WO2018043317A1 - 光変調器 - Google Patents

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達郎 開
松尾　慎治
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日本電信電話株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a MOS structure charge storage type optical modulator using a compound semiconductor.
  • a technology for integrating compound semiconductor elements on an SOI (silicon-on-insulator) substrate has attracted attention.
  • the technology relating to the integration of a laser and an optical modulator is important in realizing dramatic increase in the integration and cost of communication devices.
  • a MOS structure charge storage type optical modulator in which an InP layer is an n-type and a low-loss Si layer is a p-type is promising (see Non-Patent Document 1). .
  • the optical modulator includes a p-type silicon layer 402 formed on the buried insulating layer 401, an insulating layer 403 formed on the p-type silicon layer 402, and an insulating layer 403.
  • An n-type InP layer 404 formed thereon is formed.
  • a p-electrode 405 is connected to the p-type silicon layer 402, and an n-electrode 406 is connected to the n-type InP layer 404.
  • the buried insulating layer 401 functions as a clad.
  • the p-type silicon layer 402 is formed by patterning the SOI layer 411 on the buried insulating layer 401.
  • An air groove 412 is formed between the p-type silicon layer 402 and the SOI layer 411 on the side on the n-electrode 406 formation side. Further, the upper surface of the n-type InP layer 404 that is not covered with the n-electrode 406 is open to the space.
  • a part of the p-type silicon layer 402 and a part of the n-type InP layer 404 are arranged so as to overlap each other in a plan view, and form an optical waveguide that guides light to be modulated.
  • an insulating layer 403 is sandwiched between the p-type silicon layer 402 and the n-type InP layer 404 in the stacking direction.
  • the light to be modulated is confined in the light confinement portion with the buried insulating layer 401, the air groove 412, and the upper space as cladding, and a waveguide mode 421 is formed.
  • the p-type silicon layer 402 in the optical waveguide unit is modulated by modulating the majority carrier density accumulated at the interface between the p-type silicon layer 402 and the n-type InP layer 404 in the optical waveguide unit. And the refractive index of the n-type InP layer 404 is modulated.
  • This structure can be expected to improve the modulation efficiency by about 2 to 3 times compared to the case where Si is used for the n-type layer.
  • the above-described technique has a problem that it is not easy to further improve the modulation efficiency.
  • it is first important to increase the refractive index change due to carriers (carrier plasma effect).
  • it is important to increase the action (influence) of the generated carriers on the guided light.
  • the refractive index change due to carriers can be made larger by reducing the effective mass of the compound semiconductor and increasing the band filling effect. Further, the increase of the optical confinement coefficient can increase the effect of carriers on the guided light.
  • InP constituting the InP layer used in the prior art has a stoichiometrically stable composition, and the crystal structure is uniquely determined. Therefore, material properties such as effective mass and refractive index are used. Can not be adjusted. For this reason, it is extremely difficult to improve the modulation efficiency due to the above two.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to further improve the modulation efficiency of a MOS structure charge storage type optical modulator.
  • An optical modulator includes a p-type first semiconductor layer made of silicon or silicon germanium formed on a cladding layer, an insulating layer formed on the first semiconductor layer, and an insulating layer
  • a part of the first semiconductor layer and a part of the second semiconductor layer are arranged to overlap each other in plan view through the insulating layer, and are parallel to the plane of the cladding layer
  • An optical waveguide for guiding light to be modulated is formed in the optical waveguide, and the optical waveguide satisfies the single mode condition.
  • the first electrode is formed on a region other than the optical waveguide portion of the first semiconductor layer.
  • the second semiconductor layer may be composed of a plurality of stacked compound semiconductor layers, and the plurality of compound semiconductor layers may have a smaller band gap energy as the compound semiconductor layer is closer to the insulating layer.
  • the first semiconductor layer may include a plurality of stacked semiconductor layers, and the plurality of semiconductor layers may have a smaller band gap energy as the semiconductor layer is closer to the insulating layer.
