特許 7440567 誘電体導波路に対する光結合を改善したＧＡＡＳ集積能動デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-19

(45)【発行日】2024-02-28

(54)【発明の名称】誘電体導波路に対する光結合を改善したＧＡＡＳ集積能動デバイス

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/122 20060101AFI20240220BHJP

   G02B 6/12 20060101ALI20240220BHJP

   H01S 5/34 20060101ALI20240220BHJP

【ＦＩ】

G02B6/122 311

G02B6/12 301

H01S5/34

【請求項の数】 17

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2022080933

(22)【出願日】2022-05-17

(65)【公開番号】P2023121105

(43)【公開日】2023-08-30

【審査請求日】2022-06-22

(31)【優先権主張番号】17/675,328

(32)【優先日】2022-02-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【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】ミン・トラン

(72)【発明者】

【氏名】ティン・コムリェノヴィッチ

(72)【発明者】

【氏名】ヒョン・ダイ・パク

【審査官】堀部 修平

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０２８４９７９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０７－０７４３４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２１－５０１４６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００４－５２３１１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２４４０６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０５３２６８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ６／１２－６／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

デバイスであって、
共通基板上に製造された第１の要素、第２の要素、及び、第３の要素を備え、
前記第１の要素は、第１の光学モードを支援する少なくとも３つの下位層を備える能動導波路構造部を備え、前記第２の要素は、第２の光学モードを支援する受動導波路構造部を備え、前記第１の要素に対して少なくとも部分的にバットカップリングされた前記第３の要素は、２つ以上の中間光学モードを支援する中間導波路構造部を備え、
前記能動導波路構造部内の第１の下位層が、ｎ型接触層を備え、前記能動導波路構造部内の第２の下位層が、ｐ型接触層を備え、前記能動導波路構造部内の第３の下位層が、能動領域を備え、
前記能動導波路構造部の前記下位層の前記ｎ型接触層が、前記能動導波路構造部の前記能動領域と前記第２の要素の前記受動導波路構造部との間にあり、
前記第２の要素及び前記第３の要素の少なくとも一方の中のテーパ導波路構造部が、前記第２の光学モードと前記中間光学モードのうちの１つとの間における効率的な断熱変換を促進し、
断熱変換が、すべての前記中間光学モードと前記第１の光学モードとの間において行われず、
前記第１の要素、前記第２の要素、及び前記第３の要素の相互アラインメントが、前記第１の要素、前記第２の要素、及び前記第３の要素を製造する処理ステップの最中に形成される層同士の間の正確なアラインメントを容易にするリソグラフィアラインメントマークを使用して規定され、
前記ｎ型接触層は、ｎ接触金属に接続され、
前記ｎ接触金属は、前記能動領域から側方にオフセットされる、デバイス。

【請求項2】

前記第２の要素は、前記第３の要素の下方表面の下層として位置し前記下方表面と直接接触状態にある平坦状頂部表面を備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項3】

前記第１の要素と前記第３の要素との間の境界部が、前記第１の要素と前記第３の要素との間における反射を最低限に抑えるように最適化された角度にて角度をつけられる、請求項１に記載のデバイス。

【請求項4】

前記ｎ型接触層及び前記ｐ型接触層は、高ドープＧａＡｓ層を備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項5】

前記能動領域は量子井戸を備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項6】

前記能動領域は量子ドットを備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項7】

前記能動領域はｐｉｎ接合部を備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項8】

前記第２の要素は、１．８～２．５の間の屈折率及び２０ｎｍ～２０００ｎｍの間の厚さを有する、請求項１に記載のデバイス。

【請求項9】

前記第３の要素は、１．５５～２．２の間の屈折率を有し、
前記第３の要素の前記屈折率は、前記第２の要素の前記屈折率よりも低い、請求項１に記載のデバイス。

【請求項10】

前記第１の要素内の前記能動導波路構造部は、第１の光学モードを支援する少なくとも５つの下位層を備え、
前記能動導波路構造部内の第４の下位層が、ｎ型クラッド層を備え、前記能動導波路構造部内の第５の下位層が、ｐ型クラッド層を備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項11】

前記ｎ型クラッド層及び前記ｐ型クラッド層は、５％～６０％の間のＡｌ濃度を有するＡｌＧａＡｓ層を備える、請求項１０に記載のデバイス。

【請求項12】

前記能動導波路構造部内の第６の下位層が、エッチング停止層を備える、請求項１０に記載のデバイス。

【請求項13】

前記第１の要素は、光学モード閉込め部を備える、請求項１０に記載のデバイス。

【請求項14】

デバイスであって、
共通基板上に製造された第１の要素、第２の要素、及び、第３の要素を備え、
前記第１の要素は、第１の光学モードを支援する少なくとも３つの下位層を備える能動導波路構造部を備え、前記第２の要素は、第２の光学モードを支援する受動導波路構造部を備え、前記第１の要素に対して少なくとも部分的にバットカップリングされた前記第３の要素は、２つ以上の中間光学モードを支援する中間導波路構造部を備え、
前記能動導波路構造部内の第１の下位層が、ｎ型接触層を備え、前記能動導波路構造部内の第２の下位層が、ｐ型接触層を備え、前記能動導波路構造部内の第３の下位層が、能動領域を備え、
前記能動導波路構造部の前記下位層の前記ｎ型接触層が、前記能動導波路構造部の前記能動領域と前記第２の要素の前記受動導波路構造部との間にあり、
前記第３の要素は、前記第２の要素のためのクラッドを形成し、
前記第２の要素内のテーパ導波路構造部が、前記第２の光学モードと前記中間光学モードのうちの１つとの間における効率的な断熱変換を促進し、
断熱変換が、すべての前記中間光学モードと前記第１の光学モードとの間において行われず、
前記第１の要素、前記第２の要素、及び前記第３の要素の相互アラインメントが、前記第１の要素、前記第２の要素、及び前記第３の要素を製造する処理ステップの最中に形成される層同士の間の正確なアラインメントを容易にするリソグラフィアラインメントマークを使用して規定され、
前記ｎ型接触層は、ｎ接触金属に接続され、
前記ｎ接触金属は、前記能動領域から側方にオフセットされる、デバイス。

【請求項15】

前記第２の要素は、前記第３の要素の下方表面の下層として位置し前記下方表面と直接接触状態にある平坦状頂部表面を備える、請求項１４に記載のデバイス。

【請求項16】

前記第１の要素と前記第３の要素との間の境界部が、前記第１の要素と前記第３の要素との間における反射を最低限に抑えるように最適化された角度にて角度をつけられる、請求項１４に記載のデバイス。

【請求項17】

前記角度をつけられた境界部上に堆積された反射防止コーティング層
をさらに備える、請求項１６に記載のデバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本願は、米国特許第１０，８５９，７６４号として発行された、２０２０年５月１９日出願の米国特許出願第１６８７８５６３号に関する。

