アーム導波路、第２アーム導波路、第２ＭＭＩ、第１変調電極及び第２変調電極を含み、前記半導体基板の前記第３エリア上に設けられたマッハツェンダ変調器と、
前記レーザ導波路及び前記半導体導波路を埋め込む半導体の埋込領域と、
前記半導体導波路を横切るように前記半導体導波路及び前記埋込領域に設けられた溝と、
前記マッハツェンダ変調器上に設けられた樹脂体と、
を備え、
前記半導体導波路は、コア層と、該コア層上に設けられたクラッド層とを含み、前記溝は前記クラッド層を横切り、
前記レーザダイオードは、前記半導体導波路を介して前記マッハツェンダ変調器に光学的に結合されており、
前記レーザ導波路は、前記電極からの電流注入に応答して光を発生する一又は複数の第１導波路部と、前記ヒーターの発熱に応答して屈折率変化を生じる一又は複数の第２導波路部を含み、
前記回折格子は、前記第１導波路部及び前記第２導波路部に光学的に結合するように設けられた複数の部分回折格子を含み、前記部分回折格子は、互いに離間するように前記レーザ導波路に沿って配置されており、
前記レーザダイオードの前記電極は、前記レーザ導波路の前記第１導波路部に接続されている、半導体光集積素子。
【請求項２】
前記第１アーム導波路の一端部及び前記第２アーム導波路の一端部は、前記第１ＭＭＩに光学的に結合されており、
前記第１アーム導波路の他端部及び前記第２アーム導波路の他端部は、前記第２ＭＭＩに光学的に結合されており、
前記埋込領域は、第１１トレンチ溝及び第１２トレンチ溝を含み、前記第１１トレンチ溝及び前記第１２トレンチ溝は、それぞれ、前記第１アーム導波路の一側面及び他側面を規定するように延在しており、
前記埋込領域は、第２１トレンチ溝及び第２２トレンチ溝を含み、前記第２１トレンチ溝及び前記第２２トレンチ溝は、それぞれ、前記第２アーム導波路の一側面及び他側面を規定するように延在しており、
前記第１変調電極及び前記第２変調電極は、それぞれ、前記樹脂体の第１開口及び第２開口を介して前記第１アーム導波路及び前記第２アーム導波路に接続される、請求項１に記載された半導体光集積素子。
【請求項３】
前記第１アーム導波路の側面上及び前記第２アーム導波路の側面上の前記埋込領域は、ＦｅドープＩｎＰを備える、請求項１又は請求項２に記載された半導体光集積素子。
【請求項４】
前記第１アーム導波路の側面上及び前記第２アーム導波路の側面上の前記埋込領域の厚さは、０．３μｍ〜０．５μｍの範囲にある、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された半導体光集積素子。
【請求項５】
前記マッハツェンダ変調器の前記第１ＭＭＩ及び前記第２ＭＭＩは、前記埋込領域で埋め込まれることなく、前記樹脂体で埋め込まれる、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された半導体光集積素子。
【請求項６】
前記溝の底面は、前記半導体導波路の前記コア層の上面を含む、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された半導体光集積素子。
【請求項７】
前記樹脂体は、前記コア層の半導体よりも低い屈折率を有し、前記樹脂体は、前記埋込領域の半導体よりも低い熱伝導性を有し、前記樹脂体は、前記溝内に設けられる、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された半導体光集積素子。
【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。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、レーザ部及び変調器部を含む半導体光素子を開示する。特許文献２は、波長可変型のレーザダイオードを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０１０４８４号公報
【特許文献２】特開２０１３−０３３８９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の半導体光素子では、変調器部は有機絶縁物で埋め込まれたリッジ導波路構造を有する。レーザ部は、メサ周囲が有機絶縁物及び半導体で埋め込まれないリッジ導波路構造を有しており、このリッジ導波路構造の側面は空気に触れる。
【０００５】
波長可変型のレーザダイオードでは、波長可変のために光導波路の屈折率を変更する。特許文献２に示されるレーザダイオードでは、屈折率の変更は、例えばヒーターにより光導波路の温度を調整することにより行われる。この波長可変型レーザダイオードを光変調器と単一の基板上にモノリシックに集積する半導体光集積素子に先立って、単一の素子として波長可変型のレーザダイオードが作製されており、また単一の素子として光変調器が作製されている。半導体光集積素子の作製に際して行われた発明者の検討によれば、単一の基板上に集積されるレーザダイオード及び光変調器が単一の素子として作製されてきた個々の構造を有しており、個々の構造の合体に起因するいくつかの課題が挙げられる。例えば、導波路の埋込構造及び波長可変のための構造が、個々の素子構造に起因して半導体光集積素子の構成に際して互いに干渉する。より具体的に示せば、レーザダイオードの光導波路は、半導体による埋込を求める一方で、光変調器の導波路構造はその幾何学的寸法の制御のために半導体による埋込を避ける。また、レーザダイオードにおける構造としてのヒーターは発熱し、ヒーターからの熱は、レーザダイオードのための光導波路だけでなく半導体の埋込領域を伝搬して単一の基板上の光変調器に至る。
【０００６】
本発明は、上記の事情を鑑みて為されたものであり、波長可変型のレーザダイオードを光変調器と単一の基板上にモノリシックに集積するに際して、レーザダイオードの性能を提供するための構造、及び光変調器の性能を提供するための構造を共存させる構造を有する半導体光集積素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面に係る半導体光集積素子は、第１エリア、第２エリア及び第３エリアを含む主面を有する半導体基板と、レーザ導波路、ヒーター、回折格子、及び電極を含み、前記半導体基板の前記第１エリア上に設けられた波長可変型のレーザダイオードと、前記半導体基板の前記第２エリア上に設けられた半導体導波路と、第１ＭＭＩ、第１アーム導波路、第２アーム導波路、第２ＭＭＩ、第１変調電極及び第２変調電極を含み、前記半導体基板の前記第３エリア上に設けられたマッハツェンダ変調器と、前記レーザ導波路及び前記半導体導波路を埋め込む半導体の埋込領域と、前記半導体導波路を横切るように前記半導体導波路及び前記埋込領域に設けられた溝と、前記マッハツェンダ変調器上に設けられた樹脂体と、を備え、前記半導体導波路は、コア層と、該コア層上に設けられたクラッド層とを含み、前記溝は前記クラッド層を横切り、前記レーザダイオードは、前記半導体導波路を介して前記マッハツェンダ変調器に光学的に結合されており、前記レーザ導波路は、前記電極からの電流注入に応答して光を発生する一又は複数の第１導波路部と、前記ヒーターの発熱に応答して屈折率変化を生じる一又は複数の第２導波路部を含み、前記回折格子は、前記第１導波路部及び前記第２導波路部に光学的に結合するように設けられた複数の部分回折格子を含み、前記部分回折格子は、互いに離間するように前記レーザ導波路に沿って配置されており、前記レーザダイオードの前記電極は、前記レーザ導波路の前記第１導波路部に接続されている。
