(57)【要約】【課題】変調効率を劣化させることなく、素子内部の温度上昇を抑制する。【解決手段】ｎ−ＩｎＰクラッド層１２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１４、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１５、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７からなるメサストライプ構造と半絶縁性ＩｎＰ層１８との境界に沿って溝１９を形成し、半絶縁性ＩｎＰ層１８よりも比誘電率の低い埋め込み材料２０を溝１９内に埋め込む。【選択図】      図１
2004319851.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加電圧に基づいて吸収係数が変化する光導波層と、
前記光導波層を導波する光を横方向に閉じ込める作用が及ぶ領域に局所的に形成された横方向光閉じ込め層とを備えることを特徴とする半導体電界吸収型変調器。
【請求項２】
光吸収層を含む半導体層が形成された半導体基板と、
前記光吸収層に光を導波させる領域の両側にストライプ状に形成され、前記光吸収層を導波する光を横方向に閉じ込める横方向光閉じ込め領域とを備えることを特徴とする半導体電界吸収型変調器。
【請求項３】
光吸収層を含むメサストライプ構造が形成された半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、前記メサストライプ構造を埋め込む半絶縁性の半導体層と、
前記メサストライプ構造と前記半絶縁性の半導体層との境界に沿って形成された溝とを備えることを特徴とする半導体電界吸収型変調器。
【請求項４】
前記溝内には、前記絶縁性の半導体層よりも比誘電率が低い低誘電率絶縁材料が埋め込まれていることを特徴とする請求項３記載の半導体電界吸収型変調器。
【請求項５】
少なくとも光入射端側において前記半導体層上に延伸され、前記光吸収層に電圧を印加する電極を備えることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項記載の半導体電界吸収型変調器。
【請求項６】
前記電極は、前記光入射端側において１０μｍ以上の範囲で前記半導体層を覆うように配置されていることを特徴とする請求項５記載の半導体電界吸収型変調器。
【請求項７】
エピタキシャル成長により、第１クラッド層、光吸収層および第２クラッド層を半導体基板上に順次積層する工程と、
前記光吸収層に光を導波させる領域の両側に溝を形成する工程と、
前記光吸収層よりも比誘電率が低い低誘電率絶縁材料を前記溝内に埋め込む工程とを備えることを特徴とする半導体電界吸収型変調器の製造方法。
【請求項８】
エピタキシャル成長により、第１クラッド層、光吸収層および第２クラッド層を半導体基板上に順次積層する工程と、
前記第１クラッド層、光吸収層および第２クラッド層をストライプ状にパターニングすることにより、前記半導体基板上にメサストライプ構造を形成する工程と、
前記メサストライプ構造の両側の半導体基板上に半絶縁性半導体層を形成することにより、前記メサストライプ構造を前記半絶縁性半導体層で埋め込む工程と、
前記メサストライプ構造と前記半絶縁性半導体層との境界に沿って溝を形成する工程と、
前記半絶縁性半導体層よりも比誘電率が低い低誘電率絶縁材料を前記溝内に埋め込む工程とを備えることを特徴とする半導体電界吸収型変調器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体電界吸収型変調器およびその製造方法に関し、特に、半導体電界吸収型変調器のメサストライプ構造を絶縁性材料で埋め込む方法に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体電界吸収型変調器では、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を形成し、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を利用して光変調を行うものがある。そして、例えば、非特許文献１に開示されているように、リッジ導波路の両側をポリイミドで埋め込むことにより、２０ＧＨｚを超える帯域を有する半導体電界吸収型変調器が実現されている。
【０００３】
図６は、従来の半導体電界吸収型変調器の構成を示す斜視図である。
図６において、ｎ−ＩｎＰ基板７１上には、ｎ−ＩｎＰクラッド層７２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層７３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層７４、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層７５、ｐ−ＩｎＰクラッド層７６およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層７７が順次積層されている。そして、これらｎ−ＩｎＰクラッド層７２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層７３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層７４、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層７５、ｐ−ＩｎＰクラッド層７６およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層７７は、メサストライプ構造を構成するようにパターニングされている。なお、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層７４としては、例えば、多重量子井戸構造またはバルク構造を用いることができる。
