JP2022189481A - 光変調器及び光変調器の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】コア層のp型ドーパント濃度を低くできる光変調器及び光変調器の製造方法を提供する。【解決手段】光変調器は、第1方向に延在する第1メサ導波路と、第2メサ導波路と、を備える。第1メサ導波路は、基板上に設けられたp型の第1半導体層と、第1半導体層上に設けられたコア層と、コア層上に設けられたp型の第2半導体層と、コア層上に設けられたn型の第3半導体層とを備える。第2半導体層及び第3半導体層は、第1方向において互いに隣接して配置されている。第3半導体層上には電極が設けられている。第2半導体層と第3半導体層との間の接合面は、第1方向に直交する面に対して傾斜している。【選択図】図4
Description
本開示は、光変調器及び光変調器の製造方法に関する。
特許文献1は、2つのメサ導波路を備えるマッハツェンダ型の光変調器を開示する。各メサ導波路は、基板上に設けられた下部クラッド層と、下部クラッド層上に設けられたコア層と、コア層上に設けられた上部クラッド層とを有する。各メサ導波路上には、メサ導波路の延在方向に配列された複数の変調電極が設けられる。複数の変調電極間において、上部クラッド層は、i型半導体により構成された分離部を有する。
下部クラッド層がp型半導体から構成される場合、下部クラッド層に含まれるp型ドーパント(例えば亜鉛)と、分離部に含まれるドーパント(例えば鉄)とが相互拡散することがある。その結果、p型ドーパントがコア層中に拡散する。コア中のp型ドーパントは非発光再結合中心となり得る。
本開示は、コア層のp型ドーパント濃度を低くできる光変調器及び光変調器の製造方法を提供する。
本開示の一側面に係る光変調器は、第1方向に延在する第1メサ導波路と、第2メサ導波路と、を備え、前記第1メサ導波路は、基板上に設けられたp型の第1半導体層と、前記第1半導体層上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられたp型の第2半導体層と、前記コア層上に設けられたn型の第3半導体層とを備え、前記第2半導体層及び前記第3半導体層は、前記第1方向において互いに隣接して配置されており、前記第3半導体層上には電極が設けられており、前記第2半導体層と前記第3半導体層との間の接合面は、前記第1方向に直交する面に対して傾斜している。
本開示の一側面に係る光変調器の製造方法は、第1方向に延在する第1メサ導波路と、第2メサ導波路とを備える光変調器の製造方法であって、基板上に半導体積層体を形成する工程であり、前記半導体積層体は、前記基板上に設けられたp型の第1半導体層と、前記第1半導体層上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられた第1導電型の第2半導体層とを含む、工程と、前記第2半導体層をウェットエッチングすることによって、前記第2半導体層に凹部を形成する工程であり、前記第1方向における前記凹部の長さが、前記凹部の上端から下端に向かうに連れて小さくなっている、工程と、前記凹部内に第2導電型の第3半導体層を形成する工程と、前記第2半導体層、前記第3半導体層、前記コア層及び前記第1半導体層をエッチングすることによって、前記第1メサ導波路及び前記第2メサ導波路を形成する工程と、前記第1メサ導波路上に電極を形成する工程であり、前記電極は、前記第2半導体層及び前記第3半導体層のうちn型の層上に形成される、工程と、を含む。
本開示によれば、コア層のp型ドーパント濃度を低くできる光変調器及び光変調器の製造方法が提供される。
[本開示の実施形態の説明]
一実施形態に係る光変調器は、第1方向に延在する第1メサ導波路と、第2メサ導波路と、を備え、前記第1メサ導波路は、基板上に設けられたp型の第1半導体層と、前記第1半導体層上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられたp型の第2半導体層と、前記コア層上に設けられたn型の第3半導体層とを備え、前記第2半導体層及び前記第3半導体層は、前記第1方向において互いに隣接して配置されており、前記第3半導体層上には電極が設けられており、前記第2半導体層と前記第3半導体層との間の接合面は、前記第1方向に直交する面に対して傾斜している。
一実施形態に係る光変調器は、第1方向に延在する第1メサ導波路と、第2メサ導波路と、を備え、前記第1メサ導波路は、基板上に設けられたp型の第1半導体層と、前記第1半導体層上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられたp型の第2半導体層と、前記コア層上に設けられたn型の第3半導体層とを備え、前記第2半導体層及び前記第3半導体層は、前記第1方向において互いに隣接して配置されており、前記第3半導体層上には電極が設けられており、前記第2半導体層と前記第3半導体層との間の接合面は、前記第1方向に直交する面に対して傾斜している。
本実施形態の光変調器によれば、第1半導体層中のp型ドーパントと第2半導体層中のp型ドーパントとが相互拡散し難い。そのため、第1半導体層及び第2半導体層中のp型ドーパントがコア層に向かって拡散することを抑制できる。よって、コア層のp型ドーパント濃度を低くできる。
前記接合面は、前記第1方向における前記第3半導体層の長さが前記電極から前記コア層に向かうに連れて短くなるように傾斜してもよい。この場合、第1方向において接合面からp型の第2半導体層内に延びる電界リークが発生しても、第1方向において電界が広がる領域を小さくできる。
前記第2半導体層のp型ドーパントは、1×1016cm-3以上の濃度を有してもよい。この場合、第1方向において接合面からp型の第2半導体層内に延びる電界リーク長さを小さくできる。
前記第2半導体層のp型ドーパントは、1×1017cm-3以下の濃度を有してもよい。この場合、第2半導体層において、自由キャリア吸収による光損失を低減できる。
