CN107615140A - 半导体光调制元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能作为超高速且电稳定性优异的调制器来使用的马赫‑策德尔型(MZ)半导体光调制元件。本发明的半导体光调制元件是通过对在光波导进行导波的光的折射率进行调制的折射率调制区域以及进行在该折射率调制区域分支的光的合分波的输入输出区域来进行光的调制的马赫‑策德尔型半导体光调制元件，其特征在于，所述光波导在折射率调制区域中，在与闪锌矿型半绝缘性的半导体晶体基板的(100)面等效的基板面上，从上层层叠有n型包层、i芯层以及p型包层，所述n型包层在倒置台面方向形成为脊状，在该n型包层上设有电容加载电极。

Description

半导体光调制元件
技术领域
本发明涉及一种光通信领域中的作为高速的光调制器来发挥功能的半导体光调制元件。
背景技术
除了要求光通信容量的增大以外，还要求为此所使用的光器件的小型、低耗电化。作为掌控这些特性的重要的要素器件，可以举出马赫-策德尔型(MZ：Mach-Zehnder)光调制器，且进行了大量的研发。特别是近年来，为了实现进一步的小型、低耗电化，从以铌酸锂(LN)为材料的光调制器变为了以InP为代表的化合物半导体材料的光调制器受到关注。
关于化合物半导体光调制器的特征，以下简单进行说明。为了使之作为光调制器来动作而利用电(电场)与传输光的相互作用。一般而言，将封入光的芯层设为非掺杂层，从上层依次通过p型以及n型的包层夹住该层，并施加反向偏置电压，由此，实现光与电的强相互作用。再者，此处所使用的p型半导体与n型半导体相比，材料的电阻率以及光学吸收率大约高一个数量级以上，因此，在调制动作的高速化、低光损耗化方面存在较大的问题。此外，由于p型半导体与电极的接触面积同n型相比相当小，因此，接触电阻增大会导致进一步的频带劣化。为了解决这些问题，此前实行过以下所示的两种方案的途径(半导体层的改良、电极构造的改良)。
作为基于半导体层改良的途径，过去提出过如图1所示的剖面构造的半导体光调制元件(例如专利文献1、2)。图1所示的半导体光调制元件在基板10上层叠有高台面形状的波导构造。在图1中，使用了高台面波导，但通常，在半导体的MZ调制器中，为了加强光电的相互作用来降低寄生电容，是一般的构成。信号电极16隔着n型接触层15设于波导构造上。接地电极17被设于n型包层11上。图1是将非掺杂层12的上下的包层11、14设为n型，并插入了薄的p型层来作为用于抑制两个n层间的电子电流的载流子阻挡层13的npin型光调制器。该npin型不使用光损耗大的p型包层，因此能够使用较长的波导。此外，由于具有能任意地对过流层的厚度进行最佳设计的自由度，因此，容易同时满足驱动电压的降低和电速度/光速度的匹配，有利于提高调制器的响应速度。需要说明的是，图2中示出了通过计算模拟来计算出的npin层构造的RF频带特性。
然而，在如图1所示的具有高台面形状的npin型调制器中，可以举出抗电涌性的波动大、调制动作的不稳定性的问题。抗电涌性波动的主要原因是：通过由干刻加工造成的对波导侧壁的损伤，使p型半导体的作为载流子阻挡层的功能降低。具体而言，调制动作的不稳定性会存在如下问题：产生调制效率的入射光功率依赖性、产生调制效率的偏压依赖性、耐压降低等。对此，可以认为主要原因是空穴载流子集中地蓄积在高台面波导的p层。即，空穴载流子集中地蓄积在高台面波导内的p层，由此，恐怕会产生调制效率的光功率、偏压依赖性，或耐压恐怕会降低等。针对这些问题，此前提出过各种方案(专利文献3、4)，但均要求复杂的构造、材料电阻的最优化，因此，仍然存在很多作为实用器件的问题。其结果是，在目前的研发中，基于电稳定性的观点，采用一直以来的pin构造的研究单位占据了大半(非专利文献1)。
