JP2018189780A - 化合物半導体系光変調素子 - Google Patents

Abstract

【課題】化合物半導体基板上に形成された半導体光変調素子において、ｐ型層を高精度に制御して積層可能な層構造として、高速な半導体系光変調素子を実現する。【解決手段】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶基板の上に形成された半導体光変調素子であって、前記結晶基板の面上に少なくとも第１のｎ型クラッド層、ノンドープコア層、ｐ型クラッド層、第２のｎ型クラッド層が形成され、前記第１または第２のｎ型クラッド層の少なくとも一方のＶ族元素にはＰ（燐）が含まれ、前記ｐ型クラッド層のＶ族元素はＡｓ（ヒ素）のみから構成され、前記ｐ型クラッド層のドーパントとしてＣ（炭素）を用いることを特徴とする半導体光変調素子とした。【選択図】図３

Description

本発明は光通信分野に関し、特に高速な光変調器として機能する化合物半導体系光変調素子に関する。

光通信分野においては光通信容量の増大に加えて、そこで用いられる光デバイスの小型・低消費電力化が求められている。マッハ・ツェンダ型（ＭＺ）光変調器は、それらの特性を司る重要な要素デバイスとして挙げられ、多くの研究開発が進められてきた。従来よりニオブ酸リチウム（ＬＮ）などを材料とする光変調器が開発されてきたが、特に近年では更なる小型・低消費電力化を実現すべく、ＩｎＰをはじめとする化合物半導体系の材料を用いた光変調器が注目を集めている。

化合物半導体光変調器の特徴に関して、以下で簡単に説明する。化合物半導体は２以上の元素の化合物からなる半導体であって、光変調器として動作させるためには、半導体接合に印加される変調電気信号の電界と伝搬光の相互作用を利用する。半導体接合は一般に、光を閉じ込めるコア層を不純物（ドーパント）を添加しないノンドープ層（ｉ型層）として、当該ｉ型層をｐ型及びｎ型のクラッド層で挟んだｐｉｎ構造とする。このｐｉｎ構造に、変調電気信号を重畳した逆バイアス電圧を印加することで、電気と光の強い相互作用に基づき光の位相を変化させて光変調を実現している。

以下では化合物半導体の中でも特に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の一つであるＩｎＰ（インジウム燐）系材料を用いたデバイス構造に関して説明する。

ＩｎＰ系材料においては通常、ｐ型半導体を形成するｐ型ドーパントとして、亜鉛（Ｚｎ）又はベリリウム（Ｂｅ）が用いられ、ｎ型半導体を形成するｎ型ドーパントとしては、シリコン（Ｓｉ）やセレン（Ｓｅ）、硫黄（Ｓ）が用いられる。このように形成されたｐ型半導体では、ｎ型半導体に比べて材料の電気抵抗率及び光学吸収率がおよそ一桁以上高いため、変調動作の高速化、低光損失化に大きな課題を有している。加えて、ｐ型半導体と電極との接触面積はｎ型に比べて小さいため、コンタクト抵抗が増大してしまい、帯域劣化を招いている。

これら課題を解決すべく、前記ｐ型半導体をｎ型半導体に置換し、電流ブロック層として機能する薄膜ｐ型層を挿入した、ｎｐｉｎ型構造の光変調器が提案されている（例えば下記特許文献１）。当該ｎｐｉｎ型構造では光損失が大きいｐ型クラッドを使わないため、比較的長い導波路を用いることが可能となる。また、空乏層の厚さを任意に最適設計できるという自由度があるため、駆動電圧の低減と電気速度／光速度の整合を同時に満足しやすく、光変調器の応答速度を上げるうえで有利である。

なお、前記ｎｐｉｎ構造は電圧印加時に薄膜ｐ型層を電流ブロック層として用いる為、その電気的特性は当該薄膜ｐ型層の特性に大きく依存する。この薄膜ｐ型層は光学損失の影響が小さく、且つ電気的な耐圧が担保できる範囲で層厚が決定され、通常は５０〜１００ｎｍの厚さとなる。