一実施形態に係る光変調器の製造方法は、第1方向に延在する第1メサ導波路と、第2メサ導波路とを備える光変調器の製造方法であって、基板上に半導体積層体を形成する工程であり、前記半導体積層体は、前記基板上に設けられたp型の第1半導体層と、前記第1半導体層上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられた第1導電型の第2半導体層とを含む、工程と、前記第2半導体層をウェットエッチングすることによって、前記第2半導体層に凹部を形成する工程であり、前記第1方向における前記凹部の長さが、前記凹部の上端から下端に向かうに連れて小さくなっている、工程と、前記凹部内に第2導電型の第3半導体層を形成する工程と、前記第2半導体層、前記第3半導体層、前記コア層及び前記第1半導体層をエッチングすることによって、前記第1メサ導波路及び前記第2メサ導波路を形成する工程と、前記第1メサ導波路上に電極を形成する工程であり、前記電極は、前記第2半導体層及び前記第3半導体層のうちn型の層上に形成される、工程と、を含む。
本実施形態の光変調器の製造方法によれば、第1半導体層中のp型ドーパントと第2半導体層及び第3半導体層のうちp型の層中のp型ドーパントとが相互拡散し難い。そのため、第1半導体層及び第2半導体層又は第3半導体層中のp型ドーパントがコア層に向かって拡散することを抑制できる。よって、コア層のp型ドーパント濃度を低くできる。
前記第3半導体層が前記n型の層であってもよい。この場合、p型の第2半導体層中のp型ドーパントがコア層に向かって拡散し難い。
前記第3半導体層を形成する工程では、前記第1方向における前記第3半導体層の上面の長さが、前記第1方向における前記第2半導体層の上面の長さよりも長くてもよい。この場合、第3半導体層の上面の平坦性を高くできる。
[本開示の実施形態の詳細]
以下、添付図面を参照しながら本開示の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。図面には、互いに交差するX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向が必要に応じて示される。X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向は例えば互いに直交している。X軸方向は、例えば[0-11]方向である。Y軸方向は、例えば[011]方向である。Z軸方向は、例えば[100]方向である。
以下、添付図面を参照しながら本開示の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。図面には、互いに交差するX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向が必要に応じて示される。X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向は例えば互いに直交している。X軸方向は、例えば[0-11]方向である。Y軸方向は、例えば[011]方向である。Z軸方向は、例えば[100]方向である。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る光変調器を模式的に示す平面図である。図1に示される光変調器10は、例えばマッハツェンダ変調器である。光変調器10は、例えば光通信において光の強度又は位相を変調し、変調信号を生成することができる。光変調器10は、例えば光の強度を調整することによって光を減衰させることができる。
図1は、第1実施形態に係る光変調器を模式的に示す平面図である。図1に示される光変調器10は、例えばマッハツェンダ変調器である。光変調器10は、例えば光通信において光の強度又は位相を変調し、変調信号を生成することができる。光変調器10は、例えば光の強度を調整することによって光を減衰させることができる。
光変調器10は、マッハツェンダ変調器の第1アーム導波路AM1及び第2アーム導波路AM2を備える。第1アーム導波路AM1は第1メサ導波路M1を備える。第1アーム導波路AM1は、第1メサ導波路M1の両端にそれぞれ光学的に結合された一対の曲がり導波路M1bを備えてもよい。第2アーム導波路AM2は第2メサ導波路M2を備える。第2アーム導波路AM2は、第2メサ導波路M2の両端にそれぞれ光学的に結合された一対の曲がり導波路M2bを備えてもよい。
第1メサ導波路M1は、基板12上に設けられ、Y軸方向(第1方向)に沿って延在し、Z軸方向に高さを有する。第2メサ導波路M2は、第1メサ導波路M1に沿って延在する。第2メサ導波路M2は、Y軸方向に沿って延在し、Z軸方向に高さを有してもよい。第2メサ導波路M2の延在方向は、第1メサ導波路M1の延在方向と異なってもよい。具体的には、第1メサ導波路M1の延在方向と第2メサ導波路M2の延在方向とのなす角度は例えば0°超20°以下であってもよい。第1メサ導波路M1及び第2メサ導波路M2は、X軸方向において互いに離間している。
第1メサ導波路M1の入力端及び第2メサ導波路M2の入力端は、それぞれ曲がり導波路M1b及び曲がり導波路M2bを介して、光分波器C1に光学的に結合される。光分波器C1は、例えば1×2多モード干渉カプラ等の多モード干渉(MMI:Multi-Mode Interference)カプラである。光分波器C1は、入力導波路W1の出力端に光学的に結合される。入力導波路W1の入力端は入力ポートP1となる。入力ポートP1は基板12の縁に位置する。光は入力ポートP1に入力される。
第1メサ導波路M1の出力端及び第2メサ導波路M2の出力端は、それぞれ曲がり導波路M1b及び曲がり導波路M2bを介して、光合波器C2に光学的に結合される。光合波器C2は、例えば2×1多モード干渉カプラ等のMMIカプラである。光合波器C2は、出力導波路W2の入力端に光学的に結合される。出力導波路W2の出力端は出力ポートP2となる。出力ポートP2は、入力ポートP1が位置する基板12の縁とは反対側の縁に位置する。光は出力ポートP2から出力される。
