JPWO2018043317A1 - 光変調器 - Google Patents
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Abstract
クラッド層（１０１）の上に形成されたｐ型の第１半導体層（１０２）と、第１半導体層（１０２）の上に形成された絶縁層（１０３）と、絶縁層（１０３）の上に形成されたｎ型の第２半導体層（１０４）とを備える。第１半導体層（１０２）は、シリコンまたはシリコンゲルマニウムから構成され、第２半導体層（１０４）は、３つ以上の材料からなるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されている。
Description
本発明は、化合物半導体を用いたＭＯＳ構造電荷蓄積型の光変調器に関する。
通信用光デバイスとして、ＳＯＩ（silicon-on-insulator）基板の上に化合物半導体素子を集積する技術が注目されている。特に、レーザーと光変調器との集積に関する技術は、通信デバイスの飛躍的な高集積化、低コスト化を実現する上で重要となる。高速、高効率化が要求される光変調器において、ＩｎＰ層をｎ型、低損失なＳｉ層をｐ型とするＭＯＳ構造電荷蓄積型の光変調器が有望である（非特許文献１参照）。
この光変調器は、図４に示すように、埋め込み絶縁層４０１の上に形成されたｐ型シリコン層４０２と、ｐ型シリコン層４０２の上に形成された絶縁層４０３と、絶縁層４０３の上に形成されたｎ型ＩｎＰ層４０４とから構成されている。ｐ型シリコン層４０２には、ｐ電極４０５が接続し、ｎ型ＩｎＰ層４０４にはｎ電極４０６が接続している。埋め込み絶縁層４０１は、クラッドとして機能する。また、ｐ型シリコン層４０２は、埋め込み絶縁層４０１の上のＳＯＩ層４１１をパターニングすることで形成されている。ｐ型シリコン層４０２のｎ電極４０６形成側の側部には、ＳＯＩ層４１１との間に空気溝４１２が形成されている。また、ｎ電極４０６に覆われていないｎ型ＩｎＰ層４０４の上面は、空間に解放されている。
ｐ型シリコン層４０２の一部とｎ型ＩｎＰ層４０４の一部とは、平面視で互いに重なって配置され、変調対象の光が導波する光導波部を形成している。この光導波部において、積層方向にｐ型シリコン層４０２とｎ型ＩｎＰ層４０４との間に絶縁層４０３が挟まれる。変調対象となる光は、埋め込み絶縁層４０１、空気溝４１２、および上方空間などをクラッドとして光閉じ込め部に閉じ込められ、導波モード４２１が形成される。
この光変調器では、光導波部においてｐ型シリコン層４０２およびｎ型ＩｎＰ層４０４それぞれ絶縁層４０３との界面に蓄積される多数キャリア密度を変調することにより、光導波部におけるｐ型シリコン層４０２およびｎ型ＩｎＰ層４０４の屈折率を変調する。この構造では、ｎ型層にＳｉを用いる場合に比較して、２〜３倍程度の変調効率の向上が期待できる。
D. Liang et al., "A Tunable Hybrid III-V-on-Si MOS Microring Resonator with Negligible Tuning Power Consumption", Optical Fiber Communication Conference 2016, Th1K.4 , 2016.
