JP2013228474A - 光変調導波路 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、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電界変調動作を得ることができる光変調導波路を提供する。
【解決手段】本発明に係る光変調導波路は、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、前記上部窒化物系半導体クラッド層は、リセス溝を有することを特徴とする。
【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、前記上部窒化物系半導体クラッド層は、リセス溝を有す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であって、前記基板、前記窒化物系半導体バッファ層、前記下部窒化物系半導体クラッド層、前記窒化物系半導体光導波層及び前記上部窒化物系半導体クラッド層は、Ｃ軸方向に順次積層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１又は２に記載の光変調導波路であって、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であって、前記第１の電極部及び前記第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前記下部窒化物系半導体クラッド層までをｎ型化することにより形成されたｎ型イオン注入領域と、前記ｎ型イオン注入領域上に形成された電極で構成されることを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の光変調導波路は、本発明の請求項１から４のいずれかに記載の光変調導波路であって、導波路構造がリッジ導波路構造であることを特徴とする。

本発明の請求項６に記載の光変調導波路は、本発明の請求項１から５のいずれかに記載の光変調導波路であって、前記上部窒化物系半導体クラッド層上に、前記リセス溝を埋め込むように誘電体が形成されてい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、上部窒化物系半導体層にリセス溝を設けることにより、電極間に電界を加えた場合であってもリセス溝付近の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、リセス溝の深さを二次元キャリアガスが発生しない深さにすることにより、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可能となる。

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。 本発明の実施例３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４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。 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に発生する２次元キャリアガス濃度と上部ｉ−ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成及び層厚との関係を示すグラフである。

［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２０６及び２０７が形成された光変調導波路２００が示されている。

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２次元キャリアガスが発生することもある。そのため、電極２０６及び２０７が上部界面に触れるように形成されてしまうと、電極２０６及び２０７間に電流が流れてしまい、電界がかかりにくくなくなってしまうという問題がある。また、電極２０６及び２０７を下部界面及び上部界面に触れないように形成する、すなわち窒化物系半導体光導波層２０４の側面部分にのみ電極２０６及び２０７を形成することは技術的に非常に困難であるため、図２に示される光変調導波路２００の現実的な実現可能性は非常に低い。

［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３０６及び３０７が形成され、上部窒化物系半導体クラッド層３０５にリセス溝３０８が形成された光変調導波路３００が示されている。ここで、窒化物系半導体光導波層３０４の側面とは、窒化物系半導体光導波層３０４において光が入射する面と垂直な面である。

非特許文献１に示されるように、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面の２次元キャリアガス濃度は、上部ｉ−ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成及び層厚によって決まり、Ａｌ組成及び層厚が厚いほど２次元キャリアガス濃度が高くなる。図７は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に発生する２次元キャリアガス濃度と上部ｉ−ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成及び層厚との関係を示すグラフである。図７には、上部ｉ−ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成が０．１、０．０５、及び０．０３のそれぞれの場合における層厚との関係が示されている。図７に示されるように、層厚を薄くなるにしたがって徐々に２次元キャリアガス濃度は減少し、各Ａｌ組成ごとに、それぞれ所定の層厚以下で２次元キャリアガスが発生しなくなる。なお、図７においては、例示として上部ｉ−ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成と２次元キャリアガス濃度との関係を示したが、上部窒化物系半導体クラッド層３０５においてはＡｌに限定されることなく他の材料であってもその組成によって２次元キャリアガス濃度は変化する。

本発明の実施例１に係る光変調導波路３００においては、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をＣ軸方向に順次積層した後、エッチングプロセスにより側面がａ面又はｍ面となるように窒化物系半導体バッファ層３０２に至るまでエッチングを行い、エッチングにより露出した両側面を挟み込むように電極３０６及び３０７を形成する。それにより、電極３０６及び３０７は、窒化物系半導体光導波層３０４と電極３０６及び３０７とのそれぞれの界面がａ面又はｍ面となるように形成され、すなわち電極３０６と電極３０７との間の電界印加方向がａ軸又はｍ軸方向となるように形成される。加えて、上部窒化物系半導体クラッド層３０５にリセスエッチングを施すことにより、リセス溝３０８が形成されている。

