JPH07202316A

JPH07202316A - 選択成長導波型光制御素子

Info

Publication number: JPH07202316A
Application number: JP33792993A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Komatsu; 啓郎小松; Mitsuhiro Kitamura; 光弘北村; Masayuki Yamaguchi; 昌幸山口
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1993-12-28
Publication date: 1995-08-04
Anticipated expiration: 2013-05-28
Also published as: JP2760276B2

Abstract

(57)【要約】【目的】単一モード光ファイバ間挿入損失が小さく、
かつ変調周波数帯域が広く、高速光通信用光制御素子と
して好適な選択成長半導体光制御素子を提供する。選択
的結晶成長を用いると半導体レーザや光変調器を半導体
のエッチングを行うことなく薄い誘電体マスクのパター
ニングだけで製作でき、ウェハ内の特性均一性やｒｕｎ
−ｔｏ−ｒｕｎの特性再現性に優れる。しかし埋め込み
構造の選択成長光制御素子では通常導電型基板、逆導電
性埋め込み層ともキャリア濃度が高いので、その界面の
ホモ接合により大きな静電容量を生じ、変調周波数帯域
が狭く、高速光通信システムに適用できない。【構成】導電型基板１２０を低キャリア濃度としこれ
によりホモ接合の静電容量を低減させることができ、変
調周波数帯域の拡大を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信システムや光情
報処理システムにおいて重要なエレメントなる導波型光
制御素子に関し、特に単一にモードファイバとの結合損
失が小さく、高速変調動作が可能で、かつウェハ内の特
性均一性やｒｕｎ−ｔｏ−ｒｕｎの特性再現性に優れた
選択成長を用いた光変調器などの光制御素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】光変調器や分布帰還型半導体レーザ（Ｄ
ＦＢレーザ）に光変調器を集積した変調器集積化光源な
どの導波型光制御素子は高速光通信システム、光情報シ
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。例えば、光変調器として
は、ＬｉＮｂＯ₃等の誘電体を用いたものと、ＩｎＰや
ＧａＡｓ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、低電圧化も容易な半導体光変調器
への期待が近年高まりつつある。半導体変調器として
は、バルク半導体のＦｒａｎｚ−Ｋａｌｄｙｓｈ効果や
多重量子井戸構造における量子閉じ込めＳｔａｒｋ効果
（ＱｕａｎｔｕｍＣｏｎｆｉｎｅｄＳｔａｒｋＥ
ｆｆｅｃｔ：ＱＣＳＥ）のように電界を印加することに
より吸収端が長波長側へシフトする効果を利用した吸収
型光変調器と、バルク半導体の電気光学効果（ポッケル
ス効果）や多重量子井戸構造における量子閉じ込めＳｔ
ａｒｋ効果のように電界を印加することにより屈折率が
変化する効果を利用したマッハツェンダ型変調器が代表
的なものである。

【０００３】近年、光ファイバ通信の高速・長距離化に
伴い、従来の半導体レーザ直接変調方式の問題点が顕在
化しつつある。すなわち、半導体レーザ直接変調方式に
おいては変調時に波長チャービングが生じ、これにより
ファイバ伝送後の波形が劣化するが、この現象は信号伝
送速度が速いほど、また伝送距離が長いほど顕著とな
る。特に、既存の１．３μｍ零分散ファイバを用いたシ
ステムにおいてこの問題は深刻であり、ファイバの伝搬
損失の小さい波長１．５５μｍ帯の光源を用いて伝送距
離を伸ばそうとしても、チャーピングに起因する分散制
限により伝送距離が制限される。この問題は、半導体レ
ーザは一定光出力で発光させておき、半導体レーザ出射
光を半導体レーザとは別の光変調器により変調する外部
変調方式を採用することにより解決できる。そのため、
近年半導体光変調器の開発が活発化している。

【０００４】ところで、バルク半導体のＦｒａｎｚ−Ｋ
ｅｌｄｙｓｈ効果や多重量子井戸構造における量子閉じ
込めＳｔａｒｋ効果（ＱｕａｎｔｕｍＣｏｎｆｉｎｅ
ｄＳｔａｒｋＥｆｆｅｃｔ：ＱＣＳＥ効果）のように
電界を印加することにより吸収端が長波長側へシフトす
る効果を利用した吸収型光変調器は３００μｍ程度の素
子長でも印加電圧３Ｖ程度で１５ｄＢ以上の消光比が得
られ、小型・低動作電圧であることから注目されてい
る。従来の半導体レーザの素子構造および製造工程を踏
襲し、Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ効果やＱＣＳＥ効果
を利用した電界吸収型変調器やＤＦＢレーザに電界吸収
型変調器を集積化した変調器集積化光源が検討されてい
る。例えば、吸収層としてバルクのＩｎＧａＡｓＰを用
い、そのＩｎＧａＡｓＰ吸収層を含むダブルヘテロ構造
のメサストライプの両端をＦｅドープ高抵抗ＩｎＰで埋
め混んだ構造の電界吸収型光変調器がＨ．ＳＯＤＡらに
よりＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳＶｏ
ｌ．２３（１９８７），ＰＰ．１２３３−１２３４に報
告されている。

【０００５】しかしながら、この光変調器においては吸
収層を含むメサストライプを、従来の半導体レーザと同
じウェットエッチングにより形成しているが、幅の狹い
メサストライプを均一性・再現性良く形成するのは難し
く、素子の製造歩留まりの点で問題がある。さらに、こ
の例では、素子の静電容量を低減し高速変調が可能とな
るように、メサストライプの両脇をＦｅドープの高抵抗
ＩｎＰで埋め込んでいるが、メサストライプとＦｅドー
プ高抵抗ＩｎＰとの良好な界面を形成するのは難しい。
良好な界面が形成されていないと、吸収層を含むメサス
トライプに逆バイアスを印加したとき、界面に沿っても
れ電流が流れ、吸収層に十分な電圧が印加されないとい
う問題が生ずる。

