JP2004109594A - Waveguide type semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに適用される導波路型半導体素子に関し、特に、導波路層への不純物拡散が低減されるような導波路型半導体素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
電界吸収(Electro−absorption:EA)光変調器は、真性(Intrinsic)半導体である光吸収層をp型半導体とn型半導体とで挟んで構成されるPIN接合を備えた導波路型半導体素子である。EA光変調器では、PIN接合に印可する電圧を変調することによって、出力光を変調することができる。このEA光変調器の性能をあらわす主要パラーメータとして、消光比および光電流量がある。消光比は、EA光変調器が出力する光の強度変化の大きさを示し、光電流量は、光吸収層での光吸収により発生する光電流の量を示す。EA光変調器の性能は、消光比が大きいほど良く、また、光電流量が小さいほど良い。
【0003】
上記消光比および光電流量に影響を与えるパラメータとして、光吸収層内に拡散する不純物濃度がある。これらの不純物は、EA光変調器の製造過程において、主に、光吸収層を挟むp型半導体層およびn型半導体層から拡散される。光吸収層内に拡散した不純物は、光吸収層内にイオン化されて残留し、これによって、電圧印加時に光吸収層内の電界強度分布が不均一になる。この電界強度のばらつきは、光吸収層における吸収スペクトルの裾引を大きくし、消光比の低下、吸収損失の増大および光電流の増加といった問題を引き起こす。従って、特性の良好なEA光変調器を得るためには、光吸収層を挟むp型半導体層およびn型半導体層からの不純物拡散を抑えることが重要である。
【0004】
例えば、p型半導体層から光吸収層への不純物拡散を抑えるために、従来のEA光変調器には、光吸収層とp型クラッド層との間に、そのp型クラッド層よりも不純物濃度の低い不純物拡散防止層を備えるものがある(例えば、特許文献1参照。)。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−21851号公報(4頁、図1参照)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特許文献1などに開示されるEA光変調器では、不純物拡散防止層の不純物濃度の範囲を特に考慮していない。しかし、不純物拡散防止層の不純物濃度をあまり低くすると、EA光変調器の直列抵抗が高くなり、周波数特性が悪くなるという問題がある。
【0007】
また、特許文献1などに開示されるEA光変調器では、不純物拡散防止層と光吸収層との間に不純物濃度の高いp型InGaAsPクラッド層が存在するので、光吸収層への不純物拡散防止には限界があり、不純物拡散防止層の不純物濃度を低くしても、光吸収層への不純物拡散はある程度認めざるを得ないという問題がある。
【0008】
本発明の目的は、導波層内に拡散する不純物濃度が低く、かつ、その直列抵抗が低い導波路型半導体素子を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る導波路型半導体素子は、p型クラッド層、導波層およびn型クラッド層を備える。この導波路型半導体素子は、前記のp型クラッド層と前記の導波層との間および前記のn型クラッド層と前記の導波層との間の少なくとも一方に、前記の導波層に接する不純物層が設けられる。前記の不純物層は、前記のp型クラッド層と前記の導波層との間に設けられる場合は、その不純物濃度が、前記のp型クラッド層の不純物濃度の10分の1以上かつ3分の1以下であり、前記のn型クラッド層と前記の導波層との間に設けられる場合は、その不純物濃度が、前記のn型クラッド層の不純物濃度の10分の1以上かつ3分の1以下である。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態1.
