JP2023035532A - 半導体光変調素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高速光変調動作が可能な半導体光変調素子を提供する。【解決手段】光導波路に導波する光の屈折率を変調する屈折率変調領域を有する半導体光変調素子であって、半導体結晶基板１０の（１００）面と等価な基板面上に、上層から基板面に向かって、第１のｎ型クラッド層、ノンドープクラッド・コア層、第２のｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層、および第３のｎ型クラッド層が積層されている。【選択図】図３

Description

本発明は、光通信システムに適用される高速の光変調器として機能する半導体光変調素子に関する。

光通信容量の増大に伴い、光通信システムに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、光通信システムにおける重要な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。近年、さらなる小型・低消費電力化を実現すべく、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を材料とする光変調器から、ＩｎＰをはじめとする化合物半導体材料の光変調器が注目を集めている。

化合物半導体光変調器を動作させるため、光を閉じ込めるコア層をノンドープ層として、ｐ型及びｎ型のクラッド層で挟み、逆バイアス電圧を印加させることにより、光と電気の強い相互作用を利用する。ｐ型半導体は、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が小さいと、コンタクト抵抗の増大により帯域劣化を招くという課題があった。

そこで、化合物半導体光変調器の素子構造として、ｎ－ｐ－ｉ－ｎ構造、またはｎ－ｉ－ｐ－ｎ構造（例えば、特許文献１参照）が提案されてきた。ｐ型半導体のドーピング層を、ｎ型半導体のドーピング層に置き換えることにより、広帯域特性と低駆動電圧特性の両立を図っている。

特許第６４５８１４３号公報 特開２０１８－６５９０号公報

Y. Ogiso et al., "80－GHz Bandwidth and 1.5－Ｖ Ｖπ InP－Based IQ Modulator", Journal of Lightwave Technology Volume: 38, Issue: 2, Jan.15, 15 2020.

上述したｎ－ｉ－ｐ－ｎ構造など、クラッドの大部分をｎドーピング層で構成した場合においても、逆バイアス電圧印加時に耐圧（電流ブロック）が確保されるように、僅かながらｐドーピング層を挿入する必要がある。ｐドーピング層に用いるドーパントは、ＩｎＰ基板上に積層された半導体デバイスの場合、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃなどが用いられている。特に、量産製造に適したＭＯＶＰＥ法による結晶成長においては、その殆どがＺｎをドーパントに用いている。しかしながら、Ｚｎドーパントは、拡散係数が非常に大きいことでも知られており、レーザダイオード、光変調器などのデバイス設計において、如何にＺｎ拡散を抑制するかが重要な課題としても挙げられている（例えば、特許文献２参照）。

図１に、従来のｎ－ｉ－ｐ－ｎ構造の光変調器における電圧印加時のバンドダイヤグラムを示し、図２に、電界強度分布を示す。それぞれ印加電圧を変えたときの、ハンド端エネルギーと電界強度の変化を示す模式図である。光変調器においては、図１に示すように、ＭＱＷ（多重量子井戸）領域を含むノンドープ層にＺｎが拡散することにより、逆バイアス電圧印加時にノンドープ層内の一部でホール濃度が上昇し、ＭＱＷ領域で電界降下が生じない現象が起こる。すなわち、図２に示すように、ノンドープ層のＰ層側の電界強度が弱くなってしまう。ＭＱＷ領域は、バイアス電圧を高めることで徐々に空乏化していくが、所望の空乏層厚を得るためのバイアス電圧は、Ｚｎ拡散が無い場合と比べて高くなってしまう。

ここで問題となるのは、ＭＱＷ領域で電圧降下が起こらない分、基板側のノンドープ領域で大きな電界降下を起こしている点である。ＩｎＰからなる光変調器は、高い電気光学変調作用を得るために、ＭＱＷ構造による量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）などを用いている。ＱＣＳＥ効果は、電界強度に応じて材料屈折率変化の他、光吸収特性も変化する。すなわち、高周波特性を担保させるために必要な空乏層厚を得る電圧値は、Ｚｎ拡散によって高くなる一方で、Ｚｎ拡散が及んでいない領域では想定以上に電界が印加されることになる。従って、Ｚｎ拡散が及んでいない領域にＭＱＷ構造があった場合には、想定以上に光吸収が増大してしまう。

これは、高周波特性と光学特性の両立を妨げる問題であり、ノンドープ層へのＺｎ拡散を抑制しなければシグナル対雑音（ＳＮ）比の観点から、光変調器の実システムへの導入が困難になる。なお、ＭＱＷ構造を、積層構造中の相対的な高さをノンドープ層の中でｐ層側にシフトさせることにより、より高い電界強度をＭＱＷ領域に印加させることを回避することもできる。しかしながら、ＭＱＷ領域をｐ層側に近づけたことによる光学吸収が増大するため、却ってデバイス特性を劣化させてしまう。

