JP2004109312A - 導波路型半導体光デバイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】良好な消光比特性が得られるｐｉｎ型接合構造を含む導波路型半導体光デバイスを提供する。
【解決手段】導波路型半導体光デバイス２０は、半絶縁性基板１上に、ｎ型クラッド層２、３、ｉ型吸収層４及びｐ型クラッド層６とからなるｐｉｎ型接合構造を形成した導波路型半導体光デバイスであって、前記ｉ型吸収層における不純物濃度が１０１６ｃｍ−３以下である。上記ｐ型クラッド層は、亜鉛より拡散係数が低いｐ型不純物、例えば、ベリリウムを含有する。
【選択図】 図１
【解決手段】導波路型半導体光デバイス２０は、半絶縁性基板１上に、ｎ型クラッド層２、３、ｉ型吸収層４及びｐ型クラッド層６とからなるｐｉｎ型接合構造を形成した導波路型半導体光デバイスであって、前記ｉ型吸収層における不純物濃度が１０１６ｃｍ−３以下である。上記ｐ型クラッド層は、亜鉛より拡散係数が低いｐ型不純物、例えば、ベリリウムを含有する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに用いられる導波路型半導体光デバイス、特に、ｐｉｎ型接合構造を形成した電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超高速の光通信システムを実現するために、応答性に優れた導波路型半導体光デバイスが用いられている。例えば、電界吸収型光変調器、光スイッチ等が用いられる。図１４は、従来の光変調器の吸収層を含む光変調領域における層構造を示す概略断面図であり、図１５は、図１４の層構造の表面から深さ方向にわたる亜鉛の濃度分布を示すグラフである。この光変調器は、ｐｉｎ型接合構造を形成した層構造を備える。この光変調器は、図１４に示されるように、半絶縁性ＩｎＰ基板５１の上に、順に、ｎ型ＩｎＰクラッド層５２、５３、ｉ型吸収層５４、アンドープ層５５、ｐ型ＩｎＰクラッド層５６、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５７が形成されている。このｎ型ＩｎＰクラッド層に含まれるｎ型不純物にはイオウ（Ｓ）が用いられ、ｐ型ＩｎＰクラッド層５６及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５７に含まれるｐ型不純物には、亜鉛が用いられている。また、ｉ型吸収層５４には不純物が何も添加されない。この光変調器では、吸収層５４の層に垂直な方向に電界が印加された場合には吸収層５４の吸収係数が変化するので、吸収層を導波する光が光強度変調される。
【０００３】
なお、ｐｉｎ型接合構造の半導体装置に関する先行技術（例えば、特許文献１参照）がある。この半導体装置は、ｎ型ＩｎＰ基板上に、順に、多重量子井戸吸収層、Ｂｅドープのｐ型ＩｎＰクラッド層、Ｂｅ及びＺｎをドープしたｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層が積層されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−６４４５９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光変調器では、ｐ型不純物に亜鉛を用いている。そのため、図１４に示されているように、亜鉛は、ｐ型ＩｎＰ層５６から吸収層５４にわたって拡散しており、吸収層５４は、亜鉛を吸収層５４の全域にわたって１０１６ｃｍ−３を超える濃度で有していることがわかる。吸収層５４内に拡散する不純物濃度が１０１６ｃｍ−３を超えるほど高いと、吸収層５４の各部に加わる電界のばらつきが大きくなり、吸収層５４全体としての消光比特性が悪化する。
【０００６】
また、亜鉛の吸収層への拡散に関する研究（Ｍ． Ｙａｍａｄａ， Ｐ．Ｋ． Ｔｉｅｎ， Ｒ．Ｊ． Ｍａｒｔｉｎ， Ｒ．Ｅ． Ｎａｈｏｒｙ， ａｎｄ Ａ．Ａ． Ｂａｌｌｍａｎ， 「アプライド・フィジックス・レター」（Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．）（米国）、Ｖｏｌ．４３、（１９８３年）、ｐ５９４）によれば、亜鉛の吸収層への拡散は、結晶中にリンの空孔が生じることと、その空孔に亜鉛が拡散することによる複合的な格子欠陥に基づくものである。ｐｉｎ型接合構造を含むデバイスを有機金属気相成長法によって作製する場合、作製方法に由来してリンの空孔を生じやすく、亜鉛の吸収層への拡散を避けることは困難であった。また、これまで、ｐ／ｉ接合界面において、ｉ層への拡散不純物濃度を１０１６ｃｍ−３以下に抑制できた例の報告はない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、良好な消光比が得られるｐｉｎ型接合構造を含む導波路型半導体光デバイスを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る導波路型半導体光デバイスは、半絶縁性基板上に、ｎ型クラッド層、ｉ型吸収層及びｐ型クラッド層とからなるｐｉｎ型接合構造を形成した導波路型半導体光デバイスであって、前記ｉ型吸収層における不純物濃度が１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る導波路型半導体光デバイスは、前記導波路型半導体光デバイスであって、前記ｐ型クラッド層は、亜鉛より拡散係数が小さいｐ型不純物を含有することを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明に係る導波路型半導体光デバイスは、前記導波路型半導体光デバイスであって、前記ｐ型クラッド層におけるｐ型不純物は、ベリリウムであることを特徴とする。
