JP4072107B2 - Semiconductor optical modulator and laser with optical modulator - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、伝送媒体にガラスファイバを用いた波長1.3〜1.5μm帯の光通信に用いられる光導波路型の半導体光変調器及び光変調器付きレーザに関するものである。 The present invention relates to an optical waveguide type semiconductor optical modulator and a laser with an optical modulator, which are used for optical communication in a wavelength band of 1.3 to 1.5 μm, for example, using a glass fiber as a transmission medium.
近年、高度情報化社会の発展に伴い、光ファイバを用いた光通信網が世界各国で発展し、光通信によって電話を中心とする多くの通信がなされている。
光ファイバを用いた光通信を実現するためには、電気信号をある変換回路を用いて光信号にする必要がある。こうした電気−光の変換を行うデバイスが光変調器である。
In recent years, with the development of an advanced information society, optical communication networks using optical fibers have been developed around the world, and many communications centered on telephones have been made by optical communication.
In order to realize optical communication using an optical fiber, it is necessary to convert an electrical signal into an optical signal using a certain conversion circuit. A device that performs such electro-optical conversion is an optical modulator.
電気−光の変換を行う光変調器には、直接変調方式と外部変調方式の2通りがある。直接変調方式は、半導体レーザ(LD)を用いて変調信号の変化をこのまま光源の強度変化にする方式である。これに対し、外部変調方式は、直流動作(CW)している半導体レーザからの出力光に対し、外部から変調を加える方式である。 There are two types of optical modulators that perform electro-optical conversion: direct modulation and external modulation. The direct modulation method uses a semiconductor laser (LD) to change the modulation signal as it is and to change the intensity of the light source. On the other hand, the external modulation method is a method of applying modulation from the outside to the output light from the semiconductor laser that is operating in direct current (CW).
半導体レーザを用いた直接変調は、構成が簡単で小型化もできるという利点を持つ。このため、半導体レーザを用いた直接変調は、これまで広く用いられてきた。しかしながらこの変調方式では、数GHz以上の高周波になると半導体レーザの持つチャーピング現象により、伝送速度に制限ができてしまう。チャーピングとは、半導体レーザの高速変調時(数GHz以上)に、キャリアの時間変動に伴い活性層の屈折率が変動し、レーザ共振器の共振波長が変化し、この結果として光の波長が変動する(波長揺らぎ、緩和振動)現象である。 Direct modulation using a semiconductor laser has the advantage that the configuration is simple and the size can be reduced. For this reason, direct modulation using a semiconductor laser has been widely used. However, in this modulation method, when the frequency becomes several GHz or higher, the transmission speed can be limited due to the chirping phenomenon of the semiconductor laser. Chirping means that during high-speed modulation (several GHz or more) of a semiconductor laser, the refractive index of the active layer varies with the time variation of the carrier, and the resonance wavelength of the laser resonator changes. It is a phenomenon that fluctuates (wavelength fluctuation, relaxation oscillation).
これに対し、外部変調器は、直流動作している半導体レーザからの安定光に対して電気光学効果などにより変調を加えるため、チャーピングの問題がなく、高速で長距離の伝送を可能にする。
光通信においては、波長域が1.3〜1.5μm帯の信号光が用いられ、主に石英系ガラスファイバを伝送媒体としている。このような光通信においては、例えば、InGaAlAsもしくはInGaAsPなどの化合物半導体(結晶)より構成された半導体光変調器が用いられている(特許文献1参照)。
On the other hand, the external modulator modulates the stable light from the semiconductor laser operating in direct current by the electro-optic effect, etc., so that there is no problem of chirping and enables high-speed transmission over a long distance. .
In optical communication, signal light having a wavelength band of 1.3 to 1.5 μm is used, and a silica glass fiber is mainly used as a transmission medium. In such optical communication, for example, a semiconductor optical modulator made of a compound semiconductor (crystal) such as InGaAlAs or InGaAsP is used (see Patent Document 1).
近年、分子線エピタキシー(MBE)や有機金属気相成長法(MOVPE)など、非常に薄い化合物半導体薄膜を形成する技術の進展によって、半導体多重量子井戸構造や超格子構造が登場するようになっている。これらの構造により、従来のバルク半導体に比べて、変調速度の向上など著しい光学素子の特性改良が可能となっている。このうち、多重量子井戸構造を光吸収層に採用し、ここに電界を印加して吸収係数を変化させる電界吸収効果は、バルク半導体に比べ特性の向上が非常に顕著である。 In recent years, semiconductor multi-quantum well structures and superlattice structures have emerged as a result of the development of extremely thin compound semiconductor thin films such as molecular beam epitaxy (MBE) and metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). Yes. With these structures, it is possible to significantly improve the characteristics of the optical element, such as an increase in modulation speed, as compared with conventional bulk semiconductors. Among these, the electroabsorption effect in which a multiple quantum well structure is adopted for the light absorption layer and an electric field is applied thereto to change the absorption coefficient, the improvement of the characteristics is very remarkable as compared with the bulk semiconductor.
これらの特性を用いることで、前述した半導体光変調器として、より高速で低電圧駆動が可能な素子が実現されている。この半導体光変調器は、多重量子井戸構造からなる光吸収層に逆バイアスの電気信号を印加し、励起子の吸収端の波長をシフトさせることにより、入力した信号光(光源)を変調し、電気信号を光信号に変換している。 By using these characteristics, an element capable of being driven at a higher speed and at a lower voltage is realized as the semiconductor optical modulator described above. This semiconductor optical modulator modulates the input signal light (light source) by applying a reverse bias electric signal to the light absorption layer having a multiple quantum well structure and shifting the wavelength of the absorption edge of the exciton, Electric signals are converted into optical signals.
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
ところが、従来の半導体光変調器には、次に示すような問題があった。
まず、InGaAsP系の材料を用いた素子では、バンド構造における伝導帯でのバンド不連続が小さいため、使用温度の影響を受けやすいという問題があった。このため、現状では、閃亜鉛鉱型結晶構造のInGaAsP系の材料を用いた素子は、実用上重要な特性の一つである特性温度が低いという問題があった。InGaAsP系材料では、価電子帯のΓ点におけるヘビーホールとライトホールとの間のエネルギーギャップ、すなわちスピンスプリット・オフエネルギー△spがないため、オージェ効果が大きい。この結果、InGaAsP系材料を用いた素子は、温度特性が良くない。
However, the conventional semiconductor optical modulator has the following problems.
First, an element using an InGaAsP-based material has a problem that it is easily affected by the operating temperature because the band discontinuity in the conduction band in the band structure is small. For this reason, at present, an element using an InGaAsP-based material having a zinc blende type crystal structure has a problem that a characteristic temperature, which is one of practically important characteristics, is low. InGaAsP-based materials have a large Auger effect because there is no energy gap between heavy holes and light holes at the Γ point of the valence band, that is, spin split-off energy Δsp. As a result, the element using the InGaAsP material has poor temperature characteristics.
また、前述した従来の半導体光変調器においては、波長のシフト量を大きくすることが要求されるが、シフト量を大きくするためには、上述した逆バイアスの電気信号として、大きな電圧印加が必要となる。これは、現状では、光吸収層をキャリアのない理想的な状態とすることが、ほぼ不可能なためである。例えば、光吸収層の上下のp形の半導体層やn形の半導体層から、拡散により不純物が侵入する場合もある。このように、現実には光吸収層にキャリアが存在し、pn接合によって発生するビルトイン電圧では、光吸収層を完全に空乏化することができない。この結果、光吸収層に印加する電気信号の一部が、光吸収層の空乏化に消費されることになる。この、空乏化に消費される部分が、逆バイアスの電気信号として必要となる。 Further, in the conventional semiconductor optical modulator described above, it is required to increase the wavelength shift amount, but in order to increase the shift amount, it is necessary to apply a large voltage as the above-described reverse bias electric signal. It becomes. This is because at present, it is almost impossible to make the light absorption layer in an ideal state without carriers. For example, impurities may enter through diffusion from p-type semiconductor layers and n-type semiconductor layers above and below the light absorption layer. Thus, in reality, carriers exist in the light absorption layer, and the built-in voltage generated by the pn junction cannot completely deplete the light absorption layer. As a result, a part of the electric signal applied to the light absorption layer is consumed for depletion of the light absorption layer. This portion consumed for depletion is required as a reverse bias electric signal.
従って、まず、従来の半導体光変調器には、高い逆バイアスに耐えることが要求される。しかしながら、逆方向の電圧に対する耐圧の大きい高純度の結晶を成長することは、容易ではない。
また、光変調器を動作させる超高速な電子回路は、大きな電圧を発生できないため、光変調器の動作電圧は、可能な限り小さくする必要がある。このため、半導体光変調器に設ける金属電極は、半導体光変調器を構成している化合物半導体層との間で、オーミック接合の状態となっている必要がある。
Therefore, first, the conventional semiconductor optical modulator is required to withstand a high reverse bias. However, it is not easy to grow a high-purity crystal having a large withstand voltage against a reverse voltage.
In addition, since an ultra-high speed electronic circuit that operates the optical modulator cannot generate a large voltage, the operating voltage of the optical modulator needs to be as low as possible. For this reason, the metal electrode provided in the semiconductor optical modulator needs to be in an ohmic junction state with the compound semiconductor layer constituting the semiconductor optical modulator.
これは、金属電極が接触する半導体層が、不純物濃度の高い状態であることを意味し、この不純物濃度の高い層により、上述した高純度な結晶からなる活性領域が挟まれることになる。光通信用外部変調器においては、量子井戸構造を挟む層として選択できる材料の中で、最大のバンドギャップエネルギーを有するのはInPであり、このバンドギャップエネルギーは1.42eVである。このような構成で、変調度を大きくするために大きな逆バイアスを掛けると、量子井戸の周囲の層が絶縁破壊を起こす可能性もある。 This means that the semiconductor layer in contact with the metal electrode is in a high impurity concentration state, and the active region made of the above-described high-purity crystal is sandwiched between the high impurity concentration layers. In an external modulator for optical communication, among materials that can be selected as layers sandwiching a quantum well structure, InP has the maximum band gap energy, and this band gap energy is 1.42 eV. With such a configuration, if a large reverse bias is applied in order to increase the degree of modulation, the layers around the quantum well may cause dielectric breakdown.
このような、高純度な結晶層と、不純物濃度の高い結晶層とが積層する構造の作製は、高価な結晶成長装置を必要とし、また、結晶層を成長させるプロセスも複雑となり、容易ではない。さらには、結晶成長に続く素子作製プロセスにも多くの工程を必要とする。この結果、上述した従来の半導体光変調器は、素子作製に多大なコストが掛かり、この上素子作製の歩留りが低い状態となっており、高価な素子となっている。 Fabrication of such a structure in which a high-purity crystal layer and a crystal layer with a high impurity concentration are stacked requires an expensive crystal growth apparatus, and the process for growing the crystal layer is complicated and not easy. . Furthermore, many steps are required for the element manufacturing process following the crystal growth. As a result, the above-described conventional semiconductor optical modulator requires a great deal of cost for device fabrication, and the yield of device fabrication is low, making it an expensive device.
また、従来では、半導体光変調器に、直流の逆バイアスと高周波の電気信号とを同時に印加する必要がある。このため、バイアスTと呼ばれる電子回路部品を用いる必要がある。例えば、半導体光変調器を、通信速度が10Gbit/秒に適用させる場合、上記電子回路部品に要求される出力帯域は、DC〜60GHzとなり、非常に高価なものとなる。また、出力の帯域がDCにおいても特性が良好な電子回路部品は、入手が困難である。 Conventionally, it is necessary to simultaneously apply a DC reverse bias and a high-frequency electrical signal to the semiconductor optical modulator. For this reason, it is necessary to use an electronic circuit component called a bias T. For example, when the semiconductor optical modulator is applied to a communication speed of 10 Gbit / sec, the output band required for the electronic circuit component is DC to 60 GHz, which is very expensive. In addition, it is difficult to obtain electronic circuit components having good characteristics even when the output band is DC.
ここで、従来よりある光変調器の一般的な構成や動作について、より詳細に説明する。
従来よりある光変調器は、基板の上に、下部クラッド層、不純物無添加とした多重量子井戸層、上部クラッド層、p型コンタクト層が順に積層された結晶構造を有している。多重量子井戸層は光を吸収する吸収層として機能し、この上下のクラッド層とで光導波路を構成している。また、コンタクト層の上にp電極が形成され、基板の下にn電極が形成されている。
Here, a general configuration and operation of a conventional optical modulator will be described in more detail.
