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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023126083
(43)【公開日】2023-09-07
(54)【発明の名称】半導体光素子およびその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01S 5/026 20060101AFI20230831BHJP
H01S 5/0225 20210101ALI20230831BHJP
G02B 6/12 20060101ALI20230831BHJP
G02B 6/122 20060101ALI20230831BHJP
G02B 6/42 20060101ALI20230831BHJP
G02B 6/125 20060101ALI20230831BHJP
【ＦＩ】
H01S5/026 618
H01S5/0225
G02B6/12 301
G02B6/122 311
G02B6/42
G02B6/125 301
【審査請求】未請求
【請求項の数】18
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022128619
(22)【出願日】2022-08-12
(31)【優先権主張番号】P 2022029416
(32)【優先日】2022-02-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000002130
【氏名又は名称】住友電気工業株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】504173471
【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学
(74)【代理人】
【識別番号】100087480
【弁理士】
【氏名又は名称】片山 修平
(72)【発明者】
【氏名】河野 直哉
(72)【発明者】
【氏名】藤原 直樹
(72)【発明者】
【氏名】齊藤 晋聖
(72)【発明者】
【氏名】藤澤 剛
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 孝憲
【テーマコード（参考）】
2H137
2H147
5F173
【Ｆターム（参考）】
2H137AB12
2H137BA53
2H137BB02
2H137BB25
2H137BC51
2H137DB16
2H137EA04
2H137EA11
2H137HA00
2H147AB04
2H147AB09
2H147AB11
2H147AC01
2H147AC05
2H147BA06
2H147BA15
2H147BB02
2H147BD01
2H147BD03
2H147BD07
2H147BE01
2H147BE15
2H147BG06
2H147CA13
2H147CC17
2H147CD18
2H147EA12A
2H147EA12B
2H147EA12D
2H147EA13A
2H147EA13C
2H147EA14B
2H147EA39B
2H147EA42B
2H147FA03
2H147FA04
2H147FA06
2H147FA27
2H147FC02
2H147FC03
2H147FC06
2H147FD15
2H147GA00
5F173AA02
5F173AB49
5F173AD16
5F173AD18
5F173AH12
5F173AP05
5F173AP32
5F173AP33
5F173AR01
(57)【要約】
【課題】製造が容易で、かつ結合効率を高めることが可能な半導体光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】シリコンで形成された第１光導波路を有する基板と、前記基板の上面に接合され、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成された第２光導波路を有する半導体素子と、を具備し、前記第１光導波路と、前記第２光導波路とは方向性結合器を形成する半導体光素子。
【選択図】 図１Ｂ
【解決手段】シリコンで形成された第１光導波路を有する基板と、前記基板の上面に接合され、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成された第２光導波路を有する半導体素子と、を具備し、前記第１光導波路と、前記第２光導波路とは方向性結合器を形成する半導体光素子。
【選択図】 図１Ｂ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
シリコンで形成された第１光導波路を有する基板と、
前記基板の上面に接合され、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成された第２光導波路を有する半導体素子と、を具備し、
前記第１光導波路と、前記第２光導波路とは方向性結合器を形成する半導体光素子。
前記基板の上面に接合され、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成された第２光導波路を有する半導体素子と、を具備し、
前記第１光導波路と、前記第２光導波路とは方向性結合器を形成する半導体光素子。
【請求項2】
前記第１光導波路は、前記第２光導波路に近づくように屈曲した形状を有する請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項3】
前記第１光導波路は、第１部分と第２部分とを有し、
前記第２部分と前記第２光導波路との間の距離は、前記第１部分と前記第２光導波路との間の距離より小さく、
前記第２部分と前記第２光導波路とが前記方向性結合器を形成する請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
前記第２部分と前記第２光導波路との間の距離は、前記第１部分と前記第２光導波路との間の距離より小さく、
前記第２部分と前記第２光導波路とが前記方向性結合器を形成する請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
【請求項4】
前記第２光導波路は、幅方向において、前記第１光導波路の１つの端部の上に位置し、前記第１光導波路のもう１つの端部までは延伸しない請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
【請求項5】
前記第１光導波路および前記第２光導波路の幅方向において、前記第１光導波路の前記第２部分の中心は、前記第２光導波路の中心から離間している請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
【請求項6】
前記基板と前記半導体素子とが接合される方向において、前記第１光導波路の前記第２部分の少なくとも一部は、前記第２光導波路に重ならない請求項５に記載の半導体光素子。
【請求項7】
前記第１光導波路の前記第１部分に設けられた位相調整部を具備する請求項３に記載の半導体光素子。
【請求項8】
前記第１光導波路と、前記第２光導波路とは複数の前記方向性結合器を形成し、
前記複数の方向性結合器は、前記第１光導波路および前記第２光導波路の延伸方向に沿って並ぶ請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
前記複数の方向性結合器は、前記第１光導波路および前記第２光導波路の延伸方向に沿って並ぶ請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
【請求項9】
前記半導体素子は、第１半導体層とメサとを有し、
前記第１半導体層は前記基板の上面に接合され、
前記メサは、前記第１半導体層から前記基板とは反対側に突出し、前記第２光導波路を有する請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
前記第１半導体層は前記基板の上面に接合され、
前記メサは、前記第１半導体層から前記基板とは反対側に突出し、前記第２光導波路を有する請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
【請求項10】
前記メサは、第２半導体層と第３半導体層と第４半導体層とを有し、
第２半導体層、第３半導体層、および第４半導体層は、前記第１半導体層の上にこの順に積層され、
前記第３半導体層は多重量子井戸構造を有する請求項９に記載の半導体光素子。
第２半導体層、第３半導体層、および第４半導体層は、前記第１半導体層の上にこの順に積層され、
前記第３半導体層は多重量子井戸構造を有する請求項９に記載の半導体光素子。
【請求項11】
前記基板は、順番に積層された第１層、第２層、および第３層を有し、
前記第１層および前記第３層は、シリコンで形成され、
前記第２層は、酸化シリコンで形成され、
前記第３層に前記半導体素子が接合される請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
前記第１層および前記第３層は、シリコンで形成され、
