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WO2024252989A1 - 半導体光変調素子 - Google Patents

半導体光変調素子 Download PDF

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WO2024252989A1
WO2024252989A1 PCT/JP2024/019585 JP2024019585W WO2024252989A1 WO 2024252989 A1 WO2024252989 A1 WO 2024252989A1 JP 2024019585 W JP2024019585 W JP 2024019585W WO 2024252989 A1 WO2024252989 A1 WO 2024252989A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
modulation element
optical
optical modulation
type
Prior art date
Application number
PCT/JP2024/019585
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
義弘 小木曽
常祐 尾崎
泰彰 橋詰
伸浩 布谷
陽太郎 神宝
Original Assignee
日本電信電話株式会社
Ｎｔｔイノベーティブデバイス株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日本電信電話株式会社, Ｎｔｔイノベーティブデバイス株式会社 filed Critical 日本電信電話株式会社
Publication of WO2024252989A1 publication Critical patent/WO2024252989A1/ja

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
    • G02F1/017—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells

Definitions

  • the present invention relates to an optical modulation element, and more specifically to an n-i-p-n type optical modulation element.
  • MZMs Mach-Zehnder modulators
  • Non-Patent Document 1 n-p-i-n structures or n-i-p-n structures have been proposed. These structures focus on the fact that the factor limiting the increase in speed of semiconductor optical modulators is the high resistance characteristics of the semiconductor doped layer. Instead of p-doped layers, which have a resistivity roughly one order of magnitude higher at the same concentration, n-doped layers are placed above and below the layer structure to achieve both wideband characteristics and low drive voltage characteristics (Non-Patent Document 1).
  • Figure 1 shows the layer structure and band diagram of a semiconductor optical modulation element of the prior art.
  • Figure 1(a) shows the layer structure 100 of the cross section of an optical waveguide that performs the modulation operation of the MZM. A part is cut out and shown in a schematic diagram, focusing on the configuration of the semiconductor layers with an n-i-p-n structure.
  • Figure 1(b) shows a band diagram corresponding to the n-i-p-n structure in (a).
  • the terms optical modulator and optical modulation element mean the same thing.
  • an n-type cladding layer 12 As shown in FIG. 1A, from the bottom where the InP substrate (not shown) is located, an n-type cladding layer 12, a p-type diffusion stop layer 18, a non-doped layer (i-layer) including multiple layers including a core layer of an optical waveguide, and an n-type cladding layer 17 are laminated.
  • the non-doped layer includes, from the substrate side, a first buffer layer 14, an MQW layer 15 having a multi-quantum well (MQW) structure and functioning as a core layer, and a second buffer layer 16.
  • MQW multi-quantum well
  • an n-layer, an i-layer, a p-layer, and an n-layer are configured in that order, and this is called an n-i-p-n structure.
  • Only the MQW layer 15 in the i-layer functions as the optical waveguide core.
  • the non-doped i-layer including multiple layers determines the electrical capacitance (capacitor) as described later.
  • the p-type doped layer is shown as the electron barrier layer 13.
  • Zn, Be, C, etc. are used as dopants for the electron barrier layer 13.
  • MOVPE method which is used to create compound semiconductor crystals and is also suitable for mass production, Zn is used as the dopant in most cases.
  • Zn dopants are known to have a very large diffusion coefficient, and how to suppress Zn diffusion is an important issue in the design of optical devices such as laser diodes and optical modulators.
  • an effective method of suppressing Zn diffusion is to form a heterointerface with a different band gap between a Zn-doped layer and a non-doped core layer.
  • Zn diffusion from a p-InP cladding layer can be prevented by inserting adjacent non-doped InGaAsP layers, InAlGaAs layers, InAlAs layers, etc., which have a higher saturation concentration than InP.
  • InGaAsP is expected to have a high Zn diffusion prevention effect because it shows the highest saturation concentration characteristics.
  • a diffusion stop layer 18 made of InGaAsP is provided between the first n-type cladding layer 12 and the first buffer layer 14 as a layer to prevent the above-mentioned diffusion of Zn. Since the InGaAsP layer contains both As and P as group V elements, it is often used as an intermediate layer to switch from an InAlAs layer to an InP layer in epitaxial growth. By forming this intermediate layer between each layer, crystal defects can be reduced.
  • the band diagram in FIG. 1(b) corresponds to the layer configuration of the semiconductor optical modulation element with the n-i-p-n structure described above.
  • the electron barrier layer 13 is shown like a dam wall, with a doping concentration and thickness that are such that no large dark current flows when a reverse bias is applied.
  • the diffusion stop layer 18 described above is also shown in the band diagram as a relatively thin region adjacent to the electron barrier layer 13.
  • the slope of each part in the band diagram corresponds to the electric field strength applied to that part (layer); if the band slope is steep, a strong electric field is applied, and if the band slope is gentle, a weak electric field is applied.
  • the present invention was made in consideration of these problems, and its purpose is to reduce the wavelength dependency in the modulation output performance of n-i-p-n type optical modulation elements.
  • One aspect of the present invention is a Mach-Zehnder type semiconductor optical modulation element having an input optical waveguide, two interference optical waveguides branched from the input optical waveguide and having a core refractive index modulated by an electric signal, and an output optical waveguide for the modulated light combined from the two interference optical waveguides, each of which has a first n-type cladding layer, a p-type electron barrier layer, a first buffer layer, a multiple quantum well layer constituting the core, a second buffer layer, and a second n-type cladding layer arranged in this order from the InP semiconductor crystal substrate upward on a substrate surface equivalent to the (100) surface of the semi-insulating InP semiconductor crystal substrate, and the first buffer layer is a semiconductor optical modulation element containing only As as a group V element.
  • the second buffer layer can contain P and As as group V elements.
  • the dopant of the p-type electron barrier layer can be carbon.
  • the constituent material between the p-type electron barrier layer and the multiple quantum well layer can be composed of a single composition, and the composition can be the same composition as the p-type electron barrier layer of the multiple quantum well layer.
  • FIG. 1 is a diagram showing a layer structure and a band diagram of a conventional nipn type optical modulation element.
