(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の光導波路と、
入射光を前記第１及び第２の光導波路それぞれに分波する入射側分波器と、
前記第１及び第２の光導波路それぞれを伝搬した光を合波する出射側合波器と、
前記第１及び第２の光導波路それぞれの屈折率を変化させることにより光の位相を制御する位相制御部と
を備え、
前記位相制御部は、
前記第１及び第２の光導波路の一部を各々構成し、ｎ型半導体領域、該ｎ型半導体領域上に設けられ該ｎ型半導体領域より屈折率が大きいコア層、及び該コア層上に設けられ該コア層より屈折率が小さいクラッド層を含む第１及び第２の光導波路構造と、
前記第１及び第２の光導波路構造の各クラッド層上にそれぞれ設けられた第１及び第２の電極と
を備え、
前記第１の光導波路構造の前記クラッド層は、該第１の光導波路構造の前記コア層上に配置された第一領域と、該第一領域上において前記第１の光導波路構造の光導波方向と交差する方向に並んで配置された第二領域及び第三領域とを含み、
前記第２の光導波路構造の前記クラッド層は、該第２の光導波路構造の前記コア層上に配置された第四領域と、該第四領域上において前記第２の光導波路構造の光導波方向と交差する方向に並んで配置された第五領域及び第六領域とを含み、
前記第一領域、前記第二領域、前記第四領域、及び前記第五領域はｐ型半導体からなり、前記第三領域及び前記第六領域はアンドープ半導体からなることを特徴とする、マッハツェンダー型光変調素子。
【請求項２】
前記位相制御部を除く前記第１及び第２の光導波路、前記入射側分波器、並びに前記出射側合波器のうち少なくとも一つが、コア層と、該コア層上に設けられ該コア層より屈折率が小さいクラッド層とを含む第３の光導波路構造を有し、
前記第３の光導波路構造の前記クラッド層は、該第３の光導波路構造の前記コア層上に配置された第七領域と、該第七領域上に配置された第八領域とを含み、
前記第七領域はｐ型半導体からなり、前記第八領域はアンドープ半導体からなることを特徴とする、請求項１に記載のマッハツェンダー型光変調素子。
【請求項３】
前記第二領域上に設けられ該第二領域よりドーパント濃度が高い第１のｐ型コンタクト層と、
前記第五領域上に設けられ該第五領域よりドーパント濃度が高い第２のｐ型コンタクト層と
を更に備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のマッハツェンダー型光変調素子。
【請求項４】
前記第１のｐ型コンタクト層が前記第二領域上から前記第三領域上にわたって設けられており、
前記第２のｐ型コンタクト層が前記第五領域上から前記第六領域上にわたって設けられていることを特徴とする、請求項３に記載のマッハツェンダー型光変調素子。
【請求項５】
前記第１及び第２の光導波路構造の前記コア層が、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、及びＧａＩｎＡｓのうちいずれかの半導体材料によって構成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のマッハツェンダー型光変調素子。
【請求項６】
前記第１及び第２の光導波路構造の前記クラッド層及び前記ｎ型半導体領域がＩｎＰによって構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のマッハツェンダー型光変調素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子及びマッハツェンダー型光変調素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、導波型光干渉計が記載されている。この導波型光干渉計は、基板と、基板上に設けられたガラス製若しくはプラスチック製の２本の光導波路と、互いに異なる位置でこれらの光導波路同士を結合する２つの光結合部と、これらの光結合部間に位置する光導波路に設けられ、光導波路の光路長を変化させる光位相シフト部とを備えている。光位相シフト部は、光導波路上に設けられたヒータからなり、光導波路の温度を制御して光導波路の光路長を変化させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−１８３４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、上部クラッド層、下部クラッド層、及びこれらの間に挟まれクラッド層より高い屈折率を有するコア層からなる光導波路構造が、例えばマッハツェンダー型光変調素子といった種々の半導体光素子において採用されている。多くの場合、このような光導波路構造では、上部クラッド層及び下部クラッド層の一方がｎ型半導体によって構成され、他方がｐ型クラッド層によって構成され、コア層がアンドープ半導体によって構成される。
【０００５】
図１４及び図１５は、このような所謂ｐｉｎ構造を有する半導体光素子の一例として、マッハツェンダー型光変調素子１００の構成を示す図である。図１４はマッハツェンダー型光変調素子１００の平面図であり、図１５（ａ）は図１４におけるXVａ−XVａ断面を示す断面図であり、図１５（ｂ）は図１４におけるXVｂ−XVｂ断面を示す断面図である。
【０００６】
図１４に示すように、このマッハツェンダー型光変調素子１００は、位相制御部１１０、入射側分波器１２０、出射側合波器１３０、及び２本の光導波路１４０，１５０を備えている。これらは、共通のｎ型半導体基板１０１（図１５（ａ）及び図１５（ｂ）を参照）上に形成されている。光導波路１４０，１５０の一端は入射側分波器１２０に結合されており、他端は出射側合波器１３０に結合されている。位相制御部１１０は入射側分波器１２０と出射側合波器１３０との間に配置されており、この位相制御部１１０を通過する光導波路１４０，１５０の上にはそれぞれアノード電極１１１ａ，１１１ｂが設けられている。
【０００７】
図１５（ａ）及び図１５（ｂ）を参照すると、マッハツェンダー型光変調素子１００は、ｎ型下部クラッド層１０３と、コア層１０４ａ，１０４ｂと、ｐ型上部クラッド層１０５ａ，１０５ｂと、ｐ型コンタクト層１０６ａ，１０６ｂとを有する。コア層１０４ａはｎ型下部クラッド層１０３とｐ型上部クラッド層１０５ａとの間に設けられており、コア層１０４ｂはｎ型下部クラッド層１０３とｐ型上部クラッド層１０５ｂとの間に設けられている。ｐ型コンタクト層１０６ａ，１０６ｂはそれぞれｐ型上部クラッド層１０５ａ，１０５ｂ上に設けられ、アノード電極１１１ａ，１１１ｂとオーミック接触を構成している。ｎ型半導体基板１０１の裏面上には、カソード電極１１２が設けられている。
【０００８】
また、ｎ型下部クラッド層１０３の一部と、コア層１０４ａと、ｐ型上部クラッド層１０５ａと、ｐ型コンタクト層１０６ａとは一つのメサ構造１０７ａを成しており、光導波路１４０を構成する。同様に、ｎ型下部クラッド層１０３の別の一部と、コア層１０４ｂと、ｐ型上部クラッド層１０５ｂと、ｐ型コンタクト層１０６ｂとは別の一つのメサ構造１０７ｂを成しており、光導波路１５０を構成する。メサ構造１０７ａ及び１０７ｂの側面は、ＢＣＢやポリイミドといった誘電体樹脂層１０８によって埋め込まれている。
【０００９】
