CN102200651A

CN102200651A - 光调制器和其制造方法

Info

Publication number: CN102200651A
Application number: CN2011100736308A
Authority: CN
Inventors: 大和屋武
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2011-09-28
Also published as: TW201140191A; TWI413826B; US20110235960A1; JP2011203662A

Abstract

本发明涉及光调制器及其制造方法。本发明的目的在于提供一种能减少光损失及驱动电压，且容易实现与半导体激光器的集成的光调制器。本发明的光调制器的特征在于，具有：调制区域，对光进行调制；以及无源区域，与该调制区域邻接，在该调制区域以及该无源区域形成有：半导体衬底；该半导体衬底上的n型包层；该n型包层上的核心层；以及该核心层上的p型包层，在该调制区域形成有：该p型包层；该p型包层上的接触层；以及该接触层上的P侧电极，在该无源区域中，在该核心层和该p型包层之间形成有无掺杂包层。

Description

光调制器和其制造方法

技术领域

本发明涉及具备对光进行调制的调制区域、和与调制区域邻接的无源（passive）区域的光调制器和其制造方法。

背景技术

作为光调制器的一个例子，对半导体马赫曾德尔调制器进行说明。半导体马赫曾德尔调制器的代表性的层构造是p-i-n构造。p-i-n构造是在InP等的半导体衬底上将n型包层、无掺杂的核心层、以及p型包层按该顺序进行层叠的构造。（例如，参照非专利文献1）。

当使用p-i-n构造时，会发生光损失，其原因为在p型包层中的价带间吸收。为了使光损失减少，可以考虑使核心层的层厚变厚、在核心层和p型包层之间形成无掺杂包层。例如在专利文献1中公开了一种在核心层和p型包层之间插入有厚度100nm的无掺杂包层（i-InP包层）的结构。当像这样使p-i-n构造中的无掺杂的层（p-i-n构造的i部分）变厚时，能减少p型包层的光损失。

此外，为了减少光损失也提出了一种将光调制器的层构造设为n-i-n构造的方案（例如，参照非专利文献2）。由于在该构造中没有p型包层，所以能消除在p型包层中的光损失。

专利文献

专利文献1：日本特开平7-191290号公报。

非专利文献

非专利文献1：N. Yoshimoto et al., Journal of Lightwave Technology, vol.17, no.9, pp. 1662-1669, 1999.

非专利文献2：K. Tsuzuki et al., Electronics Letters, vol.39, no.20, pp. 1464-1466, 2003。

对光调制器不仅要求光损失的减少也要求驱动电压的减少。即，从光调制器使用的驱动IC（驱动器）的输出振幅的限制、低功耗化的观点出发，希望为低驱动电压。

可是，如上所述在使p-i-n构造中的无掺杂的层变厚的情况下，难以满足低驱动电压的要求。即，由于当无掺杂的层变厚时无掺杂的层的电场变弱，所以在核心层发生的量子限制斯塔克效应（Quantum Confined Stark Effect: QCSE，量子限制斯塔克效应）导致的折射率变化变小。在该情况下，必须提高光调制时的驱动电压来引起期望的折射率变化。因此，在具有p-i-n构造的光调制器中存在无法减少光损失且成为低驱动电压的问题。

此外，在将光调制器设为n-i-n构造的情况下存在以下的问题。即，在将光调制器和半导体激光器单片地集成的情况下，由于半导体激光器使用p-i-n构造的情况较多，所以在光调制器为n-i-n构造的情况下制造方法会复杂化。因此在将光调制器设为n-i-n构造的情况下，存在难以将光调制器和半导体激光器单片地进行集成的问题。

发明内容

本发明正是为了解决如上所述的课题而完成的，其目的在于提供一种能减少光损失以及驱动电压、且容易与半导体激光器单片地进行集成的光调制器和其制造方法。

本发明是光调制器，其特征在于，具有：调制区域，对光进行调制；以及无源区域，与该调制区域邻接，在该调制区域以及该无源区域中，形成有：半导体衬底；该半导体衬底上的n型包层；该n型包层上的核心层；以及该核心层上的p型包层，在该调制区域中，形成有：该p型包层；该p型包层上的接触层；以及该接触层上的P侧电极，在该无源区域中，在该核心层和该p型包层之间形成有无掺杂包层。

