JPH04107428A - 基板型光スイッチ - 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−１−の利用分野］ この発明は、光通信、光情報処理ノステム等のギーデバ
イスとして用いられる基板型光スイッチに関するもので
あり、更に詳しくは、電流閉し込め構造を有するキャリ
ア注入型の基板型光スイッチに関するものである。

［従来の技術］ 従来、直接遷移形の半導体＋Ａｆ−１はハントフィリン
グ効果により大きな非線形屈折率を示ずことが知られて
いる。この効果（Ｊ１光吸収によりバンドギャップに近
いところから電子が埋まり、吸収スペクトルが短波長側
にノットすることに起因するものである。そして、この
ハントフィリング効果を有効に用いた例として、第４図
及び第５図に示すような内部全反射型の基板型光スイッ
チが提供されている。

この基板型光スイッチ１は、化合物半導体月利であるｎ
型インジウムリン（以下、ｎ−１ｎＰと称する）基板２
上に、無トープのインンウムガリウムヒ素リン（以下、
ｕ−１ｎＧａＡｓＰと称する）等の化合物半導体Ｒ２４
からなる２つの光導波路３．４が平面」−でＸ字形に交
差する」；うに形成され、この交差部５の」二面に電極
６が、また、この交差部５の下方のｎ−ｒｎＰｎＰ２Ｏ
５面に電極７がそれぞれ形成されたものである。

次に、第５図を参照して基板型光スイッチ１の製造方法
を説明する。

まず、同図（ａ）７こ示ず様に、あらかじめ下面１こ電
極７が形成された１１ｎＰ暴板２上に、液相エピタキン
ヤル成長（ＬＰＥ）法によりｎ−ＩｎＰバッファ層１１
、ｕ−１ｎＧａΔｓＰ光導波路層Ｉ２、ｎＴｎＰクラッ
ド層Ｉ３を順次多層成長させる。

次に、同図（ｂ）に示す様に、フォトリソグラフィ及び
反応性イオンエソチンク（ＲＩＥ）法により１１１ｎＰ
クラット層１３を断面矩形状かつ平面Ｘ字形状にエツチ
ングしてリブ型の光導波路３（４）とする。次に、ｎ−
１ｎＰクラット層Ｉ３の電流閉じ込め部分？こ選択亜鉛
（Ｚｎ）拡散を用いてｐ型インジウムリン（以下、ｐ−
１ｎｌ’と称する）電流閉じ込め層Ｉ４を形成する。次
に、ｕ−１ｎＧａ八ｓＰへ導波路層１２の上部及びリブ
型の光導波路３（４）の交差部５の」二面を除く部分に
二酸化ケイ素（以下、Ｓｉｎ、と称する）絶縁層１５を
形成し、ｐ−ＩｎＰ電流閉じ込め層Ｉ４の上部に電極６
を形成する。

この基板４−〇光スイッチＩは、電極６．７間に電圧を
印加することにより交差部５の屈折率を変化させて入射
光を全反射ざＵ、出射光の方向を変化させる。

例えば、第４図に示牢ように、光導波路３の端３ａから
入射した光は、交差部５の電流がＯＦＦ状態であればそ
のまま同光導波路３の他端３ｂから出力するが、電流が
ＯＮ状態になると光導波路３から光導波路４に移行して
この光導波路４の他端４ａから出力“４ることとなる。

すなわち、光スイッチとしての動作を行う。

ごのように、」−記の基板型光スイッチｌは、バンドフ
ィリンク効果により大きな非線形屈折率を有するという
特徴と、ｎ−１ｎＰ基板２上に液イ１１エピタギノヤル
成長（Ｌ　Ｐ　ＩＩ　）法により第一段階成長のみで作
成できろという利点を持った光スイッチである。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、上記のノ１板型光スイノヂ１でｉ、Ｊ：、Ｉ
Ｅ人キャリアの閉じ込めに選択亜鉛（Ｚｎ）拡散を用い
ているために、ｐ型のドーパントであるＺｎの深さ方向
の濃度制御が非常に難しいという問題点があった。拡散
深さ方向のＺｎ濃度のばらつきにより遷移領域のキャリ
ア密度か大幅に変動するために、スイッチ駆動電流のば
らつきか大きく、またＺｎによるフリーキャリア吸収損
失を生じさせることとなり、したがって、光の伝送損失
を非常に大きなものにしている。

また、ｐ型の１・−パン）・は選択拡散ができるか、ｎ
型のドーパントは一般に選択拡散ができないので、ｐ型
の基板を用いて光スイッチを作成することが非常に困難
であるという問題点もあった。

