JP2662059B2

JP2662059B2 - 光電スイッチ素子を有する集積半導体装置

Info

Publication number: JP2662059B2
Application number: JP1302261A
Authority: JP
Inventors: アルバッファマンフレッド; ラエツフューベルト
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1988-11-25
Filing date: 1989-11-22
Publication date: 1997-10-08
Anticipated expiration: 2012-10-08
Also published as: JPH02184825A; DE68914790D1; DE68914790T2; EP0370577A1; US5058972A; EP0370577B1

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は、少くとも１個の光電スイッチ素子を含んで
なる集積半導体装置であって、該光電スイッチ素子が、少くとも１つのIII−Ｖ材料
の層のヘテロ構造を有し、かつ光閉じ込め材料の基板Ｓ
と、光ガイド層CG及びガイドストリップRBを有する光
ガイドを有してなり、さらに・光信号導入用の少なくとも１つの直線の入力光ガイド
G1と、・入力光ガイドG1の延長上に位置する直線の第１出力光
ガイドＧ′１と、・該第１出力光ガイドＧ′１に結合され、これに対し所
定の２θの角度をなし、いわゆるスイッチ領域を囲む如
くなっている直線の第２出力光ガイドＧ′２とを有し、
また前記光電スイッチ素子は前記スイッチ領域内に、光
信号を第２出力光ガイドＧ′２に向けて反射させる手段
を具え、・光ガイド層の両側にこれと合体するように設けられた
第１導電型の第１層または下側層C1と、反対導電型の第
２層または上側層C2とによって形成されるpn接合と、を有してなる集積半導体装置に関するものである。

本発明は、Ｎ個の光ガイドをＮ個の光ガイドにスイッ
チするスイッチングマトッリクスの形成に用いられ、
とくに光電気通信システム用に使用される。

さらに本発明は、これらの素子によって構成されたス
イッチングマトリックスに関するものであり、またか
かるマトリックスを有する半導体装置の製造方法にも関
する。

従来技術この種スイッチ素子は特開昭63−254,423号によって
開示されていて既知である。この公知例は、電荷キャリ
ヤ注入型の数種のスイッチ素子を開示している。本発明
の第１実施例に相当するＸ形のものは同公報中、第10図
に示されている。このスイッチング素子は、所定の角度
で交差する２つの直線光導波路を有しており、これらの
光導波路は少くとも１つのIII−Ｖ材料のヘテロ構造を
もって形成されている。これらの光導波路は閉じ込め層
と、導光層と、ガイドストリップを有している。交差
領域にはpn接合が形成されていて、上側のｐ型層４は、
交差角を２分する縦面に対し非対称に配置されている。

クラッド層と基板とで形成される下側のｎ型層は装置
の全面積を占めるように拡がっている。ｎ型の電極は、
基板のスイッチ素子を設ける表面と反対側のこれと対向
する面に設けられている。ｐ型の電極は、ｐ型層の上側
にこれに一致するように配置されている。

本引例の第２実施例は同公報中第11図に示されてい
る。この例はＸ形素子でなく、Ｙ形スイッチ素子である
が、第10図のものと同じ堆積層を有している。

本公知例における何れの実施例も、導光層とｐ型層の
間に追加の補助層を設けており、この補助層は、導光ス
トリップを形成するエッチング工程の間、エッチング阻
止層として作用させている。本公報に示された何れの例
においても、上側のｐ型構造を有する層の長さ方向寸法
が、交差領域の当該個所の寸法を大幅に超過しているも
のはない。

また上述のスイッチ素子は米国特許第4,784,451号に
よっても既知である。この公知文献は、電荷キャリヤ注
入型の各種スイッチング素子について発表しており、電
流制限構造を設けることにより動作特性を改善してい
る。このようなスイッチング素子は、互に所定の角度を
なす２つの導波（wave guide）部分を有している。これ
らの光ガイド（導波部分）は基板上に集積化して設けら
れ、より大なる禁止帯幅とより低い（小さな）屈折率を
有する２つの閉じ込め層の間の光ガイド層により形成さ
れる。閉じ込め層の１つはガイド層とは反対の導電型と
し、ガイド層との間にpn接合を形成する。一方Znイオン
を、これら閉じ込め層のそれぞれにインプランテーショ
ンで導入し、電流制限構造を形成する。この構造は、ガ
イド層内の領域を限定し、この領域内では電荷キャリヤ
の注入によって屈折率（インデックス）を変化させる。

公知例の１実施例では、スイッチング素子は、上側か
ら見たとき、Ｙ形をしている。直線状の光ガイドに沿っ
てpn接合が形成され、その一端に入力が形成され、受動
モードではその他端に出力が形成される。この素子が能
動モードのときは、Ｙ形の第２辺に出力が生ずる。後者
のモードの場合、ガイド層の領域内の屈折率（インデッ
クス）を変化させることによって直線ガイドの入力とさ
れる端部に入射する光は、Ｙ形の第２辺（ブランチ）に
向って反射される。

スイッチング動作を制御する電極の１つは、Ｙ形の表
面で非対称に配置されており、その１縁部は２つの出力
辺の角の２分割線と一致整合するように位置する。この
電極は、光ガイドの幅を超えては突出していない。

電流制限構造は、基板の上側部分に２つの領域をイン
プランテーションで設け、これらは上側電極の横幅にほ
ぼ等しい距離だけ互に離隔させ、さらに上側電極のほぼ
下側に位置する領域の上側閉じ込め層内にインプランテ
ーションで設けた層を有する。下側電極は基板の反対側
表面上に配置する。ガイド層と上側各層を含む基板表面
にメサが形成されるので光はガイドされる。

上述の米国特許の他の実施例では、スイッチング素子
はＸ形状を有する。上側電極は、Ｘの各辺の小交差角の
２分割線に平行に配置されている。この場合、基板の表
面には、光ガイド層の導電性と反対の導電性を有する層
を設け、この光ガイド層は上側電極と同じ軸に沿って配
置される。すなわちＸ形辺の交差角の２分割線に平行に
配置される。この層は基板の上側で１つのレベルを有し
ているので、上側電極と反対の導電性の電極はこの層の
各端部に配置される。Znイオンのインプランテーション
による領域を上側電極のほぼ下側に、上側閉じ込め層内
に設ける。上側電極はpn接合の対角線よりも短い長さを
有する。この電極はＸ形素子上に対称に配置され、その
横方向寸法も無視できない。この場合、電流制限構造の
下側部分は、基板内へのＺイオンのインプランテーショ
ンによる領域を含んで居らず、この基板は両端に電極を
設けてある第１導電性の条片が存するので半絶縁性であ
る。

この構造は、pn接合による電荷キャリヤの注入に基づ
く屈折率の変化領域で形成される反射面が、すべての入
射光ビームを受けて、これらを反射するように充分大き
い寸法とならないという重要な欠点を有している。この
ためスイッチ素子は、とくに能動（活性）モードにおい
て、スイッチング素子の中央領域の各端部で散乱波によ
る漏洩が生ずる。

さらに電流制限構造の各領域は、Znイオンの２レベル
のインプランテーションによって形成されるため、ごく
大ざっぱにしか整合させられないという欠点がある。こ
の方法によるときは、上側レベルの第２領域の縁部を整
合、すなわち位置合せすることが極めて困難である。従
って反射構造は極く概略の位置にしか配置できない。

本発明の用途に関する既知のスイッチグ素子の欠点
は、これらが単（モノ）モード素子でないことである。
とくにこれらの素子の寸法を、入力光ガイド内で単モー
ド伝搬を得るように配置したとしても、Ｘ形の上側電極
の配置によって複雑なモードの励起が生ずる。実際上反
射表面は、交差各の２分割軸線と一致せず、これは反射
に対し光学的な不利益を与える。また能動モードではこ
れによる損失も生ずる。

また一面においては、既知の装置の光ガイドは、２個
の閉じ込め層のメサ内に配置されたガイド層より構成さ
れる。かかる構造は壁を通ずる側方拡散による損失を生
じ、これはかなり大きな値である。

またｎ型の基板を用いると電流制限構造の製造に不利
となるのみでなく、例えば電界効果トランジスタ（FE
T）の如き他の能動集積素子を光電装置と同時に製造す
る上で欠点となる。

従って既知の装置は、能動モードと受動モードの双方
に好都合となるようにしたものに過ぎない。

電気通信の応用分野においては、1.3μｍまたは1.55
μｍの波長で動作し、単モード信号を伝搬し、多数のス
イッチング素子を有するスイッチングマトリックスを
実現する必要がある。このため単一スイッチング素子で
は小さいと考えられる損失も、使用する全マトリックス
に対しては重大なものとなる。

