CN1864092A

CN1864092A - 半导体光电子波导通路

Info

Publication number: CN1864092A
Application number: CN 200480028898
Authority: CN
Inventors: 石桥忠夫; 安藤精后; 都筑健
Original assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-10-03
Filing date: 2004-10-04
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2024-10-04
Also published as: JP2005116644A; CN100430780C

Abstract

本发明涉及一种具有可执行光调制器的稳定动作之nin型异质结构的半导体光电子波导通路。在构造确定为在动作光波长下光电效果有效作用、且光吸收不成问题的芯层(11)的上面与下面，为了使光吸收产生的载流子不在异质界面处陷波，设置具有比芯层(11)的频带间隙大的频带间隙之中间包覆层(12－1和12－2)，在中间包覆层(12－1)的上面和中间包覆层(12－2)的下面，分别设置具有比这些中间包覆层大的频带间隙之包覆层(13－1和13－2)。在包覆层(13－1)的上面，依次层叠p型层(15)与n型层(16)，在动作状态下使用的施加电压范围下，耗尽p型层(15)的整个区域与n型层(16)的部分区域或整个区域。

Description

半导体光电子波导通路

技术领域

本发明涉及一种半导体光电子波导通路，尤其涉及一种具有可执行光调制器的稳定动作之nin型异质结构的半导体光电子波导通路。另外，涉及一种半导体光电子波导通路，具有使用nin型异质结构的光电子波导通路的电气分离区域构造，并用于长波长频带的超高速光调制器中。

背景技术

就近年来的大容量光通信系统而言，传输执行Gbit/s以上的高速调制的光信号，但由于传输距离越长，越易受到光纤的分散效果影响，脉冲波形失真，所以必需使用波长线性调频(wavelength chirping)少的光信号。因此，通常的光信号的产生不是由具有极大的郓裂之激光二极管(LD)的直接调制来进行，而是通过组合直流动作的LD与外部调制器来执行。

用于光信号的长距离传输之现有典型的外部调制器是由LiNbO₃(LN)波导通路构成的LN调制器。该LN调制器的动作原理是在结合光波导通路与电波导通路的光电子波导通路中，产生基于光电效应的折射率变化，利用该折射率变化来向光提供相位变化。这种LN调制器可用作光相位调制器或组装了马赫-策德尔(MZ：Mach Zehnder)干扰仪的光强度调制器、或结合多个波导通路来构成的高功能光开关。

但是，由于LiNbO₃是电介质材料，所以LN调制器在材料表面的稳定化或波导通路的加工中需要高级的制作技术。另外，波导通路长度必需较长，必需使用与通常的半导体加工不同的特殊光刻法。并且，安装LN调制器的封装的尺寸不得不变大。因此，存在LN调制器模块的制造成本变高、光发送器的尺寸较大的问题。

另外，还知基于与LN调制器一样的动作原理的半导体光调制器，例如，已知在半绝缘性GaAs上配置肖脱基电极(Schottky electrode)、并将该电极设为光电子波导通路的GaAs光调制器，或通过利用异质pn结、除光闭入外、向波导通路芯部有效施加电压的InP/InGaAsP光调制器等。

但是，这些半导体光调制器中，前者存在波导通路长度长、电损失大的问题，后者存在由于p包覆层的光吸收大，波导通路不得取长，所以不能降低动作电压的问题。最近提议InP/InGaAsP光调制器的两侧包覆层也设为n型的构造(所谓nin型构造)，作为避免这些问题的构造(例如参照专利文献1和专利文献2)。

图9是表示构成现有典型的InP/InGaAsP光调制器之半导体光电子波导通路的频带图表的图，图中符号101是波导通路的芯层，102-1和102-2是第一包覆层，103-1和103-2分别是p型和n型的第二包覆层。另外，100-1和100-2分别是电子及空穴(孔)，向p型第二包覆层103-1与n型第二包覆层103-2施加电压，使芯层101感应期望的光电效应，实现光调制。在这种现有波导通路中，由于利用pn结来执行向芯层101的电压施加，所以泄漏电流少，或由光吸收产生的载流子(载离子)容易流到外部，实现稳定动作。

但是，具备肖脱基电极的GaAs光调制器存在动作电压变高的问题。另外，InP/InGaAsP光调制器除由于p型包覆层的阻抗高，导致电信号的传输损失，所以动作频域窄以外，由于p型包覆层的光吸收大，所以不能增长波导通路长度，难以低动作电压化。InP/InGaAsP光调制器中的电信号的传输损失在pn结通过信号线的阻抗与p型第二包覆层103-1的阻抗进行充放电的过程中产生。尤其是p型第二包覆层103-1的阻抗由于是空穴的移动度低、阻抗值高的材料物性引起的，所以不能避免。鉴于这种问题，最近提议nin型构造的波导通路。

图10是表示将图9所示的InP/InGaAsP光调制器的波导通路两侧包覆层(103-1和103-2)都设为n型的nin型构造之半导体光电子波导通路的频带图表的图，向这两个n型电极层间施加电压，使器件动作。图中符号111是波导通路的芯层，112-1和112-2是第一包覆层。与图9所示构成的区别点在于将两个电极层(114-1和114-2)设为n型，和用具有深的Fe能级116的Fe掺杂半绝缘层115与n型电极层114-1来置换图9中的p型第二包覆层103-1(例如参照专利文献1)。另外，n型电极层114-2相当于图9中的n型第二包覆层103-2，110-1和110-2分别是电子和空穴(孔)。

