(57)【要約】【課題】  光変調器の安定動作を可能とするｎｉｎ型へテロ構造を有する半導体光電子導波路を提供すること。【解決手段】  動作光波長で電気光学効果が有効に作用しかつ光吸収が問題とならないように構造決定されているコア層１１の上面と下面には、光吸収で発生したキャリアがヘテロ界面でトラップされないようにするために、コア層１１のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する中間クラッド層（１２−１および１２−２）が設けられており、中間クラッド層１２−１の上面および中間クラッド層１２−２の下面の各々には、これらの中間クラッド層よりも大きなバンドギャップを有するクラッド層１３−１および１３−２が設けられている。クラッド層１３−１の上面には、ｐ型層１５とｎ型層１６とが順次積層されており、動作状態で使用する印加電圧範囲において、ｐ型層１５の全領域とｎ型層１６の一部領域または全領域とが空乏化される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を奏する半導体コア層の一方主面と他方主面の各々の面上に、第１の半導体クラッド層と、第２の半導体クラッド層と、ｎ型電極層として機能する第３の半導体クラッド層と、が順次積層されており、
前記第１の半導体クラッド層のバンドギャップは前記半導体コア層のバンドギャップよりも大きく、
前記第２の半導体クラッド層および前記第３の半導体クラッド層のバンドギャップの各々は前記第１の半導体クラッド層のバンドギャップよりも大きく、
前記半導体コア層の一方主面上または他方主面上に積層された前記第２の半導体クラッド層と前記第３の半導体クラッド層の間の何れかに、前記第２の半導体クラッド層側がｐ型であり前記第３の半導体クラッド層側がｎ型であるｐｎ接合層が設けられていることを特徴とする半導体光電子導波路。
【請求項２】
前記ｐｎ接合層は、前記半導体光電子導波路の動作状態において、ｐ層全域が空乏化する一方、ｎ層は少なくとも一部領域が空乏化するように、各々の層厚と不純物濃度が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体光電子導波路。
【請求項３】
前記ｐｎ接合層のｐ層の不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上であり、ｎ層の不純物濃度が５×１０１７ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光電子導波路。
【請求項４】
前記ｐｎ接合層のｎ層には、ｎ型不純物に加え深い準位を形成する不純物がドーピングされていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の半導体光電子導波路。
【請求項５】
前記ｐｎ接合層のｎ層のバンドギャップエネルギは、当該ｐｎ接合層のｐ層のバンドギャップエネルギよりも小さいことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の半導体光電子導波路。
【請求項６】
前記ｐｎ接合層のｎ層にドーピングされている深い準位の不純物はＦｅであることを特徴とする請求項４または５に記載の半導体光電子導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体光電子導波路に関し、より詳細には、光変調器の安定動作を可能とするｎｉｎ型へテロ構造を有する半導体光電子導波路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の大容量光通信システムにおいてはGbit/s以上の高速変調された光信号が伝送されるが、伝送距離が長くなるほどファイバの分散効果の影響を受け易くなってパルス波形が歪むため、波長チャーピングの少ない光信号を用いる必要がある。このため、通常の光信号の発生は、極めて大きなチャーピングを有するレーザダイオード（LD）の直接変調によるのではなく、直流動作のLDと外部変調器とを組み合わせることで行われる。
【０００３】
