JPH0485503A - 半導体光入出力回路の製造方法 - Google Patents

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１ 本発明は、半導体光導波路素子における光入出力回路の
製造方法に関し、特に光導波路中の伝搬光の一部を光導
波路の外部に取り出し、かつ外部光を光導波路の伝搬光
として取り込むことのできる光入出力回路の製造方法に
関するものである。

［従来の技術ｌ 従来より、このような半導体光入出力回路としては、例
えば第７Ａ図および第８図に示す構造のものが知られて
いる。

まず、第７Ａ図に示す光入出力回路１は、図示しない半
導体基板の上に、主として光導波路をなすコア層２と、
このコア層２を挟む上下クラッド層３．４と、上クラッ
ド層３からコア層２にかけてドライエツチングにより光
導波路の光軸線２ａと４５度をなすように形成された光
学的反射面５ａを有する溝５とから概略構成されている
。この回路１では、光導波路中の伝搬光の一部を上述の
光学的反射面５ａで反射させて光導波路の光軸線２ａに
直交する方向、この例では第７八図中矢印６で示す方向
へ光出力を行うことができる。

また、第８図に示す光入出力回路７は、コア層２と、こ
のコア層２を挟む上下クラッド層３．４と、コア層２の
下側の光導波路内に０．２５μｍ周期で形成された二次
グレーティング８とから概略構成されている。この回路
７では、光導波路中の伝搬光の一部をグレーティング８
により回折させて第８図中矢印６で示す方向へ光出力を
行うことができる。

［発明が解決しようとする課題１ しかしながら、上述した従来の光入出力回路にあっては
、光導波路中の伝搬光の一部を所定の割合で取り出すた
めに、下記のような製造技術等の課題があった。

すなわち、第７Ａ図に示した光入出力回路１では、コア
層２と上下クラッド層３．４のうち、コア層２に近接す
る部分とに分布する伝搬光の分布領域に、所望の光取り
出し割合に相当する断面積を荷する光学的反射面５ａを
設ける必要がある。

ところが、上述の光分布類域は、第７Ｂ図に示すように
、基板断面方向、すなわち矢印６と同一方向に沿って概
ね０．３μｍ程度の寸法しかなく、面積の極めて狭いも
のである。このように狭い光分面領域内に、所望の光取
り出し割合に相当する断面積を有するように光学的反射
面５ａを形成することは極めて高精度のドライエツチン
グ技術をもってしても困難であった。

また、第８図に示した光入出力回路７では、光導波路中
の伝搬光からの取り出し割合を制御するために、グレー
ティング８の形状およびその長さを厳密に規定しなけれ
ばならず、このためグレーティング８の形成に電子ビー
ム等の高精度のフォトリソグラフィ技術を用いる必要が
ある。さらに、グレーティング８を光導波路中に埋め込
むのに高度の再結晶成長技術を用いる必要があるうえ、
この再成長時におけるグレーティング８の変形により、
回折光として取り出される光の光強度の割合が変化する
ため、所望の光取り出し割合で光導波路中の伝搬光を取
り出すことがやはり困難であった。

本発明は、上述の技術的課題を解決すべく、光導波路中
の伝搬光の一部を所望の光取り出し割合で正確に取り出
し得る光入出力回路を簡易に製造する方法を提供するこ
とを目的とする。

［課題を解決するための手段１ 本願における第１の発明は、半導体基板の上に、コア層
と、該コア層を挟むクラッド層とを積層して半導体光導
波路素子を形成する工程と、前記クラッド層のうち、前
記半導体基板と反対側のクラッド層表面にマスクを配す
る工程と、前記マスクの開口部を通じて化学的エツチン
グを施すことによって、前記クラッド層から前記コア層
に達しかつ前記コア層の光軸線に対して傾きを有する結
晶面により構成される溝を形成する工程とを備え、前記
溝形成工程において、前記マスクの開口部の前記コア層
の光軸線に沿う寸法を制御することによって、前記溝の
深さ寸法を制ｉ卸することを特徴とする。

また、本願における第２の発明は、半導体基板の上に、
コア層と、該コア層を挟みかつ該コア層の構成材料と化
学的性質を異にする材料からなるクラッド層とを積層し
て半導体光導波路素子を汗ヨ成する工程と、前記クラッ
ド層のうち、前記半導体基板と反対側のクラッド表面に
マスクを配する工程と、該マスクの開口部を通じてクラ
ッド層のみに選択的エツチングを施して前記コア層の光
軸線に対して傾きを有する結晶面を形成する工程とを備
えたことを特徴とする。