【０００８】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、波長可変型のレーザダイオードを光変調器と単一の基板上にモノリシックに集積するに際して、レーザダイオードの性能を提供するための構造、及び光変調器の性能を提供するための構造を共存させる構造を有する半導体光集積素子を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本実施の形態に係る半導体光集積素子の構造を概略的に示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態に係るマッハツェンダ変調器における多モード干渉器及びアーム導波路における埋込構造を示す図面である。
【図３】図３は、本実施の形態に係る半導体光集積素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図４】図４は、本実施の形態に係る半導体光集積素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図５】図５は、本実施の形態に係る半導体光集積素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図６】図６は、本実施の形態に係る半導体光集積素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図７】図７は、本実施の形態に係る半導体光集積素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図８】図８は、本実施の形態に係る半導体光集積素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図９】図９は、本実施の形態に係る半導体光集積素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図１０】図１０は、本実施の形態に係る半導体光集積素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図１１】図１１は、本実施の形態に係る半導体光集積素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図１２】図１２は、本実施の形態に係る半導体光集積素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
引き続きいくつかの形態を説明する。
【００１２】
一形態の半導体光集積素子は（ａ）第１エリア、第２エリア及び第３エリアを含む主面を有する半導体基板と、（ｂ）レーザ導波路、ヒーター、回折格子、及び電極を含み、前記半導体基板の前記第１エリア上に設けられた波長可変型のレーザダイオードと、（ｃ）前記半導体基板の前記第２エリア上に設けられた半導体導波路と、（ｄ）第１ＭＭＩ、第１アーム導波路、第２アーム導波路、第２ＭＭＩ、第１変調電極及び第２変調電極を含み、前記半導体基板の前記第３エリア上に設けられたマッハツェンダ変調器と、（ｅ）前記レーザ導波路及び前記半導体導波路を埋め込む半導体の埋込領域と、（ｆ）前記半導体導波路を横切るように前記半導体導波路及び前記埋込領域に設けられた溝と、（ｇ）前記マッハツェンダ変調器上に設けられた樹脂体と、を備え、前記半導体導波路は、コア層と、該コア層上に設けられたクラッド層とを含み、前記溝は前記クラッド層を横切り、前記レーザダイオードは、前記半導体導波路を介して前記マッハツェンダ変調器に光学的に結合されており、前記レーザ導波路は、前記電極からの電流注入に応答して光を発生する一又は複数の第１導波路部と、前記ヒーターの発熱に応答して屈折率変化を生じる一又は複数の第２導波路部を含み、前記回折格子は、前記第１導波路部及び前記第２導波路部に光学的に結合するように設けられた複数の部分回折格子を含み、前記部分回折格子は、互いに離間するように前記レーザ導波路に沿って配置されており、前記レーザダイオードの前記電極は、前記レーザ導波路の前記第１導波路部に接続されている。
【００１３】
この半導体光集積素子は、レーザダイオード及びマッハツェンダ変調器をモノリシックに単一の基板上に集積する。この半導体光集積素子において、レーザダイオードとマッハツェンダ変調器との間に光結合のための半導体導波路を設けると共にこの半導体導波路のクラッド層を横切る溝を設けた。レーザダイオードとマッハツェンダ変調器との間に半導体導波路を介在させてレーザダイオード及びマッハツェンダ変調器を互いに隔置したこと、及びその半導体導波路及び半導体埋込領域に溝を設けたことにより、レーザダイオードのヒーターからの熱がマッハツェンダ変調器に与える特性変化を低減できる。また、溝がコア層上のクラッド層を横切るので、溝に起因する光学特性低下が低減される。
【００１４】
一形態の半導体光集積素子では、前記第１アーム導波路の一端部及び前記第２アーム導波路の一端部は、前記第１ＭＭＩに光学的に結合されており、前記第１アーム導波路の他端部及び前記第２アーム導波路の他端部は、前記第２ＭＭＩに光学的に結合されており、前記埋込領域は、第１１トレンチ溝及び第１２トレンチ溝を含み、前記第１１トレンチ溝及び前記第１２トレンチ溝は、それぞれ、前記第１アーム導波路の一側面及び他側面を規定するように延在しており、前記埋込領域は、第２１トレンチ溝及び第２２トレンチ溝を含み、前記第２１トレンチ溝及び前記第２２トレンチ溝は、それぞれ、前記第２アーム導波路の一側面及び他側面を規定するように延在しており、前記第１変調電極及び前記第２変調電極は、それぞれ、前記樹脂体の第１開口及び第２開口を介して前記第１アーム導波路及び前記第２アーム導波路に接続される。
【００１５】
この半導体光集積素子によれば、波長可変型のレーザダイオード及びマッハツェンダ変調器を集積する集積素子において、レーザダイオードのレーザ導波路、並びにマッハツェンダ変調器の第１アーム導波路及び第２アーム導波路は電気信号を受ける。これらの導波路が埋込領域で埋め込まれているので、導波路の側面を保護できると共に電気印加に係るリーク電流を低減できる。また、第１アーム導波路及び第２アーム導波路を埋込領域で埋め込むことに加えて、第１アーム導波路の一側面及び他側面をそれぞれ規定する第１１トレンチ溝及び第１２トレンチ溝、並びに第２アーム導波路の一側面及び他側面をそれぞれ規定する第２１トレンチ溝及び第２２トレンチ溝を埋込領域に設けている。これらのトレンチ溝は、塗布により形成される樹脂体の厚さの均一性を第１アーム導波路及び第２アーム導波路上において高めることに寄与する。樹脂厚の制御により、第１アーム導波路の第１開口及び第２アーム導波路の第２開口のサイズ均一性をウエハ内及び製造ロット間において向上できる。これ故に、マッハツェンダ変調器の高周波特性のばらつきを小さくできる。
