JP6458143B2

JP6458143B2 - 半導体光変調素子

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Publication number: JP6458143B2
Application number: JP2017521693A
Authority: JP
Inventors: 義弘小木曽; 常祐尾崎; 典秀柏尾; 菊池　順裕; 順裕菊池; 神徳　正樹; 正樹神徳
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-06-02
Filing date: 2016-06-01
Publication date: 2019-01-23
Anticipated expiration: 2036-06-01
Also published as: CN107615140B; JPWO2016194369A1; TWI638464B; TW201644064A; CA2988051A1; US20180164654A1; WO2016194369A1; EP3306381A1; CN107615140A; EP3306381B1; US10254624B2; EP3306381A4; CA2988051C

Description

本発明は光通信分野における高速な光変調器として機能する半導体光変調素子に関する。

光通信容量の増大に加えてそこで用いられる光デバイスの小型・低消費電力化が求められている。マッハツェンダ型（ＭＺ）光変調器はそれらの特性を司る重要な要素デバイスとして挙げられ、多くの研究開発が進められてきた。特に近年では、更なる小型・低消費電力化を実現すべく、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を材料とする光変調器からＩｎＰをはじめとする化合物半導体材料の光変調器が注目を集めている。

化合物半導体光変調器の特徴に関して以下で簡単に説明する。光変調器として動作させるためには電気（電界）と伝搬光の相互作用を利用する。一般に光を閉じ込めるコア層をノンドープ層として、当該層を上層から順にｐ型及びｎ型のクラッド層で挟み、逆バイアス電圧を印加させることで、光と電気の強い相互作用を実現している。ところで、ここで用いられるｐ型半導体はｎ型半導体に比べて材料の電気抵抗率及び光学吸収率がおよそ一桁以上高いため、変調動作の高速化、低光損失化に大きな課題を有している。加えて、ｐ型半導体と電極との接触面積はｎ型に比べて十分小さいため、コンタクト抵抗増大が更なる帯域劣化を招いている。これら課題を解決すべく以下に示す主に２手段のアプローチ（半導体層の改良、電極構造の改良）がこれまでなされてきた。

半導体層改良によるアプローチとして、図１に示すような断面構造の半導体光変調素子が過去に提案された（例えば特許文献１、２）。図１に示す半導体光変調素子は、基板１０上に、ハイメサ形状の導波路構造を積層する。図１では、ハイメサ導波路が用いられているが、通常、半導体のＭＺ変調器では、光電器の相互作用を強め、寄生容量を低減するために一般的な構成である。信号電極１６は導波路構造上にｎ型コンタクト層１５を介して設けられている。接地電極１７はｎ型クラッド層１１上に設けられている。図１はノンドープ層１２の上下のクラッド層１１、１４をｎ型として、両ｎ層間の電子電流を抑制するためのキャリアブロック層１３として薄いｐ型層を挿入したｎｐｉｎ型光変調器である。このｎｐｉｎ型は、光損失が大きいｐ型クラッドを使わないため、比較的長い導波路を用いることが可能となる。また、空乏層の厚さを任意に最適設計できるという自由度があるため、駆動電圧の低減と電気速度／光速度の整合を同時に満足しやすく、変調器の応答速度を上げるうえで有利である。なお、図２中に計算シミュレーションにより算出したｎｐｉｎ層構造におけるＲＦ帯域特性を示す。

しかしながら、図１のようなハイメサ形状を有するｎｐｉｎ型変調器においては、電気サージ耐性のバラつきが大きいことや、変調動作の不安定性が問題として挙げられる。サージ耐性バラつきはドライエッチング加工による導波路側壁へのダメージによってｐ型半導体のキャリアブロック層としての機能を低下させることが主要因とされる。変調動作の不安定性は、具体的には、変調効率の入射光パワー依存性が発生すること、変調効率のバイアス電圧依存性が発生すること、耐圧の低下などの問題がある。これは、ハイメサ導波路のｐ層にホールキャリアが集中的に蓄積されることが主要因であると考えられる。すなわち、ハイメサ導波路内のｐ層にホールキャリアが集中的に蓄積することで、変調効率の光パワー、バイアス電圧依存性が生じたり、耐圧低下したり等の懸念がある。これらの問題に対してはこれまでに様々な提案がなされてきたが（特許文献３，４）、何れも複雑な構造や材料抵抗の最適化が要求されるため、実用デバイスとしての課題が多く残る。結果として現在の研究開発では、電気的安定性の観点で従来からのｐｉｎ構造を採用する研究機関が大半を占めている（非特許文献１）。

