JP3109934B2 - 光電子電界効果型トランジスタ - Google Patents

光電子電界効果型トランジスタ

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JP3109934B2 JP05015720A JP1572093A JP3109934B2 JP 3109934 B2 JP3109934 B2 JP 3109934B2 JP 05015720 A JP05015720 A JP 05015720A JP 1572093 A JP1572093 A JP 1572093A JP 3109934 B2 JP3109934 B2 JP 3109934B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光電子電界効果型トラ
ンジスタに関し、特にマイクロ波信号を光信号へ変換す
る光電子電界効果型トランジスタに関する。
【0002】
【従来の技術】近年大容量の情報を伝達する手段とし
て、光通信技術が注目されている。特に、光ファイバの
発達により、光の強度変化(強度変調)によって情報を
伝達する方式が実用化されている。このような光通信技
術では、大容量の情報を伝達するために、光信号とマイ
クロ波信号との相互変換が必要となる。マイクロ波信号
を光信号に変換し、また光信号からマイクロ波信号へ変
換する従来の方法として、レーザ発振器やフォトダイオ
ードが用いられている。
【0003】また、更に大容量の情報を伝達するため
に、光の振幅、周波数、あるいは位相を変調し信号を伝
達する研究もなされている。光の振幅、周波数、あるい
は位相を変調するための光変調器として、ニオブ酸リチ
ウム結晶を用いた光導波路や、Mach-Zehnderを用いた光
干渉計などが用いられている。
【0004】マイクロ波信号を効率よく光信号に変換し
たり、変換機器を汎用し、取り扱いを容易にするため
に、マイクロ波を増幅する増幅器とレーザ発振器やフォ
トダイオードとを複合化、集積化することが検討されて
いる。これらは、OEIC(光電子集積回路)として実
用化されつつある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上述の従来技術におい
て、光波の振幅、周波数、及び位相を変調する方法につ
いても集積化が検討されてはいるが、ニオブ酸リチウム
結晶を用いた光導波路とGaAsやInP半導体を用い
たレーザ発振器とは材質が異なっている。このため、同
一基板上にレーザ発振器と光導波路などの一体化や集積
化が困難であり、実現されていなかった。
【0006】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、その目的とするところは、マイクロ波
の増幅作用と光変調作用とを有する光電子電界効果型ト
ランジスタを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の光電子電界効果
型トランジスタは、半導体基板と、半導体基板上に形成
された少なくとも2層の活性層と、少なくとも2層の
性層上に形成されたソース、ドレイン、及びゲート電極
と、半導体基板と少なくとも2層の活性層との間に設け
られた少なくとも2層の活性層の屈折率よりも小さい屈
折率を有する半導体クラッド層とを有し、少なくとも2
層の活性層における、半導体基板側の活性層はゲート電
極側の活性層よりもキャリア濃度が高く、ゲート電極
印加したマイクロ波信号によって、少なくとも2層の活
性層に入射した光信号を変調させることにより上記目的
が達成される。少なくとも2層の活性層はそれぞれ組成
が同一であってもよい。
【0008】
【作用】本発明の光電子電界効果型トランジスタは、マ
イクロ波の増幅器及び光の位相を変調する光導波路変調
器として同時に機能する。ゲートバイアスを変化させる
と、活性層中のキャリア濃度及び電界が変調される。活
性層は光導波路としても機能するので、キャリア濃度の
変化及び電界の変化は光導波路の屈折率の変化を引き起
こし、光導波路内を伝搬する光信号の位相変調を誘導す
る。
【0009】光導波路内の屈折率は、プラズマ効果、バ
ンドギャップ収縮効果、及びバンド充満効果によって印
加電界に応じ変化する。光導波路の電界特性を求める正
確な分析的解法は存在しないが、実効屈折率法、等価回
路法及び変分法のような近似法が提案されている。以下
に実効屈折率法を用いた導波モード及びその伝搬率の計
算を説明する。リブが低く、導波路の周波数がカットオ
フ周波数に近くなく、かつ側スラブの周波数がカットオ
フ周波数よりも高いとき、この方法によって、かなり正
確に計算することが出来る。
【0010】実効屈折率法において、リブ状の導波路
は、複数の平面スラブ導波路の組合せとして取り扱われ
る。
【0011】まず、導波路を3つの平面導波路に分割す
る。図4に示されるように、中央の導波路31はtの厚
みを有し、2つの側スラブ領域32、33は、sの厚み
を有する。それぞれの領域の実効屈折率を計算し、計算
