JP3612638B2 - 半導体光素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光素子及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般的な半導体導波路型光素子の一例として、図2に示す導波路型光検出器が知られている(K.Kato他、”High−efficiency waveguide InGaAs pin photodiode with bandwidth of over 40 GHz”, IEEE Photonics Technology Letters、3巻、473頁、1991年)。
【0003】
この導波路型光検出器は、同図に示すように、信号光を吸収するInP系材料からなるコア層(図2の場合はInGaAs)203の上下に信号光を吸収しないInP系材料からなる上部及び下部クラッド層(図2の場合はInP)202,204を基板201に積層して形成されている。
ここで、上部クラッド層204はp型、下部クラッド層202はn型とされており、またコア層203はノンドープであり実際には低濃度のn型となっている。
【0004】
更に、下部クラッド層202は図中に示すように、上部クラッド層204、コア層203よりも面積が広く、基板201上に図中左側へ張り出しており、その上にp型オーミック電極205が形成される一方、上部クラッド層204上にn型オーミック電極206が形成されている。
この半導体導波路型光検出器においては、導電層である上部クラッド層204と下部クラッド層202との間に逆バイアス電圧を印加して、ノンドープのコア層203内に空乏層を形成し、この空乏層にかかる高電界を利用して、半導体導波路型光検出器内をコア層203に沿って伝搬する信号光を光電変換するものである。
【0005】
ところで、従来のこの半導体導波路型光検出器の静電容量は光導波路の面積に比例するため、応答速度は光導波路の面積に反比例することになる。一方、半導体導波路型光検出器の光電変換効率を高くするためには光導波路の長さを十分に長くする必要があるため、高速度応答性と高効率性とを同時に満足することは不可能であった。
【0006】
そこで、静電容量の存在による速度制限のない進行波型導波路型光検出器が考案されている(K.S.Giboney他、 ”Traveling−wave photodetectors with 172−GHz bandwidth and 76−GHz bandwidth−efficiency product”, IEEE Photonics Technology Letters、7巻、412頁、1995年)。
【0007】
即ち、図3に示すように、信号光を吸収するコア層(図3の場合はGaAs)303の上下に信号光を吸収しない上部及び下部クラッド層(図3の場合はAlGaAs)302,304を基板301に積層して導波路型光検出器を形成し、更に、下部クラッド層302を上部クラッド層304及びコア層303より図中左右両側に張り出させて、それらの上にn型オーミック電極306を形成する一方、上部クラッド層304上にp型オーミック電極305を形成したものである。
【0008】
これにより、光検出器の静電容量とコプレーナ線路のインダクタンスとが50Ωの特性インピーダンスを有するように設計したコプレーナ線路型電極とすることができた。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
さて、進行波型導波路型光検出器内を伝搬する光信号の電磁界分布は半導体内に閉じ込まれているため、その実効的管内波長は半導体内における管内波長と等しい。
一方、コプレーナ線路を伝搬する電気信号の電磁界分布は上半分が空中に漏れ出ているため、その実効的管内波長は半導体内における管内波長と空中における波長との平均の値となる。
【0010】
電磁波の速度は実効的管内波長に反比例するため、従来のこの進行波型導波路型光検出器においては、光導波路内の光の速度と、コプレーナ線路を導波する電気信号の速度との速度不整合により、光検出器が高速に応答しないという問題があった。
【0011】
これは、光信号とコプレーナ線路を伝搬する電気信号は共に電磁波であるが、周波数が格段に相違するため、光導波路を形成する材料によっては、屈折率が光信号と電気信号では大きく異なることがあるが、半導体ではそれぞれの屈折率は等しいからである。
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、高効率で且つ高速応答可能な半導体進行波型光検出器を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明は、コプレーナ線路を具した進行波型導波路型光検出器の上方に半導体層を配置することを最も主要な特徴とする。また、コプレーナ線路に代えてスロント線路を具する進行波型導波路型光検出器においても同様な構成とすることができる。本発明は、コプレーナ線路又はスロント線路を伝搬する電気信号の電磁界の大部分が半導体内に分布しているという点で従来の技術とは異なる。
