半导体光调制元件制造技术

本发明专利技术提供一种能作为超高速且电稳定性优异的调制器来使用的马赫‑策德尔型(MZ)半导体光调制元件。本发明专利技术的半导体光调制元件是通过对在光波导进行导波的光的折射率进行调制的折射率调制区域以及进行在该折射率调制区域分支的光的合分波的输入输出区域来进行光的调制的马赫‑策德尔型半导体光调制元件，其特征在于，所述光波导在折射率调制区域中，在与闪锌矿型半绝缘性的半导体晶体基板的(100)面等效的基板面上，从上层层叠有n型包层、i芯层以及p型包层，所述n型包层在倒置台面方向形成为脊状，在该n型包层上设有电容加载电极。

Semiconductor optical modulation element

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】半导体光调制元件
本专利技术涉及一种光通信领域中的作为高速的光调制器来发挥功能的半导体光调制元件。
技术介绍
除了要求光通信容量的增大以外，还要求为此所使用的光器件的小型、低耗电化。作为掌控这些特性的重要的要素器件，可以举出马赫-策德尔型(MZ：Mach-Zehnder)光调制器，且进行了大量的研发。特别是近年来，为了实现进一步的小型、低耗电化，从以铌酸锂(LN)为材料的光调制器变为了以InP为代表的化合物半导体材料的光调制器受到关注。关于化合物半导体光调制器的特征，以下简单进行说明。为了使之作为光调制器来动作而利用电(电场)与传输光的相互作用。一般而言，将封入光的芯层设为非掺杂层，从上层依次通过p型以及n型的包层夹住该层，并施加反向偏置电压，由此，实现光与电的强相互作用。再者，此处所使用的p型半导体与n型半导体相比，材料的电阻率以及光学吸收率大约高一个数量级以上，因此，在调制动作的高速化、低光损耗化方面存在较大的问题。此外，由于p型半导体与电极的接触面积同n型相比相当小，因此，接触电阻增大会导致进一步的频带劣化。为了解决这些问题，此前实行过以下所示的两种方案的途径(半导体层的改良、电极构造的改良)。作为基于半导体层改良的途径，过去提出过如图1所示的剖面构造的半导体光调制元件(例如专利文献1、2)。图1所示的半导体光调制元件在基板10上层叠有高台面形状的波导构造。在图1中，使用了高台面波导，但通常，在半导体的MZ调制器中，为了加强光电的相互作用来降低寄生电容，是一般的构成。信号电极16隔着n型接触层15设于波导构造上。接地电极17被设于n型包层11上。图1是将非掺杂层12的上下的包层11、14设为n型，并插入了薄的p型层来作为用于抑制两个n层间的电子电流的载流子阻挡层13的npin型光调制器。该npin型不使用光损耗大的p型包层，因此能够使用较长的波导。此外，由于具有能任意地对过流层的厚度进行最佳设计的自由度，因此，容易同时满足驱动电压的降低和电速度/光速度的匹配，有利于提高调制器的响应速度。需要说明的是，图2中示出了通过计算模拟来计算出的npin层构造的RF频带特性。然而，在如图1所示的具有高台面形状的npin型调制器中，可以举出抗电涌性的波动大、调制动作的不稳定性的问题。抗电涌性波动的主要原因是：通过由干刻加工造成的对波导侧壁的损伤，使p型半导体的作为载流子阻挡层的功能降低。具体而言，调制动作的不稳定性会存在如下问题：产生调制效率的入射光功率依赖性、产生调制效率的偏压依赖性、耐压降低等。对此，可以认为主要原因是空穴载流子集中地蓄积在高台面波导的p层。即，空穴载流子集中地蓄积在高台面波导内的p层，由此，恐怕会产生调制效率的光功率、偏压依赖性，或耐压恐怕会降低等。针对这些问题，此前提出过各种方案(专利文献3、4)，但均要求复杂的构造、材料电阻的最优化，因此，仍然存在很多作为实用器件的问题。其结果是，在目前的研发中，基于电稳定性的观点，采用一直以来的pin构造的研究单位占据了大半(非专利文献1)。需要说明的是，除此以外，以降低接触电阻为目标，还提出过将上层包层设为n型、将下层包层以及基板设为p型的(nip构造)电场吸收型(EA)调制器(专利文献5)。但是，一般而言，EA调制器的电极构造为集中常数型，因此，无需满足特性阻抗以及光波与微波的速度匹配条件。另一方面，在电极长度比EA调制器长出大约一个数量级的MZ调制器中，如果只是单纯地仅使半导体层构造反转，则不能说调制频带的改善充分。这从如下的情况也可以明显地看出，即，当比较图2的p-i-n与n-i-p时，至多只能预计有5GHz左右的频带改善。此外，如专利文献4所示，在使用了导电性基板(P型基板)的情况下，寄生电容与半绝缘性基板相比变大，因此，要将该技术直接转用在使用行波型电极构造的MZ调制器时，仍然会存在问题。作为基于电极构造改良的途径，提出过如图3所示的剖面构造(例如非专利文献1)。图3采用了如下的电容加载电极构造，即，以具有剖面积大的电极的共面带线作为主线路，在光波导上附加以与微波相比足够短的长度隔开的集中常数电极(容量)。