【0002】

本発明は、半導体処理に関する。より詳細には、本発明のいくつかの実施形態は、光結合される異種材料を使用して光集積回路を実現するための方法及びシステムに関する。

【背景技術】

【0003】

光集積回路（ＰＩＣまたはＩＯＣ）は、複数のフォトニック機能を集積したデバイスであり、そのため電子集積回路と類似したものである。これら２つの主な相違点は、光集積回路は光搬送波に乗せられた情報信号に対する機能を実現する点である。光集積回路に関して最も工業的に使用される材料プラットフォームは、リン化インジウム（ＩｎＰ）である。リン化インジウムは、様々な光学的な能動機能及び受動機能を同一チップ上に集積することを可能にする。多くの現行のＰＩＣは、ＩｎＰプラットフォームにおいて実現されているが、シリコン材料のいくつかのより優れた特徴及びより優れた可処理性を理由に、ＰＩＣの実現に関してはＩｎＰよりもむしろシリコンを使用した膨大な研究が過去１０年においてなされおり、これらのシリコン材料のいくつかのより優れた特徴及びより優れた可処理性は、電子集積回路に対して既になされた投資に対してレバレッジ効果をもたらす。

【0004】

ＰＩＣに関してシリコンを使用する最大の欠点は、シリコンが、電気励起されるソース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点である。この問題は、一般的には別個のプロセスで異種材料から作製された２つ以上のチップを備えるＰＩＣをアセンブルすることによって解決される。かかるアプローチは、非常に精密なアラインメントを必要とするため困難であり、パッケージングコストを上昇させ、スケーリング限度をもたらす。このバンドギャップの問題を解決するためのもう１つのアプローチは、２つの異種材料を結合しこれらを共に処理することにより、異種材料によるより大型のピースまたは完全ウェーハの結合の最中における精密なアラインメントの必要性を排除し、大量生産を可能にすることである。本開示では、「ハイブリッド」という用語は、それぞれ別個に処理されたパーツの正確なアセンブルを含む最初のアプローチを説明するために用いられ、「不均質（ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ）」という用語は、２つの材料を結合し、次いで結合された成果物を処理することにより導波路及び他の当該構成要素を画定する後者のアプローチを説明するために用いられる。

【0005】

異種材料間において光信号を伝達するために、不均質アプローチは、テーパを使用する。このテーパの寸法は、異種材料の実効モード屈折率が合致し、効率的な電力伝達が得られるまで漸減する。一般的に、シリコン及びＩｎＰの場合などのように材料同士が類似の屈折率を有する場合には、このアプローチは良好に機能する。例えばＳｉＮ及びＧａＡｓ間などにおけるように実効屈折率の差異がより大きい場合には、テーパ先端部寸法に関する要件は、効率的な電力伝達を制限するほど法外なものとなる。具体的には、（ナノメートルオーダの）きわめて小さなテーパ先端部幅が、良好な結合を実現するために必要となり得る。かかる寸法の実現は難しく、法外なコストがかかり得る。

【0006】

ＩｎＰベースＰＩＣ及びシリコンベースＰＩＣは、多くの現行のニーズに対応しているが、いくつかの限界を有しており、中でもとりわけ、動作波長範囲が材料吸収による損失上昇によって限定される点と、ＰＩＣが対応可能な最大光学強度及びその結果として光学出力についての制限が存在する点とを有する。これらの限界に対処するために、例えばＳｉＮ、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＡｌＮ、またはその他などの代替的な導波路材料が考慮されてきた。一般的に、かかる誘電体導波路は、より短い波長にてより良好な高出力ハンドリング及び透明性を実現するより高いバンドギャップエネルギーを有するが、一般的に、かかる材料は、屈折率がより低い。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のバンドギャップ及び約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。ちなみに、ＧａＡｓの屈折率は＞３である。これにより、テーパアプローチは困難なものとなる。

【0007】

代替的なハイブリッドアプローチは、既に上述した欠点を有し、すなわち精密なアラインメントの必要性と、それに対応したパッケージングの複雑化及びスケーリング限界とを有する。

【0008】

上記で論じた問題に対する近年のアプローチは、上記で参照した米国特許第１０，８５９，７６４（Ｂ２）号に提示されたものであり、モードコンバータとの組合せにおいてバットカップリングを利用して、極小のテーパ幅を必要とせずに不均質プロセスの利用を可能にするものであった。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、このようにバットカップリングを利用する、かつ、例えばレーザなどの能動デバイスを備えるＰＩＣに関する。特に、以降で説明する実施形態は、高性能レーザ、増幅器、変換器、及び光検出器の作製に必要な能動材料の基礎構造の設計詳細と共に考慮される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】軸方向断面において示した本発明の一実施形態によるデバイスを示す図である。

【図2a】図１の一実施形態に対応するデバイスの３つの異なる軸方向位置における断面端面図である。

【図2b】図１の一実施形態に対応するデバイスの第４の軸方向位置における断面端面図である。

【図3】本発明のいくつかの実施形態によるデバイスの断面上面図である。

【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上面図である。

【図5】本発明のいくつかの実施形態によるデバイスの断面上面図である。

【図6a】図５の実施形態に対応するデバイスの３つの異なる軸方向位置における断面端面図である。

【図6b】図５の実施形態に対応するデバイスの第４の軸方向位置における断面端面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本明細書においては、光結合がモード変換及びバットカップリングスキームの利用により改善される、ウェーハボンディング及び異種材料の堆積を利用して光集積回路を実現するための方法及びシステムの実施形態が説明される。

【0012】

以下の詳細な説明においては、その一部を構成する添付の図面が参照される。すべての図面にわたり、同様の数字は同様のパーツを示し、これらの図面において、本開示の対象を実施し得る実施形態は例として示される。本開示の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が利用されてもよく、構造または論理の変更が行われてもよい点を理解されたい。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で理解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及びその均等物により定義される。

【0013】

本説明は、例えば頂部／底部、中／外、及び上／下などの視野ベースの記述を利用する場合がある。かかる記述は、説明を容易にするために使用されるにすぎず、本明細書において説明される実施形態の用途をいかなる特定の配向にも限定するように意図されるものではない。本説明は、「一実施形態において」または「いくつかの実施形態において」という表現を使用する場合があるが、これらの表現はそれぞれ、同一のまたは異なる実施形態のうちの１つまたは複数を示し得る。さらに、本開示の実施形態に関して使用されるような「備える」、「含む」、「有する」等の用語は、同義語である。

【0014】

本開示において、「Ａ及び／またはＢ」という表現は、（Ａ）、（Ｂ）、または（Ａ及びＢ）を意味する。本開示において、「Ａ、Ｂ、及び／またはＣ」という表現は、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ａ及びＢ）、（Ａ及びＣ）、（Ｂ及びＣ）、または（Ａ、Ｂ、及びＣ）を意味する。