【0013】
〔作用〕
コプレーナ線路を具した進行波型導波路型光検出器の上方に半導体層を配置するという手段を採用したため、コプレーナ線路を伝搬する電気信号の電磁界の大部分を半導体内に閉じ込め、その結果、光信号の実効的管内波長と同じく、電気信号の実効的管内波長が半導体における管内波長と等しくなる。
【0014】
したがって光導波路内の光の速度と、コプレーナ線路を導波する電気信号の速度とがほぼ等しくなって速度不整合に起因する応答速度低下が解消され、その結果、高速応答可能な半導体進行波型導波路型光検出器が実現可能となる。
また、コプレーナ線路に代えてスロント線路を具する進行波型導波路光検出器においても、同様な作用効果を奏するものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
〔実施例1〕
本発明の第1の実施例に係る半導体進行波型導波路型光検出器の断面構造図を図1(a)に示す。
本実施例は、半導体光導波路に並行に配置したコプレーナ線路を電極として有する半導体導波路型光素子において、コプレーナ線路の上部に半導体層を配置して電気信号の速度と半導体光導波路内の光信号の速度とを一致させうる構造に特徴を有する高速応答可能な半導体導波路型光素子である。
同図において、101は半絶縁性InP基板、102は厚さ0.5μmのn型InP下部クラッド層、103は厚さ0.2μmのノンドープInGaAs層、104は厚さ0.5μmのp型InP上部クラッド層、105は幅4μmのp型オーミック電極、106はn型オーミック電極、107は別の半絶縁性InP基板である。
【0016】
同図に示すように、本実施例では、高い抵抗を有する半絶縁性InP基板101上に、n型InP下部クラッド層102、InGaAs層103及び上部クラッド層104よりなる三つのメサを形成し、その上にウェハ状の半絶縁性InP基板107を被せたものである。また、三つのメサ上に三つの電極105,106を形成した。
【0017】
ここで、基板101上の三つのメサのうち中央のメサが光導波路であり、左右のメサが基板107を固定するための台座であり、これらメサ上にpおよびn電極を形成した後、電極105,106に接するようにして半絶縁性InP基板107を配置する。半絶縁性InP基板107の固定は、加熱融着等によって行える。
基板107は、必ずしも基板101と同種類のものでなくても良く、基板101の屈折率と等しいか又はそれに近い屈折率を有するものが用いられる。
【0018】
中央のメサは幅5μmで導波路としてみれば、p型InP層104が上部クラッド層、ノンドープInGaAs層103がコア層、n型InP層102が下部クラッド層であり、また光検出器としてみればノンドープInGaAs層103を光電変換層とするpinフォトダイオードの構成となっている。
また、図中に示すように、中央のメサ上の電極が信号線となる中心電極105であり、左右のメサ上の電極106が接地電極の構成をとるコプレーナ線路となっており、その特性インピーダンスが50Ωとなるように中心電極105とアース電極106との間隔を5μmとしている。
【0019】
本実施例に係る半導体進行波型導波路型光検出器においては、光導波路内で光信号は徐々に吸収されコプレーナ線路を導波する電磁波(電気信号)に変換される。
ここでコプレーナ線路の上下に半導体層である半絶縁性基板101及び107が存在しているため、電磁界分布はそのほとんどが誘電率の大きな半導体中に存在することになり、したがって電磁界の実効的管内波長は半導体内における管内波長とほぼ等しくなる。
【0020】
この結果、電気信号速度が光信号速度とほぼ等しくなり、速度不整合に起因する応答速度低下が解消され、150GHzの高速光信号を電気信号に変換することができた。
本実施例においては、コプレーナ線路上にウェハ状の半導体基板107を配置した例を示したが、図1(b)に示すように、半導体の蒸着や半導体粒子の塗布または低温結晶成長等の方法によりコプレーナ線路上に半導体層である半絶縁性InP層108を形成しても同様の効果が得られる。
【0021】
また本実施例においては、半導体材料としてInP基板と格子整合する材料を用いた例を示したが、これらの一部または全部をInPと格子整合しない材料としても同様の効果が期待できる。
また、信号光波長が1.55μmの場合についての例を示したが、材料を適当に選ぶことにより波長1.55μm以外の信号光に対して本実施例と同様の効果がある半導体進行波型導波路型光検出器が実現できる。さらに本構造を半導体レーザあるいは半導体光変調器などの他の光素子に適用することも可能である。
【0022】
更に、本実施例では、一例としてオーミック電極105,106を挙げたが、これに限るものではなく、広くマイクロ波電極を用いることができる。その一例を図4に示す。
【0023】
〔実施例2〕
本発明の第2の実施例に係る半導体進行波型導波路型光検出器の断面構造図を図4に示す。
本実施例は、スロント線路と呼ばれる片側だけの接地電極の構成を採るものであり、その他の構成は前述したした実施例と同様である。
