具体实施方式

[本发明的实施方式的说明]

首先列出本发明的实施方式的内容并进行说明。

本发明的一个方式是(1)一种半导体光学元件，具备：SOI基板，具有硅的波导；及增益区域，与所述SOI基板接合，由III-V族化合物半导体形成，并具有光学增益，所述波导包括弯曲部和多个直线部，所述多个直线部经由所述弯曲部相互连接并以直线状延伸，所述增益区域位于所述多个直线部的每一个上。通过使波导折弯能够使半导体光学元件小型化。另外，通过多个增益区域能够得到较窄的谱线宽度及较高的输出等良好的特性。

(2)也可以是，所述波导的折弯角度为90°以上。能够使半导体光学元件小型化。

(3)也可以是，所述半导体光学元件具备在所述弯曲部的两侧设置的第1绝缘膜。弯曲部与第1绝缘膜之间的折射率差大，光束缚强。因此，可抑制弯曲部的光的损耗。

(4)也可以是，所述半导体光学元件具备覆盖所述增益区域的侧面的第2绝缘膜，所述增益区域的宽度大于所述波导的宽度。与波导比较，横向的增益区域的光束缚弱。增益区域设置于直线部，不弯曲，因此能够抑制光的损耗。

(5)也可以是，所述弯曲部的曲率半径为10μm以上。由此，能够使半导体光学元件小型化。

(6)也可以是，所述波导包括三个以上的所述直线部，所述增益区域位于所述三个以上的直线部的每一个上。由此，能够得到良好的特性，并且能够小型化。

(7)也可以是，所述半导体光学元件具备在所述SOI基板上设置的第1电极和第2电极，所述增益区域具有从所述SOI基板侧依次层叠的n型半导体层、芯层及p型半导体层，所述n型半导体层、所述芯层及所述p型半导体层分别由III-V族化合物半导体形成，所述第1电极与所述n型半导体层连接，所述第2电极与所述p型半导体层连接。能够使用第1电极及第2电极向芯层注入载流子。

(8)也可以是，多个所述增益区域分别具有所述芯层及所述p型半导体层，所述多个增益区域共用所述n型半导体层，并且所述n型半导体层将所述多个增益区域电连接，所述第1电极设置在所述n型半导体层上，并具有与所述n型半导体层连接的第1连接部及第1焊盘部，所述第1连接部位于所述多个增益区域之间，所述第1焊盘部与所述第1连接部连接，并具有比所述第1连接部大的宽度，所述第2电极具有第2连接部及第2焊盘部，所述第2连接部与所述p型半导体层连接，所述第2连接部设置在所述多个增益区域各自的所述p型半导体层上，所述第2焊盘部与所述第2连接部连接，并具有比所述第2连接部大的宽度。能够使用第1电极及第2电极向芯层注入载流子。另外，通过第1连接部及第2连接部能够使电阻变低。

(9)也可以是，所述增益区域具有位于所述波导上的楔形部。能够提高在增益区域与波导之间光耦合的效率。

(10)也可以是，所述SOI基板具有由硅形成的谐振器，该谐振器与所述波导光耦合。通过谐振器能够选择光的波长。

[本发明的实施方式的详情]

以下参照附图对本发明的实施方式的半导体光学元件的具体例进行说明。此外，本发明不限定于这些例示，而由权利要求书示出，且旨在包括与权利要求书等同的意思及范围内的所有变更。

实施例1

图1A是例示实施例1的半导体光学元件100的俯视图。图1B是将增益区域附近放大的俯视图。图2A～图2D是例示半导体光学元件100的剖视图。

如图1A及图1B所示，半导体光学元件100是具有基板10及增益区域20，并使用了硅光子的混合型的波长可变激光元件。在基板10的表面设置有三个增益区域20、两个环形谐振器19及电极17、30、32。半导体光学元件100的表面由未图示的绝缘膜覆盖。

如图2A所示，增益区域20位于波导11上，并具有依次层叠的n型半导体层22、芯层24及p型半导体层26。如图2A～图2D所示，基板10是包括依次层叠的基板12、氧化硅(SiO₂)层14、硅(Si)层16的SOI基板。SiO₂层14的厚度例如为2μm。Si层16的厚度例如为220nm。在基板10中的Si层16设置有图1A所示的波导11、环形谐振器19。在基板10的端面实施防止光的反射的涂覆。半导体光学元件100的X轴方向的长度L1例如为1700μm，Y轴方向的长度L2例如为600μm。

如图1A及图1B所示，波导11具有弯曲部11a及直线部11b。弯曲部11a例如为半圆弧状。弯曲部11a也可以是组合了回旋曲线、升余弦曲线的形状。从弯曲部11a的两端各有一个直线部11b在X轴方向上延伸。三个直线部11b在Y轴方向上排列，相互分离，并经由弯曲部11a相互连接。即，在基板10中的被两个环形谐振器19夹着的区域，配置有在弯曲部11a以180°弯曲的波导11。

