JP5723320B2 - 光変調導波路 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物系半導体で構成された光変調導波路に関する。

高速光通信システムや光情報処理システムにおけるキーデバイスの１つとして光変調導波路がある。光変調導波路としては、例えば、ＬｉＮｂＯ₃（ＬＮ）等の誘電体を用いた光変調導波路や、半導体を用いた光変調導波路が用いられている。ＬｉＮｂＯ₃変調器は現在広く用いられている。しかしながら、ＬｉＮｂＯ₃材料は導電性が無いため、印加電圧がシグナル電極とグラウンド電極の間でかけられる。その結果、電極間の距離は１０数μｍ程度になり、光の変調に必要な屈折率の変化を得るには、３から５Ｖ程度の高い駆動電圧及び２０〜４０ｍｍ程度の電極長が必要となるため、消費電力が大きく、且つ光変調導波路の小型化を実現することができないという問題がある。

低消費電力化及び小型化を実現するため、ＧａＮ系光導波路を有するｐ−ｉ−ｎ構造の半導体光変調導波路が提案された。図１は、従来技術に係る光変調導波路の構成を示す。図１に示される光変調導波路１００は、基板１０１上に、ｎ−ＧａＮバッファ層１０２、ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層１０３、ｉ−ＧａＮコア層１０４、ｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層１０５及びｐ−ＧａＮコンタクト層１０６がＣ軸上に順次積層されている。エッチングプロセスにより、ｎ−ＧａＮバッファ層１０２に至るまでエッチングを行い、ハイメサ導波路構造の光導波路を作製している。ｎ−ＧａＮバッファ層１０２上に電極１０７が形成され、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０６上に電極１０８が形成されている。

従来技術に係る光変調導波路１００は、ｉ−ＧａＮコア層１０４の上下をｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層１０３及びｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層１０５で挟み込むことにより導波する光を閉じ込め、ｐ−ｉ−ｎ構造に電圧を印加することでｉ−ＧａＮコア層１０４の電界を変化させ、電気光学効果により光の位相を変化させる構造となっている。

Yu. M. Sirenko, J. B. Jeon, B. C. Lee, K. W. Kim, and M. A. Littlejohn, "Hole scattering and optical transitions in wide-band-gap nitrides: Wurtzite and zinc-blende structures", PHYSICAL REVIEW B, １９９７年２月１５日、Vol. 55, No. 7, p. 4360-4375. T. K. Sharma, D. Naveh, and E. Towe, "Strain-driven light-polarization switching in deep ultraviolet nitride emitters", PHYSICAL REVIEW B, ２０１１年７月２０日、p. 035305. S. R. Lee, D. D. Koleske, K. C. Cross, J. A. Floro, K. E. Waldrip, A. T. Wise and S. Mahajan, "In situ measurements of the critical thickness for strain relaxation in AlGaN/GaN heterostructures", APPLIED PHYSICS LETTERS, ２００４年１２月２０日、Vol. 85, No. 25, p. 6164-6166.

しかしながら、従来技術に係る光変調導波路１００においては、ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層１０３及びｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層１０５が引っ張り歪みを有していることにより、厚膜化によりクラックが発生するため、形成可能な膜厚に制約があるという問題がある。さらに、ｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層１０５において、価電子帯間吸収が生じやすく、光の伝送損失が生じやすいという問題がある。

図２は、従来技術に係る光変調導波路１００における価電子帯の模式図である。図２において、Г₇は軽いホールＬＨ及び結晶場分裂ホール価電子帯ＣＨの規約表現であり、Г₉は重いホールＨＨの既約表現である。図２に示すように、従来技術に係る光変調導波路１００においては、価電子帯の結晶場分裂エネルギーΔ_CRが負となっている。

図３は、ＡｌＧａＮ結晶場分裂エネルギーΔ_CRとＡｌ組成及び歪みとの関係を示す。図３には、Ａｌ組成が高くなるにつれて結晶場分裂エネルギーΔ_CRが低下し、引っ張り歪みを有している場合には結晶場分裂エネルギーΔ_CRが負となり、低Ａｌ組成及び圧縮歪みを有している場合には結晶場分裂エネルギーΔ_CRが正となることが示されている。Δ_CRが正となるか負となるかは、Ａｌ組成と歪みの関係によって決まり、圧縮ひずみであれば必ずΔ_CRが正となるわけではない。但し、図３のように、Ａｌ組成０．１以下であれば、圧縮ひずみによりΔ_CRは確実に正となる。