【００１１】
またさらに、本発明に係る導波路型半導体光デバイスは、前記導波路型半導体光デバイスであって、前記ｐ型クラッド層は、
第１のｐ型不純物を含有する第１のｐ型クラッド層と、
前記第１のｐ型クラッド層と前記ｉ型吸収層との間に設けられ、前記第１のｐ型不純物より拡散係数が大きい第２のｐ型不純物を含有する第２のｐ型クラッド層と
を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る導波路型半導体光デバイスの製造方法は、半絶縁性基板上にｎ型クラッド層、ｉ型吸収層及びｐ型クラッド層とからなるｐｉｎ型接合構造を形成した導波路型半導体光デバイスの製造方法であって、前記ｐ型クラッド層に含有させるｐ型不純物として、亜鉛より拡散係数の小さいｐ型不純物を用い、有機金属気相成長法によって作製することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る導波路型半導体光デバイスの製造方法は、前記導波路型半導体光デバイスの製造方法であって、前記ｐ型不純物としてベリリウムを用い、有機金属気相成長法におけるベリリウムの原料として、ビスメチルシクロペンタジエニルベリリウム、ビスシクロペンタジエニルベリリウム、ジメチルベリリウム及びジエチルベリリウムの群から選ばれる少なくとも一種の原料を用いることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る導波路型半導体光デバイスについて、添付図面を用いて説明する。なお、図面において、実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
【００１５】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る導波路型半導体光デバイスについて、図１から図１０を用いて説明する。図１は、この導波路型半導体光デバイスである光変調器２０の外観を示す斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ’線に沿った光変調領域１４の断面構造を示す断面図であり、図３は、図２の導波路メサ１０の部分の層構造を示す概略断面図である。この光変調器２０は、ｐｉｎ型接合構造を形成した電界吸収型光変調器である。この光変調器は、導波路メサ１０を備え、該導波路メサ１０は、２本の平行な溝で挟まれた凸部が一つの光軸に平行に延在して構成されている。この導波路メサ１０は、同一の光軸を有する２つの低損失導波路部１２と、２つの低損失導波路部１２で挟まれており、該光軸と同一の光軸を有する光変調領域１４とからなる。光は、外部から低損失導波路部１２を介して光変調領域１４に導波されて光変調される。低損失導波路部１２は、低損失導波路２２及びアンドープ層２４とを含んでいる。また、光変調領域１４は、ｎ型クラッド層２、３、ｉ型吸収層４、ｐ型クラッド層６からなるｐｉｎ型接合構造を含む層構造を有している。光変調領域１４の層構造は、半絶縁性ＩｎＰ基板１の上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層２、３、ｉ型吸収層４、アンドープ層５、ｐ型ＩｎＰクラッド層６、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７及びｐ型側電極９とが順に積層されている。ｎ型ＩｎＰクラッド層２、３に含まれるｎ型不純物には、イオウ（Ｓ）が用いられ、ｐ型ＩｎＰクラッド層６及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７に含まれるｐ型不純物には、ベリリウムが用いられている。ｉ型吸収層４の成膜時には不純物は添加されていない。この光変調器２０では、ｐ型ＩｎＰクラッド層６に添加するｐ型不純物として亜鉛より拡散係数の低いベリリウムを用いているので、後述するように、吸収層４におけるベリリウムの濃度を１０１６ｃｍ−３以下に抑制することができる。
【００１６】
また、この光変調器２０の電界印加のための電極構造について図２の断面図を用いて説明する。ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７は、導波路メサ１０を挟む２つの溝のうち、第１の溝を介してｐ型側電極９と接続されている。第１の溝は、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７の上面からｎ型ＩｎＰクラッド層２までが除去され、第１の溝の底部にＩｎＰ基板１が露出している。第１の溝の側面及び底面は絶縁層８で覆われている。導波路メサ１０の頂部のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７は、第１の溝の絶縁層８の上をわたって形成された電極材によってｐ型側電極９に接続されている。一方、ｎ型ＩｎＰクラッド層２は、導波路メサ１０を挟む２つの溝のうち、第２の溝を介してｎ型側電極１８と接続されている。第２の溝は、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７の上面からｎ型ＩｎＰクラッド層３までが除去され、第２の溝の底部にｎ型ＩｎＰクラッド層２が露出している。第２の溝の側面は絶縁層８で覆われ、底部に露出するｎ型ＩｎＰクラッド層は、第２の溝の絶縁層をわたって形成された電極材１６によってｎ型側電極１８に接続されている。上記ｐ型側電極９とｎ型側電極１８との間に電圧を印加することによって、吸収層４を導波する光を強度変調することができる。
【００１７】
