KR101045758B1 - 반도체 광변조기 - Google Patents

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니폰덴신뎅와 가부시키가이샤
엔티티 엘렉트로닉스 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명에 의하면, 내압이 높고, 제작이 용이한 npin형 광변조기를 제공할 수가 있다. 본 발명의 하나의 실시예에 의한 반도체 광증폭기(10)는, 기판측에 음극층(12-1)을 배치하여 순차 적층된 npin형의 반도체 광변조기로서, 적어도 제1의 n형 클래드층(13-1), p형 클래드층(14), 코어층(17), 및 제2의 n형 클래드층(13-2)을 포함하는 반도체 광변조기에 있어서, p형 클래드층(14)이 음극층의 전극(18-1)에 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 한다. 이에 의해 npin형 광변조기에서의 광흡수에 수반하는 p형 클래드층에의 정공의 축적을 음극측의 전극에 흡수시킬 수가 있다. 이 npin형의 반도체 광변조기는 메사형의 도파로 구조로 함으로써 종래의 반도체 제조 기술을 이용하여 비교적 용이하게 제작할 수가 있다.
내압, 광변조기, 반도체 광증폭기, 기판측, 음극층, 클래드층, 광흡수, 메사형, 도파로

Description

반도체 광변조기{SEMICONDUCTOR OPTICAL MODULATOR}
본 발명은 반도체 광변조기에 관한 것으로, 보다 자세하게는 장파장 대역에서 동작하는 초고속의 반도체 광변조기에 관한 것이다.
장거리 파장 다중 광통신 시스템에 있어서 사용되는 광신호는 파이버(fiber) 분산 효과의 영향을 억제하기 위해 파장 처프(frequency length chirp)가 작은 것이 요구된다. 이러한 광신호는 통상적으로 레이저 다이오드 광원과 외부 변조기를 조합한 구성에서 발생된다. 이런 종류의 전형적인 외부 변조기는 LiNbO3(LN) 도파로로 제작되는 LN변조기이다. LN변조기의 동작 원리는 광도파로와 전기도파로를 결합시켜서 전기신호 입력에 의한 전기광학 효과에 기초한 굴절률 변화를 야기하고, 광신호에 위상 변화를 주는 것에 의한 것이다. 이러한 LN변조기에는 단순한 광위상 변조기 이외에 마하젠다 간섭계(Mach Zehnder interferometer)를 구성한 광강도 변조기, 혹은 다수의 도파로를 결합시켜 보다 고기능의 광스위치로서 동작하는 디바이스(device) 등이 있다.
또, LN변조기와 마찬가지의 동작 원리를 이용한 반도체 광변조기도 존재한다. 예를 들면, 반절연성의 GaAs에 숏트키 전극(Schottky electrode)을 배치하고, 광전자도파로로 한 GaAs 광변조기나, 이질 pn 접합(hetero pn junction)을 이용하여 광의 가두어넣음과 아울러 도파로의 코어(core) 부분에 효과적으로 전압이 인가되도록 한 InP/InGaAsP 광변조기 등이 있다. 반도체 광변조기는 소형이라고 하는 이점을 가지는 반면, GaAs 광변조기 및 pn 접합형 InP/InGaAsP 광변조기는 함께 구동 전압이 높다고 하는 문제가 있다.
최근, 이러한 문제를 회피하는 구조로서 양쪽 모두의 InP 클래드층(clad layer)을 n형으로 하고, 양쪽 n층 사이의 전자 전류를 억제하기 위한 베리어층(barrier layer)으로서 얇은 p층(p형 베리어층)을 삽입한 npin형 광변조기 구조가 제안되어 있다(특허 문헌 1). 이 npin형은 광손실이 큰 p형 클래드를 사용하지 않기 때문에 비교적 긴 도파로를 이용하는 것이 가능하게 된다. 또, 공핍층의 두께를 임의로 최적 설계할 수 있다고 하는 자유도가 있기 때문에 구동 전압의 저감과 전기속도/광속도의 정합을 동시에 만족하기 쉽고, 변조기의 응답 속도를 올리는데 있어서 유리하다.
그렇지만, npin형의 광변조기는 트랜지스터와 마찬가지의 반도체층 구조로 되어 있으므로, 유한의 광흡수가 있는 경우, 발생한 정공 캐리어(hole carrier)가 p형 베리어층에 축적된다고 하는 문제가 있다. 이 현상에 의해 베리어(barrier)의 높이가 저하하여 이른바 포토트랜지스터(photo-transistor) 동작을 일으킨다. 이것은 단자간의 전자 전류의 증대, 즉 내압 저하의 원인만이 아니고 주파수 분산의 원인으로도 될 수 있다. 그래서, 새롭게 p형의 층을 형성하고 축적된 정공을 뽑아내기 위한 구조가 제안되어 있다(특허 문헌 2). 그러나, 이것에는 구조적으로 복잡하 게 된다고 하는 결점이 있었다.