この発明（」、」−記の事情に鑑みてなされたもので、
以」二の問題点を有効に解決するとともに、スイッチン
グを行うための電流閉じ込めを選択亜鉛（Ｚｎ）拡散を
行うことなく、１．かも簡便に効率良く行うことができ
、かつ、自由キャリアの吸収損失を低下さ且ることので
きろ基板型光スイッチを提供することにある。

１課題を解決するための手段］ 」二記課題を解決するために、この発明は次の様な基板
型光スイッチを採用した。ずなわぢ、化合物半導体材料
を光導波路とするキャリア注入型の基板型光スイッチに
おいて、化合物半導体箔板の」一部位置に電流閉じ込め
層を設け、該電流閉じ込め層の−上部位置に無）・−プ
の第１半導体層を設（Ｊ、該第１半導体層の」一部位置
に光導波路層を設け、前記電流閉じ込め層は電流閉じ込
め部を選択除去した結晶層から構成され、前記電流閉じ
込め部は前記電流閉じ込め層と反対導電型の第２半導体
層から構成されることを特徴としている。

［作用コ この発明では、電流閉じ込め層に電流閉じ込め部を形成
したことにより、基板型光スイッチに注入されたキャリ
アは光導波路層を横切り電流閉じ込め部に向う幅の狭い
層流となって流れ、光導波路層においてはスイッチング
に必要な部分のみにキャリアが集中する。したがって、
電流閉じ込め部は注入された電流を外方へ散逸すること
なくこの電流の流入流出領域内に効果的に閉じ込める。

前記電流閉し込め層の上部位置に独立して設けられた無
１・−プの第１半導体層と光導波路層は、入射光をこの
光導波路層の外方へ散逸することなく効果的に伝搬する
。この光導波路層においては、−１−記のキャリアがこ
の光導波路層の屈折率を効果的に変化ざＵて入射光を全
反射させ出射光の方向を変化さＵる。また、注入された
キャリアの吸収を低減し、自由キャリア吸収損失を低下
させる。

前記電流閉じ込め層と反対導電型の第２半導体層から構
成された電流閉じ込め部は、電流閉じ込め部に注入され
たキャリアを外方へ散逸することなくごの電流の流入流
出領域内に更に効果的に閉じ込める。

［実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の一実施例について説明
する。

第１図ないし第３図はこの発明に係る基板型光スイッチ
２１を示ず図である。

この基板型光スイッチ２Ｉは、化合物半導体基板である
ｐ−ＩｎＰ基板２２１−に、化合物半導体材オＮからな
る２つの光導波路２３．２／ｌが断面矩形状かつ平面上
でＸ字形状に交差４−るように形成され、この交差部２
５の−１−面にｎ−電極２６が、また、この交差部２５
の下方のｐ−ＩＴＩＰ基板２２の下面にｐ−電極２７が
それぞれ形成されたものである。

このｐ−■ｎＰ基板２２上には、第２図に示す様に、化
合物半導体結晶である（ｎ＋）−■ｎＰバッファ層３１
、ｎ−ＩｎＰ電流閉じ込め層３２、無ドープｌ　ｎＰ　
（ｕ　−１ｎＰ　）ハソファ層（第１半導体層）３３、
ｕ−ＴｎＧａＡｓＰ光尋波路層３４が順次積層されてい
る。ただし、記号（ｎ＋）（あるいは（ｎ−１−））は
、高濃度の不純物を含むｐ型（あるい（Ｊｎ型）を意味
する。

ｎ−１ｎＰ電流閉じ込め層３２の電流を閉じ込める部分
にはエツチングにより選択除去された電流閉じ込め部３
５が形成され、この電流閉し込め部３５には、不純物（
Ｚｎ）拡散によりｐ型に転化したＴｎＰ層であるｐ−１
ｎＰ層（第２半導体層）３６が形成されている。また、
このｎ−ＴｎＰ電流閉じ込め層３２の下部に形成された
（ｎ＋）−ＩｎＰバッファ層３１と、上部に形成された
ｕ−ＴｎＰ／＜ツファ層３３とは電流閉じ込め部３５に
より連通されている。

ｕ−ＴｎＧ’ａΔｓＰ光導波路層３４の光導波部分の」
一部にはｎ−ＴｎＰクラツｌ’層３７及び（１＋）−Ｔ
ｎＧ　ａＡ　ｓＰコンタクト層３８が順次積層されてい
る。

そして、ｕ　−１’　ｎＧ　ａＡ　ｓＰ光導波路層３４
の上部及び（ｎ＋　）−１ｎＧ　ａΔｓＰコンタクト層
３８の交差部２５上面を除く部分には５ｉＯ７絶縁層３
つが形成されており、（ｎ＋）　−１ｎＧ　ａΔｓＰコ
ンタクト層３８の交差部２５−１−面にはｎ−電極２６
が形成されている。

