(57)【要約】【課題】高速応答可能な半導体光変調素子の提供。【解決手段】半導体光変調素子１は、第一及び第二半導体クラッド層３,７、並びにこれらの間に配置された光導波層Ｌを備える。光導波層Ｌは第一及び第二半導体光閉じ込め層４，６と絶縁層５とを含み、第一半導体光閉じ込め層６は絶縁層５と第一半導体クラッド層３との間に配置され、第二半導体光閉じ込め層６は絶縁層５と第二半導体クラッド層７との間に配置され、第一半導体クラッド層３は第一導電型を有し、第二半導体クラッド層７は第一導電型とは異なる第二導電型を有し、第一半導体クラッド層３の屈折率は第一半導体光閉じ込め層４の屈折率より低く、第二半導体クラッド層７の屈折率は第二半導体光閉じ込め層６の屈折率より低く、絶縁層５のバンドギャップは第一半導体クラッド層３、第二半導体クラッド層７、第一半導体光閉じ込め層４、及び第二半導体光閉じ込め層６のバンドギャップより大きい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられた第一半導体クラッド層と、
前記基板上に設けられた第二半導体クラッド層と、
前記第一半導体クラッド層に電気的に接続された第一電極と、
前記第二半導体クラッド層に電気的に接続された第二電極と、
前記第一半導体クラッド層及び前記第二半導体クラッド層の間に配置された光導波層と、を備え、
前記光導波層は、絶縁層、第一半導体光閉じ込め層、及び第二半導体光閉じ込め層を含み、
前記第一半導体光閉じ込め層は、前記絶縁層と前記第一半導体クラッド層との間に配置され、
前記第二半導体光閉じ込め層は、前記絶縁層と前記第二半導体クラッド層との間に配置され、
前記第一半導体クラッド層は第一導電型を有し、
前記第二半導体クラッド層は、前記第一導電型とは異なる第二導電型を有し、
前記第一半導体クラッド層の屈折率は、前記第一半導体光閉じ込め層の屈折率より低く、
前記第二半導体クラッド層の屈折率は、前記第二半導体光閉じ込め層の屈折率より低く、
前記絶縁層のバンドギャップは、前記第一半導体クラッド層、前記第二半導体クラッド層、前記第一半導体光閉じ込め層、及び前記第二半導体光閉じ込め層のバンドギャップより大きい、半導体光変調素子。
【請求項２】
前記絶縁層はＡｌ酸化物層を含む、請求項１に記載の半導体光変調素子。
【請求項３】
前記基板は半絶縁性ＩｎＰ基板を含む、請求項１又は請求項２に記載の半導体光変調素子。
【請求項４】
前記第一半導体光閉じ込め層は前記第一導電型を有し、
前記第二半導体光閉じ込め層は前記第二導電型を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体光変調素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体光変調素子を有する第一アームと、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体光変調素子を有する第二アームと、
２つの光入力部及び２つの光出力部を有する第一ＭＭＩカプラと、
２つの光入力部及び２つの光出力部を有する第二ＭＭＩカプラと、を備え、
前記第一アームの一端は、前記第一ＭＭＩカプラの前記２つの光出力部の一方に接続され、
前記第二アームの一端は、前記第一ＭＭＩカプラの前記２つの光出力部の他方に接続され、
前記第一アームの他端は、前記第二ＭＭＩカプラの前記２つの光入力部の一方に接続され、
前記第二アームの他端は、前記第二ＭＭＩカプラの前記２つの光入力部の他方に接続されている、マッハツエンダ型半導体光変調器。
【請求項６】
基板上に、第一半導体クラッド層、第一半導体光閉じ込め層、III-V族化合物半導体層、第二半導体光閉じ込め層、及び第二半導体クラッド層をこの順に成長して、半導体積層を形成する積層工程と、
前記半導体積層をエッチングすることにより、半導体メサ構造を形成する半導体メサ構造形成工程と、
前記III-V族化合物半導体層を酸化して、絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
前記第一半導体クラッド層に電気的に接続された第一電極、および前記第二半導体クラッド層に電気的に接続された第二電極を形成する電極形成工程と、を備え、
前記III-V族化合物半導体層は、III族元素としてＡｌを含み、
前記第一半導体クラッド層は第一導電型を有し、
前記第二半導体クラッド層は、前記第一導電型とは異なる第二導電型を有し、
前記第一半導体クラッド層の屈折率は、前記第一半導体光閉じ込め層の屈折率より低く、
前記第二半導体クラッド層の屈折率は、前記第二半導体光閉じ込め層の屈折率より低く、
前記絶縁層のバンドギャップは、前記第一半導体クラッド層、前記第二半導体クラッド層、前記第一半導体光閉じ込め層、及び前記第二半導体光閉じ込め層のバンドギャップより大きい、半導体光変調素子の製造方法。
【請求項７】
前記絶縁層形成工程において、前記III-V族化合物半導体層の側面の一部または全部を露出して、前記III-V族化合物半導体層を酸化する、請求項６に記載の半導体光変調素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光変調素子、マッハツエンダ型半導体光変調器、及び半導体光変調素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には半導体光変調器が記載されている。この半導体光変調器では、光の屈折率を電界印加により変化させる量子シュタルク閉じ込め効果（ＱＣＳＥ）やポッケルス効果を利用する。特許文献２には半導体波長可変レーザが記載されている。この半導体波長可変レーザでは、光の屈折率を電流注入により変化させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００４／０８１６３８号パンフレット