도 8에 이러한 종래 기술에 의한 반도체 광변조기의 구조를 나타낸다. 이 반도체 광변조기(80)는 반절연성 기판(81) 상에 제1의 n형 전극층(electrode layer)(82-1)이 형성되고, 그 상에 제1의 n형 전극(88-1)과 제1의 n형 클래드층(83-1)이 형성되어 있다. 제1의 n형 클래드층(83-1) 상에는 또한 제1의 저농도 클래드층(85-1), 제1의 중간층(86-1), 코어층(87), 제2의 중간층(86-2), 제2의 저농도 클래드층(85-2), p형 클래드층(84), 제2의 n형 클래드층(83-2), 제2의 n형 전극층(82-2), 및 제2의 n형 전극(88-2)이, 이 순서로 적층되어 있다. 또, 제2의 n형 클래드층(83-2)과 제2의 n형 전극층(82-2)의 일부에 대해서 전도형을 n형으로부터 p형으로 바꾼 영역(89)이 형성되어 있다.
여기서, 코어층(87)은 동작 광파장에서 전기광학 효과가 유효하게 작동하도록 구성된다. 또, 제2의 중간층(86-2)은 광흡수로 발생한 캐리어(carrier)를 이질 계면(hetero-interface)에서 트랩(trap)되지 않게 하기 위한 접속층으로서 기능하고, p형 클래드층(84)은 전자 베리어로서 기능한다. 도 8에 나타내는 반도체 광변조기의 구조에 있어서, 제2의 n형 전극(88-2)은 제2의 n형 전극층(82-2)과 p형 영역(89)에 접하고 있고, 동전위로 되어 있다. 이 때문에 광흡수에 의해 p형 클래드층(84)에 축적된 정공을 제2의 n형 전극(88-2)으로 흘릴 수가 있어 보다 내압이 높고, 보다 안정된 광변조기의 동작이 가능하게 된다.
그렇지만, 전도형을 n형으로부터 p형으로 바꾼 영역(89)을 도입하기 위해서는 Zn의 열확산이나 Be의 이온(ion) 주입 등의 수법을 이용할 필요가 있다. 그 때 문에 제작 프로세스가 복잡하게 될 뿐만아니라 소자의 제조비용의 증대를 초대한다고 하는 문제가 있다.
본 발명은, 이러한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 것은 내압이 높고, 제작이 용이한 npin형 광변조기를 제공하는데 있다.
　　 <특허 문헌 1> 일본국 특허공개 2005-099387호 공보
　　 <특허 문헌 2> 일본국 특허공개 2005-114868호 공보(제1도~제3도)
이러한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일실시 형태에 의한 반도체 광변조기는, npin형의 반도체 광변조기로서, 기판측에 음극층(cathode layer)을 배치하고, 상기 기판측으로부터 순차적층된 제1의 n형 클래드층, p형 클래드층, 코어층, 및 제2의 n형 클래드층을 포함하는 반도체 광변조기에 있어서, 상기 p형 클래드층이 상기 음극층의 전극에 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 일실시 형태에 의한 반도체 광변조기는, 상기 p형 클래드층이 메사(mesa)를 구성하고, 상기 p형 클래드층의 측면이 상기 음극층의 전극에 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 일실시 형태에 의한 반도체 광변조기는, p형 클래드층의 일부에 p형 오믹(ohmic) 영역이 형성되고, p형 오믹 영역이 음극층의 전극에 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 일실시 형태에 의한 반도체 광변조기는, 상기 코어층 하에 제1의 중간층을 포함하고, 상기 코어층 상에 제2의 중간층을 포함하고, 상기 제1의 중간층의 밴드갭 에너지(band-gap energy)는 상기 코어층의 밴드갭 에너지보다 크고, 제1의 중간층의 하의 층의 밴드갭 에너지보다 작고, 상기 제2의 중간층의 밴드갭 에너지는 상기 코어층의 밴드갭 에너지보다 크고, 제2의 중간층의 상의 층의 밴드갭 에너지보다 작은 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 일실시 형태에 의한 반도체 광변조기는, p형 클래드층이 제1의 n형 클래드층보다 전자 친화력이 작은 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 제1의 실시예와 관련되는 반도체 광변조기의 단면도이다.