【０００６】これに対し、選択的結晶成長（以下選択成
長と略す）を用いると、半導体レーザや光変調器を半導
体のエッチングを行うことなく薄い誘電体マスクのパタ
ーニングと結晶成長だけで製作でき、ウェハ内の特性均
一性やｒｕｎ−ｔｏ−ｒｕｎの特性再現性に優れる。選
択ＭＯＶＰＥ成長を用いたリッジ構造の電界吸収型光変
調器が小松らにより１９９２年電子情報通信学会秋季大
会講演論文集、分冊４−１６６ページに報告されてい
る。このリッジ構造電界吸収型光変調器においては、ま
ずｎ−ＩｎＰ基板の上全面にノンドープＩｎＧａＡｓが
ｎ−ＩｎＰクラッド層とノンドープＩｎＰクラッド層に
挟まれたダブルヘテロ構造を形成する。その後、ノンド
ープＩｎＰクラッド層の上にリッジ部を選択成長によっ
て形成するための一対のストライプ状ＳｉＯ₂マスクを
形成し、ＳｉＯ₂マスクの空隙部にｐ−ＩｎＰクラッド
層とｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層よりなるリッジを形成
する。この方法を用いると、光変調器を半導体のエッチ
ングを行うことなく薄い誘電体マスクのパターニングと
結晶成長だけで製作でき、ウェハ内の特性均一性やｒｕ
ｎ−ｔｏ−ｒｕｎの特性再現性に優れ、光変調器の製造
歩留まりは従来に比べて大幅に改善される。しかしなが
ら、リッジ構造を用いると、水平方向と垂直方向とで入
出射光のスポットサイズが大きく異なる。この水平・垂
直方向スポットサイズの非対称性のため、リッジ構造変
調器においてはファイバとの結合損失が大きくなる。上
述の例においては、単一モードファイバとの結合損失が
片端面当り４ｄＢとなってしまっている。この問題を解
決するには、埋め込み構造の変調器を選択成長を用いて
構成し、スポットサイズの非対称性を解消することが有
効である。しかしながら、埋め込み構造の選択成長変調
器においては導電型基板と逆導電型埋め込み層との界面
にホモ接合が形成され、通常導電型基板、逆導電性埋め
込み層ともキャリア濃度が高いので、このホモ接合によ
り大きな静電容量を生じる。このため、変調周波数帯域
が狭く、高速光通信システムに適用できないという問題
が生ずる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
半導体導波型光制御素子の構造においては、吸収層を含
むメサストライプがウェットエッチングにより形成され
る構造であり、幅のせまいメサストライプを均一性・再
現性良く形成するのは難しいので、素子の製造歩留まり
の点で問題がある構造であった。この問題を解決するた
めには、選択成長を製造方法として利用できる構造を採
用すれば良いが、リッジ構造の選択成長導波型光制御素
子においては入出射光のスポットサイズの非対称性が大
きく、単一モードファイバとの結合損失が大きいという
問題点があった。さらに、選択成長を製造方法として用
いることができる埋め込み構造の導波型光制御素子にお
いては、スポットサイズの非対称性は改善されるものの
導電型基板と逆導電型埋め込み層との界面のホモ接合に
おける静電容量が大きいため変調器周波数帯域が狭く、
高速光通信システムに適用できないという問題があっ
た。

【０００８】本発明が解決しようとする課題は、製造歩
留まりを向上させることができる選択成長を製作方法と
して用いることができ、単一モードファイバとの結合損
失が小さい選択成長埋め込み構造導波型光制御素子にお
いて、素子の直列抵抗の増加などの不具合は全く無く、
また素子製作工程の変更をほとんどすることなしに、静
電容量が小さく高速な導波型光制御素子の構造を提供す
ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述のような問題点を解
決するために、本発明においては、導電型半導体基板上
に少なくとも導電型半導体光導波層、ノンドープ半導体
吸収層もしくは半導体活性層もしくは半導体導波層、お
よび逆導電型半導体第１クラッド層が順次積層されたメ
サストライプが選択成長により部分的に形成され、前記
ノンドープ半導体吸収層もしくは半導体活性層もしくは
半導体導波層のバンドギャップエネルギはストライプ方
向で部分的に異なっており、前記メサストライプの上面
および側面を覆って該メサストライプを埋め込む逆導電
型半導体第２クラッド層および逆導電型半導体キャップ
層がやはり選択成長によりメサストライプ状に形成さ
れ、前記ストライプ方向でバンドギャップエネルギが部
分的に異なるノンドープ半導体吸収層もしくは半導体活
性層もしくは半導体導波層にバンドギャップが異なる部
位にそれぞれ独立に電界を印加する手段を具備した集積
構造半導体導波型光制御素子であって、前記導電型半導
体基板と逆導電型半導体第２クラッド層との間に導電型
低キャリア濃度半導体バッファ層が挿入されていること
を特徴とする選択成長導波型光制御素子の構造を採用し
た。