図1は、本実施の形態による導波路型半導体素子の断面図である。この半導体素子は、埋め込み型構造をしており、その中央部にストライプ状の導波層を備える。この半導体素子は、EA変調器として用いられる。図1において、EA変調器2は、n型InP(インジウムリン)基板4を備える。n型InP基板4上には、ストライプ状の導波層(光吸収層)6および第1のp型InPクラッド層8が順に積層される。光吸収層6は、InGaAsP(インジウムガリウムヒ素リン)多重量子井戸(MQW)光吸収層である。これら光吸収層6および第1のp型InPクラッド層8は、n型InP基板4上、かつ、それらの両側に設けられた半絶縁性半導体層10によって埋め込まれる。ここで、半絶縁性半導体層10は、例えば、Fe(鉄)をドープしたInP等の半絶縁層12,14とS(硫黄)をドープしたn型InPホールストラップ層16とから成る。また、第1のp型InPクラッド層8および半絶縁性半導体層10の上には、第2のp型InPクラッド層18が積層され、そのp型InPクラッド層18の上には、p型InGaAs(インジウムガリウムヒ素)コンタクト層20が積層される。p型InGaAsコンタクト層20およびn型InP基板4の表面には、それぞれ、電極22および電極24が設けられる。
【0011】
通常、1.3μmから1.6μmの波長帯で用いられる光通信用光変調器は、有機金属気相成長法を用いて、InP基板上にIn、Ga,As、Pをベースとした結晶を成長することによって製造される。有機金属気相成長法を用いる場合、p型半導体用不純物として、一般的に、Zn(亜鉛)が用いられる。Znは、所期の不純物濃度を容易に得られるという長所がある。本実施の形態によるEA光変調器においても、p型半導体用不純物(アクセプタ)としてZnを用いる。なお、Znは、比較的拡散しやすいという短所があるが、本実施の形態による光変調器においては、光吸収層へのZn拡散を十分に低減できる。
【0012】
本実施の形態による導波路型半導体素子2においては、光吸収層6と第2のp型クラッド層18との間に、第1のp型InPクラッド層8を設ける。この第1のp型InPクラッド層8は、第2のp型InPクラッド層18と比較して、Zn濃度が低く、そのZn濃度は、第2のp型InPクラッド層18の1/10以上1/3以下である。この第1のp型InPクラッド層8は、p型半導体層から光吸収層6へのZn拡散を防止する役割を果たす。以下に、図2を用いて、本実施の形態によるEA光変調器2の構造を、第1のp型InPクラッド層8を有しない光変調器の構造と比較して説明する。図2は、n型基板、光吸収層、p型クラッド層およびp型コンタクト層を備える積層構造を示す。ここで、図2の(a)の積層構造は、ちょうど図1に示される光変調器2の中央部分を抜き出した構造を示す。図2の(a)においては、特に第1のp型InPクラッド層8(図1)を明確にするために、図1に示される電極22,24や半絶縁性半導体層10は省略される。また、図2の(b)は、第1のp型InPクラッド層8を有しない光変調器における図2の(a)と同様の構造を示す。図2の(a)および図2の(b)に示される積層構造は、ともに、n型InP基板4を備える。
【0013】
図2の(b)を参照すると、比較用の第1のp型InPクラッド層8を有しない光変調器においては、n型InP基板4上に、最初にInGaAsP MQW光吸収層6とp型(Znドープされた)InPクラッド層18の一部を成長し(第1のエピタキシャル成長:1st epi.)、次に、電流ブロック層10(図示されない)を成長し(第2のエピタキシャル成長:2nd epi.)、最後に、p型InPクラッド層18の残りと、p型(Znドープされた)InGaAsコンタクト層20とを成長する(第3のエピタキシャル成長:3rd epi.)。これに対し、本実施の形態による導波路型半導体素子2においては、図2の(a)に示されるように、n型InP基板4上に,最初にInGaAsP MQW光吸収層6、低濃度p型(Znドープされた)クラッド層8およびp型(Znドープされた)InPクラッド層18の一部を成長し(1st epi.)、次に、電流ブロック層10(図示されない)を成長し(2nd epi.)、最後に、p型InPクラッド層18の残りと、p型(Znドープされた)InGaAsコンタクト層20とを成長する(3rd epi.)。