特許第４０４７７８５号公報 特許第５４９７６７８号公報

しかしながら、実際の素子作製においては、当該薄膜ｐ型層を高精度に制御して積層することは困難である。その主な理由として、前述したＩｎＰ系材料で最も多用されるｐ型ドーパントのＺｎは熱拡散係数が大きく、結晶堆積後の作製プロセス等に置いて熱処理（エピタキシャル成長温度：600度程度）が加わることで、当該ｐ型層を起点に他の層にＺｎが拡散してしまうためである。結果的に、例えば当該ｐ型層に隣接するノンドープ層の一部がｐ型化してしまい、所望の空乏領域（電気的容量）が得られないだけでなく、光学損失増大を招く恐れも生じる。また、前記ｐ型層が薄膜の場合には拡散後のｐ型層の不純物濃度が低下してしまい、所望の耐圧確保が困難となることや、ウエハ面内での電気的特性のバラつきが大きくなることが懸念される。

また、ｐ型ドーパントとしてはＺｎよりも拡散係数の小さいＢｅもあるが、Ｂｅは有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）の工程において成長炉内へのドーパントのメモリ効果が懸念されるため、製造の観点で課題が残る。なお、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）においてはＢｅが用いられるが、変調器の製造プロセス上、製造過程で高温アニール処理（ＭＢＥよりも成長温度が１５０度以上高いＭＯＣＶＤによる結晶再成長）が加わるため、Ｚｎ同様やはりＢｅでも拡散が懸念される。

さらに、ＩｎＰ系材料のｐ型ドーパントとしては、ＩＶ族元素のＣ（炭素）も知られている。図１は、従来のＣドープＩｎＰ系光デバイスの層構造例の１つであり、Ｃドープp＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６がＺｎドープｐ型ＩｎＰクラッド層５の上に設けられた例である。光デバイスの構造としては、図１の下層から順に、半絶縁性ＩｎＰ基板１、Ｓｉドープｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２、（Ｓｉドープ）ｎ型ＩｎＰクラッド層３、ノンドープコア・クラッド層４からなる。

また、図２は従来のＣドープＩｎＰ系光デバイスの層構造の別の例であり、図１と同様な光デバイス構造の上に、Ｃドープｐ−型ＩｎＡｌＡｓクラッド層７、Ｚｎドープｐ型ＩｎＰクラッド層５、Ｚｎドープｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８からなる 。

しかし、これら従来のＣドープｐ型層は何れもＺｎドープのＰ系化合物半導体（ｐ型）とともに用いられているため前述のＺｎドープの問題点を有しており、Ｐ系化合物結晶とＡｓ系化合物結晶の間の界面状態の高精度な制御が困難であり、却って電気的特性劣化を招きかねないものであった。結果的に、本来の特長である拡散係数が小さいという利点以上にプロセス上の課題が多く、実用的なデバイスへの応用には至っていない。無論、ＩＱ光変調器を構成するＭＺ変調器に対しては専らｐ型層のドーパントはＺｎが主流である。

以上のことから、現状生産されている化合物半導体光変調器のｐ型ドーパントは依然としてＺｎが用いられており、ｎｐｉｎ構造の光変調器においても同様な問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、
化合物半導体基板上に形成された半導体光変調素子において、ｐ型層を高精度に制御して積層可能な層構造として、高速な半導体系光変調素子を実現することにある。

本発明の化合物半導体系光変調素子は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。
（発明の構成１）
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶基板の上に形成された半導体光変調素子であって、
前記結晶基板の面上に少なくとも第１のｎ型クラッド層、ノンドープコア層、ｐ型クラッド層、第２のｎ型クラッド層が形成され、
前記第１または第２のｎ型クラッド層の少なくとも一方のＶ族元素にはＰ（燐）が含まれ、
前記ｐ型クラッド層のＶ族元素はＡｓ（ヒ素）のみから構成され、
前記ｐ型クラッド層のドーパントとしてＣ（炭素）を用いる
ことを特徴とする半導体光変調素子。
（発明の構成２）
前記ｐ型クラッド層の結晶組成がＩｎＡｌＡｓである
ことを特徴とする発明の構成１に記載の半導体光変調素子。
（発明の構成３）
前記ノンドープコア層及び前記ｐ型クラッド層が前記第１および第２のｎ型クラッド層の間に挟まれ、前記ノンドープコア層をｉ型として、上層から前記結晶基板の基板面に向かってｎ−ｉ−ｐ−ｎ又はｎ−ｐ−ｉ−ｎの順に積層されている
ことを特徴とする発明の構成１または２に記載の半導体光変調素子。
（発明の構成４）
前記結晶基板はＩｎＰであり、前記第１または第２のｎ型クラッド層の少なくとも一方にＩｎＰを含む
ことを特徴とする発明の構成１から３のいずれか１項に記載の半導体光変調素子。
（発明の構成５）
発明の構成１から４のいずれか１項に記載の半導体光変調素子が、マッハ・ツェンダ干渉型の光回路のアーム光導波路に形成された位相変調器を構成することを特徴とする、マッハ・ツェンダ型光変調器。

