JP6330549B2 - 光半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

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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。
光半導体素子とともに実装されるキャパシタは、高周波成分をカットすることでデバイスの誤作動を防止するために用いられる。この高周波成分の高周波信号は、電流変化に伴って電源ラインを伝搬してデバイスの誤作動を誘発する。したがって、高周波成分を十分にカットするための大容量素子が望まれる。例えば、特許文献１は、キャパシタの容量を増大させることができる半導体装置を開示している。
特開２００７−１８０４２５号公報
しかしながら、半導体光導波路を備える光半導体素子に容量素子をモノリシック集積する際に、素子面積に制限がある。
そこで、素子面積の増大化を抑制しつつ高容量の容量素子を集積することができる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。
本発明に係る光半導体素子は、基板上に形成されたメサ状の光導波路と、
前記光導波路に接続された信号電極と、前記光導波路および前記信号電極を埋め込むように設けられた樹脂層と、終端抵抗を介して前記信号電極と接続され、前記樹脂層上に設けられたキャパシタとを備える、光半導体素子である。
本発明に係る光半導体素子の製造方法は、基板上に、メサ状の光導波路を形成する工程と、前記光導波路上に信号電極を接続する工程と、前記光導波路および前記信号電極を樹脂層で埋め込む工程と、前記樹脂層上に、終端抵抗を介して前記信号電極と接続されたキャパシタを形成する工程とを含む、光半導体素子の製造方法である。
上記発明によれば、素子面積の増大化を抑制しつつ高容量の容量素子を集積することができる。
（ａ）は実施形態に係る変調素子の模式的な上面図であり、（ｂ）は回路構成を例示する図である。 （ａ）はマッハツェンダ変調器および電極パターンが樹脂で覆われた場合の変調素子の模式的な上面図であり、（ｂ）は樹脂より上の模式的な断面図である。 （ａ）は断面の箇所を表す図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ線の断面図である。 （ａ）は断面の箇所を表す図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ線の断面図である。 （ａ）は断面の箇所を表す図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ線の断面図である。 （ａ）および（ｂ）は製造方法を例示する断面図である。 （ａ）および（ｂ）は製造方法を例示する断面図である。 製造方法を例示する断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、ビアグランドの形成手順について説明するための図である。
[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。
本願発明は、（１）基板上に形成されたメサ状の光導波路と、前記光導波路に接続された信号電極と、前記光導波路および前記信号電極を埋め込むように設けられた樹脂層と、終端抵抗を介して前記信号電極と接続され、前記樹脂層上に設けられたキャパシタとを備える、光半導体素子である。樹脂層上にキャパシタが設けられることから、素子面積の増大化を抑制しつつ高容量の容量素子を集積することができる。
（２）前記キャパシタは、前記樹脂層上に絶縁膜を介して設けられていることが好ましい。キャパシタと樹脂層との密着性が向上するからである。
（３）前記樹脂層は、第１樹脂層上に絶縁膜を介して第２樹脂層が積層された構成を有し、前記第１樹脂層は、前記光導波路よりも高く形成され、前記第２樹脂層は、前記信号電極よりも高く形成されていることが好ましい。
（４）前記光導波路は、マッハツェンダ変調器のアームであり、前記信号電極は、前記アームに接続された信号電極としてもよい。
（５）前記キャパシタは、ＭＩＭキャパシタとしてもよい。
（６）前記基板は裏面電極とビアとを備え、前記キャパシタは、前記ビアを介して前記裏面電極と電気的に接続されていてもよい。
本願発明は、（７）基板上に、メサ状の光導波路を形成する工程と、前記光導波路上に信号電極を接続する工程と、前記光導波路および前記信号電極を樹脂層で埋め込む工程と、前記樹脂層上に、終端抵抗を介して前記信号電極と接続されたキャパシタを形成する工程とを含む、光半導体素子の製造方法である。樹脂層上にキャパシタが形成されることから、素子面積の増大化を抑制しつつ高容量の容量素子を集積することができる。