  • FIG. 13 is a diagram showing the electric field strength dependence of the absorption spectrum of an InGaAsP layer.
  • 1A and 1B are diagrams showing a layer structure and a band diagram of an nipn type optical modulation element according to the present disclosure.
  • 1 is a diagram showing a top view of a semiconductor optical modulation device according to a first embodiment of the present disclosure; 3 is a diagram showing a cross-sectional structure of a refractive index modulation region of the semiconductor optical modulation element of Example 1.
  • FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional structure of an input optical waveguide of the semiconductor optical modulation element of Example 1.
  • This paper discloses an InP optical modulation element having an n-i-p-n heterostructure.
  • we will first confirm the large wavelength dependency that occurs in the performance of the optical modulator in a semiconductor optical modulation element with an n-i-p-n structure of the prior art. We will then explain the configuration and operation of the optical modulation element disclosed herein.
  • the material of the diffusion stop layer 18 shown in Figure 1 is known to be accompanied by optical absorption due to broadening of the absorption spectrum caused by the Franz-Keldysh effect when a high bias electric field is applied to communication wavelengths in the 1.3 to 1.5 ⁇ m band.
  • the diffusion stop layer 18 formed in the non-doped layer which is the electric field application region, actually leads to wavelength dependence of the quality of the modulated optical output.
  • on-off modulation (intensity modulation) is performed on the output light by changing the refractive index, mainly using the quantum confined Stark effect of the MQW structure.
  • phase modulation occurs in the light propagating through each of the branched interference optical waveguides, and on-off modulation is performed on the output light from the MZM.
  • a desired modulation operation can be achieved with a relatively low reverse bias voltage on the short wavelength side close to the band edge wavelength of the material of the optical waveguide.
  • a relatively low reverse bias voltage is sufficient for a given half-wave voltage.
  • a higher bias voltage is required.
  • the half-wave voltage refers to the AC amplitude of the electrical signal required to shift the relative phase between the branched interference optical waveguides in the MZM by half a wavelength.
  • the half-wave voltage corresponds to the amplitude of the electrical signal required to turn on and off the optical output from the MZM. If the half-wave voltage can be made constant regardless of the wavelength, the amplitude of the modulation signal supplied to the MZM from the DSP or the like can be made constant, simplifying the system.
  • Figure 2 is a diagram that explains the electric field strength dependence of the absorption spectrum of an InGaAsP layer.
  • the horizontal axis of Figure 2 represents wavelength, and the vertical axis represents the optical absorption spectrum specific to the InGaAsP material, i.e., loss.
  • the electric field strength applied to InGaAsP is small, the absorption spectrum is on the short wavelength side away from the C band.
  • the electric field strength increases, the absorption spectrum spreads toward the C band, and the base of the absorption spectrum extends to the long wavelength side. This change in the absorption spectrum depending on the electric field strength is due to the Franz-Keldysh effect.
  • the change in reverse bias voltage with wavelength corresponds to the change in the height difference between the two n-type cladding layers 12 and 17 in the band diagram.
  • a voltage of substantially half the wavelength must be applied to the MQW layer.
  • the band slope is steeper, and a stronger electric field is applied to the buffer layer 14 and the diffusion stop layer 18. If the reverse bias voltage increases on the long wavelength side, an even stronger electric field is applied to the diffusion stop layer 18.
  • the InGaAsP absorption spectrum spreads to the longer wavelength side due to the Franz-Keldysh effect, as shown in Figure 2, causing a loss in the light propagating through the interference optical waveguide.
  • the intensity of the light used for the interference operation itself decreases, resulting in an increase in the light insertion loss of the optical modulator.
  • Fluctuations in the output level of the modulated light on the longer wavelength side also adversely affect the signal-to-noise ratio of the modulated light, degrading its performance as an optical modulator.
  • Such performance degradation is most noticeable on the longer wavelength side, where the Franz-Keldysh effect caused by the InGaAsP diffusion stop layer 18 has a large effect, resulting in a strong wavelength dependency in the quality of the modulated light output.
  • an intermediate layer for switching between InP and an Al-based material may also be present between the MQW layer 15 containing Al elements and the electron barrier layer 13 in the non-doped layer.
  • intermediate layers are also disposed between the MQW layer 15 and the first buffer layer 14, and between the MQW layer 15 and the second buffer layer 16, and an InGaAsP layer, for example, is formed. These intermediate layers are shown as intermediate layers 18a and 18b in the band diagram of FIG. 1B.
  • the optical modulation element disclosed herein has a structure in which the InGaAsP layer is eliminated as much as possible in the non-doped layer (i-layer).
  • the first buffer layer between the p-type electron barrier layer adjacent to the first cladding layer and the MQW layer is configured to eliminate compositions containing materials that cause optical absorption, such as InGaAsP.
  • the second buffer layer between the MQW layer and the second cladding layer is configured to contain InP or InGaAsP as a material, taking into account the usefulness of chemical etching selectivity during the device fabrication process.
  • the first buffer layer between the p-type electron barrier layer and the MQW layer contains only As as a group V element.
  • the second buffer layer between the MQW layer and the second cladding layer may contain P and As as group V elements.
  • Figure 3 shows the layer structure and band diagram of the n-i-p-n type semiconductor optical modulation element of the present disclosure.
  • Figure 3(a) shows the layer structure 200 of the cross section of the optical waveguide that performs the modulation operation in the MZM. A part is cut out and shown in a schematic diagram, focusing on the configuration of the semiconductor layers of the n-i-p-n structure.
  • Figure 3(b) shows a band diagram corresponding to the n-i-p-n structure of (a).
  • the basic configuration is the same as the optical modulation element of the prior art shown in Figure 1, and only the differences will be described in detail.
  • the layer structure 200 of the optical waveguide of the optical modulation element disclosed herein includes only the first buffer layer 14 between the p-type electron barrier layer 13 and the MQW layer 15.
  • This structure does not include the diffusion stop layer 18 in FIG. 1(a), and the band diagram in FIG. 3(b) also includes only the first buffer layer 14 in the steeply sloping portion between the p-type electron barrier layer 13 and the MQW layer 15.
