JP5731455B2

JP5731455B2 - 光変調器およびその製造方法

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Description

本発明は、窒化物半導体を用いた導波路構造の光変調器およびその製造方法に関する。

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。現在、ＬｉＮｂＯ₃を用いた変調器が、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、印加電圧は、シグナル電極とグラウンド電極の間でかけられる。この結果、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、３〜５Ｖ程度の高い駆動電圧、および２０〜４０ｍｍ程度の電極長が必要となる。このため、ＬｉＮｂＯ₃を用いた導波路型の変調器は、消費電力が大きく、か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。

導波路型の光変調器における低消費電力化および小型化を実現するため、ＧａＮ系光導波路を有するｎ−ｉ−ｎ構造の半導体光変調導波路が提案されている（特許文献１参照）。この光変調導波路について、図８の断面図を用いて簡単に説明する。光変調導波路８００は、基板８０１上に、ｎ−ＧａＮからなる電極層８０２、ｉ−ＡｌＧａＮからなる下部クラッド層８０３、ｉ−ＧａＮからなるコア層８０４、ｉ−ＡｌＧａＮからなる上部クラッド層８０５、およびｎ−ＧａＮからなる電極層８０６が順次積層されている。

下部クラッド層８０３，コア層８０４，上部クラッド層８０５，および電極層８０６によるハイメサ導波路構造は、基板８０１の上にｎ−ＧａＮ、ｉ−ＡｌＧａＮ、ｉ−ＧａＮ、ｉ−ＡｌＧａＮ、およびｎ−ＧａＮの各層をエピタキシャル成長した後、公知のリソグラフィープロセスおよびエッチングプロセスによりパターニングすることで形成している。また、上記ハイメサ構造を形成した後、電極層８０２上に電極８０７を形成し、電極層８０６上に電極８０８を形成する。

上述した光変調導波路８００においては、電圧の印加は、光が閉じ込められている厚さ１μｍ程度の光導波路部分を挟む電極層８０２と電極層８０６との間で行われるため、ＬｉＮｂＯ₃変調導波路などに比べ、光の導波する領域（コア層８０４）に対して高密度な電界印加が可能である。このため、上記構造を用いることで、位相変調部の長さが３ｍｍ程度で駆動電圧が３Ｖ以下の、小型で低駆動電圧の光変調導波路を実現することが可能となる。

特開２０１１−１８６１６９号公報

O. Ambacher et al. , "Two dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization in undoped and doped AlGaN/GaN heterostructures", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol.87, no.1, pp.334-344,2000.

ところで、窒化物半導体の結晶成長は、一般に、ｃ面（０００１）の法線方向であるｃ軸方向に進行する状態で行われている。このようにｃ軸方向に成長したＧａＮおよびＡｌＧａＮの積層構造は、極めて強い分極効果によって、ヘテロ界面に２次元キャリアガスを発生する（非特許文献１参照）。こうした分極効果による２次元キャリアガスの存在は、高電子移動度トランジスタへの応用などでは有用である。しかしながら、上述したような導波路構造の光変調器においては、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面およびＧａＮ／ＡｌＧａＮ界面における２次元キャリアガスにより電界変調が阻害されるため、所望の変調動作を得られないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、窒化物半導体を用いた導波路構造の光変調器で所望の変調動作が得られるようにすることを目的とする。

本発明に係る光変調器は、アンドープの第１窒化物半導体から構成されて基板の上に形成され、上面をｃ面とした断面視矩形のコアと、第１窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーのアンドープの第２窒化物半導体から構成されてコアを挟んでコアの側面に接して形成された２つのキャリアブロック層と、第２窒化物半導体より小さなバンドギャップエネルギーのｎ型の第３窒化物半導体から構成され、コアを挟んでキャリアブロック層に接して上面をｃ面とされて形成された２つの電極層と、コアの上面に形成されたクラッドと、２つの電極層の各々に接続する２つの電極とを備える。

上記光変調器において、電極層は、基板の上に上面をｃ面として結晶成長された第３窒化物半導体からなる結晶成長層に形成された基板に到達する断面矩形の貫通溝部により分割された結晶成長層の各々の部分より構成され、キャリアブロック層は、貫通溝部により形成される２つの電極層の各々対向する側面にｃ軸に垂直な方向へ第２窒化物半導体を結晶成長することで形成され、コアは、貫通溝部の中で２つのキャリアブロック層のｃ面に垂直な結晶面とされた表面に第１窒化物半導体を結晶成長することで形成されているようにすればよい。

また、上記光変調器において、コアは、基板の上に上面をｃ面として結晶成長された第１窒化物半導体からなるコア形成層に形成された基板に到達する断面矩形の２つの貫通溝部に挟まれたコア形成層の部分より構成され、キャリアブロック層は、２つの貫通溝部により形成されるコアの２つの側面にｃ軸に垂直な方向へ第２窒化物半導体を結晶成長することで形成され、電極層は、各々の貫通溝部の中でキャリアブロック層のｃ面に垂直な結晶面とされた表面に第３窒化物半導体を結晶成長することで形成されているようにしてもよい。

