JPH03200904A

JPH03200904A - 半導体光導波路の製造方法

Info

Publication number: JPH03200904A
Application number: JP34420989A
Authority: JP
Inventors: Kiichi Hamamoto; 貴一濱本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1989-12-28
Publication date: 1991-09-02
Anticipated expiration: 2013-11-25
Also published as: JP2827376B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、半導体光集積回路などにおいて光機能素子間
の接続などに用いられる半導体光導波路の製造方法に関
し、特に曲線光導波路部を含む半導体光導波路の製造方
法に関する。

［従来技術とその課題］光エレクトロニクスの進歩とともに、半導体光デバイス
の集積化の研究開発が近年盛んに進められている。特に
半導体光導波路は、半導体電子デバイスで培われた微細
加工技術を応用することによって半導体基板上に実現で
き、半導体光マトリクススイッチの各スイッチ間の接続
や、同一基板内での半導体光機能素子間の接続（例えば
、光源とスイッチやアンプなどとの接続）に用られ、半
ｊ導体光集積回路の重要なコンポーネントの一つと考えら
れる。このような半導体光導波路としては、各半導体光
デバイス間の接続を行なうために、直線先導波路だけで
なく曲線先導波路も必要となってくる。従来は、この曲
線光導波路を直線光導波路と一緒に通常の１回のフォト
・リソグラフィ法を用いて形成する方法が一般的であっ
た。

ところで、集積化デバイスを小型化するためには、曲線
先導波路の曲率半径を小さくすることが好ましい。とこ
ろが本来、光には直進性という性質があるから、曲線先
導波路の曲率半径をむやみに小さくしていくと、従来の
リブ形成法では曲線光導波路に於て放射損失が増大する
という問題があった。ある程度の曲率半径であれば、導
波路の幅を広くして光の閉じ込めを強くすることによっ
て放射損失を低減できることがプリー（Ｒ，Ｊ。

ＤＥＲＩ）らによってエレクトロニクス・レターズ第２
３巻８４５頁（ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ３ＬＥＴＴＥＲ３
Ｖｏｌ、２３　　ｐ　、　８４５　）　４；ｌ：報告さ
れている。しかし、導波路幅を広くしていくと、導波光
がマルチモード条件に近づくことになり、同時に集積化
された他の直線光等波路よりなる光デバイス、例えば方
向性結合器型光スイッチ等の特性に悪影響を与える。し
かも、曲率半径を關オーダー以下に小さくしていった場
合、導波路の幅を広くして光のと閉じ込めを強くしても
放射損失があまり低減されないという問題もある。

第３図（ａ）は、Ｓ字曲線光導波路の導波路幅だけをシ
ングルモード条件内で変化させた場合の曲率半径と放射
損失の関係を示した一例の図であるが、曲率半径が数−
オーダーの場合は導波路幅を広くすることによって放射
損失が低減されるが、曲率半径間オーダー以下の場合は
導波路幅を広くしても殆ど放射損失は低減されないこと
がわかる。

このように、従来の方法には、曲線導波路部の放射損失
の低減に関して解決すべき課題があった。

［課題を解決するための手段］上述の課題を解決するために本発明が提供する半導体光
導波路の製造方法は、直線及び曲線形状のリブ型光導波
路が連続して形成され、かつ、直線光導波路部と曲線光
導波路部のリブ高さが異なっている半導体光導波路の製
造方法であって、半導体基板上に少なくとも半導体第１
クラッド層、半導体導波層、および半導体第２クラッド
層をこの順に積層する工程と、この積層工程により半導
体層が積層された前記半導体基板上の曲線光導波路部に
相当する部分以外の部分を第１のマスクで覆う工程と、
このマスク工程により部分的に前記第１のマスクで覆わ
れた前記半導体基板上に前記直線光導波路と曲線光導波
路とを連続した導波路の形状の第２のマスクを形成する
工程と、前記第２のマスクで覆われた部分以外の部分に
おいて前記第１のマスクが除去されるまで前記第２のマ
スクで覆われた前記半導体基板にエツチングを斃す工程
と、前記第２のマスクを除去する工程とを含むことを特
徴とする。