  • Zn was used as the p-type dopant in the electron barrier layer, but in the p-type electron barrier layer 13 in FIG. 3(a), carbon (C) is used as the p-type dopant.
  • C is used as the p-type dopant.
  • the band slope between the p-type electron barrier layer 13 and the MQW layer 15 is steep, and when a strong electric field is applied, optical absorption occurs on the long wavelength side due to the Franz-Keldysh effect.
  • a single first buffer layer 14 is provided between the p-type electron barrier layer 13 and the MQW layer 15, but a configuration including multiple layers with different compositions between the p-type electron barrier layer 13 and the MQW layer 15 is also possible.
  • the buffer layer between the p-type electron barrier layer and the MQW layer contains only As as a group V element, a configuration including multiple layers with different compositions is also possible depending on the performance of the optical modulator and manufacturing process reasons.
  • the MQW layer 15 through the p-type electron barrier layer 13 from a single composition.
  • they can be constructed from InAlAs, which has a large band gap and is less susceptible to optical absorption.
  • InGaAlAs can also be used, although it has a smaller band gap than InAlAs.
  • Each of the interference optical waveguides in the semiconductor optical modulation element of the present invention has a layer structure 200 configured on a substrate surface equivalent to the (100) surface of a semi-insulating InP semiconductor crystal substrate, as described below. From the substrate upwards, a first n-type cladding layer 12, a p-type electron barrier layer 13, a first buffer layer 14, an MQW layer 15 constituting a core, a second buffer layer 16, and a second n-type cladding layer 17 are arranged in this order, and the first buffer layer can be implemented as containing only As as a group V element.
  • FIG 4 is a diagram showing the top view of the semiconductor optical modulation element of Example 1.
  • the optical modulation element 300 has an interference optical waveguide having the layer structure shown in Figure 3 (a) on a semi-insulating InP (100) substrate.
  • the input optical waveguide 21-1, two interference optical waveguides 21a and 21b branched from the input optical waveguide 21-1, and an output optical waveguide 21-2 are configured.
  • a capacitively loaded traveling wave electrode that applies a high-frequency electrical signal is formed above the interference optical waveguides 21a and 21b.
  • a DC bias electrode 22 that applies a bias voltage to the PN junction formed by the layer structure is also formed.
  • the optical modulation element 300 operates as an MZ type optical modulator.
  • the refractive index of the core layer is modulated by applying an electrical signal to the interference optical waveguides 21a and 21b to cause a secondary optical effect in the core layer.
  • the region of the optical modulation element 300 that includes the interference optical waveguides 21a and 21b is also called the refractive index modulation region.
  • FIG. 5 is a diagram showing the cross-sectional structure of the refractive index modulation region of the semiconductor optical modulation element of Example 1.
  • the cross-sectional view of FIG. 5 shows a cross section perpendicular to the optical propagation direction of two interference optical waveguides 21a and 21b, cut along line V-V in FIG. 4.
  • Interference optical waveguides 21a and 21b having the n-i-p-n type layer structure shown in FIG. 3(a) are formed on a semi-insulating InP substrate 20.
  • FIG. 6 is a diagram showing the cross-sectional structure of the input optical waveguide of the semiconductor optical modulation element of Example 1.
  • the cross-sectional view of FIG. 6 shows a cross section perpendicular to the optical propagation direction of the input optical waveguide 21-1 cut along the line VI-VI in FIG. 4.
  • An input optical waveguide 21-1 having a structure obtained by partially modifying the n-i-p-n type layer structure shown in FIG. 3(a) is formed on an InP substrate 20. That is, in the n-i-p-n type layer structure shown in FIG. 3(a), the second n-type cladding layer 17 is replaced with semi-insulating InP or non-doped InP from the viewpoint of reducing optical loss.
  • a DC bias electrode 22 is formed on the n-type contact layer 23 in contact with the first n-type cladding layer 12.
  • the cross-sectional structure of the output optical waveguide 21-2 is also exactly the same as that of the input optical waveguide 21-1 in FIG. 6. Please note that Figures 5 and 6 are schematic diagrams, the thickness direction is greatly enlarged, and the relationship between the thicknesses of each layer is not accurately depicted.
  • the optical modulation element 300 has the n-i-p-n type layer configuration of FIG. 3(a) on the n-type contact layer 23 formed on the InP substrate 20. From the InP substrate 20 upward, the first n-type cladding layer 12, the p-type electron barrier layer 13, the first buffer layer 14, the MQW layer 15 constituting the core, the second buffer layer 16, and the second n-type cladding layer 17 are arranged in this order.
  • the n-type contact layer 23 is made of InGaAs with a carrier concentration of 5 ⁇ 10 18 /cm 3
  • the first n-type cladding layer 12 and the second n-type cladding layer 17 are made of InP with a carrier concentration of 1 ⁇ 10 18 /cm 3.
  • the p-type electron barrier layer 13 has a carrier concentration of 5 ⁇ 10 17 to 1 ⁇ 10 18 /cm 3 , taking into consideration the optical absorption coefficient and electrical resistivity, and InAlAs is used.
  • InAlAs has a larger band gap than InP, exhibits p-type properties with the addition of carbon dopant, and can enhance the electron carrier blocking effect.
  • the above-mentioned layers were sequentially grown and deposited on a semi-insulating InP (100) substrate by metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE).
  • the band gap wavelength of the MQW layer 15, which is the core layer, is determined so that the electro-optic effect is highly efficient at the operating light wavelength, and light absorption is not an issue.
  • the emission wavelength of the MQW layer 15 is set to about 1.4 ⁇ m.
  • the MQW layer 15 is preferably formed with an InGaAlAs/InAlAs MQW structure.
  • a multiple structure such as InGaAlAs/InGaAlAs may also be used.
  • compositions of the n-type contact layers 23, 24 and the cladding layers are not limited to those described above, and for example, an InGaAsP composition may be used.
  • the thickness of the first n-type cladding layer 12 is set to 120 nm or more, taking into account the overlap with the optical mode confined in the MQW layer.