Conventional optical modulators have a crystal structure in which a lower clad layer, an impurity-free multiple quantum well layer, an upper clad layer, and a p-type contact layer are sequentially laminated on a substrate. The multiple quantum well layer functions as an absorption layer that absorbs light, and the upper and lower cladding layers constitute an optical waveguide. A p-electrode is formed on the contact layer, and an n-electrode is formed below the substrate.
上記光導波路の一端の光入射端面から入射した光は、光導波路を伝搬する間に、ON/OFF変調されて光入射端面の反対の光出射端面から出射される。Fig.14は、p電極とn電極との間に電圧を印加していない(OFF)時と逆バイアスを印加した(ON)時における光吸収特性の入射光の波長λに対する依存性を示す。Fig.14において、この光変調器に入射する光の波長λを動作波長λsとして示した。 The light incident from the light incident end face at one end of the optical waveguide is ON / OFF-modulated and propagates from the light emitting end face opposite to the light incident end face while propagating through the optical waveguide. Fig. 14 shows the dependence of the light absorption characteristics on the wavelength λ of the incident light when no voltage is applied between the p electrode and the n electrode (OFF) and when a reverse bias is applied (ON). In FIG. 14, the wavelength λ of light incident on this optical modulator is shown as the operating wavelength λs.
電圧が印加されていない場合には、動作波長λsにおける光の吸収係数は十分小さく、入射光は光出射面からそのまま出射される。この状態に対し、十分な逆バイアスが印加されると、光吸収層の吸収特性が長波長側に移動するため、光の吸収が大きくなり、出射端からは出射されなくなる。このようにして、逆バイアス電圧をON/OFFすることにより、光導波路を伝搬する光もOFF/ONされ、電気信号を光信号に変換できる。 When no voltage is applied, the light absorption coefficient at the operating wavelength λs is sufficiently small, and incident light is emitted as it is from the light exit surface. If a sufficient reverse bias is applied to this state, the absorption characteristics of the light absorption layer shift to the longer wavelength side, so that light absorption increases and the light is not emitted from the emission end. In this way, by turning on / off the reverse bias voltage, the light propagating through the optical waveguide is also turned off / on, and an electric signal can be converted into an optical signal.
光変調器を構成する半導体層構造は、結晶成長により形成されるが、光吸収層の上下のクラッド層中のp及びn不純物が成長過程において拡散し、拡散した不純物が光吸収領域に進入している。このため、pn接合に発生するビルトイン電圧では、光吸収領域が完全に空乏化していない。従って、消光動作を司る多重量子井戸層(光吸収層)に十分な電界は発生していない状態であり、光の吸収が一度起きても、光吸収によって発生した電荷が残留し、それ以上の光吸収が起きない。 The semiconductor layer structure constituting the optical modulator is formed by crystal growth, but p and n impurities in the cladding layers above and below the light absorption layer diffuse during the growth process, and the diffused impurities enter the light absorption region. ing. For this reason, the light absorption region is not completely depleted by the built-in voltage generated at the pn junction. Therefore, a sufficient electric field is not generated in the multiple quantum well layer (light absorption layer) that controls the quenching operation. Even if light absorption occurs once, the charge generated by light absorption remains, and more No light absorption occurs.
言い換えると、従来の光変調器においては、光の吸収は、ほとんど起きないことになる。これに対し、外部から逆バイアス電圧を印加すると、多重量子井戸層が空乏化し、印加する逆バイアス電圧の増大とともに光吸収が増大し、消光が大きくなる。この状況を説明したものが、Fig.15の消光比の電圧依存性である。従って、最適動作のためには、Fig.15に示すバイアス点のポイントまで、外部から逆バイアス電圧を印加することによって完全に空乏化状態にする必要があり、このためのバイアスTなどの付加回路が最適動作のために必須である。 In other words, light absorption hardly occurs in the conventional optical modulator. On the other hand, when a reverse bias voltage is applied from the outside, the multiple quantum well layer is depleted, light absorption increases as the reverse bias voltage applied increases, and quenching increases. The explanation for this situation is the voltage dependence of the extinction ratio in Fig. 15. Therefore, for optimum operation, it is necessary to make it completely depleted by applying a reverse bias voltage from the outside up to the point of the bias point shown in Fig. 15, and an additional circuit such as a bias T for this purpose. Is essential for optimal operation.
また、クラッド層と多重量子井戸構造との間にセパレートコンファインメントヘテロ構造を形成するSCH層が存在する場合には、外部より逆バイアス電圧を印加する状態であっても、光吸収層を挟む上部及び下部SCH層は、ようやく空乏化する程度の弱い電界が印加されている程度の状態である。このため、SCH構造とした光変調器では、光吸収層などにおいて吸収によって発生したキャリアは、弱い電界でしか引き抜かれず、キャリアの走行速度が小さい。さらには、SCH層とクラッド層の間に存在するヘテロ障壁がキャリア走行の妨げとなり、キャリア蓄積が大きくなる。 In addition, when there is an SCH layer that forms a separate confinement heterostructure between the cladding layer and the multiple quantum well structure, even if a reverse bias voltage is applied from the outside, the upper part sandwiching the light absorption layer The lower SCH layer is in a state where a weak electric field that is finally depleted is applied. For this reason, in the optical modulator having the SCH structure, carriers generated by absorption in the light absorption layer or the like are extracted only by a weak electric field, and the traveling speed of the carriers is low. Furthermore, the hetero barrier present between the SCH layer and the clad layer hinders carrier travel, and increases the carrier accumulation.
従って、高強度の光の変調を行う時、光吸収によって発生するキャリアの方が引き抜かれるキャリア量より多くなり、この結果蓄積されるキャリアが引き起こす電界の不均一や電界遮蔽効果により、高速な動作が得られない。このようなキャリア蓄積を抑制するために、傾斜組成あるいは階段組成の半導体層でSCH層を形成し、できるだけスムースなキャリア引き抜きを行う技術もある。しかしながら、このような構成とすると、結晶成長が極めて複雑となり、かつ極めて高精度な成長技術が必要になり、素子の製造が困難になるという問題点がある。 Therefore, when modulating high-intensity light, the amount of carriers generated by light absorption is larger than the amount of carriers that can be extracted, resulting in high-speed operation due to the non-uniformity of the electric field caused by the accumulated carriers and the electric field shielding effect. Cannot be obtained. In order to suppress such carrier accumulation, there is a technique of forming a SCH layer with a semiconductor layer having a graded composition or a staircase composition, and performing carrier extraction as smoothly as possible. However, with such a configuration, crystal growth becomes extremely complicated, and an extremely high-precision growth technique is required, which makes it difficult to manufacture the device.
また、従来の素子においては、上下のクラッド層中のp及びn不純物が拡散しても変調層である多重量子井戸層まで高濃度で到達しないように、上部及び下部SCH層は拡散長程度以上の厚さにし、変調機能の低下を抑制するように構成されている。このため、変調電圧による変調動作状態では、この上部及び下部SCH層及び多重量子井戸層の全体に変調電圧が印加されていることになるが、有効電圧成分として光変調特性を司る多重量子井戸層には、この変調電圧の一部しか印加されていない。上部及び下部SCH層に分圧されている成分は、変調(消光)特性に直接寄与しない無効電圧成分である。 Further, in the conventional device, the upper and lower SCH layers are not less than the diffusion length so that even if the p and n impurities in the upper and lower cladding layers diffuse, the multiple quantum well layer that is the modulation layer does not reach at a high concentration. To reduce the modulation function. For this reason, in the modulation operation state by the modulation voltage, the modulation voltage is applied to the whole of the upper and lower SCH layers and the multiple quantum well layer, but the multiple quantum well layer governs the light modulation characteristics as an effective voltage component. Only a part of this modulation voltage is applied. The components divided by the upper and lower SCH layers are reactive voltage components that do not directly contribute to the modulation (quenching) characteristics.
また、外部から逆バイアス電圧を印加しない状況で動作させることも可能であるが、バイアス分に相当する極めて大きな振幅の駆動電圧が必要である。さらに、この場合、多重量子井戸層が完全に空乏化するまでは、電界強度は電圧に対し線形ではなく非線形のため、消光特性を反映して、透過光強度振幅波形は、極めて非線形性の強い歪なものとなる。
以上に説明したように、従来の半導体光変調器は、使用温度の影響を受けやすく、また、外部より高い電圧の逆バイアスを加えることが必要であるため、様々の問題を抱えていた。
Further, although it is possible to operate in a state where a reverse bias voltage is not applied from the outside, a driving voltage having an extremely large amplitude corresponding to the bias is required. Furthermore, in this case, until the multiple quantum well layer is completely depleted, the electric field intensity is not linear with respect to the voltage, but is nonlinear. Therefore, the transmitted light intensity amplitude waveform is extremely nonlinear, reflecting the extinction characteristic. It becomes distorted.
As described above, the conventional semiconductor optical modulator has various problems because it is easily affected by the operating temperature and it is necessary to apply a reverse bias having a higher voltage than the outside.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、使用温度の影響を受け難い半導体光変調器を提供することを目的とする。また、逆バイアスの高い電圧印加を必要としない半導体光変調器を提供することを目的とする。例えば、前述したような多重量子井戸層中における残留不純物や、上下のクラッド層中のp及びn不純物の拡散による不純物の増大のため、pn接合の形成によって発生するビルトイン電圧では、多重量子井戸層(SCH層を有する素子構造では、このSCH層も含む)が完全に空乏化しない状況を改善し、外部から逆バイアス電圧を印加することなく、最適動作が可能であり、高強度の光の変調に対しても、キャリアが蓄積されることなく高速な動作が得られ、さらに変調電圧が小さく、また、駆動電圧に対して非線形性の小さい半導体光素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor optical modulator that is not easily affected by the operating temperature. It is another object of the present invention to provide a semiconductor optical modulator that does not require voltage application with a high reverse bias. For example, in the built-in voltage generated by the formation of a pn junction due to the increase in residual impurities in the multiple quantum well layer as described above or the increase of impurities due to diffusion of p and n impurities in the upper and lower cladding layers, the multiple quantum well layer Improve the situation where the device structure (including the SCH layer including the SCH layer) is not completely depleted, and can operate optimally without applying a reverse bias voltage from the outside, and modulate high intensity light. However, an object of the present invention is to provide a semiconductor optical device that can operate at high speed without accumulating carriers, has a small modulation voltage, and has a low nonlinearity with respect to a driving voltage.
本発明に係る半導体光変調器は、第1導電形の下部クラッド層と、この下部クラッド層の上に形成され、量子井戸層及び障壁層から構成された量子井戸構造の光吸収層と、この光吸収層上に形成された第2導電形の上部クラッド層とを少なくとも備え、前記量子井戸層は、In1-X-YGaXAlYN(0≦X,Y≦1,0≦X+Y≦1)から構成され、前記障壁層は、In1-X'-Y'GaX'AlY'N(0≦X’,Y’≦1,0≦X’+Y’≦1)から構成され、前記下部クラッド層,光吸収層,及び上部クラッド層により、光入射端を備えた光導波路が構成され、前記量子井戸及び前記障壁層は、InGaAlNの非混和領域以外の相分離のない組成範囲とされており、前記光吸収層は無バイアスの状態で分極が発生しており、前記分極は前記光吸収層において発生している同じ方向の自然分極とピエゾ分極の和であるようにしたものである。
このように構成した結果、光吸収層は、オージェ効果の小さい材料から構成されているものとなる。また、光吸収層には、自然分極による電界が発生した状態となる。
A semiconductor optical modulator according to the present invention includes a first conductivity type lower cladding layer, a light absorption layer having a quantum well structure formed on the lower cladding layer, the quantum well structure and a barrier layer, And an upper cladding layer of the second conductivity type formed on the light absorption layer, wherein the quantum well layer is In 1-XY Ga X Al Y N (0 ≦ X, Y ≦ 1, 0 ≦ X + Y ≦ 1). And the barrier layer is made of In 1-X′-Y ′ Ga X ′ Al Y ′ N (0 ≦ X ′, Y ′ ≦ 1, 0 ≦ X ′ + Y ′ ≦ 1), The lower cladding layer, the light absorption layer, and the upper cladding layer constitute an optical waveguide having a light incident end, and the quantum well and the barrier layer have a composition range without phase separation other than an immiscible region of InGaAlN. and, the light absorbing layer is polarized in a non-bias state is generated, the polarization the light absorbing layer It is obtained as is the sum of the spontaneous polarization and piezoelectric polarization in the same direction that Oite occurred.
As a result of this configuration, the light absorption layer is made of a material having a small Auger effect. In addition, an electric field due to natural polarization is generated in the light absorption layer.
上記半導体変調器において、光吸収層は、多重量子井戸構造である。
また、上記半導体光変調器において、下部クラッド層は、所定の基板の上に形成されたものであってもよい。
In the semiconductor modulator, the light absorption layer has a multiple quantum well structure.
