特開 2024-161334 ＩｎＧａＰ層を有するヘテロジニアス集積フォトニックプラットフォーム

(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】P2024161334

(43)【公開日】2024-11-19

(54)【発明の名称】ＩｎＧａＰ層を有するヘテロジニアス集積フォトニックプラットフォーム

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/026 20060101AFI20241112BHJP

   H01S 5/323 20060101ALI20241112BHJP

   H01S 5/042 20060101ALI20241112BHJP

   H01S 5/22 20060101ALI20241112BHJP

   G02B 6/12 20060101ALI20241112BHJP

【ＦＩ】

H01S5/026 618

H01S5/323

H01S5/042 612

H01S5/22

G02B6/12

【審査請求】有

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023113077

(22)【出願日】2023-07-10

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2024-08-26

(31)【優先権主張番号】18/313,347

(32)【優先日】2023-05-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】522194599

【氏名又は名称】ネクサス・フォトニクス・インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】チョン・ジャン

(72)【発明者】

【氏名】ゼユ・ジャン

(72)【発明者】

【氏名】ミン・トラン

(72)【発明者】

【氏名】ティン・コムリェノヴィッチ

【テーマコード（参考）】

2H147

5F173

【Ｆターム（参考）】

2H147AB10

2H147AC02

2H147BA15

2H147BB09

2H147EA05A

2H147EA12A

2H147EA14A

2H147FC01

2H147FC02

2H147FC03

2H147FC07

2H147FC08

5F173AB13

5F173AD15

5F173AF32

5F173AG05

5F173AH03

5F173AH08

5F173AK02

5F173AP32

5F173AP33

5F173AP37

5F173AQ03

5F173AR99

(57)【要約】      （修正有）

【課題】本発明はＧａＡｓバンドギャップ波長の周辺および下で動作し、より良い性能のアクティブデバイスを提供するためにアクティブ導波路とパッシブ導波路との間の効率的なカップリングを促進するバットカップリングおよびテーパ構造を使用するヘテロジニアスレーザーおよびＰＩＣを対象とする。
【解決手段】ヘテロジニアスデバイス１００はパッシブ導波路構造１０８およびアクティブ導波路構造を含む。前記パッシブ導波路構造は基板１０５に取り付けられ、誘電体層を含む。前記アクティブ導波路構造は前記パッシブ導波路構造の上面に取り付けられ、ＩｎＧａＰ層１０１－１の上にある量子井戸層を含む。前記ＩｎＧａＰ層はｎコンタクト機能を提供する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ヘテロジニアスデバイスであって、
基板に取り付けられたパッシブ導波路構造であって、前記パッシブ導波路構造は誘電体層を含む、パッシブ導波路構造と、
前記パッシブ導波路構造の上面に取り付けられたアクティブ導波路構造であって、前記アクティブ導波路構造はＩｎＧａＰ層の上にある量子井戸層を含む、アクティブ導波路構造と、を含み、
前記ＩｎＧａＰ層がｎコンタクト機能を提供する、ヘテロジニアスデバイス。

【請求項2】

前記ＩｎＧａＰ層が、５０ｎｍから５００ｎｍの間の厚さによって特徴づけられる、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項3】

前記ＩｎＧａＰ層が、１ｅ１８以上のドーピング濃度によって特徴づけられる、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項4】

前記ＩｎＧａＰ層が前記アクティブ導波路構造の底面と前記パッシブ導波路構造の上面との間の接着層として機能する、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項5】

前記ＩｎＧａＰ層が超格子内の層であり、
前記超格子は前記アクティブ導波路構造の接着界面を含む、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項6】

前記パッシブ導波路構造が、ＳｉＮ、ＳｉＮＯ_ｘ、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、（ドープされた）ＳｉＯ_２、ＬｉＮｂＯ_３およびＡｌＮのうちの少なくとも１つを含む誘電体層を含む、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項7】

前記誘電体層が、５０ｎｍから６００ｎｍの間の厚さによって特徴づけられる、請求項６に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項8】

前記ＩｎＧａＰ層へのコンタクトのための金属化が、Ｐｄ、Ｇｅ、ＡｕおよびＮｉのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項9】

前記アクティブ導波路構造が前記量子井戸層の上にあるｐクラッド層を含み、
前記ｐクラッド層は４００ｎｍより大きな厚さで特徴づけられる、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項10】

前記アクティブ導波路構造が接着されている前記パッシブ導波路構造の上面は、１ｎｍ ＲＭＳ未満の粗さによって特徴づけられる、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項11】

前記アクティブ導波路構造が、１μｍ≦Ｗ_Ｍ≦５μｍの幅Ｗ_Ｍのメサによって特徴づけられる断面形状を有する、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項12】

前記断面形状が、Ｗ_Ａ＝Ｗ_Ｍ＋２μｍであるアクティブ幅Ｗ_Ａによってさらに特徴づけられる、請求項１１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項13】

前記アクティブ導波路構造が、５μｍ＜Ｗ_Ｍの幅Ｗ_Ｍのメサによって特徴づけられる断面形状を有する、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項14】

前記アクティブ導波路構造が、前記量子井戸層の上にあり、エッチストップ層として機能する第２のＩｎＧａＰを含む、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項15】

ヘテロジニアスデバイスであって、
基板に取り付けられたパッシブ導波路構造であって、前記パッシブ導波路構造は半導体層を含む、パッシブ導波路構造と、
半導体導波路構造の上面に取り付けられたアクティブ導波路構造であって、前記アクティブ導波路構造はＩｎＧａＰ層の上にある量子井戸層を含む、アクティブ導波路構造と、を含み、
前記ＩｎＧａＰ層がｎコンタクト機能を提供する、ヘテロジニアスデバイス。

【請求項16】

前記半導体導波路構造が、１．５ｅＶ以上のバンドギャップを有する半導体層を含む、請求項１５に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項17】

前記ＩｎＧａＰ層が、５０ｎｍから５００ｎｍの間の厚さによって特徴づけられる、前記請求項１５に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項18】

前記ＩｎＧａＰ層が、１ｅ１８以上のドーピング濃度によって特徴づけられる、請求項１５に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項19】

前記ＩｎＧａＰ層が前記アクティブ導波路構造の底面と誘電体導波路構造の上面との間の接着層として機能する、請求項１５に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項20】

前記ＩｎＧａＰ層が超格子内の層であり、
前記超格子は前記アクティブ導波路構造の接着界面を含む、請求項１５に記載のヘテロジニアスデバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、フォトニック集積回路に関連する。より具体的には、本発明の特定の実施形態は、ヘテロジニアス集積レーザーと、光学的にカップリングされた異種材料を使用して短波長で動作する導波路を有するアクティブ構成要素との改善された性能に関連する。

【背景技術】

【0002】

フォトニック集積回路（ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ： ＰＩＣ）または集積光回路は、複数のフォトニック機能を集積したデバイスであり、電子集積回路に類似している。２つの間の大きな違いは、フォトニック集積回路は光搬送波に乗せられた情報信号のための機能を提供するということである。フォトニック集積回路のためにもっとも商業的に利用されている材料プラットフォームは、リン化インジウム（ＩｎＰ）であり、同じチップ上で様々な光学的にアクティブおよびパッシブな機能の集積を可能にする。多くの現在のＰＩＣはＩｎＰプラットフォームにおいて実現されているが、ＰＩＣの実現のためにＩｎＰではなくシリコンを使用する重要な研究が過去１０年間にあり、シリコンのいくつかの優れた特性および優れた処理能力に起因して、それは既に電子集積回路のためになされた投資を活用する。