また、本発明に係る光変調器の製造方法は、アンドープの第１窒化物半導体から構成されて基板の上に形成され、上面をｃ面とした断面視矩形のコアと、第１窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーのアンドープの第２窒化物半導体から構成されてコアを挟んでコアの側面に接して形成された２つのキャリアブロック層と、第２窒化物半導体より小さなバンドギャップエネルギーのｎ型の第３窒化物半導体から構成され、コアを挟んでキャリアブロック層に接して上面をｃ面とされて形成された２つの電極層と、コアの上面に形成されたクラッドと、２つの電極層の各々に接続する２つの電極とを備える光変調器の製造方法において、基板の上に上面をｃ面として第３窒化物半導体を結晶成長して結晶成長層を形成する第１工程と、結晶成長層に断面矩形の貫通溝部を基板に到達させて形成し、貫通溝部により分割された結晶成長層の各々の部分より電極層を形成する第２工程と、貫通溝部により形成される２つの電極層の各々対向する側面にｃ軸に垂直な方向へ第２窒化物半導体を結晶成長してキャリアブロック層を形成する第３工程と、貫通溝部の中で２つのキャリアブロック層のｃ面に垂直な結晶面とされた表面に第１窒化物半導体を結晶成長することでコアを形成する第４工程と、コアの上にクラッドを形成する第５工程と、２つの電極層の各々に接続する電極を形成する第６工程とを備える。

また、本発明に係る光変調器の製造方法は、アンドープの第１窒化物半導体から構成されて基板の上に形成され、上面をｃ面とした断面視矩形のコアと、第１窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーのアンドープの第２窒化物半導体から構成されてコアを挟んでコアの側面に接して形成された２つのキャリアブロック層と、第２窒化物半導体より小さなバンドギャップエネルギーのｎ型の第３窒化物半導体から構成され、コアを挟んでキャリアブロック層に接して上面をｃ面とされて形成された２つの電極層と、コアの上面に形成されたクラッドと、２つの電極層の各々に接続する２つの電極とを備える光変調器の製造方法において、基板の上に上面をｃ面として第１窒化物半導体を結晶成長してコア形成層を形成する第１工程と、コア形成層に断面矩形の２つの貫通溝部を所定の間隔を開けて基板に到達させて形成し、２つの貫通溝部に挟まれたコア形成層の部分よりコアを形成する第２工程と、２つの貫通溝部により形成されるコアの２つの側面にｃ軸に垂直な方向へ第２窒化物半導体を結晶成長することでキャリアブロック層を形成する第３工程と、各々の貫通溝部の中でキャリアブロック層のｃ面に垂直な結晶面とされた表面に第３窒化物半導体を結晶成長することで電極層を形成する第４工程と、コアの上にクラッドを形成する第５工程と、２つの電極層の各々に接続する電極を形成する第６工程とを備える。

以上説明したことにより、本発明によれば、窒化物半導体を用いた導波路構造の光変調器で、所望の変調動作が得られるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１における光変調器の構成を示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態２における光変調器の構成を示す断面図である。図３は、本発明の実施の形態２における光変調器の、電界が印加される方向のバンドギャップの状態を示すバンド図である。図４は、本発明の実施の形態２における光変調器のコア２０４ａによる光導波路における光閉じ込めを解析した結果を示す説明図である。図５Ａは、本発明の実施の形態２における光変調器の製造方法を説明するための各工程における断面を示す断面図である。図５Ｂは、本発明の実施の形態２における光変調器の製造方法を説明するための各工程における断面を示す断面図である。図５Ｃは、本発明の実施の形態２における光変調器の製造方法を説明するための各工程における断面を示す断面図である。図５Ｄは、本発明の実施の形態２における光変調器の製造方法を説明するための各工程における断面を示す断面図である。図５Ｅは、本発明の実施の形態２における光変調器の製造方法を説明するための各工程における断面を示す断面図である。図５Ｆは、本発明の実施の形態２における光変調器の製造方法を説明するための各工程における断面を示す断面図である。図６は、本発明の実施の形態３における光変調器の構成を示す断面図である。図７Ａは、本発明の実施の形態３における光変調器の製造方法を説明するための各工程における断面を示す断面図である。図７Ｂは、本発明の実施の形態３における光変調器の製造方法を説明するための各工程における断面を示す断面図である。図７Ｃは、本発明の実施の形態３における光変調器の製造方法を説明するための各工程における断面を示す断面図である。図７Ｄは、本発明の実施の形態３における光変調器の製造方法を説明するための各工程における断面を示す断面図である。図７Ｅは、本発明の実施の形態３における光変調器の製造方法を説明するための各工程における断面を示す断面図である。図８は、従来よりある光変調導波路の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における光変調器の構成を示す断面図である。この光変調器は、まず、アンドープの第１窒化物半導体から構成されて基板１０１の上に形成され、上面をｃ面とした断面視矩形のコア１０２を備える。コア１０２は、ｃ面に垂直なａ面もしくはｍ面に平行な方向に延在している。コア１０２は、例えば、アンドープのＧａＮから構成すればよい。

