JPH03291618A - 半導体光導波路部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体で構成され、かつその上部クラッド層
内にｐｎ接合面が形成されているリッジ装荷型の光導波
路を備えている半導体光導波路部品に関し、更に詳しく
は、光導波路への電圧印加または電流注入による前記光
導波路の屈折率の変化効率を最大限に発揮させることが
でき、しかもｐｎ接合面を形成しているｐ型半導体層や
下部クラッド層における注入キャリアの吸収損失を小さ
くすることができる光導波路を備えた半導体光導波路部
品に関する。

（従来の技術） 半導体で構成した光回路部品のうち、例えば、方向性結
合器型光スイッチ、Ｘ型全反射光スイッチ、Ｙ型分岐光
スイッチ、光合分波器、光変調器のような光素子は、半
導体基板の上にリッジ状に装荷された光導波路を備え、
その上部クラッド層にｐｎ接合面が形成されている構造
になっている。

そして、このｐｎ接合面に電圧を印加することにより電
気光学効果を発揮させたり、またはｐｎ接合面に電流を
注入してプラズマ効果やバンドンィリング効果を生起せ
しめて、光が導波するコア層の屈折率を変化させること
により、光路の変更。

波長の分離１周波数や位相の変調などの機能を実現して
いる。

このような光導波路の構造を、２本の光導波路が互いに
平行に近接して形成されている方向性結合器型の光スィ
ッチの場合について、第３図に則して説明する。

第３図において、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕのような電極材料
から成る下部電極１の裏面には、ｎ”　ＧａＡｓのよう
なｎ型半導体の基板２が形成されている。

半導体基板２上には、例えば厚みが０．５μｍ程度のｎ
”　ＧａＡｓから戊るバッファー層３を介して、ｎ”Ｇ
ａＡｊ２Ａｓから成る厚み３．０μｍ程度の下部クラッ
ド層４．ｎ　　ＧａＡｓから戊る厚み１．０μｍ程度の
コア層５．ｎ”−ＧａＡｆｆＡｓから成るｎ型上部クラ
ッド層６．ｐ”　ＧａＡｊ２Ａｓから成るｐ型上部クラ
ッド層７が順次積層され、リッジ状の光導波路Ａ、　Ｂ
が形成されている。そして、これら光導波路Ａ、　Ｂ全
体の表面は５ｉｆｔのような絶縁薄膜８で被覆され、ス
イッチ部の光導波路Ａ、　Ｂにおける絶縁薄膜８の一部
は例えばスリット状に除去されて窓８ａ、８ｂが形成さ
れ、この部分には例えば蒸着法によってＣｒ／ＡｕやＴ
ｉ／Ｐｔ／Ａｕのような電極材料から成る上部電極９ａ
、９ｂが添着されている。

このようにして、光導波路Ａ、　Ｂの上部クラッド層は
、ｎ型上部クラッド層６とｐ型上部クラッド層７で構成
され、これら各層の界面がｐｎ接合面１０を形成し、ま
た、ｐ型りラッド層７はそのスイッチ部において、上部
電極９ａ、９ｂと接触している。

この光スィッチの場合、例えば光導波路Ａの上部電極９
ａと下部電極１の間に逆方向の電圧を印加すると、電気
光学効果により、ｐｎ接合面１０からコア層５側に空乏
層が広がって、コア層５の屈折率が変化する。その結果
、光導波路Ａへの光の導波は起こらず、光は光導波路Ｂ
のみを導波する。すなわち、光路変更が起こり、スイッ
チング動作が発現する。

また、例えば光導波路Ａの上部電極９ａから電流注入を
行うと、プラズマ効果やバンドフィリング効果により同
じくコア層５の屈折率が変化して、スイッチング動作が
発現する。

（発明が解決しようとする課題） ところで、上記した従来構造の光スィッチにおいて、例
えば低電圧でスイッチング動作を実現しようとしたとき
には、その低い値の電圧を印加してもコア層５の屈折率
の変化効率を最大限に発揮させるようにすることが必要
である。

そのためには、コア層５におけるキャリア濃度をｌＸｌ
０”ｃｍ−３程度の低濃度状態にし、そのことにより、
印加する電圧が低電圧であってもｐｎ接合面１０より下
方の空乏層の広がりがコア層５の全体に拡張できるよう
にする、換言すれば、誘発される空乏層の下方への拡張
幅と光の閉じ込めの割合を乗算した値（以下、この値を
ｒ’ｅｆｆという）が最大値となるようにすることが必
要になる。

