(57)【要約】【課題】　光通信用に用いられる半導体埋め込み型光変調器を提供することを課題とする。【解決手段】　第１の導電型を有する基板上に、第１の導電型を有する第１のクラッド層、第１のコア層、第２の導電型を有する第２のクラッド層、及び第２の導電型を有するコンタクト層からなるメサストライプ構造を有する活性層部１１と、前記第１のコア層よりもバンドギャップが大きい第２のコア層と第３のクラッド層からなるメサストライプ構造するガイド層部１２とを有し、前記第２のコア層が前記第１のコア層に対し光軸方向の両端で接続されている半導体光変調器において、前記活性層部１１と前記ガイド層部１２とからなるメサストライプ構造のうち、前記ガイド層部１２の側面部のみが、半絶縁性を有する半導体層１４により埋め込まれているものである。【選択図】　　図１
2004139122.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　第１の導電型を有する基板上に、第１の導電型を有する第１のクラッド層、第１のコア層、第２の導電型を有するＺｎがドープされた第２のクラッド層、及び第２の導電型を有するコンタクト層からなるメサストライプ構造を有する活性層部と、前記第１のコア層よりもバンドギャップが大きい第２のコア層と第３のクラッド層からなるメサストライプ構造を有するガイド層部とを少なくとも有し、前記第２のコア層が前記第１のコア層に対し光軸方向の両端で接続されている半導体光変調器において、前記活性層部と前記ガイド層部とからなるメサストライプ構造のうち、前記ガイド層部の側面部のみがＦｅがドープされた半絶縁性を有する半導体層により埋め込まれ、かつ活性層部の側面部はＦｅがドープされた半絶縁性を有する半導体層が除去されてポリイミド層により埋め込まれていることを特徴とする半導体埋め込み型光変調器。
【請求項２】
　請求項１の埋め込み型半導体変調器において、前記メサストライプ状に形成された第２のコア層を厚み及び幅の少なくとも一方が、前記第１のコア層との接続部から光軸方向に沿って徐々に増大していることを特徴とする半導体埋め込み型光変調器。
　 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は光通信用に用いられる半導体埋め込み型光変調器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
　半導体光変調器を埋め込み構造化することは、高度の信頼性を確保する上で必要不可欠である。しかも、高速の変調を行うためには、素子の容量を低減しなければならないため、埋め込み層には半絶縁性を示すＦｅドープＩｎＰが一般的に使用されている。
【０００３】
　しかしながら、一般的に使用されているｐ型ドーパントであるＺｎとＦｅが相互拡散をする（参考文献Journal of Applied Physics ６９巻、１８６２−１８６５ページ  １９９１年）ため、この結果、Ｚｎのコア層に向かう拡散を促進させ、素子の特性が劣化するといった問題が生じている。特にコア層がＭＱＷ層である場合、この問題は深刻であり、ＺｎのＭＱＷ内拡散のため、ＭＱＷが混晶化してしまい、素子特性を大幅に劣化させる要因となる。
【０００４】
　従来例の半導体Ｆｅドープ埋め込み変調器の上面図を図１０に示す。０１は活性層部、０２はガイド層部、０３は電極である。次に図中ａ−ａ′の線の断面図を図１１に示す。０４はｐ型電極、０５はＺｎドープｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層、０６はＺｎドープｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、０７はＺｎドープｐ−ＩｎＰクラッド層、０８はノンドープＩｎＧａＡｓＰ（１．３μｍ組成）層、０９はノンドープＩｎＰ層、０１０はノンドープＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓＭＱＷコア層、０１１はＳｉドープｎ−ＩｎＰ基板、０１２はｎ側電極、０１３はＦｅドープＩｎＰ埋め込み層、０１４はｎ−ＩｎＰバッファ層である。
【０００５】
　図１２にＦｅとＺｎの相互拡散のモデル図を示す。０１５はＺｎドープｐ−ＩｎＰクラッド層、０１６はＦｅドープＩｎＰ埋め込み層、０１７はノンドープＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓＭＱＷコア層である。まず、参考文献１で見られたようなＺｎとＦｅの相互拡散がＺｎドープｐ−ＩｎＰクラッド層０１５とＦｅドープＩｎＰ埋め込み層０１６との間で生ずる。この結果、Ｚｎドープｐ−ＩｎＰクラッド層０１５では空孔が多数発生し、Ｚｎが移動しやすい状態となる。その結果、Ｚｎが下方向に拡散しＭＱＷ層に入り混むと考えられる。
【０００６】
