JP2013228476A

JP2013228476A - 光変調導波路

Info

Publication number: JP2013228476A
Application number: JP2012098978A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Watanabe; 則之渡邉; Haruki Yokoyama; 春喜横山; Masanobu Hiroki; 正伸廣木; Takeshi Tsuzuki; 健都築
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2013-11-07

Abstract

【課題】本発明は、Ｃ軸方向の電界変調を行うことができ、電界変調が分極電荷による２次元キャリアガスの阻害を受けない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、第１の窒化物系半導体クラッド層、窒化物系半導体光導波層、及び第２の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の電極及び第２の電極が、前記窒化物系半導体光導波層の側面を挟み込むように、Ｃ軸方向に形成されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、窒化物系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、第１のｉ−ＡｌＧａＮクラッド層１０３、ｉ−ＧａＮ光導波層１０４、第２の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. ロバート・アーミテイジ、高野隆好、椿健治、平山秀樹、"ＭＯＶＰＥ法によるサファイア基板上へのｍ面ＧａＮの成長"、松下電工技報、Vol. 56, No. 3, p. 81-85.

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１に示される光変調導波路では、電界変調がＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面及び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る。

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、Ｃ軸方向の電界変調を行うことができ、電界変調が分極電荷による２次元キャリアガスの阻害を受けない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、第１の窒化物系半導体クラッド層、窒化物系半導体光導波層、及び第２の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の電極及び第２の電極が、前記窒化物系半導体光導波層の側面を挟み込むように、Ｃ軸方向に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、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、前記第１の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、及び前記第２の窒化物系半導体クラッド層は、ａ軸又はｍ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、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バッファ層、前記第１の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、及び前記第２の窒化物系半導体クラッド層上に、絶縁膜が形成され、前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記絶縁膜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、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バッファ層上と、前記第１の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、及び前記第２の窒化物系半導体クラッド層の一方の側面に、第１の絶縁膜が形成され、前記窒化物系半導体バッファ層上と、前記第１の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、及び前記第２の窒化物系半導体クラッド層の他方の側面に、第２の絶縁膜が形成され、前記第１の電極は前記第１の絶縁膜上に形成され、前記第２の電極は前記第２の絶縁膜上に形成されてい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、請求項１ないし４に記載の光変調導波路であって、前記窒化物系半導体バッファ層としてｉ−ＧａＮを、前記第１の窒化物系半導体クラッド層としてｉ−ＡｌＧａＮを、前記窒化物系半導体光導波層としてｉ−ＧａＮを、及び前記第２の窒化物系半導体クラッド層としてｉ−ＡｌＧａＮを用いたことを特徴とする。

本発明に係る窒化物系半導体光導波路を有する光変調導波路によると、Ｃ軸方向の電界変調を行うことができることにより、最も大きな電気光学効果を得ることが可能となる。また、各層が非極性面方向であるａ軸又はｍ軸方向に積層されていることにより、ヘテロ界面に２次元キャリアガスが発生せず、分極効果による２次元キャリアガスの阻害を受けずに電界変調を行うことができる。

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。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。Ｃ面成長した場合のＧａＮ系光導波路を有する光変調導波路のバンドプロファイルを示す。ａ面又はｍ面成長した場合のＧａＮ系光導波路を有する光変調導波路のバンドプロファイルを示す。

［実施例１］
図２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２００を示す。図２には、基板２０１上に形成された、表面がａ面又はｍ面である窒化物系半導体バッファ層２０２と、窒化物系半導体バッファ層２０２上に形成された第１の窒化物系半導体クラッド層２０３と、第１の窒化物系半導体クラッド層２０３上に形成された窒化物系半導体光導波層２０４と、窒化物系半導体光導波層２０４上に形成された第２の窒化物系半導体クラッド層２０５と、第１の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及び第２の窒化物系半導体クラッド層２０５のＣ面の側面を挟み込むようにＣ軸方向に形成された電極２０６及び２０７とを備える光変調導波路２００が示されている。