前記第２層は、酸化シリコンで形成され、
前記第３層に前記半導体素子が接合される請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
【請求項12】
前記基板は２つの前記第１光導波路を有し、
前記２つの第１光導波路と前記第２光導波路とは前記方向性結合器を形成する請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
前記２つの第１光導波路と前記第２光導波路とは前記方向性結合器を形成する請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
【請求項13】
前記半導体素子は光学利得を有し、
前記半導体素子はレーザ素子として機能する、請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
前記半導体素子はレーザ素子として機能する、請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
【請求項14】
前記第１光導波路はテーパ部を有し、
前記テーパ部は、前記第１光導波路の先端に近づくほど細くなり、
前記第１光導波路の前記テーパ部と、前記第２光導波路とは前記方向性結合器を形成する請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
前記テーパ部は、前記第１光導波路の先端に近づくほど細くなり、
前記第１光導波路の前記テーパ部と、前記第２光導波路とは前記方向性結合器を形成する請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
【請求項15】
前記第１光導波路の前記テーパ部は、前記第１光導波路が延伸する方向に対して非対称な形状を有する請求項１４に記載の半導体光素子。
【請求項16】
前記第１光導波路の第１端部は前記第１光導波路の延伸方向に平行であり、前記第１光導波路の第２端部は前記第２光導波路に近づき、前記テーパ部は前記非対称な形状を形成する請求項１５に記載の半導体光素子。
【請求項17】
前記第１光導波路の前記テーパ部は、前記第１光導波路が延伸する方向に対して対称な形状を有する請求項１４に記載の半導体光素子。
【請求項18】
シリコンで形成された第１光導波路を有する基板の上面に、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成された半導体素子を接合する工程と、
前記半導体素子に第２光導波路を形成する工程と、を有し、
前記第１光導波路と、前記第２光導波路とは方向性結合器を形成する半導体光素子の製造方法。
前記半導体素子に第２光導波路を形成する工程と、を有し、
前記第１光導波路と、前記第２光導波路とは方向性結合器を形成する半導体光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は半導体光素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成された半導体素子を、光導波路を形成したＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板（いわゆるシリコンフォトニクス）などの基板に接合する技術が知られている（例えば非特許文献１など）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【非特許文献1】Ｒ．Ｋｏｕ ｅｔ ａｌ． “Ｉｎｔｅｒ－ｌａｙｅｒ ｌｉｇｈｔ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｉｎ ｈｙｂｒｉｄ ＩＩＩ－Ｖ／Ｓｉ ｗａｖｇｕｉｄｅｓ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｂｙ μ－ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｒｉｎｔｉｎｇ” Ｏｐｔｉｃ Ｅｘｐｒｅｓｓ ２８（１３），１９７７２－１９７８２，Ｊｕｎｅ ２０２０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
基板に設けられた光導波路とＩＩＩ－Ｖ族半導体素子の光導波路との結合効率を高めるために、ＩＩＩ－Ｖ族半導体の光導波路の先端をテーパ形状とすることがある。しかし、例えばドライエッチングによってテーパの先端の幅を４００ｎｍ以下などにする加工は困難であった。そこで、製造が容易で、かつ結合効率を高めることが可能な半導体光素子およびその製造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】
【0005】
本開示に係る半導体光素子は、シリコンで形成された第１光導波路を有する基板と、前記基板の上面に接合され、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成された第２光導波路を有する半導体素子と、を具備し、前記第１光導波路と、前記第２光導波路とは方向性結合器を形成する。
【0006】
本開示に係る半導体光素子の製造方法は、シリコンで形成された第１光導波路を有する基板の上面に、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成された半導体素子を接合する工程と、前記半導体素子に第２光導波路を形成する工程と、を有し、前記第１光導波路と、前記第２光導波路とは方向性結合器を形成する。
【発明の効果】
【0007】
本開示によれば製造が容易で、かつ結合効率を高めることが可能な半導体光素子およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施形態の内容を列記して説明する。
最初に本開示の実施形態の内容を列記して説明する。
【0010】
本開示の一形態は、（１）シリコンで形成された第１光導波路を有する基板と、前記基板の上面に接合され、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成された第２光導波路を有する半導体素子と、を具備し、前記第１光導波路と、前記第２光導波路とは方向性結合器を形成する半導体光素子である。第１光導波路と第２光導波路とを近づけることで方向性結合器が形成されるため、製造が容易である。方向性結合器が形成されることで、結合効率を高めることができる。
（２）上記（１）において、前記第１光導波路は、前記第２光導波路に近づくように屈曲した形状を有してもよい。第１光導波路が第２光導波路に近づくことで方向性結合器が形成される。方向性結合器が形成されることで、結合効率を高めることができる。
（３）上記（１）または（２）において、前記第１光導波路は、第１部分と第２部分とを有し、前記第２部分と前記第２光導波路との間の距離は、前記第１部分と前記第２光導波路との間の距離より小さく、前記第２部分と前記第２光導波路とが前記方向性結合器を形成してもよい。方向性結合器が形成されることで、結合効率を高めることができる。
（４）上記（１）から（３）のいずれかにおいて、前記第２光導波路は、幅方向において、前記第１光導波路の１つの端部の上に位置し、前記第１光導波路のもう１つの端部までは延伸しなくてもよい。第１光導波路と第２光導波路とが方向性結合器を形成することで、結合効率を高めることができる。
（５）上記（１）から（４）のいずれかにおいて、前記第１光導波路および前記第２光導波路の幅方向において、前記第１光導波路の前記第２部分の中心は、前記第２光導波路の中心から離間してもよい。第１光導波路と第２光導波路とが方向性結合器を形成することで、結合効率を高めることができる。
（６）上記（５）において、前記基板と前記半導体素子とが接合される方向において、前記第１光導波路の前記第２部分の少なくとも一部は、前記第２光導波路に重ならなくてもよい。第１光導波路と第２光導波路とが方向性結合器を形成することで、結合効率を高めることができる。
（７）上記（３）から（６）のいずれかにおいて、前記第１光導波路の前記第１部分に設けられた位相調整部を具備してもよい。光の位相を調整することができる。
（８）上記（１）から（７）のいずれかにおいて、前記第１光導波路と、前記第２光導波路とは複数の前記方向性結合器を形成し、前記複数の方向性結合器は、前記第１光導波路および前記第２光導波路の延伸方向に沿って並んでもよい。複数の方向性結合器によって結合効率を高めることができる。
（９）上記（１）から（８）のいずれかにおいて、前記半導体素子は、第１半導体層とメサとを有し、前記第１半導体層は前記基板の上面に接合され、前記メサは、前記第１半導体層から前記基板とは反対側に突出し、前記第２光導波路を有してもよい。第１光導波路と第２光導波路とが方向性結合器を形成することで、結合効率を高めることができる。
（１０）上記（９）において、前記メサは、第２半導体層と第３半導体層と第４半導体層とを有し、第２半導体層、第３半導体層、および第４半導体層は、前記第１半導体層の上にこの順に積層され、前記第３半導体層は多重量子井戸構造を有してもよい。第３半導体層が第２光導波路のコアとなり、第３半導体層に光を閉じ込めることができる。
