JP2019095516A - Optical semiconductor element and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光半導体素子およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to an optical semiconductor device and a method of manufacturing the same.
光通信システムの光変調器として、電気信号を用いて連続光を変調する素子が用いられている。変調速度が速く伝送距離の長い変調器としてマッハツェンダ型光変調器がある。変調速度調整のため変調電極を複数設ける。光導波路の変調電極間の領域に高抵抗の層を形成することで、変調電極間を電気的に分離する(例えば特許文献1)。 As an optical modulator of an optical communication system, an element that modulates continuous light using an electrical signal is used. There is a Mach-Zehnder type optical modulator as a modulator having a high modulation speed and a long transmission distance. A plurality of modulation electrodes are provided to adjust the modulation speed. By forming a layer of high resistance in the region between the modulation electrodes of the optical waveguide, the modulation electrodes are electrically separated (for example, Patent Document 1).
光導波路の半導体層にイオン注入を行うことで高抵抗の領域を形成することができる。しかし、イオンがコア層に到達するとコア層の結晶性が劣化してしまう。 A highly resistive region can be formed by ion implantation into the semiconductor layer of the optical waveguide. However, when the ions reach the core layer, the crystallinity of the core layer is degraded.
そこで、コア層の劣化を抑制し、かつ高抵抗の領域を形成することが可能な光半導体素子およびその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, it is an object of the present invention to provide an optical semiconductor device capable of suppressing deterioration of a core layer and forming a high-resistance region, and a method of manufacturing the same.
本発明に係る光半導体素子は、コア層、およびコア層の上に設けられ第1元素がドープされた第1クラッド層を含む光導波路と、前記光導波路の上に設けられ、前記光導波路の延伸方向において互いに離間した複数の変調電極と、を具備し、前記光導波路は、前記変調電極の下に位置する変調部と、前記複数の変調電極の間に位置し、第2元素がドープされ前記変調部よりも高抵抗な分離部とを含み、前記分離部は第1分離部と第2分離部とを含み、深さ方向における前記第2分離部の前記第2元素の濃度は、前記第1分離部よりも低いものである。 An optical semiconductor device according to the present invention comprises an optical waveguide including a core layer and a first cladding layer provided on the core layer and doped with the first element, and provided on the optical waveguide, A plurality of modulation electrodes spaced apart from one another in an extending direction, wherein the optical waveguide is located between a modulation section located below the modulation electrode and the plurality of modulation electrodes, and is doped with a second element The separation unit includes a separation unit having a higher resistance than the modulation unit, the separation unit includes a first separation unit and a second separation unit, and the concentration of the second element of the second separation unit in the depth direction is It is lower than the first separation part.
本発明に係る光半導体素子の製造方法は、コア層を成長する工程と、前記コア層の上にドーパントがドープされたクラッド層を形成する工程と、前記クラッド層の上に、複数の開口部を有する第1マスクを形成する工程と、前記第1マスクの上であって前記複数の開口部の間に第2マスクを形成する工程と、前記第2マスクを形成する工程の後に、前記クラッド層にイオンを注入することで、前記クラッド層のうち前記第1マスクの開口部内の部分に第1分離部を形成し、前記第1マスクに覆われかつ前記第2マスクに覆われない部分に第2分離部を形成する工程と、前記第1マスクおよび前記第2マスクを除去した後、前記クラッド層の前記第2マスクに覆われた部分に変調電極を形成する工程と、を有する。 In the method of manufacturing an optical semiconductor device according to the present invention, a step of growing a core layer, a step of forming a cladding layer doped with a dopant on the core layer, and a plurality of openings on the cladding layer Forming the first mask, forming the second mask on the first mask and between the plurality of openings, and forming the second mask; By implanting ions into the layer, a first separation portion is formed in a portion of the cladding layer in the opening of the first mask, and a portion covered by the first mask and not covered by the second mask is formed. And forming a modulation electrode on the portion of the cladding layer covered by the second mask after removing the first mask and the second mask.
上記発明によれば、コア層の劣化を抑制し、かつ高抵抗の領域を形成することが可能である。 According to the above invention, it is possible to suppress the deterioration of the core layer and to form a high resistance region.
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
Description of an embodiment of the present invention
First, the contents of the embodiment of the present invention will be listed and described.