なお、その他にもコンタクト抵抗低減を目指して上層クラッドをｎ型、下層クラッド及び基板をｐ型とする（ｎｉｐ構造）電界吸収型（ＥＡ）変調器も提案されている（特許文献５）。しかし、一般にＥＡ変調器の電極構造は集中定数型であるため、特性インピーダンス及び光波とマイクロ波の速度整合条件を満たす必要がない。一方、電極長がＥＡ変調器よりも大よそ一桁長いＭＺ変調器においては、単に半導体層構造のみを反転させるだけでは、変調帯域の改善は十分とは言えない。これは図２のｐ−ｉ−ｎとｎ−ｉ−ｐを比較すると、高々、５ＧＨｚ程度の帯域改善しか見込めないことからも明らかである。また、特許文献４のように、導電性基板（Ｐ型基板）を用いた場合には寄生容量が半絶縁性基板に比べて大きくなるため、進行波型電極構造を用いるＭＺ変調器に当該技術をそのまま転用するには課題が残る。

電極構造改良によるアプローチとしては、図３に示すような断面構造が提案された（例えば非特許文献１）。図３は断面積の大きい電極を有するコプレーナストリップラインを主線路として、光導波路上にマイクロ波よりも十分短い長さで区切った集中定数電極（容量）を付加した容量装荷電極構造を採用している。ｐ型クラッド層１９の上にｐ型コンタクト層２０を介して信号電極１６と接地電極１７とが設けられている。これにより、主線路の低損失化による高速化が期待できるほか、特性インピーダンスと、速度整合条件を独立に制御することができるため、設計の自由度が非常に高い。

特開２００８−２３３７１０号公報特開２００５−０９９３８７号公報特開２００５−１１４８６８号公報特開２００８−１０７４６８号公報特開平８−１２２７１９号公報

R. Kaiser, et al."High Performance Travelling Wave Mach-Zehnder Modulators for Emerging Generations of High Capacity Transmitter" ComponentsInternational Conference on. Transparent Optical Networks ICTON 2013, We. D2.2

しかしながら、図３に示す電極構造は上層からpin構造を有する半導体素子においてのみ適用されたに過ぎず、半導体層及び電極構造双方の最適化による究極的な高速変調動作化には至っていない。また、pin構造では、[0＊1]面方向に導波路が形成されるため、上部のクラッド層を図３のように垂直にエッチング加工するためにはドライエッチングプロセスを用いなければならない。なお、本明細書においては、結晶面の表記について、アスタリスク（＊）で示した数字は、「１に上線」を意味する。ウェットエッチングプロセスではいわゆる順メサ方位となるため、加工形状が台形形状になってしまい電気的特性劣化を招くためである。したがって、エッチング深さの制御性が担保できず、また加工時の界面ダメージによる光学特性劣化や電気的な不安定動作を招く恐れがある。

このようにnpin層構造のハイメサ導波路型光変調素子においては、電気的サージと不安定動作への課題が残り、従来の容量装荷型光変調素子では高いコンタクト抵抗と材料抵抗を有する上層のp型クラッド層によって高速化への弊害とリッジ導波路加工時の高い加工精度が要求されていた。