  • the n-type second semiconductor layer is composed of the III-V group compound semiconductor made of three or more materials, the modulation efficiency of the MOS structure charge storage type optical modulator is obtained. As a result, an excellent effect can be obtained.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an optical modulator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view showing a partial configuration of the optical modulator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the optical modulator according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional MOS structure charge storage type optical modulator.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an optical modulator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view showing a partial configuration of the optical modulator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the optical modulator is formed on the p-type first semiconductor layer 102 formed on the cladding layer 101, the insulating layer 103 formed on the first semiconductor layer 102, and the insulating layer 103. and an n-type second semiconductor layer 104.
  • the first semiconductor layer 102 is made of silicon or silicon germanium.
  • the second semiconductor layer 104 is composed of a compound semiconductor made of three or more materials.
  • the second semiconductor layer 104 is made of, for example, InGaAsP.
  • the first electrode 105 connected to the first semiconductor layer 102 and the second electrode 106 connected to the second semiconductor layer 104 are provided.
  • a part of the first semiconductor layer 102 and a part of the second semiconductor layer 104 are arranged to overlap each other in plan view, and light to be modulated is guided in a direction parallel to the plane of the cladding layer 101.
  • An optical waveguide 121 is formed. That is, the insulating layer 103 is sandwiched between the first semiconductor layer 102 and the second semiconductor layer 104 in the stacking direction of the optical waveguide unit 121.
  • the insulating layer 107 is formed in the region on the clad layer 101 where the second electrode 106 is formed. A side portion of the insulating layer 107 is in contact with a side portion of the first semiconductor layer 102. An insulating layer 108 is formed on the second semiconductor layer 104. The insulating layer 107 and the insulating layer 108 function as a clad, and together with the clad layer 101, serve to confine light in a region surrounded by the cross-sectional view.
  • the optical waveguide 121 extends in the optical waveguide direction indicated by an arrow in the plan view of FIG.
  • the first electrode 105, the second electrode 106, and the insulating layer 108 are omitted.
  • the first semiconductor layer 102 extends in one direction and the second semiconductor layer 104 extends in the other direction with the optical waveguide 121 as a boundary.
  • the first electrode 105 is ohmically connected to the surface of the first semiconductor layer 102 in a region where the insulating layer 103 is not formed in a region extending from the optical waveguide portion 121 of the first semiconductor layer 102.
  • the second electrode 106 is in ohmic contact with the surface of the region extending from the optical waveguide 121 of the second semiconductor layer 104.
  • An electrode is not disposed in the region of the optical waveguide 121 in plan view. In other words, the first electrode 105 is formed in a region other than the optical waveguide portion 121 on the first semiconductor layer 102.
  • the optical waveguide 121 satisfies the single mode condition so that the waveguide mode is formed in the optical waveguide 121.
  • majority carriers are accumulated at the interface between the first semiconductor layer 102 and the insulating layer 103 of the second semiconductor layer 104. Therefore, this portion, that is, the insulation of the first semiconductor layer 102 or the second semiconductor layer 104 is used.
  • the thickness of the first semiconductor layer 102 and the thickness of the second semiconductor layer 104 are appropriately set so that the center of the optical waveguide mode field is disposed at the interface with the layer 103.
  • the buried insulating layer is used as the cladding layer 101, and the surface silicon layer is patterned by a known lithography technique and etching technique, thereby forming the first semiconductor layer 102 on the cladding layer 101.
  • an insulating layer 107 is formed adjacent to the first semiconductor layer 102 on the cladding layer 101.
  • the insulating layer 107 may be made of, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, aluminum oxide, or the like.
  • the insulating layer 107 is formed in a flattened state so that this surface is disposed on the same plane as the surface of the first semiconductor layer 102.
  • the insulating layer 103 is formed over the first semiconductor layer 102 and the insulating layer 107.