次に、第３図を参照して上記の基板型光スイ・ソヂ２Ｉ
の製造方法を説明する。

■［第３図（ａ）参照］ 液相エピタギンヤル成長（ＬＰＥ）法により、あらかし
め下部にｐ−電極２７か形成されたｐ　−１ｎＰＰ板２
２」二に、第１段階の結晶成長として、（ｐｌ−）　−
Ｉ　ｎＰ　ハソファ層３１を３　ｌｉ　ｍ、　ｎ−Ｉ　
ｎＰ電電流口込め層３２をＩ　μｍ、　ｕ　−１ｎＧａ
ΔｓＰ加工マスク層４１を０３μｍ順次多層成長させる
。

■［第３図（ｂ）参照］ フォトリソグラフィにより、ｕ−１ｎＧａＡｓＰ加工マ
スク層４１の電流閉じ込め部に対応する位置にエツチン
グ用窓４２を形成する。次に、塩酸水溶液によりｎ−Ｔ
ｎＰ電流閉じ込め層３２をエツチングし、電流閉じ込め
部３５となる深さ１５μｍのＶ溝４３を形成する。この
Ｖ溝／Ｉ３形成後に、不用となったｕ−１ｎＧａＡｓＰ
加工マスク層４１をｎ−ＩｎＰ電流閉じ込め層３２から
除去する。

■［第３図（ｃ）参照］ 液相エピタギシャル成長（ＬＰＥ）法ににす、上述した
同図（ｂ）のｎ−１ｎＰ電流閉じ込め層３２及びＶ溝４
３の」一部位置に、第２段階の結晶成長として、ｕ−Ｔ
ｎＰバッファ層３３を２μｍ、ｕ−ＩｎＧ　ａＡ　ｓＰ
Ｐ導波路層３４を１．５　μｍ、　ｎ　−１ｎＰクラッ
ト層３７をＩ　、５　μｍ、　（ｎ＋）　−１ｎＧａΔ
ｓＰコンタクト層３８を０　、７　Ｉｔ　ｍ順次多層成
長させる。

この第２段階の結晶成長中に（ｎ＋）　−Ｔ　ｎＰバッ
ファ層３１からｕ−ＴｎＰバッファ層３３に向ってｐ型
ドーパントである７、　ｎが拡散し、電流閉じ込め部３
５の周辺をｐ型に転化したＩｎＰ層であるｐ−１ｎＰ層
３６か形成される。このｐ−１ｎＰ層３６の光導波路２
３．２４の交差部２５に沿う長さ（Ｑ）（第１図参照）
は高々百数十／１ｍである。

■［第３図（（１）参照］ （ｎ±）　−１ｎＧ　ａＡ　ｓＰコンタクト層３８の−
１一部の光導波路２３（２４）形成部分に８１０．マス
ク層４４を形成し、反応性イオンエツチング（［え［ト
〕）によりｎ−１ｎＰクラｙ　ｌ’層３７及び（ｎ−ｆ
−）　−Ｉ　ｎＧ　ａＡｓＰコンタクト層３８全３８の
形状にエツチングし、断面矩形状かつ平面Ｘ字形状のリ
ブ型の光導波路２３（２４）とする。この光導波路２３
（２４）形成後に、不用となったＳｉ○、マスク層４４
を（ｎ＋）　　１ｎＧａΔｓＰコンタクトＩＬ　３８か
ら除去する。

■［第３図（ｅ）参照］ ｕ−１ｎＧ　ａＡ　ｓＰ光導波層３４の」一部と、光導
波路２３（２４）の交差部２５の上面を除く部分にＳ＋
Ｏ３絶縁層３９を形成し、次に、光導波路２３（２４）
の交差部２５の」―面にｎ−電極２６を形成し、基板型
光スイッチ２１とオろ、。

−１−記の様に構成された基板型光スイッチ２１のｎ−
電極２Ｇとｐ〜電極２７間に所定の電圧を印加すると、
ｎ−電極２６より注入されノこ一１’　ヤリアは（ｎ十
）−”　Ｉ　ｎＧ　ａＡ　ｓＰコンタクト層３８、ｎ−
１ｎＰクラッド層３７、ｕ−１ｎＧａΔｓＰ光導波路層
３４を横切り（ｐ＋）　　ｒｎｐバッファ層３１へ流れ
込む。

