(57)【要約】【課題】結晶の熱膨張係数の差とＤＢＲミラーとを利用して光スイッチ等の機能を持たせた光機能素子において、堅牢であって高い信頼性を得る。【解決手段】ＳｉＣ基板１と、該基板１上に基板１より延長して形成された、Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ／ＧａＮ下部ＤＢＲミラー５、ＧａＮコア層６およびＡｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ／ＧａＮ上部ＤＢＲミラー７とからなるミラー部８と、Ｃｒからなるヒーター１２とにより構成する。該ミラーのＡｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜、ＧａＮ膜およびＧａＮ層５において、ｄａ＝λ／４ｎａ、ｄｇ＝λ／４ｎｇ、およびｄｃ＝λｍ／２ｎｃ（ただし、ｍは正の整数）の関係が満たす。ヒーター部１２に電流が流されて加熱されると、ミラー部８がＳｉＣ基板１側に湾曲し、ファブリ・ペロー共振条件が満たされないため、領域８ａにおいて透過していた波長λの光は反射する。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ基板と、
該ＳｉＣ基板上に該ＳｉＣ基板より延長して設けられたＡｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜とＧａＮ膜との多層膜からなる下部ＤＢＲミラー、ＧａＮからなるコア層およびＡｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜とＧａＮ膜との多層膜からなる上部ＤＢＲミラーをこの順に形成されてなるミラー部と、
該ミラー部上の前記ＳｉＣ基板に少なくとも一部対応する領域内に形成されたヒーター部とから構成され、
前記各Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜、各ＧａＮ膜およびＧａＮからなるコア層において、厚さをそれぞれｄ１、ｄ２およびｄ３とし、波長λにおける屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２およびｎ３としたとき、ｄ１＝λ／４ｎ１、ｄ２＝λ／４ｎ２、およびｄ３＝λｍ／２ｎ３（ただし、ｍは正の整数）の関係が満たされ、
前記ヒーター部に電流が流されて前記ミラー部およびＳｉＣ基板が加熱されることにより、前記ミラー部が前記ＳｉＣ基板側に湾曲しファブリ・ペロー共振条件が変化し、前記ミラー部の前記ＳｉＣ基板より延長した部分において、波長λの光が反射されることを特徴とする半導体光機能素子。
【請求項２】
光スイッチとして用いられることを特徴とする請求項１記載の半導体光機能素子。
【請求項３】
波長可変フィルターとして用いられることを特徴とする請求項１記載の半導体光機能素子。
【請求項４】
光変調素子として用いられることを特徴とする請求項１記載の半導体光機能素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２枚のＤＢＲ（分布ブラッグ反射）ミラーを用いて構成したファブリ・ペロー共振器を有する半導体光機能素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体材料の特性と微細化技術を利用した様々な半導体機能素子が提案されている。例えば、外部から加えられた応力により半導体等の電気抵抗が変わるピエゾ抵抗効果を利用した圧力センサや、電界により結晶に歪を生じる圧電効果を利用した半導体素子等が広く知られている。例えば、米国特許第５，５１４，８９８号においては、Ｓｉ材を用いて微細化技術を適用した半導体圧力センサが報告されている。半導体材料を用いた半導体圧力センサは、省スペース化と集積化が実現できるという利点を有する。特に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓあるいはＡｌＧａＡｓ材を用いた素子においては、これらの材料がＳｉに比べてバンドギャップが大きいため、従来のＳｉ材を用いたものより高温下での安定な使用が期待されている。このようなＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のもつ利点としては、集積化が容易であり、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ）への適用あるいは展開が期待されるということを挙げることができる。しかしながら、ＧａＡｓあるいはＡｌＧａＡｓ材はＳｉ材に比べ強度的に弱いという問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、ＭＥＭＳによって、ＴｉＯ２／ＳｉＯ２からなるミラーを駆動させ、光を曲げる光スイッチが実現されている。この光スイッチにおいては、このミラー自体が駆動部となっているために、十分な信頼性が得られておらず実用化が進んでいない。この主な原因として、駆動部が堅牢でないアモルファスのＴｉＯ２／ＳｉＯ２からなることを挙げることができる。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みて、堅牢で信頼性の高い半導体光機能素子を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体光機能素子は、ＳｉＣ基板と、