図４は、この光変調器２０の光変調領域１４における深さ方向にわたるベリリウムの濃度分布の測定結果を示すグラフである。グラフの横軸はｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７の表面からの深さであり、縦軸は、対数表示されたベリリウムの濃度である。深さ方向に垂直な断面を切り出して、その断面について２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いてベリリウムの濃度を測定した。図４に示されるように、吸収層４では、全域にわたってベリリウム濃度が１０１６ｃｍ−３以下である。
【００１８】
図５は、従来の光変調器の吸収層５４中における電界分布の計算値を示したグラフであり、図６は、この光変調器の吸収層４中の電界分布の計算値を示したグラフである。グラフの横軸は吸収層４中の位置であり、縦軸は電界の大きさである。この電界分布の計算値は、この光変調器２０の場合には吸収層４中のベリリウムの濃度分布からポアソン方程式を解いて算出し、従来の光変調器７０の場合には吸収層５４中の亜鉛の濃度分布から電界分布を算出している。従来の光変調器の場合には、ｐ型不純物として拡散係数の大きい亜鉛を添加しているため、図１８に示されるように、吸収層５４中に亜鉛が１０１６ｃｍ−３以上の濃度で拡散している。これが原因となって吸収層中の電界分布に大きな不均一性が生じているものと考えられる。一方、この光変調器２０の場合には、ｐ型不純物として亜鉛より拡散係数の小さいベリリウムを含有しているので、吸収層４内の不純物濃度を１０１６ｃｍ−３以下にすることができる。このため、吸収層４内の電界分布の不均一性は無視しうる程度に小さくなると考えられる。
【００１９】
図７は、ｐ型不純物としてベリリウムを用いたこの光変調器２０の場合と、亜鉛を用いた従来の光変調器の場合のそれぞれにおける消光比の実測結果を示すグラフである。グラフの横軸はバイアス電圧であり、縦軸は光出力である。バイアス電圧が−２Ｖの場合、この光変調器２０の場合には、消光比が−３４ｄＢであり、従来の光変調器の場合には、消光比が−２４ｄＢである。このように、この光変調器２０は、従来の光変調器に比べて消光比を４０％程度改善することができる。
【００２０】
また、図８及び図９を用いて、この光変調器２０の吸収層４における不純物濃度と消光比特性との関係について説明する。図８は、吸収層における不純物濃度が３×１０１６ｃｍ−３の場合の消光比特性の計算結果を示すグラフであり、図９は、吸収層における不純物濃度が３×１０１５ｃｍ−３の場合の消光比特性の計算結果を示すグラフである。グラフの横軸は電圧であり、縦軸は光出力である。このグラフから、吸収層での不純物濃度が３×１０１６ｃｍ−３の場合には電界のばらつきが大きく消光比が悪化することがわかる。一方、吸収層での不純物濃度が３×１０１５ｃｍ−３の場合には吸収層全体にわたってほぼ一様な電界分布をしており、良好な消光比特性が得られることがわかる。上述のように、吸収層４における不純物濃度が１０１６ｃｍ−３以下の場合には良好な消光比が得られる。
【００２１】
なお、ここでは導波路型半導体光デバイスの一例として、電界吸収型光変調器について説明したが、これに限定されない。この他、光スイッチ等、ｐｉｎ型接合構造を形成した半導体光デバイスについても応用することができる。
【００２２】
次に、図１０を用いて、この光変調器２０の製造方法について説明する。
（ａ）半絶縁性ＩｎＰ基板１を用意する。
（ｂ）イオウをｎ型不純物として添加して有機金属気相成長法によって、ｎ型ＩｎＰクラッド層２、３をＩｎＰ基板１の上に成長させる。
（ｃ）有機金属気相成長法によって、ＩｎＧａＡｓＰ混晶２２及びノンドープ層２４をｎ型ＩｎＰクラッド層３の上に成長させる。このＩｎＧａＡｓＰ混晶２２とノンドープ層２４とによって低損失導波路部１２が構成される。
（ｄ）次いで、マスク２６を用いて吸収層４部分を成長させる部分をエッチングで選択的に除去し、２つの低損失導波路部１２が形成される（図１０（ａ））。
（ｅ）有機金属気相成長法を用いて、２つの低損失導波路部１２の間に吸収層４及びノンドープ層５を成長させる（図１０（ｂ））。その後、マスク２６をエッチングで除去する。
（ｆ）有機金属気相成長法によって、ｐ型不純物としてベリリウムを含有するｐ型ＩｎＰクラッド層６と、ｐ型不純物としてベリリウムを含有するｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７とを形成する（図１０（ｃ））。この場合に、ベリリウムの原料には、ビスメチルシクロペンタジエニルベリリウムを用いる。なお、ベリリウムの原料は、上記のものに限定されず、有機金属気相成長法で用いることができる材料であれば別の原料を用いてもよい。例えば、ビスシクロペンタジエニルベリリウム、ジメチルベリリウム、ジエチルベリリウム等の材料を用いることができる。
（ｇ）その後、エッチング工程で２本の溝と、その溝で挟まれた導波路メサ１０とを形成し、成膜工程で絶縁層８、電極材１６、ｐ型側電極９、ｎ型側電極１８を順に成膜し、その他必要な各工程を行って光変調器２０が作製される。
【００２３】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る導波路型半導体光デバイスである光変調器について、図１１から図１３を用いて説明する。図１１は、この光変調器２０の光変調領域１４における層構造を示す概略断面図である。この光変調器２０は、実施の形態１に係る光変調器と比較すると、ｐ型ＩｎＰクラッド層６が、ｐ型不純物としてベリリウムを含有する第１のｐ型ＩｎＰクラッド層６ｂと、ｐ型不純物として亜鉛を含有する厚さ約６０ｎｍの第２のｐ型ＩｎＰ層６ａとを含む点で相違する。第２のｐ型ＩｎＰクラッド層６ａは、第１のｐ型ＩｎＰクラッド層６ｂとｉ型吸収層４との間に設けられている。このようにｐ型ＩｎＰクラッド層の一部に亜鉛を含む第２のｐ型ＩｎＰクラッド層６ａを設けることで、ｐ型不純物としてベリリウムのみを用いた場合に比べてｐ型ＩｎＰ層６ａ、６ｂ全体の抵抗値を低減させることができる。