発明の目的本発明の目的は、通過モード、すなわちpn接合が受動
状態のとき、及びスイッチングモード、すなわちpn接
合が能動状態で損失が減少し、このため出力パワーがで
きるだけ入力パワーに近くなるような特性状態の双方に
おいて、不使用の出力路の減衰（残留パワー）では少く
とも30dBであり、平衡出力を得ることができ、全マトリ
ックス用とて極めて重要な特性を得るようその特性を改
良したスイッチング素子を提供することにある。

このため本発明は、純粋単モードスイッチング素子
で、電荷キャリヤの注入により得るpn接合への電流密度
の印加によって真に急峻な屈折率の減少を接合領域に生
じ、これにより極めて局部的な反射面が形成され、pn接
合が占める領域と対向する領域で隣接光ガイドと直線上
の光ガイド内にビームの全内部反射を生ぜしめうるスイ
ッチグ素子を得ることを目的とする。

本発明の他の目的は、他の集積回路素子と同時に製造
できるスイッチグ素子を得るにあり、この素子の基板は
半絶縁性で、かつ真正に単モードであり、寸法が小さ
く、従って小面積のスイッチングマトリックスの構成
が可能であり、とくに高密度集積化が可能で、かつ簡単
に製造でき、従って安価なスイッチング素子を得ること
をその目的の１つとする。

発明の目的達成のための手段上述の本発明の目的は、本明細書の初めに述べたよう
なスイッチ素子を有する集積半導体装置において、・前記第２層または上側層C2は、出力光ガイドＧ′1,
G′２のなす角２θの２分割面YY′の長さ方向に対して
非対称に、第１出力光ガイドＧ′１を含む該面によって
規定される領域の半分に亘って延長されており、さらに
この上側層C2は前記２分割面YY′に一致する縁部BB′を
有し、かつその縁部BB′の大きさは、長さ方向におい
て、スイッチ領域の寸法より遥に大とし、スイッチ領域
の両側を超えてほぼ対称に突出して延長されており、・pn接合の第１層の下側層C1も、前記２分割面YY′に対
して非対称の層であり、その縁部BB′は、第２層の上側
層C2の縁部BB′と一致しており、この第１層の下側層C1
は上側の第２層の上側層C2の下側に、少なくとも第２層
の表面積とほぼ等しい表面積をもって延長されている特
徴によって達成される。

発明の効果このような条件とすると交差領域の両端における散乱
による損失を回避することができる。

またかかる条件とすると、電流制限構造は上述の公知
文献記載のものよりもより高度な特性を有することとな
る。しかもpn接合による反射面は交差角の対称面に厳密
に一致するように配置してあるため、単に一度の反射で
内部全反射を生ずる理想的な光学的位置に反射面が位置
する。

他の実施例では、pn接合による反射面は２分割面より
側方に変位している。さらに本発明装置は、半絶縁性基
板を用いるため、他の装置と同時に製造することができ
る。

さらに本発明の実施例では、光ガイド層C_Gの第２ヘテ
ロ構造と、光閉じ込め材料の上側層を有する。

この実施例は、pn接合が受動（パッシブ）状態の通過
モードにおけるスイッチング素子と、各スイッチング素
子を他の素子と結合して全体のマトリックスを構成する
各光ガイドの部分の両者内の損失を減少させることがで
きる。

また他の実施例では、ガイドストリップをヘテロ構
造の上側に立上らせるように配設する。

かく構成すると、幅が狭く、従って厳格な意味での単
モード光ガイドと、極めて正確に局部的に位置決めされ
た反射面が得られ、さらにpn接合が能動または受動状態
の場合、何れの出力光ガイドにも等価の伝送係数を得る
ことができる。

また、本発明の好適実施例では、基板及び上側閉じ込
め層をInPで形成し、光ガイド層を、 Ga_xIn_1-xAs_yP_1-y で構成し、ここで、ｙ0.5 ｘ＝0.435yで、さらにａ４μｍ（ガイド層の厚さ） e_G＝0.4μｍ（光ガイドのガイドストリップの横寸
法）２θ４゜（交差角） e₃0.5−0.60μｍ（上側閉じ込め層のストリップの外
側の厚さ）Ｈ＝ｈ＋e₃１μｍ（ガイドストリップRB近くの領域
内の閉じ込め材料の厚さ）とする。

このような条件とするとき、これらの値は、能動モー
ドでも受動モードでも最適値であることが判った。能動
モードと受動モードでの双方において、光ビームは２つ
の出力ガイドに分布することをしない。従ってこのスイ
ッチング素子は何れの動作モードでも真に最適値を有す
る。

発明の好適実施例の説明以下図面を参照して本発明の好適実施例を説明する。

（実施例…Ｉ）第1a図及び第1b図は本発明による光スイッチング素子
の１例を上側より見た略平面図である。この例では、ス
イッチング素子はＸ形状をしている。この素子は基板Ｓ
上に集積されて設けられた２個の光ガイドG₁及びG₂を有
している。

これらの各光ガイドG₁及びG₂は横幅方向寸法ａを有し
ており、小さな角度２θをもって互に交差している。こ
こにおいて、「小さな角度」とは、値が10゜以下の角度
を意味するものである。この交差角２θの構成は、第１
図にYY′で示した軌跡を有する２分割平面を生ずる。各
光ガイドの横幅方向寸法ａは、製造方法を簡単にするた
め、以下の説明において同一の値に選定したものとす
る。

本発明は、電気通信分野において、実用上の標準であ
る波長1.3μｍまたは1.55μｍを有する単モード光信号
を処理することをとくにその目的とする。

第1a図に上から見た平面図として示してある互に交差
している２つの直線光ガイドによるＸ形状のスイッチン
グ素子は、まず第１にスイッチ動作を行わしめる手段を
有している。

このスイッチ動作を行わせる手段は、交差角２θの２
分割面YY′に正確に一致するよう配置された反射面BB′
を形成することにより構成される。

２分割面によって限定される交差領域の２つの領域の
１つに屈折率の急激な変化を与えることにより上述の反
射面BB′が構成される。より正確には、屈折率を充分に
減少させ、反対側の領域より生じ、領域間の境界面（B
B′）に到来する光ビームに対し、この屈折率の差によ
って、入射角のものに内部全反射を生ずるようにすることにより反射
面BB′が構成される。

この屈折率の減少は、所定の選択領域内に形成された
pn接合によって、該領域内に電荷キャリヤを注入するこ
とにより得られる。

pn接合10すなわち、（C₂/C₁）を活性化（電圧を加え
ること、能動モードとも云う）すると、この接合のある
領域の反対側に位置する領域に配置された光ガイドG₁に
入射する光信号は、記号BB′で表わされる反射面によっ
て反射され、G₁の軸に対し２θの角度だけ方向を変えて
隣接の光ガイドG₂の延長G₂′を通って出射される。

pn接合10が非活性状態（受動モードとも称する）であ
ると、光ガイドG₁に入射した光信号は交差領域を通過し
て、光ガイドG₁の延長G₁′を通って出てゆく。

本発明における光ガイドG₁及びG₂の寸法は、入力信号
が単モードであるとき、その出力信号も単モードとなる
ようになっている。これは、本発明の対象とする素子は
拡幅領域を有して居らず、かかる個所での高次モードが
形成されないからである。

光ガイドG₁を、スイッチ可能の光信号を伝送するもの
に選択した場合には、光ガイドG₂はスイッチされない信
号のみを伝達しうる。すなわち光ガイドG₂は、交差領域
を超えてその延長G₂′へと伝達されてゆく信号のみを伝
送しうる。

以下に説明する如く、光ガイドの構造及びその構造の
種々のパラメータ（層の厚さ、光ガイドの横幅寸法、等
…）も本発明の目的を達成する上で極めて重要な役割を
果す。

第1a図の線II−II上の断面図である第2a図は、本発明
の目的を達成するに特に適した光ガイドの断面構造を示
すものである。本構造は閉じ込め材料の基板Ｓと、２で
示す材料の光ガイド層C₂を有している。基板Ｓと光ガイ
ド層C_Gの材料はヘテロ構造を形成するように選択すると
有利である。さらに各光ガイドは、光ガイド層C_Gの材料
２内に形成された、装置上の高さがｈで、横幅ａを有す
る矩形またはほぼ矩形の断面を有するガイドストリッ
プRBを有する。このガイドストリップの両端縁部は互
にほぼ平行であり、かつ基板に対しほぼ直角である。基
板に対する角度は製造方法によって定まる。