【0015】

「～と結合された」という用語及びその派生用語が、本明細書において使用される場合がある。「結合された」は、次の１つまたは複数を意味し得る。「結合された」は、２つ以上の要素が直接的な物理的接触、電気的接触、または光学的接触の状態にあることを意味し得る。しかし、「結合された」は、２つ以上の要素が相互に間接的に接触するが、しかし依然として相互に協働または相互作用することをさらに意味し得るものであり、１つまたは複数の他の要素が、相互に結合されると表現される要素間において結合または連結されることを意味し得る。「直接的に結合された」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的に接触状態にあることを意味する。本明細書において、「バットカップリングされた」という用語は、「端部間」結合または軸方向結合を意味するその通常の意味において使用され、当該要素間における軸方向オフセットは、最小限またはゼロである。この軸方向オフセットは、例えば、要素１０６、２０６、及び３０６に関連して以降で説明されるように、それらの要素間に何らかの種類の薄い中間層が形成される場合にはゼロよりも若干大きくてもよい。２つの導波路構造体または導波路要素の軸は、バットカップリングされるものと厳密に説明できるためには同じ直線上にある必要は必ずしもない点を留意されたい。換言すれば、要素間の境界面は、それぞれの軸に対して垂直である必要はない。以降で論じる図４の実施形態は、かかる可能性の例である。

【0016】

本明細書において、「能動デバイス」及び／または「能動領域」という用語が使用される場合がある。能動的と呼ばれるデバイスまたはデバイスの領域は、発光、増幅、変調、及び／または検出を行うことが可能である。我々は、「能動デバイス」及び「能動領域」をそれらのいずれか一方及び／または両方を互換的に意味するものとして使用する。これは、「受動デバイス」及び／または「受動領域」が意味するところのものとは対照的であり、これらの「受動デバイス」及び／または「受動領域」の主な機能は、光を閉じ込め誘導する、ならびに／または分割、結合、フィルタリング、及び／もしくは受動デバイスに一般的に付随する他の機能を実現することである。一部の受動デバイスは、例えば熱的効果または変調をもたらし得る同様のものを利用して実現される位相調整などの、能動デバイス機能と重複する機能を実現し得る。この場合の相違点は性能にあり、能動デバイスは、より高い効率、より低い電力消費、より広い帯域幅、及び／または他の利点を一般的にもたらす。材料組成またはデバイス構造のみに基づき、「能動」と「受動」との間に絶対的な違いが生じると見なすべきではない。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条件の下では能動的であるが、ほとんどの他の状況では受動的であると見なすことができる。

【0017】

図１は、異種材料間の効率的な結合のためにバットカップリング及びモード変換を利用する光集積デバイス１００の概略断面図である。この例示の断面は、例えばＳｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、石英、サファイア、ガラス、ＧａＮ、シリコン・オン・インシュレータ、または当技術で既知の他の材料などの、半導体処理及び誘電体処理に適した任意の基板であることが可能な基板１０５を含む。図示する実施形態では、第２の材料の層１０４は、当分野において既知の技術を利用することにより基板１０５の頂部表面に対して堆積、成長、転写、結合、または他の方法で装着される。層１０４の主な目的は、材料１０２（以降において説明される）に対して光学クラッドを与えることであり、必要に応じてそれにより光導波路が形成される。光導波路は、２つの低屈折率層間に高屈折率コアを配置することにより光波を閉じ込めることによって通常は実現される。いくつかの実施形態では、層１０４は省かれ、基板１０５自体がクラッドとしての役割を果たす。

【0018】

層１０２は、当分野で既知の技術を利用することにより、層１０４が存在する場合には層１０４の頂部に対して、及び／または基板１０５の頂部に対して堆積、成長、転写、結合、または他の方法で装着される。層１０２の屈折率は、層１０４が存在する場合には層１０４の屈折率よりも高く、または層１０４が存在しない場合には、層１０２の屈折率は、基板１０５の屈折率よりも高い。一実施形態では、層１０２の材料は、ＳｉＮ、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２、ＬｉＮｂＯ３、及びＡｌＮのうちの１つまたは複数を含むが、それらに限定されない。いくつかの実施形態では、他の通常の誘電体材料が、層１０２に対して使用され得る。他の実施形態では、半導体材料が、層１０２に対して使用され得る。いくつかの実施形態では、層１０２の屈折率は、１．８～２．５の間である。層１０４及び層１０２のいずれかまたは両方が、当技術において一般的であるようにパターニング、エッチング、または再堆積可能である。

【0019】

層１０２の屈折率よりも低い屈折率を有する層１０８が、層１０２の上層として位置し、層１０１及び層１０３の下層として位置し（以降においてさらに詳細に説明される）、層１０２のパターニングされた表面を平坦化する役割を果たす。いくつかの実施形態では、層１０８の頂部表面の平面性は、化学機械研磨（ＣＭＰ）もしくは他のエッチング、化学研磨方法、及び／または機械研磨方法により実現される。他の実施形態では、この平面性は、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には、層１０８が堆積される方法に固有の特性によって実現される。平坦化は、層１０２の頂部上に所望の典型的には非常に小さな厚さの層が残されるように（図１に示すように）、または層１０２の頂部表面の高さを上回るすべての材料を除去する（図示せず）ように、制御され得る。この場合に、層１０８は、層１０２の頂部上に残され、標的厚さは、１０ｎｍ～数百ｎｍの範囲内であり、実際の厚さは、平坦化プロセスの典型的なウェーハ面内不均一性を含む。いくつかの実施形態では、スピンオン材料が、平坦化のために使用され、次いでエッチバックされ、その結果として典型的なＣＭＰプロセスに比べて改善されたウェーハ面内均一性が得られる。上記のいずれの場合においても、結果的に得られる層１０２の頂部表面（スピンオン材料が存在しない場合）または結果的に得られる層１０８の頂部表面（スピンオン材料が存在する場合）は平坦表面となる。

【0020】

層１０１は、対応する（１０８、１０２）頂部表面の少なくとも一部の頂部上に結合される。前記結合は、直接分子結合であることが可能であり、または例えば当技術において知られているような金属層もしくはポリマーフィルムなどの追加材料を使用して結合を促進することが可能である。層１０１は、能動領域と一般的に呼ばれるものを構成し、図４を補助としてさらに詳細に説明されることとなるようなＧａＡｓならびにＧａＡｓベース３元材料及びＧａＡｓベース４元材料を含むがこれらに限定されない材料から作製され得る。一実施形態では、層１０１は、当技術において能動デバイスに関して知られているような、光及び電気の閉込め部と電気接触子との両方を実現する層からなる多層である。さらに別の実施形態では、層１０１は、電気及び／または光の閉込め部ならびに１つまたは複数の電気接触子を実現するために下層１０２、１０８、１０４、及び／または１０５を使用する。