該ＳｉＣ基板上に該ＳｉＣ基板より延長して設けられたＡｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜とＧａＮ膜との多層膜からなる下部ＤＢＲミラー、ＧａＮからなるコア層およびＡｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜とＧａＮ膜との多層膜からなる上部ＤＢＲミラーをこの順に形成されてなるミラー部と、
該ミラー部上のＳｉＣ基板に少なくとも一部対応する領域内に形成されたヒーター部とから構成され、
各Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜、各ＧａＮ膜およびＧａＮからなるコア層において、厚さをそれぞれｄ１、ｄ２およびｄ３とし、波長λにおける屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２およびｎ３としたとき、ｄ１＝λ／４ｎ１、ｄ２＝λ／４ｎ２、およびｄ３＝λｍ／２ｎ３（ただし、ｍは正の整数）の関係が満たされ、
ヒーター部に電流が流されてミラー部およびＳｉＣ基板が加熱されることにより、ミラー部がＳｉＣ基板側に湾曲しファブリ・ペロー共振条件が変化し、ミラー部のＳｉＣ基板より延長した部分において、波長λの光が反射されることを特徴とするものである。
【０００６】
上記構成からなる半導体光機能素子を光スイッチ、波長可変フィルターあるいは光変調素子として用いることが可能である。
【０００７】
【発明の効果】
本発明の半導体光機能素子によれば、上記のような組成および構造からなるものとすることにより、堅牢なＳｉＣあるいはＧａＮ等から構成されたものとなるため耐久性が高く、高い信頼性を得ることができる。
【０００８】
また、ヒーター部に電流が流されてミラー部およびＳｉＣ基板が加熱されることにより、ミラー部がＳｉＣ基板側に湾曲しファブリ・ペロー共振条件が変化し、ミラー部のＳｉＣ基板より延長した部分において、波長λの光が反射されるように構成されているため、外付けで駆動部を設ける必要がなく、素子を小型化されたものとすることができる。
【０００９】
また、上記の本発明の半導体光機能素子は、光スイッチ、波長フィルターあるいは光変調素子として用いることが可能であり、上記同様高い信頼性を得ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００１１】
本発明の第１の実施の形態による半導体光スイッチについて説明する。その半導体光スイッチの製造過程における断面図を図１（ａ）に示し、平面図を図１（ｂ）に示す。図１（ａ）は図１（ｂ）の１３−１３断面図である。
【００１２】
本実施の形態による半導体光スイッチは、図１に示すように、ＳｉＣ基板１と、ＳｉＣ基板１上にＡｌＮ低温バッファ層２、ＧａＮバッファ層３およびＡｌＮ層４からなる層を介して該ＳｉＣ基板１より延長して形成された、Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜とＧａＮ膜との多層膜からなる下部ＤＢＲミラー５、ＧａＮからなるコア層６およびＡｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜とＧａＮ膜との多層膜からなる上部ＤＢＲミラー７をこの順に形成してなるミラー部８と、該ミラー部８上のＳｉＣ基板１に一部対応する領域内に形成された電極パッドを有する金属配線からなるヒーター部１２とを備えてなるものであって、ＳｉＣ基板１〜上部ＤＢＲミラー７までの積層体と周囲を囲むＳｉＣ基板１とによって支持されたカンチレバー状の構造となっている。ヒーター部１２は不図示の電源に接続されており、電源よりヒーター部１２に電流が流されてヒーター部１２が発熱する。
【００１３】
なお、ＤＢＲミラー５，７は、該ミラーのＡｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜、ＧａＮ膜およびＧａＮコア層６において、厚さをそれぞれｄ１およびｄ２およびｄ３とし、波長λにおける屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２およびｎ３としたとき、
ｄ１＝λ／４ｎ１、ｄ２＝λ／４ｎ２、およびｄ３＝λｍ／２ｎ３（ただし、ｍは正の整数）
の関係が満たされるように形成されている。また、Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜とＧａＮ膜とは、ＧａＮコア層６側がＡｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜となるように交互に積層されている。
