JP2013228473A - 光変調導波路 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、電界変調が２次元キャリアガスによって阻害されることなく所望の変調動作を得ることができる、窒化物系半導体で構成された光変調導波路を提供する。
【解決手段】本発明の光変調導波路は、基板、窒化物系半導体バッファ層、下部窒化物系半導体クラッド層、窒化物系半導体光導波層及び上部窒化物系半導体クラッド層がＣ軸方向に順次積層され、第１の電極部及び第２の電極部が、窒化物系半導体光導波層の両側面を挟み込むように形成され、第１の電極部及び第２の電極部は、上部窒化物系半導体クラッド層にイオン注入することにより形成されたｎ型イオン注入領域と、ｎ型イオン注入領域上に形成された電極とで構成され、上部窒化物系半導体クラッド層にｐ型ドープすることによって窒化物系半導体光導波層と接するようにｐ型ドープ領域が形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、窒化物半導体で構成された光変調導波路に関する。

高速光通信システムや光情報処理システムにおけるキーデバイスの１つとして光変調導波路がある。光変調導波路としては、例えば、ＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）等の誘電体を用いた光変調導波路や、半導体を用いた光変調導波路が用いられている。ＬｉＮｂＯ_３変調器は現在広く用いられている。しかしながら、ＬｉＮｂＯ_３材料は導電性が無いため、印加電圧がシグナル電極とグラウンド電極の間でかけられる。その結果、電極間の距離は１０数μｍ程度になり、光の変調に必要な屈折率の変化を得るには、３から５Ｖ程度の高い駆動電圧及び２０〜４０ｍｍ程度の電極長が必要となるため、消費電力が大きく、且つ光変調導波路の小型化を実現することができないという問題がある。

低消費電力化及び小型化を実現するため、特許文献１に示されるようなＧａＮ系光導波路を有するｎ−ｉ−ｎ構造の半導体光変調導波路が提案された。図１は、特許文献１に示される光変調導波路の構成を示す。図１に示される光変調導波路１００は、基板１０１上に、ｎ−ＧａＮ電極層１０２、下部ｉ−ＡｌＧａＮクラッド層１０３、ｉ−ＧａＮ光導波層１０４、上部ｉ−ＡｌＧａＮクラッド層１０５、及びｎ−ＧａＮ電極層１０６が順次積層されている。エッチングプロセスにより、ｎ−ＧａＮ電極層１０２に至るまでエッチングを行い、ハイメサ導波路構造の光導波路を作製している。ｎ−ＧａＮ電極層１０２上に電極１０７が形成され、ｎ−ＧａＮ電極層１０６上に電極１０８が形成されている。

図１に示される光変調導波路１００においては、電圧の印加は光が閉じ込められている厚さ１μｍ程度のｎ−ＧａＮ電極層１０２及び１０６間で行なわれるため、ＬｉＮｂＯ_３変調導波路等に比べ、光の導波する領域に対して高密度な電界印加が可能である。このため、位相変調部の長さが３ｍｍ程度で駆動電圧が３Ｖ以下である、小型で低駆動電圧の光変調導波路を実現することが可能となる。

特開２０１１−１８６１６９号公報

O. Ambacher, 他１２名、 "Two dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization in undoped and doped AlGaN/GaN heterostructures", Journal of Applied Physics, ２０００年１月１日、Vol. 87, No 1, p. 334-344.

窒化物半導体の成長は、一般にＣ面｛０００１｝の法線方向であるＣ軸方向に進行するが、Ｃ軸方向に成長したＧａＮ及びＡｌＧａＮの積層構造は、極めて強い分極効果によってヘテロ界面に２次元キャリアガスを発生する（非特許文献１を参照）。こうした分極効果による２次元キャリアガスの存在は、高電子移動度トランジスタへの応用などでは有用であるが、図２に示される光変調導波路においては、電界変調がＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面およびＧａＮ／ＡｌＧａＮ界面における２次元キャリアガスにより阻害されるため、所望の変調動作を得られないという問題があった。

本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヘテロ界面における２次元キャリアガスの発生を抑制し、電界変調が２次元キャリアガスによって阻害されることなく所望の変調動作を得ることができる、窒化物系半導体で構成された光変調導波路を提供することにある。

