(57)【要約】【課題】耐圧が高く、製作の容易なｎｐｉｎ型光変調器を提供する。【解決手段】本発明の一実施例による半導体光増幅器１０は、基板側にカソード層１２−１を配置して順次積層されたｎｐｉｎ型の半導体光変調器であって、少なくとも第１のｎ型クラッド層１３−１、ｐ型クラッド層１４、コア層１７、および第２のｎ型クラッド層１３−２を含む半導体光変調器において、ｐ型クラッド層１４がカソード層の電極１８−１に電気的に接続されていることを特徴とする。これによって、ｎｐｉｎ型光変調器での光吸収に伴うｐ型クラッド層へのホールの蓄積をマイナス側の電極に吸収させることができる。このｎｐｉｎ型の半導体光変調器は、メサ型の導波路構造とすることにより、従来の半導体製造技術を用いて比較的容易に製作することができる。【選択図】図１
2008107468.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板側にカソード層を配置して順次積層されたｎｐｉｎ型の半導体光変調器であって、少なくとも第１のｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層、コア層、および第２のｎ型クラッド層を含む半導体光変調器において、
前記ｐ型クラッド層が前記カソード層の電極に電気的に接続されていることを特徴とする半導体光変調器。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体光変調器であって、
前記ｐ型クラッド層はメサを構成し、前記メサ側面が前記カソード層の電極に電気的に接続されていることを特徴とする半導体光変調器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体光変調器であって、
前記ｐ型クラッド層の一部にｐ型オーミック領域が形成され、前記ｐ型オーミック領域が前記カソード層の電極に電気的に接続されていることを特徴とする半導体光変調器。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の半導体光変調器であって、
前記コア層の下に第１の中間層を含み、前記コア層の上に第２の中間層を含み、
前記第１の中間層のバンドギャップエネルギーは、前記コア層のそれよりも大きく、前記第１の中間層の下の層のそれよりも小さく、
前記第２の中間層のバンドギャップエネルギーは、前記コア層のそれよりも大きく、前記第２の中間層の上の層のそれよりも小さいことを特徴とする半導体光変調器。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の半導体光変調器であって、
前記ｐ型クラッド層は、前記第１のｎ型クラッド層よりも電子親和力が小さいことを特徴とする半導体光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光変調器に関し、より詳しくは、長波長帯で動作する超高速の半導体光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
長距離波長多重光通信システムにおいて使用される光信号は、ファイバ分散効果の影響を抑えるため、波長チャープが小さいことが要求される。このような光信号は、通常、レーザダイオード光源と外部変調器を組み合わせた構成で発生される。この種の典型的な外部変調器は、ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）導波路で製作されるＬＮ変調器である。ＬＮ変調器の動作原理は、光導波路と電気導波路を結合させて、電気信号入力により電気光学効果に基づく屈折率変化を誘起し、光信号に位相変化を与えることによるものである。このようなＬＮ変調器には、単純な光位相変調器の他に、マッハツェンダ干渉計を構成した光強度変調器、あるいは多数の導波路を結合させてより高機能の光スイッチとして動作するデバイスなどがある。
【０００３】
また、ＬＮ変調器と同様の動作原理を用いた半導体光変調器も存在する。例えば、半絶縁性のＧａＡｓにショットキー電極を配置し、光電子導波路としたＧａＡｓ光変調器や、ヘテロｐｎ接合を用いて、光の閉じ込めと共に導波路のコア部分に効果的に電圧が印加されるようにしたＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器などがある。半導体光変調器は小型であるという利点を持つ反面、ＧａＡｓ光変調器およびｐｎ接合型ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器はともに駆動電圧が高いという問題がある。
【０００４】
最近、このような問題を避ける構造として、両方のＩｎＰクラッド層をｎ型とし、両ｎ層間の電子電流を抑制するためのバリア層として薄いｐ層（ｐ型バリア層）を挿入したｎｐｉｎ型光変調器構造が提案されている（特許文献１）。このｎｐｉｎ型は、光損失が大きいｐ型クラッドを使わないため、比較的長い導波路を用いることが可能となる。また、空乏層の厚さを任意に最適設計できるという自由度があるため、駆動電圧の低減と電気速度／光速度の整合を同時に満足しやすく、変調器の応答速度を上げる上で有利である。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−０９９３８７号公報