（１１）上記（１）から（１０）のいずれかにおいて、前記基板は、順番に積層された第１層、第２層、および第３層を有し、前記第１層および前記第３層は、シリコンで形成され、前記第２層は、酸化シリコンで形成され、前記第３層に前記半導体素子が接合されてもよい。第３層に設けられた第１光導波路と、半導体素子に設けられた第２光導波路とが方向性結合器を形成することで、結合効率を高めることができる。
（１２）上記（１）から（１１）のいずれかにおいて、前記基板は２つの前記第１光導波路を有し、前記２つの第１光導波路と前記第２光導波路とは前記方向性結合器を形成してもよい。第１光導波路と第２光導波路との結合長を短くすることができる。
（１３）上記（１）から（１２）のいずれかにおいて、前記半導体素子は光学利得を有し、前記半導体素子はレーザ素子として機能してもよい。半導体素子が発生させる光は、第２光導波路を伝搬し、方向性結合器において第２光導波路と第１光導波路との間で遷移させることができる。
（１４）上記（１）から（１３）のいずれかにおいて、前記第１光導波路はテーパ部を有し、前記テーパ部は、前記第１光導波路の先端に近づくほど細くなり、前記第１光導波路の前記テーパ部と、前記第２光導波路とは前記方向性結合器を形成してもよい。第１光導波路と第２光導波路との結合効率が高くなる。寸法の誤差に対するトレランスが向上する。
（１５）上記（１４）において、前記第１光導波路の前記テーパ部は、前記第１光導波路が延伸する方向に対して非対称な形状を有してもよい。第１光導波路と第２光導波路との結合効率が高くなる。寸法の誤差に対するトレランスが向上する。
（１６）上記（１５）において、前記第１光導波路の第１端部は前記第１光導波路の延伸方向に平行であり、前記第１光導波路の第２端部は前記第２光導波路に近づき、前記テーパ部は前記非対称な形状を形成してもよい。第１光導波路と第２光導波路との結合効率が高くなる。寸法の誤差に対するトレランスが向上する。
（１７）上記（１４）において、前記第１光導波路の前記テーパ部は、前記第１光導波路が延伸する方向に対して対称な形状を有してもよい。第１光導波路と第２光導波路との結合効率が高くなる。寸法の誤差に対するトレランスが向上する。
（１８）シリコンで形成された第１光導波路を有する基板の上面に、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成された半導体素子を接合する工程と、前記半導体素子に第２光導波路を形成する工程と、を有し、前記第１光導波路と、前記第２光導波路とは方向性結合器を形成する半導体光素子の製造方法である。第１光導波路と第２光導波路とを近づけることで方向性結合器が形成されるため、製造が容易である。方向性結合器が形成されることで、結合効率を高めることができる。
（２）上記（１）において、前記第１光導波路は、前記第２光導波路に近づくように屈曲した形状を有してもよい。第１光導波路が第２光導波路に近づくことで方向性結合器が形成される。方向性結合器が形成されることで、結合効率を高めることができる。
（３）上記（１）または（２）において、前記第１光導波路は、第１部分と第２部分とを有し、前記第２部分と前記第２光導波路との間の距離は、前記第１部分と前記第２光導波路との間の距離より小さく、前記第２部分と前記第２光導波路とが前記方向性結合器を形成してもよい。方向性結合器が形成されることで、結合効率を高めることができる。
（４）上記（１）から（３）のいずれかにおいて、前記第２光導波路は、幅方向において、前記第１光導波路の１つの端部の上に位置し、前記第１光導波路のもう１つの端部までは延伸しなくてもよい。第１光導波路と第２光導波路とが方向性結合器を形成することで、結合効率を高めることができる。
（５）上記（１）から（４）のいずれかにおいて、前記第１光導波路および前記第２光導波路の幅方向において、前記第１光導波路の前記第２部分の中心は、前記第２光導波路の中心から離間してもよい。第１光導波路と第２光導波路とが方向性結合器を形成することで、結合効率を高めることができる。
（６）上記（５）において、前記基板と前記半導体素子とが接合される方向において、前記第１光導波路の前記第２部分の少なくとも一部は、前記第２光導波路に重ならなくてもよい。第１光導波路と第２光導波路とが方向性結合器を形成することで、結合効率を高めることができる。
（７）上記（３）から（６）のいずれかにおいて、前記第１光導波路の前記第１部分に設けられた位相調整部を具備してもよい。光の位相を調整することができる。
（８）上記（１）から（７）のいずれかにおいて、前記第１光導波路と、前記第２光導波路とは複数の前記方向性結合器を形成し、前記複数の方向性結合器は、前記第１光導波路および前記第２光導波路の延伸方向に沿って並んでもよい。複数の方向性結合器によって結合効率を高めることができる。
（９）上記（１）から（８）のいずれかにおいて、前記半導体素子は、第１半導体層とメサとを有し、前記第１半導体層は前記基板の上面に接合され、前記メサは、前記第１半導体層から前記基板とは反対側に突出し、前記第２光導波路を有してもよい。第１光導波路と第２光導波路とが方向性結合器を形成することで、結合効率を高めることができる。
（１０）上記（９）において、前記メサは、第２半導体層と第３半導体層と第４半導体層とを有し、第２半導体層、第３半導体層、および第４半導体層は、前記第１半導体層の上にこの順に積層され、前記第３半導体層は多重量子井戸構造を有してもよい。第３半導体層が第２光導波路のコアとなり、第３半導体層に光を閉じ込めることができる。
（１１）上記（１）から（１０）のいずれかにおいて、前記基板は、順番に積層された第１層、第２層、および第３層を有し、前記第１層および前記第３層は、シリコンで形成され、前記第２層は、酸化シリコンで形成され、前記第３層に前記半導体素子が接合されてもよい。第３層に設けられた第１光導波路と、半導体素子に設けられた第２光導波路とが方向性結合器を形成することで、結合効率を高めることができる。
（１２）上記（１）から（１１）のいずれかにおいて、前記基板は２つの前記第１光導波路を有し、前記２つの第１光導波路と前記第２光導波路とは前記方向性結合器を形成してもよい。第１光導波路と第２光導波路との結合長を短くすることができる。
（１３）上記（１）から（１２）のいずれかにおいて、前記半導体素子は光学利得を有し、前記半導体素子はレーザ素子として機能してもよい。半導体素子が発生させる光は、第２光導波路を伝搬し、方向性結合器において第２光導波路と第１光導波路との間で遷移させることができる。
（１４）上記（１）から（１３）のいずれかにおいて、前記第１光導波路はテーパ部を有し、前記テーパ部は、前記第１光導波路の先端に近づくほど細くなり、前記第１光導波路の前記テーパ部と、前記第２光導波路とは前記方向性結合器を形成してもよい。第１光導波路と第２光導波路との結合効率が高くなる。寸法の誤差に対するトレランスが向上する。
（１５）上記（１４）において、前記第１光導波路の前記テーパ部は、前記第１光導波路が延伸する方向に対して非対称な形状を有してもよい。第１光導波路と第２光導波路との結合効率が高くなる。寸法の誤差に対するトレランスが向上する。
（１６）上記（１５）において、前記第１光導波路の第１端部は前記第１光導波路の延伸方向に平行であり、前記第１光導波路の第２端部は前記第２光導波路に近づき、前記テーパ部は前記非対称な形状を形成してもよい。第１光導波路と第２光導波路との結合効率が高くなる。寸法の誤差に対するトレランスが向上する。
（１７）上記（１４）において、前記第１光導波路の前記テーパ部は、前記第１光導波路が延伸する方向に対して対称な形状を有してもよい。第１光導波路と第２光導波路との結合効率が高くなる。寸法の誤差に対するトレランスが向上する。
（１８）シリコンで形成された第１光導波路を有する基板の上面に、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成された半導体素子を接合する工程と、前記半導体素子に第２光導波路を形成する工程と、を有し、前記第１光導波路と、前記第２光導波路とは方向性結合器を形成する半導体光素子の製造方法である。第１光導波路と第２光導波路とを近づけることで方向性結合器が形成されるため、製造が容易である。方向性結合器が形成されることで、結合効率を高めることができる。
【0011】
［本開示の実施形態の詳細］
本開示の実施形態に係る半導体光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、本開示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。
本開示の実施形態に係る半導体光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、本開示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。
【0012】
＜第１実施形態＞
図１Ａは第１実施形態に係る半導体光素子１００を例示する平面図である。図１Ｂは半導体光素子１００の一部を拡大した平面図である。図２Ａは図１Ｂの線Ａ－Ａに沿った断面図である。図２Ｂは図１Ｂの線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。