［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。
以下、光半導体素子の一例として変調素子について説明する。図１（ａ）は、実施形態に係る変調素子１００の模式的な上面図である。変調素子１００は、基板１０上に、メサ状の光導波路の経路を組み合わせて構成されたマッハツェンダ変調器２０を備える。マッハツェンダ変調器２０は、基板１０上に、入力導波路２１から入力された光を分岐する光カプラ２２と、分岐された光を伝搬させる２本の変調導波路（アーム）２３ａ，２３ｂと、変調導波路２３ａ，２３ｂを伝搬した光を合波させる光カプラ２４と、光カプラ２４からの出力光を外部へと導く出力導波路２５と、を含む。図１（ａ）の例では、光カプラ２２，２４として２×２カプラを用いている。変調導波路２３ａ，２３ｂの長さは例えば３ｍｍである。
マッハツェンダ変調器２０上には、電極パターンが形成されている。変調導波路２３ａ上には、信号電極３１ａが接続されている。変調導波路２３ｂ上には、信号電極３１ｂが接続されている。また、信号電極３１ａと信号電極３１ｂとの間には、基準電位電極３２が配置されている。信号電極３１ａは、終端抵抗３３ａを介してバイアス用電極３４に接続され、信号電極３１ｂは、終端抵抗３３ｂを介してバイアス用電極３４に接続されている。基準電位電極３２は、終端抵抗３３ａと終端抵抗３３ｂとの間に接続されている。バイアス用電極３４は、後述するキャパシタ３５を介してグランド電極３６に接続されている。
図１（ｂ）は、信号電極３１ａ，３１ｂ、終端抵抗３３ａ，３３ｂ、バイアス用電極３４、キャパシタ３５およびグランド電極３６の回路構成を例示する図である。信号電極３１ａ，３１ｂに高周波の電気信号が供給されると、信号電極３１ａ，３１ｂと基準電位電極３２との間で高周波の電気信号が流れる。それにより、変調導波路２３ａ，２３ｂの屈折率が変化し、変調導波路２３ａ，２３ｂを通過する光の位相が変化する。それにより、出力導波路２５から出力される光がオン・オフし、変調信号が得られる。
マッハツェンダ変調器２０および電極パターンは、樹脂で埋め込まれている。図２（ａ）は、マッハツェンダ変調器２０および電極パターンが樹脂で埋め込まれた場合の変調素子の模式的な上面図である。図２（ａ）で例示するように、変調素子１００の上面において、信号電極３１ａ用の電極パッド、信号電極３１ｂ用の電極パッド、基準電位電極３２用の電極パッド、バイアス用電極３４およびグランド電極３６を除く領域において、樹脂層４１が形成されている。樹脂層４１として、例えばＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などを用いることができる。樹脂層４１上には、キャパシタ３５が設けられている。変調素子１００の素子の面積は例えば４．０ｍｍ２であり、キャパシタ３５の上面の面積は例えば３．２ｍｍ２である。
図２（ｂ）は、樹脂層４１より上の模式的な断面図である。図２（ｂ）で例示するように、キャパシタ３５は、例えばスタックキャパシタ構造を有する。例えば、キャパシタ３５は、樹脂層４１上に、絶縁膜４２を介して、複数の金属層４３が絶縁膜４４を間に挟んで積層されたＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）構造を有する。図２（ｂ）の例では、くし歯状の金属層が互いにかみ合うように積層されている。金属層４３は、例えばＡｕメッキなどである。絶縁膜４２は、例えばＳｉＮなどである。絶縁膜４４は例えば、１層の厚さが１００ｎｍのＳｉＮである。図２（ｂ）のように４層に積層されたＭＩＭ構造を３．２ｍｍ２の面積に作製することで、１０ｎＦの容量が得られる。
続いて、変調素子１００の各箇所の断面について詳述する。図３（ａ）は、断面の箇所を表す図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ線の断面図である。図３（ｂ）で例示するように、変調導波路２３ａ，２３ｂは、基板１０上に、下クラッド層１１、コア層１２、上クラッド層１３およびコンタクト層１４が、この順にメサ状に積層された構成を有する。基板１０は、例えば、半絶縁性のＩｎＰ基板である。基板１０の裏面には裏面電極６００が形成されている。下クラッド層１１は、例えば、ｎ型のＩｎＰである。下クラッド層１１は、変調導波路２３ａから変調導波路２３ｂにかけて形成されている。コア層１２は、例えば、ノンドープのＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層とＡｌＧａＩｎＡｓバリア層とが多層積層されたＭＱＷである。上クラッド層１３は、例えば、ｐ型のＩｎＰである。コンタクト層１４は、例えば、ｐ型のＧａＩｎＡｓ層である。