【００２４】
図１２は、この光変調器２０の光変調領域１４における深さ方向のリン及びベリリウムの濃度分布を示すグラフであり、図１３は、リン及び亜鉛の濃度分布を示すグラフである。グラフの横軸はｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層の表面からの深さであり、縦軸は対数表示された元素濃度である。２つのグラフにおいて、リンの濃度変化が各層の位置を表している。表面からの深さ約２μｍでリン濃度が相対的に低い領域は吸収層４の範囲である。該吸収層４より浅い部分には、上述のように、深い側から順に、アンドープ層５、ｐ型不純物として亜鉛を含有する第２のｐ型ＩｎＰクラッド層６ａ、ｐ型不純物としてベリリウムを含有する第１のＩｎＰクラッド層６ｂが形成されている。亜鉛は、第２のＩｎＰクラッド層から第１のｐ型ＩｎＰクラッド層中へ拡散し、ベリリウムは、第１のｐ型ＩｎＰクラッド層６ｂから第２のｐ型ＩｎＰクラッド層６ａへ拡散する。すなわち、亜鉛とベリリウムとはそれぞれが含まれている層へ相互拡散する。そのため、図１３に示すように、亜鉛は、ベリリウムが含まれている第１のｐ型ＩｎＰクラッド層６ｂへ拡散し、第１のｐ型ＩｎＰクラッド層は亜鉛を１０１６ｃｍ−３を超える濃度で含有する。一方、亜鉛は、吸収層４へはほとんど拡散せず、吸収層４は亜鉛を１０１６ｃｍ−３より低い濃度で含有する。そこで、吸収層４におけるｐ型不純物の亜鉛及びベリリウムの濃度を１０１６ｃｍ−３以下に抑制することができ、良好な消光比特性を得ることができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明に係る導波路型半導体光デバイスによれば、ｐｉｎ型接合構造を形成した導波路型半導体光デバイスｐ型クラッド層に添加するｐ型不純物として亜鉛より拡散係数の低いベリリウム等のｐ型不純物を用いている。そこで、ｉ型吸収層における不純物濃度を１０１６ｃｍ−３以下に抑制することができ、良好な消光比特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光変調器の構成を示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る光変調器の変調領域における深さ方向の構造を示す概略断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る光変調器の変調領域における深さ方向のベリリウム濃度分布の測定結果を示すグラフである。
【図５】従来の光変調器の吸収層における電界分布の計算結果を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態１に係る光変調器の吸収層における電界分布の計算結果を示すグラフである。
【図７】Ｚｎドープの場合とＢｅドープの場合のそれぞれの消光比を示すグラフである。
【図８】吸収層の不純物濃度が３×１０１５ｃｍ−３の場合の電圧と光出力との関係を示すグラフである。
【図９】吸収層の不純物濃度が３×１０１６ｃｍ−３の場合の電圧と光出力との関係を示すグラフである。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態１に係る光変調器の製造工程を示す斜視図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る光変調器の光変調領域における深さ方向の構造を示す概略断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態２に係る光変調器の光変調領域における深さ方向のベリリウム濃度分布の測定結果を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施の形態２に係る光変調器の光変調領域における深さ方向の亜鉛濃度分布の測定結果を示すグラフである。
【図１４】従来の光変調器の変調領域における深さ方向の構造を示す概略断面図である。
【図１５】従来の光変調器の変調領域における深さ方向の亜鉛濃度分布の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 半絶縁性ＩｎＰ基板、２、３ ｎ型ＩｎＰクラッド層、４ 吸収層、５ アンドープ層、６、６ａ、６ｂ ｐ型ＩｎＰクラッド層、７ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、８ 絶縁体層、９ ｐ型側電極、１０ 導波路メサ、１２ 低損失導波路部、１４ 変調領域、１６ 電極材、１８ ｎ型側電極、２０ 光変調器（導波路型半導体光デバイス）、２２ 低損失導波路、２４ アンドープ層、２６ マスク、５１ 半絶縁性ＩｎＰ基板、５２、５３ ｎ型ＩｎＰクラッド層、５４ 吸収層、５５ アンドープ層、５６ ｐ型ＩｎＰクラッド層、５７ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに用いられる導波路型半導体光デバイス、特に、ｐｉｎ型接合構造を形成した電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超高速の光通信システムを実現するために、応答性に優れた導波路型半導体光デバイスが用いられている。