【特許文献２】特開２００８−６６３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献２には、半導体波長可変レーザに注入する電流の向きについての具体的な記載はない。この半導体波長可変レーザでは、光導波層に定常的な電流を流して光の屈折率を変化させる。変化させた屈折率の値を戻すには、キャリアを消滅させる必要がある。しかし、キャリアの消滅はキャリアの寿命によって決定され、これは長い時間を要する。このように電流注入を用いる光変調の応答速度は、電界印加を用いる光変調の応答速度よりかなり遅い。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、高速応答可能な半導体光変調素子を提供することを目的とする。また、本発明は、この半導体光変調素子を用いるマッハツエンダ型半導体光変調器を提供することを目的とする。さらに、本発明は、この半導体光変調素子の製造方法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】
【０００６】
本発明に係る半導体光変調素子は、基板上に設けられた第一半導体クラッド層と、基板上に設けられた第二半導体クラッド層と、第一半導体クラッド層に電気的に接続された第一電極と、第二半導体クラッド層に電気的に接続された第二電極と、第一半導体クラッド層及び第二半導体クラッド層の間に配置された光導波層と、を備える。光導波層は、絶縁層、第一半導体光閉じ込め層、及び第二半導体光閉じ込め層を含み、第一半導体光閉じ込め層は、絶縁層と第一半導体クラッド層との間に配置され、第二半導体光閉じ込め層は、絶縁層と第二半導体クラッド層との間に配置される。第一半導体クラッド層は第一導電型を有し、第二半導体クラッド層は、第一導電型とは異なる第二導電型を有し、第一半導体クラッド層の屈折率は、第一半導体光閉じ込め層の屈折率より低く、第二半導体クラッド層の屈折率は、第二半導体光閉じ込め層の屈折率より低く、絶縁層のバンドギャップは、第一半導体クラッド層、第二半導体クラッド層、第一半導体光閉じ込め層、及び第二半導体光閉じ込め層のバンドギャップよりも大きい。
【０００７】
本発明に係る半導体光変調素子では、絶縁層が、光導波層における第一及び第二半導体光閉じ込め層の間に設けられている。この絶縁層のバンドギャップは、第一及び第二半導体クラッド層、並びに第一及び第二半導体光閉じ込め層のバンドギャップより大きい。これ故、絶縁層を横切って電流は流れない。
【０００８】
第一導電型がｎ型であり、第二導電型がｐ型であると仮定する。この半導体光変調素子では、第一電極に負電圧を印加すると共に第二電極に正電圧を印加すると、第一半導体クラッド層（この例ではｎ型）から第一半導体光閉じ込め層にキャリア（この例では電子）が移動する。また、第二半導体クラッド層（この例ではｐ型）から第二半導体光閉じ込め層にキャリア（この例では正孔）が移動する。これ故、第一半導体光閉じ込め層にキャリア（この例では電子）が蓄積されると共に、第二半導体光閉じ込め層にキャリア（この例では正孔）が蓄積されて、光導波層にプラズマが形成される。このキャリアプラズマ効果により、第一及び第二半導体光閉じ込め層に閉じ込められる光に対する屈折率が下がる。
【０００９】
逆に、第一電極に正電圧を印加すると共に第二電極に負電圧を印加すると、第一半導体光閉じ込め層に蓄積されていたキャリア（この例では電子）は引き抜かれて第一電極に移動する。また、第二半導体光閉じ込め層に蓄積されていたキャリア（この例では正孔）は引き抜かれて第二電極に移動する。これ故、絶縁層の両側の半導体領域に電子と正孔とが枯渇する。従って、光導波層におけるキャリアプラズマ効果が消失して、第一及び第二半導体光閉じ込め層に閉じ込められる光に対する屈折率が上がる。この半導体光変調素子では、光導波層に設けられた絶縁層で電流は阻止されるので、電流注入ではなく電界印加によるキャリアプラズマ効果を用いて屈折率変調が行われる。このキャリアプラズマ効果を用いた半導体光変調素子では、屈折率変調の応答速度は、キャリアの寿命ではなくキャリアの移動時間に依存する。キャリアの移動は、印加する電圧の正負の切り替えで操作できる。このキャリアの移動に要する時間は、キャリアの寿命より短い。従って、高速応答が可能な半導体光変調素子を提供できる。
【００１０】
また、本発明に係る半導体光変調素子では、絶縁層がＡｌ酸化物層を含むことが好適である。Ａｌは酸化し易い材料である。故に、Ａｌを含む層を酸化させることにより、絶縁層を容易に形成できる。
【００１１】
また、本発明に係る半導体光変調素子では、基板は半絶縁性ＩｎＰ基板を含むことが好適である。
【００１２】
また、本発明に係る半導体光変調素子では、第一半導体光閉じ込め層は第一導電型を有し、第二半導体光閉じ込め層は第二導電型を有することが好適である。これ故、第一半導体光閉じ込め層の導電型は第一クラッド層と同じ第一導電型となり、第二半導体光閉じ込め層の導電型は第二クラッド層と同じ第二導電型となる。従って、絶縁層の両側の半導体領域に第一導電型のキャリアと第二導電型のキャリアを好適に蓄積あるいは枯渇させることが可能となる。
【００１３】
また、本発明に係るマッハツエンダ型半導体光変調器は、上記の半導体光変調素子を有する第一アームと、上記の半導体光変調素子を有する第二アームと、２つの光入力部及び２つの光出力部を有する第一ＭＭＩカプラと、２つの光入力部及び２つの光出力部を有する第二ＭＭＩカプラと、を備え、第一アームの一端は、第一ＭＭＩカプラの２つの光出力部の一方に接続され、第二アームの一端は、第一ＭＭＩカプラの２つの光出力部の他方に接続され、第一アームの他端は、第二ＭＭＩカプラの２つの光入力部の一方に接続され、第二アームの他端は、第二ＭＭＩカプラの２つの光入力部の他方に接続されている、ことが好適である。