【0021】

いくつかの実施形態では、層１０１は、発光及び光学利得を生じさせるように効率的に電気的に励起され得る。本発明により、層１０１及び層１０２の中に形成された導波路同士の間における効率的な光結合が可能となる。前記材料１０２は、例えば広帯域透明性、高強度ハンドリング、温度、ひずみ、もしくは他の調整作用による位相シフト、結合、分割、フィルタリング、及び／または当技術において知られているような他のものなどの追加の機能性を実現し得る。

【0022】

効率的な結合は、層１０３によって促進され、層１０６が存在する場合にはさらに層１０６によって促進される。オプションの層１０６は、層１０１と層１０３との間の境界部にて反射防止コーティングまたは高反射コーティングのいずれかとしての役割を主に果たす。層１０３は、中間導波路としての役割を果たし、この中間導波路は、いくつかの実施形態では、層１０１がコアを形成する導波路により支援される光学モードのプロファイル（破線１５０により図示）を受領し、この受領したプロファイルをモードプロファイル１５１として効率的にキャプチャし、モードプロファイル１５２へと徐々に伝達し、最終的にはモードプロファイル１５３へと伝達する。次いで、モードプロファイル１５３は、層１０２がコアを形成する導波路に対して効率的に結合される。他の実施形態では、移動方向が反転されてもよく、層１０３は、層１０２がコアを形成する導波路により支援された光学モードを効率的にキャプチャし、このモードプロファイルを層１０１がコアを形成する導波路により支援されたモードのプロファイルへと徐々に伝達する。

【0023】

層１０３の屈折率は、モードプロファイル１５０の効率的な結合を促進するように、ならびに層１０２及び／または１０３に形成されるテーパ構造部を活用することによりモードを、モードプロファイル１５３を有するモードへと効率的に変形するように、工学設計され得る。いくつかの実施形態では、層１０３の屈折率は、１．５５～１．８の間である。いくつかの実施形態では、層１０３は、ＳｉＮＯ_Ｘなどの誘電層である。さらに他の実施形態では、層１０３は、ポリマーであることが可能である。さらに他の実施形態では、層１０３は、適切な屈折率を有する任意の他の材料であることが可能である。

【0024】

層１０３の厚さは、最適化パラメータであり、いくつかの実施形態では４００ｎｍ～２０００ｎｍの間である。本発明以前においては、すなわち中間層１０３が存在しない場合には、テーパ先端部幅に関する要件が、上述したように問題となる。しかし、中間層１０３を使用することにより、テーパ先端部の幅に関する厳しい要件が大幅に軽減され、それにより非常に高い屈折率を有する材料（例えば層１０１中のＧａＡｓなど）と低い屈折率を有する材料（例えば層１０２中のＳｉＮなど）との間における効率的な伝達が可能となる。

【0025】

層１０１及び１０２のそれぞれの中の導波路により支援される光学モード間の相違は、モードプロファイルの観察によって明確であってもまたは明確でなくてもよいが、１００％未満のモードオーバーラップ（中間層１０３がない場合）により、結果として著しい光学損失がもたらされる。いくつかの場合では、最高で１ｄＢの損失が許容可能となるが、それを上回る損失は許容不能となると見なされ得る。他の場合では、３ｄＢの損失レベルが基準として選択され得る。層１０３の機能は、不完全なモードオーバーラップに起因する光学損失を、所与用途において許容レベルと判定されるレベル未満に抑制することである。

【0026】

層１０３及び／または層１０２において実現される導波路のための上方クラッド層１０７は、周囲空気であることが可能であり（クラッド材料が実際には堆積されないことを意味する）、または図１に示すように、ポリマー、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＳｉＮＯｘ等を含むがこれに限定されない、任意の他の意図的に堆積された適切な材料であることが可能である。いくつかの実施形態では、同一の材料が、層１０７及び層１０８に対して使用される。いくつかの実施形態では（図示せず）、層１０７のクラッド機能は、複数の堆積部により実現可能であり、例えばある材料は、層１０２中に形成されたコアにより誘導されるモード１５３にクラッドを与え、別の材料は、層１０３中に形成されたコアにより誘導されるモード１５１にクラッドを与える。いずれの場合においても、クラッド材料の屈折率は、モード誘導のためのコアを形成する材料の屈折率よりも低い。さらに他の実施形態では（図５に示す）、層１０３は、設計によってより低い屈折率にされることにより、層１０２及びモード１５３に対してクラッド機能を提供することが可能である。これらの実施形態は、図５を参照として以降においてさらに論じられる。

【0027】

層１０９は、層１０１の一部の頂部上に堆積された接触金属である。層１０１は、少なくとも３つの下位層から構成され、これについては図２ａの説明において以降で詳細に論じる。１つまたは複数のリソグラフィアラインメントマーク（この断面図には図示しないが、例えば以降で説明する図３の３２０及び図４の４２０などを参照）が、様々な処理ステップの最中に形成されたこれらの層間の正確なアラインメントを促進するために存在する。

【0028】

いくつかの実施形態では、層１０８が存在せず、層１０１がパターン層１０２の頂部上に接合され、層１０３がパターン層１０２の頂部上に堆積される。かかる実施形態では、平坦化ステップは存在しない。

【0029】

破線Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤは、端面図２００Ｄを示す図２ａと、端面図２００Ａ、２００Ｂ、及び２００Ｃを示す図２ｂとを補助としてさらに詳細に説明される本発明のいくつかの実施形態によるデバイスの断面端面図に対応する。

【0030】

図２ａは、図１において（及び図３～図４において）Ｄと印をつけられた特徴位置に対応する断面図２００Ｄを示し、図２ｂは、図１において（及び図３～図４において）Ａ、Ｂ、及びＣと印をつけられた３つの特徴位置に対応する３つの断面図２００Ａ、２００Ｂ、及び２００Ｃを示す。機能層２０１～２０９は（明確に別様に規定されない限り）、図１に関連して説明されるような機能層１０１～１０９と、図３に関連して説明されるような機能層３０１～３０９と、図４に関連して説明されるような機能層４０１～４０９とに対応する。

【0031】

断面２００Ｄは、能動層２０１（図１、図３、図４の１０１、３０１、及び４０１に対応する）を備える領域を貫通する一例の切断面である。層２０１は、能動デバイスを実現するために必要な機能性を実現する複数の下位層を備える。図示する実施形態では、層２０１は、結合のために平坦化された表面を提供する層２０８の頂部上に位置する。別の実施形態では（図示せず）、層２０１は、以前には存在した平坦化層２０８が層２０２の頂部から完全に除去されて、層２０２の頂部上に位置する。さらに別の実施形態では（図示せず）、層２０１は、平坦化層が以前に存在することのなかった層２０２の頂部上に位置する。さらに別の実施形態では（図示せず）、層２０１は、層２０４の頂部上に位置する（層２０２が完全に除去される場合）、及び／または層２０５の頂部上に位置する（層２０２及び２０４が完全に除去される場合）。