【００１０】また、本発明においては上記の課題を解決
するために、導電型半導体基板上に少なくとも導電型半
導体第１クラッド層、ノンドープ半導体吸収層もしくは
半導体活性層もしくは半導体導波層、逆導電型半導体第
２クラッド層が順次積層されたメサストライプが選択成
長により部分的に形成され、前記メサストライプの上面
および側面を覆って該メサストライプを埋め込む逆導電
型半導体第３クラッド層および逆導電型半導体キャップ
層がやはり選択成長によりメサストライプ状に形成さ
れ、前記ノンドープ半導体吸収層もしくは半導体活性層
もしくは半導体導波層に電界を印加する手段を具備した
半導体導波型光制御素子であって、前記導電型半導体基
板が低キャリア濃度であることを特徴とする選択成長導
波型光制御素子の構造、および導電型半導体基板板上に
少なくとも導電型半導体光導電波層、ノンドープ半導体
吸収層もしくは半導体活性層もしくは半導体導波層、お
よび逆導電型半導体第１クラッド層が順次積層されたメ
サストライプが選択成長により部分的に形成され、前記
ノンドープ半導体吸収層もしくは半導体活性層もしくは
半導体導波層のバンドギャップエネルギはストライプ方
向で部分的に異なっており、前記メサストライプの上面
および側面を覆って該メサストライプを埋め込む逆導電
半導体第２クラッド層および逆導電型半導体キャップ層
がやはり選択成長によりメサストライプ状に形成され、
前記ストライプ方向でバンドギャップエネルギが部分的
に異なるノンドープ半導体吸収層もしくは半導体活性層
もしくは半導体導波層にバンドギャップが異なる部位に
それぞれ独立に電界を印加する手段を具備した集積構造
半導体導波型光制御素子であって、前記導電型半導体基
板が低キャリアの濃度であることを特徴とする選択成長
導波型光制御素子の構造も採用した。

【００１１】

【作用】本発明においては、導波型光制御素子の構造を
選択成長が利用できる構造とするので、半導体のエッチ
ングを行うことなく薄い誘電体膜のパターニングと結晶
成長だけで導波型光制御素子が製作でき、従来の半導体
エッチングを用いて素子を製作することが念頭におかれ
た構造の素子に比べてウェハ内の特性均一性やｒｕｎ−
ｔｏ−ｒｕｎの特性再現性が大幅に優れている。

【００１２】また、本発明においては、導波型光制御素
子の構造として埋め込み構造を採用しているので、入出
射光のスポットサイズは水平・垂直方向で対称であり、
リッジ構造導波型光制御素子に比べて単一モードファイ
バとの結合損失を減少させることができる。

【００１３】さらに、本発明においては、埋め込み構造
導波型光制御素子に特有のホモ接合容量が大きいという
問題に対して、導電型基板と逆導電型埋め込み層との間
に導電型低キャリア濃度半導体バッファ層を挿入するか
もしくは低キャリア濃度の導電型基板を用いることによ
って、空乏層厚さを厚くすることによりホモ接合の容量
を低減しており、変調動作の高速化が素子製作工程の変
更をほとんどすることなしに可能となる。

【００１４】

【実施例】以下図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

【００１５】図１は本発明による選択成長導波型光制御
素子の一例の一例として、Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ
効果を用いたＩｎＰ系電界吸収型変調器の実施例を示す
斜視図である。

【００１６】まず図１に示したＩｎＰ系電界吸収型変調
器の製造方法について、図２を用いて説明する。

【００１７】まず、キャリア濃度が２×１０^-17ｃｍ^-3
程度の（１００）面方位低ドープｎ−ＩｎＰ基板１２０
上に、選択成長用の誘電体マスクとなる厚さ１０００オ
ングストロームのＳｉＯ₂膜を全面に形成する（図２
（ａ））。その後、通常のフォトリソグラフィ技術を用
いて、上記ＳｉＯ₂膜をストライプ状の空隙部をはさん
で対向する一体のストライプ形状の選択成長用ＳｉＯ₂
マスク２０１にパターニングする（図２（ｂ））。ここ
で、空隙部２０２の幅Ｗは２μｍ、選択成長用ＳＩＯ₂
マスク２０１の幅は１０μｍである。なお、空隙部２０
２のストライプ方向は［０１１］方向である。

【００１８】次に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、上述の空隙
部２０２の上にのみに選択的にｎ−ＩｎＰクラッド層１
０３（厚さ０．１μｍ、キャリア濃度５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ吸収層（組成波長１．４５
μｍ、厚さ０．２５μｍ）１０４、ｉ−ＩｎＰクラッド
層（厚さ０．０５μｍ）１０５、ｐ−ＩｎＰクラッド層
（厚さ０．１μｍ、キャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3）を
順次積層してダブルヘテロ構造のメサ２０３を形成する
（図２（ｃ））。このとき、形成されたメサ２０３の側
面は（１１１）Ｂ面となり、平滑なメサ側面が得られ
る。

【００１９】次に選択成長用ＳｉＯ₂マスク２０１をダ
ブルヘテロ構造メサ２０３脇から幅１．５μｍだけ除去
してマスクの間の空隙部２０２の幅を広げるすなわち、
ダブルヘテロ構造メサ２０３の両脇に幅１．５μｍの空
隙部を通常のフォトリソグラフィ工程を用いて再度形成
する。そしてこの新たに形成された空隙部の上およびダ
ブルヘテロ構造メサ２０３の上にｐ−ＩｎＰクラッド層
１０７およびｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層１０８を再度
選択ＭＯＶＰＥ成長により形成する（図２（ｄ））。こ
こで、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０７およびｐ−ＩｎＧａ
Ａｓキャップ層１０８の厚さはそれぞれ１μｍおよび、
０．２μｍ、キャリア濃度はそれぞれ５×１０¹⁷ｃｍ^-3
および２×１０¹⁸ｃｍ^-3である。次にＳｉＯ₂保護膜１
０９を基板上面全体に形成し、ＳｉＯ₂保護膜１０９に
ｐ側電極コンタクト用の窓を形成後ＣｒとＡｕよりなる
ｐ側電極１１０を形成する（図２（ｅ））。最後に、低
ドープｎ−ＩｎＰ基板１２０を１００μｍ程度の厚さに
研磨した後低ドープｎ−ＩｎＰ基板１２０側にＣｒ／Ａ
ｕよりなるｎ側電極１１１を形成し（図２（ｄ）、素子
をへき開し、入出射端面に無反対コーティングを施して
素子製作を終了する。