例えば、電界吸収型光変調器、光スイッチ等が用いられる。図１４は、従来の光変調器の吸収層を含む光変調領域における層構造を示す概略断面図であり、図１５は、図１４の層構造の表面から深さ方向にわたる亜鉛の濃度分布を示すグラフである。この光変調器は、ｐｉｎ型接合構造を形成した層構造を備える。この光変調器は、図１４に示されるように、半絶縁性ＩｎＰ基板５１の上に、順に、ｎ型ＩｎＰクラッド層５２、５３、ｉ型吸収層５４、アンドープ層５５、ｐ型ＩｎＰクラッド層５６、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５７が形成されている。このｎ型ＩｎＰクラッド層に含まれるｎ型不純物にはイオウ（Ｓ）が用いられ、ｐ型ＩｎＰクラッド層５６及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５７に含まれるｐ型不純物には、亜鉛が用いられている。また、ｉ型吸収層５４には不純物が何も添加されない。この光変調器では、吸収層５４の層に垂直な方向に電界が印加された場合には吸収層５４の吸収係数が変化するので、吸収層を導波する光が光強度変調される。
【０００３】
なお、ｐｉｎ型接合構造の半導体装置に関する先行技術（例えば、特許文献１参照）がある。この半導体装置は、ｎ型ＩｎＰ基板上に、順に、多重量子井戸吸収層、Ｂｅドープのｐ型ＩｎＰクラッド層、Ｂｅ及びＺｎをドープしたｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層が積層されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−６４４５９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光変調器では、ｐ型不純物に亜鉛を用いている。そのため、図１４に示されているように、亜鉛は、ｐ型ＩｎＰ層５６から吸収層５４にわたって拡散しており、吸収層５４は、亜鉛を吸収層５４の全域にわたって１０１６ｃｍ−３を超える濃度で有していることがわかる。吸収層５４内に拡散する不純物濃度が１０１６ｃｍ−３を超えるほど高いと、吸収層５４の各部に加わる電界のばらつきが大きくなり、吸収層５４全体としての消光比特性が悪化する。
【０００６】
また、亜鉛の吸収層への拡散に関する研究（Ｍ． Ｙａｍａｄａ， Ｐ．Ｋ． Ｔｉｅｎ， Ｒ．Ｊ． Ｍａｒｔｉｎ， Ｒ．Ｅ． Ｎａｈｏｒｙ， ａｎｄ Ａ．Ａ． Ｂａｌｌｍａｎ， 「アプライド・フィジックス・レター」（Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．）（米国）、Ｖｏｌ．４３、（１９８３年）、ｐ５９４）によれば、亜鉛の吸収層への拡散は、結晶中にリンの空孔が生じることと、その空孔に亜鉛が拡散することによる複合的な格子欠陥に基づくものである。ｐｉｎ型接合構造を含むデバイスを有機金属気相成長法によって作製する場合、作製方法に由来してリンの空孔を生じやすく、亜鉛の吸収層への拡散を避けることは困難であった。また、これまで、ｐ／ｉ接合界面において、ｉ層への拡散不純物濃度を１０１６ｃｍ−３以下に抑制できた例の報告はない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、良好な消光比が得られるｐｉｎ型接合構造を含む導波路型半導体光デバイスを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る導波路型半導体光デバイスは、半絶縁性基板上に、ｎ型クラッド層、ｉ型吸収層及びｐ型クラッド層とからなるｐｉｎ型接合構造を形成した導波路型半導体光デバイスであって、前記ｉ型吸収層における不純物濃度が１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る導波路型半導体光デバイスは、前記導波路型半導体光デバイスであって、前記ｐ型クラッド層は、亜鉛より拡散係数が小さいｐ型不純物を含有することを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明に係る導波路型半導体光デバイスは、前記導波路型半導体光デバイスであって、前記ｐ型クラッド層におけるｐ型不純物は、ベリリウムであることを特徴とする。
【００１１】
またさらに、本発明に係る導波路型半導体光デバイスは、前記導波路型半導体光デバイスであって、前記ｐ型クラッド層は、
第１のｐ型不純物を含有する第１のｐ型クラッド層と、
前記第１のｐ型クラッド層と前記ｉ型吸収層との間に設けられ、前記第１のｐ型不純物より拡散係数が大きい第２のｐ型不純物を含有する第２のｐ型クラッド層と
を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る導波路型半導体光デバイスの製造方法は、半絶縁性基板上にｎ型クラッド層、ｉ型吸収層及びｐ型クラッド層とからなるｐｉｎ型接合構造を形成した導波路型半導体光デバイスの製造方法であって、前記ｐ型クラッド層に含有させるｐ型不純物として、亜鉛より拡散係数の小さいｐ型不純物を用い、有機金属気相成長法によって作製することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る導波路型半導体光デバイスの製造方法は、前記導波路型半導体光デバイスの製造方法であって、前記ｐ型不純物としてベリリウムを用い、有機金属気相成長法におけるベリリウムの原料として、ビスメチルシクロペンタジエニルベリリウム、ビスシクロペンタジエニルベリリウム、ジメチルベリリウム及びジエチルベリリウムの群から選ばれる少なくとも一種の原料を用いることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る導波路型半導体光デバイスについて、添付図面を用いて説明する。なお、図面において、実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