需要说明的是，除此以外，以降低接触电阻为目标，还提出过将上层包层设为n型、将下层包层以及基板设为p型的(nip构造)电场吸收型(EA)调制器(专利文献5)。但是，一般而言，EA调制器的电极构造为集中常数型，因此，无需满足特性阻抗以及光波与微波的速度匹配条件。另一方面，在电极长度比EA调制器长出大约一个数量级的MZ调制器中，如果只是单纯地仅使半导体层构造反转，则不能说调制频带的改善充分。这从如下的情况也可以明显地看出，即，当比较图2的p-i-n与n-i-p时，至多只能预计有5GHz左右的频带改善。此外，如专利文献4所示，在使用了导电性基板(P型基板)的情况下，寄生电容与半绝缘性基板相比变大，因此，要将该技术直接转用在使用行波型电极构造的MZ调制器时，仍然会存在问题。
作为基于电极构造改良的途径，提出过如图3所示的剖面构造(例如非专利文献1)。图3采用了如下的电容加载电极构造，即，以具有剖面积大的电极的共面带线作为主线路，在光波导上附加以与微波相比足够短的长度隔开的集中常数电极(容量)。在p型包层19上隔着p型接触层20设有信号电极16和接地电极17。由此，除了能期待由主线路的低损耗化带来的高速化以外，还可以独立地控制特性阻抗和速度匹配条件，因此，设计的自由度非常高。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-233710号公报
专利文献2：日本特开2005-099387号公报
专利文献3：日本特开2005-114868号公报
专利文献4：日本特开2008-107468号公报
专利文献5：日本特开平8-122719号公报
非专利文献
非专利文献1：R.Kaiser,et al.“High Performance Travelling Wave Mach-Zehnder Modulators for Emerging Generations of High Capacity Transmitter”ComponentsInternational Conference on.Transparent Optical Networks ICTON2013,We.D2.2
发明内容
发明所要解决的问题
然而，图3所示的电极构造只不过是仅适用于从上层具有pin构造的半导体元件中，没有达到由半导体层以及电极构造双方的最优化带来的极度的高速调制动作化。此外，在pin构造中，在[0＊1]面方向形成波导，因此，为了对上部的包层如图3所示垂直地进行蚀刻加工，必须使用干刻工艺。需要说明的是，在本说明书中，对于晶面的标识，以星号(＊)表示的数字是“在1上标上划线”的意思。是因为，湿刻工艺中会变为所谓的正向台面方位，因此加工形状会成为梯形形状而导致电特性劣化。因而，无法确保蚀刻深度的控制性，此外，恐怕会导致由加工时的界面损伤造成的光学特性劣化、电不稳定动作。
如此，在npin层构造的高台面波导型光调制元件中，仍然存在对于电涌和不稳定动作方面的问题，以往的电容加载型光调制元件中因具有高接触电阻和材料电阻的上层的p型包层而对高速化存在不良影响且要求脊型波导加工时的高加工精度。
本发明是鉴于上述以往的问题而完成的，其目的在于提供一种能作为超高速且电稳定性优异的调制器来使用的马赫-策德尔型(MZ)半导体光调制元件。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，一个实施方式中记载的发明是一种通过对所导波的光的折射率进行调制的折射率调制区域、以及进行在该折射率调制区域分支的光的合分波的输入输出区域来进行光的调制的马赫-策德尔型半导体光调制元件，其特征在于，所述光波导在折射率调制区域中，在与闪锌矿型半绝缘性的半导体晶体基板的(100)面等效的基板面上，层叠有p型包层、i芯层以及n型包层，所述n型包层以及所述InP包层在倒置台面方向形成为脊状，在折射率调制区域在该n型包层上设有电容加载电极。
附图说明
图1是表示以往的半导体光调制元件的构成的一例的图。
图2是表示具有共面电极构造的光调制器的RF频带的层构造依赖性的图。
图3是表示以往的半导体光调制元件的构成的另一例的图。
图4是本发明的半导体光调制元件的俯视图。
图5是表示半导体光调制元件的折射率调制区域的剖面的图。
图6是表示半导体光调制元件的输入输出区域的剖面的图。
图7是表示实施例2的半导体光调制元件的折射率调制区域的图。
图8是表示实施例2的半导体光调制元件的输入输出区域的剖面的图。
