JP5956371B2

JP5956371B2 - 光変調導波路

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Publication number: JP5956371B2
Application number: JP2013059409A
Authority: JP
Inventors: 則之渡邉
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2016-07-27
Anticipated expiration: 2033-03-22
Also published as: JP2014186074A

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。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５の断面図を用いて簡単に説明する。光変調導波路５００は、基板５０１上に、ｎ−ＧａＮからなる電極層５０２、ｉ−ＡｌＧａＮからなる下部クラッド層５０３、ｉ−ＧａＮからなるコア層５０４、ｉ−ＡｌＧａＮからなる上部クラッド層５０５、およびｎ−ＧａＮからなる電極層５０６が順次積層されている。

下部クラッド層５０３，コア層５０４，上部クラッド層５０５，および電極層５０６によるハイメサ導波路構造は、基板５０１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５０２上に電極５０７を形成し、電極層５０６上に電極５０８を形成する。

上述した光変調導波路５００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５０２と電極層５０６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５０４）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. P. Chenet al. , "Enhanced Pockels effect in GaN/AlxGa1-xN superlattice measured by polarization-maintaining fiber Mach-Zehnder interferometer", Applied Physics Letters, vol 91, 031103, 2007.

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。

また、２次元キャリアガスの存在は、電界変調させるために電圧を印加した際に電流の担い手となる。このため、光変調導波路にとっては、高周波動作の上で不利になるばかりでなく、消費電力が高くなってしまい、また、ジュール熱が発生して周辺素子の動作にも影響してしまうなどの問題も引き起こす。

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導波路は、基板の上に形成されたｎ型の窒化物半導体からなる第１クラッド層と、第１クラッド層の上に形成されて炭素をドープした窒化物半導体からなるコア層と、コア層の上に形成されたｎ型の窒化物半導体からなる第２クラッド層と、第１クラッド層に接続する第１電極と、第２クラッド層に接続する第２電極とを備える。

上記光変調導波路において、基板と第１クラッド層との間に形成されたｎ型の窒化物半導体からなる第１電極層と、第２クラッド層の上に形成されたｎ型の窒化物半導体からなる第２電極層とを備え、第１電極は、第１電極層を介して第１クラッド層に接続し、第２電極は、第２電極層を介して第２クラッド層に接続するようにしてもよい。

上記光変調導波路において、コア層は、多重量子井戸構造とされているとよい。

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における光変調導波路の構成を模式的に示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態２における光変調導波路の構成を模式的に示す断面図である。図３は、図３は、炭素をドーピングした窒化物半導体が高い抵抗となることを示す実験結果を示す特性図である。図４は、本発明の実施の形態３における光変調導波路の構成を模式的に示す断面図である。図５は、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における光変調導波路の構成を模式的に示す断面図である。この光変調導波路は、基板１０１の上に形成された第１クラッド層１０２と、第１クラッド層１０２の上に形成されたドープされたコア層１０３と、コア層１０３の上に形成された第２クラッド層１０４とを備える。この光変調導波路は、図１の紙面手前から奥の方向に光が導波する。言い換えると、図１は、導波方向に垂直な断面を示している。

また、第１クラッド層１０２は、ｎ型の窒化物半導体から構成され、コア層１０３は、炭素をドープした窒化物半導体から構成され、第２クラッド層１０４は、ｎ型の窒化物半導体から構成されている。また、コア層１０３は、炭素がドープされた窒化物半導体から構成されている。第１クラッド層１０２および第２クラッド層１０４を構成する窒化物半導体は、コア層１０３を構成する窒化物半導体より小さい屈折率とする。

例えば、第１クラッド層１０２および第２クラッド層１０４は、シリコンをドープしたＡｌＧａＮから構成し、コア層１０３は、炭素をドープしたＧａＮから構成すればよい。また、コア層１０３をＡｌＧａＮから構成し、第１クラッド層１０２，第２クラッド層１０４を、コア層１０３のＡｌＧａＮよりＡｌ組成の大きいＡｌＧａＮから構成してもよい。基板１０１は、上述した各層がエピタキシャル成長できる結晶材料から構成されていればよい。

また、この光変調導波路は、第１クラッド層１０２に接続する第１電極１０５と、第２クラッド層１０４に接続する第２電極１０６とを備える。例えば、上述した各窒化物半導体層は、よく知られた有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長することで形成すればよい。また、コア層１０３，第２クラッド層１０４は、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導波方向に延在する短冊上のパターンに形成され、この側方に露出する第１クラッド層１０２の上に第１電極１０５が形成されている。また、第２クラッド層１０４の上に第２電極１０６が形成されている。