【0014】
本実施の形態による積層構造においては、InGaAsP MQW光吸収層6とp型InPクラッド層18との間に、p型InPクラッド層18よりも低いZn濃度を有する低濃度p型InPクラッド層8を設けることにより、p型InPクラッド層18からInGaAsP MQW光吸収層6に拡散されるZn濃度を低減する。これは、数値シミュレーションによる解析結果に基づくものである。数値シミュレーションの結果によれば、光吸収層中のZn濃度は、その直上に積層されたp型半導体層中のZn濃度に大きく依存する。これにより、光吸収層のZn濃度を低減するためには、光吸収層に接する直上のp型半導体層のZn濃度を低くする必要がある。本実施の形態によるEA光変調器2においては、光吸収層の直上に、p型InPクラッド層18よりもZn濃度が低い低濃度p型InPクラッド層8を積層するので、光吸収層の直上にp型InPクラッド層18が積層された従来の積層構造と比較して、光吸収層に拡散するZn濃度が小さくなる。ここで、従来の積層構造よりも光吸収層に拡散するZn濃度を低くするために、p型InPクラッド層8のZn濃度は、p型InPクラッド層18のZn濃度より低ければよいが、好ましくは、p型InPクラッド層18のZn濃度の1/3以下である。一方、光吸収層の直上のp型半導体層のZn濃度をあまり低くしすぎると、半導体素子の直列抵抗が増大するという不具合が生じる。そこで、本実施の形態によるEA光変調器2においては、光吸収層の直上に積層される低濃度p型InPクラッド層8のZn濃度を、p型InPクラッド層18のZn濃度の1/10以上1/3以下に設定する。
【0015】
本実施の形態によるEA光変調器において、光吸収層に拡散される不純物の濃度を低減することにより、光吸収層における吸収スペクトルの裾引きがなくなり、EA光変調器の性能が改善される。図3は、低濃度p型クラッド層を有しないEA光変調器と本実施の形態によるEA光変調器の光吸収層における吸収スペクトルの違いを図式的に示す。図3の(a)および図3の(b)は、それぞれ、本実施の形態によるEA光変調器および低濃度p型クラッド層を有しないEA光変調器の光吸収層における吸収スペクトルを示す。EA光変調器の入射光波長(動作波長)をλaとすると、バイアス電圧(変調電圧)が零のとき(実線)と、バイアス電圧(Vbi=−2V)をかけたとき(点線)の吸収係数の差は、本実施の形態によるEA光変調器(図3の(a))のほうが、低濃度p型クラッド層を有しないEA光変調器(図3の(b))よりも大きくなる。これにより、本実施の形態によるEA光変調器を用いれば、EA変調器の出力光強度の最大値(Imax)と最小値(Imin)とから求められる消光比(10log(Imax/Imin))を大きくすることができる。
【0016】
なお、本実施の形態による光変調器においては、p型半導体用不純物(アクセプタ)としてZnを用いたが、Be(ベリリウム)またはMg(マグネシウム)を用いてもよい。また、n型半導体用不純物(ドナー)としては、Si(シリコン)、S(硫黄)またはSn(スズ)等が使用できる。
【0017】
以下に、一例として、図2におけるp型InPクラッド層18および低濃度p型InPクラッド層8のZn濃度を、それぞれ、1×1018(cm−3)および1×1017(cm−3)とした場合の検討結果を示す。
図4は、本実施の形態によるEA光変調器と低濃度p型クラッド層を有しないEA光変調器のデバイスの、製造過程におけるZn濃度分布の推移を計算した結果を示す。図4のグラフにおいて、横軸は、EA光変調器における光吸収層および光吸収層上のp型半導体層付近の深さ方向の位置を示し、縦軸は、その深さ方向のある位置におけるZn濃度を示す。横軸における深さ方向の値は、p型半導体層から光吸収層へ向かうにつれて大きくなる。図4の(a)は、本実施の形態によるEA光変調器についての計算結果、図4の(b)は、低濃度p型クラッド層を有しないEA光変調器についての計算結果である。図4の(b)を参照すると、低濃度p型クラッド層を有しないEA光変調器においては、第1のエピタキシャル成長後(実線:1st epi.)