JP2018189780A - Compound semiconductor based light modulation element - Google Patents

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義弘 小木曽
義孝 大礒
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義孝 大礒
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Manabu Mitsuhara
学 満原
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-speed semiconductor light modulation element formed on a compound semiconductor substrate, having a layer structure in which p-type layers can be laminated in a highly precisely controlled manner.SOLUTION: A semiconductor light modulation element formed on a crystal substrate of III-V group compound semiconductor includes on the surface of the crystal substrate at least a first n-type clad layer, a non-doped core layer, a p-type clad layer, and a second n-type clad layer formed thereon. A V group element of at least one of the first or the second n-type clad layer includes P (phosphorus), a V group element of the p-type clad layer includes only As(arsenic). and C(carbon) is used for dopant of the p-type clad layer.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は光通信分野に関し、特に高速な光変調器として機能する化合物半導体系光変調素子に関する。   The present invention relates to the field of optical communication, and more particularly to a compound semiconductor-based light modulation element that functions as a high-speed light modulator.

光通信分野においては光通信容量の増大に加えて、そこで用いられる光デバイスの小型・低消費電力化が求められている。マッハ・ツェンダ型(MZ)光変調器は、それらの特性を司る重要な要素デバイスとして挙げられ、多くの研究開発が進められてきた。従来よりニオブ酸リチウム(LN)などを材料とする光変調器が開発されてきたが、特に近年では更なる小型・低消費電力化を実現すべく、InPをはじめとする化合物半導体系の材料を用いた光変調器が注目を集めている。   In the optical communication field, in addition to an increase in optical communication capacity, there is a demand for miniaturization and low power consumption of optical devices used there. Mach-Zehnder type (MZ) optical modulators are listed as important element devices that control their characteristics, and many researches and developments have been made. Conventionally, optical modulators using lithium niobate (LN) or the like have been developed, but in recent years, compound semiconductor materials such as InP have been developed in order to achieve further reduction in size and power consumption. The optical modulator used is attracting attention.

化合物半導体光変調器の特徴に関して、以下で簡単に説明する。化合物半導体は2以上の元素の化合物からなる半導体であって、光変調器として動作させるためには、半導体接合に印加される変調電気信号の電界と伝搬光の相互作用を利用する。半導体接合は一般に、光を閉じ込めるコア層を不純物(ドーパント)を添加しないノンドープ層(i型層)として、当該i型層をp型及びn型のクラッド層で挟んだpin構造とする。このpin構造に、変調電気信号を重畳した逆バイアス電圧を印加することで、電気と光の強い相互作用に基づき光の位相を変化させて光変調を実現している。   The characteristics of the compound semiconductor optical modulator will be briefly described below. A compound semiconductor is a semiconductor composed of a compound of two or more elements, and in order to operate as an optical modulator, an interaction between an electric field of a modulated electric signal applied to a semiconductor junction and propagating light is used. In general, a semiconductor junction has a pin structure in which a core layer for confining light is a non-doped layer (i-type layer) to which no impurity (dopant) is added, and the i-type layer is sandwiched between p-type and n-type cladding layers. By applying a reverse bias voltage in which a modulated electric signal is superimposed on this pin structure, light modulation is realized by changing the phase of light based on a strong interaction between electricity and light.

以下では化合物半導体の中でも特に、III−V族化合物半導体の一つであるInP(インジウム燐)系材料を用いたデバイス構造に関して説明する。   Hereinafter, a device structure using an InP (indium phosphorus) -based material, which is one of III-V group compound semiconductors, will be described.

InP系材料においては通常、p型半導体を形成するp型ドーパントとして、亜鉛(Zn)又はベリリウム(Be)が用いられ、n型半導体を形成するn型ドーパントとしては、シリコン(Si)やセレン(Se)、硫黄(S)が用いられる。このように形成されたp型半導体では、n型半導体に比べて材料の電気抵抗率及び光学吸収率がおよそ一桁以上高いため、変調動作の高速化、低光損失化に大きな課題を有している。加えて、p型半導体と電極との接触面積はn型に比べて小さいため、コンタクト抵抗が増大してしまい、帯域劣化を招いている。   In InP-based materials, zinc (Zn) or beryllium (Be) is usually used as a p-type dopant for forming a p-type semiconductor, and silicon (Si) or selenium (selenium) is used as an n-type dopant for forming an n-type semiconductor. Se) and sulfur (S) are used. Since the p-type semiconductor formed in this way has a material electrical resistivity and optical absorptance that are higher by an order of magnitude than those of an n-type semiconductor, it has major problems in speeding up the modulation operation and reducing optical loss. ing. In addition, since the contact area between the p-type semiconductor and the electrode is smaller than that of the n-type, the contact resistance increases, resulting in band degradation.