本发明是光调制器的制造方法，该光调制器具有：调制区域，对光进行调制；以及无源区域，与该调制区域邻接，该光调制器的制造方法的特征在于，具备：在半导体衬底上将n型包层、核心层、下部无掺杂包层、蚀刻停止层、以及上部无掺杂包层按该顺序形成的工序；在该无源区域形成掩模，对该调制区域的该上部无掺杂包层进行蚀刻的工序；对该调制区域的该蚀刻停止层进行蚀刻的工序；除去该掩模，在该调制区域中在该下部无掺杂包层上，在该无源区域中在该上部无掺杂包层上，将p型包层以及接触层按该顺序形成的工序；除去该无源区域的该接触层的工序；以及在该调制区域的该接触层上形成P侧电极的工序。

根据本发明，可得到一种能够减少光损失以及驱动电压、且能够容易地与半导体激光器单片地进行集成的光调制器。

附图说明

图1是本发明的实施方式1的光调制器的平面图。

图2是图1的虚线X-X’的剖面图。

图3是对本发明的实施方式1的光调制器的制造方法进行说明的流程图。

图4是本发明的实施方式1的光调制器的制造过程的剖面图。

图5是对在本发明的实施方式1的光调制器的无源区域中的光损失进行模拟的结果。

图6是表示本发明的实施方式1的光调制器的其它的制造方法的剖面图。

图7是本发明的实施方式2的光调制器的剖面图。

图8是本发明的实施方式3的光调制器的剖面图。

图9是对本发明的实施方式3的光调制器的制造方法进行说明的流程图。

图10是本发明的实施方式3的光调制器的制造过程的剖面图。

具体实施方式

实施方式1

参照图1~图6对本发明的实施方式1进行说明。再有，存在对同一或者对应的结构要素附加同一符号而省略重复的说明的情况。

图1是本发明的实施方式1的光调制器10的平面图。在图1中表示的光调制器10是例如将光分离成2束之后再合波的半导体马赫曾德尔调制器。光调制器10具有对光进行调制的调制区域、和与调制区域邻接的无源区域。在调制区域形成有2根P侧电极12。此外，在无源区域形成有分支的形状的SiO₂保护膜14。P侧电极12和SiO₂保护膜14以连接的方式形成。P侧电极12和SiO₂保护膜14在高台（high mesa）型波导16的表面形成。调制区域的长尺寸方向的距离例如是1mm。在调制区域的前后邻接的无源区域的长尺寸方向的距离例如分别是1mm。因此，光调制器10的长尺寸方向的距离为3mm。此外，高台型波导16的波导宽度例如是1.8μm。

图2是图1的虚线X-X’的剖面图。如图2所示，在调制区域以及无源区域，在半导体衬底20上形成有n型包层22。半导体衬底20以n型InP衬底形成。此外n型包层22以n型InP层形成。n型包层22的层厚例如是200nm。在该n型包层22上形成有核心层24。核心层24以i-InGaAsP/InGaAsP多量子阱（MQW）形成。核心层24具有将厚度7nm的InGaAsP作为阱层、将厚度7nm组分波长（composition wavelength）1.1μm的InGaAsP作为势垒层（barrier layer）的30周期的多量子阱（MQW）构造。阱层的组分波长以MQW的光致发光（PL）波长为1.4μm的方式设定。

在核心层24上形成有p型包层28。再有，在无源区域中在核心层24和p型包层28之间形成有无掺杂包层26，对此在后面叙述。p型包层28以p型InP层形成。p型包层的层厚例如是1500nm左右。此外，p型包层28的载流子（carrier）浓度例如是1×10¹⁸cm^-3。进而，在半导体衬底20的下表面形成有N侧电极30。在调制区域和无源区域共同地形成的部分如上所述。