本発明は上記従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、超高速かつ電気的安定性に優れた変調器として使用できるマッハツェンダ型（ＭＺ）の半導体光変調素子を提供することにある。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、導波する光の屈折率を変調する屈折率変調領域と該屈折率変調領域で分岐する光の合分波を行う入出力領域とによって光の変調を行うマッハツェンダ型の半導体光変調素子であって、前記光導波路は、屈折率変調領域においては、閃亜鉛鉱形半絶縁性の半導体結晶基板の（１００）面と等価な基板面上にｐ型クラッド層とｉコア層とｎ型クラッド層とが積層されており、前記ｎ型クラッド層および前記ＩｎＰクラッド層は［０１１］面方向と等価な逆メサ方向にリッジ形状に形成され、屈折率変調領域において該ｎ型クラッド層上に容量装荷電極を設けたことを特徴とする半導体光変調素子。

従来の半導体光変調素子の構成の一例を示す図である。コプレーナ電極構造を有する光変調器のＲＦ帯域の層構造依存性を示す図である。従来の半導体光変調素子の構成の他の一例を示す図である。本発明にかかる半導体光変調素子の平面図である。半導体光変調素子の屈折率変調領域の断面を示す図である。半導体光変調素子の入出力領域の断面を示す図である。実施例２の半導体光変調素子の屈折率変調領域を示す図である。実施例２の半導体光変調素子の入出力領域の断面を示す図である。実施例２の半導体光変調素子の入出力領域の断面を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図４は本発明の半導体光変調素子の平面図であり、図５は半導体光変調素子の屈折率変調領域（Ｖ−Ｖ’）の断面図であり、図６は半導体光変調素子の光の屈折率を変調しない部分である入出力領域（ＶＩ−ＶＩ’）の断面図である。屈折率変調領域とは、電気信号を印加してコア層に二次の光学効果を引き起こすことによりコア層の屈折率を変調する領域をいう。本発明の半導体光変調素子は、図４に示すように、上面に容量装荷型の進行波電極パターンＰが形成されたマッハツェンダ型の光導波路Ｌとして構成される。

光導波路は、図４に示すように、導波する光の屈折率を変調する屈折率変調領域と該屈折率変調領域で分岐する光の合分波を行う入出力領域とによって光の変調を行うマッハツェンダ型の半導体光変調素子であって、前記光導波路は、屈折率変調領域においては、閃亜鉛鉱形半絶縁性の半導体結晶基板１０の（１００）面と等価な基板面上に上層からｎ型クラッド層１４とｉコア層１２とｐ型クラッド層１９とが積層されており、前記ｎ型クラッド層１４は逆メサ方向にリッジ形状に形成され、該ｎ型クラッド層１４上に容量装荷電極を設けた構成を備えている。好ましくは図６に示すように、光導波路は、光の屈折率を変調しない部分においては、閃亜鉛鉱形半絶縁性の半導体結晶基板１０の（１００）面と等価な基板面上に上層から半絶縁性のＩｎＰクラッド層２２とｉコア層１２とｐ型クラッド層１９とが積層されている。閃亜鉛鉱形半絶縁性の半導体結晶基板１０は例えばＩｎＰ基板を用いることができる。

例えば、閃亜鉛鉱形半絶縁性の半導体結晶基板１０の（１００）面と等価な基板面上に、上層からｎ型クラッド層１４とｉコア層１２とｐ型クラッド層（ｐ型キャリアストップ層）１９とを順次積層し、光の屈折率を変調しない部分のｎ型クラッド層１４を除去して半絶縁性のＩｎＰクラッド層２２で埋め戻した後、クラッド層に対して［０１１］面方向と等価な方向にマッハツェンダ型導波路形状のエッチングを施すことにより、光変調導波路のクラッド層が逆メサ方向にリッジ形状となるように形成することができる。屈折率変調領域において、該ｎ型クラッド層１４の上面には、容量装荷型電極構造を形成することができる。

クラッド層１４、２２に対して［０１１］面方向と等価な方向にマッハツェンダ型導波路形状のエッチングを施すことにより、光変調導波路のクラッド１４、２２が逆メサ方向にリッジ形状に形成される。

容量装荷型電極構造は、ｎ型クラッド層１４の上面にｎ型コンタクト層１５を介して信号電極１６と接地電極１７とを形成し、導波路の両脇の絶縁膜上に設けた信号電極１６または接地電極１７にボンディングワイヤｗで電気的に接続して設けられている。容量装荷電極は、差動線路配線板を介して差動信号源と接続されることができる。

