JP3913161B2 - 光導波路型半導体デバイス - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射した光を吸収する機能を有した半導体デバイスに係わり、特に、光入射端面から入射した光を光導波路に伝搬させて、この伝搬過程でこの光を吸収させる光導波路型半導体デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光入射端面から入射した光を光導波路に伝搬させて、この伝搬過程でこの光を吸収させる一般的な光導波路型半導体デバイスの一例としてのハイメサ型半導体光変調器の構成を図７の斜視図を用いて説明する。
【０００３】
n+-InP基板１上に、n-InP下部クラッド層２が形成され、このn-InP下部クラッド層２上にi-MQWコア層３、p-InP上部クラッド層４、p+-InGaAsコンタクト層５が形成されている。このp+-InGaAsコンタクト層５の上面にｐ電極６が取付けられ、n+-InP基板１の下面にｎ電極７が取付けられている。さらに、側面にポリイミド８が形成されている。ｐ電極６はこのポリイミド８の上面とp+-InGaAsコンタクト層５の上面とを共通に覆うが、ｐ電極６のうち電気信号を入出力するためのボンディングワイヤ９が接続されている部分をボンディングパッド部１０と称する。
【０００４】
ここで、i-MQWコア層３について説明する。i-MQWコア層３とは、バンドギャップエネルギーが異なるi-InGaAsPバリアを複数組み合わせて構成した多重量子井戸（InGaAsP-InGaAsP Multiple Quantum Well：InGaAsP-InGaAsP MQW）コア層を示す。なお、この多重量子井戸層はノンドープ層なので、i-MQWコア層と記載する。
【０００５】
このような構成のハイメサ型半導体光変調器においては、ボンディングパッド部１０とn+-InP基板１との間の電気的キャパシタンスを減らすために、ボンディングパッド部１０の下には比誘電率が小さなポリイミド８を使用している。
【０００６】
また、p-InP上部クラッド層４、i-MQW層コア３及びn-InP下部クラッド層２は光を導波する光導波路を構成している。ここで、i-MQWコア層３は、その屈折率がp-InP上部クラッド層４とn-InP下部クラッド層２よりも高く、光を導波する中心的な役割を有している。なお、光導波路を構成しているリッジ部の幅と長さは各々２μm及び２００μm程度である。
【０００７】
次に、このハイメサ型半導体光変調器の動作を説明する。
ｐ電極６とｎ電極７との間に電界が印加されていない（無バイアス）時と、逆バイアスの電界を印加した時との光の吸収係数を測定した結果を図８に示す。図中横軸は光の波長である。さらに、このハイメサ型半導体光変調器を動作させる波長を動作波長として示した。
【０００８】
図８から理解できるように、電界が印加されていない場合には、ハイメサ型半導体光変調器を動作させる動作波長においては光の吸収係数は充分小さく、ハイメサ型半導体光変調器において光が入射する端面（以下、光入射端面と略す）に入射した光は、反対側の光が出射する端面（以下、光出射端面と略す）から出射される。
【０００９】
一方、ｐ電極６とｎ電極７との間に逆バイアスの電界を印加すると、光の吸収スペクトラムは長波長側に移動するため、ハイメサ型半導体光変調器の動作波長では光の吸収係数が大きくなり、光が吸収される。こうして、ｐ電極６とn電極７との間の逆バイアス電圧をオン（ＯＮ）あるいはオフ（ＯＦＦ）することにより、出射される光もOFFあるいはONされ、ｐ電極６とｎ電極７との間に印加された電気信号を光信号へと変換することができる。
【００１０】
このハイメサ型半導体光変調器において、入射した光を吸収する機能を有するi-MQWコア層３はその両側を比誘電率εrが小さな空気（εr＝１）で囲まれており、かつボンディングパッド部１０を下方から支持する部材として、比誘電率εrが小さなポリイミド８（εr＝１〜４）を使用しているので、その電気的キャパシタンスCは小さい。したがって、電気的キャパシタンスCと負荷抵抗Ｒから制限される、いわゆるＣＲ時定数制限による光変調器としての変調周波数限界（＝１／πＲＣ）は、i-MQWコア層３の両側面側（左右）を全て半導体で埋込んだ埋込み構造のものより高く、このハイメサ型半導体光変調器は高速光変調に適していると言える。
【００１１】
図９（ａ）は逆バイアス印加時における光吸収に伴い生じる電流に起因して発生して、放熱されずに残留する熱の光変調器の長手方向における分布を示す。さらに、図９（ｂ）は逆バイアス印加時における光吸収に伴い生じる電流に起因して発生して、放熱されずに残留する熱の光変調器の光入射端面近傍におけるi-MQWコア層３の中心からの幅方向における分布を示す。
【００１２】
まず長手方向について考察する。長手方向、つまり光の伝搬方向において、光は、i-MQW層コア層３、p-InP上部クラッド層4、及びn-InP下部クラッド層２からなる光導波路を伝播する期間にその光強度Ｐが
Ｐ＝Ｐ0・exp（―αｚ） …(1)
のように、指数関数の式に従ってi-MQWコア層３により吸収される。ここで、Ｐ0は光入射端面における入射光の光強度、αはi-MQWコア層３の吸収係数、ｚは光入射端面からの距離である。指数関数は変数に対して急速に減衰する関数であるから、入射した光は光入射端面から短い距離の間にほとんど吸収され、電流ＩP（これを光電流と呼ぶ）に変換される。したがって、この光電流ＩPに起因して発生するジュール熱における放熱されずに残留する熱の長手方法の分布も図９（ａ）に示すように指数関数の式に従って変化する。
【００１３】
次に、幅方向（基板表面に水平方向でかつ光の伝搬方向に直交する方向）について考察する。断面構造がハイメサ構造であるのでi-MQWコア層３を含むリッジ部の両側面は空気に接している。空気の熱伝導率は半導体に比べて数桁小さいため、発生した熱はi-MQWコア層３を含むリッジ部の外部へはほとんど伝わらない。
【００１４】
したがって、長手方向には光入射端面からの短い距離内に、ハイメサのリッジ部に熱が溜まることになる。特に、高いパワーの光が入射すると印加電圧Ｖと発生する光電流ＩPの積で表されるジュール熱ＰJ（＝Ｖ・ＩP）の一部はｎ-InP下部クラッド層2を通してｎ+-InP基板１に逃がされるが、ジュール熱ＰJ（＝Ｖ・ＩP）の大半はｎ+-InP基板１に充分には伝えることができず、ハイメサのリッジ部に溜まる。そのため、リッジ部がこの高いジュール熱ＰJのために壊れてしまう。実験的にはこのハイメサ型半導体光変調器へ入射可能な光の最大光強度は１０mW程度が限界であった。
【００１５】
このような不都合を解消するために、図１０に示す構造を有したｐｎ埋込型半導体光変調器が実用化されている。図７に示すハイメサ型半導体光変調器と同一部分には同一符号が付してある。
【００１６】
このｐｎ埋込型半導体光変調器においては、図示するように、入射した光を吸収するi-MQWコア層３及びｎ-InP下部クラッド層２の幅方向の両側をｐ-InP埋込み層１１、及びｎ-InP埋込み層１２で埋込み、i-MQWコア層３及びｎ-InP埋込み層１２の各上面をｐ-InPオーバークラッド層１３により埋込んでいる。なお、ｐ-InPオーバークラッド層１３上にｐ+-InGaAsコンタクト層１４が形成されている。そして、このｐ+-InGaAsコンタクト層１４の上側にｐ電極６が形成されている。
【００１７】
このような構成のｐｎ埋込型半導体光変調器の特徴を説明する。