上述した実施の形態１によれば、コア層１０３に炭素がドーピングされているようにしたので、コア層１０３の抵抗が極めて高くなり、分極効果によるヘテロ界面への２次元キャリアガスの発生が、抑制されるようになる。このため、第１クラッド層１０２および第２クラッド層１０４の間に電圧を印加しても、第１電極１０５と第２電極１０６との間には電流が流れなくなる。この結果、実施の形態１によれば、電界変調が阻害されることなく所望の変調動作を得られるようになり、消費電力が抑制でき、また、ジュール熱が発生することもない。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態２における光変調導波路の構成を模式的に示す断面図である。この光変調導波路は、基板２０１の上に形成された第１クラッド層２０３と、第１クラッド層２０３の上に形成されたコア層２０４と、コア層２０４の上に形成された第２クラッド層２０５とを備える。

第１クラッド層２０３は、ｎ型の窒化物半導体から構成され、第２クラッド層２０５は、ｎ型の窒化物半導体から構成されている。コア層２０４は、炭素をドープした窒化物半導体から構成された多重量子井戸構造とされている。窒化物半導体において、例えばＡｌＧａＮ／ＧａＮから構成される多重量子井戸（Multiple Quantum Well：ＭＱＷ）構造において電気光学効果が強まることが報告されている（非特許文献２参照）。この効果を用いることにより、前述した実施の形態１の場合のようにコア層を均一な層から構成する場合に比較し、さらなる低駆動電圧化が期待される。なお、第１クラッド層２０３および第２クラッド層２０５を構成する窒化物半導体の屈折率は、コア層２０４を構成する窒化物半導体の平均屈折率よりより小さい値とする。

また、実施の形態２では、基板２０１と第１クラッド層２０３との間に形成されたｎ型の窒化物半導体からなる第１電極層２０２と、第２クラッド層２０５の上に形成されたｎ型の窒化物半導体からなる第２電極層２０６とを備える。この光変調導波路は、図２の紙面手前から奥の方向に光が導波する。言い換えると、図２は、導波方向に垂直な断面を示している。

例えば、第１クラッド層２０３および第２クラッド層２０５は、シリコンをドープしたＡｌＧａＮから構成し、コア層２０４は、炭素をドープしたＡｌＮ層と炭素をドープしたＧａＮ層とを交互に積層した多重量子井戸構造とすればよい。また、第１電極層２０２および第２電極層２０６は、シリコンをドープしたＧａＮから構成すればよい。

また、この光変調導波路は、第１クラッド層２０３に第１電極層２０２を介して接続する第１電極２０７と、第２クラッド層２０５に第２電極層２０６を介して接続する第２電極２０８とを備える。第１電極２０７は、第１電極層２０２にオーミック接触し、第２電極２０８は、第２電極層２０６にオーミック接触している。

例えば、上述した各窒化物半導体層は、よく知られた有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長することで形成すればよい。また、第１クラッド層２０３コア層２０４，第２クラッド層２０５，第２電極層２０６は、例えば、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導波方向に延在する短冊上のパターンに形成され、この側方に露出する第１クラッド層２０３の上に第１電極２０７がオーミック接触して形成されている。また、第２クラッド層２０５の上に第２電極２０８が形成されている。

上述した実施の形態２によれば、コア層２０４に炭素がドーピングされているようにしたので、コア層２０４の抵抗が極めて高くなり、第１クラッド層２０３および第２クラッド層２０５の間に電圧を印加しても電流が流れなくなる。この状態を、図３を用いて説明する。図３は、炭素をドーピングした窒化物半導体が高い抵抗となることを示す実験結果を示す特性図である。

この実験では、ＡｌＮ層とＡｌＧａＮ層とを積層した多重量子井戸構造を、シリコンをドープしたｎ型のＧａＮからなる２つの電極層で挟んだ２つの素子を用いている。一方の素子は、多重量子井戸構造に炭素がドーピングされ、他方の素子は、多重量子井戸構造をノンドープとしている。図３において、（ａ）が炭素をドープした多重量子井戸構造の素子の結果を示し、（ｂ）がノンドープとした多重量子井戸構造の比較素子の結果を示している。

図３の（ａ）と（ｂ）の比較から明らかなように、多重量子井戸構造への炭素ドーピングの有無により、流れる電流が大きく変化し、炭素ドーピングによる高抵抗化が明白となっている。この実験結果より明らかなように、実施の形態２における光変調導波路において、多重量子井戸構造のコア層２０４に炭素をドーピングすることで、コア層２０４の抵抗が極めて高くなり、分極効果によるヘテロ界面への２次元キャリアガスの発生を、抑制できるようになる。このことにより、実施の形態２においても、電界変調が阻害されることなく所望の変調動作を得られるようになり、消費電力が抑制でき、また、ジュール熱が発生することもない。