도 2는 도 1의 선분 II-II＇를 따른 단면에 있어서의 밴드 다이어그램이다.
도 3은 도 1의 선분 III-III＇를 따른 단면에 있어서의 밴드 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 제2의 실시예와 관련되는 반도체 광변조기의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3의 실시예와 관련되는 반도체 광변조기의 단면도이다.
도 6은 도 5의 선분 VI-VI＇를 따른 단면에 있어서의 밴드 다이어그램이다.
도 7은 본 발명의 제4의 실시예와 관련되는 반도체 광변조기의 밴드 다이어그램이다.
도 8은 종래 기술에 의한 반도체 광변조기의 구조의 일례를 나타내는 도이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 몇 개의 실시예에 대해서 상세하게 설명한다.
　　 <실시예 1>
도 1에 본 발명의 제1의 실시예와 관련되는 반도체 광변조기의 단면도를 나타낸다. 이 광변조기(10)는 반절연성의 InP 기판(11) 상에 제1의 n형 전극층(n＋-InP)(12-1)을 형성하고, 그 상에 제1의 n형 클래드층(n-InP)(13-1)을 형성하고 있다. 제1의 n형 클래드층(13-1) 상에는, 전자 베리어로서 기능하는 p형 클래드층(clad layer)(p-InP)(14)이 형성되고, 그 상에 p형 전극(19)과 제1의 저농도 클래드층(ud-InP)(15-1)이 형성되어 있다. p형 전극(19) 상에는, 제1의 n형 전극층(12-1)과 접하는 제1의 n형 전극(18-1)이 형성되어 있다. 한편, 제1의 저농도 클래드층(15-1) 상에는 또한 제1의 중간층(ud-InGaAsP)(16-1), 코어층(core layer)(17), 제2의 중간층(ud-InGaAsP)(16-2), 제2의 저농도 클래드층(통상적으로 n--InP)(15-2), 제2의 n형 클래드층(n-InP)(13-2), 제2의 n형 전극층(n＋-InP)(12-2), 및 제2의 n형 전극(18-2)이, 이 순서로 적층되어 있다.
여기서, 코어층(17)은, 동작 광파장에서 전기광학 효과가 유효하게 작동하도록 구성되고, 예를 들면, 1.5㎛ 대역의 디바이스이라면, InGaAlAs의 Ga/Al 조성을 바꾼 층을 각각 양자 우물층(proton well layer)과 양자 베리어층(proton barrier layer)으로 한 다중 양자 우물 구조로 할 수가 있다. 또, 제1의 중간층(16-1)은, 광흡수로 발생한 캐리어를 이질 계면(hetero-interface)에서 트랩(trap)되지 않게 하기 위한 접속층으로서 기능한다.
이 반도체 광변조기(10)를 제작하는 데는, 기판(11) 상에, 제1의 n형 전극 층(12-1)으로부터 제2의 n형 전극층(12-2)까지의 각 층을 에피택셜(epitaxial) 성장시킨 후, 제1의 저농도 클래드층(15-1)으로부터 제2의 n형 전극층(12-2)까지의 층을 에칭(etching)함으로써, 메사형(mesa type)의 도파로 구조를 형성한다. 그 후, 제1의 n형 클래드층(13-1) 및 p형 클래드층(14)을 에칭함으로써, 제1의 n형 전극층(12-1)을 노출시킨다. 그리고, p형 전극(19), 제1의 n형 전극(18-1) 및 제2의 n형 전극(18-2)을 각각 형성한다. 또, 필요에 따라 패시베이션막(passivation film)을 퇴적하고, 메사 상면(mesa surface)을 보호하도록 해도 좋다.
이 반도체 광변조기(10)에 있어서, 제1의 n형 전극(18-1)에 대해서, 제2의 n형 전극(18-2)의 정(positive)의 전압을 인가하면, 코어층(17)에 전계가 야기되고, 정상적인 동작 상태로 된다. 이 상태에 있어서의 밴드 다이어그램을 도 2 및 도 3에 나타낸다. 도 2는 도 1의 선분 II-II＇를 따른 단면에 있어서의 밴드 다이어그램이고, 도 3은 도 1의 선분 III-III＇를 따른 단면에 있어서의 밴드 다이어그램이다. 여기서, p형 클래드층(14)이 중성화되어 있는지 공핍화되어 있는지에 관계없이 전자에 대한 베리어가 형성되고, 이것에 의해 n형 클래드층(13-1)으로부터의 전자 주입이 억제된다.