図７に示したハイメサ型半導体光変調器においては、入射した光がi-MQWコア層3により吸収され、光電流ＩPが生成された結果発生したジュール熱は、リッジ部の幅方向の両側が熱伝導率が極めて低い空気であるため、逃げることができずにリッジ部に溜まり、結果的に素子破壊に至った。
【００１８】
これに対して、図１０に示すｐｎ型半導体光変調器においては、入射した光がi-MQWコア層３で吸収された結果発生したジュール熱を、ｎ-InP下部クラッド層2を経由してｎ+-InP基板1に逃がす他、ｐ-InPオーバークラッド層１３、ｎ-InP埋込み層１２、ｐ-InP埋込み層１１を通じてｎ+-InP基板１に逃がしている。
【００１９】
この図１０に示す構造は通常の半導体レーザの製造において広く使用されており、広く普及されている。
【００２０】
図１１（ａ）は図１０に示すｐｎ埋込型半導体光変調器において、逆バイアス印加時における光吸収に伴い生じる電流に起因して発生する熱のうち放熱されずに残留する熱の光変調器の長手方向における分布を示す。さらに、図１１（ｂ）は逆バイアス印加時における光吸収に伴い生じる電流に起因して発生する熱のうち放熱されずに残留する熱の光変調器の光入射端面近傍におけるi-MQWコア層３中心（メサ中心）からの幅方向における分布を示す。
【００２１】
一般に半導体は熱伝導率が高いのでi-MQWコア層３の上下左右を囲んでいるｐ-InPオーバークラッド層１３、ｎ-InP埋込み層１２、p-InP埋込み層１１などの半導体を通して、発生したジュール熱は急速にｎ+-InP基板１に伝えられる。その結果、図１１（ｂ）に示すように、図７に示すハイメサ型半導体光変調器に比較して、i-MQWコア層３を中心とした残留する熱の分布のピーク値が低くなっていることが理解できる。このため、図１０に示すｐｎ埋込型半導体光変調器は耐光入力特性の優れた構造と言える。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１０に示すｐｎ埋込型半導体光変調器においてもまだ解消すべき次のような課題があった。
【００２３】
すなわち、ｐ型半導体であるｐ-InPオーバークラッド層１３やｐ-InP埋込み層１１と、ｎ型半導体であるｎ-InP埋込み層１２やｎ+-InP基板１との各界面にそれぞれｐｎ接合面が存在する。そして、この各ｐｎ接合面の面積が広くなり、大きなキャパシタンス（電気的キャパシタンス）が発生する。その結果、ＣＲ時定数制限による光変調器としての変調周波数限界（＝１／πＲＣ）が低く、高速光変調動作が困難であるという問題があった。
【００２４】
なお、ｐ型、ｎ型の半導体の代わりにＦｅドープの半絶縁性InP材料を用いて、i-MQWコア層３の両側を埋込んだ後、この埋込んだ半絶縁性InP材料の一部に穴を開け、その穴に比誘電率が低いポリイミドを充填し、このポリイミドの上面にｐ電極６のボンディングパッド部１０を形成することが考えられる。
【００２５】
しかし、ＦｅドープInPのような半絶縁性InP材料を用いる埋込み装置と埋込み技術など、多額の設備投資と長い開発期間を必要とする。さらにp-InP上部クラッド層4に含まれるZnとＦｅドープの半絶縁性InP材料のＦｅとが相互拡散することにより、ｐｎ接合面積が広がり、大きなキャパシタンス（電気的キャパシタンス）を生じ、やはり高速光変調動作が困難となる。
【００２６】
以上のように、従来のハイメサ型半導体光変調器においては、高いパワーの光が入射すると、逆バイアス電圧印加時にi-MQWコア層３において生じた電流に起因するジュール熱がハイメサのリッジ部に溜まり、リッジ部が熱破壊される。そして、これを回避するためにi-MQWコア層３をｐｎ接合半導体により埋込むとキャパシタンスが大きくなり、高速動作が困難になるという問題があった。
【００２７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、光入射端面から入射して光導波路を伝搬する光がコア層で吸収されることに起因して発生するジュール熱を、半導体としての高速性能を低下させることなく、効率的に半導体基板に逃がすことができ、半導体としての高速性能を維持した状態で、入射する光の最大光強度を上昇でき、出射光の光強度を上昇できる光導波路型半導体デバイスを提供することを目的とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体基板上に、少なくとも光を吸収する機能を有するコア層とクラッド層とからなる光導波路を形成し、コア層が単一幅からなり、光入射端面から入射した光が光導波路を伝搬する過程でコア層に吸収されることにより光電流が生成されるハイメサ型の光導波路型半導体光デバイスに適用される。
【００２９】
そして、上記課題を解消するために、本発明の光導波路型半導体光デバイスにおいては、生成された光電流に起因するジュール熱による熱破壊を避けるために、ジュール熱を半導体基板に逃がすように、コア層の光の伝搬方向に平行する両側面及び半導体基板の上面に接する熱伝導用半導体部をコア層の両側面に設け、熱伝導用半導体部の光の伝搬方向に直交する幅を光入射端面から光の伝搬方向に向かって狭くしていっている。
【００３０】
前述したように、光入射端面から入射した光が光導波路を伝搬する過程でコア層に吸収されることにより光電流が生成されることに起因するジュール熱は、光入射端面近傍が最も大きく、光の伝搬距離が長くなるに伴って小さくなる。
【００３１】
したがって、光が吸収されることにより生じた光電流が大きな領域では、幅の広い熱伝導用半導体部を設けることにより発生した大きなジュール熱を半導体基板に効率的に逃がす。一方、光電流が少なくなる光入射端面から遠い領域では、発生するジュール熱が小さいので、このジュール熱を半導体基板に逃がす熱伝導用半導体部の幅を狭くして、熱伝導用半導体部を設けたことに起因するキャパシタンス（電気的キャパシタンス）の増加を抑制している。
【００３２】
よって、光の伝搬方向に沿って熱伝導用半導体部の面積を必要最小限とすることができるので、キャパシタンスを無為に大きくすることがなく、ジュール熱による素子破壊を避けるとともに高速光変調が可能となる。
【００３３】
さらに、広く生産されている半導体レーザの結晶成長装置とその技術を用いることができるので、新たな設備投資を必要とせず、容易に光導波路型半導体デバイスを生産することが可能となる。
【００３４】
また、別の発明は、上記光導波路型半導体光デバイスにおける熱伝導用半導体部の幅を曲線形状と直線形状と階段形状との少なくとも一つの形状に従って狭くしている。
【００３５】
さらに、別の発明は、上記光導波路型半導体光デバイスにおける熱伝導用半導体部を、ｐ型、ｎ型、ノンドープ型、半絶縁性型の少なくとも一つの型の半導体材料で形成している。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る光導波路型半導体デバイスとしての半導体光変調器の概略構成を示す斜視図であり、図２は同第１実施形態の半導体光変調器の上面図である。図７、図１０に示す従来のハイメサ型半導体光変調器及びｐｎ埋込型半導体光変調器と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明は省略する。
【００３７】
n+-InP基板１上に、n-InP下部クラッド層２が形成され、このn-InP下部クラッド層２上にi-MQWコア層３が形成されている。n-InP下部クラッド層２とi-MQWコア層３との幅方向の各側面とn+-InP基板１の上面との間にｐ-InP埋込み層１１及びｎ-InP埋込み層１２が形成されている。