【実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細番こ説明す
る。

まず、第１の発明を説明する。

半導体光導波路中の伝搬光を、例えば光導波路が形成さ
れた基板側に所定の割合で取り出すためには、伝搬光の
光軸線に対して傾きをもつ位置関係にある光学的反射面
を再現性よ（、しかも容易に形成する必要がある。一般
に、光導波路が形成される（００１）面を表面とする基
板では、光導波路をその光軸線が＜０１１＞方向になる
ように配置した場合、第２０図ないし第２Ｅ図に示すよ
うに、化学的エツチングにより光軸線２ａに対して５４
．７度に傾いた位置関係を有する特定の結晶面、すなわ
ち（１１１）面１０が露出する。このような結晶面１０
を、第１の発明では、光導波路中の伝搬光の取り出し用
の光学的反射面として用いる。

この結晶面ｌＯの光導波路内への形成は、第２Ａ図に示
すように、まず光導波路のクラ・ソド層表面に、幅寸法
りの開口部を有するマスクパターン１３を形成し、基板
全体を化学的エツチング液に接触させて行われる。この
際、化学的エツチングは、第２Ｃ図に示すように、エッ
チャントによりマスクパターン１３の開口部から露出す
るクラッド層表面から深層部へ進行し、接触時間の経過
とともに、形成される溝の深さが増していく。この溝の
内側に上述の結晶面１０が露出する。この結晶面１０に
対するエツチング速度は、溝の底面としての（００１）
面１１に対するエツチング速度に比べて、結晶方位学的
にみて事実上無視できる程度に遅い。したがって、エッ
チャントとの接触を続けていくと、第２Ｄ図および第２
Ｅ図に示すように溝の両内面の（１１１）面１０が溝の
底部において互いに交差した状態までエツチングが進行
し、その段階で自然停止し、断面Ｖ字状の溝１４が形成
される。このようにして得られた溝１４の深さ寸法りは
、結晶方位学的関係から、基板面（この例では（００１
）面）と上述の結晶面１０（（１１１）面）とのなす角
をθとすると、Ｄ＝１／２ｔａｎθ−Ｌ で表される。この例では、θは５４．７度であるから、
Ｄは、Ｄ＝０．７０７Ｌの関係式で表すことができる。

また、光導波路中の伝搬光の光強度分布は、光導波路を
構成するコア層およびクラッド層の屈折率と各層の膜厚
を決めることによって、一意的に定められる。したがっ
て、光学的反射面としての結晶面１０により取り出せる
光の伝搬光全体に対する割合を所望の値とするには・光
強度分布に基づいて溝５の深さ寸法りを決め、さらに上
述のＤ＝０．７０７Ｌの関係式からマスクパターン１３
の開口部１４の幅寸法りを決めることが必要であり、こ
れにより結晶面１０を所望の深さまで形成することで実
現される。

次に、第２の発明を説明する。

半導体光導波路は光を閉じ込めるための屈折率分布制御
を材料組成の異なる、すなわち化学的性質の異なるコア
層やクラッド層などの結晶層を積層して構成されている
。このような光導波路中の伝搬光は、その光強度中心を
コア層にもち、このコア層を挟むクラッド層の一部にも
若干分布している。すなわち、第２の発明では、伝搬光
の光強度分布が化学的性質の異なる複数の結晶層にわた
って分布している点に基づき、光導波路の一部をなすク
ラッド層に、コア層に対してはエツチング作用のない選
択エッチャントを接触させて、そのクラッド層内に特定
の結晶面を露出させ、この結晶面を光学的反射面として
用いる。

ここで、第１の発明と第２の発明とは、光導波路中の伝
搬光の取り出しに荷動な光学的反射面として、光導波路
を構成する複数の結晶層に対して化学的エツチングを施
して光導波路の光軸線に対して特定の傾きを有する結晶
面を形成する方法である。第１の発明では、結晶面で構
成される溝の深さ寸法の制御をマスクの開口部の幅寸法
の調整により行うようにしたものである。また、第２の
発明では、結晶面の形成および溝深さの調整を、化学的
エツチングに包含される選択エツチングにより行うもの
である。