しかしながら、上述した技術では、更なる変調効率の向上が容易ではないという問題があった。変調効率の向上のためには、まず、キャリアによる屈折率変化を増大させることが重要となる（キャリアプラズマ効果）。また、変調効率の向上のためには、生成したキャリアの導波光への作用（影響）をより大きくさせることが重要となる。理論的には、キャリアによる屈折率変化は、化合物半導体の有効質量の低減、およびバンドフィリング効果の増大によって、より大きくすることができる。また、光閉じ込め係数の増大により、キャリアの導波光への作用をより大きくすることができる。
しかしながら、実際には、従来技術で用いられているＩｎＰ層を構成するＩｎＰは、化学量論的に安定な組成であり、結晶構造が一意に決定されるため、有効質量や屈折率といった材料物性を調整することができない。このため、上述した２つのことによる変調効率の向上が極めて困難である。
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、ＭＯＳ構造電荷蓄積型の光変調器の変調効率を更に向上させることを目的とする。
本発明に係る光変調器は、クラッド層の上に形成されたシリコンまたはシリコンゲルマニウムから構成されたｐ型の第１半導体層と、第１半導体層の上に形成された絶縁層と、絶縁層の上に形成された３つ以上の材料からなるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されたｎ型の第２半導体層と、第１半導体層に接続された第１電極と、第２半導体層に接続された第２電極とを備え、第１半導体層の一部と第２半導体層の一部とは、絶縁層を介して平面視でで重なって配置され、クラッド層の平面に平行な方向に変調対象の光が導波する光導波部を形成し、光導波部は、シングルモード条件を満たしている。
上記光変調器において、第１電極は、第１半導体層の光導波部以外の領域の上に形成されている。
上記光変調器において、第２半導体層は、積層された複数の化合物半導体層からなり、複数の化合物半導体層は、絶縁層に近い化合物半導体層ほど小さなバンドギャップエネルギーを有するものとしてもよい。
上記光変調器において、第１半導体層は、積層された複数の半導体層からなり、複数の半導体層は、絶縁層に近い半導体層ほど小さなバンドギャップエネルギーを有するものとしてもよい。
以上説明したように、本発明によれば、ｎ型の第２半導体層を３つ以上の材料からなるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成したので、ＭＯＳ構造電荷蓄積型の光変調器の変調効率を更に向上させることができるという優れた効果が得られる。
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，図２を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における光変調器の構成を示す断面図である。また、図２は、本発明の実施の形態１における光変調器の一部構成を示す平面図である。
はじめに、本発明の実施の形態１について、図１，図２を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における光変調器の構成を示す断面図である。また、図２は、本発明の実施の形態１における光変調器の一部構成を示す平面図である。
この光変調器は、クラッド層１０１の上に形成されたｐ型の第１半導体層１０２と、第１半導体層１０２の上に形成された絶縁層１０３と、絶縁層１０３の上に形成されたｎ型の第２半導体層１０４とを備える。第１半導体層１０２は、シリコンまたはシリコンゲルマニウムから構成されている。第２半導体層１０４は、３つ以上の材料からなる化合物半導体から構成されている。第２半導体層１０４は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰから構成されている。また、第１半導体層１０２に接続された第１電極１０５と、第２半導体層１０４に接続された第２電極１０６とを備える。
ここで、第１半導体層１０２の一部と第２半導体層１０４の一部とは、平面視で互いに重なって配置され、クラッド層１０１の平面に平行な方向に変調対象の光が導波する光導波部１２１を形成している。すなわち、光導波部１２１の積層方向では、第１半導体層１０２と第２半導体層１０４との間に絶縁層１０３が挟まれている。
なお、実施の形態１において、クラッド層１０１の上の第２電極１０６が形成される側の領域には、絶縁層１０７が形成されている。絶縁層１０７の側部は、第１半導体層１０２の側部に接している。また、第２半導体層１０４の上には、絶縁層１０８が形成されている。絶縁層１０７および絶縁層１０８はクラッドとして機能し、クラッド層１０１とともに、断面視でこれらに囲われた領域に光を閉じ込める機能を果たす。
