(57)【要約】【課題】使用温度の影響を受け難く、また、逆バイアスの高い電圧印加を必要としない半導体光変調器を提供する。【解決手段】量子井戸構造とした光吸収層１０５の量子井戸層１５２が、Ｉｎ1-X-YＧａXＡｌYＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）から構成され、障壁層１５１が、Ｉｎ1-X'-Y'ＧａX'ＡｌY'Ｎ（０≦Ｘ’，Ｙ’≦１，０≦Ｘ’＋Ｙ’≦１）から構成され、光吸収層１０５には自然分極による電界が発生した状態にある。【選択図】　図１
2004133437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　第１導電形の下部クラッド層と、
　この下部クラッド層の上に形成され、量子井戸層及び障壁層から構成された量子井戸構造の光吸収層と、
　この光吸収層上に形成された第２導電形の上部クラッド層と
　を少なくとも備え、
　前記量子井戸層は、Ｉｎ1-X-YＧａXＡｌYＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）から構成され、
　前記障壁層は、Ｉｎ1-X'-Y'ＧａX'ＡｌY'Ｎ（０≦Ｘ’，Ｙ’≦１，０≦Ｘ’＋Ｙ’≦１）から構成され、
　前記下部クラッド層，光吸収層，及び上部クラッド層により、光入射端を備えた光導波路が構成されている
　ことを特徴とする半導体光変調器。
【請求項２】
　請求項１記載の半導体光変調器において、
　前記光吸収層は、多重量子井戸構造である
　ことを特徴とする半導体光変調器。
【請求項３】
　請求項１又は２記載の半導体光変調器において、
　前記下部クラッド層は、所定の基板の上に形成されたものである
　ことを特徴とする半導体光変調器。
【請求項４】
　請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体光変調器において、
　前記光吸収層は、無バイアスの状態で分極が発生している
　ことを特徴とする半導体光変調器。
【請求項５】
　請求項４記載の半導体光変調器において、
　前記分極は、前記光吸収層において発生している自然分極である
　ことを特徴とする半導体光変調器。
【請求項６】
　請求項４記載の半導体光変調器において、
　前記分極は、前記光吸収層において発生している自然分極とピエゾ分極との和である
　ことを特徴とする半導体光変調器。
【請求項７】
　請求項４記載の半導体光変調器において、
　前記量子井戸層と障壁層とは異なる格子定数を有する
　ことを特徴とする半導体光変調器。
【請求項８】
　請求項７記載の半導体光変調器において、
　前記量子井戸層は、前記障壁層より大きな格子定数を有する
　ことを特徴とする半導体光変調器。
【請求項９】
　請求項７記載の半導体光変調器において、
　前記量子井戸層は、前記障壁層より小さな格子定数を有する
　ことを特徴とする半導体光変調器。
【請求項１０】
　請求項４記載の半導体光変調器において、
　前記量子井戸層は、ＩｎＮの結晶から構成され、
　前記障壁層は、ＧａＮの結晶から構成され
　たものであることを特徴とする半導体光変調器。
【請求項１１】
　同一の基板上に集積された導波路型の半導体レーザと半導体光変調器とから構成された光変調器付きレーザであって、
　前記半導体光変調器は、
　基板上に形成された第１導電形の下部クラッド層と、この下部クラッド層の上に形成され、量子井戸層及び障壁層から構成された量子井戸構造の光吸収層と、この光吸収層上に形成された第２導電形の上部クラッド層とを少なくとも備え、前記量子井戸層は、Ｉｎ1-X-YＧａXＡｌYＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）から構成され、前記障壁層は、Ｉｎ1-X'-Y'ＧａX'ＡｌY'Ｎ（０≦Ｘ’，Ｙ’≦１，０≦Ｘ’＋Ｙ’≦１）から構成され、前記下部クラッド層，光吸収層，及び上部クラッド層により光導波路が構成されている
　ことを特徴とする光変調器付きレーザ。
【請求項１２】
　請求項１１記載の光変調器付きレーザにおいて、
　前記光変調器は、多重量子井戸構造である
　ことを特徴とする光変調器付きレーザ。
【請求項１３】
　請求項１１又は１２記載の光変調器付きレーザにおいて、
　前記光吸収層は、無バイアスの状態で分極が発生している
　ことを特徴とする光変調器付きレーザ。
【請求項１４】
　請求項１３記載の光変調器付きレーザにおいて、
　前記分極は、前記光吸収層において発生している自然分極である
　ことを特徴とする光変調器付きレーザ。
【請求項１５】
　請求項１３記載の光変調器付きレーザにおいて、
　前記分極は、前記光吸収層において発生している自然分極とピエゾ分極との和である
　ことを特徴とする光変調器付きレーザ。
【請求項１６】
　請求項１３記載の光変調器付きレーザにおいて、
　前記量子井戸層と障壁層とは異なる格子定数を有する
　ことを特徴とする光変調器付きレーザ。
【請求項１７】
　請求項１６記載の光変調器付きレーザにおいて、
　前記量子井戸層は、前記障壁層より大きな格子定数を有する
　ことを特徴とする光変調器付きレーザ。
【請求項１８】
　請求項１６記載の光変調器付きレーザにおいて、
　前記量子井戸層は、前記障壁層より小さな格子定数を有する
　ことを特徴とする光変調器付きレーザ。
【請求項１９】
　請求項１３記載の光変調器付きレーザにおいて、
　前記量子井戸層は、ＩｎＮの結晶から構成され、
　前記障壁層は、ＧａＮの結晶から構成され
　たものであることを特徴とする光変調器付きレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、例えば、伝送媒体にガラスファイバを用いた波長１．３〜１．５μｍ帯の光通信に用いられる光導波路型の半導体光変調器及び光変調器付きレーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
　近年、高度情報化社会の発展に伴い、光ファイバを用いた光通信網が世界各国で発展し、光通信によって電話を中心とする多くの通信がなされている。
　光ファイバを用いた光通信を実現するためには、電気信号をある変換回路を用いて光信号にする必要がある。こうした電気−光の変換を行うデバイスが光変調器である。
【０００３】
　電気−光の変換を行う光変調器には、直接変調方式と外部変調方式の２通りがある。直接変調方式は、半導体レーザ(LD)を用いて変調信号の変化をこのまま光源の強度変化にする方式である。これに対し、外部変調方式は、直流動作（ＣＷ）している半導体レーザからの出力光に対し、外部から変調を加える方式である。 
【０００４】
　 半導体レーザを用いた直接変調は、構成が簡単で小型化もできるという利点を持つ。このため、半導体レーザを用いた直接変調は、これまで広く用いられてきた。しかしながらこの変調方式では、数ＧＨｚ以上の高周波になると半導体レーザの持つチャーピング現象により、伝送速度に制限ができてしまう。チャーピングとは、半導体レーザの高速変調時（数ＧＨｚ以上）に、キャリアの時間変動に伴い活性層の屈折率が変動し、レーザ共振器の共振波長が変化し、この結果として光の波長が変動する（波長揺らぎ、緩和振動）現象である。 
【０００５】
　これに対し、外部変調器は、直流動作している半導体レーザからの安定光に対して電気光学効果などにより変調を加えるため、チャーピングの問題がなく、高速で長距離の伝送を可能にする。
　光通信においては、波長域が１．３〜１．５μｍ帯の信号光が用いられ、主に石英系ガラスファイバを伝送媒体としている。このような光通信においては、例えば、ＩｎＧａＡｌＡｓもしくはＩｎＧａＡｓＰなどの化合物半導体（結晶）より構成された半導体光変調器が用いられている（特許文献１参照）。
【０００６】
　近年、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）や有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）など、非常に薄い化合物半導体薄膜を形成する技術の進展によって、半導体多重量子井戸構造や超格子構造が登場するようになっている。これらの構造により、従来のバルク半導体に比べて、変調速度の向上など著しい光学素子の特性改良が可能となっている。このうち、多重量子井戸構造を光吸収層に採用し、ここに電界を印加して吸収係数を変化させる電界吸収効果は、バルク半導体に比べ特性の向上が非常に顕著である。
【０００７】
　これらの特性を用いることで、前述した半導体光変調器として、より高速で低電圧駆動が可能な素子が実現されている。この半導体光変調器は、多重量子井戸構造からなる光吸収層に逆バイアスの電気信号を印加し、励起子の吸収端の波長をシフトさせることにより、入力した信号光（光源）を変調し、電気信号を光信号に変換している。
【０００８】
　なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【特許文献１】特開平８−８６９８７号公報
【非特許文献１】Fabio Bernardini,Vincenzo Fiorentini，and David Vanderbilt "Spontaneous Polarization and piezoelectric constants of III-V nitrides"，Phys.Rev.B, 56(1997) R10024.
