(57)【要約】基板上に形成された少なくとも１つの能動光デバイス構造に光子学的に結合させる方法であって、結晶面に向けて高い選択性で能動デバイス構造をエッチングすることにより、基板に対して勾配のある末端を形成し；エッチングした末端と、基板の少なくとも１部分に、少なくとも１つの導波路を付着させることを含み、その際、エッチングした能動デバイス構造に上記導波路を光子学的に結合させることにより、エッチングした能動デバイス構造に光子学的連続性を付与する、上記方法。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された少なくとも１つの能動光デバイス構造に光子学的に結合させる方法であって、
結晶面に向けて高い選択性で能動デバイス構造をエッチングすることにより、基板に対して勾配のある末端を形成し；
エッチングした末端と、基板の少なくとも１部分に、少なくとも１つの導波路を付着させることを含み、
その際、エッチングした能動デバイス構造に上記導波路を光子学的に結合させることにより、エッチングした能動デバイス構造に光子学的連続性を付与する、上記方法。
【請求項２】
前記基板が前記導波路の閉じ込めをもたらすように基板及び導波路を配置する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記能動デバイス構造が複数の層を含み、これら層の少なくとも１つが前記能動デバイス構造及び導波路に共通する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記層の少なくとも１つが下部閉じ込め層（lower confinement layer）を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記導波路が、導波路コアと上部クラッド層からなる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記導波路が、少なくとも１つの非晶質ケイ素材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記材料が、主に、SiNxHy（０＜ｘ＜1.3、０＜y＜1.3）、a-SiCxHy（０＜ｘ＜１、０＜y＜0.3）、もしくはa-SiOxHy（０＜ｘ＜１、０＜y＜0.3）からなる群より選択される少なくとも１つの材料である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記能動デバイス構造が、レーザー、発光ダイオード、スーパールミネセントダイオード、モジュレーター、ゲインセクション及び増幅器からなる群より選択される少なくとも１つのデバイスを形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記能動デバイス構造にフォトレジストをスピンコーティングすることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記エッチングが、カロ酸を用いて上部クラッドをウェットエッチングすることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記エッチングが、HClとH3PO4を用いて上部クラッドをウェットエッチングすることをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記エッチングが、少なくとも１つの能動層をドライエッチングすることをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ドライエッチングが、Ar、CH4及びH2を用いることを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
用いられるAr、CH4及びH2の比が約4.4：11：30である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記導波路が、少なくともa-Si：H基材の合金を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
少なくとも１つの能動光デバイス；と
上記少なくとも１つの能動光デバイスに光子学的に結合した少なくとも１つの導波路；
とを含む光集積回路であって、
その際、上記少なくとも１つの導波路が、非晶質ケイ素合金を基材とするコアと、非晶質ケイ素合金を基材とするクラッドからなる、上記光集積回路。
【請求項１７】
基板；と
上記基板上に位置し、少なくとも１つの能動光デバイスを形成する複数の層；と
上記少なくとも１つの能動光デバイスに光子学的に結合した少なくとも１つの導波路；
とを含む光集積回路であって、
その際、上記少なくとも１つの導波路が、少なくとも１つの能動光デバイスを形成する複数の層の少なくとも１つを含む、上記光集積回路。
【請求項１８】
基板；と
上記基板上に形成され、該基板に対し勾配のある少なくとも１つの末端を有する少なくとも１つの能動光構造；と
上記勾配末端に結合し、かつ上記基板の少なくとも１部分を覆う少なくとも１つの導波路を含む、光集積回路。
【請求項１９】