【００２０】以上の製造方法により製作された図１に示
したＩｎＰ系電界吸収型変調器の動作について以下に説
明する。

【００２１】図１に示したＩｎＰ系電界吸収型変調器の
入射端より入射された波長１．５５μｍの光波は、ｉＩ
ｎＧａＡｓＰ吸収層１０４にエネルギの大部分が閉じ込
められて、素子内を伝搬する。ｐ側電極１０１とｎ側電
極１１１との間に逆バイアス電圧が印加されていないと
きには組成波長１．４５μｍのｉ−ＩｎＧａＡｓＰ吸収
層１０４は波長１．５５μｍの伝搬光に対して低損失で
あるので、このときは変調器の出射端から光出力が得ら
れ、ＯＮ状態となる。これに対して、ｐ側電極１０１と
ｎ側電極１１１との間に逆バイアス電圧を印加してＦｒ
ａｎｚ−Ｋａｌｄｙｓｈ効果により吸収端を長波長側へ
シフトさせると、波長１．５５μｍの伝搬光はｉ−Ｉｎ
ＧａＡｓＰ吸収層１０４で大きな吸収損失を受け、出射
端からは光出力は得られず、ＯＦＦ状態となる。本発明
の場合、逆バイアス電圧ＯＶでＯＮ状態、３．０ＶでＯ
ＦＦ状態で実現でき、長さ３００μｍの素子で消光比１
５ｄＢ以上が得られる。

【００２２】ところで、図１に示したＩｎＰ系電界吸収
型変調器においては、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ吸収層１０４
の周囲をＩｎＰで埋め込んだ埋め込み構造を採用してい
るので、入出射光のスポット形状は基板に垂直方向と水
平方向で対称である。したがって、単一モードファイバ
と低損失で結合できる。本発明者らは、リッジ構造の選
択成長変調器と埋め込み構造変調器とで、ＦａｒＦｉ
ｅｌｄＰａｔｔｅｒｎおよび単一モールドファイバと
の結合損失を実験により比較した。その結果、Ｆａｒ
ＦｉｅｌｄＰａｔｔｅｒｎに関しては、リッジ構造選
択成長変調器の水平・垂直方向放射角がそれぞれ１１°
と４０°と非対称性が大きかったのに対し、図１に示し
た埋め込み構造変調器の場合は水平・垂直方向放射角が
それぞれ４０°と４７°であり、放射角の非対称性は大
幅に改善されていた。これを反映して、非球面レンズ１
枚を変調器と単一モードファイバとの間に挿入して測定
したファイバとの結合損失に関しても、リッジ構造選択
成長変調器の場合が片端面当りの結合損失が３．２ｄＢ
であったのに対して、図１に示した埋め込み構造変調器
の場合は片端面当たりの結合損失２．２ｄＢであり、１
ｄＢの改善が観測された。これにより、変調器両端に単
一モードファイバを結合した場合の単一モードファイバ
間挿入損失は、リッジ構造変調器の場合１０．０ｄＢで
あったのが、図１に示した埋め込み構造変調器では６．
２ｄＢであり、大幅な挿入損失低減が達成された。とこ
ろで、前述したように、選択成長によりダブルヘテロ構
造のメサ２０３を形成するとメサ２０３の側面は（１１
１）Ｂ結晶面となり、平滑なメサ側面が得られる。した
がって、エッチングによりメサを形成する場合に比べて
メサ側面ははるかに平滑であり、伝搬光の散乱による損
失は大幅に減少する。以上により、本発明によれば従来
よりも大幅に低損失のＩｎＰ系電界吸収型変調器が実現
できる。

【００２３】次に本発明により素子の静電容量が低減さ
れ、高速の埋め込み構造光変調器が実現できる原理につ
いて説明する。図３に、本発明によるＩｎＰ系埋め込み
構造電界吸収型変調器の断面構造（図３（ｂ））を、通
常の埋め込み構造電界吸収型変調器の断面構造（図３
（ａ））とを比較して示す。通常の埋め込み構造選択成
長デバイスの場合には、ダブルヘテロ構造メサ２０３の
両脇に高キャリア濃度のｎ−ＩｎＰと高キャリア濃度の
ｐ−ＩｎＰよりなるホモ接合部３０１が形成されてい
る。通常、ｎ−ＩｎＰ基板１０１としてはキャリア濃度
が２×１０¹⁸ｃｍ^-3程度のものが用いられ、ｐ−ＩｎＰ
クラッド層１０７としては抵抗成分が大きくなることを
防止するためにキャリア濃度を５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上に
設定するので、ダブルヘテロ構造メサ２０３の両脇のホ
モ接合３０１は、高キャリア濃度のｎ−ＩｎＰと高キャ
リア濃度のｐ−ＩｎＰにより形成されることになる。こ
のとき、このホモ接合部３０１において大きな静電容量
が生じてしまう。上述のように、ｎ−ＩｎＰ基板１０１
のキャリア濃度が２×１０¹⁸ｃｍ^-3、ｐ−ＩｎＰクラッ
ド層１０７のキャリア濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3で、ホモ
接合部３０１の幅が片側で２μｍ（したがって両側では
４μｍ）、素子長が３００μｍの場合のホモ接合部３０
１における静電容量は２．０ｐＦとなる。図１に示した
ＩｎＰ系埋め込み構造電界吸収型変調器の場合、上述の
ホモ接合部での容量の他にヘテロ接合部での容量０．２
ｐＦ、ｐ側電極パッド１１２での容量０．８ｐＦが加わ
るので、素子全体の容量は３．０ｐＦとなる。このと
き、ＲＣ時定数で決まる変調周波数は、通常用いられる
５０Ωのインピーダンス系では２．１ＧＨｚとなり、
２．５Ｇｂ／ｓ光通信システムへの適用も難しい。ホモ
接合部３０１での容量低減の手段として、ｐ−ＩｎＰク
ラッド層の幅を狭くする、すなわちホモ接合部３０１の
幅を狭くすることも考えられる。しかしながら、ｐ−Ｉ
ｎＰクラッド層の幅を狭くすると伝搬光の層に水平方向
光フィールドが空気を感じてしまい、層に水平方向の単
一モード条件が厳しくなり望ましくない。このため、ホ
モ接合部３０１の幅として片側２μｍは必要である。ま
た、素子長を３００μｍより短くすることによりホモ接
合容量を低減することも可能であるが、その場合は消光
比の劣化を招き、やはり望ましくない。