本発明の請求項１に記載の光変調導波路は、基板、窒化物系半導体バッファ層、下部窒化物系半導体クラッド層、窒化物系半導体光導波層及び上部窒化物系半導体クラッド層がＣ軸方向に順次積層された光変調導波路であって、第１の電極部及び第２の電極部が、前記窒化物系半導体光導波層の両側面を挟み込むように形成され、前記第１の電極部は、前記上部窒化物系半導体クラッド層にイオン注入することにより前記上部窒化物系半導体クラッド層から少なくとも前記窒化物系半導体光導波層までをｎ型化することにより形成された第１のｎ型イオン注入領域と、前記第１のｎ型イオン注入領域上に形成された第１の電極とで構成され、前記第２の電極部は、前記上部窒化物系半導体クラッド層にイオン注入することにより前記上部窒化物系半導体クラッド層から少なくとも前記窒化物系半導体光導波層までをｎ型化することにより形成された第２のｎ型イオン注入領域と、前記第２のｎ型イオン注入領域上に形成された第２の電極とで構成され、前記第１の電極と前記第２の電極との間における前記上部窒化物系半導体クラッド層にｐ型ドープすることによって、前記窒化物系半導体光導波層と接するようにｐ型ドープ領域が形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の光変調導波路は、本発明の請求項１に記載の光変調導波路において、前記ｐ型ドープ領域上に第３の電極が形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の光変調導波路は、本発明の請求項２に記載の光変調導波路において、導波路構造がリッジ導波路構造であり、前記第３の電極は、リッジ部分における前記ｐ型ドープ領域上に形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の光変調導波路は、本発明の請求項１から３のいずれかに記載の光変調導波路において、前記窒化物系半導体光導波層と前記第１の電極部及び前記第２の電極部とのそれぞれの界面は、ａ面又はｍ面であることを特徴とする。

本発明に係る光変調導波路によると、ｐ型ドープによって上部窒化物半導体系クラッド層と窒化物半導体系光導波層との界面におけるエネルギーバンドが上昇するため、２次元キャリアガスの発生を抑制することができる。

また、本発明に係る光変調導波路によると、電極間の上部窒化物系半導体クラッド層上に電極を形成してマイナス電界を印加することにより、エネルギーバンドが上昇するため、２次元キャリアガスの発生を抑制することができる。

従来技術に係るＧａＮ系光導波路を有する光変調導波路の構成を示す図である。 参考実施例に係る窒化物系半導体光導波路を有する光変調導波路の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る窒化物系半導体光導波路を有する光変調導波路の構成を示す図である。 本発明の実施例２に係る窒化物系半導体光導波路を有する光変調導波路の構成を示す図である。 参考実施例及び本発明の実施例１に係る光変調導波路のバンドプロファイルを示す図である。 本発明の実施例２に係る光変調導波路のバンドプロファイルを示す図である。

［参考実施例］
図２は、参考実施例に係る窒化物系半導体光導波路を有する光変調導波路２００を例示する。図２には、基板２０１、窒化物系半導体バッファ層２０２、下部窒化物系半導体クラッド層２０３、窒化物系半導体光導波層２０４及び上部窒化物系半導体クラッド層２０５がＣ軸方向に順次積層され、窒化物系半導体光導波層２０４のａ面又はｍ面の両側面に窒化物系半導体光導波層２０４を挟み込むように電極部２１０及び２１１が形成された、リッジ型の光変調導波路２００が示されている。電極部２１０は電極２０６及びｎ型イオン注入領域２０８で構成され、電極部２１１は電極２０７及びｎ型イオン注入領域２０９で構成される。ここで、窒化物系半導体光導波層２０４の側面とは、窒化物系半導体光導波層２０４において光が入射する面と垂直な面である。

光変調導波路２００では、上部窒化物系半導体クラッド層２０５におけるリッジ導波路部分の両脇に、電極２０６及び２０７が形成されている。電極２０６及び２０７の下部の半導体部分は、上部窒化物系半導体クラッド層２０５から少なくとも窒化物系半導体光導波層２０４までｎ型ドーパントがイオン注入されており、それにより上部窒化物系半導体クラッド層２０５及び窒化物系半導体光導波層２０４がｎ型化されて、ｎ型イオン注入領域２０８及び２０９が形成されている。ｎ型ドーパントのイオン注入は、窒化物系半導体光導波層２０４とｎ型イオン注入領域２０８及び２０９とのそれぞれの界面がａ面又はｍ面となるように行われる。

窒化物系半導体光導波層２０４とｎ型イオン注入領域２０８及び２０９とのそれぞれの界面がａ面又はｍ面となるように電極部２１０及び２１１を形成することにより、窒化物系半導体光導波層２０４に対して、非極性面であるａ面又はｍ面の法線方向であるａ軸又はｍ軸方向から電界を加えることができる。

しかしながら、窒化物系半導体光導波層２０４と下部窒化物系半導体クラッド層２０３との界面（以下、下部界面とする）、及び上部窒化物系半導体クラッド層２０５と窒化物系半導体光導波層２０４との界面（以下、上部界面とする）には分極電荷が存在し、特に、上部界面には、窒化物系半導体光導波層２０４の上に格子定数の小さい上部窒化物系半導体光クラッド層２０５が積層されるため、電子の２次元キャリアガスが発生することもある。上部界面に２次元キャリアガスが生じていると、ｎ型イオン注入領域２０８及び２０９間が高い導電率を有する２次元キャリアガス領域で短絡（ショート）されていることとなるため、ｎ型イオン注入領域２０８及び２０９間での電界印加ができないという問題がある。