【００３８】
このｐ-InP埋込み層１１及びｎ-InP埋込み層１２は熱伝導用半導体部１５を構成する。この実施形態においては、n-InP下部クラッド層２とi-MQWコア層３とで、光入射端面から入射した光を伝搬し、伝搬する過程でこの光をi-MQWコア層３で吸収する光導波路を構成する。
【００３９】
i-MQWコア層３及びｎ-InP埋込み層１２の上面にｐ-InPオーバークラッド層１３が形成され、このｐ-InPオーバークラッド層１３上にｐ+-InGaAsコンタクト層１４が形成されている。なお、ｐ-InP埋込み層１１、ｎ-InP埋込み層１２及びｐ-InPオーバークラッド層１３は電流ブロック層の機能をも有する。
【００４０】
そして、ｐ+-InGaAsコンタクト層１４の上側にｐ電極６が取付られている。n+-InP基板１の下面にｎ電極７が取付けられている。さらに、側面にポリイミド８が形成されている。ｐ電極６はこのポリイミド８の上面とｐ+-InGaAsコンタクト層１４の上面とを共通に覆うが、ｐ電極６のうちのボンディングパッド部１０に電気信号を入出力するためのボンディングワイヤ９が接続されている。
【００４１】
図２の上面図にも示すように、熱伝導用半導体部１５、及びｐ-InPオーバークラッド層１３とｐ+-InGaAsコンタクト層１４とｐ電極６とにおけるこの熱伝導用半導体部１５の上方に位置する部分の光の伝搬方向に直交する方向の幅Ｗを、光の伝搬方向に向かって指数関数的に狭くしている。具体的には、光入射端面での幅Ｗ＝Ｂをポリイミド８近傍位置（ｚ＝約３０μｍ）で０（Ｗ＝０）まで低下させている。実施形態においては、光入射端面での幅Ｗ＝Ｂは約１０μｍであり、i-MQWコア層３の固定幅Ａ＝２μｍの約５倍に設定されている。
【００４２】
次に、このように構成された第１実施形態の光導波路型半導体デバイスとしてのハイメサ型半導体光変調器の動作を説明する。
【００４３】
図７に示した従来のハイメサ型半導体光変調器においては、図９（ａ）を用いて説明したように、ハイメサ型半導体光変調器における光入射端面付近では発生して放熱されずに残留する熱が高くなる。しかし、この第1実施形態の半導体光変調器においては、発生したジュール熱をｎ-InP下部クラッド層2を経由してｎ+-InP基板１に逃がす他、p-InP埋込み層１１とｎ-InP埋込み層１２からなる熱伝導用半導体部１５、ｐ-InPオーバークラッド層１３、ｐ+-InGaAsコンタクト層14を介して、発生したジュール熱を効率良くｎ+-InP基板１に逃がしている。
【００４４】
図2に示した上面図からも理解できるように、光入射端面付近では熱伝導用半導体部１５の幅Ｗは広いので発生したジュール熱を効率良くｎ+-InP基板１に伝えることができる。したがって、光入射端面近傍における残留する熱（ジュール熱）のi-MQWコア層３を含むリッジ部の幅方向分布は、耐光入力特性の優れた図１０の従来のｐｎ埋込型半導体光変調器における図１１（ｂ）の幅方向分布とほぼ同等であり、第1の実施形態の光導波路型半導体デバイスも耐光入力特性について優れている。したがって、入射する光の最大光強度を上昇でき、出射光の光強度を上昇できる。
【００４５】
光が光入射端面に入射後、外部から電圧が印加された半導体光変調器内において吸収されて発生するジュール熱の半導体光変調器の長手方向、つまり光の伝搬方向における分布は式(1)に示したように指数関数的に表される。つまり、光入射端面付近においてジュール熱の発生量は大きく、光が伝搬するにつれてジュール熱の発生が指数関数的に急速に少なくなる。
【００４６】
熱伝導用半導体部１５の光変調器の長手方向の各位置における幅Ｗは発生するジュール熱の大きさに従って決定すればよいので、熱伝導用半導体部１５の幅Ｗを指数関数的に狭くすることによって、長手方向の各位置にて発生するジュール熱を効率的にｎ+-InP基板１に逃がすことができる。
【００４７】
したがって、熱伝導用半導体部１５の面積を必要最小限に抑制できるので、熱伝導用半導体部１５の存在に起因するキャパシタンスを最小限にとどめることが可能となる。その結果、ＣＲ時定数制限による光変調器としての変調周波数限界（＝１／πＲＣ）を高くでき、半導体光変調器としての高速光変調動作が可能となる。
このように、半導体としての高速性能を維持した状態で、入射する光の最大光強度を上昇でき、出射光の光強度を上昇できる。
【００４８】
（第２実施形態）
図３は本発明の第２実施形態に係る光導波路型半導体デバイスとしての半導体光変調器の概略構成を示す斜視図であり、図４は同第２実施形態の半導体光変調器の上面図である。図１、図２に示す第１実施形態の半導体光変調器と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明は省略する。
【００４９】
この第２実施形態の半導体光変調器においては、図４に示すように、熱伝導用半導体部１５の幅Ｗを半導体光変調器の光の伝搬方向（長手方向）に向かって直線的に低下させている。
【００５０】
このように構成された第２実施形態の半導体光変調器においても、前述した第１実施形態の半導体光変調器とほぼ同様の作用効果を奏することが可能である。
【００５１】
なお、この第２実施形態においては、熱伝導用半導体部１５の幅Ｗを半導体光変調器の光の伝搬方向（長手方向）に向かって直線的に低下させたが、図１２に示すように階段形状に従って低下させることも可能である。この場合、階段形状の段数は任意に設定できる。
【００５２】
さらに、熱伝導用半導体部１５の幅Ｗを半導体光変調器の光の伝搬方向（長手方向）に向かって、円弧形状に従って低下させたり、放物線的に低下させたり、２乗曲線や３乗曲線などあらゆる曲線に従って低下させたり、直線と曲線の組合せに従って低下させてもよいことは言うまでもない。
【００５３】
（第３実施形態）
図５は本発明の第３実施形態に係る半導体デバイスを示す斜視図であり、図６（ａ）は同第３実施形態の半導体デバイスの上面図であり、図６（ｂ）は同第３実施形態の半導体デバイスの断面図である。図１、図２に示す第１実施形態の半導体光変調器と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明は省略する。
【００５４】
この第３実施形態の半導体デバイスは、第１実施形態の半導体光変調器１６と分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）１７とを集積したものである。
【００５５】
分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）１７は、ｎ+-InP基板１とｎ電極７とをハイメサ型半導体光変調器１６とで共用している。そして、分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）１７においては、例えばInGaAsP等の発光する材料を活性層１８として用いる。なお、フォトルミネッセンス波長（以下、ＰＬ波長と略記する）としては、活性層１８のＰＬ波長を１．５５μｍとすると、i-MQWコア層３のＰＬ波長は１．４７μｍ程度となる。分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）１７におけるｐ+-InGaAsコンタクト層１４の上側に形成されたｐ電極１９にこの分布帰還型半導体レーザ１４に電流を流すためのボンディングワイヤ２０が取付けられている。
【００５６】