上部窒化物系半導体クラッド層３０５にリセス溝３０８を形成することにより、電極３０６及び３０７間に電界を加えた場合であってもリセス溝３０８付近の２次元キャリアガスの発生を抑制することができる。そのため、リセス溝３０８の深さを、リセス溝３０８付近の上部界面において２次元キャリアガスが発生しなくなる深さにすることにより電極３０６及び３０７間に電流を生じさせないことができる。従って、電極３０６及び３０７が下部界面及び上部界面に触れるように形成された場合であっても、電極３０６及び３０７間に電流を生じさせないことが可能となる。

ここで、リセス溝３０８の幅は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）のゲート長と同程度、例えば数十ｎｍ〜１００ｎｍとすることが好ましい。リセス溝３０８の深さは、上部窒化物系半導体クラッド層３０５の材料の組成及び層厚に基づいて決定され、好ましくは、リセス溝３０８が形成された部分の上部窒化物系半導体クラッド層３０５の層厚を２次元キャリアガスが発生しない厚さとするようにリセス溝３０８の深さを決定することができる。例えば、上部窒化物系半導体クラッド層３０５のＡｌ組成が０．０３である場合、リセス溝３０８が形成された部分の上部窒化物系半導体クラッド層３０５の層厚を５０ｎｍ以下とすることが好ましく、リセス溝３０８によって上部窒化物系半導体クラッド層３０５が部分的に完全に除去されていてもよい。

図３に示される光変調導波路３００においては、電極３０６及び３０７が側面に形成されているが、上部窒化物系半導体クラッド層３０５上にそれぞれ形成することも可能である。この場合、電極３０６及び３０７は、上部窒化物系半導体クラッド層３０５上でａ軸又はｍ軸方向に形成されていることが好ましい。

基板３０１は、例えば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、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。

［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４２０及び４３０が形成され、上部窒化物系半導体クラッド層４０５にリセス溝４０８が形成された光変調導波路４００が示されている。電極部４２０は電極４０６及びｎ型イオン注入領域４０９で構成され、電極部４３０は電極４０７及びｎ型イオン注入領域４１０で構成される。基板、その他の各層を構成する材料は実施例１の場合と同様である。

図３に示される光変調導波路３００はメサ型の導波路であったが、図４に示される光変調導波路４００はリッジ型の導波路である。実施例２に係る光変調導波路４００も実施例１に係る光変調導波路３００と同様に、上部窒化物系半導体クラッド層４０５のリッジ導波路部分にリセスエッチングを施してリセス溝４０８を形成することにより、リセス溝４０８付近の上部界面において２次元キャリアガスの発生を抑制することができる。そのため、リセス溝４０８の深さを、リセス溝４０８付近の上部界面において２次元キャリアガスが発生しなくなる深さにすることにより電界の印加時に電極４０６及び４０７間に電流が流れないようにすることができる。

また、本発明の実施例２に係る光変調導波路４００では、上部窒化物系半導体クラッド層４０５におけるリッジ導波路部分の両脇に、電極４０６及び４０７が形成されている。電極４０６及び４０７の下部の半導体部分は、上部窒化物系半導体クラッド層４０５から下部窒化物系半導体クラッド層４０３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４０５から下部窒化物系半導体クラッド層４０３までの各層がｎ型化されて、ｎ型イオン注入領域４０９及び４１０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４０４とｎ型イオン注入領域４０９及び４１０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。

このように、窒化物系半導体光導波層４０４とｎ型イオン注入領域４０９及び４１０とのそれぞれの界面がａ面又はｍ面となるようにｎ型イオン注入領域４０９及び４１０を形成し、ｎ型イオン注入領域４０９及び４１０上に電極４０６及び４０７を形成することにより電極部４２０及び４３０を形成することにより、窒化物系半導体光導波層４０４に対してＣ面と直交するａ軸又はｍ軸方向から電界を加えることができる。

［実施例３］
図５は、本発明の実施例３に係る窒化物系半導体光導波路を有する光変調導波路５００を示す。図５には、基板５０１、窒化物系半導体バッファ層５０２、下部窒化物系半導体クラッド層５０３、窒化物系半導体光導波層５０４、及び上部窒化物系半導体クラッド層５０５がＣ軸方向に順次積層され、窒化物系半導体光導波層５０４の両側面に窒化物系半導体光導波層５０４を挟み込むようにａ軸又はｍ軸方向に電極５０６及び５０７が形成され、上部窒化物系半導体クラッド層５０５にリセス溝５０８が形成され、リセス溝５０８を埋め込むように上部窒化物系半導体クラッド層５０５上に誘電体５０９が形成された光変調導波路５００が示されている。基板、その他の各層を構成する材料は実施例１の場合と同様である。