第1メサ導波路M1は、Y軸方向に沿って互いに離間して配置された複数の変調部M1mを備える。複数の変調部M1m間には分離部M1sが位置する。各変調部M1mには、Y軸方向に延在する配線E1aが接続される。配線E1aは、変調部M1m上に位置している。各配線E1aは、配線E1bにより電極パッドEP1に接続される。電極パッドEP1は、X軸方向において配線E1aから離れて位置する。電極パッドEP1は、複数の変調部M1mにわたってY軸方向に延在する。配線E1a、配線E1b及び電極パッドEP1は、基板12上に位置している。配線E1a、配線E1b及び電極パッドEP1は、例えば金等の金属を含む。
第2メサ導波路M2は第1メサ導波路M1と同様の構成を備える。第2メサ導波路M2は、Y軸方向に沿って互いに離間して配置された複数の変調部M2mを備える。複数の変調部M2m間には分離部M2sが位置する。各変調部M2mには、Y軸方向に延在する配線E2aが接続される。配線E2aは、変調部M2m上に位置している。各配線E2aは、配線E2bにより電極パッドEP2に接続される。電極パッドEP2は、X軸方向において配線E2aから離れて位置する。電極パッドEP2は、複数の変調部M2mにわたってY軸方向に延在する。配線E2a、配線E2b及び電極パッドEP2は、基板12上に位置している。配線E2a、配線E2b及び電極パッドEP2は、例えば金等の金属を含む。
電極パッドEP1の一端及び電極パッドEP2の一端には、配線により駆動回路DRが接続されている。駆動回路DRは、交流電源PWと、抵抗R1と、抵抗R2とを含む。交流電源PWは、配線により抵抗R1を介して電極パッドEP1の一端に接続される。交流電源PWは、配線により抵抗R2を介して電極パッドEP2の一端に接続される。
電極パッドEP1の他端は、配線により終端抵抗RT1を介して接地電位GNDに接続されている。電極パッドEP2の他端は、配線により終端抵抗RT2を介して接地電位GNDに接続されている。
図2は、図1のII-II線に沿った断面図である。図2には、変調部M1m及び変調部M2mの断面が示されている。図3は、図1のIII-III線に沿った断面図である。図3には、分離部M1s及び分離部M2sの断面が示されている。図4は、図1のIV-IV線に沿った断面図である。図4には、変調部M1m及び分離部M1sの断面が示されている。
図2から図4に示されるように、第1メサ導波路M1は、基板12上に設けられたp型の第1半導体層16と、第1半導体層16上に設けられたコア層18と、コア層18上に設けられたp型の第2半導体層26と、コア層18上に設けられたn型の第3半導体層20とを備える。基板12と第1半導体層16との間には半導体層14が設けられ得る。第2半導体層26上にはp型の半導体層28が設けられ得る。第3半導体層20上にはn型の半導体層22が設けられ得る。
第2半導体層26及び第3半導体層20は、Y軸方向において互いに隣接して配置されている。複数の第2半導体層26及び複数の第3半導体層20がY軸方向に配列され得る。第2半導体層26及び第3半導体層20は、Y軸方向において交互に配列され得る。第3半導体層20の数は電極E1の数と一致し得る。第2半導体層26と第3半導体層20との間の接合面JNは、Y軸方向に直交する面(XZ平面)に対して傾斜している。すなわち、接合面JNは、第1メサ導波路M1のYZ断面においてZ軸方向に対して傾斜している。接合面JNは、PN接合面である。本実施形態において、接合面JNは、Y軸方向における第3半導体層20の長さL20が電極E1からコア層18に向かうに連れて短くなるように傾斜する。すなわち、接合面JNは、Y軸方向における第2半導体層26の長さL26が電極E1からコア層18に向かうに連れて長くなるように傾斜する。接合面JNは、XZ平面に対して角度(90°-θ)だけ傾斜している。すなわち、接合面JNは、基板12の主面12aに対して角度θだけ傾斜している。角度θは、50°以上60°以下であり得る。角度θは、第2半導体層26に含まれるIII-V族化合物半導体の結晶方位により制御され得る。例えば、基板12の主面12aが(100)面であり、主面12a上に第2半導体層26をエピタキシャル成長する場合、角度θは55°であり得る。
接合面JNは、Y軸方向における第3半導体層20の長さL20が電極E1からコア層18に向かうに連れて長くなるように傾斜してもよい。すなわち、接合面JNは、Y軸方向における第2半導体層26の長さL26が電極E1からコア層18に向かうに連れて短くなるように傾斜してもよい。
第1メサ導波路M1において、第3半導体層20上には電極E1が設けられている。第3半導体層20と電極E1との間には半導体層22が配置され得る。電極E1上には配線E1aが設けられる。第1メサ導波路M1において、第2半導体層26上には電極E1及び配線E1aが設けられていない。
同様に、第2メサ導波路M2において、第3半導体層20上には電極E2が設けられている。第3半導体層20と電極E2との間には半導体層22が配置され得る。電極E2上には配線E2aが設けられる。第2メサ導波路M2において、第2半導体層26上には電極E2及び配線E2aが設けられていない。
図2に示されるように、変調部M1m及び変調部M2mにおいて、半導体層14、第1半導体層16、コア層18、第3半導体層20及び半導体層22は、基板12の主面12a上に順に設けられ得る。第1半導体層16は下部クラッド層を構成する。第3半導体層20は上部クラッド層を構成する。第1メサ導波路M1のコア層18及び第2メサ導波路M2のコア層18は、X軸方向において互いに離間して配置されている。Y軸方向に直交する第1メサ導波路M1の断面において、光のスポットS1は、第1半導体層16、コア層18及び第3半導体層20にわたって形成される。Y軸方向に直交する第2メサ導波路M2の断面において、光のスポットS2は、第1半導体層16、コア層18及び第3半導体層20にわたって形成される。
図3に示されるように、分離部M1s及び分離部M2sにおいて、半導体層14、第1半導体層16、コア層18、第2半導体層26及び半導体層28は、基板12の主面12a上に順に設けられ得る。第2半導体層26は上部クラッド層を構成する。