これら課題を解決すべく、前記p型半導体をn型半導体に置換し、電流ブロック層として機能する薄膜p型層を挿入した、npin型構造の光変調器が提案されている(例えば下記特許文献1)。当該npin型構造では光損失が大きいp型クラッドを使わないため、比較的長い導波路を用いることが可能となる。また、空乏層の厚さを任意に最適設計できるという自由度があるため、駆動電圧の低減と電気速度/光速度の整合を同時に満足しやすく、光変調器の応答速度を上げるうえで有利である。   In order to solve these problems, there has been proposed an optical modulator having an npin type structure in which the p-type semiconductor is replaced with an n-type semiconductor and a thin film p-type layer functioning as a current blocking layer is inserted (for example, the following patent document). 1). Since the npin type structure does not use a p-type cladding having a large optical loss, a relatively long waveguide can be used. In addition, since there is a degree of freedom that the thickness of the depletion layer can be designed optimally, it is easy to satisfy the reduction in drive voltage and electrical speed / light speed matching at the same time, which is advantageous for increasing the response speed of the optical modulator. is there.

なお、前記npin構造は電圧印加時に薄膜p型層を電流ブロック層として用いる為、その電気的特性は当該薄膜p型層の特性に大きく依存する。この薄膜p型層は光学損失の影響が小さく、且つ電気的な耐圧が担保できる範囲で層厚が決定され、通常は50〜100nmの厚さとなる。   Since the npin structure uses a thin film p-type layer as a current blocking layer when a voltage is applied, its electrical characteristics greatly depend on the characteristics of the thin film p-type layer. The thin film p-type layer is less affected by optical loss, and the layer thickness is determined within a range in which the electric withstand voltage can be secured, and is usually 50 to 100 nm.

特許第4047785号公報Japanese Patent No. 4047785 特許第5497678号公報Japanese Patent No. 5497678

しかしながら、実際の素子作製においては、当該薄膜p型層を高精度に制御して積層することは困難である。その主な理由として、前述したInP系材料で最も多用されるp型ドーパントのZnは熱拡散係数が大きく、結晶堆積後の作製プロセス等に置いて熱処理(エピタキシャル成長温度:600度程度)が加わることで、当該p型層を起点に他の層にZnが拡散してしまうためである。結果的に、例えば当該p型層に隣接するノンドープ層の一部がp型化してしまい、所望の空乏領域(電気的容量)が得られないだけでなく、光学損失増大を招く恐れも生じる。また、前記p型層が薄膜の場合には拡散後のp型層の不純物濃度が低下してしまい、所望の耐圧確保が困難となることや、ウエハ面内での電気的特性のバラつきが大きくなることが懸念される。   However, in actual device fabrication, it is difficult to stack the thin film p-type layer with high accuracy. The main reason is that the p-type dopant Zn, which is most frequently used in the above-mentioned InP-based materials, has a large thermal diffusion coefficient, and heat treatment (epitaxial growth temperature: about 600 degrees) is added to the fabrication process after crystal deposition. This is because Zn diffuses into other layers starting from the p-type layer. As a result, for example, a part of the non-doped layer adjacent to the p-type layer becomes p-type, so that not only a desired depletion region (electric capacity) cannot be obtained but also an increase in optical loss may occur. Further, when the p-type layer is a thin film, the impurity concentration of the p-type layer after diffusion is lowered, making it difficult to secure a desired breakdown voltage, and a large variation in electrical characteristics within the wafer surface. There is concern about becoming.

また、p型ドーパントとしてはZnよりも拡散係数の小さいBeもあるが、Beは有機金属気相成長(MOCVD)の工程において成長炉内へのドーパントのメモリ効果が懸念されるため、製造の観点で課題が残る。なお、分子線エピタキシー法(MBE)においてはBeが用いられるが、変調器の製造プロセス上、製造過程で高温アニール処理(MBEよりも成長温度が150度以上高いMOCVDによる結晶再成長)が加わるため、Zn同様やはりBeでも拡散が懸念される。   In addition, although there is Be having a smaller diffusion coefficient than Zn as a p-type dopant, Be is concerned about the memory effect of the dopant into the growth furnace in the process of metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). The problem remains. In the molecular beam epitaxy (MBE), Be is used, but high temperature annealing treatment (crystal regrowth by MOCVD whose growth temperature is 150 ° C. higher than MBE) is added in the manufacturing process of the modulator. Like Zn, diffusion is also a concern with Be.

さらに、InP系材料のp型ドーパントとしては、IV族元素のC(炭素)も知られている。図1は、従来のCドープInP系光デバイスの層構造例の1つであり、Cドープp+型InGaAsコンタクト層6がZnドープp型InPクラッド層5の上に設けられた例である。光デバイスの構造としては、図1の下層から順に、半絶縁性InP基板1、Siドープn型InGaAsコンタクト層2、(Siドープ)n型InPクラッド層3、ノンドープコア・クラッド層4からなる。   Further, as a p-type dopant of the InP-based material, a group IV element C (carbon) is also known. FIG. 1 is one example of a layer structure of a conventional C-doped InP optical device, in which a C-doped p + type InGaAs contact layer 6 is provided on a Zn-doped p-type InP cladding layer 5. The structure of the optical device includes a semi-insulating InP substrate 1, a Si-doped n-type InGaAs contact layer 2, a (Si-doped) n-type InP cladding layer 3, and a non-doped core / cladding layer 4 in order from the lower layer of FIG.