前記能動デバイス構造が、レーザー、発光ダイオード、スーパールミネセントダイオード、モジュレーター、ゲインセクション及び増幅器からなる群より選択される少なくとも１つのデバイスを形成する、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記勾配が、前記層の少なくとも１つの結晶面と結合する、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記層の少なくとも１つが、前記少なくとも１つの導波路の下部閉じ込め層をもたらす、請求項１８に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本発明は、2003年４月23日に出願された「A-SIを基材とする光集積回路のための多層導波路構造、A-SIを基材とする光集積回路における勾配結合継目、ならびに、これらを含む回路」と称する米国特許出願番号60/464,763の優先権を主張する。なお、この文献の全開示内容は、それが本明細書に完全に記載されているかのように、本明細書に参照として組み込むものとする。
【０００２】
本発明は、光集積回路に関して用いられているものなどの導波路結合方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
能動素子、例えば、レーザーやモジュレーターのようなIII-V半導体光デバイス、ならびに受動素子、例えば、受動導波路などを含む光集積回路（PIC）の開発拡大及び増加は極めて望ましいと考えられる。このような回路及びデバイスは本来モノシリックである。このようなPICの開発における１つの問題は、能動及び受動素子の両方を集積化し、これらを互いに機能的に結合することである。この問題は、例えば、能動及び受動素子に、異なる屈折率の様々な材料を使用するために発生すると思われる。
【０００４】
一手法として、能動及び受動デバイスを一緒に突合せ結合するものがある。しかし、これは、通常、所望の結合効率を達成するのに、能動及び受動デバイスの正確なアラインメントを必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、例えば、非制限的例としてPICにおいて、能動及び受動光デバイスの改善された結合を提供する方法及びシステムが求められると考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
基板上に形成された少なくとも１つの能動光デバイス構造（active photonic device structure）に光子学的（photonically）に結合させる方法であって、結晶面に向けて高い選択性で能動デバイス構造をエッチングすることにより、基板に対して勾配のある末端を形成し、エッチングした末端と基板の少なくとも１部分に少なくとも１つの導波路を付着させることを含み、その際、エッチングした能動デバイス構造に上記導波路を光子学的に結合させることにより、エッチングした能動デバイス構造に光子学的連続性（interconnectivity）を付与する、上記方法。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
添付の図面（図中、同じ番号は同じ部分を指す）を参照にしながら以下に行う好ましい実施形態の詳細な説明を熟考することにより、本発明の理解が容易になるであろう。
【０００８】
発明の詳細な説明
本発明の図面及び説明は、本発明を明瞭に理解する上で必要な要素を示すために簡略化されていると同時に、明瞭化のために、典型的PIC、能動デバイス、受動デバイス、ならびに結合方法に存在する多くの他の要素を省いていることを理解すべきである。当業者であれば、本発明を実施する上でその他の要素が望ましい場合もあることは認識されよう。しかし、このような要素は当分野では周知であり、また、本発明をさらに理解しやすくするものではないため、このような要素については本発明では記述しない。本明細書に開示する内容は、当業者には周知のあらゆる変種及び改変に関する。
【０００９】
本発明の一形態によれば、非晶質ケイ素（a-Si）を基材とする導波路を光集積回路（PIC）の集積化に用いる。２層構造を用いて、能動／受動デバイス結合継目における損失を低減することができ、しかも、この構造は３層構造より製造が簡単である。
【００１０】
第１図を参照にすると、能動デバイス110と受動導波路120のための３層結合システム100（図ａ）と、能動デバイス110と受動導波路120のための２層結合システム200（図ｂ）が示されている。
【００１１】
能動デバイス110は、好適であればどんな能動デバイスの形態をしていてもよく、非制限的例として、例えば、バルク半導体、量子ウェル又は量子ドットを基材とするデバイスなどが挙げられる。このようなデバイスは、例えば、長い波長の動作特性を有するという特徴がある。このようなデバイスは、例えば、III-V半導体材料を組み込むことができる。このようなデバイスは、例えば、GaAs又はInGaAs材料を組み込むことができる。このようなデバイスは、レーザー又はその部分、モジュレーター又はその部分、もしくはさらに大型のシステム用のゲインセクション（すべて、非制限的例にすぎない）を形成することができる。デバイス110は、当分野で通常の技術をもつ者には容易に理解されるように、コア115を有する。デバイス110は、１以上の末端117を有し、この末端は、ここに機能的に結合された１以上の導波路120を備えるのが望ましい。第１図には、単一の末端117と導波路120を示すが、これは説明のためにすぎない。