また、第１窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーのアンドープの第２窒化物半導体から構成されてコア１０２を挟んでコア１０２の側面に接して形成された２つのキャリアブロック層１０３を備える。キャリアブロック層１０３は、例えば、アンドープのＡｌＧａＮから構成すればよい。

また、第２窒化物半導体より小さなバンドギャップエネルギーのｎ型の第３窒化物半導体から構成され、コア１０２を挟んでキャリアブロック層１０３に接して上面をｃ面とされて形成された２つの電極層１０４を備える。電極層１０４は、例えば、ｎ型のＡｌＧａＮから構成すればよい。なお、コア１０２の上面には、クラッド１０５が形成され、２つの電極層１０４の各々には、電極１０６が接続されている。

この光変調器では、コア１０２に対する電界の印加の経路は、一方の電極層１０４−一方のキャリアブロック層１０３−コア１０２−他方のキャリアブロック層１０３−他方の電極層１０４となる。この方向における一方の電極層１０４，一方のキャリアブロック層１０３，コア１０２，他方のキャリアブロック層１０３，および他方の電極層１０４の積層構造は、各々の界面が、窒化物半導体のｃ面に垂直な面であり、非極性面であるａ面もしくはｍ面となる。このため、分極効果が発現せず、ヘテロ界面には２次元キャリアガスが発生しない。この結果、この光変調器では、何ら阻害されることなく所望の変調動作が得られるようになる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図２，図３を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態２における光変調器の構成を示す断面図である。また、図３は、本発明の実施の形態２における光変調器の、電界が印加される方向のバンドギャップの状態を示すバンド図である。

この光変調器は、基板２０１，電極層２０２，キャリアブロック層２０３ａ，キャリアブロック層２０３ｂ，コア２０４ａ，コア２０４ｂ，クラッド２０５，電極２０６ａ，電極２０６ｂ，電極２０６ｃ，溝部２１１ａ，溝部２１１ｂ，貫通溝部２２１ａ，貫通溝部２２１ｂを備える。

基板２０１は、例えば、主表面をｃ面としたサファイア（コランダム）基板であり、基板２０１の上にｎ型のＡｌＧａＮ（第３窒化物半導体）をｃ軸方向にエピタキシャル成長させることで電極層２０２が形成されている。従って、電極層２０２は、上面をｃ面とされている。また、電極層２０２に形成された貫通溝部２２１ａおよび貫通溝部２２１ｂは、溝側面が、ｃ面に垂直な非極性面（ａ面またはｍ面）とされている。また、貫通溝部２２１ａおよび貫通溝部２２１ｂは、ａ面もしくはｍ面に平行な同じ方向に延在している。また、貫通溝部２２１ａに連続して溝部２１１ａが基板２０１に形成され、貫通溝部２２１ｂに連続して溝部２１１ｂが基板２０１に形成されている。

また、キャリアブロック層２０３ａは、貫通溝部２２１ａの溝側面に、アンドープのＡｌＧａＮ（第２窒化物半導体）をエピタキシャル成長することで形成されている。貫通溝部２２１ａの溝側面は、貫通溝部２２１ａにより形成される２つの電極層２０２の各々対向する側面であり、この面は、ｃ面に垂直な非極性面であるｍ面またはａ面である。従って、キャリアブロック層２０３ａは、ｃ軸に垂直な方向へアンドープのＡｌＧａＮを結晶成長することで形成されていることになる。同様に、キャリアブロック層２０３ｂも、貫通溝部２２１ｂの溝側面に、アンドープのＡｌＧａＮをエピタキシャル成長することで形成されている。

また、コア２０４ａは、貫通溝部２２１ａの中で２つのキャリアブロック層２０３ａのｃ面に垂直な結晶面とされた表面に、アンドープのＧａＮ（第１窒化物半導体）をエピタキシャル成長することで形成されている。貫通溝部２２１ａ内で溝側部に形成された２つのキャリアブロック層２０３ａは、上述したように、互いに対向する表面が、ｃ面に垂直な非極性面であるａ面またはｍ面となっている。

この状態の２つのキャリアブロック層２０３ａの表面に、アンドープのＧａＮをエピタキシャル成長すれば、各々より成長しているＧａＮは貫通溝部２２１ａ内で一体となり、コア２０４ａとなる。同様に、コア２０４ｂも、貫通溝部２２１ｂの中で２つのキャリアブロック層２０３ｂのｃ面に垂直な結晶面とされた表面に、アンドープのＧａＮをエピタキシャル成長することで形成されている。コア２０４ａ，コア２０４ｂは、図２の紙面手前から奥の方に延在して形成されている。この延在方向は、ｍ面もしくはａ面に平行な方向となる。