In the semiconductor optical modulator, the lower cladding layer may be formed on a predetermined substrate.
また、上記半導体光変調器において、量子井戸層と障壁層とは異なる格子定数を有するようにしてもよく、例えば、量子井戸層は、障壁層より大きな格子定数を有する、もしくは、量子井戸層は、障壁層より小さな格子定数を有するものとすればよい。
また、上記半導体光変調器において、量子井戸層は、InNの結晶から構成し、障壁層は、GaNの結晶から構成することができる。
In the semiconductor optical modulator, the quantum well layer and the barrier layer may have different lattice constants. For example, the quantum well layer has a larger lattice constant than the barrier layer, or the quantum well layer is The lattice constant may be smaller than that of the barrier layer.
In the semiconductor optical modulator, the quantum well layer may be composed of InN crystal, and the barrier layer may be composed of GaN crystal.
本発明の光変調器付きレーザは、同一の基板上に集積された導波路型の半導体レーザと半導体光変調器とから構成された光変調器付きレーザであって、半導体光変調器は、基板上に形成された第1導電形の下部クラッド層と、この下部クラッド層の上に形成され、量子井戸層及び障壁層から構成された量子井戸構造の光吸収層と、この光吸収層上に形成された第2導電形の上部クラッド層とを少なくとも備え、前記量子井戸層は、In1-X-YGaXAlYN(0≦X,Y≦1,0≦X+Y≦1)から構成され、前記障壁層は、In1-X'-Y'GaX'AlY'N(0≦X’,Y’≦1,0≦X’+Y’≦1)から構成され、前記下部クラッド層,光吸収層,及び上部クラッド層により、光入射端を備えた光導波路が構成され、前記量子井戸及び前記障壁層は、InGaAlNの非混和領域以外の相分離のない組成範囲とされており、前記光吸収層は無バイアスの状態で分極が発生しており、前記分極は前記光吸収層において発生している同じ方向の自然分極とピエゾ分極の和であるようにしたものである。
このように構成した結果、光吸収層は、オージェ効果の小さい材料から構成されているものとなる。また、光吸収層には、自然分極による電界が発生した状態となる。
The laser with an optical modulator of the present invention is a laser with an optical modulator composed of a waveguide type semiconductor laser and a semiconductor optical modulator integrated on the same substrate, and the semiconductor optical modulator is a substrate. A first-conductivity-type lower cladding layer formed thereon, a quantum well structure light-absorbing layer formed on the lower clad layer and composed of a quantum well layer and a barrier layer; and on the light-absorbing layer An upper cladding layer of the second conductivity type formed, and the quantum well layer is made of In 1-XY Ga X Al Y N (0 ≦ X, Y ≦ 1, 0 ≦ X + Y ≦ 1), The barrier layer is made of In 1-X′-Y ′ Ga X ′ Al Y ′ N (0 ≦ X ′, Y ′ ≦ 1, 0 ≦ X ′ + Y ′ ≦ 1), and the lower cladding layer, optical layer The absorption layer and the upper cladding layer constitute an optical waveguide having a light incident end, and the quantum well and the barrier layer are Are the non-non-miscible region of phase separation without the composition range of InGaAlN, the light absorbing layer is polarization occurs under no bias state, the polarization of the same direction are generated in the light absorbing layer The sum of natural polarization and piezo polarization .
As a result of this configuration, the light absorption layer is made of a material having a small Auger effect. In addition, an electric field due to natural polarization is generated in the light absorption layer.
上記光変調器付きレーザにおいて、量子井戸層と障壁層とは異なる格子定数を有するようにしてもよく、例えば、量子井戸層は、障壁層より大きな格子定数を有する、もしくは、量子井戸層は、障壁層より小さな格子定数を有するものとすればよい。
また、上記光変調器付きレーザにおいて、量子井戸層は、InNの結晶から構成し、障壁層は、GaNの結晶から構成することができる。
In the laser with an optical modulator, the quantum well layer and the barrier layer may have different lattice constants. For example, the quantum well layer has a larger lattice constant than the barrier layer, or the quantum well layer is What is necessary is just to have a lattice constant smaller than a barrier layer.
In the laser with an optical modulator, the quantum well layer can be composed of an InN crystal, and the barrier layer can be composed of a GaN crystal.
以上説明したように、本発明によれば、光吸収層を構成している量子井戸構造において、量子井戸層は、In1-X-YGaXAlYN(0≦X,Y≦1,0≦X+Y≦1)から構成し、障壁層は、In1-X'-Y'GaX'AlY'N(0≦X’,Y’≦1,0≦X’+Y’≦1)から構成したので、光吸収層がオージェ効果の小さい材料から構成されているものとなり、使用温度の影響を受け難いものとなる。 As described above, according to the present invention, in the quantum well structure constituting the light absorption layer, the quantum well layer is composed of In 1 -XY Ga X Al Y N (0 ≦ X, Y ≦ 1, 0 ≦ X + Y ≦ 1), and the barrier layer is composed of In 1-X′-Y ′ Ga X ′ Al Y ′ N (0 ≦ X ′, Y ′ ≦ 1, 0 ≦ X ′ + Y ′ ≦ 1). Therefore, the light absorption layer is made of a material having a small Auger effect, and is hardly affected by the use temperature.
また、光吸収層として作用する量子井戸層には、常に自然分極が発生している。このように、本発明によれば、バイアス電圧を印加しない状態であっても、光吸収層において電界が発生している状態とし、光吸収層を構成している量子井戸層のバンドが傾いているようにした。この結果、本発明では、信号電圧を印加して量子井戸のバンドの傾きをよりなだらかにすることで、励起子を構成する電子と正孔のバンドギャップエネルギー差を大きくすることができ、吸収される波長を変化させることができる。この結果、本発明によれば、例えば順方向バイアスによる動作によって、変調を行うことも可能としている。 In addition, spontaneous polarization always occurs in the quantum well layer acting as a light absorption layer. As described above, according to the present invention, even when no bias voltage is applied, an electric field is generated in the light absorption layer, and the band of the quantum well layer constituting the light absorption layer is inclined. I tried to be. As a result, in the present invention, the band gap energy difference between electrons and holes constituting the exciton can be increased and absorbed by applying a signal voltage to further smooth the slope of the quantum well band. The wavelength to be changed can be changed. As a result, according to the present invention, it is possible to perform modulation, for example, by an operation by a forward bias.
また、本発明の半導体光素子においては、多重量子井戸層中における、残留不純物や上下のクラッド層中のp及びn不純物の拡散による多重量子井戸層中の不純物の増大があっても、分極電界とpn接合の形成によって発生するビルトイン電圧で多重量子井戸層が完全に空乏化し、外部から逆バイアス電圧を印加することなく、最適動作が可能である。これは、SCH層を有する場合にも同様であり、SCH層における不純物の増大があっても、SCH層が空乏化されるようになる。 In the semiconductor optical device of the present invention, even if there is an increase in impurities in the multiple quantum well layer due to diffusion of residual impurities or p and n impurities in the upper and lower cladding layers in the multiple quantum well layer, The built-in voltage generated by the formation of the pn junction completely depletes the multiple quantum well layer, and an optimum operation is possible without applying a reverse bias voltage from the outside. The same applies to the case where the SCH layer is provided, and the SCH layer is depleted even if the impurity in the SCH layer increases.
このため、外部から逆バイアス電圧を印加するためのバイアスTなどの付加回路が不要となり、さらには、電源装置も不要となる。また、低変調電圧動作が実現されるため、変調器を駆動するドライバーに対する要求も小さくなり、ドライバーの低コスト化、低消費電力化が可能となる。これらにより、送信装置の大幅な小型化と低コスト化が可能となる。 For this reason, an additional circuit such as a bias T for applying a reverse bias voltage from the outside becomes unnecessary, and further, a power supply device becomes unnecessary. Further, since the low modulation voltage operation is realized, the demand for the driver for driving the modulator is reduced, and the cost and power consumption of the driver can be reduced. As a result, the transmitter can be significantly reduced in size and cost.
また、量子井戸層の格子定数より障壁層の格子定数を大きくして量子井戸層に歪みを加え、上述した自然分極に加えてピエゾ分極を発生させるすることで、バイアス電圧を印加しない状態であっても、光吸収層において電界が発生した状態とし、光吸収層を構成している量子井戸層のバンドを傾かせるようにすることも可能である。ただし、引っ張り歪みなど自然分極とピエゾ分極との方向が異なる場合、自然分極の大きさとピエゾ分極との大きさが異なるように、量子井戸層と障壁層の組成を組み合わせる。 Also, the lattice constant of the barrier layer is made larger than the lattice constant of the quantum well layer to distort the quantum well layer and generate piezo polarization in addition to the above-described natural polarization, so that no bias voltage is applied. However, it is also possible to incline the band of the quantum well layer that constitutes the light absorption layer by setting an electric field in the light absorption layer. However, when the directions of natural polarization and piezoelectric polarization, such as tensile strain, are different, the compositions of the quantum well layer and the barrier layer are combined so that the magnitude of the natural polarization is different from the magnitude of the piezoelectric polarization.
また、本発明の半導体光変調器及び半導体光変調器付きレーザには、従来の半導体光変調器の場合に用いる大きな直流の逆バイアスを印加する必要がない。本発明の構成によっては、一切の直流バイアスを印加する必要がない。このため、逆バイアスに耐えうるような高品質の結晶を必要としない。このことは、結晶成長プロセスのマージンを大きくすることになる。この結果、素子製作の歩留りが向上し、より安価な素子を提供することが可能となる。また、大きな逆バイアスを印加する必要がないことから、素子の寿命も長くなる。従って、本発明の素子を用いて通信システムを構成すれば、信頼性が向上するようになる。 Further, it is not necessary to apply a large DC reverse bias used in the case of the conventional semiconductor optical modulator to the semiconductor optical modulator and the laser with the semiconductor optical modulator of the present invention. Depending on the configuration of the present invention, no DC bias need be applied. This eliminates the need for high quality crystals that can withstand reverse bias. This increases the margin of the crystal growth process. As a result, the yield of device fabrication is improved, and a cheaper device can be provided. In addition, since it is not necessary to apply a large reverse bias, the lifetime of the element is extended. Therefore, if a communication system is configured using the element of the present invention, the reliability is improved.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図1は、本発明の実施の形態における
[実施の形態1]
はじめに、本発明の第1の実施の形態について説明する。
図1(a)は、本発明の実施の形態における半導体光変調器の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。また、図1(b)は、半導体光変調器の構成を概略的に示す斜視図である。なお、以降の記載において、GaNやAlGaNやAlN及びInNなどの化合物半導体材料は、断りがなければ単結晶である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
First, a first embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1A is a schematic cross-sectional view schematically showing a configuration example of a semiconductor optical modulator according to an embodiment of the present invention. FIG. 1B is a perspective view schematically showing the configuration of the semiconductor optical modulator. In the following description, compound semiconductor materials such as GaN, AlGaN, AlN, and InN are single crystals unless otherwise specified.