【非特許文献２】K.Osamura,K.Nakajima and Y.Murakami, "Fundamental absorption edge GaN,Inn and their alloys" Solid State Comm.,11(1972)617
【非特許文献３】N.Puychevrier and M.Menoret, "Synthesis of III-V semiconductor nitrides by reactive cathodic sputtering" Thin Solid Films,36(1976)141
【非特許文献４】T.L.Tansley and C.P.Fo1ey,"Optical band gap of indium nitride" J.App1.Phys.,59(1986)3241.
【非特許文献５】T.Matsuoka,H.Tanaka,T.Sasaki and A.Katsui,"Wide-Gap Semiconductor (In,Ga）N",International Symposium on GaAs and Related Compounds,(Karuizawa,Japan,1989);in Inst.Phys.Conf.Ser.,106.pp.141-146
【非特許文献６】T.Matsuoka,"Phase Separation in Wurtzite In1-X-YGaXAlYN",MRS Internet J.Nitride Semicond. Res.3,54(1998)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
　ところが、従来の半導体光変調器には、次に示すような問題があった。
　まず、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いた素子では、バンド構造における伝導帯でのバンド不連続が小さいため、使用温度の影響を受けやすいという問題があった。このため、現状では、閃亜鉛鉱型結晶構造のＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いた素子は、実用上重要な特性の一つである特性温度が低いという問題があった。ＩｎＧａＡｓＰ系材料では、価電子帯のΓ点におけるヘビーホールとライトホールとの間のエネルギーギャップ、すなわちスピンスプリット・オフエネルギー△ｓｐがないため、オージェ効果が大きい。この結果、ＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いた素子は、温度特性が良くない。
【００１０】
　また、前述した従来の半導体光変調器においては、波長のシフト量を大きくすることが要求されるが、シフト量を大きくするためには、上述した逆バイアスの電気信号として、大きな電圧印加が必要となる。これは、現状では、光吸収層をキャリアのない理想的な状態とすることが、ほぼ不可能なためである。例えば、光吸収層の上下のｐ形の半導体層やｎ形の半導体層から、拡散により不純物が侵入する場合もある。このように、現実には光吸収層にキャリアが存在し、ｐｎ接合によって発生するビルトイン電圧では、光吸収層を完全に空乏化することができない。この結果、光吸収層に印加する電気信号の一部が、光吸収層の空乏化に消費されることになる。この、空乏化に消費される部分が、逆バイアスの電気信号として必要となる。
【００１１】
　従って、まず、従来の半導体光変調器には、高い逆バイアスに耐えることが要求される。しかしながら、逆方向の電圧に対する耐圧の大きい高純度の結晶を成長することは、容易ではない。
　また、光変調器を動作させる超高速な電子回路は、大きな電圧を発生できないため、光変調器の動作電圧は、可能な限り小さくする必要がある。このため、半導体光変調器に設ける金属電極は、半導体光変調器を構成している化合物半導体層との間で、オーミック接合の状態となっている必要がある。
【００１２】
　これは、金属電極が接触する半導体層が、不純物濃度の高い状態であることを意味し、この不純物濃度の高い層により、上述した高純度な結晶からなる活性領域が挟まれることになる。光通信用外部変調器においては、量子井戸構造を挟む層として選択できる材料の中で、最大のバンドギャップエネルギーを有するのはＩｎＰであり、このバンドギャップエネルギーは１．４２ｅＶである。このような構成で、変調度を大きくするために大きな逆バイアスを掛けると、量子井戸の周囲の層が絶縁破壊を起こす可能性もある。
【００１３】
　このような、高純度な結晶層と、不純物濃度の高い結晶層とが積層する構造の作製は、高価な結晶成長装置を必要とし、また、結晶層を成長させるプロセスも複雑となり、容易ではない。さらには、結晶成長に続く素子作製プロセスにも多くの工程を必要とする。この結果、上述した従来の半導体光変調器は、素子作製に多大なコストが掛かり、この上素子作製の歩留りが低い状態となっており、高価な素子となっている。
【００１４】
　また、従来では、半導体光変調器に、直流の逆バイアスと高周波の電気信号とを同時に印加する必要がある。このため、バイアスＴと呼ばれる電子回路部品を用いる必要がある。例えば、半導体光変調器を、通信速度が１０Ｇｂｉｔ／秒に適用させる場合、上記電子回路部品に要求される出力帯域は、ＤＣ〜６０ＧＨｚとなり、非常に高価なものとなる。また、出力の帯域がＤＣにおいても特性が良好な電子回路部品は、入手が困難である。
【００１５】
　ここで、従来よりある光変調器の一般的な構成や動作について、より詳細に説明する。
　従来よりある光変調器は、基板の上に、下部クラッド層、不純物無添加とした多重量子井戸層、上部クラッド層、ｐ型コンタクト層が順に積層された結晶構造を有している。多重量子井戸層は光を吸収する吸収層として機能し、この上下のクラッド層とで光導波路を構成している。また、コンタクト層の上にｐ電極が形成され、基板の下にｎ電極が形成されている。
【００１６】
　上記光導波路の一端の光入射端面から入射した光は、光導波路を伝搬する間に、ON/OFF変調されて光入射端面の反対の光出射端面から出射される。Fig.14は、ｐ電極とｎ電極との間に電圧を印加していない（OFF）時と逆バイアスを印加した（ON）時における光吸収特性の入射光の波長λに対する依存性を示す。Fig.１４において、この光変調器に入射する光の波長λを動作波長λｓとして示した。
【００１７】
　電圧が印加されていない場合には、動作波長λｓにおける光の吸収係数は十分小さく、入射光は光出射面からそのまま出射される。この状態に対し、十分な逆バイアスが印加されると、光吸収層の吸収特性が長波長側に移動するため、光の吸収が大きくなり、出射端からは出射されなくなる。このようにして、逆バイアス電圧をON/OFFすることにより、光導波路を伝搬する光もOFF/ONされ、電気信号を光信号に変換できる。
【００１８】
　光変調器を構成する半導体層構造は、結晶成長により形成されるが、光吸収層の上下のクラッド層中のｐ及びｎ不純物が成長過程において拡散し、拡散した不純物が光吸収領域に進入している。このため、ｐｎ接合に発生するビルトイン電圧では、光吸収領域が完全に空乏化していない。従って、消光動作を司る多重量子井戸層（光吸収層）に十分な電界は発生していない状態であり、光の吸収が一度起きても、光吸収によって発生した電荷が残留し、それ以上の光吸収が起きない。
【００１９】
　言い換えると、従来の光変調器においては、光の吸収は、ほとんど起きないことになる。これに対し、外部から逆バイアス電圧を印加すると、多重量子井戸層が空乏化し、印加する逆バイアス電圧の増大とともに光吸収が増大し、消光が大きくなる。この状況を説明したものが、Fig.15の消光比の電圧依存性である。従って、最適動作のためには、Fig.15に示すバイアス点のポイントまで、外部から逆バイアス電圧を印加することによって完全に空乏化状態にする必要があり、このためのバイアスＴなどの付加回路が最適動作のために必須である。
【００２０】
　また、クラッド層と多重量子井戸構造との間にセパレートコンファインメントヘテロ構造を形成するＳＣＨ層が存在する場合には、外部より逆バイアス電圧を印加する状態であっても、光吸収層を挟む上部及び下部ＳＣＨ層は、ようやく空乏化する程度の弱い電界が印加されている程度の状態である。このため、ＳＣＨ構造とした光変調器では、光吸収層などにおいて吸収によって発生したキャリアは、弱い電界でしか引き抜かれず、キャリアの走行速度が小さい。さらには、ＳＣＨ層とクラッド層の間に存在するヘテロ障壁がキャリア走行の妨げとなり、キャリア蓄積が大きくなる。
【００２１】
　従って、高強度の光の変調を行う時、光吸収によって発生するキャリアの方が引き抜かれるキャリア量より多くなり、この結果蓄積されるキャリアが引き起こす電界の不均一や電界遮蔽効果により、高速な動作が得られない。このようなキャリア蓄積を抑制するために、傾斜組成あるいは階段組成の半導体層でＳＣＨ層を形成し、できるだけスムースなキャリア引き抜きを行う技術もある。しかしながら、このような構成とすると、結晶成長が極めて複雑となり、かつ極めて高精度な成長技術が必要になり、素子の製造が困難になるという問題点がある。
