JPH0430114A - 半導体光素子 - 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１ 本発明は、光通信や光情報処理の分野で利用される、大
電力の入射光に対しても動作可能な光変調器、光検出器
等の半導体光素子に関するものである。

［従来の技術］ 従来使用されている電界吸収形半導体光変調器や光検出
器の基本構造としては、高不純物濃度のｐ形およびｎ形
のクラッド層の間にノンドープのコア層が電界印加層と
して配置されているものがある。これら素子の電界印加
層に外部電界を印加することによって、光の変調あるい
は検出等の光機能を可能にしている。この種の素子では
、動作上の許容入射光電力の大きさは、方式性能を決め
る重要な要因であり、できる限り太き（する必要がある
。

従来の半導体光素子の構造では、その構造上の制約から
、光入射端面近傍に光吸収電流が集中的に流れる。この
ため、特に入射端面部近傍において、電気抵抗による局
部的な発熱が起こる。さらに、この近傍の結晶欠陥や構
造上の電界集中に起因するもれ電流等により、素子材料
にダメージが発生する等の素子劣化が生じ易く、入射光
電力の上限が制約されていた。

第６図は、従来の光変調器の一例を示す斜視図である。

ここで、ｌはＡｕ等から形成される電極、２は半導体材
料と電極ｌとの間でオーミック接触を得るためのキャッ
プ層である。３はｐ形半導体層、４はノンドープ半導体
層、５はｎ形半導体層、６はｎ形半導体基板であり、こ
れら層３，４，５．６により光導波路が形成されている
。ｐ形半導体層３１３よびｎ形半導体層５，６がクラッ
ド部になり、ノンドープ半導体層４がコア部になる。７
は電極である。

この場合、電極７に対して、電極１に負の外部電圧（逆
バイアス）■を印加すると、電圧Ｖの大きさに応じて、
ノンドープ層４に電界が加わり。

この贋の吸収係数αが変化する。通常の動作では、■が
大きくなる程、αが大きくなり、光に対する伝播損失が
大きくなる。このため、コア部４の一方の端面から一定
強度の光８を入射すると、電圧■に応じて強度変調され
た光９が光変調器から出射される。

第７図は、第６図の光変調器において、先導波路コア部
４の光吸収電流密度Ｊａおよび外部印加電圧Ｖによって
生じるもれ電流（暗電流）密度Ｊｚの分布を示す図であ
る。

第６図において、光入射端面の付近で光強度が最も大き
いため、光吸収電流密度Ｊａはこの付近で最も大きく、
光導波路の位置Ｘに対してｅｘｐ（−αＸ）に比例した
大きさになり、またＶが大きくなる程、その電流Ｊａは
大きくなる。一方、もれ電流Ｊｚは半導体材料の材質、
結晶品質、電界強度等に依存して変化する。

［発明が解決しようとする課題１ 通常、光導波路入出射端面ばへき開等により形成される
ため、半導体結晶にダメージが加わり易く、Ｊｚが大き
くなる。また、電極ｌのエツジ効果により、電界集中が
生じ、光導波路の中央部と比較して、この端面付近でＪ
ｌが大きくなる。このために、従来の光変調器では、光
入射端近傍で特に大きな電流が流れるため、半導体や電
極等の内部抵抗等により、この付近で大きな発熱が起こ
る。

従って、外部電圧Ｖを印加した状態で入射光８の強度を
大きくすると、入射端面部が特に温度上昇し、伝搬損失
が大きくなり、さらに、半導体結晶への熱的ダメージが
加わって、変調器の特性が劣化する問題が生じるので、
光強度を大きくできない欠点があった。

そこで、本発明の目的は、以上の欠点を解決して、光強
度を大きくしても動作可能な半導体光素子を提供するこ
とにある。

［課題を解決するための手段１ このような目的を達成するために、本発明は、半導体基
板と、該基板の一方の主面上に配置された第１電極と、
前記基板の他方の主面上に配置された第１の導電形の第
１半導体層と、該第１半導体層上に配置された低不純物
濃度の半導体層で構成される電界印加層と、該電界印加
層上に配置された第２の導電形の第２半導体層と、該第
２半導体層上もしくは近接して配置された第２電極とを
少なくとも具え、前記第１および第２半導体層と前記電
圧印加層とにより光導波路が構成された半導体光素子に
おいて、少なくとも前記第２電極の端部を、前記光導波
路の光入射端面より内側に配置したことを特徴とする。