  • the second n-type cladding layer 17 above the area that does not contribute to modulation is removed by dry etching and wet etching to electrically isolate the elements.
  • the areas where the second n-type cladding layer 17 was removed are backfilled with semi-insulating InP or non-doped InP 19 to reduce optical loss.
  • an MZ interferometer optical waveguide pattern was formed from SiO2 formed in a direction equivalent to the [011] plane direction, and the ridge-shaped optical waveguide shown in Fig. 5 was formed using dry and wet etching processes.
  • dry and wet etching was further performed to expose a part of the n-type contact layer 23 as shown in Fig. 6.
  • BCB 25 benzocyclobutene (BCB) 25 was applied as an insulating film to flatten the unevenness of the optical waveguide, and after removing the BCB from the contact area, a capacitive-loaded traveling wave electrode pattern as shown in Figure 4 was formed by gold plating.
  • the insulating film polyimide, which is an insulating low refractive index material, may be used instead of BCB.
  • a predetermined bias was applied to the DC bias electrode 22 so that a reverse electric field was applied to the pn junction, and a high-frequency signal was fed to the signal electrode (coplanar strip line).
  • a high-frequency signal was fed to the signal electrode (coplanar strip line).
  • the present invention can reduce the wavelength dependency of the modulation output performance of an n-i-p-n type optical modulation element.
  • This invention can be used in general optical communications.

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Abstract

ｎ-ｉ-ｐ-ｎ型ヘテロ構造を有するＩｎＰ光変調素子が開示される。本開示の光変調素子は、ノンドープ層（ｉ層）内において、ＩｎＧａＡｓＰ層を可能な限り排除した構造を有する。第１のクラッド層（１２）に隣接するｐ型電子障壁層（１３）とＭＱＷ層（１５）との間にある第１のバッファ層（１４）は、ＩｎＧａＡｓＰなどの光学吸収を生じる材料を含む組成が排除された構成である。一方、ＭＱＷ層（１５）と第２のクラッド層（１７）との間にある第２のバッファ層（１６）は、材料としてＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓＰを含み得る。従来技術のｎ-ｉ-ｐ-ｎ構造の半導体光変調素子による光変調器の性能の波長依存性を大幅に改善する。

Description

半導体光変調素子
　本発明は光変調素子に関し、より詳細には、ｎ-ｉ-ｐ-ｎ型光変調素子に関する。
　ＩｏＴや５Ｇ（第５世代移動通信システム）サービスの普及などに伴い、これらを支える光通信ネットワークに対して、より一層の高速化が求められている。キーデバイスの１つである光変調器においても、高性能化と小型・低消費電力化を実現するための研究開発が続けられている。ＩｎＰなどの化合物半導体を用いたマッハツェンダ型光変調器（ＭＺＭ：Mach-Zehnder Modulator）は、特に高速化の点において着目されている。
　半導体によって構成される光変調器の高速化に対して様々なアプローチがなされており、半導体層の観点から、ｎ-ｐ-ｉ-ｎ構造またはｎ-ｉ-ｐ-ｎ構造が提案されてきた（特許文献１）。これらの構造では、半導体光変調器の高速化を制限する要因が、半導体ドーピング層の高い抵抗特性にあることに注目している。同じ濃度で大よそ一桁高い抵抗率を持つｐドーピング層に代えて、ｎドーピング層を層構造の上下に配置して、広帯域特性と低駆動電圧特性の両立を図っている（非特許文献１）。
　図１は、従来技術の半導体光変調素子の層構造およびバンド図を示した図である。図１の（ａ）は、ＭＺＭの変調動作を行う光導波路の断面の層構造１００を示している。ｎ-ｉ-ｐ-ｎ構造の半導体層の構成に着目して一部を切り出して模式的に示している。図１の（ｂ）は、（ａ）のｎ-ｉ-ｐ-ｎ構造に対応したバンド図を示している。以下の説明では、光変調器、光変調素子は同じものを意味する。