また、実施の形態２における光変調器は、コア２０４ａ，コア２０４ｂの上にクラッド２０５を備えると共に、コア２０４ａ，コア２０４ｂの下（基板２０１の側）にもクラッド２０５を備える。コア２０４ａ，コア２０４ｂの下のクラッド２０５は、基板２０１に形成された溝部２１１ａ，溝部２１１ｂの中に形成されている。

加えて、実施の形態２における光変調器は、２つのコア２０４ａ，コア２０４ｂに対して３つの電極２０６ａ，電極２０６ｂ，電極２０６ｃを備える。電極２０６ａは、コア２０４ａのコア２０４ｂ形成側とは反対側の電極層２０２の上に接続している。電極２０６ｂは、コア２０４ａとコア２０４ｂの間の電極層２０２の上に接続している。電極２０６ｃは、コア２０４ｂのコア２０４ａ形成側とは反対側の電極層２０２の上に接続している。従って、コア２０４ａは、電極２０６ａと電極２０６ｂとに挟まれた領域に配置され、コア２０４ｂは、電極２０６ｂと電極２０６ｃとに挟まれた領域に配置されている。

この光変調器では、まず、コア２０４ａに対する電界の印加の経路は、電極２０６ａが形成されている電極層２０２−一方のキャリアブロック層２０３ａ−コア２０４ａ−他方のキャリアブロック層２０３ａ−電極２０６ｂが形成されている電極層２０２となる。また、コア２０４ｂに対する電界の印加の経路は、電極２０６ｂが形成されている電極層２０２−一方のキャリアブロック層２０３ｂ−コア２０４ｂ−他方のキャリアブロック層２０３ｂ−電極２０６ｃが形成されている電極層２０２となる。これらの方向は、窒化物半導体のｃ面に垂直な非極性面であるａ面もしくはｍ面の法線方向となる。このため、分極効果が発現せず、ヘテロ界面には２次元キャリアガスが発生しない。この結果、この光変調器では、何ら阻害されることなく所望の変調動作が得られるようになる。

また、実施の形態２における光変調器では、電極２０６ｂが形成されている電極層２０２の領域を挟んで２つのコア２０４ａ，コア２０４ｂを備えるようにしている。この構成により、電極２０６ｂに一定の電圧を印加して電位として浮かせた状態とし、電極２０６ａおよび電極２０６ｃに、異なる極性で同じ値の電圧を印加することで、図３に示すようなプッシュプル動作が可能となる。

図３において、（ａ）は、電極２０６ａにプラス電圧を印加し、電極２０６ｃにマイナス電圧を印加したときの電界が印加される方向のバンドギャップの状態を示している。また、（ｂ）は、電極２０６ａおよび電極２０６ｃには電圧を印加せず、電極２０６ｂにマイナス電圧を印加しているときの電界が印加される方向のバンドギャップの状態を示している。（ｃ）は、電極２０６ａにマイナス電圧を印加し、電極２０６ｃにプラス電圧を印加したときの電界が印加される方向のバンドギャップの状態を示している。

次に、実施の形態２における光変調器のコア２０４ａによる光導波路における光閉じ込めについて説明する。以下では、一例として、Ａｌ組成を０．１としたＡｌＧａＮから電極層２０２を構成し、Ａｌ組成を０．３としたＡｌＧａＮからキャリアブロック層２０３ａを構成し、また、キャリアブロック層２０３ａの層厚を３０ｎｍとし、コア２０４ａの断面形状を幅３μｍ高さ３μｍとした場合について示す。キャリアブロック層２０３ａの層厚は、コア２０４ａの幅方向の厚さである。

上記構成とした光変調器のコア２０４ａによる光導波路における光閉じ込めを解析すると、図４の断面図に示すように、光のモード形状はほぼ円形であり、閉じ込め係数は９２％と良好である。コア２０４ａの断面の寸法（幅および高さ）を小さくすると、閉じ込め係数が小さくなり、光のモードは電極層２０２へと染みだすため、変調効率が低下する。

解析の結果、コア２０４ａの断面が幅１．５μｍ，高さ１．５μｍ以上の寸法であれば、実用上十分な光閉じ込めが可能である。一方、コア２０４ａの断面寸法を大きくした場合、光の閉じ込めは良好となるが、電極層間距離が長くなることから変調効率が低下する。変調時の印加電圧を大きくすれば変調動作は得られるので、基本的にはコア２０４ａの断面寸法に上限はないが、実用上あるいは製造上の観点から、幅５μｍ，高さ５μｍ以下とすることが望ましい。

次に、実施の形態２における光変調器の製造方法について、図５Ａ〜図５Ｆを用いて説明する。図５Ａ〜図５Ｆは、本発明の実施の形態２における光変調器の製造方法を説明するための各工程における断面を示す断面図である。