このマッハツェンダー型光変調素子１００では、アノード電極１１１ａ，１１１ｂとカソード電極１１２との間に逆バイアス電圧を印加してコア層１０４ａ，１０４ｂに電界を発生させ、この電界により誘起される電気光学効果やＱＣＳＥ（量子閉じ込めシュタルク）効果を利用してコア層１０４ａ，１０４ｂの屈折率を変化させることで、コア層１０４ａ，１０４ｂを導波する光の位相を変化させる。
【００１０】
しかしながら、マッハツェンダー型光変調素子１００では、ｐ型上部クラッド層１０５ａ，１０５ｂのドープ濃度が比較的高く（例えば１０１８〜１０１９ｃｍ−３）、また、ｐ型コンタクト層１０６ａ，１０６ｂのドープ濃度は更に高い（例えば１０１９〜１０２０ｃｍ−３）。ドープ濃度が高いｐ型半導体層では、導波光の吸収損が大きく、光導波路１４０，１５０を伝搬する光が大幅に減衰されてしまう。また、電気信号に対する導波損も高く、電気信号が大幅に減衰されてしまう。したがって、このマッハツェンダー型光変調素子１００のような構成では、導波光の吸収損の低減や変調速度の更なる高速化が難しいという問題がある。
【００１１】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、光の吸収損や電気信号の導波損を低減し得る半導体光素子及びマッハツェンダー型光変調素子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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明による半導体光素子は、ｎ型半導体領域、ｎ型半導体領域上に設けられｎ型半導体領域より屈折率が大きいコア層、及びコア層上に設けられコア層より屈折率が小さいクラッド層を含む光導波路構造と、クラッド層上に設けられた電極とを備え、クラッド層は、コア層上に配置された第一領域と、第一領域上において光導波路構造の光導波方向と交差する方向に並んで配置された第二領域及び第三領域とを含み、第一領域及び第二領域はｐ型半導体からなり、第三領域はアンドープ半導体からなることを特徴とする。
【００１３】
この半導体光素子では、クラッド層が第一領域、第二領域および第三領域を含んでいる。ｐ型半導体からなる第一領域はコア層上に配置されており、ｎ型半導体領域との間にコア層を挟んでｐｉｎ構造を構成する。また、ｐ型半導体からなる第二領域は第一領域上に配置されており、アノード電極へ印加された電気信号を第一領域へ伝える。第三領域は、第二領域と並んで第一領域上に設けられている。この第三領域はアンドープ半導体からなるので、ｐ型半導体からなる第二領域と比較して光の吸収損や電気信号の導波損が格段に小さい。したがって、この半導体光素子によれば、クラッド層の全体がｐ型半導体からなる場合（図１４，図１５を参照）と比較して、光の吸収損および電気信号の導波損を低減することができる。
【００１４】
また、本発明によるマッハツェンダー型光変調素子は、第１及び第２の光導波路と、入射光を第１及び第２の光導波路それぞれに分波する入射側分波器と、第１及び第２の光導波路それぞれを伝搬した光を合波する出射側合波器と、第１及び第２の光導波路それぞれの屈折率を変化させることにより光の位相を制御する位相制御部とを備え、位相制御部は、第１及び第２の光導波路の一部を各々構成し、ｎ型半導体領域、ｎ型半導体領域上に設けられｎ型半導体領域より屈折率が大きいコア層、及びコア層上に設けられコア層より屈折率が小さいクラッド層を含む第１及び第２の光導波路構造と、第１及び第２の光導波路構造の各クラッド層上にそれぞれ設けられた第１及び第２の電極とを備え、第１の光導波路構造のクラッド層は、第１の光導波路構造のコア層上に配置された第一領域と、第一領域上において第１の光導波路構造の光導波方向と交差する方向に並んで配置された第二領域及び第三領域とを含み、第２の光導波路構造のクラッド層は、第２の光導波路構造のコア層上に配置された第四領域と、第四領域上において第２の光導波路構造の光導波方向と交差する方向に並んで配置された第五領域及び第六領域とを含み、第一領域、第二領域、第四領域、及び第五領域はｐ型半導体からなり、第三領域及び第六領域はアンドープ半導体からなることを特徴とする。
【００１５】
このマッハツェンダー型光変調素子では、位相制御部の第１の光導波路構造が有するクラッド層が、第一領域、第二領域および第三領域を含んでいる。ｐ型半導体からなる第一領域はコア層上に配置されており、ｎ型半導体領域との間にコア層を挟んでｐｉｎ構造を構成する。また、ｐ型半導体からなる第二領域は第一領域上に配置されており、第１のアノード電極へ印加された電気信号を第一領域へ伝える。第三領域は、第二領域と並んで第一領域上に設けられている。また位相制御部の第２の光導波路構造が有するクラッド層が、第四領域、第五領域および第六領域を含んでいる。ｐ型半導体からなる第四領域はコア層上に配置されており、ｎ型半導体領域との間にコア層を挟んでｐｉｎ構造を構成する。また、ｐ型半導体からなる第五領域は第四領域上に配置されており、第２のアノード電極へ印加された電気信号を第四領域へ伝える。第六領域は、第五領域と並んで第四領域上に設けられている。これら第三領域及び第六領域はアンドープ半導体からなるので、ｐ型半導体からなる第二領域、及び第五領域と比較して光の吸収損や電気信号の導波損が格段に小さい。したがって、このマッハツェンダー型光変調素子によれば、クラッド層の全体がｐ型半導体からなる場合と比較して、位相制御部における光の吸収損および電気信号の導波損を低減することができる。
【００１６】
また、マッハツェンダー型光変調素子は、位相制御部を除く第１及び第２の光導波路、入射側分波器、並びに出射側合波器のうち少なくとも一つが、コア層と、コア層上に設けられコア層より屈折率が小さいクラッド層とを含む第３の光導波路構造を有し、第３の光導波路構造のクラッド層は、第３の光導波路構造のコア層上に配置された第七領域と、第七領域上に配置された第八領域とを含み、第七領域はｐ型半導体からなり、第八領域はアンドープ半導体からなることを特徴としてもよい。
【００１７】
位相制御部を除く第１及び第２の光導波路、入射側分波器、及び出射側合波器においては、コア層に電界を印加しないのでクラッド層に導電性を確保する必要がない。したがって、製造過程において位相制御部のクラッド層の第一領域と共に必然的に形成される第七領域を除き、残る領域（第八領域）の全域をアンドープとすることにより、位相制御部を除く第１及び第２の光導波路、入射側分波器、及び出射側合波器における光の吸収損および電気信号の導波損を格段に低減することができる。
【００１８】
また、マッハツェンダー型光変調素子は、第二領域上に設けられ該第二領域よりドーパント濃度が高い第１のｐ型コンタクト層と、第五領域上に設けられ該第五領域よりドーパント濃度が高い第２のｐ型コンタクト層とを更に備えることを特徴としてもよい。これにより、第１のアノード電極に印加された電気信号を第一領域及び第二領域へ、第２のアノード電極に印加された電気信号を第四領域及び第五領域へ、それぞれ効率的に伝えることができる。
【００１９】
また、マッハツェンダー型光変調素子は、第１のｐ型コンタクト層が第二領域上から第三領域上にわたって設けられており、第２のｐ型コンタクト層が第五領域上から第六領域上にわたって設けられていることを特徴としてもよい。これにより、第１のアノード電極と第１のｐ型コンタクト層との接触面積が増し、コンタクト抵抗を低減できる。同様に、第２のアノード電極と第２のｐ型コンタクト層との接触面積が増し、コンタクト抵抗を低減できる。このため、素子抵抗が低減し、電気信号を第四領域及び第五領域へより低電圧にて伝えることができ、より低電圧、低消費電力での動作が可能となる。