【００１２】
本発明の一形態によれば、導波路120は、上部クラッド127と能動層125を含む。本発明の一形態によれば、導波路120は、随意に下部クラッド123を含んでもよい。本発明の一形態によれば、上部クラッド123、コア125及び下部クラッド127は、a-Siを基材とする材料、例えば、a-SiNxHy（０＜ｘ＜1.3、０＜ｙ＜0.3）、a-SiCxHy（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜0.3）、もしくはa-SiOxHy（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜.3）の形態をしていてもよい。上部クラッド127、コア125及び下部クラッド123について所望の屈折率は、a-Siを基材とする材料の組成を調節することにより達成することができる。上部及び下部クラッド層は、約3.17の屈折率でよい。コアの屈折率は、約3.27〜約3.32でよい。層127、125は、適切であれば、どんな厚さでもよく、例えば、層127が約１μm、層125が約0.3μmである。層123が存在する場合には、これも適切であれば、どんな厚さでもよく、非制限的例として挙げるならば、約１μmである。
【００１３】
図（ａ）は、層123を含む３層受動導波路130を示し、また図（ｂ）は、層123を省いた２層受動導波路140を示している。いずれの場合にも、適切な厚さ（例えば、厚さ約0.35 mm）の好適な基板（例えば、In-P基板）を用いることができる。このような基板は、例えば、約3.17の屈折率を有する。図（ｂ）に示すような２層導波路構成の場合には、能動デバイス110及び／又は基板と共通の１以上の層を用いて、受動導波路140コアを少なくとも部分的に被覆又は閉じ込める。
【００１４】
能動デバイス110は、従来の技術を用いて形成してもよい。例えば、能動デバイス110は、まず、通常のInP基板上に四次（quaternary）層のスタックを付着させることにより形成することができる。このスタックはデバイスの能動層を形成し、厚さ95 nmのInGaAsとInGaAsP層を交互に含むものでよい。例えば、５層を形成することができる。次に、上記能動層に、厚さ635 nmのInPのスペーサー／遮断層を付着させる。続いて、厚さ30 nmのInGaAsPエッチング停止層を付着させる。それから、1300 nmのInP層を付着させる。そして最後に、厚さ50 nmのInGaAsキャップを付着させる。各層の付着は、通常の方法、例えば、液体又はプラズマ増強化学蒸着を用いて、達成することができる。
【００１５】
デバイス110のコア115、すなわち能動層が、導波路130、140それぞれのコア125に機能的に結合されるように、導波路130、140をデバイス110に対して配置する。
【００１６】
例えば、図１の図（ａ）に関して、下部クラッド123は、基板119上のコア125の位置を、コア115と実質的にアライメントする高さまで高めるのに適した厚さを有する。図（ｂ）の場合には、デバイス110の部分を形成又は支持するのに共通に用いられる１以上の層146を同様に用いる。
【００１７】
当分野で通常の技術を有する者には理解されるように、導波路130は、導波路140と比較していくつかの問題点を呈示することがある。１つは、低屈折率材料の層が能動及び受動低屈折率層の間に挟まれているため、デバイス110の側壁、すなわち末端117に非晶質ケイ素材料を付着させるのが、３層構造では難しいことである。２つめは、受動下部クラッド層の厚さがアラインメント許容差より有意に大きいため、受動及び能動導波路コアのアラインメントが３層スキームでは困難になることである。そして３つめは、非晶質ケイ素の合計厚さが３層スキームではかなり厚くなるため、例えば、比較的小さなストレスの存在下でも剥離及び／又はひび割れの問題が発生しやすくなることである。
【００１８】
本発明の一形態によれば、PICの能動及び受動素子同士の界面は、勾配のある領域を有する。図２を参照すると、垂直（図ａ）及び勾配（図ｂ）、能動／受動接合すなわち界面210、220が示されている。図（ｂ）に示すような勾配結合継目は、a-Si導波路を用いた光集積回路における残留界面反射を低減するため、デバイスの性能を改善する。図（ａ）に示すような垂直接合は、能動及び受動導波路間の所定の有効な屈折率の不一致のために、より有意な後方反射を発生させる傾向がある。この後方反射は、有意な干渉及び損失を招き、限定するものではないが、半導体光増幅器（SOA）及びスーパールミネセントダイオード（SLD）のような光学デバイスの性能を劣化する可能性がある。この危険性は、勾配のある能動−受動接合を用いて反射を抑えることにより、少なくとも部分的に軽減することができる。何故なら、このような構造では屈折率の平均的変化が少なくなり、後方反射は導波路に向かわなくなるからである。勾配接合の勾配は、例えば、結合しようとする能動デバイスに含まれる材料の結晶面とアラインメントさせるため、この面に応じて変動しうる。
【００１９】