即ち、半絶縁性InP基板401上にn型InP下部クラッド層402、ノンドープInGaAs層403及びp型InP上部クラッド層404よりなる二つのメサを形成し、その上にウェハ状の半絶縁性InP基板407を被せたものである。二つのメサ上には、p型オーミック電極405、n型オーミック電極406を形成した。
【0024】
ここで、基板401上の図中左側のメサが光導波路であり、信号線となる電極405が形成されると共に、基板401上の図中右側のメサが別の基板407を固定するための台座であり、接地電極として電極406が形成されたスロント線路を構成している。
本実施例では、コプレーナに代えてスロント線路が採用されるため、前述した実施例に比べて、接地電極が片側だけでよく、製造コスト及び工程の削減となると共に小型軽量化が達成できる利点がある。
【0025】
【発明の効果】
以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、コプレーナ線路を具した進行波型導波路型光検出器の上方に半導体層を配置することによって、光導波路内の光の速度と、コプレーナ線路を導波する電気信号の速度とがほぼ等しくなり、高速応答可能な半導体進行波型導波路型光検出器を実現できるという利点がある。更に、コプレーナ線路に代えて、スロント線路とすると、製造コスト及び工程の削減となると共に小型軽量化が達成できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例に係る半導体進行波型導波路型光検出器を示す断面図である。
【図2】従来の半導体導波路型光検出器の模式図である。
【図3】従来の半導体進行波型導波路型光検出器の模式図である。
【図4】本発明の第2の実施例に係る半導体進行波型導波路型光検出器を示す断面図である。
【符号の説明】
101,401 半絶縁性InP基板
102,402 n型InP下部クラッド層
103,403 ノンドープInGaAs層
104,404 p型InP上部クラッド層
105,405 p型オーミック電極
106,406 n型オーミック電極
107,407 半絶縁性InP基板
108,408 絶縁性InP層
201 半絶縁性InP基板
202 n型InP下部クラッド層
203 ノンドープInGaAs層
204 p型InP上部クラッド層
205 p型オーミック電極
206 n型オーミック電極
301 半絶縁性GaAs基板
302 n型AlGaAs下部クラッド層
303 ノンドープGaAs層
304 p型用GaAs上部クラッド層
305 p型オーミック電極
306 n型オーミック電極
Claims (8)
- 高い抵抗を有する半導体基板上に形成された半導体光導波路と、前記半導体導波路上に信号線が形成されると共に前記半導体基板上に前記半導体光導波路に並行に配置した接地導体が形成されたマイクロ波電極とを有する半導体光素子において、少なくとも前記信号線の上から前記接地導体の上に至る領域に、前記半導体基板の屈折率に等しいか又はこれに近い屈折率を有する半導体を配置したことを特徴とする半導体光素子。
- 高い抵抗を有する半導体基板上に、下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層からなる三つのメサを並行に配置し、中央のメサは半導体光導波路であってその上に信号線となる電極が形成されるとともに左右のメサの上に接地電極の構成をとるコプレーナ線路がそれぞれ形成された半導体光素子において、少なくとも前記信号線の上から前記コプレーナ線路の上に至る領域に、前記半導体基板の屈折率に等しいか又はこれに近い屈折率を有する半導体を配置したことを特徴とする半導体光素子。
- 高い抵抗を有する半導体基板上に、下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層からなる二つのメサを並行に配置し、一方のメサは半導体光導波路であってその上に信号線となる電極が形成されるとともに他方のメサの上に接地電極の構成をとるスロント線路が形成された半導体光素子において、少なくとも前記信号線の上から前記スロント線路の上に至る領域に、前記半導体基板の屈折率に等しいか又はこれに近い屈折率を有する半導体を配置したことを特徴とする半導体光素子。
- 請求項1から3の何れかに記載の半導体光素子において、前記半導体はウェハ状半導体を加熱融着によって配置された半導体であることを特徴とする半導体光素子。
- 請求項1から3の何れかに記載の半導体光素子において、前記半導体は粒子状半導体を塗布によって配置された半導体であることを特徴とする半導体光素子。
- 請求項1から3の何れかに記載の半導体光素子において、前記半導体は蒸着によって配置された半導体であることを特徴とする半導体光素子。
- 請求項1から3の何れかに記載の半導体光素子において、前記半導体は低温結晶成長によって配置された半導体であることを特徴とする半導体光素子。
- 前記半導体光導波路が導波路型の半導体受光器であることを特徴とする請求項1から7の何れかに記載の半導体光素子。
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