【００１４】
このマッハツエンダ型半導体光変調器では、第一アームの第一電極及び第二電極に印加する電圧を調整することにより、第一アームの光導波層を通過する光の屈折率を変化させて、光の位相を変化させることができる。同様に、第二アームの第一電極及び第二電極に印加する電圧を調整することにより、第二アームの光導波層を通過する光の屈折率を変化させて、光の位相を変化させることができる。
【００１５】
また、本発明に係る半導体光変調素子の製造方法は、基板上に、第一半導体クラッド層、第一半導体光閉じ込め層、III-V族化合物半導体層、第二半導体光閉じ込め層、及び第二半導体クラッド層をこの順に成長して、半導体積層を形成する積層工程と、半導体積層をエッチングすることにより、半導体メサ構造を形成する半導体メサ構造形成工程と、III-V族化合物半導体層の酸化により、絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、第一半導体クラッド層に電気的に接続された第一電極、および第二半導体クラッド層に電気的に接続された第二電極を形成する電極形成工程と、を備える。III-V族化合物半導体層は、III族元素としてＡｌを含み、第一半導体クラッド層は第一導電型を有し、第二半導体クラッド層は、第一導電型とは異なる第二導電型を有し、第一半導体クラッド層の屈折率は、第一半導体光閉じ込め層の屈折率より低く、第二半導体クラッド層の屈折率は、第二半導体光閉じ込め層の屈折率より低く、絶縁層のバンドギャップは、第一半導体クラッド層、第二半導体クラッド層、第一半導体光閉じ込め層、及び第二半導体光閉じ込め層のバンドギャップよりも大きい。
【００１６】
この半導体光変調素子の製造方法では、第一半導体光閉じ込め層、III-V族化合物半導体層、及び第二半導体光閉じ込め層を含む半導体領域を形成した後に、この半導体領域内のIII-V族化合物半導体層を酸化する。III-V族化合物半導体層に含まれるＡｌは酸化し易い。これ故、第一半導体光閉じ込め層と第二半導体光閉じ込め層との間に絶縁層を容易に作製できる。
【００１７】
また、本発明に係る半導体光変調素子の製造方法では、絶縁層形成工程において、III-V族化合物半導体層の側面の一部または全部を露出して、III-V族化合物半導体層を酸化させることが好適である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高速応答可能な半導体光変調素子を提供できる。また、この半導体光変調素子を用いるマッハツエンダ型半導体光変調器を提供できる。さらに、半導体光変調素子の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本実施形態に係る半導体光変調素子を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）は、キャリアプラズマ効果を説明する図である。
【図３】図３は、本実施形態に係るマッハツエンダ型半導体光変調器の上面図である。
【図４】図４（ａ）は、積層工程を示す断面図である。図４（ｂ）は、第一マスク形成工程を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）は、第一半導体メサ構造形成工程を示す断面図である。図５（ｂ）は、第二マスクのための膜の形成工程を示す断面図である。
【図６】図６（ａ）は、第三マスク形成工程を示す断面図である。図６（ｂ）は、第二マスクの形成工程を示す断面図である。
【図７】図７（ａ）は、第一半導体クラッド層のエッチング工程前の状態を示す断面図である。図７（ｂ）は、第一半導体クラッド層のエッチング工程後の状態を示す断面図である。
【図８】図８（ａ）は、絶縁層形成工程を示す断面図である。図８（ｂ）は、保護膜形成工程を示す断面図である。
【図９】図９（ａ）は、保護膜の加工工程を示す断面図である。図９（ｂ）は、電極形成工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付す。必要な図面には、ＸＹＺ直交座標系Ｓが示されている。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る半導体光変調素子１を示す断面図である。半導体光変調素子１は、基板２、第一半導体クラッド層３、光導波層Ｌ、第二半導体クラッド層７、コンタクト層８、保護膜９、第一電極１１、第二電極１２、及び第三電極１３を備える。光導波層Ｌは、第一半導体光閉じ込め層４、絶縁層５、及び第二半導体光閉じ込め層６を含む。半導体光変調素子１は、基板２上に設けられた半導体メサ構造１０を含む。この半導体メサ構造１０は、第一半導体クラッド層３、第一半導体光閉じ込め層４、絶縁層５、第二半導体光閉じ込め層６、第二半導体クラッド層７、及びコンタクト層８を含む。
【００２２】
基板２としては例えばIII-V族化合物半導体基板を用いることができる。基板２は例えば半絶縁性ＩｎＰ基板を含むことが好適であり、この場合、２本のアームに異なる電圧を印加する場合であっても互いのアームが他方の電界の影響を受けにくくすることができる。基板２の表面２１は第一表面部２Ａ、第二表面部２Ｂ、および第三表面部２Ｃを含む。第二表面部２Ｂは第一表面部２Ａおよび第三表面部２Ｃの間に配置される。半導体メサ構造１０は、この第二表面部２Ｂ上に設けられている。第一表面部２Ａ、第二表面部２Ｂ、および第三表面部２Ｃは、この順に、半導体メサ構造１０の延在方向（図１に示す例ではＹ軸方向）と直交する方向（図１に示す例ではＸ軸方向）に配列している。