　図１３に、図１０で示した光変調器の光吸収スペクトルの測定結果を示す。波長１．５μｍ付近にエキシトンの吸収ピークがある。電界を印加していくと、吸収のピークが長波長側に裾をひいてだれていく。このようなバルク結晶でよくみられる裾だれ現象は、ＭＱＷ層がＺｎの拡散によって混晶化し劣化したためと考えられる。このため、我々が使用する１．５５μｍの波長域では、０Ｖにおいても吸収端の裾がかかり吸収による素子の光損失が大きくなるといった問題がおきる。さらに、ＭＱＷの劣化に伴い、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）の効率も減少し、消光比など変調器としての性能を劣化させる要因となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
　以上述べたように、Ｆｅドープ層で埋め込むことによって、クラッド層からのＺｎの拡散がＭＱＷ層に拡散し素子特性の劣化を招くという問題がある。
【０００８】
　本発明の目的は、Ｆｅドープ層で埋め込むことによって生じる、クラッド層からのＺｎの拡散がＭＱＷ層に拡散し素子特性が劣化するという問題を防ぐことによって、高性能でかつ信頼性の高い半導体埋め込み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】
【０００９】
　上述した課題を解決する［請求項１］の半導体埋め込み光変調器は、第１の導電型を有する基板上に、第１の導電型を有する第１のクラッド層、第１のコア層、第２の導電型を有するＺｎがドープされた第２のクラッド層、及び第２の導電型を有するコンタクト層からなるメサストライプ構造を有する活性層部と、前記第１のコア層よりもバンドギャップが大きい第２のコア層と第３のクラッド層からなるメサストライプ構造を有するガイド層部とを少なくとも有し、前記第２のコア層が前記第１のコア層に対し光軸方向の両端で接続されている半導体光変調器において、前記活性層部と前記ガイド層部とからなるメサストライプ構造のうち、前記ガイド層部の側面部のみがＦｅがドープされた半絶縁性を有する半導体層により埋め込まれ、かつ活性層部の側面部はＦｅがドープされた半絶縁性を有する半導体層が除去されてポリイミド層により埋め込まれていることを特徴とする。
【００１０】
　［請求項２］の半導体埋め込み光変調器は、請求項１の埋め込み型半導体変調器において、前記メサストライプ状に形成された第２のコア層を厚み及び幅の少なくとも一方が、前記第１のコア層との接続部から光軸方向に沿って徐々に増大していることを特徴とする。
【００１１】
　本発明による半導体埋め込み光変調器は、活性層部分における第１のコア層の側面と該半絶縁性半導体結晶とが接触していないため、クラッド層のＺｎとＩｎＰ埋め込み層のＦｅとの相互拡散が生じず、半導体埋め込み光変調器の特性は、Ｆｅドープ埋め込み層を設けることによって劣化することはない。
【００１２】
　また、活性層部分における第１のコア層の側面と該半絶縁性半導体結晶とが接触していないために問題となる放熱も、ガイド層が活性層部の入出力側に接続しているため、放熱のパスは確保され、素子劣化の原因とならない。
【発明の効果】
【００１３】
　本発明による半導体埋め込み光変調器は、活性層部分における第１のコア層の側面と該半絶縁性半導体結晶とが接触していないため、クラッド層のＺｎとＩｎＰ埋め込み層のＦｅとの相互拡散が生じず、半導体埋め込み光変調器の特性は、Ｆｅドープ埋め込み層を設けることによって劣化することはない。
【００１４】
　また、活性層部分における第１のコア層の側面と該半絶縁性半導体結晶とが接触していないために問題となる放熱も、ガイド層が活性層部の入出力側に接続しているため、放熱のパスは確保され、素子劣化の原因とならず、高い光パワーが入力してきても、信頼性に問題はない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
　以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１６】
　図１は本発明の半導体光変調器に関するものでその上面図である。
【００１７】
　図１に示すように、本実施の形態にかかる半導体埋め込み型光変調器は、第１の導電型を有する基板上に、第１の導電型を有する第１のクラッド層、第１のコア層、第２の導電型を有する第２のクラッド層、及び第２の導電型を有するコンタクト層からなるメサストライプ構造を有する活性層部１１と、前記第１のコア層よりもバンドギャップが大きい第２のコア層と第３のクラッド層からなるメサストライプ構造するガイド層部１２とを有し、前記第２のコア層が前記第１のコア層に対し光軸方向の両端で接続されている半導体光変調器において、前記活性層部１１と前記ガイド層部１２とからなるメサストライプ構造のうち、前記ガイド層部１２の側面部のみが、半絶縁性を有する半導体層により埋め込まれているものである。
