JP2013228475A - 光変調導波路 - Google Patents

Abstract

【課題】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、第１の窒化物系半導体層と、第２の窒化物系半導体層と、窒化物系半導体光導波層とが基板のＣ面上に形成された光変調導波路であって、前記窒化物系半導体光導波層は、前記第１の窒化物系半導体層と前記第２の窒化物系半導体層との間に挟み込まれるように形成され、前記窒化物系半導体光導波層と前記第１の窒化物系半導体層との界面、及び前記窒化物系半導体光導波層と前記第２の窒化物系半導体層との界面は、ａ面又はｍ面であることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、窒化物系半導体で構成された光変調導波路及びその製造方法に関する。

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との間でかけられる。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、ｎ−ｉ−ｎ構造の半導体光変調導波路が検討されている。「ｎ−ｉ−ｎ構造」とは、シグナル電極層及びグラウンド電極層がｎ型にドーピングされ、両電極層に挟まれたｉ型（ノンドープ）層に電圧を印加することができるようにした半導体層構造を指す。ｎ−ｉ−ｎ構造の半導体光変調導波路においては、電圧の印加は光が閉じ込められている厚さ１μｍ程度のｎ型電極層間で行なわれるため、ＬｉＮｂＯ_３変調器等に比べ、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が実現することが可能となる。

ｎ−ｉ−ｎ構造の半導体光変調導波路の例として、次に挙げるものが知られている。１つ目の例は、ＩｎＰ系光導波路を有するｎ−ｉ−ｎ構造の光変調導波路である（特許文献１参照）。図１は、特許文献１に示されるＩｎＰ系光導波路を有するｎ−ｉ−ｎ構造の光変調導波路の構造を示す。図１に示される光変調導波路１００は、基板１０１上にｎ−ＩｎＰクラッド層１０２、光導波層１０３、ＳＩ−ＩｎＰクラッド層１０４、及びｎ−ＩｎＰクラッド層１０５が順次積層された構造体を、エッチングプロセスによりメサ状に加工した光導波路構造を有する。ｎ−ＩｎＰクラッド層１０５上にシグナル電極１０６が配置され、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０２上にグランド電極１０７が配置されている。シグナル電極層であるｎ−ＩｎＰクラッド層１０５と、グランド電極層であるｎ−ＩｎＰクラッド層１０２とを共にｎ型とすることにより、低損失・低電圧駆動の光変調導波路を作製することができる。クラッド層の一部としてＳＩ−ＩｎＰ層１０４を用いることにより電子の流れを阻止し、電圧印加を可能にしている。

しかしながら、ＩｎＰ系光導波路は、材料の屈折率が高く光のモードフィールドが２μｍ程度と小さくなるため、モードフィールド径が８μｍ程度である光ファイバや４μｍ〜８μｍ程度の範囲でモードフィールド径が調整可能なＰＬＣとの接続時にレンズによるモードフィールドの拡大、又はスポットサイズ変換機構が必要となる。レンズの使用は、収差による損失に加え、既存レンズを使用することによるモードフィールド径の不一致による損失が低減しきれない上、部品点数や作製工程が増えるという問題がある。スポットサイズ変換機構は、作製工程が煩雑である上、実装トレランスを増加させるが損失が大きいという問題がある。従って、ＩｎＰ系光導波路を有する光変調導波路は、結合損失が大きい。加えて、ＩｎＰ系光導波路は材料が脆く、光ファイバやＰＬＣとの突き合わせ（バットジョイント）結合が困難である。

ｎ−ｉ−ｎ構造の半導体光変調導波路の２つ目の例は、特許文献２に示されるようなＧａＮ系光導波路を有するｎ−ｉ−ｎ構造の光変調導波路である。図２は、特許文献２に示される光変調導波路の構成を示す。図２に示される光変調導波路２００は、基板２０１上に、ｎ−ＧａＮ電極層２０２、第１のｉ−ＡｌＧａＮクラッド層２０３、ｉ−ＧａＮ光導波層２０４、第２のｉ−ＡｌＧａＮクラッド層２０５、及びｎ−ＧａＮ電極層２０６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２０２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２０２上に電極２０７が形成され、ｎ−ＧａＮ電極層２０６上に電極２０８が形成されている。

国際公開第０４／０８１６３８号パンフレット 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.