分布帰還型半導体レーザ１７において、ｐ電極１９とｎ電極７との間に順方向の電圧を印加すると、活性層１８で光が生起されて、半導体光変調器１６側の端面から出射される。この分布帰還型半導体レーザ１７から出射された光は半導体光変調器１６の光入射端面から入射光として、この半導体光変調器１６へ入射される。
【００５７】
この場合、順方向に電圧が印加される分布帰還型半導体レーザ１７と逆方向に電圧が印加される半導体光変調器１６とを電気的に分離する必要があるので、分布帰還型半導体レーザ１７と半導体光変調器１６との間に電気的分離部２１が形成されている。具体的には、図６（ｂ）の断面図に示すように、ｐ電極６、ｐ電極１９、ｐ+-InGaAsコンタクト層１４、ｐ-InPオーバークラッド層１３の一部をエッチング除去することによって、電気的分離部２１を形成している。
【００５８】
分布帰還型半導体レーザ１７と半導体光変調器１６とにおけるｎ-InP下部クラッド層２相互間、及びi-MQW３と活性層１８との間は、バットジョイント手法で接している。
【００５９】
このような構成の第３実施形態の半導体デバイスにおいても、上述した第１、２の実施形態の半導体光変調器とほぼ同様の作用効果を奏することが可能である。
【００６０】
さらに、この第３実施形態の半導体デバイスにおいては、半導体レーザと光変調器を１つの半導体デバイスに組込んでいるので、この半導体デバイスを用いて任意波形の光信号を簡単に作成できる。
【００６１】
以上説明したように、第１、第２、第３の各実施形態においては、熱伝導用半導体部１５の幅Ｗを光の伝搬方向に向かって狭くしていくことによって、半導体としての高速性能を維持した状態で、入射する光の最大光強度を上昇でき、出射光の光強度を上昇できる。
【００６２】
さらに、各実施形態においては、熱伝導用半導体部１５の幅Ｗを光の伝搬方向に向かって狭くしていくことによって、i-MQWコア層3を含む光導波路を伝搬する光を同光導波路に幅方向に閉じ込める効率が、図１０に示した従来のｐｎ埋込型半導体光変調器に比較して改善されているので、逆バイアス電圧印加時における光の消光特性も優れていると言える。
【００６３】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。
各実施形態において、半導体基板としてｎ+-InP材料を採用したが、半導体基板として、ｐ+-InP基板や半絶縁性1nP基板など、種々の半導体基板を採用可能なことは勿論である。
【００６４】
さらに、光を吸収するコア層の材料としてi-InGaAsP―InGaAsP MQW層を採用したが、i-InGaAs／InGaAsP MQW層、i-InGaAs／InP MQW層、i-InGaAlAs／InAlAs MQW層などその他の多重量子井戸でもよいし、i-InGaAs層やi-InGaAlAs層などのバルク材料でも良い。また、波長は１．５５μｍ帯のみならず、いかなる波長であってもよい。
【００６５】
また、FeドープInPのような半絶縁性InPを用いた埋込み装置と埋込み技術は必要ないとしたが、もちろん用いても良いし、発生したジュール熱を半導体基板に逃がすことができれば、熱伝導用半導体部としてノンドープInPなど、これら以外の材料を用いてもよいことは言うまでもない。
【００６６】
また、各第１、第２、第３の各実施形態の半導体光変調器においては、図２、図４、図６及び図１２に示すように、熱伝導用半導体部１５の幅Ｗをポリイミド８近傍で０まで低下させた。したがって、光が出射する光出射端面近傍においてはi-MQWコア層３の側面が露出している。
【００６７】
なお、熱伝導用半導体部１５の幅Ｗが０でない長さは任意でよく、また、０にしなくてもよい。すなわち、熱伝導用半導体部１５の幅Ｗを、光入射端面から光が出射する反対側の光出射端面に至る光導波路の全区間に亘って低下させることも可能である。この場合、i-MQWコア層３で発生した熱は、このi-MQWコア層３の長手方向の全区間に亘って熱伝導用半導体１５を介してｎ+-InP基板１に逃される。
【００６８】
さらに、本発明の各実施形態においては、光導波路型半導体デバイスとして半導体光変調器を説明した。しかし、本発明の光導波路型半導体デバイスは発熱した熱を分散させる構成及び機能を有するものであるから、本発明の光導波路型半導体デバイスを、光を吸収し電流に変換した結果、熱を発生する半導体受光器のようなその他の半導体デバイスにも適用可能である。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光導波路型半導体デバイスにおいては、コア層における光の伝搬方向に平行する両側面及び半導体基板の上面に接する熱伝導用半導体部を設けるとともに、この熱伝導用半導体部の光の伝搬方向に直交する幅を光の伝搬方向に向かって狭くしていっている。
【００７０】
したがって、光入射端面から入射して光導波路を伝搬する光がコア層で吸収されることに起因して発生するジュール熱を、半導体としての高速性能を低下させることなく、効率的に半導体基板に逃がすことができ、半導体としての高速性能を維持した状態で、入射する光の最大光強度を上昇でき、出射光の光強度を上昇できる。
【００７１】
さらに、広く生産されている半導体レーザの結晶成長装置とその技術を用いることができるので、新たな設備投資を必要とせず、容易に光導波路型半導体デバイスを生産することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光導波路型半導体デバイスとしての半導体光変調器の概略構成を示す斜視図
【図２】同第１実施形態の半導体光変調器の上面図
【図３】本発明の第２実施形態に係る光導波路型半導体デバイスとしての半導体光変調器の概略構成を示す斜視図
【図４】同第２実施形態の半導体光変調器の上面図
【図５】本発明の第３実施形態に係る半導体デバイスを示す斜視図
【図６】同第３実施形態の半導体デバイスの上面及び断面を示す図
【図７】従来のハイメサ型半導体光変調器の概略構成を示す斜視図
【図８】同従来のハイメサ型半導体光変調器における光の吸収特性を示す図
【図９】同従来のハイメサ型半導体光変調器における熱特性を示す図
【図１０】別の従来のｐｎ埋込型半導体光変調器の概略構成を示す斜視図
【図１１】同別の従来のｐｎ埋込型半導体光変調器における熱特性を示す図
【図１２】本発明の第２実施形態の半導体光変調器における変形例の上面図
【符号の説明】
１…ｎ+-InP基板
２…ｎ-InP下部クラッド層
３…i-MQWコア層
４…ｐ-InP上部クラッド層
５、１４…ｐ+-InGaAsコンタクト層
６、１９…ｐ電極
７…ｎ電極
８…ポリイミド
９、２０…ボンディングワイヤ
１０…ボンディングパッド部
１１…ｐ-InP埋込み層
１２…ｎ-InP埋込み層
１３…ｐ-InPオーバークラッド層
１５…熱伝導用半導体部
１６…半導体光変調器
１７…分布帰還型半導体レーザ
１８…活性層
２１…電気的分離溝
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射した光を吸収する機能を有した半導体デバイスに係わり、特に、光入射端面から入射した光を光導波路に伝搬させて、この伝搬過程でこの光を吸収させる光導波路型半導体デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光入射端面から入射した光を光導波路に伝搬させて、この伝搬過程でこの光を吸収させる一般的な光導波路型半導体デバイスの一例としてのハイメサ型半導体光変調器の構成を図７の斜視図を用いて説明する。