【００２３】
第一半導体クラッド層３及び第二半導体クラッド層７は、基板２上に設けられる。具体的に、第一半導体クラッド層３は、基板２の第一表面部２Ａおよび第二表面部２Ｂ上に設けられる。第一半導体クラッド層３の表面は、第一表面部３Ａおよび第二表面部３Ｂを含む。第一半導体クラッド層３の第一表面部３Ａは基板２の第一表面部２Ａ上に位置し、第一半導体クラッド層３の第二表面部３Ｂは基板２の第二表面部２Ｂ上に位置する。第一半導体クラッド層３及び第二半導体クラッド層７はIII-V族化合物半導体からなる。第一半導体クラッド層３は第一導電型を有することがよい。第二半導体クラッド層７は、第一導電型とは異なる第二導電型を有する。第一半導体クラッド層３の屈折率は第一半導体光閉じ込め層４の屈折率より低く、第二半導体クラッド層７の屈折率は第二半導体光閉じ込め層６の屈折率より低い。これ故、第一半導体クラッド層３および第二半導体クラッド層７は、光を第一半導体光閉じ込め層４および第二半導体光閉じ込め層６に閉じ込めるように働く。
【００２４】
第一半導体クラッド層３のバンドギャップは、第一半導体光閉じ込め層４のバンドギャップより大きい。このバンドギャップの関係により、キャリアは第一半導体クラッド層３から第一半導体光閉じ込め層４へ効率よく移動できる。また、第二半導体クラッド層７のバンドギャップは、第二半導体光閉じ込め層６のバンドギャップより大きい。このバンドギャップの関係により、キャリアは第二半導体クラッド層７から第二半導体光閉じ込め層６へ効率よく移動できる。
【００２５】
光導波層Ｌには、半導体光変調素子１に入力された光が伝搬する。光導波層Ｌは、第一半導体クラッド層３及び第二半導体クラッド層７の間に配置される。第一半導体光閉じ込め層４は、絶縁層５と第一半導体クラッド層３との間に配置される。第一半導体光閉じ込め層４は、第一半導体クラッド層３の第二表面部３Ｂ上に設けられる。第一半導体光閉じ込め層４及び第二半導体光閉じ込め層６はIII-V族化合物半導体からなる。第一半導体光閉じ込め層４は第一導電型を有することがよい。第二半導体光閉じ込め層６は、絶縁層５と第二半導体クラッド層７との間に配置される。第二半導体光閉じ込め層６は第二導電型を有することがよい。第一半導体光閉じ込め層４の膜厚が２０ｎｍ以上である場合、光導波層Ｌを導波する光に対する屈折率を変化させるために十分なキャリアを蓄積できる。第一半導体光閉じ込め層４の膜厚が１００ｎｍ以下である場合、半導体光変調素子１の例えば１０Ｇｂ／ｓの高速動作のために好適である。また、第二半導体光閉じ込め層６の膜厚が２０ｎｍ以上である場合、光導波層Ｌを導波する光に対する屈折率を変化させるために十分なキャリアを蓄積できる。第二半導体光閉じ込め層６の膜厚が１００ｎｍ以下である場合、半導体光変調素子１の例えば１０Ｇｂ／ｓの高速動作のために好適である。
【００２６】
絶縁層５は、絶縁層を横切るキャリアの移動、例えば、第一半導体光閉じ込め層４から第二半導体光閉じ込め層６へのキャリアの移動と、第二半導体光閉じ込め層６から第一半導体光閉じ込め層４へのキャリアの移動と、を阻止する。絶縁層５は、第一半導体光閉じ込め層４と第二半導体光閉じ込め層６との間に設けられる。絶縁層５のバンドギャップは、第一半導体クラッド層３および第二半導体クラッド層７のバンドギャップより大きい。絶縁層５のバンドギャップは、第一半導体光閉じ込め層４および第二半導体光閉じ込め層６のバンドギャップより大きい。絶縁層５の屈折率は、第一半導体クラッド層３、第二半導体クラッド層７、第一半導体光閉じ込め層４、および第二半導体光閉じ込め層６の屈折率より小さい。ただし、第一半導体光閉じ込め層４、絶縁層５、及び第二半導体光閉じ込め層６の平均屈折率ｎaveは、第一半導体クラッド層３及び第二半導体クラッド層７の屈折率より大きい。これ故、光導波層Ｌにおける光の閉じ込めを良好にできる。ここでいう平均屈折率ｎaveとは、下記式（１）により表される。
【数１】
2012037658.tif 000003
ただし、n4は第一半導体光閉じ込め層４の屈折率、t4は第一半導体光閉じ込め層４の膜厚、n5は絶縁層５の屈折率、t5は絶縁層層５の膜厚、n6は第二半導体光閉じ込め層６の屈折率、t6は第二半導体光閉じ込め層６の膜厚を示す。
【００２７】
絶縁層５は、構成元素としてＡｌを含むIII-V族化合物半導体を酸化して形成された層とすることができ、絶縁層５は例えばＡｌ酸化物層を含むことが好適である。基板２として例えばＩｎＰ基板を用いるとき、例えばＡｌＩｎＡｓを基板２上にエピタキシャル成長し、この後にＡｌＩｎＡｓを酸化して、絶縁層５を形成できる。なお、第一半導体クラッド層３、第一半導体光閉じ込め層４、第二半導体光閉じ込め層６、第二半導体クラッド層７、及びコンタクト層８の各材料は、構成元素としてＡｌを含まない。また、第一半導体クラッド層３、第一半導体光閉じ込め層４、第二半導体光閉じ込め層６、第二半導体クラッド層７、及びコンタクト層８は、例えばエピタキシャル成長によって基板２上に形成された単結晶からなる。
【００２８】
絶縁層５の膜厚は５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好適である。絶縁層５の膜厚が５ｎｍ以上であると絶縁層５の絶縁耐圧が十分となる。また、例えば水蒸気雰囲気中の酸化処理を用いて、Ａｌを含むIII-V族化合物半導体を十分に酸化させて絶縁層５を形成すると、絶縁層５の膜厚が５ｎｍ以上となる。絶縁層５の膜厚が５０ｎｍ以下であると、光導波層Ｌにおける光の閉じ込めを好適にできる。また、絶縁層５の熱膨張係数は、第一半導体光閉じ込め層４及び第二半導体光閉じ込め層６の熱膨張係数と異なる。絶縁層５の膜厚が５０ｎｍ以下であると、第一半導体光閉じ込め層４及び第二半導体光閉じ込め層６に欠陥が熱膨張係数の違いに起因する応力によって生じることを抑制できる。