【００１５】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る導波路型半導体光デバイスについて、図１から図１０を用いて説明する。図１は、この導波路型半導体光デバイスである光変調器２０の外観を示す斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ’線に沿った光変調領域１４の断面構造を示す断面図であり、図３は、図２の導波路メサ１０の部分の層構造を示す概略断面図である。この光変調器２０は、ｐｉｎ型接合構造を形成した電界吸収型光変調器である。この光変調器は、導波路メサ１０を備え、該導波路メサ１０は、２本の平行な溝で挟まれた凸部が一つの光軸に平行に延在して構成されている。この導波路メサ１０は、同一の光軸を有する２つの低損失導波路部１２と、２つの低損失導波路部１２で挟まれており、該光軸と同一の光軸を有する光変調領域１４とからなる。光は、外部から低損失導波路部１２を介して光変調領域１４に導波されて光変調される。低損失導波路部１２は、低損失導波路２２及びアンドープ層２４とを含んでいる。また、光変調領域１４は、ｎ型クラッド層２、３、ｉ型吸収層４、ｐ型クラッド層６からなるｐｉｎ型接合構造を含む層構造を有している。光変調領域１４の層構造は、半絶縁性ＩｎＰ基板１の上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層２、３、ｉ型吸収層４、アンドープ層５、ｐ型ＩｎＰクラッド層６、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７及びｐ型側電極９とが順に積層されている。ｎ型ＩｎＰクラッド層２、３に含まれるｎ型不純物には、イオウ（Ｓ）が用いられ、ｐ型ＩｎＰクラッド層６及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７に含まれるｐ型不純物には、ベリリウムが用いられている。ｉ型吸収層４の成膜時には不純物は添加されていない。この光変調器２０では、ｐ型ＩｎＰクラッド層６に添加するｐ型不純物として亜鉛より拡散係数の低いベリリウムを用いているので、後述するように、吸収層４におけるベリリウムの濃度を１０１６ｃｍ−３以下に抑制することができる。
【００１６】
また、この光変調器２０の電界印加のための電極構造について図２の断面図を用いて説明する。ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７は、導波路メサ１０を挟む２つの溝のうち、第１の溝を介してｐ型側電極９と接続されている。第１の溝は、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７の上面からｎ型ＩｎＰクラッド層２までが除去され、第１の溝の底部にＩｎＰ基板１が露出している。第１の溝の側面及び底面は絶縁層８で覆われている。導波路メサ１０の頂部のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７は、第１の溝の絶縁層８の上をわたって形成された電極材によってｐ型側電極９に接続されている。一方、ｎ型ＩｎＰクラッド層２は、導波路メサ１０を挟む２つの溝のうち、第２の溝を介してｎ型側電極１８と接続されている。第２の溝は、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７の上面からｎ型ＩｎＰクラッド層３までが除去され、第２の溝の底部にｎ型ＩｎＰクラッド層２が露出している。第２の溝の側面は絶縁層８で覆われ、底部に露出するｎ型ＩｎＰクラッド層は、第２の溝の絶縁層をわたって形成された電極材１６によってｎ型側電極１８に接続されている。上記ｐ型側電極９とｎ型側電極１８との間に電圧を印加することによって、吸収層４を導波する光を強度変調することができる。
【００１７】
図４は、この光変調器２０の光変調領域１４における深さ方向にわたるベリリウムの濃度分布の測定結果を示すグラフである。グラフの横軸はｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７の表面からの深さであり、縦軸は、対数表示されたベリリウムの濃度である。深さ方向に垂直な断面を切り出して、その断面について２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いてベリリウムの濃度を測定した。図４に示されるように、吸収層４では、全域にわたってベリリウム濃度が１０１６ｃｍ−３以下である。
【００１８】
図５は、従来の光変調器の吸収層５４中における電界分布の計算値を示したグラフであり、図６は、この光変調器の吸収層４中の電界分布の計算値を示したグラフである。グラフの横軸は吸収層４中の位置であり、縦軸は電界の大きさである。この電界分布の計算値は、この光変調器２０の場合には吸収層４中のベリリウムの濃度分布からポアソン方程式を解いて算出し、従来の光変調器７０の場合には吸収層５４中の亜鉛の濃度分布から電界分布を算出している。従来の光変調器の場合には、ｐ型不純物として拡散係数の大きい亜鉛を添加しているため、図１８に示されるように、吸収層５４中に亜鉛が１０１６ｃｍ−３以上の濃度で拡散している。これが原因となって吸収層中の電界分布に大きな不均一性が生じているものと考えられる。一方、この光変調器２０の場合には、ｐ型不純物として亜鉛より拡散係数の小さいベリリウムを含有しているので、吸収層４内の不純物濃度を１０１６ｃｍ−３以下にすることができる。このため、吸収層４内の電界分布の不均一性は無視しうる程度に小さくなると考えられる。