【００２４】これに対して、本発明においては図３
（ｂ）に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板として低キャリア
濃度（２×１０¹⁷ｃｍ^-3程度）の低ドーブｎ−ＩｎＰ基
板¹²⁰を用いる。これにより、ホモ接合の容量を低減で
き、素子全体の容量の低減、変調周波数帯域の拡大が可
能となる。図４にホモ接合容量のｎ−ＩｎＰ基板キャリ
ア濃度依存性を示す。ｎ−ＩｎＰ基板のキャリア濃度を
２×１０¹⁷ｃｍ^-3に設定するとホモ接合部３０２におけ
る容量は１．２ｐＦとなり、低ドープｎ−ＩｎＰ基板を
用いない場合に比べて半減する。このとき、素子全体の
容量は２．２ｐＦとなり、変調周波数帯域は２．９ＧＨ
ｚにまで拡大する。ｎ−ＩｎＰ基板のキャリア濃度を１
×１０¹⁷ｃｍ^-3 に低減するとホモ接合部３０２におけ
る容量はさらに低下し０．９ｐＦとなる。このとき、変
調周波数帯域は３．４ＧＨｚにまで拡大する。なお、図
１に示した例では、ｐ側電極パッド１１２での容量を低
減する手段を何も採用していないので、ホモ接合容量が
１ｐＦ以下に低減されても変調周波数帯域は３．４ＧＨ
ｚに留まっているが、ｐ側電極の直下にはポリイミド膜
を形成するなどしてパッド部の低容量化もはかれば変調
周波数帯域を６ＧＨｚ程度にまで拡大することが本発明
により可能である。これに対して、図３（ａ）に示した
従来の構造では、仮にパッド部の容量が零になったとし
てもホモ接合容量が２．０ｐＦ、ヘテロ接合容量が０．
２ｐＦ残るので、変調周波数帯域は３ＧＨｚに留まって
しまう。ここで、基板として低ドープ（１００）面方位
ｎ−ＩｎＰ基板を用いると、基板での抵抗が大きくなる
ことが懸念されるが、２×１０¹⁷ｃｍ^-3程度のキャリア
濃度があれば基板での抵抗はほとんど増加しない。本発
明者らによる実験によれば、図１の構成で（１００）面
方位低ドープｎ−ＩｎＰ基板１２０のキャリア濃度を１
×１０¹⁷ｃｍ^-3としても、基板のキャリア濃度が２×１
０¹⁸ｃｍ^-3の場合と比較して素子抵抗の増加はほとんど
観測されず、（１００）面方位低ドープｎ−ＩｎＰ基板
１２０を低キャリア濃度としても、消光特性などの素子
特性には全く悪影響を与えないことが確認された。ま
た、本発明によるホモ接合容量低減化法によれば、基板
として低ドープの基板を用いるだけでよいので、素子製
作工程の変更を全くすることなしに素子の高速化が可能
となる。

【００２５】図５は本発明による選択成長導波型光制御
素子の他の実施例として、ＱＣＳＥ効果を用いたＩｎＰ
系多重量子井戸（ＭＱＷ）変調器を分布帰還型半導体レ
ーザ（ＤＦＢレーザ）へ集積化した変調器集積化光源の
実施例を示す斜視図である。

【００２６】まず図５に示した変調器集積化光源の製造
方法について説明するが、製造方法に関しては第一の実
施例と共通の部分が多いので、第一の実施例の製造方法
との相違点について詳しく説明するにとどめる。

【００２７】まず、（１００）面方位のｎ−ＩｎＰ基板
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、低ドープｎ−ＩｎＰバッファ層１
０２を約０．３μｍ全面に形成する。ここで、低ドープ
ｎ−ＩｎＰバッファ層１０２のキャリア濃度は２×１０
^-17ｃｍ^-3程度と低濃度としておく。次に低ドープｎ−
ＩｎＰバッファ層の上に、［０１１］方向への周期が２
４０ｎｍ、深さ３０ｎｍの回折格子５０１を部分的に形
成し、この回折格子５０１を設けた部分をＤＦＢレーザ
領域５１１、回折格子５０１がない平坦な部分を光変調
器領域５１３とする。この基板上に選択成長用の誘電体
マスクとなる厚さ１０００オングストロームのＳｉＯ₂
膜を形成し、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて、
上記ＳｉＯ₂膜をストライプ状の空隙部をはさんで対向
する一対のストライプ形状の選択成長用ＳｉＯ₂マスク
にパターニングする。選択成長用ＳｉＯ₂マスクのウェ
ハ上面からみた形状を図６に示す。ここで、空隙部２０
２の幅ＷはＤＦＢレーザ領域５１１、光変調器領域５１
３とも２μｍ、選択成長用ＳｉＯ₂マスク６０１の幅は
ＤＦＢレーザ領域５１３で１７μｍ、光変調器領域５１
３で８μｍである。なお、空隙部２０２のストライプ方
向は［０１１］方向であり、光変調器領域５１３の端面
から１５μｍに渡ってはこのストライプ状の空隙部のな
い窓領域５１４とする。