【００２９】
コンタクト層８は、第二半導体クラッド層７上に設けられ、また第二電極１２と電気的に接続する。コンタクト層８はIII-V族化合物半導体からなり、第二導電型を有することがよい。
【００３０】
保護膜９は、半導体メサ構造１０の側面及び基板２の表面２１の第三表面部２Ｃを保護する。保護膜９は、第一半導体クラッド層３、第一半導体光閉じ込め層４、絶縁層５、第二半導体光閉じ込め層６、第二半導体クラッド層７、及びコンタクト層８の各側面を覆う。保護膜９は、例えば窒化珪素などの絶縁性材料からなる。
【００３１】
第一電極１１は第一半導体クラッド層３に電気的に接続される。第一電極１１は例えばアノード電極として機能する。第二電極１２は、コンタクト層８上に設けられ、第二半導体クラッド層７に電気的に接続される。第二電極１２は例えばカソード電極として機能する。第一電極１１及び第二電極１２は、電圧源３０に接続される。第三電極１３は基板２の裏面２２に設けられる。第三電極１３は例えば接地電極として機能する。
【００３２】
一例の半導体光変調素子１を以下に示す。
基板２：半絶縁性ＩｎＰ。
第一半導体クラッド層３：ｎ型ＩｎＰ、１×１０１８ｃｍ−３のＳｉドープ、５００ｎｍ厚。
第一半導体光閉じ込め層４：ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ、１×１０１７ｃｍ−３のＳｉドープ、５０ｎｍ厚。
絶縁層５：ＡｌＩｎＡｓの酸化物層、１０ｎｍ厚。
第二半導体光閉じ込め層６：ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ、１×１０１７ｃｍ−３のＺｎドープ、５０ｎｍ厚。
第二半導体クラッド層７：ｐ型ＩｎＰ、２×１０１８ｃｍ−３のＺｎドープ、２０００ｎｍ厚。
コンタクト層８：ｐ型ＧａＩｎＡｓ、１×１０１９ｃｍ−３のＺｎドープ、２００ｎｍ厚。
保護膜９：ＳｉＮ。
第一電極１１、第二電極１２、第三電極１３：ＴｉＰｔＡｕ。
【００３３】
以下、本実施形態に係る半導体光変調素子１の作用効果について説明する。半導体光変調素子１では、絶縁層５が、光導波層Ｌにおける第一半導体光閉じ込め層４及び第二半導体光閉じ込め層６の間に設けられている。この絶縁層５のバンドギャップは、第一半導体クラッド層３、第二半導体クラッド層７、第一半導体光閉じ込め層４、および第二半導体光閉じ込め層６のバンドギャップより大きい。これ故、キャリアは絶縁層５を横切って流れない。
【００３４】
以下に屈折率の変化を具体的に説明する。第一導電型がｎ型であり、第二導電型がｐ型であると仮定する。この半導体光変調素子１では、図２（ａ）に示すように、第一電極１１に負電圧を印加すると共に第二電極１２に正電圧を印加すると、第一半導体クラッド層（この例ではｎ型）３から第一半導体光閉じ込め層４にキャリア（この例では電子Ｅ）が移動すると共に、第二半導体クラッド層（この例ではｐ型）７から第二半導体光閉じ込め層６にキャリア（この例では正孔Ｈ）が移動する。これ故、第一半導体光閉じ込め層４にキャリア（この例では電子Ｅ）が蓄積されると共に、第二半導体光閉じ込め層６にキャリア（この例では正孔Ｈ）が蓄積されて、光導波層Ｌにプラズマが形成される。このキャリアプラズマ効果により、第一半導体光閉じ込め層４及び第二半導体光閉じ込め層６に閉じ込められる光に対する屈折率が下がる。
【００３５】
逆に、図２（ｂ）に示すように、第一電極１１に正電圧を印加すると共に第二電極１２に負電圧を印加すると、第一半導体光閉じ込め層４に蓄積されていた電子Ｅは引き抜かれて第一電極１１に移動する。また、第二半導体光閉じ込め層６に蓄積されていた正孔Ｈは引き抜かれて第二電極１２に移動する。これ故、絶縁層５の両側の半導体領域に電子Ｅと正孔Ｈとが枯渇した状態となる。従って、光導波層Ｌにおけるキャリアプラズマ効果が消失して、第一半導体光閉じ込め層４及び第二半導体光閉じ込め層６に閉じ込められる光に対する屈折率が上がる。この半導体光変調素子１では、光導波層Ｌに設けられた絶縁層５で電流は阻止されるので、電流注入ではなく電界印加によるキャリアプラズマ効果を用いて屈折率変調が行われる。このキャリアプラズマ効果を用いた半導体光変調素子１では、屈折率変調の応答速度はキャリアの寿命ではなくキャリアの移動時間に依存する。キャリアの移動は、印加する電圧の正負の切り替えで操作できる。このキャリアの移動に要する時間は、キャリアの寿命より短い。従って、高速応答が可能な半導体光変調素子１を提供できる。
【００３６】
なお、従来のＱＣＳＥやポッケルス効果を利用する半導体光変調器で使用される電圧の範囲、例えば３Ｖ〜５Ｖで生じる屈折率変化は小さい。これ故、半導体光変調器として必要な位相変化量を得るためには、光導波層の長さを長くする必要がある。一方、本実施形態に係る半導体光変調素子１において屈折率変調に必要な電圧は、キャリアの移動を引き起こすことのできる大きさであればよく、例えば０．５Ｖ〜３Ｖである。従って、本実施形態に係る半導体光変調素子１では、従来のＱＣＳＥやポッケルス効果を利用する半導体光変調器より低電圧で十分な屈折率変調ができる。
【００３７】