第1a図の線Ｉ−Ｉ上に切って見た第2b図の縦断面に示
される本発明の目的より見た光ガイド構造の好適実施例
では、閉じ込め（コンファインメント）材料の基板Ｓ
と、材料２の光ガイド層C_Gと上側閉じ込め層３とを有す
る。これらの基板Ｓと、光ガイド層C_Gと、閉じ込め層３
の構成材料はダブルヘテロ構造を形成するように選択
すると好都合である。さらに第2a図で説明したが、第2b
図の場合は、閉じ込め層３上にこれと同じ材料で構成さ
れるガイドストリップRBを各光ガイドに設ける。

本発明の用途に対しては、基板には二元III−Ｖ材
料、例えば燐化インジウム（InP）を選択し、光ガイド
層には次の如き組成を有する四元III−Ｖ材料を選択す
ると有利である。

Ga_xIn_1-xAs_yP_1-y ここにおいて、濃度ｘとｙとは、ｙの各値に対し次の
関係とする。

ｘ＝0.435y 禁止帯エネルギーに対応する波長は、ｙ0.5のと
き、1.22μｍである。

第2a図及び第2b図には、等エネルギー線をも示してあ
る。これは、ガイドストリップRBを設けてあるかかる
ヘテロ構造内にどのようにして光ビームが誘導されてゆ
くかを理解させるためのものである。光ビームの断面は
細長い形状であり、このビームはガイドストリップRB
によって画成される方向に伝搬し、かつほとんどが実質
的にガイドストリップ（層）内に留まっていることが
発見された。当業者によく知られているように、この現
象は、InP材料で基板Ｓを構成し、かつ本例の場合のよ
うに閉じ込め層３がGaInAsPの光ガイド層C_Gの屈折率よ
り小さな屈折率を有しており、またガイドストリップ
RBの両側に位置する光ガイド層C_Gの領域101及び102の屈
折率が、ガイドストリップRBの下側の光ガイド領域と
も称される領域100の屈折率よりも小であることによる
ものである。領域101,102と光ガイド領域100との間の屈
折率の差Δｎは、これらの領域の厚さによるものであ
り、領域101及び102が閉じ込め材料で形成されたと同じ
ような特性を呈する。このためこれらの領域を側方閉じ
込め領域とも称する。

ガイドストリップRBの高さｈ、その横幅ａ、上側閉
じ込め層（３）の厚さe₃、光ガイド層C_Gの厚さe_G、並び
にガイド層の組成を決定し、本発明装置が、その接合が
活性状態にある場合並びに非活性状態の場合の何れにお
いても最適の動作をするようにする条件に関する法則に
ついて以下に説明する。

実際上、装置が動作モード中において、pn接合は、完
全な反射表面を生ずるには不充分であるため、pn接合に
電流制限構造を付加する必要がある。本発明において
は、第1a図のＩ−Ｉ線上にとった断面図で第2b図のダブ
ルヘテロ構造に対応する第3a図に示す如くして、簡単
かつ効率良くこの構造を得る。このpn接合は、一方にお
いて、半絶縁性とした基板Ｓの上側部分に配置したｎ導
電型の材料１の層C₁を有し、さらに他方において、光ガ
イド層C_Gの上側に配置したかまたはこの層の近くに配置
した材料４のｐ導電型の層C₂を有する。

第1a図の上側から見た平面図に示すようにｐ導電型の
層C₂を矩形状とすると特に有利であり、その横幅寸法を
d₂とし、また長さ方向の寸法、すなわち２分割面YY′に
平行な方向の寸法をΔ′とする。

ｎ導電型層C₁は長さ方向寸法をほぼΔ′に等しくし、
横幅方向寸法d₁はd₁＞d₂とする。

これらの層C₁及びC₂は光ガイド層C_Gの互に対向する両
側に配置し、その長軸BB′が互に一致し、かつ角２θの
２分割面YY′と一致するようにする。

かくすると、このpn接合に電荷キャリヤを注入して直
流方向の電流密度の印加中に、光ガイド層C_G内の層C₁と
C₂の間に小さい屈折率を有するプレートが得られ、この
プレートはこれらの間に配置した反射面を形成し、かつ
前記２分割面に一致する。従って本発明によるときは極
めて極限された面による内部全反射が得られる。さらに
この反射面の位置が前記２分割面と一致することは光学
的に極めて有利である。

反射の間に散乱波がプレートより漏洩するのを避ける
ため、pn接合の横幅寸法を制限するｐ型導電層C₂の寸法
d₂を少くとも次の如くの値とする必要がある。

d₂＞３μｍとくにこの値を次の如く選択するを可とする。

d₂を６μｍ〜８μｍの桁とする。

以下に説明する製造方法によると、これらの層C₁及び
C₂を適当なイオンの局部的インプランテーションまたは
拡散により形成するのが有利である。すなわち、一方に
おいて層C₁に対しては、InPの基板表面上に、これを行
い、他方において層C₂に対しては交差領域の表面にこれ
を行う。

本発明において、第2a図に示す如く、光ガイドを少く
とも簡単なヘテロ構造として形成するときは、本発明装
置も同様にして製造することができる。

第1b図のII−II線上断面図である第2c図に示す如く、
光ガイド構造は第2b図に示したと同じ材料でダブルヘ
テロ構造として構成するのが有利であるが、この例では
ガイドストリップRBは基板Ｓに溝を形成し、この溝に
光ガイド層の材料２を充填することにより形成する。本
例では装置の表面は平坦となる。既に述べた如く、基板
の上側部分内の光ガイド材料の真下にｎ型導電層C₁を形
成し、またｐ型導電層C₂は上側閉じ込め層３内に形成
し、かつこの層が光ガイド層２の上側表面に到達するよ
うにする。各構成素子の寸法は、第2b図で説明したダブ
ルヘテロ構造のものと同一になしうるが、本例では、
上側閉じ込め層３の厚さを約2.5μｍとすると有利であ
る。しかし乍ら、この装置は平面状である利点を有して
いるが、いわゆる外部ストリップ型に比し、またとくに
外部ストリップ上側閉じ込め層付型に比し、生産性ある
いは不良品率（yield）の点でやや劣る。

本発明においては、pn接合の能動モード動作中、すな
わちスイッチモード動作中、従来のものでは交差領域
（第1b図参照）の各端部より散乱波が生じ、これが漏洩
するのを防止するため、pn接合の長さ方向寸法Δ′を、
交差領域の対角線AA′の寸法Δに比し大きく選択する。
さらにpn接合の端部Ｂ及びＢ′は交差領域中心Ｏに対し
長さ方向の２分割面YY′上で対称とする。

pn接合の長さ方向寸法Δ′をより大に選択するとき
は、交差角２θをより小に選択する。

一般的に交差角は次の如く選定する。

２゜＜２θ＜６゜これらの条件を考え次の如く選定する。

２θ２゜に対しΔ′600μｍ２θ４゜に対しΔ′400μｍ２θ６゜に対しΔ′300μｍ電荷キャリヤをpn接合に注入することによって得られ
る最大屈折率差は、 Δｎ８・10^-2 の桁である。この屈折率差は、入射角に対し、最小で、 π/2−θ の角を与える。従って最大でθの角を与える。この角は
可能ならば２゜を超えないようにするを要する。この角
が小なる程pn接合で形成される面による反射率が大とな
る。

しかし出力光ガイドが互に次の如く小さい角度を形成
するスイッチ素子を直接形成し、２θ≦４゜（θ≦２゜に対応）能動モードにおける反射率を改良しようとすると困難に
遭遇する。実際上受動モードにおいて、角２θが４゜よ
り小であると、入射ビームは入力光ガイドの延長上のみ
に伝搬するのでなく、２つの出力光ガイドに分散され、
かつ第２出力光ガイド内を伝搬するパワーが40％台の高
比率に達する。従ってモード変換により生ずる散乱（di
aphony）による損失がかなり大となる。

また一方において、極めて小なる角２θは、その形成
が非常に困難であり、また大寸法Δ′のpn接合を必要と
するという欠点があることも明らかである。

この角２θ４゜、及び寸法 Δ′400μｍに対しては、入力光ガイドの延長上において、スイッチ
状態で既に30dB以上の減衰が生じ、これは入力光の1/10
00を超えない部分しかこの通路に伝搬しないことを意味
する。

さらに動作中の装置の観測によると、点Ａ及びＡ′に
おける散乱（evanescent）による損失は完全に回避でき
ることが示されている。

数個のスイッチ素子によって、マトリックスを形成す
るに当っては、スイッチ素子の出力が平衡（バランス）
していること、すなわち能動（アクティブ）モード及び
受動（パッシブ）モードそれぞれにおいて入力ビームに
より出力通路に加えられる出力が互に相等しいことが極
めて重要である。これは一面において、能動モード及び
受動モードにおける通路の損失を極めて小とすること、
及び他の一面において、使用されていない通路における
減衰（extinction）を少くとも30dBとすることによって
達成される。