在这种构成中，由于半绝缘层115的深的Fe能级116作为离子化的受主作用，所以频带因其电荷而弯曲，形成对电子的势垒，如图中箭头所示，位于频带的弯曲部附近的电子114-1与空穴110-2经半绝缘层115的深的Fe能级116再结合。因此，可利用该势垒来抑制电子的泄漏电流，可向芯层111施加电场。

但是，在该构造的波导通路中，由于不认为深的Fe能级116的密度足够高，所以能级的离子化状态依赖于偏压来变化。这种离子化状态的偏压依赖性产生如下结果，即电压变化导致耗尽层厚度变化，不能保持施加电压与施加于芯层111上的电压之间的比例关系。并且，由于基于深的Fe能级116的载流子的捕获、释放的间隔较长，所以难以高速响应调制信号处理，调制强度带来频率分散。

另外，所谓‘向两个n型电极层间施加电压、使器件动作’的基本概念作为所谓的体势垒(bulk barrier)二极管，在电子器件领域中是以前公知的，作为将其应用于光调制器的实例，有‘导入感应量子阱的载流子频带填充效应的芯层之调制器’的报告(例如参照专利文献2)。由于该光调制器利用电子向量子阱的出入，所以与利用光电效应的光调制器相比，原理上不能加快动作速度。

图11是具有现有nin型构造的半导体光调制器的构成图，图中符号121表示n型的第三半导体包覆层，122表示p型的第五半导体包覆层，123表示第一半导体包覆层，124表示具有光电效应的半导体芯层，125表示第二半导体包覆层，126表示n型的第四半导体包覆层，127、128表示n型电极，129表示凹状的利用蚀刻形成的电气分离区域。还报告在该凹状的蚀刻部分中再生长半绝缘性半导体的电气分离构造(例如参照专利文献1)，但由于构造较复杂，未必是最适用于光调制器的方法。

在n型第三半导体包覆层121上，依次层叠p型第五半导体包覆层122与第一半导体包覆层123，设置具有光电效应的半导体芯层124，该半导体芯层124被该第一半导体包覆层123与第二半导体包覆层125夹持。并且，在第二半导体包覆层125上，层叠具有凹状的、利用蚀刻形成的电气分离区域129之n型第四半导体包覆层126。在该第四半导体包覆层126上，设置有电极128，同时，在第三半导体包覆层121的凸状部两侧，设置有电极127。

在图11所示的波导通路构造中，由于将n型InP包覆层126的一部分蚀刻成凹状来设置电气分离区域129，所以在包覆层厚度变化的部分，产生光传输模式的变化，结果，产生光散射损失。另外，在现有的波导通路构造中，第四半导体包覆层126的蚀刻较深，其控制性成问题。

但是，就该nin型InP/InGaAsP光调制器的典型构造而言，由于通过去除部分上层n型包覆层126的一部分来进行执行调制的波导通路部分与其外侧的连接波导通路部分的电气分离，所以在波导通路中会产生凹部129。这在从连接波导通路至电气分离区域部分、从电气分离区域部分至主波导通路部分中，产生伴随光的传输模式变化的光损失。并且，由于必需在电气分离区域部分(凹部)正下方残留规定厚度以上的高阻抗包覆层，所以不能变薄该高阻抗包覆层的厚度，不能向半导体芯层124有效施加电场。

本发明鉴于上述问题而做出，其目的在于提供一种可进行光调制器的稳定动作的、具有nin型异质构造的半导体光电子波导通路。

另外，本发明的目的在于提供一种半导体光电子波导通路，与以前的形成凹部来构成电气分离区域相比，不会对光模式的传输造成大的影响，解决光损失的问题，另外，控制性好，稳定地具有电气分离区域构造。

并且，本发明的目的解决在nin型InP/InGaAsP光调制器等半导体光电子波导通路中引起芯层电压的变动的上述课题，实现半导体光电子波导通路的稳定动作。

专利文献1：特开2003-177368号公报

专利文献2：美国专利第5647029号说明书

发明内容

为了实现上述目的，本发明的半导体光电子波导通路的特征在于，具备：配置在具有光电效应的半导体芯层的一个主面和另一主面的各个面上之第一半导体包覆层；配置在该第一半导体包覆层上的第二半导体包覆层；pn结层，配置在层叠于所述半导体芯层的一个主面侧的所述第二半导体包覆层上，所述第二半导体包覆层侧是p型，与所述第二半导体包覆层相反侧是n型；和第三半导体包覆层，配置在层叠于所述pn结层上和所述半导体芯层的另一主面侧的所述第二半导体包覆层上，用作n型电极层，所述第一半导体包覆层的频带间隙比所述半导体芯层的频带间隙大，所述第二半导体包覆层和所述第三半导体包覆层的频带间隙的各个分别比所述第一半导体包覆层的频带间隙大。