【０００４】
そして、メサストライプ構造の両側のｎ−ＩｎＰ基板７１上にはポリイミド層８０が形成され、ｎ−ＩｎＰクラッド層７２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層７３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層７４、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層７５、ｐ−ＩｎＰクラッド層７６およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層７７からなるメサストライプ構造は、ポリイミド（例えば、東レ製：ＵＲ３８００）層８０により埋め込まれている。
【０００５】
そして、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層７７上には、ボンディング領域８３が設けられたｐ側ストライプ電極８２が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板７１の裏面にはｎ側電極８４が形成されている。
そして、メサストライプ構造を有するｐｉｎダイオードに逆バイアスを印加することにより、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層７４の吸収波長を短波長側から長波長側へシフトさせることが可能となる。このため、ｐ側ストライプ電極８２への印加電圧を制御することにより、信号光の吸収量を制御することが可能となり、光変調を実現することが可能となる。
【０００６】
ここで、メサストライプ構造の両側にポリイミド層８０を設けることにより、メサストライプ構造を低誘電率材料で埋め込むことが可能となる。このため、メサストライプ構造を導波する光を横方向に効率よく閉じ込めることが可能となり、変調効率を向上させることが可能となる。
【０００７】
【非特許文献１】
ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ  ｗｉｔｈ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ａｎｄ  Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  Ｏｖｅｒ  ２０ＧＨｚ，ＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．４，ＮＯ．７，ＪＵＬＹ  １９９２
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体電界吸収型変調器では、変調動作時に信号光が吸収されると、光吸収電流が内部に発生し、内部に熱が発生する。このため、従来の半導体電界吸収型変調器では、変調効率を向上させるために、メサストライプ構造の両側にポリイミド層８０が設けると、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層７４で発生した熱の逃げ場が失われ、半導体電界吸収型変調器の温度が上昇し易くなって、光吸収特性が変化するという問題があった。
【０００９】
特に、信号光は入射端面近傍で集中的に吸収され、光吸収電流が入射端面近傍で集中的に発生するため、入射する信号光の強度が強いと、入射端面が劣化するという問題があった。
そこで、本発明の目的は、変調効率を劣化させることなく、素子内部の温度上昇を抑制することが可能な半導体電界吸収型変調器およびその製造方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の半導体電界吸収型変調器によれば、印加電圧に基づいて吸収係数が変化する光導波層と、前記光導波層を導波する光を横方向に閉じ込める作用が及ぶ領域に局所的に形成された横方向光閉じ込め層とを備えることを特徴とする。
【００１１】
これにより、導波光を横方向に閉じ込めるために必要な領域にのみ、横方向光閉じ込め層を形成することが可能となり、横方向光閉じ込め層が、導波光を横方向に閉じ込める作用を及ぼすことができない領域に設けられることを防止することができる。
このため、横方向光閉じ込め効果を維持しつつ、横方向光閉じ込め層の形成範囲を限定することが可能となり、横方向光閉じ込め層の熱容量が小さい場合においても、光導波層の周囲の熱容量の低下を抑制することが可能となることから、変調効率を劣化させることなく、素子内部の温度上昇を抑制することが可能となる。
【００１２】
また、請求項２記載の半導体電界吸収型変調器によれば、光吸収層を含む半導体層が形成された半導体基板と、前記光吸収層に光を導波させる領域の両側にストライプ状に形成され、前記光吸収層を導波する光を横方向に閉じ込める横方向光閉じ込め領域とを備えることを特徴とする。
これにより、導波光を横方向に閉じ込めるために必要な領域に限定して、横方向光閉じ込め層を形成することが可能となるとともに、それ以外の領域には、光吸収層を含む半導体層を残すことが可能となる。
【００１３】
このため、横方向光閉じ込め層の熱容量が小さい場合においても、光吸収層の周囲の熱容量の低下を抑制することが可能となるとともに、横方向光閉じ込め層を介し、光吸収層で発生した熱を横方向に逃すことが可能となる。
この結果、横方向光閉じ込め効果を維持しつつ、光吸収層で発生した熱の放散性を向上させることが可能となり、変調効率を劣化させることなく、素子内部の温度上昇を抑制することが可能となる。