また、図2は従来のCドープInP系光デバイスの層構造の別の例であり、図1と同様な光デバイス構造の上に、Cドープp−型InAlAsクラッド層7、Znドープp型InPクラッド層5、Znドープp+型InGaAsコンタクト層8からなる 。   FIG. 2 shows another example of the layer structure of a conventional C-doped InP optical device. On the same optical device structure as in FIG. 1, a C-doped p-type InAlAs cladding layer 7, a Zn-doped p-type InP. A clad layer 5 and a Zn-doped p + type InGaAs contact layer 8 are formed.

しかし、これら従来のCドープp型層は何れもZnドープのP系化合物半導体(p型)とともに用いられているため前述のZnドープの問題点を有しており、P系化合物結晶とAs系化合物結晶の間の界面状態の高精度な制御が困難であり、却って電気的特性劣化を招きかねないものであった。結果的に、本来の特長である拡散係数が小さいという利点以上にプロセス上の課題が多く、実用的なデバイスへの応用には至っていない。無論、IQ光変調器を構成するMZ変調器に対しては専らp型層のドーパントはZnが主流である。   However, since these conventional C-doped p-type layers are used together with a Zn-doped P-based compound semiconductor (p-type), they have the above-mentioned problems of Zn doping. It was difficult to control the interface state between the compound crystals with high accuracy, and on the contrary, the electrical characteristics could be deteriorated. As a result, there are many process problems beyond the advantage of a small diffusion coefficient, which is an original feature, and it has not been applied to practical devices. Of course, for the MZ modulator constituting the IQ optical modulator, Zn is mainly used as the dopant of the p-type layer.

以上のことから、現状生産されている化合物半導体光変調器のp型ドーパントは依然としてZnが用いられており、npin構造の光変調器においても同様な問題がある。   From the above, Zn is still used as the p-type dopant of the currently produced compound semiconductor optical modulator, and the same problem exists in the optical modulator having the npin structure.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、
化合物半導体基板上に形成された半導体光変調素子において、p型層を高精度に制御して積層可能な層構造として、高速な半導体系光変調素子を実現することにある。
The present invention has been made in view of such problems, and its object is to
In a semiconductor light modulation device formed on a compound semiconductor substrate, a high-speed semiconductor light modulation device is realized as a layer structure that can be stacked by controlling a p-type layer with high accuracy.

本発明の化合物半導体系光変調素子は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。
(発明の構成1)
III−V族化合物半導体の結晶基板の上に形成された半導体光変調素子であって、
前記結晶基板の面上に少なくとも第1のn型クラッド層、ノンドープコア層、p型クラッド層、第2のn型クラッド層が形成され、
前記第1または第2のn型クラッド層の少なくとも一方のV族元素にはP(燐)が含まれ、
前記p型クラッド層のV族元素はAs(ヒ素)のみから構成され、
前記p型クラッド層のドーパントとしてC(炭素)を用いる
ことを特徴とする半導体光変調素子。
(発明の構成2)
前記p型クラッド層の結晶組成がInAlAsである
ことを特徴とする発明の構成1に記載の半導体光変調素子。
(発明の構成3)
前記ノンドープコア層及び前記p型クラッド層が前記第1および第2のn型クラッド層の間に挟まれ、前記ノンドープコア層をi型として、上層から前記結晶基板の基板面に向かってn−i−p−n又はn−p−i−nの順に積層されている
ことを特徴とする発明の構成1または2に記載の半導体光変調素子。
(発明の構成4)
前記結晶基板はInPであり、前記第1または第2のn型クラッド層の少なくとも一方にInPを含む
ことを特徴とする発明の構成1から3のいずれか1項に記載の半導体光変調素子。
(発明の構成5)
発明の構成1から4のいずれか1項に記載の半導体光変調素子が、マッハ・ツェンダ干渉型の光回路のアーム光導波路に形成された位相変調器を構成することを特徴とする、マッハ・ツェンダ型光変調器。
In order to achieve such an object, the compound semiconductor light modulation device of the present invention is characterized by having the following configuration.
(Structure 1 of the invention)
A semiconductor light modulation element formed on a crystal substrate of a III-V compound semiconductor,
At least a first n-type cladding layer, a non-doped core layer, a p-type cladding layer, and a second n-type cladding layer are formed on the surface of the crystal substrate,
At least one group V element of the first or second n-type cladding layer includes P (phosphorus),
The group V element of the p-type cladding layer is composed only of As (arsenic),
A semiconductor light modulation device using C (carbon) as a dopant of the p-type cladding layer.
(Configuration 2)
2. The semiconductor light modulation device according to Configuration 1, wherein the crystal composition of the p-type cladding layer is InAlAs.
(Structure 3 of the invention)
The non-doped core layer and the p-type clad layer are sandwiched between the first and second n-type clad layers, the non-doped core layer is i-type, and the n − toward the substrate surface of the crystal substrate. 3. The semiconductor light modulation element according to Configuration 1 or 2, wherein the layers are stacked in the order of i-pn or n-pn.
(Configuration 4)
4. The semiconductor light modulation device according to claim 1, wherein the crystal substrate is InP, and InP is contained in at least one of the first or second n-type cladding layer.
(Structure 5 of the invention)
The semiconductor optical modulator according to any one of the configurations 1 to 4 of the invention constitutes a phase modulator formed in an arm optical waveguide of an optical circuit of a Mach-Zehnder interference type. Zehnder type optical modulator.

