JPH0521904A - 半導体光制御素子およびその製造方法 - Google Patents
半導体光制御素子およびその製造方法Info
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Abstract
る、低損失で、かつ微細な光導波型の半導体光制御素子
を提供する。 【構成】 半導体導波型光制御素子を製作する際に、半
導体をエッチングしてリッジを形成するのではなく、平
坦なダブルヘテロ結晶上に誘電体をマスクとして選択的
にリッジ131を成長する。このとき、リッジ側面13
0も平滑な結晶面とすることができるので、散乱損失の
無い超低損失な導波型光制御デバイスを実現できる。し
かも、この製造方法においては、半導体のエッチングは
不要であり、エッチングを行うのは薄い誘電体膜のみで
あるので、微細な導波型半導体光制御デバイスを再現性
良く、広い面積にわたって製造することができ、集積化
や量産化に適する。
Description
や光情報処理システムにおいて重要なエレメントとなる
半導体光スイッチおよび光変調器、特に伝搬光の損失が
小さく、半導体のエッチングを伴わないため製造方法と
しても簡単な半導体光スイッチおよび光変調器に関す
る。
信システム、光情報処理システムのキーエレメントの1
つと考えられ、各所で研究開発が活発化してきている。
光スイッチや光変調器としては、LiNbO3 等の誘電
体を用いたものと、GaAsやInPの半導体を用いた
ものとが考えられているが、光アンプ等の他の光素子や
FET等の電子回路との集積化が可能で、小型化、多チ
ャンネル化も容易な半導体光スイッチ、光変調器への期
待が近年高まりつつある。このような半導体光スイッ
チ、光変調器としては、上記適用分野から考えて、高速
動作、低損失動作、低消費電力動作、低電圧動作、高集
積の容易性等が要求される。
物理効果としては、これまでに電流注入に伴い屈折率変
化が生ずるバンドフィリング効果もしくはフリーキャリ
アプラズマ効果、電界印加に伴い屈折率変化が生ずる電
気光学効果や、多重量子井戸に電界を印加したときに励
起子吸収ピークの移動に伴い屈折率変化が生ずるQCS
E(Quantum Confinement Sta
rk Effect)効果等が挙げられ、それらの効果
を利用した光スイッチや光変調器が試作検討されてい
る。このうち、電流注入によるバンドフィリング効果も
しくはフリーキャリアプラズマ効果を用いた光スイッチ
や光変調器は動作速度が遅くまた消費電力が大きいとい
う難点があり、また多重量子井戸構造におけるQCSE
効果を用いた光スイッチや光変調器は本質的に低損失化
が困難であるという問題点がある。
ッチや光変調器は、他の効果を用いたものに比べて素子
長は長くなるものの、高速、低消費電力動作が可能であ
り、また低損失であるという利点も有している。低損失
性に関しては、近年E.Kaponらによって波長1.
52μmにおいて0.15dB/cmという低損失光導
波路がGaAs/AlGaAs系で実現できることがア
プライド フィジックス レターズ(Applied
Physics Letters)誌第50巻第23号
(1987)のP1628〜1630ページにおいて報
告されている。GaAsおよびAlGaAsのバンドギ
ャップ波長は1.3μm帯および1.5μm帯に比べて
十分に短波長側にあるため、上述のような低損失光導波
路を実現することができる。しかも、電気光学効果には
波長依存性が少ないので、動作波長がバンドギャップか
ら離れていても屈折率変化はバンドギャップ近傍の場合
とそれ程変わらない。
lGaAs光導波路はウエット化学エッチングにより形
成されたものであり、微細な導波路を広い面積にわたっ
て再現性良く形成するには不向きである。したがって、
上述の導波路形成法ではいくら低損失の導波路が実現で
きても、それを集積光デバイスへ適用したり、もしくは
単体光デバイスの量産化へと適用したりすることは難し
い。
れば微細な導波路を広い面積にわたって再現性良く形成
することができる。しかしながら、現状のドライエッチ
ング技術ではエッチング底面やエッチング側面に微少な
凹凸ができることは避けられず、その凹凸により伝搬光
に散乱損失が生ずるので、損失低減には限りがある。さ
らに、ドライエッチングにおいてはエッチング底面にダ
メージが誘起され、このダメージも伝搬光に対して損失
を与える。このような理由によりドライエッチングを用
いた半導体光導波路の損失をウエット化学エッチングを
用いた場合のように減少させるのは困難である。しか
も、材料がInP系の場合、ドライエッチング自体がま
だ確立されていないという問題点がある。これは、In
PやGaAsのような化合物半導体材料のドライエッチ
ングに通常用いられる塩素ガスあるいは塩素と他のガス
の混合ガスを用いて、InP系材料をドライエッチング
すると、化学的に安定なInの塩化物InCl3 が生成
され、この塩化物がエッチングの進行を阻止するため実
用的なエッチング速度を得ることが難しいことに起因す
る。このInの塩化物の生成を抑えるためにInP系の
ドライエッチングにおいて、化学反応性を抑え主に物理
スパッタによりエッチングすることも考えられるが、そ
の場合にはエッチング底面のダメージが大きくなり望ま
しくない。近年、InP系の材料のドライエッチングに
メタン系のガスを用いることも提案されている。しかし
ながら、メタン系ガスを用いた場合には炭素による半導
体材料の汚染が避けられず、やはり問題は残る。
効果を利用した半導体光スイッチや光変調器は有望であ
るが、ドライエッチング技術がまだ未成熟であるという
事情もあり、大規模集積化や単体光デバイスの量産化へ
と適用できるような微細でしかも低損失な光導波路を製
作する技術が確立していない。
わずに微細で低損失な化合物半導体光導波路を製造する
方法を提供し、この製造方法により製作される種々の半
導体光制御素子を提供することにある。
するために、本発明の半導体光制御素子は、(100)
面方位の半導体基板上に半導体第一クラッド層、半導体
導波層、半導体第二クラッド層が順次積層された層構造
を有し、該半導体基板上に半導体第三クラッド層および
半導体キャップ層で構成されたリッジが形成されて直線
形状の3次元光導波路が形成されており、前記3次元光
導波路へ電界を印加する手段を有する半導体位相変調器
であって、前記リッジの側面が(111)面であること
を特徴とする。
00)面方位の半導体基板上に半導体第一クラッド層、
半導体導波層、半導体第二クラッド層が順次積層された
層構造を有し、該半導体基板上に半導体第三クラッド層
および半導体キャップ層で構成されたリッジが2本近接
して形成されて2本の近接した3次元光導波路が形成さ
れており、前記2本の3次元光導波路の各々へ電界を独
立に印加する手段を有する半導体方向性結合器型光スイ
ッチであって、前記リッジの側面が(111)面である
ことを特徴とする。
00)面方位の半導体基板上に半導体第一クラッド層、
半導体導波層、半導体第二クラッド層が順次積層された
層構造を有し、該半導体基板上に半導体第三クラッド層
および半導体キャップ層で構成されたリッジ構造でなる
3dB光分岐器、2つの位相変調器、光合流器が形成さ
れており、前記2つの位相変調器の各々へ電界を独立に
印加する手段を有する半導体マッハツェンダー型光スイ
ッチもしくは光変調器であって、前記リッジの側面が
(111)面であることを特徴とする。
半導体基板上に半導体第一クラッド層、半導体導波層、
半導体第二クラッド層を順次積層する工程と該半導体第
二クラッド層上に選択成長用誘電体マスクパターンを形
成する工程と、該マスクパターンの開口部にのみ半導体
第三クラッド層および半導体キャップ層を選択的に成長
することによりリッジ部を形成して3次元光導波路を形
成する工程と、該3次元光導波路へ電界を印加するため
の電極を形成する工程とを少なくとも含むことを特徴と
する。
る際に半導体のエッチングは用いずに、選択成長の際の
マスクとなる薄い誘電体膜(例えばSiO2膜)をエッ
チングによりパターニングし、リッジ部は選択的な結晶
成長により形成する。薄い誘電体膜を広い面積にわたっ
て、再現性良く、微細にパターニングすることは半導体
をμmオーダの深さにエッチングする場合に比べるとは
るかに容易である。したがって本発明の製造方法によれ
ば、微細な半導体光制御デバイスを再現性良く、広い面
積にわたって製造することができる。
を平滑な(111)面とすることができるのでリッジ側
面での散乱損失を無くすることができる。言うまでもな
くリッジ側面以外の部分もすべて平滑な結晶面であるの
で散乱損失は生じない。また、この製造方法において
は、半導体のドライエッチングを用いないので、エッチ
ングにより誘起されるダメージは全く生じず、それによ
る伝搬光の損失も生じない。 したがって、本発明によ
れば超低損失で微細な半導体光制御デバイスを再現性良
く、広い面積にわたって製造することができる。
る。図1は本発明による光制御素子の一実施例としてI
nGaAsP/InP光位相変調器の実施例を示す斜視
図である。まず図1に示したInGaAsP/InP光
位相変調器の製造方法について、その工程を説明するた
めの図2、図3を用いて説明する。
101上に、有機金属気相成長法(以下MOVPE法と
略する)等を用いて、n−InPクラッド層102を約
1μm、波長組成1.15μmのi−InGaAsP導
波層103を0.3μm、i−InPクラッド層104
を0.3μm順次積層する(図2(a))。次に、i−
InPクラッド層104の上にSiO2 膜201を形成
し(図2(b))、通常のフォトリソグラフィ技術を用
いてSiO2 膜201をパターニングする(図2
(c))。このSiO2 膜は後にリッジ部を選択的に成
長する際のマスクとなるので、後にリッジを形成すべき
部分がストライプ状の空隙部202となるようにパター
ニングを行う、(図2(c))。また、空隙部のストラ
イプ方向は[011]方向とし、ストライプ幅は4μm
である。次に、再度MOVPE法を用いて、上述のスト
ライプ状の空隙部202上のみに選択的にp−InPク
ラッド層105を0.6μm、p−InGaAsキャッ
プ層106を0.2μm成長する(図2(d))。この
とき、形成されたリッジの側面は(111)B面とな
り、平滑なリッジ側面が得られる。
201を除去後(図3(a))、保護膜となるSiO2
膜107を形成する(図3(b))。SiO2 膜107
にp側電極コンタクト用の窓203を形成後(図3
(c))、TiとAuよりなるp側電極108を形成す
る(図3(d))。最後に、n−InP基板101を1
00μm程度の厚さに研磨した後n−InP基板101
側にAuGeNi/AuNiよりなるn側電極110を
形成し(図3(e))、素子をへき開し、必要に応じて
入出射端面に無反射コーティングを施して素子製作を終
了する。
した光制御素子の動作について以下に説明する。図1に
示した光制御素子のp側電極108とn側電極110と
の間に逆バイアス電圧を印加すると、i−InGaAs
P導波層103とi−InPクラッド層104に電界が
印加され、この電界によって一次の電気光学効果(ポッ
ケルス効果)によりi−InGaAsP導波層103と
i−InPクラッド層104の屈折率が変化する。した
がって、入射側端面よりi−InGaAsP導波層10
3のバンドギャップ波長(λg =1.15μm)よりも
長波長側の光を素子に入射すると、伝搬光はほとんど損
失なく出射側端面へと達するが、逆バイアス電圧を印加
すると電界により位相変調を受ける。よって、図1に示
した素子は位相変調器として動作する。図4は、図1に
示した素子の素子長を3mmとしたときの逆バイアス電
圧と位相変化量との関係を示す図である。入射光の波長
は1.3μmである。位相変化量をπとするのに要する
電圧Vπは5.8Vである。また、素子長3mmのとき
のこの素子の静電容量Cは2.2pFあり、特性インピ
ーダンスが50オーム(Ω)の系における変調周波数帯
域としては約3GHzが得られる。
いて最も特徴的なことは、リッジ131を選択成長によ
り形成しており、リッジ側面130はもちろんのこと、
全ての面が平滑な結晶面であることである。このため従
来のエッチングにより形成した光導波路において必ず生
じていた散乱による損失が、本実施例においては生じな
い。したがって本発明では、従来に比べて大幅に低損失
な光位相変調器を実現できる。
ンドープという点を除けば図1に示した本実施例と同じ
構造の導波路の伝搬損失は、波長1.3μmにおいて
0.07dB/cmと超低損失であった。これは、本発
明による光導波路の製造方法が散乱損失を生じさせない
方法であること、およびドライエッチングを用いていな
いのでダメージによる損失が生じないためである。な
お、上述の実験により波長組成1.15μmのInGa
AsPは波長1.3μmに対して透明であり、損失が生
じないことも確認されている。本実施例においては電界
を導波層に印加するためにドーピング層を設けているた
め、伝搬光が受ける損失は全ての層がアンドープの場合
よりは増加する。しかしながら、それでも3mmの素子
で伝搬損失0.4dBと超低損失とすることが可能であ
る。
例を示す。図5は本発明によるInGaAsP/InP
方向性結合器型光スイッチの実施例を示す斜視図であ
る。図5に示したInGaAsP/InP方向性結合器
型光スイッチの製造方法については、前述の第一の実施
例とほとんど同一であるので詳細は省略する。本実施例
の方向性結合器型光スイッチを製作する際に第1の実施
例と異なるのは、リッジを選択的に成長する際のSiO
2 マスクの形状とp側電極の形状だけである。図6に本
実施例におけるリッジ選択成長用SiO2 マスク形状の
上面図を示す。2本のリッジ型導波路を近接して形成す
るように、2本の幅wのストライプ状空隙部202がd
だけ離されて並置されている。さらに、本実施例の場合
にはΔβ反転駆動を可能とするように、それぞれのスト
ライプ状空隙部はスリット部610により分離されてい
る。空隙部の幅wは4μm、空隙部202の間隔dは2
μm、SiO2 膜201の幅wm は15μmであり、1
素子当りの長さLは4mm、スリット部610の長さs
は4μmである。各層の組成、厚さ、ドーピング濃度は
第1の実施例と同一であり、電極材料等も第1の実施例
と同一である。
下に説明する。図5に示した光制御素子のp側電極10
8aおよび108bとn側電極110との間に逆バイア
ス電圧を印加すると、p側電極108aおよび108b
直下の導波路のi−InGaAsP導波層103とi−
InPクラッド層104に電界が印加され、この電界に
よって一次の電気光学効果(ポッケルス効果)によりi
−InGaAsP導波層103とi−InPクラッド層
104の屈折率が変化する。このため、片側の導波路へ
と入射した入射光111の他方の導波路への結合状態を
逆バイアス電圧により制御することができる。図7に、
図5に示した方向性結合器型光スイッチに波長1.3μ
mの光を入射したときのスイッチング特性図を示す。な
お、図7は素子長が4mmのときの、Δβ反転駆動時の
スイッチング特性であり、図5において入射光111が
はいったとき、出射光501aと501bの光出力と逆
バイアス電圧の関係を示している。逆バイアス電圧6.
5Vで他方の導波路へ完全に入射光パワーが移行する
(×)状態、14.2Vで入射側光導波路から出射する
(=)状態が実現できる。なお、この場合の素子容量C
は3pFであり、スイッチングの周波数帯域として2.
2GHzが確保できる。
イッチにおいても、最も特徴的なことは、リッジ131
を選択成長により形成しており、リッジ側面130はも
ちろんのこと、全ての面が平滑な結晶面であることであ
る。このため従来のエッチングにより形成した光導波路
においては必ず生ずる散乱による損失が本実施例におい
ては生じないため、従来に比べて大幅に低損失な方向性
結合器型光スイッチを本発明により実現できることは、
第1の実施例の場合と同様である。
例を示す。図8は本発明によるInGaAsP/InP
マッハツェンダー型光変調器の実施例を示す斜視図であ
る。図8に示したInGaAsP/InPマッハツェン
ダー型光変調器の製造方法については、前述の第1の実
施例および第2の実施例とほとんど同一であるので詳細
は省略する。マッハツェンダー型光変調器は3dB光分
岐器部810、2つの位相変調器部よりなる位相変調器
部811および光合流器部812により構成されるが、
いずれの部分でも導波路幅wは4μmである。また、図
8においては2つの位相変調器の長さは各々3mm、2
つの位相変調器を電気的に分離するためのスリット部の
長さは4μm、2つの位相変調器の間隔は20μmであ
り、Y字型の3dB光分岐器および光合流器とも曲線導
波路部の曲率半径は5mmである。各層の組成、厚さ、
ドーピング濃度は第1の実施例と同一であり、電極材料
等も第1の実施例と同一である。
下に説明する。 図8に示したマッハツェンダー型光変
調器の2つの位相変調器のうちの1つの位相変調器のp
側電極108とn側電極110との間に逆バイアス電圧
を印加すると、p側電極108直下の導波路のi−In
GaAsP導波層103とi−InPクラッド層104
に電界が印加され、この電界によって一次の電気光学効
果(ポッケルス効果)によりi−InGaAsP導波層
103とi−InPクラッド層104の屈折率が変化す
る。このため、3dB光分岐器810により等分された
入射光111のうち一方は逆バイアス電圧の印加により
位相変調を受け、光合流器812により2つの光路の光
が合流されたときこの位相変調が強度変調へと変換され
る。したがって、片側の位相変調器へ、πの位相変化を
与えるような逆バイアス電圧Vπを印加すると入射光を
消光させることができる。図9に、図8に示したマッハ
ツェンダー型光変調器に波長1.3μmの光を入射した