【００２０】
また、マッハツェンダー型光変調素子は、第１及び第２の光導波路構造のコア層が、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、及びＧａＩｎＡｓのうちいずれかの半導体材料によって構成されていることを特徴としてもよい。
【００２１】
また、マッハツェンダー型光変調素子は、第１及び第２の光導波路構造のクラッド層及びｎ型半導体領域がＩｎＰによって構成されていることを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、光の吸収損や電気信号の導波損を低減し得る半導体光素子及びマッハツェンダー型光変調素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明による半導体光素子の一実施形態として、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの構成を示す平面図である。
【図２】図２は、図１に示したマッハツェンダー型光変調素子１ＡのII−II線に沿った断面を示す図である。
【図３】図３は、図１に示したマッハツェンダー型光変調素子１ＡのIII−III線に沿った断面を示す図である。
【図４】図４は、図１に示したマッハツェンダー型光変調素子１ＡのIV−IV線に沿った断面を示す図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの製造工程を示す断面図である。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの製造工程を示す断面図である。
【図７】図７（ａ）及び図７（ｂ）は、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの製造工程を示す断面図である。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの製造工程を示す断面図である。
【図９】図９（ａ）及び図９（ｂ）は、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの製造工程を示す断面図である。
【図１０】図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの製造工程を示す断面図である。
【図１１】図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの製造工程を示す断面図である。
【図１２】図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの製造工程を示す断面図である。
【図１３】図１３は、変形例として、位相制御部６０の構成を示す断面図である。
【図１４】図１４は、ｐｉｎ構造を有する半導体光素子の一例として、マッハツェンダー型光変調素子の構成を示す平面図である。
【図１５】図１５（ａ）は図１４におけるXVａ−XVａ断面を示す断面図であり、図１５（ｂ）は図１４におけるXVｂ−XVｂ断面を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体光素子及びマッハツェンダー型光変調素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２５】
（第１の実施の形態）
外部から付与された電気信号に応じて光を変調する光変調器は、光通信システムや光情報処理システムを構成する上での必須のコンポーネントの一つであり、近年その需要が急増している。中でもマッハツェンダー型の光変調器は、４０Ｇｂｐｓ超といった極めて高速な変調が可能であることに加え、動作条件を適宜調整することにより、波長のチャープ量を正から負に至る広範な範囲で任意に設定でき、個々の伝送毎に最適なチャープ量を選択できることから、今後の超高速かつ大容量通信のための変調器として有望である。特に、半導体によって構成されるマッハツェンダー型光変調素子は、小型かつ低消費電力であり、レーザダイオードといった他の半導体光素子とのモノリシック集積による多機能化も可能であることから、今後大きな需要が見込まれる素子である。以下、本発明に係る半導体光素子の一実施形態として、このようなマッハツェンダー型光変調素子について説明する。図１〜図４は第１の実施の形態におけるマッハツェンダー型光変調素子１Ａの構造を示す図面である。図１は、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの構成を示す平面図である。図２、図３、図４は、図１に示したマッハツェンダー型光変調素子１ＡのII−II線、III−III線、及びIV−IV線に沿った断面を各々示す図である。
【００２６】
図１を参照すると、本実施形態のマッハツェンダー型光変調素子１Ａは、位相制御部１０、光導波領域２０Ａ及び２０Ｂ、入射側分波器３０、並びに出射側合波器４０を備えている。位相制御部１０は入射側分波器３０と出射側合波器４０との間に配置されており、光導波領域２０Ａは入射側分波器３０と位相制御部１０との間に配置されており、光導波領域２０Ｂは位相制御部１０と出射側合波器４０との間に配置されている。位相制御部１０、光導波領域２０Ａ及び２０Ｂ、入射側分波器３０、並びに出射側合波器４０は、図２〜図４に示された共通のｎ型半導体基板４上に形成されている。ｎ型半導体基板４としては、例えばｎ型ＩｎＰ基板が好適である。
【００２７】
また、マッハツェンダー型光変調素子１Ａは２本の光導波路２及び３を備えている。光導波路２は本実施形態における第１の光導波路であり、光導波路３は本実施形態における第２の光導波路である。光導波路２，３は、光導波領域２０Ａ、位相制御部１０、及び光導波領域２０Ｂにわたって延在しており、且つその延在方向と交差する方向に並んで配置されている。光導波路２，３の一端は入射側分波器３０と結合されており、他端は出射側合波器４０と結合されている。位相制御部１０を通過する光導波路２，３の上にはそれぞれアノード電極１１ａ，１１ｂが設けられている。
【００２８】
入射側分波器３０は、外部からマッハツェンダー型光変調素子１Ａに入射した入射光Ｌ１を、光導波路２，３それぞれに分波する。出射側合波器４０は、光導波路２，３それぞれを伝搬した光を合波する。入射側分波器３０及び出射側合波器４０は、例えばＭＭＩカプラによって好適に構成される。位相制御部１０は、光導波路２，３それぞれの屈折率を変化させることにより、光の位相を制御する。
【００２９】
図２を参照すると、位相制御部１０は、上述したアノード電極１１ａ，１１ｂに加え、ｎ型下部クラッド層１３と、カソード電極１８と、２つのメサ構造部１９ａ，１９ｂとを有している。ｎ型下部クラッド層１３は、ｎ型半導体基板４と共に本実施形態におけるｎ型半導体領域を構成し、ｎ型半導体基板４の主面４ａ上の全面にわたって設けられている。メサ構造部１９ａは、ｎ型下部クラッド層１３上の領域のうち光導波路２に対応する一部の領域上に設けられている。メサ構造部１９ｂは、ｎ型下部クラッド層１３上の領域のうち光導波路３に対応する別の一部の領域上に設けられている。
【００３０】