以上記載の本発明によれば、化合物半導体結晶基板上に形成された半導体光変調素子において、p型層を高精度に制御して積層可能な層構造となり、高速な半導体系光変調素子を実現することが可能となる。   According to the present invention described above, in a semiconductor light modulation device formed on a compound semiconductor crystal substrate, a p-type layer can be stacked with high precision, and a high-speed semiconductor light modulation device can be realized. It becomes possible to do.

従来のCドープInP系光デバイスの層構造例1を示す図である。It is a figure which shows the layer structure example 1 of the conventional C dope InP type | system | group optical device. 従来のCドープInP系光デバイスの層構造例2を示す図である。It is a figure which shows the layer structure example 2 of the conventional C dope InP type | system | group optical device. 本発明の実施例1として作製した、半導体光変調素子の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor light modulation element produced as Example 1 of this invention. 本発明の実施例2として作製した、半導体光変調素子の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor light modulation element produced as Example 2 of this invention. 本発明の実施例3であるマッハ・ツェンダ型光変調器の概略平面図である。FIG. 6 is a schematic plan view of a Mach-Zehnder optical modulator that is Embodiment 3 of the present invention. 図5中のVI−VIにおける光変調器断面の構造概要を示す図である。It is a figure which shows the structure outline | summary of the optical modulator cross section in VI-VI in FIG. 図5中のVII−VIIにおける光変調器断面の構造概要を示す図である。It is a figure which shows the structure outline | summary of the optical modulator cross section in VII-VII in FIG. 図5中のVIII−VIIIにおける光変調器断面の構造概要を示す図である。It is a figure which shows the structure outline | summary of the optical modulator cross section in VIII-VIII in FIG.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明は、III−V族化合物半導体系光変調素子において、C(炭素、カーボン)をp型ドーパントとして用いる点に主たる特徴の1つを有する。Cをp型ドーパントとして用いる際に考慮すべき点が、下記の3点ある。
(1) CはZnやBe等のp型ドーパントの中で最も拡散係数の小さいドーパントである。
The present invention has one of the main characteristics in that C (carbon, carbon) is used as a p-type dopant in a III-V compound semiconductor light modulation device. There are three points to consider when using C as a p-type dopant.
(1) C is a dopant having the smallest diffusion coefficient among p-type dopants such as Zn and Be.

このため、ドーピング後の熱処理などによるドーパントの拡散を抑えることができる。
(2)CはZnやBe等のp型ドーパントの中で最も活性化率が高いドーパントとして知られている。
For this reason, it is possible to suppress dopant diffusion due to heat treatment after doping.
(2) C is known as a dopant having the highest activation rate among p-type dopants such as Zn and Be.

即ち、ある一定のキャリア濃度を得るためにドーピングする不純物原子の絶対数を減らすことができるため、単位長さあたりの光学的材料吸収量を減らすことができる。これはレーザー等よりも導波路長が長く、光学損失低減が求められる半導体光変調素子においては大変有利な点である。
(3)CをドーパントとしてIII−V族化合物半導体をp型化させるためには、結晶のV族サイトに燐(P)を含まない組成である必要がある。
That is, since the absolute number of impurity atoms doped to obtain a certain carrier concentration can be reduced, the optical material absorption per unit length can be reduced. This is a very advantageous point in a semiconductor light modulation device in which the waveguide length is longer than that of a laser or the like and optical loss reduction is required.
(3) In order to make a group III-V compound semiconductor p-type using C as a dopant, it is necessary to have a composition that does not contain phosphorus (P) at the group V site of the crystal.

これは、CはIV族元素であるので、III−V族化合物半導体に対しては、化合物の元素の組み合わせによりp型にもn型にもなる両性ドーパントとして作用するためである。このため、Cをp型ドーパントとして機能させるためには、V族にPを含まない、例えばV族がヒ素(As)のみからなる(ヒ素系化合物)InGaAs,AlGaAs,InAlAs等の化合物半導体である必要がある。一般に、Pを含んだ化合物結晶(P系化合物)では、Cをドープすることでp型ではなくn型化することが知られているからである。   This is because C is a group IV element and acts on an III-V compound semiconductor as an amphoteric dopant which can be p-type or n-type depending on the combination of compound elements. Therefore, in order to make C function as a p-type dopant, it is a compound semiconductor such as InGaAs, AlGaAs, and InAlAs that does not contain P in the V group, for example, the V group is composed only of arsenic (As) (arsenic compound). There is a need. This is because it is generally known that a compound crystal containing P (P-based compound) becomes n-type by doping C instead of p-type.