、すでに、1×1017(cm−3)以上のZnが光吸収層内に拡散しており、p型クラッド層18の底部から光吸収層6に多量のZnが拡散している。さらに、結晶成長工程が進むにつれて(破線:2nd epi.)、Zn拡散は吸収層6の深部にまでおよび、第3のエピタキシャル成長後(一点鎖線:3nd epi.)には、光吸収層6の深部まで、2×1017(cm−3)以上のZnが拡散している。一方、図4の(a)を参照すると、本実施の形態によるEA光変調器においては、光吸収層6のZn濃度は、光吸収層6全体において、低濃度p型クラッド層を有しないEA光変調器における同じ領域のZn濃度よりも低い。本実施の形態によるEA光変調器においては、第3のエピタキシャル成長後に、低濃度p型クラッド層を有しないEA光変調器であれば2×1017(cm−3)のZnが拡散していた深部で、4×1016(cm−3)程度の拡散しか認められない。本実施の形態によるEA変調器において、低濃度p型InP層8から光吸収層6内へのZnの拡散は、低濃度p型クラッド層を有しないEA光変調器と比較して低く抑えられていることがわかる。
【0018】
図5は、本実施の形態によるEA光変調器および低濃度p型クラッド層を有しないEA光変調器のそれぞれについて消光比特性を測定した結果を示す。図5のグラフにおいて、横軸は、EA光変調器に印可するバイアス電圧を示し、縦軸は、消光比を示す。図5によれば、低濃度p型クラッド層を有しないEA光変調器(細線)においては、0V/−3Vの消光比が20db程度であるのに対し、本実施の形態によるEA光変調器(太線)においては、0V/−3Vの消光比が24db程度である。これにより、本実施の形態によるEA光変調器を用いれば、消光比が20%程度改善することがわかる。
【0019】
図6は、本実施の形態によるEA光変調器および低濃度p型クラッド層を有しないEA光変調器のそれぞれについて消光比特性と光電流特性とを測定した結果を示す。図6におけるグラフの横軸は、消光比を示し、縦軸は、光電流量を示す。図6によれば、低濃度p型クラッド層を有しないEA光変調器においては、光電流量が約12mAから16mAである(白丸)のに対し、本実施の形態によるEA光変調器においては、光電流量が約6mAから8mAである(黒丸)。本実施の形態によるEA光変調器においては、低濃度p型クラッド層を有しないEA光変調器と比較して、光電流量が半減している。これは、本実施の形態によるEA光変調器においては、光吸収層6へ拡散するZnが低濃度p型クラッド層を有しないEA光変調器と比較して少なく、吸収スペクトルの裾引きによる光電流が減少していることを意味する。
【0020】
以上により、本実施の形態によるEA光変調器においては、光吸収層と不純物濃度の高いp型クラッド層との間に、そのp型クラッド層よりも低い不純物濃度を有する低濃度p型クラッド層を設けることにより、光吸収層へ拡散される不純物の濃度を低減することができる。結果として、特性の優れたEA光変調器を得ることができる。また、低濃度p型クラッド層の不純物濃度について、高濃度p型クラッド層の不純物濃度の1/10以上という制限を設けているので、EA光変調器の直列抵抗を小さく抑えて、良好な周波数特性を得ることができる。
【0021】
なお、本実施の形態によるEA光変調器においては、n型基板の上に光吸収層を積層したが、半絶縁性基板の上にn型クラッド層を積層した後、そのn型クラッド層の上に光吸収層を積層してもよい。
【0022】
なお、本実施の形態による光変調器においては、光吸収層と高濃度p型クラッド層との間に光吸収層に接する低濃度p型クラッド層を設けることにより、高濃度p型クラッド層から光吸収層へ拡散される不純物の濃度を低減したが、光吸収層とn型基板(または、n型クラッド層)との間に、光吸収層に接して、n型基板(または、高濃度n型クラッド層)よりも低い不純物濃度(n型基板または高濃度n型クラッド層の不純物濃度の1/10以上1/3以下)を有する低濃度n型クラッド層を設けることにより、n型基板(または、高濃度n型クラッド層)から光吸収層へ拡散される不純物の濃度を低減することもできる。また、本実施の形態による光変調器において、上記の低濃度p型クラッド層と低濃度n型クラッド層を両方設けてもよい。
【0023】
実施の形態2.