ところで、上述では、電極とコア層との間の各層（クラッド層，電極層）をｎ型としているが、この点について説明する。電界変調を行うためには、クラッド層がｐ型およびｎ型のいずれでもよいが、以下に示すように、ｎ型の方が好ましい。

まず、第１に、効率的な電界変調を加えるには、コンタクト層・クラッド層の抵抗はできるだけ低い方が望ましい。窒化物半導体において、ｐ型導電性を与える不純物としてはマグネシウムが一般的であるが、特性上マグネシウムドープ窒化物半導体におけるキャリア濃度はたかだか１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度にしかすぎず、また、移動度も数十ｃｍ²／Ｖｓ程度と低い。このため、ｐ型では、望ましい低抵抗なコンタクト層・クラッド層を得ることは不可能である。

これに対し、ｎ型を与える不純物、例えば、シリコンやゲルマニウムは、１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度あるいはそれ以上のキャリア濃度を得ることが可能であり、かつ、移動度も１００ｃｍ²／Ｖｓ程度を超える高い値となる。このため、ｎ型とすることで、望ましい低抵抗なコンタクト層・クラッド層を形成することができる。

次に、第２に、Γ点近傍の価電子帯のバンド構造は、有効質量の異なる複数のバンドが存在し、バンド間のエネルギー差は光導波層に通す光（波長として１．３μｍ帯や１．５μｍ帯）のエネルギーに近い。ｐ型の層においては、この複数の価電子帯間の遷移が可能であり、したがって、ｐ型層においては、このエネルギー差により光の吸収が生じ、導波する光強度が低下してしまう可能性がある。これは導波路として利用する上で大きな欠点となるため、ｐ型層はできるだけ使用しない方が望ましい。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について、図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態３における光変調導波路の構成を模式的に示す断面図である。この光変調導波路は、基板３０１の上に形成された第１クラッド層３０３と、第１クラッド層３０３の上に形成されたコア層３０４と、コア層３０４の上に形成された第２クラッド層３０５とを備える。

第１クラッド層３０３は、ｎ型の窒化物半導体から構成され、第２クラッド層３０５は、ｎ型の窒化物半導体から構成されている。コア層３０４は、炭素をドープした窒化物半導体から構成された多重量子井戸構造とされている。なお、第１クラッド層３０３および第２クラッド層３０５を構成する窒化物半導体の屈折率は、コア層３０４を構成する窒化物半導体の平均屈折率よりより小さい値とする。

また、実施の形態３では、基板３０１と第１クラッド層３０３との間に形成されたｎ型の窒化物半導体からなる第１電極層３０２と、第２クラッド層３０５の上に形成されたｎ型の窒化物半導体からなる第２電極層３０６とを備える。加えて、第１電極層３０２と第１クラッド層３０３との間には、ｎ型の窒化物半導体からなる第１組成傾斜層３２１を備え、第２クラッド層３０５と第２電極層３０６との間には、ｎ型の窒化物半導体からなる第２組成傾斜層３２２を備える。この光変調導波路は、図４の紙面手前から奥の方向に光が導波する。言い換えると、図４は、導波方向に垂直な断面を示している。

例えば、基板３０１は、主表面をＣ面としたサファイア（コランダム）から構成されている。第１電極層３０２は、キャリア濃度５×１０¹⁸ｃｍ^-3程度のＳｉがドープされたＧａＮから構成され、層厚２０００ｎｍ程度とされている。第１組成傾斜層３２１は、キャリア濃度５×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉがドープされたＡｌＧａＮから構成され、層厚１００ｎｍ程度とされている。また、第１組成傾斜層３２１は、層厚方向（積層方向）に、Ａｌ組成が０％から１５％まで線形に変化している。第１クラッド層３０３は、キャリア濃度５×１０¹⁸ｃｍ^-3程度のＳｉがドープされ、Ａｌ組成が１５％とされたＡｌＧａＮから構成され、層厚５００ｎｍ程度とされている。

コア層３０４は、炭素がドープされた層厚２ｎｍのＡｌＮ層と、炭素がドープされた層厚１８ｎｍのＧａＮ層とが、交互に３０組積層された多重量子井戸構造とされている。また、各層における炭素濃度は、１×１０¹⁹ｃｍ^-3とされている。

第２クラッド層３０５は、キャリア濃度５×１０¹⁸ｃｍ^-3程度のＳｉがドープされ、Ａｌ組成が１５％とされたＡｌＧａＮから構成され、層厚５００ｎｍ程度とされている。第２組成傾斜層３２２は、キャリア濃度５×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉがドープされたＡｌＧａＮから構成され、層厚１００ｎｍ程度とされている。また、第２組成傾斜層３２２は、層厚方向（積層方向）に、Ａｌ組成が１５％から０％まで線形に変化している。第２電極層３０６は、キャリア濃度５×１０¹⁸ｃｍ^-3程度のＳｉがドープされたＧａＮから構成され、層厚２００ｎｍ程度とされている。