メサ構造部１９ａは、本実施形態における光導波路構造（第１の光導波路構造）である。メサ構造部１９ａは、ｎ型下部クラッド層１３の一部と、コア層１４ａと、上部クラッド層１５ａと、ｐ型コンタクト層１６ａとを含む。
【００３１】
コア層１４ａはｎ型下部クラッド層１３上に設けられており、上部クラッド層１５ａはコア層１４ａ上に設けられている。コア層１４ａの屈折率はｎ型下部クラッド層１３の屈折率より大きく、上部クラッド層１５ａの屈折率はコア層１４ａの屈折率より小さい。メサ構造部１９ａのこれらの層は、コア層１４ａを中心として光導波路２の一部を構成する。
【００３２】
コア層１４ａは、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、及びＧａＩｎＡｓのうちいずれかの半導体材料によって構成されることが好ましい。これらの半導体材料はＩｎＰと格子整合できるので、良好な結晶性を有するコア層１４ａを、ＩｎＰ基板であるｎ型半導体基板４上に容易に成長できる。また、これらの半導体材料は１．３μｍ〜１．５５μｍといった光通信波長帯に対応するバンドギャップを有するので、これらの半導体材料によってコア層１４ａを構成することにより、光通信用途に好適な光変調素子を実現できる。コア層１４ａは、単一の層（バルク層）から成ってもよく、井戸層を該井戸層よりバンドギャップが大きいバリア層によって挟み込んだ量子井戸構造を有しても良い。
【００３３】
上部クラッド層１５ａは、第一領域１５１ａ、第二領域１５２ａおよび第三領域１５３ａを含んで構成されている。第一領域１５１ａは、コア層１４ａ上に配置されており、上部クラッド層１５ａとコア層１４ａとの界面の全域上に配置されている。第二領域１５２ａ及び第三領域１５３ａは、第一領域１５１ａ上において、光導波路２の光導波方向（すなわちメサ構造部１９ａの配設方向）と交差する方向に並んで配置されている。本実施形態では、第二領域１５２ａは他方のメサ構造部１９ｂと対向するメサ構造部１９ａの側面に沿って配置されており、第三領域１５３ａはメサ構造部１９ｂと対向する側面とは反対側のメサ構造部１９ａの側面に沿って配置されている。
【００３４】
第一領域１５１ａ及び第二領域１５２ａはｐ型半導体からなり、第三領域１５３ａはアンドープ半導体からなる。本実施形態において、ｐ型半導体とは例えば亜鉛（Ｚｎ）といったｐ型のドーパント濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上であることをいい、アンドープ半導体とはｐ型やｎ型のドーパント濃度が０ｃｍ−３以上１×１０１６ｃｍ−３以下であることをいう。なお、後述する製造方法において、第二領域１５２ａは第一領域１５１ａと一体として形成され、第三領域１５３ａは第一領域１５１ａ及び第二領域１５２ａとは別工程にて作成される。
【００３５】
また、ｎ型下部クラッド層１３及び上部クラッド層１５ａは、例えばＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓのうちいずれかの半導体材料であって、屈折率がコア層１４ａより小さく、且つバンドギャップがコア層１４ａより大きい材料によって構成されることが好ましい。特に、ＩｎＰは、ＩｎＰに格子整合するＧａＩｎＡｓＰ系の半導体材料の中で最大のバンドギャップと最小の屈折率とを有している。したがって、ｎ型下部クラッド層１３及び上部クラッド層１５ａをＩｎＰによって構成することにより、コア層１４ａにキャリアや光を強く閉じ込めることができる。また、ＩｎＰはＡｌを含まないので酸化されにくく、クラッド用の材料として好適である。
【００３６】
ｐ型コンタクト層１６ａは、本実施形態における第１のｐ型コンタクト層であり、第二領域１５２ａ上に設けられている。ｐ型コンタクト層１６ａは、第二領域１５２ａよりドーパント濃度が高く、その直上に設けられたアノード電極１１ａとの間でオーミック接触を実現する。なお、アノード電極１１ａは本実施形態における第１の電極であり、上部クラッド層１５ａ上（本実施形態ではｐ型コンタクト層１６ａ上）に設けられる。ｐ型コンタクト層１６ａを構成する半導体材料としては、例えばバンドギャップが小さいＧａＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓＰが好適である。なお、ｎ型半導体基板４の裏面４ｂ上には、カソード電極１８が全面に設けられている。
【００３７】
メサ構造部１９ｂは、本実施形態における第２の光導波路構造である。メサ構造部１９ｂは、ｎ型下部クラッド層１３の一部と、コア層１４ｂと、上部クラッド層１５ｂと、ｐ型コンタクト層１６ｂとを含む。
【００３８】
コア層１４ｂはｎ型下部クラッド層１３上に設けられており、上部クラッド層１５ｂはコア層１４ｂ上に設けられている。コア層１４ｂの屈折率はｎ型下部クラッド層１３の屈折率より大きく、上部クラッド層１５ｂの屈折率はコア層１４ｂの屈折率より小さい。メサ構造部１９ｂのこれらの層は、コア層１４ｂを中心として光導波路３の一部を構成する。
【００３９】
コア層１４ｂは、上述したコア層１４ａと同様の半導体材料によって構成されることが好ましい。これにより、良好な結晶性を有するコア層１４ｂをｎ型半導体基板４上に成長できるとともに、光通信用途に好適な光変調素子を実現できる。コア層１４ｂは、単一の層から成ってもよく、量子井戸構造を有しても良い。
【００４０】
上部クラッド層１５ｂは、第四領域１５１ｂ、第五領域１５２ｂおよび第六領域１５３ｂを含んで構成されている。第四領域１５１ｂは、コア層１４ｂ上に配置されており、上部クラッド層１５ｂとコア層１４ｂとの界面の全域上に配置されている。第五領域１５２ｂ及び第六領域１５３ｂは、第四領域１５１ｂ上において、光導波路３の光導波方向（すなわちメサ構造部１９ｂの配設方向）と交差する方向に並んで配置されている。本実施形態では、第五領域１５２ｂは他方のメサ構造部１９ａと対向するメサ構造部１９ｂの側面に沿って配置されており、第六領域１５３ｂはメサ構造部１９ａと対向する側面とは反対側のメサ構造部１９ｂの側面に沿って配置されている。
【００４１】
第四領域１５１ｂ及び第五領域１５２ｂはｐ型半導体からなり、第六領域１５３ｂはアンドープ半導体からなる。なお、後述する製造方法において、第五領域１５２ｂは第四領域１５１ｂと一体として形成され、第六領域１５３ｂは第四領域１５１ｂ及び第五領域１５２ｂとは別工程にて作成される。
【００４２】
また、上部クラッド層１５ｂは、上述した上部クラッド層１５ａと同様の半導体材料であって、屈折率がコア層１４ｂより小さく、且つバンドギャップがコア層１４ｂより大きい材料によって構成されることが好ましい。特に、上部クラッド層１５ｂをＩｎＰによって構成することにより、コア層１４ｂにキャリアや光を強く閉じ込めることができる。
【００４３】
ｐ型コンタクト層１６ｂは、本実施形態における第２のｐ型コンタクト層であり、第五領域１５２ｂ上に設けられている。ｐ型コンタクト層１６ｂは、第五領域１５２ｂよりドーパント濃度が高く、その直上に設けられたアノード電極１１ｂとの間でオーミック接触を実現する。なお、アノード電極１１ｂは本実施形態における第２の電極であり、上部クラッド層１５ｂ上（本実施形態ではｐ型コンタクト層１６ｂ上）に設けられる。ｐ型コンタクト層１６ｂは、上述したｐ型コンタクト層１６ａと同様の半導体材料によって好適に構成される。
【００４４】