やはり図２を参照すると、システム210、220の各々は、図１の２つの層結合構造140に基づいている。さらに具体的には、各システム210、220は、基板230を含む。基板230は、例えば、約3.17の屈折率を有する厚さ約0.35 mmのInP基板の形態をしている。各システム210、220は、能動デバイス領域240と、受動導波路領域250を含む。領域240は、図１の能動デバイス110に類似しているのに対し、領域250は図１の導波路140に類似している。界面領域260による不要な反射は、垂直システム210と比較して勾配システム220では低減すると考えられる。というのは、この不要な反射は、少なくとも部分的に、能動デバイス領域240のコア215又は導波路領域250のコア225とアラインメントしていない領域260に関連する残留界面反射によって起こるからである。
【００２０】
図３を参照にすると、本発明の形態に従う各加工ステップ（ａ）〜（ｆ）での能動／受動接合300が示されている。接合300は、例えば、システム200のそれと類似した形態でよい。
【００２１】
本発明の形態によれば、ウェット化学エッチング方法を用いて、高い均質性及び再現性の勾配角度及び合計エッチング深さを有する能動／受動接合を形成することができる。本発明の一形態によれば、接合位置及び形状は、通常の写真平版方法を用いて画定することができる。これはステップ（ａ）に示しており、ここには、保護層320、キャップ層330、上部クラッド340、能動層350、下部クラッド360及び基板370を含むシステム310が描かれている。このような場合、保護層320は、例えば、さらなる加工に用いるための光レジストマスクの形態をしていてもよい。システム310は、例えば、レーザー、SOA又はSLD構造のような能動デバイスを画定することができる。
【００２２】
次に、ステップ（ｂ）の図を参照にして、例えば、エッチングにより、キャップ層320を選択的に除去する。続いて、ステップ（ｃ）の図を参照にしながら、上部クラッド層（upper cladding layer）330を結晶面に向かう高い選択性でエッチングする。これによって再現性のある勾配を提供するのが可能になると共に、エッチング停止機能をもたらす能動層により、エッチング深さの均質性も確実に達成される。次に、例えば、ステップ（ｄ）の図に示すように、やはり通常の方法を用いて、能動層340を選択的に除去する。ステップ（ｅ）の図に示すように、導波路コア315として動作する高屈折率非晶質ケイ素をエッチングしたシステム310に付着させる。ここで、勾配によって、能動材料の角における空隙の形成を軽減できることに注意されたい。最後に、ステップ（ｆ）の図に示すように、受動導波路のクラッド層320を形成する低屈折率非晶質ケイ素を、例えば、通常の方法で付着させる。
【００２３】
概略的に、かつ非制限的例として挙げるにすぎないが、勾配結合継目を形成するいくつかの方法を示す。厚さ95 nmの５量子ウェル四次スタックを含む正常な1550 nm発光波長ウェファーを考慮した。ウェファーのセクションは、写真平版を用いて、800ミクロンの間隔（メサ）で200ミクロンの開口と600ミクロンの間隔で400ミクロンの開口により画定した。これらのウェファーセクションでいくつかのエッチング実験を実施することにより、レーザー能動層に通じるレジスト開口部中に深い溝を作製した。これらの溝は後に、非晶質ケイ素導波路の付着に用いた。
【００２４】
本発明の形態によれば、非選択的臭素／酢酸エッチングによる溝のウェット化学エッチングを用いることができる。このエッチングは、能動デバイス構造の各層に対してほとんど選択性がなく、従って、例えば、構造中の異なる化学組成で停止しない。また、図４を参照にすると、勾配断面を備えるエッチング済エッジ表面（ａ）と、溝における平坦な領域（ｂ）のSEM顕微鏡写真が示されている。得られた溝の断面は丸みを帯び、滑らかである。非選択的エッチングに起こると考えられる問題は、エッチング深さを制御しにくいことである。
【００２５】
本発明の一形態によれば、非選択的エッチングとは対照的に、レーザー構造における様々な化学組成物で停止することが知られる選択的エッチングを選択してもよい。例えば、カロ酸と、硫酸、過酸化水素及び水の混合物とを用いて、50 nmのインジウムガリウムヒ素（InGaAs）キャップを選択的に除去することにより、下のインジウムリン（InP）クラッド層を露出させる。次に、塩酸、リン酸溶液を用いて、1300 nm InP層を30 nm四次（InGaAsP）エッチング停止層までエッチングしてから、この停止層をカロ酸で選択的に除去する。続いて、HCl-リン酸エッチングで653 nmスペーサー／遮断層を残る95 nm四次能動層まで除去する。しかし、カロ酸での能動層のエッチングにより、該層のアンダーカットが生じ、これを解消するのは難しい。図５を参照にすると、記載した選択的ウェットエッチング方法を用いて作製した結合継目が示されている。四次構造のアンダーカットが明らかである。
【００２６】
本発明の一形態によれば、選択的及び非選択的エッチングの組合せを用いる。このような方法は、すでに説明したのと同じ選択的エッチングを含むものであり、その際、選択的エッチングを用いて成長層を除去し、95 nm四次能動層スタックの上部でエッチングを停止した。本発明の一形態によれば、希釈臭素溶液で、能動層をn-クラッドInP層まで非選択的に除去する。このような選択的−非選択的エッチングの組合せにより、既述した他の方法に伴う能動層のアンダーカットを発生せずに、平滑な表面をした許容される断面を形成することが可能になる。また、図６を参照にすると、選択的及び非選択的エッチングの組合せにより作製された結合継目が示されている。