【００１４】
また、請求項３記載の半導体電界吸収型変調器によれば、光吸収層を含むメサストライプ構造が形成された半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、前記メサストライプ構造を埋め込む半絶縁性の半導体層と、前記メサストライプ構造と前記半絶縁性の半導体層との境界に沿って形成された溝とを備えることを特徴とする。
【００１５】
これにより、導波光を横方向に閉じ込めるために必要な領域に限定して、横方向光閉じ込め層を形成することが可能となるとともに、それ以外の領域には、半絶縁性の半導体層を残すことが可能となる。
このため、横方向光閉じ込め層の熱容量が小さい場合においても、光吸収層の周囲の熱容量の低下を抑制することが可能となるとともに、寄生容量の増加を抑制しつつ、光吸収層で発生した熱を横方向に逃すことが可能となる。
【００１６】
この結果、横方向光閉じ込め効果を維持しつつ、光吸収層で発生した熱の放散性を向上させることが可能となり、高速変調を可能としつつ、素子内部の温度上昇を抑制することが可能となる。
また、請求項４記載の半導体電界吸収型変調器によれば、前記溝内には、前記絶縁性の半導体層よりも比誘電率が低い低誘電率絶縁材料が埋め込まれていることを特徴とする。
【００１７】
これにより、光吸収層を導波する光を横方向に効率よく閉じ込めることが可能となり、変調効率を向上させることが可能となる。
また、請求項５記載の半導体電界吸収型変調器によれば、少なくとも光入射端側において前記半導体層上に延伸され、前記光吸収層に電圧を印加する電極を備えることを特徴とする。
【００１８】
これにより、横方向光閉じ込め領域に溜まった熱および半導体層に伝達された熱を、電極を介して効率よく放熱させることが可能となり、変調効率の劣化を抑制しつつ、素子内部の温度上昇を抑制することが可能となる。
また、光入射端側においてのみ半導体層上に電極を延伸させることにより、電極との間に付加される寄生容量の増加を抑制しつつ、光吸収電流が集中的に発生する光入射端近傍の熱放散性を向上させることが可能となり、強度の強い信号光が入射された場合においても、入射端面の劣化を抑制することが可能となる。
【００１９】
また、請求項６記載の半導体電界吸収型変調器によれば、前記電極は、前記光入射端側において１０μｍ以上の範囲で前記半導体層を覆うように配置されていることを特徴とする。
これにより、入射端面近傍の光が集中的に吸収される領域を、半導体層を覆うように配置された電極でほぼ完全にカバーすることが可能となり、光吸収電流が集中的に発生する光入射端近傍の熱放散性を向上させることが可能となる。
【００２０】
また、請求項７記載の半導体電界吸収型変調器の製造方法によれば、エピタキシャル成長により、第１クラッド層、光吸収層および第２クラッド層を半導体基板上に順次積層する工程と、前記光吸収層に光を導波させる領域の両側に溝を形成する工程と、前記光吸収層よりも比誘電率が低い低誘電率絶縁材料を前記溝内に埋め込む工程とを備えることを特徴とする。
【００２１】
これにより、低誘電率絶縁材料を溝内に埋め込むことで、光を横方向に閉じ込めるために必要な領域に限定して、低誘電率絶縁材料を設けることが可能となる。このため、横方向光閉じ込め効果を維持しつつ、光吸収層で発生した熱を横方向に逃すことが可能となり、変調効率を劣化させることなく、素子内部の温度上昇を抑制することが可能となる。
【００２２】
また、請求項８記載の半導体電界吸収型変調器の製造方法によれば、エピタキシャル成長により、第１クラッド層、光吸収層および第２クラッド層を半導体基板上に順次積層する工程と、前記第１クラッド層、光吸収層および第２クラッド層をストライプ状にパターニングすることにより、前記半導体基板上にメサストライプ構造を形成する工程と、前記メサストライプ構造の両側の半導体基板上に半絶縁性半導体層を形成することにより、前記メサストライプ構造を前記半絶縁性半導体層で埋め込む工程と、前記メサストライプ構造と前記半絶縁性半導体層との境界に沿って溝を形成する工程と、前記半絶縁性半導体層よりも比誘電率が低い低誘電率絶縁材料を前記溝内に埋め込む工程とを備えることを特徴とする。
【００２３】
これにより、メサストライプ構造と半絶縁性半導体層との境界に沿って溝を形成することで、寄生容量の増加を抑制しつつ、光を横方向に閉じ込めるために必要な領域に限定して、低誘電率絶縁材料を設けることが可能となる。このため、横方向光閉じ込め効果を維持しつつ、光吸収層で発生した熱を横方向に逃すことが可能となり、高速変調を可能としつつ、素子内部の温度上昇を抑制することが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る半導体電界吸収型変調器およびその製造方法について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体電界吸収型変調器の構成を示す斜視図である。
図１において、ｎ−ＩｎＰ基板１１上には、ｎ−ＩｎＰクラッド層１２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１４、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１５、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７が順次積層されている。なお、ｎ−ＩｎＰクラッド層１２には、ＳｉドープまたはＳｎドープすることができ、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６には、Ｚｎドープすることができる。
【００２５】