ｎ−ＩｎＰＹＪｌ流閉じ込め／ｉ３２には１）−１１Ｉ
Ｐ層３６からなる電流閉じ込め部３５が形成されている
ので、注入されたキャリアは電極２６から電流閉じ込め
部３５に向って幅の狭い層流となり、ｕ−１ｎＧａ八ｓ
Ｐへ導波路層３４においてはスイッチングに必要な部分
のみにキャリアが集中することとなる。したがって、こ
のキャリアが交差部２５の屈折率を効果的に変化させて
入射光を全反射させ出射光の方向を変化させることとな
る。例えば、第１図に示すように、光導波路２３の一端
２３ａから入射した光は、交差部２５の電流かＯＦＦ状
態であればそのまま同光導波路２３の他端２３１）から
出力するが、電流がＯＮ状態になると光導波路２３から
光導波路２４に移行してこの光導波路２４の他端２４ａ
から出力することとなる。ずなわし、光スイッチとして
の動作を行う。

ここで、本発明者等が行った基板型光スイッチ２１の効
果確認の検問結果について説明する。

表・Ｉは、この実施例の素子長２ｍｍの２×２基板型光
スイツヂ２Ｉと従来の基板型光スイッチ１とを比較した
ものである。

」−記の結果から、基板型光スイッチ２１では、従来の
基板型光スイッチＩと比べて約１／２の大きさの駆動電
流でスイッチング動作が可能であり、挿入損失も６（１
３以上低下することがイつかる。この中で導波損失はＩ
　（１１３／　ｃｍてあり、低下した挿入損失の大半か
自由キャリア吸収の減少によるものである。また、消光
比は＋５（１１３で従来のものと変わりがなく、他の特
性も特に変化はみられない。これより、この基板型光ス
イッチ２１は、駆動電流８０ｍＡでスイッチング動作し
良好なスイッチング特性を有することがわかる。

以上詳細に説明した様に、」二記の一実施例の基板型光
スイッチ２１によれば、ｐ−ＩｎＰ基板２２上に化合物
半導体結晶から構成されたｎ−１ｎＰ電流閉じ込め層３
２が形成されており、このｎ　−Ｔ　ｎＰ電流閉じ込め
層３２の電流を閉じ込める部分には、エツチングにより
選択除去された電流閉じ込め部３５が形成されているの
で、この電流閉じ込め部３５の上部（こ形成されたｐ−
ｎ接合構造はキャリアの注入を効果的に行ない、一方、
電流閉じ込め部３５を除＜ｎ−ＴｎＰ電流閉じ込め層３
２は逆耐圧以下の印加電圧に対して常に高抵抗状態（電
流ＯＦＦ状態）を良好に保持することとなり、注入され
た電流を外方へ散逸することなくこの電流の流入流出領
域内に効果的に閉じ込めることができる。したがって、
光導波路２３（２４）にお１プるキャリアの広がりが小
さくなり、スイッチンク部分にお（Ｊるキャリア密度が
増加するので、スイッチング部分の屈折率を低駆動電流
で低ドさせることかでき、効率のよいスイッチング動作
を得ることができる３、 また、ｎ−１ｎＰ電流閉し込め層３２及び電流閉じ込め
部３５の形成を全て通）：５の結晶成長手段を用いて行
うことができるのでドーパント濃度の制御性か良好とな
り、自由キャリア吸収損失を低下ざ且ることかでき、挿
入損失の増大を抑制することができる。したかって、低
駆動電流でスイッチング動作可能、良好な損失特性、高
効率等の特徴を有する基板型光スイノヂを提供すること
ができる。

また、ｎ−ＩｎＰ電流閉し込め層３２の上部位置にｕ−
■ｎＰハソファ層３３、ｕＴｎＧａΔｓＰ光導波路層３
４を順次積層したので、入射光をこのＵＩｎＧａＡｓＰ
光導波路層３４の外方へ散逸することなく効果的に伝搬
させろことかでき、注入されたキャリアかＬＩ　　Ｉｎ
Ｇａ／＼ｓＰ光導波路層３／Ｉの屈折率を効果的に変化
ざＵることかでき、出射光の方向を低駆動電流で効果的
に変化させろことができる。また、自由キャリアの吸収
を低減することかでき、白目］キャリアの吸収損失を低
ドさＵることがてきる。

また、電流閉じ込め部３５にはｐＩｎｒ’層３６が層成
６れているので、電流閉じ込め部３５に注入されたキャ
リアは外方へ散逸することなく電流の流入流出領域内に
更に効果的に閉じ込めることができる。