まず、図５Ａに示すように、基板２０１の上に、ｎ型のＡｌＧａＮをｃ軸方向にエピタキシャル成長して電極層（結晶成長層）２０２を形成する。基板２０１は、前述したようにサファイア基板であればよく、また、ＳｉＣ基板，Ｓｉ基板，ＧａＮ基板など、窒化物系半導体の成長用として使用される基板であればよい。また、電極層２０２は、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などのエピタキシャル成長法により形成すればよい。形成される電極層２０２の主表面は、ｃ面となる。

次に、図５Ｂに示すように、電極層２０２の上に、マスクパターン層５０１を形成する。マスクパターン層５０１は、ａ面もしくはｍ面に平行な方向に延在する溝部５０２ａおよび溝部５０２ｂを備えている。溝部５０２ａおよび溝部５０２ｂにおいては、電極層２０２の表面が露出している。

マスクパターン層５０１は、例えば、窒化シリコン，酸化シリコンなどの、窒化物半導体の選択成長が行える絶縁材料から構成されていればよい。例えば、スパッタ法，熱ＣＶＤ法，プラズマＣＶＤ法などにより上述した絶縁材料の膜を形成し、絶縁材料の膜の形成は、電極層２０２の成長に引き続いて（連続して）行うようにしてもよい。この膜を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、マスクパターン層５０１を形成すればよい。

次に、マスクパターン層５０１を用いて電極層２０２および一部の基板２０１を選択的にエッチングすることで、図５Ｃに示すように、電極層２０２に貫通溝部２２１ａ，貫通溝部２２１ｂを形成し、基板２０１に溝部２１１ａ，溝部２１１ｂを形成する。このエッチングによるパターニングにおいては、貫通溝部２２１ａ，貫通溝部２２１ｂの側壁平面が、ａ面もしくはｍ面となっていることが重要である。従って、いわゆる垂直異方性に優れたドライエッチングにより、上述したパターニングを行えばよい。

次に、図５Ｄに示すように、電極層２０２の貫通溝部２２１ａ，貫通溝部２２１ｂの側壁平面にアンドープのＡｌＧａＮをエピタキシャル成長してキャリアブロック層２０３ａ，キャリアブロック層２０３ｂを形成する。例えば、貫通溝部２２１ａ，貫通溝部２２１ｂを形成した後、再度、エピタキシャル成長装置に搬入し、ｍ軸もしくはａ軸方向の成長速度が速くなる条件で選択成長を行えばよい。このとき、バッファ層としてｎ型のＡｌＧａＮの層を成長してから、キャリアブロック層２０３ａ，キャリアブロック層２０３ｂの成長を行うようにしてもよい。

以上のようにして、所望の厚さにキャリアブロック層２０３ａ，キャリアブロック層２０３ｂを成長したら、引き続き、キャリアブロック層２０３ａ，キャリアブロック層２０３ｂの表面より、アンドープのＧａＮからなる成長層５０３ａ，成長層５０３ｂをエピタキシャル成長させる。このＧａＮの成長においても、ｍ軸もしくはａ軸方向の成長速度が速くなる条件で選択成長を行う。

上述した成長層５０３ａ，成長層５０３ｂの成長を、貫通溝部２２１ａ，貫通溝部２２１ｂが埋まるまで行い、図５Ｅに示すように、２つのキャリアブロック層２０３ａに挟まれたコア２０４ａ，および２つのキャリアブロック層２０３ｂに挟まれたコア２０４ｂを形成する。

以上のようにしてコア２０４ａ，コア２０４ｂを形成した後、基板２０１をエピタキシャル成長装置から取り出し、コア２０４ａ，コア２０４ｂの下の溝部２１１ａ，溝部２１１ｂの空間および上面にクラッドとなる屈折率調整材を流し込み、さらに、選択成長用のために用いたマスクパターン層５０１を除去することで、図５Ｆに示すように、クラッド２０５を形成する。また、公知のリフトオフ技術等を用い、電極２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃを形成する。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について図６を用いて説明する。図６は、本発明の実施の形態３における光変調器の構成を示す断面図である。この光変調器は、基板３０１，コア形成層３０２，コア３０２ａ，コア３０２ｂ，キャリアブロック層３０３ａ，キャリアブロック層３０３ｂ，キャリアブロック層３０３ｃ，電極層３０４ａ，電極層３０４ｂ，電極層３０４ｃ，クラッド３０５，電極３０６ａ，電極３０６ｂ，電極３０６ｃ，溝部３１１ａ，溝部３１１ｂ，溝部３１１ｃ，貫通溝部３２１ａ，貫通溝部３２１ｂ，貫通溝部３２１ｃを備える。

コア形成層３０２は、基板３０１の上に上面をｃ面として結晶成長されたアンドープのＧａＮ（第１窒化物半導体）から構成されている。また、コア３０２ａは、コア形成層３０２に形成された基板３０１に到達する断面矩形の２つの貫通溝部３２１ａ，貫通溝部３２１ｂに挟まれたコア形成層３０２の部分より構成されている。同様に、コア３０２ｂは、コア形成層３０２に形成された基板３０１に到達する断面矩形の２つの貫通溝部３２１ｂ，貫通溝部３２１ｃに挟まれたコア形成層３０２の部分より構成されている。