三个直线部11b中的+Y侧的直线部11b在基板10的-X侧端部附近分支为两个。这两个波导11与环形谐振器19光耦合，并到达基板10的-X侧端部。三个直线部11b中的-Y侧的直线部11b在基板10的+X侧端部附近分支为两个。这两个波导11与环形谐振器19光耦合，并到达基板10的+X侧端部。三个直线部11b中的中央的直线部11b的两端与弯曲部11a连接。

在三个直线部11b的每一个上接合有增益区域20，在弯曲部11a上没有接合增益区域20。一个增益区域20与一个直线部11b重叠，并且光耦合。增益区域20具有与直线部11b同样地在X轴方向上延伸的直线形状。增益区域20的X轴方向的长度L3例如为800μm。

电极30是n型的欧姆电极，并具有焊盘30a及三个连接部30b。电极32是p型的欧姆电极，并具有焊盘32a及三个连接部32b。焊盘30a位于三个增益区域20的-Y侧。连接部30b与焊盘30a电连接，与增益区域20相邻并且分离，并在X轴方向上延伸。焊盘32a位于三个增益区域20的+Y侧。连接部32b与焊盘32a电连接，并位于增益区域20上，且在X轴方向上延伸。

电极30由例如金、锗及Ni的合金(AuGeNi)等金属形成。电极32例如为钛、铂及金的层叠体(Ti/Pt/Au)。电极30、32的厚度例如为1μm。焊盘30a、32a各自的Y轴方向的宽度例如为100μm以上。连接部30b的宽度例如为15μm。也可以在电极30、32设置Au的镀敷层等。电极17设置在环形谐振器19上，例如由Ti等金属形成。

如图1B所示，增益区域20及n型半导体层22分别具有楔形部21、23。楔形部21、23沿着X轴方向前端收窄，并位于波导11上。楔形部21设置于n型半导体层22的X轴方向的端部。楔形部23比楔形部21靠上侧并且设置于增益区域20的芯层24及p型半导体层26的X轴方向的端部。楔形部21、23各自的长度例如为150μm，前端的宽度为0.4μm。在增益区域20的-X侧端部侧也设置有楔形部21、23。

图2A是沿着图1A的线A-A的剖视图。图2B是沿着图1A的线B-B的剖视图。图2C是沿着图1A的线C-C的剖视图。图2D是沿着图1A的线D-D的剖视图。

如图2A所示，在基板10的Si层16设置有波导11及槽13。槽13位于一个波导11的Y轴方向的两侧。波导11的宽度W2及槽13的宽度分别例如为1μm。可以在槽13露出SiO₂层14，也可以Si层16形成槽13的底面。在波导11的与增益区域20重叠的部分中，波导11的侧面在空气中露出。

在基板10的表面设置有绝缘膜34。如图2B～图2D所示，波导11中的不与增益区域20重叠的部分被绝缘膜34覆盖，两侧被绝缘膜34埋入。如图2B及图2C所示，在焊盘30a、32a与波导11之间夹设绝缘膜34，焊盘和波导11不接触。如图2D所示，波导11的弯曲部11a的侧面及上表面被绝缘膜34覆盖。弯曲部11a可以不与焊盘重叠，也可以与焊盘重叠。

如图2A所示，增益区域20位于波导11上，并具有依次层叠的n型半导体层22、芯层24及p型半导体层26。一个增益区域20的芯层24及p型半导体层26的Y轴方向的宽度W1例如为2μm。n型半导体层22在三个波导11上设置，并被三个增益区域20所共用。三个增益区域20通过n型半导体层22电连接。芯层24及p型半导体层26的侧面被绝缘膜28覆盖。绝缘膜28之间的距离D1例如为20μm。

n型半导体层22例如由厚度0.3μm的n型磷化铟(n-InP)形成。芯层24包括例如由非掺杂的镓铟砷磷(i-GaInAsP)形成的多个阱层及阻挡层，并具有多量子阱结构(MQW：MultiQuantum Well)。芯层24的厚度例如为0.3μm。p型半导体层26例如由厚度2μm的p-InP形成。也可以是，p型半导体层26在p-InP的上部还包括p型镓铟砷(p-GaInAs)的层。绝缘膜28、34例如由SiO₂等绝缘体形成。绝缘膜28的厚度例如为0.5μm，绝缘膜34的厚度例如为1.5μm。

如图2A所示，焊盘30a及连接部30b设置于n型半导体层22的表面，并与n型半导体层22电连接。如图2B及图2C所示，焊盘30a、32a位于绝缘膜34的表面，并从波导11分离。如图2A所示，连接部32b设置于p型半导体层26的表面，并与p型半导体层26电连接。