本願発明の一形態は、(1)コア層、およびコア層の上に設けられ第1元素がドープされた第1クラッド層を含む光導波路と、前記光導波路の上に設けられ、前記光導波路の延伸方向において互いに離間した複数の変調電極と、を具備し、前記光導波路は、前記変調電極の下に位置する変調部と、前記複数の変調電極の間に位置し、第2元素がドープされ前記変調部よりも高抵抗な分離部とを含み、前記分離部は第1分離部と第2分離部とを含み、深さ方向における前記第2分離部の前記第2元素の濃度は、前記第1分離部よりも低い光半導体素子である。分離部は高抵抗な領域であり、特に第1分離部は第2分離部よりも高抵抗な領域である。したがって複数の変調部の間が電気的に分離される。第2分離部において第2元素はコア層に侵入しにくいため、コア層の結晶性の劣化が抑制される。
(2)前記光導波路の延伸方向において、前記第1分離部は前記変調部に隣接し、前記第2分離部は前記変調部に隣接する複数の前記第1分離部の間に位置してもよい。第1分離部は高抵抗であり、変調電極から染み出す電界の影響を受けにくい。したがって変調信号の損失、特性の劣化などが抑制される。
(3)前記光導波路の延伸方向において、前記第2分離部は前記変調部に隣接し、前記変調部に隣接する複数の前記第2分離部の間に別の前記第2分離部が位置し、前記変調部に隣接する第2分離部と前記別の第2分離部との間に前記第1分離部が位置してもよい。コア層のうち結晶性の高い部分が変調部の近くに位置する。したがって変調電極付近の電界によるコア層への影響が抑制され、特性の劣化が抑制される。
(4)前記光導波路の延伸方向において、前記第2分離部は前記第1分離部よりも長くてもよい。これによりコア層の結晶性の劣化を抑制することができる。
(5)前記第1元素は亜鉛であり、前記第2元素は水素、ホウ素、酸素、硫黄、セレン、鉄、クロムおよびルテニウムの少なくとも1つとすることができる。これにより分離部を形成することができる。
(6)前記第1元素はシリコンであり、前記第2元素はベリリウム、マグネシウム、亜鉛およびカドミウムの少なくとも1つとすることができる。これにより分離部を形成することができる。
(7)前記第1クラッド層はインジウムリンにより形成されてもよい。インジウムリンに第2元素をドープすることで分離部を形成することができる。
(8)前記コア層と前記第1クラッド層との間に設けられたアンドープの第2クラッド層を具備してもよい。これにより光損失を抑制することができる。
(9)コア層を成長する工程と、前記コア層の上にドーパントがドープされたクラッド層を形成する工程と、前記クラッド層の上に、複数の開口部を有する第1マスクを形成する工程と、前記第1マスクの上であって前記複数の開口部の間に第2マスクを形成する工程と、前記第2マスクを形成する工程の後に、前記クラッド層にイオンを注入することで、前記クラッド層のうち前記第1マスクの開口部内の部分に第1分離部を形成し、前記第1マスクに覆われかつ前記第2マスクに覆われない部分に第2分離部を形成する工程と、前記第1マスクおよび前記第2マスクを除去した後、前記クラッド層の前記第2マスクに覆われた部分に変調電極を形成する工程と、を有する光半導体素子の製造方法である。これによりコア層の劣化を抑制し、かつ高抵抗の領域を形成することができる。
According to one aspect of the present invention, there is provided an optical waveguide including: (1) a core layer, and an optical waveguide including a first cladding layer provided on the core layer and doped with the first element, and the optical waveguide, And a plurality of modulation electrodes spaced apart from each other in the extending direction of the optical waveguide, wherein the optical waveguide is located between the modulation section located below the modulation electrode and the plurality of modulation electrodes, and the second element is doped The separation portion includes a first separation portion and a second separation portion, and the concentration of the second element of the second separation portion in the depth direction is The optical semiconductor device may be lower than the first separation unit. The separation part is a high resistance area, and in particular, the first separation part is a high resistance area than the second separation part. Therefore, the plurality of modulation units are electrically separated. Since the second element hardly penetrates into the core layer in the second separation portion, the deterioration of the crystallinity of the core layer is suppressed.
(2) In the extending direction of the optical waveguide, the first separation unit may be adjacent to the modulation unit, and the second separation unit may be positioned between the plurality of first separation units adjacent to the modulation unit. Good. The first separation portion has high resistance and is not susceptible to an electric field leaking out from the modulation electrode. Therefore, the loss of the modulation signal, the deterioration of the characteristics and the like are suppressed.
(3) In the extending direction of the optical waveguide, the second separation unit is adjacent to the modulation unit, and another second separation unit is positioned between the plurality of second separation units adjacent to the modulation unit. The first separation unit may be located between a second separation unit adjacent to the modulation unit and the another second separation unit. The highly crystalline portion of the core layer is located near the modulator. Therefore, the influence of the electric field in the vicinity of the modulation electrode on the core layer is suppressed, and the deterioration of the characteristics is suppressed.
(4) In the extension direction of the optical waveguide, the second separation portion may be longer than the first separation portion. Thereby, the deterioration of the crystallinity of the core layer can be suppressed.
(5) The first element may be zinc, and the second element may be at least one of hydrogen, boron, oxygen, sulfur, selenium, iron, chromium and ruthenium. Thereby, the separation part can be formed.
(6) The first element may be silicon, and the second element may be at least one of beryllium, magnesium, zinc and cadmium. Thereby, the separation part can be formed.
(7) The first cladding layer may be formed of indium phosphorus. A separation portion can be formed by doping indium phosphorus with a second element.
(8) An undoped second cladding layer may be provided between the core layer and the first cladding layer. Thereby, light loss can be suppressed.
(9) A step of growing a core layer, a step of forming a cladding layer doped with a dopant on the core layer, and a step of forming a first mask having a plurality of openings on the cladding layer And implanting ions into the cladding layer after the step of forming a second mask between the plurality of openings above the first mask and the step of forming the second mask, Forming a first separation portion in a portion of the cladding layer in the opening of the first mask, and forming a second separation portion in a portion covered by the first mask and not covered by the second mask; Forming a modulation electrode on the portion of the cladding layer covered by the second mask after removing the first mask and the second mask. As a result, deterioration of the core layer can be suppressed, and a region of high resistance can be formed.