【００２２】
　また、従来の素子においては、上下のクラッド層中のｐ及びｎ不純物が拡散しても変調層である多重量子井戸層まで高濃度で到達しないように、上部及び下部ＳＣＨ層は拡散長程度以上の厚さにし、変調機能の低下を抑制するように構成されている。このため、変調電圧による変調動作状態では、この上部及び下部ＳＣＨ層及び多重量子井戸層の全体に変調電圧が印加されていることになるが、有効電圧成分として光変調特性を司る多重量子井戸層には、この変調電圧の一部しか印加されていない。上部及び下部ＳＣＨ層に分圧されている成分は、変調（消光）特性に直接寄与しない無効電圧成分である。
【００２３】
　また、外部から逆バイアス電圧を印加しない状況で動作させることも可能であるが、バイアス分に相当する極めて大きな振幅の駆動電圧が必要である。さらに、この場合、多重量子井戸層が完全に空乏化するまでは、電界強度は電圧に対し線形ではなく非線形のため、消光特性を反映して、透過光強度振幅波形は、極めて非線形性の強い歪なものとなる。
　以上に説明したように、従来の半導体光変調器は、使用温度の影響を受けやすく、また、外部より高い電圧の逆バイアスを加えることが必要であるため、様々の問題を抱えていた。
【００２４】
　本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、使用温度の影響を受け難い半導体光変調器を提供することを目的とする。また、逆バイアスの高い電圧印加を必要としない半導体光変調器を提供することを目的とする。例えば、前述したような多重量子井戸層中における残留不純物や、上下のクラッド層中のｐ及びｎ不純物の拡散による不純物の増大のため、ｐｎ接合の形成によって発生するビルトイン電圧では、多重量子井戸層（ＳＣＨ層を有する素子構造では、このＳＣＨ層も含む）が完全に空乏化しない状況を改善し、外部から逆バイアス電圧を印加することなく、最適動作が可能であり、高強度の光の変調に対しても、キャリアが蓄積されることなく高速な動作が得られ、さらに変調電圧が小さく、また、駆動電圧に対して非線形性の小さい半導体光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】
【００２５】
　本発明に係る半導体光変調器は、第１導電形の下部クラッド層と、この下部クラッド層の上に形成され、量子井戸層及び障壁層から構成された量子井戸構造の光吸収層と、この光吸収層上に形成された第２導電形の上部クラッド層とを少なくとも備え、量子井戸層は、Ｉｎ1-X-YＧａXＡｌYＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）から構成され、障壁層は、Ｉｎ1-X'-Y'ＧａX'ＡｌY'Ｎ（０≦Ｘ’，Ｙ’≦１，０≦Ｘ’＋Ｙ’≦１）から構成され、下部クラッド層，光吸収層，及び上部クラッド層により、光入射端を備えた光導波路が構成されているようにしたものである。
　このように構成した結果、光吸収層は、オージェ効果の小さい材料から構成されているものとなる。また、光吸収層には、自然分極による電界が発生した状態となる。
【００２６】
　上記半導体変調器において、光吸収層は、多重量子井戸構造である。
　また、上記半導体光変調器において、下部クラッド層は、所定の基板の上に形成されたものであってもよい。
　また、上記半導体光変調器において、光吸収層は、無バイアスの状態で分極が発生していればよく、分極は、光吸収層において発生している自然分極であれば良く、また、分極は、光吸収層において発生している自然分極とピエゾ分極との和であってもよい。
【００２７】
　また、上記半導体光変調器において、量子井戸層と障壁層とは異なる格子定数を有するようにしてもよく、例えば、量子井戸層は、障壁層より大きな格子定数を有する、もしくは、量子井戸層は、障壁層より小さな格子定数を有するものとすればよい。
　また、上記半導体光変調器において、量子井戸層は、ＩｎＮの結晶から構成し、障壁層は、ＧａＮの結晶から構成することができる。
【００２８】
　本発明の光変調器付きレーザは、同一の基板上に集積された導波路型の半導体レーザと半導体光変調器とから構成された光変調器付きレーザであって、半導体光変調器は、基板上に形成された第１導電形の下部クラッド層と、この下部クラッド層の上に形成され、量子井戸層及び障壁層から構成された量子井戸構造の光吸収層と、この光吸収層上に形成された第２導電形の上部クラッド層とを少なくとも備え、量子井戸層は、Ｉｎ1-X-YＧａXＡｌYＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）から構成され、障壁層は、Ｉｎ1-X'-Y'ＧａX'ＡｌY'Ｎ（０≦Ｘ’，Ｙ’≦１，０≦Ｘ’＋Ｙ’≦１）から構成され、下部クラッド層，光吸収層，及び上部クラッド層により光導波路が構成されているものである。
　このように構成した結果、光吸収層は、オージェ効果の小さい材料から構成されているものとなる。また、光吸収層には、自然分極による電界が発生した状態となる。
【００２９】
　上記光変調器付きレーザにおいて、光吸収層は、無バイアスの状態で分極が発生していればよく、分極は、光吸収層において発生している自然分極であれば良く、また、分極は、光吸収層において発生している自然分極とピエゾ分極との和であってもよい。
　また、上記光変調器付きレーザにおいて、量子井戸層と障壁層とは異なる格子定数を有するようにしてもよく、例えば、量子井戸層は、障壁層より大きな格子定数を有する、もしくは、量子井戸層は、障壁層より小さな格子定数を有するものとすればよい。
　また、上記光変調器付きレーザにおいて、量子井戸層は、ＩｎＮの結晶から構成し、障壁層は、ＧａＮの結晶から構成することができる。
【発明の効果】
【００３０】
　以上説明したように、本発明によれば、光吸収層を構成している量子井戸構造において、量子井戸層は、Ｉｎ1-X-YＧａXＡｌYＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）から構成し、障壁層は、Ｉｎ1-X'-Y'ＧａX'ＡｌY'Ｎ（０≦Ｘ’，Ｙ’≦１，０≦Ｘ’＋Ｙ’≦１）から構成したので、光吸収層がオージェ効果の小さい材料から構成されているものとなり、使用温度の影響を受け難いものとなる。
【００３１】
　また、光吸収層として作用する量子井戸層には、常に自然分極が発生している。このように、本発明によれば、バイアス電圧を印加しない状態であっても、光吸収層において電界が発生している状態とし、光吸収層を構成している量子井戸層のバンドが傾いているようにした。この結果、本発明では、信号電圧を印加して量子井戸のバンドの傾きをよりなだらかにすることで、励起子を構成する電子と正孔のバンドギャップエネルギー差を大きくすることができ、吸収される波長を変化させることができる。この結果、本発明によれば、例えば順方向バイアスによる動作によって、変調を行うことも可能としている。
【００３２】
　また、本発明の半導体光素子においては、多重量子井戸層中における、残留不純物や上下のクラッド層中のｐ及びｎ不純物の拡散による多重量子井戸層中の不純物の増大があっても、分極電界とｐｎ接合の形成によって発生するビルトイン電圧で多重量子井戸層が完全に空乏化し、外部から逆バイアス電圧を印加することなく、最適動作が可能である。これは、ＳＣＨ層を有する場合にも同様であり、ＳＣＨ層における不純物の増大があっても、ＳＣＨ層が空乏化されるようになる。
【００３３】
　このため、外部から逆バイアス電圧を印加するためのバイアスＴなどの付加回路が不要となり、さらには、電源装置も不要となる。また、低変調電圧動作が実現されるため、変調器を駆動するドライバーに対する要求も小さくなり、ドライバーの低コスト化、低消費電力化が可能となる。これらにより、送信装置の大幅な小型化と低コスト化が可能となる。
【００３４】
　また、量子井戸層の格子定数より障壁層の格子定数を大きくして量子井戸層に歪みを加え、上述した自然分極に加えてピエゾ分極を発生させるすることで、バイアス電圧を印加しない状態であっても、光吸収層において電界が発生した状態とし、光吸収層を構成している量子井戸層のバンドを傾かせるようにすることも可能である。ただし、引っ張り歪みなど自然分極とピエゾ分極との方向が異なる場合、自然分極の大きさとピエゾ分極との大きさが異なるように、量子井戸層と障壁層の組成を組み合わせる。
【００３５】