各增益区域20具有沿着Z轴方向的pin结构。通过对电极30、32施加电压，从而在三个增益区域20的芯层24注入载流子而射出光。光在波导11传播并向环形谐振器19入射。环形谐振器19使光的一部分向增益区域20侧反射，并使一部分透过。能够从到达基板10的端部的四个波导11中的任一个射出光。两个环形谐振器19的半径彼此不同，反射光谱也不同。两个环形谐振器19的反射峰值一致的波长成为振荡波长。电极17作为通过电力的输入而发热的加热器发挥功能。通过电极17使环形谐振器19的温度变化，从而使环形谐振器19的折射率变化，使振荡波长例如能够在40nm的范围内变化。振荡波长例如为1550nm±20nm。

对半导体光学元件100的制造方法进行说明。在晶圆状的基板10的表面形成波导11及环形谐振器19。也可以在基板10设置调制器等光电路。在化合物半导体的晶圆，通过有机金属气相生长法(OMVPE：Organometallic Vapor Phase Epitaxy)等依次外延生长p型半导体层26、芯层24及n型半导体层22。切断晶圆并形成多个小片。例如通过在小片及基板10的表面照射等离子体，进行活性化并将小片与基板10接合。对小片进行蚀刻，形成图1A及图2A所示那样的增益区域20。切割晶圆，获取多个半导体光学元件100。

图3是例示比较例的半导体光学元件100C的俯视图。半导体光学元件100C的波导11不具有弯曲部，并在X轴方向上延伸，并与环形谐振器19光耦合。半导体光学元件100C具有一个增益区域40。

为了缩窄谱线宽度并且得到较高的光输出而使增益区域40变长。例如为了通过一个增益区域40得到与实施例1的三个增益区域20相同程度的谱线宽度及光输出，增益区域40的长度L6比实施例1的长度L3长，例如为2400μm。为了搭载较长的增益区域40，基板10的X轴方向的长度L4大于实施例1的长度L1，例如为3300μm。基板10的Y轴方向的长度L5例如与L2相同，为600μm。在这样比较例中，半导体光学元件100C大型化。作为其结果，由一个晶圆得到的半导体光学元件的个数变少，成本增加。

另一方面，根据实施例1，波导11包括弯曲部11a及直线部11b。在三个直线部11b的每一个分别接合增益区域20。通过三个增益区域20，能够得到与一个较长的增益区域40相同程度的较窄的谱线宽度及较高的光输出。波导11弯曲，因此能够使半导体光学元件100小型化。

如图1A及图1B所示，波导11在弯曲部11a以180°折返，成为Z字形状。由此能够在基板10上并列三个直线部11b。三个增益区域20与直线部11b同样地并列。作为其结果，能够有效地使半导体光学元件100小型化。具体而言，一个增益区域20的长度L3是增益区域40的长度L6的1/3左右。能够使半导体光学元件100的X轴方向的长度L1成为比较例的长度L4的一半左右。因此，能够使半导体光学元件100的大小变小至比较例的50％左右。能够使由一个晶圆得到的半导体光学元件100的个数增加至1.4倍等，能够降低成本。

波导11由Si形成。如图2A所示，波导11中的与增益区域20重叠的部分的两侧在空气中露出。如图2B～图2D所示，波导11的其他部分在绝缘膜34露出。Si的折射率大约为3.5，空气的折射率为1，SiO₂的绝缘膜34的折射率大约为1.5。波导11与外侧之间的折射率差大，波导11的光束缚强。因此，包括弯曲部11a的波导11中的光的损耗小。

弯曲部11a的两侧的绝缘膜34除了SiO₂以外也可以由SiN_x(x表示组分)、聚合物等绝缘体形成。为了增强光束缚，优选为与Si之间的折射率差大的绝缘膜。弯曲部11a的两侧也可以在空气中露出。波导11中的与增益区域20重叠的部分的两侧也可以被绝缘膜34埋入。

弯曲部11a的曲率半径例如为50μm，能够缩小直线部11b之间的距离。因此，能够使半导体光学元件100有效地小型化。曲率半径也可以为50μm以下、30μm以下、20μm以下，且为10μm以上。通过缩小曲率半径，能够小型化。另外，波导11的光束缚强，因此即便曲率半径小也可抑制光的损耗。

另一方面，增益区域20由III-V族化合物半导体形成。III-V族化合物半导体的折射率比Si低，增益区域20与侧面的绝缘膜28之间的折射率差小于Si与绝缘膜之间的折射率差。横向的光束缚弱，因此若增益区域20以小的曲率半径折弯则导致光的损耗增加。实施例1中增益区域20为直线状，并使波导11弯曲。由此抑制光的损耗。

