(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高い抵抗を有する半導体基板上に形成された半導体光導波路と、前記半導体導波路上に信号線が形成されると共に前記半導体基板上に前記半導体光導波路に並行に配置した接地導体が形成されたマイクロ波電極とを有する半導体光素子において、少なくとも前記信号線の上から前記接地導体の上に至る領域に、前記半導体基板の屈折率に等しいか又はこれに近い屈折率を有する半導体を配置したことを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
高い抵抗を有する半導体基板上に、下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層からなる三つのメサを並行に配置し、中央のメサは半導体光導波路であってその上に信号線となる電極が形成されるとともに左右のメサの上に接地電極の構成をとるコプレーナ線路がそれぞれ形成された半導体光素子において、少なくとも前記信号線の上から前記コプレーナ線路の上に至る領域に、前記半導体基板の屈折率に等しいか又はこれに近い屈折率を有する半導体を配置したことを特徴とする半導体光素子。
【請求項３】
高い抵抗を有する半導体基板上に、下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層からなる二つのメサを並行に配置し、一方のメサは半導体光導波路であってその上に信号線となる電極が形成されるとともに他方のメサの上に接地電極の構成をとるスロント線路が形成された半導体光素子において、少なくとも前記信号線の上から前記スロント線路の上に至る領域に、前記半導体基板の屈折率に等しいか又はこれに近い屈折率を有する半導体を配置したことを特徴とする半導体光素子。
【請求項４】
請求項１から３の何れかに記載の半導体光素子において、前記半導体はウェハ状半導体を加熱融着によって配置された半導体であることを特徴とする半導体光素子。
【請求項５】
請求項１から３の何れかに記載の半導体光素子において、前記半導体は粒子状半導体を塗布によって配置された半導体であることを特徴とする半導体光素子。
【請求項６】
請求項１から３の何れかに記載の半導体光素子において、前記半導体は蒸着によって配置された半導体であることを特徴とする半導体光素子。
【請求項７】
請求項１から３の何れかに記載の半導体光素子において、前記半導体は低温結晶成長によって配置された半導体であることを特徴とする半導体光素子。
【請求項８】
前記半導体光導波路が導波路型の半導体受光器であることを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の半導体光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な半導体導波路型光素子の一例として、図２に示す導波路型光検出器が知られている（Ｋ．Ｋａｔｏ他、”Ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ＩｎＧａＡｓ  ｐｉｎ  ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ  ｗｉｔｈ  ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  ｏｆ  ｏｖｅｒ  ４０  ＧＨｚ”，  ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、３巻、４７３頁、１９９１年）。
【０００３】
この導波路型光検出器は、同図に示すように、信号光を吸収するＩｎＰ系材料からなるコア層（図２の場合はＩｎＧａＡｓ）２０３の上下に信号光を吸収しないＩｎＰ系材料からなる上部及び下部クラッド層（図２の場合はＩｎＰ）２０２，２０４を基板２０１に積層して形成されている。
ここで、上部クラッド層２０４はｐ型、下部クラッド層２０２はｎ型とされており、またコア層２０３はノンドープであり実際には低濃度のｎ型となっている。
【０００４】
更に、下部クラッド層２０２は図中に示すように、上部クラッド層２０４、コア層２０３よりも面積が広く、基板２０１上に図中左側へ張り出しており、その上にｐ型オーミック電極２０５が形成される一方、上部クラッド層２０４上にｎ型オーミック電極２０６が形成されている。
この半導体導波路型光検出器においては、導電層である上部クラッド層２０４と下部クラッド層２０２との間に逆バイアス電圧を印加して、ノンドープのコア層２０３内に空乏層を形成し、この空乏層にかかる高電界を利用して、半導体導波路型光検出器内をコア層２０３に沿って伝搬する信号光を光電変換するものである。
【０００５】
ところで、従来のこの半導体導波路型光検出器の静電容量は光導波路の面積に比例するため、応答速度は光導波路の面積に反比例することになる。一方、半導体導波路型光検出器の光電変換効率を高くするためには光導波路の長さを十分に長くする必要があるため、高速度応答性と高効率性とを同時に満足することは不可能であった。
【０００６】
そこで、静電容量の存在による速度制限のない進行波型導波路型光検出器が考案されている（Ｋ．Ｓ．Ｇｉｂｏｎｅｙ他、  ”Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−ｗａｖｅ  ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ  ｗｉｔｈ  １７２−ＧＨｚ  ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  ａｎｄ  ７６−ＧＨｚ  ｂａｎｄｗｉｄｔｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｐｒｏｄｕｃｔ”，  ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、７巻、４１２頁、１９９５年）。