图9是表示实施例2的半导体光调制元件的输入输出区域的剖面的图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行详细说明。
图4是本发明的半导体光调制元件的俯视图，图5是半导体光调制元件的折射率调制区域(V-V’)的剖面图，图6是作为半导体光调制元件的不对光的折射率进行调制的部分的输入输出区域(VI-VI’)的剖面图。所谓折射率调制区域，是指通过施加电信号来在芯层引起二次的光学效应而对芯层的折射率进行调制的区域。如图4所示，本发明的半导体光调制元件被作为在上表面形成有电容加载型的行波电极图案(traveling-wave electrodepattern)P的马赫-策德尔型光波导L构成。
如图4所示，光波导是通过对所导波的光的折射率进行调制的折射率调制区域、以及进行在该折射率调制区域分支的光的合分波的输入输出区域来进行光的调制的马赫-策德尔型半导体光调制元件，所述光波导具备如下的构成，即，在折射率调制区域，在与闪锌矿型半绝缘性的半导体晶体基板10的(100)面等效的基板面上，从上层层叠有n型包层14、i芯层12以及p型包层19，所述n型包层14在倒置台面方向形成为脊状，在该n型包层14上设有电容加载电极(capacitance loaded electrode)。优选如图6所示，光波导在不对光的折射率进行调制的部分，在与闪锌矿型半绝缘性的半导体晶体基板10的(100)面等效的基板面上，从上层层叠有半绝缘性的InP包层22、i芯层12以及p型包层19。闪锌矿型半绝缘性的半导体晶体基板10例如可以使用InP基板。
例如，在与闪锌矿型半绝缘性的半导体晶体基板10的(100)面等效的基板面上，从上层依次层叠n型包层14、i芯层12以及p型包层(p型载流子阻止层)19，在去除不对光的折射率进行调制的部分的n型包层14而用半绝缘性的InP包层22回填后，在与[011]面方向等效的方向对包层实施马赫-策德尔型波导形状的蚀刻，由此，光调制波导的包层能形成为在倒置台面方向呈脊状。在折射率调制区域中，在该n型包层14的上表面，可以形成电容加载型电极构造。
在与[011]面方向等效的方向对包层14、22实施马赫-策德尔型波导形状的蚀刻，由此，光调制波导的包层14、22在倒置台面方向形成为脊状。
电容加载型电极构造设为：在n型包层14的上表面隔着n型接触层15形成信号电极16和接地电极17，通过接合线w与设于波导的两侧的绝缘膜上的信号电极16或接地电极17电连接。电容加载电极可以经由差动线路布线板与差动信号源连接。
此外，如图6所示，p型包层19经由p型接触层21与连接于电源的电极23接触。
图4、5、6所示的半导体光调制元件通过在i芯层12产生二次的电光效应来调制折射率，进行在马赫-策德尔型光波导中导波的光的调制。
在上述构成的半导体光元件中，首先第一，为了实现在以往的电容加载型电极调制器中成为问题的接触电阻的降低，将与电极的接触面积小的波导台面上部(芯的上层)设为n型包层，而不是p型包层。由此，与以往相比，接触电阻会降低约一个数量级。
第二，以脊型波导加工的容易化等为目标，使波导条带方向(波导长尺寸方向)为与[011]面方向等效的方向，在倒置台面方向对绝缘膜进行蚀刻。
第三，使与n型相比块体材料(bulk material)电阻大的p型的包层厚度薄膜化，通过用n型包层将芯层以及薄膜p层的上下夹住，使半导体电阻极度地降低，提供高速的调制器。
第四，为了使调制器更加电稳定化，使电极与蓄积有空穴载流子的p型半导体接触来抽出蓄积载流子。利用这些构成能实现调制器的高速化。
根据本发明，在确保由接触电阻降低以及p型包层的薄膜化(低电阻化)实现的高速动作的同时，在调制区域中采用脊型构造波导，由此，能制作出作为具有抗电涌性的高速调制器来利用的半导体光元件。此外，由于脊型构造中蓄积于p型层中的空穴会向光传输区域外的平板(slab)波导侧扩散，因此，与高台面(high mesa)波导构造相比，能降低每单位体积的空穴浓度。此外，通过使这些p型层与连接于电源的电极导通，能期待进一步的空穴浓度降低。其结果是，达到对不稳定的调制动作的抑制。