光信号の長距離伝送に用いられる従来の典型的な外部変調器は、LiNbO3（LN）導波路により構成された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とを結合させた光電子導波路中で電気光学効果に基づく屈折率変化を生じさせ、この屈折率変化により光に位相変化を与えるというものである。このようなLN変調器は、光位相変調器やマッハツェンダ（MZ）干渉計を組み込んだ光強度変調器、あるいは、多数の導波路を結合させて構成された高機能光スイッチとして機能させることが可能である。
【０００４】
しかしながら、LN変調器の主材料であるLiNbO3が誘電体であるために、表面安定化や導波路加工に高度な技術が必要とされる。また、導波路長が比較的長いために、通常の半導体プロセスとは異なる特殊なフォトリソグラフィーを用いる必要があり、LN変調器を実装するパッケージのサイズも大きくならざるを得ない。この様な理由により、LN変調器モジュールは製造コストが高くかつ光送信器モジュールのサイズが比較的大きくなってしまうという問題があった。
【０００５】
LN変調器と同様の動作原理に基づく半導体光変調器も知られており、例えば、半絶縁性のGaAsにショットキ電極を配置してこれを光電子導波路としたGaAs光変調器や、ヘテロpn接合を利用することで光閉じ込めに加えて導波路コア部分に電圧が効率的に印加されるようにしたInP/InGaAsP光変調器などが知られている。
【０００６】
図３は、従来の典型的なInP/InGaAsP光変調器を構成する導波路のバンドダイアグラムで、図中において、３１は導波路のコア層、３２−１および３２−２は第１のクラッド層、３３−１と３３−２はそれぞれｐ型およびｎ型の第２のクラッド層である。また、３０−１と３０−２はそれぞれ電子および正孔（ホール）であり、ｐ型の第２のクラッド層３３−１とｎ型の第２のクラッド層３３−２に電圧を印加し、コア層３１に所望の電気光学効果を誘起させて光変調を実現している。このような従来の導波路では、コア層３１への電圧印加をｐｎ接合により行うために、リーク電流が少なく、また、光吸収により発生するキャリアを容易に外部へと流すことが可能となって安定動作が実現される。
【０００７】
しかしながら、ショットキー電極を備えたGaAs光変調器は動作電圧が高くなってしまうという問題がある。また、InP/InGaAsP光変調器は、ｐクラッド層の抵抗が高いことによる電気信号の伝搬ロスのために動作帯域が狭いことに加え、ｐ型クラッド層の光吸収が大きいために導波路長を長くすることができず低動作電圧化が困難であるという問題があった。InP/InGaAsP光変調器における電気信号の伝搬ロスはシグナル線の抵抗とｐ型の第２のクラッド層３３−１の抵抗を通してｐｎ接合が充放電する過程で生じるものである。特に、ｐ型の第２のクラッド層３３−１の抵抗はホールの移動度が低く抵抗値が高いという材料物性に起因するものであることから回避することができない問題である。このような問題に鑑みて、最近ではｎｉｎ型構造の導波路が提案されている。
【０００８】
図４は、図３で示したInP/InGaAsP光変調器の導波路の両側のクラッド層（３３−１および３３−２）を共にｎ型としたｎｉｎ型構造の導波路のバンドダイアグラムであり、これら２つのｎ型電極層間に電圧印加してデバイスを動作させる。この図中、４１は導波路のコア層であり、４２−１および４２−２は第１のクラッド層である。図３に示した構成との相違点は、両電極層（４４−１および４４−２）がｎ型とされている点、および、図３中のｐ型の第２のクラッド層３３−１が、深いＦｅ準位４６を有するＦｅドープの半絶縁層４５とｎ型の電極層４４−１で置き換えられている点である（特許文献１参照）。なお、ｎ型の電極層４４−２は図３中のｎ型の第２のクラッド層３３−２に相当しており、４０−１と４０−２はそれぞれ電子および正孔（ホール）である。
【０００９】
このような構成では、半絶縁層４５の深いＦｅ準位４６がイオン化したアクセプタとして作用するため、その電荷によってバンドが湾曲し電子に対するポテンシャルバリアを形成し、図中の矢印で示すように、バンドの湾曲部近傍にある電子４４−１と正孔４０−２は半絶縁層４５中の深いＦｅ準位４６を介して再結合する。したがって、このポテンシャルバリアによって電子の漏れ電流が抑制され、コア層４１への電界印加が可能となる。