【００２７】
本発明の一形態によれば、ウェット及びドライエッチングの組合せを用いる。エッチング停止層のための選択的ウェットエッチングに代わり非選択的ドライエッチングを用いることにより、継目断面における大きなプラトーを実質的に排除することができる。こうすることにより、デバイス上部でのキャップ層の有意なアンダーカットを排除することができる。このアンダーカットは、続くInPの選択的ウェットエッチングの際にプラトーの形成を招く可能性がある。図７を参照にすると、改変した連続的エッチングにより得られる結合継目の縦断面が示されている。
【００２８】
非制限的例として挙げるにすぎないが、好適なレジスト（例えば、1813レジスト）を回転させてから、対象ウェファー上に前ベーキングするが、これは、例えば、4500 RPMで30秒回転させた後、熱板上で摂氏90℃にて前ベーキングすることにより実施する。膜の厚さ及び屈折率は、例えば、楕円偏光測定器で確認することができる。次に、前ベーキングしたマスク材料を例えば約５秒暴露するが、これは、例えば、マスク材料を365 nm i-ライン接触写真平版に暴露することにより実施する。暴露したマスク材料を、例えば、4/1 H2O/Shipley AZ 351現像液を用いて、約35秒現像する。続いて、現像したマスクを、例えば、摂氏90℃の熱板を用いて、約２分、後ベーキングする。本発明の一形態によれば、例えば、O2プラズマを用いて125ワットで約３分、マスキング済ウェファーを洗浄する。これは、図３のステップ（ａ）と概ね一致している。
【００２９】
やはり非制限的例として挙げるにすぎないが、窒化ケイ素キャップ層を用いる場合には、CF4、He及びO2からなるDE101プラズマを用いて、約100 W-50 ccで約１分これをエッチングする。次に、レジストを例えばアセトン中で剥離させた後、O2プラズマで約２分処理する。これは、図３のステップ（ｂ）と一致している。
【００３０】
これもまた非制限的例として挙げるにすぎないが、10-1-1カロ酸を用いて約30秒、次に約摂氏５℃で80％３／１HCl／H3PO4を用いて約2分、溝をエッチング停止層までエッチングする。これは、図３のステップ（ｃ）と一致している。
【００３１】
次に、例えば、約20 mtorr-250 Wで、4.4 sccm Ar、11 sccm CH4、30 sccm H2を用いて、約２分、45秒エッチング停止層をドライエッチングする。次に、HCl／リン溶液を用いて、溝を閉じ込め層（confinement layer）までエッチングする。そして、例えば、約20 mtorr-250 Wで、4.4 sccm Ar、11 sccm CH4、30 sccm H2を用いて、約19分、30秒、量子ウェルスタックをＮクラッドの上部までドライエッチングする。連続的な測定値を効果的に用いる。最後に、緩衝HF中に残った窒化物を約２分除去し、表面を確認してから、20／１H2O／NH4OH中に約15秒浸漬する。これは、図３のステップ（ｄ）と概ね一致している。
【００３２】
エッチングステップの後、a-Si導波路構造を継目領域全体に付着させることにより、図３のステップ（ｅ）に示すように、能動／受動結合を形成する。このような付着は、好適な通常の方法、例えば、いずれも限定するものではないが、スパッター又はプラズマ増強化学蒸着を用いて、達成することができる。このような結合継目の一例を図８に示す。
【００３３】
当業者には、本発明の精神又は範囲を逸脱することなく、本発明の装置及び方法において様々な改変及び変種が可能であることは明らかであろう。従って、本発明は、本発明の改変及び変種が添付の請求項及びそれらの等価物の範囲に入るという条件で、これらを包含するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の形態に従う３及び２層導波路の結合継目（coupling joint）を示す。
【図２】本発明の形態に従う垂直（図ａ）及び勾配（図ｂ）能動／受動継目（junction）又は界面を示す。
【図３】本発明の形態に従う様々な加工ステップでの能動／受動継目を示す。
【図４】本発明の一形態に従う、非選択的ウェット化学エッチングと、溝における平坦な領域とにより形成される半導体の段状エッジを示すSEM顕微鏡写真である。
【図５】本発明の一形態に従う選択的ウェットエッチングを用いて作製された結合継目を示すSEM画像である。
【図６】本発明の一形態に従う選択的及び非選択的ウェットエッチングの組合せを用いて作製された結合継目を示すSEM画像である。
【図７】本発明の一形態に従う連続的ウェット及び乾式エッチングを用いて得られた結合継目の縦断面を示す。
【図８】本発明の一形態に従うa-Si付着及びエッチング後のデバイスの結合継目を示す。
【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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【国際調査報告】
2006524843.tif 000011
2006524843.tif 000012