そして、これらｎ−ＩｎＰクラッド層１２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１４、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１５、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７は、メサストライプ構造を構成するようにパターニングされている。なお、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１４としては、例えば、多重量子井戸構造またはバルク構造を用いることができる。
【００２６】
そして、メサストライプ構造の両側のｎ−ＩｎＰ基板１１上には半絶縁性ＩｎＰ層１８が形成され、ｎ−ＩｎＰクラッド層１２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１４、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１５、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７からなるメサストライプ構造は、半絶縁性ＩｎＰ層１８により埋め込まれている。なお、半絶縁性ＩｎＰ層１８には、例えば、Ｆｅドープすることができる。
【００２７】
そして、ｎ−ＩｎＰクラッド層１２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１４、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１５、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７からなるメサストライプ構造の両側には、このメサストライプ構造と半絶縁性ＩｎＰ層１８との境界に沿って溝１９が形成されている。なお、溝１９の幅は、例えば、２μｍ程度、溝１９の深さは、例えば、３μｍ程度に設定することができる。
【００２８】
そして、溝１９内には、半絶縁性ＩｎＰ層１８よりも比誘電率の低い埋め込み材料２０が埋め込まれている。なお、埋め込み材料２０としては、ポリイミドの他、例えば、ＳＯＧ（ｓｐｉｎ  ｏｎ  ｇｌａｓｓ）などの酸化珪素を用いるようにしてもよい。また、例えば、「Ｓｉｌｋ（米Ｔｈｅ  Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．製）」などのＰＡＥ（ｐｏｌｙ  ａｒｙｌｅｎｅｅｔｈｅｒ）系材料、ＨＳＱ（ｈｙｄｒｏｇｅｎｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）系材料、ＭＳＱ（ｍｅｔｈｙｌ  ｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）系材料などの有機ｌｏｗｋ材料などを用いるようにしてもよい。
【００２９】
そして、半絶縁性ＩｎＰ層１８上には、酸化珪素膜などの絶縁層２１が形成され、絶縁層２１には、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７および埋め込み材料２０の表面を露出させる開口部が形成されている。そして、絶縁層２１上には、絶縁層２１に設けられた開口部を介してｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７および埋め込み材料２０の表面に接触するｐ側ストライプ電極２２が形成されている。ここで、ｐ側ストライプ電極２２は、半絶縁性ＩｎＰ層１８上にかかるように延伸されるとともに、ｐ側ストライプ電極２２には、ボンディング領域２３が接続されている。また、ｎ−ＩｎＰ基板１１の裏面にはｎ側電極２４が形成されている。
【００３０】
そして、メサストライプ構造を有するｐｉｎダイオードに逆バイアスを印加することにより、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１４の吸収波長を短波長側から長波長側へシフトさせることが可能となる。このため、ｐ側ストライプ電極２２への印加電圧を制御することにより、信号光の吸収量を制御することが可能となり、光変調を実現することが可能となる。
【００３１】
ここで、メサストライプ構造と半絶縁性ＩｎＰ層１８との境界に沿って埋め込み材料２０を埋め込むことにより、導波光を横方向に閉じ込めるために必要な領域に限定して、埋め込み材料２０を設けることが可能となるとともに、それ以外の領域には、半絶縁性ＩｎＰ層１８を残すことが可能となる。
このため、埋め込み材料２０の熱容量が小さい場合においても、光吸収層１４の周囲の熱容量の低下を抑制することが可能となるとともに、寄生容量の増加を抑制しつつ、光吸収層１４で発生した熱を横方向に逃すことが可能となる。
【００３２】
この結果、横方向光閉じ込め効果を維持しつつ、光吸収層１４で発生した熱の放散性を向上させることが可能となり、高速変調を可能としつつ、素子内部の温度上昇を抑制することが可能となる。
さらに、絶縁層２１上にかかるようにｐ側ストライプ電極２２を延伸することにより、埋め込み材料２０に溜まった熱および半絶縁性ＩｎＰ層１８に伝達された熱を、ｐ側ストライプ電極２２を介して効率よく放熱させることが可能となり、変調効率の劣化を抑制しつつ、素子内部の温度上昇を抑制することが可能となる。
【００３３】
また、ｎ−ＩｎＰ基板１１上のメサストライプ構造および埋め込み材料２０以外の領域に半絶縁性ＩｎＰ層１８を形成することにより、メサストライプ構造の両側に半絶縁性ＩｎＰ層１８が残された場合においても、寄生容量の増大を抑制することが可能となり、素子内部の温度上昇を抑制しつつ、高速変調を実現することが可能となる。
