JP2005099387A - Semiconductor optoelectronic waveguide - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor optoelectronic waveguide with an nin type heterostructure performing stable operation of an optical modulator. <P>SOLUTION: On the top and bottom surfaces of a core layer 11 whose structure is so determined that electrooptic effect effectively operates at an operating light wavelength and light absorption causes no problem, intermediate clad layers (12-1 and 12-2) having band gaps larger than the band gap of the core layer 11 are provided so that carriers generated by the light absorption are not trapped by a heterointerfacce, and clad layers 13-1 and 13-2 having band gaps larger than those intermediate clad layers are provided on the top surface of the intermediate clad layer 12-1 and the bottom surface of the intermediate clad layer 12-2 respectively. On the top surface of the clad layer 13-1, a p-type layer 15 and an n-type layer 16 are laminated in order, and in the range of an applied voltage used in an operation state, the entire area of the p-type layer 15 and a partial or the entire area of the n-type layer 16 are depleted. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は半導体光電子導波路に関し、より詳細には、光変調器の安定動作を可能とするnin型へテロ構造を有する半導体光電子導波路に関する。   The present invention relates to a semiconductor optoelectronic waveguide, and more particularly to a semiconductor optoelectronic waveguide having a nin type heterostructure that enables stable operation of an optical modulator.

近年の大容量光通信システムにおいてはGbit/s以上の高速変調された光信号が伝送されるが、伝送距離が長くなるほどファイバの分散効果の影響を受け易くなってパルス波形が歪むため、波長チャーピングの少ない光信号を用いる必要がある。このため、通常の光信号の発生は、極めて大きなチャーピングを有するレーザダイオード(LD)の直接変調によるのではなく、直流動作のLDと外部変調器とを組み合わせることで行われる。   In recent large-capacity optical communication systems, optical signals modulated at a high speed of Gbit / s or higher are transmitted. However, the longer the transmission distance, the more easily affected by the dispersion effect of the fiber, and the pulse waveform is distorted. It is necessary to use an optical signal with little ping. For this reason, the generation of a normal optical signal is not performed by direct modulation of a laser diode (LD) having extremely large chirping, but by combining a DC-operated LD and an external modulator.

光信号の長距離伝送に用いられる従来の典型的な外部変調器は、LiNbO3(LN)導波路により構成されたLN変調器である。LN変調器の動作原理は、光導波路と電気導波路とを結合させた光電子導波路中で電気光学効果に基づく屈折率変化を生じさせ、この屈折率変化により光に位相変化を与えるというものである。このようなLN変調器は、光位相変調器やマッハツェンダ(MZ)干渉計を組み込んだ光強度変調器、あるいは、多数の導波路を結合させて構成された高機能光スイッチとして機能させることが可能である。 Conventional typical external modulator used in long-distance transmission of the optical signal is a LN modulator configured in accordance with LiNbO 3 (LN) waveguides. The principle of operation of the LN modulator is that a refractive index change based on the electro-optic effect is generated in an optoelectronic waveguide in which an optical waveguide and an electric waveguide are coupled, and the phase change is given to the light by this refractive index change. is there. Such an LN modulator can function as an optical intensity modulator incorporating an optical phase modulator or a Mach-Zehnder (MZ) interferometer, or as a highly functional optical switch configured by combining multiple waveguides. It is.

しかしながら、LN変調器の主材料であるLiNbO3が誘電体であるために、表面安定化や導波路加工に高度な技術が必要とされる。また、導波路長が比較的長いために、通常の半導体プロセスとは異なる特殊なフォトリソグラフィーを用いる必要があり、LN変調器を実装するパッケージのサイズも大きくならざるを得ない。この様な理由により、LN変調器モジュールは製造コストが高くかつ光送信器モジュールのサイズが比較的大きくなってしまうという問題があった。 However, LiNbO 3 is a main material of the LN modulator to a dielectric, passivation and waveguide advanced technology for processing is required. In addition, since the waveguide length is relatively long, it is necessary to use special photolithography different from a normal semiconductor process, and the size of the package on which the LN modulator is mounted must be increased. For these reasons, the LN modulator module has a problem that the manufacturing cost is high and the size of the optical transmitter module becomes relatively large.