Ｚｎ拡散を抑制する方法としては、例えばＩｎＧａＡｓＰなど固溶限界濃度の高い材料を挿入するなどの手法が採られてきた。１Ｅ＋１６ｃｍ^-3以下の濃度までＺｎ拡散を抑制しようとする場合には、ｐドーピング層の濃度が高い場合などは、この方法だけでは不十分な場合がある。

本発明の目的は、Ｚｎ拡散が抑制された層構造を有し、高速光変調動作が可能な半導体光変調素子を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、光導波路に導波する光の屈折率を変調する屈折率変調領域を有する半導体光変調素子であって、半導体結晶基板１０の（１００）面と等価な基板面上に、上層から基板面に向かって、第１のｎ型クラッド層、ノンドープクラッド・コア層、第２のｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層、および第３のｎ型クラッド層が積層されていることを特徴とする。

本発明によれば、ｐ型クラッド層の挿入により、Ｚｎ拡散を抑制し、逆バイアス電圧印加時のノンドープ層全体の効率的な空乏化と、光吸収を抑制した位相変調作用の両立によって高速光変調動作を実現することができる。

従来のｎ－ｉ－ｐ－ｎ構造の光変調器における電圧印加時のバンドダイヤグラムを示す図である。 従来のｎ－ｉ－ｐ－ｎ構造の光変調器における電圧印加時の電界強度分布を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる半導体光変調素子の層構造を示す図である。 本実施形態の半導体光変調素子における電圧印加時のバンドダイヤグラムを示す図である。 本実施形態の半導体光変調素子における電圧印加時の電界強度分布を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる半導体光変調素子を示す平面図である。 本実施形態の半導体光変調素子の屈折率変調領域（Ａ－Ａ’）の断面図である。 本実施形態の半導体光変調素子の入出力領域（Ｂ－Ｂ’）の断面図である。

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。Ｚｎ拡散が抑制される場合として、ｐｎ接合間では内部電界によって、Ｚｎがｐ層側からｎ層側にほとんど拡散しないことが知られている。そのため、高濃度のｐ層とｎ層とを積層することにより、リーク電流を遮断させるｐｎ埋め込み型レーザダイオードが知られている。そこで、この原理を応用して、新たにｎ－ｉ－ｎ－ｐ－ｎ型ヘテロ構造を有する半導体光変調素子を提供する。この構造は、所謂ｎｐｎサイリスタ構造を、変調領域の一部に組み込んだ構成となる。

従来、ＩｎＰからなる半導体光素子は、キャリアの再結合などを利用したアクティブ素子など、フォトキャリアなどを含むキャリアの振る舞いを活用する素子がほとんどである。従って、電界印加領域にキャリアがトラップされる恐れのあるヘテロ接合、またはｐｎ接合を含む構造は、レーザダイオード、電界吸収型光変調器などのキャリア注入またはフォトキャリアの生成を取り扱う素子にのみ採用されていた。

一方、光吸収が非常に少ない領域で、かつＭＱＷ領域付近の電界強度の振る舞いのみに注目すればよい位相変調器においては、ｐｎ接合の性質を最大限に活かすことができる。すなわち、キャリアブロックによる電界印加作用の他、Ｚｎ拡散ブロック層としても機能させることができる。これにより、ノンドープ層へのｐ型ドーパントの拡散を抑制し、ノンドープ層に均一な電界を印加させることができる。結果として、逆バイアス電圧印加時のノンドープ層全体の効率的な空乏化と、光吸収を抑制した位相変調作用の両立によって高速光変調動作を実現することができる。

図３に、本発明の一実施形態にかかる半導体光変調素子の層構造を示す。本実施形態の半導体光変調素子は、ｎ－ｉ－ｎ－ｐ－ｎ型ヘテロ構造を有し、半導体結晶基板１０上に積層されている。上層から順に第１のｎ型クラッド層１６、ノンドープクラッド・コア層１５、第２のｎ型クラッド層１４、ｐ型クラッド層１３、第３のｎ型クラッド層１２、第２のｎ型コンタクト層１１、である。ノンドープクラッド・コア層１５は、ノンドープクラッド層５１，５３に挿入されたＭＱＷ領域となるノンドープコア層５２からなる。なお、第２のｎ型コンタクト層１１と第３のｎ型クラッド層１２の積層順は、本実施形態の有用性に影響を与えない。