また、図６に示すように、ｐ型クラッド層１９はｐ型コンタクト層２１を介して電源に接続された電極２３と接触されている。

図４、５、６に示す半導体光変調素子は、ｉコア層１２において二次の電気光学効果を発生させることにより屈折率を変調し、マッハツェンダ型の光導波路を導波する光の変調を行っている。

上記構成の半導体光素子では、まず第１に、従来の容量装荷型電極変調器で問題となっていたコンタクト抵抗低減を実現すべく電極との接触面積が小さい導波路メサ上部（コアの上層）をｐ型ではなくｎ型クラッドとしている。これにより、従来よりもコンタクト抵抗が約１ケタ低減される。

第２に、リッジ導波路加工の容易化等を目指して、導波路ストライプ方向（導波路長手方向）を[０１１] 面方向と等価な方向にしており、絶縁膜を逆メサ方向にエッチングする。

第３に、n型よりもバルク材料抵抗が大きいｐ型のクラッド層厚を薄膜化させ、コア層及び薄膜ｐ層の上下をｎ型クラッド層で挟み込むことで半導体抵抗を究極的に低減させ高速な変調器を提供している。

第４に、変調器を電気的により安定化させるために、ホールキャリアが蓄積されるｐ型半導体に電極を接触させて、蓄積キャリアを引き抜くこととしている。これらの構成により変調器の高速化を実現できる。

本発明によれば、コンタクト抵抗低減及びｐ型クラッド層の薄膜化（低抵抗化）による高速動作を担保しつつ、変調領域にリッジ構造導波路を採用することで、電気的サージ耐性をもった高速変調器として利用される半導体光素子を作製することができる。また、リッジ構造ではｐ型層に蓄積されるホールが光伝搬領域外のスラブ導波路側へ拡散するため、ハイメサ導波路構造に比べて、単位体積当たりのホール濃度を低下させることができる。また、これらｐ型層を電源に接続された電極と導通させることで更なるホール濃度低下が期待できる。その結果、不安定な変調動作の抑制につながる。

さらに、ｐ型層をノンドープ層の下層に堆積し（ｎｉｐ、ｎｉｐｎ構造）、これらデバイスを［０１１］面方向と等価な方向にエッチングを施してｎ型クラッド層を埋め戻すことにより、光変調導波路のクラッドが逆メサ方向にリッジ形状となるように形成することで、ウェットエッチングによるリッジ導波路形成が容易となるため、ドライエッチング加工のみの場合よりも、リッジ形状加工の制御性及び導波路界面の電気的安定性が向上する。

［実施例１］
実施例１では、図５、６に示す断面を有する光半導体素子を作製した。本実施例の半導体光変調素子は、ｎｉｐ型の構成を有する。半導体層は上層からｎ型コンタクト層１５、ｎ型クラッド層１４、ノンドープクラッド・コア層１２、ｐ型クラッド１９、ｐ型コンタクト層２１の順に基板１０上に積層されている。

例えば上層ｎ型コンタクト層１５はキャリア濃度が５Ｅ＋１８ｃｍ^-3のＩｎＧａＡｓとし、ｎ型クラッド層１４はキャリア濃度が１Ｅ＋１８ｃｍ^-3のＩｎＰとする。また、ｐ型ＩｎＰクラッド層１９のキャリア濃度は光吸収係数及び電気抵抗率から鑑みて５Ｅ＋１７〜１Ｅ＋１８ｃｍ^-3とした。ｐ型コンタクト層２１はコンタクト抵抗を低減すべく、５Ｅ＋１８ｃｍ^-3以上にホールキャリアがドーピングされたＩｎＧａＡｓを用いた。なお、ノンドープ層１２の最上層はウェットエッチングにおけるＩｎＰのｎ型クラッド層１４との選択性を利用すべくＩｎＧａＡｓＰ層１５を挿入した。