  • the insulating layer 103 may be made of, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, aluminum oxide, or the like. Note that an air groove may be provided between the first semiconductor layer 102 and the insulating layer 107.
  • an InGaAsP layer having a predetermined composition ratio is epitaxially grown on a growth substrate made of InP by a well-known metal organic chemical vapor deposition method.
  • the grown InGaAsP layer is bonded onto the insulating layer 103 described above, and then the growth substrate is removed.
  • the second semiconductor layer 104 is formed by patterning the InGaAsP layer formed on the insulating layer 103 by a known lithography technique and etching technique.
  • the first electrode 105 may be made of Ti, for example.
  • the second electrode 106 is formed on the second semiconductor layer 104.
  • the second electrode 106 may be made of, for example, AuGeNi.
  • Each electrode may be formed by, for example, a well-known lift-off method.
  • the insulating layer 108 is formed over the second semiconductor layer 104 and the insulating layer 103. Note that the insulating layer 108 is not necessarily formed and may be an air layer instead. However, by forming the insulating layer 108, the second semiconductor layer 104 can be protected from the surrounding environment.
  • the second semiconductor layer 104 is composed of a compound semiconductor made of three or more materials, the modulation efficiency of the optical modulator can be improved as described below.
  • a ternary or quaternary compound semiconductor can control an effective mass and a refractive index by controlling a composition, and can improve both a change in refractive index due to carriers and optical confinement. .
  • a change in refractive index due to current injection in a semiconductor includes a carrier plasma effect, a band filling effect, and a band gap reduction effect.
  • the refractive index of InP changes by 0.0094 when the electron density is changed by 2 ⁇ 10 18 cm 3 .
  • the band gap wavelength ⁇ is 1.3 ⁇ m
  • In 1-x Ga x As y P with Eg 0.92 eV.
  • 1-y has a band gap wavelength ⁇ of 1.35 ⁇ m
  • In 1-x Ga x As y P 1-y increases in refractive index as the band gap energy decreases.
  • the light confinement effect on the optical waveguide unit 121 is increased, and the light intensity (distribution) in the optical waveguide unit 121 is further increased. be able to.
  • the optical waveguide 121 In this case, majority carriers generated at the interface between the second semiconductor layer 104 and the insulating layer 103 can be more strongly applied to the light guided to the optical waveguide 121. Therefore, it is desirable that the multi-component compound semiconductor constituting the second semiconductor layer 104 has a composition with a smaller band gap energy.
  • the second semiconductor layer 104 by forming the second semiconductor layer 104 from a semiconductor having a smaller band gap energy, first, it is possible to increase the refractive index change due to the carrier density change, and secondly, the second semiconductor layer 104 is generated. It can be seen that the influence of the carrier on the guided light can be increased.
  • the band gap energy In order to prevent interband absorption in the second semiconductor layer 104, the band gap energy must be equal to or greater than the energy corresponding to the wavelength of the light to be modulated. For example, when the wavelength of the target light is 1.55 ⁇ m, the band gap energy of the second semiconductor layer 104 must be 0.8 eV or more.
  • the first semiconductor layer 102 is not necessarily made of silicon, and may be made of a silicon germanium mixed crystal material having a smaller effective mass.
  • the insulating layer 103 may be thin so as to realize a desired CR time constant capacity within a range in which dielectric breakdown resistance and tunnel current prevention performance can be obtained.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the optical modulator according to the second embodiment of the present invention.
  • the optical modulator is formed on the p-type first semiconductor layer 102 formed on the cladding layer 101, the insulating layer 103 formed on the first semiconductor layer 102, and the insulating layer 103. and an n-type second semiconductor layer 204.
  • the first electrode 105 connected to the first semiconductor layer 102 and the second electrode 106 connected to the second semiconductor layer 204 are provided.
  • a part of the first semiconductor layer 102 and a part of the second semiconductor layer 104 are arranged so as to overlap each other in plan view, and an optical waveguide unit that guides light to be modulated in a direction parallel to the plane of the cladding layer 101. 121 is formed. That is, the insulating layer 103 is sandwiched between the first semiconductor layer 102 and the second semiconductor layer 104 in the stacking direction of the optical waveguide unit 121.