【００１６】
一形態の半導体光集積素子では、前記第１アーム導波路の側面上及び前記第２アーム導波路の側面上の前記埋込領域は、ＦｅドープＩｎＰを備える。この半導体光集積素子によれば、ＦｅドープＩｎＰはアーム導波路における暗電流の低減に寄与する。
【００１７】
一形態の半導体光集積素子では、前記第１アーム導波路の側面上及び前記第２アーム導波路の側面上の前記埋込領域の厚さは、０．３μｍ〜０．５μｍの範囲にある。この半導体光集積素子によれば、０．３μｍ以上０．５μｍ以下の範囲の半導体埋込により暗電流の低減及び寄生容量の低減の両立を可能にする。
【００１８】
一形態の半導体光集積素子では、前記マッハツェンダ変調器の前記第１ＭＭＩ及び前記第２ＭＭＩは、前記埋込領域で埋め込まれることなく、前記樹脂体で埋め込まれる。この半導体光集積素子によれば、レーザ導波路、半導体導波路、第１アーム導波路及び第２アーム導波路が埋込領域によって埋め込まれる一方で、第１ＭＭＩ及び第２ＭＭＩは、埋込領域で埋め込まれない。これ故に、多モード干渉器の光学特性に関してエッチングによる加工の精度からの外れを低減できる。エッチング加工により規定されたＭＭＩの半導体と樹脂体との屈折率差を利用して、ＭＭＩの性能を維持できる。
【００１９】
一形態の半導体光集積素子では、前記溝の底面は、前記半導体導波路の前記コア層の上面を含む。この半導体光集積素子によれば、コア層に至る溝により、ヒーターからの熱がマッハツェンダ変調器への伝搬量を低減できる。
【００２０】
一形態の半導体光集積素子では、前記樹脂体は、前記コア層の半導体よりも低い屈折率を有し、前記樹脂体は、前記埋め込み領域の半導体よりも低い熱伝導性を有し、前記樹脂体は、前記溝内に設けられる。この半導体光集積素子によれば、半導体製のクラッド層を溝が横切ることによる光学特性の低下を低減できる。
【００２１】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体光集積素子に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２２】
図１は、本実施の形態に係る半導体光集積素子の構造を概略的に示す図面である。図１の（ａ）部は、マッハツェンダ変調器１５、半導体導波路１７及びレーザダイオード１９を示す平面図を示し、図１の（ｂ）部は図１の（ａ）部に示されたＩｂ−Ｉｂ線に沿った断面を示す。半導体光集積素子１１は、マッハツェンダ変調器１５、半導体導波路１７、及び波長可変型のレーザダイオード１９を備える。マッハツェンダ変調器１５、半導体導波路１７、及びレーザダイオード１９は半導体基板１３上に設けられる。半導体基板１３は主面１３ａを有しており、主面１３ａは、第１エリア１３ｂ、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄを含む。本実施例では、第１エリア１３ｂ、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄは第１軸Ａｘ１の方向に配列される。マッハツェンダ変調器１５は半導体基板１３の第１エリア１３ｂ上に設けられ、半導体導波路１７は半導体基板１３の第２エリア１３ｃ上に設けられ、レーザダイオード１９は半導体基板１３の第３エリア１３ｄ上に設けられる。レーザダイオード１９は半導体導波路１７を介してマッハツェンダ変調器１５に光学的に結合されている。より具体的には、半導体光集積素子１１は、第１領域１１ｅ、第２領域１１ｆ及び第３領域１１ｇを含み、これらの領域は第１軸Ａｘ１の方向に配列される。第１領域１１ｅは、マッハツェンダ変調器１５を備え、第２領域１１ｆは半導体導波路１７を備え、第３領域１１ｇはレーザダイオード１９を備える。
【００２３】
レーザダイオード１９は、ヒーター２３（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ）、分布型の回折格子２５（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆ、２５ｇ）、電極２７（２７ａ、２７ｂ、２７ｃ）及びレーザ導波路２９を含む。レーザ導波路２９は、一又は複数の第１導波路部３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ）、及び一又は複数の第２導波路部３３（３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ）を含む。レーザダイオード１９の電極２７（２７ａ、２７ｂ、２７ｃ）は、レーザ導波路２９の第１導波路部３１に接続されている。第１導波路部３１（３１ａ〜３１ｄ）は電極２７（２７ａ、２７ｂ、２７ｃ）からの電流注入に応答して光を発生する。ヒーター２３は第２導波路部３３（３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ）の表面に接して設けられており、第２導波路部３３（３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ）はヒーター２３の発熱に応答して屈折率変化を生じる。ヒーター２３は例えばＮｉＣｒＳｉを備える。
【００２４】
第３領域１１ｇは、サンプルド・グレーティング分布帰還部（以下、「ＳＧ−ＤＦＢ部１１ｉ」と記す）、チャープド・サンプルド・グレーティング・分布ブラッグ反射器部（「ＣＳＧ−ＤＢＲ部１１ｊ」と記す）を含むことができ、この第３領域１１ｇは、一実施例では、半導体光増幅素子部（以下、「ＳＯＡ部１１ｈ」と記す）を含む。ＳＧ−ＤＦＢ部１１ｉでは第１導波路部３１及び第２導波路部３３が交互に配列されており、ＳＧ−ＤＦＢ部１１ｉは光学利得を有する領域を構成する。ＳＧ−ＤＦＢ部１１ｉは、波長に対して周期的なピークを持つ利得スペクトルを提供する。ＣＳＧ−ＤＢＲ部１１ｊは、半導体レーザの共振器における反射器を構成する。ＣＳＧ−ＤＢＲ部１１ｊは、波長に対して周期的なピークを持つ反射スペクトルを提供できる。
【００２５】
回折格子２５は第１導波路部３１及び第２導波路部３３に光学的に結合するように設けられた複数の部分回折格子２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆ、２５ｇを含み、部分回折格子２５ａ〜２５ｇは、互いに離間するようにレーザ導波路２９に沿って配置されている。部分回折格子２５ａ〜２５ｇはレーザ導波路２９に沿って配列されている。部分回折格子２５ａ〜２５ｇは、例えば波形回折格子（ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ  ｇｒａｔｉｎｇ）からなることができる。
【００２６】