ここで、貫通溝部３２１ａ，貫通溝部３２１ｂ，貫通溝部３２１ｃは、側壁面をｃ面に垂直なａ面もしくはｍ面とされている。このように形成されている貫通溝部３２１ａの両側面にアンドープのＡｌＧａＮ（第２窒化物半導体）を結晶成長することで、キャリアブロック層３０３ａが形成されている。同様に、貫通溝部３２１ｂの両側面にアンドープのＡｌＧａＮを結晶成長することで、キャリアブロック層３０３ｂが形成され、貫通溝部３２１ｃの両側面にアンドープのＡｌＧａＮを結晶成長することで、キャリアブロック層３０３ｃが形成されている。

従って、図６の紙面において右側のキャリアブロック層３０３ａおよび左側のキャリアブロック層３０３ｂは、２つの貫通溝部３２１ａ，貫通溝部３２１ｂにより形成されるコア３０２ａの２つの側面において、ｃ軸に垂直な方向へアンドープのＡｌＧａＮを結晶成長することで形成されていることになる。また、図６の紙面において右側のキャリアブロック層３０３ｂおよび左側のキャリアブロック層３０３ｃは、２つの貫通溝部３２１ｂ，貫通溝部３２１ｃにより形成されるコア３０２ｂの２つの側面において、ｃ軸に垂直な方向へアンドープのＡｌＧａＮを結晶成長することで形成されていることになる。

また、電極層３０４ａは、貫通溝部３２１ａの中で、２つのキャリアブロック層３０３ａのｃ面に垂直な結晶面（ａ面もしくはｍ面）とされた表面に、ｎ型のＡｌＧａＮ（第３窒化物半導体）を結晶成長することで形成されている。同様に、電極層３０４ｂは、貫通溝部３２１ｂの中で、２つのキャリアブロック層３０３ｂのａ面もしくはｍ面とされた表面に、ｎ型のＡｌＧａＮを結晶成長することで形成されている。また、電極層３０４ｃは、貫通溝部３２１ｃの中で、２つのキャリアブロック層３０３ｃのａ面もしくはｍ面とされた表面に、ｎ型のＡｌＧａＮを結晶成長することで形成されている。

この光変調器では、まず、コア３０２ａに対する電界の印加の経路は、電極３０６ａが形成されている電極層３０４ａ−コア３０２ａに接するキャリアブロック層３０３ａ−コア３０２ａ−コア３０２ａに接するキャリアブロック層３０３ｂ−電極３０６ｂが形成されている電極層３０４ｂとなる。また、コア３０２ｂに対する電界の印加の経路は、電極層３０４ｂ−コア３０２ｂに接するキャリアブロック層３０３ｂ−コア３０２ｂ−コア３０２ｂに接するキャリアブロック層３０３ｃ−電極層３０４ｃとなる。これらの方向は、窒化物半導体のｃ面に垂直な非極性面であるａ面もしくはｍ面の法線方向となる。このため、分極効果が発現せず、ヘテロ界面には２次元キャリアガスが発生しない。この結果、この光変調器では、何ら阻害されることなく所望の変調動作が得られるようになる。

また、実施の形態３における光変調器では、電極３０６ｂが形成されている電極層３０４ｂ挟んで２つのコア３０２ａ，コア３０２ｂを備えるようにしている。この構成により、電極３０６ｂに一定の電圧を印加して電位として浮かせた状態とし、電極３０６ａおよび電極３０６ｃに、異なる極性で同じ値の電圧を印加することで、前述した実施の形態２と同様に、プッシュプル動作が可能となる。

次に、実施の形態３における光変調器の製造方法について、図７Ａ〜図７Ｅを用いて説明する。図７Ａ〜図７Ｅは、本発明の実施の形態３における光変調器の製造方法を説明するための各工程における断面を示す断面図である。

まず、図７Ａに示すように、基板３０１の上に、アンドープのＧａＮをｃ軸方向にエピタキシャル成長してコア形成層３０２を形成する。基板３０１は、前述したようにサファイア基板であればよく、また、ＳｉＣ基板，Ｓｉ基板，ＧａＮ基板など、窒化物系半導体の成長用として使用される基板であればよい。また、コア形成層３０２は、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などのエピタキシャル成長法により形成すればよい。形成されるコア形成層３０２の主表面は、ｃ面となる。

次に、図７Ｂに示すように、コア形成層３０２の上に、マスクパターン層７０１を形成する。マスクパターン層７０１は、ａ面もしくはｍ面に平行な方向に延在する溝部７０２ａおよび溝部７０２ｂを備えている。溝部７０２ａおよび溝部７０２ｂにおいては、コア形成層３０２の表面が露出している。