광변조기(10)에 있어서, 광도파로는 층(13-1) 내지 층(13-2)에 의해 형성되고, 이 도파로를 전반하는 광은 전압 인가에 의해 생기는 굴절률의 변화에 의해 변조된다. 코어층(17)에 있어서 광흡수가 있는 상태에서는, 발생한 캐리어 중, 전자(1)는 양극측(anode side)(층(12-2),(13-2))으로 흐르지만, 정공(2)은 p형 클래드층(14)에 트랩(trap)된다.
여기서, 제1의 n형 전극과 접하는 p형 전극(19)이 없는 종래의 구조에 있어서는, 광흡수와 재결합 속도의 밸런스로 정해지는 일정한 정공이 p형 클래드층(14)에 축적되게 된다. 이것은 먼저 말한 것처럼 p형 클래드층(14)의 전자 베리어의 높이를 저하시켜서 반도체 광변조기의 내압의 저하(포토트랜지스터 동작)를 일으킨다. 한편, 본 발명에 의한 반도체 광변조기(10)에 있어서는, p형 클래드층(14)이 p형 전극(19)을 통해, 제1의 n형 전극(18-1)에 접속되어 있기 때문에, 비록 p형 전극(19)의 직하의 p형 클래드층(14)에 중성화된 층이 잔류하고 있지 않아도, 과잉의 정공은 p형 클래드층(14)을 횡방향으로 흐르고(도 1), 최종적으로는 p형 클래드층/p형 전극 계면으로 되는 숏트키 베리어(Schottky barrier)를 넘어 p형 전극(19)에 흡수된다(도 3). 그리고, p형 클래드층(14)에 접한 p형 전극(19)을 n형 전극(18-1)에 접속함으로써, 비교적 용이하게, 이런 종류의 광변조기에서 생기는 정공의 축적의 문제를 개선할 수가 있다.
　　 <실시예 2>
도 4에 본 발명의 제2의 실시예와 관련되는 반도체 광변조기의 단면도를 나타낸다. 이 제2의 실시예와 관련되는 반도체 광변조기(20)는 기본적으로 제1의 실시예와 관련되는 반도체 광변조기(10)와 마찬가지로 기능한다. 그러나, 이 반도체 광변조기(20)에 있어서는, 제1의 n형 클래드층(13-1), p형 클래드층(14), 제1의 저농도 클래드층(15-1)으로 이루어지는 메사의 측면에 p형 전극(19)이 형성되어 있다.
여기서, 도 1의 구조에서는 p형 클래드층(14)이 비교적 얇기 때문에, 상면으 로부터 p형 전극의 콘택트(contact)를 취하는 것은 제작상 반드시 용이하지는 않다. 이것에 대해, 도 4의 구조에서는, 메사의 측면에서 계면(3)을 통해 p형 클래드층(14)과 사이드 콘택트(side contact)를 취함으로써 p형 전극과의 접속을 용이하게 할 수가 있다.
또, p형 클래드층(14)은 도핑(doping) 농도를 낮게 설정한 경우, 이 층의 표면 전하에 의해 공핍화하기 쉬워진다. 그 때문에 이 공핍화된 부분의 전위가 높아지고, 이 p형 클래드층의 전도율이 저하하고, 정공(2)의 횡방향의 흐름이 불충분하게 되는 일이 있다. 도 4와 같이 p형 클래드층(14) 상을 제1의 저농도 클래드층(15-1)으로 덮고 있는 구조에서는, 표면 전하의 영향이 작아지고, 상기의 저해 요인이 작아지므로, p형 클래드층의 본래의 효과를 발휘하기 쉬워진다.
　　 <실시예 3>
도 5에 본 발명의 제3의 실시예와 관련되는 반도체 광변조기의 단면도를 나타낸다. 이 제3의 실시예에서는, 제2의 실시예와 관련되는 구조에 더하여 제1의 저농도 클래드층(15-1), p형 클래드층(14), 제1의 n형 클래드층(13-1)으로 이루어지는 메사의 측면에 p형 오믹 영역(4)을 형성하고 있다. 이 p형 오믹 영역(4)은, 메사를 형성한 후 Zn를 열확산시키든가, Au와 Zn의 합금층으로 이루어지는 p형 전극(19)을 형성할 때에 Zn를 확산시킴으로써 형성할 수가 있다.