【0003】

シリコンをＰＩＣのために利用することにおける最大の欠点は、シリコンは電気ポンプ源を提供することを困難にする間接バンドギャップ材料であるということである。この問題は、一般的に、別々のプロセスで異種材料から作られた２つ以上のチップを含むＰＩＣを組み立てることによって解決される。このような手法は非常に細かな位置合わせの必要性に起因して困難であり、パッケージングコストを増加させ、スケーリングの制限をもたらす。バンドギャップ問題を解決する別の手法は、２つの異種材料を接着してそれらを一緒に処理し、異種材料のより大きな部品または完全なウエハの接着の間の正確な位置合わせの必要性を取り除き、大量生産を可能にすることである。この開示において、我々は「ハイブリッド（ｈｙｂｒｉｄ）」という用語を、別々に処理された部品の正確な組み立てを含む第１の手法を記述するのに使用し、我々は「ヘテロジニアス（ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ）」という用語を、２つの材料を接着し、その後接着した結果物を処理して導波路および他の目的の構成要素を画定する後者の手法を記述するのに使用する。

【0004】

異種材料の間で光信号を伝送するために、ヘテロジニアス手法は、その寸法が異種材料の有効モード屈折率が一致するまで次第に減少するテーパを利用し、効率的な電力伝送がある。この手法は、シリコンおよびＩｎＰの場合のように、材料が屈折率において小さな差を有するときに一般にうまく働く。例えばＳｉＮおよびＧａＡｓ（およびその三元系や四元系）の間など、有効屈折率においてより大きな差がある場合には、テーパ先端寸法への要件は法外なものになり、効率的なパワー伝送を制限する。具体的に、（数十ナノメートルのオーダーの）極端に小さなテーパ先端幅が、良いカップリングを提供するために必要であり得る。そのような寸法を達成することは複雑であり、ひどく高いコストがかかる。

【0005】

ＩｎＰおよびシリコン系のＰＩＣは多くの現在の必要に対処するが、それらはいくつかの制限を有する；とりわけ、動作波長範囲が損失を増加させる材料吸収により制限されるという事実、およびＰＩＣが扱うことができる最大の光強度、および結果的に光パワーに制限があるという事実がある。これらの制限に対処するため、ＳｉＮ、ＳｉＮＯ_ｘ、ＬｉＮｂＯ_３、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＡｌＮまたはその他などの代替の導波路材料が検討されてきた。一般に、そのような誘電体導波路は、より良いハイパワーハンドリングおよびより短い波長における透明性を提供するより高いバンドギャップエネルギーを有するが、一般にそのような材料はより低い屈折率も有する。例えば、約５ｅＶのバンドギャップを有するＳｉＮは約２の屈折率を有し、ＡｌＮは約６ｅＶのバンドギャップおよび約２の屈折率を有し、約８．９ｅＶのバンドギャップを有するＳｉＯ_２は約１．４４の屈折率を有する。比較すると、ＧａＡｓの屈折率＞３である。このことは、テーパ手法を困難にする。

【0006】

代替のハイブリッド手法は、既に上で述べた欠点、すなわち正確な位置合わせの必要性、およびそれに応じて複雑なパッケージングとスケーリングの制限に苦しむ。

【0007】

上で議論した問題に対する最近の手法は、極端に小さなテーパ幅の必要性なしに使用されるヘテロジニアスプロセスを可能にするために、モード変換器と組み合わせてバットカップリングを用いる米国特許第１０，８５９，７６４号明細書で発表された。より長い波長で動作するときには良い性能を提供するが、より短い波長で動作するときは主にコンタクト層に関する制限に起因してこれはより困難となる。多くのネイティブレーザー（例えば同じ種類の基板上に作製された市販のＩｎＰまたはＧａＡｓレーザー）において電流は典型的には上から下に広がるため、たとえそれらの層が動作波長において吸収性であっても、コンタクト層からの損失を制御するために厚いクラッドが使用されることができる。典型的なヘテロジニアス集積において、電流は通常上から横に広がるので、モードはコンタクト層のうちの少なくとも１つと大きな重なりを有する。ヘテロジニアスなシリコン集積のためには、例えばＫｏｍｌｊｅｎｏｖｉｃ ｅｔ ａｌ、 “Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｕｓｉｎｇ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ” （ＤＯＩ： ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１１０９／ＪＰＲＯＣ．２０１８．２８６４６６８）を参照し、ヘテロジニアスな窒化ケイ素集積のためには例えばＴｒａｎ ｅｔ ａｌ、 “Ｅｘｔｅｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｆｕｌｌｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ｔｏ ｓｕｂｍｉｃｒｏｍｅｔｒｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ” （ＤＯＩ： ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０３８／ｓ４１５８６－０２２－０５１１９－９）を参照されたい。前者のヘテロジニアス集積の手法は典型的に１２５０ｎｍから１７００ｎｍまでの波長範囲をカバーするために使用される一方、バットカップリングおよびモード変換を含む後者の手法は約９７５ｎｍから１０５０ｎｍまでの波長範囲をカバーするために使用されており、下は約９００ｎｍまで動作することができる。

【0008】

１つの提案された解決法は、米国特許出願第１８，０７１，２３９号明細書、で議論されるように、底部コンタクトが光モードから遠く離れるようクラッド厚さを増加させることであるが、この手法はより複雑なカップリング構造（典型的には１より多い層を有する）およびより複雑な全体のプロセスを必要とする可能性がある一方、依然としてゲイン／アクティブ構造とパッシブ構造との間で比較的高いカップリング損失が生じる。より高い損失の主な理由のうちの１つは、アクティブ構造およびパッシブ構造における光モードの中心の大きな垂直オフセットである。この大きなオフセットは、エバネッセント的にアクティブ構造にカップリングし、分布帰還型（ｄｅｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ：ＤＦＢ）レーザーを作製する一般的な方法である周期構造を画定するためにパッシブ構造を使用する能力も制限する。

【0009】

多くの用途が波長９００ｎｍより下で動作する光源およびＰＩＣを必要とする。これに対し、ＧａＡｓ系ゲイン材料システムが下は波長６３０ｎｍまで良い性能を提供する。ＧａＡｓレーザーは、そのバンドギャップが約８７０ｎｍであり、バンドギャップ波長の周辺または下で動作するレーザーの光モードがコンタクト層との重なりを有する場合に非常に高い損失をもたらすＧａＡｓコンタクトを典型的には利用する。より短い波長において透明性を提供するために、Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓが時にクラッドとして使用され、コンタクトとして用いられ得るが、高いＡｌ濃度は、ヘテロジニアスレーザーの多くの態様で重大な困難を有する。処理するのが困難であり、より高い損失をもたらす可能性があり、信頼性の懸念を有し、それと良いコンタクトを作製するのは非常に困難であり（基板と、接着された材料との間の熱膨張係数の差に起因してヘテロジニアスレーザーにおいて熱収支の制限がある）、高い歩留まりで接着するのは困難である。これらすべての理由のために、ＧａＡｓバンドギャップ波長の下で動作することができる高性能なヘテロジニアスレーザーに対する必要性があることは明らかである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】米国特許第１０，８５９，７６４号明細書