これらの結晶は主にGaAs基板上デバイスにおいて用いられることが多く、図1、図2の従来例について述べたように、InP基板上デバイスへのp型ドーパントとしてのCの応用は限定的である。前述のように、InP光デバイスへのCドープの応用例としては、従来より例えば高濃度p型コンタクト層などとしてInGaAsのようなコアのバンドギャップよりも小さい組成結晶に対してCをドープしたり(図1)、ノンドープコア層とZnドープのp型InPクラッドなどの間にCドープのp型InAlAs層を挟んで、ノンドープ層へのZn拡散を防止することを目的としたもの(図2)が挙げられる。   These crystals are often used mainly in devices on a GaAs substrate, and as described in the conventional example of FIGS. 1 and 2, the application of C as a p-type dopant to the device on an InP substrate is limited. . As described above, as an application example of C doping to an InP optical device, for example, as a high concentration p-type contact layer, a composition crystal smaller than the band gap of a core such as InGaAs is doped with C. (FIG. 1), with a C-doped p-type InAlAs layer sandwiched between a non-doped core layer and a Zn-doped p-type InP cladding, etc., to prevent Zn diffusion into the non-doped layer (FIG. 2) Is mentioned.

しかし、これら従来のCドープp型層は何れもZnドープのP系化合物半導体(p型)とともに用いられているため、前述のZnドープの問題点を有しており、P系化合物結晶とAs系化合物結晶の間の界面状態の高精度な制御が困難であり、却って電気的特性劣化を招きかねないものであった。結果的に、前述のように本来の特長である拡散係数が小さいという利点以上にプロセス上の課題が多く、実用的なデバイスへの応用には至っていない。無論、IQ光変調器を構成するMZ変調器に対しては専らp型層のドーパントはZnが主流である。   However, since these conventional C-doped p-type layers are used together with a Zn-doped P-based compound semiconductor (p-type), they have the above-mentioned problems of Zn doping. It was difficult to control the interface state between the system compound crystals with high accuracy, and on the contrary, the electrical characteristics could be deteriorated. As a result, as described above, there are more problems in the process than the advantage that the diffusion coefficient, which is the original feature, is small, and it has not been applied to a practical device. Of course, for the MZ modulator constituting the IQ optical modulator, Zn is mainly used as the dopant of the p-type layer.

一方、本発明に係る光変調器ではp型半導体は電流ブロックとしての機能のみを果たせばよいため、前述のようにZnドープのP系化合物半導体と組み合わせて堆積する必要が無い。即ちプロセス上の課題も少なく、Znドーピングの場合と比べて高精度な制御が可能であり、光学損失及び電気特性の改善が見込まれる。   On the other hand, in the optical modulator according to the present invention, since the p-type semiconductor only has to function as a current block, it is not necessary to deposit in combination with the Zn-doped P-based compound semiconductor as described above. In other words, there are few process problems, high-precision control is possible as compared with Zn doping, and optical loss and electrical characteristics are expected to be improved.

(実施例1)
図3に、本発明の実施例1として作製した、半導体光変調素子の断面図を示す。
図3の実施例1の半導体光変調素子は、半絶縁性InP基板31上に、nipn型の半導体層構造の構成を有する。具体的には半導体層は上層から、n型コンタクト層37、n型クラッド層35、ノンドープコア・クラッド層34(i型)、電流障壁となる薄膜のp型クラッド層36、n型クラッド層33、n型コンタクト層32の順にInP基板31上に積層されている。
(Example 1)
FIG. 3 shows a cross-sectional view of a semiconductor light modulation device manufactured as Example 1 of the present invention.
The semiconductor optical modulation device of Example 1 in FIG. 3 has a nipn type semiconductor layer structure on a semi-insulating InP substrate 31. Specifically, from the upper layer, the semiconductor layers are an n-type contact layer 37, an n-type cladding layer 35, a non-doped core / clad layer 34 (i-type), a thin film p-type cladding layer 36 serving as a current barrier, and an n-type cladding layer 33. The n-type contact layer 32 is stacked on the InP substrate 31 in this order.

例えばn型コンタクト層32、37はキャリア濃度が1E+19cm-3のSiドープInGaAsとし、n型クラッド層33,35はキャリア濃度が1E+18cm-3のSiドープInPとする。また、p型クラッド層36のキャリア濃度は光吸収係数及び電子障壁となるポテンシャルエネルギーから鑑みて5E+17〜1E+18cm-3のInAlAsとした。このInAlAsp型クラッド層36でCをp型ドーパントとすべく、原料にはCBr4を用いた。 For example, the n-type contact layers 32 and 37 are made of Si-doped InGaAs having a carrier concentration of 1E + 19 cm −3 , and the n-type cladding layers 33 and 35 are made of Si-doped InP having a carrier concentration of 1E + 18 cm −3 . The carrier concentration of the p-type cladding layer 36 is 5E + 17 to 1E + 18 cm −3 InAlAs in view of the light absorption coefficient and the potential energy that becomes an electron barrier. In order to use C as a p-type dopant in the InAlAsp type cladding layer 36, CBr 4 was used as a raw material.