従来技術に係る光変調導波路１００においては、引っ張り歪みにより価電子帯の結晶場分裂エネルギーΔ_CRが負となるため、結晶場分裂ホール価電子帯ＣＨが最も高くなる。Ｃ軸に平行な電場の光（Ｅ//ｃ）においては、Г₇からГ₇への遷移、すなわち軽いホールＬＨから結晶場分裂ホール価電子帯ＣＨへの遷移が許容されるため、引っ張り歪みを有するｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層１０５で価電子帯間吸収が生じやすい。

本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、価電子帯間吸収が生じにくく、光の伝送損失が生じにくい、ＧａＮ系半導体で構成された光変調導波路を提供することにある。

本発明の請求項１に記載の光変調導波路は、基板、ｎ型窒化物系半導体クラッド層、窒化物系半導体コア層、第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層、第２のｐ型窒化物系半導体クラッド層及びｐ型窒化物系半導体コンタクト層がＣ軸方向に順次積層された光変調導波路であって、前記窒化物系半導体コア層のバンドギャップは、前記ｎ型窒化物系半導体クラッド層及び前記第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層のバンドギャップよりも小さく、かつ前記窒化物系半導体コア層の屈折率は、前記ｎ型窒化物系半導体クラッド層及び前記第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層の屈折率よりも大きく、前記ｎ型窒化物系半導体クラッド層、前記第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層及び前記第２のｐ型窒化物系半導体クラッド層はＡｌを含み、前記窒化物系半導体コア層の格子定数は、前記第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層及び前記第２のｐ型窒化物系半導体クラッド層の格子定数よりも大きく、前記ｎ型窒化物系半導体クラッド層及び前記第２のｐ型窒化物系半導体クラッド層のＡｌ組成及び前記窒化物系半導体コア層の膜厚は前記窒化物系半導体コア層が格子緩和しないようなＡｌ組成及び膜厚であり、前記ｎ型窒化物系半導体クラッド層及び前記第２のｐ型窒化物系半導体クラッド層のＡｌ組成は、前記第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層のＡｌ組成よりも大きく、且つ前記ｎ型窒化物系半導体クラッド層及び前記第２のｐ型窒化物系半導体クラッド層のＡｌ組成は前記第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層の価電子帯の結晶場分裂エネルギーが正となる値であることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の光変調導波路は、本発明の請求項１に記載の光変調導波路であって、前記ｎ型窒化物系半導体クラッド層がｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮ、前記窒化物系半導体コア層がｉ−ＧａＮ、前記第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層がｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮ、前記第２のｐ型窒化物系半導体クラッド層がｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮ、前記ｐ型窒化物系半導体コンタクト層がｐ−ＧａＮからなることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の光変調導波路は、請求項２に記載の光変調導波路であって、ｘ≦０．１であることを特徴とする。

本発明に係るＧａＮ系光導波路を有する光変調導波路によると、価電子帯間遷移が抑制されるため、価電子帯間吸収が生じにくく、光の伝送損失を従来構造よりも改善することができる。

従来技術に係るＧａＮ系光導波路を有する光変調導波路の構成を示す図である。 従来技術に係る光変調導波路１００における価電子帯の模式図である。 ＡｌＧａＮ結晶場分裂エネルギーΔ_CRとＡｌ組成及び歪みとの関係を示す図である。 本発明に係るＧａＮ系光導波路を有する光変調導波路の構成を示す図である。 ＡｌＧａＮのＡｌ組成とＧａＮコア層の臨界膜厚との関係を示す図である。 本発明に係る光変調導波路１００における価電子帯の模式図である。

［実施例１］
図４は、本発明に係るＧａＮ系半導体光導波路を有する光変調導波路２００を示す。図４に示される光変調導波路２００においては、基板２０１、ｎ型窒化物系半導体クラッド層２０２（ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層２０２）、窒化物系半導体コア層２０３（ｉ−ＧａＮコア層２０３）、第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層２０４（第１のｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮクラッド層２０４）、第２のｐ型窒化物系半導体クラッド層２０５（第２のｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層２０５）及びｐ型窒化物系半導体コンタクト層２０６（ｐ−ＧａＮコンタクト層２０６）がＣ軸方向にエピタキシャル結晶成長により順次積層されており、ｙ＜ｘである。エッチングプロセスにより、ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層２０２に至るまでエッチングを行い、ハイメサ導波路構造の光導波路を作製している。ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層２０２上に電極２０７が形成され、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０６上に電極２０８が形成されている。

ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層２０２は、例えばＳｉを１０¹⁸〜１０²⁰[ｃｍ^-3]ドープされており、ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層２０２の膜厚は典型的には１．５〜２μｍとすることができる。

