JPH02281231A

JPH02281231A - 光スイッチ

Info

Publication number: JPH02281231A
Application number: JP10370289A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Watanabe; 和昭渡辺
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1989-04-24
Filing date: 1989-04-24
Publication date: 1990-11-16

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】［産業上の利用分野コ本発明は、光集積回路あるいは光電子集積回路等の構成
要素として用いられる化合物半導体光導波路に関する。

［従来技術］従来の光スイッチの例を第５図に示す。、溝を有する１
ｎＰ基板上に、Ｉ　ｎＧａＡｓ　Ｐよりなる光導波路層
、ＩｎＰクラッド層、ＩｎＧａＡｓＰキャップ届が液相
成長法により順次積層され、光導波路上の一部にキャリ
ア注入用の電極が設けられている。光導波路層へのキャ
リアの注入は上記電極を通して行われる。光導波路層に
キャリアを注入していない場合、電極の直下、及びその
他の部分での光導波路層の屈折率は一定で、伝搬されて
きた光波は反射されることなくそのまま電極部分を通過
する。ところが光導波路層にキャリアを注入すると、注
入部分の屈折率が下がり、電極部分で光波の一部が反射
されるため、伝搬されてきた光波の強度は弱められて光
導波路より出射する。

し発明が解決しようとする課題］しかし、前述の従来技術の光スイッチは、ｍ−■族化合
物半導体であるＩｎＧａＡｓＰにより光導波路層が形成
されているため、Ｉ　ｎＧａＡｓＰのエネルギーギャッ
プに近いか、あるいはそれより大きい光子エネルギーを
有する光を導波しようとすると吸収損失が太き（なり、
伝搬効率の低下が避けられなかった。

また、従来技術ではエツチングにより凹部を形成した基
板上に光導波路層をエピタキシャル成長して′いたため
、光導波路層の膜質の低下は避けられず、散乱損失によ
る伝搬効率の低下を招いていた。しかも長い工程を経て
光導波路が形成されるため、最終的な歩留りは低かった
。

そこで本発明はこの様な課題を解決するもので、その目
的とするところは伝搬効率の高い光スイッチを、簡略な
プロセスで歩留りよく製造するところにある。

［課題を解決するための手段］本発明の光スイッチは（１）直線状の光導波路上にキャリア注入用電極が設け
られており、光導波路層にキャリアを注入することによ
りスイッチングを行う光スイッチにおいて、該光導波路
は基板上に少なくともＩＩ−ＶＩ族化合物半導体よりな
るクラッド層と、該クラッド層よりも屈折率が大なる■
−■族化合物半導体よりなる光導波層を有し、上記各層
のうち少なくとも１届は選択エピタキシャル成長したこ
とを特徴とする。

（２）クラッド層、及び光導波路層の伝導型がｎ型であ
ることを特徴とする。

［実　施　例］第１図は、本発明の一実施例における光スイッチの上面
図、および断面図である。

１１はＧａＡｓ基板、１２はＺｎＳよりなる下側クラッ
ド層、１３はＺｎ５ｅよりなる光導波路層、１４はＺｎ
Ｓよりなる上側クラッド層である。

Ｚｎ５ｅＳ　ＺｎＳの屈折率はそれぞれ２．５３．２．
３１で、接合に垂直方向にはこの大きな屈折率段差によ
り有効に光が閉じ込められる。また接合に平行方向には
、屈折率が２．５３の光導波路層を屈折率　１．４の５
ＩＯ２膜（１５）ではさんだ構造になっており、光の導
波路層内への閉じ込めは十分に行われている。１６は電
極で、光導波路層にキャリアを注入することにより屈折
率を局所的に小さくし、光波のスイッチングを行う。

本発明の光スイッチの動作を説明する。いま光導波路層
の実効屈折率を電極直下、その他の部分でそれぞれｎｌ
、ｎ２とおく。第１図で左から進んできた入射光は、キ
ャリアを注入しない場合、すなわちｎ１＝ｎ２のとき、
電極直下をそのまま通過し右側より出射する。ところが
電極に電圧を印加すると、プラズマ効果によって　ｎｌ
＜ｎ２　となり、電極直下の光導波路層の屈折率がその
他の部分に比べて小さくなる。その結果、光波は屈折率
が小さくなった電極直下の部分で反射され、右側の導波
路より出射される光波の強度は、電極に電圧を印加しな
い場合よりも小さくなる。以上の様に、光導波路に対す
るキャリアの注入の有無によって入射光のスイッチング
を行うことができる。