受動モードにおいて、ビームの分布の不利な効果は、
いくつかのパラメータに作意を加えること、とくに光ガ
イドの交差角２θを選択することにより最小となしう
る。従って本発明の目的の１つは、伝搬（通過）モード
において、入力光ガイドの延長上における伝達係数Ｔを
できるだけ１に近くし、かつ隣接の光ガイド内への伝達
係数をできるだけ０に近づけるような光スイッチ素子を
得ることにある。

伝搬モードにおける理想的動作条件は次の如くである
と考えられる。

P_T/P_IN１ P_R/P_IN０ここにおいて、 P_IN:は、入力光ガイドG₁に入射する光のパワー、 P_T:は、同じ光ガイドG₁の交差領域を超えた延長G₁′に
伝達される光のパワー、 P_R:は、受動モードで隣接光ガイドG₂に反射される光の
パワー、である。

本発明装置を導いた過程の観察によると、二重ヘテロ
構造の光ガイドを利用したときの方が常にやや良い効果
が得られることが判明している。従って以下に説明する
実施例は、このような二重ヘテロ構造の種々のパラメー
タによる本発明素子の特性に対する影響を示すように選
択してある。これらの各種パラメータとしては次の如き
ものがある。

・第2b図及びその説明に示されるような二重ヘテロ構造
の光ガイド構造、・交差角２θ、・上側閉じ込め層３の厚さe₃、・ガイドストリップRBの横幅ａ、・ガイドストリップRBが層３上に堆積されている高さ
（厚み）ｈ、・４元層の組成、すなわち、Asの濃度ｙ。

上述したうちの下の４つのパラメータ、すなわちe₃,W
_G,ｈ，ｙによって、第2b図の領域101,102と領域100との
間の厚さの差により生ずる指数（屈折率）の変化Δｎを
計算することができる。

第4a図の曲線は、交差角２θ２゜のとき、受動モー
ドにおいて、２つの出力通路における出力のパワーの入
力パワーに対する変化をΔｎの関数として示す図であ。

各曲線A₁,A₂,B₁,B₂は次の値を示す。

A₁:a＝４μｍに対するG₁′内のP_T/P_IN A₂:a＝５μｍに対するG₁′内のP_T/P_IN B₁:a＝４μｍに対するG₂′内のP_R/P_IN B₂:a＝５μｍに対するG₂′内のP_R/P_IN 第4b図の曲線は、２θ４゜におけるこれと対応する
変化を示す。

第4a図から、角度２θ４゜に対しては、受動モード
における最適動作条件は、極めて狭い幅の領域にしか得
られず、ここでΔｎ２・10^-3であり、かつ寸法ａ４
μｍ（曲線A₁及びB₁）の光ガイドに対してはやや有利な
結果、すなわち損失がやや少い（P_T/P_INが１に近く、P_R
/P_INが０に近い）ことを示している。

これに反し、ａ５μｍのとき、（第4a図の曲線A₂及
びB₂）は、P_T/P_IN＝１またはP_R/P_IN＝０は決して得られ
ないが、側方閉じ込め（コンファインメント）はその要
求の厳格さがやや少いことが示されている。

第4b図より、角度２θ４゜となると、受動モードに
おける最適動作条件、（P_T/P_IN１及びP_R/P_IN０）が、次の値に示されるような広い領域で得られ、 10^-3≦Δｎ≦10^-2 かつ寸法ａに関する条件がさほど厳しくなくなることが
示されている。実際上２θ４゜に対し、受動モードに
おける最適動作条件が次の範囲で得られる。

３μｍ≦ａ≦６μｍ第4c図の曲線は、領域101,102及び100の間の指標差Δ
ｎに対し、閉じ込め層３の厚さe₃が及ぼす影響を、Ｈの
各種値に対して示すものである。ここでＨ＝ｈ＋e₃ 第4c図の曲線においては、 C₁:H＝0.5μｍに対応 C₂:H＝1.0μｍに対応 C₃:H＝1.5μｍに対応であるが、この曲線より、最適値、 10^-3≦Δｎ≦10^-2 は、次の値でより有利に得られ、Ｈ1.0μｍ及び 0.25μｍ≦e₃≦0.65μｍこれよりガイドストリップRBの高さは、 0.35μｍ≦ｈ≦0.75μｍとなり、この結果は装置の他のパラメータ、例えば４元
層の砒素の濃度ｙ、及び動作波長λを次の値に固定した
ときに得られる。

ｙ0.5 λ1.55μｍ４元層の組成をこのような濃度値とすることは、本装
置を受動モードで最適動作条件とする上でも一部の作用
をする。第4d図は、寸法e₃に及ぼす濃度ｙ（等晶方系
（stoichiometry）を得るため、ｘは、ｘ＝0.435yに選
定する必要がある。）の影響を示すものであり、e₃は次
の条件を達成するように選択する必要がある。

動作波長λ1.55μｍにおいて、 Δｎ２・10^-3 同図中各曲線D₃,D₂,D₁は次の各波長に対するものであ
る。

D₃:H＝1.5μｍ D₂:H＝1.0μｍ D₁:H＝0.5μｍこれらの曲線は、受動モードにおいて、可能な最良の
結果を得るために、各パラメータｙ,e₃,H,ｈが如何なる
影響を生ずるかを当業者に判らせるように示したもので
あり、さらに、ａ,H及びｙを得るに用いられる技術上可
能なある範囲（latitude）を示すもので、従って本発明
装置の利用上の許容範囲をも示すものである。

従って、一般的に云って、能動モードと受動モードの
双方に対して良好な結果が得られる角度２θ４゜に選
択し、さらに装置の使用中における他のパラメータの偏
倚による誤差に関してある程度のマージンを残すことが
重要であることが判明した。

一方４元層内の単モード光信号の伝搬に対する計算に
よると、この層の最適厚さe_Gは、すでに選択されている
他のパラメータを考え次の値となる。

e_G0.4μｍ計算によって求められた本発明装置を実験的に使用し
たところ、シュミレーションによって得た結果と完全に
一致した。

本発明による装置の他の利点は、例えば電界効果トラ
ンジスタ（FET）、ダイオード等の他の能動素子をも装
着するに適している半絶縁性基板上に形成できるという
点である。さらに基板の片面上に電気的接点を形成する
こともできる。

第1a図のＩ−Ｉ線上の断面図である第3a図に示すよう
にスイッチ素子は、ｐ型の接点E₂を有しており、これに
よって層C₂に電荷キャリヤの注入を行い、また第５図の
III−IIIの線上断面図である第3b図に示す如く、ｎ型の
接点E₁を有しており、これにより層C₁より電荷キャリヤ
を抽出する。

上側より見た平面図である第5a図に示されているよう
に、接点E₂は、交差領域の対称横軸ZZ′に沿って配置さ
れたパッドまたはラインの形状にして配置し、交差領域
のｎ導電型層C₂に最大数の電荷キャリヤを注入しうるよ
うにするを可とする。

同じく第5a図に示されているように接点E₁は大きな表
面積を有する２個のパッドE₁′及びE₁″の形状として配
設し、かつその１つの縁部を、例えばD₁10μｍの如
く、できるだけ層C₂に接近させて配置すると好都合であ
る。これらのパッドE₁′及びE₁″は交差領域の横軸ZZ′
に対し対称に配置し、電荷キャリヤの抽出をその注入に
対し対称に行うようにするを可とする。

第3a図の断面図は、ｐ型の電気接点E₂をTiPtAu合金の
層５で形成し、これによって層C₂に対しオーム接触を構
成し、その上側に同じ合金の厚さの厚い層６を配置し、
これによって電気接続を行う構成を示すものであり、こ
の場合厚さの厚い層６はその一部を絶縁層７の上側に設
け、ここに電流供給線を配置しうるようする。

第3b図の断面図は、層C₁に対しオーム接触を形成する
AlGeNi合金の層８によって接点E₁′及びE₁″を構成する
状況を説明し、かつその上側にTiPtAuの合金の肉厚層９
を配置し、これらパッドをアースに接続しうるようにし
た状況を示すものである。接点E₁′及びE₁″を形成する
これらの層８及び９は、層C₁の上側表面を覆っている装
置の上側層内の開口内に形成することができる。これら
の接点を装置の他の部分より絶縁するための絶縁層７を
設ける。