【0032】

層２０１は、高性能能動デバイスを助長するために光及び電気の閉込め部を画定する役割を果たす。垂直方向における光閉込め部（図２に示すような）は、材料組成が異なる屈折率に対応することにより形成され、水平方向における光閉込め部は、層２０１の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド（２０７）を実現するための少なくとも１つのエッチング工程により形成される。クラッド２０７は、複数の材料を含み、これらの材料の中のいくつかは、エッチングされる表面に対してパッシベーション機能を与えることによりレーザ性能の改善をもたらし得る。電気閉込め部は、適切な材料組成により、及びエッチングまたは注入された電流チャネルを作製することにより形成される。

【0033】

一実施形態では、能動層２０１は、５つの異なる機能層２０１－１、２０１－２、２０１－３、２０１－４、及び２０１－５を備える。

【0034】

２０１－１は、高Ｎ＋ドープＧａＡｓ層を備えるｎ型接触層を形成する。いくつかの実施形態では、ドーピングは、＞１ｅ１８である。いくつかの実施形態では、層２０１－１は、結合を促進するための及び／またはずれを防止するための超格子層を備える。超格子の一例は、ＧａＡｓ層及びＡｌＧａＡｓ層の組合せ、ＩｎＧａＰ層及びＩｎＡｌＰ層の組合せ、または他の適切な組合せが可能である。この層の厚さは、典型的には５０ｎｍ～２００ｎｍの間であるが、いくつかの実施形態ではさらに大きいものが可能である。ｎ型金属及び電気パッドに接続するためのバイア（層２１０ａ及び２１０ｂ）は、光学モード２５０（側方閉込め部が少なくとも１つのエッチング工程により画定された）から側方にオフセットされて、ｎ型接触金属に起因する非常に低いまたは無視し得るレベルの光学損失をもたらす。

【0035】

層２０１－２は、ｎ側クラッドを形成し、典型的にはＡｌＧａＡｓ層として実現される。このＡｌ含有量は、固定される、段階的に変化する、または徐々に変化することが可能であり、動作波長に左右される。ｎ接触金属（２１０ａ及び２１０ｂ）が側方にオフセットされることにより、厚さは、金属損失により決定されず、モード形状、能動領域閉込め、及び層２０３への結合を促進するための最適化パラメータとなる。いくつかの実施形態では、層２０１－２の厚さは、１００ｎｍ～１０００ｎｍの間である。また、層２０１－２は、例えばＩｎＧａＰまたはその他などの１つまたは複数のエッチング停止層を備えることが可能である。いくつかの実施形態では、このエッチング停止層の厚さは、５ｎｍ～８０ｎｍの間である。下位層２０１－２が、固定濃度にてドーピングされるか、または一様ではなく層２０１－３との境界部における最低濃度から層２０１－１との境界部における５ｅ１７～４ｅ１８の間の高ドーピングレベルまで上昇する濃度でドーピングされる。

【0036】

層２０１－３は、一実施形態では、量子井戸と、量子障壁と、量子井戸／量子障壁構造体の少なくとも一方の側部上に位置する個別の閉込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層とを備える能動領域である。いくつかの実施形態では、量子ドットが量子井戸の代わりに使用される。他の実施形態では、量子井戸内部に埋設された量子ドットが使用される。さらに別の実施形態では、バルクｐ（ｉ）ｎ接合部が、例えば光検出機能またはバルク相／強度変調機能などを実現するために能動領域内に画定される。ＳＣＨ層は、傾斜的または非傾斜的であることが可能である。いくつかの実施形態では、ＳＣＨ層は、一定のドーピングまたは濃度変化ドーピングによりＡｌＧａＡｓ材料として実現される。傾斜ドーピングの場合には、量子井戸／量子ドット／ｐｎ接合部からの距離が大きくなるにつれて、ドーピングが徐々に上昇する。

【0037】

層２０１－４は、典型的にはＡｌＧａＡｓ層として実現されるｐ側クラッドである。このＡｌ含有量は、固定される、段階的に変化する、または徐々に変化することが可能であり、動作波長に左右される。層２０１－４の厚さ及びＡｌ含有量は、この層中における吸収損失効果と上方の接触層における吸収損失との両方を低下させるように最適化されるパラメータである。いくつかの実施形態では、層２０１－４の厚さは、１００ｎｍ～２０００ｎｍの間である。また、層２０１－４は、例えばＩｎＧａＰまたはその他などの１つまたは複数のエッチング停止層を備えることが可能である。いくつかの実施形態では、このエッチング停止層の厚さは、５ｎｍ～８０ｎｍの間である。層が、固定レベルにてドーピングされるか、または一様ではなく層２０１－５との境界部における最高濃度から層２０１－３との境界部における低ドーピングレベルまで低下する濃度でドーピングされる。

【0038】

層２０１－５は、ｐ型接触層である。いくつかの実施形態では、高ｐ＋ドープＧａＡｓ層がｐ型接触のために使用される。いくつかの実施形態では、ドーピングレベルは＞１ｅ１８である。

【0039】

いくつかの実施形態では、層２０１－１～２０１－５のすべてが存在するわけではないが、最低限として能動領域（２０１－３）、ｎ型接触領域（２０１－１）、及びｐ型接触領域（２０１－５）が存在する。いくつかの実施形態では、追加のエッチング停止層が、より良好なプロセス制御を促進するために導入される。

【0040】

図２ｂでは、断面２００Ａは、層４０２に対する光結合（光信号流が図１、図３、及び図４において右から左へと行われるものと前提する）が完了した後の、図１（ならびに以降で説明されることとなる図３及び図４）に示すようなデバイスの一番左側の位置における一実施形態を示す。断面２００Ｂは、層２０３中に主として位置するモードから層２０２中に主として位置するモードへのモード遷移が促進される一実施形態を示す。この遷移は、層２０２及び２０３の少なくとも一方において実現されるテーパにより促進される。断面２００Ｃは、断面２００Ｄで誘導を実現する構造部から層２０３がバットカップリングされた後にモードが層２０３中に主として位置する一実施形態を示す。層２０１、２０２、及び２０３の中に形成される導波路の典型的な高さ及び幅は、サブミクロン（わずか２０ｎｍ）から数ミクロンまでの範囲に及び得るが、特定の材料システム及び実装形態に大幅に左右される。効率的な結合を促進するために最適な寸法（幅、高さ、側壁部角度等）は、例えば市販のシミュレーションツールまたは同様のものなどを利用して容易に計算することが可能である。いくつかの実施形態では、層２０２の厚さ（図２における垂直方向寸法）は、２０ｎｍ～４００ｎｍの間であるが、さらに他の実施形態では４００ｎｍ～２０００ｎｍの間である。