光導波部１２１は、図２の平面図に矢印で示す光導波方向に延在している。なお、図２では、第１電極１０５、第２電極１０６、絶縁層１０８は省略されている。実施の形態１では、光導波部１２１を境に、一方の方向に第１半導体層１０２が延在し、他方の方向に第２半導体層１０４が延在している。第１半導体層１０２の光導波部１２１から延在する領域のうち絶縁層１０３が形成されていない領域において、第１半導体層１０２の表面に第１電極１０５がオーミック接続している。また、第２半導体層１０４の光導波部１２１から延在する領域の表面に、第２電極１０６がオーミック接続している。平面視で光導波部１２１の領域には、電極が配置されない。言い換えると、第１電極１０５は、第１半導体層１０２の上の光導波部１２１以外の領域に形成されている。
また、光導波部１２１に導波モードが形成されるように、光導波部１２１は、シングルモード条件を満たすようにする。光導波部１２１において、第１半導体層１０２および第２半導体層１０４の絶縁層１０３との界面に多数キャリアが蓄積されるので、この部分すなわち、第１半導体層１０２または第２半導体層１０４の絶縁層１０３との界面に、光導波路モードフィールドの中心が配置されるように、第１半導体層１０２の厚さおよび第２半導体層１０４の厚さを適宜に設定する。
以下、実施の形態における光変調器の製造方法について簡単に説明する。例えば、よく知られたＳＯＩ基板を用い、埋め込み絶縁層をクラッド層１０１とし、表面シリコン層を、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パターニングすることで、クラッド層１０１の上に第１半導体層１０２を形成する。
次に、クラッド層１０１の上に第１半導体層１０２に隣接して絶縁層１０７を形成する。絶縁層１０７は、例えば、酸化シリコン，酸窒化シリコン、酸化アルミニウムなどから構成すればよい。絶縁層１０７は、この表面が第１半導体層１０２の表面と同一平面上に配置されるように平坦化した状態に形成する。次に、第１半導体層１０２および絶縁層１０７の上に、絶縁層１０３を形成する。絶縁層１０３は、例えば、酸化シリコン，酸窒化シリコン、酸化アルミニウムなどから構成すればよい。なお、第１半導体層１０２と絶縁層１０７との間に、空気溝を設けてもよい。
一方、ＩｎＰからなる成長基板の上に、よく知られた有機金属気相成長法により、所定の組成比としたＩｎＧａＡｓＰの層をエピタキシャル成長させる。次いで、成長したＩｎＧａＡｓＰの層を、上述した絶縁層１０３の上に貼り合わせ、この後、成長基板を除去する。次に、絶縁層１０３の上に形成されたＩｎＧａＡｓＰの層を、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パターニングすることで、第２半導体層１０４を形成する。
次に、第１電極１０５を形成する箇所の絶縁層１０３に開口を形成して第１半導体層１０２の表面を露出させ、ここに第１電極１０５を形成する。第１電極１０５は、例えば、Ｔｉから構成すればよい。また、第２半導体層１０４の上に第２電極１０６を形成する。第２電極１０６は、例えば、ＡｕＧｅＮｉから構成すればよい。各電極は、例えば、よく知られたリフトオフ法により形成すればよい。また、第２半導体層１０４および絶縁層１０３の上に、絶縁層１０８を形成する。なお、絶縁層１０８は、必ずしも形成しなくてもよく、代わりに空気の層としてもよい。ただし、絶縁層１０８を形成することで、第２半導体層１０４が、周囲の環境より保護できるようになる。
実施の形態１によれば、第２半導体層１０４を３つ以上の材料からなる化合物半導体から構成したので、以下に説明するように、光変調器の変調効率の向上が可能となる。
３元系または４元系の化合物半導体は、組成の制御により有効質量や屈折率を制御することが可能であり、キャリアによる屈折率の変化、および光閉じ込めの両方を向上させることが可能である。
例えば、Ｉｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-yのバンドギャップエネルギーＥｇと組成ｙとの関係は、
Ｅｇ＝１．３４４−０．７３８ｙ＋０．１３８ｙ2
となる。
Ｅｇ＝１．３４４−０．７３８ｙ＋０．１３８ｙ2
となる。
ここで、半導体における電流注入による屈折率の変化には、よく知られているように、キャリアプラズマ効果、バンドフィリング効果、バンドギャップ縮小効果がある。これらの効果を考慮した場合、電子密度を２×１０18ｃｍ3変化させると、ＩｎＰは、屈折率が０．００９４変化する。これに対し、電子密度を２×１０18ｃｍ3変化させると、Ｅｇ＝０．９５ｅＶとしたＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-yは、屈折率が０．０１３変化し、Ｅｇ＝０．９２ｅＶとしたＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-yは、屈折率が０．０１４５変化し、Ｅｇ＝０．８９ｅＶとしたＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-yは、屈折率が０．０１６変化する。