上側より見た平面図である第5a図は、２個の光スイッ
チ素子を形成するための各素子の相互間の配置の１例を
も示している。図示の如く、第１の２個の光ガイドは入
力G₁₁及びG₁₂と出力G₁₁′及びG₁₂′を有し、これらは直
線上に配置され角２θで互に交差している。さらに第２
の２個の光ガイドは、入力G₂₁及びG₂₂と出力G₂₁′及びG
₂₂′を有し、同様に構成される。このようにグループに
分けられる２個の素子は、図示の例で交差角が２θ４
゜で、400μｍ×400μｍの表面積を占め、さらに電気供
給線の占有する面積を考慮に入れて考える必要がある。

既に述べた如く、本発明による光スイッチ素子は、Ｎ
個の光ガイドをＮ個の光ガイドにスイッチするマトリッ
クスを形成するためのものであり、信号を倍増させるた
めのものではない。

第5b図は上側よりの平面図で、本発明による光スイッ
チ素子を用い４個の光ガイドI₁,I₂,I₃,I₄を４個の光ガ
イドO₁,O₂,O₃,O₄にスイッチするスイッチマトリック
スを極めて簡略化して示すものである。この装置は、16
個の光スイッチ素子SW_ijを有する。また本装置は、約３
×1mm²の基板上に2.8mm×1.8mmの表面積を占める。

（実施例…II）本実施例は、Ｙ形状の光スイッチ素子について述べる
ものであり、第1c,1d,1e;2d,2e;3b,3d;4a〜4f図、及び
場合により第5a図を参照して説明する。

略平面図である第1c図に示すように、このＹ系光スイ
ッチ素子は、直線状の入力光ガイドG₁と、この光ガイド
G₁の直線延長上に配置されている第１出力光ガイドG₁′
と、第１光ガイド（G₁,G₁′）に対し、小さな角２θを
なす第２出力光ガイドG₂′とを有する。

全反射モードの動作を行わせるため、角２θの値は６
゜以下とする必要がある。この隣接交差角度２θに対し
て、第1c図に、Ｙ−Ｙ′で示す如くの２分割面が考えら
れる。製造方法の簡略化のため、以下の説明において
は、すべての光ガイドの横方向寸法を同一のものとす
る。

Ｙ形光スイッチング素子の目的は、実施例ＩのＸ形光
スイッチング素子と同様の機能を達成することである
が、この場合、完全に対称な他の型のマトリックスを形
成しうるようにした特性を付与することがその主眼であ
る。

Ｙ形の光スイッチング素子は、実施例ＩのＸ形光スイ
ッチング素子と全く同じくスイッチ動作を行わしめる手
段を有する。

これらの手段は、接合角２θの２分割面YY′に一致す
るように配置してあり、第1c図及び第1d図にBB′で示す
軌跡を有する反射面を形成する装置を有している。この
反射面は実施例Ｉと同じにして得られる。

pn接合10を活性化する、すなわちこれに電圧を加える
と、この接合と対向する側の領域に配置した光ガイドG₁
に入射する光信号は、記号BB′で示した反射面によって
反射され、光ガイドG₁の軸に対し角２θだけ方向が異っ
ている光ガイドG₂を通って離れてゆく。

pn接合10を活性化すると、光ガイドG₁を通じて入射し
た光は交差領域を超えて進行をつづけ、入力光ガイドG₁
の延長G₁′を通じて出てゆく。

第1c図のII−II線上断面図である第2d図に示すよう
に、本発明の目的を達成するための光ガイドの構造は、
第2a図に示す実施例Ｉのものと正確に同じである。しか
し本例の場合、各光ガイドは矩形の断面のガイドスト
リップRBを有しており、その横幅寸法はａである。従っ
てガイドストリップの縁部は互に平行であり、かつ基
板に対し垂直になっている。以下に説明するように実施
例IIにおいては、ガイドストリップの断面を矩形とす
るを要する。

第1c図のII−II線上断面図である第2e図に示す本発明
の好適実施例においては、良好な結果を得る光ガイドの
構造は、第2b図の実施例Ｉで述べたものと同じである
が、この場合、ダブルヘテロ構造となっている。

本発明の用途に対しては、実施例Ｉと同じ材料を選択
すると有利である。

既に述べた如く、pn接合のみでは能動モード動作中に
完全反射面を得るに充分ではない。従ってこのpn接合
に、電流制限構造を付加する必要がある。本実施例で
は、第1c図のＩ−Ｉ線上断面図である第3d図に示す如く
してこの構造を簡単かつ有効に構成しうる。第3d図は第
2e図のダブルヘテロ構造の光ガイド構造に対応する。
このpn接合は、一方において、ｎ型導電性の材料１を基
板Ｓの上側に配置した層C₁を有する。この場合、基板Ｓ
は半絶縁性に選択する。さらにこのpn接合は、他方にお
いて、光ガイド層C_Gの上側または、この層に隣接して配
置したｐ導電型の材料４の層C₂を有する。

各層の形状及び相互配置、pn接合の動作原理、並びに
その製造方法は実施例Ｉと同じである。第2d図の簡単な
ヘテロ構造によってＹ形素子を造ることも同じく可能で
ある。

第2d図及び第2e図の断面図に表わしてある等エネルギ
ー曲線は、横方向寸法のａのガイドストリップRB内を
伝搬する波がガイドストリップRBの両側より約１〜２
μｍづつ側方に突出することを示し、かつこの波の横寸
法W_Gは、 W_G＞ａの関係にあり、また W_G−ａ２〜４μｍであることを示している。第1d図を見ると、本発明によ
る反射面はBB′で示す座標を有し、この面は横方向寸法
W_Gを有する波を反射させるに絶対的に不可欠な反射面の
位置AA′の両側に充分に突出している。第1d図は、距離
W_Gだけ離れた両端部の光ビームを示している。

接合角２θ４゜の場合、第1d図に示す如く、軌跡B
B′を有する反射面は、入力光ガイドG₁の両側に寸法
d₀′40〜60μｍを有する突出領域Ｃ′Ｂ′及びCBを設
け、横方向寸法W_Gの空間内を誘導されてくる各波動モー
ドを、能動モードにおいて、光ガイドG₂′に確実に反射
されるようにする。（d₀は、突出領域Ｃ′Ｂ′及びCBの
光ガイドG₁,G₁′方向で見た寸法である。）全内部反射を有利な条件で行わしめるためには、交差
角を実施例Ｉと同じ基準で選定する必要があり、その理
由を第4a〜4d図により説明する。Ｙ形のとき、受動状態
で接合辺に光ビームが伝達する特性上、４゜の値が“ヒ
ンジ（hinge）”（折れ曲り部）となる値である。２゜
の台の角度では、入射ビームはＹ形の２つの辺に分布
し、また８゜台の角度では、入射ビームは入力光ガイド
の延長上に進行を続け、実際上隣接光ガイドが無いと同
じとなる。角度が大となるほど隣接光ガイドの損失は小
となる。例えば２個の光ガイドが互に８゜の角度で交差
しているものを使用すると、隣接光ガイドは直線の光ガ
イドに比し40dBの減衰を示す。すなわち交差中に僅か1/
10,000の光しか失わないことを示す。

交差角を４゜のような小角度に選定することは、交差
領域の横幅に一定の条件を加えることとなる。pn接合が
能動（活性化）状態のとき、入力光ガイドの延長上の減
衰をできるだけ大きくするためには、計算によると、入
力光ガイドの光学軸に沿ったpn接合の厚さd₀は少くとも
40μｍである必要がある。もしこれが達成されないと、
能動モードで形成される低屈折率のプレートに散乱波が
伝達することとなる。

交差角２θが４゜であり、すなわちθ２゜で、pn接
合の光学軸に沿う寸法d₀が60μｍであるとすると、pn接
合の寸法d₂は、実施例Ｉの場合と同じく３〜８μｍの桁
とするを要する。

Ｙ形スイッチング素子は、通過モード、すなわちpn接
合が受動状態のときの動作条件を理想的とする手段を具
えるを要する。

実施例Ｉに見られるように、次のときにこれらの条件
は理想的となる。

Ｔ１（減衰0dB）Ｒ０（減衰少くとも30dB）実施例Ｉの場合と同様に、上述の条件を達成するため
には次の各パラメータが選択される。

・光ガイドの構造を第2e図及びその説明の如くのダブル
ヘテロ構造とすること。

・交差角を２θとする。

・上側閉じ込め層の厚さe₃。

・ガイドストリップRBの横方向寸法ａ。

・ガイドストリップRBの層３上に設けられる高さｈ。

・４元層の組成、すなわちAsの濃度ｙ。

・領域101,102と領域100間の厚さの差Ｈ−e₃により生ず
る屈折率の変化ｎ。

しかしながら、本実施例のスイッチング素子が、２θ＝４゜であり、しかも、その機能は、 P_T/P_IN１ P_R/P_IN０（最大可能減衰で）を得るためのより最適条件を求めようとすると、受動モ
ードにおいて、交差領域内の閉じ込めの問題が生ずる。