ここで、前記第２電極の光入射端側の部分を円形状に形
成することができる。

前記第２半導体層の一部分を前記第２電極に対応して前
記光導波路の光入射端面より内側に配置することもでき
る。

さらに、前記光導波路のうち、少なくとも、その光入射
端の近傍の光導波路幅および厚さの少なくとも一方を前
記光導波路の残余の部分に対して相対的に小さ（するこ
ともできる。

本発明の他の形態では、半導体基板と、該基板の一方の
主面上に配置された第１電極と、前記基板の他方の主面
上に配置された第１の導電形の第１半導体層と、該第１
半導体層上に配置された低不純物濃度の半導体層で構成
される電界印加層と、該電界印加層上に配置された第２
の導電形の第２半導体層と、該第２半導体層上もしくは
近接して配置された第２電極とを少なくとも具え、前記
第１および第２半導体層と前記電圧印加層とにより光導
波路が構成された半導体光素子において、前記光導波路
のうち、少なくとも、その光入射端の近傍の光導波路幅
および厚さの少なくとも一方を前記光導波路の残余の部
分に対して相対的に小さくしたことを特徴とする。

【作　用１ 本発明では、半導体素子の光入射端側において、電極端
の位置を、光入射端部より内側に形成し、またはその曲
率半径を大きくした形状にし、あるいはこの近傍の光導
波路幅もしくは厚さを相対的に小さくすることによって
、光入射端近傍の電流密度を従来素子より低減化でき、
以て、素子発熱による特性劣化を防止でき、したがって
、大電力の入射光に対しても動作可能となる。

［実施例コ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

以下に、ｎ形半導体基板上にｐ−１−ｎ形半導体層を形
成し、１層を光導波路のコア部にした構造の電界吸収形
半導体光変調器を例にとって、本発明の実施例について
詳細に説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す斜視図であり、光入
射端側において電極端位置を光入射端より内側に形成し
た場合である。なお、従来例と同様の構成部分には、同
一の符号を付すものとする。

第１図において、ｌＯは電極、１１はオーミック接触を
とるためのキャップ層であり、ｐ形半導体層３の上にキ
ャップ層１１および電極１０の順次で配置する、この実
施例では、従来例（第６図）と比噂して、電極ｌＯとキ
ャップ層１１の端部を光入射端ｌに対して内側に位置さ
せるように構成すること番。

より、第１図から分るように、入射端部１２の結１欠陥
の多い場所には電界が加わらないようにし１いるため、
もれ電流Ｊｚを比較的小さくすることカ可能である。す
なわち、もれ電流の減少分だけ、光吸収電流密度Ｊａを
大きくできるので、光強度鴫大きくしても動作可能にな
る。

第２図は本発明の他の一実施例を示す斜視図χあり、こ
こで、ｐ形半導体層３の上にキャップ層１４および電極
台をこの順序で配置し、かつこれら電極１３およびキャ
ップ層１４の光入射端側の端部を円形にすることにより
、この電極端部での電界集中を緩和できるようにする。

さらに加えて、ｐ形半導体層３のうち、光入射端１２の
近傍の一部分を層１３および１４の円形端部にあわせて
エツチング等により除去して、層厚を薄くしているので
、光入射端面の電界強度を低減できるので、光入射端近
傍における光吸収電流密度Ｊａと、もれ電流Ｊ１を低減
できる。したがって、第１図示の実施例と同様の原理で
入射光の高電力化が可能になる。なお、第１図の実施例
においても、破線で示すように、ｐ形半導体層３のうち
、光入射端１２の近傍の一部分を層１３および１４にあ
わせて除去して、その層厚を薄くすることもできる。

第３図は本発明のさらに他の一実施例を示す斜視図であ
り、光入射端１２側の光導波路の幅Ｗ１を他の部分の幅
Ｗ８に対して細（構成した場合を示す。

第４図は第３図の実施例において、導波路構成法の原理
を説明する図である。

第３図において、１５は電極、１６はキャップ層、１７
、１９は光導波路のクラッド部を構成するｐ形およびｎ
形半導体層、１８はコア部を構成するノンドープの半導
体層であり、基板６上に層１９．１８゜１７、１６およ
び１５の順序で積層する。ここで、層１５および１６は
光入射端１２より内側に後退して配置されている。光導
波路幅Ｗは、光入射端１２近傍の１の領域でＷ３、光入
射端近傍の■の領域でＷ、に定めており、ここで、！＋
＜Ｌの関係がある。