実施例３に係る光変調導波路５００は、誘電体５０９が形成されていること以外は実施例１に係る光変調導波路３００と同様であるが、実施例１に係る光変調導波路３００においてはリセス溝３０８があることにより光の導波に損失が生じる。実施例３に係る光変調導波路５００においては、リセス溝５０８を埋め込むように誘電体５０９を上部窒化物系半導体クラッド層５０５上に形成することにより、光の損失を低減することができる。

ここで、誘電体５０９は、少なくともリセス溝５０８を埋め込むように形成されていればよく、光のフィールドの対称性を保つ観点からもリセス溝５０８のみを埋め込むように形成されることが好ましい。誘電体５０９としては、例えば絶縁物や有機ポリマーなどを使用することができるが、光の低損失化の観点からは、上部窒化物系半導体クラッド層５０５と同程度の屈折率を有する材料を使用することが好ましい。

［実施例４］
図６は、本発明の実施例４に係る窒化物系半導体光導波路を有する光変調導波路６００を示す。図６には、基板６０１、窒化物系半導体バッファ層６０２、下部窒化物系半導体クラッド層６０３、窒化物系半導体光導波層６０４、及び上部窒化物系半導体クラッド層６０５がＣ軸方向に順次積層され、窒化物系半導体光導波層６０４のａ面又はｍ面の両側面に窒化物系半導体光導波層６０４を挟み込むように電極部６２０及び６３０が形成され、上部窒化物系半導体クラッド層６０５にリセス溝６０８が形成され、リセス溝６０８を埋め込むように上部窒化物系半導体クラッド層６０５上に誘電体６１１が形成された光変調導波路６００が示されている。電極部６２０は電極６０６及びｎ型イオン注入領域６０９で構成され、電極部６３０は電極６０７及びｎ型イオン注入領域６１０で構成される。基板、その他の各層、誘電体を構成する材料は実施例３の場合と同様である。

実施例４に係る光変調導波路６００は、誘電体６１１が形成されていること以外は実施例２に係る光変調導波路４００と同様であるが、実施例２に係る光変調導波路４００においてはリセス溝４０８があることにより光の導波に損失が生じる。実施例４に係る光変調導波路６００においては、実施例３の場合と同様に、上部窒化物系半導体クラッド層６０５と同程度の屈折率を有する誘電体６１１を、リセス溝６０８を埋め込むように上部窒化物系半導体クラッド層６０５上に形成することにより光の損失を低減することができる。

１００、２００、３００、４００、５００、６００ 光変調導波路
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１ 基板
１０２、１０６ ｎ−ＧａＮ電極層
２０２、３０２、４０２、５０２、６０２ 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、５０３、６０３ 下部窒化物系半導体クラッド層
１０４ ｉ−ＧａＮ光導波層
２０４、３０４、４０４、５０４、６０４ 窒化物系半導体光導波層
１０５ 上部ｉ−ＡｌＧａＮクラッド層
２０５、３０５、４０５、５０５、６０５ 上部窒化物系半導体クラッド層
１０６、１０７、２０６、２０７、３０６、３０７、４０６、４０７、５０６、５０７、６０６、６０７ 電極
３０８、４０８、５０８、６０８ リセス溝
４０９、４１０、６０９、６１０ ｎ型イオン注入領域
５０９、６１１ 誘電体

Claims (6)

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、
   前記上部窒化物系半導体クラッド層は、リセス溝を有することを特徴とする光変調導波路。
2. 前記基板、前記窒化物系半導体バッファ層、前記下部窒化物系半導体クラッド層、前記窒化物系半導体光導波層及び前記上部窒化物系半導体クラッド層は、Ｃ軸方向に順次積層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. 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又は２に記載の光変調導波路。
4. 前記第１の電極部及び前記第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前記下部窒化物系半導体クラッド層までをｎ型化することにより形成されたｎ型イオン注入領域と、前記ｎ型イオン注入領域上に形成された電極で構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかにに記載の光変調導波路。
5. 導波路構造がリッジ導波路構造であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光変調導波路。
6. 前記上部窒化物系半導体クラッド層上に、前記リセス溝を埋め込むように誘電体が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光変調導波路。

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