図7は、実施の形態1によるEA光変調器と半導体レーザ(LD)とを集積した半導体装置(以下、EA/LD装置という。)の構造を示す。図7の(a)は斜視図であり、図7の(b)は、図7の(a)において破線Aによって囲まれる部分の部分拡大断面図である。図7の(a)を参照すると、EA/LD装置50は、光変調部52と半導体レーザ部54とから成る。光変調部52および半導体レーザ部54は、ともに、共通するn型InP基板4を有する。n型InP基板4上には、光変調部52において、ストライプ状の光吸収層6が設けられ、半導体レーザ部54において、ストライプ状のレーザ活性層60が設けられる。光吸収層6とレーザ活性層60は突き合わせて結合される。EA/LD装置50の表面には、電極62,64が設けられる。EA/LD装置50においては、図7の(b)に示されるように、光変調部52において、光吸収層6とp型InPクラッド層18との間に低濃度p型InPクラッド層8を設ける構造が採用されている。光吸収層6およびレーザ活性層60は、それぞれ、その両側から半絶縁性半導体層10によって埋め込まれている。このEA/LD装置50の所定の電極間に電圧を印可すると、半導体レーザ部54においてレーザ発振が起こる。半導体レーザ部54から出力されたレーザ光は、そのまま、光変調部52の光吸収層6に入力される。光変調部52においては、レーザ発振時とは別の電極間に電圧が印可されて光変調が行われ、光変調部52において変調された光は、EA/LD装置2の端面から出力される(矢印B)。
【0024】
本実施の形態によるEA/LD装置においては、光変調部に光変調特性の優れた構造を採用しているので、EA/LD装置自体の性能も向上させることができる。
【0025】
【発明の効果】
本発明による導波路型半導体素子によれば、p型クラッド層、導波層およびn型クラッド層を備え、p型クラッド層と導波層との間およびn型クラッド層と導波層との間の少なくとも一方に、導波層に接する不純物層が設けられ、その不純物層は、p型クラッド層と導波層との間に設けられる場合は、その不純物濃度が、p型クラッド層の不純物濃度の10分の1以上かつ3分の1以下であり、n型クラッド層と導波層との間に設けられる場合は、その不純物濃度が、n型クラッド層の不純物濃度の10分の1以上かつ3分の1以下であるので、導波層内に拡散する不純物濃度が低く、かつ、その直列抵抗が低い導波路型半導体素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態によるEA変調器の断面図。
【図2】本実施の形態によるEA光変調器の一部の構造と、低濃度p型クラッド層を有しない光変調器の同様の構造とを比較する図。
【図3】本実施の形態によるEA光変調器と低濃度p型クラッド層を有しないEA光変調器の光吸収層における吸収スペクトルを示す図。
【図4】本実施の形態によるEA光変調器と低濃度p型クラッド層を有しないEA光変調器のデバイスの製造過程におけるZn濃度分布の推移を示す図。
【図5】本実施の形態によるEA光変調器および低濃度p型クラッド層を有しないEA光変調器の消光比特性を示す図。
【図6】本実施の形態によるEA光変調器と低濃度p型クラッド層を有しないEA光変調器の消光比特性および光電流特性を示す図。
【図7】本実施の形態によるEA光変調器と半導体レーザとを集積した半導体装置の構造を示す図。
【符号の説明】
2 光変調器、 4 n型InP基板、 6 InGaAsP MQW光吸収層、 8 低濃度p型InPクラッド層、 10 半絶縁性半導体層、 18 p型InPクラッド層、 20 p型InGaAsコンタクト層、 22,24
電極。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a waveguide-type semiconductor device applied to an optical communication system, and more particularly, to a waveguide-type semiconductor device in which impurity diffusion into a waveguide layer is reduced.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art An electro-absorption (EA) optical modulator is a waveguide-type semiconductor device having a PIN junction formed by sandwiching a light absorption layer, which is an intrinsic semiconductor, between a p-type semiconductor and an n-type semiconductor. is there. In the EA optical modulator, output light can be modulated by modulating a voltage applied to a PIN junction. The main parameters representing the performance of the EA optical modulator include the extinction ratio and the photoelectric flow. The extinction ratio indicates the magnitude of the intensity change of the light output from the EA optical modulator, and the photoelectric flow rate indicates the amount of photocurrent generated by light absorption in the light absorbing layer. The higher the extinction ratio, the better the performance of the EA optical modulator, and the better the photoelectric flow.
[0003]
As a parameter affecting the extinction ratio and the photoelectric flow rate, there is an impurity concentration diffused in the light absorption layer. These impurities are mainly diffused from the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer sandwiching the light absorption layer in the manufacturing process of the EA optical modulator. The impurities diffused in the light absorbing layer are ionized and remain in the light absorbing layer, and thereby, the electric field intensity distribution in the light absorbing layer becomes uneven when a voltage is applied. This variation in the electric field intensity increases the tail of the absorption spectrum in the light absorption layer, causing problems such as a decrease in the extinction ratio, an increase in the absorption loss, and an increase in the photocurrent. Therefore, in order to obtain an EA optical modulator having good characteristics, it is important to suppress impurity diffusion from the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer sandwiching the light absorption layer.