在p型包层19上隔着p型接触层20设有信号电极16和接地电极17。由此，除了能期待由主线路的低损耗化带来的高速化以外，还可以独立地控制特性阻抗和速度匹配条件，因此，设计的自由度非常高。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2008-233710号公报专利文献2：日本特开2005-099387号公报专利文献3：日本特开2005-114868号公报专利文献4：日本特开2008-107468号公报专利文献5：日本特开平8-122719号公报非专利文献非专利文献1：R.Kaiser,etal.“HighPerformanceTravellingWaveMach-ZehnderModulatorsforEmergingGenerationsofHighCapacityTransmitter”ComponentsInternationalConferenceon.TransparentOpticalNetworksICTON2013,We.D2.2
技术实现思路
专利技术所要解决的问题然而，图3所示的电极构造只不过是仅适用于从上层具有pin构造的半导体元件中，没有达到由半导体层以及电极构造双方的最优化带来的极度的高速调制动作化。此外，在pin构造中，在[0＊1]面方向形成波导，因此，为了对上部的包层如图3所示垂直地进行蚀刻加工，必须使用干刻工艺。需要说明的是，在本说明书中，对于晶面的标识，以星号(＊)表示的数字是“在1上标上划线”的意思。是因为，湿刻工艺中会变为所谓的正向台面方位，因此加工形状会成为梯形形状而导致电特性劣化。因而，无法确保蚀刻深度的控制性，此外，恐怕会导致由加工时的界面损伤造成的光学特性劣化、电不稳定动作。如此，在npin层构造的高台面波导型光调制元件中，仍然存在对于电涌和不稳定动作方面的问题，以往的电容加载型光调制元件中因具有高接触电阻和材料电阻的上层的p型包层而对高速化存在不良影响且要求脊型波导加工时的高加工精度。本专利技术是鉴于上述以往的问题而完成的，其目的在于提供一种能作为超高速且电稳定性优异的调制器来使用的马赫-策德尔型(MZ)半导体光调制元件。用于解决问题的方案为了解决上述问题，一个实施方式中记载的专利技术是一种通过对所导波的光的折射率进行调制的折射率调制区域、以及进行在该折射率调制区域分支的光的合分波的输入输出区域来进行光的调制的马赫-策德尔型半导体光调制元件，其特征在于，所述光波导在折射率调制区域中，在与闪锌矿型半绝缘性的半导体晶体基板的(100)面等效的基板面上，层叠有p型包层、i芯层以及n型包层，所述n型包层以及所述InP包层在倒置台面方向形成为脊状，在折射率调制区域在该n型包层上设有电容加载电极。附图说明图1是表示以往的半导体光调制元件的构成的一例的图。图2是表示具有共面电极构造的光调制器的RF频带的层构造依赖性的图。图3是表示以往的半导体光调制元件的构成的另一例的图。图4是本专利技术的半导体光调制元件的俯视图。图5是表示半导体光调制元件的折射率调制区域的剖面的图。图6是表示半导体光调制元件的输入输出区域的剖面的图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体光调制元件，其是马赫‑策德尔型半导体光调制元件，通过对在光波导进行导波的光的折射率进行调制的折射率调制区域、以及进行在该折射率调制区域分支的光的合分波的输入输出区域来进行光的调制，其特征在于，所述光波导在折射率调制区域中，在与闪锌矿型半绝缘性的半导体晶体基板的(100)面等效的基板面上，从上层朝向基板面至少层叠有n型包层、i芯层以及p型包层，所述n型包层在倒置台面方向形成为脊状，在该n型包层上设有电容加载电极。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.02 JP 2015-1124481.一种半导体光调制元件，其是马赫-策德尔型半导体光调制元件，通过对在光波导进行导波的光的折射率进行调制的折射率调制区域、以及进行在该折射率调制区域分支的光的合分波的输入输出区域来进行光的调制，其特征在于，所述光波导在折射率调制区域中，在与闪锌矿型半绝缘性的半导体晶体基板的(100)面等效的基板面上，从上层朝向基板面至少层叠有n型包层、i芯层以及p型包层，所述n型包层在倒置台面方向形成为脊状，在该n型包层上设有电容加载电极。2.根据权利要求1所述的半导体光调制元件，其特征在于，所述光波导在不对光的折射率进行调制的部分，在与闪锌矿型半绝缘性的半导体晶体基板的(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：小木曾义弘，尾崎常祐，柏尾典秀，菊池顺裕，神德正树，
申请(专利权)人：日本电信电话株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP