JPH0437727A - 基板型光スイッチ - 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］ この発明は、光］信、光情報処理システム等のキーデバ
イスとして用いられる基板型光スイッチに関するしので
あり、更に詳しくは、電流閉じ込め構造を有するキャリ
ア注入型の基板型光スイッチに関するしのである。

［従来の技術］ 従来、直接遷移形の半導体材料はハンドフィリング効果
による大きな非線形屈折率を示すことが知られている。

この効果は、光吸収によりパントキャップに近いところ
から電子か埋まるために、吸収スペクトルか短波長側に
シフトすることによるものである。そして、このハンド
フィリング効果を荷動に用いた例として、第４図及び第
５図に示すような内部全反射型の基板型光スイッチか提
供されている。

この基板型光スイッチ１は、化合物半導体材料であるｎ
型イノノウムリノ（以下、ｎ−ＩｎＰと称する）平面基
板２上に、無トープインノウムガリウムヒ素リン（以下
、ｕ−ＴｎＧａＡｓＰと称する）等の化合物半導体材料
からなる２つの光導波路３゜４が平面上で交差するよう
にＸ字形に形成され、この交差部５の上面に電極６が、
また、この交差部５の下方のｎ　−１ｎＰ基板２の下面
に電極７がそれぞれ形成されたものである。

この基板型光スイッチｌの製造方法を、第５図を基に説
明する。

まず、あらかじめ下面に電極７が形成されたｎ−Ｉ　ｎ
Ｐ平面基板２上に、液相エピタキシャル成長（ＬＰＥ）
法によりｎ−１ｎＰバッファ層１１．ｕ−Ｉ　ｎＧａＡ
ｓＰ光導波路層１２、ｎ−ＩｎＰクラッド層１３を順次
多層成長させる。次に、フォトリソグラフィ及び反応性
イオンエツチング（ＲＩＥ）法によりｎ−ＩｎＰクラッ
ド層Ｉ３を断面矩形状かつ平面Ｘ字形状にエツチングし
てリブ型の光導波路３（４）とする。次に、ｎ−１ｎＰ
クラッド層１３の電流閉じ込め部分に選択亜鉛（Ｚｎ）
拡散を用いてｐ型インジウムリン（以下、ｐ−１ｎＰと
称する）電流閉じ込め層１４を形成する。次に、ｕ−１
ｎＧａＡ　ｓＰ光導波路層１２の上部及びリブ型の光導
波路３（４）の交差部５の上面を除く部分に二酸化ケイ
素（以下、ＳｉＯ’、と称する）絶縁層１５を形成すし
、また、ｐ−ＩｎＰｉｌ流閉じ込め層１４の上部に電極
６を形成する。

この基板型光スイッチ１は、電極６．７間に電圧を印加
することにより交差部５の屈折率を変化させて入射光を
全反射させ、出射光の方向を変化させる。

例えば、第４図に示すように、光導波路３の一端から入
射した光は、電流がＯＦＦ状態であればそのまま同光導
波路３の他端３ａから出力するが、電流がＯＮ状態にな
ると光導波路４に移行してこの光導波路４の他端４ａか
ら出力する。すなわち、光スィッチとしての動作を行う
。

このように、上記の基板型光スイッチｌは、バンドフィ
リング効果による大きな屈折率変化という特徴と、ｎ−
ＩｎＰ平面基板２上に液相エピタキシャル成長（ＬＰＥ
）法により第一段階成長のみで作成できるという利点を
持った光スィッチである。

［発明か解決しようとする課題］ ところで、上記の基板型光スイッチｌでは、注入キャリ
アの閉じ込めに選択亜鉛（Ｚｎ）拡散を用いているため
に、ｐ型のドーパントである亜鉛（Ｚｎ）の深さ方向の
濃度制御が非常に難しいという問題点があった。この拡
散深さ方向の濃度のばらつきにより遷移領域のキャリア
密度が大幅に変動するためスイッチ駆動電流がばらつき
、また亜鉛（Ｚｎ）によるフリーキャリア吸収損失を生
じさせ、したかって、光の伝送損失を非常に大きなもの
にしている。また、ｐ型のドーパントは選択拡散かでき
るか、ｎ型のドーパントは一般に選択拡散かできないの
で、ｐ型の基板を用いて光スィッチを作成することがで
きないという問題点もあった。

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、以上
の問題点を有効に解決するとともに、スイッチングを行
うための電流閉じ込めを選択亜鉛（Ｚｎ）拡散を行うこ
となく、しかも簡便に、効率良く行うことができる基板
型光スイッチを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するために、この発明は次の様な基板型
光スイッチを採用した。すなわち、化合物半導体材料を
光導波路とするキャリア注入型の基板型光スイッチにお
いて、化合物半導体基板の上部位置に電流閉じ込め層を
設け、該電流閉じ込め層の上部位置に光導波路層を設け
、前記電流閉じ込め層は電流閉じ込め部を選択除去した
結晶層から構成されることを特徴としている。

［作用］ この発明では、電流閉し込め眉に電流閉し込め部を形成
したことにより、基板型光スイッチに注入されたキャリ
アは光導波路層を横切り電流閉口込め部に向う幅の狭い
層流となって流れ、光導波路層においてはスイッチング
に必要な部分のみにキャリアが集中する。したかって、
電流閉し込ｒ・部は注入された電流を外方−＼散逸する
ことなくこの電流の流入流出領域内に効果的に閉し込め
る。

まに、前記電流閉じ込め層の上部位置に独立して設けら
れた光導波路層は、入射光をこの光導波路層の外方へ散
逸することなく効果的に伝搬する。

この光導波路層においては、上記のキャリアがこの光導
波路層の屈折率を効果的に変化させて入射光を全反射さ
せ出射光の方向を変化させる。

［実施例コ 以下、図面を参照してこの発明の一実施例について説明
する。

第１図ないし第３図はこの発明に係る基板型光スイッチ
２１を示す図である。

この基板型光スイッチ２１は、化合物半導体基板である
ｐ−１ｎＰ基板２２上に、化合物半導体材料からなる２
つの光導波路２３．２４が断面矩形状かつ平面上で交差
するようにＸ字形状に形成され、この交差部２５の上面
にｎ−電極２６が、また、この交差部２５の下方のｐ−
ＩｎＰ基板２２の下面にｐ−電極２７がそれぞれ形成さ
れたものである。

このｐ−ＩｎＰ基板２２上には、化合物半導体結晶から
構成されたｐ−ＩｎＰバッファｊ１３１．ｎ−ＩｎＰ電
流閉じ込め層３２、ｐ−ＩｎＰバッファ層３３、ｕ−Ｉ
ｎＧａＡｓＰ光導波路層３４が順次層状に形成されてい
る。

ｎ−ＩｎＰ電流閉じ込め層３２の電流を閉じ込める部分
には、エツチングにより選択除去された電流閉じ込め部
３５が形成されている。そして、このｎ−１ｎＰｉ流閉
じ込め層３２の下部及び上部に形成された２層のｐ−Ｔ
ｎＰバッファ１１３１．３３は電流閉じ込め部３５によ
り連通されている。

。−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層３４の光導波部分の上部
にはｎ−１ｎＰクラッド層３６及び（ｎ＋）　　ＩｎＧ
ａＡｓＰコンタクト層３７が一体に形成されている。そ
して、ｕ−１ｎＧａＡｓＰ光導波路層３４の上部及び（
ｎ＋　）−１ｎＧ　ａＡ　ｓＰコンタクト層３７の交差
部２５上面を除く部分にはＳ１０．絶縁層３８が形成さ
れており、（ｎ＋　）　−Ｉ　ｎＧ　ａＡ　ｓＰコンタ
クト層３７の交差部２５上面にはｎ−電極２６が形成さ
れている。

次に、第３図を参照して上記の基板型光スイッチ２１の
製造方法を説明する。

■［第３図（ａ）参照コ 液相エピタキシャル成長（ＬＰＥ）法により、あらかじ
め下部にｐ−電極２７が形成されたｐ　−Ｉ　ｎＰ基板
２２上に、第１段階の結晶成長として、ｐＩｎＰバッフ
ァ層３１を３　μｍＳｎ　−１ｎＰ電流閉じ込め層３２
を１　μｍ、　ｕ　−Ｉ　ｎＧａＡｓＰ加エマスク層４
１を０．３μｍ順次多層成長させる。

■［第３図（ｂ）参照］ フォトリソグラフィにより、電流閉じ込め部に対応する
ｕ−Ｔ　ｎＧ　ａＡ　ｓＰ加エマスク層４１の位置にエ
ソチンク用窓４２を形成する。次に、塩酸水溶液により
ｎ−ＩｎＰ電流閉し込め層３２をエツチングし、電流閉
し込め部３５となる深さ１５μｍの■溝４３を形成する
。このＶ溝４３形成後に、不用となったｕ−ＩｎＧａＡ
ｓＰ加工マスク層４１をｎ−１ｎＰｉｆ流閉し込め層３
２から除去する。