基板12は、例えば半絶縁性半導体基板である。基板12は、絶縁性ドーパントがドープされたIII-V族化合物半導体を含む。基板12は、例えば鉄(Fe)がドープされたInPを含む。基板12のドーパント濃度は、1×1017cm-3以上1×1018cm-3以下であり得る。
半導体層14は、図2及び図3に示されるように、コア層18と基板12との間に位置する第1部分14aと、第1部分14aの両側に位置する一対の第2部分14bとを備える。第1部分14a及び一対の第2部分14bは、Y軸方向に延在している。したがって、半導体層14の幅(X軸方向の長さ)は、コア層18の幅よりも大きくなっている。第1メサ導波路M1の半導体層14と第2メサ導波路M2の半導体層14とは、互いに接続されている。本実施形態において、第1メサ導波路M1の半導体層14と第2メサ導波路M2の半導体層14とは、互いに接続されて単一の半導体層を形成している。半導体層14は、一対の第2部分14bを備えなくてもよい。この場合、基板12と半導体層14との間に設けられた半導体層又は導電層によって、第1メサ導波路M1の半導体層14と第2メサ導波路M2の半導体層14とを互いに電気的に接続できる。
半導体層14は、p型ドーパントがドープされたIII-V族化合物半導体を含む。半導体層14は、例えば亜鉛(Zn)がドープされたInGaAs又はInPを含む。半導体層14は、第1半導体層16のドーパント濃度よりも大きいドーパント濃度を有する。半導体層14のドーパント濃度は、第1半導体層16のドーパント濃度の10倍以上であり得る。半導体層14のドーパント濃度は、5×1018cm-3以上又は1×1019cm-3以上であり得る。半導体層14の厚みT1は、例えば0.5μm以上2.0μm以下である。
第1半導体層16は、コア層18と半導体層14との間に位置する第1部分16aと、第1部分16aの両側に位置する一対の第2部分16bとを備える。第1部分16aの厚みは、第2部分16bの厚みよりも大きい。第1部分16a及び一対の第2部分16bは、Y軸方向に延在している。したがって、第1半導体層16の幅は、コア層18の幅よりも大きくなっている。第1メサ導波路M1の第1半導体層16と第2メサ導波路M2の第1半導体層16とは、互いに接続されている。本実施形態において、第1メサ導波路M1の第1半導体層16と第2メサ導波路M2の第1半導体層16とは、互いに接続されて単一の半導体層を形成している。第1半導体層16は、一対の第2部分16bを備えなくてもよい。
第1半導体層16は、p型ドーパントがドープされたIII-V族化合物半導体を含む。第1半導体層16は、半導体層14の半導体材料とは異なる半導体材料を含み得る。第1半導体層16は、例えばZnがドープされたInPを含む。第1半導体層16のドーパント濃度は、1×1017cm-3以上2×1018cm-3以下であり得る。第1半導体層16の厚みT2(第1部分16aの厚み)は、半導体層14の厚みT1より大きくてもよく、例えば1.0μm以上3.0μm以下である。
コア層18は、i型の半導体層すなわちアンドープ半導体層である。コア層18は、多重量子井戸構造を有し得る。コア層18は、例えばAlGaInAs系のIII-V族化合物半導体を含む。コア層18の幅は例えば1.5μm以下である。コア層18中のp型ドーパント濃度は、例えば1×1016cm-3以下である。
第3半導体層20は、n型ドーパントがドープされたIII-V族化合物半導体を含む。第3半導体層20は、例えばSiがドープされたInPを含む。第3半導体層20のドーパント濃度は、1×1017cm-3以上2×1018cm-3以下であり得る。第3半導体層20の厚みは、例えば1.0μm以上3.0μm以下である。
半導体層22は、n型ドーパントがドープされたIII-V族化合物半導体を含む。半導体層22は、第3半導体層20の半導体材料とは異なる半導体材料を含み得る。半導体層22は、例えばSiがドープされたInGaAs又はInPを含む。半導体層22は、第3半導体層20のドーパント濃度よりも大きいドーパント濃度を有する。半導体層22のドーパント濃度は、1×1018cm-3以上又は1×1019cm-3以上であり得る。半導体層22の厚みは、例えば0.1μm以上0.5μm以下である。
第2半導体層26は、p型ドーパントがドープされたIII-V族化合物半導体を含む。第2半導体層26は、第1半導体層16の半導体材料と同じ半導体材料を含み得る。第2半導体層26は、例えばZnがドープされたInPを含む。第2半導体層26は、第1半導体層16のドーパント濃度よりも小さいドーパント濃度を有する。第2半導体層26のドーパント濃度は、5×1016cm-3以上5×1017cm-3以下、又は5×1016cm-3以上1×1017cm-3以下であり得る。第2半導体層26の厚みは、第1半導体層16の厚みT2より小さくてもよく、例えば1.0μm以上3.0μm以下である。
半導体層28は、p型ドーパントがドープされたIII-V族化合物半導体を含む。半導体層28は、第2半導体層26の半導体材料とは異なる半導体材料を含み得る。半導体層28は、例えばZnがドープされたInGaAs又はInPを含む。半導体層28は、第1半導体層16のドーパント濃度よりも小さいドーパント濃度を有する。半導体層28のドーパント濃度は、5×1016cm-3以上5×1017cm-3以下、又は5×1016cm-3以上1×1017cm-3以下であり得る。半導体層28の厚みは、例えば10nm以上100nm以下である。
電極E1は、第1メサ導波路M1の半導体層22に接続される。電極E1は、第1メサ導波路M1の半導体層22にオーミック接触する。電極E1は、配線E1aに接続される。同様に、電極E2は、第2メサ導波路M2の半導体層22に接続される。電極E2は、第2メサ導波路M2の半導体層22にオーミック接触する。電極E2は、配線E2aに接続される。電極E1及び電極E2のそれぞれは、例えばNi層、Ge層及びAu層を含む。更なる電極が半導体層14に接続されてもよい。