第４図は、光導波路のコアの厚さｄ（＝ｄ、！ｄ、）を
ある有限の一定の大きさにしたとき、幅Ｗの大きさと、
光導波路のスポットサイズｗｊ５よびコア部の光とじ込
め係数ｒとの関係を示す図である。第４図から分るよう
に、一般にＷが小さくなる程、「は単調的に小さくなる
が、Ｗについては、Ｗのある特定の大きさＷｏで最小値
ｗ０になる関係を示す。

そのときの１゜９ｗｏの大きさは、光導波路の材質１寸
法、形状に依存し、その関係は、故ゆる等偏屈折率法や
有限要素法等の通常の光導波路解析法により求める。こ
とが可能である。光導波路を、その幅について、Ｗ　ｌ
＜　！ｌ　＊の関係で構成すると、そのとじ込め係数ｒ
は、ｒ　ｌ＜　ｒ　＊の関係になる。

電極１５に外部電圧が加わることにより、ノンドープ半
導体層１８の吸収係数は変化するが、光導波路としての
吸収係数は「に比例する大きさになるので、■の領域の
吸収係数は、Ｈの領域の吸収係数より小さくなる。した
がって、光入射端１２の近傍の光吸収電流を相対的に低
減できる効果を有する。ただし、光素子全体の光吸収量
も、この場合、低減するので、消光比も低下してしまう
。しかし、一般に、印加電圧に対する吸収係数の変化は
非線形の関係を示すので、電圧をわずか増加させるだけ
で、消光比を回復でき、したがって、駆動電圧の増加を
ほとんど招くことなく光変調器を構成できる。

このときの光導波路における光吸収電流密度分布を第５
図に示す。

以上の構成において、Ｗｌと６の大きさを、第４図に示
すように、それぞれのスポットサイズの大きさが等しく
（ｗ、’）なるようにすれば、スポットサイズ不整合に
よる損失を低減できるので、低損失な光変調器を実現で
きる。

第３図の実施例では、導波路幅Ｗを変える場合について
説明したが、導波路コア部１８の厚さｄを変えても本発
明の効果を得ることができる。すなわち、Ｗを一定にし
て、領域Ｉのコア厚ｄ１と領域Ｈのコア厚ｄ２を、ｄ　
＋　＜　ｄ　ｓの関係に構成すると、とじ込め係数Ｆは
上記と同様に「＋　＜　ｒ　ｘの関係になるので、光入
射端１２の近傍の光吸収電流を相対的に低減できる。こ
のとき、領域Ｉ、ＩＩの光スポツトサイズＷが等しくな
るようにｄ＋、ｄｘを設定すれば、低損失な特性も確保
できる。

さらにまた、Ｌ＜Ｌ、　ｄ＋＜ｄｘになる導波路構成と
しても、同様の原理で本発明の効果を得ることができる
のは自明である。

さらに加えて、第１図または第２図に示した実施例１ま
たは２において、光入射端１２近傍の光導波路の幅およ
び／または厚さを相対的に小さくすることもできる。

第３図の実施例において、例えば、層１７と１９による
クラッド部にＩｎＡｌＡｓを、ノンドープ層１８として
多重量子井戸構造（井戸層：　ＩｎＧａＡｓ、障壁層：
　　ＩｎＡｌＡｓ）の半導体層を用いた１、５μ−帯吸
収形光変調器の場合、通常、導波路コア厚ｄ２は０．３
〜０．４μｍになるので、ｄｌを０．１〜Ｏ，＝２μｍ
□程度にすれば、スポットサイズ豐。はそれぞれ０．３
〜０．４μ黴程度の大きさになる。一方、光とじ込め係
数Ｆについては、「１は２０〜４０％、「２は６０〜７
０％になるので、光入射端１２の近傍の吸収係数を軽減
できる。したがって、高電力の光入射が可能になる。

以上では、ｎ形半導体基板６上にｐ−１−ｎ形半導体層
を形成した場合を示したが、ｐ形半導体基板上に、ｎ−
１−ｐ形半導体層を形成したもの、あるいは、半導体絶
縁基板上にｐ−１−ｎまたはｎ−１−ｐ半導体層を形成
したものなどにも本発明を適用できる。