[本願発明の実施形態の詳細]
本発明の実施形態に係る光半導体素子およびその製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
[Details of the Embodiment of the Present Invention]
Specific examples of an optical semiconductor device and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. The present invention is not limited to these exemplifications, but is shown by the claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the claims.
(光半導体素子)
図1は実施例1に係る光半導体素子100を例示する平面図である。図1に示すように、光半導体素子100は、入射導波路1、光導波路2aおよび2b、ならびに出射導波路3を備えるマッハツェンダ型光変調器である。
(Optical semiconductor device)
FIG. 1 is a plan view illustrating an
2つの光導波路2aおよび2bは図1のZ方向に延伸するアーム導波路であり、分岐導波路4を介して入射導波路1に接続され、分岐導波路5を介して出射導波路3に接続されている。光導波路2aおよび2bはX方向において互いに離間している。
The two
光導波路2aおよび2bの上にはそれぞれ複数の変調電極26が配置され、複数の変調電極26は互いに離間し、配線28により電気的に接続されている。2つの配線28は高周波電源6および抵抗7に接続されている。高周波電源6および抵抗7は、光半導体素子100の外部に設けてもよいし、内部に設けてもよい。
A plurality of
連続光は入射導波路1に入射され、分岐導波路4により光導波路2aおよび2bに入力される。高周波電源6から入力される例えば2V程度の高周波電圧が、配線28および変調電極26を通じて光導波路2aおよび2bに印加される。高周波電圧により、光導波路2aおよび2bを通る光が変調される。変調された光は分岐導波路5によって合波され、出射導波路3から光半導体素子100の外部へと出力される。変調信号が配線28を伝播する速度は、光が光導波路を伝播する速度よりも速い。複数の変調電極26が容量となるため、変調信号の伝搬速度が低下し、光の伝搬速度に一致する。
The continuous light is incident on the
光導波路2aおよび2bは、変調部R3、変調部R3よりも高抵抗な分離部を有する。具体的に、光導波路2aおよび2bは第1分離部R1、第2分離部R2および変調部R3を含み、これらの領域は光導波路の延伸方向(Z方向)に並んでいる。変調部R3は変調電極26が設けられた領域である。第2分離部R2は変調部R3より高い電気抵抗を有する領域であり、第1分離部R1は第2分離部R2より高い電気抵抗を有する領域である。第1分離部R1のZ方向の幅は例えば5μmである。第2分離部R2の幅は第1分離部R1よりも大きい。
The
図2(a)から図2(c)は光半導体素子100を例示する断面図であり、図2(a)は図1の線A−Aに沿った断面を図示しており、変調部R3に対応する。図2(b)は線B−Bに沿った断面を図示しており、第2分離部R2に対応する。図2(c)は線C−Cに沿った断面を図示しており、第1分離部R1から変調部R3にかけた領域に対応する。
2 (a) to 2 (c) are cross-sectional views illustrating the
図2(a)に示すように、基板10、バッファ層12、下クラッド層14および16、コア層18、上クラッド層20および22、コンタクト層24が、Y方向に順に積層されている。光導波路2aおよび2bは、同じ構成を有し、それぞれ下クラッド層16、コア層18、上クラッド層20および22、コンタクト層24を含む導波路メサである。光導波路2aおよび2bはBCB(ベンゾシクロブテン)などの樹脂30で埋め込まれている。コンタクト層24の上面と樹脂30の上面とは同一平面を形成し、変調電極26はこれらの上面に接触する。樹脂30の上面に変調電極26と接続された配線28が配置されている。バッファ層12および下クラッド層14にはアイソレーショントレンチ9が形成されている。
As shown in FIG. 2A, the
図2(b)および図2(c)に示すように、第2分離部R2には高抵抗層34が形成されている。後述するように、高抵抗層34は上クラッド層22の一部にイオン注入することで形成される。高抵抗層34の下に上クラッド層20および22が位置する。
As shown in FIG. 2B and FIG. 2C, the
図2(c)に示すように、第1分離部R1には高抵抗層32が形成されている。後述するように、高抵抗層32は上クラッド層20および22、コア層18の一部にイオンが注入されることで形成される。高抵抗層32はY方向において上クラッド層20および22を縦断する。
As shown in FIG. 2C, the
基板10は例えば半絶縁性のインジウムリン(InP)などで形成された半導体基板である。バッファ層12は例えば厚さ200nmの半絶縁性InPで形成されている。下クラッド層14および16はそれぞれ例えば厚さ500nmのn型InPで形成され、n型のドーパントとして例えばシリコン(Si)がドープされている。コア層18は、例えば厚さ500nmの多重量子井戸層(MQW:Multi Quantum Well)であり、アンドープのアルミニウムガリウムインジウム砒素(AlGaInAs)の井戸層およびアルミニウムインジウム砒素(AlInAs)のバリア層を積層したものである。
The
上クラッド層20(第2クラッド層)は例えば厚さ200nm以下のアンドープのInPで形成されている。アンドープの上クラッド層20によりp型キャリアによる光損失を抑制することができるが、電圧降下が生じる。電圧降下を抑制するため、厚さは200nm以下が好ましい。上クラッド層22(第1クラッド層)は例えば厚さ1200nmのp型InPで形成されている。コンタクト層24は例えば厚さ300nmのp型GaInAsで形成されている。p型のドーパント(第1元素)は例えば亜鉛(Zn)である。
The upper cladding layer 20 (second cladding layer) is formed of, for example, undoped InP with a thickness of 200 nm or less. Although the light loss due to the p-type carrier can be suppressed by the undoped