【0041】

いくつかの実施形態では、少なくとも２つのエッチング工程が利用される（図２ａに示すように）。１つのエッチング工程は、光学モード閉込め部を画定し、別のエッチング工程は、金属堆積用のｎ型接触領域を開口する。いくつかの実施形態では、単一のエッチング工程が、光学モード閉込め部を画定し、金属堆積用のｎ型接触領域を開口するために使用される。他の実施形態では、３つ以上のエッチング工程が、光閉込め部、側壁部再結合、能動領域ポンプ効率、及びｎ型接触領域アクセスの追加的な制御を行うために使用される。エッチング工程は、時間調節される及び／または制御の改善のためにエッチング停止層を使用することが可能である。

【0042】

いくつかの実施形態では、層２０２、２０４、２０５、及び／または２０８中に画定されるパターンが、層２０１の中に主として位置する光学モードへそのモードのエバネッセントテールを経由して周波数選択フィードバックを提供することが可能である。かかる周波数選択フィードバックは、単一周波数レーザ（例えば分布帰還型レーザまたはその他など）を画定するために利用され得る。

【0043】

図３は、異種材料間における効率的な結合のためにバットカップリング及びモード変換を利用する光集積デバイス３００の上面図を提供する。破線Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤは、図２ａ及び図２ｂならびにより具体的には端面図２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、及び２００Ｄを補助としてさらに詳細に上述された本発明のいくつかの実施形態によるデバイスの断面端面図に対応する。

【0044】

能動層３０１により支援される光学モードは、オプションの被覆層３０６を通り、層３０２に対する効率的な結合のためにモードを変換する役割を果たす層３０３へと誘導される。層３０６は、高反射機能を実現することが可能であり、または反射防止コーティングとして機能するように設計された場合には反射軽減を促進することが可能である。層３０１及び層３０２により支援されるモード間の結合を促進するために、層３０２の寸法は、図の一番左側に図示される層３０２の幅に比べて比較的小さい先端部３１１の幅によって示されるように、層３０１に向かってテーパ縮小される。テーパ寸法に関する要件は、層３０３の存在により最大で数百ナノメートルまで大幅に緩和されると推定されている。例えば、百ナノメートル超の先端部幅の場合に層３０１と層３０２との間の屈折率の差異が１を上回る場合でも、層３０１と層３０２との間において７０％超の結合効率が実現され得る。対照的に、層３０３が存在しない場合には、層３０１が、その層のモードが層３０２へと直接的に結合され得るようにテーパ状になされなければならず、層３０１のテーパ先端部（図示せず）の寸法は、同様の結合効率の場合に百ナノメートルをはるかに下回らなければならない。別の実施形態では、テーパが、層３０２ではなく層３０３に形成される（図示せず）。さらに別の実施形態では、テーパが、高効率結合のために層３０２及び層３０３の両方に形成され得る。いくつかの実施形態では、層３０２及び層３０３の前記テーパは、多段テーパであり、すなわちより高効率の結合を促進するために２つ以上のエッチング深さが利用される。

【0045】

いくつかの実施形態では（図示せず）、テーパ先端部は、層３０６に対して物理的に接触することが可能であり、層３０６が存在しない場合には層３０１に対して物理的に接触することが可能である。さらに別の実施形態では（図示せず）、テーパ先端部において層３０２が突如として終焉せず、より効率的な結合を促進するために幅が変化し続ける。

【0046】

層３０９は、層３０１の頂部上に堆積された接触金属であり、図２ａに示すような図１の実施形態に関連して上述した層１０１の頂部上の接触金属１０９に対応する。

【0047】

１つまたは複数のリソグラフィアラインメントマーク３２０（簡略化のために１つのみが図示される）が、様々なプロセスステップ同士の間における正確なアラインメントのために使用される。

【0048】

図４は、異種材料間の境界部が伝達及び後方反射の両方を制御するために角度をつけられた、本発明の一実施形態による光集積デバイス４００の上面図を示す。能動層４０１により支援された光学モードは、オプションの被覆層４０６を経由して、層４０２に対する効率的な結合のためにモードを変換する役割を果たす層４０３へ誘導される。層４０６は、高反射機能を実現することが可能であり、または反射防止コーティングとして機能するように設計された場合には反射軽減を促進することが可能である。層４０１及び層４０２により支援されるモード間の結合を促進するために、層４０２の寸法は、図の一番左側に図示される層４０２の幅に比べて比較的小さい先端部４１１の幅によって示されるように、層４０１に向かってテーパ縮小される。テーパ寸法に関する要件は、層４０３の存在により最大で数百ナノメートルまで大幅に緩和されると推定されている。例えば、百ナノメートル超の先端部幅の場合に層４０１と層４０２との間の屈折率の差異が１を上回る場合でも、層４０１と層４０２との間において７０％超の結合効率が実現され得る。対照的に、層４０３が存在しない場合には、層４０１が、その層のモードが層４０２へと直接的に結合され得るようにテーパ状になされなければならず、層４０１のテーパ先端部（図示せず）の寸法は、同様の結合効率の場合に百
ナノメートルをはるかに下回らなければならない。別の実施形態では、テーパが、層４０２ではなく層４０３に形成される（図示せず）。さらに別の実施形態では、テーパが、高効率結合のために層４０２及び層４０３の両方に形成され得る。いくつかの実施形態では、層４０２及び層４０３の前記テーパは、多段テーパであり、すなわちより高効率の結合を促進するために２つ以上のエッチング深さが利用される。

【0049】

さらに、この実施形態では、層４０１、４０６、及び／または４０３の間の境界部のうちの１つまたは複数が、対応する後方反射を軽減するように角度をつけられる。

【0050】

角度４２０は、構造部４０１内部における波伝搬方向の接線とファセット（層４０６及び／または層４０６が存在しない場合には層４０３に向かう境界部）との間の角度を規定する。角度４２０は、層４０１により支援されるモードが層４０６及び／または層４０３に向かう境界部に到達する場合に、このモードの後方反射を制御するために主に利用される。一実施形態では、この角度は０°に実質的に等しい。さらに別の実施形態では、この角度は、１°～４５°の間である。さらに別の実施形態では、この角度は８°に実質的に等しい。さらに別の実施形態では、この角度は１２°に実質的に等しい。

【0051】

角度４３０は、構造部４０１の内部における波伝搬方向と層４０３により形成された導波路の角度との間の角度を規定する。前記角度は、層４０１及び４０３により支援されるモード間における結合効率のための最適化パラメータであり、角度４２０、及び／または層４０１及び４０３ならびにそれらのそれぞれのクラッドにおいて使用される材料の屈折率の選択に関連づけられる。一実施形態では、この角度は０°に実質的に等しい。さらに別の実施形態では、この角度は、１°～４５°の間である。さらに別の実施形態では、この角度は、１６°に実質的に等しい。さらに別の実施形態では、この角度は、２０°に実質的に等しい。いずれの場合でも、最適な角度４３０は、角度４２０と層４０１及び４０３におけるモードの実効屈折率との所与の組合せについて電磁ソルバーを利用して算出され得る。