マスクパターン層７０１は、例えば、窒化シリコン，酸化シリコンなどの、窒化物半導体の選択成長が行える絶縁材料から構成されていればよい。例えば、スパッタ法，熱ＣＶＤ法，プラズマＣＶＤ法などにより上述した絶縁材料の膜を形成し、絶縁材料の膜の形成は、コア形成層３０２の成長に引き続いて（連続して）行うようにしてもよい。この膜を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、マスクパターン層７０１を形成すればよい。

次に、マスクパターン層７０１を用いてコア形成層３０２および一部の基板３０１を選択的にエッチングすることで、図７Ｃに示すように、コア形成層３０２に貫通溝部３２１ａ，貫通溝部３２１ｂ，貫通溝部３２１ｃを形成し、基板３０１に溝部３１１ａ，溝部３１１ｂ，溝部３１１ｃを形成する。このエッチングによるパターニングにおいては、貫通溝部３２１ａ，貫通溝部３２１ｂ，貫通溝部３２１ｃの側壁平面が、ａ面もしくはｍ面となっていることが重要である。従って、いわゆる垂直異方性に優れたドライエッチングにより、上述したパターニングを行えばよい。

次に、図７Ｄに示すように、コア形成層３０２の貫通溝部３２１ａ，貫通溝部３２１ｂ，貫通溝部３２１ｃの側壁平面にアンドープのＡｌＧａＮをエピタキシャル成長してキャリアブロック層３０３ａ，キャリアブロック層３０３ｂ，キャリアブロック層３０３ｃを形成する。例えば、貫通溝部３２１ａ，貫通溝部３２１ｂ，貫通溝部３２１ｃを形成した後、再度、エピタキシャル成長装置に搬入し、ｍ軸もしくはａ軸方向の成長速度が速くなる条件で選択成長を行えばよい。このとき、バッファ層としてｎ型のＡｌＧａＮの層を成長してから、キャリアブロック層３０３ａ，キャリアブロック層３０３ｂ，キャリアブロック層３０３ｃの成長を行うようにしてもよい。

以上のようにして、所望の厚さにキャリアブロック層３０３ａ，キャリアブロック層３０３ｂ，キャリアブロック層３０３ｂｃを成長したら、引き続き、キャリアブロック層３０３ａ，キャリアブロック層３０３ｂ，キャリアブロック層３０３ｃの表面より、ｎ型のＡｌＧａからなる成長層７０３ａ，成長層７０３ｂ，成長層７０３ｃをエピタキシャル成長させる。このＡｌＧａＮの成長においても、ｍ軸もしくはａ軸方向の成長速度が速くなる条件で選択成長を行う。

上述した成長層７０３ａ，成長層７０３ｂ，成長層７０３ｃの成長を、貫通溝部３２１ａ，貫通溝部３２１ｂ，貫通溝部３２１ｃが埋まるまで行い、図７Ｅに示すように、キャリアブロック層３０３ａとキャリアブロック層３０３ｂとに挟まれたコア３０２ａ，およびキャリアブロック層３０３ｂとキャリアブロック層３０３ｃとに挟まれたコア３０２ｂを形成する。

以上のようにしてコア３０２ａ，コア３０２ｂを形成した後、基板３０１をエピタキシャル成長装置から取り出し、選択成長用のために用いたマスクパターン層７０１を除去した後、図６に示すように、クラッド３０５を形成し、また、公知のリフトオフ技術等を用い、電極３０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃを形成する。また、窒化シリコン，酸化シリコンなどから構成したマスクパターン層７０１は、コア３０２ａ，コア３０２ｂに対してクラッドとして機能させることが可能であり、マスクパターン層７０１を除去せずにクラッド３０５としてもよい。

以上に説明したように、本発明によれば、コアに対して印加される電圧の方向を、窒化物半導体のａ軸もしくはｍ軸の方向としたので、分極効果が発生せず、ヘテロ界面に２次元キャリアガスが発生することがないので、窒化物半導体を用いた導波路構造の光変調器で、所望の変調動作が得られるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述した実施の形態では、電極層をＡｌＧａＮから構成し、コアをＧａＮから構成したが、屈折率差が取れる組み合わせであればこの組み合わせに限るものではない。例えば、電極層をＧａＮから構成し、コア層をＩｎＧａＮっから構成してもよい。あるいは、全てをＡｌＧａＮから構成し、電極層のＡｌ組成をコアのＡｌ組成よりも高くするようにしてもよい。さらに、コアは、単一の材料から構成する面に限らず、例えばＡｌＧａＮ／ＧａＮの超格子層やＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層といった多層構造でも同様の効果が得られる。ただし、いずれにおいても、コアの平均の屈折率が、電極層の屈折率よりも高くなるように組成・層厚を設定することが重要である。