ＳＧ−ＤＦＢ部１１ｉ及びＣＳＧ−ＤＢＲ部１１ｊには、部分回折格子２５ａ〜２５ｇが形成されている。このＳＧ−ＤＦＢ部１１ｉ及びＣＳＧ−ＤＢＲ部１１ｊの回折格子２５は、複数のセグメントにより構成される。このセグメントは、第１部分２６ａ及び第２部分２６ｂを含み、第１部分２６ａの各々は単一の部分回折格子（部分回折格子２５ａ〜２５ｇのいずれか一つ）を有する。第２部分２６ｂは部分回折格子を含まず、第２部分２６ｂは第１部分２６ａに挟まれている。複数のセグメントの配列によって反射器が構成される。ＳＧ−ＤＦＢ部１１ｉは複数のセグメントを含み、各セグメントは同一の光学的長さを有する。ＣＳＧ−ＤＢＲ部１１ｊは複数のセグメントを含み、ＣＳＧ−ＤＢＲ部１１ｊ内のセグメントの光学的長さは、ＳＧ−ＤＦＢ部１１ｉ内のセグメントの光学的長さと異なっており、これにより、ＣＳＧ−ＤＢＲ部１１ｊ内の部分回折格子２５ａ〜２５ｇは、複数の回折格子周期を有するように配列される。ＣＳＧ−ＤＢＲ部１１ｊは波長に対して周期的なピークを持つ反射スペクトルを提供でき、より具体的には、ＣＳＧ−ＤＢＲ部１１ｊが、複数の部分回折格子の周期的配列を含むので、その反射スペクトルの複数のピーク強度がピーク包絡線上に位置するようになり、ピーク強度が波長依存性を有する。ヒーター２３の発熱に応じて、反射スペクトルの反射ピーク波長が変化する。反射スペクトルの変化と利得スペクトルとのバーニヤ効果により、レーザ発振波長の変更を可能にする。
【００２７】
ＳＧ−ＤＦＢ部１１ｉの構造の一例を示す。
屈折率可変領域。
下部クラッド層３５ａ：ｎ型ＩｎＰ。
上部クラッド層３５ｂ：ｐ型ＩｎＰ。
コア層３５ｃ：ＩｎＧａＡｓＰ系バルク層（１．４μｍ）。
光学利得領域。
下部クラッド層３５ａ：ｎ型ＩｎＰ。
上部クラッド層３５ｂ：ｐ型ＩｎＰ。
量子井戸構造（交互に積層された井戸層及び障壁層）３５ｄ。
井戸層３５ｅ：ＧａＩｎＡｓＰ（厚さ５ｎｍ、Ｇａ組成０．３２、Ｉｎ組成０．６８）。
障壁層３５ｆ：ＧａＩｎＡｓＰ（厚さ１０ｎｍ、Ｇａ組成０．２２、Ｉｎ組成０．７８）。
井戸層３５ｅのバンドギャップは障壁層３５ｆのバンドギャップより小さい。
最も外側の障壁層は光閉じ込め層であることができる。
コンタクト層３５ｈ：ｐ型ＧａＩｎＡｓ。
屈折率可変領域及び光学利得領域。
半導体基板１３：ｎ型ＩｎＰからなる結晶基板。
回折格子層３５ｇ：ＧａＩｎＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．３μｍ）。
半導体層３５ｉ：アンドープＩｎＰ。
回折格子層３５ｇと下部クラッド層３５ａとの屈折率差により回折格子２５が構成される。屈折率可変領域は光学利得領域に突き当て接合を成す。
半導体導波路１７は、下部クラッド層３５ａ上に設けられたコア層３５ｃを含み、該コア層３５ｃ上には上部クラッド層３５ｂが設けられる。部分回折格子２５ａ〜２５ｇはコア層３５ｃ及び量子井戸構造３５ｄに光学的に結合されている。
【００２８】
マッハツェンダ変調器１５は、第１多モード干渉器３７ａ（第１ＭＭＩ）、第１アーム導波路３７ｂ、第２アーム導波路３７ｃ、第２多モード干渉器３７ｄ（第２ＭＭＩ）、第１変調電極３７ｅ及び第２変調電極３７ｆを含む。第１多モード干渉器３７ａは、変調光を提供するポートを有しており、これらのポートは、半導体光集積素子１１の出力ポートに光学的に結合されている。第１アーム導波路３７ｂの一端及び第２アーム導波路３７ｃの一端は、第１多モード干渉器３７ａの個々のポートに接続され、第１アーム導波路３７ｂの他端及び第２アーム導波路３７ｃの他端は、第２多モード干渉器３７ｄの個々のポートに接続される。第２多モード干渉器３７ｄは、レーザダイオード１９からのレーザ光を半導体導波路１７を介して受ける。第１変調電極３７ｅ及び第２変調電極３７ｆは、それぞれ、第１アーム導波路３７ｂ及び第２アーム導波路３７ｃに接続されている。
【００２９】
半導体光集積素子１１は、半導体導波路１７及びレーザ導波路２９を埋め込む半導体の埋込領域３９を更に備える。埋込領域３９はレーザ導波路２９を埋め込む。半導体光集積素子１１では、半導体導波路１７及び埋込領域３９には、半導体導波路１７を横切るように溝４１が設けられている。本実施例では、溝４１は上部クラッド層を横切る。埋込領域３９は例えばＦｅドープＩｎＰを備えることができる。
【００３０】
半導体光集積素子１１は、マッハツェンダ変調器１５上に設けられた樹脂体４３を更に備える。樹脂体４３は、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を備えることができる。
【００３１】
半導体光集積素子１１は、マッハツェンダ変調器１５及びレーザダイオード１９をモノリシックに単一の基板上に集積する。この半導体光集積素子１１において、マッハツェンダ変調器１５とレーザダイオード１９との間に光結合のための半導体導波路１７を設けると共にこの半導体導波路１７の上部クラッド層３５ｂを横切る溝４１を設けた。マッハツェンダ変調器１５とレーザダイオード１９との間に半導体導波路１７を介在させてマッハツェンダ変調器１５及びレーザダイオード１９を互いに隔置したこと、及びその半導体導波路１７及び半導体の埋込領域３９に設けた溝４１により、レーザダイオード１９のヒーター２３からの熱がマッハツェンダ変調器１５に与える特性変化を低減できる。また、溝４１がコア層３５ｃ上の上部クラッド層３５ｂを横切るので、溝４１に起因する光学特性低下が低減される。
【００３２】
必要な場合には、図２に示されるように、マッハツェンダ変調器１５、半導体導波路１７、及びレーザダイオード１９の導波路構造は、シリコン系無機絶縁膜といった保護膜４５で覆われることができる。シリコン系無機絶縁膜は例えばシリコン酸化物を備える。
【００３３】
半導体光集積素子１１では、溝４１の底面は半導体導波路１７のコア層３５ｃの上面を含むことができる。コア層３５ｃの上面に到達する深い溝４１により、ヒーター２３からの熱がマッハツェンダ変調器１５へ伝搬する量を低減できる。
【００３４】
また、本実施例では、樹脂体４３は溝４１内に設けられている。樹脂体４３は、コア層３５ｃの半導体よりも低い屈折率を有することが好ましく、埋込領域３９の半導体よりも低い熱伝導性を有することが好ましい。樹脂体４３は溝４１内に設けられる。この半導体光集積素子１１によれば、溝４１内の樹脂体４３は、溝４１が半導体製のクラッド層を横切って部分的にクラッド層が失われることによる光学特性の低下を低減できる。
【００３５】
図２は、マッハツェンダ変調器における多モード干渉器及びアーム導波路における埋込構造を示す図面である。図２の（ａ）部は、図１の（ａ）部に示される破線ＢＯＸ１で示される領域を切り出したＭＭＩ導波路部分を示す。図２の（ｂ）部は、図１の（ａ）部に示される破線ＢＯＸ２で示す領域を切り出したアーム導波路部分を示す。図１及び図２の（ａ）部に示されるように、マッハツェンダ変調器１５では、第１多モード干渉器３７ａ及び第２多モード干渉器３７ｄは、埋込領域３９で埋め込まれることなく、樹脂体４３で埋め込まれる。このため、エッチング加工により規定されたＭＭＩの半導体と樹脂体との屈折率差を利用して、ＭＭＩの性能を維持できる。一方、図１及び図２の（ｂ）部に示されるように、マッハツェンダ変調器１５では、第１アーム導波路３７ｂ及び第２アーム導波路３７ｃは、埋込領域３９で埋め込まれ、更に樹脂体４３で埋め込まれる。半導体光集積素子１１では、埋込領域３９は第１１トレンチ溝４７ａ及び第１２トレンチ溝４７ｂを含む。第１１トレンチ溝４７ａ及び第１２トレンチ溝４７ｂは、それぞれ、第１アーム導波路３７ｂの一側面及び他側面を規定するように延在している。これにより、第１アーム導波路３７ｂの導波路の両側面は、埋込領域３９で覆われる。また、埋込領域３９は第２１トレンチ溝４７ｃ及び第２２トレンチ溝４７ｄを含む。第２１トレンチ溝４７ｃ及び第２２トレンチ溝４７ｄは、それぞれ、第２アーム導波路３７ｃの一側面及び他側面を規定するように延在している。これにより、第２アーム導波路３７ｃの導波路の両側面は、埋込領域３９で覆われる。