■［第３図（ｃ）参照コ 液相エビタキソヤル成長（ＬＰＥ）法により、ｎＩｎＰ
電流閉じ込め層３２及びＶ溝４３の上部位置に、第２段
階の結晶成長として、ｐ−ＩｎＰバッファ層３３を２　
μｍ、　ｕ　−１ｎＧａＡｓＰ光導波路層３４をｌ　、
５　μｍ、　ｎ　−Ｉ　ｎＰクラッド層３６を１５μｍ
、（ｒ＋−１−）　−ｒ　ｎＧ　ａＡ　ｓＰコンタクト
層３７を０．７μｍ順次多層成長させる。

■［第３図（ｄ）参照］ （ｎ＋　）　−Ｉ　ｎＧ　ａＡ　ｓＰコンタクト層３７
の上部の光導波路２３（２４）形成部分にＳ　ｉＯｔマ
スク層４４を形成し、反応性イオンエツチング（ＲＩＥ
）によりｎ−ＩｎＰクランド層３６及び（ｎ＋）　　Ｉ
ｎＧａＡｓＰコンタクト層３７を所定の形状にユ、ツチ
ングし、断面矩形状かつ平面Ｘ字形状のリブ型の光導波
路２３（２４）とする。この光導波路２３（２４）形成
後に、不用となった５ｉＯｚマスク層４４を（ｎ＋　）
　−１ｎＧ　ａＡ　ｓＰコンタクト層３７から除去する
。

■［第３図（ｅ）参照］ ｕ−ＴｎＧａＡｓＰ光導波層３４の上部と、光導波路２
３（２４）の交差部２５の上面を除く部分に５１０２絶
昧層３８を形成し、次に、光導波路２３（２４）の交差
部２５の上面にｎ−電極２６を形成し、基板型光スイッ
チ２１とする。

上記の様に構成された基板型光スイッチ２１のｎ−電極
２６とｐ−１を極２７間に所定の電圧を印加すると、ｎ
−Ｎ極２６より注入されたキャリアは（ｎ＋）　−Ｉ　
ｎＧａＡｓＰコンタクト層３７、ｎ−１ｎＰクラッド層
３６、ｕ−１ｎＧａＡｓＰ光導波路層３４を横切りｐ−
ｒｎＰバッファ層３１へ流れ込む。ｎＩｎＰ’ｌ流閉じ
込め層３２には電流閉じ込め部３５が形成されているの
で、注入されたキャリアは電極２６から電流閉じ込め部
３５に向って幅の狭い層流となり、ｕ−１ｎＧａＡｓＰ
光導波路層３４においてはスイッチングに必要な部分の
みにキャリアが集中することとなる。このキャリアが交
差部２５の屈折率を効果的に変化させて入射光を全反射
させ出射光の万−向を変化させることとなる。例えば、
第１図に示すように、光導波路２３の一端２３ａから入
射した光は、電流かＯＦＦ状態であればそのまま同光導
波路２３の他端２３ｂから出力するが、電流がＯＮ状態
になると光導波路２４に移行してこの光導波路２４の他
端２４ａから出力する。すなわち、光スィッチとしての
動作を行う。

ここで、本発明者等が行った基板型光スイッチ２１の効
果確認の・検討結果について説明する。

表・ｌは、素子長２ｍｍの２×２光スイツチを用いて従
来の基板型光スイッチｌと特性を比較したものである。

表・ｌ 上記の結果から、基板型光スイッチ２１ては、従来の基
板型光スイッチｌと比べて約２／３の大きさの駆動電流
でスイッチング動作が可能であり、挿入損失も２ｄＢ以
上低下することがわかる。また、消光比は１５ｄＢで従
来のものと変わりがなく、他の特性も特に変化はみられ
ない。これより、この基板型光スイッチ２１は、駆動電
流１００ｍＡでスイッチング動作し良好なスイッチング
特性を有することがわかる。

以上説明した様に、上記の一実施例の基板型光スイッチ
２１によれば、ｐ−ＩｎＰ基板２２上に化合物半導体結
晶から構成されたｎ−１ｎＰｉｉ流閉じ込め層３２が形
成されており、このｎ−１ｎＰ電流閉じ込め層３２の電
流を閉じ込める部分には、エツチングにより選択除去さ
れた電流閉じ込め部３５が形成されているので、この電
流閉し込め部３５の上部に形成されたｐ−ｎ接合構造は
キャリアの注入を効果的に行ない、一方、電流閉じ込め
部３５を除＜ｎ−１ｎＰ電流閉じ込め層３２の上部に形
成されたｐ　−ｎ　−ｐ　−ｎの４層からなるサイリス
タ構造は逆耐圧以下の印加電圧に対して常に高抵抗状聾
（電流ＯＦＦ状態）を良好に保持することとなり、注入
された電流を外方へ散逸することなくこの電流の流入流
出領域内に効果的に閉じ込めることができる。したがっ
て、光導波路２３（２４）におけるキャリアの広がりが
小さくなり、スイッチング部分におけるキャリア密度が
増加するので、スイッチング部分の屈折率を低駆動電流
で低下させることができ、効率のよいスイッチング動作
を得ることができる。