図１Ａは第１実施形態に係る半導体光素子１００を例示する平面図である。図１Ｂは半導体光素子１００の一部を拡大した平面図である。図２Ａは図１Ｂの線Ａ－Ａに沿った断面図である。図２Ｂは図１Ｂの線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。
【0013】
図１Ａに示すように、半導体光素子１００の２つの辺はＸ軸方向に平行に延伸する。別の２つの辺はＹ軸方向に平行に延伸する。Ｚ軸方向は、ＸＹ平面の法線方向であり、層の積層方向である。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向は、互いに直交する。半導体光素子１００は、単体の矩形のチップでもよいし、複数の素子が集積された大型チップ（波長可変レーザなど）の一部の矩形の領域でもよい。
【0014】
半導体光素子１００は基板１０と半導体素子４０とを有するハイブリッド型の光素子である。基板１０は、ＸＹ平面に平行な上面を有する。半導体素子４０は、基板１０の上面に接合されている。平面図においては、半導体素子４０を透視し、基板１０の上面を図示している。
【0015】
基板１０は光導波路２０（第１光導波路）を有する。半導体素子４０は光導波路４１（第２光導波路）を有する。光導波路２０および光導波路４１は、Ｘ軸方向における半導体光素子１００の１つの端部から、もう１つの端部まで延伸する。
【0016】
図１Ａに示すように、光導波路４１は、例えば直線状に延伸し、Ｘ軸方向に平行である。光導波路２０は、ＸＹ平面内において波型の形状を有し、波の腹の部分で光導波路４１に近づく。光導波路２０のうち直線状の部分はＸ軸方向に平行である。光導波路２０は、屈曲し、光導波路４１に近づく。光導波路２０は、光導波路４１から遠い部分３０（第１部分）と、光導波路４１に近い部分３２（第２部分、波の腹にあたる部分）とを有する。
【0017】
図１Ｂおよび図２Ａに示すように、光導波路２０の部分３２のうち一部は、光導波路４１の下に延伸し、光導波路４１に重なる。部分３２において光導波路２０と光導波路４１との距離が近づき、光導波路２０と光導波路４１とが方向性結合器（ＤＣ：Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｃｏｕｐｌｅｒ）２１を形成する。方向性結合器２１の数は、複数でもよいし、１つでもよい。第１実施形態では、方向性結合器２１の個数は複数であり、例えば３個以上、５個以上などである。複数の方向性結合器２１は、Ｘ軸方向に並ぶ。
【0018】
光導波路２０のうち、Ｘ軸方向に延伸する部分に位相調整部２３が設けられている。位相調整部２３の個数は１つでもよいし、複数でもよい。位相調整部２３では、光導波路２０に沿うように所定の長さのヒータが設けられている。ヒータは位相調整部２３の温度を変化させる。温度変化によって位相調整部２３の屈折率が変化し、位相調整部２３を通過する光の位相が変化する。ヒータは例えばタンタル（Ｔａ）などの金属で形成されている。位相調整部２３のＸ軸方向の長さは例えば１００μｍである。
【0019】
図１Ｂおよび図２Ａに示すように、基板１０は、光導波路２０、溝２２、およびテラス２４を有する。溝２２は、光導波路２０の両側に位置し、光導波路２０に沿って延伸する。図１Ｂに示すように、光導波路２０は線状であり、平面形状は波型である。支持体２６は、線状であり、Ｘ軸方向に平行である。支持体２６は、Ｓｉ層１６から形成されており、光導波路２０から離れて配置される。テラス２４は、Ｓｉ層１６のうち面状に広がる部分である。
【0020】
図２Ａおよび図２Ｂに示すように、基板１０は、基板１２（第１層）、ボックス層１４（第２層）、およびシリコン（Ｓｉ）層１６（第３層）を有するＳＯＩ基板である。基板１２は、例えば厚さが５００μｍのＳｉで形成されている。ボックス層１４は、例えば厚さが３μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２）で形成され、基板１２の上面に積層されている。Ｓｉ層１６は、例えば厚さが２２０ｎｍのＳｉで形成され、ボックス層１４の上面に積層されている。
【0021】
溝２２は、Ｓｉ層１６のうち、上面からＺ軸方向に窪んだ部分であり、例えばＳｉ層１６をエッチングすることで形成される。Ｚ軸方向において、溝２２はＳｉ層１６の途中まで延伸してもよいし、Ｓｉ層１６を貫通しボックス層１４まで延伸してもよい。すなわち、溝２２の深さは例えば２２０ｎｍ（Ｓｉ層１６の厚さ）以下である。基板１２およびＳｉ層１６の屈折率は、例えば波長１．５５μｍにおいて３．４８である。ボックス層１４の屈折率は、基板１２およびＳｉ層１６の屈折率より低く、例えば波長１．５５μｍｍにおいて１．４４である。
【0022】
光導波路２０、テラス２４および支持体２６は、Ｓｉ層１６に形成されており、溝２２の底面よりもＺ軸方向に突出した部分である。溝２２を形成するエッチング処理において、エッチングされなかった部分が光導波路２０、テラス２４および支持体２６となる。光導波路２０、テラス２４および支持体２６それぞれの上面は、ＸＹ平面に平行であり、１つの平面、すなわち基板１０の上面を形成する。図２Ａに示す光導波路２０の厚さＴ１は溝２２の深さに等しく、例えば２２０ｎｍである。光導波路２０の幅Ｗ１は、例えば８８０ｎｍなどである。
【0023】
半導体素子４０は、接合層４２（第１半導体層）、クラッド層４４および４８、光閉じ込め層４５および４７、活性層４６（第３半導体層）、コンタクト層４９を有する。接合層４２は、基板１０のＳｉ層１６の上面を覆い、上面に接合されている。接合層４２はＳｉ層１６の上面に接触してもよいし、接合層４２とＳｉ層１６との間に別の層が設けられてもよい。
【0024】
半導体素子４０はメサ４３を有する。第３実施形態で説明するように、半導体素子４０を基板１０に接合し、エッチングすることで半導体素子４０にメサ４３を形成する。メサ４３は、Ｓｉ層１６の上面からＺ軸方向に突出する。メサ４３は、クラッド層４４および４８、光閉じ込め層４５および４７、活性層４６、コンタクト層４９を含む。接合層４２の上にクラッド層４４（第２半導体層）、光閉じ込め層４５、活性層４６、光閉じ込め層４７、クラッド層４８（第４半導体層）、およびコンタクト層４９が、Ｚ軸方向にこの順番で積層されている。メサ４３は、Ｘ軸方向における基板１０の１つの端部からもう１つの端部まで、Ｘ軸方向に平行に延伸し、光導波路４１として機能する。活性層４６は、光導波路４１のコア層となる。
【0025】
図２Ａおよび図２Ｂに示すように、半導体素子４０の接合層４２は、基板１０のテラス２４に接合され、テラス２４よって支持される。図１Ｂに示した領域において、半導体素子４０のメサ４３のうちＸ軸方向の中央部（光導波路２０の部分３２に近接する部分）は、光導波路２０の上に重なるように位置し、Ｘ軸方向においてその両側の部分は支持体２６の上に重なるように位置する。メサ４３は支持体２６によって支持される。
【0026】
絶縁膜２５は、メサ４３の側面およびＳｉ層１６の上面を覆う。絶縁膜２５は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）など絶縁体で形成されている。絶縁膜２５の厚さは例えば１００ｎｍ以上、６００ｎｍ以下などである。絶縁膜２５はメサ４３の上面に開口部を有する。コンタクト層４９の上面に電極２７が設けられている。電極２７は例えば金（Ａｕ）などの金属で形成されている。
【0027】
接合層４２は例えば厚さ１８２ｎｍのインジウムリン（ＩｎＰ）で形成されている。クラッド層４４は例えば厚さが１８０ｎｍのｎ型インジウムリン（ｎ－ＩｎＰ）で形成されている。ｎ型のドーパントとして例えばＳｉが用いられる。クラッド層４８は、例えば厚さ１７００ｎｍのｐ型インジウムリン（ｐ－ＩｎＰ）で形成されている。接合層４２、クラッド層４４および４８それぞれの屈折率は、活性層４６の屈折率より低く、例えば波長１．５５μｍにおいて３．１７である。コンタクト層４９は、例えばｐ＋型のガリウムインジウム砒素（（ｐ＋）－ＧａＩｎＡｓ）で形成されている。ｐ型のドーパントとして例えば亜鉛（Ｚｎ）が用いられる。
【0028】
活性層４６は多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を有しており、複数の井戸層と複数のバリア層とを含む。複数の井戸層と複数のバリア層とは交互に積層されている。１つの井戸層は、例えば厚さ６ｎｍのＧａＩｎＡｓＰで形成されている。１つのバリア層は、例えば厚さ１０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰで形成されている。活性層４６の厚さは例えば９０ｎｍである。活性層４６の屈折率は、例えば波長１．５５μｍにおいて３．４４である。
【0029】
光閉じ込め層４５および４７は、例えばアンドープのガリウムインジウム砒素リン（ｉ－ＧａＩｎＡｓＰ）で形成されている。光閉じ込め層４５の厚さは例えば８０ｎｍである。光閉じ込め層４７の厚さは例えば１００ｎｍである。光閉じ込め層４５および４７のバンドギャップ波長は、例えば１．２μｍであり、半導体光素子１００で入出力される光の波長よりも短い。光閉じ込め層４５および４７の屈折率は、例えば波長１．５５μｍにおいて３．３４である。半導体素子４０の半導体層のそれぞれは、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成されており、上記以外の半導体で形成されてもよい。