[0004]
For example, in order to suppress the diffusion of impurities from the p-type semiconductor layer to the light absorption layer, the conventional EA optical modulator has a higher impurity concentration between the light absorption layer and the p-type cladding layer than the p-type cladding layer. (See, for example, Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-21851 A (
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the EA optical modulator disclosed in Patent Document 1 described above, the range of the impurity concentration of the impurity diffusion preventing layer is not particularly considered. However, if the impurity concentration of the impurity diffusion preventing layer is too low, there is a problem that the series resistance of the EA optical modulator increases and the frequency characteristics deteriorate.
[0007]
Further, in the EA optical modulator disclosed in Patent Document 1, etc., since a p-type InGaAsP clad layer having a high impurity concentration exists between the impurity diffusion preventing layer and the light absorbing layer, the impurity diffusion to the light absorbing layer is prevented. However, there is a problem that even if the impurity concentration of the impurity diffusion preventing layer is reduced, impurity diffusion into the light absorbing layer must be recognized to some extent.
[0008]
An object of the present invention is to provide a waveguide-type semiconductor device having a low impurity concentration that diffuses into a waveguide layer and a low series resistance.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
A waveguide semiconductor device according to the present invention includes a p-type cladding layer, a waveguide layer, and an n-type cladding layer. The waveguide-type semiconductor element may include the waveguide layer at least one of between the p-type cladding layer and the waveguide layer and between the n-type cladding layer and the waveguide layer. An impurity layer in contact is provided. When the impurity layer is provided between the p-type cladding layer and the waveguide layer, the impurity concentration is equal to or more than one-tenth and three-minutes of the impurity concentration of the p-type cladding layer. When provided between the n-type cladding layer and the waveguide layer, the impurity concentration is not less than one-tenth and three-minutes of the impurity concentration of the n-type cladding layer. 1 or less.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a sectional view of a waveguide type semiconductor device according to the present embodiment. This semiconductor element has a buried type structure, and has a stripe-shaped waveguide layer at the center thereof. This semiconductor device is used as an EA modulator. In FIG. 1, the EA modulator 2 includes an n-type InP (indium phosphide)
[0011]
Usually, an optical modulator for optical communication used in a wavelength band of 1.3 μm to 1.6 μm uses a metal-organic vapor phase epitaxy method to form a crystal based on In, Ga, As, and P on an InP substrate. Manufactured by growing. When the metal organic chemical vapor deposition method is used, Zn (zinc) is generally used as an impurity for a p-type semiconductor. Zn has the advantage that the desired impurity concentration can be easily obtained. Also in the EA optical modulator according to the present embodiment, Zn is used as an impurity (acceptor) for a p-type semiconductor. Note that Zn has a disadvantage that it is relatively easily diffused, but in the optical modulator according to the present embodiment, Zn diffusion to the light absorption layer can be sufficiently reduced.
[0012]
In the waveguide type semiconductor device 2 according to the present embodiment, the first p-type
[0013]
Referring to FIG. 2B, in the optical modulator without the first p-type
[0014]
In the laminated structure according to the present embodiment, a low-concentration p-type
[0015]
In the EA light modulator according to the present embodiment, by reducing the concentration of the impurity diffused into the light absorption layer, the tail of the absorption spectrum in the light absorption layer is eliminated, and the performance of the EA light modulator is improved. FIG. 3 schematically shows the difference in absorption spectrum between the EA light modulator having no low-concentration p-type cladding layer and the light absorption layer of the EA light modulator according to the present embodiment. FIGS. 3A and 3B show absorption spectra in the light absorption layer of the EA light modulator according to the present embodiment and the EA light modulator without the low-concentration p-type cladding layer, respectively. When the incident light wavelength of the EA optical modulator (operating wavelength) and lambda a, when the bias voltage (modulation voltage) when the zeros (solid line), was applied bias voltage (V bi = -2 V) of (dotted line) The difference between the absorption coefficients is larger in the EA optical modulator according to the present embodiment (FIG. 3A) than in the EA optical modulator without the low-concentration p-type cladding layer (FIG. 3B). Become. Thus, if the EA optical modulator according to the present embodiment is used, the extinction ratio (10 log (I max / I max ) obtained from the maximum (I max ) and the minimum (I min ) of the output light intensity of the EA modulator is used. min )) can be increased.