結晶成長は有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）により、半絶縁性ＩｎＰ（１００）基板１０上に堆積した。コア層１２のバンドギャップ波長は動作光波長で高効率に電気光学効果を有効に作用させ、且つ光吸収が問題にならない範囲で決定させる。例えば１．５５ミクロン帯の場合にはコア層１２の発光波長を１．４ミクロンメートル程度とする。コア層１２は高効率変調の観点で望ましくはＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの多重量子井戸構造で形成させるが、例えばＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰのような多重構造としても本発明の有用性が失われないことは明らかである。また、コンタクト層１５、２１、クラッド層１４、１９の組成は上記に限定されず、例えばＩｎＧａＡｓＰ組成を用いたとして問題ない。

前記ｎｉｐ半導体層を成膜後、素子間の電気分離を目的として光の屈折率変調をしない領域の上部ｎ型クラッド層１４をドライエッチング及びウェットエッチングで除去する。また、光学損失低減の観点から当該除去箇所を更に半絶縁性ＩｎＰ２２によって埋め戻す。

その後、［０１１］面方向と等価な方向に形成されたＳｉＯ₂からなるＭＺ干渉計導波路パターンを形成し、ドライエッチング及びウェットエッチング加工を用いて逆メサ方向にリッジ形状の光導波路を形成する。具体的には、ｎ型コンタクト層１５とｎ型クラッド層１４の一部とをドライエッチングした後、ｎ型クラッド層１４をウェットエッチングすることにより逆メサ方向にリッジ形状の光導波路を形成する。続いて下層ｐ型クラッド層１９にバイアス電圧を印加させるために、ドライ・ウェットエッチングを更に行い、図６に示すようにｐ型コンタクト層２１の一部を露出させて電極２３と接触させる。

ｐ型コンタクト層２１の一部露出した箇所に絶縁膜１８としてベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を塗布して導波路の凹凸を平坦化する。その後、図４に示したような容量装荷型の進行波電極パターンＰを金メッキ法により形成する。なお、ＢＣＢ以外にも絶縁性の低屈折率材料であるポリイミド等を用いても問題はない。

作成した半導体光素子を変調器として駆動させるためには、ｐｎ接合に逆方向電界が印加されるようにＤＣバイアス電極２３に所定のバイアスを印加させた後、高周波信号を信号電極（コプレーナ・ストリップ線路）に給電する。その結果、単相信号を給電させて駆動させることができるが、低消費電力化の観点から差動信号を給電させて変調器を駆動させても問題はないことが判った。

［実施例２］
図７、８は本発明の実施例２に係る半導体光変調素子の断面を示す図である。図７は図４のＶ−Ｖ’断面図であり、図８は図４のＶＩ−ＶＩ’断面図である。本実施例の半導体光変調素子は、ｎｉｐｎ型の構成を有する。同図において、半導体光変調素子は、上層からｎ型コンタクト層１５、ｎ型クラッド層１４、ノンドープクラッド・コア層１２、ｐ型キャリアブロック層（２５、ｎ型コンタクト２４、ｎ型クラッド層１１の順に基板１０上に積層されている。

例えば上層ｎ型コンタクト層１５のキャリア濃度を５Ｅ＋１８ｃｍ^-3のＩｎＧａＡｓとし、ｎ型クラッド層１４のキャリア濃度を１Ｅ＋１８ｃｍ^-3のＩｎＰとする。また、ｐ型キャリアブロック層２５は電子に対して十分な障壁となるようにバンドギャップの大きなＩｎＡｌＡｓに１Ｅ＋１８ｃｍ^-3のホールキャリアをドーピングさせた。なお、ノンドープ層の最上層はウェットエッチングにおけるＩｎＰのｎ型クラッド層１４との選択性を利用すべくＩｎＧａＡｓＰ層１５を挿入した。

結晶成長は有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）により、半絶縁性ＩｎＰ（１００）基板１０上に堆積した。コア層１２のバンドギャップ波長は動作光波長で高効率に電気光学効果を有効に作用させ、且つ光吸収が問題にならない範囲で決定させる。例えば１．５５ミクロン帯の場合にはコア層１２の発光波長を１．４ミクロンメートル程度とする。コア層１２は高効率変調の観点で望ましくはＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの多重量子井戸構造で形成させるが、例えばＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰのような多重構造としても本発明の有用性が失われないことは明らかである。また、コンタクト・クラッド・キャリアブロック層１３の組成は上記に限定されず、例えばＩｎＧａＡｓＰ組成を用いてもよい。