根据这种本发明的半导体光电子波导通路，可使光电子波导通路具备的nin型异质构造之频带轮廓控制变容易，所以可提供能进行光调制器的稳定动作之半导体光电子波导通路。由此，不损害驱动电压低的nin型异质构造的半导体光电子波导通路的特长，实现更稳定的光调制动作，有助于模块的低功耗化与低价格化。

另外，本发明的半导体光电子波导通路的特征在于：具备具有有效光电效应的半导体芯层；第一和第二半导体包覆层，分别夹持该半导体芯层的上下，频带间隙比该半导体芯层大；第三和第四半导体包覆层，分别夹持该第一和第二半导体包层的上下，包含n型杂质；第五半导体层，在基板侧配置所述第一和第三半导体包覆层，配置在该第一半导体包覆层与所述第三半导体包覆层之间，包含p型杂质，并且，频带间隙比所述半导体芯层大；至少一个电气分离区域，向所述第四半导体包覆层实施基于离子注入法的材料变性来形成；和分别设置在所述第四半导体包覆层的所述电气分离区域以外的主区域和所述第三半导体包覆层各自中的电极，向所述半导体芯层施加电压。

根据这种本发明的半导体光电子波导通路，可提供一种半导体光电子波导通路，与以前的基于凹部形成的电气分离区域相比，不会对光模式的传输造成大的影响，解决光损失的问题，另外，控制性好，稳定地具有电气分离区域构造。另外，本发明在稳定实现使用具有驱动电压低的特性之nin型异质构造的光调制器特性方面发挥效果，降低输入光功率，有助于光调制器模块的低功耗化与低价格化。

并且，本发明的半导体光电子波导通路的特征在于：具备：具有光电效应的半导体芯层；第一和第二半导体包覆层，分别夹持该半导体芯层的上下，频带间隙比该半导体芯层大；第三半导体包覆层，配置在该第一半导体包覆层下，包含n型杂质；第四半导体包覆层，配置在所述第二半导体包层上；第五半导体层，在基板侧配置所述第三半导体包覆层与所述第一半导体包覆层，在所述第二半导体包覆层与所述第四半导体包覆层之间，包含p型杂质，并且，频带间隙比所述半导体芯层的大；形成于所述第四包覆层内的一部分中的n型调制波导通路的主区域；分离区域，邻接于该主区域，具有p型导电性，所述主区域与共同的电极接触；和设置在所述第三半导体包覆层中的一电极，经所述两个电极向所述半导体芯层施加电压。

根据这种本发明的半导体光电子波导通路，可抑制使用nin型异质构造的光电子波导通路之寄生双电极效应，结果，可利用积累在p型势垒层中的空穴，解决势垒的高度变动、产生泄漏电流并引起芯层电压变化的问题。

另外，对稳定实现使用具有可降低驱动电压等特征的nin型异质构造的光调制器的特性方面发挥效果，允许更高的输入光功率，使光发送模块的输出增大。

附图说明

图1A是说明本发明的半导体光电子波导通路一实施例的斜视图。

图1B是表示图1A所示的半导体光电子波导通路的频带图表的图。

图2是表示本发明另一实施例的半导体光电子波导通路的频带图表的图。

图3是说明本发明的半导体光电子波导通路另一实施例的斜视图。

图4是说明本发明的半导体光电子波导通路再一实施例的斜视图。

图5是说明本发明的半导体光电子波导通路又一实施例的斜视图。

图6是说明本发明的半导体光电子波导通路又一实施例的斜视图。

图7是说明本发明的半导体光电子波导通路又一实施例的斜视图。

图8是说明本发明的半导体光电子波导通路又一实施例的斜视图。

图9是表示构成现有典型InP/InGaAsP光调制器的半导体光电子波导通路的频带图表的图。

图10是表示将图9所示的InP/InGaAsP光调制器的波导通路两侧的包覆层均设为n型的nin型构造之半导体光电子波导通路的频带图表的图。

图11是说明具有现有nin型构造的半导体光调制器的斜视图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明的实施例。

实施例1

图1A和图1B是说明本发明的半导体光电子波导通路一实施例的构成图，图1A是该光电子波导通路的斜视图，图1B是表示其频带图表的图。图中符号11是半导体芯层，12-1、12-2是配置于半导体芯层11两个主面上的第一半导体包覆层，13-1、13-2是分别配置于第一半导体包覆层12-1、12-2上的第二半导体包覆层。14-1、14-2是第三半导体包覆层。15、16分别是p型层、n型层，由两个层15与16来构成pn结层。

在第二半导体包覆层13-1上配置p型层15，在n型层16上配置第三半导体包覆层14-1。另外，在第二半导体包覆层13-2下配置第三半导体包覆层14-2。

芯层11的构造确定为在动作光波长下，光电效应有效作用，且光吸收不成问题。例如，在为1.5微米频带的器件的情况下，形成由InGaAlAs化合物来形成量子阱层与势垒层、并使这些层的Ga/Al组成不同的多重量子阱构造的芯层11。

在芯层11的上面与下面，为了使光吸收产生的载流子不在异质界面处陷波(被俘获)，设置具有比芯层11的频带间隙大的频带间隙的、具有InGaAlAs等组成的中间包覆层(12-1、12-2)。