［実施例１１ 以下に、半導体リッヂ型レーザに適用した場合の本発明
の詳細な説明する。

まず、下クラッド層４としての（００１）面方位を有す
るｎ型ＩｎＰウェハの上に、コア層３としての厚さ０．
１μｍのＩｎＧａＡ、ｓＰ結晶からなる活性層、上クラ
ッド層２としての厚さ１．５μｍのｐ型ＩｎＰクラッド
層、さらに厚さＯ３μｍのｐ型Ｉ　ｎＧａＡｓ　Ｐキャ
ラ１層１２を順次積層したダブルへテロ構造基板を用意
した。この基板の上に第１図に示すように＜　０１．１
．　＞方向に延びる幅４μｍのリッヂ型光導波路を形成
して半導体レーザを構成した。

このようにして構成された半導体レーザの光導波路にお
ける光強度分布として、光導波路を構成する各結晶層の
屈折率と各結晶層の膜厚を基にして計算したものを第３
図に示した。また、この光強度分布に基づき、形成され
るべき溝の深さ寸法りと、この溝の光学的反射面により
取り出される光の光強度の光導波路内の伝搬光強度に対
する割合を第４図に示した。これら第３図および第４図
から、光入出力回路となる溝の形成に用いられるマスク
の開口部の幅寸法りは、この例においては２．５〜４．
３μｍの範囲で変更可能であることがわかる。

次に、上述の半導体レーザのリッヂ型光導波路のリッヂ
頂部に、幅寸法りの開口部１４を有するレジストパター
ン１３を形成した（第２Ａ図参照）。

次に、このレジストパターン１３をマスクとして開口部
１４を通じてＩｎＧａＡｓＰキャップ層１２をＨ，ＳＯ
２・Ｈ２Ｏ，：Ｈ２０＝１　：　１　：１０の組成から
なるエッチャントによりエツチングして、これを除去し
た（第２Ｂ図参照）。

次に、上述のキャップ層１２の除去により露出した上ク
ラッド層３に対してＨＣｌ　：　Ｈ３ＰＯ。

＝１＝１の組成からなるエッチャントを接触させた。こ
のような化学的エツチングにより、上述した結晶方位学
的関係から、上クラッド層３の結晶面として、エツチン
グ速度の最も遅い（１１１）面１０が露出する。これら
結晶面１０の間でエツチングされる溝の底面１１は上述
の結晶面１０の場合より相対的に速い速度でエツチング
される（第２Ｃ図参照）。ここで、光取り出し割合が例
えば１０％となるように、開口部の幅寸法りを設定した
場合には、エツチングで形成される溝の内側に露出する
２つの結晶面１０が上クラッド層３内で互いに交差して
７字状の満１４を形成する。

この時点で、エツチングは自然に停止する（第２Ｄ図参
照）。また、光取り出し割合が例えば９０％となるよう
に、開口部の幅寸法りを設定した場合には、２つの結晶
面１０がコア層２および下クラッド層４内で互いに交差
させる必要がある。この場合には、エツチングによりコ
ア層２表面が露出した段階で、Ｈ２ＳＯ，：　Ｈ，Ｏ□
：ＨｚＯ＝１・１：１０の組成からなるエッチャントで
コア層２をエツチングし、さらにＨＣｌ　：　Ｈ，ＰＯ
。

＝１：１の組成からなるエッチャントで下クラッド層４
のコア層近接部をエツチングし、最終的に第２Ｅ図に示
すような構造の７字状の溝１４を形成する。

このようにして形成された開口部の寸法りの異なる光入
出力回路を備えた複数個の半導体レーザ（第２Ｄ図また
は第２Ｅ図参照）に電流注入を行ってレーザ発振させ、
図示しない基板の下側に光検出器を配置して光９の強度
を測定したところ、注入電流一定のもとでは開口部の寸
法を２．５μｍから増加させるに従い、取り出し光強度
も増加する傾向が観られ、本発明によって得られた半導
体光入出力回路の動作を確認することができた。