【特許文献２】特開２００５−１１４８６８号公報（第１図から第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ｎｐｉｎ型の光変調器は、トランジスタと同様の半導体層構造となっているので、有限の光吸収がある場合、発生したホールキャリアがｐ型バリア層に蓄積するという問題がある。この現象によりバリアの高さが低下し、いわゆるフォトトランジスタ動作を引き起こす。これは、端子間の電子電流の増大、すなわち耐圧低下の原因のみならず、周波数分散の原因にもなりうる。そこで、新たにｐ型の層を形成し、蓄積したホールを引き抜くための構造が提案されている（特許文献２）。しかし、これには構造的に複雑になるという欠点があった。
【０００７】
図８に、このような従来技術による半導体光変調器の構造を示す。この半導体光変調器８０は、半絶縁性基板８１の上に第１のｎ型電極層８２−１が形成され、その上に第１のｎ型電極８８−１と、第１のｎ型クラッド層８３−１とが形成されている。第１のｎ型クラッド層８３−１の上には、さらに第１の低濃度クラッド層８５−１、第１の中間層８６−１、コア層８７、第２の中間層８６−２、第２の低濃度クラッド層８５−２、ｐ型クラッド層８４、第２のｎ型クラッド層８３−２、第２のｎ型電極層８２−１、および第２のｎ型電極８８−２が、この順番で積層されている。また、第２のｎ型クラッド層８３−２と第２のｎ型電極層８２−１の一部について、電導タイプをｎ型からｐ型に変えた領域８９が形成されている。
【０００８】
ここで、コア層８７は、動作光波長で電気光学効果が有効に働くように構成される。また、第２の中間層８６−２は、光吸収で発生したキャリアをヘテロ界面でトラップされないようにするための接続層として機能し、ｐ型クラッド層８４は、電子バリアとして機能する。図８に示す半導体光変調器の構造において、第２のｎ型電極８８−２は、第２のｎ型電極層８２−１とｐ型領域８９に接しており、同電位となっている。そのため、光吸収によってｐ型クラッド層８４に蓄積したホールを、第２のｎ型電極８８−２に流すことができ、より耐圧が高く、より安定した光変調器の動作が可能となる。
【０００９】
しかしながら、電導タイプをｎ型からｐ型に変えた領域８９を導入するためには、Ｚｎの熱拡散やＢｅのイオン注入などの手法を用いる必要がある。そのため、製作プロセスが複雑になるばかりでなく、素子の製造コストの増大をもたらすという問題がある。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、耐圧が高く、製作の容易なｎｐｉｎ型光変調器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板側にカソード層を配置して順次積層されたｎｐｉｎ型の半導体光変調器であって、少なくとも第１のｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層、コア層、および第２のｎ型クラッド層を含む半導体光変調器において、前記ｐ型クラッド層が前記カソード層の電極に電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体光変調器であって、前記ｐ型クラッド層はメサを構成し、前記メサ側面が前記カソード層の電極に電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の半導体光変調器であって、前記ｐ型クラッド層の一部にｐ型オーミック領域が形成され、前記ｐ型オーミック領域が前記カソード層の電極に電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の半導体光変調器であって、前記コア層の下に第１の中間層を含み、前記コア層の上に第２の中間層を含み、前記第１の中間層のバンドギャップエネルギーは、前記コア層のそれよりも大きく、前記第１の中間層の下の層のそれよりも小さく、前記第２の中間層のバンドギャップエネルギーは、前記コア層のそれよりも大きく、前記第２の中間層の上の層のそれよりも小さいことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の半導体光変調器であって、前記ｐ型クラッド層は、前記第１のｎ型クラッド層よりも電子親和力が小さいことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明のいくつかの実施例について詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１に、本発明の第１の実施例に係る半導体光変調器の断面図を示す。この光変調器１０は、半絶縁性のＩｎＰ基板１１の上に第１のｎ型電極層（ｎ＋−ＩｎＰ）１２−１を形成し、その上に第１のｎ型クラッド層（ｎ−ＩｎＰ）１３−１を形成している。第１のｎ型クラッド層１３−１の上には、電子バリアとして機能するｐ型クラッド層（ｐ−ＩｎＰ）１４が形成され、その上にｐ型電極１９と、第１の低濃度クラッド層（ｕｄ−ＩｎＰ）１５−１とが形成されている。ｐ型電極１９の上には、第１のｎ型電極層１２−１と接する第１のｎ型電極１８−１が形成されている。一方、第１の低濃度クラッド層１５−１の上には、さらに第１の中間層（ｕｄ−ＩｎＧａＡｓＰ）１６−１、コア層１７、第２の中間層（ｕｄ−ＩｎＧａＡｓＰ）１６−２、第２の低濃度クラッド層（通常、ｎ−−ＩｎＰ）１５−２、第２のｎ型クラッド層（ｎ−ＩｎＰ）１３−２、第２のｎ型電極層（ｎ＋−ＩｎＰ）１２−２、および第２のｎ型電極１８−２が、この順番で積層されている。