【００３６】
第１変調電極３７ｅ及び第２変調電極３７ｆは、それぞれ、樹脂体４３の第１開口４３ａ及び第２開口４３ｂを介して第１アーム導波路３７ｂ及び第２アーム導波路３７ｃに接続される。
【００３７】
この半導体光集積素子１１によれば、波長可変型のレーザダイオード１９及びマッハツェンダ変調器１５を集積する集積素子において、レーザダイオード１９のレーザ導波路２９、並びにマッハツェンダ変調器１５の第１アーム導波路３７ｂ及び第２アーム導波路３７ｃは電気印加を受ける。これらの導波路が埋込領域３９で埋め込まれているので、導波路の側面を保護できると共に電気印加に係るリーク電流を低減できる。また、第１アーム導波路３７ｂ及び第２アーム導波路３７ｃを埋込領域３９で埋め込むことに加えて、第１アーム導波路３７ｂの一側面及び他側面をそれぞれ規定する第１１トレンチ溝４７ａ及び第１２トレンチ溝４７ｂ、並びに第２アーム導波路３７ｃの一側面及び他側面をそれぞれ規定する第２１トレンチ溝４７ｃ及び第２２トレンチ溝４７ｄを埋込領域３９に設けている。これらのトレンチ溝は、塗布により形成される樹脂体の厚さに第１アーム導波路３７ｂ及び第２アーム導波路３７ｃ上において高い均一性を与えることに寄与する。このため、第１アーム導波路３７ｂの第１開口４３ａ及び第２アーム導波路３７ｃの第２開口４３ｂの均一性が、ウエハ内及び製造ロット間において向上する。これ故に、マッハツェンダ変調器１５の高周波特性を揃えることができる。
【００３８】
レーザ導波路２９、半導体導波路１７、第１アーム導波路３７ｂ及び第２アーム導波路３７ｃが埋込領域３９によって埋め込まれる一方で、第１ＭＭＩ及び第２ＭＭＩは埋込領域３９で埋め込まれない。これ故に、多モード干渉器の光学特性がエッチング加工により規定された形状から外れることを回避できる。
【００３９】
第１アーム導波路３７ｂの一側面上及び他側面並びに第２アーム導波路３７ｃの一側面及び他側面上の埋込領域３９は、ＦｅドープＩｎＰを備える。ＦｅドープＩｎＰは第１アーム導波路３７ｂ及び第２アーム導波路３７ｃにおける暗電流の低減に寄与する。また、第１アーム導波路３７ｂ及び第２アーム導波路３７ｃの側面上の埋込領域３９の厚さは、０．３μｍ〜０．５μｍの範囲にあることが好ましい。０．３μｍ以上０．５μｍ以下の範囲の半導体埋込により暗電流の低減及び寄生容量の低減の両立を可能にする。
【００４０】
図３〜図１２を参照しながら、半導体光集積素子を作製する方法を説明する。引き続く説明において、半導体のエピタキシャル結晶成長のために、例えば有機金属気相成長法を用いることができる。エピタキシャル成長工程では、半導体基板５１を準備した後に、図３の（ａ）部に示されるように、回折格子層５３を成長する。半導体基板５１は例えばＩｎＰウエハであることができ、回折格子層５３は例えばバンドギャップ波長１．３μｍのｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層であることができる。回折格子形成工程では、図３の（ｂ）部に示されるように、回折格子層５３に回折格子のためのパターンを形成して、パターン形成された回折格子層５５を作製する。このパターンのために、干渉露光又はナノインプリント法及びドライエッチング法を用いることができる。回折格子層５３の加工のために、例えば炭化水素及び水素をエッチングガスとして用いる反応性イオンエッチングを行うことができる。次いで、埋込再成長工程では、図３の（ｃ）部に示されるように、パターン形成された回折格子層５５上に、下部クラッド層５７及び活性層５９を成長する。まず、パターン形成された回折格子層５５を下部クラッド層５７の成長により埋め込むことによって、部分回折格子５５ａ〜５５ｇが形成される。部分回折格子５５ａ〜５５ｄはある周期で配列されており、部分回折格子５５ｅ〜５５ｇは、上記の周期と異なる別の周期で配列されている。埋込再成長により形成された下部クラッド層５７の実施的に平坦な主面上に活性層５９を成長する。下部クラッド層５７は例えばｎ型ＩｎＰであることができる。活性層５９は、井戸層５９ａ及び障壁層５９ｂを備え、井戸層５９ａ及び障壁層５９ｂは量子井戸構造を構成するように配列されている。井戸層５９ａはＧａＩｎＡｓＰを備え、障壁層５９ｂはＧａＩｎＡｓＰを備えることができる。必要な場合には、活性層５９は、量子井戸構造と下部クラッド層５７との間に設けられた下部光閉じ込め層５９ｃを含むことができ、また量子井戸構造上に設けられた上部光閉じ込め層５９ｄを含むことができる。量子井戸構造は下部光閉じ込め層５９ｃと上部光閉じ込め層５９ｄとの間に設けられる。本実施例では、半導体からなるキャップ層６１を活性層５９上に成長する。キャップ層６１は例えばアンドープＩｎＰ層であることができる。
【００４１】
波長可変分布活性領域を形成する工程では、図４の（ａ）部に示されるように、マスクのための絶縁膜６３をキャップ層６１上に成長する。絶縁膜６３は例えばＳｉＮ膜であることができる。次いで、波長可変分布活性領域を規定するパターンを有するレジストマスク６５を絶縁膜６３上に形成する。図４の（ｂ）部に示されるように、レジストマスク６５のパターンをエッチングにより絶縁膜６３に転写して絶縁膜マスク６７を形成する。絶縁膜マスク６７は、レジストマスク６５のパターンに対応したパターン６７ａ、６７ｂ、６７ｃ、６７ｄを含む。絶縁膜マスク６７を用いてキャップ層６１及び活性層５９をエッチングして、バットジョイントメサ６９ａ、６９ｂ、６９ｃ、６９ｄを形成する。バットジョイントメサ６９ａは例えば半導体光増幅素子及び分布活性領域のために設けられ、バットジョイントメサ６９ｂ、６９ｃ、６９ｄは例えば分布活性領域のために設けられる。本実施例では、バットジョイントメサ６９ａ〜６９ｄのうちの隣合う２つのバットジョイントメサは間隔Ｌ（ＴＤＡ）で隔置されている。「ＴＤＡ」は、波長可変分布活性（Ｔｕｎｕａｂｌｅ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を示す。間隔Ｌ（ＴＤＡ）は例えば１５０ｎｍである。バットジョイントメサ６９ａ〜６９ｄを形成した後に、図４の（ｃ）部に示されるように、ヒーターの加熱により屈折率変化を引き起こす半導体導波路のための半導体積層７１の埋込再成長を絶縁膜マスク６７を用いて行う。この半導体積層７１は、バットジョイントメサ６９ａ〜６９ｄのうちの隣り合う２つのバットジョイントメサの間に位置する。この埋込再成長は例えば有機金属気相成長法で行われる。この半導体積層７１は、光導波路のためのコア半導体層７３を含むことができ、本実施例では、下側のクラッド層を構成する下部半導体層７５がコア半導体層７３の下側に設けられ、上側のクラッド層を構成する上部半導体層７７がコア半導体層７３の上側に設けられる。
半導体積層７１の一例。
コア半導体層７３：ＧａＩｎＡｓＰ（バンドギャプ波長、１．４μｍ）。
下部半導体層７５：ｎ型ＩｎＰ。