【００１４】
次に、この半導体光スイッチの動作について説明する。
【００１５】
本実施の形態による半導体光スイッチは、ヒーター部１２に電流が流されておらず、熱が加えられていない状態では、図２（ａ）に示すように、ミラー部８のＳｉＣ基板１より延長された領域（図１における８ａの領域）においては、波長λの光は透過する。
【００１６】
一方、図２（ｂ）に示すように、ヒーター部１２に電流が流されて熱が加えられると、ＳｉＣとＧａＮとでは熱膨張係数がＳｉＣよりＧａＮの方が大きいため、ミラー部８がＳｉＣ基板１側に湾曲することにより、ファブリ・ペロー共振条件が変化し、ミラー部８のＳｉＣ基板１より延長された領域では波長λの光は反射することとなる。
【００１７】
次に、本実施の形態による半導体光スイッチの製造方法について説明する。
【００１８】
図３（ａ）に示すように、ＳｉＣ基板１上に、有機金属気相成長法により、ＡｌＮ低温バッファ層２、ＧａＮバッファ層３、ＡｌＮ層４（厚さ１０ｎｍ程度）、Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜とＧａＮ膜との多層膜からなる下部ＤＢＲミラー５、ＧａＮからなるコア層６、Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜とＧａＮ膜との多層膜からなる上部ＤＢＲミラー７を形成する。
【００１９】
次に、図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すように、ＳｉＣ基板１の裏面において、３００μｍ（Ｗ１）×１４０μｍ（Ｌ）程度の矩形状の領域を、通常のリソグラフィ法とドライエッチングによりＳｉＣ基板１の厚さ１０μｍ程度残して基板１の裏面からエッチングして第１の溝９を形成する。さらに、７０μｍ（Ｗ２）×１４０μｍ（Ｌ）程度の矩形状の領域を、通常のリソグラフィ法とドライエッチングにより下部ＤＢＲミラー５が露出するまで除去して第２の溝１０を形成する。図３（ｂ）における３ｃ−３ｃ断面図を図３（ｃ）に示す。
【００２０】
次に、図３（ｄ）に示すように、上部ＤＢＲミラー側において、幅２０μｍ（Ｗ３）程度のコの字状の領域１１を通常のリソグラフィ法とドライエッチングにより、上部ＤＢＲミラー７の上面側から第１の溝９に達するまで除去する。これにより、図３（ｅ）に示すように、カンチレバー形状の領域が形成される。図３（ｄ）における３ｅ−３ｅ断面図を図３（ｅ）に示す。
【００２１】
その後、図３（ｆ）に示すように、上部ＤＢＲミラー７上のＳｉＣ基板１に一部対応する領域にＣｒを蒸着してヒーター部１２を形成する。最後に、各素子に分割する。ヒーター部１２は電源に接続される。このＣｒからなるヒーター部１２は図１（ｂ）に示すように、パッドを有した蛇行状の配線である。
【００２２】
また、ＧａＮコア層６の厚さと各ＤＢＲミラー５，７のＡｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜の組成および膜厚とを変化させることにより、４００ｎｍから１．６μｍの波長帯の光に対して動作させることが可能である。
【００２３】
また、ヒーター部に電流を流すことにより透過波長を変化させることができるため、波長可変フィルターとしても用いることができる。
【００２４】
上記のような本発明の半導体光機能素子は、加熱の有無による結晶の熱膨張を利用してファブリ・ペロー共振条件を変化させ、光の透過および反射を制御できることから、光のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う光変調素子として用いることができる。
【００２５】
本発明の半導体光機能素子は、堅牢なＳｉＣおよびＧａＮから構成されているため、耐久性が良く高い信頼性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による半導体光スイッチを示す断面図および平面図
【図２】本発明の一実施形態による半導体光スイッチの動作を示す断面図
【図３】本発明の一実施形態による半導体光スイッチを示す製造過程の断面図
【符号の説明】
１　　ＳｉＣ基板
２　　ＡｌＮ低温バッファ層
３　　ＧａＮバッファ層
４　　ＡｌＮ層
５　　Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜とＧａＮ膜との多層膜からなる下部ＤＢＲミラー
６　　ＧａＮコア層
７　　Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜とＧａＮ膜との多層膜からなる上部ＤＢＲミラー
８　　ミラー部
１２　　ヒーター部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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