LN変調器と同様の動作原理に基づく半導体光変調器も知られており、例えば、半絶縁性のGaAsにショットキ電極を配置してこれを光電子導波路としたGaAs光変調器や、ヘテロpn接合を利用することで光閉じ込めに加えて導波路コア部分に電圧が効率的に印加されるようにしたInP/InGaAsP光変調器などが知られている。   Semiconductor optical modulators based on the same operating principle as LN modulators are also known. For example, GaAs optical modulators using Schottky electrodes on semi-insulating GaAs and using them as optoelectronic waveguides, or hetero pn junctions There are known InP / InGaAsP optical modulators in which a voltage is efficiently applied to a waveguide core portion in addition to optical confinement by utilizing the above.

図3は、従来の典型的なInP/InGaAsP光変調器を構成する導波路のバンドダイアグラムで、図中において、31は導波路のコア層、32−1および32−2は第1のクラッド層、33−1と33−2はそれぞれp型およびn型の第2のクラッド層である。また、30−1と30−2はそれぞれ電子および正孔(ホール)であり、p型の第2のクラッド層33−1とn型の第2のクラッド層33−2に電圧を印加し、コア層31に所望の電気光学効果を誘起させて光変調を実現している。このような従来の導波路では、コア層31への電圧印加をpn接合により行うために、リーク電流が少なく、また、光吸収により発生するキャリアを容易に外部へと流すことが可能となって安定動作が実現される。   FIG. 3 is a band diagram of a waveguide constituting a typical conventional InP / InGaAsP optical modulator, in which 31 is a core layer of the waveguide, and 32-1 and 32-2 are first cladding layers. , 33-1 and 33-2 are p-type and n-type second cladding layers, respectively. 30-1 and 30-2 are electrons and holes, respectively, and a voltage is applied to the p-type second cladding layer 33-1 and the n-type second cladding layer 33-2, A desired electro-optic effect is induced in the core layer 31 to realize light modulation. In such a conventional waveguide, since voltage application to the core layer 31 is performed by a pn junction, there is little leakage current, and carriers generated by light absorption can be easily flowed to the outside. Stable operation is realized.

しかしながら、ショットキー電極を備えたGaAs光変調器は動作電圧が高くなってしまうという問題がある。また、InP/InGaAsP光変調器は、pクラッド層の抵抗が高いことによる電気信号の伝搬ロスのために動作帯域が狭いことに加え、p型クラッド層の光吸収が大きいために導波路長を長くすることができず低動作電圧化が困難であるという問題があった。InP/InGaAsP光変調器における電気信号の伝搬ロスはシグナル線の抵抗とp型の第2のクラッド層33−1の抵抗を通してpn接合が充放電する過程で生じるものである。特に、p型の第2のクラッド層33−1の抵抗はホールの移動度が低く抵抗値が高いという材料物性に起因するものであることから回避することができない問題である。このような問題に鑑みて、最近ではnin型構造の導波路が提案されている。   However, the GaAs optical modulator provided with the Schottky electrode has a problem that the operating voltage becomes high. InP / InGaAsP optical modulators have a narrow operating band due to the propagation loss of electrical signals due to the high resistance of the p-clad layer, and the waveguide length due to the large optical absorption of the p-type cladding layer. There is a problem that it cannot be made long and it is difficult to reduce the operating voltage. The propagation loss of the electric signal in the InP / InGaAsP optical modulator occurs in the process of charging / discharging the pn junction through the resistance of the signal line and the resistance of the p-type second cladding layer 33-1. In particular, the resistance of the p-type second cladding layer 33-1 is a problem that cannot be avoided because it is caused by the material physical properties of a low hole mobility and a high resistance value. In view of such a problem, a waveguide having a nin type structure has recently been proposed.

図4は、図3で示したInP/InGaAsP光変調器の導波路の両側のクラッド層(33−1および33−2)を共にn型としたnin型構造の導波路のバンドダイアグラムであり、これら2つのn型電極層間に電圧印加してデバイスを動作させる。この図中、41は導波路のコア層であり、42−1および42−2は第1のクラッド層である。図3に示した構成との相違点は、両電極層(44−1および44−2)がn型とされている点、および、図3中のp型の第2のクラッド層33−1が、深いFe準位46を有するFeドープの半絶縁層45とn型の電極層44−1で置き換えられている点である(特許文献1参照)。なお、n型の電極層44−2は図3中のn型の第2のクラッド層33−2に相当しており、40−1と40−2はそれぞれ電子および正孔(ホール)である。   FIG. 4 is a band diagram of a waveguide having a nin type structure in which both clad layers (33-1 and 33-2) on both sides of the waveguide of the InP / InGaAsP optical modulator shown in FIG. A voltage is applied between these two n-type electrode layers to operate the device. In this figure, 41 is a core layer of the waveguide, and 42-1 and 42-2 are first cladding layers. The difference from the configuration shown in FIG. 3 is that both electrode layers (44-1 and 44-2) are n-type, and the p-type second cladding layer 33-1 in FIG. However, it is replaced by an Fe-doped semi-insulating layer 45 having a deep Fe level 46 and an n-type electrode layer 44-1 (see Patent Document 1). The n-type electrode layer 44-2 corresponds to the n-type second clad layer 33-2 in FIG. 3, and 40-1 and 40-2 are electrons and holes, respectively. .