この状態を実現するためには、ｐｎ接合面１０を可能な
限りコア層５に接近させて形成することが好ましい。

また、低い値の電圧印加でもスイッチング動作が実現す
るようにするためには、この印加した電圧の全てがｐｎ
接合面１０に作用するようにすればよい。このためには
上部電極９ａ（または９ｂ）とｐ型上部クラッド層７の
上面との接触はオーミック接触になることが必要である
。

このようなオーミック接触を実現するためには、ｐ型上
部クラッド層７におけるキャリア濃度を４Ｘ　１０　”
ｃｍ−”以上にすることが必要であるとされている。

しかしながら、ｐ型上部クラッド層７のキャリア濃度を
４Ｘ１０１９ｃｍ−４以上の高濃度にすると、光導波路
のｐ型上部クラッド層における吸収損失は大きくなり、
長波長の光、例えば、波長■、５５μｍの光は導波しな
くなる。

また、波長が１．３μｍの光の場合は、光の導波は可能
であるが、上記したｒ’ｅｆｆを最大とするためにｐｎ
接合面１０がコア層５に接近せしめて形成されている場
合には、光の伝搬損失が増加するという不都合が生ずる
。

このことを、下部クラッド層４がキャリア濃度Ｉ　Ｘ　
１０１８ｃｍ−”のｎ”Ａ　ｊ２　ｏ、　＋Ｇａｏ、　
９Ａｓ（厚み３．０μｍ）、コア層５がキャリア濃度Ｉ
　ＸＩＯ”ａｍ　’のｎ　”−Ｇ　ａＡ　ｓ（厚み１．
０μｍ）、ｎ型上部クラッド層６がキャリア濃度Ｉ　Ｘ
　１０”ｃｍ−３のｎ−Ａｊ２　ｏ、　＋Ｇａｏ、　９
ＡＳ（厚みを３μｍとする）、ｐ型上部クラッド層７が
キャリア濃度４　Ｘ　１０”ｃｍ−’のｐ　”Ａｊ！　
ｏ、　＋Ｇａｏ、　９ＡＳ（厚みは１−３μｍとする）
の光導波路の場合について、第４図に示した。第４図か
ら明らかなように、ｐｎ接合面１０がコア層５に近接す
ればするほど、伝搬損失は大きくなっている。

このように、従来構造の光導波路においては、吸収損失
を小さく抑制しながらｐｎ接合面をコア層に近接せしめ
ることにより、低電圧（したがって、小電流）でスイッ
チング動作を実現するということは不可能であった。

また、第３図で示した光導波路においては、ｎ＋型の下
部クラッド層４がコア層５に接触しているので、この高
ｎ型キャリアによる吸収損失も大きくなる。更には、ｎ
＋型の下部クラッド層４と接触していることにより、本
来ノンドープであるコア層５のキャリア濃度が高くなる
虞れがあり、その結果、低電圧の印加ではｒ’ｅｆｆを
最大にすることができなくなる。

本発明は、上記したような問題を解決し、低電圧の印加
または小電流の注入によっても、コア層の屈折率の変化
効率が最大限に発揮できると同時に、ｐ型上部クラッド
層における吸収損失を最小限に抑制することができる構
造の光導波路を備えた半導体光導波路部品の提供を目的
とする。

（課題を解決するための手段） 上記した目的を達成するために、本発明においては、下
部電極の裏面に形成されたｎ型半導体の基板の上に、ｎ
型半導体の下部クラッド層、ｎ型半導体のコア層、ｎ型
半導体の上部クラッド層。

ｐ型半導体の上部クラッド層が順次形成され、前記ｐ型
半導体の上面には、電圧印加用または電流注入用の上部
電極が添着されている少なくとも１本の光導波路を有す
る半導体光導波路部品において、前記ｐ型半導体の上部
クラッド層が、高キャリア濃度の上層と低キャリア濃度
の下層との２層構造になっており、かつ前記ｎ型半導体
の下部クラッド層も低キャリア濃度の上層と高キャリア
濃度の下層との２層構造になっていることを特徴とする
半導体光導波路部品が提供される。