例えば、上述した各窒化物半導体層は、よく知られた有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長することで形成すればよい。また、第２電極層３０６，第２組成傾斜層３２２，第２クラッド層３０５，コア層３０４，第１クラッド層３０３，第１組成傾斜層３２１，および一部の第１電極層３０２は、導波方向に延在する短冊上のパターンに形成され、この側方に露出する第１電極層３０２の上に第１電極３０７が形成されている。また、第２電極層３０６の上に第２電極３０８が形成されている。電界変調を加えるための第１電極３０７および第２電極３０８は、半導体に接する側からチタン，アルミニウム，ニッケル，金を順次積層した積層構成となっている。

上述した実施の形態３によれば、コア層３０４に炭素がドーピングされているようにしたので、コア層３０４の抵抗が極めて高くなり、分極効果によるヘテロ界面への２次元キャリアガスの発生を、抑制できるようになる。このことにより、実施の形態３においても、電界変調が阻害されることなく所望の変調動作を得られるようになり、消費電力が抑制でき、また、ジュール熱が発生することもない。

なお、コア層３０４の多重量子井戸構造における平均Ａｌ組成は、ＡｌＮ層が層厚２ｎｍであり、ＧａＮ層が層厚１８ｎｍであるから、１０％に相当する。これに対応させ、第１クラッド層３０３および第２クラッド層３０５の屈折率は、Ａｌ組成１０％のＡｌＧａＮよりも小さくなるようにする必要がある。実施の形態３では、第１クラッド層３０３および第２クラッド層３０５のを、Ａｌ組成１５％のＡｌＧａＮから構成することで、上述した屈折率の状態を実現している。

なお、第１クラッド層３０３および第２クラッド層３０５は、屈折率がＡｌ組成１０％のＡｌＧａＮよりも小さければよいので、Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎに限るものではなく、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（ただし、０≦ｘ＋ｙ≦１）のうち、屈折率がコア層３０４よりも小さい組成比採用すればよいことは当然である。また、上述では、第１クラッド層３０３および第２クラッド層３０５を単一組成の単一の層から構成しているが、これに限らず、平均の屈折率がコア層３０４の平均屈折率よりも低い多重量子井戸構造であってもよい。

また、上述子では、コア層３０４を、ＡｌＮおよびＧａＮからなる多重量子井戸構造としているが、これに限るものではない。コア層３０４は、Ｉｎ^xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層（ただし、０≦ｘ＋ｙ≦１）と、Ｉｎ_wＡｌ_zＧａ_1-w-zＮ層（ただし、０≦ｗ＋ｚ≦１）との任意の組み合わせによる多重量子井戸構造であってもよい。炭素ドーピングによる効果は、炭素濃度が濃いほど強くなるが、あまり高濃度にドーピングすると表面が荒れるなど結晶品質に悪影響を及ぼす。高抵抗化の効果が得られつつ結晶品質をある程度良好に保つには、炭素濃度として１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上１×１０²⁰ｃｍ^-3以下の範囲であれば問題ない。

以上に説明したように、本発明によれば、窒化物半導体から構成される光変調導波路のコア層に炭素をドーピングするようにしたので、コア層を高抵抗化することができ、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。

１０１…基板、１０２…第１クラッド層、１０３…コア層、１０４…第２クラッド層、１０５…第１電極、１０６…第２電極。

Claims

基板の上に形成されたｎ型の窒化物半導体からなる第１クラッド層と、
前記第１クラッド層の上に形成されて炭素をドープした窒化物半導体からなるコア層と、
前記コア層の上に形成されたｎ型の窒化物半導体からなる第２クラッド層と、
前記第１クラッド層に接続する第１電極と、
前記第２クラッド層に接続する第２電極と
を備えることを特徴とする光変調導波路。
請求項１記載の光変調導波路において、
前記基板と前記第１クラッド層との間に形成されたｎ型の窒化物半導体からなる第１電極層と、
前記第２クラッド層の上に形成されたｎ型の窒化物半導体からなる第２電極層とを備え、
前記第１電極は、前記第１電極層を介して前記第１クラッド層に接続し、
前記第２電極は、前記第２電極層を介して前記第２クラッド層に接続する
ことを特徴とする光変調導波路。
請求項１または２記載の光変調導波路において、
前記コア層は、多重量子井戸構造とされていることを特徴とする光変調導波路。