【００２８】次に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、上述の空隙
部２０２の上にのみに選択的に組成波長１．１５μｍの
ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波層５０２（厚さ０．１μｍ、
キャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3）、ｎ−ＩｎＰスペーサ
層５０３（厚さ０．０４μｍ、キャリア濃度５×１０¹⁷
ｃｍ^-3）、組成成長１．３μｍのｉ−ＩｎＧａＡｓＰバ
リア層（厚さ１０ｎｍ）とｉ−ＩｎＧａＡｓ井戸層（厚
さ７ｎｍ）からなる７周期のアンドープ量子井戸層５０
４、ｉ−ＩｎＰクラッド層（厚さ０．０５μｍ）５０
５、ｐ−ＩｎＰクラッド層（厚さ０．１μm 、キャリア
濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3）５０６を順次積層してブダルヘ
テロ構造のメサを形成する。このとき、形成されたメサ
の側面は（１１１）Ｂ面となり、平滑なメサ側面が得ら
れる。

【００２９】なお、本実施例においては、図６に示すよ
うに、選択成長用ＳｉＯ₂マスクの幅をＤＦＢレーザ領
域５１１と光変調器領域５１３とで変えている。このよ
うに、選択ＭＯＶＰＥ成長において、ＳｉＯ₂マスク幅
を部分的に変えると、成長原料種（主としてIII 族の有機金属原料）の気相
中における拡散がＳｉＯ₂マスク幅依存性を有すること
に起因して、成長された層の固相組成がＳｉＯ₂マスク
幅により変化成長速度がＳｉＯ₂マスク幅に依存することに起因し
た井戸層厚変化の相乗効果により、同一基板内でバンドギャップエネル
ギが異なる部分を一回のＭＯＶＰＥ成長により形成でき
る。したがって、ＤＦＢレーザ部５１１と光変調器部５
１３とで異なるバンドギャップエネルギが要求されるア
ンドープ量子井戸層５０４を、一回の結晶成長で、しか
も両領域の接続部で途切れることなく形成でき、この選
択成長法は変調器集積化光源のような光集積素子の製作
方法として理想的である。この実施例においては、アン
ドープ量子井戸層５０４のバンドギャップ波長はＤＦＢ
レーザ領域５１１で１．５５μｍ、光変調器領域５１３
で１．４８μｍとなる。

【００３０】次に選択成長用ＳｉＯ₂マスク６０１の空
隙部２０２の幅が、ＤＦＢレーザ領域５１１で７μｍ、
光変調器領域５１３で５μｍとなるように、ＳｉＯ₂マ
スクの間の空隙部２０２の幅を広げる。そしてこの新た
に形成された空隙部の上およびダブルヘテロ構造メサの
上にｐ−ＩｎＰクラッド層５０７およびｐ−ＩｎＧａＡ
ｓキャップ層５０８を再度選択ＭＯＶＰＥ成長により形
成する。ここで、ｐ−ＩｎＰクラッド層５０７およびｐ
−ＩｎＧａＡｓキャップ層５０８の厚さはそれぞれ１μ
ｍおよび、０．２μｍ、キャリア濃度はそれぞれ５×１
０¹⁷ｃｍ^-3および２×１０¹⁸ｃｍ^-3である。ＤＦＢレー
ザ領域５１１と光変調器領域５１３で電気的分離を行う
ために、両領域の境界から光変調器領域側に長さ２５μ
ｍに渡ってｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層５０８を除去
し、分離領域５１２とする。続いてＳｉＯ₂保護膜１０
９を基板上面全体に形成し、ＳｉＯ₂保護膜１０９にｐ
側電極コンタクト用の窓をＤＦＢレーザ領域５１１と光
変調器領域５１３に対して形成する。その後、ＣｒとＡ
ｕよりなるｐ側電極を蒸着し、フォトリソグラフィ技術
を用いて電極のパターニングを行い、レーザ部ｐ側電極
５２０および光変調器部ｐ側電極５２１、光変調器部ｐ
側電極パッド５２３を形成する。最後に、ｎ−ＩｎＰ基
板１０１を１００μｍ程度の厚さに研磨した後ｎ−Ｉｎ
Ｐ基板１０１側にＣｒ／Ａｕよりなるｎ側電極１１１を
形成し、素子をへき開し、光変調器領域側端面に無反射
膜を、ＤＦＢレーザ領域側端面に高反射膜を形成して素
子製作を終了する。

【００３１】以上の製造方法により製作された図５に示
した光変調器集積化光源の動作について以下に説明す
る。

【００３２】ＤＦＢレーザ領域５１１のレーザ部ｐ側電
極５２０とｎ側電極１１１との間に順バイアス電圧を加
え、ＤＦＢレーザ領域５１１に電流を注入していくと、
回折格子５０１のピッチとこの領域の断面構造より決ま
る実効屈折率とで決定される波長（本実施例の場合は
１．５５μｍ）で単一軸モード発振し、ＤＦＢレーザ領
域５１１出力光は分離領域５１２を伝搬後、光変調器領
域５１３へと結合される。ここで、光変調器領域５１３
のアンドープ量子井戸層５０４では、この波長における
無バイアス時の光吸収が実用上問題ない程度に抑制され
るようにバンドギャップ波長を１．４８μｍに設定して
ある。この光変調器領域５１３のアンドープ量子井戸層
５０４に逆バイアス電圧を印加していくと、量子閉じ込
めシュタルク効果により光変調器領域５１３伝搬光に対
する吸収係数が増加するので、光変調器領域５１３は電
圧制御の光強度変調器として動作する。

【００３３】本実施例の場合、ＤＦＢレーザ領域５１１
は発振波長１．５５μｍ、しきい値電流１０ｍＡで単一
軸モード発振した。また、ＤＦＢレーザ領域５１１から
光変調器領域５１３への光の結合効率はほぼ１００％で
あり、光変調器側端面から１０ｍＷの出射光パワーを得
た。また、光変調器領域５１３の光変調器部ｐ側電極パ
ッド５２２とｎ側電極１１１との間に３Ｖの逆バイアス
電圧を印加すると、光変調器領域５１３の長さが２００
μｍのとき約１５ｄＢの消光比が得られた。