基板12の主面12a、第1メサ導波路M1の側面及び第2メサ導波路M2の側面上には、例えば無機材料を含む絶縁膜30が設けられ得る。第1メサ導波路M1及び第2メサ導波路M2を埋め込むように、絶縁膜30上に埋込領域32が設けられ得る。埋込領域32は例えば樹脂を含む。絶縁膜30は、埋込領域32上に設けられ得る。
本実施形態の光変調器10では、駆動回路DRにより電極E1及び電極E2に交流電圧が印加される。例えば第1メサ導波路M1に電圧が印加されることによって、第1メサ導波路M1のコア層18を伝搬する光の強度又は位相が調整される。同様に、第2メサ導波路M2に電圧が印加されることによって、第2メサ導波路M2のコア層18を伝搬する光の強度又は位相が調整される。
本実施形態の光変調器10によれば、第2半導体層26中のp型ドーパントと第1半導体層16中のp型ドーパントとが相互拡散し難い。そのため、第1半導体層16及び第2半導体層26中のp型ドーパントがコア層18に向かって拡散することを抑制できる。よって、コア層18のp型ドーパント濃度を低くできる。
図4に示されるように、Y軸方向における第3半導体層20の長さL20が電極E1からコア層18に向かうに連れて短くなるように接合面JNが傾斜し得る。この場合、Y軸方向において接合面JNからp型の第2半導体層26内に延びる電界リークが発生しても、Y軸方向において電界が広がる領域を小さくできる。よって、コア層18において電圧が印加される領域のY軸方向における長さを小さくできる。
第2半導体層26のp型ドーパントが1×1016cm-3以上の濃度を有する場合、Y軸方向において接合面JNからp型の第2半導体層26内に延びる電界リーク長さを小さくできる。第2半導体層26のp型ドーパントが1×1017cm-3以下の濃度を有する場合、第2半導体層26において、自由キャリア吸収による光損失を低減できる。
以下、光変調器10の評価のために行った種々の実験について説明する。以下に説明する実験は、本開示を限定するものではない。
(第1実験)
第1実験の光変調器は、図1から図4に示される構造を有する。具体的には、第1実験の光変調器は以下の構造を有する。
基板12:FeがドープされたInP基板(Fe濃度1×1017cm-3以上1×1018cm-3以下)、
半導体層14:p-InGaAsコンタクト層。ZnがドープされたInGaAs層(厚み1.1μm、Zn濃度2×1019cm-3)、
第1半導体層16:p-InP下部クラッド層。ZnがドープされたInP層(第1部分16aの厚み1.5μm、第2部分16bの厚み1μm、Zn濃度5×1017cm-3以上2×1018cm-3以下)、
コア層18:i-コア層。AlGaInAs/AlInAsの多重量子井戸(厚み0.5μm、幅1.5μm、第1メサ導波路M1のコア層18と第2メサ導波路M2のコア層18と間の距離15μm)、
第3半導体層20:SiがドープされたInP層(Si濃度5×1017cm-3以上2×1018cm-3以下)、
半導体層22:SiがドープされたInGaAs層(Si濃度1×1019cm-3以上)、
第2半導体層26:p-InP上部クラッド層。ZnがドープされたInP層(厚み1.2μm、Zn濃度1×1017cm-3以上5×1017cm-3以下)、
半導体層28:p-InGaAs層。ZnがドープされたInGaAs層(厚み50nm、Zn濃度1×1017cm-3以上5×1017cm-3以下)。
第1実験の光変調器は、図1から図4に示される構造を有する。具体的には、第1実験の光変調器は以下の構造を有する。
基板12:FeがドープされたInP基板(Fe濃度1×1017cm-3以上1×1018cm-3以下)、
半導体層14:p-InGaAsコンタクト層。ZnがドープされたInGaAs層(厚み1.1μm、Zn濃度2×1019cm-3)、
第1半導体層16:p-InP下部クラッド層。ZnがドープされたInP層(第1部分16aの厚み1.5μm、第2部分16bの厚み1μm、Zn濃度5×1017cm-3以上2×1018cm-3以下)、
コア層18:i-コア層。AlGaInAs/AlInAsの多重量子井戸(厚み0.5μm、幅1.5μm、第1メサ導波路M1のコア層18と第2メサ導波路M2のコア層18と間の距離15μm)、
第3半導体層20:SiがドープされたInP層(Si濃度5×1017cm-3以上2×1018cm-3以下)、
半導体層22:SiがドープされたInGaAs層(Si濃度1×1019cm-3以上)、
第2半導体層26:p-InP上部クラッド層。ZnがドープされたInP層(厚み1.2μm、Zn濃度1×1017cm-3以上5×1017cm-3以下)、
半導体層28:p-InGaAs層。ZnがドープされたInGaAs層(厚み50nm、Zn濃度1×1017cm-3以上5×1017cm-3以下)。
第1実験の光変調器についてSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)測定を行った。結果を図5に示す。
図5は、第1実験における深さとドーパント濃度との関係を示すグラフである。グラフ中、縦軸はドーパント濃度を示す。ドーパント濃度はZn濃度である。横軸は、InP基板の主面に直交する方向における深さを示す。深さが0となる位置は、p-InGaAs層の上面である。グラフには、Zn濃度のプロファイルP1ZNが示される。i-コア層において、Zn濃度は1×1016cm-3以下と小さかった。図5のグラフから、p-InP下部クラッド層中のZn及びp-InP上部クラッド層中のZnがi-コア層中に拡散していないことが分かる。
(第2実験)
第2実験の光変調器は、p-InP上部クラッド層及びp-InGaAs層に代えてそれぞれSI(Semi-Insulating:半絶縁性の)-InP上部クラッド層及びSI-InGaAsP層を備えること以外は第1実験の光変調器と同じ構造を有する。SI-InP上部クラッド層及びSI-InGaAsP層のそれぞれは、ドーパントとしてFeを含む。
第2実験の光変調器は、p-InP上部クラッド層及びp-InGaAs層に代えてそれぞれSI(Semi-Insulating:半絶縁性の)-InP上部クラッド層及びSI-InGaAsP層を備えること以外は第1実験の光変調器と同じ構造を有する。SI-InP上部クラッド層及びSI-InGaAsP層のそれぞれは、ドーパントとしてFeを含む。