　また、本発明の半導体光変調器及び半導体光変調器付きレーザには、従来の半導体光変調器の場合に用いる大きな直流の逆バイアスを印加する必要がない。本発明の構成によっては、一切の直流バイアスを印加する必要がない。このため、逆バイアスに耐えうるような高品質の結晶を必要としない。このことは、結晶成長プロセスのマージンを大きくすることになる。この結果、素子製作の歩留りが向上し、より安価な素子を提供することが可能となる。また、大きな逆バイアスを印加する必要がないことから、素子の寿命も長くなる。従って、本発明の素子を用いて通信システムを構成すれば、信頼性が向上するようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
　以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
　図１は、本発明の実施の形態における
［実施の形態１］
　はじめに、本発明の第１の実施の形態について説明する。
　図１（ａ）は、本発明の実施の形態における半導体光変調器の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。また、図１（ｂ）は、半導体光変調器の構成を概略的に示す斜視図である。なお、以降の記載において、ＧａＮやＡｌＧａＮやＡｌＮ及びＩｎＮなどの化合物半導体材料は、断りがなければ単結晶である。
【００３７】
　この半導体光変調器は、まず、厚さ３３０μｍの（０００１）面サファイア（Ａｌ2Ｏ3の結晶）からなる単結晶基板１０１の窒化処理された表面に、ＧａＮからなる膜厚２０ｎｍのバッファ層１０２、Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮからなる膜厚４μｍの電極層１０３、Ｍｇが添加されたｐ形のＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層１０４を備えている。なお、単結晶基板１０１は、サファイアに限るものではなく、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）やリチウムガレート（ＬｉＧａＯ2）などの結晶から構成するようにしてもよい。
【００３８】
　また、クラッド層１０４の上には、多重量子井戸構造の光吸収層１０５を備えている。光吸収層１０５は、ＩｎＧａＡｌＮ系の材料であるノンドープのＧａＮからなる障壁層１５１と，ノンドープのＩｎＮからなる量子井戸層１５２との積層構造である。なお、量子井戸層１５２は、Ｉｎ1-X-YＧａXＡｌYＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）から構成され、障壁層１５１は、Ｉｎ1-X'-Y'ＧａX'ＡｌY'Ｎ（０≦Ｘ’，Ｙ’≦１，０≦Ｘ’＋Ｙ’≦１）から構成されていればよい。これらの組成の組み合わせについては、以降に詳述する。なお、光吸収層１０５は、量子井戸構造となっていればよく、単一量子井戸構造であってもよい。
【００３９】
　量子井戸層１５２の膜厚は、例えば、電子の波動関数の広がり以下と、量子効果が得られる膜厚である。障壁層１５１は、波動関数が量子井戸層１５２との間でほぼ重ならない状態が得られる厚さとなっていればよい。また、ここでは、量子井戸層１５２を構成する材料の格子定数が、障壁層１５１を構成する材料の格子定数より大きい状態となっている。本実施の形態では、５層の障壁層１５１と３層の量子井戸層１５２の積層構造とした。積層の数は、光吸収の状態により適宜設定すれば良く、他の積層数としてもよい。
【００４０】
　また、光吸収層１０５の上には、Ｓｉが添加されたｎ形のＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層１０６が形成されている。
　従って、図１に示す半導体光変調器では、クラッド層１０４，光吸収層１０５，クラッド層１０６により、光入射端及び光出射端を備えた光導波路が構成されていることになる。
【００４１】
　また、図１の半導体光変調器は、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮからなる膜厚０．１μｍのコンタクト層１０７、及びｎ形金属電極１０８が形成されている。ｎ形金属電極１０８は、図示しないが、コンタクト層１０７に直接接触する膜厚５０ｎｍのアルミニウム層と膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。
　なお、電極層１０３は、この上の各層を一部エッチングすることで形成された露出領域を備え、この露出領域にｐ形金属電極１０９を備えている。ｐ形金属電極１０９は、図示しないが、上記露出領域に直接接触する膜厚５０ｎｍのニッケル層とこの上に形成された膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。
【００４２】
　本実施の形態では、上述したようにウルツ鉱型結晶であるＩｎＧａＡｌＮ系の材料を用いて半導体光変調器を構成した。この結果、光吸収層１０５は、オージェ効果の小さい材料から構成されているものとなり、使用温度の影響を受け難いものとなる。
　また、上記実施の形態では、光吸収層１０５に、ＩｎＧａＡｌＮ系の材料としてＩｎＮとＧａＮを用い、これらで多重量子井戸構造を形成している。これらウルツ鉱型結晶には、閃亜鉛鉱型結晶には存在しない分極効果を備えている。
【００４３】
　この分極効果により、光吸収層１０５には、無バイアスで分極が発生している状態となる。このことにより、光吸収層１０５にキャリアが存在していても、光吸収層１０５が空乏化した状態が得られる。このように、本実施の形態による半導体光変調器では、ＩｎＧａＡｌＮ系の材料から光吸収層１０５を構成し、加えて、無バイアスで分極が発生しているようにしたので、空乏化のための消費がない状態で、順方向電圧の印加により光の変調を可能としている。
【００４４】
　このように、本発明によれば、分極電界とｐｎ接合の形成によって発生するビルトイン電圧によって光吸収領域が空乏化しているようにしたので、外部から逆バイアス電圧を印加することなく、最適動作が可能であり、高強度の光の変調に対しても、キャリアが蓄積されることなく高速な動作が得られる。
【００４５】
　以下、分極効果についてより詳細に説明する。
　ウルツ鉱型結晶であるＩｎＧａＡｌＮ系の材料からなる量子井戸層と障壁層とを積層して多重量子井戸構造を形成すると、結晶自身が備えている自然分極が常に発生するようになる。加えて、本実施の形態では、量子井戸層の格子定数が障壁層の格子定数より大きいため、この格子不整合による結晶歪み（圧縮歪み）によるピエゾ分極も存在する。
【００４６】
　上述した構成の光吸収層１０５では、自然分極と圧縮歪みによるピエゾ分極とが同じ方向であるため、光吸収層１０５を構成する多重量子井戸構造には、自然分極と上記ピエゾ分極とを加算した分極による電界が発生する。このような構成となっている図１（ａ）,図１（ｂ）に示す光吸収層１０５を中心とした層構造におけるバンド構造は、図２（ａ）,図２（ｂ）に示すようになる。図２（ａ）は、順方向電圧を印加していない状態（無バイアスの状態）を示し、図２（ｂ）は、順方向電圧を印加している状態を示している。これは、ｐ形金属電極１０９を陽極とし、ｎ形金属電極１０８を陰極とした場合である。また、図２（ａ）,図２（ｂ）において、励起子を構成している電子を白丸で示し、励起子を構成している正孔を黒丸で示している。
【００４７】
　図２（ａ）に示すように、多重量子井戸構造（光吸収層１０５）において、量子井戸層１５２の中の、励起子を構成している電子と正孔とは空間的に離れている。この実施の形態の場合、これらの電子と正孔との距離（バンドギャップエネルギーの差）が、順方向電圧を印加することで変化する。順方向電圧を印加すると、図２（ｂ）に示すように、量子井戸層１５２におけるバンドの傾きが減少し、励起子を構成している電子と正孔との距離が長くなる（バンドギャップエネルギーの差が大きくなる）。
【００４８】
　この結果、順方向電圧を印加した状態では、電圧を印加していない状態に比較して、励起子の吸収端波長が短くなる。従って、本実施の形態において、半導体光変調器の光入射端に入射される光の波長が、無バイアス時の吸収端波長より短く、順バイアス印加時の吸収端波長より長い場合には、順バイアス印加時にだけ変調器を透過して出力される。
【００４９】
　このように、本実施の形態における半導体光変調器は、光吸収層１０５において吸収される光の波長が、順方向電圧を印加することで変化する。従って、本実施の形態における半導体光変調によれば、順方向電圧の印加により、光吸収層１０５に入射する光を変調して出力することができる。また、本実施の形態における半導体光変調器は、順方向電圧を印加することで動作させることが可能な素子であるため、従来の素子とは異なり、逆方向耐圧の高い結晶を必要としない。このことは、素子を製造するための結晶成長装置を簡易にし、結晶成長プロセスも簡易にする。また、素子の作製歩留りも向上させることができる。これらの結果、本実施の形態によれば、容易に製造できる半導体光変調器を提供できるようになる。