【特許文献2】米国特許出願第１８，０７１，２３９号明細書

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】Ｋｏｍｌｊｅｎｏｖｉｃ ｅｔ ａｌ、 “Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｕｓｉｎｇ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ” （ＤＯＩ： ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１１０９／ＪＰＲＯＣ．２０１８．２８６４６６８）

【非特許文献2】Ｔｒａｎ ｅｔ ａｌ、 “Ｅｘｔｅｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｆｕｌｌｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ｔｏ ｓｕｂｍｉｃｒｏｍｅｔｒｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ” （ＤＯＩ： ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０３８／ｓ４１５８６－０２２－０５１１９－９）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明はＧａＡｓバンドギャップ波長の周辺および下で動作し、より良い性能のアクティブデバイスを提供するためにアクティブ導波路とパッシブ導波路との間の効率的なカップリングを促進するバットカップリングおよびテーパ構造を使用するヘテロジニアスレーザーおよびＰＩＣを対象とする。特に、以下に記述される実施形態は、高い歩留まりの接着、高性能コンタクトおよび高い均一性と歩留まりを有するロバストな半導体加工を支援するレーザー構造の詳細な設計に関係している。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】端から見た断面図で示された、本発明の一実施形態によるデバイスを示す。

【図2】例示的なヘテロジニアスレーザーにおけるいくつかの閉じ込め係数へのコンタクト層厚さの影響を示し、３つの例示的なモード形状を提供する。

【図3】本発明のいくつかの実施形態によるデバイスの６つの端から見た断面図を示し、同じものを作製するための加工ステップを例示する。

【図4】本発明のいくつかの実施形態によるデバイスの断面図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0014】

ウエハ接合および異種材料の堆積を使用し、モード変換およびバットカップリング方式の使用により光カップリングが改善されるフォトニック集積回路の実現のためのプラットフォームの実施形態を本明細書において説明する。より具体的には、本発明の特定の実施形態は、短波長で動作した際に高い歩留まりの接着、高性能コンタクトならびに高い均一性及び歩留まりを有するロバスト加工を支援するレーザー構造の詳細な設計に関連する。

【0015】

以下の詳細な説明において、本明細書の一部を形成する添付図面が参照され、添付図面では全体を通して同様の符号は同様の部分を示し、本開示の主題を実施することができる実施形態が例示として示される。他の実施形態が利用されてもよく、本開示の範囲から逸脱することなく構造的または論理的変更が行われてもよいことが理解されるべきである。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではなく、実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される。

【0016】

説明では、上部／底部（ｔｏｐ／ｂｏｔｔｏｍ）、内側／外側、上／下（ｏｖｅｒ／ｕｎｄｅｒ）などの視点に基づく説明を使用する場合がある。このような説明は、単に議論を容易にするために使用されるものであり、本明細書に記載される実施形態の適用を特定の方向に制限することを意図するものではない。説明では、「ある実施形態において」または「実施形態において」という語句が使用される場合があり、これらはそれぞれ、１つまたは複数の同じまたは異なる実施形態を指す場合がある。さらに、本開示の実施形態に関して使用される「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」などの用語は同義である。

【0017】

本開示の目的上、「Ａおよび／またはＢ」という語句は、（Ａ）、（Ｂ）、または（ＡおよびＢ）を意味する。本開示の目的上、「Ａ、Ｂ、および／またはＣ」という語句は、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（ＡおよびＢ）、（ＡおよびＣ）、（ＢおよびＣ）、または（Ａ、Ｂ、およびＣ）を意味する。

【0018】

「と結合した（ｃｏｕｐｌｅｄ ｗｉｔｈ）」という用語は、その派生語とともに、この明細書において使用され得る。「結合した（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は以下の１つ以上を意味してもよい。「結合した（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は２つ以上の要素が直接物理的、電気的、または光学的に接触しているということを意味してもよい。しかし、「結合した（ｃｏｕｐｌｅｄ）」はまた２つ以上の要素が間接的に互いに接触しているが、依然として互いと協同または相互作用することを意味してもよく、１つ以上の他の要素が、互いに結合していると言われる要素の間で結合または接続されているということを意味してもよい。「直接的に結合した（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語は、２つ以上の要素がそれらの表面の少なくとも一部において直接接触していることを意味する。「バットカップリングした（ｂｕｔｔ－ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語は、本明細書において、「端を合わせた（ｅｎｄ－ｏｎ）」または軸結合を意味するその通常の意味で使用され、そこでは問題の要素の間の最小または０の軸方向のオフセットがある。例えば、軸方向のオフセットは、例えば典型的には高い反射性または反射防止性の機能を提供するために使用される薄いコーティング層などのある種の薄い介在層が要素の間に形成される場合に、０よりもわずかに大きい。２つの導波路構造または要素の軸は、バットカップリングしていると正確に記述されるために、それらにとって同一線上にある必要はないことに留意されたい。言い換えると、要素の間の界面は、例えば角度のついた界面の場合にはどちらの軸に対しても垂直である必要がない。バットカップリングした構造の間で断熱変化は発生しない。

【0019】

「アクティブデバイス」、「アクティブ構造」またはその他の「アクティブ」要素、部分、構成要素という用語が本明細書中で使用され得る。アクティブと呼ばれるデバイスまたはデバイスの一部は、電気的コンタクトを使用して、光生成、増幅、変調および／または検出ができる。これは、我々が「パッシブデバイス」、「パッシブ構造」またはその他の「パッシブ」要素により意味するものとは対照的であり、これらの主要な機能は光を閉じ込めて導くこと、および／またはパッシブデバイスに一般的に関連付けられる分割、結合、フィルタリングおよび／またはその他の機能を提供することである。いくつかのパッシブデバイスは、例えば、変調を提供できる熱的効果などを使用して実装された位相チューニングなどのアクティブデバイスの機能性と重なる機能を提供することができる。純粋に材料組成またはデバイス構造に基づいた「アクティブ」と「パッシブ」の間の絶対的な区別は想定されるべきではない。例えば、シリコンデバイスは特定の変調条件または低波長放射の検出下ではアクティブとみなされることができるが、その他のほとんどの状況ではパッシブであるとみなされる。

【0020】

図１は短波長での動作に最適化されたヘテロジニアス集積フォトニックデバイス１００の端から見た概略断面図である。いくつかの実施形態では、動作の波長は９００ｎｍよりも短い。例示的な断面は、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、クオーツ、サファイア、ガラス、ＧａＮ、シリコンオンインシュレータまたは当技術分野において知られている他の材料などの、半導体および誘電体加工に適した任意の基板であり得る基板１０５を含む。示された実施形態において、第２材料の層１０４は、当技術分野で知られている技術を使用して、基板１０５の上面に堆積、成長、転写、接着、または他の方法で取り付けられる。層１０４の主な目的は、光クラッドを材料１０２（以下に説明する）に提供し、必要であれば光導波路を形成することである。光導波路は、より高い屈折率のコアを２つのより低い屈折率の層の間に位置させて光波を閉じ込めることによって一般的に実現されている。いくつかの実施形態では、層１０４は省略され、基板１０５自体がクラッドとして機能する。