【００３４】
なお、図１のｎ−ＩｎＰ基板１１は、ｎ側電極２４を介してヒートシンクに接続し、さらにヒートシンクを介して放熱板またはベルチェ素子などの冷却装置に接続することにより、温度の安定性をさらに向上させるようにしてもよい。
図２は、図１の半導体電界吸収型変調器および図７の半導体電界吸収型変調器の局所的な熱容量の試算方法を説明する斜視図、図３は、ポリイミドおよびＩｎＰの熱的特性を比較して示す図である。
【００３５】
図２において、図１の半導体電界吸収型変調器の端面近傍の局所領域Ｒ１の熱容量と、図７の半導体電界吸収型変調器の端面近傍の局所領域Ｒ２の熱容量とを比較する。なお、各局所領域Ｒ１、Ｒ２の大きさは、それぞれ８μｍ×８μｍ×８μｍとした。また、図１の半導体電界吸収型変調器の溝１９の幅は１μｍ、溝１９の深さは３．５μｍとした。
【００３６】
ここで、図３に示すように、ポリイミドの熱容量は１．０５Ｊ／Ｋ・ｃｍ３、ＩｎＰの熱容量は１．５４１Ｊ／Ｋ・ｃｍ３であるため、単位体積当たりの熱容量は、ＩｎＰの方がポリイミドに比べて５０％程度大きい。
このため、図１の半導体電界吸収型変調器では、図７の半導体電界吸収型変調器に比べて、熱容量を１０％程度増加させることが可能となり、同じ発熱量に対して局所領域Ｒ１の温度上昇を１０％程度減少させることが可能となる。
【００３７】
また、図７の半導体電界吸収型変調器では、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層７４を含むメサストライプ構造がポリイミド層８０により埋め込まれている。このため、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層７４で発生した熱の流れはポリイミド層８０により妨げられ、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層７４で発生した熱を横方向に逃し難くなる。この結果、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層７４で発生した熱の流れは縦方向にほぼ限定され、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層７４で発生した熱は、ｎ−ＩｎＰクラッド層７２およびノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層７３を介してｎ−ＩｎＰ基板７１に逃げることしかできない。
【００３８】
一方、図１の半導体電界吸収型変調器では、ポリイミドなどの埋め込み材料２０が局所的に埋め込まれるとともに、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１４を含むメサストライプ構造の両側には、半絶縁性ＩｎＰ層１８が残されている。このため、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１４で発生した熱は、埋め込み材料２０を介して半絶縁性ＩｎＰ層１８に流れることができ、横方向にも逃げることができる。この結果、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１４で発生した熱を、ｎ−ＩｎＰクラッド層１２およびノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１３を介してｎ−ＩｎＰ基板１１に逃がすことが可能となるだけでなく、埋め込み材料２０を介して半絶縁性ＩｎＰ層１８にも逃がすことができ、図７の半導体電界吸収型変調器に比べて、素子内部の温度上昇を抑制することができる。
【００３９】
また、絶縁層２１上にかかるようにｐ側ストライプ電極２２を延伸することにより、半絶縁性ＩｎＰ層１８に流れた熱をｐ側ストライプ電極２２に効率よく伝達することが可能となり、熱放散性を向上させることが可能となる。
図４は、図１の半導体電界吸収型変調器の製造方法を示す断面図である。
【００４０】
図４（ａ）において、エピタキシャル成長により、ｎ−ＩｎＰクラッド層１２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１４、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１５、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７をｎ−ＩｎＰ基板１１上に順次積層する。なお、エピタキシャル成長法としては、例えば、ＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｅｒ  ｄｅｐｉｏｓｉｔｉｏｎ）法、あるいはＡＬＣＶＤ（ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｅｒ  ｄｅｐｉｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いることができる。
【００４１】
次に、図４（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、ｎ−ＩｎＰクラッド層１２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１４、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１５、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７をパターニングすることにより、ｎ−ＩｎＰクラッド層１２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１４、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１５、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７からなるメサストライプ構造をｎ−ＩｎＰ基板１１上に形成する。