ノンドープコア層５２の積層構造中の相対的な中心位置は、ノンドープクラッド・コア層１５全体の中心位置よりも、第１のｎ型クラッド層１６側にシフトさせている。以下に説明するように、本実施形態の層構造によれば、ＭＱＷ領域となるノンドープコア層５２に高い電界が印加されることはないので、ＭＱＷ領域をｐ型クラッド層１３とは反対側にシフトさせることにより、光学吸収を抑制することができる。

図４に、本実施形態の半導体光変調素子における電圧印加時のバンドダイヤグラムを示し、図５に、電界強度分布を示す。それぞれ印加電圧を変えたときの、ハンド端エネルギーと電界強度の変化を示す模式図である。図５に示すように、無バイアス（０Ｖ印加）時は、ＭＱＷ領域からなるノンドープコア層５２に、ビルトイン電圧が印加されない。すなわち、不要な電界が導波路コアに印加されるのを抑制することにより、ＭＱＷにおけるバンド端光吸収の影響を最小限に抑えることができる。従って、半導体光変調素子における光伝搬損失を低減することができる。

Ｚｎの拡散が抑制され、ノンドープクラッド・コア層１５中の濃度上昇が抑えられることにより、図５に示すように、逆バイアス電圧印加時にあっては、ノンドープクラッド・コア層１５により均一な電界が印加される。これにより、ＭＱＷ領域に集中的に高い電界が印加されることはなくなり、ＱＣＳＥに起因する光吸収を低減させるとともに、所望の空乏層厚を得ることができる。

また、Ｚｎの拡散により、ノンドープ層の一部がｐ層に置き換わることにより、実効的なｐ層の厚さが増えることになる。これは、電気回路上、ある厚さを有する高抵抗体が挿入されたことと等価であり、高周波線路として電気損失を増大させる主要因となる。Ｚｎの拡散を抑制することにより、高抵抗体を考慮することなく広帯域な高周波回路設計が可能となる。

次に、半導体光変調素子の具体例について説明する。

図６に、本発明の一実施形態にかかる半導体光変調素子を示す。半導体光変調素子は、マッハ・ツェンダ型の光変調器であり、光導波路３１に形成された光分波器と光合波器との間を、２本のアーム導波路３１ａ，３１ｂが接続している。アーム導波路３１ａ，３１ｂには、容量装荷型電極構造が形成され、電気信号の印加によりコア層に二次の電気光学効果を引き起こし、コア層の屈折率を変調する屈折率変調領域となる。容量装荷型電極構造は、信号電極１８と接地電極１９とからなり、一端に信号源３３が接続され、他端に終端抵抗３４が接続されている。

図７に、本実施形態の半導体光変調素子の屈折率変調領域（Ａ－Ａ’）の断面を示す。閃亜鉛鉱形半絶縁性の半導体結晶基板１０の（１００）面と等価な基板面上に、第２のｎ型コンタクト層１１、第３のｎ型クラッド層１２、ｐ型クラッド層１３、第２のｎ型クラッド層１４、ノンドープクラッド・コア層１５、第１のｎ型クラッド層１６を順次積層する。ドライエッチング及びウェットエッチング加工を用いて、アーム導波路３１ａ，３１ｂが形成される領域を分離し、変調に寄与しない領域を除去する。また、光学損失低減の観点から、除去された箇所は、半絶縁性ＩｎＰの埋込層２０によって埋め戻す。

さらに、第１のｎ型クラッド層１６に対して［０１１］面方向と等価な方向に、アーム導波路３１ａ，３１ｂの形状のエッチングを施すことにより、逆メサ方向にリッジ形状に形成されたクラッドが光変調導波路となる。第１のｎ型クラッド層１６の上面に第１のｎ型コンタクト層１７を介して信号電極１８と接地電極１９とを形成する。信号電極１８と接地電極１９とは、コプレーナ・ストリップ線路の構造を有する進行波電極である。

例えば、第２のｎ型コンタクト層１１はキャリア濃度が５Ｅ＋１８ｃｍ^-3のＩｎＧａＡｓとし、第３のｎ型クラッド層１２および第１のｎ型クラッド層１６はキャリア濃度が１Ｅ＋１８ｃｍ^-3のＩｎＰとする。また、ｐ型クラッド層１３のキャリア濃度は、光吸収係数及び電気抵抗率から鑑みて５Ｅ＋１７～１Ｅ＋１８ｃｍ^-3とし、電子キャリアブロックの効果を高めるためにバンドギャップがＩｎＰよりも大きい、例えばＩｎＡｌＡｓなどを採用した。