在中间包覆层12-1的上面和中间包覆层12-2的下面，分别设置具有比这些中间包覆层大的频带间隙的、InGaAlAs等组成之包覆层13-1和13-2。

在包覆层13-1的上面，依次层叠例如InGaAlAs的p型层15、与例如InGaAlAs的n型层16，在动作状态下使用的施加电压范围下，耗尽p型InGaAlAs层15的整个区域与n型InGaAlAs层16的部分区域或整个区域。确定这些层的掺杂浓度轮廓，以使这种耗尽区域的频带的电势变化足够大，即激发感应对电子的充分的势垒，确定这些层的掺杂浓度分布。这些层的掺杂浓度优选是p型层15为1×10¹⁷cm^-3以上，n型层16为5×10¹⁷cm^-3以上。例如，将p型层15的掺杂浓度设为2×10¹⁷cm^-3，将n型层16的掺杂浓度设为1×10¹⁸cm^-3。

在n型InGaAlAs层16的上面和包覆层13-2的下面，分别设置用作包覆层的、InGaAlAs等组成的n型层14-1和14-2，在n型层14-1的上面，设置电极18-1。另外，这些n型层14-1和14-2的频带间隙被设定成比中间包覆层12-1和12-2的频带间隙大。另外，将作为这些层叠构造体最下层的n型层14-2设置在具有电极18-2的n型电极层17主面的部分区域上。

为了用作光电子波导通路，形成包含图1A示例的截面的台面构造之波导通路构造，在使光在该波导通路中传输的状态下，从电极18-1和18-2输入电气信号，向n型层14-1与n型层14-2之间施加电压。

如从表示电压施加状态下的频带图表的图1B所理解的那样，利用由p型InGaAlAs层15与n型InGaAlAs层16的存在所形成的势垒来抑制伴随来自n型层14-1的电子注入的泄漏电流，另一方面，因光吸收(虽然仅有一点)所产生的空穴10-2经p型InGaAlAs层15与n型InGaAlAs层16中的浅能级的受主和施主再结合，由此可向芯层11施加电压。

若将图1B的频带图表与图10所示的频带图表相比，则相对于以前构成的波导通路通过离子化深的能级来激发感应电势变化，在本发明的构造中，通过确定浅能级的受主与施主的浓度，以向芯层11施加期望的电场强度，由此可确实控制电势形状。

另外，在图1A和图1B中，将p型InGaAlAs层15与n型InGaAlAs层16构成的pn结层设置在包覆层13-1与n型层14-1之间，但也可改变该构成，设置在包覆层13-2与n型层14-2之间。

实施例2

在动作时，尽管只有一点，但也通过芯层11中的光吸收生成电子10-1与空穴10-2。其中，电子10-1容易到达n型层14-2，而空穴10-2有可能会积累在频带弯曲急剧的n型InGaAlAs层16附近。该积累的空穴10-3构成p型InGaAlAs层15与n型InGaAlAs层16之间的pn结中的顺时针方向偏压主要原因，所以构成降低该区域中的势垒，难以向芯层11施加电压，同时，引起从n型层14-1侧注入电子的原因。

在本实施例2中，由于使这种积累空穴10-3快速再结合，所以将p型InGaAlAs层15与n型InGaAlAs层16设为高浓度掺杂的层，通过变薄pn结的厚度，使电子与积累空穴在空间上接近，提高图1B中的箭头所示的频带间再结合的概率。由此，快速去除芯层11中产生、并积累在n型InGaAlAs层16附近的空穴10-3，可抑制由p型InGaAlAs层15与n型InGaAlAs层16形成的势垒的高度变动。

实施例3

本实施例3的半导体光电子波导通路在相当于图1的n型InGaAlAs层16的层中，在掺杂施主杂质的同时，掺杂Fe等形成深能级的杂质。另外，将形成深能级的杂质的掺杂量设定得比施主杂质的掺杂量低得多。根据这种掺杂，形成深能级的杂质不会对频带轮廓造成大的影响，另一方面，经深能级的再结合概率变高，可快速去除由于光吸收而在芯层11中产生的空穴。

实施例4

图2是表示本发明实施例4的半导体光电子波导通路的频带图表的图，将相当于图1的n型InGaAlAs层16的层变为InGaAsP等频带间隙能量较小的n型层19。通过将InGaAlAs等p型层15与InGaAsP等n型层19之间的频带间隙差(ΔE_G)与掺杂轮廓设为期望的形状，因光吸收而在芯层11中产生的空穴10-2的一部分到达该n型InGaAsP层19(10-3)，可快速再结合。这里，当控制电势形状时，优选p型InGaAlAs层15与n型InGaAsP层19之间的价电子带不连续性比传导带不连续性小。这是因为价电子带不连续性越小，则空穴越容易通过p型InGaAlAs层15与n型InGaAsP层19的界面。

在此前的说明中，在说明本发明时将InGaAlAs和InGaAsP示例为波导通路的构成材料，但不限于这些材料，也可由包含AlGaAs系列的III-V族化合物半导体来构成本发明的波导通路。

实施例5

图3是说明本发明的半导体光电子波导通路的实施例5的斜视图，图中符号21表示n型第三半导体包覆层，22表示p型第五半导体包覆层，23表示第一半导体包覆层，24表示具有光电效应的半导体芯层，25表示第二半导体包覆层，26表示n型第四半导体包覆层，27、28表示n型电极，29表示离子注入形成的电气分离区域，29-1表示n型第四半导体包覆层26与电气分离区域29的连接波导通路区域。