【0021】

層１０２は、当技術分野で知られている技術を使用して、層１０４が存在すれば層１０４の上部に、および／または基板１０５の上部に堆積、成長、転写、接着、またはそうでなければ取り付けられる。層１０２の屈折率は、層１０４が存在すれば層１０４の屈折率よりも高く、または、層１０４が存在しなければ、層１０２の屈折率は基板１０５の屈折率よりも高い。一実施形態において、層１０２の材料は、ＳｉＮ、ＳｉＮＯ_ｘ、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、（ドープされた）ＳｉＯ_２、ＬｉＮｂＯ_３およびＡｌＮのうちの１つ以上を含むことができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態において、他の一般的な誘電体材料が層１０２に使用されてもよい。他の実施形態において、高バンドギャップ半導体材料が層１０２に使用されてもよい。高バンドギャップ半導体は、１．５ｅＶよりも大きなバンドギャップエネルギー（または８３０ｎｍよりも短いバンドギャップ波長）により定義されてもよい。高バンドギャップ半導体材料の例はＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ濃度＞５％を有する）などであり、通常は７００ｎｍよりも短いバンドギャップ波長で特徴づけられる。層１０４および層１０２のいずれかまたは両方は、当技術分野において一般的なように、パターン化、エッチング、または再堆積してそれらの機能性（導波路、スプリッター、カプラー、格子または他のパッシブ構成要素を画定する）を調整してもよい（図１には示されていない）。層１０２は、特許請求の範囲を含む本開示の残りの部分においてパッシブ層またはパッシブ構造と呼ばれるものに相当する。

【0022】

層１０８の屈折率は層１０２の屈折率よりも低く、層１０８は層１０２の上にあり、層１０１および層４０３（図１では見えないが、図４を参照して以下で説明される）の下にある。層１０８は、図４においてさらに示されるように、層１０２のパターン化された表面を平坦化する働きがある。いくつかの実施形態では、層１０８の上面の平面性は、化学機械研磨（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）または他のエッチング、化学的および／または機械的研磨方法により提供される。他の実施形態では、例えば層１０８の材料がスピンオンガラス、ポリマー、フォトレジストまたは他の適切な材料である場合、平面性はそれにより層１０８が堆積される方法の本質的な性質によって提供される。平坦化は、所望の、典型的には非常に低い厚さの層を（図１に示すように）層１０２の上部上に残すために、または層１０２の上面のレベルよりも上のすべての材料を取り除くため（示されていない）に制御されてもよい。層１０８が層１０２の上部上に残る場合、目標の厚さは１０ｎｍから数百ｎｍの範囲内であり、実際の厚さは平坦化プロセスの不均一性に起因して目標の厚さよりもゼロから数百ｎｍの間大きい。いくつかの実施形態では、スピンオン材料が平坦化するために使用され、その後エッチバックされ、典型的なＣＭＰプロセスと比較して改善したウエハにわたる全体の均一性が結果として得られる。層１０８の上面は、典型的には、それを接着に適したものにする低い表面粗さで特徴づけられる。場合によっては、粗さ＜５ｎｍ ＲＭＳであり、さらに他の実施形態では粗さ＜１ｎｍ ＲＭＳである。表面粗さが低減するほど接着の歩留まりが改善されることが一般的に知られている。良いＣＭＰプロセスにより０．５ｎｍ ＲＭＳ未満またはそれより低い（より良い）表面粗さが得られる。

【0023】

層１０１は、対応するパッシブ導波路またはパッシブ導波路構造（１０８、１０２）上面の少なくとも一部の上部上に接着されている。接着は直接の分子結合であり得、または、例えば当技術分野で知られているようにポリマーフィルムなどの追加の材料が接着を促進するために使用され得る。接着材料は、使用される場合、光モード１５０は層１０８といくらかの重なりを有するため、動作の波長において合理的に低い損失を有さなければならない。層１０１は一般にアクティブデバイスと呼ばれるものを構成し、ＧａＡｓおよびＩｎＰ系の三元系および四元系材料を含む材料でできているが、これらに限定されない。層１０１は、いくつかの実施形態において、また図１において示されるように、多層化されており、アクティブデバイスについて当技術分野で知られているように、光学的および電気的閉じ込めならびに電気的コンタクトを提供するサブレイヤーを含む。図１に示される実施形態において、層１０１は１０１－１、１０１－２、１０１－３、１０１－４および１０１－５の５つの個別のサブレイヤーを含み、これらの全ては追加のサブレイヤーを含むことができる。いくつかの実施形態における層１０１のサブレイヤーは、垂直の閉じ込め（図１中の上／下）を提供する一方、横方向の閉じ込め（図１中の左／右）はアクティブデバイスについて当技術分野で知られているように少なくとも１つのエッチングにより提供され、図３の助けを借りてより詳細に説明される。

【0024】

層１０１は、特許請求の範囲を含む本開示の残りの部分においてアクティブ層、アクティブ導波路、またはアクティブ導波路構造と呼ばれるものに相当する。

【0025】

サブレイヤー１０１－１は高ドープＩｎＧａＰ ｎドープコンタクト層を含む。いくつかの実施形態において、ＩｎＧａＰ ｎドープコンタクト層の厚さは５０ｎｍから５００ｎｍの間である。ドーピングは、良いコンタクトを提供するために典型的には１ｅ１８以上であるが、いくつかの実施形態ではより低い可能性がある。ドーピングは、一定、区分的に一定、もしくは段階的、またはこれらのうちのいずれかもしくは全ての組み合わせであり得る。いくつかの実施形態において、典型的にはＩｎＧａＰ ｎドープコンタクト層の厚さが１５０ｎｍより大きいとき、ドーピングは（コンタクトに向かって）上部で高く、（１０８または１０２との接着界面に向かって）底部で低くあり得る。これは、結果として内部損失を減少させることができる。コンタクト１０９ａおよび１０９ｂは、光モード１５０から横方向にオフセットされており、これらは光損失に寄与しない。いくつかの実施形態において、サブレイヤー１０１－１は、異なる特性を有する少なくとも２つの薄い層によって実現された超格子も含む。超格子は、転位の伝搬を防ぐのに役立つことができ、または他の方法でよりロバストなレーザー性能を促進することができる。いくつかの実施形態において、超格子は、ＩｎＧａＰとＡｌＩｎＰの薄い層により実現される。いくつかの実施形態において、転位フィルタリング効果を向上させるために低いひずみが超格子層に導入される。各超格子層の典型的な厚さは１０ｎｍ未満であるが、５０ｎｍまで厚くなり得る。多くの実施形態において、超格子は、その優れた安定性及び加工性に起因して、ＩｎＧａＰを最終層（底部にある）として優先する。いくつかの実施形態において、サブレイヤー１０１－１のＩｎＧａＰ層は、追加の薄い層を必要とせずに層１０２／１０８に直接接着され得る。