なお、Ｅｇ＝０．９５ｅＶとしたＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-yは、バンドギャップ波長λが１．３μｍであり、Ｅｇ＝０．９２ｅＶとしたＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-yは、バンドギャップ波長λが１．３５μｍであり、Ｅｇ＝０．８９ｅＶとしたＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-yは、バンドギャップ波長λが１．４μｍである。
Ｉｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-yは、組成比を変化させることでバンドギャップエネルギーが小さくなるにつれて、キャリアによる屈折率変化は大きくなり、二元系材料のＩｎＰよりも大きな値となる。
また、一般にＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-yは、バンドギャップエネルギーが小さくなるにつれて、屈折率が大きくなる。光導波部１２１を構成する第２半導体層１０４に屈折率が大きい材料を用いることで、光導波部１２１への光閉じ込め効果が大きくなり、光導波部１２１における光強度（分布）をより強くすることができる。この結果、光導波部１２１
において第２半導体層１０４の絶縁層１０３との界面に生成される多数キャリアを、光導波部１２１に導波する光に対してより強く作用させることが可能となる。従って、第２半導体層１０４を構成する多元系の化合物半導体においては、バンドギャップエネルギーがより小さくなる組成とすることが望ましい。
において第２半導体層１０４の絶縁層１０３との界面に生成される多数キャリアを、光導波部１２１に導波する光に対してより強く作用させることが可能となる。従って、第２半導体層１０４を構成する多元系の化合物半導体においては、バンドギャップエネルギーがより小さくなる組成とすることが望ましい。
以上に説明したように、第２半導体層１０４をバンドギャップエネルギーがより小さい半導体から構成することで、第１に、キャリア密度変化による屈折率変化の増大が可能となり、第２に、発生させたキャリアの導波光への影響の増大が可能となることが分かる。なお、第２半導体層１０４におけるバンド間吸収を防ぐため、バンドギャップエネルギーは、変調対象の光の波長に対応するエネルギー以上にしなければならない。例えば、対象となる光の波長が１．５５μｍの場合、第２半導体層１０４のバンドギャップエネルギーは０．８ｅＶ以上でなければならない。
また、第１半導体層１０２は、必ずしもシリコンである必要はなく、より有効質量が小さなシリコンゲルマニウム混晶材料から構成されても良い。また、絶縁層１０３は、絶縁破壊耐性やトンネル電流防止性能が得られる範囲で、所望とするＣＲ時定数の容量が実現できるように薄くすればよい。
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態２における光変調器の構成を示す断面図である。
次に、本発明の実施の形態２について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態２における光変調器の構成を示す断面図である。
この光変調器は、クラッド層１０１の上に形成されたｐ型の第１半導体層１０２と、第１半導体層１０２の上に形成された絶縁層１０３と、絶縁層１０３の上に形成されたｎ型の第２半導体層２０４とを備える。また、第１半導体層１０２に接続された第１電極１０５と、第２半導体層２０４に接続された第２電極１０６とを備える。
第１半導体層１０２の一部と第２半導体層１０４の一部とは、平面視で互いに重なって配置され、クラッド層１０１の平面に平行な方向に変調対象の光が導波する光導波部１２１を形成している。すなわち、光導波部１２１の積層方向では、第１半導体層１０２と第２半導体層１０４との間に絶縁層１０３が挟まれている。
実施の形態２では、第２半導体層２０４は、積層された複数の化合物半導体層２０４ａ，２０４ｂから形成されている。化合物半導体層２０４ａ，２０４ｂのバンドギャップエネルギーは、互いに異なり、絶縁層１０３に近い化合物半導体層２０４ａほどより小さなバンドギャップエネルギーを有する。第２半導体層２０４以外の構成は、前述した実施の形態１と同様であり、実施の形態２においても、クラッド層１０１の上に第１半導体層１０２に隣接して絶縁層１０７が形成され、第２半導体層２０４の上には、絶縁層１０８が形成されている。
光導波部１２１における第１半導体層１０２および第２半導体層２０４の絶縁層１０３との界面に発生したキャリアにより屈折率が変化する領域は、キャリアが蓄積される第１半導体層１０２および第２半導体層２０４の絶縁層１０３との界面近傍となる。従って、より屈折率変化が大きくバンドギャップエネルギーがより小さい層は、絶縁層１０３の付近に配置されていればよい。従って、上述したように、バンドギャップエネルギーがより小さい化合物半導体層２０４ａを絶縁層１０３の側に配置する。