また１以上では、コア部をノンドープ半導体層４または
１８で構成した場合について説明したが、コア部をｐ−
１−ｎ構造の半導体層で構成し、光吸収層になるｉ−半
導体層の光とじ込め係数ｒを、上言己のように、領域■
に対して、領域工の値で小さくしてもよい。

【発明の効果Ｊ 以上説明したように、本発明では、半導体素子の光入射
端側において、電極端の位置を、光入射端部より内側に
形成し、またはその曲率半径を太き（した形状にし、あ
るいはこの近傍の光導波路幅もしくは厚さを相対的に小
さ（することによって、光入射端近傍の電流密度を低減
化した構造にすることにより、素子発熱による特性劣化
を改善できるので、大電力の入射光に対しても動作可能
になり、大電力半導体光素子を実現できる。

本発明は、量子とじ込めシュタルク効果を利用した多重
量子井戸構造の半導体変調器やフランツケルディッシェ
効果を利用した半導体バルク結晶の半導体変調器など、
電界吸収形変調器に利用できる。さらにまた、本発明は
、導波路形量光器など、光吸収を利用した半導体光素子
にも適用できることは自明である。さらに加えて、以上
の個別タイプの光素子のみならず、半導体レーザ素子と
一体構成のモノリシックタイプの光素子に対しても本発
明を適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図は、それぞれ本発明の実施
例１．２および３の構成を示す斜視図、第４図および第
÷図は本発明の詳細な説明するだめの特性図、 第６図および第牟図は、それぞれ、従来例の構成を示す
斜視図および光素子内の電流分布を示す図である。 ｌ・・・電極、 ２・・・キャップ層・ ３・・・ｐ形半導体層（クラッド層）、４・・・ノンド
ープ半導体層（コア層）５・・・ｎ形半導体層（クラッ
ド層）、６・・・ｎ形半導体基板、 ７・・・電極、 ８・・・入射光、 ９・・・出射光、 １０・・・電極、 １１・・・キャップ層、 １２・・・光入射端面、 １３・・・電極、 ｌ４・・・キャップ層、 １５・・・電極、 １６・・・キャップ層、 １７・・・ｐ形半導体層、 １８・・・ノンドープ半導体層、 １９・・・ｎ形半導体層。 特゛許出願人 日本電信電話株式会社 代 理 人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）半導体基板と、該基板の一方の主面上に配置された
   第１電極と、前記基板の他方の主面上に配置された第１
   の導電形の第１半導体層と、該第１半導体層上に配置さ
   れた低不純物濃度の半導体層で構成される電界印加層と
   、該電界印加層上に配置された第２の導電形の第２半導
   体層と、該第２半導体層上もしくは近接して配置された
   第２電極とを少なくとも具え、前記第１および第２半導
   体層と前記電圧印加層とにより光導波路が構成された半
   導体光素子において、少なくとも前記第２電極の端部を
   、前記光導波路の光入射端面より内側に配置したことを
   特徴とする半導体光素子。 ２）前記第２電極の光入射端側の部分を円形状に形成し
   たことを特徴とする請求項１記載の半導体光素子。 ３）前記第２半導体層の一部分を前記第２電極に対応し
   て前記光導波路の光入射端面より内側に配置したことを
   特徴とする請求項１または２記載の半導体光素子。 ４）半導体基板と、該基板の一方の主面上に配置された
   第１電極と、前記基板の他方の主面上に配置された第１
   の導電形の第１半導体層と、該第１半導体層上に配置さ
   れた低不純物濃度の半導体層で構成される電界印加層と
   、該電界印加層上に配置された第２の導電形の第２半導
   体層と、該第２半導体層上もしくは近接して配置された
   第２電極とを少なくとも具え、前記第１および第２半導
   体層と前記電圧印加層とにより光導波路が構成された半
   導体光素子において、前記光導波路のうち、少なくとも
   、その光入射端の近傍の光導波路幅および厚さの少なく
   とも一方を前記光導波路の残余の部分に対して相対的に
   小さくしたことを特徴とする半導体光素子。 ５）前記光導波路のうち、少なくとも、その光入射端の
   近傍の光導波路幅および厚さの少なくとも一方を前記光
   導波路の残余の部分に対して相対的に小さくしたことを
   特徴とする請求項１ないし３のいずれかの項に記載の半
   導体光素子。