［実施例１］
図３は、本発明の実施例１に係る窒化物系半導体光導波路を有する光変調導波路３００を示す。図３には、基板３０１、窒化物系半導体バッファ層３０２、下部窒化物系半導体クラッド層３０３、窒化物系半導体光導波層３０４及び上部窒化物系半導体クラッド層３０５がＣ軸方向に順次積層され、窒化物系半導体光導波層３０４のａ面又はｍ面の両側面に窒化物系半導体光導波層３０４を挟み込むように電極部３１０及び３１１が形成され、上部窒化物系半導体クラッド層３０５の上面から少なくとも上部界面までの領域にｐ型ドープ領域３２０が形成されたリッジ型の光変調導波路３００が示されている。電極部３１０は電極３０６及びｎ型イオン注入領域３０８で構成され、電極部３１１は電極３０７及びｎ型イオン注入領域３０９で構成される。実施例１に係る光変調導波路３００は、ｐ型ドープ領域３２０が設けられていること以外は参考実施例に係る光変調導波路２００と同様である。

本発明の実施例１に係る光変調導波路３００においては、電極３０６及び３０７間における上部窒化物系半導体クラッド層３０５のリッジ導波路の上部に、ｐ型ドーパントをイオン注入又はエピタキシャル成長時にｐ型ドーパントを添加している。それにより、上部窒化物系半導体クラッド層３０５の上面から上部界面までの領域、もしくは上部窒化物系半導体クラッド層３０５の上面から窒化物系半導体光導波層３０４の上部までの領域にｐ型ドープ領域３２０が形成されている。ｐ型ドープ領域３２０により、後述するように上部界面及び下部界面のエネルギーバンドが持ち上がり、２次元キャリアガスの発生を抑制することができるため、リーク電流を低減することができる。従って、ｎ型イオン注入領域３０８及び３０９間に電界を効率よく印加することが可能となる。

図５は、参考実施例及び本発明の実施例１に係る光変調導波路のバンドプロファイルを示す。図５（ａ）は参考実施例に係る光変調導波路のバンドプロファイルを示し、図５（ｂ）は本発明の実施例１に係る光変調導波路のバンドプロファイルを示す。図５（ａ）においては、上部窒化物半導体系クラッド層と窒化物半導体系光導波層との界面においては、フェルミ準位が伝導帯のエネルギーバンドより上にきているため、２次元キャリアガスが発生している。図５（ｂ）においては、ｐ型ドープによって上部窒化物半導体系クラッド層と窒化物半導体系光導波層との界面において伝導帯のエネルギーバンドが上昇するため、２次元キャリアガスの発生を抑制することができ、それによりリーク電流が低減することができる。これにより横方向電界が効率良くかけられるようになる。

基板３０１は、例えば、ＧａＮ、サファイア又はシリコンで構成することができる。窒化物系半導体バッファ層３０２は、例えば、ｉ−ＧａＮ、ｉ−ＡｌＮ又はｉ−ＡｌＧａＮなど、公知の窒化物半導体の結晶成長で用いる材料を用いることができる。望ましくは、窒化物系半導体バッファ層３０２と下部窒化物系半導体クラッド層３０３との間にリーク電流を生じさせないために高抵抗層とするのが望ましい。また、窒化物系半導体バッファ層３０２は下部窒化物系半導体クラッド層３０３と同一材料でも良い。また、下部窒化物系半導体クラッド層３０３及び上部窒化物系半導体クラッド層３０５は、窒化物系半導体光導波層３０４よりも屈折率が小さく、かつバンドギャップが大きい窒化物系半導体であればよい。例えば、窒化物半導体クラッド層／窒化物半導体光導波層の組み合わせとしては、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ｈ−ＢＮ／ＧａＮ、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ又はＩｎＡｌＮ／ＧａＮなどを用いることができ、どの材料も基本的には高抵抗なｉ層として用いればよい。結晶成長の容易さでは、ｉ−ＡｌＧａＮ／ｉ−ＧａＮの組み合わせが好適である。

ｐ型ドープ領域３２０は、ｐ型ドープ領域３２０が窒化物系半導体光導波層３０４と接するように形成されていればよく、従って上部窒化物系半導体クラッド層３０５の上面から少なくとも上部界面までの領域に形成されていればよい。ｐ型ドープは、例えば、ドーピング濃度１０^１８ｃｍ^−３以上及びキャリア濃度１×１０^１７ｃｍ^−３以上で行うことが好ましいが、ドーピング濃度を高くしすぎると光吸収が起きるため、光吸収が起きない程度のドーピング濃度とする必要がある。