【００１０】
しかしながら、この構造の導波路では、深いＦｅ準位４６の密度が充分に高いとはいえないために準位のイオン化状態がバイアスに依存して変化してしまう。このようなイオン化状態のバイアス依存性は電圧変化による空乏層厚の変化を生じさせて印加電圧とコア層４１にかかる電界との間の比例関係が保たれないという結果を生じる。さらに、深いＦｅ準位４６によるキャリアの捕獲・放出のインターバルが比較的長いために高速な変調信号処理への応答が困難となり、変調強度が周波数分散をもってしまうという問題も生じる。
【００１１】
なお、「２つのｎ型電極層間に電圧印加してデバイスを動作させる」という基本概念は、いわゆるバルクバリア・ダイオードとして電子デバイス分野では従来より知られていたものであり、これを光変調器に応用した例としては「量子井戸のキャリアバンドフィリング効果を誘起させるコア層を導入した変調器」の報告がある（特許文献２参照）。この光変調器は量子井戸への電子の出し入れを利用するものであるために、電気光学効果を利用する光変調器に比較して動作速度を速くすることは原理的にできない。
【００１２】
【特許文献１】特開2003-177368号公報
【特許文献２】米国特許第5,647,029号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、光変調器の安定動作を可能とするｎｉｎ型へテロ構造を有する半導体光電子導波路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
このような目的を達成するために、本発明は、電気光学効果を奏する半導体コア層の一方主面と他方主面の各々の面上に、第１の半導体クラッド層と、第２の半導体クラッド層と、ｎ型電極層として機能する第３の半導体クラッド層と、が順次積層されており、前記第１の半導体クラッド層のバンドギャップは前記半導体コア層のバンドギャップよりも大きく、前記第２の半導体クラッド層および前記第３の半導体クラッド層のバンドギャップの各々は前記第１の半導体クラッド層のバンドギャップよりも大きく、前記半導体コア層の一方主面上または他方主面上に積層された前記第２の半導体クラッド層と前記第３の半導体クラッド層の間の何れかに、前記第２の半導体クラッド層側がｐ型であり前記第３の半導体クラッド層側がｎ型であるｐｎ接合層が設けられていることを特徴とする半導体光電子導波路である。
【００１５】
好ましくは、前記ｐｎ接合層は、前記半導体光電子導波路の動作状態において、ｐ層全域が空乏化する一方、ｎ層は少なくとも一部領域が空乏化するように、各々の層厚と不純物濃度が設定されている。
【００１６】
また、好ましくは、前記ｐｎ接合層のｐ層の不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上であり、ｎ層の不純物濃度が５×１０１７ｃｍ−３以上である。
【００１７】
また、好ましくは、前記ｐｎ接合層のｎ層には、ｎ型不純物に加え深い準位を形成する不純物がドーピングされている。
【００１８】
また、好ましくは、前記ｐｎ接合層のｎ層のバンドギャップエネルギは、当該ｐｎ接合層のｐ層のバンドギャップエネルギよりも小さい。
【００１９】
さらに、好ましくは、前記ｐｎ接合層のｎ層にドーピングされている深い準位の不純物はＦｅである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、光電子導波路が備えるｎｉｎ型ヘテロ構造のバンドプロファイル制御を容易化することが可能となるので、光変調器の安定動作を可能とする半導体光電子導波路を提供することが可能となる。これにより、駆動電圧が低いというｎｉｎ型へテロ構造の半導体光電子導波路の特長を損なうことなく、より安定な光変調動作が実現され、モジュールの低消費電力化と低価格化とに寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明の半導体光電子導波路の構成例を説明するための図で、図１（ａ）はこの光電子導波路の斜視図であり、図１（ｂ）はそのバンドダイアグラムである。１１はコア層であり、動作光波長で電気光学効果が有効に作用しかつ光吸収が問題とならないように構造決定されている。例えば１．５μｍ帯のデバイスとする場合には、量子井戸層とバリア層をInGaAlAs化合物で形成し、これらの層のGa/Al組成を異ならしめた多重量子井戸構造のコア層１１とする。