[0016]
In the optical modulator according to the present embodiment, Zn is used as the impurity (acceptor) for the p-type semiconductor, but Be (beryllium) or Mg (magnesium) may be used. Further, as the impurity (donor) for the n-type semiconductor, Si (silicon), S (sulfur), Sn (tin), or the like can be used.
[0017]
Hereinafter, as an example, the Zn concentrations of the p-type
FIG. 4 shows the result of calculating the transition of the Zn concentration distribution in the manufacturing process of the EA optical modulator according to the present embodiment and the EA optical modulator device having no low-concentration p-type cladding layer. In the graph of FIG. 4, the horizontal axis indicates the position in the depth direction near the light absorption layer and the p-type semiconductor layer on the light absorption layer in the EA optical modulator, and the vertical axis indicates the position at a certain position in the depth direction. Shows the Zn concentration. The value in the depth direction on the horizontal axis increases from the p-type semiconductor layer toward the light absorption layer. FIG. 4A shows the calculation result of the EA optical modulator according to the present embodiment, and FIG. 4B shows the calculation result of the EA optical modulator having no low-concentration p-type cladding layer. Referring to FIG. 4B, in the EA optical modulator having no low-concentration p-type cladding layer, after the first epitaxial growth (solid line: 1st epi.), It is already 1 × 10 17 (cm −3 ). The above Zn diffuses into the light absorbing layer, and a large amount of Zn diffuses into the
[0018]
FIG. 5 shows the results of measuring the extinction ratio characteristics of each of the EA optical modulator according to the present embodiment and the EA optical modulator having no low-concentration p-type cladding layer. In the graph of FIG. 5, the horizontal axis represents the bias voltage applied to the EA optical modulator, and the vertical axis represents the extinction ratio. According to FIG. 5, in the EA optical modulator (thin line) having no low-concentration p-type cladding layer, the extinction ratio of 0 V / −3 V is about 20 dB, whereas the EA optical modulator according to the present embodiment is used. In the (bold line), the extinction ratio of 0 V / −3 V is about 24 db. Thus, it is understood that the extinction ratio is improved by about 20% when the EA optical modulator according to the present embodiment is used.
[0019]
FIG. 6 shows the results of measuring the extinction ratio characteristics and the photocurrent characteristics of each of the EA optical modulator according to the present embodiment and the EA optical modulator having no low-concentration p-type cladding layer. The horizontal axis of the graph in FIG. 6 indicates the extinction ratio, and the vertical axis indicates the photoelectric flow rate. According to FIG. 6, in the EA optical modulator having no low-concentration p-type cladding layer, the photoelectric flow is about 12 mA to 16 mA (open circle), whereas in the EA optical modulator according to the present embodiment, The photoelectric flow rate is about 6 mA to 8 mA (filled circles). In the EA optical modulator according to the present embodiment, the photoelectric flow is reduced by half as compared with the EA optical modulator having no low-concentration p-type cladding layer. This is because, in the EA optical modulator according to the present embodiment, the amount of Zn diffused into the
[0020]
As described above, in the EA optical modulator according to the present embodiment, between the light absorption layer and the p-type clad layer having a high impurity concentration, the low-concentration p-type clad layer having a lower impurity concentration than the p-type clad layer is provided. Is provided, the concentration of impurities diffused into the light absorption layer can be reduced. As a result, an EA optical modulator having excellent characteristics can be obtained. In addition, since the impurity concentration of the low-concentration p-type cladding layer is limited to 1/10 or more of the impurity concentration of the high-concentration p-type cladding layer, the series resistance of the EA optical modulator can be suppressed to a small value and a good frequency can be obtained. Properties can be obtained.
[0021]
In the EA optical modulator according to the present embodiment, the light absorption layer is laminated on the n-type substrate. After the n-type cladding layer is laminated on the semi-insulating substrate, A light absorption layer may be stacked thereon.
[0022]
In the optical modulator according to the present embodiment, by providing a low-concentration p-type cladding layer in contact with the light-absorbing layer between the light-absorbing layer and the high-concentration p-type cladding layer, Although the concentration of the impurity diffused into the light absorption layer is reduced, the n-type substrate (or high-concentration) is provided between the light absorption layer and the n-type substrate (or n-type cladding layer) in contact with the light absorption layer. By providing a low-concentration n-type cladding layer having an impurity concentration lower than that of the n-type cladding layer (1/10 to の of the impurity concentration of the n-type substrate or the high-concentration n-type cladding layer), It is also possible to reduce the concentration of impurities diffused from the light absorption layer (or from the high concentration n-type cladding layer). Further, in the optical modulator according to the present embodiment, both the low-concentration p-type cladding layer and the low-concentration n-type cladding layer may be provided.