第2実験の光変調器についてSIMS測定を行った。結果を図6に示す。
図6は、第2実験における深さとドーパント濃度との関係を示すグラフである。グラフ中、縦軸はドーパント濃度を示す。ドーパント濃度はZn濃度又はFe濃度である。横軸は、InP基板の主面に直交する方向における深さを示す。深さが0となる位置は、SI-InGaAsP層の上面である。グラフには、Zn濃度のプロファイルP2ZNと、Fe濃度のプロファイルP2FEとが示される。コア層において、Zn濃度は1×1016cm-3よりも大きかった。図6のグラフから、p-InP下部クラッド層中のZnがi-コア層中に拡散し、SI-InP上部クラッド層中のFeがp-InP下部クラッド層中に拡散していることが分かる。
(第3実験)
第3実験では、図4の第2半導体層26及び第2半導体層26の両側に位置する一対の第3半導体層20を含む領域に対応するモデル構造について、シミュレーションにより電界強度分布を算出した。結果を図7に示す。
第3実験では、図4の第2半導体層26及び第2半導体層26の両側に位置する一対の第3半導体層20を含む領域に対応するモデル構造について、シミュレーションにより電界強度分布を算出した。結果を図7に示す。
図7は、導波方向の位置と電界強度との関係の例を示すグラフである。グラフ中、縦軸は電界強度を示す。横軸は導波方向(Y軸方向)の位置を示す。モデル構造は、導波方向においてそれぞれ1μmの長さを有する一対のn-InP層と、導波方向において5μmの長さを有するp-InP層とを有する。各n-InP層のSi濃度は2×1018cm-3である。p-InP層のアクセプタ濃度(Zn濃度)は、1×1014cm-3、1×1015cm-3又は1×1016cm-3である。各n-InP層とp-InP層との接合面は導波方向に対して直交している。
グラフ中、プロファイルC14は、アクセプタ濃度が1×1014cm-3である場合のp-InP層中の電界強度分布を示す。プロファイルC15は、アクセプタ濃度が1×1015cm-3である場合のp-InP層中の電界強度分布を示す。プロファイルC16は、アクセプタ濃度が1×1016cm-3である場合のp-InP層中の電界強度分布を示す。電界リーク長さL15は、アクセプタ濃度が1×1015cm-3である場合に、電界強度のピークに対して1%以上の電界強度を有する領域の導波方向における長さを示す。電界リーク長さL16は、アクセプタ濃度が1×1016cm-3である場合に、電界強度のピークに対して1%以上の電界強度を有する領域の導波方向における長さを示す。図7のグラフから、アクセプタ濃度が高くなると電界リーク長さが短くなることが分かる。
図8は、アクセプタ濃度と電界リーク長さとの関係の例を示すグラフである。グラフ中、縦軸は電界リーク長さを示す。横軸はアクセプタ濃度を示す。電界リーク長さL15は3μm程度である。電界リーク長さL16は1μm程度である。図8のグラフから、アクセプタ濃度が高くなると電界リーク長さが線形的に短くなることが分かる。アクセプタ濃度が1×1016cm-3以上であると、電界リーク長さが1μm以下と小さくなる。
以下、図9から図15を参照して第1実施形態に係る光変調器の製造方法について説明する。光変調器10は、以下のようにして製造され得る。
(半導体積層体を形成)
まず、図9及び図10に示されるように、基板12上に半導体積層体SLを形成する。半導体積層体SLは、基板12上に設けられたp型の第1半導体層16と、第1半導体層16上に設けられたコア層18と、コア層18上に設けられたp型(第1導電型)の第2半導体層26とを含む。半導体積層体SLは、基板12と第1半導体層16との間に配置された半導体層14を含み得る。半導体積層体SLは、第2半導体層26上に設けられたp型の半導体層28を含み得る。各層は、例えば有機金属気相成長法(OMVPE:Organometallic Vapor Phase Epitaxy)により形成される。
まず、図9及び図10に示されるように、基板12上に半導体積層体SLを形成する。半導体積層体SLは、基板12上に設けられたp型の第1半導体層16と、第1半導体層16上に設けられたコア層18と、コア層18上に設けられたp型(第1導電型)の第2半導体層26とを含む。半導体積層体SLは、基板12と第1半導体層16との間に配置された半導体層14を含み得る。半導体積層体SLは、第2半導体層26上に設けられたp型の半導体層28を含み得る。各層は、例えば有機金属気相成長法(OMVPE:Organometallic Vapor Phase Epitaxy)により形成される。
次に、半導体積層体SL上にマスクMK1を形成する。本実施形態では、複数のマスクMK1が、X軸方向に延在しており、Y軸方向において互いに離間して配置される。マスクMK1は、例えばフォトリソグラフィー及びエッチングにより形成され得る。
(第2半導体層をウェットエッチング)
次に、図11及び図12に示されるように、第2半導体層26をウェットエッチングすることによって、第2半導体層26に凹部RSを形成する。半導体層28もウェットエッチングされ得る。ウェットエッチングは、マスクMK1を用いて行われる。エッチャントの例は、塩酸及び過酸化水素を含む水溶液を含む。Y軸方向における凹部RSの長さLRSは、凹部RSの上端RS1から下端RS2に向かうに連れて小さくなっている。すなわち、凹部RSの側壁は順テーパ形状を有する。
次に、図11及び図12に示されるように、第2半導体層26をウェットエッチングすることによって、第2半導体層26に凹部RSを形成する。半導体層28もウェットエッチングされ得る。ウェットエッチングは、マスクMK1を用いて行われる。エッチャントの例は、塩酸及び過酸化水素を含む水溶液を含む。Y軸方向における凹部RSの長さLRSは、凹部RSの上端RS1から下端RS2に向かうに連れて小さくなっている。すなわち、凹部RSの側壁は順テーパ形状を有する。
(第3半導体層を形成)