【００２３】
コア層１１の上面と下面には、光吸収で発生したキャリアがヘテロ界面でトラップされないようにするために、コア層１１のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する、InGaAlAsなどの組成を有する中間クラッド層（１２−１および１２−２）が設けられている。
【００２４】
中間クラッド層１２−１の上面および中間クラッド層１２−２の下面の各々には、これらの中間クラッド層よりも大きなバンドギャップを有する、InGaAlAsなどの組成のクラッド層１３−１および１３−２が設けられている。
【００２５】
クラッド層１３−１の上面には、例えばInGaAlAsのｐ型層１５と例えばInGaAlAsのｎ型層１６とが順次積層されており、動作状態で使用する印加電圧範囲において、ｐ型InGaAlAs層１５の全領域とｎ型InGaAlAs層１６の一部領域または全領域とが空乏化される。このような空乏化領域のバンドのポテンシャル変化が充分に大きくなる様、すなわち、電子に対する充分なポテンシャルバリアが誘起されるべく、これらの層のドーピング濃度プロファイルが決定される。これらの層のドーピング濃度は、ｐ型層１５が１×１０１７ｃｍ−３以上であり、ｎ型層１６が５×１０１７ｃｍ−３以上とすることが好ましい。例えば、ｐ型層１５のドーピング濃度を２×１０１７ｃｍ−３とし、ｎ型層１６のドーピング濃度を１×１０１８ｃｍ−３とする。
【００２６】
ｎ型InGaAlAs層１６の上面およびクラッド層１３−２の下面の各々には、クラッド層として機能する、InGaAlAsなどの組成のｎ型層１４−１および１４−２が設けられ、ｎ型層１４−１の上面には電極１８−１が設けられている。なお、これらのｎ型層１４−１および１４−２のバンドギャップは、中間クラッド層１２−１および１２−２のバンドギャップよりも大きく設定されている。そして、これらの積層構造体の最下層であるｎ型層１４−２は、電極１８−２を有するｎ型電極層１７の主面の一部領域上に設けられている。
【００２７】
光電子導波路として機能させるためには、図１（ａ）に例示したような断面のメサ構造を含む導波路構造とし、その導波路に光を伝搬させた状態で電極１８−１および１８−２から電気信号を入力し、ｎ型層１４−１とｎ型層１４−２との間に電圧を印加する。
【００２８】
電圧印加状態でのバンドダイアグラムを示す図１（ｂ）から理解されるように、ｐ型InGaAlAs層１５とｎ型InGaAlAs層１６とが存在することで形成されるポテンシャルバリアによってｎ型層１４−１からの電子注入に伴うリーク電流が抑制され、一方、光吸収で（僅かではあるが）発生した正孔１０−２は、ｐ型InGaAlAs層１５およびｎ型InGaAlAs層１６中の浅い準位のアクセプタおよびドナーを介して再結合し、これによりコア層１１に電圧印加が可能となる。
【００２９】
図１（ｂ）のバンドダイアグラムを図４に示したバンドダイアグラムと比較すると、従来構成の導波路が深い準位をイオン化することでポテンシャル変化を誘起していたのに対し、本発明の構造では、所望の電界強度がコア層１１に印加されるように浅い準位のアクセプタとドナーの濃度を決定することにより、ポテンシャル形状を確実に制御するものである。
【００３０】
なお、図１では、ｐ型InGaAlAs層１５とｎ型InGaAlAs層１６とからなるｐｎ接合層をクラッド層１３−１とｎ型層１４−１との間に設けることとしたが、この構成に変えて、クラッド層１３−２とｎ型層１４−２との間に設けることとしてもよい。
【実施例２】
【００３１】
動作時には、僅かではあるが、コア層１１中での光吸収によって電子１０−１と正孔１０−２が生成される。このうち、電子１０−１は容易にｎ型層１４−２へと到達するが、正孔１０−２はバンド湾曲の急峻なｎ型InGaAlAs層１６附近に蓄積してしまう可能性がある。この蓄積された正孔１０−３はｐ型InGaAlAs層１５とｎ型InGaAlAs層１６との間のｐｎ接合における順方向バイアス要因となることから、この領域におけるポテンシャルバリアを押し下げ、コア層１１に電圧が印加されにくくなるとともにｎ型層１４−１側からの電子注入を引き起こす原因となり得る。