なお、上述の実施例においては、（００１）面方位を有
する基板を用いた場合を示したが、他の面方位を有する
基板を用いた場合には結晶学的面方位関係から結晶面Ｉ
Ｏの傾き角が異なるものとなる。例えば、（０１１）面
方位を有する基板を用いた場合には、結晶面１０は基板
面と３５．３度の角度をもち、また（１１１）面方位を
有する基板の場合には、結晶面１０は基板面と７０．５
度の角度をもつ。このため、開口部寸法りと溝の深さ寸
法りとの関係は（０１１，）面方位を有する基板を用い
た場合、基板面と結晶面１０とのなす角θが３５．３度
であるから、Ｄ＝０．３５４Ｌとなり、（１１１）面方
位を有する基板を用いた場合には、上述の角θが７０．
５度であるから、Ｄ＝１．．４１２Ｌとなる。このＤと
Ｌどの関係を考慮することにより、（００１）面方位を
有する基板を用いた上述の実施例の場合と同様に、目的
の光入出力回路を製造することができることは明らかと
なる。

［実施例２］ 以下に、半導体周回型レーザに適用した場合の本発明の
詳細な説明する。

まず、下クラッド層４としての（００１）面方位を有す
るｎ型ＩｎＰウェハの上に、コア層３としての厚さ０．
１ｔＬｍのＩｎＧａＡｓＰ結晶からなる活性層、上クラ
ッド層２としての厚さ１，５μｍのｐ型ＩｎＰクラッド
層、さらに厚さ０．３μｍのｐ型Ｉ　ｎＧａＡｓ　Ｐキ
ャップ層１２を順次積層したダブルへテロ構造基板を用
意した。この基板の上に第５図に示すように＜０１１＞
方向および＜０１１＞方向を含む周回型の光導波路２０
を形成して周回型レーザを構成した。

次に、このような構成の周回型レーザの光導波路のうち
、＜０１１＞方向に沿う光導波路２０の上部に開口部１
４を有するレジストパターン１３を形成した（第６Ａ図
参照）。

次に、このレジストパターン１３をマスクとして開口部
１４を通じてＩ　’ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｐキャップ層
１２をＨ２ＳＯ４：Ｈ２０２：Ｈ，Ｏ＝１　：　ｌ　：
ｌＯの組成からなるエッチャントでエツチングして、こ
れを除去した（第６Ｂ図参照）。

次いで、キャップ層１２の除去により露出した上クラッ
ド層３に対してＨＣＩ　：Ｈｓ　ＰＯ，＝１：１の組成
からなる選択エッチャントを接触させた。この選択エッ
チャントは、上クラッド層３のみをエツチングするもの
の、コア層２およびキャップ層１２をエツチングしない
。このような選択エツチングにより、上クラッド層３の
結晶面として、エツチング速度の最も遅い（１１１）面
２１が露出するが、第６Ｃ図に示すように結晶面２１が
完全に露出した段階で自然に停止する。この結晶面２１
は、結晶方位の関係から、光導波路２０の光軸線２ａに
対して常に５４．７度の傾きをもつ面であった。

このようにして形成された結晶面２１を有する周回型レ
ーザに電流注入を行ってレーザ発振させて、図示しない
基板の上側に光検出器を配置して光９の強度を測定した
ところ、電流−光強度特性に通常のレーザにおいて観ら
れる閾値の存在を確認し、光導波路中を伝搬するレーザ
光２２の一部が結晶面（光学的反射面）２１により取り
出されており、この反射面２１が光導波路への光出力回
路として動作することを確認した。

なお、クラッド層の厚さや選択的エツチング時間を本実
施例と異なる条件にしても、上述のような選択エツチン
グにより、第６Ｃ図に示すような構造の光学的反射面と
しての結晶面を備えた光入出力回路を製造することがで
きた。

〔実施例３〕 レーザ発振波長が１．５５μｍとなるように、コア層を
なす厚さ０，１μｍのＩｎＧａＡｓＰ結晶の組成を選定
し、このコア層の上下を１ｎＰクラッド層で積層したう
えで、上述の実施例２と同様の方法で反射面を形成した
半導体周回型レーザを作製した。この周回型レーザ内の
レーザ光の約５０％を、その反射面により取り出すこと
ができた。

なお、上述の実施例２および３においては、（００１）
面方位を有する基板を用いた場合を示したが、他の面方
位を有する基板を用いた場合には結晶学的面方位関係を
反映して結晶面ｌＯの傾き角が異なるものの、上述した
光入出力回路を構成することができることは明らかであ
る。