によって求められた実効屈折率が、最終的な左右対象の
スラブ導波路の特性を得るために用いられる。
【0012】光導波路の異なるモード(q=0,1,
2,・・・)及び伝搬定数βを求めるために、次式の関
係を満たさなければならない。
【0013】 (K0 22 2−β21/2a =qπ+tan-1((β2−K0 21 2)/(K0 22 2−β2))1/2 但し、K0=ω(μ0ε01/2である。 n1からn3はそ
れぞれ層34、35、36の屈折率を示し、aは導波路
の厚さを表す。
【0014】実効屈折率法では、以下の正規化された膜
厚V、正規化された導波路屈折率b、及び非対称定数a
sを用いる。
【0015】 V=K0a(n2 2−n3 21/2 b=((β/K0 2−n3 2)/(n2 2−n3 2) as=(n3 2−n1 2)/(n2 2−n3 2) 結果は以下に示すようにV、b、asを用いて示され
る。
【0016】 (1−b)1/2V=qπ+tan-1((b+as)/(1−b))1/2 +tan-1(b/(1−b))1/2 実効屈折率法では、許可された異なるモード(q=0,
1,2,3..)の伝搬定数βを求め、その後、その結
果から3つの平面導波路31、32、33の実効屈折率
eff=β/K0を得ることが出来る。これらを用いて、
新しい左右対象のスラブ導波路のモード及び伝搬定数β
を求めることが出来る。この場合、対称導波路は、TM
に見えるが、対称導波路と基板との屈折率の差がn3
2〜1と小さい場合は、TEモードの解法が使用でき
る。
【0017】
【実施例】以下に、本発明を実施例について説明する。
【0018】図1は、光変調作用を有する光電子電界効
果型トランジスタの構造を示す。GaAs半導体基板1
1上に、バッファ層としてアンドープGaAs層12が
形成されており、その上に、光導波路19のクラッド層
となるアンドープAl0.3Ga0.7As層13が形成され
ている。アンドープAl0.3Ga0.7As層13の上に活
性層となるn型GaAs層14、15が形成されてい
る。更にn型GaAs層15の上にクラッド層となるア
ンドープAl0.3Ga0.7As層16が形成されており、
アンドープAl0.3Ga0.7As層16上にゲート電極1
8が形成されている。ゲート電極18の両側には、アン
ドープAl0.3Ga0.7As層16が除去された領域が設
けられ、露出したn型GaAs層15上にソース電極及
びドレイン電極17が形成されている。ソース電極及び
ドレイン電極17の下方にイオン注入によって、n+
aAs層20が形成されている。ゲート電極下部のn型
GaAs層14、15中には光導波路19が形成されて
いる。
【0019】本発明の光電子電界効果型トランジスタに
よれば、ゲート電極18に印加されたマイクロ波信号に
よって、ソース電極及びドレイン電極17の間を流れる
電流を変調することができる。この変調作用は、従来の
電界効果型トランジスタが有する電流増幅作用と同じ変
調作用である。また、ゲート電極18にマイクロ波信号
を印加することによって、光導波路19内のキャリア濃
度が変化し、光導波路19の電界が変調される。電界の
変化は光導波路の屈折率の変化を引き起こすため、ゲー
ト電極18に印加されたマイクロ波信号は、光導波路1
9内に入射された光信号の位相を変調させることができ
る。
【0020】このように本光電子電界効果型トランジス
タは、マイクロ波を増幅する作用と、光の位相を変調す
る作用を有しているため、従来は実現が困難であった電
流増幅器と光変調器との一体化が可能となる。
【0021】図1に示される光電子電界効果型トランジ
スタは、従来の電界効果型トランジスタと同様の製造工
程を用いて作製される。
【0022】分子線エピタキシャル成長法(MBE)や
有機金属化学気層堆積法(MOCVD)などによって、
半絶縁性GaAs基板11上に半導体エピタキシャル層
を堆積する。まず、アンドープGaAs層(厚さ1.0
μm)12をバッファ層として半絶縁性GaAs基板1
1上に堆積する。続いて、クラッド層として、アンドー
プAl0.3Ga0.7As層(厚さ1.5μm)13をアン
ドープGaAs層12の上に堆積する。更に、キャリア
濃度3×1017/cm3のn型GaAs層(厚さ30n
m)14及び、キャリア濃度1×1017/cm3のn型
GaAs層(厚さ20nm)15を堆積する。これらの
n型GaAs層14、15は、チャネルとして作用する
と共に光導波路としても作用する。その後、クラッド層
としてアンドープAl0.3Ga0.7As層(厚さ0.1μ
m)16を堆積する。
【0023】次に、リブ構造とするため、クエン酸系の
エッチング液を用いて、アンドープAl0.3Ga0.7As
層16を図1に示すようにn型GaAs層15の表面が
露出するまでエッチングする。露出したn型GaAs層
15の表面から、少なくともアンドープAl0.3Ga0.7
As層13に達する注入エネルギでほう素イオンを注入
しn+GaAs領域20を形成する。
