JPH0233134A - 光スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は導波路交差型光スイッチに関し、更に詳しくは
材料として半導体を用いた電流注入型の光スィッチに関
する。

（従来の技術） 光通信の分野においては、光路を電気的に変更すること
ができる光スィッチが重要視されている。

とくに、半導体光スィッチは、半導体レーザやフォトダ
イオードなどの能動素子と一緒にモノリシック集積化が
可能であるという点で大いに注目を集めている。

このような半導体光スィッチの１つとして、導波路交差
型で電流注入型の光スィッチが知られている。この光ス
ィッチは、導波路の交差部分に電流注入領域を形成し、
ここから、所定値の電流を注入することにより、この交
差部分でプラズマ分散効果または／およびバンドフィリ
ング効果を起させてその部分の屈折率を低下させ、その
結果導波光を全反射させ、その伝搬方向を変化させるこ
とにより、光の伝搬する導波路を変化せさてスイッチン
グ作用を起させるものである。　そのようなスイッチの
うちＩＸＺ光スイッチの１例を、斜視図として第５１！
ｌに、また第５図のＶｌ−Ｖｌ線に沿う断面図を第６図
として示す。

まず第６図において、下部電極６１の上にはオーミック
接触をもって、例えばｎ″Ｇ、Ａ、のようなｎ型半導体
からなる基板６２が形成されている。

基板６２の上面には、ｎ型半導体から成る下部クラッド
層６３、同じくｎ型半導体から成るコア層６４が順次積
層して形成される。この場合、下部クラッド層６３は、
コア層６４よりもその屈折率が小さいことが必要である
。そのようなことから、例えば、下部クラッド層６３は
ｎ　−Ａ　ｊ！　Ｇ　ａ　Ａ　＊で、またコア層６４は
ｎ　−Ｇ　ａ　Ａ　＊で構成されている。

そして、このコア層６４の上に、第５図で示したように
、リッジ状に導波路Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄが所定の交差角で交
差して形成されている。

導波路は、コア層６４よりも屈折率が小さく、例えばｎ
　−Ａ　Ｉ　Ｇ　ｍ　Ａ　ｍのようなｎ型半導体から成
る上部クラッド層と、その上に形成される例えばｐ″Ｇ
、Ａ、のようなｐ型半導体から成るキャップ層６６から
構成されている。

各導波路の交差部分における導波路長方向に沿う少な（
とも片側の部分には、例えばＳ　＋　Ｏｔのような絶縁
材から成る絶縁薄膜６７が形成されている。そして、こ
の絶縁薄膜６７の導波路長方向には、キャップ層６６に
まで達する窓６７ａが穿設されている。

この窓６７ａからは、Ｚｎのようなｐ型不純物を、例え
ば気相拡散法で前記したキャップ層６６、上部クラッド
層６５の中に拡散せしめることによりｐ型不純物領域６
Ｂが形成される。

そして、上記窓６７ａを密閉し、キャップ層６６と接触
した状態で上部電極６９が形成される。

この上部電極６９と下部電極６１の間に電圧を印加して
、両極間に所定量の電流を注入すると、ｐ型不純物領域
６８と上部クラッド層６５との界面ではプラズマ分散効
果が発揮され、その部分の屈折率が低下してそこが反射
面に転化する。したがって、例えば導波路Ａから導入さ
れた光は交差部分に発生した低屈折率部分を反射面とし
て導波路Ｃ方向に伝搬していくことになる。すなわち、
スイッチング効果が発生する。

第７図は他のタイプの光スィッチを例示する平面図で、
第８図はその■−■線に沿う断面図を例示するものであ
る。

このタイプの光スィッチの場合、下部電極８１の上には
、例えばｎ型１ｎＰのような基板８２がオ−ミック接触
をもって形成されている。基板８２の上面には、交差部
分の導波路長方向に伸びるリッジ溝８３ａが刻設され、
ここにｎ型１．ＧａＡｓＰのようなコア層８３が形成さ
れている。