本実施例では、第２出力光ガイドに平行の縁部を有す
る溝12を設けて、その一方の縁部を入力光ガイドG₁のガ
イドストリップRBの縁部と一致させ、かつこの溝12の
深さｈは、装置上に設けられたこのガイドストリップ
RBの高さに等しくし、さらにその横方向寸法d₃は、受動
モードにおける閉じ込めに充分であるが、能動モードに
おいて反射された光ビームの伝搬を阻害する程大きくは
しないようにして上述の問題を解決することう可とす
る。この横幅寸法d₃は、２μｍないし５μｍ程度の大き
さであり、とくに４μｍとするを可とする。

従ってこの溝12は、その断面を矩形とし、かつこれに
付随するガイドストリップも当然矩形形状とする必要
がある。この溝を、その位置並びに横幅寸法上極めて高
精度で設け、かつとくに垂直縁部を絶対的に精密に設け
ることについては、1988年６月24日出願のフランス国登
録特許番号88 08,504号に発表されていて既知である。

上述の特許に開示されている製造方法により得られる
小横幅寸法は、本発明の目的達成のためとくに適してお
り、これによるときは能動モードにおいて伝搬する光ビ
ームに妨害を及ぼさない。

すなわち、このように溝12を設けてある実施例IIのス
イッチング素子は、内部全反射を得るに有利な小角度θ
を得るための小交差角実現にとくに有利である。

第4e図は、第１光出力路内の伝達係数Ｔと、第２光出
力路内の反射係数Ｒの関係T/R（dB）をpn接合に注入さ
れる電流密度D_Iの関数として、示す図表である。本実施
例のスイッチング素子においては、次の条件、ａ５μｍ d₃４μｍ２θ４゜において、 D_I＝０の受信モードで、比T/R＝＋35dB が得られ、 D_I＝7.5kA/cm²の能動モードで、比T/R＝−35dB が得られた。

実際上本実施例の装置は、受動モードで極めて満足で
あり、またD_Iが7kA/cm²に達すると、能動モードでも極
めて満足に動作する。

第4f図の曲線は、能動モードにおいて、pn接合により
形成される反射面を通過するときの屈折率の差ｎをpn接
合に加えられる電流密度の関数として示すものである。

D_I7kA/cm² に対し、生ずる屈折率の差は、 Δｎ1.4・10^-2である。

しかし乍ら、光ガイド内での光の閉じ込めの程度が極
めて重要である。長さが短く制限されているスイッチ領
域ではさほどでもないが、１つの素子を他の素子に結合
するガイド部分は長さが長いので特に重要である。ガイ
ド部分の光の閉じ込め特性がプアー（不良）であると、
１つの素子の損失は大きくなる。マトリックスでは各素
子の損失が加算されるので、全体では損失が大きな値と
なり、有用なマトリックスが構成できなくなる。

従ってガイド構造は、実施例Ｉと同様に、第4a,4b,4
c,4d,4eに示された曲線に考慮を払いながら選択し、か
かるガイドの部分の損失を小さく抑える必要がある。

従って本発明によると、結合交差角を４゜台とするこ
とによる問題は、pn接合に印加する電流密度を最適値に
選択することと共に溝12を形成し、第4e図及び第4b図の
曲線を考慮に入れ、他のパラメータは実施例Ｉのものと
同じくすることにより、能動モード及び受動モードの双
方において解決できる。

本実施例は実施例Ｉと同じく、半絶縁性基板上に各素
子を形成できる。さらに電気点接点は、第5a図のIII−I
II線上断面図である第3b図に示す如く、かつ実施例Ｉで
述べた如く、ブランチG₁₂及びG₂₂を除いた他は第5a図の
平面図に見られるように基板の片面に形成される。

Ｙ形素子の各領域を形成する化合物及び材料も、実施
例Ｉの素子ｘで述べたものと同じで良い。

この実施例IIのＹ形スイッチング素子は、CL（第1e
図）で示される単位スイッチングセルと同種類同構造の
他の３つの素子をグループ化することが主な目的であ
る。

かかる単位セルは略平面図で第1e図に示してある。

この単位セルCLは２個の直線状平行ガイドを有してお
り、その第１のものは、互に直線上に配列された部分G
₁₁,G₁₁′,G₁₁″で構成され、第２のものは同じく互に直
線上に配列された部分G₂₁,G₂₁′,G₂₁″で構成される。
この単位セルCLはさらに２個のガイド部G₁₂′,G₂₂′と
を有しており、こられは互に４θの角度で交差し、かつ
前記の２個の平行ガイド２θの角度で接合する。最後に
このセルは４個のpn接合10a,10b,10c,10dを有してお
り、これらのpn接合のおのおのは、直線ガイドと角度θ
をなす全体で４個の交差領域を形成する。既に述べた溝
12に対応する溝12a,12b,12c,12dを単一セルを構成する
４個のスイッチング素子の交差領域に設け、本発明の目
的を達成する。

信号P_IN1がガイドG₁₁に注入された場合、pn接合10aが
活性化されているか否かに応じて光ビームは、ガイドG
₁₂′に反射されるか、または同じ進路を進行してゆきガ
イドG₁₁′及びG₁₁″に至るかの何れかとなる。pn接合10
aが活性されている場合、これと同時に接合10cも活性化
し、光ガイドG₁₂′を進行してゆくビームがpn接合10cに
より形成される反射面で反射されて光ガイドG₂₁″に伝
搬するようにする。従ってこの場合、G₁₁,G₁₁′,G₁₁″
で形成される第１直線光ガイドが、G₂₁,G₂₁′,G₂₁″で
形成される第２光ガイドにスイッチされたこととなる。

一方において、光ガイドG₂₁に入射する信号P_IN2は、
接合10d及び10bが活性化されているか否かによって、G
₂₂′へ出てゆくか、またはG₂₁の延長G₂₁″へ進行してゆ
く。

かかる形態の単位スイッチングセルCLは一方において
信号の多重化を許容し、また他方においては完全に対称
である。これは電気通信のある応用分野においてとくに
重要である。

第1e図に示す如くの単位セルCLは、Ｎ個の光ガイドに
対するＮ個の光ガイドへのスイッチマトリックスにグ
ループ化しうる。

Ｎ個の光ガイドのＮ個の光ガイドへのスイッチを行う
ためには、Ｎ（Ｎ−１）/2個の単位セルCLを第5c図に示
すように、平行な直線光ガイドの間に位置をずらして
（スタガード）配置する必要がある。

（製造方法…Ｉ）本製造方法は第3a,3b,3d及び5a図に示されている。以
下の実施例では、本発明によるスイッチング素子が、第
2b図または第2e図の何れかに示されているダブルヘテ
ロ構造を用いる技術によって製造されるものを示す。こ
の製造方法は、次の如くの連続工程ａ）〜ｉ）を具え
る。

ａ）燐化インジウムInPの基板Ｓの形成工程。この基
板は半絶縁性とし、液状エンカプシュレーションによ
り、ショコラルスキィ（Czochralski）法によって引抜
によって作ったInPのソリッドブロックを切断してウエ
ハ状とする。（第3aまたは3d図）ｂ）第３図及び第5a図にXBで示されるマスクを形成す
る工程。このマスクは、後に形成される層C₁の表面を限
定し、とくにその縁部BB′は、後に形成される交差領域
の対称面YY′に正確に一致するものとし、次でこのマス
クの開口内に、例えばSiイオンの如きイオンのインプラ
ンテーションを行い、基板の上側部分内にｎ型の層C₁を
形成する。この層C₁が厚さ約１μｍで全体が均一にイン
プランテーションされるようにするため、異なるエネル
ギーで２つの連続インプランテーションを行い、次で焼
鈍（アンニーリング）工程を行う。これにより約10¹⁸イ
オン/cm³にドープされ、かつ少くとも一方の縁部BB′が
正確にYY′面と一致するようにした垂直縁部を有する均
一層C₁が形成される。YY′面に平行な方向のこの層C₁の
寸法は、 Δ′＝400μｍとするを可とし、垂直方向（第3a,3d図）では、 d₁100μｍとするを可とする。