これらのメサ構造部１９ａ及び１９ｂの両側面は、ＢＣＢやポリイミドといった誘電体樹脂層１７によって埋め込まれている。すなわち、誘電体樹脂層１７は、メサ構造部１９ａ及び１９ｂの高さと等しい厚さでもって、メサ構造部１９ａ及び１９ｂが設けられていないｎ型半導体基板４上の領域に設けられている。
【００４５】
次に、図３を参照すると、光導波領域２０Ａ及び２０Ｂは、ｎ型下部クラッド層２３と、２つのメサ構造部２９ａ，２９ｂとを有している。ｎ型下部クラッド層２３は、上述した位相制御部１０のｎ型下部クラッド層１３と一体として構成されてもよい。メサ構造部２９ａ及び２９ｂは、本実施形態における第３のメサ構造部であり、ｎ型下部クラッド層２３上の領域のうちそれぞれ光導波路２及び３に対応する一部の領域上に設けられている。
【００４６】
メサ構造部２９ａ及び２９ｂは、本実施形態における第３の光導波構造である。メサ構造部２９ａは、ｎ型下部クラッド層２３の一部と、コア層２４ａと、上部クラッド層２５ａとを含む。また、メサ構造部２９ｂは、ｎ型下部クラッド層２３の他の一部と、コア層２４ｂと、上部クラッド層２５ｂとを含む。メサ構造部２９ａ及び２９ｂの両側面は、位相制御部１０のメサ構造部１９ａ及び１９ｂと同様に、誘電体樹脂層１７によって埋め込まれている。
【００４７】
コア層２４ａ，２４ｂはｎ型下部クラッド層２３上に設けられており、上部クラッド層２５ａ，２５ｂはコア層２４ａ，２４ｂ上にそれぞれ設けられている。コア層２４ａ，２４ｂの屈折率はｎ型下部クラッド層２３の屈折率より大きく、上部クラッド層２５ａ，２５ｂの屈折率はコア層２４ａ，２４ｂの屈折率より小さい。メサ構造部２９ａ，２９ｂのこれらの層は、コア層２４ａ，２４ｂを中心として光導波路２，３の一部をそれぞれ構成する。なお、コア層２４ａ，２４ｂを構成する半導体材料やコア層２４ａ，２４ｂの内部構成は、上述したコア層１４ａ，１４ｂと同様である。
【００４８】
上部クラッド層２５ａは、第七領域２５１ａおよび第八領域２５２ａを含んで構成されている。同様に、上部クラッド層２５ｂは、第七領域２５１ｂおよび第八領域２５２ｂを含んで構成されている。第七領域２５１ａ，２５１ｂはコア層２４ａ，２４ｂ上にそれぞれ配置されており、第八領域２５２ａ，２５２ｂは第七領域２５１ａ，２５１ｂ上にそれぞれ配置されている。第七領域２５１ａ，２５１ｂはｐ型半導体からなり、第八領域２５２ａ，２５２ｂはアンドープ半導体からなる。なお、ｎ型下部クラッド層２３及び上部クラッド層２５ａ，２５ｂを構成する半導体材料は、上述したｎ型下部クラッド層１３及び上部クラッド層１５ａ，１５ｂと同様である。
【００４９】
次に、図４を参照すると、入射側分波器３０及び出射側合波器４０は、ｎ型下部クラッド層３３と、メサ構造部３９とを有している。ｎ型下部クラッド層３３は、上述した位相制御部１０のｎ型下部クラッド層１３と一体として構成されてもよい。メサ構造部３９は、本実施形態における第３のメサ構造部であり、ｎ型下部クラッド層３３上の領域の一部の上に設けられている。
【００５０】
メサ構造部３９は、本実施形態における第３の光導波構造である。メサ構造部３９は、ｎ型下部クラッド層３３の一部と、コア層３４と、上部クラッド層３５とを含む。メサ構造部３９の両側面は、位相制御部１０のメサ構造部１９ａ及び１９ｂと同様に、誘電体樹脂層１７によって埋め込まれている。
【００５１】
コア層３４はｎ型下部クラッド層３３上に設けられており、上部クラッド層３５はコア層３４上に設けられている。コア層３４の屈折率はｎ型下部クラッド層３３の屈折率より大きく、上部クラッド層３５の屈折率はコア層３４の屈折率より小さい。入射側分波器３０のコア層３４は、上述した光導波領域２０Ａのコア層２４ａ，２４ｂと光結合（本実施形態では一体で形成）されている。同様に、出射側合波器４０のコア層３４は、上述した光導波領域２０Ｂのコア層２４ａ，２４ｂと光結合（本実施形態では一体で形成）されている。なお、コア層３４を構成する半導体材料やコア層３４の内部構成は、上述したコア層１４ａ，１４ｂと同様である。
【００５２】
上部クラッド層３５は、第七領域３５１および第八領域３５２を含んで構成されている。第七領域３５１はコア層３４上に配置されており、第八領域３５２は第七領域３５１上に配置されている。第七領域３５１はｐ型半導体からなり、第八領域３５２はアンドープ半導体からなる。なお、ｎ型下部クラッド層３３及び上部クラッド層３５を構成する半導体材料は、上述したｎ型下部クラッド層１３及び上部クラッド層１５ａ，１５ｂと同様である。
【００５３】
なお、本実施形態では、入射側分波器３０や出射側合波器４０としてＭＭＩカプラを例示しているが、入射側分波器３０や出射側合波器４０は、Ｙ分岐や方向性結合器等であってもよい。
【００５４】
続いて、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの動作について説明する。マッハツェンダー型光変調素子１Ａの外部から入射光Ｌ１（図１を参照）が入射側分波器３０のコア層３４に入射されると、この入射光Ｌ１は、光導波領域２０Ａの光導波路２，３のそれぞれへ分波される。その後、これらの光は、位相制御部１０及び光導波領域２０Ｂの光導波路２，３を経て、出射側合波器４０に達する。これらの光は出射側合波器４０のコア層３４において互いに合波され、出射光Ｌ２としてマッハツェンダー型光変調素子１Ａの外部へ出射される。
【００５５】
ここで、位相制御部１０のアノード電極１１ａ及び１１ｂの一方又は双方とカソード電極１８との間に逆バイアス電圧を印加し、コア層１４ａ及び１４ｂの一方又は双方に電界を印加する。これにより生じる電気光学効果やＱＣＳＥ（量子閉じ込めシュタルク）効果によってコア層１４ａ及び１４ｂの一方又は双方の屈折率が変化し、光導波路２，３それぞれを導波する光に位相差が生じる。その結果、出射側合波器４０では、これらの光の位相差による干渉が生じ、強度変調された出射光Ｌ２が生成される。
【００５６】
本実施形態によるマッハツェンダー型光変調素子１Ａが奏する効果について説明する。位相制御部１０において、アノード電極１１ａとコア層１４ａとが、ｐ型コンタクト層１６ａと、上部クラッド層１５ａの第一領域１５１ａ及び第二領域１５２ａとによって電気的に接続されている。同様に、アノード電極１１ｂとコア層１４ｂとが、ｐ型コンタクト層１６ｂと、上部クラッド層１５ｂの第四領域１５１ｂ及び第五領域１５２ｂによって電気的に接続されている。これらの構成によって、アノード電極１１ａ，１１ｂとカソード電極１８との間に逆バイアス電圧（すなわち、アノード電極１１ａ，１１ｂに対してカソード電極１８が高電位となるような電圧）を印加した場合に、コア層１４ａ，１４ｂに十分な電界を印加することができる。そして、この電界により誘起される電気光学効果やＱＣＳＥ効果を利用し、コア層１４ａ，１４ｂの屈折率を変化させることにより、マッハツェンダー型光変調素子としての好適な動作を実現できる。
【００５７】
また、マッハツェンダー型光変調素子１Ａにおいては、上部クラッド層１５ａ，１５ｂの一部（第三領域１５３ａ及び第六領域１５３ｂ）がアンドープ半導体によって構成されている。アンドープ半導体は光の吸収損や電気信号の導波損がｐ型半導体と比べて顕著に小さい。従って、例えば図１５（ａ）のような構造と比較して、ｐ型半導体に起因する光の吸収損や電気信号の導波損を効果的に低減させることができる。
【００５８】