このような構成では、半絶縁層45の深いFe準位46がイオン化したアクセプタとして作用するため、その電荷によってバンドが湾曲し電子に対するポテンシャルバリアを形成し、図中の矢印で示すように、バンドの湾曲部近傍にある電子44−1と正孔40−2は半絶縁層45中の深いFe準位46を介して再結合する。したがって、このポテンシャルバリアによって電子の漏れ電流が抑制され、コア層41への電界印加が可能となる。   In such a configuration, since the deep Fe level 46 of the semi-insulating layer 45 acts as an ionized acceptor, the band is bent by the charge to form a potential barrier against electrons, and as shown by the arrows in the figure, the band The electrons 44-1 and the holes 40-2 in the vicinity of the curved portion are recombined through the deep Fe level 46 in the semi-insulating layer 45. Therefore, the leakage current of electrons is suppressed by this potential barrier, and an electric field can be applied to the core layer 41.

しかしながら、この構造の導波路では、深いFe準位46の密度が充分に高いとはいえないために準位のイオン化状態がバイアスに依存して変化してしまう。このようなイオン化状態のバイアス依存性は電圧変化による空乏層厚の変化を生じさせて印加電圧とコア層41にかかる電界との間の比例関係が保たれないという結果を生じる。さらに、深いFe準位46によるキャリアの捕獲・放出のインターバルが比較的長いために高速な変調信号処理への応答が困難となり、変調強度が周波数分散をもってしまうという問題も生じる。   However, since the density of the deep Fe level 46 is not sufficiently high in the waveguide having this structure, the ionization state of the level changes depending on the bias. Such bias dependence of the ionized state causes a change in the depletion layer thickness due to a voltage change, resulting in a failure to maintain a proportional relationship between the applied voltage and the electric field applied to the core layer 41. Furthermore, since the interval between trapping and releasing carriers by the deep Fe level 46 is relatively long, it becomes difficult to respond to high-speed modulation signal processing, resulting in a problem that the modulation intensity has frequency dispersion.

なお、「2つのn型電極層間に電圧印加してデバイスを動作させる」という基本概念は、いわゆるバルクバリア・ダイオードとして電子デバイス分野では従来より知られていたものであり、これを光変調器に応用した例としては「量子井戸のキャリアバンドフィリング効果を誘起させるコア層を導入した変調器」の報告がある(特許文献2参照)。この光変調器は量子井戸への電子の出し入れを利用するものであるために、電気光学効果を利用する光変調器に比較して動作速度を速くすることは原理的にできない。   The basic concept of “operating a device by applying a voltage between two n-type electrode layers” has been conventionally known in the field of electronic devices as a so-called bulk barrier diode. As an applied example, there is a report of “a modulator in which a core layer for inducing a carrier band filling effect of a quantum well is introduced” (see Patent Document 2). Since this optical modulator uses the insertion / extraction of electrons to / from the quantum well, it is impossible in principle to increase the operation speed as compared with the optical modulator using the electro-optic effect.

特開2003-177368号公報JP 2003-177368 A 米国特許第5,647,029号明細書U.S. Pat.No. 5,647,029

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、光変調器の安定動作を可能とするnin型へテロ構造を有する半導体光電子導波路を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor optoelectronic waveguide having a nin type heterostructure that enables stable operation of an optical modulator. It is in.