窒化物系半導体の成長は、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２次元キャリアガスが発生せず、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ｎ−ｉ−ｎ構造の光変調導波路を提供することにある。

本発明の請求項１に係る光変調導波路は、第１の窒化物系半導体層と、第２の窒化物系半導体層と、窒化物系半導体光導波層とが基板のＣ面上に形成された光変調導波路であって、前記窒化物系半導体光導波層は、前記第１の窒化物系半導体層と前記第２の窒化物系半導体層との間に挟み込まれるように形成され、前記窒化物系半導体光導波層と前記第１の窒化物系半導体層との界面、及び前記窒化物系半導体光導波層と前記第２の窒化物系半導体層との界面は、ａ面又はｍ面であることを特徴とする。

本発明の請求項２に係る光変調導波路の作製方法は、基板のＣ面上に、窒化物系半導体光導波層、第１の選択成長マスク層、及びドライエッチングマスク層を順次積層するステップと、前記ドライエッチングマスク層上に、ａ軸又はｍ軸方向の光導波路パターンを形成するように第１のフォトレジストを形成するステップと、前記第１のフォトレジストが形成されている部分以外の部分の前記第１の選択成長マスク層及び前記ドライエッチングマスク層を除去した後、前記第１のフォトレジストを除去するステップと、前記ドライエッチングマスク層をマスクとして前記窒化物系半導体光導波層を前記基板までエッチングし、前記ドライエッチングマスク層を除去するステップと、前記窒化物系半導体光導波層をａ軸又はｍ軸方向に覆うように第２のフォトレジストを形成した後、第２の選択成長マスク層を堆積するステップと、前記第２のフォトレジスト及び前記第２のフォトレジスト上の前記第２の選択成長マスク層を除去するステップと、選択成長を用いて、前記第２のフォトレジストを除去することによって露出した部分に窒化物半導体を形成して前記窒化物系半導体光導波層のメサ側面を前記窒化物系半導体で埋め込むことにより、前記窒化物系半導体光導波層が第１の窒化物系半導体層と第２の窒化物系半導体層との間に挟み込まれるように前記第１の窒化物系半導体層及び前記第２の窒化物系半導体層を形成するステップと、前記第１の選択成長マスク層及び前記第２の選択成長マスク層を除去するステップとを備えることを特徴とする。

本発明に係る光変調導波路及びその作製方法によると、ヘテロ界面がａ面又はｍ面であるため、ヘテロ界面に２次元キャリアガスが発生せず、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可能となる。

従来技術に係るＩｎＰ系光導波路を有するｎ−ｉ−ｎ構造の光変調導波路の構成を示す図である。 従来技術に係るＧａＮ系光導波路を有するｎ−ｉ−ｎ構造の光変調導波路の構成を示す図である。 本発明に係る窒化物系半導体光導波路を有するｎ−ｉ−ｎ構造の光変調導波路の構成を示す図である。 本発明に係る光変調導波路３００を作製する手順を説明するための図である。

図３は、本発明に係る窒化物系半導体光導波路を有するｎ−ｉ−ｎ構造の光変調導波路を示す。図３には、基板３０１と、第１の窒化物系半導体層３０２と、第２の窒化物系半導体層３０３と、窒化物系半導体光導波層３０４と、電極３０５及び３０６とを備える光変調導波路３００が示されている。第１の窒化物系半導体層３０２、第２の窒化物系半導体層３０３、及び窒化物系半導体光導波層３０４は、基板３０１のＣ面上に形成され、電極３０５及び３０６は、それぞれ、第１の窒化物系半導体層３０２及び第２の窒化物系半導体層３０３上に形成されている。

以下、図４を参照して本発明に係る光変調導波路３００を作製する手順を説明する。

図４（Ａ）に示されるように、基板３０１のＣ面上に窒化物系半導体光導波層３０４を成長し、選択成長マスク層としてのＳｉＯ_２とドライエッチングマスク層としてのＮｉとを順次積層する。次に、図４（Ｂ）に示されるように、積層したＮｉ上に、フォト工程を用いてａ面又はｍ面の法線方向であるａ軸又はｍ軸方向の光導波路パターンを形成するように第１のフォトレジストを形成する。次に、図４（Ｃ）に示されるように、塩酸系及びフッ酸系のエッチャントを用いて第１のフォトレジストが形成されている部分以外の部分のＳｉＯ_２及びＮｉを除去し、図４（Ｄ）に示されるように第１のフォトレジストを除去する。その後、図４（Ｅ）に示されるように、ＮｉをマスクとしてＲＩＥを用いて窒化物系半導体光導波層３０４を基板３０１までエッチングした後、図４（Ｆ）に示されるようにＮｉを除去する。