【0026】

５１％のＧａを有するＩｎＧａＰのバンドギャップ波長は約６５０ｎｍであり、約６６０ｎｍかそれより長く動作するレーザーのための低い光損失を可能にする。Ｇａ成分が増加すればバンドギャップ波長はさらに低くなり得、７０％のＧａ濃度を有すると５８０ｎｍまで低くなり得る。

【0027】

アクティブデバイスの直列抵抗に影響し、（図２の助けを借りてより詳細に説明されるように）量子井戸における閉じ込めに影響し、（図３の助けを借りてより詳細に説明されるように）コンタクトがエッチングにより開くときにプロセス制御要件に影響するので、（高ドープ領域を含む）ＩｎＧａＰコンタクト層１０１－１の厚さは最適化パラメータである。

【0028】

サブレイヤー１０１－２および１０１－３は、アクティブ幅と呼ばれるものを画定する（図３中の幅３３７を示す表示３３０も参照）。いくつかの実施形態において、アクティブ幅はメサ幅（図３中の表示３２０に見られるように、パターン化されたサブレイヤー１０１－４および１０１－５によって画定される幅３２７）と同じであり得るが、示された実施形態においては、アクティブ領域１０１－３のエッチングされた側壁との光モード１５０の重なりを低減する目的で、アクティブ幅３３７はメサ幅３２７よりも大きい。アクティブ領域１０１－３は、任意選択の分離閉じ込めヘテロ構造（ｓｅｐａｒａｔｅ－ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ： ＳＣＨ）層とともに、量子井戸、量子ドット、ｐ－ｎ接合および／またはｐ－ｉ－ｎ接合層を含む。特許請求の範囲を含むこの開示の残りの部分では、「量子井戸」という用語は、簡単のため、量子ドット層、ｐ－ｎ接合層、ｐ－ｉ－ｎ接合層および量子井戸層ならびに／またはそれらのうちの２つ以上の組み合わせを含むために使用される。いくつかの実施形態において、図３の助けを借りて詳細に説明されるように、サブレイヤー１０１－３の上部層はＩｎＧａＰであり、エッチストップ層として役立ち、エッチングおよびアクティブデバイスの均一性を改善し得る。

【0029】

任意選択のサブレイヤー１０１－２は、ｎクラッド層および／またはｎ導波路層として一般に知られるものを含み得る。両方の場合において、サブレイヤー１０１－２の層は、コンタクト領域よりも典型的には小さいバックグラウンドドーピングを有する、動作波長において光学的に透明な材料を含む。いくつかの実施形態において、ドーピングは１ｅ１８以下であり得る。他の実施形態において、ドーピングは一定、区分的に一定、段階的、および／またはいくつかもしくは全ての組み合わせであり得る。いくつかの実施形態において、そのような層はＩｎＧａＰ三元系および／またはＡｌＩｎＧａＰ四元系半導体によって実現され得、それらの両方は高品質でＧａＡｓ基板上に成長し得る。他の実施形態において、ｎクラッドおよび／またはｎ導波路の機能性は、バリア層および／またはサブレイヤー１０１－３内のＳＣＨ層によっても提供され得る。

【0030】

サブレイヤー１０１－４はｐクラッド層、すなわち、光モード１５０と金属１１０との間、および光モード１５０と以下に説明するｐコンタクト機能性を提供するサブレイヤー１０１－５との間の重なりを制御することによって内部損失を低減するのに役立つクラッド層である。サブレイヤー１０１－４は、改善された性能を提供するため、または半導体デバイス設計および製造の分野において知られているようによりロバストな製造を促進するため、バンドギャップ平滑化層、エッチストップ層、段階的な層などの追加の層を含むことができる。サブレイヤー１０１－４は、典型的には１ｅ１６から２ｅ１８の間のドーピングレベルでドーピングされる。サブレイヤー１０１－４の厚さは、動作の波長、およびｐクラッド層とサブレイヤー１０１－３との間の屈折率差に依存して変化する。いくつかの実施形態において、ｐクラッド層の厚さは４００ｎｍよりも大きい。ドーピングおよび厚さの最適化は、光損失を許容可能に低く保ちながらも、ｐクラッド層を通った直列抵抗を低く保つことのバランスをとる。ｐドープ材料は典型的にｎドープ材料よりも高い光損失を有すること、およびｐクラッドのより薄い層は、以下に説明される、ｐコンタクト層１０１－５とのモードのより多い重なりを可能にすることに留意されたい。サブレイヤー１０１－４のドーピングは、一定、区分的に一定、段階的、および／またはこれら全ての組み合わせであり得る。接触抵抗の最適化及び光損失の最適化の両方は、市販の数値ソルバー、または解析的表現と近似式を含む他のシミュレーション／計算手法によって実行され得る。いくつかの実施形態において、ｐクラッドはＩｎＧａＰ三元系および／またはＡｌＩｎＧａＰ四元系半導体によって実現され得る。

【0031】

サブレイヤー１０１－５はｐコンタクト層である。いくつかの実施形態において、サブレイヤー１０１－５は高濃度でｐドープされたＧａＡｓ層を含む。いくつかの実施形態において、ドーピングは５ｅ１８よりも大きい。更なる他の実施形態において、ドーピングはさらに高く、１ｅ１９以上に達する。比較的厚いｐクラッドがモード１５０とサブレイヤー１０１－５の重なりを非常に小さく保つので、ＧａＡｓ層（レーザー動作波長よりも長いバンドギャップ波長を有する）がこのコンタクトのために利用され得る。他の実施形態において、高濃度で（５ｅ１８超）ｐドープされたＩｎＧａＰもｐコンタクト層のために利用され得る。いくつかの実施形態において、コンタクト層の厚さは５０ｎｍから２５０ｎｍの間である。

【0032】

コンタクト１０９ａ、１０９ｂおよび１１０は（サブレイヤー１０１－１および１０１－５の一部として）それぞれの半導体コンタクト層にオーミックコンタクトを提供する。いくつかの実施形態において、コンタクト１１０は、ＧａＡｓ半導体レーザー分野において一般的であるように高濃度でｐドープされたＧａＡｓへの標準的な金属コンタクトとして実現され得る。高濃度でｐドープされたＩｎＧａＰコンタクト層の場合は、オーミックコンタクトのための例示的な金属化は：
１． Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ：Ｔｉ（＜５０ｎｍ）、Ｐｔ（＜１００ｎｍ）、Ａｕ（＞１００ｎｍ）、アニール４００℃未満、アニール時間１２０秒未満
であり得る。
コンタクト１０９ａおよび１０９ｂは、ドープされたＩｎＧａＰ層の使用に関する制限、および活性化／急速熱アニール温度を４５０℃未満またはそれより低く制限するヘテロジニアスシステムの典型的な熱的制限に起因して、特別な配慮を必要とする。金属スタックおよびアニール条件の選択は、２つの最も重要な要因である。本発明に適した４００℃未満の活性化温度を有するＩｎＧａＰオーミックコンタクトのいくつかの例は下記の通りである：
２． Ｐｄ／Ｇｅ／Ａｕ：Ｐｄ（＜２０ｎｍ）、Ｇｅ（＜２００ｎｍ）、Ａｕ（＞１００ｎｍ）、アニール３７５℃未満、アニール時間１２０秒未満
３． Ｇｅ／Ｎｉ／Ｇｅ／Ａｕ：Ｇｅ（＜２０ｎｍ）、Ｎｉ（＜５０ｎｍ）、Ｇｅ（＜１００ｎｍ）、Ａｕ（＞１００ｎｍ）、アニール３７５℃未満、アニール時間１２０秒未満。
括弧内の数字は特定の金属層の最適な厚さ制限を示唆するが、多様な修正からもオーミックコンタクトが結果として生じうることは当業者にとって明らかである。すべてのコンタクトは、アクティブデバイスの効率的な電流および／または電圧制御を促進するためにビアを介してパッド金属（示されていない）に接続され得る。