【０００３】
n+-InP基板１上に、n-InP下部クラッド層２が形成され、このn-InP下部クラッド層２上にi-MQWコア層３、p-InP上部クラッド層４、p+-InGaAsコンタクト層５が形成されている。このp+-InGaAsコンタクト層５の上面にｐ電極６が取付けられ、n+-InP基板１の下面にｎ電極７が取付けられている。さらに、側面にポリイミド８が形成されている。ｐ電極６はこのポリイミド８の上面とp+-InGaAsコンタクト層５の上面とを共通に覆うが、ｐ電極６のうち電気信号を入出力するためのボンディングワイヤ９が接続されている部分をボンディングパッド部１０と称する。
【０００４】
ここで、i-MQWコア層３について説明する。i-MQWコア層３とは、バンドギャップエネルギーが異なるi-InGaAsPバリアを複数組み合わせて構成した多重量子井戸（InGaAsP-InGaAsP Multiple Quantum Well：InGaAsP-InGaAsP MQW）コア層を示す。なお、この多重量子井戸層はノンドープ層なので、i-MQWコア層と記載する。
【０００５】
このような構成のハイメサ型半導体光変調器においては、ボンディングパッド部１０とn+-InP基板１との間の電気的キャパシタンスを減らすために、ボンディングパッド部１０の下には比誘電率が小さなポリイミド８を使用している。
【０００６】
また、p-InP上部クラッド層４、i-MQW層コア３及びn-InP下部クラッド層２は光を導波する光導波路を構成している。ここで、i-MQWコア層３は、その屈折率がp-InP上部クラッド層４とn-InP下部クラッド層２よりも高く、光を導波する中心的な役割を有している。なお、光導波路を構成しているリッジ部の幅と長さは各々２μm及び２００μm程度である。
【０００７】
次に、このハイメサ型半導体光変調器の動作を説明する。
ｐ電極６とｎ電極７との間に電界が印加されていない（無バイアス）時と、逆バイアスの電界を印加した時との光の吸収係数を測定した結果を図８に示す。図中横軸は光の波長である。さらに、このハイメサ型半導体光変調器を動作させる波長を動作波長として示した。
【０００８】
図８から理解できるように、電界が印加されていない場合には、ハイメサ型半導体光変調器を動作させる動作波長においては光の吸収係数は充分小さく、ハイメサ型半導体光変調器において光が入射する端面（以下、光入射端面と略す）に入射した光は、反対側の光が出射する端面（以下、光出射端面と略す）から出射される。
【０００９】
一方、ｐ電極６とｎ電極７との間に逆バイアスの電界を印加すると、光の吸収スペクトラムは長波長側に移動するため、ハイメサ型半導体光変調器の動作波長では光の吸収係数が大きくなり、光が吸収される。こうして、ｐ電極６とn電極７との間の逆バイアス電圧をオン（ＯＮ）あるいはオフ（ＯＦＦ）することにより、出射される光もOFFあるいはONされ、ｐ電極６とｎ電極７との間に印加された電気信号を光信号へと変換することができる。
【００１０】
このハイメサ型半導体光変調器において、入射した光を吸収する機能を有するi-MQWコア層３はその両側を比誘電率εrが小さな空気（εr＝１）で囲まれており、かつボンディングパッド部１０を下方から支持する部材として、比誘電率εrが小さなポリイミド８（εr＝１〜４）を使用しているので、その電気的キャパシタンスCは小さい。したがって、電気的キャパシタンスCと負荷抵抗Ｒから制限される、いわゆるＣＲ時定数制限による光変調器としての変調周波数限界（＝１／πＲＣ）は、i-MQWコア層３の両側面側（左右）を全て半導体で埋込んだ埋込み構造のものより高く、このハイメサ型半導体光変調器は高速光変調に適していると言える。
【００１１】
図９（ａ）は逆バイアス印加時における光吸収に伴い生じる電流に起因して発生して、放熱されずに残留する熱の光変調器の長手方向における分布を示す。さらに、図９（ｂ）は逆バイアス印加時における光吸収に伴い生じる電流に起因して発生して、放熱されずに残留する熱の光変調器の光入射端面近傍におけるi-MQWコア層３の中心からの幅方向における分布を示す。
【００１２】
まず長手方向について考察する。長手方向、つまり光の伝搬方向において、光は、i-MQW層コア層３、p-InP上部クラッド層4、及びn-InP下部クラッド層２からなる光導波路を伝播する期間にその光強度Ｐが
Ｐ＝Ｐ0・exp（―αｚ） …(1)
のように、指数関数の式に従ってi-MQWコア層３により吸収される。ここで、Ｐ0は光入射端面における入射光の光強度、αはi-MQWコア層３の吸収係数、ｚは光入射端面からの距離である。指数関数は変数に対して急速に減衰する関数であるから、入射した光は光入射端面から短い距離の間にほとんど吸収され、電流ＩP（これを光電流と呼ぶ）に変換される。したがって、この光電流ＩPに起因して発生するジュール熱における放熱されずに残留する熱の長手方法の分布も図９（ａ）に示すように指数関数の式に従って変化する。
【００１３】
次に、幅方向（基板表面に水平方向でかつ光の伝搬方向に直交する方向）について考察する。断面構造がハイメサ構造であるのでi-MQWコア層３を含むリッジ部の両側面は空気に接している。空気の熱伝導率は半導体に比べて数桁小さいため、発生した熱はi-MQWコア層３を含むリッジ部の外部へはほとんど伝わらない。
【００１４】
したがって、長手方向には光入射端面からの短い距離内に、ハイメサのリッジ部に熱が溜まることになる。特に、高いパワーの光が入射すると印加電圧Ｖと発生する光電流ＩPの積で表されるジュール熱ＰJ（＝Ｖ・ＩP）の一部はｎ-InP下部クラッド層2を通してｎ+-InP基板１に逃がされるが、ジュール熱ＰJ（＝Ｖ・ＩP）の大半はｎ+-InP基板１に充分には伝えることができず、ハイメサのリッジ部に溜まる。そのため、リッジ部がこの高いジュール熱ＰJのために壊れてしまう。実験的にはこのハイメサ型半導体光変調器へ入射可能な光の最大光強度は１０mW程度が限界であった。
【００１５】
このような不都合を解消するために、図１０に示す構造を有したｐｎ埋込型半導体光変調器が実用化されている。図７に示すハイメサ型半導体光変調器と同一部分には同一符号が付してある。
【００１６】
このｐｎ埋込型半導体光変調器においては、図示するように、入射した光を吸収するi-MQWコア層３及びｎ-InP下部クラッド層２の幅方向の両側をｐ-InP埋込み層１１、及びｎ-InP埋込み層１２で埋込み、i-MQWコア層３及びｎ-InP埋込み層１２の各上面をｐ-InPオーバークラッド層１３により埋込んでいる。なお、ｐ-InPオーバークラッド層１３上にｐ+-InGaAsコンタクト層１４が形成されている。そして、このｐ+-InGaAsコンタクト層１４の上側にｐ電極６が形成されている。
【００１７】
このような構成のｐｎ埋込型半導体光変調器の特徴を説明する。
図７に示したハイメサ型半導体光変調器においては、入射した光がi-MQWコア層3により吸収され、光電流ＩPが生成された結果発生したジュール熱は、リッジ部の幅方向の両側が熱伝導率が極めて低い空気であるため、逃げることができずにリッジ部に溜まり、結果的に素子破壊に至った。
【００１８】
これに対して、図１０に示すｐｎ型半導体光変調器においては、入射した光がi-MQWコア層３で吸収された結果発生したジュール熱を、ｎ-InP下部クラッド層2を経由してｎ+-InP基板1に逃がす他、ｐ-InPオーバークラッド層１３、ｎ-InP埋込み層１２、ｐ-InP埋込み層１１を通じてｎ+-InP基板１に逃がしている。