図２に示されるように、光変調導波路２００においては、基板２０１、窒化物系半導体バッファ層２０２、第１の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、及び第２の窒化物系半導体クラッド層２０５がａ軸又はｍ軸方向に順次積層されている。例えば、非特許文献２に記載のような手法によりａ面又はｍ面に各層を成長させることが可能である。基板２０１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２０２は、例えば、ｉ−ＧａＮ、ｉ−ＡｌＮ又はｉ−ＡｌＧａＮなど、公知の窒化物系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２０２と第１の窒化物系半導体クラッド層２０３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、第１の窒化物系半導体クラッド層２０３及び第２の窒化物系半導体クラッド層２０５は、窒化物系半導体光導波層２０４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、窒化物系半導体クラッド層／窒化物系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。

次に、エッチングプロセスにより側面がＣ面であるリッジ型となるように窒化物系半導体バッファ層２０２に至るまでエッチングを行うことにより、ハイメサ導波路構造が形成される。その後、電気光学効果の大きいＣ軸方向への電界変調が可能となるように、エッチングにより露出した両側面を挟み込むように窒化物系半導体光導波層２０４に電界を印加するための電極２０６及び２０７が形成される。

本発明の実施例１に係る光変調導波路２００においては、窒化物系半導体光導波層２０４の側面を挟み込むようにＣ軸方向に電極２０６及び２０７が形成されている。そのため、Ｃ軸方向に電界を印加することができることにより、最も大きな電気光学効果を得ることが可能となる。

さらに、本発明の実施例１に係る光変調導波路２００においては、各層が非極性面方向であるａ軸又はｍ軸方向に積層されている。そのため、第２の窒化物系半導体クラッド層／窒化物系半導体光導波層界面および窒化物系半導体光導波層／第１の窒化物系半導体クラッド層界面に２次元キャリアガスが発生しないことにより、分極効果による２次元キャリアガスの阻害を受けずに電界変調を行うことができる。

図５は従来技術のようなＣ面成長した場合のＧａＮ系光導波路を有する光変調導波路のバンドプロファイルを示し、図６は本発明のようなａ面又はｍ面成長した場合のＧａＮ系光導波路を有する光変調導波路のバンドプロファイルを示す。このバンドプロファイルでは、従来技術と比較できるよう、第１の窒化物系半導体クラッド層及び第２の窒化物系半導体クラッド層には、ｉ−ＡｌＧａＮを、窒化物系半導体光導波層にはｉ−ＧａＮを用いたものを示した。図５及び６には、異なる電圧を印加した場合の各エネルギー（価導電子帯のみを表示）を示す。また、図１及び２では図示していないが、図５及び６で使用する光変調導波路においては、表面側のｎ−ＧａＮ層と第２のｉ−ＡｌＧａＮ層との間に、キャリアブロック層として機能するＡｌ組成が大きいｉ−ＡｌＧａＮ層が形成されている。なお、ここでは比較のために、本発明の構成にもキャリアブロック層がある場合のバンドプロファイルを示したが、本発明の構成ではキャリアブロック層に平行な方向に電圧を印加しているため、キャリアの拡散を防止する層としては機能しない。つまり、本発明の構成にはキャリアブロック層は必須のものではない。

図５に示されるように、Ｃ面成長した場合の従来の光変調導波路においては、電圧を印加してもヘテロ界面に生じた２次元キャリアガスにより電界が遮蔽され、コア層であるｉ−ＧａＮ層部分に電界変調がかかりにくくなるため、電界変調強度が印加電圧に比例しない。それに対して、本発明に係る光変調導波路においてはヘテロ界面に２次元キャリアガスが生じないため、図６に示されるように印加電圧ごとに比例して電界変調がなされている。

［実施例２］
図３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３００を示す。図３には、基板３０１、窒化物系半導体バッファ層３０２、第１の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、及び第２の窒化物系半導体クラッド層３０５がａ軸又はｍ軸方向に順次積層され、窒化物系半導体光導波層３０４の側面に絶縁膜３０８を介して窒化物系半導体光導波層３０４を挟み込むようにＣ軸上に電極３０６及び３０７が形成された光変調導波路３００が示されている。

絶縁膜３０８は、窒化物系半導体バッファ層３０２、第１の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、及び第２の窒化物系半導体クラッド層３０５上に形成され、絶縁膜３０８上に電極３０６及び３０７が形成されている。絶縁膜３０８は、例えばＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３などで構成することができる。基板、その他の層を構成する材料は実施例１と同様である。