上部半導体層７７：アンドープＩｎＰ。
図４の（ｃ）部において、一素子分として、ＭＺＩ領域、ＳＯＡ領域、ＤＦＢ領域及びＤＢＲ領域が導波路の延在方向に順に配列されている。この製造方法の結果物として、ＭＺＩ領域に、マッハツェンダ変調器１５及び半導体導波路１７が形成される。ＳＯＡ領域、ＤＦＢ領域及びＤＢＲ領域に、レーザダイオード１９が形成される。
【００４２】
バットジョイントメサ６９ａ〜６９ｄを埋め込む選択再成長により半導体積層７１を形成するための絶縁膜マスク６７を除去した後に、図５に示されるように、ＭＺＩ領域、ＳＯＡ領域、ＤＦＢ領域及びＤＢＲ領域上に、上部クラッド層７９及びコンタクト層８１を成長する。上部クラッド層７９及びコンタクト層８１の成長により、光導波路を構成する半導体層を含む積層半導体領域８０の形成が完了した。
【００４３】
図６に示されるように、この積層半導体領域８０に、マッハツェンダ変調器１５、半導体導波路１７及びレーザダイオード１９のための導波路メサを形成する。図６は、図１の（ａ）部に示された一素子区画に対応するように描かれている。図６に示されたエリアＢＯＸ３及びＢＯＸ４における導波路メサの作成手順を図７の（ａ）部、（ｂ）部及び（ｃ）部を参照しながら説明する。図７の（ａ）部に示されるように、ドライエッチングのための絶縁膜８３をコンタクト層８１上に形成する。絶縁膜８３は例えばＳｉＮ膜であることができる。図６及び図７の（ｂ）部に示されるように、導波路形状を規定するレジストマスク８２を用いて絶縁膜８３をエッチングして、導波路メサを規定する絶縁膜マスク８３ａを形成する。絶縁膜マスク８３ａは、導波路パターンを規定することに加えて、必要な場合には積層半導体領域のテラスを残すためのテラスパターンを含む。図６を参照すると、絶縁膜マスク８３ａは、テラスパターン８３ｂを規定する一方で、マッハツェンダ変調器のための領域においては、２つのアーム導波路のための導波路メサに交差する方向に延在するストライプ状の開口８３ｃを有する。図７の（ｃ）部に示されるように、絶縁膜マスク８３ａを用いて積層半導体領域８０をドライエッチングにより加工して、導波路メサ８５及び半導体テラス８４を形成する。半導体テラス８４は、多モード干渉器の加工において、エッチングにおける変換差を低減するために寄与する。導波路メサ８５は、例えばバットジョイントメサ６９ａ（６９ｂ〜６９ｄ）においては、部分回折格子５５ａ（５５ｂ〜５５ｄ）、下部クラッド層５７、活性層５９、上部クラッド層７９及びコンタクト層８１を含む。導波路メサ８５は、例えばＤＢＲ領域においては、回折格子層５５、下部クラッド層５７、コア半導体層７３、上部クラッド層７９及びコンタクト層８１を含む。
【００４４】
次いで、図８に示されるように、半導体導波路１７及びレーザダイオード１９のための導波路メサ、並びにマッハツェンダ変調器１５のための導波路メサの一部分を埋め込む半導体の埋込領域を形成するための絶縁膜マスク８７を形成する。絶縁膜マスク８７は、絶縁膜マスク８３ａを除去することなく、絶縁膜マスク８３ａ上に形成される。絶縁膜マスク８７は例えばＳｉＮ膜であることができる。マッハツェンダ変調器のための領域においては、絶縁膜マスク８７は、２つのアーム導波路のための導波路メサに交差する方向に延在するストライプ状の開口８７ａと、半導体導波路１７及びレーザダイオード１９のための領域に設けられた開口８７ｂと、マッハツェンダ変調器のＭＭＩのための導波路を覆うストライプ形状のパターン８７ｃとを有する。
【００４５】
絶縁膜マスク８３ａを残しながら絶縁膜マスク８７を形成した後に、図７の（ｄ）部に示されるように、埋込半導体領域８９を成長する。埋込半導体領域８９は、絶縁膜マスク８３ａ及び絶縁膜マスク８７のパターン８７ｃ上には成長されず、絶縁膜マスク８３ａ及び絶縁膜マスク８７の開口８７ａ、８７ｂに成長される。絶縁膜マスク８７を形成した後であって、この再成長に先だって、導波路メサ形成のドライエッチングのダメージ除去のためのウエットエッチングを行う。絶縁膜マスク８７で覆われた導波路メサ８５には、このウエットエッチングが適用されず、エッチングにより規定された加工形状が保たれる。具体的には、例えばＭＭＩのための導波路メサ８５にはウエットエッチングが適用されず、レーザ導波路及びアーム導波路のための導波路メサ８５にはウエットエッチングが適用される。レーザ導波路及びアーム導波路のための導波路メサ８５の側面は、ダメージ除去処理の後に埋込半導体領域８９で覆われる。埋込半導体領域８９は例えばＦｅドープＩｎＰであることができる。埋込半導体領域８９を成長した後に、絶縁膜マスク８７を除去する。
【００４６】
半導体導波路１７を横切るように設けられた溝の形成工程を説明する。埋込半導体領域８９を形成した後に、図９の（ａ）部に示されるように、マッハツェンダ変調器１５、半導体導波路１７及びレーザダイオード１９のための領域上にマスク９１を形成する。マスク９１は、レーザダイオード１９のための導波路メサ８５とマッハツェンダ変調器１５のための導波路メサ８５とを互いに接続する半導体導波路１７のための導波路メサ８５上及び該導波路メサ８５を埋め込む埋込半導体領域８９上に開口９１ａを有する。開口９１ａは、半導体導波路１７のための導波路メサ８５によって区分けされる一方の埋込半導体領域８９（８９ａ）から他方の埋込半導体領域８９（８９ｂ）へ半導体導波路１７のための導波路メサ８５を横切って延在する。図９の（ｂ）部に示されるように、マスク９１を用いて導波路メサ８５及び埋込半導体領域８９をエッチングして、半導体導波路１７を横切るように導波路メサ８５及び埋込半導体領域８９に溝９３を形成する。このエッチングは、例えば塩素系エッチャントを用いるドライエッチングにより行われる。溝形成の後にマスク９１を除去する。
溝の形状の一例。
導波路の延在方向の溝の長さＧＬ：１０μｍ以上。
１０μｍ以上の溝長により、熱伝搬の低減効果が実質的に得られる。
導波路の延在方向の溝の長さＧＬ：１００μｍ以下。
導波路を横切る方向の溝の幅ＧＷ：１０μｍ以上。
１０μｍ以上の溝幅により、熱の伝搬の低減に有効である。
導波路の延在方向の溝の幅ＧＷ：１００μｍ以下。
溝内に樹脂体を設けたとき、１００μｍ以下の溝幅により溝内の樹脂体の剥がれを低減できる。樹脂体としてＢＣＢ樹脂を適用できる。本実施例では、溝９３の形成のためのエッチングをコア半導体層７３の上面において停止させるので、溝９３の底面には、コア半導体層７３が現れている。
【００４７】
埋込半導体領域８９を形成した後に、埋込半導体領域８９にトレンチを形成する。図９の（ｃ）部及び（ｄ）部を参照しながら、マッハツェンダ変調器１５のアーム導波路に沿って延在するトレンチ溝の形成を説明する。図９の（ｃ）部に示されるように、マッハツェンダ変調器のアーム導波路のための導波路メサ８５及び埋込半導体領域８９上にマスク９５を形成する。マスク９５は、アーム導波路のための導波路メサ８５に沿って延在する第１パターン９５ａと、トレンチ溝の幅を規定するように第１パターン９５ａから隔置された第２パターン９５ｂ及び第３パターン９５ｃと、トレンチ溝を規定する第１開口９５ｄ及び第２開口９５ｅとを有する。第１パターン９５ａは、アーム導波路のための導波路メサ８５の上面の縁から両側に延出しており、この延出部によりトレンチ溝を形成した際に、導波路メサ８５の側面上に埋込半導体領域８９の被覆層８９ａが残される。導波路メサ８５の側面が埋込半導体領域８９の半導体で覆われる。この被覆層８９ａは、変調のための電気信号が印加されるアーム導波路におけるリーク電流の低減に寄与する。