【０００７】
即ち、図３に示すように、信号光を吸収するコア層（図３の場合はＧａＡｓ）３０３の上下に信号光を吸収しない上部及び下部クラッド層（図３の場合はＡｌＧａＡｓ）３０２，３０４を基板３０１に積層して導波路型光検出器を形成し、更に、下部クラッド層３０２を上部クラッド層３０４及びコア層３０３より図中左右両側に張り出させて、それらの上にｎ型オーミック電極３０６を形成する一方、上部クラッド層３０４上にｐ型オーミック電極３０５を形成したものである。
【０００８】
これにより、光検出器の静電容量とコプレーナ線路のインダクタンスとが５０Ωの特性インピーダンスを有するように設計したコプレーナ線路型電極とすることができた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
さて、進行波型導波路型光検出器内を伝搬する光信号の電磁界分布は半導体内に閉じ込まれているため、その実効的管内波長は半導体内における管内波長と等しい。
一方、コプレーナ線路を伝搬する電気信号の電磁界分布は上半分が空中に漏れ出ているため、その実効的管内波長は半導体内における管内波長と空中における波長との平均の値となる。
【００１０】
電磁波の速度は実効的管内波長に反比例するため、従来のこの進行波型導波路型光検出器においては、光導波路内の光の速度と、コプレーナ線路を導波する電気信号の速度との速度不整合により、光検出器が高速に応答しないという問題があった。
【００１１】
これは、光信号とコプレーナ線路を伝搬する電気信号は共に電磁波であるが、周波数が格段に相違するため、光導波路を形成する材料によっては、屈折率が光信号と電気信号では大きく異なることがあるが、半導体ではそれぞれの屈折率は等しいからである。
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、高効率で且つ高速応答可能な半導体進行波型光検出器を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明は、コプレーナ線路を具した進行波型導波路型光検出器の上方に半導体層を配置することを最も主要な特徴とする。また、コプレーナ線路に代えてスロント線路を具する進行波型導波路型光検出器においても同様な構成とすることができる。本発明は、コプレーナ線路又はスロント線路を伝搬する電気信号の電磁界の大部分が半導体内に分布しているという点で従来の技術とは異なる。
【００１３】
〔作用〕
コプレーナ線路を具した進行波型導波路型光検出器の上方に半導体層を配置するという手段を採用したため、コプレーナ線路を伝搬する電気信号の電磁界の大部分を半導体内に閉じ込め、その結果、光信号の実効的管内波長と同じく、電気信号の実効的管内波長が半導体における管内波長と等しくなる。
【００１４】
したがって光導波路内の光の速度と、コプレーナ線路を導波する電気信号の速度とがほぼ等しくなって速度不整合に起因する応答速度低下が解消され、その結果、高速応答可能な半導体進行波型導波路型光検出器が実現可能となる。
また、コプレーナ線路に代えてスロント線路を具する進行波型導波路光検出器においても、同様な作用効果を奏するものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
本発明の第１の実施例に係る半導体進行波型導波路型光検出器の断面構造図を図１（ａ）に示す。
本実施例は、半導体光導波路に並行に配置したコプレーナ線路を電極として有する半導体導波路型光素子において、コプレーナ線路の上部に半導体層を配置して電気信号の速度と半導体光導波路内の光信号の速度とを一致させうる構造に特徴を有する高速応答可能な半導体導波路型光素子である。
同図において、１０１は半絶縁性ＩｎＰ基板、１０２は厚さ０．５μｍのｎ型ＩｎＰ下部クラッド層、１０３は厚さ０．２μｍのノンドープＩｎＧａＡｓ層、１０４は厚さ０．５μｍのｐ型ＩｎＰ上部クラッド層、１０５は幅４μｍのｐ型オーミック電極、１０６はｎ型オーミック電極、１０７は別の半絶縁性ＩｎＰ基板である。
【００１６】
同図に示すように、本実施例では、高い抵抗を有する半絶縁性ＩｎＰ基板１０１上に、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層１０２、ＩｎＧａＡｓ層１０３及び上部クラッド層１０４よりなる三つのメサを形成し、その上にウェハ状の半絶縁性ＩｎＰ基板１０７を被せたものである。また、三つのメサ上に三つの電極１０５，１０６を形成した。
【００１７】
ここで、基板１０１上の三つのメサのうち中央のメサが光導波路であり、左右のメサが基板１０７を固定するための台座であり、これらメサ上にｐおよびｎ電極を形成した後、電極１０５，１０６に接するようにして半絶縁性ＩｎＰ基板１０７を配置する。半絶縁性ＩｎＰ基板１０７の固定は、加熱融着等によって行える。
基板１０７は、必ずしも基板１０１と同種類のものでなくても良く、基板１０１の屈折率と等しいか又はそれに近い屈折率を有するものが用いられる。
【００１８】
中央のメサは幅５μｍで導波路としてみれば、ｐ型ＩｎＰ層１０４が上部クラッド層、ノンドープＩｎＧａＡｓ層１０３がコア層、ｎ型ＩｎＰ層１０２が下部クラッド層であり、また光検出器としてみればノンドープＩｎＧａＡｓ層１０３を光電変換層とするｐｉｎフォトダイオードの構成となっている。