また、本実施形態に係る半導体光変調素子１をマッハツエンダ型半導体光変調器に用いることができる。図３に示すように、マッハツエンダ型半導体光変調器１００は、第一アーム３１、第二アーム３２、第三アーム３３、第四アーム３４、第五アーム３５、第六アーム３６、第一ＭＭＩカプラＫ１、及び第二ＭＭＩカプラＫ２を備える。図３に示すＩ−Ｉ線に沿った断面図が図１である。第一アーム３１は半導体光変調素子１を有する。同様に、第二アーム３２は半導体光変調素子１を有する。第一ＭＭＩカプラＫ１は、２つの光入力部Ｐ１，Ｐ２及び２つの光出力部Ｐ３，Ｐ４を有する。第二ＭＭＩカプラＫ２は、２つの光入力部Ｐ５，Ｐ６及び２つの光出力部Ｐ７，Ｐ８を有する。
【００３８】
第一アーム３１の一端は第一ＭＭＩカプラＫ１の２つの光出力部Ｐ３，Ｐ４の一方Ｐ３に接続され、他端は第二ＭＭＩカプラＫ２の２つの光入力部Ｐ５，Ｐ６の一方Ｐ５に接続される。第二アーム３２の一端は第一ＭＭＩカプラＫ１の２つの光出力部Ｐ３，Ｐ４の他方Ｐ４に接続され、他端は、第二ＭＭＩカプラＫ２の２つの光入力部Ｐ５，Ｐ６の他方Ｐ６に接続される。第三アーム３３の一端はマッハツエンダ型半導体光変調器１００の一端１００ａに接続され、他端は第一ＭＭＩカプラＫ１の２つの光入力部Ｐ１，Ｐ２の一方Ｐ１に接続される。第四アーム３４の一端はマッハツエンダ型半導体光変調器１００の一端１００ａに接続され、他端は、第一ＭＭＩカプラＫ１の２つの光入力部Ｐ１，Ｐ２の他方Ｐ２に接続される。第五アーム３５の一端は第二ＭＭＩカプラＫ２の２つの光出力部Ｐ７，Ｐ８の一方Ｐ７に接続され、他端はマッハツエンダ型半導体光変調器１００の他端１００ｂに接続される。第六アーム３６の一端は、マッハツエンダ型半導体光変調器１００の他端１００ｂに接続される。第六アーム３６の他端は、第二ＭＭＩカプラＫ２の２つの光出力部Ｐ７，Ｐ８の他方Ｐ８に接続される。
【００３９】
以下、マッハツエンダ型半導体光変調器１００の動作の一例について説明する。第一ＭＭＩカプラＫ１又は第二ＭＭＩカプラＫ２を光が通過する際、交差する方向に通過する光の位相は９０°遅れ、直進する方向に通過する光の位相は変化しないようになっている。また、第二アーム３２の長さは、第一アーム３１の長さよりも光の位相で９０°遅れる分だけ長くなっている。第四アーム３４から光入力部Ｐ２に入力された光は、第一ＭＭＩカプラＫ１を通過して、第一アーム３１と第二アーム３２に等分岐される。この際、第一ＭＭＩカプラＫ１の光出力部Ｐ３から第一アーム３１に出力される光の位相は９０°遅れる。故に、第一アーム３１の一端での第二アーム３２との相対的な位相は−９０°になる。第一ＭＭＩカプラＫ１の光出力部Ｐ４から第二アーム３２に入る光の位相は遅れない。故に、第二アーム３２の一端での位相は０°になる。
【００４０】
まず、第一アーム３１の半導体光変調素子１の第一電極１１に負電圧、第二電極１２に正電圧を印加すると、キャリアプラズマ効果によって第一アーム３１を通過する光に対する屈折率が下がる。故に、第一アーム３１を通過する光の速度が大きくなり、光の位相が進む。この際、電圧の条件を位相の進み量が４５°となるように設定すると、第一アーム３１の他端まで進んだ光の位相は（−９０°）＋（＋４５°）＝−４５°になる。
【００４１】
また、第二アーム３２の半導体光変調素子１の第一電極１１に正電圧、第二電極１２に負電圧を印加すると、キャリアプラズマ効果により、第二アーム３２を通過する光に対する屈折率が上がる。故に、第二アーム３２を通過する光の速度が小さくなり、光の位相が遅れる。この際、電圧の条件を位相の遅れ量が４５°となるように設定する。第二アーム３２の長さは第一アーム３１の長さよりも光の位相で９０°遅れる分だけ長くなっている。これらの位相遅れを足しあわせると、第二アーム３２の他端まで進んだ光の位相は、（−４５°）＋（−９０°）＝−１３５°になる。
【００４２】
第一アーム３１の他端から光入力部Ｐ５及び光出力部Ｐ７を通過する光の位相は、変わらず−４５°である。第二アーム３２の他端から光入力部Ｐ６及び光出力部Ｐ７を通過する光の位相は、第二ＭＭＩカプラＫ２でさらに９０°遅れるので、−２２５°になる。故に、第一アーム３１から光出力部Ｐ７に出る光の位相と、第二アーム３２から光出力部Ｐ７に出る光の位相の差は１８０°となる。従って、互いに打ち消しあうように干渉し、光出力部Ｐ７から光が出射されない。
【００４３】
また、第一アーム３１の他端から光入力部Ｐ５及び光出力部Ｐ８を通過する光の位相は、（−４５°）＋（−９０°）＝−１３５°となる。第二アーム３２の他端から光入力部Ｐ６及び光出力部Ｐ８を通過する光の位相は−１３５°となる。第一アーム３１から光出力部Ｐ８に出た光の位相と、第二アーム３２から光出力部Ｐ８に出た光の位相の差は０°となる。故に、互いに強めあうように干渉し、光出力部Ｐ８から光が出射される。
【００４４】
次いで、第一アーム３１の半導体光変調素子１の第一電極１１に正電圧、第二電極１２に負電圧を印加すると、キャリアプラズマ効果によって第一アーム３１を通過する光に対する屈折率が上がる。故に、第一アーム３１を通過する光の速度が小さくなり、光の位相が遅れる。この際、電圧の条件を位相の遅れ量が４５°となるように設定すると、第一アーム３１の他端まで進んだ光の位相は（−９０°）＋（−４５°）＝−１３５°になる。
【００４５】
また、第二アーム３２の半導体光変調素子１の第一電極１１に負電圧、第二電極１２に正電圧を印加すると、キャリアプラズマ効果により、第二アーム３２を通過する光に対する屈折率が下がる。故に、第二アーム３２を通過する光の速度が大きくなり、光の位相が進む。この際、電圧の条件を位相の進み量が４５°となるように設定する。第二アーム３２の長さは第一アーム３１の長さよりも光の位相で９０°遅れる分だけ長くなっているので、これらの位相のずれ量を足しあわせると、第二アーム３２の他端まで進んだ光の位相は、（＋４５°）＋（−９０°）＝−４５°になる。
【００４６】