【００４８】
図９の（ｄ）部に示されるように、マスク９５を用いて埋込半導体領域８９をエッチングして、個々のアーム導波路のための導波路メサ８５に沿って延在するトレンチ溝９６ａ、９６ｂを形成する。トレンチ溝９６ａ、９６ｂの形成により、導波路メサ８５の側面上の被覆層８９ａと埋込半導体テラス９６ｃ、９６ｄが形成される。
【００４９】
図１０は、溝９３及びトレンチ溝９６ａ、９６ｂを形成した後における一素子区画を示す平面図である。トレンチ溝９６ａ、９６ｂの位置は導波路メサ８５の側面上に被覆層８９ａが形成されるように決定される。また、トレンチ溝９６ａ、９６ｂの幅は、後の工程において行われる樹脂埋め込みの際に、個々のアーム導波路のための導波路メサ８５上の樹脂体の厚さを制御するように規定される。トレンチ溝９６ａ、９６ｂの幅ＴＷは、３μｍ以上であることができ、１００μｍ以下であることができる。制御の一例として、個々のアーム導波路のための導波路メサ８５において、トレンチ溝９６ａの幅は、製造上のばらつきを除いてトレンチ溝９６ｂの幅と同じであることが好ましい。このように、樹脂塗布に関して実質的に同等の溝が個々のアーム導波路のための導波路メサ８５の両側に位置するとき、アーム導波路のための導波路メサ８５上の樹脂体の厚さのばらつきを低減できる。この低減は、例えば一素子エリアに複数のマッハツェンダ変調器を含む多値変調の半導体変調器において変調周波数帯域のばらつきを低減するために寄与する。
【００５０】
具体例を参照しながら、この寄与を説明する。個々のアーム導波路のための導波路メサ８５の両側のトレンチ溝９６ａ、９６ｂの幅が同じ又は同等であるとき、トレンチ溝９６ａから導波路メサ８５上を介してトレンチ溝９６ｂに至る樹脂体の厚さ（導波路メサ８５の上面を基準とする厚さ）が、アーム導波路毎、及びマッハツェンダ変調器毎に揃うように制御できる。その結果、アーム導波路への電気接続のためにアーム導波路上の樹脂体に開口を形成するエッチングにおける開口サイズのばらつきが低減される。このため、アーム導波路間、及びマッハツェンダ変調器間における帯域の分布が低減される。また、埋込半導体テラス９６ｃ、９６ｄは、樹脂体で埋め込む面積を調整するために役立ち、この面積の調整により樹脂体の剥がれが実質的に生じないようにできる。埋込半導体として半絶縁性ＩｎＰ（ＦｅドープＩｎＰ）を適用できるので、高周波特性への影響を考慮することなく、アーム導波路のための導波路メサ８５に埋込半導体テラス９６ｃ、９６ｄを近づけることができる。
【００５１】
導波路メサ８５の側面上の被覆層８９ａの厚さＢＷは、例えば０．３μｍ〜０．５μｍの範囲にあることができる。０．３μｍ以上の半導体埋込により暗電流の低減を可能にする。また、０．５μｍ以下の半導体埋込により寄生容量の増加の回避を可能にする。
【００５２】
トレンチ溝９６ａ、９６ｂの形成のための加工を行った後に、図１１の（ａ）部に示されるように、保護膜としてシリコン系無機絶縁膜９７を全面に成長する。シリコン系無機絶縁膜９７上に樹脂を塗布して、導波路メサ８５、並びにトレンチ溝９６ａ、９６ｂ及び埋込半導体テラス９６ｃ、９６ｄを含む埋込半導体領域８９を平坦化する樹脂体９９を形成する。樹脂体９９は例えばＢＣＢ樹脂であることができる。樹脂体９９は溝９３内にも形成される。樹脂体９９がコア半導体層７３の半導体よりも低い屈折率を有するとき、半導体製の上部クラッド層７９を溝９３が横切ることによる光学特性の低下を低減でき、ＢＣＢ樹脂はコア半導体層７３の半導体よりも低い屈折率を有する。また、ＢＣＢ樹脂は埋込半導体領域８９の半導体よりも低い熱伝導性を有する。
【００５３】
レーザダイオード１９のための素子エリア上の樹脂体９９は、フォトリソグラフィ及びエッチングの技術を用いて選択的に除去される。樹脂体９９を形成した後に、図１１の（ｂ）部に示されるように、アーム導波路のための導波路メサ８５上の樹脂体９９及びシリコン系無機絶縁膜９７に開口を形成する。トレンチ溝９６ａ、９６ｂの幅の調整によりアーム導波路のための導波路メサ８５上の樹脂体９９の厚さの均一性が向上されているので、樹脂体９９の厚み毎にエッチング条件及び／又はエッチング回数を変更することなく、樹脂体９９への開口形成に際する煩雑さは回避される。フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて樹脂体９９に開口を形成すると共に、シリコン系無機絶縁膜９７に開口を形成する。これらの開口を形成した後に、図１１の（ｃ）部に示されるように、アーム導波路のための導波路メサ８５の上面に接触を成す電極１０１が形成される。また、図１１の（ｄ）部及び図１２に示されるように、レーザダイオード１９のための素子エリアにおいては、類似の工程によりシリコン系無機絶縁膜９７に開口を形成した後に、レーザダイオード１９のための導波路メサ８５（バットジョイントメサ６９ａ〜６９ｄ）の上面にオーミック接触を成す電極１０３を形成する共に、バットジョイントメサ６９ａ〜６９ｄ間の半導体領域上にヒーター１０５を形成する。
【００５４】
これらの工程により、半導体光集積素子が作製される。
【００５５】
（実施例）
まず、ｎ型ＩｎＰ基板上にｎ型ＩｎＰバッファ層及びｎ型ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層（バンドギャップ波長：１３００ｎｍ）の結晶成長を例えば有機金属気相成長法（ＯＭＶＰＥ法）により行う。次いで、干渉露光或いはナノインプリントにより回折格子のためのパターン形成をｎ型ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層に行う。例えばｎ型ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層のエッチングは、ＣＨ４／Ｈ２をエッチング装置に供給して行われる。この加工により部分回折格子（Ｓａｍｐｌｅｄ  Ｇｒａｔｉｎｇ）を形成する。この形成の後に、パターン形成されたｎ型ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層をＯＭＶＰＥ法によりＩｎＰで埋め込む再成長を行う。続いて、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層（バンドギャップ波長：１２００ｎｍ）、アンドープＧａＩｎＡｓＰ多層量子井戸構造、アンドープ光閉じ込め層（バンドギャップ波長：１２００ｎｍ）、及びアンドープＩｎＰキャップ層を再成長する。多層量子井戸構造は例えばバンドギャップ波長が１．５５μｍであり、井戸層及び障壁層を含む。井戸層は、例えば５ｎｍの厚さのアンドープＧａＩｎＡｓＰを備え、障壁層は例えば１０ｎｍの厚さのアンドープＧａＩｎＡｓＰを備える。
【００５６】