この半導体光変調器は、まず、厚さ330μmの(0001)面サファイア(Al2O3の結晶)からなる単結晶基板101の窒化処理された表面に、GaNからなる膜厚20nmのバッファ層102、Mgが添加されたp形のGaNからなる膜厚4μmの電極層103、Mgが添加されたp形のAl0.1Ga0.9Nからなる膜厚0.5μmのクラッド層104を備えている。なお、単結晶基板101は、サファイアに限るものではなく、例えば、炭化シリコン(SiC)や、酸化亜鉛(ZnO)やリチウムガレート(LiGaO2)などの結晶から構成するようにしてもよい。
In this semiconductor optical modulator, first, a
また、クラッド層104の上には、多重量子井戸構造の光吸収層105を備えている。光吸収層105は、InGaAlN系の材料であるノンドープのGaNからなる障壁層151と,ノンドープのInNからなる量子井戸層152との積層構造である。なお、量子井戸層152は、In1-X-YGaXAlYN(0≦X,Y≦1,0≦X+Y≦1)から構成され、障壁層151は、In1-X'-Y'GaX'AlY'N(0≦X’,Y’≦1,0≦X’+Y’≦1)から構成されていればよい。これらの組成の組み合わせについては、以降に詳述する。なお、光吸収層105は、量子井戸構造となっていればよく、単一量子井戸構造であってもよい。
A
量子井戸層152の膜厚は、例えば、電子の波動関数の広がり以下と、量子効果が得られる膜厚である。障壁層151は、波動関数が量子井戸層152との間でほぼ重ならない状態が得られる厚さとなっていればよい。また、ここでは、量子井戸層152を構成する材料の格子定数が、障壁層151を構成する材料の格子定数より大きい状態となっている。本実施の形態では、5層の障壁層151と3層の量子井戸層152の積層構造とした。積層の数は、光吸収の状態により適宜設定すれば良く、他の積層数としてもよい。
The film thickness of the
また、光吸収層105の上には、Siが添加されたn形のAl0.1Ga0.9Nからなる膜厚0.5μmのクラッド層106が形成されている。
従って、図1に示す半導体光変調器では、クラッド層104,光吸収層105,クラッド層106により、光入射端及び光出射端を備えた光導波路が構成されていることになる。
On the
Therefore, in the semiconductor optical modulator shown in FIG. 1, the
また、図1の半導体光変調器は、Siが添加されたn形のGaNからなる膜厚0.1μmのコンタクト層107、及びn形金属電極108が形成されている。n形金属電極108は、図示しないが、コンタクト層107に直接接触する膜厚50nmのアルミニウム層と膜厚200nmの金層との積層構造となっている。
なお、電極層103は、この上の各層を一部エッチングすることで形成された露出領域を備え、この露出領域にp形金属電極109を備えている。p形金属電極109は、図示しないが、上記露出領域に直接接触する膜厚50nmのニッケル層とこの上に形成された膜厚200nmの金層との積層構造となっている。
In the semiconductor optical modulator of FIG. 1, a
The
本実施の形態では、上述したようにウルツ鉱型結晶であるInGaAlN系の材料を用いて半導体光変調器を構成した。この結果、光吸収層105は、オージェ効果の小さい材料から構成されているものとなり、使用温度の影響を受け難いものとなる。
また、上記実施の形態では、光吸収層105に、InGaAlN系の材料としてInNとGaNを用い、これらで多重量子井戸構造を形成している。これらウルツ鉱型結晶には、閃亜鉛鉱型結晶には存在しない分極効果を備えている。
In the present embodiment, as described above, the semiconductor optical modulator is configured using an InGaAlN-based material that is a wurtzite crystal. As a result, the
In the above embodiment, InN and GaN are used for the
この分極効果により、光吸収層105には、無バイアスで分極が発生している状態となる。このことにより、光吸収層105にキャリアが存在していても、光吸収層105が空乏化した状態が得られる。このように、本実施の形態による半導体光変調器では、InGaAlN系の材料から光吸収層105を構成し、加えて、無バイアスで分極が発生しているようにしたので、空乏化のための消費がない状態で、順方向電圧の印加により光の変調を可能としている。
Due to this polarization effect, the
このように、本発明によれば、分極電界とpn接合の形成によって発生するビルトイン電圧によって光吸収領域が空乏化しているようにしたので、外部から逆バイアス電圧を印加することなく、最適動作が可能であり、高強度の光の変調に対しても、キャリアが蓄積されることなく高速な動作が得られる。 Thus, according to the present invention, since the light absorption region is depleted by the built-in voltage generated by the formation of the polarization electric field and the pn junction, the optimum operation can be performed without applying a reverse bias voltage from the outside. It is possible to obtain high-speed operation without accumulating carriers even for modulation of high-intensity light.
以下、分極効果についてより詳細に説明する。
ウルツ鉱型結晶であるInGaAlN系の材料からなる量子井戸層と障壁層とを積層して多重量子井戸構造を形成すると、結晶自身が備えている自然分極が常に発生するようになる。加えて、本実施の形態では、量子井戸層の格子定数が障壁層の格子定数より大きいため、この格子不整合による結晶歪み(圧縮歪み)によるピエゾ分極も存在する。
Hereinafter, the polarization effect will be described in more detail.
When a multi-quantum well structure is formed by laminating a quantum well layer and a barrier layer made of an InGaAlN-based material that is a wurtzite crystal, natural polarization provided in the crystal itself always occurs. In addition, in this embodiment, since the lattice constant of the quantum well layer is larger than the lattice constant of the barrier layer, piezoelectric polarization due to crystal strain (compression strain) due to this lattice mismatch also exists.
上述した構成の光吸収層105では、自然分極と圧縮歪みによるピエゾ分極とが同じ方向であるため、光吸収層105を構成する多重量子井戸構造には、自然分極と上記ピエゾ分極とを加算した分極による電界が発生する。このような構成となっている図1(a),図1(b)に示す光吸収層105を中心とした層構造におけるバンド構造は、図2(a),図2(b)に示すようになる。図2(a)は、順方向電圧を印加していない状態(無バイアスの状態)を示し、図2(b)は、順方向電圧を印加している状態を示している。これは、p形金属電極109を陽極とし、n形金属電極108を陰極とした場合である。また、図2(a),図2(b)において、励起子を構成している電子を白丸で示し、励起子を構成している正孔を黒丸で示している。
In the
図2(a)に示すように、多重量子井戸構造(光吸収層105)において、量子井戸層152の中の、励起子を構成している電子と正孔とは空間的に離れている。この実施の形態の場合、これらの電子と正孔との距離(バンドギャップエネルギーの差)が、順方向電圧を印加することで変化する。順方向電圧を印加すると、図2(b)に示すように、量子井戸層152におけるバンドの傾きが減少し、励起子を構成している電子と正孔との距離が長くなる(バンドギャップエネルギーの差が大きくなる)。
As shown in FIG. 2A, in the multiple quantum well structure (light absorption layer 105), electrons and holes constituting excitons in the
この結果、順方向電圧を印加した状態では、電圧を印加していない状態に比較して、励起子の吸収端波長が短くなる。従って、本実施の形態において、半導体光変調器の光入射端に入射される光の波長が、無バイアス時の吸収端波長より短く、順バイアス印加時の吸収端波長より長い場合には、順バイアス印加時にだけ変調器を透過して出力される。 As a result, in the state where the forward voltage is applied, the absorption edge wavelength of the exciton becomes shorter than in the state where no voltage is applied. Therefore, in this embodiment, when the wavelength of light incident on the light incident end of the semiconductor optical modulator is shorter than the absorption edge wavelength when no bias is applied and longer than the absorption edge wavelength when forward bias is applied, The signal is transmitted through the modulator only when a bias is applied.
このように、本実施の形態における半導体光変調器は、光吸収層105において吸収される光の波長が、順方向電圧を印加することで変化する。従って、本実施の形態における半導体光変調によれば、順方向電圧の印加により、光吸収層105に入射する光を変調して出力することができる。また、本実施の形態における半導体光変調器は、順方向電圧を印加することで動作させることが可能な素子であるため、従来の素子とは異なり、逆方向耐圧の高い結晶を必要としない。このことは、素子を製造するための結晶成長装置を簡易にし、結晶成長プロセスも簡易にする。また、素子の作製歩留りも向上させることができる。これらの結果、本実施の形態によれば、容易に製造できる半導体光変調器を提供できるようになる。
As described above, in the semiconductor optical modulator according to the present embodiment, the wavelength of light absorbed in the
ところで、化合物半導体から構成された多重量子井戸層において、TE偏光は、重い正孔と電子とからなる励起子及び軽い正孔と電子とからなる励起子の両方による吸収を受けるが、TM偏光は軽い正孔と電子とからなる励起子のみの吸収を受ける。このため、光の偏光に関係なく光を変調するためには、両方の励起子におけるスペクトルが一致する必要がある。 By the way, in a multiple quantum well layer composed of a compound semiconductor, TE polarized light is absorbed by both excitons composed of heavy holes and electrons and excitons composed of light holes and electrons. Only absorbed by excitons consisting of light holes and electrons. For this reason, in order to modulate the light regardless of the polarization of the light, the spectra in both excitons must match.
量子井戸構造の量子井戸層に引っ張り歪みを与えたウルツ鉱型結晶のバンド構造を図3(a)に示す。Γ点において、軽い正孔バンドのエネルギー順位は、重い正孔バンドのエネルギー順位より遙かに低くなるように設計できる。また、図3(b)に示すように、両方の正孔のエネルギーバンドを一致させることもできる。 FIG. 3A shows a band structure of a wurtzite crystal in which a tensile strain is applied to the quantum well layer having the quantum well structure. At the Γ point, the light hole band energy level can be designed to be much lower than the heavy hole band energy level. Further, as shown in FIG. 3B, the energy bands of both holes can be matched.
結晶内の分極効果のために、上述したウルツ鉱型結晶におけるバンド構造の設計の自由度は、閃亜鉛鉱型結晶よりも遙かに大きい。従って、両励起子によるスペクトルを、無電界のもとで上述したように一致させることは、極めて容易である。これらのことにより、ウルツ鉱型結晶を用いた本実施の形態における光変調器によれば、偏波依存性のない変調が可能となる。 Because of the polarization effect in the crystal, the degree of freedom in design of the band structure in the wurtzite type crystal described above is much greater than that in the zincblende type crystal. Therefore, it is very easy to match the spectrum of both excitons as described above under no electric field. For these reasons, according to the optical modulator in the present embodiment using a wurtzite crystal, modulation without polarization dependence is possible.
ただし、引っ張り歪みによるピエゾ分極の方向は、ウルツ鉱型結晶の有する自然分極の方向と同一の場合も異なる場合もある。これは、自然分極の方向が、結晶の極性に依存するためである。従って、材料の組み合わせによっては、自然分極の大きさとピエゾ分極の大きさが等しく、分極の効果を打ち消し、電界が発生しない場合もある。このような場合には、分極による効果を得るために、引っ張り歪みによるピエゾ分極の大きさと、自然分極の大きさとが異なるように、材料を組み合わせる必要がある。 However, the direction of piezo polarization due to tensile strain may be the same as or different from the direction of natural polarization of the wurtzite crystal. This is because the direction of natural polarization depends on the polarity of the crystal. Therefore, depending on the combination of materials, the magnitude of the natural polarization and the magnitude of the piezo polarization may be equal, canceling the effect of polarization, and no electric field may be generated. In such a case, in order to obtain the effect of polarization, it is necessary to combine materials so that the magnitude of piezoelectric polarization due to tensile strain differs from the magnitude of natural polarization.
図4(a)及び図4(b)に、GaNをc軸方向に結晶成長させた単結晶の、Ga原子とN原子の積層順を示す。この積層順が、極性に対応するものである。図4(a)に示すように、GaN単結晶の表面から見てGa原子の下に3個のN原子が結合している状態を、Ga極性あるいは+c極性と呼ぶ。これに対し、図4(b)に示すように、GaN単結晶の表面から見て、N原子の下に3個のGa原子が結合している状態を、N極性あるいは−c極性と呼ぶ。この極性は、GaN単結晶の表面を構成する原子が、GaあるいはN原子かどうかとは無関係である。 4A and 4B show the stacking order of Ga atoms and N atoms in a single crystal obtained by crystal growth of GaN in the c-axis direction. This stacking order corresponds to the polarity. As shown in FIG. 4A, a state in which three N atoms are bonded under the Ga atom when viewed from the surface of the GaN single crystal is called Ga polarity or + c polarity. On the other hand, as shown in FIG. 4B, the state in which three Ga atoms are bonded under the N atom when viewed from the surface of the GaN single crystal is called N polarity or -c polarity. This polarity is independent of whether the atoms constituting the surface of the GaN single crystal are Ga or N atoms.
例えば、GaN単結晶の表面では、吸着原子も存在する。その場合、Ga極性であっても、表面にN原子が存在する場合も考えられる。このような場合であっても、結晶の内部構造には結合手数を考慮した原子の積層順を見ることができる。表面でどんな現象が起き、どんな原子が吸着していても、内部の構造は変わらず、結晶における極性は一義的に決定される。 For example, adatoms are also present on the surface of a GaN single crystal. In that case, even if it is Ga polarity, the case where N atom exists in the surface is also considered. Even in such a case, the stacking order of atoms in consideration of the number of bonds can be seen in the internal structure of the crystal. Whatever phenomenon occurs on the surface and what atoms are adsorbed, the internal structure does not change and the polarity in the crystal is uniquely determined.
GaNを誘電体と考えたとき、極性によって分極電界の方向が決定される。極性よって決定される分極が、自然分極と呼ばれるものである。極性と自然分極との関係は、図4(a)及び図4(b)に示すようになる。成長した結晶がGa極性の場合に、自然分極による電界の方向は、結晶内部から表面へ向くものとなる。また、N極性の時には、自然分極による電界の方向は、表面から結晶内部へ向くものとなる。 When GaN is considered as a dielectric, the direction of the polarization electric field is determined by the polarity. Polarization determined by the polarity is called natural polarization. The relationship between polarity and natural polarization is as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b). When the grown crystal is Ga-polar, the direction of the electric field due to natural polarization is from the inside of the crystal to the surface. When the polarity is N, the direction of the electric field due to natural polarization is directed from the surface to the inside of the crystal.