この構成では、屈折率の大小関係が、化合物半導体層２０４ａ＞化合物半導体層２０４ｂとなるところに特徴がある。この構成により、第２半導体層２０４には、積層方向に屈折率差が生じるため、光導波部１２１を導波する光は屈折率がより高い化合物半導体層２０４ａの側に集中し、キャリアが蓄積される絶縁層１０３との界面付近により強く光が閉じ込められる。この結果、キャリアの導波光への作用をより大きくすることができる。
なお、実施の形態２においても、光導波部１２１における多数キャリアが蓄積される部分、すなわち第１半導体層１０２または第２半導体層２０４の絶縁層１０３との界面近傍に光導波路モードフィールドの中心が配置されるように、第１半導体層１０２、化合物半導体層２０４ａ，化合物半導体層２０４ｂの各々の厚さを適宜に設定する。また、実施の形態２においても、第１電極１０５は、第１半導体層１０２上の光導波部１２１以外の領域に形成されており、平面視で光導波部１２１の領域には、電極が配置されない。
また、より小さいバンドギャップを有する化合物半導体は、キャリアによる屈折率変化が大きい一方で、キャリアによる吸収も大きい。このため、キャリア蓄積が生じない界面近傍以外の領域をより低損失な化合物半導体層２０４ｂとすることで、導波光の吸収損失を低減することができる。
ところで、この実施の形態２では、第１半導体層１０２をシリコンまたはシリコンゲルマニウムから構成し、第２半導体層２０４を、各々異なるバンドギャップエネルギーの化合物半導体層２０４ａ，２０４ｂの積層構造とし、絶縁層１０３に近い化合物半導体層ほど小さなバンドギャップエネルギーとしたが、第１半導体層１０２においても、第２半導体層２０４と同様に、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する半導体層の積層構造とし、絶縁層に近い半導体層ほど小さなバンドギャップエネルギーを有する構成としてもよい。また、実施の形態１においても、第１半導体層１０２を上述した積層構造としてもよい。第１半導体層１０２は、シリコンとゲルマニウムの混晶材料の組成により、バンドギャップおよび屈折率の制御が可能であり、第１半導体層においても、上記と同様の効果が得られるものと考えられる。
以上に説明したように、本発明によれば、ｎ型の第２半導体層を３つ以上の材料からなるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成したので、ＭＯＳ構造電荷蓄積型の光変調器の変調効率を更に向上させることができる。
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。例えば、上述では、ＩｎＧａＡｓＰを例に説明したが、これに限るものではなく、他の３元系，４元系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成してもよい。また、これらは、必ずしも結晶でなくてもよい。
１０１…クラッド層、１０２…第１半導体層、１０３…絶縁層、１０４…第２半導体層、１０５…第１電極、１０６…第２電極、１０７…絶縁層、１０８…絶縁層。
Claims (4)
- クラッド層の上に形成されたシリコンまたはシリコンゲルマニウムから構成されたｐ型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層の上に形成された３つ以上の材料からなるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されたｎ型の第２半導体層と、
前記第１半導体層に接続された第１電極と、
前記第２半導体層に接続された第２電極と
を備え、
前記第１半導体層の一部と前記第２半導体層の一部とは、前記絶縁層を介して平面視でで重なって配置され、前記クラッド層の平面に平行な方向に変調対象の光が導波する光導波部を形成し、
前記光導波部は、シングルモード条件を満たしている
ことを特徴とする光変調器。 - 請求項１記載の光変調器において、
前記第１電極は、前記第１半導体層の前記光導波部以外の領域の上に形成されている
ことを特徴とする光変調器。 - 請求項１または２記載の光変調器において、
前記第２半導体層は、積層された複数の化合物半導体層からなり、前記複数の化合物半導体層は、前記絶縁層に近い化合物半導体層ほど小さなバンドギャップエネルギーを有する
ことを特徴とする光変調器。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光変調器において、
前記第１半導体層は、積層された複数の半導体層からなり、前記複数の半導体層は、前記絶縁層に近い半導体層ほど小さなバンドギャップエネルギーを有する
ことを特徴とする光変調器。
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