ｃ）なる可く液相エピタキシィ法によって、Ga_xIn_1-x
As_yP_1-yの層２を形成する。

ここで、ｙ0.5 ｘ0.435y この工程において、気相エピタキシィ（VPE）を行う
ときは、後に接点パッドE₁′及びE₁″を形成するための
開口を設けておく必要がある。この目的のために、例え
ばシリカの如き誘電性保護層をマスクXH（第5a図）の開
口内にデポジットさせる。VPE法においては、４元（qua
ternary）材料は誘電性材料上には生長しないので、将
来用いる開口表面はそのまま維持される。層２の厚さ
は、 e_G0.4μｍ（第3a,3d図）とするを可とする。

ｄ）層２の表面上に気相エピタキシィ（VPE）によっ
て形成するを可とするInPの層３を形成する。この層は
厚さＨを、Ｈ1.0μｍとするを可とする。

ｅ）この層３より、マスクの開口内に光ガイドスト
リップRBを次の深さでエッチングを行い、 0.35μｍｈ0.75μｍ幅ａ４μｍのガイドを残す。

ｆ）ｐ型導電性の層C₂を形成するため、Znの如き材料
を、マスクXFの開口内に局部拡散させる。このマスクXF
は、その１縁部が、pn接合方向に位置するガイドの縁部
より距離ｄだけオフセットされている。この場合、この
距離ｄは、局部拡散後に得られる層C₂の絶縁部が軸
（面）YY′に完全に一致し、かつ層C₁の縁部BB′にも完
全に一致するように１μｍに選択する。当業者によく知
られているように、拡散を行うと、形を制限しているマ
スクの下側に僅か拡がるが、その程度は実験によって確
かめられ、再現可能に制御できる。この場合拡散層は、
次の如く選定される。

Ｈ＝e₃＋ｈこの拡散層C₂は軸YY′に平行な方向の寸法Δ′を、 Δ′＝400μｍとし、この軸YY′に直角な方向の寸法d₂を、 d₂＝８μｍ〜10μｍ（第3a,3d図）とするを可とする。

ｇ）電極の位置の絶縁層を除去した後、第3b図のマス
クXIの開口内にAuGeNi合金の層８を形成し、ｎ型オーム
接点のパッドE₁′,E₁″を形成する。

ｈ）第3b図にXKで示す自由開口を残し、例えばSiO₂の
絶縁層７を設けて装置表面を保護する。

ｉ）マスクXG（第3a図）の開口内に最初にTiPtAu合金
の第１層５を蒸着し、ｐ型オーミック接点E₂を形成し、
次でマスクXLの開口内にこの合金の第２層を蒸着して誘
電絶縁層７の電気的接続線を形成する。

全製造工程中において、マスクXBとXFを除く各マスク
の少くとも１つの縁部を光ガイドの１つの軸と平行に配
置する。マスクXBとXFとは交差角の対称軸YY′と平行な
縁部を有する必要がある。（第3a図参照）又一方において、エピタキシアル層の形成にVPE生長
を利用するときは、単に誘導性透明層で保護されている
のみの基板上にテストパターン及びアラインメント
（整合）パターンを設ける必要がある。誘電体上にはVP
E生長が生じないので、これらのパターンは全形成工程
中保存されかつその形を維持する。この整合方法は、と
くにpn接合の縁部BB′を軸YY′に整合させる点で極めて
重要である。

（製造方法…II）第3c図に示すようなプレーナ構造を有するスイッチン
グ素子を製造することを望む場合の１例として次の製造
方法（II）を説明する。この製造方法は、実施例ＩのＸ
形素子か、実施例IIのＹ形素子でも溝12を設けない場合
にのみその製造に使用できる。

まず工程ａ）,b）は製造方法Ｉと同じである。工程
ｂ）とｃ）との間に、工程ｂ′）を設け、この工程で、
光ガイドの所望の位置に、深さｈ、幅ａの溝を形成す
る。ｐ型層C₁を形成する層１の厚さは、ｈより大に選定
する。

次の工程、ｃ）とｄ）とは方法Ｉと同一にして行う
が、ｅ）の盛上り（エレクテッド）ストリップを形成す
る工程は除外する。これは、方法IIでは、ガイドの構造
が反転形となっており、ガイド層は完全に埋没している
からである。