バットジョイント（Ｂｕｔｔ−Ｊｏｉｎｔ突き当て接合）のためのマスクを形成する。このマスクはＳｉＮからなる。ＳｉＮ膜は化学的気相成長（ＣＶＤ）法により成長され、その厚さは例えば２００ｎｍである。フォトリソグラフィ及びウエットエッチングによりバットジョイントのためのパターンを形成する。ウエットエッチングはバッファードフッ酸により行われる。このように形成されたＳｉＮマスクを用いて、ＨＣｌ系ウエットエッチングによりＢｕｔｔ−Ｊｏｉｎｔメサを形成する。ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層のエッチングにおいて、その下のＩｎＰバッファ層がエッチング停止層として役立つ。次に、Ｂｕｔｔ−Ｊｏｉｎｔメサ形成に用いたＳｉＮマスクを選択成長用マスクとして用いて、ｎ型ＩｎＰ、アンドープＧａＩｎＡｓＰ層（バンドギャプ波長：１４００ｎｍ）、アンドープＩｎＰ層の再成長を行なう。これらのエピタキシャル層は、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）のための導波路、(バットジョイント再成長された部分がＤＢＲ上の導波路、波長可変分布活性（ＴＤＡ）領域の導波路、及びマッハツェンダ（ＭＺＩ）変調器のための導波路として利用される。
【００５７】
Ｂｕｔｔ−Ｊｏｉｎｔメサ形成に用いたＳｉＮマスクをバファードフッ酸により除去した後に、ｐ型ＩｎＰクラッド層（厚さ：１５００ｎｍ）及びｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層（厚さ３００ｎｍ）の再成長を行う。
【００５８】
エピ成長の後に、シリコン窒化膜（厚さ３００ｎｍのＳｉＮ）をＣＶＤ法で成長した後に、導波路のためのパターンを規定するＳｉＮ導波路マスクをフォトリソグラフィ及びエッチング（ＣＦ４を用いた反応性イオンエッチング）により形成する。ＳｉＮ導波路マスクをエッチングマスクとして、Ｃｌ２系反応性イオンエッチングにより半導体エピ積層をエッチングして、半導体メサストライプを形成する。
【００５９】
ＳｉＮ導波路マスクを除去することなく、さらにＳｉＮ膜（２００ｎｍの厚さ）をＣＶＤ法で全面に成膜する。フォトリソグラフィ及びバッファードフッ酸によるエッチング処理により、マッハツェンダ（ＭＺＩ）変調器のＭＭＩ領域の全体をＳｉＮで覆う再成長マスクを形成する。この再成長マスクを用いて選択埋め込み成長を行う。ＭＺＩ変調器のアーム導波路、及び波長可変レーザダイオードのレーザ導波路は、埋め込み再成長により埋め込まれる。このために、再成長マスクは、ＭＺＩ変調器のアーム導波路、及び波長可変レーザダイオードのレーザ導波路上に開口を有すると共に、除去することなく残されているＳｉＮ導波路マスクは、メサ導波路の上面を覆う。続いて、ＨＣｌ系のウエットエッチングによりドライエッチングによる損傷層を除去する。この処理の後に、Ｆｅ−ＩｎＰの埋め込み再成長をＯＭＶＰＥ法により行う。続いて、再成長に用いた２つのＳｉＮマスクをバッファードフッ酸により除去する。
【００６０】
溝の形状を規定するマスクのためのＳｉＮ膜（厚さ：３００ｎｍ）をＣＶＤ法で成膜する。フォトリソグラフィ及びＣＦ４のドライエッチングにより、ＳｉＮ溝マスクを形成する。ＳｉＮ溝マスクを用いて半導体導波路及びＦｅ−ＩｎＰ埋込領域のエッチングをＣｌ２系反応性イオンエッチングにより行って、半導体導波路及びＦｅ−ＩｎＰ埋込領域に溝を形成する。この溝は、波長可変レーザ領域の屈折率変化を引き起こさせる熱の影響がＭＺＩ変調器に及ばないようするために設けられる。また、プラズマモニタを用いて、溝は半導体導波路のコア層の直上までの深さに制御される。このエッチング工程を行っている際に、波長可変レーザのための領域、及びＭＺＩ変調器のための領域はＳｉＮマスクで覆われている。
【００６１】
ＭＺＩ変調器のアーム導波路の寄生容量を低減するために、トレンチ構造を採用する。トレンチ構造を形成するために、全面にＳｉＮ膜（厚さ３００ｎｍ）をＣＶＤ法で成膜すると共に、フォトリソグラフィ及びＣＦ４によるドライエッチングによりトレンチ構造の形状を規定するＳｉＮマスクを形成する。このＳｉＮマスクを用いてＣｌ２系反応性イオンエッチングによりＦｅ−ＩｎＰ埋込層にトレンチ構造を形成する。この工程を行っている際に、波長可変レーザ領域、及び半導体溝領域はＳｉＮマスクで覆われている。
【００６２】
ＭＺＩ変調器領域のＦｅ−ＩｎＰ埋込領域にトレンチ構造を形成した後に、素子全体のパッシべーション用のシリコン酸化膜（厚さ３００ｎｍ）を成膜する。さらに、素子全面にベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂を塗布して平坦化を行う。続いて、フォトリソグラフィ及びＣＦ４／Ｏ２によるドライエッチングにより波長可変レーザ領域のＢＣＢ樹脂を除去する。
【００６３】
フォトリソグラフィ及びＣＦ４／Ｏ２によるドライエッチングによりＭＺＩ変調器のアーム導波路へのコンタクトのためにＢＣＢ樹脂にコンタクト開口を形成する。その際に、ＭＭＩ領域、波長可変レーザ領域、及び溝領はレジストマスクで覆われている。レジストパターニングを行って、ＭＺＩ変調器のアーム導波路、及び波長可変レーザ領域上のシリコン酸化膜にコンタクト開口をＣＦ４／Ｏ２による反応性イオンエッチングにより形成する。この開口より、オーミック電極形成を行う領域のコンタクト層が露出される。ｐ側及びｎ側のオーミック電極の形成をＭＺＩ変調器のアーム導波路及び波長可変レーザ領域において行なう。
【００６４】
本実施例では、ＭＺＩ変調器のアーム導波路メサの側面をＦｅ−ＩｎＰの埋め込み再成長を行うと共に、ＭＺＩ変調器のアーム導波路を埋め込むＦｅ−ＩｎＰ埋込領域にトレンチ構造を適用している。そして、このトレンチ構造をＢＣＢ樹脂で埋め込む。この構造により、ＭＺＩ変調器及び波長可変レーザに高信頼性と広帯域化との両立を提供できる。また、波長可変レーザとＭＺＩ変調器との間に溝を形成するので、波長可変レーザの波長チューニングに伴う熱によって、ＭＺＩ変調器の位相変化の攪乱を抑制できる。
【００６５】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
以上説明したように、本実施の形態によれば、波長可変型のレーザダイオードを光変調器と単一の基板上にモノリシックに集積するに際して、レーザダイオードの性能を提供するための構造、及び光変調器の性能を提供するための構造を共存させる構造を有する半導体光集積素子を提供できる。
【符号の説明】
【００６７】
１３…半導体基板、１５…マッハツェンダ変調器、１７…半導体導波路、１９…レーザダイオード、２３…ヒーター、２５…回折格子、２５ａ〜２５ｇ…部分回折格子、２７…電極、２９…レーザ導波路、３５ａ…下部クラッド層、３５ｂ…上部クラッド層、３５ｃ…コア層、３５ｄ…量子井戸構造、３５ｅ…井戸層、３５ｆ…障壁層、３５ｈ…コンタクト層、３５ｇ…回折格子層、３７ａ…第１多モード干渉器、３７ｂ…第１アーム導波路、３７ｃ…第２アーム導波路、３７ｄ…第２多モード干渉器、３７ｅ…第１変調電極、３７ｆ…第２変調電極、３９…埋込領域、４１…溝、４３…樹脂体。
【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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