次に本発明の光スイッチの製造工程を第２図を用いて説
明する。

まず、ＧａＡｓ基板（１１）を準備し、モノシラン（Ｓ
ｉＨ４）を原料とする熱ＣＶＤ法によって５ｉ０２膜を
基板上に蒸着する。次いでフォトリソグラフィー工程に
より光導波路を作成する部分の５ｉ０２膜を除去し、選
択成長のためのマスクを形成する。　（第２図（ａ））さらに、上記ＳｉＯ２をマスクとして下側クラッド層（
１２）、光導波路層（１３）上側クラッド層（１４）を
順次エピタキシャル成長する。原料は亜鉛ソースとして
ジメチル亜鉛（Ｄ　Ｍ　Ｚ　ｎ　）、硫黄ソースとして
ジメチル硫黄（ＤＭＳ）、セレンソースとしてジメチル
セレン（ＤＭＳｅ）の各有機金属化合物を用い、有機金
属化学気相成長くＭＯＣＶＤ）法により成長を行う。Ｚ
ｎ５ｅとＺｎｓのへテロ接合は、ＤＭＺｎを流したまま
、ＤＭＳとＤＭＳｅの各ガスラインのバルブの切り替え
を行うことにより形成する。成長条件は成長圧力　１０
０ｔｏｒｒ以下、成長温度が、４００°Ｃ以上７００　
’Ｃ以下、■族原料と■族原料の原料供給止が６以下と
する。上記の方法により選択成長を行うと、５ｉ０２膜
がマスクとなり、マスク上には何も付着することなく、
マスクのない部分にのみ選択的にＩＩ−ＶＩ族化合物半
導体がエピタキシャル成長する。以上の様にしてダブル
へテロ構造光導波路を選択成長した後、マスクのＳｉＯ
２膜を除去し、キャリア注入用の電極を蒸着すると、ｎ
−ＶＩ族化合物半導体よりなる光スイッチが完成する。

なお、光導波路層、クラッド層の組合せとして、Ｚｎ５
ｅ−ＺｎＳ系のみでなく、下の表１の様な組合せも可能
である。光導波路のエピタキシャル成長は、該当元素の
有機金属化合物を用いたＭＯ表１ＣＶＤ法による。

また本実施例では、原料の有機金属化合物として、ＤＭ
Ｚｎ等のメチル誘導体を用いて説明を行ったが、ジエチ
ル亜鉛（ＤＥＺｎ）等のエチル誘導体や、その他のアル
キル金属化合物の利用も可能である。選択成長のための
マスクも、５ｉ０２に限らず、５ｉａＮａ等の絶縁膜が
使用可能である。

本発明の光スイッチは、光導波路層が大きなエネルギー
ギャップを有するＩＩ−ＶＩ族化合物半導体により形成
されている。従って従来からあるｍ−Ｖ族化合物半導体
よりなる光スイッチよりも導波中の吸収損失が小さ（抑
えられる。また導波路構造のエピタキシャル成長後は、
マスクのＳｉＯ２を除去するだけなので、エツチングあ
るいは拡散等により生じる導波路領域の表面荒れ、膜質
の低下を防ぐことができ、このことは散乱損失の減少に
大きく貢献する。

なお実施例の説明では、下側クラッド層、光導波路層、
上側クラッド層よりなるダブルへテロ構造を有し、かつ
界面に平行方向には光導波路層を８ｉ０２ではさむこと
により屈折率段差を得る第４図（ａ）のような構造の光
スイッチを用いて説明を行ったが、この他にも第４図（
ｂ）、あるいは（Ｃ）に示す様な構造の導波路構造によ
っても本発明の光スイッチは実現できる。

（ｂ）は光導波路層の側面をＺｎＳによって埋め込んだ
もので、導波路層の側面をＳｉＯ２ではさんでいる場合
に比べ、工程数は増えるものの導波光の１次モードがカ
ットオフとなる導波路幅が大きくなり、プロセス上のマ
ージンが大きくなる。

（ｃ）はＧａＡｓ基板上に下側クラッド層、光導波路層
をエピタキシャル成長した後、上側クラッド層を選択成
長により積層したもので、第４図（ｂ）の構造よりも、
接合に垂直方向の光の閉じ込めかさらに弱くなっている
。従って導波光の１次モードがカットオフとなる導波路
幅がさらに広くなる。