［作用］一般に、光は直進性という性質を持っているので、半導
体光導波路の曲線部分では放射損失が生じてしまう、こ
の放射損失は曲線光導波路の曲率を小さくするに従って
増大してしまうので、従来は放射損失が導波損失に比べ
て無視できる程度の曲率で曲線光導波路を作製せざるを
得す、このためデバイス全体の長さを短くするのに大き
な妨げとなっていた。また、導波路幅を広くしておいて
光の閉じ込めを強くし、曲線光等波路の放射損失を低減
することもできるが、曲率が關オーダー以下の場合、こ
の方法によっても放射損失はあまり低減されない上に、
マルチモード条件に近づいてしまうので同一基板状の他
の光デバイスに悪影響を与える点からも好ましくない。

これに対して、本発明においては曲線光導波路を直線光
導波路よりも深くエツチングし、曲線先導波路のリブ高
さを直線光導波路のリブ高さよりも高くするための製造
方法を提供する０曲線先導波路のリブ高さを直線光導波
路のリブ高さよりも高くすると、曲率半径を小さくして
いったときにおける曲線光導波路の放射損失を低減でき
る上、シングルモード条件も容易に実現でき、同一基板
上の他の光デバイスには悪影響を与えないという特徴が
あるが、本発明は効果的に曲線導波路のリブ高さを直線
導波路のリブ高さよりも高くできる製造方法を与えるも
のである。本発明においては、第１のマスクを曲線導波
路部に相当する部分以外の部分に形成し、その後に本来
のマスクである導波路形状の第２のマスクを形成する事
によって曲線光導波路のリブ高さを直線光導波路部のリ
ブ高さより高くする方法であるので、通常考えられる２
回のエツチングという場合に比べ、エツチング工程の回
数が１回で済む。さらに、第１のマスクの素材を適当に
選ぶことにより直線部と曲線部のリブの高さを精度良く
制御でき、また、通常の２回のフォトリソグラフィ工程
に比べて厳しい目合わせの精度が要求されず、簡単な工
程によって曲線光導波路部の放射損失を低減できる。

［実施例］以下に図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。

第１図は本発明の一実施例であるＧ　ａ　Ａ　ｓ　／Ａ
ＪＧａＡｓ半導体光導波路の概要を示す斜視図であ−る
。

ＧａＡｓ基板１上に、ＡＮ　　　Ｇａ　　　Ａｓ第０．
５　　　０．５１クラッド層２が成長され、ＡＪ　　　ＧａＯ，５０，
５Ａｓ第１クラッド層２の上にＧａＡｓ導波Ｎ３が成長さ
れている。前記ＧａＡｓ導波層３の上には、リブ部を有
するＡＪ　　　Ｇａ　　　Ａｓ第２クラツ０．５　　０
．５ド層４が形成されている。リブ部の高さは、曲線光導波
＃ｒ５の方が直線光導波路部６よりも高くなっている。

まず、第１図に示した半導体光導波路の製造方法につい
て以下に述べる。ＧａＡｓ基板１上に、分子線エピタキ
シャル成長法（ＭＢＥ法）もしくは有機金属気相成長法
（ＭＯ−ＣＶＤ法）を用いて、Ａｊ　　　Ｇａ　　　Ａ
ｓ第１クラッド層２．０．５　　０．５ＧａＡｓ導波層３、Ａ、Ｑ　　　Ｇａ　　　Ａｓ第２り
０．５０．５ラット層４戒長する。各層の厚さはＡ、Ｇｏ、ｓＧ　ａ
　ｏ、　ｓ　Ａ　ｓ第１クラッドＭ２が１〜２μ印程度
、ＧａＡｓ導波層３が０．２μ−程度、Ａｊｏ、ｓＧ　
ａ　ｏ　、　ｓ　Ａ　ｓ第２クラッド層４が１．２μ角
程度である。以上のように結晶を成長された後、直線光
導波路のリブ高さと曲線光導波路のリブ高さが異なる半
導体光導波路を形成する。