高抵抗層32および高抵抗層34は上クラッド層20および22に水素イオン(プロトン、第2元素)を注入することで形成され、上クラッド層22よりも高い電気抵抗を有する。プロトンの注入により半導体に結晶欠陥が生じる。結晶欠陥がドナー型の準位を形成し、p型InPの正孔を捕獲し、アクセプタを補償する。したがってプロトン濃度がアクセプタ濃度を補償する程度の大きさになると、p型InPは高抵抗化される。高抵抗層32の電気抵抗および深さ方向(Y方向)におけるイオン濃度は高抵抗層34よりも高い。第1分離部R1ではプロトンがコア層18の一部に到達するため、高抵抗層32は上クラッド層20および22、コア層18から形成される。高抵抗層32の厚さは例えば1400nm程度、高抵抗層34の厚さは例えば1000nm程度である。
The
配線28および変調電極26は例えば一体であり、チタン(Ti)、白金(Pt)および金(Au)などの金属で形成されている。
The
(製造方法)
図3(a)、図4(a)、図7(a)、図8(a)、および図10(a)は光半導体素子100の製造方法を例示する平面図である。図3(b)から図3(d)、図4(b)から図4(d)、図5(a)から図6(c)、図7(b)から図7(d)、図8(b)から図8(d)、図9(a)から図9(c)、図10(b)から図10(d)は光半導体素子100の製造方法を例示する断面図であり、それぞれ対応する平面図の線A−A、線B−B、線C−Cに沿った断面を図示する。
(Production method)
FIG. 3A, FIG. 4A, FIG. 7A, FIG. 8A, and FIG. 10A are plan views illustrating the method for manufacturing the
図3(b)から図3(d)に示すように、例えば有機金属気相成長法(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)などで、基板10上にバッファ層12、下クラッド層14および16、コア層18、上クラッド層20および22、コンタクト層24をエピタキシャル成長する。ドーパントは層の成長中、または高温環境下などで拡散する。成長後に上クラッド層22から上クラッド層20にZnが拡散し、p型InPが厚くなることがある。そこで、Zn拡散後に上クラッド層20および22が所望の厚さとなるように、エピタキシャル成長における上クラッド層20の厚さは所望の厚さより大きくし、上クラッド層22の厚さを所望の厚さよりも小さく設定してもよい。
As shown in FIGS. 3 (b) to 3 (d),
その後、図3(a)から図3(d)に示すように、ウェハ全面に例えば厚さ400nm、酸化シリコン(SiO2)の絶縁膜40(第1マスク)を形成し、フォトリソグラフィおよびウェットエッチングなどで絶縁膜40に複数の開口部40aを形成する。図3(a)および図3(d)に示すように、開口部40aからコンタクト層24が露出する。
After that, as shown in FIGS. 3A to 3D, an insulating film 40 (first mask) of silicon oxide (SiO 2 ) having a thickness of 400 nm, for example, is formed on the entire surface of the wafer, and photolithography and wet etching A plurality of
図4(a)、図4(b)および図4(d)に示すように、絶縁膜40の表面のうち変調部R3に対応する部分にレジストマスク42(第2マスク)を形成する。レジストマスク42は例えば厚さ3μmの樹脂で形成されている。レジストマスク42の端部は開口部40aの端部に一致する。図4(a)、および図4(d)に示すように、第1分離部R1および第2分離部R2にはレジストマスク42は形成されない。
As shown in FIGS. 4A, 4B and 4D, a resist mask 42 (second mask) is formed on a portion of the surface of the insulating
図5(a)から図5(c)に示す工程では、絶縁膜40およびレジストマスク42の上からプロトンの注入を行う。プロトンの侵入深さは加速電圧に依存する。加速電圧は例えば40〜200keVとし、複数回の注入を行う。例えば40〜200keVの範囲で加速電圧を20keVずつ増加させながら、それぞれの加速電圧で300秒のイオン注入を行う。また、プロトンの入射方向を平均化するため、プロトンのビームに対してウェハを傾斜させ、かつ回転させながらプロトンを入射する。
In the steps shown in FIGS. 5A to 5C, protons are injected from above the insulating
図5(a)および図5(c)に示すように、プロトンはレジストマスク42を透過せず、レジストマスク42下にはプロトンが注入されない。図5(b)および図5(c)に示すように、レジストマスク42の設けられていない部分にプロトンは注入される。開口部40aを通るプロトンは高いエネルギーを有するため、注入深さが大きくなる。開口部40aを通ったプロトンがコンタクト層24、上クラッド層22、上クラッド層20およびコア層18の一部に注入され、図5(c)に示す高抵抗層32が形成される。
As shown in FIGS. 5A and 5C, protons do not pass through the resist
一方、プロトンは絶縁膜40を透過するが、絶縁膜40によりエネルギーが減衰する。このため、絶縁膜40を透過するプロトンが到達できる深さは小さくなる。プロトンがコンタクト層24、上クラッド層22、上クラッド層20の一部に注入されることで、図5(b)および図5(c)に示す高抵抗層34が形成される。高抵抗層32は上クラッド層20および22よりも深い位置まで到達し、高抵抗層34はコア層18に到達しにくい。
On the other hand, protons pass through the insulating
図6(a)から図6(c)に示すように、絶縁膜40およびレジストマスク42を除去する。図7(a)から図7(c)に示すように、フォトリソグラフィ法およびドライエッチングによりメサを形成する。図7(d)に示すように、光導波路2aおよび2bの延伸方向において、高抵抗層32および34が並ぶ。図8(a)から図8(d)に示すように、フォトリソグラフィ法およびウェットエッチングにより、バッファ層12および下クラッド層14の一部を除去し、アイソレーショントレンチ9を形成する。これによりウェハ内の複数の光半導体素子が電気的に分離される。下クラッド層14に不図示のn型電極を形成してもよい。
As shown in FIGS. 6A to 6C, the insulating
図9(a)から図9(c)に示すように樹脂30を形成する。図9(b)および図9(c)に示すように、高抵抗層32および34のうち上側の一部(コンタクト層24と同程度の厚さ)をエッチングなどで除去し、その後に樹脂30を形成する。高抵抗層32および34は樹脂30に埋め込まれる。図9(a)および図9(b)に示すように、樹脂30とコンタクト層24とは同一平面を形成し、コンタクト層24は樹脂30から露出する。なお樹脂30の形成前にウェハに窒化シリコン(SiN)およびSiO2など絶縁体の保護膜を設けてもよい。
The
図10(a)から図10(d)に示すように、蒸着法またはメッキ法などにより配線28および変調電極26を形成する。図1に示した高周波電源6と接続するためのパッドなどを形成してもよい。以上で光半導体素子100が形成される。