【0030】
メサ４３の幅Ｗ２は、例えば５００ｎｍ、５５０ｎｍ、６００ｎｍなどであり、数百ｎｍである。メサ４３と光導波路２０の部分３０との間の距離は、メサ４３と光導波路２０の部分３２との間の距離より大きい。図１Ｂに示す、光導波路２０の位相調整部２３と部分３２との間のＹ軸方向における距離Ｄ１は、例えば０．９μｍである。光導波路２０の部分３２はメサ４３の下まで延伸する。光導波路の幅方向は、光導波路の延伸方向に直交する。図１Ｂでは、幅方向はＹ軸方向に平行である。光導波路２０の部分３２において、メサ４３は光導波路２０の幅方向における１つの端部の上に位置し、もう１つの端部までは延伸しない。すなわち、光導波路２０の１つの端部はメサ４３の下に位置し、もう１つの端部は光導波路２０の外側に位置する。メサ４３と、光導波路２０の部分３２の一部とは、Ｚ軸方向から見たときに重なる。重なる部分の幅Ｗ３（オーバーラップ量、図２Ａ参照）は、例えば３００ｎｍ以上、４００ｎｍ以下などであり、数百ｎｍである。
【0031】
図２Ａの線Ｃ１は、Ｙ軸方向における光導波路２０の中心を表す。線Ｃ２は、Ｙ軸方向における光導波路４１の中心を表す。光導波路２０の中心と、光導波路４１の中心とは重ならず、互いに離間している。
【0032】
半導体素子４０と基板１０とはエバネッセント光結合する。光導波路２０の部分３２と半導体素子４０の光導波路４１とは、方向性結合器２１を形成し、光学的に結合する。図１Ｂに示す１つの方向性結合器２１における結合長Ｌ、つまり光導波路２０と光導波路４１とが重なり、かつ平行な部分の長さは、例えば５０μｍである。結合する部分から位相調整部２３までの距離Ｄ２は、例えば２０μｍである。
【0033】
例えば、光導波路２０の１つの端部を入射ポートＩＮ、光導波路４１の１つの端部を出射ポートＯＵＴとする。光導波路２０の入射ポートＩＮに光を入射する。光は光導波路２０を伝搬し、方向性結合器２１において光導波路２０から光導波路４１に遷移する。光導波路４１に遷移した光は、光導波路４１の端部から出射される。光導波路２０に設けられた位相調整部２３のヒータでは光導波路２０の屈折率が変化する。屈折率の変化によって、光の位相を調整し、位相整合が可能である。半導体光素子１００はマッハツェンダ干渉計として機能する。光導波路４１に設けられた電極２７に電圧を印加することで、光導波路４１は光学利得を持つようになる。
【0034】
【0035】
図３Ａは光導波路２０の実効屈折率を示している。図３Ｂは光導波路４１の実効屈折率を示している。図３Ａおよび図３Ｂに示すように、光導波路の幅が大きくなると実効屈折率は高くなる。光導波路２０および４１の幅を調整し、光導波路２０の実効屈折率と光導波路４１の屈折率を同程度の大きさとすることが好ましい。両者の屈折率がおおむね等しくなることで、方向性結合器２１において光導波路２０と光導波路４１との結合効率を高めることができる。
【0036】
図４は透過率を例示する図であり、光導波路２０から光導波路４１への光の透過率の計算結果を表す。横軸は、１つの方向性結合器２１における結合効率Ｘを表す。縦軸は、波長１．５５μｍの光を導波させたときの、光導波路２０から光導波路４１への光の透過率Ｔ（最大透過率）を表す。方向性結合器２１の数は３つとする。３つの方向性結合器２１の結合効率Ｘは互いに等しいものとする。
【0037】
結合効率Ｘは、光導波路２０と光導波路４１の実効屈折率、結合長Ｌ、およびオーバーラップ量Ｗ３を調整することにより設計される。透過率Ｔは、結合効率Ｘの関数として次式で表される。
Ｔ＝１６Ｘ３－２４Ｘ２＋９Ｘ
最大透過率Ｔ＝１００％を達成することのできる結合効率Ｘの範囲は、次式で表される。ただし以下の式ではＸは１００％を１として扱われている。
ｎが奇数の場合 １≧Ｘ≧ｓｉｎ２（π／（２ｎ））
ｎが偶数の場合 １－ｓｉｎ２（π／（２ｎ））≧Ｘ≧ｓｉｎ２（π／（２ｎ））
ｎは方向性結合器２１の数であり、図４の例ではｎ＝３である。上の二つの式に具体的な数値を入力すると、Ｘ（％）は以下のようになる。
ｎ＝１のとき、Ｘ＝１００％。
ｎ＝２のとき、Ｘ＝５０％。
ｎ＝３のとき、１００％≧Ｘ≧２５％
ｎ＝４のとき、８５．３５％≧Ｘ≧１４．６４％
ｎ＝５のとき、１００％≧Ｘ≧９．５４％
ｎ＝６のとき、９３．３０％≧Ｘ≧６．６９％
すなわち、ｎを３以上にする場合には、ｎが偶数の場合に比べてｎが奇数の方が、透過率Ｔを１００％とすることのできる結合率Ｘの範囲が広い。図４に示すように、ｎ＝３の場合、結合効率Ｘが２５％以上になると、透過率Ｔが１００％となる。つまり光導波路２０に光を入射し、光のすべてを光導波路４１から出射することができる。
Ｔ＝１６Ｘ３－２４Ｘ２＋９Ｘ
最大透過率Ｔ＝１００％を達成することのできる結合効率Ｘの範囲は、次式で表される。ただし以下の式ではＸは１００％を１として扱われている。
ｎが奇数の場合 １≧Ｘ≧ｓｉｎ２（π／（２ｎ））
ｎが偶数の場合 １－ｓｉｎ２（π／（２ｎ））≧Ｘ≧ｓｉｎ２（π／（２ｎ））
ｎは方向性結合器２１の数であり、図４の例ではｎ＝３である。上の二つの式に具体的な数値を入力すると、Ｘ（％）は以下のようになる。
ｎ＝１のとき、Ｘ＝１００％。
ｎ＝２のとき、Ｘ＝５０％。
ｎ＝３のとき、１００％≧Ｘ≧２５％
ｎ＝４のとき、８５．３５％≧Ｘ≧１４．６４％
ｎ＝５のとき、１００％≧Ｘ≧９．５４％
ｎ＝６のとき、９３．３０％≧Ｘ≧６．６９％
すなわち、ｎを３以上にする場合には、ｎが偶数の場合に比べてｎが奇数の方が、透過率Ｔを１００％とすることのできる結合率Ｘの範囲が広い。図４に示すように、ｎ＝３の場合、結合効率Ｘが２５％以上になると、透過率Ｔが１００％となる。つまり光導波路２０に光を入射し、光のすべてを光導波路４１から出射することができる。
【0038】
図５Ａは透過率のオーバーラップ量に対する依存性を例示する図である。横軸は、オーバーラップ量Ｗ３を表す。縦軸は光導波路２０から光導波路４１への最大透過率を表す。光の波長を１５５０ｎｍとし、オーバーラップ量Ｗ３を変数として透過率を計算した。
【0039】
図５Ａ中の破線は、光導波路４１の幅Ｗ２が５５０ｎｍの例である。実線は幅Ｗ２が６００ｎｍの例である。点線は幅Ｗ２が６５０ｎｍの例である。３つの例の全てにおいて、オーバーラップ量Ｗ３が２９０ｎｍから３６０ｎｍの範囲内で、光の損失を１ｄＢ未満に抑制することができる。
【0040】
図５Ｂは透過率の波長依存性を例示する図である。横軸は光の波長を表す。縦軸は透過率を表す。実線の例では、光導波路４１の幅Ｗ２が６００ｎｍ、オーバーラップ量Ｗ３が３３０ｎｍである。破線の例では、幅Ｗ２が６５０ｎｍ、オーバーラップ量Ｗ３が３３０ｎｍである。点線の例では、幅Ｗ２が５５０ｎｍ、オーバーラップ量Ｗ３が３３０ｎｍである。一点鎖線の例では、幅Ｗ２が６００ｎｍ、オーバーラップ量Ｗ３が３００ｎｍである。二点鎖線の例では、幅Ｗ２が６００ｎｍ、オーバーラップ量Ｗ３が３６０ｎｍである。Ｃバンド（１５３０ｎｍから１５６５ｎｍ）の全域で、光損失は１．８ｄＢ未満に抑制される。
【0041】
製造工程におけるレジストパターンのずれなどによって、光導波路２０の幅Ｗ１、光導波路４１の幅Ｗ２、オーバーラップ量Ｗ３にばらつきが生じる。図５Ａに示すように、例えばメサ４３の幅Ｗ２が６００±５０ｎｍの範囲内にあり、かつオーバーラップ量Ｗ３が２９０ｎｍから３６０ｎｍの範囲内にあれば、光の損失は１ｄＢ未満に抑制される。図５Ｂに示すように、光導波路４１の幅Ｗ２が６００±５０ｎｍの範囲内にあり、オーバーラップ量Ｗ３が３００ｎｍから３３０ｎｍにある場合、Ｃバンドの全体において光の損失は１．８ｄＢ未満に抑制される。
【0042】
第１実施形態によれば、基板１０はＳｉで形成された光導波路２０を有する。半導体素子４０は基板１０の上面に接合され、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で形成された光導波路４１を有する。光導波路２０と光導波路４１とが方向性結合器２１を形成することで、高い結合効率を得ることができる。光は方向性結合器２１において光導波路２０と光導波路４１との間を乗り移る。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、光の損失を抑制し、２つの光導波路に光を伝搬させることが可能である。
【0043】
光導波路４１に例えば幅が数百ｎｍ以下の細いテーパを設けることで、結合効率を高めることができる。しかし、アスペクト比の高い（厚さと幅との比が高い）エッチングによってテーパを形成することは困難である。第１実施形態によれば、光導波路４１にテーパを形成しなくてよい。光導波路２０と光導波路４１とを近づけることで、方向性結合器２１が形成され、結合効率を高めることができる。
【0044】
【0045】
具体的には、光導波路２０は部分３０と部分３２とを有する。部分３２と光導波路４１との間の距離は、部分３０と光導波路４１との間の距離より小さい。部分３２が光導波路４１に近いため、方向性結合器２１が形成される。例えばエッチングにより、Ｓｉ層１６に波状の光導波路２０を形成する。エッチングによって半導体素子４０のうち光導波路２０に近い位置にメサ４３を形成する。簡単な工程で方向性結合器２１を有する半導体光素子１００を製造することができる。