本発明の光導波路は、ｐ型上部クラッド層が２層構造に
なっていて、そのうちの上層はキャリア濃度の高いｐ型
半導体層からなり、下層はキャリア濃度の低いｐ型半導
体層から構成されており、またｎ型下部クラッド層も２
層構造になっていて、そのうちの上層はキャリア濃度の
低いｎ型半導体層からなり、下層はキャリア濃度の高い
ｎ型半導体層から構成されていることを除いては、第３
図で示した従来の光導波路の場合と変わることはない。

この光導波路において、上層のｐ型半導体層におけるキ
ャリア濃度はｌＸｌ０１９ｃｍ”以上であり、下層のｐ
型半導体層におけるキャリア濃度は約ｌＸ　１０１７ｃ
ｍ−’程度になっている。また、ｎ型半導体から成る下
部クラッド層の上層にけるキャリア濃度は約Ｉ　Ｘ　Ｉ
　Ｏ”ｃｍ”−３程度、下層におけるキャリア濃度は約
Ｉ　Ｘ　１０１８ｃｍ−３程度になっている。

（作用） 本発明の半導体光導波路部品の光導波路の場合、そのｐ
型上部クラッド層が上記構成になっているので、キャリ
ア濃度が高い上層と上部電極との間はオーミック接触が
実現して印加した逆電圧の全ては有効にｐｎ接合面に作
用することができるようになる。そのため、低電圧の印
加でも電気光学効果によるコア層の屈折率の変化効率を
最大限に発揮できるようになる。また、ｐ型上部クラッ
ド層における下層のキャリア濃度は従来の場合に比べて
約２桁小さくなっているので、この下層における光の吸
収損失は小さくなり、下層の下面、すなわちｐｎ接合面
をコア層に近接せしめても、長波長の光に対するスイッ
チング動作は可能になる。

更には、下部クラッド層の上層のキャリア濃度はＩＸＩ
０１５ａｍ’程度と従来に比べて約３桁低いので、同じ
く吸収損失が小さくなる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第１
図は、第３図に示した方向性結合器型光スイッチにおけ
る一方の光導波路に対応する光導波路の断面図である。

第１図において、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕから成る下部電極
１の裏面に形成されたｎ”ＧａＡｓ基板２の上に、厚み
０．５μｍのｎ”ＧａＡｓバッファー層３を介して、ｎ
　”Ａ　１　ｏ、　＋Ｇａ（１，ｏＡｓから成る下部ク
ラッド層の下層４ａ（キャリア濃度Ｌ　ＸＩＯ”ｃｍ　
”、厚み３．０μｍ）、ｎ　Ａｊ！　ｏ、　＋Ｇａｏ、
　ｏＡｓから成る下部クラッド層の上層４ｂ　（キャリ
ア濃度Ｉ　ＸＩＯ”ｃｍ　”、厚み０．２μｍ）、ｎ　
　ＧａＡｓから成るコア層５　（キャリア濃度ｌ×１０
１５ｃｍ　”＋厚み１．０μｍ）、ｎ　Ａｌｏ、　＋Ｇ
ａｇ、　ｏＡｓから成るｎ型上部クラッド層６（キャリ
ア濃度ＩＸＩＯ１５ｃｍ−”、厚み０，６μｍ）を順次
形威し、更にこのｎ型上部クラッド層６の上には、ｐＡ
　ｊｌ！　ａ、　＋Ｇａｏ、　９ＡＳから成るｐ型上部
グラフド層の下層７ａ（キャリア濃度Ｉ　Ｘ　１０１０
０ｍ”−”、厚み０．９μｍ）およびｐ”Ａｊ２ｏ、＋
Ｇａｏ、９ＡＳから成るｐ型上部グラフド層の上層７ｂ
（キャリア濃度４Ｘ１０１９ａｍ”、厚み０．５μｍ）
を順次形成し、全体の表面をＳｉＯ２薄膜８で被覆した
。薄膜８の一部を除去して窓８ａを形成したのち、ここ
にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着して上部電極９ａを添着した
。平行して設けられる他方の光導波路も同様にして形成
した。