次に、図４（Ｇ）に示されるように、フォト工程を用いて光導波路パターンを窓部分に配置するために、窒化物系半導体光導波層３０４をａ軸又はｍ軸方向に覆うように第２のフォトレジストを形成する。次に、図４（Ｈ）に示されるようにＳｉＯ_２を堆積した後、図４（Ｉ）に示されるように第２のフォトレジスト及び第２のフォトレジスト上のＳｉＯ_２を除去する。その後、図４（Ｊ）に示されるように、窒化物系半導体の選択成長を用いて、第２のフォトレジストを除去することによって露出した部分に窒化物系半導体層を形成して窒化物系半導体光導波層３０４のメサ側面を窒化物系半導体層で埋め込むことにより、窒化物系半導体光導波層３０４のａ面又はｍ面の両側面上に第１の窒化物系半導体層３０２及び第２の窒化物系半導体層３０３をそれぞれ形成する。次に、図４（Ｋ）に示されるようにＳｉＯ_２を除去し、その後、フォト工程を用いて第１の窒化物系半導体層３０２及び第２の窒化物系半導体層３０３上に、それぞれ電極３０５及び３０６を形成する。

基板３０１は、例えばサファイアで構成することができる。第１の窒化物系半導体層３０２及び第２の窒化物系半導体層３０３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、窒化物半導体層／窒化物半導体光導波層の組み合わせとしては、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｉ−ＧａＮなどを用いることができる。結晶成長の容易さでは、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｉ−ＧａＮの組み合わせが好適である。

窒化物系半導体光導波層３０４の層厚は４μｍとし、窒化物系半導体光導波層３０４の層幅は０．６μｍとすることが好ましい。また、電極３０５及び３０６をそれぞれ第１の窒化物系半導体層３０２及び第２の窒化物系半導体層３０３の側面に形成することも可能であるが、工程の複雑さを考慮すると、図３の光変調導波路のように第１の窒化物系半導体層３０２及び第２の窒化物系半導体層３０３上に電極３０５及び３０６を形成することが好ましい。

本発明に係る光変調導波路３００によると、ヘテロ界面がａ面又はｍ面であることにより、ヘテロ界面に２次元キャリアガスが発生しないため、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。

１００、２００、３００ 光変調導波路
１０１、２０１、３０１ 基板
１０２ ｎ−ＩｎＰクラッド層
１０３ 光導波層
１０４ ＳＩ−ＩｎＰクラッド層
１０５ ｎ−ＩｎＰクラッド層
１０６ シグナル電極
１０７ グランド電極
２０２、２０６ ｎ−ＧａＮ電極層
２０３ 第１のｉ−ＡｌＧａＮクラッド層
２０４ ｉ−ＧａＮ光導波層
２０５ 第２のｉ−ＡｌＧａＮクラッド層
２０７、２０８、３０５、３０６ 電極
３０２ 第１の窒化物系半導体層
３０３ 第２の窒化物系半導体層
３０４ 窒化物系半導体光導波層

Claims (2)

1. 第１の窒化物系半導体層と、第２の窒化物系半導体層と、窒化物系半導体光導波層とが基板のＣ面上に形成された光変調導波路であって、
   前記窒化物系半導体光導波層は、前記第１の窒化物系半導体層と前記第２の窒化物系半導体層との間に挟み込まれるように形成され、
   前記窒化物系半導体光導波層と前記第１の窒化物系半導体層との界面、及び前記窒化物系半導体光導波層と前記第２の窒化物系半導体層との界面は、ａ面又はｍ面であることを特徴とする光変調導波路。
2. 基板のＣ面上に、窒化物系半導体光導波層、第１の選択成長マスク層及びドライエッチングマスク層を順次積層するステップと、
   前記ドライエッチングマスク層上に、ａ軸又はｍ軸方向の光導波路パターンを形成するように第１のフォトレジストを形成するステップと、
   前記第１のフォトレジストが形成されている部分以外の部分の前記第１の選択成長マスク層及び前記ドライエッチングマスク層を除去した後、前記第１のフォトレジストを除去するステップと、
   前記ドライエッチングマスク層をマスクとして前記窒化物系半導体光導波層を前記基板までエッチングし、前記ドライエッチングマスク層を除去するステップと、
   前記窒化物系半導体光導波層をａ軸又はｍ軸方向に覆うように第２のフォトレジストを形成した後、第２の選択成長マスク層を堆積するステップと、
   前記第２のフォトレジスト及び前記第２のフォトレジスト上の前記第２の選択成長マスク層を除去するステップと、
   選択成長を用いて、前記第２のフォトレジストを除去することによって露出した部分に窒化物半導体を形成して前記窒化物系半導体光導波層のメサ側面を前記窒化物系半導体で埋め込むことにより、前記窒化物系半導体光導波層が第１の窒化物系半導体層と第２の窒化物系半導体層との間に挟み込まれるように前記第１の窒化物系半導体層及び前記第２の窒化物系半導体層を形成するステップと、
   前記第１の選択成長マスク層及び前記第２の選択成長マスク層を除去するステップと
   を備えることを特徴とする光変調導波路の作製方法。

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