【００１８】
　ここで、前記活性層部１１は、電界印加をすることによって光変調を行う部分である。該活性層部１１の長さは、本実施の形態では、１００μｍ、ストライプ幅は２．０μｍである。
【００１９】
　前記ガイド層部１２は、前記活性層部１１に入出力する光と光ファイバーとを効率的に結び付ける役割を果たすものである。本実施の形態では、ガイド層部１２の長さは２５０μｍ、ストライプ幅は２μｍから４μｍまで変化するテーパ構造になっており、このテーパ部の長さは２００μｍである。
【００２０】
　本実施の形態において、素子全長は６００μｍである。なお、符号１３は変調用の電極、１４はポリイミド埋め込み部を各々図示する。
【００２１】
　本実施の形態による半導体埋め込み光変調器は、活性層部１１における第１のコア層の側面と該半絶縁性半導体結晶とが接触していないため、クラッド層のＺｎとＩｎＰ埋め込み層のＦｅとの相互拡散が生じず、半導体埋め込み光変調器の特性は、Ｆｅドープ埋め込み層を設けることによって劣化することはない。
【００２２】
　また、活性層部１１における第１のコア層の側面と該半絶縁性半導体結晶とが接触していないために問題となる放熱も、ガイド層部１２が活性層部１１の入出力側に接続しているため、放熱のパスは確保され、素子劣化の原因とならず、高い光パワーが入力してきても、信頼性が損なわれることはない。
【００２３】
　次に、図２から図７を用いて、本発明の埋め込み型半導体光変調器の製造方法について説明する。
【００２４】
　ＩｎＰ基板１０１の上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により、ｎ−ＩｎＰバッファ層１０２、ノンドープのＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓＭＱＷコア層（厚さ０．１９μｍ）１０３、ノンドープＩｎＰ層１０４、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ（１．３μｍ組成）層１０５、ｐ形ＩｎＰクラッド層（ｐ形不純物濃度５×１０１７ｃｍ−３、厚さ１．５μｍ）１０６、Ｚｎドープｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層（ｐ形不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）１０７およびＰ＋ＩｎＧａＡｓコンタクト層（ｐ形不純物濃度２×１０１８ｃｍ−３、厚さ０．２μｍ）１０８を順次成長する（図２参照）。
【００２５】
　ここで、ＭＱＷ層の構成は、ＩｎＧａＡｓ井戸層が厚さ１２ｎｍで０．５％伸張歪み、ＩｎＡｌＡｓ障壁層が厚さ７ｎｍで０．４％の圧縮歪みが導入されたものである。繰り返し周期は１０、エキシトンのピーク波長は１．５０μｍである。
【００２６】
　次に、成長面上にＳｉＯ２１０９をスパッタ法により堆積し、フォトリソグラフィおよびＣＦ４とＨ２の混合ガスによる反応性ドライエッチング法によりバットジョイント用のマスクを形成する。ストライプの長さを１００μｍとする。
【００２７】
　次に、ＣＨ４とＨ２の混合ガスによる反応性ドライエッチング法とウェットエッチング法を併用することにより、ＭＱＷ活性層１０３までを図３に示すように除去する。
【００２８】
　次にＳｉＯ２マスクを選択成長用マスクとして、ガイド層部分のノンドープＩｎＧａＡｓＰ（１．３μｍ組成）層１１０、ノンドープＩｎＰクラッド層１１１をＭＯＶＰＥ法によりバットジョイント成長を行う（図４参照）。
【００２９】
　次に、ストライプ形成用のＳｉＯ２マスク１１２を形成したのち、ＣＨ４とＨ２の混合ガスによる反応性ドライエッチング法により、メサストライプを形成する。この時のストライプ幅は２０μｍである。この後、すべてＭＯＶＰＥ法により鉄をドープした半絶縁性ＩｎＰ結晶１１３により埋め込む（図５参照）。
【００３０】
　次に、再びＳｉＯ２マスク１１４をパターンニングした後、幅２μｍ（活性層部）のストライプをドライエッチングにより形成する（図６参照）。
【００３１】
　次に、活性層部のストライプの両脇をポリイミド１１５で埋め込む。次に、Ｐ＋形ＩｎＧａＡｓコンタクト層の上にｐ側電極１１６を、基板裏面にｎ側電極１１７をそれぞれ、リフトオフ法と蒸着法によって付け、４２０℃で約２０秒間合金処理を行う（図７参照）。その後ワイアボンディング用に金属電極としてＡｕを付ける。
【００３２】
　次に、実施態様の半導体光変調器の動作について述べる。
【００３３】
　図８は光吸収スペクトルである。
【００３４】
　図８に示すように、波長１．５μｍ付近にエキシトンの吸収ピークがあるが、吸収ピークの裾だれは見られない。我々が使用する１．５５μｍの波長域では、０Ｖにおいて吸収端の裾がかかっておらず、従来例で見られた吸収による素子の光損失が大きくなるといった問題はない。電界を印加していくと、吸収のピークが長波長側にシフトしていくが、ピーク形状も従来例に比べればよく形状を維持し、強いＱＣＳＥが働いていることを示唆している。