上部電極９ａと上層７ｂとの間の接触状態を電極接触抵
抗測定やＩ−Ｖ特性測定によって調べたところ、オーミ
ック接触状態になっていた。

この光導波路を備えた反転Δβ方向性結合器型光スイッ
チ、−様Δβ方向性結合器型光スイッチを製作し、その
スイッチング特性と伝搬損失を波長１．３μｍの光で評
価した。比較のため、ｐ型上部グラフド層が２層構造で
はなくキャリア濃度４Ｘ　１０１９ｃｍ−”、厚み０．
９μｍの１層構成の従来のものについても同様の評価試
験を行なった。

本発明の光スィッチにおける伝搬損失は約５６Ｂ／　ａ
ｍであり、従来のものの場合は約１０６Ｂ／ｃｍであっ
た。

また、スイッチング特性の結果を第２図に示した。図中
、−〇−印は本発明の光スィッチ、・・・・１ ２ ・・・印は従来構造の光スィッチの場合を示す。第２図
から明らかなように、本発明構造の光スィッチの場合は
、従来のものに比べて、そのスイッチング電圧を約３０
Ｖ低下させることができる。

（発明の効果） 以上の説明で明らかなように、本発明の半導体光導波路
部品は、下部電極の裏面に形成されたｎ型半導体の基板
の上に、ｎ型半導体の下部クラッド層、ｎ型半導体のコ
ア層、ｎ型半導体の上部クラッド層、ｐ型半導体の上部
クラッド層が順次形成され、前記ｐ型半導体の上面には
、電圧印加用または電流注入用の上部電極が添着されて
いる少なくとも１本の光導波路を有する半導体光導波路
部品において、前記ｐ型半導体の上部クラッド層が、高
キャリア濃度の上層と低キャリア濃度の下層との２層構
造になっており、かつ前記ｎ型半導体の下部クラッド層
も、低キャリア濃度の上層と高キャリア濃度の下層との
２層構造になっていることを特徴とするので、低電圧（
小電流）でも上部クラッド層内のｐｎ接合面は有効に（
作用）して、コア層の屈折率変化効率を最大限に高める
ことができ、しかもｐ型上部グラフド層やｎ型下部クラ
ッド層における光の吸収損失も小さく、長波光の光に対
してもスイッチング動作を実現することができる。

したがって、本発明の部品は、低損失であり、高電圧の
印加や大電流の注入に基づ＜ｐｎ接合面の破壊という事
態は発生せず、低消費電力で作動して信頼性の高いもの
となり、光スィッチ、光変調器のような光回路部品素子
としてその工業的価値は犬である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の部品が備えている光導波路のスイッチ
部における断面図、第２図は方向性結合器型光スイッチ
のスイッチング特性を示すグラフ、第３図は従来構造の
部品が備えている光導波路のスイッチ部における断面図
、第４図は従来構造の光導波路におけるｐｎ接合面とコ
ア層との距離伝搬損失の関係を示すグラフである。 １・・・下部電極、２・・・ｎ型半導体の基板、３・・
・ｎ型半導体のバッファー層、４・・・ｎ型半導体の下
部クラッド層、４ａ・・・ｎ型下部クラッド層の下層、
４ｂ・・・ｎ型下部クラッド層の上層、５・・・ｎ型半
導体のコア層、６・・・ｎ型半導体の上部クラッド層、
７・・・ｐ型半導体の上部クラッド層、７ａ・・・ｐ型
上部クラッド層の下層、７ｂ・・・ｐ型上部クラッド層
の上層、８・・・絶縁薄膜、８ａ、８ｂ・・・窓、９ａ
。 ９ｂ・・・上部電極、１０・・・ｐｎ接合面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 下部電極の裏面に形成されたｎ型半導体の基板の上に、
   ｎ型半導体の下部クラッド層、ｎ型半導体のコア層、ｎ
   型半導体の上部クラッド層、ｐ型半導体の上部クラッド
   層が順次形成され、前記ｐ型半導体の上面には、電圧印
   加用または電流注入用の上部電極が添着されている少な
   くとも１本の光導波路を有する半導体光導波路部品にお
   いて、前記ｐ型半導体の上部クラッド層が、高キャリア
   濃度の上層と低キャリア濃度の下層との２層構造になっ
   ており、かつ前記ｎ型半導体の下部クラッド層も、低キ
   ャリア濃度の上層と高キャリア濃度の下層との２層構造
   になっていることを特徴とする半導体光導波路部品。