また、ｎ−１ｎＰ１ｉ［流閉じ込め層３２及び電流閉じ
込め部３５の形成を全て通常の結晶成長手段を用いて行
うことができるのでドーパント濃度の制御性が良好とな
り、選択亜鉛（Ｚｎ）拡散で問題となった拡散亜鉛によ
るフリーキャリア吸収損失を生じないため、挿入損失の
増大を抑制することかできる。したかって、従来のちの
と比較して損失特性の良好な基板型光スイッチを得るこ
とがてき、損失特性か良好で、高効率の基板型光ヌイソ
ヂを提供することかできる。

なお、上記の実施例においては、ｐ−１ｎＰ基板２２上
にｎ−ＩｎＰ電流閉し込め層３２を形成しに構成とした
か、この構成はｐ型態外の化合物半導体基板にも適用す
ることかでき、例えば、ｎ−１ｎＰ基板上にｐ−ＩｎＰ
電流閉し込め層を形成した構成、あるいはＩｎＰ基板上
に５ｒ−１ｎＰ電流閉し込め層を形成しに構成等、様々
な構成のものがａｉ能である。

３発明の効果］ 以上詳細に説明しｆこ様に、この発明によれば、化合物
半導体材料を光導波路とするキャリア注入型の基板型光
スイッチにおいて、化合物半導体基板の上部位置に電流
閉じ込め層を設け、該電流閉し込め層の上部位置に光導
波路層を設け、前記電流閉じ込め層は電流閉じ込め部を
選択除去した結晶層から構成されることとしたので、こ
の電流閉じ込め部の上部ではキャリアの注入を効果的に
行なうことができ、一方、電流閉じ込め部を除く電流閉
じ込め層の上部では逆耐圧以下の印加電圧に対して常に
高抵抗状態（電流ＯＦＦ状態）を良好に保持することと
なり、注入された電流を外方へ散逸することなくこの電
流の流入流出領域内に効果的に閉じ込めることができる
。したがって、光導波路層におけるキャリアの広がりが
小さくなり、スイッチング部分におけるキャリア密度が
増加するので、低駆動電流で効率のよいスイッチング動
作を得ることができる。

また、化合物半導体基板上の任意の位置に自在に電流閉
じ込め部を形成することができるので、電流閉じ込め層
及・び電流閉じ込め部はドーパント濃度の制御を良好に
行うことができ、従来のものと比較して良好な損失特性
を得ることができる。

以上により、種々の点で改良され、損失特性の良好な高
効率の基板型光スイッチを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はこの発明の一実施例を示す図であ
って、第１図は基板型光スイッチの斜視図、第２図は第
１図の■−■線に沿う断面図、第３図（ａ）〜（ｅ）は
基板型光スイッチの製造方法を説明するための工程図、
第４図及び第５図は従来の基板型光スイッチを示す図で
あって、第４図は基板型光スイッチの斜視図、第５図（
ａ）及び（ｂ）は基板型光スイッチの製造方法を説明す
るための工程図である。 ２１　・・・・・・基板型光スイッチ、２２　・・・・
・・ｐ−１ｎＰ基板（化合物半導体基板）、２３．２４
　　・・・　・　光導波路、２５　・・・・・・交差部
、　　　２６　・・・・・・ｎ−電極、２７　・　・・
ｐ−電極 ３１　・・・・・　ｐ−ＩｎＰバッファ層、３２　・・
・・・・ｎ−ＩｎＰ電流閉じ込め層、３３　・・・・・
・ｐ−ＩｎＰバッファ層、３４　−−　ｕ　−Ｉ　ｎＧ
ａＡｓＰ光導波路層、３５　・・・・・・電流閉じ込め
部、 ３６　　・　ｎ−１ｎＰクラット層、 （ｎ＋）　　ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、Ｓｉｎ、絶
縁層。 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 化合物半導体材料を光導波路とするキャリア注入型の基
   板型光スイッチにおいて、 化合物半導体基板の上部位置に電流閉じ込め層を設け、
   該電流閉じ込め層の上部位置に光導波路層を設け、前記
   電流閉じ込め層は電流閉じ込め部を選択除去した結晶層
   から構成されることを特徴とする基板型光スイッチ。