このCドープのInAlAsp型クラッド層36の層厚は、ウエハ面内で十分な電気耐圧が確保され、且つ光学・RF損失が十分小さい範囲で決定される。具体的には、ウエハ面内のドーピング濃度及び層厚バラつき(例えば±10%)を加味して、最低でも50nm以上が望ましく、損失が無視できる厚さ(例えば200nm)以下が望ましい。なお、本実施例1では十分に耐圧が確保できる厚さとして、100nmとした。   The thickness of the C-doped InAlAsp type cladding layer 36 is determined within a range in which a sufficient electric withstand voltage is ensured in the wafer surface and the optical / RF loss is sufficiently small. Specifically, in consideration of doping concentration and layer thickness variation (for example, ± 10%) in the wafer surface, it is desirable that the thickness be at least 50 nm, and a thickness at which loss is negligible (for example, 200 nm) is desirable. In Example 1, the thickness that can sufficiently secure the withstand voltage was set to 100 nm.

結晶成長はMBEにより、半絶縁性InP(100)基板31上に堆積した。コア層34のバンドギャップ波長は、動作光波長で高効率に電気光学効果を有効に作用させ、且つ光吸収が問題にならない範囲で決定させる。例えば1.55ミクロン帯の場合には、コア層34の発光波長を1.4ミクロンメートル程度とする。コア層34は高効率変調の観点で望ましくはInGaAlAs/InAlAsの多重量子井戸構造で形成させるが、例えばInGaAsP/InP,InGaAsP/InGaAsPのような多重構造としても本発明の有用性が失われないことは明らかである。   Crystal growth was deposited on the semi-insulating InP (100) substrate 31 by MBE. The band gap wavelength of the core layer 34 is determined within a range where the electro-optic effect is effectively applied with high efficiency at the operating light wavelength and the light absorption is not a problem. For example, in the case of the 1.55 micron band, the light emission wavelength of the core layer 34 is set to about 1.4 microns. The core layer 34 is preferably formed of a multiple quantum well structure of InGaAlAs / InAlAs from the viewpoint of high-efficiency modulation, but the usefulness of the present invention is not lost even if it is formed of a multiple structure such as InGaAsP / InP or InGaAsP / InGaAsP. Is clear.

また、p型層36以外のコンタクト層、クラッド層の組成は上記に限定されず、例えばInGaAsP組成を用いたとして問題ない。p型層36としては、InAlAs以外にもV族がAsのみからなり、InPよりもバンドギャップの大きいInGaAlAsなどを用いても問題ない。なお、上記組成結晶は基本的にInPと格子整合したものであるが、臨界膜厚に達しない範囲で組成を格子整合条件から変化させても問題ない。また結晶成長法はMBEに限らず、例えばMOCVDを用いても本発明の有用性は失われない。   Further, the composition of the contact layer and the cladding layer other than the p-type layer 36 is not limited to the above, and there is no problem if, for example, an InGaAsP composition is used. As the p-type layer 36, there is no problem even if InGaAlAs or the like having a band gap larger than InP is used because the V group is composed only of As in addition to InAlAs. The composition crystal is basically lattice-matched with InP, but there is no problem even if the composition is changed from the lattice-matching condition within a range not reaching the critical film thickness. The crystal growth method is not limited to MBE, and the usefulness of the present invention is not lost even when MOCVD is used, for example.

(実施例2)
図4には、本発明の実施例2として作製した、半導体光変調素子の断面図を示す。
(Example 2)
FIG. 4 shows a cross-sectional view of a semiconductor light modulation device manufactured as Example 2 of the present invention.

図4の実施例2では、図3の実施例1と同じ層には同じ番号を付しているが、実施例1と異なりCドープのp型クラッド層36をノンドープコア・クラッド層34の上層に堆積した、npin型の層構造を採用している。このような層構造でも本発明の有用性は変わらない。この場合、逆方向バイアス電圧印加時の電源極性がnipn型とは逆になること、及び変調効率の観点で変調器の導波路ストライプ方向がnipn型の場合と90度異なる点に注意する必要がある(特許文献2参照)。   In Example 2 of FIG. 4, the same layers as those in Example 1 of FIG. 3 are given the same numbers. However, unlike Example 1, the C-doped p-type cladding layer 36 is formed on the non-doped core / cladding layer 34. The npin-type layer structure deposited in (1) is adopted. Such a layer structure does not change the usefulness of the present invention. In this case, it is necessary to pay attention to the fact that the power supply polarity when the reverse bias voltage is applied is opposite to that of the nipn type, and that the waveguide stripe direction of the modulator is 90 degrees different from the case of the nipn type in terms of modulation efficiency. Yes (see Patent Document 2).