以上記載の本発明によれば、化合物半導体結晶基板上に形成された半導体光変調素子において、ｐ型層を高精度に制御して積層可能な層構造となり、高速な半導体系光変調素子を実現することが可能となる。

従来のＣドープＩｎＰ系光デバイスの層構造例１を示す図である。 従来のＣドープＩｎＰ系光デバイスの層構造例２を示す図である。 本発明の実施例１として作製した、半導体光変調素子の断面図である。 本発明の実施例２として作製した、半導体光変調素子の断面図である。 本発明の実施例３であるマッハ・ツェンダ型光変調器の概略平面図である。 図５中のＶＩ−ＶＩにおける光変調器断面の構造概要を示す図である。 図５中のＶＩＩ−ＶＩＩにおける光変調器断面の構造概要を示す図である。 図５中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩにおける光変調器断面の構造概要を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体系光変調素子において、Ｃ（炭素、カーボン）をｐ型ドーパントとして用いる点に主たる特徴の１つを有する。Ｃをｐ型ドーパントとして用いる際に考慮すべき点が、下記の３点ある。
（１） ＣはＺｎやＢｅ等のｐ型ドーパントの中で最も拡散係数の小さいドーパントである。

このため、ドーピング後の熱処理などによるドーパントの拡散を抑えることができる。
（２）ＣはＺｎやＢｅ等のｐ型ドーパントの中で最も活性化率が高いドーパントとして知られている。

即ち、ある一定のキャリア濃度を得るためにドーピングする不純物原子の絶対数を減らすことができるため、単位長さあたりの光学的材料吸収量を減らすことができる。これはレーザー等よりも導波路長が長く、光学損失低減が求められる半導体光変調素子においては大変有利な点である。
（３）ＣをドーパントとしてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体をｐ型化させるためには、結晶のＶ族サイトに燐（Ｐ）を含まない組成である必要がある。

これは、ＣはＩＶ族元素であるので、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に対しては、化合物の元素の組み合わせによりｐ型にもｎ型にもなる両性ドーパントとして作用するためである。このため、Ｃをｐ型ドーパントとして機能させるためには、Ｖ族にＰを含まない、例えばＶ族がヒ素（Ａｓ）のみからなる（ヒ素系化合物）ＩｎＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓ等の化合物半導体である必要がある。一般に、Ｐを含んだ化合物結晶（Ｐ系化合物）では、Ｃをドープすることでｐ型ではなくｎ型化することが知られているからである。

これらの結晶は主にＧａＡｓ基板上デバイスにおいて用いられることが多く、図１、図２の従来例について述べたように、ＩｎＰ基板上デバイスへのｐ型ドーパントとしてのＣの応用は限定的である。前述のように、ＩｎＰ光デバイスへのＣドープの応用例としては、従来より例えば高濃度ｐ型コンタクト層などとしてＩｎＧａＡｓのようなコアのバンドギャップよりも小さい組成結晶に対してＣをドープしたり（図１）、ノンドープコア層とＺｎドープのｐ型ＩｎＰクラッドなどの間にＣドープのｐ型ＩｎＡｌＡｓ層を挟んで、ノンドープ層へのＺｎ拡散を防止することを目的としたもの（図２）が挙げられる。

しかし、これら従来のＣドープｐ型層は何れもＺｎドープのＰ系化合物半導体（ｐ型）とともに用いられているため、前述のＺｎドープの問題点を有しており、Ｐ系化合物結晶とＡｓ系化合物結晶の間の界面状態の高精度な制御が困難であり、却って電気的特性劣化を招きかねないものであった。結果的に、前述のように本来の特長である拡散係数が小さいという利点以上にプロセス上の課題が多く、実用的なデバイスへの応用には至っていない。無論、ＩＱ光変調器を構成するＭＺ変調器に対しては専らｐ型層のドーパントはＺｎが主流である。

一方、本発明に係る光変調器ではｐ型半導体は電流ブロックとしての機能のみを果たせばよいため、前述のようにＺｎドープのＰ系化合物半導体と組み合わせて堆積する必要が無い。即ちプロセス上の課題も少なく、Ｚｎドーピングの場合と比べて高精度な制御が可能であり、光学損失及び電気特性の改善が見込まれる。