【００５０】
　ところで、化合物半導体から構成された多重量子井戸層において、ＴＥ偏光は、重い正孔と電子とからなる励起子及び軽い正孔と電子とからなる励起子の両方による吸収を受けるが、ＴＭ偏光は軽い正孔と電子とからなる励起子のみの吸収を受ける。このため、光の偏光に関係なく光を変調するためには、両方の励起子におけるスペクトルが一致する必要がある。
【００５１】
　量子井戸構造の量子井戸層に引っ張り歪みを与えたウルツ鉱型結晶のバンド構造を図３（ａ）に示す。Γ点において、軽い正孔バンドのエネルギー順位は、重い正孔バンドのエネルギー順位より遙かに低くなるように設計できる。また、図３（ｂ）に示すように、両方の正孔のエネルギーバンドを一致させることもできる。
【００５２】
　結晶内の分極効果のために、上述したウルツ鉱型結晶におけるバンド構造の設計の自由度は、閃亜鉛鉱型結晶よりも遙かに大きい。従って、両励起子によるスペクトルを、無電界のもとで上述したように一致させることは、極めて容易である。これらのことにより、ウルツ鉱型結晶を用いた本実施の形態における光変調器によれば、偏波依存性のない変調が可能となる。
【００５３】
　ただし、引っ張り歪みによるピエゾ分極の方向は、ウルツ鉱型結晶の有する自然分極の方向と同一の場合も異なる場合もある。これは、自然分極の方向が、結晶の極性に依存するためである。従って、材料の組み合わせによっては、自然分極の大きさとピエゾ分極の大きさが等しく、分極の効果を打ち消し、電界が発生しない場合もある。このような場合には、分極による効果を得るために、引っ張り歪みによるピエゾ分極の大きさと、自然分極の大きさとが異なるように、材料を組み合わせる必要がある。
【００５４】
　図４（ａ）及び図４（ｂ）に、ＧａＮをｃ軸方向に結晶成長させた単結晶の、Ｇａ原子とＮ原子の積層順を示す。この積層順が、極性に対応するものである。図４（ａ）に示すように、ＧａＮ単結晶の表面から見てＧａ原子の下に３個のＮ原子が結合している状態を、Ｇａ極性あるいは＋ｃ極性と呼ぶ。これに対し、図４（ｂ）に示すように、ＧａＮ単結晶の表面から見て、Ｎ原子の下に３個のＧａ原子が結合している状態を、Ｎ極性あるいは−ｃ極性と呼ぶ。この極性は、ＧａＮ単結晶の表面を構成する原子が、ＧａあるいはＮ原子かどうかとは無関係である。
【００５５】
　例えば、ＧａＮ単結晶の表面では、吸着原子も存在する。その場合、Ｇａ極性であっても、表面にＮ原子が存在する場合も考えられる。このような場合であっても、結晶の内部構造には結合手数を考慮した原子の積層順を見ることができる。表面でどんな現象が起き、どんな原子が吸着していても、内部の構造は変わらず、結晶における極性は一義的に決定される。
【００５６】
　ＧａＮを誘電体と考えたとき、極性によって分極電界の方向が決定される。極性よって決定される分極が、自然分極と呼ばれるものである。極性と自然分極との関係は、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すようになる。成長した結晶がＧａ極性の場合に、自然分極による電界の方向は、結晶内部から表面へ向くものとなる。また、Ｎ極性の時には、自然分極による電界の方向は、表面から結晶内部へ向くものとなる。
【００５７】
　また、ピエゾ分極については、次に示すようになる。主表面が（０００１）面（ｃ面）のサファイア基板の上に、ＧａＮ単結晶の層を結晶成長により形成した場合について説明する。結晶成長は、一般に室温より高い温度で行われ、素子は室温で使用される。ａ軸に沿った格子定数は、ＧａＮの方がサファイアより大きい。また、ａ軸に沿った熱膨張係数は、サファイアの方がＧａＮより大きい。
【００５８】
　このことから、室温においては、サファイア基板の上に成長されたＧａＮには、図４（ｃ）の模式的な断面に示すように、応力が発生した状態となる。この応力は、サファイア基板とＧａＮとの界面に平行な方向に働くものであり、ＧａＮには、圧縮応力として作用する。この場合の圧縮応力は、２軸応力（biaxial strain）である。
【００５９】
　このため、サファイア基板に形成されたＧａＮの結晶格子は、図４（ｄ）に示すように、界面に平行な方向に縮み、界面に垂直な方向に伸びることになる。この結果、図４（ｃ）に示すように、界面に垂直な方向、すなわちｃ軸に平行な方向に、ピエゾ分極による電界が発生する。このピエゾ電界の方向は、応力の方向に依存する。圧縮応力の場合には、ピエゾ電界の向きはサファイア基板側に向く方向になる（図４（ｃ））。また、引っ張り応力の場合は、図４（ｃ）とは逆になり、サファイア基板の側よりＧａＮの層の側へ向く方向となる。
【００６０】
　なお、自然分極電荷は、ＡｌＮ、ＧａＮ、及び、ＩｎＮについては、各々０．０８１、０．０２９、０．０３２Ｃ／ｍ2である。これらの値は、強誘電体であるペロブスカイト構造の結晶より遙かに大きい。また、ピエゾ分極電荷Ｐpiezoは、下記の式で表される。
Ｐpiezo（Ｃ／ｍ2）＝ｅ33（ｃ−ｃ0）／ｃ0＋ｅ31（ａ−ａ0）／ａ0・・・（１）
　上記（１）式において、ｃ0は、ｃ軸に沿った歪みが無い時の格子定数であり、ｃは、ｃ軸に沿った歪みがある場合の格子定数である。また、ａ0は、ａ軸に沿った歪みがない時の格子定数であり、ａは、ａ軸に沿った歪みがある時の格子定数である。
【００６１】
　また、ｅ33とｅ31は、圧電係数であり、以下の表１に示す値を有する。表１に示す値は、ペロブスカイト型結晶の三分の一程度である。
【００６２】
【表１】
2004133437.tif 000003
【００６３】
　例えば、ＧａＮにおける結晶の変形とピエゾ分極の大きさを見積もった値について示す。ここで、結晶の体積は一定であると仮定する。ＧａＮの単結晶を、ｃ軸の方向に１０％引き延ばすと、ａ軸は４．７％縮む。このときのピエゾ分極電荷Ｐpiezoは、「Ｐpiezo＝　０．７３×０．１＋０．４９×０．０４７＝０．０９６」となる（非特許文献１参照）。
【００６４】
　以上の説明をまとめると、まず、光吸収層が、無バイアスの状態で分極が発生していれば、外部より高い電圧の逆バイアスを加えること無く、光変調を行えるようになる。無バイアスで分極が発生している状態は、例えば、光吸収層に自然分極が発生していれば得られる。この状態は、例えば、量子井戸層をＩｎＧａＮから構成し、障壁層をＩｎＧａＡｌＮから構成することで、光吸収層に自然分極が発生している状態が得られる。また、ＩｎＧａＮとＩｎＧａＡｌＮとは、格子定数を同様の状態とすることができる。
【００６５】
　また、無バイアスで分極が発生している状態は、光吸収層に、自然分極とピエゾ分極とが発生し、これらの和が０でなければ得られる。光吸収層に自然分極に加えてピエゾ分極が発生している状態は、量子井戸層の格子定数と障壁層の格子定数とが異なっていれば得られる。ただし、自然分極とピエゾ分極との大きさが同一で方向が異なっていると、互いに打ち消し合うので、光吸収層に、無バイアスで分極が発生する状態とはならない。この状態以外であれば、ピエゾ分極が発生していても、光吸収層に無バイアスで分極が発生している状態となる。例えば、量子井戸層をＩｎＮから構成し、障壁層をＧａＮから構成することで、光吸収層には、本実施の形態の場合の方向の自然分極に加え、同じ方向のピエゾ分極が発生した状態が得られる。
【００６６】
　次に、本実施の形態における半導体光変調器を構成しているＩｎＧａＡｌＮ系の化合物半導体について説明する。
　従来、ＩｎＧａＡｌＮ材料を、光通信波長域である波長１．３μｍ〜１．５８μｍで用いる半導体光変調器に適用しようとする考えはなかった。これは、この材料系の中で最もバンドギャップ（Ｅｇ）の小さい材料はＩｎＮであり、このＥｇが１．９〜２．１ｅＶとされていたためである。
【００６７】
　このＥｇが測定された時代には、反応性スパッタなどの方法によりＩｎＮを形成しようとしていたため、多結晶ＩｎＮしか形成できず、上述したバンドギャップの測定結果は、多結晶ＩｎＮが測定対象となっていた（非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４参照）。
【００６８】
　ＩｎＧａＡｌＮを構成する化合物ＡｌＮ，ＧａＮ，ＩｎＮの中で、ＩｎＮの固相上における窒素の平衡蒸気圧は、他より５桁高い（非特許文献５参照）。このような特性のＩｎＮは、膜の形成を行う容器（例えば真空チャンバー）内の圧力を高くすることができない反応性スパッタなどの方法では、良質な結晶を形成することがほぼ不可能である。また、上述した時代においては、ガラス基板の上にＩｎＮの膜を形成しようとしていたため、単結晶成長のための格子の情報が得られず、単結晶を成長させることができない状態であった。
【００６９】
　以上のことに対し、発明者らは、１９８８年に、単結晶サファイア基板上に、窒素圧を加えられる有機金属気相成長法（以下、ＭＯＶＰＥと記す）を用いて、ＩｎＮの単結晶成長を試み、単結晶成長に世界で初めて成功した。１９８９年にこの結果を学会発表した。