また、ピエゾ分極については、次に示すようになる。主表面が(0001)面(c面)のサファイア基板の上に、GaN単結晶の層を結晶成長により形成した場合について説明する。結晶成長は、一般に室温より高い温度で行われ、素子は室温で使用される。a軸に沿った格子定数は、GaNの方がサファイアより大きい。また、a軸に沿った熱膨張係数は、サファイアの方がGaNより大きい。 The piezo polarization is as follows. A case where a GaN single crystal layer is formed by crystal growth on a sapphire substrate whose main surface is a (0001) plane (c-plane) will be described. Crystal growth is generally performed at a temperature higher than room temperature, and the device is used at room temperature. The lattice constant along the a-axis is larger for GaN than for sapphire. In addition, the thermal expansion coefficient along the a-axis is larger for sapphire than for GaN.
このことから、室温においては、サファイア基板の上に成長されたGaNには、図4(c)の模式的な断面に示すように、応力が発生した状態となる。この応力は、サファイア基板とGaNとの界面に平行な方向に働くものであり、GaNには、圧縮応力として作用する。この場合の圧縮応力は、2軸応力(biaxial strain)である。 From this, at room temperature, the GaN grown on the sapphire substrate is in a state where stress is generated as shown in the schematic cross section of FIG. This stress acts in a direction parallel to the interface between the sapphire substrate and GaN, and acts on GaN as a compressive stress. The compressive stress in this case is a biaxial strain.
このため、サファイア基板に形成されたGaNの結晶格子は、図4(d)に示すように、界面に平行な方向に縮み、界面に垂直な方向に伸びることになる。この結果、図4(c)に示すように、界面に垂直な方向、すなわちc軸に平行な方向に、ピエゾ分極による電界が発生する。このピエゾ電界の方向は、応力の方向に依存する。圧縮応力の場合には、ピエゾ電界の向きはサファイア基板側に向く方向になる(図4(c))。また、引っ張り応力の場合は、図4(c)とは逆になり、サファイア基板の側よりGaNの層の側へ向く方向となる。 Therefore, the GaN crystal lattice formed on the sapphire substrate contracts in a direction parallel to the interface and extends in a direction perpendicular to the interface, as shown in FIG. As a result, as shown in FIG. 4C, an electric field due to piezoelectric polarization is generated in a direction perpendicular to the interface, that is, in a direction parallel to the c-axis. The direction of this piezo electric field depends on the direction of stress. In the case of compressive stress, the direction of the piezo electric field is directed to the sapphire substrate side (FIG. 4C). In the case of tensile stress, the direction is opposite to that in FIG. 4C, and the direction is from the sapphire substrate side to the GaN layer side.
なお、自然分極電荷は、AlN、GaN、及び、InNについては、各々0.081、0.029、0.032C/m2である。これらの値は、強誘電体であるペロブスカイト構造の結晶より遙かに大きい。また、ピエゾ分極電荷Ppiezoは、下記の式で表される。
Ppiezo(C/m2)=e33(c−c0)/c0+e31(a−a0)/a0・・・(1)
上記(1)式において、c0は、c軸に沿った歪みが無い時の格子定数であり、cは、c軸に沿った歪みがある場合の格子定数である。また、a0は、a軸に沿った歪みがない時の格子定数であり、aは、a軸に沿った歪みがある時の格子定数である。
The natural polarization charges are 0.081, 0.029, and 0.032 C / m 2 for AlN, GaN, and InN, respectively. These values are much larger than the perovskite structure crystals that are ferroelectrics. Further, piezoelectric polarization charge P piezo is expressed by the following equation.
P piezo (C / m 2 ) = e 33 (c−c 0 ) / c 0 + e 31 (a−a 0 ) / a 0 (1)
In the above equation (1), c 0 is a lattice constant when there is no strain along the c axis, and c is a lattice constant when there is a strain along the c axis. Further, a 0 is a lattice constant when there is no distortion along the a-axis, and a is a lattice constant when there is a distortion along the a-axis.
また、e33とe31は、圧電係数であり、以下の表1に示す値を有する。表1に示す値は、ペロブスカイト型結晶の三分の一程度である。 Further, e 33 and e 31 are piezoelectric coefficients and have values shown in Table 1 below. The values shown in Table 1 are about one third of the perovskite crystal.
例えば、GaNにおける結晶の変形とピエゾ分極の大きさを見積もった値について示す。ここで、結晶の体積は一定であると仮定する。GaNの単結晶を、c軸の方向に10%引き延ばすと、a軸は4.7%縮む。このときのピエゾ分極電荷Ppiezoは、「Ppiezo= 0.73×0.1+0.49×0.047=0.096」となる(非特許文献1参照)。 For example, the estimated values of crystal deformation and piezoelectric polarization in GaN are shown. Here, it is assumed that the volume of the crystal is constant. When a GaN single crystal is stretched 10% in the c-axis direction, the a-axis shrinks 4.7%. Piezoelectric polarization charge P piezo at this time is "P piezo = 0.73 × 0.1 + 0.49 × 0.047 = 0.096 " (see Non-Patent Document 1).
以上の説明をまとめると、まず、光吸収層が、無バイアスの状態で分極が発生していれば、外部より高い電圧の逆バイアスを加えること無く、光変調を行えるようになる。無バイアスで分極が発生している状態は、例えば、光吸収層に自然分極が発生していれば得られる。この状態は、例えば、量子井戸層をInGaNから構成し、障壁層をInGaAlNから構成することで、光吸収層に自然分極が発生している状態が得られる。また、InGaNとInGaAlNとは、格子定数を同様の状態とすることができる。 To summarize the above description, first, if the light absorption layer is polarized in a non-biased state, light modulation can be performed without applying a reverse bias having a higher voltage than the outside. A state in which polarization occurs without bias can be obtained, for example, if spontaneous polarization occurs in the light absorption layer. In this state, for example, when the quantum well layer is made of InGaN and the barrier layer is made of InGaAlN, a state in which natural polarization occurs in the light absorption layer can be obtained. InGaN and InGaAlN can have the same lattice constant.
また、無バイアスで分極が発生している状態は、光吸収層に、自然分極とピエゾ分極とが発生し、これらの和が0でなければ得られる。光吸収層に自然分極に加えてピエゾ分極が発生している状態は、量子井戸層の格子定数と障壁層の格子定数とが異なっていれば得られる。ただし、自然分極とピエゾ分極との大きさが同一で方向が異なっていると、互いに打ち消し合うので、光吸収層に、無バイアスで分極が発生する状態とはならない。この状態以外であれば、ピエゾ分極が発生していても、光吸収層に無バイアスで分極が発生している状態となる。例えば、量子井戸層をInNから構成し、障壁層をGaNから構成することで、光吸収層には、本実施の形態の場合の方向の自然分極に加え、同じ方向のピエゾ分極が発生した状態が得られる。 In addition, a state in which polarization is generated without bias occurs when natural polarization and piezo polarization are generated in the light absorption layer, and the sum thereof is not zero. A state in which piezo polarization is generated in addition to natural polarization in the light absorption layer can be obtained if the lattice constant of the quantum well layer and the lattice constant of the barrier layer are different. However, if the natural polarization and the piezo polarization have the same magnitude and different directions, they cancel each other, so that no polarization is generated in the light absorption layer without bias. Except for this state, even if piezo polarization occurs, the light absorption layer is polarized without bias. For example, when the quantum well layer is made of InN and the barrier layer is made of GaN, in the light absorption layer, in addition to the natural polarization in the direction of the present embodiment, the piezoelectric polarization in the same direction is generated. Is obtained.
次に、本実施の形態における半導体光変調器を構成しているInGaAlN系の化合物半導体について説明する。
従来、InGaAlN材料を、光通信波長域である波長1.3μm〜1.58μmで用いる半導体光変調器に適用しようとする考えはなかった。これは、この材料系の中で最もバンドギャップ(Eg)の小さい材料はInNであり、このEgが1.9〜2.1eVとされていたためである。
Next, an InGaAlN-based compound semiconductor constituting the semiconductor optical modulator in the present embodiment will be described.
Conventionally, there has been no idea to apply an InGaAlN material to a semiconductor optical modulator that uses a wavelength of 1.3 μm to 1.58 μm, which is an optical communication wavelength region. This is because the material with the smallest band gap (Eg) in this material system is InN, and this Eg was 1.9 to 2.1 eV.
このEgが測定された時代には、反応性スパッタなどの方法によりInNを形成しようとしていたため、多結晶InNしか形成できず、上述したバンドギャップの測定結果は、多結晶InNが測定対象となっていた(非特許文献2、非特許文献3、非特許文献4参照)。
In the era when Eg was measured, since InN was to be formed by a method such as reactive sputtering, only polycrystalline InN could be formed, and the above-mentioned band gap measurement results were for polycrystalline InN. (See
InGaAlNを構成する化合物AlN,GaN,InNの中で、InNの固相上における窒素の平衡蒸気圧は、他より5桁高い(非特許文献5参照)。このような特性のInNは、膜の形成を行う容器(例えば真空チャンバー)内の圧力を高くすることができない反応性スパッタなどの方法では、良質な結晶を形成することがほぼ不可能である。また、上述した時代においては、ガラス基板の上にInNの膜を形成しようとしていたため、単結晶成長のための格子の情報が得られず、単結晶を成長させることができない状態であった。 Among the compounds AlN, GaN, and InN that constitute InGaAlN, the equilibrium vapor pressure of nitrogen on the solid phase of InN is five orders of magnitude higher than others (see Non-Patent Document 5). With InN having such characteristics, it is almost impossible to form high-quality crystals by a method such as reactive sputtering in which the pressure in a container (for example, a vacuum chamber) in which a film is formed cannot be increased. In the above-mentioned era, since an InN film was formed on a glass substrate, lattice information for single crystal growth could not be obtained, and the single crystal could not be grown.
以上のことに対し、発明者らは、1988年に、単結晶サファイア基板上に、窒素圧を加えられる有機金属気相成長法(以下、MOVPEと記す)を用いて、InNの単結晶成長を試み、単結晶成長に世界で初めて成功した。1989年にこの結果を学会発表した。
しかし、この時の単結晶成長は結晶性が不十分であり、InNの光学特性を得るには至らなかった。この後、発明者は種々の技術改良により、2001年に世界で初めて光学特性を測定できる良質のInNの単結晶成長に成功した(松岡隆志,中尾正史,岡本浩,播磨弘,栗本英治,萩原恵美,”InNのバンドギャップ・エネルギ”,第49回応用物理学関係連合講演会予稿集,p.392(29p-ZM-1)(2002)、応用物理学会の原稿締め切りは、2002年1月8日。学会の開催は、3月27日〜30日、発表日は3月29日)。
In response to the above, in 1988, the inventors performed single crystal growth of InN on a single crystal sapphire substrate using a metal organic vapor phase epitaxy method (hereinafter referred to as MOVPE) in which nitrogen pressure is applied. Tried and succeeded in growing the single crystal for the first time in the world. In 1989, the results were presented at an academic conference.
However, the single crystal growth at this time has insufficient crystallinity, and the optical characteristics of InN have not been obtained. After this, the inventors succeeded in the growth of high quality InN single crystal that can measure optical properties for the first time in the world in 2001 by various technical improvements (Takashi Matsuoka, Masashi Nakao, Hiroshi Okamoto, Hiroshi Harima, Eiji Kurimoto, Ebara. Megumi, “InN Bandgap Energy”, Proceedings of the 49th Joint Conference on Applied Physics, p.392 (29p-ZM-1) (2002). 8th, the conference will be held from March 27th to 30th, and the presentation date will be March 29th.
上記良質なInNの単結晶成長のための第1の技術改良点は、サファイアからなる基板上にサファイアとInNとの中間の格子定数を持つGaNを形成しておき、このGaN層上にInNを成長した点である。この場合、GaN層には結晶性の高さが要求される。このため、以下に示す点について、GaNの成長条件の最適化を図った。 The first technical improvement for the high-quality InN single crystal growth is that GaN having a lattice constant between sapphire and InN is formed on a sapphire substrate, and InN is formed on the GaN layer. It is a growing point. In this case, the GaN layer is required to have high crystallinity. Therefore, the GaN growth conditions were optimized for the following points.