なお、上部の実施例においては、Ｉ）ＩｎＰ基板２２上
にｎ−ＴｎＰ電流閉じ込め層３２を形成した構成とした
が、この構成はｐ型態外の化合物半導体基板にも適用す
るこ七ができ、例えば、ｎ−１ｎＰ基板上にｐ−ＴｎＰ
電流閉じ込め層を形成した構成、あるいはＴｎＰ基板上
に５Ｔ−ｒｎＰ電流閉し込め層を形成した構成等、様々
な構成のものが可能であ・る。

［発明の効果］ 以」二詳細に説明した様に、この発明によれば、化合物
半導体材料を光導波路とするキャリア注入型の基板型光
スイッチにおいて、化合物半導体基板の上部位置に電流
閉じ込め層を設け、該電流閉じ込め層の上部位置に光導
波路層を設５１、前記電流閉じ込め層は電流閉じ込め部
を選択除去した結晶層から構成されることとしたので、
この電流閉じ込め部の」一部で（Ｊキャリアの注入を効
果的に行なうことができ、一方、電流閉じ込め部を除く
電流閉じ込め層の上部では逆耐圧以下の印加電圧に対し
て常に高抵抗状ｅ（電流ＯＦＦ状ｆＱ　）を良好に保持
することとなり、注入された電流を外方へ散逸すること
なくこの電流の流入流出領域内に効果的に閉じ込めるこ
とができる。したかって、光導波路層にお（」るキャリ
アの広がりが小さくなり、スイッチング部分にお１ジる
キャリア密度が増加するので、低駆動電流で効率のよい
スイッチング動作を得ることができる。

また、化合物半導体基板にの任意の位置に自在に電流閉
し込め部を形成することができるので、電流閉し込め層
及び電流閉し込め部はドーパント濃度の制御を良好に行
うことかでき、従来のものと比較して良好な損失特性を
得ることができる。

また、電流閉じ込め層の」一部位置に無トープの第１半
導体層を設（Ｊ、該第１半導体層の−１一部位置に光導
波路層を設けたので、入射光をこの光導波路層の外方へ
散逸することなく効果的に伝搬させることができ、注入
されたキャリアが光導波路層の屈折率を効果的に変化さ
せることができ、出射光の方向を低駆動電流で効果的に
変化させることができる。また、自由キャリアの吸収を
低減することができ、自由キャリアの吸収損失を低下さ
且ることかできる。

また、電流閉じ込め部は、前記電流閉し込め層と反対導
電型の第２半導体眉から構成されているので、電流閉じ
込め部に注入されたキャリアは外方へ散逸することなく
電流の流入流出領域内に更に効果的に閉じ込めることが
できる。

以」二により、自由キャリアの吸収損失を低下させるこ
とができ、損失特性の良好な高効率の基板型光スイッチ
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はこの発明の一実施例を示ケ図であ
って、第１図は基板型光スイッチの斜視図、第２図は第
１図のＩＴ　−ｎ線に沿う断面図、第３図（ａ）〜（ｅ
）は基板型光スイッチの製造方法を説明するための過程
図、第４図及び第５図は従来の基板型光スイッチを示す
図であって、第４図は基板型光スイッチの斜視図、第５
図（ａ）及び（ｂ）は基板型光スイッチの製造方法を説
明するための過程図である。 ２】　・・・ ２２　・・ ・・・基板型光スイッチ、 ・ｐ−１ｎＰ基板、 ・光導波路、 ・交差部、　　２６　・・　・・ｎ ・・・ｐ−電極 ・（ｐ＋）−１ｎＰバッファ層、 ｎ−ＩｎＰ電流閉じ込め層、 ｕ−１ｎＰバッファ層、 ｕ−ＴｎＧａΔｓＰ光導波路層、 電流閉じ込め部、 電極、 ｐ−１ｎＰ層、 ｎ−１ｎＰクラツドｌ〆、 （ｎ＋　）　−ｒ　ｎｃ；　ａＡ　ｓＰコンタクＳ１０
．絶縁層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　化合物半導体材料を光導波路とするキャリア注入型の
   基板型光スイッチにおいて、 化合物半導体基板の上部位置に電流閉じ込め層を設け、
   該電流閉じ込め層の上部位置に無ドープの第１半導体層
   を設け、該第１半導体層の上部位置に光導波路層を設け
   、前記電流閉じ込め層は電流閉じ込め部を選択除去した
   結晶層から構成され、前記電流閉じ込め部は前記電流閉
   じ込め層と反対導電型の第２半導体層から構成されるこ
   とを特徴とする基板型光スイッチ。