도 6에 도 5의 선분 VI-VI＇를 따른 단면에 있어서의 밴드 다이어그램을 나타낸다. p형 오믹 영역(4)은 p형 클래드층(14)보다 도핑 농도가 높기 때문에, 도 6에 나타내듯이, 정공에 대한 터널 베리어(tunnel barrier)가 얇아지기 때문에, 정 공의 흐름에 방해가 되는 일이 없어 정공(2)을 p형 전극(19)에 의해 효과적으로 배제할 수가 있다.
　　 <실시예 4>
본 발명의 제4의 실시예와 관련되는 반도체 광변조기는, 상술한 제1의 실시예 내지 제3의 실시예와 관련되는 구조에 있어서 p형 클래드층(14)을 제1의 n형 클래드층(13-1)보다 전자 친화력의 작은 반도체 재료, 전형적으로는 InAlAs로 치환한 이질 접합 구조를 가진다. 이것은 이른바 형태 II의 이질 접합의 일종이다. 이 구조에 있어서의 밴드 다이어그램을 도 7에 나타낸다. 이 치환된 부분 14＇의 전위는 상대적으로 낮아지므로, 전자에 대한 베리어는 보다 높은 구조로 된다. 이 구조에 의해 축적된 정공 전하에 대한 베리어는 보다 높아져 포토트랜지스터 효과에 수반하는 내압의 저하를 억제할 수가 있다.
이상과 같이, 본 발명과 관련되는 반도체 광변조기는 구동 전압이 낮다고 하는 특징을 가지는 npin형 광변조기에 있어서의 「광흡수에 수반하는 정공의 축적」이라고 하는 현상에 의해 생기는 「내압의 저하」라고 하는 문제를 해결할 수가 있다. 또, 특허 문헌 2에 보여진 것과 같이, Zn 확산이나 Be 이온 주입에 의해 일부의 영역의 전도형을 바꿀 필요가 없고, 제조 프로세스가 비교적 용이하게 되어 제조 비용의 증대를 초래하는 일이 없다. 이에 의해 내압이 높고 보다 안정된 광변조기를 염가이게 제작하는 것이 가능하게 된다.
이상, 본 발명에 대해서 구체적으로 몇 개의 실시예에 기초하여 설명했지만, 본 발명의 원리를 적용할 수 있는 많은 실시 가능한 형태를 감안할 때, 여기에 기 재한 실시예는 단지 예시에 지나지 않고, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 예를 들면, 상기의 실시예에서는 광변조기로서 기능하는 단일의 도파로 구조에 대해서 설명했지만, 이러한 도파로를 복수 조합하거나 광신호의 전반을 가능으로 하는 접속도파로나 광분기도파로와 조합하거나 함으로써, 마하젠다형의 광변조기, 또 광크로스커넥트 스위치 등을 구성할 수가 있다. 또, 상기의 실시예에 있어서, InP와 InGaAsP를 반도체 재료로서 이용하는 경우를 예로 설명했지만, InGaAsP를 InGaAlAs에 치환한 구성이나 InGaAsP와 InGaAlAs를 조합한 구성도 기본적으로 가능하고, 상기의 실시예는 반도체 재료의 종류를 제한하는 것은 아니다. 이와 같이 여기에 예시한 실시예는 본 발명의 취지로부터 일탈하는 일 없이 그 구성과 상세를 변경할 수가 있다.

Claims (5)

  1. npin형의 반도체 광변조기로서,
    기판측에 음극층을 배치하고, 상기 기판측으로부터 순차적층된 제1의 n형 클래드층, p형 클래드층, 코어층, 및 제2의 n형 클래드층을 포함하는 반도체 광변조기에 있어서,
    상기 p형 클래드층이 상기 음극층의 전극에 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 광변조기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 p형 클래드층은 메사를 구성하고, 상기 p형 클래드층의 측면이 상기 음극층의 전극에 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 광변조기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 p형 클래드층의 일부에 p형 오믹 영역이 형성되고, 상기 p형 오믹 영역이 상기 음극층의 전극에 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 광변조기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코어층 하에 제1의 중간층을 포함하고, 상기 코어층 상에 제2의 중간층을 포함하고,
    상기 제1의 중간층의 밴드갭 에너지는 상기 코어층의 밴드갭 에너지보다 크고, 제1의 중간층의 하의 층의 밴드갭 에너지보다 작고,
    상기 제2의 중간층의 밴드갭 에너지는 상기 코어층의 밴드갭 에너지보다 크고, 제2의 중간층의 상의 층의 밴드갭 에너지보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 광변조기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 p형 클래드층은, 상기 제1의 n형 클래드층보다 전자 친화력이 작은 것을 특징으로 하는 반도체 광변조기.
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