ｉ−ＧａＮコア層２０３は、ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層２０２のＡｌ組成ｘ及びｉ−ＧａＮコア層２０３の膜厚をｉ−ＧａＮコア層２０３が格子緩和しないようなＡｌ組成及び膜厚とすることにより、格子緩和しないように構成されている。この場合、ｉ−ＧａＮコア層２０３のａ軸長さがｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層２０２と等しくなるため、ｉ−ＧａＮコア層２０３は圧縮歪みを有する。ＡｌＧａＮのＡｌ組成とＧａＮコア層の臨界膜厚との関係を図５に示す（例えば、非特許文献３を参照）。図５には、ＧａＮコア層上にＡｌＧａＮクラッド層を堆積した時の、ヘテロ界面(点線)および表面(実線)が格子緩和する臨界膜厚と組成の関係を示した計算値が示されている。本発明においては、ＡｌＧａＮクラッド層上にＧａＮコア層を堆積しているが、臨界膜厚の値は図５で示される値とほぼ同等のものである。図５に示されるように、ｉ−ＧａＮコア層２０３が格子緩和しないためには、例えば、ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層２０２のＡｌ組成ｘ＝０．０５のとき、ｉ−ＧａＮコア層２０３の膜厚は１μｍ以上とし、Ａｌ組成ｘ＝０．１のとき、０．５〜１μｍ程度とすることができる。

第１のｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮクラッド層２０４は、第１のｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮクラッド層２０４のＡｌ組成ｙがｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層２０２のＡｌ組成ｘよりも小さいことにより、格子緩和しておらず、この場合、第１のｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮクラッド層２０４は圧縮歪みを有する。第１のｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮクラッド層２０４は、例えばＭｇを１０¹⁸〜１０²⁰[ｃｍ^-3]ドープされており、第１のｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮクラッド層２０４の膜厚は、Ａｌ組成ｘ及びｙによって異なるが、典型的には１．５〜２．５μｍとすることができる。

第２のｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層２０５は、第１のｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮクラッド層２０４上に形成され、例えばＭｇを１０¹⁸〜１０²⁰[ｃｍ^-3]ドープされており、第２のｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮクラッド層２０５の膜厚は、Ａｌ組成ｘ及びｙによって異なるが、典型的には１．５〜２．５μｍとすることができる。

ｐ−ＧａＮコンタクト層２０６は、第２のｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層２０５上に形成され、例えばＭｇを１０¹⁸〜１０²⁰[ｃｍ^-3]ドープされており、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０６の膜厚は典型的には数十ｎｍとすることができる。

ここで、本発明においては、第１のｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮクラッド層２０４及び第２のｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層２０５は傾斜層でもよく、そのＡｌ組成がｙ＜ｘであり且つＡｌ組成ｘは第１のｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮクラッド層２０４が圧縮歪みを有する場合に第１のｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮクラッド層２０４の結晶場分裂エネルギーΔ_CR＞０となる組成であり、ｉ−ＧａＮコア層２０３及び第１のｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮクラッド層２０４が圧縮歪みの関係を満たしていればよい。また、基板２０１は、例えばサファイア又はシリコンで構成することができる。

本発明の光変調導波路２００によると、図３及び図６に示されるように、第１のｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮクラッド層２０４は、低Ａｌ組成及び圧縮歪みにより価電子帯の結晶場分裂エネルギーΔ_CRが正となるため、重いホールＨＨが最も高くなる。Ｃ軸に平行な電場の光ではГ₇からГ₉への遷移、すなわち結晶場分裂ホール価電子帯ＣＨから重いホールＨＨへの遷移が許容は禁止であるため、価電子帯間遷移が抑制され、伝送損失を従来構造よりも改善することができる。

加えて、本発明の光変調導波路２００によると、第２のｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層２０５が無歪みであるため、膜厚の制約が無く、構造の自由度が高いという効果も有する。