【0033】

上部クラッド層１０７は、これらに限定されるものではないが、ポリマー、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＮＯ_ｘ等を含む任意の適切な材料であり得る。いくつかの実施形態において、同じ材料が層１０７および層１０８に使用される。いくつかの実施形態（示されていない）において、層１０７のクラッド機能は複数の堆積および複数の材料によって提供され得、例えば両方がクラッドおよびアクティブデバイスの不動態化を提供し得る。

【0034】

破線矢印１６０は、デバイスの上面から側面まで、アクティブ領域を通過する典型的な電流注入経路を例示し、ヘテロジニアス集積と本来の（モノリシック）フォトニックプラットフォームとの間の重要な違いのうちの１つを例示する。図１に示されているように、モードはコンタクト層（図１に示された実施形態中のｎコンタクト）のうちの少なくとも１つと大きな重なりを有する。図２は、この観点で追加の詳細を提供する。

【0035】

図２は、ＩｎＧａＰコンタクト層を使用した最適なヘテロジニアスレーザー構造を設計することに関するいくつかの例示的なシミュレーション結果を示す。表示２００は、ＩｎＧａＰ層１０１－１の厚さが５０ｎｍから５００ｎｍの間で変化した際の量子井戸層（サブレイヤー１０１－３の一部）、ＩｎＧａＰ底部ｎコンタクト（サブレイヤー１０１－１の一部）およびＧａＡｓ上部ｐコンタクト（サブレイヤー１０１－５の一部）における閉じ込め係数の変化を示す。プロットにおいて閉じ込めはパーセンテージで指定されることに留意されたい。この例示的なレーザー構造において、ＩｎＧａＰ ｎコンタクト中の閉じ込めは１５０ｎｍのコンタクト厚さで約１％であり、このような厚さは良好な直列抵抗を提供することができる。このことは低損失、高バンドギャップコンタクト材料を使用することの重要性を証明している。全体の閉じ込めは１ｅ－５未満であり１ｅ－６に近く、これはＧａＡｓコンタクト層からの内部損失への小さな寄与を結果として生じるので、ｐコンタクトの影響は非常に小さい。表示２２０、２４０および２６０は、それぞれ５０ｎｍ、１５０ｎｍおよび２５０ｎｍのＩｎＧａＰ底部コンタクト厚さを有する例示的なレーザー構造での例示的なモード形状を（等高線として）示す。モード形状、および内部損失と量子井戸における閉じ込めとの両方の制御に対するｎコンタクト厚さの影響は大きい。アクティブデバイスの性能を最適化するために、光モードの細かな最適化は、標準的な材料ライブラリを有する市販のソルバーを使用して容易に実行できる。

【0036】

図３は、上述した種類の集積デバイスを作製するために実行される作業中のいくつかの例示的なステップの後のデバイス断面に対応する６つの表示（３００、３１０、３２０、３３０、３４０および３５０）を示す。デバイスを作製するための作業は、常に全ての示された機能、作業またはアクションを含む必要はなく、それらを表示３００から３５０に至る順序によって示される正確な順序で含む必要もない。

【0037】

しかしながら、例示的な場合において、ＩｎＧａＰ層を有するヘテロジニアスプラットフォームに特有の作業の結果は最初に表示３００になる。ここでは、図１の助けを借りてより詳細に示され、説明されたような、基板（１０５）、底部クラッド（１０４）、パッシブ導波路（１０２）および平坦化層（１０８）上に実現された適切なパッシブ構造３０２は、ヘテロジニアスプロセスで一般的であるように、それらの上に接着されたアクティブ層３０１のダイまたはウエハを有する。これを達成するためのステップは、例えば米国特許第１０，６４１，９５９号明細書または他のヘテロジニアス集積の参考文献で説明されるステップと同様である。接着されたアクティブ層３０１は、図１の助けを借りて説明したように５つのサブレイヤー１０１－１から１０１－５を含み、これらの５つのサブレイヤーがその上に成長する、基板３０９も含む。より良い材料品質を促進するため（例えばバッファ層）および／または基板除去を促進するため（例えばエッチストップ層）に、５つのサブレイヤーと基板との間に追加の成長層があり得る。

【0038】

その後、作業は表示３１０に示される次のステップに進むことができる。ここで、基板３０９は取り除かれ、アクティブ層３１１は上述したような５つのサブレイヤーのみを含むようになる。除去プロセスは機械的研削／ラッピング／研磨、化学機械研磨、ドライエッチングおよび／またはウェットエッチングの組み合わせを利用することができる。いくつかの実施形態において、ＩｎＧａＰの層がプロセス制御の改善を促進するために選択的な層として使用される。いくつかの実施形態において、基板は機械的に５０μｍ未満まで薄くされ、その後最終的な基板の除去は選択的なエッチングにより実行され、結果として基板除去プロセスの非常に高い均一性をもたらす。基板の除去により、５つのサブレイヤーを含む薄い層のみがパッシブ構造（３０２）ウエハの上面上に残る。いくつかの実施形態において、残った層の厚さは５μｍ未満であり、その後の加工への高品質フォトリソグラフィの使用を可能にする。接着する前に３０２において画定されるパッシブ構造と、続くステップで画定されるアクティブ構造との間の位置合わせは、パッシブ構造（３０２）ウエハ上の一般的なリソグラフィ位置合わせマークの使用に起因して非常に良い（２５０ｎｍ未満か、より良い）。これは、デバイス均一性に関するヘテロジニアス集積の重要な利点のうちの１つである。

【0039】

この例示的な場合において、プロセスは（幅Ｗ_Ｍ３２７の）メサ３２３のエッチングが実施された後の断面を示す表示３２０に進んでもよい。そのようなエッチングはドライおよび／またはウェットエッチングを利用することができ、ウエハにわたる均一性を改善するためにエッチストップ層を利用することもできる。残ったアクティブ層３２１は、このステップではエッチングされない。いくつかの実施形態において、メサをエッチングする際にＩｎＧａＰが選択的なエッチストップ層として使用される。いくつかの実施形態において、メサ幅は１μｍから５μｍの間である。さらに他の、典型的にはハイパワー設計では、メサ幅は５μｍよりも大きく、１００μｍ以上まで厚くあり得る。

【0040】

次に、プロセスは（幅Ｗ_Ａ３３７の）アクティブ部３３４のエッチングが実施された後の断面を示す表示３３０に進んでもよい。そのようなエッチングはドライおよび／またはウェットエッチングを利用することができ、ウエハにわたる均一性を改善するためにエッチストップ層を利用することもできる。残ったアクティブ層３３１（図１の助けを借りて説明したようにサブレイヤー１０１－１を含む）はこのステップではエッチングされない；それはエッチストップを提供するためのＩｎＧａＰ層を含み、図１および図２に関連して説明したようにコンタクトも含む。いくつかの実施形態において、アクティブ幅３３７はメサ幅３２７よりも少なくとも２μｍ大きい。他の実施形態（示されていない）において、アクティブ幅３３７はメサ幅３２７と実質的に同じ幅であり得る。