次に、図11及び図12に示されるように、凹部RS内にn型(第1導電型とは反対の第2導電型)の第3半導体層20を形成する。その後、第3半導体層20上に半導体層22が形成され得る。各層は、例えば、マスクMK1を用いて有機金属気相成長法により形成される。各層は、選択成長によりマスクMK1上に形成されなくてもよい。
次に、図11及び図12に示されるように、凹部RS内にn型(第1導電型とは反対の第2導電型)の第3半導体層20を形成する。その後、第3半導体層20上に半導体層22が形成され得る。各層は、例えば、マスクMK1を用いて有機金属気相成長法により形成される。各層は、選択成長によりマスクMK1上に形成されなくてもよい。
Y軸方向における第3半導体層20の上面の長さL20Uは、Y軸方向における第2半導体層26の上面の長さL26Uよりも長くてもよい。この場合、第3半導体層20の上面の平坦性を高くできる。
(第1メサ導波路及び第2メサ導波路を形成)
次に、図13から図15に示されるように、第2半導体層26、第3半導体層20、コア層18及び第1半導体層16をエッチングすることによって、第1メサ導波路M1及び第2メサ導波路M2を形成する。半導体層22及び半導体層28もエッチングされ得る。第1メサ導波路M1及び第2メサ導波路M2は、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより形成され得る。まず、図13及び図14に示されるように、マスクMK2を用いて、第2半導体層26、半導体層28、第3半導体層20、半導体層22、コア層18及び第1半導体層16をエッチングする。第1半導体層16は部分的にエッチングされる。本実施形態では、一対のマスクMK2が、Y軸方向に延在しており、X軸方向において互いに離間して配置される。次に、図15に示されるように、Y軸方向に延在するマスクMK3を用いて、第1半導体層16及び半導体層14をエッチングする。X軸方向におけるマスクMK3の幅は、X軸方向におけるマスクMK2の幅よりも大きい。これにより、第1メサ導波路M1及び第2メサ導波路M2が形成される。
次に、図13から図15に示されるように、第2半導体層26、第3半導体層20、コア層18及び第1半導体層16をエッチングすることによって、第1メサ導波路M1及び第2メサ導波路M2を形成する。半導体層22及び半導体層28もエッチングされ得る。第1メサ導波路M1及び第2メサ導波路M2は、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより形成され得る。まず、図13及び図14に示されるように、マスクMK2を用いて、第2半導体層26、半導体層28、第3半導体層20、半導体層22、コア層18及び第1半導体層16をエッチングする。第1半導体層16は部分的にエッチングされる。本実施形態では、一対のマスクMK2が、Y軸方向に延在しており、X軸方向において互いに離間して配置される。次に、図15に示されるように、Y軸方向に延在するマスクMK3を用いて、第1半導体層16及び半導体層14をエッチングする。X軸方向におけるマスクMK3の幅は、X軸方向におけるマスクMK2の幅よりも大きい。これにより、第1メサ導波路M1及び第2メサ導波路M2が形成される。
次に、図2及び図3に示されるように、第1メサ導波路M1及び第2メサ導波路M2を覆うように絶縁膜30を形成する。その後、絶縁膜30上に樹脂を塗布することによって埋込領域32を形成する。その後、埋込領域32上に絶縁膜30を形成する。
(電極を形成)
次に、図2及び図4に示されるように、第1メサ導波路M1上に電極E1を形成する。電極E1は、n型の第3半導体層20上に形成され、p型の第2半導体層26上には形成されない。電極E1は、半導体層22上に形成され得る。同様に、図2に示されるように、第2メサ導波路M2上に電極E2を形成する。電極E2は、n型の第3半導体層20上に形成され、p型の第2半導体層26上には形成されない。電極E2は、半導体層22上に形成され得る。
次に、図2及び図4に示されるように、第1メサ導波路M1上に電極E1を形成する。電極E1は、n型の第3半導体層20上に形成され、p型の第2半導体層26上には形成されない。電極E1は、半導体層22上に形成され得る。同様に、図2に示されるように、第2メサ導波路M2上に電極E2を形成する。電極E2は、n型の第3半導体層20上に形成され、p型の第2半導体層26上には形成されない。電極E2は、半導体層22上に形成され得る。
次に、電極E1及び電極E2上にそれぞれ配線E1a及び配線E2aを形成する。同時に、配線E1b、配線E2b、電極パッドEP1及び電極パッドEP2も形成される。配線及び電極パッドは、例えばフォトリソグラフィー、ドライエッチング、蒸着及びリフトオフにより形成され得る。
上記製造方法において、第2半導体層26と第3半導体層20との形成順序を逆にしてもよい。この場合、半導体積層体を形成する工程において、半導体積層体SLは、コア層18上に設けられたn型(第1導電型)の第3半導体層20(第2半導体層)を含む。第2半導体層をウェットエッチングする工程では、第3半導体層20をウェットエッチングすることによって、第3半導体層20に凹部を形成する。第3半導体層を形成する工程では、凹部内にp型(第2導電型)の第2半導体層26を形成する。この場合、図4に示される接合面JNは、Y軸方向における第3半導体層20の長さL20が電極E1からコア層18に向かうに連れて長くなるように傾斜する。
(第2実施形態)
図16は、第2実施形態に係る光変調器の一部を模式的に示す断面図である。図16に示される光変調器は、エッチングストップ層50を更に備えること以外は第1実施形態の光変調器10と同じ構成を備える。
図16は、第2実施形態に係る光変調器の一部を模式的に示す断面図である。図16に示される光変調器は、エッチングストップ層50を更に備えること以外は第1実施形態の光変調器10と同じ構成を備える。
エッチングストップ層50は、第2半導体層26をウェットエッチングする時にエッチングストップ層として機能し得る。エッチングストップ層50は、例えばInGaAsP等のIII-V族化合物半導体を含む。