ときの消光特性図を示す。逆バイアス電圧0Vで光透過
状態、逆バイアス電圧5.8Vで光消光状態であり、逆
バイアス電圧をさらに増加させると以下これを周期的に
繰り返す。なお、この場合の素子容量Cは2.2pFで
あり、変調周波数帯域として3GHzが確保できる。
型光変調器においても、最も特徴的なことは、リッジ1
31を選択成長により形成しており、リッジ側面130
はもちろんのこと、全ての面が平滑な結晶面であること
である。このため従来のエッチングにより形成した光導
波路においては必ず生ずる散乱による損失が本実施例に
おいては生じない。したがって、従来に比べて大幅に低
損失な方向性結合器型光スイッチを本発明により実現で
きる。このことは第1、第2の実施例の場合と同様であ
る。
ものではない。実施例としては、InP系の光制御素子
を取り上げたが、これに限るものではなく、GaAs系
などの他の半導体材料を用いた光制御素子に対しても本
発明は同様に適用可能である。また本発明が実施例で示
した素子形状、すなわち各層の厚さや各層の組成及び導
波路寸法等、に限定されるものではないことは言うまで
もない。
損失の光位相変調器、方向性結合器型光スイッチ、マッ
ハツェンダー型光変調器を得ることができる。しかも、
本発明においては、種々の光制御素子を製作する際に半
導体のエッチングは用いずに、選択成長の際のマスクと
なる薄い誘電体膜(例えばSiO2 膜)をエッチングに
よりパターニングし、リッジ部は選択的な結晶成長によ
り形成する。薄い誘電体膜を広い面積にわたって、再現
性良く、微細にパターニングすることは半導体をμmオ
ーダの深さにエッチングする場合に比べるとはるかに容
易である。したがって本発明の製造方法によれば、微細
な半導体光制御デバイスを再現性良く、広い面積にわた
って製造することができる。
P光位相変調器の構造を示す斜視図である。
ための図である。
ための図で図2の続きである。
す図である。
P方向性結合器型光スイッチの構造を示す斜視図であ
る。
P方向性結合器型光スイッチを製造する際の選択リッジ
成長用マスクパターンを示す図である。
ッチング特性を示す図である。
Pマッハツェンダー型光変調器の構造を示す斜視図であ
る。
光特性を示す図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 半導体基板上に半導体第一クラッド層、
半導体導波層、半導体第二クラッド層が順次積層された
層構造を有し、該半導体基板上に半導体第三クラッド層
および半導体キャップ層で構成されたリッジが形成され
て直線形状の3次元光導波路が形成され、前記3次元光
導波路へ電界を印加する手段を有する半導体位相変調器
であって、前記リッジの側面が(111)面であること
を特徴とする半導体光制御素子。 - 【請求項2】 半導体基板上に半導体第一クラッド層、
半導体導波層、半導体第二クラッド層が順次積層された
層構造を有し、該半導体基板上に半導体第三クラッド層
および半導体キャップ層で構成されたリッジが2本近接
して形成されて2本の近接した3次元光導波路が形成さ
れ、前記2本の3次元光導波路の各々へ電界を独立に印
加する手段を有する半導体方向性結合器型光スイッチで
あって、前記リッジの側面が(111)面であることを
特徴とする半導体光制御素子。 - 【請求項3】 半導体基板上に半導体第一クラッド層、
半導体導波層、半導体第二クラッド層が順次積層された
層構造を有し、該半導体基板上に半導体第三クラッド層
および半導体キャップ層で構成されたリッジ構造でなる
3dB光分岐器、2つの位相変調器、光合流器が形成さ
れ、前記2つの位相変調器の各々へ電界を独立に印加す
る手段を有する半導体マッハツェンダー型光スイッチも
しくは光変調器であって、前記リッジの側面が(11
1)面であることを特徴とする半導体光制御素子。 - 【請求項4】 半導体基板上に半導体第一クラッド層、
半導体導波層、半導体第二クラッド層を順次積層する工
程と、該半導体第二クラッド層上に選択成長用誘電体マ
スクパターンを形成する工程と、該マスクパターンの開
口部にのみ半導体第三クラッド層および半導体キャップ
層を選択的に成長することによりリッジ部を形成して3
次元光導波路を形成する工程と、該3次元光導波路へ電
界を印加するための電極を形成する工程とを少なくとも
含むことを特徴とする半導体光制御素子の製造方法。
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