　図１の（ａ）に示したように、図示していないＩｎＰ基板がある下側から順に、ｎ型クラッド層１２、ｐ型の拡散ストップ層１８、光導波路のコア層を含む複数の層を含むノンドープ層（ｉ層）、ｎ型クラッド層１７が積層されている。ノンドープ層は、基板側から順に第１のバッファ層１４、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造を有しコア層として機能するＭＱＷ層１５、第２のバッファ層１６を含む。上層側から基板側に向かって順に、ｎ層、ｉ層、ｐ層、ｎ層が構成されておりｎ-ｉ-ｐ-ｎ構造と呼ばれる。光導波路コアとして機能するのは、ｉ層におけるＭＱＷ層１５のみである。複数の層を含むノンドープのｉ層は、後述するように電気的な静電容量（キャパシタ）を決定することになる。
　上述のｎ-ｉ-ｐ-ｎ構造などのように、ＭＺＭの光導波路のクラッドの大部分をｎ型ドーピング層の第１のｎ型クラッド層１２、第２のｎ型クラッド層１７によって構成した場合、逆バイアス電圧印加時の耐圧確保のため、ｐ型のドーピング層が必要となる。図１の（ａ）においては、ｐ型のドーピング層は電子障壁層１３として示されている。ＩｎＰ基板上に構成される半導体デバイスの場合、電子障壁層１３に用いるドーパントとして、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃなどが用いられている。化合物半導体結晶の作製に用いられ量産製造にも適したＭＯＶＰＥ法による結晶成長では、ほとんどの場合、ドーパントとしてＺｎを用いている。
　Ｚｎドーパントは拡散係数が非常に大きいことでも知られており、レーザダイオード、光変調器等の光デバイス設計では、Ｚｎ拡散をいかに抑制するかが重要な課題である。一般にＺｎ拡散を抑制する効果的な手法は、Ｚｎがドーピングされた層とノンドープコア層との間に、バンドギャップの異なるヘテロ界面を形成することである。例えばｐ-ＩｎＰクラッド層からのＺｎ拡散防止には、ＩｎＰよりも飽和濃度の高いノンドープのＩｎＧａＡｓＰ層、ＩｎＡｌＧａＡｓ層、ＩｎＡｌＡｓ層などを隣接して挿入することが知られている。特にＩｎＧａＡｓＰは、最も高い飽和濃度特性を示すことからＺｎの高い拡散防止効果が期待されている。
　図１の（ａ）のｎ-ｉ-ｐ-ｎ構造の半導体光変調素子の層構成では、上述のＺｎの拡散を防止する層として、第１のｎ型クラッド層１２および第１のバッファ層１４の間に、ＩｎＧａＡｓＰで構成された拡散ストップ層１８を備えている。ＩｎＧａＡｓＰ層は、Ｖ族元素としてＡｓとＰの両方を含むことから、エピタキシャル成長において、ＩｎＡｌＡｓ層からＩｎＰ層へ切り替える中間層としても多用されている。この中間層を各層の層間に形成することによって、結晶欠陥を減らすことができる。
　図１の（ｂ）のバンド図は、上述のｎ-ｉ-ｐ-ｎ構造の半導体光変調素子の層構成に対応している。電子障壁層１３は、逆バイアス印可時に大きな暗電流が流れない程度のドーピング濃度と厚さを有する、ダムの壁のように示されている。上述の拡散ストップ層１８は、バンド図においても、電子障壁層１３に隣接する比較的薄い領域として示されている。バンド図における各部の傾斜は、その部分（層）に掛かる電界強度に対応しており、バンドの傾斜が急であれば強い電界が、バンドの傾斜が緩ければ弱い電界が掛かっていることになる。
特許第６４５８１４３号公報
Y. Ogiso et al.， "80-GHz Bandwidth AND １．５-V Vπ InP-Based IQ Modulator"， January 2020, IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol. 38, No. 2, pp. 249-255 N. Kikuchi et al.， "80-Gb/s Low-Driving-Voltage InP DQPSK Modulator With an n-p-i-n Structure"， June 2009, IEEE Photonics Technology Letters， Vol. 21， No. 12， pp. 787-789
　図１で説明した従来技術のｎ-ｉ-ｐ-ｎ構造の半導体光変調素子では、拡散ストップ層における光吸収によって、光変調器の性能に波長依存性が生じてしまう問題があった。逆バイアス電圧の波長依存性に加えて、フランツ・ケルディッシュ効果による損失の影響によって、ＭＺＭからの変調光出力品質に大きな波長依存性を生じさせていた。具体的には、吸収スペクトルがより長波長側に広がり、光変調器の光挿入損失を増大させていた。長波長側における変調光の出力レベル変動は、変調光のＳＮ比にも悪影響を与え、光変調器としての性能を劣化させていた。
　本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、目的とするところは、ｎ-ｉ-ｐ-ｎ型光変調素子の変調出力性能における波長依存性を低減させることにある。
　本発明の１つの態様は、入力光導波路と、前記入力光導波路から分岐され、電気信号によりコアの屈折率が変調される２本の干渉光導波路と、前記２本の干渉光導波路からの合波された変調光のための出力光導波路とを備えたマッハツェンダ型の半導体光変調素子であって、前記干渉光導波路の各々は、半絶縁性のＩｎＰ半導体結晶基板の（１００）面と等価な基板面上に、前記ＩｎＰ半導体結晶基板から上層に向かって第１のｎ型クラッド層、ｐ型電子障壁層、第１のバッファ層、前記コアを構成する多重量子井戸層、第２のバッファ層、および、第２のｎ型クラッド層が、この順に配置されており、前記第１のバッファ層はＶ族元素としてＡｓのみを含む半導体光変調素子である。
　好ましくは、前記第２のバッファ層はＶ族元素としてＰおよびＡｓを含むことができる。前記ｐ型電子障壁層のドーパントは炭素であることもできる。さらに前記ｐ型電子障壁層および前記多重量子井戸層の間の構成材料は、単一の組成で構成され、前記組成は前記多重量子井戸層のｐ型電子障壁層と同一組成であることができる。
　以上説明をしたように、光変調素子の性能の波長依存性を低減させることができる。