(実施例3:マッハ・ツェンダ型光変調器)
図5には、本発明の実施例3であるマッハ・ツェンダ型光変調器の概略平面図を示す。
(Example 3: Mach-Zehnder type optical modulator)
FIG. 5 is a schematic plan view of a Mach-Zehnder optical modulator that is Embodiment 3 of the present invention.

実施例3のマッハ・ツェンダ型光変調器は、光導波路53から入力された光信号を上下のアーム光導波路に二分岐して、それぞれのアーム光導波路に設けられた位相変調器52により光位相変調した後、合波して光出力するマッハ・ツェンダ干渉計型の光回路構成である。各位相変調器52は実施例1ないし2の半導体光変調素子により構成されている。図5には、バイアス電圧印加用の電極51も図示されている。   The Mach-Zehnder optical modulator according to the third embodiment bifurcates an optical signal input from the optical waveguide 53 into upper and lower arm optical waveguides, and optical phases are generated by the phase modulators 52 provided in the respective arm optical waveguides. This is a Mach-Zehnder interferometer-type optical circuit configuration that outputs light after being modulated and combined. Each phase modulator 52 is constituted by the semiconductor optical modulation elements of the first and second embodiments. FIG. 5 also shows an electrode 51 for applying a bias voltage.

図5の光変調器の製造工程としては概略、まず基板上に図3または図4の半導体光変調素子に対応する層構造を成膜する。その後、素子間の電気分離を目的として変調に寄与しない領域の上部n型クラッド層35およびn型コンタクト層37をドライエッチング及びウェットエッチングで除去する。また、光学損失低減の観点から当該除去箇所を更に半絶縁性InPによって埋め戻す(後述の図7、図8も参照)。   As a manufacturing process of the optical modulator shown in FIG. 5, a layer structure corresponding to the semiconductor optical modulator shown in FIG. 3 or 4 is first formed on a substrate. Thereafter, the upper n-type cladding layer 35 and the n-type contact layer 37 in a region not contributing to modulation are removed by dry etching and wet etching for the purpose of electrical isolation between elements. Further, from the viewpoint of reducing optical loss, the removed portion is further backfilled with semi-insulating InP (see also FIGS. 7 and 8 described later).

その後、図5に示すように[011]面方向と等価な方向に形成されたSiO2からなるMZ干渉計導波路パターンを形成し、ドライエッチング加工を用いてハイメサ形状光導波路53を形成する。なお、前記光導波路53はハイメサ形状以外にも例えばリッジ形状の導波路を用いても問題ない。続いて下層n型クラッドにバイアス電圧を印加させるために、ドライ・ウェットエッチングを更に行い、下層n型コンタクト層の一部を露出させ、その上にバイアス電圧印加用の電極51を形成する。その後、高周波電極パターンを金メッキ法により形成してマッハ・ツェンダ型光変調器とする。 Thereafter, as shown in FIG. 5, an MZ interferometer waveguide pattern made of SiO 2 formed in a direction equivalent to the [011] plane direction is formed, and a high mesa optical waveguide 53 is formed by dry etching. For example, a ridge-shaped waveguide other than the high mesa shape may be used for the optical waveguide 53. Subsequently, in order to apply a bias voltage to the lower n-type cladding, dry / wet etching is further performed to expose a part of the lower n-type contact layer, and an electrode 51 for applying a bias voltage is formed thereon. Thereafter, a high frequency electrode pattern is formed by a gold plating method to obtain a Mach-Zehnder type optical modulator.

図6は、実施例3図5中のVI−VIにおける光変調器の断面の構造概要を示す図である。図5のマッハ・ツェンダ型光変調器の2本のアーム光導波路の断面が同一構造で示されている。各アームの断面構造(61〜67)は、位相変調器52の電極68のほかは、実施例1の図3の半導体光変調素子の断面構造に対応している。   FIG. 6 is a diagram showing a structural outline of a cross section of the optical modulator taken along line VI-VI in FIG. 5 of the third embodiment. The cross-sections of the two arm optical waveguides of the Mach-Zehnder optical modulator of FIG. 5 are shown with the same structure. The cross-sectional structure (61 to 67) of each arm corresponds to the cross-sectional structure of the semiconductor optical modulation element of FIG.

図7は、実施例3図5中のVII−VIIにおける変調素子断面の構造概要を示す図である。図5の位相変調器52は無い部分であるため、図6にあった電極68はなく、上部のn型クラッド層65、コンタクト層67の代わりに(Feドープ)半絶縁性InPクラッド層75で覆われた2本の光導波路の主要構造と、バイアス電圧印加用電極51の断面の構造概要が示されている。   FIG. 7 is a diagram showing a structural outline of a cross section of a modulation element taken along the line VII-VII in FIG. 5 of the third embodiment. Since the phase modulator 52 shown in FIG. 5 is not provided, the electrode 68 shown in FIG. 6 is not provided. Instead of the upper n-type cladding layer 65 and the contact layer 67 (Fe-doped), a semi-insulating InP cladding layer 75 is used. The main structure of the two covered optical waveguides and the structural outline of the cross section of the bias voltage application electrode 51 are shown.