【0041】

次に、プロセスは金属コンタクト３４５が堆積された後の断面を示す表示３４０に進んでもよい。いくつかの実施形態において、ｎコンタクト（表示３４０内の底部コンタクト）はアクティブエッチの後、いったん図１中の１０１－１に対応するｎドープＩｎＧａＰ層３４１が露出すれば、堆積されなければならない一方、ｐコンタクト（表示３４０内の上部コンタクト）の堆積は、先に（例えば表示３１０での基板除去の後、または表示３２０でのメサエッチングの後）行われることができる。図１に関連して以前に説明したように、ｐドープ層およびｎドープ層のための金属化は異なる。

【0042】

最後に、プロセスはビアを開け金属パッド３５６を堆積する前に（図１および層１０７に関連して説明したように）クラッド３５９の堆積に進んでもよい。結果は表示３５０に示されている。

【0043】

様々な誘電体層および／または半導体層の更なる加工、および／または電気的コンタクト、ビアおよび屈折率マッチング層の追加および加工が、当技術分野で知られているように実行されてもよい。これは、ヒーター、不動態化、トレンチのエッチング、遮光構造の形成などを含み得る。

【0044】

プロセスは、エッチング選択性、および低い光損失を有する高バンドギャップコンタクトを提供するためにＩｎＧａＰ層の利点を活用する。適切なドライエッチング条件（ガス選択、プラズマパワー等）またはウェットエッチング液（化学物質の選択）によって、ＩｎＧａＰは異なる（ＧａＡｓなどの）ＩＩＩ／Ｖ族化合物から選択的に取り除かれることができ、またはその逆があり得、高度なプロセス制御および均一性を提供する。

【0045】

図４は、異種材料間の効率的なカップリングのためバットカップリングおよびモード変換を利用した集積フォトニックデバイス４００の概略断面図である。機能性層４０１から４０８は、（明示的に異なるように定義されない限り）図１に関連して説明したような機能性層１０１から１０８に対応する。

【0046】

層４０８は、その屈折率が層４０２の屈折率よりも低く、層４０２を覆い、層４０１および４０３の下にある（以下に、より詳細に説明される）。

【0047】

層４０２を含み、任意選択で層４０８を含む、対応するパッシブ導波路構造の少なくとも一部の上面上に層４０１が接着される。層４０１は一般にアクティブデバイスと呼ばれるものを構成し、（図１の助けを借りて説明したようにサブレイヤー１０１－２、１０１－３、１０１－４および１０１－５を含む）サブレイヤー４０１ａと、図１の助けを借りて説明したようにサブレイヤー１０１－１を含むサブレイヤー４０１ｂと、を含む。４０１ｂは、コンタクトを提供するために使用される高濃度ドープされたＩｎＧａＰ層を含む一方、動作の波長において光学的に透明である。光モード４５０（アクティブデバイスの内部で誘導される）とサブレイヤー４０１ｂとの重なりは（図２でも示されたように）大きく、いくつかの実施形態では、光モードのエバネッセントテールは層４０２／４０８まで広がる。したがって、４０２／４０８内の周期構造は、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザーなどを実現するための光フィードバックを提供し得る。

【0048】

アクティブ構造４０１内で支持される光モード４５０と、層４０２がコアを提供するパッシブ構造内で支持される光モード４５３との効率的なカップリングは、層４０３と、層４０６が存在する場合は層４０６と、によって促進される。任意選択の層４０６は、層４０１と層４０３との界面で、主に反射防止コーティングまたは高反射性コーティングのいずれかとして働く。層４０３は、いくつかの実施形態において、層４０１がコアを提供する導波路内で支持される光モードのプロファイル（線４５０で描かれている）を受け入れ、それをモードプロファイル４５１として効率的に捕捉し、それをモードプロファイル４５２へと徐々に伝送し、最終的に４５３へと伝送する、中間導波路として働く。モードプロファイル４５３は、層４０２がコアを提供する導波路に効率的にカップリングされる。

【0049】

中間層１０３の使用は、短波長範囲での動作を支持する非常に高い屈折率の材料（例えばＧａＡｓ／ＩｎＰならびにその三元系および四元系など）から、例えばＳｉＮ、ＳｉＮＯ_ｘ、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、（ドープされた）ＳｉＯ_２、ＬｉＮｂＯ_３およびＡｌＮなどの層４０２内の低屈折率材料への間の効率的な伝送を大きく改善する。

【0050】

それぞれ層４０１および層４０２内の導波路によって支持される光モードの間の差異は、モードプロファイルの観察から明らかであるか、または明らかでないが、モード４５０と４５３との間の（図４における）非ゼロの垂直オフセットに伴う１００％未満のモード形状の重なりは、（中間層４０３が無い場合）結果として大きな光損失をもたらし得る。いくつかの実施形態において、２ｄＢまでの損失は許容可能とみなされ得るが、それより大きい損失は許容可能とみなされない可能性がある。他の場合、５ｄＢの損失水準が許容可能性のための選択された基準であってもよい。層４０３の機能は、（モード４５０と４５３との間の）不完全なモードの重なりおよび垂直オフセットに起因する光カップリング損失を、所与の用途における許容可能な水準としてなんであれ決定されたものよりも低く保つことである。

【0051】

いくつかの実施形態において、層４０８は存在せず、層４０１および層４０３の両方がパターン化層４０２の上部上に、４０１は接着によって、４０３は様々な堆積手法によって配置される。そのような実施形態では、平坦化ステップは無い。

【0052】

これらの例示的な実施形態は、本発明を利用するヘテロジニアス集積レーザーおよび短波長で動作するアクティブ構成要素のいくつかの例のみを教え、多くの他の同様のアレンジメントが想像され得るということが理解されるだろう。さらに、そのようなレーザーおよびアクティブ構成要素は、追加の機能性またはより良い性能を提供するために、様々なフィルタリング要素、増幅器、モニターフォトダイオード、変調器、および／またはその他のフォトニック構成要素などの複数の他の構成要素と組み合わせられ得る

【0053】

本発明の実施形態は多くの利益を提供する。集積プラットフォームは、より高い性能、および／または広帯域の波長範囲で動作する能力を提供する複数の材料から作製されるＰＩＣのスケーラブルな製造を可能にする。さらに、前記プラットフォームは、典型的なＳｉ導波路ベースまたはＩｎＰ導波路ベースのＰＩＣと比較して高い光パワーを処理することができる。

【0054】

この本発明は、典型的には、（図１、３および４の助けを借りて説明したような）誘電導波路を備えたキャリアウエハ上での化合物半導体材料の部品のウエハ接合と、その後の当技術分野内で知られているような半導体製造プロセスと、からなるプロセスの流れを利用する。これはアクティブ導波路およびパッシブ導波路の間の、典型的にはリソグラフィステップを介した光学的な位置合わせの正確な画定を可能にし、正確な物理的位置合わせの必要性を取り除く。前記リソグラフィベースの位置合わせは、ウエハスケール技術を使用するスケーラブルな製造を可能にする。