在n型第三半导体包覆层21上，依次层叠p型第五半导体包覆层22与第一半导体包覆层23，由第一半导体包覆层23与第二半导体包覆层25夹持，设置具有光电效应的半导体芯层24。并且，在第二半导体包覆层25上，层叠具有通过离子注入形成的电气分离区域29的n型第四半导体包覆层26。在该第四半导体包覆层26上，设置电极28，同时，在第三半导体包覆层21的凸状部的两侧，设置电极27。

即，本发明的半导体光电子波导通路具有半导体异质构造的层叠体，即至少具备具有有效光电效应的半导体芯层24；第一和第二半导体包覆层23、25，夹持该半导体芯层24的上下，并且频带间隙比该半导体芯层24大；和第三和第四半导体包覆层21、26，夹持该第一和第二半导体包层23、25的上下，包含n型杂质。

在基板(未图示)侧配置第一和第三半导体包覆层23、21。在该第一半导体包覆层23与第三半导体包覆层21之间插入第五半导体层22，该第五半导体层22包含p型杂质，并且，频带间隙比半导体芯层24大。另外，在第四半导体包覆层26中，通过离子注入来形成至少一个部位的电气分离区域29。另外，在第四半导体包覆层26的电气分离区域29以外的主区域及第三半导体包层21中，分别设置单独电极28、27，向半导体芯层24施加电压。

这样，从基板侧依次层叠第三InPn型包覆层21、包含p型杂质的第五InP包覆层22、通常为低掺杂浓度的第一InP包覆层23、和半导体芯层24，该半导体芯层24的构造确定为光电效应在动作光波长下有效动作，光吸收不成问题，若是1.5微米频带的器件，则构成将改变InGaAlAs的Ga/Al组成的层分别变为量子阱层与势垒层的多重量子阱构造。

并且，在半导体芯层24上，配置低掺杂浓度的第二InP包覆层25、与第四InPn型包覆层26。与电极27相反，向电极28施加正电压，根据光电效应来调制光相位。在动作状态下使用的施加电压范围下，使第五InP包覆层22至第二InP包覆层25全部耗尽，另外，使n型第三InPn型包覆层21与第四半导体包覆层26部分耗尽。由于第五InP包覆层22是p型，所以作为相对电子的势垒来动作。

为了使该器件用作光电子波导通路，变为如下状态，即在沿与图3所示的台面构造之截面垂直的方向传输光的状态下，向电极28输入电气信号，向第三InPn型包覆层21与第二InP包覆层25之间施加电压。通常，在作为光调制器使用光电子波导通路时，必需配置从电极28施加电压的光调制波导通路部，并在该光调制波导通路部的光输入/输出侧配置连接波导通路，并电气分离这些部件之间。

在本实施例5的半导体光电子波导通路中，在符号29所示的部分中，通过离子注入法，将第四InPn型包覆层的一部分设为高阻抗化区域、或由pn结包围的p形区域(电气分离区域)。

另外，在本实施例5中，特征还在于将掺杂于作为对电子的势垒而动作的p形中之第五InP包覆层22配置在下部。这是为了避免由于离子注入时产生的结晶缺陷，制作势垒的离子化受主的温度分布受到影响。即，用于防止当施加偏压时，势垒形状恶化，结的泄漏电流增大。

另外，在本实施例5的构成中，作为离子注入到电气分离区域29中的离子种，使用Be等在InP中形成受主的原子、或形成深的施主/受主对能级的原子。在电气分离区域29变为p型的情况下，该部分的电气阻抗与相同程度的掺杂量之n型层的电气阻抗相比，高出约30倍以上，即使没有变为高阻抗层，也可防止因输入电气信号在电气分离区域29中传输而导致调制效率下降。不用说，设为高阻抗层好，但即便只从n型变化为p型，也可使电气分离的功能提高。

在图11所示的现有波导通路构造中，由于将n型InP包覆层126的一部分蚀刻为凹状，设置电气分离区域129，所以在包覆层的厚度变化的部分中，产生光传输模式的变化，结果，产生光散射损失。另一方面，在本实施例5的构造中，不产生这种伴随光传输模式变化的光散射损失。另外，在现有构造中，第四半导体包覆层126的蚀刻较深，其控制性成问题，而在本实施例5的构造中，不产生这种问题。结果，本实施例5的构造改善了电气分离区域形成引起的现有光电子波导通路的问题，通过降低光损失，使光调制器的输出增大，另外，使元件制作时的构造控制变容易。

实施例6

图4是说明本发明的半导体光电子波导通路的实施例6的斜视图，图中符号31表示n型第三半导体包覆层，32表示配置在第三半导体包覆层31上的p型第五半导体包覆层，33表示配置在第五半导体包覆层32上的第一半导体包覆层，34表示配置在第一半导体包覆层33上的、具有光电效应的半导体芯层，35表示配置在半导体芯层34上的第二半导体包覆层，36表示配置在第二半导体包覆层35上的n型第四半导体包覆层，37、38表示n型电极，39表示通过离子注入形成的多个pn结构成的电气分离区域。另外，电气分离区域39以外的层叠构造与图3的实施例5一样。