コア層８３の上面には、第７図の斜線で示したような導
波路の交差部分の片側に、例えばｐ型１ｎＰから成る電
流注入ｊｉ８４ａと更にその上面に積層された例えばｐ
′″型１　＊　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｐから成るキャップ層
８４ｂを形成して電流注入領域８４が構成されている。

そしてこの電流注入領域８４以外の個所には、該電流注
入領域よりも抵抗値が高く、例えばＩｎＰから成る埋込
み層８５が形成される。

これらキャップ層８４ｂ、埋込み層８５の上面には、キ
ャップ層８４ｂの一部に相当する個所に窓８６ａを有す
る５１０８の絶縁１１１１１１８６が形成され、更にそ
の上には窓８６ａを介してキャップ層８４ｂと接触する
上部電極８７が形成されている。

このタイプの光スィッチの場合、上記した電流注入領域
８４と埋込み層８５は次のようにして形成されている。

すなわち、コア層８３の上面の全面に、電流注入領域を
構成する半導体を所定厚みにエピタキシャル成長せしめ
、しかるのちに、埋込み層を形成すべき個所をエツチン
グして除去する。そして、埋込み層を構成する高抵抗の
半導体をこの埋込み層形成位置にエピタキシャル成長せ
しめるのである。

（発明が解決しようとする課題） これら光スィッチのうち、まず、前者のようなｐ型不純
物領域６８を形成するタイプの光スィッチには次のよう
な問題がある。すなわち、ｐ型不純物領域６８を形成す
るときに、上部クラッド層６５とこのｐ型不純物領域６
８のフロント面６８ａとのＰｎ接合面が画然と形成され
ないことがあり、また、フロント面６８ａとコア層６４
との間のギャップ幅を制御することが困難であるという
問題である。

−ａにｐｎ接合面が画然と形成されている方がスイッチ
ング機能は優れている。また、コア層の近辺に不純物領
域が存在すると光吸収によるロスが増大する。したがっ
て光動作の点からすると、不純物領域とコア層とのギャ
ップ幅は大きくとった方が有利である。一方、不純物領
域への電流住人時に電流はクラッド層内で広がる。この
電波法がりを抑制するためには、不純物領域とコア層と
のギャップ幅を小さくとった方が有利となる。

したがって、このタイプの光スィッチの場合、そのスイ
ッチング機能を高めるためには、まずもって、ｐ型不純
物領域のフロント面６８ａとコア層６４との間が適正な
ギャップ幅となるように厳密に制御することが必要とな
る。

しかしながら、上記したような気相拡散法で上部クラッ
ドＮ６５内にｐ型不純物を拡散せしめる場合、拡散によ
る不純物の濃度勾配は指数関数的となるので拡散の深さ
を所定値に設定する、すなわち拡散領域のフロント面６
８ａをコア層６４の上面からの適正位置に形成すること
は極めて困難である。

後者のタイプの光スィッチの場合、リッジ部におけるｐ
ｎ接合は、各層のエピタキシャル成長によつて形成され
るので画然となるのであるが、しかし、埋込み層８５の
形成に伴なって行なう大気中でのエツチング処理などに
より、埋込み層８５と電流注入領域８４およびコア層８
３との界面において、埋込み層８５の結晶性が劣化する
という問題が生ずる。また、工程数も多くなり、経済面
でも有利とはいえない。

本発明は従来の電流注入型光スイッチにおける上記した
ような問題点を解消した光スィッチの提供を目的とする
。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明においては、下部電
極と；該下部電極の上に形成されたｎ型半導体基板と：
咳ｎ型半導体基板の上に形成されたｎ型半導体下部クラ
ッド層と；該ｎ型半導体下部クラッド層の上に形成され
たｎ型半導体コア層と；該ｎ型半導体コア層の上に形成
されたｐ型半導体薄層、該ｐ型半導体薄層上に形成され
たｎ型半導体上部クラッド層および該ｎ型半導体上部ク
ラッド層上に形成された半導体キャップ層から成り、該
半導体キャップ層の上面から前記ｐ型半導体薄層または
該薄層内にまで至るｐ型不純物領域が一部に形成されて
いるリッジと；前記半導体キャップ層の上面および前記
ｎ型半導体コア層の一部を被覆し、前記半導体キャップ
層に達する窓が形成されている絶＆Ｉ薄膜と；少なくと
も前記窓の上に形成された上部電極とを備えていること
を特徴とする導波路交差型光スイッチが提供される。