半導体光導波路を形成する工程の概要を第２図に斜視図
で示す、まず第２図（ａ）のように、通常のフォトリン
グラフィ法をＧａＡｓ／ＡｊＧａＡｓウェハ１０上に、
曲線光導波路及びその周辺部に相当する部分１５をフォ
トレジスト１１によってマスクをする。次に、第２図（
ｂ）のように電子ビーム蒸着法（ＥＢ法）もしくはスパ
ッタリング法によってＴｉ金属９を１５ｎ１程度の厚さ
に全面に蒸着する。フォトレジスタ１１は有機溶剤を用
いて簡単に除去できるので、第２図（ｃ）のように直線
光導波路及びその周辺部に相当する部分１６のみがＴｉ
金属９によって覆われることになる。この上に通常のフ
ォトリングラフィ法を用いて、第２図（ｄ）のように、
形成すべき導波路形状にフォトレジスト４１を用いてマ
スクをする。

この後、反応性ビームエツチング法（ＲＩＢＥ法）によ
って導波路形状のフォトレジスト４１でマスクされた以
外の部分をエツチングすると、第２図（ｅ）のように直
線光導波路部６及び曲線光導波路部５を同時に形成でき
る。このとき、直線光導波路部６の周辺部においてはＴ
ｉ金属層９を完全に除去するのに要する時間分だけＡｊ
ｏ、５Ｇａ、５Ａｓ第２クラッド層４エツチングする時
間が減少するので、直線光導波路部６のリブ高さより曲
線光導波路部５のリブ高さを高くすることができる。そ
の後、フォトレジスト４１を、ＧａＡｓ／ＡｊＧａＡｓ
ウェハに対しては反応せずがつフォトレジストのみを除
去できる有機溶剤等で除去すると、第２図（ｆ＞のよう
に直線光導波路部６のリブ高さと曲線光導波路部５のリ
ブ高さの異なる半導体光導波路が形成される。この時、
直線光導波路部６のリブ高さは０．９μ慴、曲線光導波
路部５のリブ高さは１μ目である。

以上が本発明による半導体光導波路の製造方法の実施例
であり、上述の製造方法による半導体光導波路において
、曲線光導波路の放射損失が従来よりも改善され、かつ
、シングルモード条件も容易に実現できる原理を以下に
説明する。

本実施例においては、第１図に示すように直線光導波路
部６のリブ高さが通常通りであるのに対して、曲線光導
波路部５のリブ高さはやや高くなっている。そこで、曲
線光導波路ｓ５では光の閉じこめが強くなり、放射損失
の低減化がはかれる。

第３図（ａ）にシングルモード条件内で導波路幅を変化
させた場合の曲率半径と放射損失の関係の計算の一例を
示す。放射損失の計算は、第４図（ａ）にその上面図を
示すような１つのＳ字曲り導波路当たりについての全放
射損失として求め、Ｓ字曲り導波路の断面構造としては
、第４図（ｂ）に示すような層構造について計算した。

ここでは、ＡＪ　　　Ｇａ　　　Ａｓ第１クラッド層７
０の層厚０．５　　０．５を１．５μｍ、導波層７１の層厚を０．２μｍ、Ａｊ　
　Ｇａ　　　Ａｓ第２クラッド層７２の層厚０．５　　
０．５を１，２μｍ、エツチング深さｔ８　（７４）を０．９
）ｔｒｉとして、導波路幅Ｗ（７３）を２μｌ、２．５
μ僧、３μｍと変化させた。第３図（ａ）より、曲率半
径が数ｍｌ＋の場合は、導波路幅を広くした方が放射損
失が低減できるが、關オーダー以下の場合は導波路幅を
広げても放射損失はあまり変わらないことがわかる。