1.サファイア基板表面の成長炉内でのクリーニング
2.サファイア表面のアンモニアによる窒化
3.サファイアとGaNとの間の格子不整を緩和するためのバッファ層としての低温成長GaNの成長
4.上記バッファ層の単結晶化を図るための高温アニール
5.高温での高品質GaN成長
1. 1. Cleaning the surface of the sapphire substrate in a
また、技術改良の第2は、上記のようにして最適化を図られた条件で成長されたGaN上で、InNの成長条件の検討を行ったことである。検討した項目は、成長温度,成長速度,V族原料とIn原料との比,及び成長炉中のガス流速等である。これらの各項目の検討結果として、ようやく、光学特性が測定可能なInNの成長に初めて至った。現在では、GaN層を介することなく、サファイア基板上に直接InNの層を形成することが可能となっている。 The second technical improvement is that the growth conditions of InN were examined on GaN grown under the conditions optimized as described above. Items examined were growth temperature, growth rate, ratio of Group V material to In material, gas flow rate in the growth furnace, and the like. As a result of studying each of these items, the growth of InN that can measure optical properties has finally been achieved for the first time. At present, it is possible to directly form an InN layer on a sapphire substrate without using a GaN layer.
ここで、形成したInN膜の特性を図5と図6に示す。図5は、形成した膜における、吸収の二乗と光子エネルギーとの関係を示す特性図である。図5に示すように、形成したInN膜では、光学吸収からの明確な吸収端の検出が得られている。この関係がほぼ直線的であることから、InNは直接遷移型であり、Egは0.8eVと推定できる。
また、図6は、上記条件で形成したInN膜の室温で測定したフォトルミネッセンスを示すものであり、波長1.59μm(0.8eV)近傍で発光していることが判る。これら図5,図6に示されている吸収及びフォトルミネッセンスの結果は、ともに上記条件で形成したInN膜のEgが、0.8eVであることを示している。これらの結果から、InNのEgは、0.8eV近傍にあると推定できる。
Here, the characteristics of the formed InN film are shown in FIGS. FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the square of absorption and the photon energy in the formed film. As shown in FIG. 5, in the formed InN film, a clear absorption edge is detected from optical absorption. Since this relationship is almost linear, InN is a direct transition type, and Eg can be estimated to be 0.8 eV.
FIG. 6 shows photoluminescence measured at room temperature of the InN film formed under the above conditions, and it can be seen that light is emitted in the vicinity of a wavelength of 1.59 μm (0.8 eV). These absorption and photoluminescence results shown in FIGS. 5 and 6 indicate that the Eg of the InN film formed under the above conditions is 0.8 eV. From these results, it can be estimated that Eg of InN is in the vicinity of 0.8 eV.
以上述べた種々の技術改良と長年の努力により、初めて、単結晶InNのEgが、旧来の測定結果の半分以下である0.8eVであることが判明した。図7は、InGaAlNのEgとa軸の格子定数aとの関係を示す特性図である。図7において、破線は旧来のデータであり、実線は発明者が求めたデータ(Eg=0.8eV)を反映した結果である。 For the first time, the Eg of single-crystal InN was found to be 0.8 eV, which is less than half of the conventional measurement results, through various technical improvements and long-term efforts described above. FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between Eg of InGaAlN and the a-axis lattice constant a. In FIG. 7, the broken line is the old data, and the solid line is the result reflecting the data obtained by the inventor (Eg = 0.8 eV).
従って、光吸収層105を構成する障壁層151と量子井戸層152の各々の組成は、図7に示す3つの黒点からなる三角形の中において、障壁層151の方がより高いバンドギャップエネルギーをもつ組成となるように、適宜設定すればよいことになる。例えば、量子井戸層152をノンドープのGaNから構成し、障壁層151をノンドープのAlNから構成するようにしてもよい。ただし、前述したように、ピエゾ分極と自然分極との和が0にならないように、各材料の組み合わせと結晶成長のプロセスを考慮する必要がある。
Therefore, the composition of each of the
次に、図1(a),図1(b)に示した本実施の形態における半導体光変調器の製造方法について説明する。まず、各結晶層を形成するための結晶成長には、縦型成長炉を有する有機金属気相成長装置を用いる。また、窒素原料には、アンモニアを用いる。また、キャリアガスとしては量子井戸構造の成長には窒素ガスを用い、これ以外の結晶層の成長には水素ガスを用いる。また、成長圧力は常圧とする。 Next, a method for manufacturing the semiconductor optical modulator in the present embodiment shown in FIGS. 1A and 1B will be described. First, a metal organic vapor phase growth apparatus having a vertical growth furnace is used for crystal growth for forming each crystal layer. Also, ammonia is used as the nitrogen raw material. As the carrier gas, nitrogen gas is used for the growth of the quantum well structure, and hydrogen gas is used for the growth of the other crystal layers. The growth pressure is normal pressure.
はじめに、基板温度を1050°とし、サファイアからなる単結晶基板101の表面をアンモニア雰囲気で窒化し、単結晶基板101の表面に極薄い窒化層を形成する。窒化層は極薄い層であり、図には示していない。この後、基板温度を550℃とし、単結晶基板101の窒素層の上に、GaNを成長させたバッファ層102を形成する。このGaNの成長において、ガリウム原料には比較的ガリウム蒸気圧の低いトリエチルガリウム(TEG)を用いる。引き続き、単結晶基板101を1050℃で9分間アニールし、バッファ層102の単結晶化を行う。
First, the substrate temperature is set to 1050 °, the surface of the
次に、単結晶基板の温度を1020℃とし、Mgが添加されたp形のGaN及びMgが添加されたp形のAl0.1Ga0.9Nを順次成長させ、電極層103,クラッド層104を形成する。これら気相成長におけるアルミニウム原料は、トリメチルアルミニウム(TMA)を用い、ガリウム原料は比較的蒸気圧の高いトリメチルガリウム(TMG)を用いる。また、Mgを添加するための原料としては、メチルカプタン・ビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム(MeCP2Mg)を用いる。この原料は液体であり、一般に用いられている固体原料であるビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム(Cp2Mg)より、Mgの添加濃度の再現性が良い。
Next, the temperature of the single crystal substrate is set to 1020 ° C., p-type GaN doped with Mg and p-type Al 0.1 Ga 0.9 N doped with Mg are sequentially grown to form the
次いで、クラッド層104の上にGaNの結晶成長とInNの結晶成長とを交互に行い、障壁層151と量子井戸層152との積層構造(多重量子井戸構造)を形成する。量子井戸層152となるInNの結晶成長においては、InNの固相上の窒素平衡蒸気圧が高いので、成長温度(基板温度)を例えば575℃とする。この結晶成長におけるIn原料は、トリメチルインジウム(TMI)を用いればよい。
Next, GaN crystal growth and InN crystal growth are alternately performed on the
また、InNの結晶成長においては、金属Inの析出を防止して高品質InNを成長するために、アンモニアとTMIとの比、すなわち、V/IIIを660000とする。また、キャリアガス及びバブリングガスともに窒素とする。これは、水素をキャリアガスとして用いると、アンモニアの分解が抑圧されるためである(非特許文献5参照)。 In InN crystal growth, the ratio of ammonia to TMI, that is, V / III, is set to 660000 in order to prevent precipitation of metal In and grow high quality InN. The carrier gas and bubbling gas are both nitrogen. This is because decomposition of ammonia is suppressed when hydrogen is used as a carrier gas (see Non-Patent Document 5).
InNにおける成長条件と結晶性の関係の例として、窒素原料であるアンモニアの成長炉への供給量とインジウム原料であるトリメチルインジウム(TMI)の供給量との比V/III(アンモニア/インジウム)を変えて成長したInNのX線回折スペクトルを図8(a),図8(b),図8(c)に示す。図8(a),図8(b),図8(c)は、ω−2θスキャンスペクトルを示している。図8(a),図8(b)に示すように、V/IIIを160000以下及びV/IIIを320000とした条件で形成した膜では、金属インジウムからの信号が見られる。これに対し、図8(c)に示すように、V/IIIを660000とした条件で形成した膜では、金属インジウムのピークは消失しており、金属インジウムが含まれていないことが判る。 As an example of the relationship between growth conditions and crystallinity in InN, the ratio V / III (ammonia / indium) of the supply amount of ammonia, which is a nitrogen raw material, to the growth furnace and the supply amount of trimethylindium (TMI), which is an indium raw material, is The X-ray diffraction spectra of InN grown by changing are shown in FIGS. FIG. 8A, FIG. 8B, and FIG. 8C show the ω-2θ scan spectrum. As shown in FIGS. 8A and 8B, in the film formed under the condition that V / III is 160000 or less and V / III is 320,000, a signal from metallic indium is observed. On the other hand, as shown in FIG. 8C, in the film formed under the condition where V / III is 660000, it can be seen that the peak of metallic indium disappears and no metallic indium is contained.
以上のようにすることで高品質なInNの結晶を形成した上に障壁層151となるGaNを結晶成長する場合、InNがエッチングされ、また結晶性が劣化するのを防止するため、キャリアガスに窒素を用い、また、基板温度を575℃とInNの成長と同様とする。
このようにして、所定の積層数でGaNの障壁層151とInNの井戸層152と順次積層して光吸収層105を形成した後、基板温度を1020度に昇温し、Siが添加されたn形Al0.1Ga0.9N及びSiが添加されたn形GaNを順次成長させ、クラッド層106,コンタクト層107を形成する。
As described above, when a high quality InN crystal is formed and GaN serving as the
In this way, after the
Siを各層に添加させるためには、水素で希釈した濃度1ppmのシラン(SiH4)ガスを用いる。他の工程におけるSiの添加には、これと同じ原料を用いた。
クラッド層106,コンタクト層107を形成した後、これらの層の添加したMgの活性化を図るために、700℃の窒素雰囲気中で30分間アニールする。
In order to add Si to each layer, silane (SiH 4 ) gas having a concentration of 1 ppm diluted with hydrogen is used. The same raw material was used for addition of Si in other steps.
After forming the
次いで、電子ビーム蒸着装置を用い、膜厚50nmのアルミニウム,膜厚200nmの金を順に蒸着してn形金属電極108となる金属層を形成する。この後、公知のフォトリソグラフィ技術により、金属層の上にノボラック系のポジ型フォトレジストのパタンを形成し、このパタンをマスクとして下層をエッチングし、電極層103に露出領域を形成する。このエッチングにおいて、例えば、結晶層のエッチングでは、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングにより行えばよい。
Next, using an electron beam evaporation apparatus, a 50 nm-thick aluminum layer and a 200 nm-thick gold layer are sequentially deposited to form a metal layer to be the n-
上記露出領域を形成するエッチングを行い、フォトレジストのパタンを除去し、単結晶基板101及びこの上に形成した構造体をクリーニングした後、電極層103の露出領域に膜厚50nmのニッケル,膜厚200nmの金を順に蒸着して積層し、これらをパターニングし、p形金属電極109を形成する。
Etching to form the exposed region is performed, the pattern of the photoresist is removed, the
以上説明したことにより、p形金属電極109までを形成した後、単結晶基板の裏面を研磨し、単結晶基板101を80μmの厚さまで薄くし、また、裏面を鏡面に仕上げる。裏面を鏡面にまで仕上げないと、単結晶基板101を研磨台から剥離しようとするときに、単結晶基板101が変形しまた割れることがあるため、裏面は鏡面に仕上げる。この後、これらを洗浄し、所定の箇所を劈開させることで、例えば素子長を1mmとした図1(a),図1(b)に示す半導体光変調器が得られる。
As described above, after forming up to the p-
ここで、上述した多重量子井戸構造(光吸収層105)におけるバンド構造と分極効果において重要となる結晶の極性について述べる。光吸収層105を構成する障壁層151のGaNは、単結晶基板101の方向から、窒素原子,ガリウム原子,窒素原子,ガリウム原子の順、すなわち、V族原子,III族原子,V族原子,III族原子の順に成長する。この原子の積層順は、一般に+(プラス)極性と呼ばれている。
Here, the band structure in the above-described multiple quantum well structure (light absorption layer 105) and the polarity of the crystal which is important in the polarization effect will be described. The GaN of the
MOVPEやMBEなどの結晶成長方法では、良質の結晶が得られるときは、上記極性での成長が支配的である。結晶成長を開始した時点で+極性と逆方向の−(マイナス)極性と+極性が混在していても、良質な結晶が得られる成長条件では、+極性の成長モードが支配的であり、ある程度の膜厚に成長すると全て+極性となる。+極性で結晶を成長させた場合、多重量子井戸構造のバンド構造は、図2(a)に示すようになる。なお、基板を選択することで、−極性で各結晶層を成長することもでき、この場合、バンド構造の勾配が図2(a)に示す状態とは逆になる。−極性で各結晶を構成した場合、バンド構造は、図2(a)とは異なり、右下がりの勾配となる。この場合、逆方向電圧を印加すると、バンドの傾きが減少する。 In a crystal growth method such as MOVPE or MBE, when a high-quality crystal is obtained, growth with the above polarity is dominant. At the time of starting crystal growth, even if-(minus) polarity and + polarity in the opposite direction to + polarity are mixed, the growth condition of + polarity is dominant under the growth conditions that give a good quality crystal, and to some extent When the film thickness is increased, all become + polarity. When the crystal is grown with + polarity, the band structure of the multiple quantum well structure is as shown in FIG. Note that by selecting a substrate, each crystal layer can be grown with -polarity. In this case, the gradient of the band structure is opposite to the state shown in FIG. When each crystal is configured with a polarity, the band structure has a downward slope, unlike FIG. In this case, when a reverse voltage is applied, the slope of the band decreases.