第一アーム３１の他端から光入力部Ｐ５及び光出力部Ｐ７を通過する光の位相は、変わらず−１３５°である。第二アーム３２の他端から光入力部Ｐ６及び光出力部Ｐ７を通過する光の位相は、第二ＭＭＩカプラＫ２でさらに９０°遅れるので、−１３５°になる。故に、第一アーム３１から光出力部Ｐ７に出る光の位相と、第二アーム３２から光出力部Ｐ７に出る光の位相の差は０°となる。従って、互いに強めあうように干渉し、光出力部Ｐ７から光が出射される。
【００４７】
また、第一アーム３１の他端から光入力部Ｐ５及び光出力部Ｐ８を通過する光の位相は、（−１３５°）＋（−９０°）＝−２２５°となる。第二アーム３２の他端から光入力部Ｐ６及び光出力部Ｐ８を通過する光の位相は−４５°となる。故に、第一アーム３１から光出力部Ｐ８に出た光の位相と、第二アーム３２から光出力部Ｐ８に出た光の位相の差は１８０°となる。従って、互いに打ち消しあうように干渉し、光出力部Ｐ８から光が出射されない。
【００４８】
以上のように、第一アーム３１の第一電極１１及び第二電極１２に印加する電圧を調整することにより、第一アーム３１の光導波層Ｌを通過する光の屈折率を変化させて、光の位相を変化させることができる。同様に、第二アーム３２の第一電極１１及び第二電極１２に印加する電圧を調整することにより、第二アームの３２光導波層Ｌを通過する光の屈折率を変化させて、光の位相を変化させることができる。従って、ＯＮ・ＯＦＦ動作が可能なマッハツエンダ型半導体光変調器１００を提供できる。このマッハツエンダ型半導体光変調器１００では、半導体光変調素子１の光導波層Ｌに設けられた絶縁層５で電流は阻止されるので、電流注入ではなく電界印加によるキャリアプラズマ効果を用いて屈折率変調が行われる。このキャリアプラズマ効果を用いた屈折率変調の応答速度はキャリアの移動時間に依存する。キャリアの移動は、印加する電圧の正負の切り替えで操作できる。このキャリアの移動に要する時間は、キャリアの寿命より短い。従って、高速応答が可能なマッハツエンダ型半導体光変調器１００を提供できる。
【００４９】
以下、図４〜図９を用いて半導体光変調素子１の製造方法の一例を順に説明する。まず、図４（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤなどの成長装置４０を用いて基板２上に半導体積層１０ａを形成する（積層工程）。具体的には、基板２上に、第一半導体クラッド層３、第一半導体光閉じ込め層４、III-V族化合物半導体層５０、第二半導体光閉じ込め層６、第二半導体クラッド層７、及びコンタクト層８をこの順にエピタキシャル成長して、半導体積層１０ａを形成する。ここで、III-V族化合物半導体層５０は、III族元素としてＡｌを含む。第一半導体クラッド層３は第一導電型を有し、第二半導体クラッド層７は、第一導電型とは異なる第二導電型を有する。第一半導体クラッド層３の屈折率は、第一半導体光閉じ込め層４の屈折率より低く、第二半導体クラッド層７の屈折率は、第二半導体光閉じ込め層６の屈折率より低い。
【００５０】
図４（ｂ）に示すように、コンタクト層８上に半導体メサ構造形成用の第一マスクＭ１を形成する。例えば酸化珪素膜といったマスク膜を成長装置４０で成膜した後、フォトリソグラフィでパターン形成を酸化珪素膜に行う。パターン形成後、例えばＣ２Ｆ６系ガスの反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）で酸化珪素膜を加工して、第一マスクＭ１を形成する。
【００５１】
図５（ａ）に示すように、第一マスクＭ１を用いて半導体積層１０ａをエッチングする。この工程では、コンタクト層８から第一半導体光閉じ込め層４までのエッチングを行って、第一半導体メサ構造１０ｂを形成する。エッチングはエッチング装置４１で行われ、エッチングには例えばＣｌ系ガスのＲＩＥが用いられる。第一半導体メサ構造１０ｂは、第一半導体光閉じ込め層４、III-V族化合物半導体層５０、第二半導体光閉じ込め層６、第二半導体クラッド層７、及びコンタクト層８を含む。基板２の第一表面部２Ａ、第二表面部２Ｂ、および第三表面部２Ｃは、この順に、第一半導体メサ構造１０ｂの延在方向と直交する方向に配列されている。また、第一半導体クラッド層３の表面は、第一表面部３Ａ、第二表面部３Ｂ、および第三表面部３Ｃを含む。第一表面部３Ａは第一表面部２Ａ上に位置し、第二表面部３Ｂは第二表面部２Ｂ上に位置し、第三表面部３Ｃは第三表面部２Ｃ上に位置する。第一半導体メサ構造１０ｂは、第一半導体クラッド層３の第二表面部３Ｂ上に形成される。次いで、図５（ｂ）に示すように、ＭＯＣＶＤ装置４２を用いて第二マスクＭ２のための膜Ｍ２ａを基板２上に形成する。第二マスクＭ２となる膜Ｍ２ａは、第一半導体クラッド層３の第一表面部３Ａおよび第三表面部３Ｃと、第一半導体メサ構造１０ｂの両側面および上面と、を覆う。
【００５２】
さらに、第二マスクＭ２を覆うようにレジストを塗布する。図６（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ装置４３を用いてレジストを露光・現像することにより、第三マスクＭ３を形成する。第三マスクＭ３は、第一半導体クラッド層３の第一表面部３Ａおよび第二表面部３Ｂを覆っている第二マスクＭ２を覆う。図６（ｂ）に示すように、第三マスクＭ３を用いて第一半導体クラッド層３の第三表面部３Ｃ上の第二マスクＭ２をエッチングする。このエッチングはエッチング装置４４で行われ、エッチングには例えばＣ２Ｆ６系ガスのＲＩＥが用いられる。この後に、第三マスクＭ３を除去する。
【００５３】