而且，将p型层堆积在非掺杂层的下层(nip、nipn构造)，并在与[011]面方向等效的方向对这些器件实施蚀刻后回填n型包层，由此，光调制波导的包层在倒置台面方向形成为脊状，从而，通过湿刻(wet etching)实现的脊型波导形成变得容易，因此与仅进行干刻(dry etching)加工的情况相比，脊状加工的控制性以及波导界面的电稳定性提高。
[实施例1]
在实施例1中，制作了具有图5、6所示的剖面的光半导体元件。本实施例的半导体光调制元件具有nip型的构成。半导体层是在基板10上从上层依次层叠有n型接触层15、n型包层14、非掺杂包层/芯层12、p型包层19、以及p型接触层21。
例如，将上层n型接触层15设为载流子浓度为5E+18cm-3的InGaAs，将n型包层14设为载流子浓度为1E+18cm-3的InP。此外，对于p型InP包层19的载流子浓度，从光吸收系数以及电阻率考虑，设为5E+17～1E+18cm-3。为了降低接触电阻，p型接触层21使用了将空穴载流子掺杂至5E+18cm-3以上的InGaAs。需要说明的是，为了利用湿刻中的与InP的n型包层14的选择性，非掺杂层12的最上层插入了InGaAsP层15。
晶体生长是通过有机金属气相生长(MOVPE)而堆积在半绝缘性InP(100)基板10上。芯层12的带隙(band gap)波长在动作光波长下高效率地使电光效应有效作用，并且在光吸收不会成为问题的范围内决定。例如，在1.55微米波段的情况下，将芯层12的发光波长设为1.4微米左右。芯层12从高效率调制的观点考虑所希望的是以InGaAlAs/InAlAs的多量子阱构造形成，显而易见的是，即使设为例如InGaAsP/InP、InGaAsP/InGaAsP这样的多重构造，也不会丧失本发明的有用性。此外，接触层15、21、包层14、19的组成并不限定于上述组成，例如使用InGaAsP组成也没有问题。
在将所述nip半导体层成膜后，以元件间的电分离为目的，通过干刻以及湿刻将不进行光的折射率调制的区域的上部n型包层14去除。此外，从降低光学损耗的观点考虑，进一步通过半绝缘性InP22将该去除部位回填。
其后，形成由在与[011]面方向等效的方向形成的SiO2形成的MZ干涉仪波导图案，使用干刻以及湿刻加工在倒置台面方向形成脊状的光波导。具体而言，对n型接触层15和n型包层14的一部分进行干刻后，对n型包层14进行湿刻，由此，在倒置台面方向形成脊状的光波导。接下来为了对下层p型包层19施加偏压，进一步进行干/湿刻，如图6所示使p型接触层21的一部分露出而使之与电极23接触。
在p型接触层21的一部分露出的部位作为绝缘膜18涂布苯并环丁烯(BCB)来使波导的凹凸平坦化。其后，利用镀金法形成如图4所示的电容加载型的行波电极图案P。需要说明的是，除BCB以外，使用作为绝缘性的低折射率材料的聚酰亚胺等也没有问题。
为了使所制成的半导体光元件作为调制器驱动，以对pn结施加反向电场的方式对DC偏压电极23施加规定的偏压后，向信号电极(共面/带状线路)供给高频信号。其结果，可以判断出的是，可以供给单相信号来驱动，但从低耗电化的观点考虑，即使供给差动信号来驱动调制器也没有问题。
[实施例2]
图7、8是表示本发明的实施例2的半导体光调制元件的剖面的图。图7是图4的V-V’剖面图，图6是图4的VI-VI’剖面图。本实施例的半导体光调制元件具有nipn型的构成。在该图中，半导体光调制元件在基板10上从上层依次层叠有n型接触层15、n型包层14、非掺杂包层/芯层12、p型载流子阻挡层25、n型接触层24、n型包层11。
例如将上层n型接触层15设为载流子浓度为5E+18cm-3的InGaAs，将n型包层14设为载流子浓度为1E+18cm-3的InP。此外，p型载流子阻挡层25向带隙大的InAlAs中掺杂了1E+18cm-3的空穴载流子以便对电子形成足够的势垒。需要说明的是，非掺杂层的最上层为了利用湿刻中的与InP的n型包层14的选择性而插入了InGaAsP层15。