【００４２】
次に、図４（ｃ）に示すように、エピタキシャル成長により、ｎ−ＩｎＰ基板１１上に半絶縁性ＩｎＰ層１８を形成し、ｎ−ＩｎＰクラッド層１２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１４、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１５、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７からなるメサストライプ構造を半絶縁性ＩｎＰ層１８で埋め込む。
【００４３】
次に、図４（ｄ）に示すように、メタン系のガスを用いたＲＩＥ（ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｉｏｎ  ｅｔｃｈｉｎｇ）などの異方性エッチングを選択的に行うことにより、ｎ−ＩｎＰクラッド層１２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層１４、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１５、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７からなるメサストライプ構造の両側の半絶縁性ＩｎＰ層１８をストライプ状に除去し、メサストライプ構造と半絶縁性ＩｎＰ層１８との境界に沿って溝１９を形成する。
【００４４】
次に、図４（ｅ）に示すように、埋め込み材料２０を溝１９内に埋め込んだ後、ＣＶＤなどの方法により、酸化珪素膜などの絶縁層２１を成膜する。そして、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて絶縁層２１をパターニングすることにより、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７を露出させる開口部を絶縁層２１に形成する。
【００４５】
そして、スパッタまたは蒸着などの方法により、開口部が形成された絶縁層２１上に金属膜を成膜する。そして、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて金属膜をパターニングすることにより、半絶縁性ＩｎＰ層１８上にかかるように延伸されたｐ側ストライプ電極２２を形成するとともに、ｐ側ストライプ電極２２に接続されたボンディング領域２３を形成する。また、ｎ−ＩｎＰ基板１１の裏面に金属膜を成膜することにより、ｎ−ＩｎＰ基板１１の裏面にｎ側電極２４を形成する。
【００４６】
これにより、光を横方向に閉じ込めるために必要な領域に限定して、埋め込み材料２０を埋め込むことが可能となるとともに、メサストライプ構造の両側に半絶縁性ＩｎＰ層１８を残すことが可能となる。このため、横方向光閉じ込め効果を維持しつつ、光吸収層１４の周囲の熱容量の低下を抑制することが可能となるとともに、光吸収層１４で発生した熱を横方向に逃すことが可能となり、高速変調を可能としつつ、素子内部の温度上昇を抑制することが可能となる。
【００４７】
図５は、本発明の第２実施形態に係る半導体電界吸収型変調器の構成を示す斜視図である。
図５において、ｎ−ＩｎＰ基板３１上には、ｎ−ＩｎＰクラッド層３２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層３４、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３５、ｐ−ＩｎＰクラッド層３６およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３７が順次積層されている。なお、ｎ−ＩｎＰクラッド層３２には、ＳｉドープまたはＳｎドープすることができ、ｐ−ＩｎＰクラッド層３６には、Ｚｎドープすることができる。
【００４８】
そして、これらｎ−ＩｎＰクラッド層３２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層３４、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３５、ｐ−ＩｎＰクラッド層３６およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３７は、メサストライプ構造を構成するようにパターニングされている。なお、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層３４としては、例えば、多重量子井戸構造またはバルク構造を用いることができる。
【００４９】
そして、メサストライプ構造の両側のｎ−ＩｎＰ基板３１上には半絶縁性ＩｎＰ層３８が形成され、ｎ−ＩｎＰクラッド層３２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層３４、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３５、ｐ−ＩｎＰクラッド層３６およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３７からなるメサストライプ構造は、半絶縁性ＩｎＰ層３８により埋め込まれている。なお、半絶縁性ＩｎＰ層３８には、例えば、Ｆｅドープすることができる。