【００１９】
この図１０に示す構造は通常の半導体レーザの製造において広く使用されており、広く普及されている。
【００２０】
図１１（ａ）は図１０に示すｐｎ埋込型半導体光変調器において、逆バイアス印加時における光吸収に伴い生じる電流に起因して発生する熱のうち放熱されずに残留する熱の光変調器の長手方向における分布を示す。さらに、図１１（ｂ）は逆バイアス印加時における光吸収に伴い生じる電流に起因して発生する熱のうち放熱されずに残留する熱の光変調器の光入射端面近傍におけるi-MQWコア層３中心（メサ中心）からの幅方向における分布を示す。
【００２１】
一般に半導体は熱伝導率が高いのでi-MQWコア層３の上下左右を囲んでいるｐ-InPオーバークラッド層１３、ｎ-InP埋込み層１２、p-InP埋込み層１１などの半導体を通して、発生したジュール熱は急速にｎ+-InP基板１に伝えられる。その結果、図１１（ｂ）に示すように、図７に示すハイメサ型半導体光変調器に比較して、i-MQWコア層３を中心とした残留する熱の分布のピーク値が低くなっていることが理解できる。このため、図１０に示すｐｎ埋込型半導体光変調器は耐光入力特性の優れた構造と言える。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１０に示すｐｎ埋込型半導体光変調器においてもまだ解消すべき次のような課題があった。
【００２３】
すなわち、ｐ型半導体であるｐ-InPオーバークラッド層１３やｐ-InP埋込み層１１と、ｎ型半導体であるｎ-InP埋込み層１２やｎ+-InP基板１との各界面にそれぞれｐｎ接合面が存在する。そして、この各ｐｎ接合面の面積が広くなり、大きなキャパシタンス（電気的キャパシタンス）が発生する。その結果、ＣＲ時定数制限による光変調器としての変調周波数限界（＝１／πＲＣ）が低く、高速光変調動作が困難であるという問題があった。
【００２４】
なお、ｐ型、ｎ型の半導体の代わりにＦｅドープの半絶縁性InP材料を用いて、i-MQWコア層３の両側を埋込んだ後、この埋込んだ半絶縁性InP材料の一部に穴を開け、その穴に比誘電率が低いポリイミドを充填し、このポリイミドの上面にｐ電極６のボンディングパッド部１０を形成することが考えられる。
【００２５】
しかし、ＦｅドープInPのような半絶縁性InP材料を用いる埋込み装置と埋込み技術など、多額の設備投資と長い開発期間を必要とする。さらにp-InP上部クラッド層4に含まれるZnとＦｅドープの半絶縁性InP材料のＦｅとが相互拡散することにより、ｐｎ接合面積が広がり、大きなキャパシタンス（電気的キャパシタンス）を生じ、やはり高速光変調動作が困難となる。
【００２６】
以上のように、従来のハイメサ型半導体光変調器においては、高いパワーの光が入射すると、逆バイアス電圧印加時にi-MQWコア層３において生じた電流に起因するジュール熱がハイメサのリッジ部に溜まり、リッジ部が熱破壊される。そして、これを回避するためにi-MQWコア層３をｐｎ接合半導体により埋込むとキャパシタンスが大きくなり、高速動作が困難になるという問題があった。
【００２７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、光入射端面から入射して光導波路を伝搬する光がコア層で吸収されることに起因して発生するジュール熱を、半導体としての高速性能を低下させることなく、効率的に半導体基板に逃がすことができ、半導体としての高速性能を維持した状態で、入射する光の最大光強度を上昇でき、出射光の光強度を上昇できる光導波路型半導体デバイスを提供することを目的とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体基板上に、少なくとも光を吸収する機能を有するコア層とクラッド層とからなる光導波路を形成し、コア層が単一幅からなり、光入射端面から入射した光が光導波路を伝搬する過程でコア層に吸収されることにより光電流が生成されるハイメサ型の光導波路型半導体光デバイスに適用される。
【００２９】
そして、上記課題を解消するために、本発明の光導波路型半導体光デバイスにおいては、生成された光電流に起因するジュール熱による熱破壊を避けるために、ジュール熱を半導体基板に逃がすように、コア層の光の伝搬方向に平行する両側面及び半導体基板の上面に接する熱伝導用半導体部をコア層の両側面に設け、熱伝導用半導体部の光の伝搬方向に直交する幅を光入射端面から光の伝搬方向に向かって狭くしていっている。
【００３０】
前述したように、光入射端面から入射した光が光導波路を伝搬する過程でコア層に吸収されることにより光電流が生成されることに起因するジュール熱は、光入射端面近傍が最も大きく、光の伝搬距離が長くなるに伴って小さくなる。
【００３１】
したがって、光が吸収されることにより生じた光電流が大きな領域では、幅の広い熱伝導用半導体部を設けることにより発生した大きなジュール熱を半導体基板に効率的に逃がす。一方、光電流が少なくなる光入射端面から遠い領域では、発生するジュール熱が小さいので、このジュール熱を半導体基板に逃がす熱伝導用半導体部の幅を狭くして、熱伝導用半導体部を設けたことに起因するキャパシタンス（電気的キャパシタンス）の増加を抑制している。
【００３２】
よって、光の伝搬方向に沿って熱伝導用半導体部の面積を必要最小限とすることができるので、キャパシタンスを無為に大きくすることがなく、ジュール熱による素子破壊を避けるとともに高速光変調が可能となる。
【００３３】
さらに、広く生産されている半導体レーザの結晶成長装置とその技術を用いることができるので、新たな設備投資を必要とせず、容易に光導波路型半導体デバイスを生産することが可能となる。
【００３４】
また、別の発明は、上記光導波路型半導体光デバイスにおける熱伝導用半導体部の幅を曲線形状と直線形状と階段形状との少なくとも一つの形状に従って狭くしている。
【００３５】
さらに、別の発明は、上記光導波路型半導体光デバイスにおける熱伝導用半導体部を、ｐ型、ｎ型、ノンドープ型、半絶縁性型の少なくとも一つの型の半導体材料で形成している。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る光導波路型半導体デバイスとしての半導体光変調器の概略構成を示す斜視図であり、図２は同第１実施形態の半導体光変調器の上面図である。図７、図１０に示す従来のハイメサ型半導体光変調器及びｐｎ埋込型半導体光変調器と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明は省略する。
【００３７】
n+-InP基板１上に、n-InP下部クラッド層２が形成され、このn-InP下部クラッド層２上にi-MQWコア層３が形成されている。n-InP下部クラッド層２とi-MQWコア層３との幅方向の各側面とn+-InP基板１の上面との間にｐ-InP埋込み層１１及びｎ-InP埋込み層１２が形成されている。
【００３８】
このｐ-InP埋込み層１１及びｎ-InP埋込み層１２は熱伝導用半導体部１５を構成する。この実施形態においては、n-InP下部クラッド層２とi-MQWコア層３とで、光入射端面から入射した光を伝搬し、伝搬する過程でこの光をi-MQWコア層３で吸収する光導波路を構成する。
【００３９】
i-MQWコア層３及びｎ-InP埋込み層１２の上面にｐ-InPオーバークラッド層１３が形成され、このｐ-InPオーバークラッド層１３上にｐ+-InGaAsコンタクト層１４が形成されている。なお、ｐ-InP埋込み層１１、ｎ-InP埋込み層１２及びｐ-InPオーバークラッド層１３は電流ブロック層の機能をも有する。