従来技術のｎ-ｉ-ｐ-ｎ型光変調素子の層構造、バンド図を示す図である。 ＩｎＧａＡｓＰ層の吸収スペクトルの電界強度依存性を表す図である。 本開示のｎ-ｉ-ｐ-ｎ型光変調素子の層構造、バンド図を示す図である。 本開示の半導体光変調素子の実施例１の上面構成を示す図である。 実施例１の半導体光変調素子の屈折率変調領域の断面構造を示す図である。 実施例１の半導体光変調素子の入力光導波路の断面構造を示す図である。
　ｎ-ｉ-ｐ-ｎ型ヘテロ構造を有するＩｎＰ光変調素子が開示される。以下では、まず従来技術のｎ-ｉ-ｐ-ｎ構造の半導体光変調素子における、光変調器の性能に生じる大きな波長依存性について確認する。その後、本開示の光変調素子の構成および動作を説明する。
　図１に示した拡散ストップ層１８の材料であるＩｎＧａＡｓＰは、１．３～１．５μｍ帯の通信波長に対して高バイアス電界印加時にフランツ・ケルディッシュ効果に起因した吸収スペクトルのブロードニングによって光学吸収を伴うことが知られている。ＭＺＭにおいて低損失な光変調導波路を作製する場合、以下に述べるよう、電界印加領域であるノンドープ層に形成された拡散ストップ層１８が、却って変調光出力の品質の波長依存性を招いてしまう。
　ＩｎＰを用いたＭＺＭにおいては、ＭＱＷ構造による量子閉じ込めシュタルク効果を主に利用した屈折率変化によって、出力光に対してオンオフ変調（強度変調）が実施される。屈折率変化の結果、分岐した干渉光導波路の各々を伝搬する光に対して生じる位相変調により、ＭＺＭからの出力光に対してオンオフ変調が実施される。
　光導波路の材料のバンド端波長に近い短波長側において、比較的低い逆バイアス電圧で所望の変調動作を実現できる。Ｃ帯波長における短波長側の１５２７ｎｍにおいては、所定の半波長電圧に対して、比較的低い逆バイアス電圧で済む。バンド端波長から離れた長波長側の１５６５ｎｍにおいては、より高いバイアス電圧が必要となる。ここで、半波長電圧とは、ＭＺＭにおける分岐した干渉光導波路間の相対位相を半波長シフトさせるのに必要な電気信号の交流振幅のことを言う。半波長電圧は、ＭＺＭからの光出力をオンオフするのに必要な電気信号の振幅に対応する。波長に関係なく半波長電圧を一定化できれば、ＤＳＰ等からＭＺＭに供給する変調信号振幅を一定化し、システムを簡易化できる。
　一般に、量子閉じ込めシュタルク効果では、電界印可に伴う励起子の乖離が妨げられるために、バンド端吸収スペクトルはブロードニングを起こさずに、長波長側へシフトした振る舞いを示す。これは、異なる波長において所望の屈折率変化（位相変化）を得るために伴う光学吸収量に大差が無いことを示している。したがって、Ｃ帯波長全域で一定の半波長電圧による変調動作を実現させたい場合、動作波長に合わせて逆バイアス電圧のみを調整すれば良い。しかしながら、ｎ-ｉ-ｐ-ｎ構造において、ＩｎＧａＡｓＰ層などがノンドープ層中に形成されている場合、光吸収の波長依存性が大きくなる。
　図２は、ＩｎＧａＡｓＰ層の吸収スペクトルの電界強度依存性を説明する図である。図２の横軸は波長を、縦軸はＩｎＧａＡｓＰの材料固有の光吸収スペクトル、すなわち損失を表している。ＩｎＧａＡｓＰに掛かる電界強度が小さい場合、吸収スペクトルは、Ｃ帯から離れた短波長側にある。電界強度が大きくなると、吸収スペクトルはＣ帯側に広がり、吸収スペクトルのすそ野は長波長側にまで及ぶようになる。電界強度に依存した吸収スペクトルのこのような変化は、フランツ・ケルディッシュ効果に因るものである。
　上述の逆バイアス電圧の波長依存性は、フランツ・ケルディッシュ効果による損失の影響が加わることによって、光変調器（ＭＺＭ）の性能に悪影響を与える。具体的には、半波長電圧を２．０Ｖとすると、Ｃ帯波長における短波長側の１５２７ｎｍでは、－５Ｖ程度の逆バイアス電圧で済む。一方、バンド端波長から離れた長波長側の１５６５ｎｍでは、より高い－１０Ｖ程度のバイアス電圧を印加しなければ、同じ半波長電圧２．０Ｖで変調動作を得ることができない。この時に図１に示した、ｎ-ｉ-ｐ-ｎ構造において、電子障壁層１３に隣接する拡散ストップ層１８には、大きな電界が掛かる。
　再び図１の（ｂ）を参照すれば、波長によって逆バイアス電圧が変わることは、バンド図における、２つのｎ型クラッド層１２、１７間の高さ差が変わることに対応する。また変調効率が一定となる動作を実現するためには、ＭＱＷ層に実質的に半波長電圧が印可される必要がある。図１の（ｂ）のように、第１のｎ型クラッド層１２とＭＱＷ層１５の間のノンドープ層では、バンドの傾斜が急峻になっており、バッファ層１４および拡散ストップ層１８に、より強い電界が掛かる。長波長側において逆バイアス電圧が増加すれば、拡散ストップ層１８にもさらに強い電界が掛かることになる。
　しかしながら逆バイアス電圧を増大させる代償として、フランツ・ケルディッシュ効果により、図２に示したようにＩｎＧａＡｓＰ吸収スペクトルがより長波長側に広がって、干渉光導波路を伝搬する光に損失が生じる。干渉動作のために利用する光の強度自体が減少してしまい、光変調器の光挿入損失の増大となる。長波長側における変調光の出力レベル変動は、変調光のＳＮ比にも悪影響を与え、光変調器としての性能を劣化させる。このような性能劣化は、ＩｎＧａＡｓＰの拡散ストップ層１８によるフランツ・ケルディッシュ効果の影響が大きい長波長側で著しく、変調光出力の品質に強い波長依存性を生じる。
　ノンドープ層内には、図１の（ａ）に示した拡散ストップ層１８に加えて、Ａｌ元素を含んだＭＱＷ層１５と、電子障壁層１３との間に、ＩｎＰおよびＡｌ系材料（Ｖ族元素としてＡｓのみを含む）との間の切り替えのための中間層も存在し得る。図１の（ａ）の層構成には示していないが、ＭＱＷ層１５と第１のバッファ層１４の間、ＭＱＷ層１５と第２のバッファ層１６の間にも、それぞれ中間層が配置され、例えばＩｎＧａＡｓＰ層などが形成される。これらの中間層は、図１の（ｂ）のバンド図では、中間層１８ａ、１８ｂとして示されている。
　拡散ストップ層１８および上述の材料切り替えのための中間層１８ａ、１８ｂにおける、ＩｎＧａＡｓＰの持つ光吸収の波長依存性は、ＭＺＭからの変調光出力の品質に大きな波長依存性を生じさせていた。