【００３４】なお、本実施例においても第１の実施例同
様に単一モードファイバと結合される部分である光変調
器領域５１３には埋め込み構造が用いられている。した
がって、第一の実施例同様、出射光のスポット形状は基
板に垂直方向と水平方向で対称であり、単一モードファ
イバと低損失で結合できる。測定によれば、図５に示し
た光変調器集積化光源と単一モードファイバとの結合損
失は約２．５ｄＢであり、間に窓領域５１４が存在する
ことを考慮すると良好な値であった。

【００３５】また、本実施例においては、第一の実施例
とは異なり、低ドープ基板を用いる代わりにｐ−ＩｎＰ
クラッド層５０７と（１００）面方位ｎ−ＩｎＰ基板１
０１との間に低ドープｎ−ＩｎＰバッファ層１０２が挿
入されている。すなわち、基板としては通常の高キャリ
ア濃度（２×１０¹⁸ｃｍ^-3）のものを用ているが、第１
の実施例と同じ原理によりホモ接合部の容量を低減する
ために、本実施例ではｐ−ＩｎＰクラッド層５０７と
（１００）面方位ｎ−ＩｎＰ基板１０１との間に低ドー
プｎ−ＩｎＰバッファ層１０２を挿入している。第１の
実施例においては基板全体を低キャリア濃度としたが、
キャリア濃度２×１０¹⁷ｃｍ^-3のｎ−ＩｎＰとキャリア
濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ−ＩｎＰにより形成されるホ
モ接合において低ドープｎ−ＩｎＰ基板１２０側への空
乏層の拡がりは逆バイアス電圧３Ｖにおいて０．２μｍ
程度である。したがって、ホモ接合部の低容量化のため
に必ずしも基板全体を低キャリア濃度とする必要はな
く、厚さ０．３μｍ程度の低ドープｎ−ＩｎＰバッファ
層１０２が（１００）面方位ｎ−ＩｎＰ基板１０１とｐ
−ＩｎＰクラッド層５０７との間に挿入されていれば、
低ドープ基板を用いるのと同様の低容量化が可能であ
る。厚さが０．３μｍ程度であれば、低ドープ層が挿入
されても抵抗が増加する心配はない。それにより、光変
調器領域のホモ接合容量は０．８ｄＢ、電極パッド容量
などをも含めた光変調器領域全体の容量は１．８ｐＦに
低減されている。したがって、３．５ＧＨｚの変調周波
数帯域が確保されており、高速変調にも十分対応でき
る。

【００３６】さらに、本実施例においては選択成長を用
いてバンドギャップエネルギの異なる２つの領域を同時
に形成している。しかも、このようにバンドギャップエ
ネルギの異なる領域を形成するのに必要なことは、Ｓｉ
Ｏ₂などの誘電体マスクの幅を部分的に変えておくこと
だけである。したがって、半導体層のエッチングと結晶
成長を繰り返してバンドギャップエネルギの異なる領域
を形成する従来の方法に比べて、製造工程が大幅に簡略
であり製造歩留りも大幅に向上する。またそれだけでな
く、ＤＦＢレーザ領域と光変調器領域とで光の結合効率
がほぼ１００％になるなど性能面での改善もはかられる
ので、これも製造歩留りの向上に寄与する。

【００３７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば素子
の直列抵抗の増加などの不具合は全く無く、また素子製
作工程の変更をほとんどすることなしに、単一モードフ
ァイバとの結合損失が小さく、高速で、かつ製作歩留ま
りの高い半導体導波型光制御素子を実現できる。

【００３８】なお、本発明は上記の実施例に限定される
ものではない。実施例としては、ＩｎＰ系の電界吸収型
変調器および変調器集積化光源を取り上げたが、これに
限るものではなく、マッハツェンダ変調器や方向性結合
器型スイッチなど他のＩｎＰ系光制御素子に対しても本
発明は適用できる。また、選択成長を利用した埋め込み
構造の直接変調用の単体半導体レーザやＤＦＢレーザ、
ＤＢＲレーザなどに対しても本発明は適用できる。さら
に、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
明は、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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるＩｎＰ系選択成長埋め
込み構造電界吸収型変調器の構造を示す斜視図である。

【図２】本発明によるＩｎＰ系選択成長埋め込み構造電
界吸収型変調器の製造方法を説明するための図である。

【図３】本発明による選択成長埋め込み構造導波型光制
御素子（ｂ）と従来の選択成長埋め込み構造導波型光制
御素子（ａ）の構造を比較するために、両者の断面構造
を示したものである。