【0052】

構造部４０１の内部の波伝搬方向により規定される軸と層４０３、４０６、及び／または４０１に対する境界部における導波路４０３の中心との間の正確な垂直方向アラインメント（図４では上下方向）は、かかるオフセットがポジティブ（図４の上方）である、ネガティブ（図４の下方）である、及び／または実質的に０に等しい（オフセットが存在しない）ことが可能な、最適化パラメータである。かかる最適化は、角度４２０及び角度４３０の最適化と共に遷移の性能を最大化するために数値ソフトウェアで直接的に実施される。

【0053】

本発明以前においては、すなわち中間層１０３／３０３／４０３が存在しない場合には、層１０１／３０１／４０１と層１０２／３０２／４０２との間における直接伝達のためのテーパ先端部幅に関する要件が問題となる。しかし、バットカップリングされた中間層１０３／３０３／４０３の使用により、いくつかの実施形態においては境界部が層１０１／３０１／４０１に対して角度をつけられた場合でも、テーパ先端部幅に関する厳しい要件が大幅に緩和されて、屈折率の非常に高い材料（例えば層１０１／３０１／４０１におけるＧａＡｓベース層など）と屈折率の低い材料（例えば層１０２／３０２／４０２におけるＳｉＮ、ＬｉＮｂＯ３、または同様のものなど）との間における効率的な伝達が可能となる。層４０３は、誘電体、ポリマー、及び／または任意の他の適切な材料を含んでもよい。断熱変換は、バットカップリングされた境界部における要素１０１／３０１／４０１及び要素１０３／３０３／４０３により支援される光学モード間においては行われない。層１０３／３０３／４０３及び／または層１０２／３０２／４０２は、誘導された光波のルーティングを制御するためにベンド（図示せず）を備えることが可能である。１つまたは複数のリソグラフィアラインメントマーク３２０／４２０が、様々な処理ステップの最中に形成された層同士の間における正確なアラインメントを促進するために存在する。

【0054】

図５は、異種材料間の効率的な結合のためにバットカップリング及びモード変換を利用する光集積デバイス５００の一実施形態の上面図を提供する。破線Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤは、端面図５００Ａ、５００Ｂ、５００Ｃ、及び５００Ｄを補助としてさらに詳細に説明される本発明のいくつかの実施形態によるデバイスの断面端面図に対応する。

【0055】

能動層５０１により支援される光学モードは、オプションの被覆層５０６を通り、層５０２に対する効率的な結合のためにモードを変換する役割を果たす層５０３へと誘導される。層５０６は、高反射機能を実現することが可能であり、または反射防止コーティングとして機能するように設計された場合には反射軽減を促進することが可能である。層５０１及び層５０２により支援されるモード間の結合を促進するために、層５０２の寸法は、図の一番左側に図示される層５０２の幅に比べて比較的小さい先端部５１１の幅によって示されるように、層５０１に向かってテーパ縮小される。テーパ寸法に関する要件は、層５０３の存在により最大で数百ナノメートルまで大幅に緩和されると推定されている。例えば、百ナノメートル超の先端部幅の場合に層５０１と層５０２との間の屈折率の差異が１を上回る場合でも、層５０１と層５０２との間において７０％超の結合効率が実現され得る。対照的に、層５０３が存在しない場合には、層５０１が、その層のモードが層５０２へと直接的に結合され得るようにテーパ状になされなければならず、層５０１のテーパ先端部（図示せず）の寸法は、同様の結合効率の場合に百ナノメートルをはるかに下回らなければならない。いくつかの実施形態では（図示せず）、テーパ先端部は、層５０６に対して物理的に接触することが可能であり、層５０６が存在しない場合には層５０１に対して物理的に接触することが可能である。さらに別の実施形態では（図示せず）、テーパ先端部において層５０２が突如として終焉せず、より効率的な結合を促進するために幅が変化し続ける。

【0056】

１つまたは複数のリソグラフィアラインメントマーク５２０（簡略化のために１つのみが図示される）が、様々なプロセスステップ同士の間における正確なアラインメントのために使用される。

【0057】

図５に示す実施形態では、図１の実施形態における層１０３及び１０２の状況とは対照的に（または図３及び図４のそれぞれの層３０３及び３０２または層４０３及び４０２の状況に対応して）、層５０３は、層５０２によりコアが形成される導波路内に主として位置する光学モードへと光学モードが遷移すると、層５０２の頂部から除去されない。この相違は、図６の端面図６００Ａ、６００Ｂ、及び６００Ｃを補助として容易に理解することができる。この実施形態では、この変更は、層５０３の屈折率が層５０２の屈折率よりも低くなるように材料が選択されて、それにより層５０３が層５０２のためのクラッドとしての役割を果たし得ることによって可能となる。この実施形態により、図１の層１０２の上の層１０３の場合におけるように（または図３及び図４のそれぞれの層３０２の上の層３０３及び層４０２の上の層４０３の場合におけるように）中間層が受動層の上方の領域から除去されなければならない場合に必要となるエッチング制御に関する要件が緩和されるため、光集積デバイスの製造が簡素化される。

【0058】

機能層５０１、５０２、５０３、５０６、及び５０９は（明確に別様に規定されない限り）、図３に関連して説明されるような機能層３０１、３０２、３０３、３０６、及び３０９と、以降で説明されることになる図６ａ及び図６ｂの層６０１、６０２、６０３、６０６、及び６０９とに対応する。

【0059】

図６ａは、図５においてＡ、Ｂ、及びＣと印をつけられた３つの特徴位置に対応する３つの断面図６００Ａ、６００Ｂ、及び６００Ｃを示し、図６ｂは、図５においてＤと印をつけられた特徴位置に対応する断面図６００Ｄを示す。機能層６０１～６０９は（明確に別様に規定されない限り）、図１に関連して説明されるような機能層１０１～１０９と、図３に関連して説明されるような機能層３０１～３０９と、図４に関連して説明されるような機能層４０１～４０９とに対応する。

【0060】

図６ａでは、断面６００Ａは、層６０２に対する光結合（光信号流が図５の図５００において右から左へと行われるものと前提する）が完了した後の、図５の図５００に示すデバイスの一番左側の切断面の断面図を示す。層６０２は、導波路のコアを形成し、層６０３、６０４、及び６０８は、クラッドとしての役割を果たす。断面６００Ｂは、層６０３中に主として位置するモードから層６０２中に主として位置するモードへのモード遷移が促進される一実施形態を示す。この遷移は、層６０２で実現されるテーパにより促進される。断面６００Ｃは、図１、図３、及び図４に関連して説明されるように能動領域内での誘導を実現する構造部から層６０３がバットカップリングされた後にモードが層６０３に主として位置する一実施形態を示す。