前記ｎｉｐｎ半導体層を成膜後、素子間の電気分離を目的として光の屈折率変調をしない領域の上部ｎ型クラッド層１４をドライエッチング及びウェットエッチングで除去する。また、光学損失低減の観点から当該除去箇所を更に半絶縁性ＩｎＰ２２によって埋め戻す。

その後、［０１１］面方向と等価な方向に形成されたＳｉＯ₂からなるＭＺ干渉計導波路パターンを形成し、ドライエッチング及びウェットエッチング加工を用いてリッジ形状光導波路を形成する。

続いて、入出力領域において、下層ｎ型クラッド１１にバイアス電圧を印加させるために、ドライ・ウェットエッチングを更に行い、図８に示すようにｎ型コンタクト層２４の一部を露出させて電極２３と接触させる。なお、変調動作をより安定化（ｐ層内のホールキャリア蓄積防止）させるために図８に示す構成に代えて図９に示すようにｎ型コンタクト層２４以外にｐ型キャリアブロック層２５の一部も露出させ電極２３と接触させてもよい。

ｐ型キャリアブロック層２５の一部露出した箇所に絶縁膜１８としてベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を塗布して導波路の凹凸を平坦化する。その後、図４に示したような容量装荷型の進行波電極パターンＰを金メッキ法により形成する。なお、ＢＣＢ以外にも絶縁性の低屈折率材料であるポリイミド等を用いても問題はない。

１０半導体結晶基板
１１ｎ型クラッド層
１２ｉコア層
１３ｐ型キャリアブロック層
１４ｎ型クラッド層
１５ｎ型コンタクト層
１６信号電極
１７接地電極
１８絶縁膜
１９ｐ型クラッド層
２０ｐ型コンタクト層
２１ｐ型コンタクト層
２２ＳＩ型クラッド層
２３ＤＣバイアス電極
２４ｎ型コンタクト層
２５ｐ型キャリアブロック層
Ｌ光導波路
Ｐ進行波電極パターン
ｗボンディングワイヤ

Claims

光導波路に導波する光の屈折率を変調する屈折率変調領域と該屈折率変調領域で分岐する光の合分波を行う入出力領域とによって光の変調を行うマッハツェンダ型の半導体光変調素子であって、
前記光導波路は、屈折率変調領域においては、閃亜鉛鉱形半絶縁性の半導体結晶基板の（１００）面と等価な基板面上に、上層から基板面に向かって少なくともｎ型クラッド層とｉコア層とｐ型クラッド層とが積層されており、前記ｎ型クラッド層は逆メサ方向にリッジ形状に形成され、前記ｐ型クラッド層は前記リッジ形状より幅の広いスラブ形状であり、前記ｎ型クラッド層上に容量装荷電極を設けたことを特徴とする半導体光変調素子。
前記光導波路は、光の屈折率を変調しない部分においては、閃亜鉛鉱形半絶縁性の半導体結晶基板の（１００）面と等価な基板面上に、上層から基板面に向かって少なくとも半絶縁性のＩｎＰクラッド層とｉコア層とｐ型クラッド層とが積層されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体光変調素子。
前記ｎ型クラッド層は、［０１１］面方向と等価な方向にマッハツェンダ型導波路形状にエッチングが施されることによって、逆メサ方向にリッジ形状となるように形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光変調素子。
前記光導波路が上層から基板面に向かって順に少なくともｎ型クラッド層、ｉコア層、ｐ型クラッド層、ｎ型クラッド層を含む半導体多層構造から構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体光変調素子。
前記ｐ型クラッド層と電源に接続された電極とを電気的に接触させていることを特徴とする請求項４に記載の半導体光変調素子。
前記容量装荷電極が差動線路配線板を介して差動信号源と接続されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体光変調素子。