このような目的を達成するために、本発明は、電気光学効果を奏する半導体コア層の一方主面と他方主面の各々の面上に、第1の半導体クラッド層と、第2の半導体クラッド層と、n型電極層として機能する第3の半導体クラッド層と、が順次積層されており、前記第1の半導体クラッド層のバンドギャップは前記半導体コア層のバンドギャップよりも大きく、前記第2の半導体クラッド層および前記第3の半導体クラッド層のバンドギャップの各々は前記第1の半導体クラッド層のバンドギャップよりも大きく、前記半導体コア層の一方主面上または他方主面上に積層された前記第2の半導体クラッド層と前記第3の半導体クラッド層の間の何れかに、前記第2の半導体クラッド層側がp型であり前記第3の半導体クラッド層側がn型であるpn接合層が設けられていることを特徴とする半導体光電子導波路である。   In order to achieve such an object, the present invention provides a first semiconductor clad layer and a second semiconductor clad on each of one main surface and the other main surface of a semiconductor core layer exhibiting an electro-optic effect. And a third semiconductor clad layer functioning as an n-type electrode layer are sequentially stacked, and a band gap of the first semiconductor clad layer is larger than a band gap of the semiconductor core layer, Each of the band gaps of the semiconductor clad layer and the third semiconductor clad layer is larger than the band gap of the first semiconductor clad layer, and is laminated on one main surface or the other main surface of the semiconductor core layer. Between the second semiconductor cladding layer and the third semiconductor cladding layer, the second semiconductor cladding layer side is p-type, and the third semiconductor cladding layer side is n-type. A semiconductor optoelectronic waveguide, wherein a pn junction layer is provided.

好ましくは、前記pn接合層は、前記半導体光電子導波路の動作状態において、p層全域が空乏化する一方、n層は少なくとも一部領域が空乏化するように、各々の層厚と不純物濃度が設定されている。   Preferably, each layer thickness and impurity concentration of the pn junction layer is such that, in the operating state of the semiconductor optoelectronic waveguide, the entire p layer is depleted, while the n layer is at least partially depleted. Is set.

また、好ましくは、前記pn接合層のp層の不純物濃度が1×1017cm−3以上であり、n層の不純物濃度が5×1017cm−3以上である。 Preferably, the impurity concentration of the p layer of the pn junction layer is 1 × 10 17 cm −3 or more, and the impurity concentration of the n layer is 5 × 10 17 cm −3 or more.

また、好ましくは、前記pn接合層のn層には、n型不純物に加え深い準位を形成する不純物がドーピングされている。   Preferably, the n layer of the pn junction layer is doped with an impurity that forms a deep level in addition to the n-type impurity.

また、好ましくは、前記pn接合層のn層のバンドギャップエネルギは、当該pn接合層のp層のバンドギャップエネルギよりも小さい。   Preferably, the band gap energy of the n layer of the pn junction layer is smaller than the band gap energy of the p layer of the pn junction layer.

さらに、好ましくは、前記pn接合層のn層にドーピングされている深い準位の不純物はFeである。   More preferably, the deep level impurity doped in the n layer of the pn junction layer is Fe.

本発明によれば、光電子導波路が備えるnin型ヘテロ構造のバンドプロファイル制御を容易化することが可能となるので、光変調器の安定動作を可能とする半導体光電子導波路を提供することが可能となる。これにより、駆動電圧が低いというnin型へテロ構造の半導体光電子導波路の特長を損なうことなく、より安定な光変調動作が実現され、モジュールの低消費電力化と低価格化とに寄与する。   According to the present invention, it is possible to facilitate the band profile control of the nin-type heterostructure included in the optoelectronic waveguide, and therefore it is possible to provide a semiconductor optoelectronic waveguide that enables stable operation of the optical modulator. It becomes. As a result, a more stable optical modulation operation can be realized without impairing the features of the nin-type heterostructure semiconductor optoelectronic waveguide having a low drive voltage, which contributes to lower power consumption and lower cost of the module.

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明の半導体光電子導波路の構成例を説明するための図で、図1(a)はこの光電子導波路の斜視図であり、図1(b)はそのバンドダイアグラムである。11はコア層であり、動作光波長で電気光学効果が有効に作用しかつ光吸収が問題とならないように構造決定されている。例えば1.5μm帯のデバイスとする場合には、量子井戸層とバリア層をInGaAlAs化合物で形成し、これらの層のGa/Al組成を異ならしめた多重量子井戸構造のコア層11とする。   FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration example of a semiconductor optoelectronic waveguide according to the present invention. FIG. 1A is a perspective view of the optoelectronic waveguide, and FIG. 1B is a band diagram thereof. 11 is a core layer, and its structure is determined so that the electro-optic effect works effectively at the operating light wavelength and the light absorption does not become a problem. For example, in the case of a 1.5 μm band device, the quantum well layer and the barrier layer are formed of InGaAlAs compounds, and the core layer 11 having a multiple quantum well structure in which the Ga / Al composition of these layers is made different.