【0061】

図６ｂでは、断面６００Ｄは、能動層６０１（図２ａの能動層２０１に対応する）を備える領域を貫通する一例の切断面を示す。機能層６０１～６１０ｂは（明確に別様に規定されない限り）、層２０７が主要クラッドとしての役割を果たす図２ａとは対照的に層６０３が主要クラッドとしての役割を果たすという重要な相違点を伴いつつ、図２ａに関連して説明されるような機能層２０１～２１０ｂに対応する。層６０７は、デバイスのいくつかの部分に存在するが、テーパ領域においてまたはその付近において層６０２のためのクラッドとしての役割を果たさない点に留意されたい。いくつかの実施形態では、表面パッシベーションを実現するために層６０３と層６０１との間に追加の薄層（図示せず）が存在する。概して、モード形状６５０はモード形状２５０とは若干異なる。なぜならば、これらの２つの場合において、層６０１とクラッドとの間の境界部における屈折率コントラストが異なるからである。

【0062】

本発明の実施形態は、多数の利点を提供する。この集積プラットフォームにより、複数の材料から作製された、及び典型的なＳｉ導波路ベースＰＣＩまたはＩｎＰ導波路ベースＰＩＣと比べて高い光学出力のハンドリングが可能な、スケーリング可能なＰＩＣ製造が可能となる。

【0063】

以前のアプローチは、能動デバイスから受動デバイスへ光学モードを伝達するためにテーパ構造部を一般的に使用しており、化合物半導体領域の幅は、サブミクロンサイズまで断熱的にテーパ縮小される。しかし、テーパ先端部の所要幅は、屈折率の差異が上昇するにつれて、数十ナノメートルサイズへと急激に小さくなる。本発明は、結合される導波路のいずれかのテーパサイズに関する要件を緩和するためにバットカップリングスキームを展開し、これによりかかる構造部の製造が容易になる。

【0064】

他のアプローチは、受動導波路に対する事前製造された光学能動デバイスのダイアタッチメントに依拠するものであった。これは、典型的なダイボンダが実現可能な精度を一般的に上回る非常に厳格なアラインメント精度を必要とする。この点により、このプロセスのスループット及び光結合の性能が限定される。

【0065】

本発明は、誘電体導波路を有するキャリアウェーハ上への化合物半導体材料のブランケット片の典型的なウェーハボンディングと、当技術において知られているような続く半導体製造プロセスとからなるプロセスフローを利用する。これにより、典型的なフォトリソグラフィステップによる能動導波路と受動導波路との間の光学アラインメントの正確な規定が可能となり、それにより正確な物理アラインメントの必要性が解消される。前記フォトリソグラフィベースアラインメントにより、ウェーハスケール技術を利用したスケーラブル製造が可能となる。

【0066】

異種材料間における効率的な光学伝達は、現行の最新技術のツールでは解決及び製造が困難である幅狭テーパ先端部の必要性を解消するモード変換器（中間導波路）との組合せにおいてバットカップリングアプローチを利用することにより容易化される。

【0067】

能動層中のモードと受動層中のモードとの間における光結合は相互的であるため、例えば図１を例とした場合に、構造部は、領域１０１から領域１０２への光伝達を容易にするのみならず、さらに逆方向へのすなわち領域１０２から領域１０１への伝達を容易にするように構成され得る点を理解されたい。複数のかかる遷移が、それらの個数または配向における制限を伴うことなく、適切に構成されたＰＩＣにおいて実現され得る点を理解されたい。

【0068】

いくつかの実施形態では、能動領域は、間に誘電体を伴わずに基板に対して直接的に接触するため、より効率的な熱シンクのために基板を利用することが可能である。かかる実施形態では、能動領域は、能動領域中に光導波路を完全に画定し、上述のバットカップリングにより受動領域へと遷移する。

【0069】

いくつかの実施形態では、能動領域は、例えば分布帰還型（ＤＦＢ）レーザまたは同様の構成要素などのためのレーザ空洞内部に形成された波長選択構成要素の作製などのために使用することが可能なハイブリッド導波路構造部を誘電層と共に形成する。

【0070】

本明細書において説明される光学デバイスの実施形態は、様々なコンピューティングデバイス／機器及び／または家庭用電子デバイス／機器、通信システム、センサ、ならびに感知システムを含むがこれらに限定されない、様々な他のデバイス及びシステムに組み込まれ得る。

【0071】

本開示は、例示の実施形態のごく少数の例を教示するものであり、本開示の読後に本発明の多数の変更が当業者に容易に考案され得る点を、さらに本発明の範囲は添付の特許請求の範囲により規定される点を理解されたい。

【符号の説明】

【0072】

１００ 光集積デバイス
１０１ 機能層、要素、領域
１０２ 材料、機能層、領域、パターン層
１０３ 中間層、要素、機能層
１０４ 機能層
１０５ 基板
１０６ 要素、機能層
１０７ 上方クラッド層、機能層
１０８ 機能層
１０９ 機能層、接触金属
１５０ モードプロファイル
１５１ モードプロファイル、モード
１５２ モードプロファイル
１５３ モードプロファイル、モード
２００Ａ 断面
２００Ｂ 断面
２００Ｃ 断面
２００Ｄ 断面
２０１ 機能層、能動層
２０１－１ 機能層、ｎ型接触領域
２０１－２ 機能層
２０１－３ 機能層、能動領域
２０１－４ 機能層
２０１－５ 機能層、ｐ型接触領域
２０２ 機能層
２０３ 機能層
２０４ 機能層
２０５ 機能層
２０６ 要素
２０７ 機能層、クラッド
２０８ 機能層、平坦化層
２０９ 機能層
２１０ａ 機能層、ｎ接触金属
２１０ｂ 機能層、ｎ接触金属
２５０ 光学モード、モード形状
３００ 光集積デバイス
３０１ 能動層、機能層、要素
３０２ 機能層
３０３ 機能層、中間層、要素
３０６ 被覆層、機能層、要素
３０９ 機能層
３１１ 先端部
３２０ リソグラフィアラインメントマーク
４００ 光集積デバイス
４０１ 能動層、機能層、構造部、要素
４０２ 機能層
４０３ 機能層、導波路、中間層、要素
４０６ 機能層、被覆層
４０９ 機能層
４１１ 先端部
４２０ 角度、リソグラフィアラインメントマーク
４３０ 角度
５００ 光集積デバイス
５０１ 機能層、能動層
５０２ 機能層
５０３ 機能層
５０６ 機能層、被覆層
５０９ 機能層
５１１ 先端部
５２０ リソグラフィアラインメントマーク
６００Ａ 断面
６００Ｂ 断面
６００Ｃ 断面
６００Ｄ 断面
６０１ 機能層、能動層
６０２ 機能層
６０３ 機能層
６０４ 機能層
６０６ 機能層
６０７ 機能層
６０８ 機能層
６０９ 機能層
６１０ａ 機能層
６１０ｂ 機能層
６５０ モード形状

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6a】

【図6b】