As shown in FIGS. 10A to 10D, the
以上のように、実施例1によれば、絶縁膜40およびレジストマスク42をマスクとしてイオン注入を行う。これにより、複数の変調部R3の間に、高抵抗層32を有する第1分離部R1、および高抵抗層34を有する第2分離部R2が形成される。
As described above, according to the first embodiment, ion implantation is performed using the insulating
図11(a)および図11(b)はイオンの密度のシミュレーションの結果である。シミュレーションにおいて、例えば40〜200keVの範囲で加速電圧を20keVずつ増加させながら、それぞれの加速電圧で300秒のプロトン注入を行い、上記の光半導体素子100を製造するものとした。横軸はコンタクト層24の表面を基準とする深さ、縦軸はプロトンの規格化注入密度である。プロトンの最大密度を1とし、プロトンの密度を規格化したものが規格化注入密度である。
FIGS. 11A and 11B show the results of simulation of the density of ions. In the simulation, for example, protons are implanted for 300 seconds at each acceleration voltage while increasing the acceleration voltage by 20 keV in the range of 40 to 200 keV, for example, to manufacture the
図11(a)は第1分離部R1におけるシミュレーション結果である。図11(a)に示すように、プロトンはコンタクト層24からコア層18にかけて注入される。図5(c)に示すように、第1分離部R1は絶縁膜40およびレジストマスク42に覆われないため、プロトンが高いエネルギーを有し、深く注入される。つまり深さ方向における濃度が高くなる。この結果、高抵抗層32が形成される。
FIG. 11A is a simulation result in the first separation unit R1. As shown in FIG. 11A, protons are injected from the
図11(b)は第2分離部R2におけるシミュレーション結果である。図11(b)に示すように、プロトンはコンタクト層24から上クラッド層20にかけて注入され、プロトン密度のピークはコンタクト層24に位置する。その一方で、コア層18におけるプロトン密度はほぼ0である。図5(c)に示すように、第2分離部R2はレジストマスク42に覆われず、絶縁膜40に覆われる。プロトンは絶縁膜40を透過する際にエネルギーを失い、注入深さが第1分離部R1よりも浅くなる。つまり深さ方向における濃度が低くなる。この結果、高抵抗層34が形成される。
FIG. 11B is a simulation result in the second separation unit R2. As shown in FIG. 11 (b), protons are injected from the
第1分離部R1および第2分離部R2により、隣り合う変調部R3を電気的に分離することができる。特に、第1分離部R1の高抵抗層32は高抵抗層34よりも高い抵抗を有するため、電気的な分離が効果的に行われる。図11(a)に示したように第1分離部R1ではプロトンがコア層18に注入されるため、コア層18の結晶性が劣化する恐れがある。一方、図11(b)に示したように第2分離部R2ではプロトンのコア層18への注入が抑制される。したがってコア層18の結晶性の劣化を抑制することができる。すなわち、コア層18の劣化を抑制し、かつ高抵抗の領域を形成することが可能である。
The first separation unit R1 and the second separation unit R2 can electrically separate the adjacent modulation units R3. In particular, since the
高抵抗層32および34のプロトン濃度は、上クラッド層22が高抵抗化する程度、またはn型になる程度である。コア層18の結晶性を高く維持するため、高抵抗層34は上クラッド層22の+Y側の一部から形成され、コア層18には形成されないことが好ましい。高抵抗層34のプロトン濃度は高抵抗層32より低く、例えばコア層18に到達するプロトン濃度は1×1016cm−3程度が好ましい。高抵抗層32はY方向において導電性の上クラッド層22を縦断することが好ましく、プロトン濃度は例えば1×1018cm−3以上など、上クラッド層22のZn濃度を超えることが好ましい。高抵抗層34だけでは変調部R3同士の電気的な分離が不十分になる恐れもあるが、高い抵抗を有する高抵抗層32により、電気的な分離が十分に行われる。
The proton concentration of the high resistance layers 32 and 34 is such that the
2つの変調部R3間の絶縁のため、Z方向における第1分離部R1の幅(高抵抗層32の幅)は例えば3μm以上であることが好ましい。ただし第1分離部R1が長いとコア層18の中で結晶性の低い部分が長くなり、信頼性が低下する。したがって第1分離部R1の幅は例えば10μm以下であり、第2分離部R2は第1分離部R1より長いことが好ましく、例えば90μm程度とする。2つの変調部R3間の領域のうち、例えば90%以上が第2分離部R2であり、残りの10%程度が第1分離部R1であることが好ましい。これにより光半導体素子100の信頼性が向上する。
In order to insulate between the two modulation parts R3, the width of the first separation part R1 (the width of the high resistance layer 32) in the Z direction is preferably, for example, 3 μm or more. However, when the first separation portion R1 is long, the low crystallinity portion in the
光導波路2aおよび2bの延伸方向(Z方向)において、第1分離部R1は変調部R3に隣接する。高抵抗層32は高い抵抗を有するため、変調電極26から染み出す電界の影響を受けにくい。したがって変調信号の損失、光半導体素子100の特性の劣化などが抑制される。特に、複数の変調部R3のそれぞれに第1分離部R1が隣接し、1つの変調部R3の両側に第1分離部R1が配置されることが好ましい。
The first separation portion R1 is adjacent to the modulation portion R3 in the extending direction (Z direction) of the