信号電極３１ａ，３１ｂは、コンタクト層１４上において、オーミック層５１上に、バリア層５２およびメッキ層５３がこの順に積層された構造を有する。オーミック層５１は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕである。バリア層５２は、例えばＴｉＷ層である。メッキ層５３は、例えばＡｕ層である。変調導波路２３ａ，２３ｂの側面、変調導波路２３ａから変調導波路２３ｂにかけて形成された下クラッド層１１の上面などを覆うように、第１絶縁膜４５が形成されている。第１絶縁膜４５は、ＳｉＯ２などである。変調導波路２３ａと変調導波路２３ｂとの間の第１絶縁膜４５上に、終端抵抗３３ａ，３３ｂが形成されている。終端抵抗３３ａ，３３ｂは、例えば薄膜のＮｉＣｒＳｉなどである。
変調導波路２３ａよりも外側、変調導波路２３ｂよりも外側、変調導波路２３ａと終端抵抗３３ａとの間、および変調導波路２３ｂと終端抵抗３３ｂとの間の第１絶縁膜４５上に、第１樹脂層４１ａおよび第２絶縁膜４６がこの順に積層されている。第１樹脂層４１ａは、ＢＣＢなどである。第２絶縁膜４６は、ＳｉＯ２などである。信号電極３１ａのバリア層５２およびメッキ層５３は、終端抵抗３３ａまで延びている。信号電極３１ｂのバリア層５２およびメッキ層５３は、終端抵抗３３ｂまで延びている。終端抵抗３３ａと終端抵抗３３ｂとの境界部上には、バリア層３２ｂおよびメッキ層３２ｃがこの順に積層された基準電位電極３２が形成されている。バリア層３２ｂは、例えばＴｉＷなどである。メッキ層３２ｃは、例えばＡｕなどである。第２絶縁膜４６上および終端抵抗３３ａ，３３ｂ上には、第２樹脂層４１ｂが積層されている。第２樹脂層４１ｂは、例えばＢＣＢなどである。第１樹脂層４１ａおよび第２樹脂層４１ｂが、樹脂層４１を構成する。
なお、第１樹脂層４１ａは、変調導波路２３ａ，２３ｂよりも高く形成されていることが好ましく、第２樹脂層４１ｂは、信号電極３１ａ，３１ｂよりも高く形成されていることが好ましい。これは、以下の理由による。変調導波路２３ａ、２３ｂによる凹凸は例えば２．５μｍであるが、第１樹脂層４１ａによって変調導波路２３ａ、２３ｂの上面がほぼ平坦になるので、オーミック層５１の形成が容易になる。また、第２樹脂層４１ｂによって、変調導波路２３ａ、２３ｂの上部をさらに平坦にできるので、キャパシタ３５を平坦な面の上に設けることができる。平坦な面の上に作製することで、キャパシタ３５の形成が容易になり、キャパシタ３５の容量を精度よく制御することができるからである。
図４（ａ）は、断面の箇所を表す図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ線の断面図である。図４（ｂ）で例示するように、基準電位電極３２は、オーミック層３２ａ上に、バリア層３２ｂおよびメッキ層３２ｃがこの順に積層された構造を有する。オーミック層３２ａは、下クラッド層１１とオーミック接触している。バイアス用電極３４は、変調導波路２３ａよりも外側の基板１０上において、第１絶縁膜４５および第２絶縁膜４６を介して設けられている。バイアス用電極３４は、バリア層３４ａおよびメッキ層３４ｂがこの順に積層された構造を有する。バリア層３４ａは、例えばＴｉＷなどである。メッキ層３４ｂは、例えばＡｕなどである。バリア層５６およびメッキ層５７がこの順に積層された接続電極は、メッキ層３２ｃ上から絶縁膜４２上を経由してバイアス用電極３４のメッキ層３４ｂまで延びている。バリア層５６は、例えばＴｉＷなどである。メッキ層５７は、例えばＡｕなどである。
図５（ａ）は、断面の箇所を表す図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＣ線の断面図である。図５（ｂ）で例示するように、グランド電極３６は、バイアス用電極３４と離間しつつ隣接して基板１０上に設けられている。グランド電極３６は、オーミック層３６ａ，バリア層３６ｂ、およびメッキ層３６ｃがこの順に積層された構造を有する。オーミック層３６ａは、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕである。バリア層３６ｂは、例えばＴｉＷなどである。メッキ層３６ｃは、例えばＡｕなどである。バリア層５８およびメッキ層５９がこの順に積層された接続電極は、キャパシタ３５の接地側の金属層４３から絶縁膜４２上を経由してグランド電極３６のメッキ層３６ｃまで延びている。