また、本実施の形態の半導体光変調器と同様の基板を用いた場合であっても、次に示すことにより、−極性で各結晶層を構成することも可能である。例えば、まず、高温下でアンモニア雰囲気に曝すことによりサファイアc面基板の表面を窒化しておく。この窒化処理を施したサファイア基板の上に、まず、GaNからなるバッファ層を低温で所定の膜厚まで成長し、所定時間成長中断をする。この成長中断の間に、すでに形成してあるバッファ層を1000℃以上の高温でアニールする。この後引き続いて、同程度の1000℃以上の高温でGaNを成長させることで、−極性のGaNの単結晶層を形成することができる。 Even when a substrate similar to that of the semiconductor optical modulator of the present embodiment is used, each crystal layer can be configured with a negative polarity by the following. For example, first, the surface of the sapphire c-plane substrate is nitrided by exposure to an ammonia atmosphere at a high temperature. On the sapphire substrate subjected to the nitriding treatment, first, a buffer layer made of GaN is grown at a low temperature to a predetermined film thickness, and the growth is interrupted for a predetermined time. During this growth interruption, the already formed buffer layer is annealed at a high temperature of 1000 ° C. or higher. Subsequently, GaN is grown at the same high temperature of 1000 ° C. or higher, so that a single crystal layer of -polar GaN can be formed.
これは、二段階成長法として知られている技術である。このようにして形成された−極性のGaN単結晶層は、X線回折により得られるロッキングカーブ幅が40秒以下となる。+極性のGaN単結晶は、ロッキングカーブ幅が100秒以上であり、これと比較すると、上述した−極性のGaN単結晶層は、結晶性の良い状態であることが判る。 This is a technique known as a two-stage growth method. The -polar GaN single crystal layer thus formed has a rocking curve width obtained by X-ray diffraction of 40 seconds or less. The + polar GaN single crystal has a rocking curve width of 100 seconds or more. Compared with this, it can be seen that the above-described -polar GaN single crystal layer has a good crystallinity.
次に、上述した本実施の形態における半導体光変調器の動作特性について説明する。以下では、図1(a),図1(b)のn形金属電極108を陰極とし、p形電極109を陽極として動作させる。すなわち、ダイオードの順方向に電圧を印加する状態として動作させる。このように電圧を印加することで、図2(a)に示すInNからなる量子井戸層152のバンドの傾きを低減し、また平坦化し、さらには逆の勾配へとすることもできる。なお、本実施の形態では、電流の注入が生じることなく動作させる。
Next, the operating characteristics of the semiconductor optical modulator in the present embodiment described above will be described. Hereinafter, the n-
図9は、本実施の形態における半導体光変調器の特性を示す特性図であり、変調印加電圧と透過光強度との関係を示している。図9に示すように、本半導体光変調器は、順方向バイアスで動作している。図9に示す特性を調査するために用いた光源光の波長は1.53μmであり、素子内への入力光強度は10μWである。 FIG. 9 is a characteristic diagram showing the characteristics of the semiconductor optical modulator according to the present embodiment, and shows the relationship between the modulation applied voltage and the transmitted light intensity. As shown in FIG. 9, the semiconductor optical modulator operates with a forward bias. The wavelength of the light source used for investigating the characteristics shown in FIG. 9 is 1.53 μm, and the input light intensity into the device is 10 μW.
光吸収層105においては、分極効果を考慮して量子井戸層152の膜厚、及び量子井戸層152と障壁層151を構成するIn1-X-YGaXAlYN(0≦X,Y≦,0≦X+Y≦1)の組成の組み合わせを適宜設計することにより、変調可能な波長を選択できる。
なお、光吸収層に用いるIn1-X-YGaXAlYN(0≦X,Y≦,0≦X+Y≦1)組成の組み合わせにおいては、相分離を考慮する。図10に示すように、InGaAlN系の材料の結晶成長においては、非混和領域が存在し、非混和領域の条件では相分離が起こるため、結晶の成長ができない。また、図10は、InGaAlNの非混和領域を実験と計算から求めた結果を示す特性図である(非特許文献6参照)。
In the
Note that phase separation is considered in the combination of In 1-XY Ga X Al Y N (0 ≦ X, Y ≦, 0 ≦ X + Y ≦ 1) compositions used for the light absorption layer. As shown in FIG. 10, in the crystal growth of an InGaAlN-based material, an immiscible region exists, and phase separation occurs under the condition of the immiscible region, so that the crystal cannot grow. FIG. 10 is a characteristic diagram showing the results of obtaining the non-mixing region of InGaAlN from experiments and calculations (see Non-Patent Document 6).
図10では、600℃で成長するときのInGaAlNの非混和領域を一点鎖線で示し、800℃で成長するときのInGaAlNの非混和領域を実線で示し、1000℃で成長するときのInGaAlNの非混和領域を破線で示し、各線の内側の領域が非混和領域である。
従って、図10に示す混和領域の条件を考慮して組成を決定すれば、InGaAlN系材料による多重量子井戸構造を実現できる。
In FIG. 10, the InGaAlN immiscible region when grown at 600 ° C. is indicated by a one-dot chain line, the InGaAlN immiscible region when grown at 800 ° C. is indicated by a solid line, and the InGaAlN immiscible when grown at 1000 ° C. Regions are indicated by broken lines, and regions inside each line are immiscible regions.
Therefore, if the composition is determined in consideration of the conditions of the mixing region shown in FIG. 10, a multiple quantum well structure using an InGaAlN-based material can be realized.
図1(a),図1(b)に示す本実施の形態における光吸収層105を構成しているInN及びGaNは、二元化合物であるため、上述したような相分離が原理的に起きず、より製造しやすい条件となっている。また、障壁層151と井戸層152とは、結晶の格子定数が不整合な状態としているが、このことは、図7に示すInGaAlN系材料の特性を考慮してInGaAlNの組成を決定すればよい。
Since InN and GaN constituting the
ところで、図1(a),図1(b)に示した本実施の形態の半導体光変調器は、半導体レーザとモノリシックに集積して用い、光変調器付きレーザを実現することができる。例えば、図11に示すように、n形の半導体基板1001上に、n形のGaN層1002を形成し、この上に、導波路型の半導体レーザ1003と図1(a),図1(b)に示した層構成とした半導体光変調器1004とを光軸が重なった状態で集積すれば、外部変調方式の光変調器が構成できる。半導体レーザ1003は、通常の窒化物半導体材料から構成する。
By the way, the semiconductor optical modulator of the present embodiment shown in FIGS. 1A and 1B can be monolithically integrated with a semiconductor laser to realize a laser with an optical modulator. For example, as shown in FIG. 11, an n-
電極としては、n形のGaN層1002上に、共通のn形電極を設け、p形電極は、半導体レーザ1003と半導体光変調器1004とに個別に設けるようにすればよい。この構成によれば、陰極が共通となり、回路の構成が容易となり、より高い周波数による光変調が可能となる。また、図11では、半導体レーザ1003と半導体光変調器1004との間に空間を設ける状態としているが、これに限らず、公知のバットジョイントなどの構造により、これらを密着させて配置させるようにしてもよい。また、半導体レーザ1003と半導体光変調器1004との間を、他の手法により光結合させるようにしてもよい。
As an electrode, a common n-type electrode may be provided on the n-
また、半導体レーザ1003を構成する各層には、各種の不純物を導入することになるが、これらのことにより、半導体光変調器1004に悪影響を及ぼすことがほとんど無い。
前述したように、本実施の形態の半導体光変調器では、順方向バイアスにより動作させるので、高い逆方向バイアスに耐えるための高純度な結晶層が必要とならないため、不純物の存在があまり問題とならない。
In addition, various impurities are introduced into each layer constituting the
As described above, since the semiconductor optical modulator of this embodiment is operated by the forward bias, a high-purity crystal layer that can withstand a high reverse bias is not required, and therefore the presence of impurities is a problem. Don't be.
なお、上述では、順バイアス構造について説明したが、逆バイアス構造として逆バイアスを印加して動作させるようにしてもよい。例えば、図1(a),図1(b)に示す電極層103をn形のGaNから構成し、クラッド層104をn形のAl0.1Ga0.9Nから構成し、クラッド層106をp形のAl0.1Ga0.9Nから構成し、コンタクト層107をp形のGaNから構成し、コンタクト層107上にはp形金属電極を形成し、電極層103にはn形金属電極を形成し、n形金属電極を陽極とし、p形金属電極を陰極として動作させることも可能である。
Although the forward bias structure has been described above, the reverse bias structure may be operated by applying a reverse bias. For example, the
また、上記実施の形態では、コンタクト層107など半導体層に直接金属電極を形成するようにしたが、例えば、コンタクト層107の代わりに絶縁層を形成し、この上に金属電極を備えるようにしてもよい。このように絶縁増を備えるようにすることで、光吸収層105へのキャリアの注入が、より確実に防げるようになる。
In the above embodiment, the metal electrode is directly formed on the semiconductor layer such as the
また、光吸収層を構成する量子井戸層が、障壁層より小さな格子定数を有し、量子井戸層の有する自然分極と量子井戸層に発生するピエゾ分極との大きさが異なるようにしてもよい。この場合、自然分極とピエゾ分極の方向は一致させ、一致させた方向を、逆バイアスの方向に一致させれば、最も効率よく逆バイアスを印加させることができる。自然分極とピエゾ分極との方向を異なるものとする場合、両分極の和が存在し、この方向が逆バイアス方向に一致していればよい。 Further, the quantum well layer constituting the light absorption layer may have a lattice constant smaller than that of the barrier layer, and the magnitude of the natural polarization of the quantum well layer and the piezo polarization generated in the quantum well layer may be different. . In this case, the reverse bias can be applied most efficiently if the directions of the natural polarization and the piezo polarization are matched and the matched direction is matched with the reverse bias direction. When the directions of the natural polarization and the piezo polarization are different from each other, it is only necessary that the sum of both polarizations exists and this direction matches the reverse bias direction.
[実施の形態2]
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。
図12は、本発明の実施の形態における半導体光変調器の他の構成例を概略的に示す模式的な斜視図である。
この半導体光変調器は、まず、厚さ300μmのn形のGaNからなる基板1101の表面に、リッジ状に形成された光吸収領域が設けられている。光吸収領域は、Siが添加されたn形のAl0.1Ga0.9Nからなる膜厚1.5μm程度の下部クラッド層1102と、ノンドープのInGaAlNからなる膜厚0.5μmの下部SCH(セパレート コンファインメント ヘテロ)層1103と、多重量子井戸構造の光吸収層1104と、ノンドープのInGaAlNからなる膜厚0.5μmの上部SCH層1105と、Mgが添加されたp形のAl0.1Ga0.9Nからなる膜厚1.5μmの上部クラッド層1106と、Mgが添加されたp形のGaNからなる膜厚0.1μmのコンタクト層1107から構成されている。
[Embodiment 2]
Next, another embodiment of the present invention will be described.
FIG. 12 is a schematic perspective view schematically showing another configuration example of the semiconductor optical modulator according to the embodiment of the present invention.