在上述实施例5中，电气分离区域29在第四InPn型包覆层26的两侧各设置于一个部位，在本实施例6中，连接多个离子注入区域，将其设为电气分离区域39。在离子注入部分为p型层的情况下，由于作为电气分离区域整体，为串联连接pn结的形式，所以施加于pn结每个上的电压下降，降低电气分离区域的泄漏电流。

通常，在由离子注入形成的pn结中残留晶格缺陷，容易流过再结合电流(泄漏电流)。该电气分离层构造在这种情况下有用。

实施例7

图5是说明本发明的半导体光电子波导通路的实施例7的斜视图，图中符号41表示n型第三半导体包覆层，42表示配置在第三半导体包覆层41上的p型第五半导体包覆层，43表示配置在第五半导体包覆层42上的第一半导体包覆层，44表示配置在第一半导体包覆层43上的、具有光电效应的半导体芯层，45表示配置在半导体芯层44上的第二半导体包覆层，46表示配置在第二半导体包覆层45上的n型第四半导体包覆层，47、48表示n型电极，49表示通过离子注入形成的电气分离区域，50-1表示形成于n型第四半导体包覆层中的电极，50-2表示将形成于n型第四半导体包覆层中的电极设为与第三包覆层相同电位的布线。另外，n型电极50-1和布线50-2以外的层叠构造与图3所示的

实施例5一样。

通过在夹持电气分离区域49、与光调制波导通路部对抗的部分之第四半导体包覆层46中，形成n型电极50-1，用布线50-2连接该n型电极50-1，将其电位设为与第三半导体包覆层41相同的电位。在电气分离区域的阻抗不足够高的情况下，可排除提高电气分离区域49外侧的电位，向主波导通路部分以外施加偏压的问题。

即，本发明在稳定实现使用具有驱动电压低的特性之nin型异质构造的光调制器特性方面发挥效果，降低输入光功率，有助于光调制器模块的低功耗化与低价格化。另外，在上述各实施例中，示出将InP与InAlGaAs设为半导体材料的半导体光电子波导通路，但也可同样适用于使用包含AlGaAs系列或InGaAsP的其它III-V族化合物半导体的光电子波导通路构造中。

实施例8

上述图3所示的实施例5的半导体光电子波导通路将InP/InGaAsP光调制器两侧的包覆层均设为n型(所谓nin型构造)，但在这种构成中，如向芯层24施加电压时，不流过电子电流所示，必需设置对电子的势垒层，作为该势垒层，在芯层24的下侧，插入导入p型掺杂层的半导体包覆层22。将芯层24的上部n型包覆层26两侧设为p型层，将其作为电气分离层29。另外，21是n型第三半导体包覆层，23是第一半导体包覆层，25是第二半导体包覆层，29-1是第四半导体包覆层26、29的连接波导通路区域，27、28是电极。

图3所示的nin型InP/InGaAsP光调制器的波导通路构造中，具有可降低驱动电压的好的特征，但芯层24多少会有光吸收，其中产生的空穴积累在势垒层22中，结果，判断对电子的势垒降低，引起产生泄漏电流等现象(寄生光电晶体管效应)，这是还应解决的课题。即，若以晶体管动作来说，则变为在基极开放状态下，若基极空穴浓度上升，则发射极/基极结被顺时针偏置的状态。并且，由于施加于芯层24的电压也下降顺时针偏置的电压，所以结果是调制特性因光波长或光强度而改变，这限制了作为调制器的利用范围。

图6是说明本发明的半导体光电子波导通路的实施例8的斜视图，图中符号61表示第三半导体包覆层，62表示配置在第三半导体包覆层61上的第一半导体包覆层，63表示配置在第一半导体包覆层62上的半导体芯层，64表示配置在半导体芯层63上的第二半导体包覆层，65表示配置在第二半导体包覆层64上的第五半导体包覆层，66表示配置在第五半导体包覆层65上的第四半导体包覆层，66-1表示光调制区域，66-2表示分离区域，66-3是连接波导通路区域，67、68表示电极。

首先，从基板(未图示)侧说明，第三半导体包覆层61是n型的第三InPn形包覆层，第一半导体包覆层62是在低掺杂浓度下频带间隙比InP小的第一InGaAlAs包覆层，半导体芯层63是将其构造确定为光电效应在动作光波长下有效动作、降低到光吸收不成问题程度的半导体芯层。若该器件是1.5微米频带的器件，则构成将改变InGaAlAs的Ga/Al组成的层分别变为量子阱层与势垒层的多重量子阱构造。

第二半导体包覆层64是在低掺杂浓度下频带间隙比InP小的第二InGaAlAs包覆层，并且，在该包覆层64上，配置65的p型InP势垒层(第五半导体包覆层)。

第四InP包覆层66由3个区域构成，光调制区域66-1由n型InP层构成，分离区域66-2是p型InP区域，其底面接触p型InP势垒层65。该p型InP区域66-2可通过例如在从第三半导体包覆层61至第四半导体包覆层66的层生长之后，利用蚀刻去除相当于分离区域66-2的部分，使p型InP再生长，或利用离子注入法向第四半导体包覆层66的层的一部分导入Be受主来形成。连接波导通路区域66-3不管导电形式如何，均为InP。