ここで、図１５（ａ）に示した構成において、ｐ型上部クラッド層１０５ａ、１０５ｂに起因する吸収損を低減するためには、ｐ型上部クラッド層１０５ａ、１０５ｂにおけるｐ型ドーパント濃度を一様に低減することが、最も簡易な方式である。しかし、ｐ型ドーパント濃度を一様に低減するとｐ型上部クラッド層１０５ａ、１０５ｂの抵抗率が増すので、単純にｐ型ドーパント濃度を低減する方法には限界がある。そこで本発明者は、アノード電極とコア層との間の抵抗値を抑制しつつ、ｐ型半導体に起因する光吸収損を低減できる構造について検討し、その結果、上述したような構成に辿り着いた。本実施形態のマッハツェンダー型光変調素子１Ａによれば、上部クラッド層１５ａ，１５ｂの一部（第三領域１５３ａ及び第六領域１５３ｂ）がアンドープ半導体からなることによって、光吸収損を効果的に低減できる。また、残る第二領域１５２ａ及び第五領域１５２ｂに対してｐ型ドーパントを十分に添加することにより、図１５（ａ）に示した構成と同程度の抵抗値を実現することが可能であり、抵抗値の増加を効果的に抑制できる。すなわち、本実施形態のマッハツェンダー型光変調素子１Ａによれば、ｐ型半導体に起因する光吸収損の低減と抵抗値の抑制とを両立することが可能となる。
【００５９】
なお、コア層１４ａ，１４ｂにアンドープ半導体が直接接触すると、逆バイアス電圧印加時に、アンドープ半導体を経由して漏れ電流が流れてしまう。これに対し、本実施形態のマッハツェンダー型光変調素子１Ａによれば、上部クラッド層１５ａ，１５ｂのうちコア層１４ａ，１４ｂと接触する領域（第一領域１５１ａ，第四領域１５１ｂ）をｐ型半導体で構成することにより、このような漏れ電流を効果的に防ぐことができる。
【００６０】
また、光導波領域２０Ａ及び２０Ｂ、入射側分波器３０、並びに出射側合波器４０では、上部クラッド層２５ａ，２５ｂ及び３５において、コア層２４ａ，２４ｂ又は３４と接する領域（第七領域２５１ａ，２５１ｂ又は３５１）に限ってｐ型半導体により構成されている。この第七領域２５１ａ，２５１ｂ及び３５１は、製造過程において位相制御部１０の上部クラッド層１５ａ，１５ｂの第一領域１５１ａ及び第四領域１５１ｂと共に必然的に形成される領域である。そして、それ以外の領域（第八領域２５２ａ，２５２ｂ又は３５２）は、アンドープ半導体によって構成されている。また、ｐ型コンタクト層も設けられていない。このように、上部クラッド層２５ａ，２５ｂ及び３５の大きな部分をアンドープ半導体によって構成することにより、ｐ型半導体に起因する光の吸収損や電気信号の導波損を大幅に低減できる。なお、光導波領域２０Ａ及び２０Ｂ、入射側分波器３０、並びに出射側合波器４０では、コア層２４ａ，２４ｂ及び３４に電界を印加しないので上部クラッド層２５ａ，２５ｂ及び３５に導電性を確保する必要がないことから、このような構成が可能となる。
【００６１】
また、光導波領域２０Ａ及び２０Ｂ、入射側分波器３０、並びに出射側合波器４０では、上述したように、上部クラッド層２５ａ，２５ｂ及び３５の大きな部分がアンドープ半導体によって構成され、またｐ型コンタクト層が設けられていないので、例えば図１５（ｂ）に示した構成と比較してこれらの領域がより高抵抗化される。従って、位相制御部１０へ電圧を印加する際に、光導波領域２０Ａ，２０Ｂ、入射側分波器３０、及び出射側合波器４０を伝って、一方の光導波路から他方の光導波路へ流れるリーク電流を効果的に低減でき、このリーク電流による素子特性の劣化を軽減できる。
【００６２】
以上に説明したとおり、本実施形態に係るマッハツェンダー型光変調素子１Ａにおいては、位相制御部１０の上部クラッド層１５ａ，１５ｂの一部をアンドープ半導体で構成することにより、ｐ型半導体に起因する光の吸収損や電気信号の導波損を効果的に低減できる。また、光導波領域２０Ａ及び２０Ｂ、入射側分波器３０、並びに出射側合波器４０の各上部クラッド層の一部をアンドープ半導体で構成することにより、ｐ型半導体に起因する光の吸収損や電気信号の導波損、更には光導波路間のリーク電流を効果的に低減できる。従って、マッハツェンダー型光変調素子１Ａによれば、例えば図１５に示した構造と比較して、低損失で高速かつ高性能なマッハツェンダー型光変調素子を容易に実現できる。
【００６３】
なお、本実施形態のように、位相制御部１０の上部クラッド層１５ａの第二領域１５２ａ上に、第二領域１５２ａよりドーパント濃度が高いｐ型コンタクト層１６ａが設けられることが好ましい。これにより、アノード電極１１ａに印加された電気信号を、第一領域１５１ａ及び第二領域１５２ａへ効率的に伝えることができる。同様に、上部クラッド層１５ｂの第五領域１５２ｂ上に、第五領域１５２ｂよりドーパント濃度が高いｐ型コンタクト層１６ｂが設けられることが好ましい。これにより、アノード電極１１ｂに印加された電気信号を、第四領域１５１ｂ及び第五領域１５２ｂへ効率的に伝えることができる。
【００６４】
また、本実施形態のような、メサ構造部１９ａ，１９ｂ，２９ａ及び２９ｂが誘電体樹脂層１７によって埋め込まれた構造（所謂ハイメサ構造）においては、メサ構造部１９ａ，１９ｂ，２９ａ及び２９ｂの横幅（光導波方向と交差する方向の幅。以下同じ）が１μｍ以上であることが好ましい。これにより、基本横モードでの導波を好適に実現できる。また、メサ構造部１９ａ，１９ｂ，２９ａ及び２９ｂの横幅は、２μｍ以下であることが好ましい。これにより、高次横モードの発生を抑制し、基本横モードのみでの単一モード導波を好適に実現でき、マッハツェンダー型光変調素子１Ａを光通信に供することができる。
【００６５】
また、第二領域１５２ａ及び第五領域１５２ｂ、並びに第三領域１５３ａ及び第六領域１５３ｂの好適な横幅に関しては、次のとおりである。光導波方向と交差する方向におけるメサ構造部１９ａ及び１９ｂの中央部では、導波光の分布強度が最も大きくなる。したがって、該中央部にｐ型半導体層（第二領域１５２ａ及び第五領域１５２ｂ）が存在すると、光吸収損が比較的大きくなってしまう。すなわち、ｐ型半導体層に起因する光吸収損を効果的に低減するためには、第二領域１５２ａ及び第五領域１５２ｂの横幅が充分に狭められることにより、これらの領域が当該メサ構造部１９ａ又は１９ｂの中央部から充分離れた位置に配置されることが好ましい。例えば、第二領域１５２ａ及び第五領域１５２ｂの横幅が、当該メサ構造部１９ａ又は１９ｂの横幅の１０％以上３０％以下の範囲内であれば、導波光の分布強度が大きい範囲を避け得ると考えられる。一例として、メサ構造部１９ａ又は１９ｂの横幅が１μｍである場合、第二領域１５２ａ及び第五領域１５２ｂの横幅は０．１μｍ以上０．３μｍ以下であることが好ましく、また、メサ構造部１９ａ又は１９ｂの横幅が２μｍである場合、第二領域１５２ａ及び第五領域１５２ｂの横幅は０．２μｍ以上０．６μｍ以下であることが好ましい。なお、第三領域１５３ａ及び第六領域１５３ｂの横幅は、当該メサ構造部１９ａ又は１９ｂの横幅から第二領域１５２ａ及び第五領域１５２ｂの横幅を差し引いた値となる。
【００６６】
また、第一領域１５１ａ及び第四領域１５１ｂの好適な厚さに関しては、次のとおりである。コア層１４ａ，１４ｂ上に設けられるｐ型半導体層であるこれらの領域は、例えば０．１μｍといった或る程度の厚さを有することが好ましい。これにより、ｐｎ接合のポテンシャル障壁を十分に得ることができるので、トンネル電流等のリーク電流を効果的に抑制し、コア層１４ａ，１４ｂに充分な電界を印加することができる。一方、光導波路２，３において、導波光は、上部クラッド層１５ａ，１５ｂの中を、コア層１４ａ，１４ｂとの界面から１μｍといった範囲まで広がりながら導波する。したがって、ｐ型半導体からなる第一領域１５１ａ及び第四領域１５１ｂがこの範囲と同程度以上に厚くなると、ｐ型半導体に起因する吸収損が比較的大きくなってしまう。このことから、吸収損をより効果的に抑えるためには、第一領域１５１ａ及び第四領域１５１ｂの厚さを、例えば上記範囲の半分（０．５μｍ）以下に抑えることが好ましい。