　しかし、この時の単結晶成長は結晶性が不十分であり、ＩｎＮの光学特性を得るには至らなかった。この後、発明者は種々の技術改良により、２００１年に世界で初めて光学特性を測定できる良質のＩｎＮの単結晶成長に成功した（松岡隆志，中尾正史，岡本浩，播磨弘，栗本英治，萩原恵美，”ＩｎＮのバンドギャップ・エネルギ”，第４９回応用物理学関係連合講演会予稿集，p.392(29p-ZM-1)(2002)、応用物理学会の原稿締め切りは、２００２年１月８日。学会の開催は、３月２７日〜３０日、発表日は３月２９日）。
【００７０】
　上記良質なＩｎＮの単結晶成長のための第１の技術改良点は、サファイアからなる基板上にサファイアとＩｎＮとの中間の格子定数を持つＧａＮを形成しておき、このＧａＮ層上にＩｎＮを成長した点である。この場合、ＧａＮ層には結晶性の高さが要求される。このため、以下に示す点について、ＧａＮの成長条件の最適化を図った。
【００７１】
１．サファイア基板表面の成長炉内でのクリーニング
２．サファイア表面のアンモニアによる窒化
３．サファイアとＧａＮとの間の格子不整を緩和するためのバッファ層としての低温成長ＧａＮの成長
４．上記バッファ層の単結晶化を図るための高温アニール
５．高温での高品質ＧａＮ成長
【００７２】
　また、技術改良の第２は、上記のようにして最適化を図られた条件で成長されたＧａＮ上で、ＩｎＮの成長条件の検討を行ったことである。検討した項目は、成長温度，成長速度，Ｖ族原料とＩｎ原料との比，及び成長炉中のガス流速等である。これらの各項目の検討結果として、ようやく、光学特性が測定可能なＩｎＮの成長に初めて至った。現在では、ＧａＮ層を介することなく、サファイア基板上に直接ＩｎＮの層を形成することが可能となっている。
【００７３】
　ここで、形成したＩｎＮ膜の特性を図５と図６に示す。図５は、形成した膜における、吸収の二乗と光子エネルギーとの関係を示す特性図である。図５に示すように、形成したＩｎＮ膜では、光学吸収からの明確な吸収端の検出が得られている。この関係がほぼ直線的であることから、ＩｎＮは直接遷移型であり、Ｅｇは０．８ｅＶと推定できる。
　また、図６は、上記条件で形成したＩｎＮ膜の室温で測定したフォトルミネッセンスを示すものであり、波長１．５９μｍ（０．８ｅＶ）近傍で発光していることが判る。これら図５，図６に示されている吸収及びフォトルミネッセンスの結果は、ともに上記条件で形成したＩｎＮ膜のＥｇが、０．８ｅＶであることを示している。これらの結果から、ＩｎＮのＥｇは、０．８ｅＶ近傍にあると推定できる。
【００７４】
　以上述べた種々の技術改良と長年の努力により、初めて、単結晶ＩｎＮのＥｇが、旧来の測定結果の半分以下である０．８ｅＶであることが判明した。図７は、ＩｎＧａＡｌＮのＥｇとａ軸の格子定数ａとの関係を示す特性図である。図７において、破線は旧来のデータであり、実線は発明者が求めたデータ（Ｅｇ＝０．８ｅＶ）を反映した結果である。
【００７５】
　従って、光吸収層１０５を構成する障壁層１５１と量子井戸層１５２の各々の組成は、図７に示す３つの黒点からなる三角形の中において、障壁層１５１の方がより高いバンドギャップエネルギーをもつ組成となるように、適宜設定すればよいことになる。例えば、量子井戸層１５２をノンドープのＧａＮから構成し、障壁層１５１をノンドープのＡｌＮから構成するようにしてもよい。ただし、前述したように、ピエゾ分極と自然分極との和が０にならないように、各材料の組み合わせと結晶成長のプロセスを考慮する必要がある。
【００７６】
　次に、図１（ａ）,図１（ｂ）に示した本実施の形態における半導体光変調器の製造方法について説明する。まず、各結晶層を形成するための結晶成長には、縦型成長炉を有する有機金属気相成長装置を用いる。また、窒素原料には、アンモニアを用いる。また、キャリアガスとしては量子井戸構造の成長には窒素ガスを用い、これ以外の結晶層の成長には水素ガスを用いる。また、成長圧力は常圧とする。
【００７７】
　はじめに、基板温度を１０５０°とし、サファイアからなる単結晶基板１０１の表面をアンモニア雰囲気で窒化し、単結晶基板１０１の表面に極薄い窒化層を形成する。窒化層は極薄い層であり、図には示していない。この後、基板温度を５５０℃とし、単結晶基板１０１の窒素層の上に、ＧａＮを成長させたバッファ層１０２を形成する。このＧａＮの成長において、ガリウム原料には比較的ガリウム蒸気圧の低いトリエチルガリウム（ＴＥＧ）を用いる。引き続き、単結晶基板１０１を１０５０℃で９分間アニールし、バッファ層１０２の単結晶化を行う。
【００７８】
　次に、単結晶基板の温度を１０２０℃とし、Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮ及びＭｇが添加されたｐ形のＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎを順次成長させ、電極層１０３，クラッド層１０４を形成する。これら気相成長におけるアルミニウム原料は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、ガリウム原料は比較的蒸気圧の高いトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いる。また、Ｍｇを添加するための原料としては、メチルカプタン・ビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム（ＭｅＣＰ2Ｍｇ）を用いる。この原料は液体であり、一般に用いられている固体原料であるビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）より、Ｍｇの添加濃度の再現性が良い。
【００７９】
　次いで、クラッド層１０４の上にＧａＮの結晶成長とＩｎＮの結晶成長とを交互に行い、障壁層１５１と量子井戸層１５２との積層構造（多重量子井戸構造）を形成する。量子井戸層１５２となるＩｎＮの結晶成長においては、ＩｎＮの固相上の窒素平衡蒸気圧が高いので、成長温度（基板温度）を例えば５７５℃とする。この結晶成長におけるＩｎ原料は、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いればよい。
【００８０】
　また、ＩｎＮの結晶成長においては、金属Ｉｎの析出を防止して高品質ＩｎＮを成長するために、アンモニアとＴＭＩとの比、すなわち、Ｖ／ＩＩＩを６６００００とする。また、キャリアガス及びバブリングガスともに窒素とする。これは、水素をキャリアガスとして用いると、アンモニアの分解が抑圧されるためである（非特許文献５参照）。
【００８１】
　ＩｎＮにおける成長条件と結晶性の関係の例として、窒素原料であるアンモニアの成長炉への供給量とインジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）の供給量との比Ｖ／ＩＩＩ（アンモニア／インジウム）を変えて成長したＩｎＮのＸ線回折スペクトルを図８（ａ），図８（ｂ），図８（ｃ）に示す。図８（ａ），図８（ｂ），図８（ｃ）は、ω−２θスキャンスペクトルを示している。図８（ａ），図８（ｂ）に示すように、Ｖ／ＩＩＩを１６００００以下及びＶ／ＩＩＩを３２００００とした条件で形成した膜では、金属インジウムからの信号が見られる。これに対し、図８（ｃ）に示すように、Ｖ／ＩＩＩを６６００００とした条件で形成した膜では、金属インジウムのピークは消失しており、金属インジウムが含まれていないことが判る。
【００８２】
　以上のようにすることで高品質なＩｎＮの結晶を形成した上に障壁層１５１となるＧａＮを結晶成長する場合、ＩｎＮがエッチングされ、また結晶性が劣化するのを防止するため、キャリアガスに窒素を用い、また、基板温度を５７５℃とＩｎＮの成長と同様とする。
　このようにして、所定の積層数でＧａＮの障壁層１５１とＩｎＮの井戸層１５２と順次積層して光吸収層１０５を形成した後、基板温度を１０２０度に昇温し、Ｓｉが添加されたｎ形Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ及びＳｉが添加されたｎ形ＧａＮを順次成長させ、クラッド層１０６，コンタクト層１０７を形成する。
【００８３】
　Ｓｉを各層に添加させるためには、水素で希釈した濃度１ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ4）ガスを用いる。他の工程におけるＳｉの添加には、これと同じ原料を用いた。
　クラッド層１０６，コンタクト層１０７を形成した後、これらの層の添加したＭｇの活性化を図るために、７００℃の窒素雰囲気中で３０分間アニールする。
【００８４】