【００１９】
図７は、ｐ型不純物としてベリリウムを用いたこの光変調器２０の場合と、亜鉛を用いた従来の光変調器の場合のそれぞれにおける消光比の実測結果を示すグラフである。グラフの横軸はバイアス電圧であり、縦軸は光出力である。バイアス電圧が−２Ｖの場合、この光変調器２０の場合には、消光比が−３４ｄＢであり、従来の光変調器の場合には、消光比が−２４ｄＢである。このように、この光変調器２０は、従来の光変調器に比べて消光比を４０％程度改善することができる。
【００２０】
また、図８及び図９を用いて、この光変調器２０の吸収層４における不純物濃度と消光比特性との関係について説明する。図８は、吸収層における不純物濃度が３×１０１６ｃｍ−３の場合の消光比特性の計算結果を示すグラフであり、図９は、吸収層における不純物濃度が３×１０１５ｃｍ−３の場合の消光比特性の計算結果を示すグラフである。グラフの横軸は電圧であり、縦軸は光出力である。このグラフから、吸収層での不純物濃度が３×１０１６ｃｍ−３の場合には電界のばらつきが大きく消光比が悪化することがわかる。一方、吸収層での不純物濃度が３×１０１５ｃｍ−３の場合には吸収層全体にわたってほぼ一様な電界分布をしており、良好な消光比特性が得られることがわかる。上述のように、吸収層４における不純物濃度が１０１６ｃｍ−３以下の場合には良好な消光比が得られる。
【００２１】
なお、ここでは導波路型半導体光デバイスの一例として、電界吸収型光変調器について説明したが、これに限定されない。この他、光スイッチ等、ｐｉｎ型接合構造を形成した半導体光デバイスについても応用することができる。
【００２２】
次に、図１０を用いて、この光変調器２０の製造方法について説明する。
（ａ）半絶縁性ＩｎＰ基板１を用意する。
（ｂ）イオウをｎ型不純物として添加して有機金属気相成長法によって、ｎ型ＩｎＰクラッド層２、３をＩｎＰ基板１の上に成長させる。
（ｃ）有機金属気相成長法によって、ＩｎＧａＡｓＰ混晶２２及びノンドープ層２４をｎ型ＩｎＰクラッド層３の上に成長させる。このＩｎＧａＡｓＰ混晶２２とノンドープ層２４とによって低損失導波路部１２が構成される。
（ｄ）次いで、マスク２６を用いて吸収層４部分を成長させる部分をエッチングで選択的に除去し、２つの低損失導波路部１２が形成される（図１０（ａ））。
（ｅ）有機金属気相成長法を用いて、２つの低損失導波路部１２の間に吸収層４及びノンドープ層５を成長させる（図１０（ｂ））。その後、マスク２６をエッチングで除去する。
（ｆ）有機金属気相成長法によって、ｐ型不純物としてベリリウムを含有するｐ型ＩｎＰクラッド層６と、ｐ型不純物としてベリリウムを含有するｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７とを形成する（図１０（ｃ））。この場合に、ベリリウムの原料には、ビスメチルシクロペンタジエニルベリリウムを用いる。なお、ベリリウムの原料は、上記のものに限定されず、有機金属気相成長法で用いることができる材料であれば別の原料を用いてもよい。例えば、ビスシクロペンタジエニルベリリウム、ジメチルベリリウム、ジエチルベリリウム等の材料を用いることができる。
（ｇ）その後、エッチング工程で２本の溝と、その溝で挟まれた導波路メサ１０とを形成し、成膜工程で絶縁層８、電極材１６、ｐ型側電極９、ｎ型側電極１８を順に成膜し、その他必要な各工程を行って光変調器２０が作製される。
【００２３】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る導波路型半導体光デバイスである光変調器について、図１１から図１３を用いて説明する。図１１は、この光変調器２０の光変調領域１４における層構造を示す概略断面図である。この光変調器２０は、実施の形態１に係る光変調器と比較すると、ｐ型ＩｎＰクラッド層６が、ｐ型不純物としてベリリウムを含有する第１のｐ型ＩｎＰクラッド層６ｂと、ｐ型不純物として亜鉛を含有する厚さ約６０ｎｍの第２のｐ型ＩｎＰ層６ａとを含む点で相違する。第２のｐ型ＩｎＰクラッド層６ａは、第１のｐ型ＩｎＰクラッド層６ｂとｉ型吸収層４との間に設けられている。このようにｐ型ＩｎＰクラッド層の一部に亜鉛を含む第２のｐ型ＩｎＰクラッド層６ａを設けることで、ｐ型不純物としてベリリウムのみを用いた場合に比べてｐ型ＩｎＰ層６ａ、６ｂ全体の抵抗値を低減させることができる。
【００２４】
図１２は、この光変調器２０の光変調領域１４における深さ方向のリン及びベリリウムの濃度分布を示すグラフであり、図１３は、リン及び亜鉛の濃度分布を示すグラフである。グラフの横軸はｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層の表面からの深さであり、縦軸は対数表示された元素濃度である。２つのグラフにおいて、リンの濃度変化が各層の位置を表している。表面からの深さ約２μｍでリン濃度が相対的に低い領域は吸収層４の範囲である。該吸収層４より浅い部分には、上述のように、深い側から順に、アンドープ層５、ｐ型不純物として亜鉛を含有する第２のｐ型ＩｎＰクラッド層６ａ、ｐ型不純物としてベリリウムを含有する第１のＩｎＰクラッド層６ｂが形成されている。亜鉛は、第２のＩｎＰクラッド層から第１のｐ型ＩｎＰクラッド層中へ拡散し、ベリリウムは、第１のｐ型ＩｎＰクラッド層６ｂから第２のｐ型ＩｎＰクラッド層６ａへ拡散する。すなわち、亜鉛とベリリウムとはそれぞれが含まれている層へ相互拡散する。