　本開示の光変調素子は、ノンドープ層（ｉ層）内において、ＩｎＧａＡｓＰ層を可能な限り排除した構造を有する。第１のクラッド層に隣接するｐ型電子障壁層とＭＱＷ層との間にある第１のバッファ層は、ＩｎＧａＡｓＰなどの光学吸収を生じる材料を含む組成が排除された構成とした。一方、ＭＱＷ層と第２のクラッド層との間にある第２のバッファ層は、デバイス加工プロセス時のケミカルエッチング選択性の有用性などを考慮して、材料としてＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓＰを含み得る構成とした。すなわち、ｐ型電子障壁層とＭＱＷ層の間にある第１のバッファ層はＶ族元素としてＡｓのみを含む。ＭＱＷ層と第２のクラッド層と間にある第２のバッファ層は、Ｖ族元素としてＰおよびＡｓを含んで良い。ノンドープのバッファ層内でＩｎＧａＡｓＰ層を可能な限り排除した構造を採用することで、フランツ・ケルディッシュ効果により長波長側で生じる光吸収を抑制して、光変調素子の変調光出力の品質における波長依存性を改善する。
　図３は、本開示のｎ-ｉ-ｐ-ｎ型半導体光変調素子の層構造およびバンド図を示した図である。図３の（ａ）は、ＭＺＭにおいて変調動作を行う光導波路の断面の層構造２００を示している。ｎ-ｉ-ｐ-ｎ構造の半導体層の構成に着目して一部を切り出して模式的に示している。図３の（ｂ）は、（ａ）のｎ-ｉ-ｐ-ｎ構造に対応したバンド図を示している。基本的な構成は、図１に示した従来技術の光変調素子と同様であり、相違点のみを詳細に説明する。
　図１の（ａ）従来技術の層構成と比較すれば、本開示の光変調素子の光導波路の層構造２００では、ｐ型電子障壁層１３とＭＱＷ層１５との間には、第１のバッファ層１４のみを備える。図１の（ａ）の拡散ストップ層１８を排除した構成となっており、図３の（ｂ）のバンド図でも、ｐ型電子障壁層１３とＭＱＷ層１５との間の傾斜の急な部分には第１のバッファ層１４のみを含む。
　もう１つの相違点は、ｐ型電子障壁層１３におけるドーパントである。従来技術の光変調素子では、電子障壁層のｐ型ドーパントとしてＺｎを用いていたが、図３の（ａ）のｐ型電子障壁層１３では、ｐ型ドーパントとしてカーボン（Ｃ）を採用している。これによって、第１のバッファ層１４へのＺｎ拡散を抑制するＩｎＧａＡｓＰ層などの拡散防止層が不要となる。図１の（ｂ）の従来技術のバンド図においても説明したように、ｐ型電子障壁層１３とＭＱＷ層１５との間のバンドの傾きは急峻であり、強い電界が掛かることで、フランツ・ケルディッシュ効果により長波長側で光吸収を生じていた。図３の（ａ）の層構成では、光吸収を生じるＩｎＧａＡｓＰ層が存在しておらず、フランツ・ケルディッシュ効果による光吸収も変調光出力の品質の波長依存性も生じない。
　図３の（ａ）の層構成では、ｐ型電子障壁層１３とＭＱＷ層１５との間には単一の第１のバッファ層１４のみを備えるものといて示しているが、ｐ型電子障壁層１３とＭＱＷ層１５の間に、組成の異なる複数の層を含む構成とすることもできる。ｐ型電子障壁層とＭＱＷ層の間にあるバッファ層のＶ族元素としてＡｓのみを含むものである限り、光変調器の性能や製造工程上の理由によって、異なる組成を有する複数の層を含む構成とするとこも可能である。
　ヘテロ界面付近のキャリアトラップを回避するため、ＭＱＷ層１５からｐ型電子障壁層１３まで単一の組成で構成することが望ましい。例えば、バンドギャップが大きく、光学吸収が起こりにくいＩｎＡｌＡｓで構成することができる。さらに、ＩｎＡｌＡｓよりもバンドギャップが小さくなるものの、ＩｎＧａＡｌＡｓとすることもできる。
　本発明の半導体光変調素子における干渉光導波路の各々は、後述するように半絶縁性のＩｎＰ半導体結晶基板の（１００）面と等価な基板面上の構成された層構造２００を有する。基板から上層に向かって第１のｎ型クラッド層１２、ｐ型電子障壁層１３、第１のバッファ層１４、コアを構成するＭＱＷ層１５、第２のバッファ層１６、および、第２のｎ型クラッド層１７が、この順に配置されており、前記第１のバッファ層はＶ族元素としてＡｓのみを含むものとして実施できる。
　図４は、実施例１の半導体光変調素子の上面構成を示した図である。光変調素子３００は、半絶縁性ＩｎＰ（１００）基板上に図３の（ａ）に示した層構成を持つ干渉光導波路を備えている。入力光導波路２１－１と、入力光導波路２１－１から分岐された２本の干渉光導波路２１ａ、２１ｂと、出力光導波路２１－２が構成されている。ここで詳細を説明しないが、干渉光導波路２１ａ、２１ｂの上方には、高周波の電気信号を印可する容量装荷型の進行波電極が形成されている。さらに、層構成によって形成されるＰＮ接合にバイアス電圧を印可するＤＣバイアス電極２２も形成されている。光変調素子３００は、ＭＺ型光変調器として動作する。干渉光導波路２１ａ、２１ｂに対して電気信号を印可してコア層に二次の光学効果を引き起こすことにより、コア層の屈折率が変調される。光変調素子３００で干渉光導波路２１ａ、２１ｂを含む領域は、屈折率変調領域とも呼ばれる。
　図５は、実施例１の半導体光変調素子の屈折率変調領域の断面構造を示す図である。図５の断面図は、図４のＶ－Ｖ線で切った、２本の干渉光導波路２１ａ、２１ｂの光伝搬方向に垂直な断面を示している。半絶縁性のＩｎＰ基板２０の上に、図３の（ａ）に示したｎ-ｉ-ｐ-ｎ型の層構成を持つ干渉光導波路２１ａ、２１ｂが形成されている。
　図６は、実施例１の半導体光変調素子の入力光導波路の断面構造を示す図である。図６の断面図は、図４のＶＩ－ＶＩ線で切った、入力光導波路２１－１の光伝搬方向に垂直な断面を示している。ＩｎＰ基板２０の上に、図３の（ａ）に示したｎ-ｉ-ｐ-ｎ型の層構成を一部変更した構造を持つ入力光導波路２１－１が形成されている。すなわち、図３の（ａ）のｎ-ｉ-ｐ-ｎ型の層構成の内で、第２のｎ型クラッド層１７は、光学損失低減の観点から半絶縁性ＩｎＰまたはノンドープＩｎＰによって置き換えられている。また、第１のｎ型クラッド層１２に接しているｎ型コンタクト層２３に、ＤＣバイアス電極２２が形成されている。出力光導波路２１－２の断面構成も、図６の入力光導波路２１－１と全く同様である。図５および図６は模式図であって、厚さ方向を著しく拡大して表しており、各層の厚さの関係も正確に描かれていないことに留意されたい。