コア層11の上面と下面には、光吸収で発生したキャリアがヘテロ界面でトラップされないようにするために、コア層11のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する、InGaAlAsなどの組成を有する中間クラッド層(12−1および12−2)が設けられている。   On the upper and lower surfaces of the core layer 11, an intermediate cladding having a composition such as InGaAlAs having a band gap larger than the band gap of the core layer 11 in order to prevent carriers generated by light absorption from being trapped at the heterointerface. Layers (12-1 and 12-2) are provided.

中間クラッド層12−1の上面および中間クラッド層12−2の下面の各々には、これらの中間クラッド層よりも大きなバンドギャップを有する、InGaAlAsなどの組成のクラッド層13−1および13−2が設けられている。   On each of the upper surface of the intermediate cladding layer 12-1 and the lower surface of the intermediate cladding layer 12-2, cladding layers 13-1 and 13-2 having a larger band gap than these intermediate cladding layers and having a composition such as InGaAlAs are provided. Is provided.

クラッド層13−1の上面には、例えばInGaAlAsのp型層15と例えばInGaAlAsのn型層16とが順次積層されており、動作状態で使用する印加電圧範囲において、p型InGaAlAs層15の全領域とn型InGaAlAs層16の一部領域または全領域とが空乏化される。このような空乏化領域のバンドのポテンシャル変化が充分に大きくなる様、すなわち、電子に対する充分なポテンシャルバリアが誘起されるべく、これらの層のドーピング濃度プロファイルが決定される。これらの層のドーピング濃度は、p型層15が1×1017cm−3以上であり、n型層16が5×1017cm−3以上とすることが好ましい。例えば、p型層15のドーピング濃度を2×1017cm−3とし、n型層16のドーピング濃度を1×1018cm−3とする。 On the upper surface of the cladding layer 13-1, for example, an InGaAlAs p-type layer 15 and an InGaAlAs n-type layer 16, for example, are sequentially laminated. The region and the partial region or the entire region of the n-type InGaAlAs layer 16 are depleted. The doping concentration profiles of these layers are determined so that the potential change of the band in such a depletion region is sufficiently large, that is, a sufficient potential barrier for electrons is induced. The doping concentration of these layers is preferably 1 × 10 17 cm −3 or more for the p-type layer 15 and 5 × 10 17 cm −3 or more for the n-type layer 16. For example, the p-type layer 15 has a doping concentration of 2 × 10 17 cm −3 and the n-type layer 16 has a doping concentration of 1 × 10 18 cm −3 .

n型InGaAlAs層16の上面およびクラッド層13−2の下面の各々には、クラッド層として機能する、InGaAlAsなどの組成のn型層14−1および14−2が設けられ、n型層14−1の上面には電極18−1が設けられている。なお、これらのn型層14−1および14−2のバンドギャップは、中間クラッド層12−1および12−2のバンドギャップよりも大きく設定されている。そして、これらの積層構造体の最下層であるn型層14−2は、電極18−2を有するn型電極層17の主面の一部領域上に設けられている。   Each of the upper surface of the n-type InGaAlAs layer 16 and the lower surface of the cladding layer 13-2 is provided with n-type layers 14-1 and 14-2 having a composition such as InGaAlAs that function as the cladding layer. 1 is provided with an electrode 18-1. The band gaps of these n-type layers 14-1 and 14-2 are set larger than the band gaps of the intermediate cladding layers 12-1 and 12-2. And n-type layer 14-2 which is the lowest layer of these laminated structures is provided on a partial region of the main surface of n-type electrode layer 17 having electrode 18-2.

光電子導波路として機能させるためには、図1(a)に例示したような断面のメサ構造を含む導波路構造とし、その導波路に光を伝搬させた状態で電極18−1および18−2から電気信号を入力し、n型層14−1とn型層14−2との間に電圧を印加する。   In order to function as an optoelectronic waveguide, a waveguide structure including a mesa structure having a cross section as illustrated in FIG. 1A is used, and the electrodes 18-1 and 18-2 are in a state where light is propagated through the waveguide. The electric signal is input from the above, and a voltage is applied between the n-type layer 14-1 and the n-type layer 14-2.