【００４０】
そして、ｐ+-InGaAsコンタクト層１４の上側にｐ電極６が取付られている。n+-InP基板１の下面にｎ電極７が取付けられている。さらに、側面にポリイミド８が形成されている。ｐ電極６はこのポリイミド８の上面とｐ+-InGaAsコンタクト層１４の上面とを共通に覆うが、ｐ電極６のうちのボンディングパッド部１０に電気信号を入出力するためのボンディングワイヤ９が接続されている。
【００４１】
図２の上面図にも示すように、熱伝導用半導体部１５、及びｐ-InPオーバークラッド層１３とｐ+-InGaAsコンタクト層１４とｐ電極６とにおけるこの熱伝導用半導体部１５の上方に位置する部分の光の伝搬方向に直交する方向の幅Ｗを、光の伝搬方向に向かって指数関数的に狭くしている。具体的には、光入射端面での幅Ｗ＝Ｂをポリイミド８近傍位置（ｚ＝約３０μｍ）で０（Ｗ＝０）まで低下させている。実施形態においては、光入射端面での幅Ｗ＝Ｂは約１０μｍであり、i-MQWコア層３の固定幅Ａ＝２μｍの約５倍に設定されている。
【００４２】
次に、このように構成された第１実施形態の光導波路型半導体デバイスとしてのハイメサ型半導体光変調器の動作を説明する。
【００４３】
図７に示した従来のハイメサ型半導体光変調器においては、図９（ａ）を用いて説明したように、ハイメサ型半導体光変調器における光入射端面付近では発生して放熱されずに残留する熱が高くなる。しかし、この第1実施形態の半導体光変調器においては、発生したジュール熱をｎ-InP下部クラッド層2を経由してｎ+-InP基板１に逃がす他、p-InP埋込み層１１とｎ-InP埋込み層１２からなる熱伝導用半導体部１５、ｐ-InPオーバークラッド層１３、ｐ+-InGaAsコンタクト層14を介して、発生したジュール熱を効率良くｎ+-InP基板１に逃がしている。
【００４４】
図2に示した上面図からも理解できるように、光入射端面付近では熱伝導用半導体部１５の幅Ｗは広いので発生したジュール熱を効率良くｎ+-InP基板１に伝えることができる。したがって、光入射端面近傍における残留する熱（ジュール熱）のi-MQWコア層３を含むリッジ部の幅方向分布は、耐光入力特性の優れた図１０の従来のｐｎ埋込型半導体光変調器における図１１（ｂ）の幅方向分布とほぼ同等であり、第1の実施形態の光導波路型半導体デバイスも耐光入力特性について優れている。したがって、入射する光の最大光強度を上昇でき、出射光の光強度を上昇できる。
【００４５】
光が光入射端面に入射後、外部から電圧が印加された半導体光変調器内において吸収されて発生するジュール熱の半導体光変調器の長手方向、つまり光の伝搬方向における分布は式(1)に示したように指数関数的に表される。つまり、光入射端面付近においてジュール熱の発生量は大きく、光が伝搬するにつれてジュール熱の発生が指数関数的に急速に少なくなる。
【００４６】
熱伝導用半導体部１５の光変調器の長手方向の各位置における幅Ｗは発生するジュール熱の大きさに従って決定すればよいので、熱伝導用半導体部１５の幅Ｗを指数関数的に狭くすることによって、長手方向の各位置にて発生するジュール熱を効率的にｎ+-InP基板１に逃がすことができる。
【００４７】
したがって、熱伝導用半導体部１５の面積を必要最小限に抑制できるので、熱伝導用半導体部１５の存在に起因するキャパシタンスを最小限にとどめることが可能となる。その結果、ＣＲ時定数制限による光変調器としての変調周波数限界（＝１／πＲＣ）を高くでき、半導体光変調器としての高速光変調動作が可能となる。
このように、半導体としての高速性能を維持した状態で、入射する光の最大光強度を上昇でき、出射光の光強度を上昇できる。
【００４８】
（第２実施形態）
図３は本発明の第２実施形態に係る光導波路型半導体デバイスとしての半導体光変調器の概略構成を示す斜視図であり、図４は同第２実施形態の半導体光変調器の上面図である。図１、図２に示す第１実施形態の半導体光変調器と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明は省略する。
【００４９】
この第２実施形態の半導体光変調器においては、図４に示すように、熱伝導用半導体部１５の幅Ｗを半導体光変調器の光の伝搬方向（長手方向）に向かって直線的に低下させている。
【００５０】
このように構成された第２実施形態の半導体光変調器においても、前述した第１実施形態の半導体光変調器とほぼ同様の作用効果を奏することが可能である。
【００５１】
なお、この第２実施形態においては、熱伝導用半導体部１５の幅Ｗを半導体光変調器の光の伝搬方向（長手方向）に向かって直線的に低下させたが、図１２に示すように階段形状に従って低下させることも可能である。この場合、階段形状の段数は任意に設定できる。
【００５２】
さらに、熱伝導用半導体部１５の幅Ｗを半導体光変調器の光の伝搬方向（長手方向）に向かって、円弧形状に従って低下させたり、放物線的に低下させたり、２乗曲線や３乗曲線などあらゆる曲線に従って低下させたり、直線と曲線の組合せに従って低下させてもよいことは言うまでもない。
【００５３】
（第３実施形態）
図５は本発明の第３実施形態に係る半導体デバイスを示す斜視図であり、図６（ａ）は同第３実施形態の半導体デバイスの上面図であり、図６（ｂ）は同第３実施形態の半導体デバイスの断面図である。図１、図２に示す第１実施形態の半導体光変調器と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明は省略する。
【００５４】
この第３実施形態の半導体デバイスは、第１実施形態の半導体光変調器１６と分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）１７とを集積したものである。
【００５５】
分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）１７は、ｎ+-InP基板１とｎ電極７とをハイメサ型半導体光変調器１６とで共用している。そして、分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）１７においては、例えばInGaAsP等の発光する材料を活性層１８として用いる。なお、フォトルミネッセンス波長（以下、ＰＬ波長と略記する）としては、活性層１８のＰＬ波長を１．５５μｍとすると、i-MQWコア層３のＰＬ波長は１．４７μｍ程度となる。分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）１７におけるｐ+-InGaAsコンタクト層１４の上側に形成されたｐ電極１９にこの分布帰還型半導体レーザ１４に電流を流すためのボンディングワイヤ２０が取付けられている。
【００５６】
分布帰還型半導体レーザ１７において、ｐ電極１９とｎ電極７との間に順方向の電圧を印加すると、活性層１８で光が生起されて、半導体光変調器１６側の端面から出射される。この分布帰還型半導体レーザ１７から出射された光は半導体光変調器１６の光入射端面から入射光として、この半導体光変調器１６へ入射される。
【００５７】
この場合、順方向に電圧が印加される分布帰還型半導体レーザ１７と逆方向に電圧が印加される半導体光変調器１６とを電気的に分離する必要があるので、分布帰還型半導体レーザ１７と半導体光変調器１６との間に電気的分離部２１が形成されている。具体的には、図６（ｂ）の断面図に示すように、ｐ電極６、ｐ電極１９、ｐ+-InGaAsコンタクト層１４、ｐ-InPオーバークラッド層１３の一部をエッチング除去することによって、電気的分離部２１を形成している。