また、図中に示すように、中央のメサ上の電極が信号線となる中心電極１０５であり、左右のメサ上の電極１０６が接地電極の構成をとるコプレーナ線路となっており、その特性インピーダンスが５０Ωとなるように中心電極１０５とアース電極１０６との間隔を５μｍとしている。
【００１９】
本実施例に係る半導体進行波型導波路型光検出器においては、光導波路内で光信号は徐々に吸収されコプレーナ線路を導波する電磁波（電気信号）に変換される。
ここでコプレーナ線路の上下に半導体層である半絶縁性基板１０１及び１０７が存在しているため、電磁界分布はそのほとんどが誘電率の大きな半導体中に存在することになり、したがって電磁界の実効的管内波長は半導体内における管内波長とほぼ等しくなる。
【００２０】
この結果、電気信号速度が光信号速度とほぼ等しくなり、速度不整合に起因する応答速度低下が解消され、１５０ＧＨｚの高速光信号を電気信号に変換することができた。
本実施例においては、コプレーナ線路上にウェハ状の半導体基板１０７を配置した例を示したが、図１（ｂ）に示すように、半導体の蒸着や半導体粒子の塗布または低温結晶成長等の方法によりコプレーナ線路上に半導体層である半絶縁性ＩｎＰ層１０８を形成しても同様の効果が得られる。
【００２１】
また本実施例においては、半導体材料としてＩｎＰ基板と格子整合する材料を用いた例を示したが、これらの一部または全部をＩｎＰと格子整合しない材料としても同様の効果が期待できる。
また、信号光波長が１．５５μｍの場合についての例を示したが、材料を適当に選ぶことにより波長１．５５μｍ以外の信号光に対して本実施例と同様の効果がある半導体進行波型導波路型光検出器が実現できる。さらに本構造を半導体レーザあるいは半導体光変調器などの他の光素子に適用することも可能である。
【００２２】
更に、本実施例では、一例としてオーミック電極１０５，１０６を挙げたが、これに限るものではなく、広くマイクロ波電極を用いることができる。その一例を図４に示す。
【００２３】
〔実施例２〕
本発明の第２の実施例に係る半導体進行波型導波路型光検出器の断面構造図を図４に示す。
本実施例は、スロント線路と呼ばれる片側だけの接地電極の構成を採るものであり、その他の構成は前述したした実施例と同様である。
即ち、半絶縁性ＩｎＰ基板４０１上にｎ型ＩｎＰ下部クラッド層４０２、ノンドープＩｎＧａＡｓ層４０３及びｐ型ＩｎＰ上部クラッド層４０４よりなる二つのメサを形成し、その上にウェハ状の半絶縁性ＩｎＰ基板４０７を被せたものである。二つのメサ上には、ｐ型オーミック電極４０５、ｎ型オーミック電極４０６を形成した。
【００２４】
ここで、基板４０１上の図中左側のメサが光導波路であり、信号線となる電極４０５が形成されると共に、基板４０１上の図中右側のメサが別の基板４０７を固定するための台座であり、接地電極として電極４０６が形成されたスロント線路を構成している。
本実施例では、コプレーナに代えてスロント線路が採用されるため、前述した実施例に比べて、接地電極が片側だけでよく、製造コスト及び工程の削減となると共に小型軽量化が達成できる利点がある。
【００２５】
【発明の効果】
以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、コプレーナ線路を具した進行波型導波路型光検出器の上方に半導体層を配置することによって、光導波路内の光の速度と、コプレーナ線路を導波する電気信号の速度とがほぼ等しくなり、高速応答可能な半導体進行波型導波路型光検出器を実現できるという利点がある。更に、コプレーナ線路に代えて、スロント線路とすると、製造コスト及び工程の削減となると共に小型軽量化が達成できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体進行波型導波路型光検出器を示す断面図である。
【図２】従来の半導体導波路型光検出器の模式図である。
【図３】従来の半導体進行波型導波路型光検出器の模式図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係る半導体進行波型導波路型光検出器を示す断面図である。
【符号の説明】
１０１，４０１  半絶縁性ＩｎＰ基板
１０２，４０２  ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層
１０３，４０３  ノンドープＩｎＧａＡｓ層
１０４，４０４  ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層
１０５，４０５  ｐ型オーミック電極
１０６，４０６  ｎ型オーミック電極
１０７，４０７  半絶縁性ＩｎＰ基板
１０８，４０８  絶縁性ＩｎＰ層
２０１  半絶縁性ＩｎＰ基板
２０２  ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層
２０３  ノンドープＩｎＧａＡｓ層
２０４  ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層
２０５  ｐ型オーミック電極
２０６  ｎ型オーミック電極
３０１  半絶縁性ＧａＡｓ基板
３０２  ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層
３０３  ノンドープＧａＡｓ層
３０４  ｐ型用ＧａＡｓ上部クラッド層
３０５  ｐ型オーミック電極
３０６  ｎ型オーミック電極
【図１】
0003612638.tif 000002
【図２】
0003612638.tif 000003
【図３】
0003612638.tif 000004
【図４】
0003612638.tif 000005