光半導体素子100には、例えばガリウム(Ga)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、リン(P)、窒素(N)の少なくとも1つを含む化合物半導体を用いることができる。またシリコン系半導体を用いてもよい。図2(a)〜図2(c)に示したように光導波路2aおよび2bはpin構造とする。
The
上クラッド層22はp型のドーパント(例えばZnなど)が添加されたInPなどとすることができる。p型の上クラッド層22にプロトンまたはホウ素(B)イオンなどを注入することで上クラッド層22に結晶欠陥を形成し、結晶欠陥がp型キャリアを補償する。これにより高抵抗層32および34が形成される。また、p型キャリア濃度が低下すると、p型キャリアによる光吸収が抑制される。酸素(O)、硫黄(S)、セレン(Se)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、ルテニウム(Ru)の少なくとも1つのイオンを注入してもよい。O、S、Seの各イオンはドナー型の準位を形成し、p型キャリアをトラップする。Fe、Cr、Ruなど遷移金属のイオンは深い準位を形成し、p型キャリアをトラップする。これにより高抵抗層32および34を形成してもよい。また、シリコン(Si)イオンなどを用いてもよい。
The
上クラッド層22にSiなどをドープしn型とすることもできる。例えばベリリウム(Be)、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、炭素(C)などのうち少なくとも1つイオンをn型の上クラッド層22に注入することで高抵抗化する。これらのイオンはアクセプタ準位を形成することでn型のキャリアをトラップする。高抵抗層32および34の導電型は上クラッド層22と反対とすることができる。
The
イオンを一様に注入するため、ウェハを回転させながらイオン注入を行うことが好ましい。また、層の厚さ、所望の注入深さなどに応じて、イオンの加速電圧、注入の回数などを定めることができる。 In order to uniformly implant the ions, it is preferable to perform the ion implantation while rotating the wafer. Further, the acceleration voltage of ions, the number of times of implantation, and the like can be determined according to the thickness of the layer, the desired implantation depth, and the like.
イオン注入深さを異ならせ、第1分離部R1、第2分離部R2および変調部R3を形成するために、厚さの異なるマスクを用いればよい。図4(a)〜図4(d)の例では絶縁膜40とレジストマスク42とでマスクを形成した。絶縁膜40に代えて、例えばポリイミドなどの樹脂膜、InPのエピタキシャル半導体層などを用いてもよい。また、例えば一層のマスクを設け、エッチングによりマスクの一部を薄くしてもよい。これによりイオン注入深さに違いが生じ、第1分離部R1、第2分離部R2および変調部R3を形成することができる。ただしマスクの厚さの制御およびエッチングによる成型が難しい。したがってレジストマスク42と絶縁膜40のように、異なる材料で形成され、エッチング選択比を有する複数の膜を用いることが好ましい。
In order to make the ion implantation depths different and to form the first separation part R1, the second separation part R2 and the modulation part R3, masks having different thicknesses may be used. In the example of FIG. 4A to FIG. 4D, a mask is formed of the insulating
(光半導体素子)
図12(a)は実施例2に係る光半導体素子200を例示する平面図である。図12(b)は光半導体素子200を例示する断面図であり、図12(a)の線C−Cに沿う断面図を例示している。実施例1と同様の構成については説明を省略する。
(Optical semiconductor device)
FIG. 12A is a plan view illustrating the
図12(a)および図12(b)に示すように、2つの変調部R3の間に、2つの第1分離部R1および3つの第2分離部R2(R2aおよびR2b)が形成されている。変調部R3に第2分離部R2aが隣接し、第2分離部R2bは変調部R3から離間する。第1分離部R1は第2分離部R2aおよびR2bの間に位置する。すなわち、1つの変調部R3から隣の変調部R3にかけて、第2分離部R2a、第1分離部R1、第2分離部R2b、第1分離部R1および第2分離部R2aが並ぶ。第1分離部R1および第2分離部R2aの幅は例えば5μmであり、3μm以上である。第2分離部R2bは第1分離部R1および第2分離部R2aよりも大きい。 As shown in FIGS. 12A and 12B, two first separation parts R1 and three second separation parts R2 (R2a and R2b) are formed between two modulation parts R3. . The second separation unit R2a is adjacent to the modulation unit R3 and the second separation unit R2b is separated from the modulation unit R3. The first separation part R1 is located between the second separation parts R2a and R2b. That is, the second separation unit R2a, the first separation unit R1, the second separation unit R2b, the first separation unit R1, and the second separation unit R2a are arranged from one modulation unit R3 to the next modulation unit R3. The width of the first separation portion R1 and the second separation portion R2a is, for example, 5 μm and 3 μm or more. The second separation part R2b is larger than the first separation part R1 and the second separation part R2a.