本発明の光スィッチは、第５図および第６図に示した従
来構造の光スィッチにおいて、ｎ型半導体コア層６４と
ｎ型半導体上部クラッド７１６５との間に所定の厚みの
ｐ型半導体薄層を介在せしめ、また、ｐ型不純物領域６
８のフロント面６８ａを少な（とも前記Ｐ型半導体薄層
の層内にとどめた構造のリッジを備えていることを特徴
とするものである。

ここで、前記ｐ型半導体ｙＩＮはその上面に形成される
上部クラッド層と同じ屈折率となるように組成を決定す
ることが好ましい、そして、この薄層形成に際しては、
コア層の上面に、例えばＭＯＣＶＤ法により、所定組成
のｐ型半導体をエピタキシャル成長せしめればよい、こ
の場合、層厚は格別限定されないが、通常０．０５〜０
．５μｍ程度である。

ｐ型不純物領域は、その拡散の深さが前記したｐ型半導
体ＴｉＩＮを通りこしてその下部に位置するコア層に達
することがなければどのような深さであってもよい。し
かし、前述した電流拡散の問題からすれば、上記した薄
層と上部クラッド層の界面近辺が適切である。

（作用） 本発明の光スィッチにおいては、ｎ型半導体コア層の上
に位置するｐ型半導体薄層は、エピタキシャル成長せし
められた所定厚みの層であるため、両者間のｐｎ接合面
は連続成長面として画然とし、スイッチング機能を向上
せしめることになる。

また、この薄層は所定の厚みを有し、しかもｐ型半導体
であるため、窓から上部クラッド層内に拡散されるｐ型
不純物のコア層側への拡散が多少とも抑制されるように
なる。そのため、この薄層の介在によりｐ型不純物領域
を形成する際の制御が容易になる。

（発明の実施例） 以下に本発明の実施例スイッチを添付図面に基づいて説
明する。

実施例１ 第１図に斜視図を、第２図に■−■線に沿う導波路交差
部分の断面図を示すような、導波路交差型の１×２光ス
イツチを次のようにして製造した。

すなわち、まず、ｎ９型Ｇ、Ａ、基板１２の上に、ＭＯ
ＣＶＤ法により、順次、ｎ−型Ａ　Ｉ　Ｇ、Ａ　ｓの下
部クラッド層１３、ｎ−型Ｇ、Ａ、のコア層１４、ｐ゛
型ＡＩ　Ｇ、Ａ、の薄層１５、薄層１５と同じ屈折率の
ｎ−型Ａ　ｆ　Ｇ、Ａ、の上部クラッド層１６およびＰ
９型Ｇ、Ａ、のキャップ層１７を連続成長せしめた。

ついで、フォトリソグラフィとウェットエツチング処理
を施して第１図に示したように導波路Ａ。

Ｂ、Ｃ，Ｄに相当するりフジを形成したのち、スパッタ
リング法により、上面をＳ　ｔ　Ｏｘの絶縁Ｔｌｌ膜１
８で被覆した。その後、フォトリソグラフィとウェット
エツチング処理により、絶縁薄膜１８の所定個所に窓１
８ａを穿設した。

この窓ｌｅａから、気相拡散法により、Ｚｎを拡散せし
め、ｐ型不純物領域１９を上部クラッド層１６およびキ
ャップ１１１７の一部に形成した。

このとき、拡散領域１９のフロント面が薄層１５と接触
するように制御した。

最後に、真空蒸着法あるいはスパッタリング法により、
Ｃｒ／Ａｕを用いて上部電極２ｏを形成し、真空蒸着法
によりＡ　ｕ　Ｇ　ｅ　Ｎ　ｉ　／　Ａ　ｕを用いて下
部電極１１を形成した。上記実施例ではｐ型不純物領域
１９は拡散法により形成したが、イオン注入法によって
ｐ型不純物領域を形成しても良い。