本実施形態では、第1実施形態と同様の作用効果が得られる。エッチングストップ層50によって、第2半導体層26又は第3半導体層20をウェットエッチングする際に、コア層18がエッチングされることを抑制できる。
以上、本開示の好適な実施形態について詳細に説明されたが、本開示は上記実施形態に限定されない。各実施形態の各構成要素は、任意に組み合わされてもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
10…光変調器
12…基板
12a…主面
14…半導体層
14a…第1部分
14b…第2部分
16…第1半導体層
16a…第1部分
16b…第2部分
18…コア層
20…第3半導体層
22…半導体層
26…第2半導体層
28…半導体層
30…絶縁膜
32…埋込領域
50…エッチングストップ層
AM1…第1アーム導波路
AM2…第2アーム導波路
C1…光分波器
C2…光合波器
C14…プロファイル
C15…プロファイル
C16…プロファイル
DR…駆動回路
E1…電極
E1a…配線
E1b…配線
E2…電極
E2a…配線
E2b…配線
EP1…電極パッド
EP2…電極パッド
GND…接地電位
JN…接合面
M1…第1メサ導波路
M1b…曲がり導波路
M1m…変調部
M1s…分離部
M2…第2メサ導波路
M2b…曲がり導波路
M2m…変調部
M2s…分離部
MK1…マスク
MK2…マスク
MK3…マスク
P1…入力ポート
P1ZN…プロファイル
P2…出力ポート
P2FE…プロファイル
P2ZN…プロファイル
PW…交流電源
R1…抵抗
R2…抵抗
RS…凹部
RS1…上端
RS2…下端
RT1…終端抵抗
RT2…終端抵抗
S1…スポット
S2…スポット
SL…半導体積層体
W1…入力導波路
W2…出力導波路
12…基板
12a…主面
14…半導体層
14a…第1部分
14b…第2部分
16…第1半導体層
16a…第1部分
16b…第2部分
18…コア層
20…第3半導体層
22…半導体層
26…第2半導体層
28…半導体層
30…絶縁膜
32…埋込領域
50…エッチングストップ層
AM1…第1アーム導波路
AM2…第2アーム導波路
C1…光分波器
C2…光合波器
C14…プロファイル
C15…プロファイル
C16…プロファイル
DR…駆動回路
E1…電極
E1a…配線
E1b…配線
E2…電極
E2a…配線
E2b…配線
EP1…電極パッド
EP2…電極パッド
GND…接地電位
JN…接合面
M1…第1メサ導波路
M1b…曲がり導波路
M1m…変調部
M1s…分離部
M2…第2メサ導波路
M2b…曲がり導波路
M2m…変調部
M2s…分離部
MK1…マスク
MK2…マスク
MK3…マスク
P1…入力ポート
P1ZN…プロファイル
P2…出力ポート
P2FE…プロファイル
P2ZN…プロファイル
PW…交流電源
R1…抵抗
R2…抵抗
RS…凹部
RS1…上端
RS2…下端
RT1…終端抵抗
RT2…終端抵抗
S1…スポット
S2…スポット
SL…半導体積層体
W1…入力導波路
W2…出力導波路
Claims (7)
- 第1方向に延在する第1メサ導波路と、
第2メサ導波路と、
を備え、
前記第1メサ導波路は、基板上に設けられたp型の第1半導体層と、前記第1半導体層上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられたp型の第2半導体層と、前記コア層上に設けられたn型の第3半導体層とを備え、
前記第2半導体層及び前記第3半導体層は、前記第1方向において互いに隣接して配置されており、
前記第3半導体層上には電極が設けられており、
前記第2半導体層と前記第3半導体層との間の接合面は、前記第1方向に直交する面に対して傾斜している、光変調器。 - 前記接合面は、前記第1方向における前記第3半導体層の長さが前記電極から前記コア層に向かうに連れて短くなるように傾斜している、請求項1に記載の光変調器。
- 前記第2半導体層のp型ドーパントは、1×1016cm-3以上の濃度を有する、請求項1又は請求項2に記載の光変調器。
- 前記第2半導体層のp型ドーパントは、1×1017cm-3以下の濃度を有する、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の光変調器。
- 第1方向に延在する第1メサ導波路と、第2メサ導波路とを備える光変調器の製造方法であって、
基板上に半導体積層体を形成する工程であり、前記半導体積層体は、前記基板上に設けられたp型の第1半導体層と、前記第1半導体層上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられた第1導電型の第2半導体層とを含む、工程と、
前記第2半導体層をウェットエッチングすることによって、前記第2半導体層に凹部を形成する工程であり、前記第1方向における前記凹部の長さが、前記凹部の上端から下端に向かうに連れて小さくなっている、工程と、
前記凹部内に第2導電型の第3半導体層を形成する工程と、
前記第2半導体層、前記第3半導体層、前記コア層及び前記第1半導体層をエッチングすることによって、前記第1メサ導波路及び前記第2メサ導波路を形成する工程と、
前記第1メサ導波路上に電極を形成する工程であり、前記電極は、前記第2半導体層及び前記第3半導体層のうちn型の層上に形成される、工程と、
を含む、光変調器の製造方法。 - 前記第3半導体層が前記n型の層である、請求項5に記載の光変調器の製造方法。
- 前記第3半導体層を形成する工程では、前記第1方向における前記第3半導体層の上面の長さが、前記第1方向における前記第2半導体層の上面の長さよりも長い、請求項5又は請求項6に記載の光変調器の製造方法。
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2021
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2022
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