【００５８】
分布帰還型半導体レーザ１７と半導体光変調器１６とにおけるｎ-InP下部クラッド層２相互間、及びi-MQW３と活性層１８との間は、バットジョイント手法で接している。
【００５９】
このような構成の第３実施形態の半導体デバイスにおいても、上述した第１、２の実施形態の半導体光変調器とほぼ同様の作用効果を奏することが可能である。
【００６０】
さらに、この第３実施形態の半導体デバイスにおいては、半導体レーザと光変調器を１つの半導体デバイスに組込んでいるので、この半導体デバイスを用いて任意波形の光信号を簡単に作成できる。
【００６１】
以上説明したように、第１、第２、第３の各実施形態においては、熱伝導用半導体部１５の幅Ｗを光の伝搬方向に向かって狭くしていくことによって、半導体としての高速性能を維持した状態で、入射する光の最大光強度を上昇でき、出射光の光強度を上昇できる。
【００６２】
さらに、各実施形態においては、熱伝導用半導体部１５の幅Ｗを光の伝搬方向に向かって狭くしていくことによって、i-MQWコア層3を含む光導波路を伝搬する光を同光導波路に幅方向に閉じ込める効率が、図１０に示した従来のｐｎ埋込型半導体光変調器に比較して改善されているので、逆バイアス電圧印加時における光の消光特性も優れていると言える。
【００６３】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。
各実施形態において、半導体基板としてｎ+-InP材料を採用したが、半導体基板として、ｐ+-InP基板や半絶縁性1nP基板など、種々の半導体基板を採用可能なことは勿論である。
【００６４】
さらに、光を吸収するコア層の材料としてi-InGaAsP―InGaAsP MQW層を採用したが、i-InGaAs／InGaAsP MQW層、i-InGaAs／InP MQW層、i-InGaAlAs／InAlAs MQW層などその他の多重量子井戸でもよいし、i-InGaAs層やi-InGaAlAs層などのバルク材料でも良い。また、波長は１．５５μｍ帯のみならず、いかなる波長であってもよい。
【００６５】
また、FeドープInPのような半絶縁性InPを用いた埋込み装置と埋込み技術は必要ないとしたが、もちろん用いても良いし、発生したジュール熱を半導体基板に逃がすことができれば、熱伝導用半導体部としてノンドープInPなど、これら以外の材料を用いてもよいことは言うまでもない。
【００６６】
また、各第１、第２、第３の各実施形態の半導体光変調器においては、図２、図４、図６及び図１２に示すように、熱伝導用半導体部１５の幅Ｗをポリイミド８近傍で０まで低下させた。したがって、光が出射する光出射端面近傍においてはi-MQWコア層３の側面が露出している。
【００６７】
なお、熱伝導用半導体部１５の幅Ｗが０でない長さは任意でよく、また、０にしなくてもよい。すなわち、熱伝導用半導体部１５の幅Ｗを、光入射端面から光が出射する反対側の光出射端面に至る光導波路の全区間に亘って低下させることも可能である。この場合、i-MQWコア層３で発生した熱は、このi-MQWコア層３の長手方向の全区間に亘って熱伝導用半導体１５を介してｎ+-InP基板１に逃される。
【００６８】
さらに、本発明の各実施形態においては、光導波路型半導体デバイスとして半導体光変調器を説明した。しかし、本発明の光導波路型半導体デバイスは発熱した熱を分散させる構成及び機能を有するものであるから、本発明の光導波路型半導体デバイスを、光を吸収し電流に変換した結果、熱を発生する半導体受光器のようなその他の半導体デバイスにも適用可能である。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光導波路型半導体デバイスにおいては、コア層における光の伝搬方向に平行する両側面及び半導体基板の上面に接する熱伝導用半導体部を設けるとともに、この熱伝導用半導体部の光の伝搬方向に直交する幅を光の伝搬方向に向かって狭くしていっている。
【００７０】
したがって、光入射端面から入射して光導波路を伝搬する光がコア層で吸収されることに起因して発生するジュール熱を、半導体としての高速性能を低下させることなく、効率的に半導体基板に逃がすことができ、半導体としての高速性能を維持した状態で、入射する光の最大光強度を上昇でき、出射光の光強度を上昇できる。
【００７１】
さらに、広く生産されている半導体レーザの結晶成長装置とその技術を用いることができるので、新たな設備投資を必要とせず、容易に光導波路型半導体デバイスを生産することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光導波路型半導体デバイスとしての半導体光変調器の概略構成を示す斜視図
【図２】同第１実施形態の半導体光変調器の上面図
【図３】本発明の第２実施形態に係る光導波路型半導体デバイスとしての半導体光変調器の概略構成を示す斜視図
【図４】同第２実施形態の半導体光変調器の上面図
【図５】本発明の第３実施形態に係る半導体デバイスを示す斜視図
【図６】同第３実施形態の半導体デバイスの上面及び断面を示す図
【図７】従来のハイメサ型半導体光変調器の概略構成を示す斜視図
【図８】同従来のハイメサ型半導体光変調器における光の吸収特性を示す図
【図９】同従来のハイメサ型半導体光変調器における熱特性を示す図
【図１０】別の従来のｐｎ埋込型半導体光変調器の概略構成を示す斜視図
【図１１】同別の従来のｐｎ埋込型半導体光変調器における熱特性を示す図
【図１２】本発明の第２実施形態の半導体光変調器における変形例の上面図
【符号の説明】
１…ｎ+-InP基板
２…ｎ-InP下部クラッド層
３…i-MQWコア層
４…ｐ-InP上部クラッド層
５、１４…ｐ+-InGaAsコンタクト層
６、１９…ｐ電極
７…ｎ電極
８…ポリイミド
９、２０…ボンディングワイヤ
１０…ボンディングパッド部
１１…ｐ-InP埋込み層
１２…ｎ-InP埋込み層
１３…ｐ-InPオーバークラッド層
１５…熱伝導用半導体部
１６…半導体光変調器
１７…分布帰還型半導体レーザ
１８…活性層
２１…電気的分離溝
Claims (3)
- 半導体基板上に、少なくとも光を吸収する機能を有するコア層とクラッド層とからなる光導波路を形成し、前記コア層が単一幅からなり、光入射端面から入射した光が前記光導波路を伝搬する過程で前記コア層に吸収されることにより光電流が生成されるハイメサ型の光導波路型半導体光デバイスにおいて、
前記生成された光電流に起因するジュール熱による熱破壊を避けるために、前記ジュール熱を前記半導体基板に逃がすように、前記コア層の前記光の伝搬方向に平行する両側面及び前記半導体基板の上面に接する熱伝導用半導体部を前記コア層の当該両側面に設け、当該熱伝導用半導体部の前記光の伝搬方向に直交する幅を前記光入射端面から前記光の伝搬方向に向かって狭くしていくことを特徴とする光導波路型半導体デバイス。 - 前記熱伝導用半導体部の幅を曲線形状と直線形状と階段形状との少なくとも一つの形状に従って狭くしていくことを特徴とする請求項１記載の光導波路型半導体デバイス。
- 前記熱伝導用半導体部は、ｐ型、ｎ型、ノンドープ型、半絶縁性型の少なくとも一つの型の半導体材料からなることを特徴とする請求項１又は２記載の光導波路型半導体デバイス。
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