１０１…基板、１０２…コア、１０３…キャリアブロック層、１０４…電極層、１０５…クラッド、１０６…電極。

Claims

アンドープの第１窒化物半導体から構成されて基板の上に形成され、上面をｃ面とした断面視矩形のコアと、
前記第１窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーのアンドープの第２窒化物半導体から構成されて前記コアを挟んで前記コアの側面に接して形成された２つのキャリアブロック層と、
前記第２窒化物半導体より小さなバンドギャップエネルギーのｎ型の第３窒化物半導体から構成され、前記コアを挟んで前記キャリアブロック層に接して上面をｃ面とされて形成された２つの電極層と、
前記コアの上面に形成されたクラッドと、
２つの前記電極層の各々に接続する２つの電極と
を備えることを特徴とする光変調器。
請求項１記載の光変調器において、
前記電極層は、前記基板の上に上面をｃ面として結晶成長された前記第３窒化物半導体からなる結晶成長層に形成された前記基板に到達する断面矩形の貫通溝部により分割された前記結晶成長層の各々の部分より構成され、
前記キャリアブロック層は、前記貫通溝部により形成される２つの前記電極層の各々対向する側面にｃ軸に垂直な方向へ前記第２窒化物半導体を結晶成長することで形成され、
前記コアは、前記貫通溝部の中で２つの前記キャリアブロック層のｃ面に垂直な結晶面とされた表面に前記第１窒化物半導体を結晶成長することで形成されていることを特徴とする光変調器。
請求項１記載の光変調器において、
前記コアは、前記基板の上に上面をｃ面として結晶成長された前記第１窒化物半導体からなるコア形成層に形成された前記基板に到達する断面矩形の２つの貫通溝部に挟まれた前記コア形成層の部分より構成され、
前記キャリアブロック層は、２つの前記貫通溝部により形成される前記コアの２つの側面にｃ軸に垂直な方向へ前記第２窒化物半導体を結晶成長することで形成され、
前記電極層は、各々の前記貫通溝部の中で前記キャリアブロック層のｃ面に垂直な結晶面とされた表面に前記第３窒化物半導体を結晶成長することで形成されていることを特徴とする光変調器。
アンドープの第１窒化物半導体から構成されて基板の上に形成され、上面をｃ面とした断面視矩形のコアと、
前記第１窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーのアンドープの第２窒化物半導体から構成されて前記コアを挟んで前記コアの側面に接して形成された２つのキャリアブロック層と、
前記第２窒化物半導体より小さなバンドギャップエネルギーのｎ型の第３窒化物半導体から構成され、前記コアを挟んで前記キャリアブロック層に接して上面をｃ面とされて形成された２つの電極層と、
前記コアの上面に形成されたクラッドと、
２つの前記電極層の各々に接続する２つの電極とを備える光変調器の製造方法において、
前記基板の上に上面をｃ面として前記第３窒化物半導体を結晶成長して結晶成長層を形成する第１工程と、
前記結晶成長層に断面矩形の貫通溝部を前記基板に到達させて形成し、前記貫通溝部により分割された前記結晶成長層の各々の部分より前記電極層を形成する第２工程と、
前記貫通溝部により形成される２つの前記電極層の各々対向する側面にｃ軸に垂直な方向へ前記第２窒化物半導体を結晶成長して前記キャリアブロック層を形成する第３工程と、
前記貫通溝部の中で２つの前記キャリアブロック層のｃ面に垂直な結晶面とされた表面に前記第１窒化物半導体を結晶成長することで前記コアを形成する第４工程と、
前記コアの上に前記クラッドを形成する第５工程と、
２つの前記電極層の各々に接続する前記電極を形成する第６工程と
を備えることを特徴とする光変調器の製造方法。
アンドープの第１窒化物半導体から構成されて基板の上に形成され、上面をｃ面とした断面視矩形のコアと、
前記第１窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーのアンドープの第２窒化物半導体から構成されて前記コアを挟んで前記コアの側面に接して形成された２つのキャリアブロック層と、
前記第２窒化物半導体より小さなバンドギャップエネルギーのｎ型の第３窒化物半導体から構成され、前記コアを挟んで前記キャリアブロック層に接して上面をｃ面とされて形成された２つの電極層と、
前記コアの上面に形成されたクラッドと、
２つの前記電極層の各々に接続する２つの電極とを備える光変調器の製造方法において、
前記基板の上に上面をｃ面として前記第１窒化物半導体を結晶成長してコア形成層を形成する第１工程と、
前記コア形成層に断面矩形の２つの貫通溝部を所定の間隔を開けて前記基板に到達させて形成し、２つの前記貫通溝部に挟まれた前記コア形成層の部分より前記コアを形成する第２工程と、
２つの前記貫通溝部により形成される前記コアの２つの側面にｃ軸に垂直な方向へ前記第２窒化物半導体を結晶成長することで前記キャリアブロック層を形成する第３工程と、
各々の前記貫通溝部の中で前記キャリアブロック層のｃ面に垂直な結晶面とされた表面に前記第３窒化物半導体を結晶成長することで前記電極層を形成する第４工程と、
前記コアの上に前記クラッドを形成する第５工程と、
２つの前記電極層の各々に接続する前記電極を形成する第６工程と
を備えることを特徴とする光変調器の製造方法。