バリア層５８は、例えばＴｉＷなどである。メッキ層５９は、例えばＡｕなどである。グランド電極３６の下部の基板１０には直径６０μｍのビアが形成されている。ビアの表面にはビアグランド電極５００が形成されている。グランド電極３６は、ビアグランド電極５００を介して裏面電極６００と電気的に接続されている。ビアグランド電極５００を設けることで、グランド電極３６の表面をボンディングワイヤで接続する必要がなくなる。ビアグランド電極５００はボンディングワイヤに比べて、高周波成分のノイズを拾いにくい。これによりキャパシタ３５と接続するグランド電極３６の電位を安定に保つことが可能になる。
本実施形態によれば、凹凸を有するマッハツェンダ変調器２０および電極パターンを埋め込む樹脂層４１上にキャパシタ３５が設けられていることから、キャパシタ３５の面積を大きくすることができる。それにより、キャパシタ３５の容量を大きくすることができる。また、キャパシタ３５を設けるための領域をマッハツェンダ変調器２０と別に設ける必要がないため、変調素子１００の素子面積の増大化を抑制することができる。すなわち、本実施形態によれば、素子面積の増大化を抑制しつつ高容量の容量素子を集積することができる。また、樹脂層４１で平坦な下地を形成することができる。それにより、キャパシタ３５の耐圧性の均一化を図ることができる。また、キャパシタとしてＭＩＭキャパシタを用いることで、大容量化が可能である。
なお、金属と樹脂との密着性よりも金属と絶縁膜との密着性の方が高いため、キャパシタ３５は、絶縁膜４２を介して樹脂層４１上に設けられていることが好ましい。絶縁膜４２が介在しても、樹脂層４１の平坦性は十分に得られる。
続いて、変調素子１００の製造方法について説明する。図６（ａ）で例示するように、まず、基板１０上に、下クラッド層１１、コア層１２、上クラッド層１３およびコンタクト層１４を有機金属気相成長法（ＯＭＶＰＥ）等の結晶成長によりエピタキシャル成長させる。その後、レジストパターンを転写することによって、光導波路のメサを形成する。次に、メサ保護膜として機能する第１絶縁膜４５として、ＣＶＤ法によりＳｉＯ２を堆積する。次に、図６（ｂ）で例示するように、第１絶縁膜４５上に、ベンゾシクロブテンなどの樹脂をスピンコート法により塗布する。この樹脂を熱硬化させることによって、第１樹脂層４１ａが形成される。この後に、メサ上の第１絶縁膜４５と第１樹脂層４１ａとをエッチングしてメサ上に開口を形成する。開口内のメサ上にオーミック層５１を形成する。
終端抵抗３３ａ，３３ｂを形成する箇所においては、図７（ａ）で例示するように、レジストパターンを用いたエッチングにより、第１樹脂層４１ａに開口を形成する。この開口に、終端抵抗３３ａ，３３ｂを形成することができる。図７（ｂ）で例示するように、基準電位電極３２を形成する箇所においては、図７（ａ）と同じエッチング工程により第１樹脂層４１ａに開口を形成し、当該開口に基準電位電極３２を形成することができる。なお、第１樹脂層４１ａ上には、第２絶縁膜４６を介して、ＢＣＢなどの樹脂をスピンコート法により塗布する。この樹脂を熱硬化させることによって、第２樹脂層４１ｂを形成する。それにより、マッハツェンダ変調器２０上に、樹脂層４１を形成することができる。
なお、バイアス用電極３４およびグランド電極３６を形成する箇所においては、レジストパターンを用いたエッチングにより第２樹脂層４１ｂに開口を形成することによって、バイアス用電極３４およびグランド電極３６を形成することができる。
図８で例示するように、第２樹脂層４１ｂ上に、スパッタなどにより絶縁膜４２を形成する。次に、絶縁膜４２上に、第１層目の金属層４３をメッキなどにより成膜する。第１層目の金属層４３上に、絶縁膜４４を成膜する。次に、絶縁膜４４に、第１層目の金属層４３と第２層目の金属層４３が接触するためのコンタクト開口を行い、蒸着およびリフトオフにより、第２層目の金属層４３を成膜する。次に、絶縁膜４４を成膜する。次に、第２層目の金属層４３と第３層目の金属層４３が接触するためのコンタクト開口を行い、蒸着およびリフトオフにより第３層目の金属層４３を成膜する。次に、絶縁膜４４を成膜する。次に、第３層目の金属層４３と第４層目の金属層４３が接触するためのコンタクト開口を行い、蒸着およびリフトオフにより第４層目の金属層４３を成膜する。次に、絶縁膜４４を成膜する。次に、第４層目の金属層４３と第５層目の金属層４３が接触するためのコンタクト開口を行い、蒸着、リフトオフおよびメッキにより第５層目の金属層４３およびグランド電極３６への接続電極を成膜する。