本発明の実施例２に係る光変調導波路３００は、本発明の実施例１に係る光変調導波路２００に絶縁膜３０８を加えた構成であるが、本発明の実施例１に係る光変調導波路２００においては、ヘテロ界面に２次元キャリアガスが発生しないとはいえ、実際の材料には意図せずに存在する残留キャリアがあり、電極に電圧を加えた際にこれらが電流として流れる可能性がある。電流が流れるとジュール熱の発生によって素子温度が上がり、屈折率が変化して変調動作等に影響を与えてしまうため、消費電力の増大などの影響が懸念される。

本発明の実施例２に係る光変調導波路３００においては、絶縁膜３０８を介して電極３０６及び３０７を形成することにより、残留キャリアが電流として流れることを回避することができるため、消費電力の増大を防止することができる。

［実施例３］
図４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４００を示す。図４には、基板４０１、窒化物系半導体バッファ層４０２、第１の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、及び第２の窒化物系半導体クラッド層４０５がａ軸又はｍ軸方向に順次積層され、電極４０６及び４０７が絶縁膜４０８及び４０９を介して窒化物系半導体光導波層３０４を挟み込むようにＣ軸上に形成された光変調導波路４００が示されている。

絶縁膜４０８は、窒化物系半導体バッファ層４０２上と、第１の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、及び第２の窒化物系半導体クラッド層４０５の一方のＣ面の側面とに形成され、絶縁膜４０８上に電極４０６が形成されている。絶縁膜４０９は、窒化物系半導体バッファ層４０２上と、第１の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、及び第２の窒化物系半導体クラッド層４０５の他方のＣ面の側面とに形成され、絶縁膜４０９上に電極４０７が形成されている。基板、層、膜を構成する材料は実施例１の場合と同様である。

本発明の実施例３に係る光変調導波路４００は、本発明の実施例２に係る光変調導波路３００の絶縁膜３０８において第２の窒化物系半導体クラッド層３０５上に形成された部分を除去した構成である。

本発明の実施例３に係る光変調導波路４００においては、絶縁膜４０８及び４０９を介して電極４０６及び４０７を形成することにより、残留キャリアが電流として流れることを回避することができるため、消費電力の増大を防止することができる。

１００、２００、３００、４００光変調導波路
１０１、２０１、３０１、４０１基板
１０２、１０６ｎ−ＧａＮ電極層
２０２、３０２、４０２窒化物系半導体バッファ層
１０３第１のｉ−ＡｌＧａＮクラッド層
２０３、３０３、４０３第１の窒化物系半導体クラッド層
１０４ｉ−ＧａＮ光導波層
２０４、３０４、４０４窒化物系半導体光導波層
１０５第２のｉ−ＡｌＧａＮクラッド層
２０５、３０５、４０５第２の窒化物系半導体クラッド層
１０７、１０８、２０６、２０７、３０６、３０７、４０６、４０７電極
３０８、４０８、４０９絶縁膜

Claims

基板、窒化物系半導体バッファ層、第１の窒化物系半導体クラッド層、窒化物系半導体光導波層、及び第２の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の電極及び第２の電極が、前記窒化物系半導体光導波層の側面を挟み込むように、Ｃ軸方向に形成されていることを特徴とする光変調導波路。
前記基板、前記窒化物系半導体バッファ層、前記第１の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第２の窒化物系半導体クラッド層は、ａ軸又はｍ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。
前記窒化物系半導体バッファ層、前記第１の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、及び前記第２の窒化物系半導体クラッド層上に、絶縁膜が形成され、前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記絶縁膜上に形成されてい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。
前記窒化物系半導体バッファ層上と、前記第１の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、及び前記第２の窒化物系半導体クラッド層の一方の側面に、第１の絶縁膜が形成され、
前記窒化物系半導体バッファ層上と、前記第１の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、及び前記第２の窒化物系半導体クラッド層の他方の側面に、第２の絶縁膜が形成され、
前記第１の電極は前記第１の絶縁膜上に形成され、前記第２の電極は前記第２の絶縁膜上に形成されてい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。
前記窒化物系半導体バッファ層としてｉ−ＧａＮを、前記第１の窒化物系半導体クラッド層としてｉ−ＡｌＧａＮを、前記窒化物系半導体光導波層としてｉ−ＧａＮを、及び前記第２の窒化物系半導体クラッド層としてｉ−ＡｌＧａＮを用いたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光変調導波路。