【図４】本発明によるホモ接合容量低減化法の原理を説
明するために、ホモ接合容量のバッファ層キャリア濃度
依存性を示したものである。

【図５】本発明の一実施例である光変調器集積化光源の
構造を示す斜視図である。

【図６】本発明の一実施例である光変調器集積化光源の
製造方法を説明するための図である

【符号の説明】

１０１（１００）方位ｎ−ＩｎＰ基板１０２低ドープｎ−ＩｎＰバッファ層１０３ｎ−ＩｎＰクラッド層１０４ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ吸収層１０５，５０５ｉ−ＩｎＰクラッド層１０６，５０６ｐ−ＩｎＰクラッド層１０７，５０７ｐ−ＩｎＰクラッド層１０８，５０８ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０９ＳｉＯ₂保護膜１１０ｐ側電極１１１ｎ側電極１１２ｐ側電極パッド１２０（１００）面方位低ドープｎ−ＩｎＰ基板２０１，６０１選択成長用ＳｉＯ₂マスク２０２空隙部２０３ダブルヘテロ構造メサ３０１ホモ接合部３０２ホモ接合部５０１回折格子５０２ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波層５０３ｎ−ＩｎＰスペーサ層５０４アンドープ量子井戸層５１１ＤＦＢレーザ領域５１２分離領域５１３光変調器領域５１４窓領域５２０レーザ部ｐ側電極５２１光変調器部ｐ側電極５２２光変調器部ｐ側電極パッド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電型半導体基板上に少なくとも導電型
半導体光導波層、ノンドープ半導体吸収層もしくは半導
体活性層もしくは半導体導波層、および逆導電型半導体
第１クラッド層が順次積層されたメサストライプが選択
成長により部分的に形成され、前記ノンドープ半導体吸
収層もしくは半導体活性層もしくは半導体導波層のバン
ドギャップエネルギはストライプ方向で部分的に異なっ
ており、前記メサストライプの上面および側面を覆って
該メサストライプを埋め込む逆導電型半導体第２クラッ
ド層および逆導電型半導体キャップ層がやはり選択成長
によりメサストライプ状に形成され、前記ストライプ方
向でバンドギャップエネルギが部分的に異なるノンドー
ブ半導体吸収層もしくは半導体活性層もしくは半導体導
波層にバンドギャップが異なる部位にそれぞれ独立に電
界を印加する手段を具備した集積構造半導体導波型光制
御素子であって、前記導電型半導体基板と逆導電型半導
体第２クラッド層との間に導電型低キャリア濃度半導体
バッファ層が挿入されていることを特徴とする選択成長
導波型光制御素子。
【請求項２】導電型半導体基板上に少なくとも導電型
半導体第１クラッド層、ノンドープ半導体吸収層もしく
は半導体活性層もしくは半導体導波層、逆導電型半導体
第２クラッド層が順次積層されたメサストライプが選択
成長により部分的に形成され、前記メサストライプの上
面および側面を覆って該メサストライプを埋め込む逆導
電型半導体第３クラッド層および逆導電型半導体キャッ
プ層がやはり選択成長によりメサストライプ状に形成さ
れ、前記ノンドープ半導体吸収層もしくは半導体活性層
もしくは半導体導波層に電界を印加する手段を具備した
半導体導波型光制御素子であって、前記導電型半導体基
板が低キャリア濃度であることを特徴とする選択成長導
波型光制御素子。
【請求項３】導電型半導体基板上に少なくとも導電型
半導光導電波層、ノンドープ半導体吸収層もしくは半導
体活性層もしくは半導体導波層、および逆導電型半導体
第１クラッド層が順次積層されたメサストライプが選択
成長により部分的に形成され、前記ノンドープ半導体吸
収層もしくは半導体活性層もしくは半導体導波層のバン
ドギャップエネルギはストライプ方向で部分的に異なっ
ており、前記メサストライプの上面および側面を覆って
該メサストライプを埋め込む逆導電型半導体第２クラッ
ド層および逆導電型半導体キャップ層がやはり選択成長
によりメサストライプ状に形成され、前記ストライプ方
向でバンドギャップエネルギが部分的に異なるノンドー
プ半導体吸収層もしくは半導体活性層もしくは半導体導
波層にバンドギャップが異なる部位にそれぞれ独立に電
界を印加する手段を具備した集積構造半導体導波型光制
御素子であって、前記導電型半導体基板が低キャリア濃
度であることを特徴とする選択成長導波型光制御素子。
【請求項４】導電型半導体光導波層、ノンドープ半導
体吸収層もしくは半導体活性層もしくは半導体導波層、
および逆導電型半導体第１クラッド層が少なくとも積層
されたメサストライプが、（１００）面方位導電型半導
体基板上もしくは（１００）面方位導電型低キャリア濃
度バッファ層の上にストライプ方向が［０１１］方向と
なるように選択成長により形成され、該メサストライプ
の側面が（１１１）Ｂ面であることを特徴とする請求項
１記載の選択成長導波型光制御素子。
【請求項５】導電型半導体第１クラッド層、ノンドー
プ半導体吸収層および逆導電型半導体第２クラッド層が
少なくとも積層されたメサストライプが、（１００）面
方位導電型半導体基板上にストライプ方向が［０１１］
方向となるように選択成長により形成され、該メサスト
ライプの側面が（１１１）Ｂ面であることを特徴とする
請求項２記載の選択成長導波型光制御素子。
【請求項６】導電型半導体光導波層、ノンドープ半導
体吸収層もしくは半導体活性層もしくは半導体導波層、
および逆導電型半導体第１クラッド層が少なくとも積層
されたメサストライプが、（１００）面方位導電型半導
体基板上にストライプ方向が［０１１］方向となるよう
に選択成長により形成され、該メサストライプの側面が
（１１１）Ｂ面であることを特徴とする請求項３記載の
選択成長導波型光制御素子。
【請求項７】導電型半導体基板と逆導電型半導体第２
クラッド層との間に挿入された導電型低キャリア濃度半
導体バッファ層のキャリア濃度が、導電型半導体基板の
キャリア濃度よりも低いことを特徴とする請求項１記載
の選択成長導波型光制御素子。
【請求項８】導電型半導体基板と逆導電型半導体第２
クラッド層との間に挿入された導電型低キャリア濃度半
導体バッファ層のキャリア濃度が、逆導電型半導体第２
クラッド層のキャリア濃度よりも低いことを特徴とする
請求項１記載の選択成長導波型光制御素子。
【請求項９】導電型半導体基板と逆導電型半導体第２
クラッド層との間に挿入された導電型低キャリア濃度半
導体バッファ層のキャリア濃度が、５×１０¹⁷ｃｍ^-3以
下であることを特徴とする請求項１記載の選択成長導波
型光制御素子。
【請求項１０】導電型半導体基板のキャリア濃度が、
逆導電型半導体第３クラッド層のキャリア濃度よりも低
いことを特徴とする請求項２記載の選択成長導波型光制
御素子。
【請求項１１】導電型半導体基板のキャリア濃度が、
逆導電型半導体第２クラッド層のキャリア濃度よりも低
いことを特徴とする請求項３記載の選択成長導波型光制
御素子。
【請求項１２】導電型半導体基板のキャリア濃度が、
５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることを特徴とする請求項２
または請求項３記載の選択成長導波型光制御素子。