【００６７】
ここで、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの製造方法の一例について説明する。図５〜図１２は、マッハツェンダー型光変調素子１Ａの製造工程を示す断面図である。各図において、（ａ）は位相制御部１０の製造工程を示しており、図１のII−II断面に対応する。また、（ｂ）は光導波領域２０Ａ，２０Ｂの製造工程を示しており、図１のIII−III断面に対応する。なお、入射側分波器３０及び出射側合波器４０の製造工程は、メサ構造部の数を除いて光導波領域２０Ａ，２０Ｂの製造工程と同様である。
【００６８】
まず、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、ｎ型ＩｎＰといったｎ型半導体基板４を用意し、その主面４ａ上に、ｎ型半導体層５１、アンドープ半導体層５２、ｐ型半導体層５３、及び高濃度ｐ型半導体層５４を順に成長させる。これらの層５１〜５４は、例えばＯＭＶＰＥやＭＢＥ等の結晶成長法を用いて好適に成長される。ｎ型半導体層５１及びｐ型半導体層５３は、例えばＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓのうちいずれかの半導体材料からなる。アンドープ半導体層５２は、例えばＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、及びＧａＩｎＡｓのうちいずれかの半導体材料であって、ｎ型半導体層５１及びｐ型半導体層５３よりバンドギャップが小さい半導体材料からなる。ｎ型半導体層５１を成長させる際には、例えばＳｉやＳｅといったｎ型ドーパントを添加する。ｐ型半導体層５３及び高濃度ｐ型半導体層５４を成長させる際には、例えばＺｎといったｐ型ドーパントを添加する。
【００６９】
次に、図５（ａ）に示すように、位相制御部１０に対応するｎ型半導体基板４上の領域において、高濃度ｐ型半導体層５４の表面の一部を誘電体マスク５５によって覆う。このとき、誘電体マスク５５の一方の側面５５ａが光導波路２の光導波方向に沿って延び、誘電体マスク５５の他方の側面５５ｂが光導波路３の光導波方向に沿って延びるように、誘電体マスク５５を形成する。また、これらの側面５５ａ及び５５ｂが、それぞれ光導波路２及び３が形成されるべき領域上に位置するように、誘電体マスク５５を形成する。なお、誘電体マスク５５の構成材料としては、例えばＳｉＮやＳｉＯ２が好適である。
【００７０】
続いて、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、高濃度ｐ型半導体層５４及びｐ型半導体層５３に対してエッチングを施す。このとき、ｐ型半導体層５３の一部が残存する程度にエッチング深さを設定する。図６（ａ）に示すように、高濃度ｐ型半導体層５４及びｐ型半導体層５３のうち誘電体マスク５５に覆われた部分は、エッチングされずに残る。エッチング方法としては、例えばドライエッチングが好適である。
【００７１】
続いて、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、ｐ型半導体層５３のエッチングされた領域上に、アンドープ半導体層５６を再成長させる。アンドープ半導体層５６は、例えばＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、及びＧａＩｎＡｓのうちいずれかの半導体材料であって、ｐ型半導体層５３と同一の組成を有することが好ましい。なお、このとき、図７（ａ）に示すように、誘電体マスク５５が存在する領域では、アンドープ半導体層５６は成長しない。
【００７２】
続いて、誘電体マスク５５を除去したのち、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、ｎ型半導体基板４上の光導波路２，３が形成されるべき領域上に、誘電体マスク５７ａ，５７ｂをそれぞれ形成する。このとき、誘電体マスク５７ａ，５７ｂは、ｐ型半導体層５３のエッチングされた領域とエッチングされなかった領域との境界上に設けられる。なお、誘電体マスク５７ａ，５７ｂの構成材料としては、例えばＳｉＮやＳｉＯ２が好適である。また、このとき、入射側分波器３０及び出射側合波器４０となるべき領域においては、図４に示したメサ構造部３９が形成されるべき領域上に誘電体マスクを形成する。
【００７３】
続いて、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、誘電体マスク５７ａ及び５７ｂを介してエッチングを施す。このときのエッチング深さは、メサ構造部とその周辺部との屈折率差を大きくして、メサ構造部へ導波光を充分に閉じ込める必要上、少なくともｎ型半導体層５１の一部に達するまでエッチングすることが好ましい。また必要に応じて、更にｎ型半導体基板４の一部領域に達するまでエッチングしても良い。エッチング方法としては、例えばドライエッチングが好適である。この工程により、位相制御部１０となるべき領域にｎ型下部クラッド層１３が形成されるとともに、光導波領域２０Ａ，２０Ｂとなるべき領域にｎ型下部クラッド層２３が形成される。また、誘電体マスク５７ａに覆われた部分がメサ構造部１９ａ及び２９ａとして残り、誘電体マスク５７ｂに覆われた部分がメサ構造部１９ｂ及び２９ｂとして残る。図９（ａ）に示すように、メサ構造部１９ａには、ｎ型下部クラッド層１３の一部、コア層１４ａ、上部クラッド層１５ａ（第一領域１５１ａ、第二領域１５２ａ、第三領域１５３ａ）、及びｐ型コンタクト層１６ａが含まれる。同様に、メサ構造部１９ｂには、ｎ型下部クラッド層１３の一部、コア層１４ｂ、上部クラッド層１５ｂ（第四領域１５１ｂ、第五領域１５２ｂ、第六領域１５３ｂ）、及びｐ型コンタクト層１６ｂが含まれる。また、図９（ｂ）に示すように、メサ構造部２９ａには、ｎ型下部クラッド層２３の一部、コア層２４ａ、上部クラッド層２５ａ（第七領域２５１ａ、第八領域２５２ａ）が含まれる。同様に、メサ構造部２９ｂには、ｎ型下部クラッド層２３の一部、コア層２４ｂ、上部クラッド層２５ｂ（第七領域２５１ｂ、第八領域２５２ｂ）が含まれる。
【００７４】
続いて、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、誘電体樹脂層１７をｎ型半導体基板４上の全面に塗布し、メサ構造部１９ａ，１９ｂ，２９ａ及び２９ｂを埋め込む。誘電体樹脂層１７としては、ＢＣＢやポリイミドが好適である。そして、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、ドライエッチング等のエッチング処理を誘電体樹脂層１７の表面に施すことによって誘電体樹脂層１７の表層部を除去し、メサ構造部１９ａ，１９ｂ，２９ａ及び２９ｂの頂部を露出させる。その後、図１２（ａ）に示すように、位相制御部１０のメサ構造部１９ａ及び１９ｂの上にアノード電極１１ａ及び１１ｂをそれぞれ形成する。アノード電極１１ａ及び１１ｂの形成方法としては、例えば蒸着法やスパッタ法が好適である。