（実施例１）
図３に、本発明の実施例１として作製した、半導体光変調素子の断面図を示す。
図３の実施例１の半導体光変調素子は、半絶縁性ＩｎＰ基板３１上に、ｎｉｐｎ型の半導体層構造の構成を有する。具体的には半導体層は上層から、ｎ型コンタクト層３７、ｎ型クラッド層３５、ノンドープコア・クラッド層３４（ｉ型）、電流障壁となる薄膜のｐ型クラッド層３６、ｎ型クラッド層３３、ｎ型コンタクト層３２の順にＩｎＰ基板３１上に積層されている。

例えばｎ型コンタクト層３２、３７はキャリア濃度が１Ｅ＋１９ｃｍ^-3のＳｉドープＩｎＧａＡｓとし、ｎ型クラッド層３３，３５はキャリア濃度が１Ｅ＋１８ｃｍ^-3のＳｉドープＩｎＰとする。また、ｐ型クラッド層３６のキャリア濃度は光吸収係数及び電子障壁となるポテンシャルエネルギーから鑑みて５Ｅ＋１７〜１Ｅ＋１８ｃｍ^-3のＩｎＡｌＡｓとした。このＩｎＡｌＡｓｐ型クラッド層３６でＣをｐ型ドーパントとすべく、原料にはＣＢｒ₄を用いた。

このＣドープのＩｎＡｌＡｓｐ型クラッド層３６の層厚は、ウエハ面内で十分な電気耐圧が確保され、且つ光学・ＲＦ損失が十分小さい範囲で決定される。具体的には、ウエハ面内のドーピング濃度及び層厚バラつき（例えば±１０％）を加味して、最低でも５０ｎｍ以上が望ましく、損失が無視できる厚さ（例えば２００ｎｍ）以下が望ましい。なお、本実施例１では十分に耐圧が確保できる厚さとして、１００ｎｍとした。

結晶成長はＭＢＥにより、半絶縁性ＩｎＰ（１００）基板３１上に堆積した。コア層３４のバンドギャップ波長は、動作光波長で高効率に電気光学効果を有効に作用させ、且つ光吸収が問題にならない範囲で決定させる。例えば１．５５ミクロン帯の場合には、コア層３４の発光波長を１．４ミクロンメートル程度とする。コア層３４は高効率変調の観点で望ましくはＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの多重量子井戸構造で形成させるが、例えばＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰのような多重構造としても本発明の有用性が失われないことは明らかである。

また、ｐ型層３６以外のコンタクト層、クラッド層の組成は上記に限定されず、例えばＩｎＧａＡｓＰ組成を用いたとして問題ない。ｐ型層３６としては、ＩｎＡｌＡｓ以外にもＶ族がＡｓのみからなり、ＩｎＰよりもバンドギャップの大きいＩｎＧａＡｌＡｓなどを用いても問題ない。なお、上記組成結晶は基本的にＩｎＰと格子整合したものであるが、臨界膜厚に達しない範囲で組成を格子整合条件から変化させても問題ない。また結晶成長法はＭＢＥに限らず、例えばＭＯＣＶＤを用いても本発明の有用性は失われない。

（実施例２）
図４には、本発明の実施例２として作製した、半導体光変調素子の断面図を示す。

図４の実施例２では、図３の実施例１と同じ層には同じ番号を付しているが、実施例１と異なりＣドープのｐ型クラッド層３６をノンドープコア・クラッド層３４の上層に堆積した、ｎｐｉｎ型の層構造を採用している。このような層構造でも本発明の有用性は変わらない。この場合、逆方向バイアス電圧印加時の電源極性がｎｉｐｎ型とは逆になること、及び変調効率の観点で変調器の導波路ストライプ方向がｎｉｐｎ型の場合と９０度異なる点に注意する必要がある（特許文献２参照）。

（実施例３：マッハ・ツェンダ型光変調器）
図５には、本発明の実施例３であるマッハ・ツェンダ型光変調器の概略平面図を示す。

実施例３のマッハ・ツェンダ型光変調器は、光導波路５３から入力された光信号を上下のアーム光導波路に二分岐して、それぞれのアーム光導波路に設けられた位相変調器５２により光位相変調した後、合波して光出力するマッハ・ツェンダ干渉計型の光回路構成である。各位相変調器５２は実施例１ないし２の半導体光変調素子により構成されている。図５には、バイアス電圧印加用の電極５１も図示されている。