電圧印加状態でのバンドダイアグラムを示す図1(b)から理解されるように、p型InGaAlAs層15とn型InGaAlAs層16とが存在することで形成されるポテンシャルバリアによってn型層14−1からの電子注入に伴うリーク電流が抑制され、一方、光吸収で(僅かではあるが)発生した正孔10−2は、p型InGaAlAs層15およびn型InGaAlAs層16中の浅い準位のアクセプタおよびドナーを介して再結合し、これによりコア層11に電圧印加が可能となる。   As can be understood from FIG. 1B showing the band diagram in the voltage application state, the n-type layer 14-1 is formed by the potential barrier formed by the presence of the p-type InGaAlAs layer 15 and the n-type InGaAlAs layer 16. On the other hand, the leak current due to the electron injection from the hole 10-2 is suppressed, while the hole 10-2 generated by light absorption (although slightly) is a shallow level acceptor in the p-type InGaAlAs layer 15 and the n-type InGaAlAs layer 16. Then, recombination is performed via a donor, whereby a voltage can be applied to the core layer 11.

図1(b)のバンドダイアグラムを図4に示したバンドダイアグラムと比較すると、従来構成の導波路が深い準位をイオン化することでポテンシャル変化を誘起していたのに対し、本発明の構造では、所望の電界強度がコア層11に印加されるように浅い準位のアクセプタとドナーの濃度を決定することにより、ポテンシャル形状を確実に制御するものである。   When the band diagram of FIG. 1B is compared with the band diagram shown in FIG. 4, the waveguide of the conventional configuration induces a potential change by ionizing deep levels, whereas in the structure of the present invention, The potential shape is surely controlled by determining the concentrations of the acceptor and the donor in the shallow level so that a desired electric field strength is applied to the core layer 11.

なお、図1では、p型InGaAlAs層15とn型InGaAlAs層16とからなるpn接合層をクラッド層13−1とn型層14−1との間に設けることとしたが、この構成に変えて、クラッド層13−2とn型層14−2との間に設けることとしてもよい。   In FIG. 1, a pn junction layer composed of the p-type InGaAlAs layer 15 and the n-type InGaAlAs layer 16 is provided between the cladding layer 13-1 and the n-type layer 14-1, but this configuration is changed. Thus, it may be provided between the cladding layer 13-2 and the n-type layer 14-2.

動作時には、僅かではあるが、コア層11中での光吸収によって電子10−1と正孔10−2が生成される。このうち、電子10−1は容易にn型層14−2へと到達するが、正孔10−2はバンド湾曲の急峻なn型InGaAlAs層16附近に蓄積してしまう可能性がある。この蓄積された正孔10−3はp型InGaAlAs層15とn型InGaAlAs層16との間のpn接合における順方向バイアス要因となることから、この領域におけるポテンシャルバリアを押し下げ、コア層11に電圧が印加されにくくなるとともにn型層14−1側からの電子注入を引き起こす原因となり得る。   During operation, electrons 10-1 and holes 10-2 are generated by light absorption in the core layer 11, although only slightly. Among these, the electrons 10-1 easily reach the n-type layer 14-2, but the holes 10-2 may accumulate near the n-type InGaAlAs layer 16 with sharp band curvature. The accumulated hole 10-3 becomes a forward bias factor in the pn junction between the p-type InGaAlAs layer 15 and the n-type InGaAlAs layer 16, and therefore pushes down the potential barrier in this region and causes the core layer 11 to have a voltage. May be difficult to be applied and cause electron injection from the n-type layer 14-1 side.

本実施例では、このような蓄積正孔10−3を速やかに再結合させるため、p型InGaAlAs層15とn型InGaAlAs層16を高濃度にドーピングされた層とし、pn接合の厚みを薄くすることで電子と蓄積正孔とを空間的に接近させ、図1(b)中の矢印で示したバンド間再結合の確率を高めている。これによりコア層11中で発生しn型InGaAlAs層16附近に蓄積している正孔10−3が速やかに除去され、p型InGaAlAs層15とn型InGaAlAs層16とで形成されているポテンシャルバリアの高さ変動を抑制することが可能となる。   In this embodiment, in order to quickly recombine such accumulated holes 10-3, the p-type InGaAlAs layer 15 and the n-type InGaAlAs layer 16 are made highly doped layers to reduce the thickness of the pn junction. As a result, the electrons and the accumulated holes are spatially approximated to increase the probability of interband recombination indicated by the arrows in FIG. As a result, the holes 10-3 generated in the core layer 11 and accumulated near the n-type InGaAlAs layer 16 are quickly removed, and the potential barrier formed by the p-type InGaAlAs layer 15 and the n-type InGaAlAs layer 16 is removed. Can be suppressed.