进而，在调制区域中，在p型包层28上形成有接触层32。接触层32以p型InGaAsP层形成。接触层32的层厚例如是500nm。在接触层32上形成有P侧电极12。

在无源区域中，在核心层24和p型包层28之间形成有无掺杂包层26。无掺杂包层26以无掺杂的InP层形成。无掺杂包层26的层厚例如是200nm。进而，在无源区域中，在p型包层28上形成有SiO₂保护膜14。本发明的实施方式1的光调制器10具备上述的结构。

接着，参照图3和图4对光调制器10的制造方法进行说明。图3是对本发明的实施方式1的光调制器10的制造方法进行说明的流程图。图4是本发明的实施方式1的光调制器10的制造过程的剖面图。之后，按照图3的流程图进行说明。首先，使用MOCVD法在半导体衬底20上形成n型包层22、核心层24、以及p型包层28。之后，在调制区域形成SiO₂掩模60（步骤50）。在图4A中表示在结束步骤50的阶段的剖面图。

当结束步骤50的处理时，使处理向步骤51前进。在步骤51通过蚀刻除去无源区域的p型包层28。当结束步骤51的处理时，使处理向步骤52前进。在步骤52，在无源区域形成无掺杂包层26。无掺杂包层26利用MOCVD法通过对接生长（butt joint growth）来形成。在图4B中表示在结束步骤52的阶段的剖面图。

当结束步骤52的处理时，使处理向步骤53前进。在步骤53中在除去SiO₂掩模60之后，进而使p型包层28生长。然后，在p型包层28上形成接触层32。p型包层28以及接触层32的形成使用MOCVD法。在图4C中表示在结束步骤53的阶段的剖面图。

当结束步骤53的处理时，使处理向步骤54前进。在步骤54用酒石酸水溶液和过氧化氢水溶液的混合液除去无源区域的接触层32。

当结束步骤54的处理时，使处理向步骤55前进。在步骤55用干法蚀刻形成高台型波导16。接着，在无源区域形成SiO₂保护膜14。之后，在调制区域的接触层32上形成P侧电极12。进而，通过研磨使半导体衬底20的下表面变薄，在半导体衬底的下表面形成N侧电极30，由此完成图1及图2中所示的光调制器10。

本发明的实施方式1的光调制器10的特征在于，在无源区域具备无掺杂包层26，但在调制区域不具备无掺杂包层26。无源区域的p型包层28的光分布通过无掺杂包层26而被减少。也就是说，从核心层24到达p型包层28的光的量减少。结果，由于p型包层28的价带间吸收减少，所以能减少光调制器10的光损失。另一方面，由于在调制区域不形成无掺杂包层26，所以p-i-n构造中的i层的层厚不会增加。结果，能防止光调制所需要的驱动电压的增加。即，能减少光调制器10的驱动电压。

图5表示对本发明的实施方式1的光调制器10的无源区域的光损失进行模拟的结果。如图5所示，当无掺杂包层26的层厚变大时光损失减少。特别在无掺杂包层26的层厚为100nm以上的情况下，能实现-1dB/mm左右以上的光损失的减少。另一方面，当无掺杂包层26的层厚变得过厚时，会产生结晶生长时的异常生长、光刻（photolithographic）的焦点异常等的问题。因此，在本发明的实施方式1中将无掺杂包层26的层厚设为200nm。根据具有200nm的层厚的无掺杂包层26，无源区域的长尺寸方向的每距离1mm能实现-1.44dB的损失减少。由于本发明的实施方式1的无源区域的长尺寸方向的距离为2mm，所以在光调制器10中能实现-2.88dB的光损失的减少。

像这样，根据本发明的实施方式1的光调制器10的结构，能减少光损失以及驱动电压。进而，由于光调制器10为p-i-n构造，所以能容易实现与半导体激光器的单片的集成。

本发明的实施方式1涉及光调制器，但是本发明也能对其它的装置应用。例如，对具有施加电压的有源区域（active region）、和与有源区域邻接的无源区域的半导体波长可变激光器也能应用本发明。在该情况下，如果在无源区域中在核心层和p型包层之间形成层厚为100nm以上的无掺杂包层的话，能得到本发明的效果。