　以下では、実施例１の光変調素子３００のより具体的な構成と、作製手順の概要を説明する。図５を再び参照すれば、光変調素子３００は、ＩｎＰ基板２０の上に形成されたｎ型コンタクト層２３の上に、図３の（ａ）のｎ-ｉ-ｐ-ｎ型の層構成を備えている。ＩｎＰ基板２０から上層に向かって第１のｎ型クラッド層１２、ｐ型電子障壁層１３、第１のバッファ層１４、コアを構成するＭＱＷ層１５、第２のバッファ層１６、および、第２のｎ型クラッド層１７が、この順に配置されている。
　一例を挙げれば、ｎ型コンタクト層２３はキャリア濃度が５×１０18／ｃｍ3のＩｎＧａＡｓとし、第１のｎ型クラッド層１２および第２のｎ型クラッド層１７はキャリア濃度が１×１０18／ｃｍ3のＩｎＰとした。また、ｐ型電子障壁層１３のキャリア濃度は光吸収係数および電気抵抗率を考慮して、５×１０17～１×１０18／ｃｍ3とし、ＩｎＡｌＡｓを採用した。ＩｎＡｌＡｓは、バンドギャップがＩｎＰよりも大きく、カーボンドーパントでｐ型を示し、電子キャリアブロック効果を高めることができる。
　上述の各層は、順次、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）によって、半絶縁性ＩｎＰ（１００）基板上に結晶成長させ、堆積した。コア層であるＭＱＷ層１５のバンドギャップ波長は、動作光波長で高効率に電気光学効果を有効に作用させ、かつ光吸収が問題にならない範囲で決定する。例えば１．５５μｍ帯の場合では、ＭＱＷ層１５の発光波長を１．４μｍ程度に設定した。高効率変調の観点で、ＭＱＷ層１５は、望ましくはＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓのＭＱＷ構造で形成される。例えばＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓのような多重構造としても良い。
　ｎ型コンタクト層２３、２４およびクラッド層の組成は上記のものに限定されず、例えばＩｎＧａＡｓＰ組成を用いたとしても問題ない。また、下層側のｐ型電子障壁層１３による光学吸収の影響を最小限に抑えるため、ＭＱＷ層に閉じ込められた光学モードとのオーバーラップを考慮して、第１のｎ型クラッド層１２の厚さを１２０ｎｍ以上とした。
　上述のｎ-ｉ-ｐ-ｎ型の半導体層を成膜した後で、素子間の電気分離のために、変調に寄与しない領域の上部の第２のｎ型クラッド層１７をドライエッチングおよびウェットエッチングで除去する。入力光導波路２１－１、出力光導波路２１－２においては、光学損失低減の観点から第２のｎ型クラッド層１７が除去された箇所を、半絶縁性ＩｎＰまたはノンドープＩｎＰ１９によって埋め戻した。
　半導体の層構造が作製された後で、［０１１］面方向と等価な方向に形成されたＳｉＯ2からなるＭＺ干渉計光導波路パターンを形成し、ドライエッチングおよびウェットエッチング加工を用いて図５に示したリッジ形状光導波路を形成した。続いて下層側の第１のｎ型クラッド層１２にバイアス電圧電極を形成するために、ドライ・ウェットエッチングをさらに実施して、図６に示したようにｎ型コンタクト層２３の一部を露出させる。
　その後、絶縁膜としてベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）２５を塗布して光導波路の凹凸を平坦化し、コンタクト領域のＢＣＢを除去した後、図４に示したような容量装荷型の進行波電極パターンを金メッキ法により形成した。絶縁膜としては、ＢＣＢ以外にも絶縁性の低屈折率材料であるポリイミド等を用いても良い。
　作製した半導体光変調素子を光変調器として駆動させるため、ｐｎ接合に逆方向電界が印加されるようにＤＣバイアス電極２２に所定のバイアスを印加し、高周波信号を信号電極（コプレーナ・ストリップ線路）に給電した。その結果、単相信号を給電して、光変調器を駆動させることができた。低消費電力化の観点から差動信号を給電して光変調器を駆動させても問題はなかった。
　以上詳細に述べたように、本発明によってｎ-ｉ-ｐ-ｎ型光変調素子の変調出力性能における波長依存性を低減させることができる。
　本発明は、一般的に光通信に利用することができる。

Claims (6)

  1. 　入力光導波路と、
    　前記入力光導波路から分岐され、電気信号によりコアの屈折率が変調される２本の干渉光導波路と、
    　前記２本の干渉光導波路からの合波された変調光のための出力光導波路と
    を備えたマッハツェンダ型の半導体光変調素子であって、
    　前記干渉光導波路の各々は、半絶縁性のＩｎＰ半導体結晶基板の（１００）面と等価な基板面上に、前記ＩｎＰ半導体結晶基板から上層に向かって
    　第１のｎ型クラッド層、
    　ｐ型電子障壁層、
    　第１のバッファ層、
    　前記コアを構成する多重量子井戸層、
    　第２のバッファ層、および、
    　第２のｎ型クラッド層が、この順に配置されており、
    　前記第１のバッファ層はＶ族元素としてＡｓのみを含む
    　半導体光変調素子。
  2. 　前記第２のバッファ層はＶ族元素としてＰおよびＡｓを含む請求項１に記載の半導体光変調素子。
  3. 　前記ｐ型電子障壁層のドーパントは炭素である請求項１または２に記載の半導体光変調素子。
  4. 　前記ｐ型電子障壁層および前記多重量子井戸層の間の構成材料は、単一の組成で構成され、前記組成は前記多重量子井戸層のｐ型電子障壁層と同一組成である請求項１または２に記載の半導体光変調素子。
  5. 　前記多重量子井戸層はＡｌ元素を含み、前記第１のバッファ層、前記多重量子井戸層および前記第２のバッファ層はノンドープ層である請求項１または２に記載の半導体光変調素子。
  6. 　前記２本の干渉光導波路は、それぞれリッジ構造を有する請求項１または２に記載の半導体光変調素子。
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