図8は、実施例3図5中のVIII−VIIIにおける変調素子断面の構造概要を示す図である。図7と同様の、但し合波した後の1本の光導波路の断面が示されている。   FIG. 8 is a diagram showing a structural outline of a cross section of a modulation element in VIII-VIII in FIG. 5 of the third embodiment. A cross section of one optical waveguide similar to that of FIG. 7 but after combining is shown.

位相変調器52の高周波電極は、高速化の観点で進行波型(分布定数型)が望ましいが、例えば集中定数型電極を用いたとしても本発明の有用性は失われない。   The high frequency electrode of the phase modulator 52 is preferably a traveling wave type (distributed constant type) from the viewpoint of speeding up, but the usefulness of the present invention is not lost even if, for example, a lumped constant type electrode is used.

以上記載の本発明によれば、化合物半導体基板上に形成された半導体光変調素子において、p型層を高精度に制御して積層可能として、高速な化合物半導体光変調素子を実現することが可能となる。   According to the present invention described above, in a semiconductor light modulation device formed on a compound semiconductor substrate, a p-type layer can be controlled and stacked with high accuracy, and a high-speed compound semiconductor light modulation device can be realized. It becomes.

1、31、61 半絶縁性InP基板
2、32、37、62、67 Siドープn型InGaAsコンタクト層
3、33,35、63,65 (Siドープ)n型InPクラッド層
4、34、64 ノンドープコア・クラッド層
5 Znドープp型InPクラッド層
6 Cドープp+型InGaAsコンタクト層
7 Cドープp−型InAlAsクラッド層
8 Znドープp+型InGaAsコンタクト層
36、66 Cドープp型クラッド層
51 バイアス電圧印加電極
52 位相変調器
53 光導波路
68 電極
75 (Feドープ)半絶縁性InPクラッド層
1, 31, 61 Semi-insulating InP substrate 2, 32, 37, 62, 67 Si-doped n-type InGaAs contact layers 3, 33, 35, 63, 65 (Si-doped) n-type InP cladding layers 4, 34, 64 Non-doped Core-clad layer 5 Zn-doped p-type InP clad layer 6 C-doped p + -type InGaAs contact layer 7 C-doped p-type InAlAs clad layer 8 Zn-doped p + -type InGaAs contact layer 36, 66 C-doped p-type clad layer 51 Bias voltage application Electrode 52 Phase modulator 53 Optical waveguide 68 Electrode 75 (Fe doped) Semi-insulating InP clad layer

Claims (5)

III−V族化合物半導体の結晶基板の上に形成された半導体光変調素子であって、
前記結晶基板の面上に少なくとも第1のn型クラッド層、ノンドープコア層、p型クラッド層、第2のn型クラッド層が形成され、
前記第1または第2のn型クラッド層の少なくとも一方のV族元素にはP(燐)が含まれ、
前記p型クラッド層のV族元素はAs(ヒ素)のみから構成され、
前記p型クラッド層のドーパントとしてC(炭素)を用いる
ことを特徴とする半導体光変調素子。
A semiconductor light modulation element formed on a crystal substrate of a III-V compound semiconductor,
At least a first n-type cladding layer, a non-doped core layer, a p-type cladding layer, and a second n-type cladding layer are formed on the surface of the crystal substrate,
At least one group V element of the first or second n-type cladding layer includes P (phosphorus),
The group V element of the p-type cladding layer is composed only of As (arsenic),
A semiconductor light modulation device using C (carbon) as a dopant of the p-type cladding layer.
前記p型クラッド層の結晶組成がInAlAsである
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体光変調素子。
2. The semiconductor light modulation device according to claim 1, wherein the crystal composition of the p-type cladding layer is InAlAs.
前記ノンドープコア層及び前記p型クラッド層が前記第1および第2のn型クラッド層の間に挟まれ、前記ノンドープコア層をi型として、上層から前記結晶基板の基板面に向かってn−i−p−n又はn−p−i−nの順に積層されている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体光変調素子。
The non-doped core layer and the p-type clad layer are sandwiched between the first and second n-type clad layers, the non-doped core layer is i-type, and the n − toward the substrate surface of the crystal substrate. 3. The semiconductor light modulation device according to claim 1, wherein the semiconductor light modulation devices are stacked in the order of i-p-n or n-p-i-n.
前記結晶基板はInPであり、前記第1または第2のn型クラッド層の少なくとも一方にInPを含む
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体光変調素子。
4. The semiconductor light modulation device according to claim 1, wherein the crystal substrate is InP, and at least one of the first or second n-type cladding layer includes InP. 5.
請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体光変調素子が、マッハ・ツェンダ干渉型の光回路のアーム光導波路に形成された位相変調器を構成することを特徴とする、マッハ・ツェンダ型光変調器。   5. The Mach-Zehnder according to claim 1, wherein the semiconductor optical modulation element constitutes a phase modulator formed in an arm optical waveguide of a Mach-Zehnder interference type optical circuit. Type optical modulator.
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