次で方法Ｉのｆ）,g）,h）,i）と同じ工程を行う。

【図面の簡単な説明】

第1a図及び第1b図は、実施例ＩのＸ形スイッチング素子
の平面図、第1c図は、実施例IIのＹ形スイッチング素子の平面図、第1d図は、第1c図のＹ形素子内のビームの通路を示す説
明図、第1e図は、実施例IIのＹ形スイッチング素子を形成する
ため、２つのガイドに設けた４個の単位スイッチセルCL
を示す平面図、第2a図，第2b図及び第2c図は、実施例Ｉの光閉じ込め構
造を示すもので、それぞれ第1a図及び第1b図のII−II線
上断面図、第2d図及び第2e図は、実施例IIのもので、第1c図のII−
II線上断面図、第3a図は、実施例Ｉのもので、第1a図のＩ−Ｉ線上断面
図、第3b図は、実施例I,IIに関し、第5a図のIII−III線上断
面図、第3c図は、実施例Ｉのもので、第1a図のＩ−Ｉ線上断面
図、第3d図は、実施例IIのもので、第1c図のＩ−Ｉ線上断面
図、第4a図は、実施例Ｉ及びIIの各素子の特性を示す曲線
図、（Ａは入力光ガイド、Ｂは出力光ガイドで、２θ＝
２゜のもの）第4b図は、２θ＝４゜のときの第4a図と同じ曲線図、第4c図は、各例I,IIのガイド領域上の全閉じ込め材料の
厚さＨをパラメータとして、率の差Δｎを上側閉じ込め
層の厚さe₃の関数として示す曲線図、第4d図は、２元閉じ込め層e₃の厚さと４元ガイド層の濃
度ｙの関係を示す曲線図、第4e図は、接合に加える電流密度D_Iと比T/Rの関係曲線
図、（実施例II）第4f図は、実施例IIにおいて、素子の電流密度D_Iと接合
における率の差Δｎの関係を示す曲線図、第5a図は実施例Ｉの２個の素子群を示す平面図、第5b図は実施例Ｉの第1a図で述べた素子によるＮ個のガ
イド対Ｎ個のガイドのスイッチングマトリックスを示
す平面図、第5c図は、実施例IIの第1e図で述べたセルによるＮ個の
ガイド対Ｎ個のガイドのスイッチングマトリックスの
平面図である。 G₁,G₂……光ガイド BB′……反射面Ｓ……基板 C_G……光ガイド層 RB……ガイドストリップ C₁……ｐ導電型層 C₂……ｎ導電型層 CL……単一スイッチセル３……閉じ込め層５……オーム接点７……誘電絶縁層 10……pn接合 12……溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−241028（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−241029（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−254423（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−127829（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少くとも１個の光電スイッチ素子を含んで
なる集積半導体装置であって、該光電スイッチ素子が、少くとも１つのIII−Ｖ材料の
層のヘテロ構造を有し、かつ光閉じ込め材料の基板Ｓ
と、光ガイド層CG及びガイドストリップRBを有する光
ガイドを有してなり、さらに・光信号導入用の少なくとも１つの直線の入力光ガイド
G1と、・入力光ガイドG1の延長上に位置する直線の第１出力光
ガイドＧ′１と、・該第１出力光ガイドＧ′１に結合され、これに対し所
定の２θの角度をなし、いわゆるスイッチ領域を囲む如
くなっている直線の第２出力光ガイドＧ′２とを有し、
また前記光電スイッチ素子は前記スイッチ領域内に、光
信号を第２出力光ガイドＧ′２に向けて反射させる手段
を具え、・光ガイド層の両側にこれと合体するように設けられた
第１導電型の第１層または下側層C1と、反対導電型の第
２層または上側層C2とによって形成されるpn接合と、を有してなる光電スイッチ素子を有する集積半導体装置
において、・前記第２層または上側層C2は、出力光ガイドＧ′1,
G′２のなす角２θの２分割面YY′の長さ方向に対して
非対称に、第１出力光ガイドＧ′１を含む該面によって
規定される領域の半分に亘って延長されており、さらに
この上側層C2は前記２分割面YY′に一致する縁部BB′を
有し、かつその縁部BB′の大きさは、長さ方向におい
て、スイッチ領域の寸法より遥に大とし、スイッチ領域
の両側を超えてほぼ対称に突出して延長されており、・pn接合の第１層の下側層C1も、前記２分割面YY′に対
して非対称の層であり、その縁部BB′は、第２層の上側
層C2の縁部BB′と一致しており、この第１層の下側層C1
は上側の第２層の上側層C2の下側に、少なくとも第２層
の表面積とほぼ等しい表面積をもって延長されているこ
とを特徴とする光電スイッチ素子を有する集積半導体装
置。
【請求項２】第１出力光ガイドＧ′１内に、この第１出
力光ガイドに向う入力光信号の全伝送に対し、受動（パ
ッシブ）モードで光信号閉じ込め構造を実現するため、
ガイドストリップを方形の断面とし、第１及び第２出
力光ガイドＧ′1,G′２の接合部において、第２出力光
ガイドＧ′２のガイドストリップ内に平行な表面を有
する溝を設け、このガイドストリップの全高に亘り、
かつゼロに等しくない横方向寸法d3において、これらの
層の面に直角に、かつ第１出力光ガイドＧ′１の軸と平
行にガイドストリップの材料を除去することを特徴と
する請求項１記載の光電スイッチ素子を有する集積半導
体装置。
【請求項３】光閉じ込め材料の上側層と光ガイド層CGと
によって構成される第２ヘテロ構造を有する特許請求の
範囲第２項記載の光電スイッチ素子を有する集積半導体
装置。
【請求項４】ガイドストリップを前記ヘテロ構造の上
側にまで立上げた特許請求の範囲第１ないし３項のいず
れか１に記載の光電スイッチ素子を有する集積半導体装
置。
【請求項５】前記ガイドストリップは、基板に形成し
た溝と、これに充填した光ガイド層材料によって構成さ
れ、かつ装置の上側表面を平面とする特許請求の範囲第
３項記載の光電スイッチ素子を有する集積半導体装置。
【請求項６】光ガイドの横方向寸法ａを単モード波の伝
搬を許すように選定し、交差角２θは、光ガイド層C_Gの
厚さe_Gの関数として、上側閉じ込め層があるときはその
厚さＨの関数として、またガイドストリップRBの高さ
ｈの関数として、さらにヘテロ構造を構成する材料の組
成の関数として選定し、ガイド層内の有効インデックス
と近接領域内の有効屈折率（インデックス）との屈折率
の差Δｎが10^-2と10^-3の間にある如くする請求項１ない
し５のうちの１に記載の光電スイッチ素子を有する集積
半導体装置。
【請求項７】ヘテロ構造は、III−Ｖ化合物の４元層を
有していて、ガイド層C_Gを形成し、またIII−Ｖ化合物
の２元層を有していて基板Ｓを形成し、また場合により
上側閉じ込め層を有する請求項６記載の光電スイッチ素
子を有する集積半導体装置。
【請求項８】２元化合物が、InPであり、４元化合物
が、 Ga_xIn_1-xAs_yP_1-y であり、ｘ及びｙは、ｘ＝0.435y の相互関係を有する濃度である請求項７記載の光電スイ
ッチ素子を有する集積半導体装置。
【請求項９】濃度ｙが、ｙ0.1〜0.5 ガイドストリップRBの幅ａが、ａ３〜５μｍガイド層の厚さe_Gが、 e_G0.4μｍ交差角２θが、２θ２〜６゜である請求項８記載の光電スイッチ素子を有する集積半
導体装置。
【請求項１０】ｙ0.5 ａ４μｍ２θ４゜である請求項９記載の光電スイッチ素子を有する集積半
導体装置。
【請求項１１】ガイド領域上の層の全体の高さＨが、Ｈ＝ｈ＋e₃1.0μｍであり、ここに、ｈは：ガイドストリップRBが設けられている高さであ
り、また、ガイドストリップRBの両側の閉じ込め層の厚さ
e₃は、 e₃0.25及び0.60μｍの間である請求項９または10記載の光電スイッチ素子を
有する集積半導体装置。
【請求項１２】pn接合の上側層の横方向寸法d₂は、 d₂＜d₁ すなわち、d₂はpn接合の下側層の寸法d₁より小であり、
かつ３μｍ＜d₂＜８μｍであり、さらに層C₁の厚さは１μｍの桁である請求項11
記載の光電スイッチ素子を有する集積半導体装置。
【請求項１３】ｎ型導電性及びｐ型導電性の各層の表面
にそれぞれオーム接点層を設け、これらは、上側層内の
開口を通じて設け、ｐ型層の中心に電荷キャリアを注入
するに適したパッドの形状並びにこの注入に対しｎ型層
より電荷キャリヤを対称に搬出するに適したパッドの形
状を得る如くした請求項１ないし12のいずれか１項に記
載の光電スイッチ素子を有する集積半導体装置。
【請求項１４】ガイド溝を設ける場合、その横方向寸法
d₃は、交差角２θの値に協働する如く、かつガイドのパ
ラメータ値に協働する如く選定し、受動モートで不使用
の通路には少なくとも30dBの減衰を得る如くした請求項
６ないし13のうちの１項に記載の光電スイッチ素子を有
する集積半導体装置。
【請求項１５】pn接合内の電流密度は、能動モードにお
いて、不使用通路内に少くとも30dBの減衰を生ずる如く
し、これはpn接合により生ずるインデックス差1.4・10
^-2の大きさに対応する請求項14記載の光電スイッチ素子
を有する集積半導体装置。
【請求項１６】スイッチ素子がＹ形形状をなし、直線の
入力ガイドG1により形成される単一の入力を有し、前記
入力ガイドの延長上に位置する直線の第１出力ガイドに
より形成される受動モードにおける第１出力と、該第１
出力ガイドに対し交差角２θをなす直線の第２出力ガイ
ドＧ′２によって能動モードにおいて形成される第２出
力とを有してなり、前記非対称のpn接合は、第１出力ガ
イドＧ′１を含む交差角２θの２分割面によって画成さ
れる領域の半分に亘って延長される表面を有する如くし
た請求項１ないし15のうちの１に記載の光電スイッチ素
子を有する集積半導体装置。
【請求項１７】スイッチ素子は、Ｘ形状であり、交差角
２θの２分割面に関し、第１入力ガイドG1と対称をな
し、第２出力ガイドと直線をなす第２入力ガイドG2を通
ずる第２入力を有し、これによってスイッチされない第
２入力信号を導入し、この第２入力信号は、第２入力ガ
イドG2の延長上にある第２出力ガイドＧ′２に伝搬され
る如くした請求項３ないし15のうちの１項（ただし請求
項２に従属するものを除く）記載の光電スイッチ素子を
有する集積半導体装置。
【請求項１８】Ｎ個のガイドよりＮ個のガイドへの光ス
イッチマトリックスを有し、このマトリックスを形成
するため請求項17記載のスイッチ素子Ｎ個を交互スタガ
配置として設け、各素子は他の素子に対しスイッチされ
ない信号を通過させる通路が互に直線となる如くし、ま
たスイッチされる信号を伝達する通路が互に直線上とな
るようにし、かつ反射もこれと同じ方向とする光電スイ
ッチ素子を有する集積半導体装置。
【請求項１９】２個のガイドより２個のガイドへのスイ
ッチセルユニットを含んでなる集積半導体装置であ
って、そのスイッチセルユニットは請求項16記載の
如きＹ形形状のスイッチ素子４個を具えてなり、これら
の素子は、第３及び第４素子の前側かそれぞれ第１及び
第２素子の後側に結合するように配置され、従ってかく
接続された各対の第１出力ガイドが互いに接合されて直
線のガイドを形成するように互いに直線上に配置され、
かつ２個の隣接対の直線状ガイドは互いに平行に配置さ
れ、４個の素子の前記第２出力ガイドは互いに接合さ
れ、４θの角度でＸ形状で互いに交差するよう配置さ
れ、一方において、第１及び第４素子のpn接合が、また
他方において第２及び第３素子のpn接合が電気的接続部
を介して互いに接続されている光電スイッチ素子を有す
る集積半導体装置。
【請求項２０】Ｎガイド対Ｎガイドのスイッチングマ
トリックスを含んでなる集積半導体装置において、該スイッチングマトリックスは、Ｎ・（Ｎ−１）/2 個の、請求項19記載の単位セルで構成され、これら単位
セルは交叉（スタガード）配置とし、Ｘ形状の直線状ガ
イド部分を通じてこれら単位セルを接続してＮ個の直線
状ガイドを構成する光電スイッチ素子を有する集積半導
体装置。
【請求項２１】ｎ型導電性層及びｐ型導電性層を画成す
るマスクの整合を確保するため、回路の不使用部分内に
整合パターンを形成し、かつこれら各パターンを、例え
ばSiO₂の如き誘電性絶縁層で被覆し、層の生長方法には
気相エピタキシイ（VPE）生長法を用い、等晶軸（エピ
タキシイ）VPE生長法の全工程中に亘りこれら各パター
ンを堅固に維持し、かつ各段階においてマスクの位置を
確保してその機能を発揮せしめることを特徴とする請求
項１ないし20のうちの１つに記載の光電スイッチ素子を
有する集積半導体装置の製造方法。