若使增益区域20的芯层24及p型半导体层26成为宽度窄的高台面结构并使侧面在折射率小的空气中露出，则能够抑制由于以小的曲率半径折弯引起的损耗增加。但是，较细地加工至与波导11相同程度的高台面结构的芯层24容易产生持续长时间载流子注入时的随着时间的劣化。在空气中露出的增益区域20也容易产生从MQW的侧面起的随着时间的劣化。实施例1的增益区域20的宽度比波导11大，侧面被绝缘膜28覆盖，因此不易产生随着时间的劣化。另一方面，横向的光束缚弱，因折弯引起的损耗变大。为了抑制光的损耗增加，导致曲率半径成为200μm以上，难以实现小型化。在实施例1中，通过使光束缚强的波导11弯曲并且使多个增益区域20成为直线状，从而能够兼顾光的损耗的抑制和小型化。

增益区域20是具有n型半导体层22、芯层24及p型半导体层26的pin结构。能够通过对电极30、32施加电压而向芯层24注入载流子，使其发光。

三个增益区域20共用n型半导体层22。电极30的焊盘30a及连接部32b设置于与n型半导体层22连接的焊盘30a及连接部30b。电极32具有焊盘32a及连接部32b。连接部32b位于各增益区域20上，并与p型半导体层26连接。能够通过在各一个焊盘30a、32a之间施加电压而向多个增益区域20的每一个分别注入载流子，使其发光。与分别在增益区域20设置一对焊盘30a、32a的情况相比，能够使半导体光学元件100小型化。

在增益区域20之间设置金属的连接部30b，并且在基板10上设置宽度大的焊盘30a、32a。由此，散热性提高，电阻也减少。此外，如图2A所示，电极30的焊盘30a与n型半导体层22连接。因此，即使不设置与增益区域20相邻地延伸的连接部30b，也能够实现增益区域20的发光。

若光向金属的电极30、32迁移，则光大幅损耗。优选电极30、32不与波导11接触。如图2B及图2C所示，波导11被绝缘膜34覆盖，防止与电极的接触。

增益区域20及n型半导体层22分别具有前端的宽度细至0.4μm的楔形部21、23，因此，增益区域20和波导11的光耦合的效率提高至90％以上。增益区域20及n型半导体层22也可以不具有楔形部21、23，也可以任一方具有楔形部。若省略楔形部则光耦合的效率降低，但能够省略较细的前端的加工，因此，制造变得容易。

直线部11b及增益区域20的数量分别可以为三个，也可以为两个，也可以为四个以上。通过增加它们的数量，能够使半导体光学元件100更加小型化。但是，即便在耦合效率为90％的情况下，在增益区域20和波导11的耦合部分中光也损耗。因此，直线部11b及增益区域20的数量越增加则耦合部分也越增加，光的损耗也越增大。以兼顾小型化和光的损耗的抑制的方式决定直线部11b及增益区域20的数量。波导11与环形谐振器19光耦合。因此，能够在小型化的半导体光学元件100中选择波长。也可以取代环形谐振器19，为了进行波长选择而设置由硅的波导11形成的衍射光栅型的分布反射器。另外，也可以取代使两个波导11到达基板10的+X侧的端部，而使两个波导11与环路镜波导等使光返回的弯曲的波导连接。

实施例2

图4A是例示实施例2的半导体光学元件200的俯视图。图4B是例示半导体光学元件200的剖视图，且示出沿着图4A的线E-E的截面。针对与实施例1相同的结构，省略说明。

如图4A所示，波导11具有两个弯曲部11a及三个直线部11b。弯曲部11a相当于圆弧的1/4，并在两端与直线部11b连接。波导11的折弯角度为90°。三个直线部11b中的两个在X轴方向上延伸。这两个直线部11b的一端在基板10的-X侧端部附近与环形谐振器19光耦合，另一端与弯曲部11a连接。三个直线部11b中的一个在Y轴方向上延伸。这一个直线部11b的两端与弯曲部11a连接。在三个直线部11b分别接合有直线形状的增益区域20。在弯曲部11a没有接合增益区域20。

如图4A所示，在基板10上的由三个直线部11b围起的位置设置有电极30、32。如图4B所示，电极32相比电极30位于+X侧，在从绝缘膜34上至增益区域20上设置。根据实施例2，通过使波导11以90°弯曲，从而与实施例1同样地能够使半导体光学元件200的大小变小至比较例的50％左右。

实施例1的波导11具有以180°弯曲并在X轴方向上往复的形状。实施例2的波导11具有以90°弯曲并在X轴方向及Y轴方向上延伸的U字形状。波导11也可以具有除这些以外的形状。为了使半导体光学元件小型化，优选波导11的折弯角度为90°以上。

以上，对本发明的实施例进行了详述，但本发明不限定于这样的特定的实施例，能够在权利要求书所记载的本发明的主旨的范围内，进行各种变形、变更。