【0055】

アクティブ層およびパッシブ層内のモードの間の光カップリングは相互的であり、そのため、図４を例とすると、領域４０１から領域４０２への光の伝導を促進するように構造が構成され得るが、それは逆方向、すなわち領域４０２から領域４０１への伝導も促進し得ることが理解されるだろう。その数または方向に制限のない複数のそのような移行が、適切に構成されたＰＩＣ上で実現され得ることが理解され得るだろう。

【0056】

他の手法は、パッシブ導波路への組み立て式の光アクティブデバイスのダイアタッチメントに依存してきた。これは、典型的なダイボンダが提供できるものを典型的には超える非常に厳しい位置合わせ精度を要求する。この態様は、このプロセスのスループットおよび光カップリングの性能を制限する。

【0057】

いくつかの実施形態において、アクティブデバイスは、例えば分布帰還型（ＤＦＢ）レーザーまたは同様の構成要素のための、例えばレーザーキャビティの内部に形成された波長選択的構成要素を生み出すために使用され得る誘電体層を備えたハイブリッド導波路構造を生み出す。

【0058】

本明細書で説明した光デバイスの実施形態は、これらに制限されるものではないが、様々な計算および／または家庭用電子デバイス／機器、コミュニケーションシステム、計算システム、医療デバイス、センサおよびセンシングシステムを含む様々な他のデバイスおよびシステムに組み込まれてもよい。

【0059】

本開示は、例示的な実施形態のいくつかの例のみを教え、本開示を読んだ後の当業者であれば本発明の多くの変形を容易に考案することができ、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲により決定されるべきであるということが理解されるであろう。

【符号の説明】

【0060】

１００ ヘテロジニアス集積フォトニックデバイス
１０１ 層
１０１－１ サブレイヤー、ＩｎＧａＰ層
１０１－２ サブレイヤー
１０１－３ サブレイヤー
１０１－４ サブレイヤー
１０１－５ サブレイヤー
１０２ パッシブ導波路
１０３ 中間層
１０４ 底部クラッド
１０５ 基板
１０７ 上部クラッド層
１０８ 平坦化層
１０８ パッシブ導波路構造
１０９ａ コンタクト
１０９ｂ コンタクト
１１０ コンタクト
１５０ 光モード
１６０ 電流注入経路
３０１ アクティブ層
３０２ パッシブ構造
３０９ 基板
３２３ メサ
３２７、Ｗ_Ｍ メサ幅
３３４ アクティブ部
３３７、Ｗ_Ａ アクティブ幅
３４５ 金属コンタクト
３５６ 金属パッド
３５９ クラッド
４００ 集積フォトニックデバイス
４０１ 層
４０１ａ サブレイヤー
４０１ｂ サブレイヤー
４０２ パターン化層
４０３ 中間層
４０６ 層
４０８ 層
４５０、４５１、４５２、４５３ モードプロファイル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【手続補正書】

【提出日】2024-06-25

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ヘテロジニアスデバイスであって、
基板に取り付けられたパッシブ導波路構造であって、前記パッシブ導波路構造は誘電体層を含む、パッシブ導波路構造と、
前記パッシブ導波路構造の上面に取り付けられたアクティブ導波路構造であって、前記アクティブ導波路構造はＩｎＧａＰ層の上にある量子井戸層を含む、アクティブ導波路構造と、を含み、
前記ＩｎＧａＰ層がｎコンタクト機能を提供する、ヘテロジニアスデバイス。

【請求項2】

前記ＩｎＧａＰ層が、５０ｎｍから５００ｎｍの間の厚さによって特徴づけられる、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項3】

前記ＩｎＧａＰ層はｎドープされており、前記ＩｎＧａＰ層が、１ｅ１８以上のドーピング濃度によって特徴づけられる、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項4】

前記ＩｎＧａＰ層が前記アクティブ導波路構造の底面と前記パッシブ導波路構造の上面との間の接着層として機能する、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項5】

前記ＩｎＧａＰ層が超格子内の層であり、
前記超格子は前記アクティブ導波路構造の接着界面を含む、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項6】

前記パッシブ導波路構造が、ＳｉＮ、ＳｉＮＯ_ｘ、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、（ドープされた）ＳｉＯ_２、ＬｉＮｂＯ_３およびＡｌＮのうちの少なくとも１つを含む前記誘電体層を含む、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項7】

前記誘電体層が、５０ｎｍから６００ｎｍの間の厚さによって特徴づけられる、請求項６に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項8】

前記ＩｎＧａＰ層へのコンタクトのための金属コンタクトが、Ｐｄ、Ｇｅ、ＡｕおよびＮｉのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項9】

前記アクティブ導波路構造が前記量子井戸層の上にあるｐクラッド層を含み、
前記ｐクラッド層は４００ｎｍより大きな厚さで特徴づけられる、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項10】

前記アクティブ導波路構造が接着されている前記パッシブ導波路構造の上面は、１ｎｍ ＲＭＳ未満の粗さによって特徴づけられる、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項11】

前記アクティブ導波路構造が、１μｍ≦Ｗ_Ｍ≦５μｍの幅Ｗ_Ｍのメサによって特徴づけられる断面形状を有する、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項12】

前記断面形状が、Ｗ_Ａ＝Ｗ_Ｍ＋２μｍであるアクティブ幅Ｗ_Ａによってさらに特徴づけられる、請求項１１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項13】

前記アクティブ導波路構造が、５μｍ＜Ｗ_Ｍの幅Ｗ_Ｍのメサによって特徴づけられる断面形状を有する、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項14】

前記アクティブ導波路構造が、前記量子井戸層の上にあり、エッチストップ層として機能する第２のＩｎＧａＰを含む、請求項１に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項15】

ヘテロジニアスデバイスであって、
基板に取り付けられたパッシブ導波路構造であって、前記パッシブ導波路構造は半導体層を含む、パッシブ導波路構造と、
半導体導波路構造の上面に取り付けられたアクティブ導波路構造であって、前記アクティブ導波路構造はＩｎＧａＰ層の上にある量子井戸層を含む、アクティブ導波路構造と、を含み、
前記ＩｎＧａＰ層がｎコンタクト機能を提供する、ヘテロジニアスデバイス。

【請求項16】

前記半導体導波路構造が、１．５ｅＶ以上のバンドギャップを有する半導体層を含む、請求項１５に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項17】

前記ＩｎＧａＰ層が、５０ｎｍから５００ｎｍの間の厚さによって特徴づけられる、前記請求項１５に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項18】

前記ＩｎＧａＰ層はｎドープされており、前記ＩｎＧａＰ層が、１ｅ１８以上のドーピング濃度によって特徴づけられる、請求項１５に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項19】

前記ＩｎＧａＰ層が前記アクティブ導波路構造の底面と誘電体導波路構造の上面との間の接着層として機能する、請求項１５に記載のヘテロジニアスデバイス。

【請求項20】

前記ＩｎＧａＰ層が超格子内の層であり、
前記超格子は前記アクティブ導波路構造の接着界面を含む、請求項１５に記載のヘテロジニアスデバイス。

【外国語明細書】