なお、上記説明においては各層を構成する材料としてＧａＮ／ＡｌＧａＮ系材料を使用した例で説明したが、以下の条件を満たす材料系であれば、本発明の作用効果を得ることが可能である。まず、光導波路として機能するために、窒化物系半導体コア層２０３（実施例１ではｉ−ＧａＮコア層２０３）のバンドギャップがｎ型窒化物系半導体クラッド層２０２（実施例１ではｎ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層２０２）および第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層２０４（実施例１では第１のｐ−ＡｌyＧａ1-yＮクラッド層２０４）のバンドギャップよりも小さく、かつ窒化物系半導体コア層２０３の屈折率がｎ型窒化物系半導体クラッド層２０２及び第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層２０４の屈折率よりも大きいことが前提となる。そして、そのような光導波路で本発明の効果を発現するためには、ｎ型窒化物系半導体クラッド層２０２、窒化物系半導体コア層２０３、第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層２０４及び第２のｐ型窒化物系半導体クラッド層２０５（実施例１では第２のｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層２０５）は、窒化物系半導体コア層２０３の格子定数が第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層２０４および第２のｐ型窒化物系半導体クラッド層２０５の格子定数よりも大きく、第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層２０４に圧縮歪みが加わり、第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層２０４の価電子帯の結晶場分裂エネルギーが正の値となる組成を有することを満たすように構成された材料であればよい。また、ｐ型窒化物系半導体コンタクト層２０６（実施例１のｐ−ＧａＮコンタクト層２０６）は、第２のｐ型窒化物系半導体クラッド層２０５と電極２０８との間を低抵抗で接続できる材料であればよい。

例えば、窒化物系半導体コア層２０３には、ｉ−ＧａＮの他に、前述の条件を満たす限りＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸層、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸層又はＡｌＩｎＧａＮ層を用いることができる。また、第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層２０４および第２のｐ型窒化物系半導体クラッド層２０５としては、ｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮやｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮの代わりに、前述の条件を満たす限りｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸層などを用いることができる。なお、量子井戸層の場合は、量子井戸層を構成する各層の膜厚と組成から求められる平均組成により、歪みの加わり方や屈折率、格子定数を見積り、前後の層との関係が前述の条件を満たせばよい。

１００、２００ 光変調導波路
１０１、２０１ 基板
１０２ ｎ−ＧａＮバッファ層
１０３、２０２ ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層
１０４ ｉ−ＧａＮコア層
１０５ ｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層
１０６ ｐ−ＧａＮコンタクト層
１０７、１０８、２０７、２０８ 電極
２０２ ｎ型窒化物系半導体クラッド層（ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層）
２０３ 窒化物系半導体コア層（ｉ−ＧａＮコア層）
２０４ 第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層（第１のｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮクラッド層）
２０５ 第２のｐ型窒化物系半導体クラッド層（第２のｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層）
２０６ ｐ型窒化物系半導体コンタクト層（ｐ−ＧａＮコンタクト層）

Claims (3)

1. 基板、ｎ型窒化物系半導体クラッド層、窒化物系半導体コア層、第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層、第２のｐ型窒化物系半導体クラッド層及びｐ型窒化物系半導体コンタクト層がＣ軸方向に順次積層された光変調導波路であって、
   前記窒化物系半導体コア層のバンドギャップは、前記ｎ型窒化物系半導体クラッド層及び前記第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層のバンドギャップよりも小さく、かつ前記窒化物系半導体コア層の屈折率は、前記ｎ型窒化物系半導体クラッド層及び前記第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層の屈折率よりも大きく、前記ｎ型窒化物系半導体クラッド層、前記第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層及び前記第２のｐ型窒化物系半導体クラッド層はＡｌを含み、
   前記窒化物系半導体コア層の格子定数は、前記第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層及び前記第２のｐ型窒化物系半導体クラッド層の格子定数よりも大きく、前記ｎ型窒化物系半導体クラッド層及び前記第２のｐ型窒化物系半導体クラッド層のＡｌ組成及び前記窒化物系半導体コア層の膜厚は前記窒化物系半導体コア層が格子緩和しないようなＡｌ組成及び膜厚であり、前記ｎ型窒化物系半導体クラッド層及び前記第２のｐ型窒化物系半導体クラッド層のＡｌ組成は、前記第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層のＡｌ組成よりも大きく、且つ前記ｎ型窒化物系半導体クラッド層及び前記第２のｐ型窒化物系半導体クラッド層のＡｌ組成は前記第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層の価電子帯の結晶場分裂エネルギーが正となる値であることを特徴とする光変調導波路。
2. 前記ｎ型窒化物系半導体クラッド層がｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮ、
   前記窒化物系半導体コア層がｉ−ＧａＮ、
   前記第１のｐ型窒化物系半導体クラッド層がｐ−Ａｌ_yＧａ_1-yＮ、
   前記第２のｐ型窒化物系半導体クラッド層がｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮ、
   前記ｐ型窒化物系半導体コンタクト層がｐ−ＧａＮからなることを特徴とする請求項１に記載の光変調導波路。
3. ｘ≦０．１であることを特徴とする請求項２に記載の光変調導波路。

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