【００３２】
本実施例では、このような蓄積正孔１０−３を速やかに再結合させるため、ｐ型InGaAlAs層１５とｎ型InGaAlAs層１６を高濃度にドーピングされた層とし、ｐｎ接合の厚みを薄くすることで電子と蓄積正孔とを空間的に接近させ、図１（ｂ）中の矢印で示したバンド間再結合の確率を高めている。これによりコア層１１中で発生しｎ型InGaAlAs層１６附近に蓄積している正孔１０−３が速やかに除去され、ｐ型InGaAlAs層１５とｎ型InGaAlAs層１６とで形成されているポテンシャルバリアの高さ変動を抑制することが可能となる。
【実施例３】
【００３３】
本実施例の導波路は、図１のｎ型InGaAlAs層１６に相当する層に、ドナー不純物と共に、Ｆｅなどの深い準位を形成する不純物をドーピングする。なお、深い準位を形成する不純物のドーピング量は、ドナー不純物のドーピング量に比較して充分に低く設定する。このようなドーピングに拠れば、深い準位を形成する不純物がバンドプロファイルに大きな影響を与えることはない一方、深い準位を介しての再結合確率が高くなり、光吸収によりコア層１１中で発生した正孔を速やかに取り除くことが可能となる。
【実施例４】
【００３４】
図２は本実施例の導波路のバンドダイアグラムで、図１のｎ型InGaAlAs層１６に相当する層を、InGaAsPなどのよりバンドギャップエネルギの小さなｎ型層１９としたものである。InGaAlAsなどのｐ型層１５とInGaAsPなどのｎ型層１９との間のバンドギャップ差（ΔＥＧ）とドーピングプロファイルを所望の形状にすることにより、光吸収によりコア層１１内で発生した正孔１０−２の一部はこのｎ型InGaAsP層１９にまで到達（１０−３）し、より速やかな再結合を可能とする。ここで、ポテンシャル形状を制御するに際しては、ｐ型InGaAlAs層１５とｎ型InGaAsP層１９との間の価電子帯不連続性が伝導帯不連続性よりも小さいほうが好ましい。これは、価電子帯不連続性が小さいほど正孔がｐ型InGaAlAs層１５とｎ型InGaAsP層１９との界面を通過しやすくなるためである。
【００３５】
これまでの説明においては、本発明を説明するに当たってInGaAlAsおよびInGaAsPを導波路の構成材料として例示したが、これらの材料に限定されるものではなく、AlGaAs系を含むIII-V族化合物半導体により本発明の導波路を構成することとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の半導体光電子導波路の構成例を説明するための図で、（ａ）はこの光電子導波路の斜視図であり、（ｂ）はそのバンドダイアグラムである。
【図２】実施例４の導波路のバンドダイアグラムである。
【図３】従来の典型的なInP/InGaAsP光変調器を構成する導波路のバンドダイアグラムである。
【図４】図３で示したInP/InGaAsP光変調器の導波路の両側のクラッド層を共にｎ型としたｎｉｎ型構造の導波路のバンドダイアグラムである。
【符号の説明】
【００３７】
１１  コア層
１２−１、１２−２  中間クラッド層
１３−１  １３−２  クラッド層
１４−１、１４−２  ｎ型層
１５  ｐ型InGaAlAs層
１６  ｎ型InGaAlAs層
１７  ｎ型電極層
１８−１、１８−２  電極
１９  ｎ型InGaAsP層
３０−１、４０−１  電子
３０−２、４０−２  正孔
３１、４１  導波路のコア層
３２−１、３２−２、４２−１、４２−２  第１のクラッド層
３３−１  ｐ型の第２のクラッド層
３３−２  ｎ型の第２のクラッド層
４４−１、４４−２  ｎ型電極層
４５  Ｆｅドープの半絶縁層
４６  深いＦｅ準位
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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