第３図（ｂ）には第３図（ａ）と同じ構造でシングルモ
ード条件内で導波路のリブ高さを変化させた場合の曲率
半径と放射損失の関係の一例を示す、第３図（ａ）と同
じく、放射損失の計算は、第４図（ａ）に示すような１
つのＳ字曲り導波路当りについての全放射損失として求
め、Ｓ字曲り導波路の断面構造としては、第４図（ｂ）
に示すような層構造について計算し、ここでは、ＡＪ　
　　Ｇａ　　　Ａｓ第１クラッド層７０の層厚ｏ、ｓ　
　　ｏ、ｓを１．５μｎ、導波層７１の層厚を０．２μｍ、Ａｊ　
　Ｇａ　　　Ａｓ第２クラッド層７２の層厚０．５　　
０．５を１．２　μｎ　、導波路幅Ｗ（７３）を２μｍとして
、エッチ、ング深さｔ。（７４）を０．９μｔｅ　、０
．９５μｍ、１μ■と変化させた。第３図（ｂ）より、
導波路のリブ高さを高くした場合は、曲率半径が数量オ
ーダー以下でも効果的に放射損失を低減できることがわ
かる。

本実施例ではリブの高さを高くして光の閉じこめ゛１強
くしているので、曲線光導波路部５の曲率半径をｍオー
ダー以下に短くした場合でも、導波路幅を広げて光の閉
じこめを強くする場合に比べて効果的に放射損失を低減
することが可能である。

また、直線光導波路部６は従来通りのリブ高さなので、
直線光導波路部６においてシングルモード条件を容易に
保つことができ、かつ、曲線光導波路部５のシングルモ
ード条件は直線光導波路部６よりもリブ高さが高くてみ
許容されるので、容易にシングルモード条件が実現でき
る。さらに、直線光導波路部６の幅と曲線光導波路部５
の幅は同じなので、直線先導波路部６と曲線光導波路部
５の接続損失に関しては特に問題は生じない。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではない
。実施例としては、ＧａＡｓ系の材料を用いたが、これ
に限るものではなく、ＩｎＰ系等他の材料でも、光導波
路用材料であれば本発明は適用可能である。また、本実
施例ではエツチングをＲＩＢＥ法によるドライエツチン
グで行なっているが、リブ部が形成されるエツチング方
法であれば他の方法でもよく、例えば反応性イオンエツ
チング法（ＲＩＥ法）であってもよいし、ウェットエツ
チングでもよい、また、直線光等波路部６より曲線光導
波路部５のリブ部のエツチング深さを深くするために、
直線光導波路部及びその周辺に相当する部分１６に本実
施例ではＴｉ金属９を蒸着したが、特にＴｉ金属に限る
ものではなく、層厚制御性及びエツチング速度の制御性
に優れる材料であれば他の物質であってもよい、さらに
、本実施例においては直線光導波路部６のリブ部の上に
Ｔｉ金属層９が残ったままになっているが、Ｔｉ金属層
９が残っている必要は特になく、必要であれば除去して
も構わない。