　次いで、電子ビーム蒸着装置を用い、膜厚５０ｎｍのアルミニウム，膜厚２００ｎｍの金を順に蒸着してｎ形金属電極１０８となる金属層を形成する。この後、公知のフォトリソグラフィ技術により、金属層の上にノボラック系のポジ型フォトレジストのパタンを形成し、このパタンをマスクとして下層をエッチングし、電極層１０３に露出領域を形成する。このエッチングにおいて、例えば、結晶層のエッチングでは、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングにより行えばよい。
【００８５】
　上記露出領域を形成するエッチングを行い、フォトレジストのパタンを除去し、単結晶基板１０１及びこの上に形成した構造体をクリーニングした後、電極層１０３の露出領域に膜厚５０ｎｍのニッケル，膜厚２００ｎｍの金を順に蒸着して積層し、これらをパターニングし、ｐ形金属電極１０９を形成する。
【００８６】
　以上説明したことにより、ｐ形金属電極１０９までを形成した後、単結晶基板の裏面を研磨し、単結晶基板１０１を８０μｍの厚さまで薄くし、また、裏面を鏡面に仕上げる。裏面を鏡面にまで仕上げないと、単結晶基板１０１を研磨台から剥離しようとするときに、単結晶基板１０１が変形しまた割れることがあるため、裏面は鏡面に仕上げる。この後、これらを洗浄し、所定の箇所を劈開させることで、例えば素子長を１ｍｍとした図１（ａ）,図１（ｂ）に示す半導体光変調器が得られる。
【００８７】
　ここで、上述した多重量子井戸構造（光吸収層１０５）におけるバンド構造と分極効果において重要となる結晶の極性について述べる。光吸収層１０５を構成する障壁層１５１のＧａＮは、単結晶基板１０１の方向から、窒素原子，ガリウム原子，窒素原子，ガリウム原子の順、すなわち、Ｖ族原子，ＩＩＩ族原子，Ｖ族原子，ＩＩＩ族原子の順に成長する。この原子の積層順は、一般に＋（プラス）極性と呼ばれている。
【００８８】
　ＭＯＶＰＥやＭＢＥなどの結晶成長方法では、良質の結晶が得られるときは、上記極性での成長が支配的である。結晶成長を開始した時点で＋極性と逆方向の−（マイナス）極性と＋極性が混在していても、良質な結晶が得られる成長条件では、＋極性の成長モードが支配的であり、ある程度の膜厚に成長すると全て＋極性となる。＋極性で結晶を成長させた場合、多重量子井戸構造のバンド構造は、図２（ａ）に示すようになる。なお、基板を選択することで、−極性で各結晶層を成長することもでき、この場合、バンド構造の勾配が図２（ａ）に示す状態とは逆になる。−極性で各結晶を構成した場合、バンド構造は、図２（ａ）とは異なり、右下がりの勾配となる。この場合、逆方向電圧を印加すると、バンドの傾きが減少する。
【００８９】
　また、本実施の形態の半導体光変調器と同様の基板を用いた場合であっても、次に示すことにより、−極性で各結晶層を構成することも可能である。例えば、まず、高温下でアンモニア雰囲気に曝すことによりサファイアｃ面基板の表面を窒化しておく。この窒化処理を施したサファイア基板の上に、まず、ＧａＮからなるバッファ層を低温で所定の膜厚まで成長し、所定時間成長中断をする。この成長中断の間に、すでに形成してあるバッファ層を１０００℃以上の高温でアニールする。この後引き続いて、同程度の１０００℃以上の高温でＧａＮを成長させることで、−極性のＧａＮの単結晶層を形成することができる。
【００９０】
　これは、二段階成長法として知られている技術である。このようにして形成された−極性のＧａＮ単結晶層は、Ｘ線回折により得られるロッキングカーブ幅が４０秒以下となる。＋極性のＧａＮ単結晶は、ロッキングカーブ幅が１００秒以上であり、これと比較すると、上述した−極性のＧａＮ単結晶層は、結晶性の良い状態であることが判る。
【００９１】
　次に、上述した本実施の形態における半導体光変調器の動作特性について説明する。以下では、図１（ａ）,図１（ｂ）のｎ形金属電極１０８を陰極とし、ｐ形電極１０９を陽極として動作させる。すなわち、ダイオードの順方向に電圧を印加する状態として動作させる。このように電圧を印加することで、図２（ａ）に示すＩｎＮからなる量子井戸層１５２のバンドの傾きを低減し、また平坦化し、さらには逆の勾配へとすることもできる。なお、本実施の形態では、電流の注入が生じることなく動作させる。
【００９２】
　図９は、本実施の形態における半導体光変調器の特性を示す特性図であり、変調印加電圧と透過光強度との関係を示している。図９に示すように、本半導体光変調器は、順方向バイアスで動作している。図９に示す特性を調査するために用いた光源光の波長は１．５３μｍであり、素子内への入力光強度は１０μＷである。
【００９３】
　光吸収層１０５においては、分極効果を考慮して量子井戸層１５２の膜厚、及び量子井戸層１５２と障壁層１５１を構成するＩｎ1-X-YＧａXＡｌYＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）の組成の組み合わせを適宜設計することにより、変調可能な波長を選択できる。
　なお、光吸収層に用いるＩｎ1-X-YＧａXＡｌYＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）組成の組み合わせにおいては、相分離を考慮する。図１０に示すように、ＩｎＧａＡｌＮ系の材料の結晶成長においては、非混和領域が存在し、非混和領域の条件では相分離が起こるため、結晶の成長ができない。また、図１０は、ＩｎＧａＡｌＮの非混和領域を実験と計算から求めた結果を示す特性図である（非特許文献６参照）。
【００９４】
　図１０では、６００℃で成長するときのＩｎＧａＡｌＮの非混和領域を一点鎖線で示し、８００℃で成長するときのＩｎＧａＡｌＮの非混和領域を実線で示し、１０００℃で成長するときのＩｎＧａＡｌＮの非混和領域を破線で示し、各線の内側の領域が非混和領域である。
　従って、図１０に示す混和領域の条件を考慮して組成を決定すれば、ＩｎＧａＡｌＮ系材料による多重量子井戸構造を実現できる。
【００９５】
　図１（ａ）,図１（ｂ）に示す本実施の形態における光吸収層１０５を構成しているＩｎＮ及びＧａＮは、二元化合物であるため、上述したような相分離が原理的に起きず、より製造しやすい条件となっている。また、障壁層１５１と井戸層１５２とは、結晶の格子定数が不整合な状態としているが、このことは、図７に示すＩｎＧａＡｌＮ系材料の特性を考慮してＩｎＧａＡｌＮの組成を決定すればよい。
【００９６】
　ところで、図１（ａ）,図１（ｂ）に示した本実施の形態の半導体光変調器は、半導体レーザとモノリシックに集積して用い、光変調器付きレーザを実現することができる。例えば、図１１に示すように、ｎ形の半導体基板１００１上に、ｎ形のＧａＮ層１００２を形成し、この上に、導波路型の半導体レーザ１００３と図１（ａ）,図１（ｂ）に示した層構成とした半導体光変調器１００４とを光軸が重なった状態で集積すれば、外部変調方式の光変調器が構成できる。半導体レーザ１００３は、通常の窒化物半導体材料から構成する。
【００９７】
　電極としては、ｎ形のＧａＮ層１００２上に、共通のｎ形電極を設け、ｐ形電極は、半導体レーザ１００３と半導体光変調器１００４とに個別に設けるようにすればよい。この構成によれば、陰極が共通となり、回路の構成が容易となり、より高い周波数による光変調が可能となる。また、図１１では、半導体レーザ１００３と半導体光変調器１００４との間に空間を設ける状態としているが、これに限らず、公知のバットジョイントなどの構造により、これらを密着させて配置させるようにしてもよい。また、半導体レーザ１００３と半導体光変調器１００４との間を、他の手法により光結合させるようにしてもよい。
【００９８】
　また、半導体レーザ１００３を構成する各層には、各種の不純物を導入することになるが、これらのことにより、半導体光変調器１００４に悪影響を及ぼすことがほとんど無い。
　前述したように、本実施の形態の半導体光変調器では、順方向バイアスにより動作させるので、高い逆方向バイアスに耐えるための高純度な結晶層が必要とならないため、不純物の存在があまり問題とならない。
【００９９】
　なお、上述では、順バイアス構造について説明したが、逆バイアス構造として逆バイアスを印加して動作させるようにしてもよい。例えば、図１（ａ）,図１（ｂ）に示す電極層１０３をｎ形のＧａＮから構成し、クラッド層１０４をｎ形のＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎから構成し、クラッド層１０６をｐ形のＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎから構成し、コンタクト層１０７をｐ形のＧａＮから構成し、コンタクト層１０７上にはｐ形金属電極を形成し、電極層１０３にはｎ形金属電極を形成し、ｎ形金属電極を陽極とし、ｐ形金属電極を陰極として動作させることも可能である。
【０１００】