【0046】
図２Ａに示すように、光導波路２０の部分３２の中心（線Ｃ１）は、光導波路４１の中心（線Ｃ２）から離間している。すなわち、光導波路２０は、幅方向（Ｙ軸方向）において光導波路４１から離間し、かつ厚さ方向（Ｚ軸方向）においても光導波路４１から離間する。言い換えれば、ＹＺ平面に平行な面内において、光導波路２０と光導波路４１とは、互いに斜めに配置される。斜めに配置された光導波路２０と光導波路４１とが方向性結合器２１を形成する。結合効率を高め、２つの光導波路の間で光を遷移させることが可能である。
【0047】
例えば図２Ａに示すように、幅方向（Ｙ軸方向）において、光導波路４１は、光導波路２０の１つの端部の上に位置し、もう１つの端部までは延伸しない。つまり、Ｚ軸方向において、光導波路２０の一部は光導波路４１に重なり、別の一部は光導波路４１に重ならない。光導波路２０の幅Ｗ１（８８０ｎｍなど）に対して、光導波路２０と光導波路４１とのオーバーラップ量Ｗ３は、例えば３００ｎｍ±３０ｎｍなどである。オーバーラップ量Ｗ３は、幅Ｗ１の半分以下でもよいし、半分以上でもよい。
【0048】
半導体素子４０の接合層４２は、基板１０の上面に接合されている。メサ４３は接合層４２からＺ軸方向に突出し、光導波路４１を有する。光導波路４１は、基板１０よりも上に位置する。斜めに配置された光導波路２０と光導波路４１とが方向性結合器２１を形成する。結合効率を高め、２つの光導波路の間で光を遷移させることが可能である。
【0049】
メサ４３において、クラッド層４４、光閉じ込め層４５、活性層４６、光閉じ込め層４７、クラッド層４８、およびコンタクト層４９がこの順に積層されている。活性層４６は、多重量子井戸構造を有し、光導波路４１のコア層として機能する。活性層４６はクラッド層４４および４８に挟まれている。光を活性層４６に閉じ込め、損失を抑制することができる。
【0050】
基板１０はＳＯＩ基板であり、基板１２、ボックス層１４、およびＳｉ層１６を有する。Ｓｉ層１６に光導波路２０が設けられている。Ｓｉの光導波路２０と、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の光導波路４１とが、方向性結合器２１を形成することで、結合効率を高めることができる。
【0051】
図１Ｂおよび図２Ｂに示すように、基板１０は支持体２６を有する。支持体２６は、光導波路２０から離間しており、メサ４３の下に位置し、メサ４３と同じ方向（Ｘ軸方向）に延伸し、メサ４３を支持する。半導体光素子１００の機械的な強度が向上する。支持体２６の幅は、光導波路２０の幅Ｗ１より小さく、例えば１００ｎｍ以下であることが好ましい。支持体２６が細いことで、支持体２６の実効屈折率が光導波路２０および光導波路４１の実効屈折率よりも低くなる。光が支持体２６に広がりにくくなる。基板１０に支持体２６を設けず、基板１０のうちメサ４３の下の部分は溝２２でもよい。光の損失を抑制することができる。
【0052】
例えばメサ４３の下にテラス２４を設けることで、機械的強度を高めることができる。しかし、方向性結合器２１とテラス２４との間で、屈折率の不連続性が大きくなり、光の損失が増加する恐れがある。メサ４３を支持体２６の上に配置することで、機械的強度を高め、かつ屈折率の不連続性を低減することができる。
【0053】
図１Ａに示すように、半導体光素子１００は複数の方向性結合器２１を有する。複数の方向性結合器２１がＸ軸方向に沿って並ぶため、結合効率が高くなる。方向性結合器２１の個数は、例えば３個以上、５個以上などであり、奇数個であることが好ましい。
【0054】
位相調整部２３が、光導波路２０の部分３０に設けられている。位相調整部２３に設けられたヒータが発熱することで、位相調整部２３の温度が変化し、屈折率が変わる。光導波路２０を伝搬する光の位相を調整することができる。メサ４３に設けられた電極を用いてメサ４３に電流を流すことで、活性層４６で光を発生させることができる。発生した光は、方向性結合器２１において光導波路４１から光導波路２０に光結合する。光導波路２０に乗り移った光は、位相調整部２３で位相を調整されることで、次の方向性結合器２１において高い結合効率で光導波路４１に光結合することができる。また、メサ４３に設けられた電極２７を用いて、光導波路４１の屈折率を変化させることもできる。光導波路２０の実効屈折率と、光導波路４１の実効屈折率とを同程度の大きさとすることで、結合効率を高めることができる。
【0055】
（変形例）
図６は変形例に係る半導体光素子１００Ａを例示する断面図であり、図２Ａに対応する断面を図示している。図６の例においては、光導波路４１の全体が光導波路２０に重ならない。言い換えれば、オーバーラップ量はゼロである。Ｙ軸方向における光導波路２０と光導波路４１との間の距離は、例えば５００ｎｍ程度である。光導波路２０と光導波路４１とが近づくことで、方向性結合器２１が形成される。
図６は変形例に係る半導体光素子１００Ａを例示する断面図であり、図２Ａに対応する断面を図示している。図６の例においては、光導波路４１の全体が光導波路２０に重ならない。言い換えれば、オーバーラップ量はゼロである。Ｙ軸方向における光導波路２０と光導波路４１との間の距離は、例えば５００ｎｍ程度である。光導波路２０と光導波路４１とが近づくことで、方向性結合器２１が形成される。
【0056】
【0057】
【0058】
図７Ａおよび図７Ｂに示すように、基板１０は２つの光導波路２０を有する。２つの光導波路２０は、光導波路４１の幅方向の中心に沿って延伸する軸（Ｘ軸に平行な軸）を基準に線対称である。２つの光導波路２０のそれぞれと、光導波路４１とは方向性結合器２１を形成する。
【0059】
第２実施形態によれば、２つの光導波路２０と光導波路４１とが方向性結合器２１を形成するため、結合効率を高めることができる。光導波路２０を２本にすることで、光導波路２０が１本の場合に比べて、光導波路間の結合長（図１Ｂの長さＬ）を、１／（√２）倍とすることができる。
【0060】
図７Ｂの例では、２つの光導波路２０は光導波路４１に重ならない。２つの光導波路２０の一部が光導波路４１に重なってもよい。
【0061】
【0062】
図８Ａに示すように、基板１０は、光導波路２０、２つのリング共振器５０および２つのループミラー５２を有する。光導波路２０は、Ｘ軸方向において基板１０の１つの端部からもう１つの端部まで延伸する。光導波路２０の途中に、２つのリング共振器５０および２つのループミラー５２が設けられている。リング共振器５０およびループミラー５２は、光導波路２０と同様に、基板１０のＳｉ層１６に設けられ、Ｓｉのコアを有している。
【0063】
基板１０の上面のうち中央に半導体素子４０が接合されている。半導体素子４０の光導波路４１と、基板１０の光導波路２０とは、複数の方向性結合器２１を形成する。光導波路２０は方向性結合器２１以外の部分では、光導波路４１から離間する。半導体素子４０の端部は基板１０の端部から離間している。
【0064】
図８Ｂに示すように、半導体素子４０はＸ軸方向の両端にテーパ部５４を有する。テーパ部５４は、光導波路４１から離間し、光導波路２０の上に位置する。テーパ部５４は、半導体素子４０の外に向けて突出し、半導体素子４０から離れるほど細くなる、先細りの形状を有する。
【0065】
図８Ａに示すように、リング共振器５０およびループミラー５２は、Ｘ軸方向において半導体素子４０から離間している。半導体素子４０の１つの端部から基板１０の１つの端部に向けて、１つのリング共振器５０と１つのループミラー５２とが、この順に並ぶ。半導体素子４０のもう１つの端部から基板１０のもう１つの端部に向けて、１つのリング共振器５０と１つのループミラー５２とが、この順に並ぶ。リング共振器５０およびループミラー５２は、光導波路２０に光学的に結合されている。
【0066】
図９Ａは図８Ａの線Ｄ－Ｄに沿った断面図であり、方向性結合器２１を含む断面を図示している。図８Ａおよび図９Ａに示すように、光導波路２０と光導波路４１とはオーバーラップする。半導体素子４０は、電極６０および６２を有する。電極６０と電極６２とは互いに離間している。
【0067】
図９Ａに示すように、絶縁膜２５は接合層４２の上に開口部を有し、メサ４３の上に開口部を有する。電極６０はｎ型の電極であり、絶縁膜２５の開口部に設けられ、接合層４２に接触し、接合層４２に電気的に接続される。電極６２はｐ型の電極であり、パッド６２ａおよび接続部６２ｂを有する。パッド６２ａと接続部６２ｂとは、１つの金属層で形成され、電気的に接続されている。パッド６２ａは光導波路４１から離間し、絶縁膜２５の上に設けられている。接続部６２ｂはメサ４３の上に設けられ、絶縁膜２５の開口部を通じてコンタクト層４９に接触し、コンタクト層４９に電気的に接続される。
【0068】
電極６０は、例えば金、ゲルマニウムおよびＮｉの合金（ＡｕＧｅＮｉ）で形成される。電極６２は、例えばチタン、白金および金の積層体（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）で形成される。電極６０および６２は、さらに金（Ａｕ）の配線層を有する。
【0069】