晶体生长是通过有机金属气相生长(MOVPE)而堆积在半绝缘性InP(100)基板10上。芯层12的带隙波长在动作光波长下高效率地使电光效应有效作用，并且在光吸收不会成为问题的范围内决定。例如，在1.55微米波段的情况下，将芯层12的发光波长设为1.4微米左右。芯层12从高效率调制的观点考虑所希望的是以InGaAlAs/InAlAs的多量子阱构造形成，显而易见的是，即使设为例如InGaAsP/InP、InGaAsP/InGaAsP这样的多重构造，也不会丧失本发明的有用性。此外，接触层/包层/载流子阻挡层13的组成并不限定于上述组成，例如也可以使用InGaAsP组成。
在将所述nipn半导体层成膜后，以元件间的电分离为目的，通过干刻以及湿刻将不进行光的折射率调制的区域的上部n型包层14去除。此外，从降低光学损耗的观点考虑，进一步通过半绝缘性InP22将该去除部位回填。
其后，形成由在与[011]面方向等效的方向形成的SiO2形成的MZ干涉仪波导图案，使用干刻以及湿刻加工形成脊状光波导。
接下来，在输入输出区域中，为了对下层n型包层11施加偏压，进一步进行干/湿刻，如图8所示使n型接触层24的一部分露出而使之与电极23接触。需要说明的是，为了使调制动作更加稳定化(防止p层内的空穴载流子蓄积)，也可以取代图8所示的构成而如图9所示地除了n型接触层24以外还使p型载流子阻挡层25的一部分也露出而与电极23接触。
在p型载流子阻挡层25的一部分露出的部位作为绝缘膜18涂布苯并环丁烯(BCB)来使波导的凹凸平坦化。其后，利用镀金法形成如图4所示的电容性加载型行波电极图案P。需要说明的是，除BCB以外，使用作为绝缘性的低折射率材料的聚酰亚胺等也没有问题。
为了使所制成的半导体光元件作为调制器驱动，以对pn结施加反向电场的方式对DC偏压电极23施加规定的偏压后，向信号电极(共面/带状线路)供给高频信号。其结果，可以判断出的是，可以供给单相信号来驱动，但从低耗电化的观点考虑，即使供给差动信号来驱动调制器也没有问题。
附图标记说明：
10 半导体晶体基板
11 n型包层
12 i芯层
13 p型载流子阻挡层
14 n型包层
15 n型接触层
16 信号电极
17 接地电极
18 绝缘膜
19 p型包层
20 p型接触层
21 p型接触层
22 SI型包层
23 DC偏压电极
24 n型接触层
25 p型载流子阻挡层
L 光波导
P 行波电极图案
w 接合线

Claims (6)

1.一种半导体光调制元件，其是马赫-策德尔型半导体光调制元件，通过对在光波导进行导波的光的折射率进行调制的折射率调制区域、以及进行在该折射率调制区域分支的光的合分波的输入输出区域来进行光的调制，其特征在于，
所述光波导在折射率调制区域中，在与闪锌矿型半绝缘性的半导体晶体基板的(100)面等效的基板面上，从上层朝向基板面至少层叠有n型包层、i芯层以及p型包层，所述n型包层在倒置台面方向形成为脊状，在该n型包层上设有电容加载电极。
2.根据权利要求1所述的半导体光调制元件，其特征在于，
所述光波导在不对光的折射率进行调制的部分，在与闪锌矿型半绝缘性的半导体晶体基板的(100)面等效的基板面上，从上层朝向基板面至少层叠有半绝缘性的InP包层、i芯层以及p型包层。
3.根据权利要求1或2所述的半导体光调制元件，其特征在于，
所述n型包层以如下方式形成：在与[011]面方向等效的方向以马赫-策德尔型波导形状实施蚀刻，由此，在倒置台面方向呈脊状。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体光调制元件，其特征在于，
所述光波导由半导体多层构造构成，所述半导体多层构造从上层朝向基板面至少依次包含n型包层、i芯层、p型包层、以及n型包层。
5.根据权利要求4所述的半导体光调制元件，其特征在于，
使所述p型包层和连接于电源的电极电接触。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体光调制元件，其特征在于，
所述电容加载电极经由差动线路布线板与差动信号源连接。
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