次いで、図７（ａ）に示すように、第二マスクＭ２を用いて第一半導体クラッド層３をエッチングする。この際、図７（ｂ）に示すように、第一半導体クラッド層３の第三表面部３Ｃがエッチングされる。エッチングはエッチング装置４６で行われ、エッチングには例えばＣＨ４及びＨ２系ガスのＲＩＥが用いられる。このように、第一半導体クラッド層３の第三表面部３Ｃをエッチングすることにより、第二半導体メサ構造１０を形成する（半導体メサ構造形成工程）。ここで、第二半導体メサ構造１０は、第一半導体クラッド層３、第一半導体光閉じ込め層４、III-V族化合物半導体層５０、第二半導体光閉じ込め層６、第二半導体クラッド層７、及びコンタクト層８を含む。また、第一半導体クラッド層３の第三表面部３Ｃのエッチングにより、基板２の第三表面部２Ｃが露出する。この後に、第二マスクＭ２をフッ酸で除去する。
【００５４】
図８（ａ）に示すように、III-V族化合物半導体層５０を酸化することにより、絶縁層５を形成する（絶縁層形成工程）。この絶縁層形成工程では、III-V族化合物半導体層の側面の全部を露出して、III-V族化合物半導体層を酸化させる。酸化は、加熱装置４７を用いて、例えば水蒸気雰囲気中でIII-V族化合物半導体層５０を加熱することにより行われる。この際、III-V族化合物半導体層５０の全体を酸化させる。Ａｌは酸化しやすいので、III-V族化合物半導体層５０が例えばＡｌＩｎＡｓなどであると、絶縁層５を容易に形成できる。ここで、絶縁層５のバンドギャップは、第一半導体クラッド層３、第二半導体クラッド層７、第一半導体光閉じ込め層４、及び第二半導体光閉じ込め層６のバンドギャップより大きい。図８（ｂ）に示すように、プラズマＣＶＤ装置４８を用いて保護膜９を基板２上に成膜する。保護膜９は、第二半導体メサ構造１０と、第一半導体クラッド層３の第一表面部３Ａと、基板２の第三表面部２Ｃと、を覆う。保護膜９として、例えば窒化珪素膜を用いる。
【００５５】
図９（ａ）に示すように、保護膜９における第二半導体メサ構造１０の上面上の部分と、保護膜９における第一半導体クラッド層３の第一表面部３Ａ上の部分と、をエッチングする。エッチングはエッチング装置４９で行われ、エッチングには例えばＣ２Ｆ６系ガスのＲＩＥが用いられる。その後、図９（ｂ）に示すように、第一電極１１および第二電極１２を蒸着装置５１を用いて形成する（電極形成工程）。第一電極１１は第一半導体クラッド層３に電気的に接続され、第二電極１２は第二半導体クラッド層７に電気的に接続される。具体的には、レジストマスクを用いて、保護膜９や第二半導体メサ構造１０を覆うように、例えばＴｉＰｔＡｕなどの電極材料を蒸着する。この際、第一半導体クラッド層３の第一表面部３Ａ上と、基板２の第三表面部２Ｃ上の保護膜９にも電極材料が蒸着される。次いで、レジストマスクをリフトオフすることにより、図９（ｂ）に示すように、第一電極１１及び第二電極１２が形成される。この際、第一電極１１は第一半導体クラッド層３の第一表面部３Ａ上に形成され、第二電極１２はコンタクト層８の上面及び保護膜９上に形成される。さらに、基板２の裏面２２に第三電極１３を形成する。
【００５６】
以上の工程により、半導体光変調素子１が作製される。また、電極形成工程後、半導体光変調素子１をリードフレームの所定の位置に固定する（ダイボンディング工程）。ダイボンディング工程後、半導体光変調素子１の第一電極１１及び第二電極１２と、リードフレームとを配線で繋ぐ（ワイヤーボンディング工程）。また、第三電極１３を接地する。以上のようにして、図１に示す半導体光変調素子１が完成する。
【００５７】
この半導体光変調素子１の製造方法では、第一半導体光閉じ込め層４、III-V族化合物半導体層５０、及び第二半導体光閉じ込め層６を含む半導体領域を形成した後に、この半導体領域内のIII-V族化合物半導体層５０を酸化する。III-V族化合物半導体層５０に含まれるＡｌは酸化し易い。これ故、第一半導体光閉じ込め層４と第二半導体光閉じ込め層６との間に絶縁層５を容易に作製できる。
【００５８】
以上、好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。第一半導体クラッド層３がｐ型であるとともに、第二半導体クラッド層７がｎ型であってもよい。さらにこの場合、第一半導体光閉じ込め層４がｐ型であり、第二半導体光閉じ込め層６がｎ型であることがより好ましい。また、第一半導体光閉じ込め層４がｎ型（またはｐ型）であり、第二半導体光閉じ込め層６がｐ型（またはｎ型）である例を示したが、第一半導体光閉じ込め層４及び第二半導体光閉じ込め層６はアンドープ層でもよい。
【００５９】
また、基板２として例えばＧａＡｓ基板を用いる場合、基板２上にIII-V族化合物半導体層５０として例えばＡｌＧａＡｓをエピタキシャル成長した後、ＡｌＧａＡｓを酸化して、絶縁層５を形成してもよい。また、絶縁層形成工程において、III-V族化合物半導体層の側面の一部を露出して、III-V族化合物半導体層を酸化させてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１…半導体光変調素子、２…基板、３…第一半導体クラッド層、４…第一半導体光閉じ込め層、５…絶縁層、６…第二半導体光閉じ込め層、７…第二半導体クラッド層、８…コンタクト層、９…保護膜、１１…第一電極、１２…第二電極、３１…第一アーム、３２…第一アーム、Ｋ１…第一ＭＭＩカプラ、Ｋ２…第二ＭＭＩカプラ、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ５，Ｐ６…光入力部、Ｐ３，Ｐ４，Ｐ７，Ｐ８…光出力部、Ｌ…光導波層、５０…III-V族化合物半導体層、
【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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