本実施例の導波路は、図1のn型InGaAlAs層16に相当する層に、ドナー不純物と共に、Feなどの深い準位を形成する不純物をドーピングする。なお、深い準位を形成する不純物のドーピング量は、ドナー不純物のドーピング量に比較して充分に低く設定する。このようなドーピングに拠れば、深い準位を形成する不純物がバンドプロファイルに大きな影響を与えることはない一方、深い準位を介しての再結合確率が高くなり、光吸収によりコア層11中で発生した正孔を速やかに取り除くことが可能となる。   In the waveguide of this embodiment, a layer corresponding to the n-type InGaAlAs layer 16 in FIG. 1 is doped with an impurity that forms a deep level such as Fe together with a donor impurity. Note that the doping amount of impurities forming deep levels is set sufficiently lower than the doping amount of donor impurities. According to such doping, an impurity forming a deep level does not greatly affect the band profile, but the recombination probability through the deep level is increased, and light absorption absorbs in the core layer 11. It is possible to quickly remove the generated holes.

図2は本実施例の導波路のバンドダイアグラムで、図1のn型InGaAlAs層16に相当する層を、InGaAsPなどのよりバンドギャップエネルギの小さなn型層19としたものである。InGaAlAsなどのp型層15とInGaAsPなどのn型層19との間のバンドギャップ差(ΔE)とドーピングプロファイルを所望の形状にすることにより、光吸収によりコア層11内で発生した正孔10−2の一部はこのn型InGaAsP層19にまで到達(10−3)し、より速やかな再結合を可能とする。ここで、ポテンシャル形状を制御するに際しては、p型InGaAlAs層15とn型InGaAsP層19との間の価電子帯不連続性が伝導帯不連続性よりも小さいほうが好ましい。これは、価電子帯不連続性が小さいほど正孔がp型InGaAlAs層15とn型InGaAsP層19との界面を通過しやすくなるためである。 FIG. 2 is a band diagram of the waveguide of this embodiment. The layer corresponding to the n-type InGaAlAs layer 16 in FIG. 1 is an n-type layer 19 having a smaller band gap energy such as InGaAsP. Holes generated in the core layer 11 by light absorption by making the band gap difference (ΔE G ) and the doping profile between the p-type layer 15 such as InGaAlAs and the n-type layer 19 such as InGaAsP into a desired shape. A part of 10-2 reaches the n-type InGaAsP layer 19 (10-3), thereby enabling faster recombination. Here, in controlling the potential shape, it is preferable that the valence band discontinuity between the p-type InGaAlAs layer 15 and the n-type InGaAsP layer 19 is smaller than the conduction band discontinuity. This is because the smaller the valence band discontinuity, the easier the holes pass through the interface between the p-type InGaAlAs layer 15 and the n-type InGaAsP layer 19.

これまでの説明においては、本発明を説明するに当たってInGaAlAsおよびInGaAsPを導波路の構成材料として例示したが、これらの材料に限定されるものではなく、AlGaAs系を含むIII-V族化合物半導体により本発明の導波路を構成することとしてもよい。   In the above description, InGaAlAs and InGaAsP have been exemplified as the constituent materials of the waveguide in explaining the present invention. However, the present invention is not limited to these materials, and the present invention is not limited to III-V group compound semiconductors including AlGaAs. The waveguide of the invention may be configured.

本発明の半導体光電子導波路の構成例を説明するための図で、(a)はこの光電子導波路の斜視図であり、(b)はそのバンドダイアグラムである。It is a figure for demonstrating the structural example of the semiconductor optoelectronic waveguide of this invention, (a) is a perspective view of this optoelectronic waveguide, (b) is the band diagram. 実施例4の導波路のバンドダイアグラムである。6 is a band diagram of a waveguide of Example 4. 従来の典型的なInP/InGaAsP光変調器を構成する導波路のバンドダイアグラムである。It is the band diagram of the waveguide which comprises the conventional typical InP / InGaAsP optical modulator. 図3で示したInP/InGaAsP光変調器の導波路の両側のクラッド層を共にn型としたnin型構造の導波路のバンドダイアグラムである。4 is a band diagram of a waveguide having a nin type structure in which both clad layers on both sides of the waveguide of the InP / InGaAsP optical modulator shown in FIG. 3 are n type.