【００３５】
　図９に半導体光変調器の消光特性を示す。
【００３６】
　半導体光変調器は印加電圧２．４Ｖで２７ｄＢの消光特性を得た。この値は、埋め込み構造を有しない、ハイメサ構造の半導体光変調器と同等の特性であり、本発明の半導体埋め込み光変調器の優位性を示している。また、素子の挿入損失は５．０ｄＢとハイメサ構造の光変調器に比べて２ｄＢ近い改善を得ることができた。これはテーパ構造を採用することで、光の界分布がひろがり、光ファイバーとの結合が改善したためである。
【００３７】
　なお、ここではＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系ＭＱＷ半導体光変調器を例としたが、材料、構造はこれに限定される物ではなく、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系の材料、コア層としてＭＱＷ構造の他バルク構造でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態で構造を説明する半導体埋め込み光変調器の上面図である。
【図２】本発明の実施形態で製造方法を説明する図である。
【図３】本発明の実施形態で製造方法を説明する図である。
【図４】本発明の実施形態で製造方法を説明する図である。
【図５】本発明の実施形態で製造方法を説明する図である。
【図６】本発明の実施形態で製造方法を説明する図である。
【図７】本発明の実施形態で製造方法を説明する図である。
【図８】本発明の実施形態における半導体埋め込み光変調器の光吸収スペクトル図である。
【図９】本発明の実施形態における半導体埋め込み光変調器の消光特性図である。
【図１０】従来例を説明する半導体埋め込み光変調器の上面図である。
【図１１】従来例を説明する半導体埋め込み光変調器の断面図である。
【図１２】従来例の半導体埋め込み光変調器におけるＺｎの拡散を説明するモデル図である。
【図１３】従来例の半導体埋め込み光変調器の光吸収スペクトル図である。
【符号の説明】
【００３９】
　１１  活性層部
　１２  ガイド層部
　１３  電極
　１４  ポリイミド埋め込み部
　１０１  Ｓｉドープｎ−ＩｎＰ基板
　１０２  ｎ−ＩｎＰバッファ層
　１０３  ノンドープＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓＭＱＷコア層
　１０４  ノンドープＩｎＰ層
　１０５  ノンドープＩｎＧａＡｓＰ（１．３μｍ組成）層
　１０６  Ｚｎドープｐ−ＩｎＰクラッド層
　１０７  Ｚｎドープｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
　１０８  Ｚｎドープｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
　１０９  ＳｉＯ２膜
　１１０  ノンドープＩｎＧａＡｓＰ（１．３μｍ組成）層
　１１１  ノンドープＩｎＰクラッド層
　１１２  ＳｉＯ２膜
　１１３  ＦｅドープＩｎＰ埋め込み層
　１１４  ＳｉＯ２膜
　１１５  ポリイミド埋め込み層
　１１６  ｐ側電極
　１１７  ｎ側電極
　０１  活性層部
　０２  ガイド層部
　０３  電極
　０４  ｐ側電極
　０５  Ｚｎドープｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
　０６  Ｚｎドープｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
　０７  Ｚｎドープｐ−ＩｎＰクラッド層
　０８  ノンドープＩｎＧａＡｓＰ（１．３μｍ組成）層
　０９  ノンドープＩｎＰ層
　０１０  ノンドープＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓＭＱＷコア層
　０１１  Ｓｉドープｎ−ＩｎＰ基板
　０１２  ｎ側電極
　０１３  ＦｅドープＩｎＰ埋め込み層
　０１４  ｎ−ＩｎＰバッファ層
【図１】
2004139122.tif 000003
【図２】
2004139122.tif 000004
【図３】
2004139122.tif 000005
【図４】
2004139122.tif 000006
【図５】
2004139122.tif 000007
【図６】
2004139122.tif 000008
【図７】
2004139122.tif 000009
【図８】
2004139122.tif 000010
【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】
2004139122.tif 000015