また、上述の実施例２および３においては、各図面中で
伝搬光を基板の上側へ取り出す構成の光入出力回路を製
造したが、基板の下側へ伝搬光を取り出す場合には、上
述の実施例２および３における光導波路の結晶方位と直
交する方向に配設した光導波路に、上述の実施例２およ
び３と同様の方法によって光学的反射面を形成すればよ
い。

また、上述の実施例１ないし３においては、いずれも製
造した光入出力回路の光出力動作のみを確認したが、光
の相反性に基づけば、光導波路への光入力回路としても
動作することは明らかである。

さらに、上述の実施例１ないし３においては、いずれも
ＩｎＰ系レーザを例にとったが、例えばＧａＡｓ系等の
他の半導体光導波路に対して、適当なエッチャントでエ
ツチングを施すことにより所望の光入出力回路を製造す
ることが可能である。

［発明の効果１ 以上説明したように、本発明によれば、光導波路中の伝
搬光を取り出すための光学的反射面としての結晶面を化
学的エツチングにより容易に形成することができるとと
もに、結晶面により構成される溝の深さを結晶方位の関
係から制御することができるので、所望の光取り出し割
合で正確に取り出し得る光入出力回路を製造することが
できる。また１本発明によれば、選択エツチングを用い
ても上述の溝の深さを正確に制御することが可能である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を適用し得るリッヂ型半導体レーザを
示す概略構成図、 第２Ａ図ないし第２Ｅ図は、第１図に示した半導体レー
ザを用いて本発明の第１の発明に係る光入出力回路を製
造する工程を工程順に説明するための模式的断面図、 第３図は、第１図に示した半導体レーザの光導波路中を
伝搬する光の光強度分布を示す模式図、第４図は、本発
明により製造される光入出力回路としての結晶面により
反射されて取り出され得る光の伝搬光に対する光強度の
割合と、マスクの開口部の寸法りおよび上述の結晶面に
より構成される溝の深さ寸法りとの関係を示すグラフ、
第５図は、本発明を適用し得る周回型半導体レーザを示
す概略構成図、 第６八図ないし第６Ｃ図は、第５図に示した半導体レー
ザを用いて本発明の第２の発明に係る光入出力回路を製
造する工程を工程順に説明するための模式的断面図、 第７Ａ図は、従来の光学的反射面を備えた光入出力回路
を示す概略断面図、 第７Ｂ図は、第７Ａ図に示した光入出力回路の光強度分
布を示すグラフ、 第８図は、従来の光導波路中の伝搬光を回折させるため
のグレーティングを備えた光入出力回路を示す概略断面
図である。 １・・・光入出力回路、 ２・・・コア層、 ２ａ・・・コア層の光軸線、 ３・・・上クラッド層、 ４・・・下クラッド層、 ５・・・溝、 ５ａ・・・光学的反射面、 ６・・・光出力方向、 ７・・・光入出力回路、 ８・・・グレーティング、 ９・・・光（出力光）、 １０・・・光学的反射面、 １２・・・キャップ層、 １３・・・マスク（レジストパターン）、１４・・・溝
、 ２０・・・周回型の光導波路、 １・・・光学的反射面、 ２２−・・レーザ光。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）半導体基板の上に、コア層と、該コア層を挟むクラ
   ッド層とを積層して半導体光導波路素子を形成する工程
   と、 前記クラッド層のうち、前記半導体基板と反対側のクラ
   ッド層表面にマスクを配する工程と、前記マスクの開口
   部を通じて化学的エッチングを施すことによって、前記
   クラッド層から前記コア層に達しかつ前記コア層の光軸
   線に対して傾きを有する結晶面により構成される溝を形
   成する工程とを備え、 前記溝形成工程において、前記マスクの開口部の前記コ
   ア層の光軸線に沿う寸法を制御することによって、前記
   溝の深さ寸法を制御することを特徴とする半導体光入出
   力回路の製造方法。 ２）半導体基板の上に、コア層と、該コア層を挟みかつ
   該コア層の構成材料と化学的性質を異にする材料からな
   るクラッド層とを積層して半導体光導波路素子を形成す
   る工程と、 前記クラッド層のうち、前記半導体基板と反対側のクラ
   ッド表面にマスクを配する工程と、該マスクの開口部を
   通じてクラッド層のみに選択的エッチングを施して前記
   コア層の光軸線に対して傾きを有する結晶面を形成する
   工程とを備えたことを特徴とする半導体光入出力回路の
   製造方法。