(製造方法)
図13(a)および図14(a)は光半導体素子200の製造方法を例示する平面図である。図13(b)、図14(b)および図14(c)は光半導体素子200の製造方法を例示する断面図であり、対応する平面図の線C−Cに沿った断面を例示する。
(Production method)
FIG. 13A and FIG. 14A are plan views illustrating the method of manufacturing the
図13(a)および図13(b)に示すように、コンタクト層24の上に絶縁膜40を形成する。実施例2における2つの開口部40a間の距離は、実施例1における距離よりも小さい。
As shown in FIGS. 13A and 13B, the insulating
図14(a)および図14(b)に示すように、絶縁膜40の上にレジストマスク42を形成する。図14(c)に示すように、プロトンの注入を行うことで、高抵抗層32および34を形成する。これ以降の工程は実施例1と同じである。
As shown in FIGS. 14A and 14B, a resist
実施例2によれば、実施例1と同様に、第1分離部R1により隣り合う変調部R3を電気的に分離することができる。また、第2分離部R2aおよびR2bではプロトンのコア層18への注入が抑制されるため、コア層18の結晶性の劣化を抑制することができる。
According to the second embodiment, as in the first embodiment, the modulation units R3 adjacent to each other can be electrically separated by the first separation unit R1. In addition, since the injection of protons into the
第2分離部R2aが変調部R3に隣接し、第1分離部R1は第2分離部R2aに比べて変調部R3から遠くに位置する。したがって、コア層18のうち、結晶性の高い部分が変調部R3の近くに位置し、結晶性の劣化する部分は変調部R3の遠くに位置する。したがって変調電極26付近の電界のコア層18への影響が抑制され、光半導体素子200の特性の劣化などが抑制される。
The second separation unit R2a is adjacent to the modulation unit R3, and the first separation unit R1 is located farther from the modulation unit R3 than the second separation unit R2a. Therefore, in the
(光半導体素子)
図15は実施例3に係る光半導体素子300を例示する平面図である。図16(a)から図16(c)は光半導体素子300を例示する断面図である。図15から図16(b)に示すように、樹脂30に開口部30aが形成され、開口部30aから下クラッド層14が露出する。開口部30aの内側であって、下クラッド層14の上面にグランド電極50が設けられている。このように光半導体素子300は進行波型電極構造を有する。
(Optical semiconductor device)
FIG. 15 is a plan view illustrating an
グランド電極50は配線28および変調電極26から離間し、Z方向に延伸し、かつ接地されている。2つの配線28は抵抗7aおよび7bを介して互いに接続されている。抵抗7aおよび7bの一端は直流電源を介して接地されている。一対の配線28には例えば差動信号が入力される。また図16(c)に示すように、第1分離部R1および第2分離部R2が形成されている。
The
(製造方法)
図17(a)から図17(c)および図18(b)から図18(d)は光半導体素子300の製造方法を例示する断面図である。図18(a)は光半導体素子300の製造方法を例示する平面図である。
(Production method)
FIGS. 17A to 17C and FIGS. 18B to 18D are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the
図17(a)および図17(b)に示すように、フォトリソグラフィ法およびドライエッチングにより、樹脂30に開口部30aを形成する。図17(c)に示すように、高抵抗層32および34を覆う樹脂30には開口部を形成しない。
As shown in FIGS. 17A and 17B, the
図18(a)から図18(c)に示すように、例えば蒸着法などによりグランド電極50を下クラッド層14の上面に形成する。また、図18(a)から図18(d)に示すように、配線28および変調電極26を形成する。以降の工程は実施例1と同じである。
As shown in FIGS. 18A to 18C, the
実施例3によれば、実施例1と同様に、第1分離部R1により隣り合う変調部R3を電気的に分離することができる。また、第2分離部R2ではプロトンのコア層18への注入が抑制されるため、コア層18の結晶性の劣化を抑制することができる。
According to the third embodiment, as in the first embodiment, the adjacent modulation units R3 can be electrically separated by the first separation unit R1. In addition, since the injection of protons into the
図15の例では、X方向において配線28および変調電極26が対向し、その間にグランド電極50が位置する。例えば配線28それぞれの外側にグランド電極50を設けてもよいし、配線28の外側および変調電極26の間にグランド電極50を設けてもよい。
In the example of FIG. 15, the
図19は実施例4に係る光半導体素子400を例示する平面図である。図19に示すように光半導体素子400は2つの光半導体素子100を接続したIQ変調器である。2つの光半導体素子100は、図19では図示を省略した高周波電源に接続されている。一方の光半導体素子100はI(In-phase)チャネルの変調光を生成し、他方の光半導体素子100はQ(Quadrature-phase)チャネルの変調光を生成する。それぞれの光半導体素子100の位相を調整する調整電極などを設けてもよい。
FIG. 19 is a plan view illustrating an
入射導波路52および分岐導波路54を介して連続光が入射される。2つの光半導体素子100で変調された光は、分岐導波路56および出射導波路58を介して出射される。IチャネルおよびQチャネルを位相変調および振幅変調した光を直交多重する多値変調が可能である。
Continuous light is incident through the
実施例4によれば、実施例1と同様に、変調部R3間を電気的に分離し、かつコア層18の結晶性の劣化を抑制することができる。図19の例では2つの光半導体素子100を用いたが、光半導体素子100、200および300のいずれを組み合わせてもよい。また、例えば光半導体素子400を2つ用いて、DP−IQ変調器を構成してもよい。
According to the fourth embodiment, as in the first embodiment, the modulation portions R3 can be electrically separated and the deterioration of the crystallinity of the
1、52 入射導波路
2a、2b 光導波路
3、58 出射導波路
4、5、54、56 分岐導波路
6 高周波電源
7、7a、7b 抵抗
9 アイソレーショントレンチ
10 基板
12 バッファ層
14、16 下クラッド層
18 コア層
20、22 上クラッド層
26 変調電極
28 配線
30 樹脂
30a、40a 開口部