実施例２ 第３図の斜視図、第３図のＩＶ−ＩＶ線に沿う導波路交
差部分の断面図に示したような２×２光スイツチを実施
例１と同様にして製造した。

この光スィッチの場合は、２×２スイツチであるという
ことからして電流注入用の窓が各導波路の交差部分の中
央に形成されている。それゆえ、ｐ型不純物領域はりフ
ジの中央に形成されている。

この光スィッチも実施例１の光スィッチの場合と同様な
スイッチング機能を発揮した。

（発明の効果） 以上の説明で明らかなように、本発明の光スィッチの場
合、ｎ型半導体コア層の上面に位置するｐ型半導体薄層
はエピタキシャル成長によって形成されているので、両
者間におけるｐｎ接合は連続成長面になっているため、
不純物拡散法により形成されたｐｎ接合面よりも高性能
となる。

また、このｐ型半導体薄層においては、ｐ型不純物拡散
速度が他の部分よりも若干遅いので、電流注入用のｐ型
不純物領域を上部クラッド層に形成するときのフロント
面の深さ制御が行ないやすくなる。

なお、本発明の光スィッチの場合は、電流性入部形成の
ための結晶再成長は不要であり、埋込み層形成タイプの
光スィッチに比べ、埋込み層界面の結晶性の劣化を招く
こともなく、また工程数も少なくなりその工業的メリッ
トは大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は１×２光スイツチの本発明実施例の斜視図、第
２図は第１図の■−■線に沿う断面図、第３図は２×２
光スイツチの本発明実施例の斜視図、第４図は第３図の
■−ＩＶ線に沿う断面図、第５図は従来の１×２スイツ
チの斜視図、第６図は第５図のＶ［−Ｖｌ線に沿う断面
図、第７図は他の従来例の平面図、第８図は第７図の■
−■線に沿う断面図である。 １１・・・下部電極、１２・・・ｎ型半導体基板、１３
・・・ｎ型半導体下部クラッド層、１４・・・ｎ型半導
体コア層、１５・・・ｐ型半導体薄層、１６・・・ｎ型
半導体上部クラッド層、１７・・・ｐ型半導体キャップ
層、１８・・・絶縁薄膜、１８ａ・・・窓、１９・・・
ｐ型不純物饋域、２０・・・上部電極。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）下部電極と；該下部電極の上に形成されたｎ型半
   導体基板と；該ｎ型半導体基板の上に形成されたｎ型半
   導体下部クラッド層と；該ｎ型半導体下部クラッド層の
   上に形成されたｎ型半導体コア層と；該ｎ型半導体コア
   層の上に形成されたｐ型半導体薄層、該ｐ型半導体薄層
   上に形成されたｎ型半導体上部クラッド層および該ｎ型
   半導体上部クラッド層上に形成された半導体キャップ層
   から成り、該半導体キャップ層の上面から前記ｐ型半導
   体薄層または該薄層内にまで至るｐ型不純物領域が一部
   に形成されているリッジと；前記半導体キャップ層の上
   面および前記ｎ型半導体コア層の一部を被覆し、前記半
   導体キャップ層に達する窓が形成されている絶縁薄膜と
   ；少なくとも前記窓の上に形成された上部電極とを備え
   ていることを特徴とする導波路交差型光スイッチ。
2. （２）前期ｐ型不純物領域が拡散法または／およびイオ
   ン注入法で形成されている請求項１記載の導波路交差型
   光スイッチ。
3. （３）前記半導体が、いずれも周期律表III、Ｖ族元素
   から成る化合物半導体である請求項１記載の導波路交差
   型光スイッチ。
4. （４）前期半導体がケイ素である請求項１記載の導波路
   交差型光スイッチ。