【００１８】
ここで、コア層１７は、動作光波長で電気光学効果が有効に働くように構成され、例えば、１．５μｍ帯のデバイスであれば、ＩｎＧａＡｌＡｓのＧａ／Ａｌ組成を変えた層を、それぞれ量子井戸層と量子バリア層にした多重量子井戸構造とすることができる。また、第１の中間層１６−１は、光吸収で発生したキャリアをヘテロ界面でトラップされないようにするための接続層として機能する。
【００１９】
この半導体光変調器１０を製作するには、基板１１の上に、第１のｎ型電極層１２−１から第２のｎ型電極層１２−２までの各層をエピタキシャル成長した後、第１の低濃度クラッド層１５−１から第２のｎ型電極層１２−２までの層をエッチングすることにより、メサ型の導波路構造を形成する。その後、第１のｎ型クラッド層１３−１およびｐ型クラッド層１４をエッチングすることにより、第１のｎ型電極層１２−１を露出させる。そして、ｐ型電極１９、第１のｎ型電極１８−１および第２のｎ型電極１８−２をそれぞれ形成する。また、必要に応じて、パッシベーション膜を堆積し、メサ表面を保護するようにしてもよい。
【００２０】
この半導体光変調器１０において、第１のｎ型電極１８−１に対して、第２のｎ型電極１８−２に正の電圧を印加すると、コア層１７に電界が誘起され、正常な動作状態となる。この状態におけるバンドダイアグラムを図２および図３に示す。図２は、図１の線分ＩＩ−ＩＩ’に沿った断面におけるバンドダイアグラムであり、図３は、図１の線分ＩＩＩ−ＩＩＩ’に沿った断面におけるバンドダイアグラムである。ここで、ｐ型クラッド層１４が中性化しているか空乏化しているかにかかわらず、電子に対するバリアが形成され、これによってｎ型クラッド層１３−１からの電子注入が抑制される。
【００２１】
光変調器１０において、光導波路は層１３−１から１３−２によって形成され、この導波路を伝搬する光は、電圧印加によって生じる屈折率の変化により変調される。コア層１７において光吸収がある状態では、発生したキャリアのうち、電子１はアノード側（層１２−２，１３−２）に流れるが、ホール２はｐ型クラッド層１４にトラップされる。
【００２２】
ここで、第１のｎ型電極と接するｐ型電極１９がない従来の構造においては、光吸収と再結合速度とのバランスで決まる一定のホールがｐ型クラッド層１４に蓄積されることになる。これは、先に述べたように、ｐ型クラッド層１４の電子バリアの高さを低下させ、半導体光変調器の耐圧の低下（フォトトランジスタ動作）を引き起こす。一方、本発明による半導体光変調器１０においては、ｐ型クラッド層１４がｐ型電極１９を介して、第１のｎ型電極１８−１に接続されているため、たとえｐ型電極１９の直下のｐ型クラッド層１４に中性化した層が残留していなくとも、過剰なホールは、ｐ型クラッド層１４を横方向に流れ（図１）、最終的には、ｐ型クラッド層／ｐ型電極界面にできるショットキーバリアを超えてｐ型電極１９に吸収される（図３）。そして、ｐ型クラッド層１４に接したｐ型電極１９をｎ型電極１８−１に接続することによって、比較的容易に、この種の光変調器で生じるホールの蓄積の問題を改善することができる。
【実施例２】
【００２３】
図４に、本発明の第２の実施例に係る半導体光変調器の断面図を示す。この第２の実施例に係る半導体光変調器２０は、基本的に第１の実施例に係る半導体光変調器１０と同様に機能する。しかし、この半導体光変調器２０においては、第１のｎ型クラッド層１３−１、ｐ型クラッド層１４、第１の低濃度クラッド層１５−１からなるメサの側面に、ｐ型電極１９が形成されている。
【００２４】
ここで、図１の構造では、ｐ型クラッド層１４が比較的薄いので、上面からｐ型電極のコンタクトを取るのは製作上、必ずしも容易ではない。これに対し、図４の構造では、メサの側面から界面３を通してｐ型クラッド層１４とサイドコンタクトを取ることにより、ｐ型電極との接続を容易にすることができる。
【００２５】
また、ｐ型クラッド層１４は、ドーピング濃度を低く設定した場合、この層の表面電荷により空乏化しやすくなる。そのため、この空乏化した部分の電位が高くなり、このｐ型クラッド層の伝導率が低下し、ホール２の横方向の流れが不十分になることがある。図４のように、ｐ型クラッド層１４の上を第１の低濃度クラッド層１５−１で覆っている構造では、表面電荷の影響が小さくなり、上記の阻害要因が小さくなるので、ｐ型クラッド層の本来の効果を発揮しやすくなる。
【実施例３】
【００２６】