次に、図９（ａ）〜図９（ｃ）を参照しつつ、ビアグランドの形成手順について説明する。図９（ａ）〜図９（ｃ）は、グランド電極３６の近傍を拡大して示した断面図である。図９（ａ）で例示するように、グランド電極３６が形成された基板１０の上面側を、ワックスなどの接着部材２００を介して支持基板３００で支持する。次に、レジストパターン４００を用いたドライエッチングなどにより、基板１０に裏面側からビアを形成する。次に、図９（ｂ）で例示するように、金属スパッタおよびメッキにより、ビア内にビアグランド電極５００を形成する。次に、図９（ｃ）で例示するように、接着部材２００を除去することによって、支持基板３００を剥離する。以上の工程により、ビアグランドを形成することができる。
本実施形態に係る製造方法によれば、凹凸を有するマッハツェンダ変調器２０および電極パターンを埋め込む樹脂層４１上にキャパシタ３５を設けることができる。それにより、キャパシタ３５の面積を大きくすることができる。それにより、キャパシタ３５の容量を大きくすることができる。また、キャパシタ３５を設けるための領域をマッハツェンダ変調器２０と別に設ける必要がないため、変調素子１００の素子面積の増大化を抑制することができる。すなわち、本実施形態に係る製造方法によれば、素子面積の増大化を抑制しつつ高容量の容量素子を集積することができる。また、樹脂層４１で平坦な下地を形成することができる。それにより、キャパシタ３５の耐圧性の均一化を図ることができる。また、キャパシタとしてＭＩＭキャパシタを用いることで、大容量化が可能である。また、キャパシタと基板の裏面電極とを基板に設けられたビアを介して接続することで、キャパシタに接続するグランド電極の電位を安定にすることが可能である。
１０ 基板、１１ 下クラッド層、１２ コア層、１３ 上クラッド層、１４ コンタクト層、２０ マッハツェンダ変調器、２１ 入力導波路、２２ 光カプラ、２３ａ，２３ｂ 変調導波路、２４ 光カプラ、２５ 出力導波路、３１ａ，３１ｂ 信号電極、３２ 基準電位電極、３２ａ オーミック電極、３２ｂ バリア層、３２ｃ メッキ層、３３ａ，３３ｂ 終端抵抗、３４ バイアス用電極、３４ａ バリア層、３４ｂ メッキ層、３５ キャパシタ、３６ グランド電極、３６ａ オーミック層、３６ｂ バリア層、３６ｃ メッキ層、４１ 樹脂層、４１ａ 第１樹脂層、４１ｂ 第２樹脂層、４２ 絶縁膜、４３ 金属層、４４ 絶縁膜、４５ 第１絶縁膜、４６ 第２絶縁膜、５１ オーミック層、５２ バリア層、５３ メッキ層、５６ バリア層、５７ メッキ層、５８ バリア層、５９ メッキ層、１００ 変調素子、２００ 接着部材、３００ 支持基板、４００ レジストパターン、５００ ビアグランド電極、６００ 裏面電極

Claims (7)

  1. 基板上に形成されたメサ状の光導波路と、
    前記光導波路に接続された信号電極と、
    前記光導波路および前記信号電極を埋め込むように設けられた樹脂層と、
    終端抵抗を介して前記信号電極と接続され、前記樹脂層上に設けられたキャパシタとを備える、光半導体素子。
  2. 前記キャパシタは、前記樹脂層上に絶縁膜を介して設けられている、請求項１記載の光半導体素子。
  3. 前記樹脂層は、第１樹脂層上に絶縁膜を介して第２樹脂層が積層された構成を有し、
    前記第１樹脂層は、前記光導波路よりも高く形成され、
    前記第２樹脂層は、前記信号電極よりも高く形成されている、請求項１または２記載の光半導体素子。
  4. 前記光導波路は、マッハツェンダ変調器のアームであり、前記信号電極は、前記アームに接続された信号電極である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光半導体素子。
  5. 前記キャパシタは、ＭＩＭキャパシタである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光半導体素子。
  6. 前記基板は裏面電極とビアとを備え、
    前記キャパシタは、前記ビアを介して前記裏面電極と電気的に接続されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光半導体素子。
  7. 基板上に、メサ状の光導波路を形成する工程と、
    前記光導波路上に信号電極を接続する工程と、
    前記光導波路および前記信号電極を樹脂層で埋め込む工程と、
    前記樹脂層上に、終端抵抗を介して前記信号電極と接続されたキャパシタを形成する工程とを含む、光半導体素子の製造方法。
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