第４図に示すものは、他の実施例における電極の形状で
、第４図（ａ）は電極を光の導波方向に対して直角では
なく斜めに配置したものである。

第１図の実施例では、キャリア注入用電極は光導波路に
対して直角に配置されており、光波のスイッチングは屈
折率の違いに基づく反射のみにたよっていた。しかしキ
ャリア注入用電極を斜めに配置したことにより、透過光
はキャリア注入部分と非注入部分との境界で屈折し、光
の一部は導波領域の外に放出される。この結果、同量の
キャリアを注入した場合の消光比が大きくなり、スイッ
チング効率が向上する。第４図（ｂ）は、第４図（ａ）
の構造ををさらに発展させたもので、電極の形状のうち
、光の入射側を円周状にしたものである。キャリアの注
入によって光導波路層の屈折率が円周に沿って変化する
ため、境界部分が凹レンズの役割を果たし、光波は導波
領域の外側に放出される。当然ながら、光の出射側の電
極形状も円周状にすることが可能で、電極の両側を円周
状にすることによって、より高い消光比を有する光スイ
ッチを得ることができる。第４図（ａ）、　（ｂ）いず
れの電極形状も、光の接合方向への閉じ込めか弱い例え
ば第３図（Ｃ）の様な構造が特に有効で、キャリアを注
入した場合、光を導波路の両側へ有効に放出することが
でき、スイッチング効率が向上する。

［発明の効果］本発明の光スイッチは以下のような効果を有する。

（１）導波路層がエネルギーギャップの大きな■−■族
化合物半導体により形成されるているため、導波光の短
波長化が可能となる。またＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の
有するワイド・バンドギャップゆえに、従来と同じ波長
領域の光（１μｍ帯）を導波した場合でも、光導波路に
おける吸収損失は従来に比べ大幅に低く抑えることがで
きる。本発明の光スイッチは、６００ｎｍという短波長
の光波に対しても極めて低い伝搬損失でスイッチングす
ることができる。

（２）光導波路を選択成長により形成するので、成長後
エツチング、あるいは拡散等の工程を行う必要がなく、
このことは後工程による膜質の低下、あるいは表面荒れ
を未然に防ぐことができる。特に、導波路層側面はエツ
チングによって形成する場合に比べ平坦な面を得ること
ができ、導波光の散乱損失を小さく抑えることが可能で
ある。

（３）ＭＯＣＶＤ法を光導波路の成長手段として用いる
ため、膜厚の制御性、再現性に優れている。

また他の成長方法と比べてウェハの大面積化が可能であ
り、量産化に適している。

（４）工程が極めて簡単かつ短いので、歩留りが向上す
る。特に半導体レーザ等、他のデバイスと同一基板上に
モノリシックアレイとして集積する場合、簡略なプロセ
ス、高い歩留りは必要条件であり、本発明の光スイッチ
はこの条件を十分満足する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、　　（ｂ）は本発明の光スイッチの上面
図及び断面図。第２図（ａ）〜（Ｃ）は本発明の製造工程を示す断面図
。第３図（ａ）〜（Ｃ）は本発明の他の実施例を示す断面
図。第４図（ａ）、　　（ｂ）は本発明の他の実施例を示す
上面図。第５図（ａ）、　　（ｂ）は従来の光スイッチの例を示
す上面図及び断面図。１１　・”　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板１２・・・下側クラッド層１３・・・光導波路層１４・・・上側クラッド層１５・・・５ｌｏ２マスク１６・・・キャリア注入用電極１７・・・ＳｉＯ２膜２１・・・ＩｎＰ基板２２・・・下側クラッド層２３・・・光導波路層２４・・・キャップ層２５・・・５ｉ０２マスク２６・・・キャリア注入用電極２７・・・Ｚｎ拡散領域鑓）Ａ′ （ｂン集１）釧仏）（ｂン（Ｃ／）（ａ＞（ｂ）（Ａ）（ｂ）（Ｃ／）Ａ′ （１ｏ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）直線状の光導波路上にキャリア注入用電極が設け
られており、光導波路層にキャリアを注入することによ
りスイッチングを行う光スイッチにおいて、該光導波路
は基板上に少なくともII−VI族化合物半導体よりなるク
ラッド層と、該クラッド層よりも屈折率が大なるII−V
I族化合物半導体よりなる光導波層を有し、上記各層の
うち少なくとも１層は選択エピタキシャル成長したこと
を特徴とする光スイッチ。
（２）クラッド層、及び光導波路層の伝導型がｎ型であ
ることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。