电极67与68是金属电极，相对于一个电极67，将另一电极68作为负极性，向芯层63施加电压。金属电极68在光调制区域66-1与分离区域66-2两个区域中取得电气接触。在动作状态下使用的施加电压范围下，光调制区域正下方的第一半导体包覆层62至第五半导体包覆层65的层全部去除n型InP包覆层66-1与p型InP势垒层65的界面之部分的耗尽部分，基于几乎保持n型中性地确定掺杂浓度。

为了使图6所示的器件用作光电子波导通路，在使光沿与图6所示台面构造的截面垂直的方向传输的状态下，向电极68输入电气信号，向由n型第三InPn型包覆层61与n型InP构成的光调制区域66-1之间施加电压。这里，InP势垒层65是p型，作为相对电子的势垒动作，所以抑制来自光调制区域66-1的电子注入，在泄漏电流的产生少的状态下，向芯层63施加电压，可执行基于光电效应的光相位的调制。

通常，在作为光调制器使用光电子波导通路时，必需配置施加电压的光调制区域，并在该光调制区域的光输入/输出侧配置连接波导通路区域66-3，电气分离这些区域之间。在该实施例的构造中，将图6的分离区域66-2所示的部分选择性地设为p型区域(p型InP区域)，该区域构成电气分离区域。

电连接于n型InP包覆层66-1上的p型InP区域66-2的导入具有如下作用。即，在图3所示的波导通路构造中，如上所述，会引起伴随芯层24的光吸收产生的空穴的寄生光电晶体管效应，但在本实施例的构造中，p型InP区域(分离区域)66-2的电位比耗尽势垒层65低，所以空穴流过p型InP区域(分离区域)66-2，可抑制势垒层65中的空穴的积累。

实施例9

图7是说明本发明的半导体光电子波导通路的实施例9的斜视图。在上述本发明的实施例8中，将p型InP区域66-2配置于光调制区域66-1的两侧，但若波导通路变长，则光吸收所产生的空穴不能被p型InP区域66-2有效吸收。为了防止这种情况的发生，如表示本发明实施例9的构造的图7所示，只要在光调制区域内配置多个76-2的p型InP区域即可。

与实施例8的情况一样，这些区域76-2电接触n型InP区域76-1。这里，若将p型InP区域76-2的纵向长度取得短，则可在保持空穴吸收的效果的同时，尽量抑制p型层的导入引起的光吸收的增大。另外，将电极78连接于各p型InP区域76-2上，这些区域76-2变为相同电位，所以这些区域不会对电气信号的传输造成坏影响。

另外，71是n型第三半导体包覆层，72是配置在第三半导体包覆层71上的第一半导体包覆层，73是配置在第一半导体包覆层72上的、具有光电效应的半导体芯层，74是配置在半导体芯层73上的第二半导体包覆层，75是配置在第二半导体包覆层74上的p型第五半导体包覆层，76是配置在第五半导体包覆层75上的第四半导体包覆层，76-3是第四半导体包覆层的p型区域(分离区域)，76-4是第四半导体包覆层的连接波导通路区域，77是n型电极。

实施例10

图8是说明本发明的半导体光电子波导通路的实施例10的斜视图，图中符号81是n型第三半导体包覆层，82是配置在第三半导体包覆层81上的第一半导体包覆层，83是配置在第一半导体包覆层82上的、具有光电效应的半导体芯层，84是配置在半导体芯层83上的第二半导体包覆层，85是配置在第二半导体包覆层84上的p型第五半导体包覆层，86是配置在第五半导体包覆层85上的第四半导体包覆层，86-1是第四半导体包覆层的n型区域(光调制区域)，86-2是第四半导体包覆层的p型区域(分离区域)，86-3是第四半导体包覆层的连接波导通路区域，87、88是n型电极，89是形成于第四半导体包覆层的连接波导通路部分中的电极，90是将第四半导体包覆层的连接波导通路部分设为与第三包覆层相同电位的布线。

本实施例10的半导体光电子波导通路构成为夹持用作电气分离区域的p型InP区域86-2，在与光调制区域86-1相反侧的第四包覆层(连接波导通路部分)86-3中分别形成电极89，在该电极89与第三半导体包覆层81上的电极87之间连接布线90，将连接波导区域86-3的电位设为与第三包覆层81相同的电位。

利用该构成，可排除在电气分离区域86-2的阻抗不足够高的情况下，提高电气分离区域外侧的电位，向主波导通路部分以外施加偏压的问题。这里，上述连接波导区域的导电形式为p、n，或为耗尽层。这是因为在任一情况下，与光调制区域之间变为顺时针偏置，不变为流过电流的状态。

(其它实施例)

使上述本发明的实施例9、10组合也有效。另外，在上述本发明的实施例8、9、10中，描述将InP与InAlGaAs设为材料的实例，但本发明也可同样适用于使用包含AlGaAs系列或InGaAsP的其它III-V族化合物半导体的光电子波导通路构造中。这样，本发明的实施例不限于上述所示，只要在权利要求的范围中所述的范围内，材质等的置换、形状或个数的变更、公知部件或公知技术的简单组合等包含于本发明的实施例中。