図５に、本発明の第３の実施例に係る半導体光変調器の断面図を示す。この第３の実施例では、第２の実施例に係る構造に加えて、第１の低濃度クラッド層１５−１、ｐ型クラッド層１４、第１のｎ型クラッド層１３−１からなるメサの側面にｐ型オーミック領域４を形成している。このｐ型オーミック領域４は、メサを形成後、Ｚｎを熱拡散させるか、ＡｕとＺｎの合金層からなるｐ型電極１６を形成する際に、Ｚｎを拡散させることによって形成することができる。
【００２７】
図６に、図５の線分ＶＩ−ＶＩ’に沿った断面におけるバンドダイアグラムを示す。ｐ型オーミック領域４は、ｐ型クラッド層１４よりもドーピング濃度が高いので、図６に示すように、ホールに対するトンネルバリアが薄くなるため、ホールの流れの妨げになることはなく、ホール２をｐ型電極１９により効果的に排除することができる。
【実施例４】
【００２８】
本発明の第４の実施例に係る半導体光変調器は、上述した第１から第３の実施例に係る構造においてｐ型クラッド層１４を、第１のｎ型クラッド層１３−１よりも電子親和力の小さい半導体材料、典型的にはＩｎＡｌＡｓで置き換えたヘテロ接合構造を有する。これは、いわゆるタイプＩＩのヘテロ接合の一種である。この構造におけるバンドダイアグラムを図７に示す。この置き換えられた部分１４’の電位は、相対的に低くなるので、電子に対するバリアはより高い構造となる。この構造によって、蓄積したホール電荷に対するバリアはより高くなり、フォトトランジスタ効果に伴う耐圧の低下を抑制することができる。
【００２９】
以上のように、本発明に係る半導体光変調器は、駆動電圧が低いという特徴を有するｎｐｉｎ型光変調器における「光吸収に伴うホールの蓄積」という現象によって生じる「耐圧の低下」という問題を解決することができる。また、特許文献２に見られるように、Ｚｎ拡散やＢｅイオン注入により、一部の領域の電導タイプを変える必要がなく、製造プロセスが比較的容易となり、製造コストの増大を招くことがない。これにより、耐圧が高くより安定した光変調器を安価に製作することが可能となる。
【００３０】
以上、本発明について具体的にいくつかの実施例に基づいて説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施例は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、上記の実施例では、光変調器として機能する単一の導波路構造について説明したが、こうした導波路を複数組み合わせたり、光信号の伝搬を可能とする接続導波路や光分岐導波路と組み合わせたりすることによって、マッハツェンダ型の光変調器、さらには光クロスコネクトスイッチなどを構成することができる。また、上記の実施例において、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰを半導体材料として用いた場合を例に説明したが、ＩｎＧａＡｓＰをＩｎＧａＡｌＡｓに置き換えた構成やＩｎＧａＡｓＰとＩｎＧａＡｌＡｓを組み合わせた構成も基本的に可能であり、上記の実施例は、半導体材料の種類を制限するものではない。このように、ここに例示した実施例は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体光変調器の断面図である。
【図２】図１の線分ＩＩ−ＩＩ’に沿った断面におけるバンドダイアグラムである。
【図３】図１の線分ＩＩＩ−ＩＩＩ’に沿った断面におけるバンドダイアグラムである。
【図４】本発明の第２の実施例に係る半導体光変調器の断面図である。
【図５】本発明の第３の実施例に係る半導体光変調器の断面図である。
【図６】図５の線分ＶＩ−ＶＩ’に沿った断面におけるバンドダイアグラムである。
【図７】本発明の第４の実施例に係る半導体光変調器のバンドダイアグラムである。
【図８】従来技術による半導体光変調器の構造の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  電子
２  ホール
３  界面
４  ｐ型オーミック領域
１０  半導体光増幅器
１１  ＩｎＰ基板
１２−１，１２−２  ｎ型電極層
１３−１，１３−２  ｎ型クラッド層
１４  ｐ型クラッド層
１５−１，１５−２  低濃度クラッド層
１６−１，１６−２  中間層
１７  コア層
１８−１，１８−２  ｎ型電極
１９  ｐ型電極
２０  半導体光増幅器
３０  半導体光増幅器
８０  半導体光増幅器
８１  半絶縁性基板
８２−１，８２−２  ｎ型電極層
８３−１，８３−２  ｎ型クラッド層
８４  ｐ型クラッド層
８５−１，８５−２  低濃度クラッド層
８６−１，８６−２  中間層
８７  コア層
８８−１，８８−２  ｎ型電極
８９  領域
【図１】
2008107468.tif 000003
【図２】
2008107468.tif 000004
【図３】
2008107468.tif 000005
【図４】
2008107468.tif 000006
【図５】
2008107468.tif 000007
【図６】
2008107468.tif 000008
【図７】
2008107468.tif 000009
【図８】
2008107468.tif 000010