図５の光変調器の製造工程としては概略、まず基板上に図３または図４の半導体光変調素子に対応する層構造を成膜する。その後、素子間の電気分離を目的として変調に寄与しない領域の上部ｎ型クラッド層３５およびｎ型コンタクト層３７をドライエッチング及びウェットエッチングで除去する。また、光学損失低減の観点から当該除去箇所を更に半絶縁性ＩｎＰによって埋め戻す（後述の図７、図８も参照）。

その後、図５に示すように［０１１］面方向と等価な方向に形成されたＳｉＯ₂からなるＭＺ干渉計導波路パターンを形成し、ドライエッチング加工を用いてハイメサ形状光導波路５３を形成する。なお、前記光導波路５３はハイメサ形状以外にも例えばリッジ形状の導波路を用いても問題ない。続いて下層ｎ型クラッドにバイアス電圧を印加させるために、ドライ・ウェットエッチングを更に行い、下層ｎ型コンタクト層の一部を露出させ、その上にバイアス電圧印加用の電極５１を形成する。その後、高周波電極パターンを金メッキ法により形成してマッハ・ツェンダ型光変調器とする。

図６は、実施例３図５中のＶＩ−ＶＩにおける光変調器の断面の構造概要を示す図である。図５のマッハ・ツェンダ型光変調器の２本のアーム光導波路の断面が同一構造で示されている。各アームの断面構造（６１〜６７）は、位相変調器５２の電極６８のほかは、実施例１の図３の半導体光変調素子の断面構造に対応している。

図７は、実施例３図５中のＶＩＩ−ＶＩＩにおける変調素子断面の構造概要を示す図である。図５の位相変調器５２は無い部分であるため、図６にあった電極６８はなく、上部のｎ型クラッド層６５、コンタクト層６７の代わりに（Ｆｅドープ）半絶縁性ＩｎＰクラッド層７５で覆われた２本の光導波路の主要構造と、バイアス電圧印加用電極５１の断面の構造概要が示されている。

図８は、実施例３図５中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩにおける変調素子断面の構造概要を示す図である。図７と同様の、但し合波した後の１本の光導波路の断面が示されている。

位相変調器５２の高周波電極は、高速化の観点で進行波型（分布定数型）が望ましいが、例えば集中定数型電極を用いたとしても本発明の有用性は失われない。

以上記載の本発明によれば、化合物半導体基板上に形成された半導体光変調素子において、ｐ型層を高精度に制御して積層可能として、高速な化合物半導体光変調素子を実現することが可能となる。

１、３１、６１ 半絶縁性ＩｎＰ基板
２、３２、３７、６２、６７ Ｓｉドープｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
３、３３，３５、６３，６５ （Ｓｉドープ）ｎ型ＩｎＰクラッド層
４、３４、６４ ノンドープコア・クラッド層
５ Ｚｎドープｐ型ＩｎＰクラッド層
６ Ｃドープｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
７ Ｃドープｐ−型ＩｎＡｌＡｓクラッド層
８ Ｚｎドープｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
３６、６６ Ｃドープｐ型クラッド層
５１ バイアス電圧印加電極
５２ 位相変調器
５３ 光導波路
６８ 電極
７５ （Ｆｅドープ）半絶縁性ＩｎＰクラッド層

Claims (5)

1. ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶基板の上に形成された半導体光変調素子であって、
   前記結晶基板の面上に少なくとも第１のｎ型クラッド層、ノンドープコア層、ｐ型クラッド層、第２のｎ型クラッド層が形成され、
   前記第１または第２のｎ型クラッド層の少なくとも一方のＶ族元素にはＰ（燐）が含まれ、
   前記ｐ型クラッド層のＶ族元素はＡｓ（ヒ素）のみから構成され、
   前記ｐ型クラッド層のドーパントとしてＣ（炭素）を用いる
   ことを特徴とする半導体光変調素子。
2. 前記ｐ型クラッド層の結晶組成がＩｎＡｌＡｓである
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体光変調素子。
3. 前記ノンドープコア層及び前記ｐ型クラッド層が前記第１および第２のｎ型クラッド層の間に挟まれ、前記ノンドープコア層をｉ型として、上層から前記結晶基板の基板面に向かってｎ−ｉ−ｐ−ｎ又はｎ−ｐ−ｉ−ｎの順に積層されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光変調素子。
4. 前記結晶基板はＩｎＰであり、前記第１または第２のｎ型クラッド層の少なくとも一方にＩｎＰを含む
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体光変調素子。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体光変調素子が、マッハ・ツェンダ干渉型の光回路のアーム光導波路に形成された位相変調器を構成することを特徴とする、マッハ・ツェンダ型光変調器。

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