そのため、図１３に示すように、亜鉛は、ベリリウムが含まれている第１のｐ型ＩｎＰクラッド層６ｂへ拡散し、第１のｐ型ＩｎＰクラッド層は亜鉛を１０１６ｃｍ−３を超える濃度で含有する。一方、亜鉛は、吸収層４へはほとんど拡散せず、吸収層４は亜鉛を１０１６ｃｍ−３より低い濃度で含有する。そこで、吸収層４におけるｐ型不純物の亜鉛及びベリリウムの濃度を１０１６ｃｍ−３以下に抑制することができ、良好な消光比特性を得ることができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明に係る導波路型半導体光デバイスによれば、ｐｉｎ型接合構造を形成した導波路型半導体光デバイスｐ型クラッド層に添加するｐ型不純物として亜鉛より拡散係数の低いベリリウム等のｐ型不純物を用いている。そこで、ｉ型吸収層における不純物濃度を１０１６ｃｍ−３以下に抑制することができ、良好な消光比特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光変調器の構成を示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る光変調器の変調領域における深さ方向の構造を示す概略断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る光変調器の変調領域における深さ方向のベリリウム濃度分布の測定結果を示すグラフである。
【図５】従来の光変調器の吸収層における電界分布の計算結果を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態１に係る光変調器の吸収層における電界分布の計算結果を示すグラフである。
【図７】Ｚｎドープの場合とＢｅドープの場合のそれぞれの消光比を示すグラフである。
【図８】吸収層の不純物濃度が３×１０１５ｃｍ−３の場合の電圧と光出力との関係を示すグラフである。
【図９】吸収層の不純物濃度が３×１０１６ｃｍ−３の場合の電圧と光出力との関係を示すグラフである。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態１に係る光変調器の製造工程を示す斜視図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る光変調器の光変調領域における深さ方向の構造を示す概略断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態２に係る光変調器の光変調領域における深さ方向のベリリウム濃度分布の測定結果を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施の形態２に係る光変調器の光変調領域における深さ方向の亜鉛濃度分布の測定結果を示すグラフである。
【図１４】従来の光変調器の変調領域における深さ方向の構造を示す概略断面図である。
【図１５】従来の光変調器の変調領域における深さ方向の亜鉛濃度分布の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 半絶縁性ＩｎＰ基板、２、３ ｎ型ＩｎＰクラッド層、４ 吸収層、５ アンドープ層、６、６ａ、６ｂ ｐ型ＩｎＰクラッド層、７ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、８ 絶縁体層、９ ｐ型側電極、１０ 導波路メサ、１２ 低損失導波路部、１４ 変調領域、１６ 電極材、１８ ｎ型側電極、２０ 光変調器（導波路型半導体光デバイス）、２２ 低損失導波路、２４ アンドープ層、２６ マスク、５１ 半絶縁性ＩｎＰ基板、５２、５３ ｎ型ＩｎＰクラッド層、５４ 吸収層、５５ アンドープ層、５６ ｐ型ＩｎＰクラッド層、５７ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
Claims (6)
- 半絶縁性基板上に、ｎ型クラッド層、ｉ型吸収層及びｐ型クラッド層とからなるｐｉｎ型接合構造を形成した導波路型半導体光デバイスであって、前記ｉ型吸収層における不純物濃度が１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする導波路型半導体光デバイス。
- 前記ｐ型クラッド層は、亜鉛より拡散係数が小さいｐ型不純物を含有することを特徴とする請求項１に記載の導波路型半導体光デバイス。
- 前記ｐ型クラッド層におけるｐ型不純物は、ベリリウムであることを特徴とする請求項１に記載の導波路型半導体光デバイス。
- 前記ｐ型クラッド層は、
第１のｐ型不純物を含有する第１のｐ型クラッド層と、
前記第１のｐ型クラッド層と前記ｉ型吸収層との間に設けられ、前記第１のｐ型不純物より拡散係数が大きい第２のｐ型不純物を含有する第２のｐ型クラッド層と
を有することを特徴とする請求項１に記載の導波路型半導体光デバイス。 - 半絶縁性基板上にｎ型クラッド層、ｉ型吸収層及びｐ型クラッド層とからなるｐｉｎ型接合構造を形成した導波路型半導体光デバイスの製造方法であって、前記ｐ型クラッド層に含有させるｐ型不純物として、亜鉛より拡散係数の小さいｐ型不純物を用い、有機金属気相成長法によって作製することを特徴とする導波路型半導体光デバイスの製造方法。
- 前記ｐ型不純物としてベリリウムを用い、有機金属気相成長法におけるベリリウムの原料として、ビスメチルシクロペンタジエニルベリリウム、ビスシクロペンタジエニルベリリウム、ジメチルベリリウム及びジエチルベリリウムの群から選ばれる少なくとも一種の原料を用いることを特徴とする請求項５に記載の導波路型半導体光デバイスの製造方法。
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