32、34 高抵抗層
40 絶縁膜
42 レジストマスク
100、200、300、400 光半導体素子
R1 第1分離部
R2、R2a、R2b 第2分離部
R3 変調部
Claims (9)
前記光導波路の上に設けられ、前記光導波路の延伸方向において互いに離間した複数の変調電極と、を具備し、
前記光導波路は、前記変調電極の下に位置する変調部と、前記複数の変調電極の間に位置し、第2元素がドープされ前記変調部よりも高抵抗な分離部とを含み、
前記分離部は第1分離部と第2分離部とを含み、
深さ方向における前記第2分離部の前記第2元素の濃度は、前記第1分離部よりも低い光半導体素子。 An optical waveguide including a core layer and a first cladding layer provided on the core layer and doped with a first element;
A plurality of modulation electrodes provided on the optical waveguide and spaced apart from each other in the extending direction of the optical waveguide;
The optical waveguide includes a modulation unit positioned below the modulation electrode, and a separation unit positioned between the plurality of modulation electrodes and doped with a second element and having a higher resistance than the modulation unit.
The separation unit includes a first separation unit and a second separation unit,
The concentration of the said 2nd element of the said 2nd isolation | separation part in a depth direction is a photosemiconductor element lower than the said 1st isolation | separation part.
前記第2分離部は前記変調部に隣接する複数の前記第1分離部の間に位置する請求項1に記載の光半導体素子。 In the extending direction of the optical waveguide, the first separation unit is adjacent to the modulation unit,
The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the second separation unit is positioned between the plurality of first separation units adjacent to the modulation unit.
前記変調部に隣接する複数の前記第2分離部の間に別の前記第2分離部が位置し、
前記変調部に隣接する第2分離部と前記別の第2分離部との間に前記第1分離部が位置する請求項1に記載の光半導体素子。 In the extension direction of the optical waveguide, the second separation unit is adjacent to the modulation unit,
Another second separation unit is located between the plurality of second separation units adjacent to the modulation unit;
The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the first separation unit is positioned between a second separation unit adjacent to the modulation unit and the another second separation unit.
前記第2元素は水素、ホウ素、酸素、硫黄、セレン、鉄、クロムおよびルテニウムの少なくとも1つである請求項1から4のいずれか一項に記載の光半導体素子。 The first element is zinc,
The optical semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, wherein the second element is at least one of hydrogen, boron, oxygen, sulfur, selenium, iron, chromium and ruthenium.
前記第2元素はベリリウム、マグネシウム、亜鉛およびカドミウムの少なくとも1つである請求項1から4のいずれか一項に記載の光半導体素子。 The first element is silicon,
The optical semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, wherein the second element is at least one of beryllium, magnesium, zinc and cadmium.
前記コア層の上にドーパントがドープされたクラッド層を形成する工程と、
前記クラッド層の上に、複数の開口部を有する第1マスクを形成する工程と、
前記第1マスクの上であって前記複数の開口部の間に第2マスクを形成する工程と、
前記第2マスクを形成する工程の後に、前記クラッド層にイオンを注入することで、前記クラッド層のうち前記第1マスクの開口部内の部分に第1分離部を形成し、前記第1マスクに覆われかつ前記第2マスクに覆われない部分に第2分離部を形成する工程と、
前記第1マスクおよび前記第2マスクを除去した後、前記クラッド層の前記第2マスクに覆われた部分に変調電極を形成する工程と、を有する光半導体素子の製造方法。 Growing the core layer;
Forming a cladding layer doped with a dopant on the core layer;
Forming a first mask having a plurality of openings on the cladding layer;
Forming a second mask on the first mask and between the plurality of openings;
After the step of forming the second mask, ions are implanted into the cladding layer to form a first separation portion in a portion of the opening of the first mask in the cladding layer, and the first mask is formed on the first mask. Forming a second separation portion in a portion covered and not covered by the second mask;
Forming a modulation electrode on a portion of the cladding layer covered by the second mask after removing the first mask and the second mask.
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