[0023]
Embodiment 2 FIG.
FIG. 7 shows a structure of a semiconductor device (hereinafter, referred to as an EA / LD device) in which an EA optical modulator and a semiconductor laser (LD) according to the first embodiment are integrated. 7A is a perspective view, and FIG. 7B is a partially enlarged cross-sectional view of a portion surrounded by a broken line A in FIG. Referring to FIG. 7A, the EA /
[0024]
In the EA / LD device according to the present embodiment, the structure of the light modulation section having excellent light modulation characteristics is employed, so that the performance of the EA / LD device itself can be improved.
[0025]
【The invention's effect】
According to the waveguide type semiconductor device of the present invention, the semiconductor device includes a p-type cladding layer, a waveguide layer, and an n-type cladding layer, and is provided between the p-type cladding layer and the waveguide layer and between the n-type cladding layer and the waveguide layer. An impurity layer in contact with the waveguide layer is provided on at least one of the layers, and when the impurity layer is provided between the p-type cladding layer and the waveguide layer, the impurity concentration of the impurity layer is The concentration is one-tenth or more and one-third or less of the concentration, and when provided between the n-type cladding layer and the waveguide layer, the impurity concentration is one-tenth of the impurity concentration of the n-type cladding layer. Since it is not less than one-third and less than one-third, it is possible to realize a waveguide-type semiconductor element having a low impurity concentration diffused into the waveguide layer and a low series resistance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of an EA modulator according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram comparing a partial structure of the EA optical modulator according to the present embodiment with a similar structure of an optical modulator having no low-concentration p-type cladding layer.
FIG. 3 is a diagram showing an absorption spectrum in the light absorption layer of the EA light modulator according to the present embodiment and the EA light modulator having no low-concentration p-type cladding layer.
FIG. 4 is a diagram showing a transition of a Zn concentration distribution in a process of manufacturing a device of the EA optical modulator according to the present embodiment and an EA optical modulator having no low-concentration p-type cladding layer.
FIG. 5 is a diagram showing the extinction ratio characteristics of the EA optical modulator according to the present embodiment and the EA optical modulator having no low-concentration p-type cladding layer.
FIG. 6 is a diagram showing extinction ratio characteristics and photocurrent characteristics of the EA optical modulator according to the present embodiment and an EA optical modulator having no low-concentration p-type cladding layer.
FIG. 7 is a diagram showing a structure of a semiconductor device in which an EA optical modulator and a semiconductor laser according to the present embodiment are integrated.
[Explanation of symbols]
2 optical modulator, 4 n-type InP substrate, 6 InGaAsP MQW light absorption layer, 8 low-concentration p-type InP cladding layer, 10 semi-insulating semiconductor layer, 18 p-type InP cladding layer, 20 p-type InGaAs contact layer, 22, 24
electrode.
Claims (1)
前記p型クラッド層と前記導波層との間および前記n型クラッド層と前記導波層との間の少なくとも一方に、前記導波層に接する不純物層が設けられ、
前記不純物層は、
前記p型クラッド層と前記導波層との間に設けられる場合は、その不純物濃度が、前記p型クラッド層の不純物濃度の10分の1以上かつ3分の1以下であり、
前記n型クラッド層と前記導波層との間に設けられる場合は、その不純物濃度が、前記n型クラッド層の不純物濃度の10分の1以上かつ3分の1以下であることを特徴とする半導体素子。In a waveguide type semiconductor device comprising a p-type cladding layer, a waveguide layer and an n-type cladding layer,
An impurity layer in contact with the waveguide layer is provided between at least one of the p-type cladding layer and the waveguide layer and between the n-type cladding layer and the waveguide layer,
The impurity layer,
When provided between the p-type cladding layer and the waveguide layer, the impurity concentration thereof is 1/10 or more and 1/3 or less of the impurity concentration of the p-type cladding layer;
When provided between the n-type cladding layer and the waveguide layer, the impurity concentration thereof is one-tenth or more and one-third or less of the impurity concentration of the n-type cladding layer. Semiconductor device.
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