［実施例２］
図４は、本発明の実施例２に係る窒化物系半導体光導波路を有する光変調導波路４００を示す。図４には、基板４０１、窒化物系半導体バッファ層４０２、下部窒化物系半導体クラッド層４０３、窒化物系半導体光導波層４０４及び上部窒化物系半導体クラッド層４０５がＣ軸方向に順次積層され、窒化物系半導体光導波層４０４のａ面又はｍ面の両側面に窒化物系半導体光導波層４０４を挟み込むように電極部４１０及び４１１が形成され、上部窒化物系半導体クラッド層４０５の上面から少なくとも上部界面までの領域にｐ型ドープ領域４２０が形成され、上部窒化物系半導体クラッド層４０５のリッジ導波路の上部に電極４１５がｐ型ドープ領域４２０と接するように形成されたリッジ型の光変調導波路４００が示されている。電極部４１０は電極４０６及びｎ型イオン注入領域４０８で構成され、電極部４１１は電極４０７及びｎ型イオン注入領域４０９で構成される。実施例２に係る光変調導波路４００は、電極４１５が設けられていること以外は実施例１に係る光変調導波路３００と同様である。

本発明の実施例２に係る光変調導波路４００においては、ｐ型ドープ領域４２０が形成されていることに加えて、電極４０６と電極４０７との間のリッジ部分におけるｐ型ドープ領域４２０上に電極４１５が設けられている。電極４１５を用いてマイナス電界を印加することにより、ｐ型層のエネルギーバンドを高エネルギー側に上昇させることができる。

図６は、本発明の実施例２に係る光変調導波路のバンドプロファイルを示す。図６に示されるように、ｐ型ドープによるバンドの上昇に加え、電極４１５による電界印加によるバンドの上昇が生じるため、２次元電子ガスの発生を抑制する効果が強まり、さらにリーク電流が低減することできる。これにより横方向電界がさらに効率良くかけられるようになる。電極４１５で印加する電界が強いほどその効果は高いが、電界を強くしすぎると光変調導波路が壊れるため、電極４１５で印加する電界は光変調導波路が壊れない程度の電界とする必要がある。

１００、２００、３００、４００ 光変調導波路
１０１、２０１、３０１、４０１ 基板
１０２、１０６ ｎ−ＧａＮ電極層
２０２、３０２、４０２ 窒化物系半導体バッファ層
１０３ 下部ｉ−ＡｌＧａＮクラッド層
２０３、３０３、４０３ 下部窒化物系半導体クラッド層
１０４ ｉ−ＧａＮ光導波層
２０４、３０４、４０４ 窒化物系半導体光導波層
１０５ 上部ｉ−ＡｌＧａＮクラッド層
２０５、３０５、４０５ 上部窒化物系半導体クラッド層
１０６、１０７、２０６、２０７、３０６、３０７、４０６、４０７、４１５ 電極
２０８、２０９、３０８、３０９、４０８、４０９ ｎ型イオン注入領域
３２０、４２０ ｐ型ドープ領域

Claims (4)

1. 基板、窒化物系半導体バッファ層、下部窒化物系半導体クラッド層、窒化物系半導体光導波層及び上部窒化物系半導体クラッド層がＣ軸方向に順次積層された光変調導波路であって、
   第１の電極部及び第２の電極部が、前記窒化物系半導体光導波層の両側面を挟み込むように形成され、
   前記第１の電極部は、前記上部窒化物系半導体クラッド層にイオン注入することにより前記上部窒化物系半導体クラッド層から少なくとも前記窒化物系半導体光導波層までをｎ型化することにより形成された第１のｎ型イオン注入領域と、前記第１のｎ型イオン注入領域上に形成された第１の電極とで構成され、
   前記第２の電極部は、前記上部窒化物系半導体クラッド層にイオン注入することにより前記上部窒化物系半導体クラッド層から少なくとも前記下部窒化物系半導体光導波層までをｎ型化することにより形成された第２のｎ型イオン注入領域と、前記第２のｎ型イオン注入領域上に形成された第２の電極とで構成され、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間における前記上部窒化物系半導体クラッド層にｐ型ドープすることによって、前記窒化物系半導体光導波層と接するようにｐ型ドープ領域が形成されていることを特徴とする光変調導波路。
2. 前記ｐ型ドープ領域上に第３の電極が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調導波路。
3. 導波路構造がリッジ導波路構造であり、前記第３の電極は、リッジ部分における前記ｐ型ドープ領域上に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光変調導波路。
4. 前記窒化物系半導体光導波層と前記第１の電極部及び前記第２の電極部とのそれぞれの界面は、ａ面又はｍ面であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光変調導波路。

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