図９Ｂは図８Ａの線Ｅ－Ｅに沿った断面図であり、メサ４３の先端を含み、方向性結合器２１を含まない断面を図示している。図９Ｂに示すように、光導波路２０と光導波路４１とは離間している。メサ４３のうち先端の部分に電極６２は設けられておらず、絶縁膜２５で覆われている。テーパ部５４は接合層４２から形成される。テーパ部５４は、光閉じ込め層４５、活性層４６、光閉じ込め層４７、クラッド層４８、およびコンタクト層４９を含まない。このためテーパ部５４を形成する際のエッチングのアスペクト比が低く抑えられる。
【0070】
半導体素子４０は光学利得を有しており、基板１０にエバネッセント光結合している。電極６０および電極６２を用いて半導体素子４０に電圧を印加することで、メサ４３に電流が流れる。活性層４６にキャリアを注入することで、活性層４６は光を生成する。方向性結合器２１において、光が半導体素子４０の光導波路４１から基板１０の光導波路２０に遷移する。
【0071】
光導波路２０を伝搬する光は、ループミラー５２で反射される。光が２つのループミラー５２で繰り返し反射され、レーザ発振する。レーザ光は、半導体光素子３００の外に出射される。
【0072】
（製造方法）
図１０Ａ、図１１Ａおよび図１２Ａは、半導体光素子３００の製造方法を例示する平面図である。図１０Ｂ、図１１Ｂおよび図１２Ｂは、対応する平面図の線Ｄ－Ｄに沿った断面図である。図１０Ｃおよび図１１Ｃは、対応する平面図の線Ｅ－Ｅに沿った断面図である。
図１０Ａ、図１１Ａおよび図１２Ａは、半導体光素子３００の製造方法を例示する平面図である。図１０Ｂ、図１１Ｂおよび図１２Ｂは、対応する平面図の線Ｄ－Ｄに沿った断面図である。図１０Ｃおよび図１１Ｃは、対応する平面図の線Ｅ－Ｅに沿った断面図である。
【0073】
図１０Ａから図１０Ｃに示す工程の前に、基板１０のＳｉ層１６にドライエッチングを行い、溝２２を形成する。エッチングされない部分に光導波路２０、テラス２４、リング共振器５０およびループミラー５２が形成される。例えば有機金属気相成長法（ＯＭＶＰＥ：Ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）などにより、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体のウェハに、接合層４２、クラッド層４４、光閉じ込め層４５、活性層４６、光閉じ込め層４７、クラッド層４８、およびコンタクト層４９をエピタキシャル成長する。ウェハをダイシングすることで、半導体素子４０を形成する。半導体素子４０にメサ４３、電極は形成されていない。
【0074】
図１０Ａから図１０Ｃに示すように、基板１０に半導体素子４０を接合する。具体的には、基板１０のＳｉ層１６の上面および半導体素子４０の接合層４２の表面に、基板１０の上面に窒素（Ｎ２）プラズマ処理を行い、活性化させる。活性化後の表面を、水中で超音波洗浄する。活性化後の面同士を接触させ、半導体素子４０を基板１０の上面に仮接合する。仮接合後、例えば３００℃で２時間のアニールを行い、水分を離脱させ、接合強度を強化する（Ｏ２結合）。２つのリング共振器５０および２つのループミラー５２は、半導体素子４０の外に位置する。光導波路２０のうち波状の部分は半導体素子４０に覆われる。
【0075】
エッチングマスクとなる絶縁膜を基板１０および半導体素子４０の上に形成する。フォトリソグラフィなどでレジストパターンを絶縁膜の上に形成し、エッチングによって絶縁膜にパターンを転写する（エッチングマスクおよびレジストパターンは不図示）。エッチングマスクを用いてエッチングを行う。例えばメタンと水素との混合ガス（ＣＨ４／Ｈ２）や塩素系のガスを用いたＲＩＥ、およびウェットエッチングを行い、半導体素子４０にメサ４３を形成する。メサ４３以外の部分では、接合層４２が露出する。マスクとして用いた絶縁膜は、バッファードフッ酸（ＢＨＦ：Ｂｕｆｆｅｒｅｄ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）を用いたウェットエッチングで除去する。さらに接合層４２にエッチングを行い、テーパ部５４を形成する。テーパ部５４は、光閉じ込め層４５、活性層４６、光閉じ込め層４７、クラッド層４８、およびコンタクト層４９を含まないので、テーパ部５４が形成されるときのエッチングのアスペクト比は低い。このためテーパ部５４の細い先端の形状を精度よく形成できる。
【0076】
図１１Ａから図１１Ｃに示すように、例えば化学気相成長法（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などで、絶縁膜２５を形成する。絶縁膜２５は、基板１０および半導体素子４０を覆う。例えばウェットエッチングで絶縁膜２５に開口部を形成する。図１１Ｂに示すように、１つの開口部２５ａはメサ４３から離間した位置に設けられ、１つの開口部２５ｂはメサ４３の上に形成される。
【0077】
図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、例えば真空蒸着およびリフトオフにより、電極６０および６２を形成する。例えばメッキ処理により、Ａｕの配線層を形成してもよい。ウェハ状態の基板１０をダイシングすることで、半導体光素子３００が形成される。
【0078】
第３実施形態によれば、半導体光素子３００はレーザ素子として機能する。光学利得を有する半導体素子４０は光を発生させる。半導体素子４０の光導波路４１と基板１０の光導波路２０とが方向性結合器２１を形成するため、光が２つの光導波路の間で遷移する。光は光導波路２０を伝搬し、２つのループミラー５２で反射され、レーザ発振する。半導体光素子３００は、基板１０の端部から外に向けてレーザ光を出射することができる。
【0079】
半導体光素子３００において、図６のように、光導波路２０と光導波路４１とを離間させてもよい。２つの光導波路２０が設けられてもよい。基板１０には、リング共振器５０およびループミラー５２以外の光学素子を設けてもよい。
【0080】
＜第４実施形態＞
図１３Ａは第４実施形態に係る半導体光素子４００を例示する平面図である。図１３Ｂは図１３Ａの線Ｅ－Ｅに沿った断面図である。第１実施形態から第３実施形態のいずれかと同じ構成については、説明を省略する。図１３Ａに示すように、半導体光素子４００は光導波路２０および光導波路４１を有する。光導波路２０と光導波路４１とは、１つの方向性結合器２１を形成する。
図１３Ａは第４実施形態に係る半導体光素子４００を例示する平面図である。図１３Ｂは図１３Ａの線Ｅ－Ｅに沿った断面図である。第１実施形態から第３実施形態のいずれかと同じ構成については、説明を省略する。図１３Ａに示すように、半導体光素子４００は光導波路２０および光導波路４１を有する。光導波路２０と光導波路４１とは、１つの方向性結合器２１を形成する。
【0081】
光導波路２０および光導波路４１は、Ｘ軸方向に延伸する。光導波路２０は、Ｘ軸方向における基板１０の１つの端部から、基板１０の途中まで延伸する。光導波路２０の１つの端部は基板１０の端部に位置し、入射ポートＩＮとして機能する。光導波路２０のもう１つの端部はテーパ部７０を有する。光導波路２０のうち、テーパ部７０以外の部分は直線状である。光導波路２０のうち入射ポートＩＮに近い部分は、半導体素子４０の接合層４２から露出する。光導波路２０のうちテーパ部７０およびテーパ部７０に近い部分は、接合層４２に覆われる。
【0082】
光導波路４１は、基板１０の途中から、入射ポートＩＮと反対の基板１０の端部まで延伸する。光導波路４１の当該端部が出射ポートＯＵＴである。
【0083】
光導波路２０は、入射ポートＩＮとは反対の先端部にテーパ部７０を有する。光導波路２０のテーパ部７０と、光導波路４１とが方向性結合器２１を形成する。テーパ部７０は、Ｘ軸に対して対称な形状を有する。光導波路２０のＹ軸方向における１つの端部２０ａ（第１端部）およびもう１つの端部２０ｂ（第２端部）は、Ｘ軸から傾斜し、光導波路４１に近づく。端部２０ａおよび端部２０ｂがテーパ部７０を形成する。テーパ部７０は、光導波路２０の先端から遠ざかるほど太く、先端に近づくほど細い。
【0084】
図１３Ａに示す方向性結合器２１における光導波路２０と光導波路４１との結合長Ｌ１は、例えば２００μｍである。光導波路２０のうち接合層４２の端部からテーパ部７０までの距離Ｌ２は例えば１５μｍである。テーパ部７０の２つの端部のうち、入射ポートＩＮに近い方の端部における幅Ｗ４は、例えば１２００ｎｍである。テーパ部７０のもう１つの端部（先端）における光導波路２０の幅Ｗ５は、幅Ｗ４より小さく、例えば４００ｎｍである。図１３Ｂに示す光導波路２０の厚さＴ１は例えば２２０ｎｍである。光導波路２０の中心（線Ｃ１）と光導波路４１の中心（線Ｃ２）との間の距離ｇは０ｎｍ以上であり、数百ｎｍとしてもよい。距離ｇが０ｎｍのとき、光導波路２０の中心と光導波路４１の中心とは重なる。
【0085】
入射ポートＩＮから、光導波路２０に光を入射する。光は光導波路２０を伝搬し、方向性結合器２１において光導波路２０から光導波路４１に遷移する。光導波路４１に遷移した光は、光導波路４１の出射ポートＯＵＴから出射される。
【0086】
第４実施形態によれば、光導波路２０のテーパ部７０と光導波路４１とが方向性結合器２１を形成する。このため高い結合効率を得ることができる。光は方向性結合器２１において光導波路２０から光導波路４１に乗り移る。光の損失を抑制し、出射ポートＯＵＴから光を出射させることが可能である。