  • the second semiconductor layer 204 is formed of a plurality of stacked compound semiconductor layers 204a and 204b.
  • the band gap energies of the compound semiconductor layers 204a and 204b are different from each other, and the compound semiconductor layer 204a closer to the insulating layer 103 has a smaller band gap energy.
  • the configuration other than the second semiconductor layer 204 is the same as that of the first embodiment described above, and also in the second embodiment, the insulating layer 107 is formed on the cladding layer 101 adjacent to the first semiconductor layer 102, An insulating layer 108 is formed on the second semiconductor layer 204.
  • the regions where the refractive index changes due to the carriers generated at the interface between the first semiconductor layer 102 and the insulating layer 103 of the second semiconductor layer 204 in the optical waveguide 121 are the first semiconductor layer 102 and the second semiconductor in which carriers are accumulated.
  • the layer 204 is in the vicinity of the interface with the insulating layer 103. Therefore, a layer having a larger refractive index change and a smaller band gap energy may be disposed in the vicinity of the insulating layer 103. Therefore, as described above, the compound semiconductor layer 204a having a smaller band gap energy is disposed on the insulating layer 103 side.
  • This configuration is characterized in that the refractive index magnitude relationship is such that the compound semiconductor layer 204a> the compound semiconductor layer 204b.
  • the second semiconductor layer 204 has a refractive index difference in the stacking direction. Therefore, the light guided through the optical waveguide unit 121 is concentrated on the side of the compound semiconductor layer 204a having a higher refractive index, and carriers accumulate. Light is confined more strongly in the vicinity of the interface with the insulating layer 103 to be formed. As a result, the effect of carriers on the guided light can be further increased.
  • the center of the optical waveguide mode field is located near the interface between the first semiconductor layer 102 or the second semiconductor layer 204 and the insulating layer 103 of the optical waveguide 121 where majority carriers are accumulated.
  • the thicknesses of the first semiconductor layer 102, the compound semiconductor layer 204a, and the compound semiconductor layer 204b are appropriately set so as to be arranged.
  • the first electrode 105 is formed in a region other than the optical waveguide 121 on the first semiconductor layer 102, and the electrode is arranged in the region of the optical waveguide 121 in plan view. Not.
  • a compound semiconductor having a smaller band gap has a large change in refractive index due to carriers, but also has a large absorption by carriers. For this reason, the absorption loss of guided light can be reduced by making the region other than the vicinity of the interface where carrier accumulation does not occur into the compound semiconductor layer 204b having a lower loss.
  • the first semiconductor layer 102 is made of silicon or silicon germanium
  • the second semiconductor layer 204 has a laminated structure of compound semiconductor layers 204a and 204b having different band gap energies
  • the insulating layer 103 The first semiconductor layer 102 has a stacked structure of semiconductor layers having different band gap energies, and the semiconductor closer to the insulating layer, as in the second semiconductor layer 204.
  • the layer may have a smaller band gap energy.
  • the first semiconductor layer 102 may have the above-described stacked structure.
  • the band gap and the refractive index of the first semiconductor layer 102 can be controlled by the composition of the mixed crystal material of silicon and germanium, and it is considered that the same effect as described above can be obtained in the first semiconductor layer.
  • the n-type second semiconductor layer is composed of a III-V group compound semiconductor made of three or more materials, modulation of the MOS structure charge storage type optical modulator is possible. Efficiency can be further improved.
  • the present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.
  • InGaAsP has been described as an example.
  • the present invention is not limited to this, and other ternary or quaternary III-V group compound semiconductors may be used. Further, these are not necessarily crystals.

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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

光変調器
　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。
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。 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。 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。 図４は、従来のＭＯＳ構造電荷蓄積型の光変調器の構成を示す断面図である。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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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