另外，将本发明的半导体光电子波导通路集成化为半导体激光器的手法与集成化电场吸收形式光调制器与半导体激光器的公知手法在技术上相同，所以不提及。

产业上的可利用性

本发明涉及具有使用nin型异质构造的光电子波导通路之电气分离区域构造、并用于长波长频带的超高速光调制器中的半导体光电子波导通路，提供一种半导体光电子波导通路，与以前的形成凹部来构成电气分离区域相比，不会对光模式的传输造成大的影响，解决光损失的问题，另外，控制性好，稳定地具有电气分离区域构造。并且，本发明的半导体光电子波导通路可用于长波长频带的超高速光调制器中，可期待对调整光网络通信等有大的帮助。

Claims

1、一种半导体光电子波导通路，其特征在于，具备：

第二半导体包覆层，配置在具有光电效应的半导体芯层的一个主面和另一主面的各个面上；

pn结层，配置在层叠于所述半导体芯层的一个主面侧的所述第二半导体包覆层上，所述第二半导体包覆层侧是p型，与所述第二半导体包覆层相反侧是n型；和

第三半导体包覆层，配置在所述pn结层上和层叠于所述半导体芯层的另一主面侧的所述第二半导体包覆层上，用作n型电极层。

2、根据权利要求1所述的半导体光电子波导通路，其特征在于：

在所述半导体芯层的一个主面和另一主面的各个面上、与所述第二半导体包覆层之间，配置第一半导体包覆层，

所述第一半导体包覆层的频带间隙比所述半导体芯层的频带间隙大，

所述第二半导体包覆层和所述第三半导体包覆层的频带间隙分别比所述第一半导体包覆层的频带间隙大。

3、根据权利要求1或2所述的半导体光电子波导通路，其特征在于：

所述pn结层设定各个层厚度与杂质浓度，以便在所述半导体光电子波导通路的动作状态下，p层整个区域耗尽，另一方面，n层至少部分区域耗尽

4、根据权利要求1、2或3所述的半导体光电子波导通路，其特征在于：

所述pn结层的p层杂质浓度为1×10¹⁷cm^-3以上，n层杂质浓度为5×10¹⁷cm^-3以上。

5、根据权利要求1-4之一所述的半导体光电子波导通路，其特征在于：

在所述pn结层的n层中，除n型杂质外，还掺杂形成深能级的杂质。

6、根据权利要求1-5之一所述的半导体光电子波导通路，其特征在于：

所述pn结层的n层频带间隙能量比该pn结层的p层频带间隙能量小。

7、根据权利要求5或6所述的半导体光电子波导通路，其特征在于：

掺杂于所述pn结层的n层中的深能级的杂质是Fe。

8、一种半导体光电子波导通路，其特征在于：具备：

具有有效光电效应的半导体芯层；

第一和第二半导体包覆层，分别夹持在该半导体芯层的上下，频带间隙比该半导体芯层大；

第三和第四半导体包覆层，分别夹持在该第一和第二半导体包覆层的上下，包含n型杂质；

第五半导体层，在基板侧配置所述第一和第三半导体包覆层，配置在该第一半导体包覆层与所述第三半导体包覆层之间，包含p型杂质，并且，频带间隙比所述半导体芯层大；

至少一个电气分离区域，向所述第四半导体包覆层实施基于离子注入法的材料变性来形成；和

分别设置在所述第四半导体包覆层的所述电气分离区域以外的主区域和所述第三半导体包覆层的各自中的电极，

向所述半导体芯层施加电压。

9、根据权利要求8所述的半导体光电子波导通路，其特征在于：

所述注入离子种是在所述第四半导体包覆层内形成受主、或深的施主/受主对能级的原子。

10、根据权利要求8或9所述的半导体光电子波导通路，其特征在于：

所述第四半导体包覆层中，电气分离区域为3个区域以上。

11、根据权利要求8、9或10所述的半导体光电子波导通路，其特征在于：

夹持所述电气分离区域，在与所述第四半导体包覆层的主区域相反侧的所述第四半导体包覆层中，设置电极，与所述第三半导体包覆层的电极连接。

12、一种半导体光电子波导通路，其特征在于：具备：

具有光电效应的半导体芯层；

第三半导体包覆层，配置在该第一半导体包覆层下，包含n型杂质；

第四半导体包覆层，配置在所述第二半导体包覆层上；

第五半导体层，在基板侧配置所述第三半导体包覆层与所述第一半导体包覆层，在所述第二半导体包覆层与所述第四半导体包覆层之间，包含p型杂质，并且，频带间隙比所述半导体芯层的大；

形成于所述第四包覆层内的一部分中的n型调制波导通路的主区域；

分离区域，邻接于该主区域，具有p型导电性，与所述主区域的共同电极接触；和

设置在所述第三半导体包覆层中的另一电极，

经所述两个电极向所述半导体芯层施加电压。

13、根据权利要求12所述的半导体光电子波导通路，其特征在于：

设所述第四包覆层内的所述n形调制波导通路的主区域的一部分为具有p型导电性的区域，该具有p型导电性的区域在电气上与n型主区域具有共同的电极。

14、根据权利要求12或13所述的半导体光电子波导通路，其特征在于：

在所述n型调制波导通路的主区域外侧两侧的第四包覆层中，形成一对电极，将该电极与所述第三半导体包覆层的电极连接。