　また、上記実施の形態では、コンタクト層１０７など半導体層に直接金属電極を形成するようにしたが、例えば、コンタクト層１０７の代わりに絶縁層を形成し、この上に金属電極を備えるようにしてもよい。このように絶縁増を備えるようにすることで、光吸収層１０５へのキャリアの注入が、より確実に防げるようになる。
【０１０１】
　また、光吸収層を構成する量子井戸層が、障壁層より小さな格子定数を有し、量子井戸層の有する自然分極と量子井戸層に発生するピエゾ分極との大きさが異なるようにしてもよい。この場合、自然分極とピエゾ分極の方向は一致させ、一致させた方向を、逆バイアスの方向に一致させれば、最も効率よく逆バイアスを印加させることができる。自然分極とピエゾ分極との方向を異なるものとする場合、両分極の和が存在し、この方向が逆バイアス方向に一致していればよい。
【０１０２】
［実施の形態２］
　次に、本発明の他の実施の形態について説明する。
　図１２は、本発明の実施の形態における半導体光変調器の他の構成例を概略的に示す模式的な斜視図である。
　この半導体光変調器は、まず、厚さ３００μｍのｎ形のＧａＮからなる基板１１０１の表面に、リッジ状に形成された光吸収領域が設けられている。光吸収領域は、Ｓｉが添加されたｎ形のＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなる膜厚１．５μｍ程度の下部クラッド層１１０２と、ノンドープのＩｎＧａＡｌＮからなる膜厚０．５μｍの下部ＳＣＨ（セパレート　コンファインメント　ヘテロ）層１１０３と、多重量子井戸構造の光吸収層１１０４と、ノンドープのＩｎＧａＡｌＮからなる膜厚０．５μｍの上部ＳＣＨ層１１０５と、Ｍｇが添加されたｐ形のＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなる膜厚１．５μｍの上部クラッド層１１０６と、Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮからなる膜厚０．１μｍのコンタクト層１１０７から構成されている。
【０１０３】
　光吸収層１１０４は、Ｉｎ1-X-YＧａXＡｌYＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）から構成された量子井戸層と、Ｉｎ1-X'-Y'ＧａX'ＡｌY'Ｎ（０≦Ｘ’，Ｙ’≦１，０≦Ｘ’＋Ｙ’≦１）から構成された障壁層とが交互に積層された多重量子井戸である。
　これらが積層されてリッジ構造となっている光吸収領域は、両側部が例えばポリイミド層１１１０で埋めこまれ、コンタクト層１１０７の上面とポリイミド層１１１０の上面とは、ほぼ同一の平面が構成されている。
【０１０４】
　また、コンタクト層１１０７の上には、これに直接接触する膜厚５０ｎｍのニッケル層とこの上に形成された膜厚２００ｎｍの金層との積層構造のｐ形電極１１０８が形成されている。一方、基板１１０１の裏面には、これに直接接触する膜厚５０ｎｍのアルミニウム層と膜厚２００ｎｍの金層との積層構造とされたｎ形電極１１０９が形成されている。
　以上に説明したように、図１２に示す半導体光変調器は、光吸収層１１０４の上下に設けられているクラッド層を、下部クラッド層１１０２，下部ＳＣＨ層１１０３及び上部ＳＣＨ層１１０５，上部クラッド層１１０６とで構成するＳＣＨ構造としたものである。
【０１０５】
　ここで、ＳＣＨ構造について説明する。上述したような光変調器では、入射光を光吸収層１１０４に閉じ込める必要がある。光吸収層の厚さが、おおよそ光の波長の十分の一以上であれば、ダブルヘテロ構造を用いることにより、光の閉じ込めが可能となる。これに対し、光吸収層を薄い量子井戸構造とすると、光はクラッド層に大きく広がり、活性層への光の閉じ込め度合いが低下する。
【０１０６】
　ここで、クラッド層と光吸収層との間に、これらの中間の大きさの屈折率をもつ第２のクラッド層を挿入すると、光吸収層に閉じ込められる光の電界分布が、ダブルヘテロ構造よりも遙かに高くなる。この第２のクラッド層を用いる導波路構造が、上述したＳＣＨ構造であり、図１１の半導体光変調器において、下部ＳＣＨ層１１０３と上部ＳＣＨ層１１０５とが、上記第２のクラッド層に相当する。
【０１０７】
　本発明においては、光吸収層を量子井戸構造としているので、図１２の半導体光変調器のようにＳＣＨ構造とした方が、光吸収層への光閉じ込め効果が高くなり、光吸収層における光吸収効率を高くすることができる。
　なお、上述したＳＣＨ構造で用いる上述のクラッド層及び第２のクラッド層は、活性領域（光吸収領域）より大きなバンドギャップエネルギーを持つように構成されている。
【０１０８】
　なお、図２（ａ），図２（ｂ）の説明では、順バイアスを印可する場合を示したが、逆バイアスを印可すると、図２（ａ）の状態が、図１３に示すように、バンドの傾斜が大きくなり、量子井戸１５２における電子とホールとの間のエネルギが無バイアス時より小さくなる。この結果、吸収端の波長が長くなる。つまり、図１（ａ），図１（ｂ）に示した半導体光変調器の光入射端に入射される光の波長が、無バイアス時の吸収端波長より長く、逆バイアス印加時の吸収端波長より短い場合には、無バイアス時にだけ変調器を透過して出力されるようになる。
【０１０９】
　以上に説明したように、本実施の形態２においても分極電界とｐｎ接合の形成によって発生するビルトイン電圧によって光吸収領域が空乏化しているようにしたので、外部から逆バイアス電圧を印加することなく、最適動作が可能であり、高強度の光の変調に対しても、キャリアが蓄積されることなく高速な動作が得られる。また、本実施の形態によれば、上部及び下部ＳＣＨ層及び光吸収層（多重量子井戸層）は、分極電界によって空乏化しているため、上部及び下部ＳＣＨ層は、光閉じ込めに必要な最小限まで薄層化することが可能である。
【０１１０】
　このことにより、本実施の形態によれば、薄層化によりＳＣＨ層による無効電圧成分が減少でき、外部からの変調電圧が極めて有効に光変調に寄与することとなり、低電圧駆動が実現される。さらには、本実施の形態によれば、上部及び下部ＳＣＨ層の薄層化分に相当するだけ光吸収層の多重量子井戸の層数を増やすことが可能となる。このため、本実施の形態によれば、消光特性を電圧に対してより急峻に変化させることが可能となり、よりいっそうの低電圧動作が実現されることとなる。さらに、駆動電圧に対して非線形性の小さい半導体光素子を提供することか可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体光変調器の構成例を示す模式的な断面図（ａ），斜視図（ｂ）である。
【図２】図１に示す半導体光変調器の一部構成におけるバンド構造を示すバンド図である。
【図３】量子井戸構造の量子井戸層に引っ張り歪みを与えたウルツ鉱型結晶のバンド構造を示す説明図である。
【図４】ｃ軸方向に結晶成長させた単結晶ＧａＮのＧａ原子とＮ原子の積層順を示す説明図（ａ），（ｂ）、及び、サファイア基板の上に成長されたＧａＮに応力が発生した状態を示す模式的な断面図（ｃ）、サファイア基板に形成されたＧａＮの結晶格子の伸び縮みを示す説明図（ｄ）である。である。
【図５】形成したＩｎＮ膜における、吸収の二乗と光子エネルギーとの関係を示す特性図である。
【図６】ＩｎＮ膜の室温で測定したフォトルミネッセンスを示す特性図である。
【図７】ＩｎＧａＡｌＮのＥｇとａ軸の格子定数ａとの関係を示す特性図である。
【図８】アンモニアの成長炉への供給量とインジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）の供給量との比Ｖ／ＩＩＩ（アンモニア／インジウム）を所定の条件で成長したＩｎＮのＸ線回折スペクトルを示す特性図である。
【図９】本実施の形態における半導体光変調器の変調印加電圧と透過光強度との関係を示す特性図である。
【図１０】ＩｎＧａＡｌＮ系の材料の結晶成長における混和領域と非混和領域との状態を示す特性図である。
【図１１】光変調器付きレーザの構成例を示す斜視図である。
【図１２】本発明の実施の形態における半導体光変調器の他の構成例を概略的に示す模式的な斜視図である。
【図１３】本発明の実施の形態における半導体光変調器の一部構成におけるバンド構造例を示すバンド図である。
【図１４】電圧を印加していないときと逆バイアスを印加したときとにおける光吸収特性の入射光の波長λに対する依存性を示した特性図である。
【図１５】消光比の電圧依存性を示す特性図である。
【符号の説明】
【０１１２】
　１０１…単結晶基板、１０２…バッファ層、１０３…電極層、１０４…クラッド層、１０５…光吸収層、１０６…クラッド層、１０７…コンタクト層、１０８…ｎ形金属電極、１０９…ｐ形金属電極、１５１…障壁層、１５２…量子井戸層。
【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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