符号の説明Explanation of symbols

11 コア層
12−1、12−2 中間クラッド層
13−1 13−2 クラッド層
14−1、14−2 n型層
15 p型InGaAlAs層
16 n型InGaAlAs層
17 n型電極層
18−1、18−2 電極
19 n型InGaAsP層
30−1、40−1 電子
30−2、40−2 正孔
31、41 導波路のコア層
32−1、32−2、42−1、42−2 第1のクラッド層
33−1 p型の第2のクラッド層
33−2 n型の第2のクラッド層
44−1、44−2 n型電極層
45 Feドープの半絶縁層
46 深いFe準位
11 Core layer 12-1, 12-2 Intermediate cladding layer 13-1 13-2 Cladding layer 14-1, 14-2 n-type layer 15 p-type InGaAlAs layer 16 n-type InGaAlAs layer 17 n-type electrode layer 18-1, 18-2 Electrode 19 n-type InGaAsP layer 30-1, 40-1 Electron 30-2, 40-2 Hole 31, 41 Core layer 32-1, 32-2, 42-1, 42-2 of waveguide 1 cladding layer 33-1 p-type second cladding layer 33-2 n-type second cladding layer 44-1 and 44-2 n-type electrode layer 45 Fe-doped semi-insulating layer 46 deep Fe level

Claims (6)

電気光学効果を奏する半導体コア層の一方主面と他方主面の各々の面上に、第1の半導体クラッド層と、第2の半導体クラッド層と、n型電極層として機能する第3の半導体クラッド層と、が順次積層されており、
前記第1の半導体クラッド層のバンドギャップは前記半導体コア層のバンドギャップよりも大きく、
前記第2の半導体クラッド層および前記第3の半導体クラッド層のバンドギャップの各々は前記第1の半導体クラッド層のバンドギャップよりも大きく、
前記半導体コア層の一方主面上または他方主面上に積層された前記第2の半導体クラッド層と前記第3の半導体クラッド層の間の何れかに、前記第2の半導体クラッド層側がp型であり前記第3の半導体クラッド層側がn型であるpn接合層が設けられていることを特徴とする半導体光電子導波路。
A third semiconductor functioning as a first semiconductor clad layer, a second semiconductor clad layer, and an n-type electrode layer on each of one main surface and the other main surface of the semiconductor core layer exhibiting an electro-optic effect And a clad layer are sequentially laminated,
The band gap of the first semiconductor cladding layer is larger than the band gap of the semiconductor core layer,
Each of the band gaps of the second semiconductor cladding layer and the third semiconductor cladding layer is larger than the band gap of the first semiconductor cladding layer,
Between the second semiconductor clad layer and the third semiconductor clad layer stacked on one main surface or the other main surface of the semiconductor core layer, the second semiconductor clad layer side is p-type. A semiconductor optoelectronic waveguide characterized in that a pn junction layer having an n-type on the third semiconductor cladding layer side is provided.
前記pn接合層は、前記半導体光電子導波路の動作状態において、p層全域が空乏化する一方、n層は少なくとも一部領域が空乏化するように、各々の層厚と不純物濃度が設定されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体光電子導波路。   Each layer thickness and impurity concentration of the pn junction layer are set so that the entire region of the p layer is depleted while the n layer is at least partially depleted in the operating state of the semiconductor optoelectronic waveguide. The semiconductor optoelectronic waveguide according to claim 1, wherein: 前記pn接合層のp層の不純物濃度が1×1017cm−3以上であり、n層の不純物濃度が5×1017cm−3以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体光電子導波路。 The impurity concentration of the p layer of the pn junction layer is not less than 1 × 10 17 cm -3, according to claim 1 or 2, wherein the impurity concentration of the n-layer is 5 × 10 17 cm -3 or more Semiconductor optoelectronic waveguide. 前記pn接合層のn層には、n型不純物に加え深い準位を形成する不純物がドーピングされていることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の半導体光電子導波路。   4. The semiconductor optoelectronic waveguide according to claim 1, wherein the n layer of the pn junction layer is doped with an impurity that forms a deep level in addition to an n-type impurity. 前記pn接合層のn層のバンドギャップエネルギは、当該pn接合層のp層のバンドギャップエネルギよりも小さいことを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載の半導体光電子導波路。   5. The semiconductor optoelectronic waveguide according to claim 1, wherein the band gap energy of the n layer of the pn junction layer is smaller than the band gap energy of the p layer of the pn junction layer. 前記pn接合層のn層にドーピングされている深い準位の不純物はFeであることを特徴とする請求項4または5に記載の半導体光電子導波路。
6. The semiconductor optoelectronic waveguide according to claim 4, wherein the deep level impurity doped in the n layer of the pn junction layer is Fe.
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