［発明の効果］以上に述べたように、本発明は圓オーダー以下の曲率の
曲線光導波路部においても放射損失が従来よりも改善さ
れ、かつ、シングルモード条件の実現も容易な半導体光
導波路の製造方法を提供する。そこで、この発明の製造
方法の採用により、光スィッチなどの光８１能素子中の
半導体光導波路の曲線光導波路の占める長さを短くする
ことができ、デバイスの短小化が可能となり、デバイス
長の短小化によって光路長が短くなるのに伴い、導波損
失を低減することも可能となり、さらに同一基板上の他
の光デバイスに悪影響を与えることもない半導体光導波
路を製造できる。しかも、本発明においては、第１のマ
スクを曲線導波路部に相当する部分以外の部分に形成し
、その後に本来のマスクである導波路形状の第２のマス
クを形成する事によって曲線光導波路部のリブ高さを直
線光導波路部のリブ高さより高くするという巧みな方法
を採用しているので、通常に考えてリブ高さに差を設け
る方法では２回のエツチングを要するのに対し、本発明
の方法ではエツチング工程の回数が１回で済む、さらに
、本発明の方法では、第１のマスクの素材を適当に選ぶ
ことにより直線部と曲線部のリブの高さを精度良く制御
でき、また、通常の２回のフォトリソグラフィ工程に比
べて厳しい目合わせの精度が要求されず、簡単な工程に
よって曲線光導波路部の放射損失の低減化を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるＧａＡｓ／ＡｊＧａＡ
ｓ半導体光導波路の概要を示す斜視図である。第２図は
本発明の一実施例の半導体光導波路を形成する工程の概
要を示す斜視図であり、第２図（ａ＞は第１回目のフォ
トリソグラフィ法により曲線光導波路及びその周辺部に
相当する部分１５にフォトレジスト１１でマスクをした
状態の概要を示す斜視図であり、第２図（ｂ）はＦ、Ｂ
法によって全面にＴｉ金属９を蒸着した状態の概要を示
す斜視図であり、第２図（ｃ）は第２図（ｂ）で示した
フォトレジスト１１を除去した状態の概要を示す斜視図
であり、第２図（ｄ）はフォトレジスト４１で形成すべ
き導波路形状にＧａＡｓ／ＡＪＧａＡｓウェハをマスク
した状態の概要を示す斜視図であり、第２図（ｅ）はＲ
ＩＢＥ法により形成すべき導波路の形状にエツチングし
た状態の概要を示す斜視図であり、第２図（ｆ）は第２
図（ｅ）で示したフォトレジスト４１を有機溶剤で除去
した後の斜視概要図である。第３図は曲線光導波路の放
射損失と曲率半径Ｒの関係を示す図であり、第３図（ａ
）はシングルモード条件内で導波路幅を変化させた場合
の放射損失とＲの関係を示す図、第３図（ｂ）は第３図
（ａ）と同じ構造でシングルモード条件内でリブ高さを
変化させた場合の放射損失とＲの関係を示す図である。第４図は、第３図の放射損失の計算を補足説明する図で
あり、第４図（ａ）は放射損失を求める対象となった８
字カーブの図、第４図（ｂ）は放射損失の計算に用いた
曲線光導波路の導波構造のモデルを示す断面図である。１　・−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板、２−ＡＪ　　　Ｇａ　　
　ＡｓＯ，５０，５第１クラッド層、３・・・ＧａＡｓ導波層、４・・・Ａ
（Ｇａ　　　Ａｓ第２クラッド層、５・・・曲線光導０
．５　　　　０．５波路部、６・・・直線先導波路部、９・・・Ｔｉ金属層
、１０・−ＧａＡｓウェハ　ＧａＡｓウェハ、１１゜４
１・・・フォトレジスト、１５・・・曲線光導波路及び
その周辺に相当する部分、１６・・・直線光導波路及び
その周辺に相当する部分、７０・・・Ａｊ　　Ｇａ０．
５ｏ、ｓＡｓ第１クラッド層、７１−　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ導
波層、７２　・・・Ａ　Ｊ　ｏ　、　ｓ　Ｇ　ａ　ｏ　
、　ｓＡ　ｓ第２クラッド層、７３・・・導波路幅Ｗ、
７４・・・エツチング深さｔ　。

Claims

【特許請求の範囲】

　直線及び曲線形状のリブ型光導波路が連続して形成さ
れ、かつ、直線光導波路部と曲線光導波路部のリブ高さ
が異なっている半導体光導波路の製造方法において、半
導体基板上に少なくとも半導体第１クラッド層、半導体
導波層、および半導体第２クラッド層をこの順に積層す
る工程と、この積層工程により半導体層が積層された前
記半導体基板上の曲線光導波路部に相当する部分以外の
部分を第１のマスクで覆う工程と、このマスク工程によ
り部分的に前記第１のマスクで覆われた前記半導体基板
上に前記直線光導波路と曲線光導波路とを連続した導波
路の形状の第２のマスクを形成する工程と、前記第２の
マスクで覆われた部分以外の部分において前記第１のマ
スクが除去されるまで前記第２のマスクで覆われた前記
半導体基板にエッチングを施す工程と、前記第２のマス
クを除去する工程とを含むことを特徴とする半導体光導
波路の製造方法。