【００７５】
最後に、ｎ型半導体基板４の裏面側を研磨して、ｎ型半導体基板４を劈開可能な厚さ（１００μｍ以下）まで薄くしたのち、ｎ型半導体基板４の裏面４ｂの全面にカソード電極１８を形成する。カソード電極１８の形成方法としては、例えば蒸着法やスパッタ法が好適である。こうして、本実施形態に係るマッハツェンダー型光変調素子１Ａが完成する。
【００７６】
（変形例）
上述したマッハツェンダー型光変調素子１Ａの変形例について説明する。図１３は、一変形例として、位相制御部６０の構成を示す断面図である。
【００７７】
位相制御部６０は、アノード電極１１ａ，１１ｂと、ｎ型下部クラッド層１３と、カソード電極１８と、２つのメサ構造部６９ａ，６９ｂとを有している。これらのうち、２つのメサ構造部６９ａ，６９ｂを除く他の構成は、上記実施形態と同様である。
【００７８】
メサ構造部６９ａは、本変形例における第１の光導波路構造であり、ｎ型下部クラッド層１３上の領域のうち光導波路２に対応する一部の領域上に設けられている。メサ構造部６９ｂは、本実施形態における第２の光導波路構造であり、ｎ型下部クラッド層１３上の領域のうち光導波路３に対応する別の一部の領域上に設けられている。
【００７９】
メサ構造部６９ａは、コア層１４ａと、上部クラッド層６５ａと、ｐ型コンタクト層６６ａとを有する。同様に、メサ構造部６９ｂは、コア層１４ｂと、上部クラッド層６５ｂと、ｐ型コンタクト層６６ｂとを有する。コア層１４ａ，１４ｂの構成は、上記実施形態のコア層１４ａ，１４ｂと同様である。
【００８０】
上部クラッド層６５ａは、第一領域６５１ａ、第二領域６５２ａ及び第三領域６５３ａを含んで構成されている。第一領域６５１ａ及び第二領域６５２ａの構成は、上記実施形態の第一領域１５１ａ及び第二領域１５２ａと同様である。また、第三領域６５３ａの構成は、下記の点を除いて上記実施形態の第三領域１５３ａと同様である。すなわち、上記実施形態の第三領域１５３ａはその最上部がメサ構造部１９ａの頂部まで達していたが、本変形例の第三領域６５３ａは、その最上部が第二領域６５２ａと同じ高さとなっている。そして、ｐ型コンタクト層６６ａは、第二領域６５２ａ上から第三領域６５３ａ上にわたって設けられている。
【００８１】
上部クラッド層６５ｂは、第四領域６５１ｂ、第五領域６５２ｂ及び第六領域６５３ｂを含んで構成されている。第四領域６５１ｂ及び第五領域６５２ｂの構成は、上記実施形態の第四領域１５１ｂ及び第五領域１５２ｂと同様である。また、第六領域６５３ｂの構成は、下記の点を除いて上記実施形態の第六領域１５３ｂと同様である。すなわち、上記実施形態の第六領域１５３ｂはその最上部がメサ構造部１９ｂの頂部まで達していたが、本変形例の第六領域６５３ｂは、その最上部が第五領域６５２ｂと同じ高さとなっている。そして、ｐ型コンタクト層６６ｂは、第五領域６５２ｂ上から第六領域６５３ｂ上にわたって設けられている。
【００８２】
本変形例によれば、アンドープ半導体からなる第三領域６５３ａ上にもｐ型コンタクト層６６ａを設けることによって、ｐ型コンタクト層６６ａとアノード電極１１ａとの接触面積が増し、コンタクト抵抗を低減できる。また、アンドープ半導体からなる第六領域６５３ｂ上にもｐ型コンタクト層６６ｂを設けることによって、ｐ型コンタクト層６６ｂとアノード電極１１ｂとの接触面積が増し、コンタクト抵抗を低減できる。したがって、本変形例によれば、コンタクト抵抗を低減し、上記実施形態と比較して更に低電圧、低消費電力での動作が可能となる。
【００８３】
本発明による半導体光素子及びマッハツェンダー型光変調素子は、上述した実施形態や変形例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態及び変形例においては、入射側分波器、光導波領域、及び出射側合波器それぞれの上部クラッド層（第２のクラッド層）において、ｐ型半導体からなる層（第七領域）がコア層と接する領域のみに形成されており、それ以外の領域（第八領域）はアンドープ半導体からなり、コンタクト層が設けられていない構成を例示した。入射側分波器、光導波領域、及び出射側合波器それぞれの第２のクラッド層の構成はこれに限定されず、例えば図１５（ｂ）のように、第２のクラッド層がｐ型半導体によって構成されてもよく、更にその上にｐ型コンタクト層を備える構成であってもよい。または、第２のクラッド層全体が、アンドープ半導体のみで構成されていても良い。
【００８４】
また、上記実施形態及び変形例においては、光導波路構造の一例としていわゆるハイメサ構造を示したが、本発明の光導波路構造はこれに限定されず、例えばリッジ構造や埋め込みヘテロストラクチャー構造といった他の任意の光導波路構造を適用できる。何れの光導波路構造においても、本発明の構成を備えることにより、低損失で高速かつ高性能な半導体光素子及びマッハツェンダー型光変調素子を容易に実現することができる。
【００８５】
また、上記実施形態及び変形例においては、基板の一例としてｎ型半導体基板を示したが、本発明に係る半導体光素子及びマッハツェンダー型光変調素子に用いられる基板はこれに限定されず、他の電気的特性を有する基板、例えばアンドープの半導体基板や半絶縁性の半導体基板が用いられても良い。
【００８６】
また、上記実施形態に示したマッハツェンダー型光変調素子の製造方法において、ｐ型半導体（第一領域、第二領域、ｐ型コンタクト層等）を成長させる際にｐ型ドーパントを添加する方法を例示したが、例えばアンドープ半導体を成長した後に、イオン注入や熱拡散等の方法によりｐ型ドーパントを添加するなど、他の方法によってｐ型半導体を形成してもよい。
【００８７】
また、上記実施形態及び変形例においては、本発明に係る半導体光素子の一例としてマッハツェンダー型光変調素子について説明したが、本発明の構成は、例えば半導体レーザ素子、半導体光増幅器（ＳＯＡ）、ＥＡ変調器、若しくはフォトダイオードといった他の光デバイス、またはこれらのうち二以上の光デバイスを集積した素子など、ｐｉｎ構造を有する全ての半導体光素子に対して適用可能である。何れの半導体光素子においても、本発明の構成を備えることにより、ｐ型半導体層に起因する光の吸収損や電気信号の導波損を低減でき、低損失化及び高性能化を図ることができる。
【符号の説明】
【００８８】
１Ａ…マッハツェンダー型光変調素子、２，３…光導波路、４…ｎ型半導体基板、１０，６０…位相制御部、１１ａ，１１ｂ…アノード電極、１３，２３，３３…ｎ型下部クラッド層、１４ａ，１４ｂ，２４ａ，２４ｂ，３４…コア層、１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２５ｂ，３５…上部クラッド層、１６ａ，１６ｂ，２６ａ，２６ｂ…ｐ型コンタクト層、１７…誘電体樹脂層、１８…カソード電極、１９ａ，１９ｂ，２９ａ，２９ｂ，３９…メサ構造部、２０Ａ，２０Ｂ…光導波領域、３０…入射側分波器、４０…出射側合波器、１５１ａ…第一領域、１５１ｂ…第四領域、１５２ａ…第二領域、１５２ｂ…第五領域、１５３ａ…第三領域、１５３ｂ…第六領域、２５１ａ，２５１ｂ，３５１…第七領域、２５２ａ，２５２ｂ，３５２…第八領域、Ｌ１…入射光、Ｌ２…出射光。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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