【0024】続いて、ゲート長2μm、ゲート幅100
μmのゲート電極18を形成する。ゲート電極18は、
Ti50nm/Al400nmからなる2層の金属膜を
アンドープAl0.3Ga0.7As層16上に連続して蒸着
させることにより形成される。その後、ソース電極及び
ドレイン電極17をn+GaAs領域20上に形成す
る。これらの電極17は、Au−Ge合金100nm、
Ni15nm、及びAu100nmを順次蒸着すること
によって、形成される。ソース及びドレイン電極形成
後、430℃で30秒間加熱し、アロイを行う。
【0025】最後に窒化ケイ素膜を素子全体に100n
m堆積し、保護膜を形成する。
【0026】なお、n型GaAs層14、15の光導波
路19は、図4に示すように側リブを設け、より強力に
光を閉じこめることもできる。
【0027】導波路内への光の導入は、従来技術を用い
て達成される。図2は、光源及び本発明による光電子電
界効果型トランジスタを有する集積装置を示している。
半導体基板11上にレーザ発振器21と光電子電界効果
型トランジスタ22とが形成されている。レーザ発振器
21は、GaAs活性層を有し赤外光を発振する。レー
ザ発振器21で発振されたレーザ光は、光電子電界効果
型トランジスタ22の光導波路へ導かれる。光導波路へ
導入されたレーザ光は、上述したようにゲート電極に印
加されたマイクロ波によって位相が変調される。この集
積装置は従来技術のOEIC作製技術を用いて形成する
ことができる。また、図3に示すように、外部光源2
1、光電子電界効果型トランジスタ22、及び出力端子
23を有する構造の集積装置とすることもできる。
【0028】
【発明の効果】本発明によれば、ゲート電極に印加され
たマイクロ波信号によって、活性層に入射した光信号の
位相を変調することが出来る。またソース電極とドレイ
ン電極との間に流れる電流をゲート電極に印加されたマ
イクロ波信号によって変調する電流増幅作用も有する。
本発明の光電子電界効果型トランジスタは、半導体レー
ザに用いられる種々の半導体層を用いて作製することが
出来るので、レーザ発振器と同一の基板に形成された集
積装置とすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示すものであって、光電子
電界効果型トランジスタの模式的構造を示す図である。
【図2】本発明の一実施例を示すものであって、光電子
電界効果型トランジスタと光源が集積された構造を示す
図である。
【図3】本発明の一実施例を示すものであって、光電子
電界効果型トランジスタと外部光源とを備えた集積装置
を示す図である。
【図4】本発明の一実施例を示すものであって、光導波
路の構造を説明する図である。
【符号の説明】
11 GaAs基板 12 アンドープGaAs層 13 アンドープAl0.3Ga0.7As層 14 n型GaAs層 15 n型GaAs層 16 アンドープAl0.3Ga0.7As層 17 ソース及びドレイン電極 18 ゲート電極 19 光導波路 20 n+GaAs領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 29/812 (56)参考文献 特開 平2−244116(JP,A) A.Kastalsky,J.H.A beles,and R.F.Lehe ny,”Novel optoelec tronic single quan tum well devices b ased on electron b leaching of excito n absorption”,Appl ed Physics Letter s,1987年3月23日,Vol.50,n o.12,pp.708−710 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/15 G02F 1/015 - 1/025 H01L 21/338 H01L 29/80 H01L 29/812

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板と、 該半導体基板上に形成された少なくとも2層の活性層
    と、 該少なくとも2層の活性層上に形成されたソース、ドレ
    イン、及びゲート電極と、 該半導体基板と該少なくとも2層の活性層との間に設け
    られた該少なくとも2層の活性層の屈折率よりも小さい
    屈折率を有する半導体クラッド層と を有し、該少なくとも2層の活性層における、該半導体基板側の
    活性層は該ゲート電極側の活性層よりもキャリア濃度が
    高く、 該ゲート電極に印加したマイクロ波信号によって、該
    なくとも2層の活性層に入射した光信号を変調させる光
    電子電界効果型トランジスタ。
  2. 【請求項2】 前記少なくとも2層の活性層はそれぞれ
    組成が同一である、請求項1に記載の光電子電界効果型
    トランジスタ。
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