In this semiconductor optical modulator, first, a light absorption region formed in a ridge shape is provided on the surface of a
光吸収層1104は、In1-X-YGaXAlYN(0≦X,Y≦1,0≦X+Y≦1)から構成された量子井戸層と、In1-X'-Y'GaX'AlY'N(0≦X’,Y’≦1,0≦X’+Y’≦1)から構成された障壁層とが交互に積層された多重量子井戸である。
これらが積層されてリッジ構造となっている光吸収領域は、両側部が例えばポリイミド層1110で埋めこまれ、コンタクト層1107の上面とポリイミド層1110の上面とは、ほぼ同一の平面が構成されている。
The
The light absorption region in which these layers are stacked to form a ridge structure is filled with, for example, a
また、コンタクト層1107の上には、これに直接接触する膜厚50nmのニッケル層とこの上に形成された膜厚200nmの金層との積層構造のp形電極1108が形成されている。一方、基板1101の裏面には、これに直接接触する膜厚50nmのアルミニウム層と膜厚200nmの金層との積層構造とされたn形電極1109が形成されている。
以上に説明したように、図12に示す半導体光変調器は、光吸収層1104の上下に設けられているクラッド層を、下部クラッド層1102,下部SCH層1103及び上部SCH層1105,上部クラッド層1106とで構成するSCH構造としたものである。
On the
As described above, in the semiconductor optical modulator shown in FIG. 12, the cladding layers provided above and below the
ここで、SCH構造について説明する。上述したような光変調器では、入射光を光吸収層1104に閉じ込める必要がある。光吸収層の厚さが、おおよそ光の波長の十分の一以上であれば、ダブルヘテロ構造を用いることにより、光の閉じ込めが可能となる。これに対し、光吸収層を薄い量子井戸構造とすると、光はクラッド層に大きく広がり、活性層への光の閉じ込め度合いが低下する。
Here, the SCH structure will be described. In the optical modulator as described above, it is necessary to confine incident light in the
ここで、クラッド層と光吸収層との間に、これらの中間の大きさの屈折率をもつ第2のクラッド層を挿入すると、光吸収層に閉じ込められる光の電界分布が、ダブルヘテロ構造よりも遙かに高くなる。この第2のクラッド層を用いる導波路構造が、上述したSCH構造であり、図11の半導体光変調器において、下部SCH層1103と上部SCH層1105とが、上記第2のクラッド層に相当する。
Here, when a second cladding layer having a refractive index intermediate between these is inserted between the cladding layer and the light absorption layer, the electric field distribution of the light confined in the light absorption layer is greater than that of the double heterostructure. Will be much higher. The waveguide structure using the second cladding layer is the SCH structure described above, and in the semiconductor optical modulator of FIG. 11, the
本発明においては、光吸収層を量子井戸構造としているので、図12の半導体光変調器のようにSCH構造とした方が、光吸収層への光閉じ込め効果が高くなり、光吸収層における光吸収効率を高くすることができる。
なお、上述したSCH構造で用いる上述のクラッド層及び第2のクラッド層は、活性領域(光吸収領域)より大きなバンドギャップエネルギーを持つように構成されている。
In the present invention, since the light absorption layer has a quantum well structure, the light confinement effect in the light absorption layer becomes higher when the SCH structure is used like the semiconductor optical modulator of FIG. Absorption efficiency can be increased.
Note that the above-described cladding layer and the second cladding layer used in the above-described SCH structure are configured to have a larger band gap energy than the active region (light absorption region).
なお、図2(a),図2(b)の説明では、順バイアスを印可する場合を示したが、逆バイアスを印可すると、図2(a)の状態が、図13に示すように、バンドの傾斜が大きくなり、量子井戸152における電子とホールとの間のエネルギが無バイアス時より小さくなる。この結果、吸収端の波長が長くなる。つまり、図1(a),図1(b)に示した半導体光変調器の光入射端に入射される光の波長が、無バイアス時の吸収端波長より長く、逆バイアス印加時の吸収端波長より短い場合には、無バイアス時にだけ変調器を透過して出力されるようになる。
In the description of FIGS. 2A and 2B, the case where the forward bias is applied is shown. However, when the reverse bias is applied, the state shown in FIG. The band slope increases, and the energy between electrons and holes in the
以上に説明したように、本実施の形態2においても分極電界とpn接合の形成によって発生するビルトイン電圧によって光吸収領域が空乏化しているようにしたので、外部から逆バイアス電圧を印加することなく、最適動作が可能であり、高強度の光の変調に対しても、キャリアが蓄積されることなく高速な動作が得られる。また、本実施の形態によれば、上部及び下部SCH層及び光吸収層(多重量子井戸層)は、分極電界によって空乏化しているため、上部及び下部SCH層は、光閉じ込めに必要な最小限まで薄層化することが可能である。 As described above, also in the second embodiment, the light absorption region is depleted by the built-in voltage generated by the formation of the polarization electric field and the pn junction, so that no reverse bias voltage is applied from the outside. Optimal operation is possible, and high-speed operation can be obtained without accumulating carriers even for modulation of high-intensity light. In addition, according to the present embodiment, the upper and lower SCH layers and the light absorption layer (multiple quantum well layer) are depleted by the polarization electric field, so that the upper and lower SCH layers are the minimum necessary for optical confinement. It is possible to make a thin layer.
このことにより、本実施の形態によれば、薄層化によりSCH層による無効電圧成分が減少でき、外部からの変調電圧が極めて有効に光変調に寄与することとなり、低電圧駆動が実現される。さらには、本実施の形態によれば、上部及び下部SCH層の薄層化分に相当するだけ光吸収層の多重量子井戸の層数を増やすことが可能となる。このため、本実施の形態によれば、消光特性を電圧に対してより急峻に変化させることが可能となり、よりいっそうの低電圧動作が実現されることとなる。さらに、駆動電圧に対して非線形性の小さい半導体光素子を提供することか可能となる。 As a result, according to the present embodiment, the reactive voltage component due to the SCH layer can be reduced by thinning, and the modulation voltage from the outside contributes to optical modulation very effectively, and low voltage driving is realized. . Furthermore, according to the present embodiment, it is possible to increase the number of multiple quantum wells of the light absorption layer corresponding to the thinning of the upper and lower SCH layers. For this reason, according to the present embodiment, the extinction characteristic can be changed more steeply with respect to the voltage, and an even lower voltage operation can be realized. Furthermore, it becomes possible to provide a semiconductor optical device having a small nonlinearity with respect to the drive voltage.
101…単結晶基板、102…バッファ層、103…電極層、104…クラッド層、105…光吸収層、106…クラッド層、107…コンタクト層、108…n形金属電極、109…p形金属電極、151…障壁層、152…量子井戸層。
DESCRIPTION OF
Claims (13)
この下部クラッド層の上に形成され、量子井戸層及び障壁層から構成された量子井戸構造の光吸収層と、
この光吸収層上に形成された第2導電形の上部クラッド層と、
を少なくとも備え、
前記量子井戸層は、In1-X-YGaXAlYN(0≦X,Y≦1,0≦X+Y≦1)から構成され、
前記障壁層は、In1-X'-Y'GaX'AlY'N(0≦X’,Y’≦1,0≦X’+Y’≦1)から構成され、
前記下部クラッド層,光吸収層,及び上部クラッド層により、光入射端を備えた光導波路が構成され、
前記量子井戸及び前記障壁層は、InGaAlNの非混和領域以外の相分離のない組成範囲とされており、
前記光吸収層は無バイアスの状態で分極が発生しており、
前記分極は前記光吸収層において発生している同じ方向の自然分極とピエゾ分極の和であることを特徴とする半導体光変調器。 A lower cladding layer of a first conductivity type;
A light absorption layer having a quantum well structure formed on the lower cladding layer and composed of a quantum well layer and a barrier layer;
An upper cladding layer of a second conductivity type formed on the light absorption layer;
Comprising at least
The quantum well layer is composed of In 1-XY Ga X Al Y N (0 ≦ X, Y ≦ 1, 0 ≦ X + Y ≦ 1),
The barrier layer is made of In 1-X′-Y ′ Ga X ′ Al Y ′ N (0 ≦ X ′, Y ′ ≦ 1, 0 ≦ X ′ + Y ′ ≦ 1),
The lower cladding layer, the light absorption layer, and the upper cladding layer constitute an optical waveguide having a light incident end,
The quantum well and the barrier layer have a composition range without phase separation other than an immiscible region of InGaAlN,
The light absorption layer is polarized in an unbiased state,
The semiconductor optical modulator according to claim 1, wherein the polarization is a sum of natural polarization and piezo polarization in the same direction generated in the light absorption layer.
前記光吸収層は、多重量子井戸構造であることを特徴とする半導体光変調器。 The semiconductor optical modulator according to claim 1.
The semiconductor light modulator, wherein the light absorption layer has a multiple quantum well structure.
前記下部クラッド層は、所定の基板の上に形成されたものであることを特徴とする半導体光変調器。 The semiconductor optical modulator according to claim 1 or 2,
2. The semiconductor optical modulator according to claim 1, wherein the lower cladding layer is formed on a predetermined substrate.
前記量子井戸層と障壁層とは異なる格子定数を有することを特徴とする半導体光変調器。 The semiconductor optical modulator according to any one of claims 1 to 3,
The semiconductor optical modulator, wherein the quantum well layer and the barrier layer have different lattice constants.
前記量子井戸層は、前記障壁層より大きな格子定数を有することを特徴とする半導体光変調器。 The semiconductor optical modulator according to claim 4.
The semiconductor optical modulator, wherein the quantum well layer has a larger lattice constant than the barrier layer.
前記量子井戸層は、前記障壁層より小さな格子定数を有することを特徴とする半導体光変調器。 The semiconductor optical modulator according to claim 4.
The semiconductor optical modulator, wherein the quantum well layer has a lattice constant smaller than that of the barrier layer.
前記量子井戸層は、InNの結晶から構成され、
前記障壁層は、GaNの結晶から構成されたものであることを特徴とする半導体光変調器。 The semiconductor optical modulator according to any one of claims 1 to 3,
The quantum well layer is composed of an InN crystal,
The semiconductor optical modulator according to claim 1, wherein the barrier layer is made of a GaN crystal.
光変調器付きレーザであって、
前記半導体光変調器は、
基板上に形成された第1導電形の下部クラッド層と、この下部クラッド層の上に形成され、量子井戸層及び障壁層から構成された量子井戸構造の光吸収層と、この光吸収層上に形成された第2導電形の上部クラッド層とを少なくとも備え、前記量子井戸層は、In1-X-YGaXAlYN(0≦X,Y≦1,0≦X+Y≦1)から構成され、前記障壁層は、In1-X'-Y'GaX'AlY'N(0≦X’,Y’≦1,0≦X’+Y’≦1)から構成され、
前記下部クラッド層,光吸収層,及び上部クラッド層により、光入射端を備えた光導波路が構成され、
前記量子井戸及び前記障壁層は、InGaAlNの非混和領域以外の相分離のない組成範囲とされており、
前記光吸収層は無バイアスの状態で分極が発生しており、
前記分極は前記光吸収層において発生している同じ方向の自然分極とピエゾ分極の和であることを特徴とする半導体光変調器。 A laser with an optical modulator composed of a waveguide type semiconductor laser and a semiconductor optical modulator integrated on the same substrate,
The semiconductor optical modulator is:
A first conductivity type lower cladding layer formed on a substrate, a quantum well structure light absorption layer formed on the lower cladding layer and comprising a quantum well layer and a barrier layer, and on the light absorption layer The quantum well layer is made of In 1-XY Ga X Al Y N (0 ≦ X, Y ≦ 1, 0 ≦ X + Y ≦ 1). The barrier layer is made of In 1-X′-Y ′ Ga X ′ Al Y ′ N (0 ≦ X ′, Y ′ ≦ 1, 0 ≦ X ′ + Y ′ ≦ 1),
The lower cladding layer, the light absorption layer, and the upper cladding layer constitute an optical waveguide having a light incident end ,
The quantum well and the barrier layer have a composition range without phase separation other than an immiscible region of InGaAlN,
The light absorption layer is polarized in an unbiased state,
2. The semiconductor optical modulator according to claim 1, wherein the polarization is a sum of natural polarization and piezo polarization in the same direction generated in the light absorption layer.
前記光変調器は、多重量子井戸構造であることを特徴とする光変調器付きレーザ。 The laser with an optical modulator according to claim 8,
The laser with an optical modulator, wherein the optical modulator has a multiple quantum well structure.
前記量子井戸層と障壁層とは異なる格子定数を有することを特徴とする光変調器付きレーザ。 The laser with an optical modulator according to claim 8 or 9,
The laser with an optical modulator, wherein the quantum well layer and the barrier layer have different lattice constants.
前記量子井戸層は、前記障壁層より大きな格子定数を有することを特徴とする光変調器付きレーザ。 The laser with an optical modulator according to claim 10,
The laser with an optical modulator, wherein the quantum well layer has a larger lattice constant than the barrier layer.
前記量子井戸層は、前記障壁層より小さな格子定数を有することを特徴とする光変調器付きレーザ。 The laser with an optical modulator according to claim 10,
The laser with an optical modulator, wherein the quantum well layer has a lattice constant smaller than that of the barrier layer.
前記量子井戸層は、InNの結晶から構成され、
前記障壁層は、GaNの結晶から構成されたものであることを特徴とする光変調器付きレーザ。 The laser with an optical modulator according to claim 8 or 9,
The quantum well layer is composed of an InN crystal,
The laser with an optical modulator, wherein the barrier layer is made of a GaN crystal.
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