第２のｎ型クラッド層１４は、濃度が濃い場合、層厚が厚い場合にはサイリスタ構造によってコア層への効率的な電界印加の妨げになるため、Ｚｎ拡散を抑制する最低限度の濃度及び厚さを設定する必要がある。具体的には、濃度が１Ｅ＋１７ｃｍ^-3の場合には最大層厚が５０ｎｍ、濃度が２Ｅ＋１８ｃｍ^-3の場合には最大層厚はおよそ２０ｎｍと見積もられる。本実施形態では、濃度１Ｅ＋１８ｃｍ^-3、層厚２０ｎｍに設定したＩｎＧａＡｓＰとした。

結晶成長は有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）により、半絶縁性ＩｎＰ（１００）基板１０上に堆積した。ノンドープコア層５２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、かつ光吸収が問題にならない範囲で決定する。例えば、通信波長帯の１．５５μｍ帯の場合には、ノンドープコア層５２の発光波長を１．４μｍ程度とする。ノンドープコア層５２は、高効率変調の観点から望ましくはＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの多重量子井戸構造で形成させる。なお、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰなどの多重構造としても、本実施形態における有用性が失われない。また、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組成を用いてもよい。

その後、［０１１］面方向と等価な方向に形成されたＳｉＯ₂からなるアーム導波路のパターンを形成し、ドライエッチング及びウェットエッチング加工を用いて、リッジ形状の光導波路を形成する。

絶縁膜としてベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を塗布して導波路の凹凸を平坦化し、第１のｎ型コンタクト層１７のＢＣＢを除去した後に、容量装荷型電極構造を金メッキ法により形成する。なお、ＢＣＢ以外にも絶縁性の低屈折率材料であるポリイミド等を用いても問題はない。

図８に、本実施形態の半導体光変調素子の入出力領域（Ｂ－Ｂ’）の断面を示す。第３のｎ型クラッド層１２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行い、第２のｎ型コンタクト層１１の一部を露出させ、ＤＣバイアス電極３２を形成する。

作製した半導体光素子を光変調器として駆動させるためには、ｐｎ接合（ｐ型クラッド層１３と第２のｎ型クラッド層１４との間）に逆方向電界が印加されるように、ＤＣバイアス電極３２に所定のバイアスを印加し、信号源３３から高周波信号を信号電極１８に給電する。なお、本実施形態では、信号源３３から単相信号を給電し、光変調器として駆動させているが、低消費電力化の観点から、各々の電極を終端抵抗で終端して差動信号を給電してもよい。

１０ 半導体結晶基板
１１ 第２のｎ型コンタクト層
１２ 第３のｎ型クラッド層
１３ ｐ型クラッド層
１４ 第２のｎ型クラッド層
１５ ノンドープクラッド・コア層
１６ 第１のｎ型クラッド層
１７ 第１のｎ型コンタクト層
１８ 信号電極
１９ 接地電極
２０ 埋込層
３１ 光導波路
３１ａ，３１ｂ アーム導波路
３２ ＤＣバイアス電極
３３ 信号源
３４ 終端抵抗
５１，５３ ノンドープクラッド層
５２ ノンドープコア層

Claims (6)

1. 光導波路に導波する光の屈折率を変調する屈折率変調領域を有する半導体光変調素子であって、
   半導体結晶基板１０の（１００）面と等価な基板面上に、上層から基板面に向かって、第１のｎ型クラッド層、ノンドープクラッド・コア層、第２のｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層、および第３のｎ型クラッド層が積層されていることを特徴とする半導体光変調素子。
2. 第２のｎ型クラッド層は、ｎ型のドーピング濃度が１Ｅ＋１７ｃｍ^-3以上２Ｅ＋１８ｃｍ^-3以下の範囲であり、層厚が２０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下の範囲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。
3. 前記ノンドープクラッド・コア層は、ノンドープクラッド層に挿入されたノンドープコア層からなり、前記ノンドープコア層の積層構造中の相対的な中心位置は、前記ノンドープクラッド・コア層全体の中心位置よりも、上方に位置し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。
4. 前記第１のｎ型クラッド層と前記第３のｎ型クラッド層のそれぞれにコンタクト層を介して電極が形成され、ｐｎ接合に逆方向電界を印加することを特徴とする請求項１、２または３に記載の半導体光変調素子。
5. 前記光導波路に形成された光分波器と光合波器との間を、２本のアーム導波路により接続し、前記アーム導波路に容量装荷型電極構造が形成されたマッハ・ツェンダ型の光変調器を構成することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に半導体光変調素子。
6. 前記第１のｎ型クラッド層は、［０１１］面方向と等価な方向に、前記アーム導波路の形状にエッチングが施されることによって、逆メサ方向にリッジ形状となるように形成されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体光変調素子。

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