【0087】
Ｓｉ層１６にエッチングを行い、光導波路２０にテーパ部７０を設けることができる。半導体素子４０に多段テーパを形成しなくてよい。工程が簡略化される。光導波路２０の幅Ｗ４およびＷ５、光導波路４１の幅Ｗ２、光導波路間の距離ｇなどの寸法には、ずれが生じることがある。第４実施形態によれば、光導波路２０がテーパ部７０を有するため、寸法のずれに対するトレランスが向上する。寸法に誤差が生じた場合でも、高い結合効率を維持し、特性の劣化が抑制される。
【0088】
＜第５実施形態＞
図１４は第５実施形態に係る半導体光素子５００を例示する平面図である。第１実施形態から第４実施形態のいずれかと同じ構成については、説明を省略する。光導波路２０のテーパ部７０と、光導波路４１とが方向性結合器２１を形成する。テーパ部７０は、Ｘ軸に対して非対称な形状を有する。光導波路２０のＹ軸方向における１つの端部２０ａ（第１端部）は、Ｘ軸に平行であり、直線状に延伸する。光導波路２０のもう１つの端部２０ｂ（第２端部）は、Ｘ軸から傾斜し、光導波路４１に近づく。端部２０ａおよび端部２０ｂがテーパ部７０を形成する。
図１４は第５実施形態に係る半導体光素子５００を例示する平面図である。第１実施形態から第４実施形態のいずれかと同じ構成については、説明を省略する。光導波路２０のテーパ部７０と、光導波路４１とが方向性結合器２１を形成する。テーパ部７０は、Ｘ軸に対して非対称な形状を有する。光導波路２０のＹ軸方向における１つの端部２０ａ（第１端部）は、Ｘ軸に平行であり、直線状に延伸する。光導波路２０のもう１つの端部２０ｂ（第２端部）は、Ｘ軸から傾斜し、光導波路４１に近づく。端部２０ａおよび端部２０ｂがテーパ部７０を形成する。
【0089】
第５実施形態によれば、光導波路２０のテーパ部７０と光導波路４１とが方向性結合器２１を形成する。このため高い結合効率を得ることができる。光は方向性結合器２１において光導波路２０から光導波路４１に乗り移る。光の損失を抑制し、出射ポートＯＵＴから光を出射させることが可能である。第５実施形態によれば、光導波路２０がテーパ部７０を有するため、寸法のずれに対するトレランスが向上する。
【0090】
図１５Ａおよび図１５Ｂは結合効率の計算結果を例示する図である。ＴＥ０モードが光導波路２０から入射し、光導波路４１に励振されるものとする。フルベクトルビーム伝搬法により、３つの波長（１５３０ｎｍ、１５４７．５ｎｍ、１５６５ｎｍ）における結合効率の最悪値を計算する。図１５Ａおよび図１５Ｂの結合効率は、第５実施形態（片側テーパの例）における結合効率の最大値で規格化されている。図１５Ａおよび図１５Ｂ中の数値（０．３、０．８、０．９など）は、規格化された結合効率を表す。規格化された結合効率の最大値は１である。結合効率が１から低下するほど、特性が劣化していく。
【0091】
【0092】
図１５Ａは第４実施形態における結合効率を表す。図１５Ａに示すように、距離ｇは、おおよそ－８００ｎｍから８００ｎｍの範囲で変化させる。距離ｇが０のとき、光導波路２０の中心は光導波路４１の中心に重なる。距離ｇが正の値のとき、図１３Ｂにおいて光導波路２０の中心は光導波路４１の中心より左に位置する。距離ｇが負の値のとき、図１３Ｂにおいて光導波路２０の中心は光導波路４１の中心より右に位置する。幅Ｗ２は４５０ｎｍから７００ｎｍの範囲で変化させる。
【0093】
図１３Ａの例ではテーパ部７０は対称な形状であるため、図１５Ａの結合効率は距離ｇ＝０を基準に対称である。距離ｇが０付近、かつ幅Ｗ２が４５０ｎｍから６００ｎｍにおいて、規格化後の結合効率は０．８以上である。距離ｇが５００ｎｍから６００ｎｍ、かつ幅Ｗ２が５５０ｎｍから６００ｎｍ付近の場合、結合効率は０．８以上である。距離ｇが１００ｎｍから４００ｎｍ、かつ幅Ｗ２が４５０ｎｍから５５０ｎｍ程度の場合、結合効率は０．５以下である。不要なモード変換が生じると考えられる。
【0094】
【0095】
距離ｇが０付近から２００ｎｍ、かつ幅Ｗ２が４５０ｎｍから５５０ｎｍにおいて、結合効率は０．５以下である。距離ｇが２００ｎｍ以上において、広い範囲で高い結合効率が得られる。距離ｇが４００ｎｍ付近、かつ幅Ｗ２が４５０ｎｍから６５０ｎｍまでにおいて、結合効率は０．９以上である。
【0096】
図１５Ａおよび図１５Ｂに示すように、距離ｇおよび幅Ｗ２を適切な範囲内とすることで、結合効率を向上させることができる。図１５Ａの例では、距離ｇについては０を中心として１００ｎｍ程度の誤差が生じても、幅Ｗ２は４５０ｎｍから６００ｎｍの１５０ｎｍの範囲内とすることで、結合効率を０．８以上とすることができる。図１５Ｂの例では、距離ｇは４００ｎｍを中心に±１５０ｎｍ程度の誤差、および幅Ｗ２は５５０ｎｍを中心に±１００ｎｍ程度の誤差が生じても、結合効率は０．８以上とすることができる。Ｃバンド全域で高い結合効率を得ることができる。
【0097】
以上、本開示の実施形態について詳述したが、本開示は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本開示の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【0098】
１０、１２ 基板
１４ ボックス層
１６ Ｓｉ層
２０、４１ 光導波路
２１ 方向性結合器
２２ 溝
２３ 位相調整部
２４ テラス
２５ 絶縁膜
２５ａ、２５ｂ 開口部
２６ 支持体
２７、６０、６２ 電極
３０、３２ 部分
４０ 半導体素子
４２ 接合層
４３ メサ
４４、４８ クラッド層
４５、４７ 光閉じ込め層
４６ 活性層
４９ コンタクト層
５０ リング共振器
５２ ループミラー
５４ テーパ部
６２ａ パッド
６２ｂ 接続部
７０ テーパ部
２０ａ、２０ｂ 端部
１００、１００Ａ、２００、３００、４００、５００ 半導体光素子
ＩＮ 入射ポート
ＯＵＴ 出射ポート
１４ ボックス層
１６ Ｓｉ層
２０、４１ 光導波路
２１ 方向性結合器
２２ 溝
２３ 位相調整部
２４ テラス
２５ 絶縁膜
２５ａ、２５ｂ 開口部
２６ 支持体
２７、６０、６２ 電極
３０、３２ 部分
４０ 半導体素子
４２ 接合層
４３ メサ
４４、４８ クラッド層
４５、４７ 光閉じ込め層
４６ 活性層
４９ コンタクト層
５０ リング共振器
５２ ループミラー
５４ テーパ部
６２ａ パッド
６２ｂ 接続部
７０ テーパ部
２０ａ、２０ｂ 端部
１００、１００Ａ、２００、３００、４００、５００ 半導体光素子
ＩＮ 入射ポート
ＯＵＴ 出射ポート
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図12A】
【図12B】
【図13A】
【図13B】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【手続補正書】
【提出日】2023-01-26
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0026】
絶縁膜２５は、メサ４３の側面および接合層４２の上面を覆う。絶縁膜２５は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）など絶縁体で形成されている。絶縁膜２５の厚さは例えば１００ｎｍ以上、６００ｎｍ以下などである。絶縁膜２５はメサ４３の上面に開口部を有する。コンタクト層４９の上面に電極２７が設けられている。電極２７は例えば金（Ａｕ）などの金属で形成されている。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0074】
図１０Ａから図１０Ｃに示すように、基板１０に半導体素子４０を接合する。具体的には、基板１０のＳｉ層１６の上面および半導体素子４０の接合層４２の表面に、窒素（Ｎ２）プラズマ処理を行い、活性化させる。活性化後の表面を、水中で超音波洗浄する。活性化後の面同士を接触させ、半導体素子４０を基板１０の上面に仮接合する。仮接合後、例えば３００℃で２時間のアニールを行い、水分を離脱させ、接合強度を強化する（Ｏ２結合）。２つのリング共振器５０および２つのループミラー５２は、半導体素子４０の外に位置する。光導波路２０のうち波状の部分は半導体素子４０に覆われる。
【手続補正3】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図1】
【手続補正4】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図8A】
【手続補正5】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１３Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図13A】
【手続補正書】
【提出日】2023-02-08
【手続補正1】
【補正対象書類名】手続補正書
【補正対象項目名】手続補正３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正3】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図1A】