【００５０】
そして、ｎ−ＩｎＰクラッド層３２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層３４、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３５、ｐ−ＩｎＰクラッド層３６およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３７からなるメサストライプ構造の両側には、このメサストライプ構造と半絶縁性ＩｎＰ層３８との境界に沿って溝３９が形成されている。なお、溝３９の幅は、例えば、２μｍ程度、溝３９の深さは、例えば、３μｍ程度に設定することができる。
そして、溝３９内には、半絶縁性ＩｎＰ層３８よりも比誘電率の低い埋め込み材料４０が埋め込まれている。なお、埋め込み材料４０としては、ポリイミドの他、例えば、ＳＯＧ（ｓｐｉｎ  ｏｎ  ｇｌａｓｓ）などの酸化珪素を用いるようにしてもよい。
【００５１】
そして、半絶縁性ＩｎＰ層３８上には、酸化珪素膜などの絶縁層４１が形成され、絶縁層４１には、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３７および埋め込み材料４０の表面を露出させる開口部が形成されている。そして、絶縁層４１上には、絶縁層４１に設けられた開口部を介してｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３７の表面に接触するｐ側ストライプ電極４２が形成されている。ここで、ｐ側ストライプ電極４２には、光入射端側において半絶縁性ＩｎＰ層３８上にかかるように延伸された幅広部４４が設けられるとともに、ボンディング領域４３が接続されている。また、ｎ−ＩｎＰ基板３１の裏面にはｎ側電極４５が形成されている。なお、幅広部４４の形状は、光入射端に向かって裾を引くようにすることができ、例えば、幅広部４４の形状をラッパ状とすることができる。
【００５２】
そして、メサストライプ構造を有するｐｉｎダイオードに逆バイアスを印加することにより、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層３４の吸収波長を短波長側から長波長側へシフトさせることが可能となる。このため、ｐ側ストライプ電極４２への印加電圧を制御することにより、信号光の吸収量を制御することが可能となり、光変調を実現することが可能となる。
【００５３】
ここで、メサストライプ構造と半絶縁性ＩｎＰ層３８との境界に沿って埋め込み材料４０を埋め込むことにより、導波光を横方向に閉じ込めるために必要な領域に限定して、埋め込み材料４０を設けることが可能となるとともに、それ以外の領域には、半絶縁性ＩｎＰ層３８を残すことが可能となる。
このため、埋め込み材料４０の熱容量が小さい場合においても、光吸収層３４の周囲の熱容量の低下を抑制することが可能となるとともに、寄生容量の増加を抑制しつつ、光吸収層３４で発生した熱を横方向に逃すことが可能となる。
【００５４】
この結果、横方向光閉じ込め効果を維持しつつ、光吸収層３４で発生した熱の放散性を向上させることが可能となり、高速変調を可能としつつ、素子内部の温度上昇を抑制することが可能となる。
また、ｐ側ストライプ電極４２を光入射端側においてのみ半絶縁性ＩｎＰ層３８上に延伸させることにより、ｐ側ストライプ電極４２との間に付加される寄生容量の増加を抑制しつつ、光吸収電流が集中的に発生する光入射端近傍の熱放散性を向上させることが可能となり、強度の強い信号光が入射された場合においても、入射端面の劣化を抑制することが可能となる。
【００５５】
なお、ｐ側ストライプ電極４２は、光入射端側において１０μｍ以上の範囲で半絶縁性ＩｎＰ層３８を覆うように配置することが好ましい。
これにより、入射端面近傍の光が集中的に吸収される領域を、半絶縁性ＩｎＰ層３８を覆うように配置されたｐ側ストライプ電極４２でほぼ完全にカバーすることが可能となり、光吸収電流が集中的に発生する光入射端近傍の熱放散性を向上させることが可能となる。
【００５６】
さらに、ｎ−ＩｎＰ基板３１上のメサストライプ構造および埋め込み材料４０以外の領域に半絶縁性ＩｎＰ層３８を形成することにより、寄生容量を低減することが可能となり、高速変調を実現することが可能となる。
図６は、本発明の第３実施形態に係る半導体電界吸収型変調器の製造方法を示す断面図である。
【００５７】
図６（ａ）において、エピタキシャル成長により、ｎ−ＩｎＰクラッド層５２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層５３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層５４、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層５５、ｐ−ＩｎＰクラッド層５６およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５７をｎ−ＩｎＰ基板５１上に順次積層する
【００５８】
次に、図６（ｂ）に示すように、メタン系のガスを用いたＲＩＥなどの異方性エッチングを選択的に行うことにより、ｎ−ＩｎＰクラッド層５２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層５３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光吸収層５４、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層５５、ｐ−ＩｎＰクラッド層５６およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５７をストライプ状に除去し、溝５９で挟み込まれたメサストライプ構造５８をｎ−ＩｎＰ基板５１上に形成する。