例如，对具有施加电压的有源区域、和与有源区域邻接的无源区域的集成半导体光元件也能应用本发明。在该情况下，如果在无源区域中在核心层和p型包层之间形成层厚为100nm以上的无掺杂包层的话，能得到本发明的效果。

再有，关于光调制器10的制造方法并不限定于上述的制造方法。针对其它的制造方法参照图6进行说明。图6是表示本发明的实施方式1的光调制器10的其它的制造方法的剖面图。在该制造方法中，首先，在半导体衬底20上以MOCVD法将n型包层22、核心层24、p型包层28、以及接触层32按该顺序形成（图6A）。之后，在调制区域形成SiO₂掩模70，通过蚀刻除去无源区域的接触层32以及p型包层28（图6B）。之后，在无源区域采用MOCVD方法以对接生长的方式形成无掺杂包层26以及p型包层28。之后除去SiO₂掩模70（图6C）。之后，形成高台型波导16以及P侧电极12。然后，通过研磨使半导体衬底20变薄，形成N侧电极30，由此完成光调制器10。除此之外，只要不脱离本发明的范围，能够有各种各样的变形。

实施方式2

参照图7对本发明的实施方式2进行说明。图7是本发明的实施方式2的光调制器80的剖面图。如图7所示，在光调制器80的无源区域的核心层24和p型包层28之间形成有无掺杂包层82。无掺杂包层82的层厚例如是200nm。此外，在调制区域的核心层24和p型包层28之间，形成有比无掺杂包层82较薄地形成的薄无掺杂包层84。薄无掺杂包层84的层厚例如是10nm。无掺杂包层82以及薄无掺杂包层84都以无掺杂的InP层形成。再有，光调制器80的平面图如图1所示。

通常，为了减少光损失优选无掺杂包层厚，为了减少驱动电压优选调制区域的无掺杂包层薄。但是，当在调制区域不形成无掺杂包层时，可能产生不能充分减少光损失的情况。因此，在光调制器80中，在调制区域形成比无源区域的无掺杂包层82薄的无掺杂包层84。根据该结构能减少光损失。此外，由于上述的无掺杂包层84的层厚薄至10nm，所以能将驱动电压的上升抑制在轻微的程度。

再有，由于在薄的无掺杂包层84的层厚不足10nm的情况下难以得到光损失的减少效果，所以优选薄的无掺杂包层84的层厚为10nm以上。

实施方式3

参照图8~图10对本发明的实施方式3进行说明。图8是本发明的实施方式3的光调制器90的剖面图。如图8所示，在光调制器90的无源区域形成有：上部无掺杂包层96，与p型包层28相接；以及下部无掺杂包层92，与核心层24相接。上部无掺杂包层96以及下部无掺杂包层92以无掺杂的InP层形成。上部无掺杂包层96的层厚例如是200nm。此外，下部无掺杂包层92的层厚例如是10nm。下部无掺杂包层92延伸到调制区域的核心层24和p型包层28之间。但是上部无掺杂包层96不在调制区域中形成。

而且，在上部无掺杂包层96和下部无掺杂包层92之间形成有作为无掺杂层的蚀刻停止层94。蚀刻停止层94以无掺杂的InGaAsP层形成。蚀刻停止层94的层厚例如是20nm。此外，蚀刻停止层94的组分波长是1.2μm。蚀刻停止层94是能对无掺杂的包层（上部无掺杂包层96以及下部无掺杂包层92）选择性地进行蚀刻的层。本发明的实施方式3的光调制器90具备上述的结构。再有，光调制器90的平面图如图1所示。

接着，参照图9和图10对光调制器90的制造方法进行说明。图9是对本发明的实施方式3的光调制器90的制造方法进行说明的流程图。图10是本发明的实施方式3的光调制器90的制造过程的剖面图。之后，按照图9的流程图进行说明。首先，在半导体衬底20上将n型包层22、核心层24、下部无掺杂包层92、蚀刻停止层94、以及上部无掺杂包层96按该顺序形成（步骤100）。各层以MOCVD法形成。在图10A中表示在结束步骤100的阶段的剖面图。

当结束步骤100的处理时，使处理向步骤101前进。在步骤101，在无源区域形成SiO₂掩模98，用盐酸和磷酸水溶液的混合液对调制区域的上部无掺杂包层96进行蚀刻。此时，由于盐酸和磷酸水溶液的混合液相对于蚀刻停止层94的蚀刻速率极其小，所以能使蚀刻在蚀刻停止层94的上表面停止。接着，对调制区域的蚀刻停止层94也进行蚀刻。该蚀刻使用酒石酸水溶液和过氧化氢水溶液的混合液。在图10B中表示在结束步骤101的阶段的剖面图。

当结束步骤101的处理时，使处理向步骤102前进。在步骤102首先除去SiO₂掩模98。然后，在调制区域中在下部无掺杂包层92上，在无源区域中在上部无掺杂包层96上，将p型包层28和接触层32按该顺序形成。这些层以MOCVD法形成。在图10C中表示在结束步骤102的阶段的剖面图。

当结束步骤102的处理时，使处理向步骤103前进。在步骤103以酒石酸水溶液和过氧化氢水溶液的混合液除去无源区域的接触层32。

当结束步骤103的处理时，使处理向步骤104前进。在步骤104以干法蚀刻形成高台型波导16。接着，在无源区域形成SiO₂保护膜14。之后，在调制区域的接触层32上形成P侧电极12。进而，通过研磨使半导体衬底20的下表面变薄，在半导体衬底20的下表面形成N侧电极30，由此完成在图8中表示的光调制器90。

在本发明的实施方式3的光调制器90的制造方法中，由于蚀刻停止层94覆盖下部无掺杂包层92，所以在上部无掺杂包层96蚀刻时下部无掺杂包层92不被蚀刻。因此，在调制区域能形成期望的层厚的下部无掺杂包层92。

附图标记的说明

10 光调制器； 12 P侧电极； 14 SiO₂保护膜； 16 高台型波导； 20 半导体衬底； 22 n型包层； 24 核心层； 26 无掺杂包层； 28 p型包层； 30 N侧电极； 32 接触层。

Claims

1. 一种光调制器，其特征在于，

具有：调制区域，对光进行调制；以及无源区域，与所述调制区域邻接，

在所述调制区域以及所述无源区域中，形成有：

半导体衬底；

所述半导体衬底上的n型包层；

所述n型包层上的核心层；以及

所述核心层上的p型包层，

在所述调制区域中，形成有：

所述p型包层；

所述p型包层上的接触层；以及

所述接触层上的P侧电极，

在所述无源区域中，在所述核心层和所述p型包层之间形成有无掺杂包层。

2. 根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于，所述无掺杂包层的层厚为100nm以上。

3. 根据权利要求1或2的任一项所述的光调制器，其特征在于，在所述调制区域中，在所述核心层和所述p型包层之间形成有比所述无掺杂包层还薄的薄无掺杂包层。

4. 根据权利要求3所述的光调制器，其特征在于，所述薄无掺杂包层的层厚为10nm以上。

5. 根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于，

所述无掺杂包层具备：上部无掺杂包层，与所述p型包层相接；以及下部无掺杂包层，与所述核心层相接，

在所述上部无掺杂包层和所述下部无掺杂包层之间形成有无掺杂层，

所述下部无掺杂包层延伸到所述调制区域的所述核心层和所述p型包层之间。

6. 一种光调制器的制造方法，所述光调制器具有：调制区域，对光进行调制；以及无源区域，与所述调制区域邻接，该光调制器的制造方法的特征在于，具备：

在半导体衬底上将n型包层、核心层、下部无掺杂包层、蚀刻停止层、以及上部无掺杂包层按该顺序形成的工序；

在所述无源区域形成掩模，对所述调制区域的所述上部无掺杂包层进行蚀刻的工序；

对所述调制区域的所述蚀刻停止层进行蚀刻的工序；

除去所述掩模，在所述调制区域中在所述下部无掺杂包层上，在所述无源区域中在所述上部无掺杂包层上，将p型包层以及接触层按该顺序形成的工序；

除去所述无源区域的所述接触层的工序；以及

在所述调制区域的所述接触层上形成P侧电极的工序。