【００５９】
次に、図６（ｃ）に示すように、埋め込み材料６０を溝５９内に埋め込む。
次に、図６（ｄ）に示すように、ＣＶＤなどの方法により、酸化珪素膜などの絶縁層６１を成膜する。そして、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて絶縁層６１をパターニングすることにより、メサストライプ構造５８のｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５７を露出させる開口部を絶縁層６１に形成する。
【００６０】
そして、スパッタまたは蒸着などの方法により、開口部が形成された絶縁層６１上に金属膜を成膜する。そして、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて金属膜をパターニングすることにより、メサストライプ構造５８の両側に残されたｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５７上にかかるように延伸されたｐ側ストライプ電極６２を形成するとともに、ｐ側ストライプ電極６２に接続されたボンディング領域６３を形成する。また、ｎ−ＩｎＰ基板５１の裏面に金属膜を成膜することにより、ｎ−ＩｎＰ基板５１の裏面にｎ側電極６４を形成する。
【００６１】
これにより、メサストライプ構造５８の両側に溝５９を形成することで、メサストライプ構造５８の両側に半導体層を残すことを可能としつつ、埋め込み材料６０を埋め込むことが可能となる。このため、製造工程の煩雑化を抑制しつつ、光吸収層５４の周囲の熱容量の低下を抑制することが可能となるとともに、光吸収層５４で発生した熱を横方向に逃すことが可能となり、素子内部の温度上昇を抑制することが可能となる。
なお、上述した実施形態では、メサストライプ構造を例にとって説明したが、メサストライプ構造以外にも、リブ導波路構造、リッジ導波路構造またはストリップ装荷導波路構造などに適用するようにしてもよい。
【００６２】
また、上述した実施形態では、ＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いた構成を例にとって説明したが、本発明は必ずしもＩｎＧａＡｓＰ系に限定されることなく、例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ系、あるいはＧａＳｂ／ＡｌＧａＳｂ系、ＧａＩｎＮＡｓ系などに適用するようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、半導体電界吸収型変調器を単体で構成する方法について説明したが、半導体電界吸収型変調器を他の半導体デバイスとモノリシック集積化するようにしてもよい。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、横方向光閉じ込め効果を維持しつつ、横方向光閉じ込め層の形成範囲を限定することが可能となる。このため、光吸収層の周囲の熱容量の低下を抑制することが可能となるとともに、光吸収層で発生した熱を横方向に効率よく逃がすことが可能となり、変調効率を劣化させることなく、素子内部の温度上昇を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体電界吸収型変調器の構成を示す斜視図である。
【図２】図１の半導体電界吸収型変調器および図７の半導体電界吸収型変調器の局所的な熱容量の試算方法を説明する斜視図である。
【図３】ポリイミドおよびＩｎＰの熱的特性を比較して示す図である。
【図４】図１の半導体電界吸収型変調器の製造方法を示す断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る半導体電界吸収型変調器の構成を示す斜視図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る半導体電界吸収型変調器の製造方法を示す断面図である。
【図７】従来の半導体電界吸収型変調器の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１１、３１、５１  ｎ−ＩｎＰ基板
１２、３２、５２  ｎ−ＩｎＰクラッド層
１３、１５、３３、３５、５３、５５  ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層
１４、３４、５４  ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層
１６、３６、５６  ｐ−ＩｎＰクラッド層
１７、３７、５７  ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１８、３８  半絶縁性ＩｎＰ層
１９、３９、５９  溝
２０、４０、６０  埋め込み材料
２１、４１、６１  絶縁層
２２、４２、６２  ｐ側ストライプ電極
２３、４３  ボンディング領域
２４、４５、６４  ｎ側電極
Ｒ１  温度上昇領域
４４  幅広領域
５８  メサストライプ構造
【図１】
2004319851.tif 000003
【図２】
2004319851.tif 000004
【図３】
2004319851.tif 000005
【図４】
2004319851.tif 000006
【図５】
2004319851.tif 000007
【図６】
2004319851.tif 000008
【図７】
2004319851.tif 000009