JP7632101B2 - 光変調器及び光変調器の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、光変調器及び光変調器の製造方法に関する。

特許文献１は、２つのメサ導波路を備えるマッハツェンダ型の光変調器を開示する。各メサ導波路は、基板上に設けられた下部クラッド層と、下部クラッド層上に設けられたコア層と、コア層上に設けられた上部クラッド層とを有する。各メサ導波路上には、メサ導波路の延在方向に配列された複数の変調電極が設けられる。複数の変調電極間において、上部クラッド層は、ｉ型半導体により構成された分離部を有する。

特開２００４－１０２１６０号公報

下部クラッド層がｐ型半導体から構成される場合、下部クラッド層に含まれるｐ型ドーパント（例えば亜鉛）と、分離部に含まれるドーパント（例えば鉄）とが相互拡散することがある。その結果、ｐ型ドーパントがコア層中に拡散する。コア中のｐ型ドーパントは非発光再結合中心となり得る。

本開示は、コア層のｐ型ドーパント濃度を低くできる光変調器及び光変調器の製造方法を提供する。

本開示の一側面に係る光変調器は、第１方向に延在する第１メサ導波路と、第２メサ導波路と、を備え、前記第１メサ導波路は、基板上に設けられたｐ型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられたｐ型の第２半導体層と、前記コア層上に設けられたｎ型の第３半導体層とを備え、前記第２半導体層及び前記第３半導体層は、前記第１方向において互いに隣接して配置されており、前記第３半導体層上には電極が設けられており、前記第２半導体層と前記第３半導体層との間の接合面は、前記第１方向に直交する面に対して傾斜している。

本開示の一側面に係る光変調器の製造方法は、第１方向に延在する第１メサ導波路と、第２メサ導波路とを備える光変調器の製造方法であって、基板上に半導体積層体を形成する工程であり、前記半導体積層体は、前記基板上に設けられたｐ型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられた第１導電型の第２半導体層とを含む、工程と、前記第２半導体層をウェットエッチングすることによって、前記第２半導体層に凹部を形成する工程であり、前記第１方向における前記凹部の長さが、前記凹部の上端から下端に向かうに連れて小さくなっている、工程と、前記凹部内に第２導電型の第３半導体層を形成する工程と、前記第２半導体層、前記第３半導体層、前記コア層及び前記第１半導体層をエッチングすることによって、前記第１メサ導波路及び前記第２メサ導波路を形成する工程と、前記第１メサ導波路上に電極を形成する工程であり、前記電極は、前記第２半導体層及び前記第３半導体層のうちｎ型の層上に形成される、工程と、を含む。

本開示によれば、コア層のｐ型ドーパント濃度を低くできる光変調器及び光変調器の製造方法が提供される。

図１は、第１実施形態に係る光変調器を模式的に示す平面図である。 図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。 図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図４は、図１のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である。 図５は、第１実験における深さとドーパント濃度との関係を示すグラフである。 図６は、第２実験における深さとドーパント濃度との関係を示すグラフである。 図７は、導波方向の位置と電界強度との関係の例を示すグラフである。 図８は、アクセプタ濃度と電界リーク長さとの関係の例を示すグラフである。 図９は、第１実施形態に係る光変調器の製造方法の一工程を模式的に示す平面図である。 図１０は、図９のＸ－Ｘ線に沿った断面図である。 図１１は、第１実施形態に係る光変調器の製造方法の一工程を模式的に示す平面図である。 図１２は、図１１のＸＩＩ－ＸＩＩ線に沿った断面図である。 図１３は、第１実施形態に係る光変調器の製造方法の一工程を模式的に示す平面図である。 図１４は、図１３のＸＩＶ－ＸＩＶ線に沿った断面図である。 図１５は、第１実施形態に係る光変調器の製造方法の一工程を模式的に示す断面図である。 図１６は、第２実施形態に係る光変調器の一部を模式的に示す断面図である。

［本開示の実施形態の説明］
一実施形態に係る光変調器は、第１方向に延在する第１メサ導波路と、第２メサ導波路と、を備え、前記第１メサ導波路は、基板上に設けられたｐ型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられたｐ型の第２半導体層と、前記コア層上に設けられたｎ型の第３半導体層とを備え、前記第２半導体層及び前記第３半導体層は、前記第１方向において互いに隣接して配置されており、前記第３半導体層上には電極が設けられており、前記第２半導体層と前記第３半導体層との間の接合面は、前記第１方向に直交する面に対して傾斜している。

本実施形態の光変調器によれば、第１半導体層中のｐ型ドーパントと第２半導体層中のｐ型ドーパントとが相互拡散し難い。そのため、第１半導体層及び第２半導体層中のｐ型ドーパントがコア層に向かって拡散することを抑制できる。よって、コア層のｐ型ドーパント濃度を低くできる。

前記接合面は、前記第１方向における前記第３半導体層の長さが前記電極から前記コア層に向かうに連れて短くなるように傾斜してもよい。この場合、第１方向において接合面からｐ型の第２半導体層内に延びる電界リークが発生しても、第１方向において電界が広がる領域を小さくできる。

前記第２半導体層のｐ型ドーパントは、１×１０^１６ｃｍ^－３以上の濃度を有してもよい。この場合、第１方向において接合面からｐ型の第２半導体層内に延びる電界リーク長さを小さくできる。

前記第２半導体層のｐ型ドーパントは、１×１０^１７ｃｍ^－３以下の濃度を有してもよい。この場合、第２半導体層において、自由キャリア吸収による光損失を低減できる。

一実施形態に係る光変調器の製造方法は、第１方向に延在する第１メサ導波路と、第２メサ導波路とを備える光変調器の製造方法であって、基板上に半導体積層体を形成する工程であり、前記半導体積層体は、前記基板上に設けられたｐ型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられた第１導電型の第２半導体層とを含む、工程と、前記第２半導体層をウェットエッチングすることによって、前記第２半導体層に凹部を形成する工程であり、前記第１方向における前記凹部の長さが、前記凹部の上端から下端に向かうに連れて小さくなっている、工程と、前記凹部内に第２導電型の第３半導体層を形成する工程と、前記第２半導体層、前記第３半導体層、前記コア層及び前記第１半導体層をエッチングすることによって、前記第１メサ導波路及び前記第２メサ導波路を形成する工程と、前記第１メサ導波路上に電極を形成する工程であり、前記電極は、前記第２半導体層及び前記第３半導体層のうちｎ型の層上に形成される、工程と、を含む。

本実施形態の光変調器の製造方法によれば、第１半導体層中のｐ型ドーパントと第２半導体層及び第３半導体層のうちｐ型の層中のｐ型ドーパントとが相互拡散し難い。そのため、第１半導体層及び第２半導体層又は第３半導体層中のｐ型ドーパントがコア層に向かって拡散することを抑制できる。よって、コア層のｐ型ドーパント濃度を低くできる。

前記第３半導体層が前記ｎ型の層であってもよい。この場合、ｐ型の第２半導体層中のｐ型ドーパントがコア層に向かって拡散し難い。

前記第３半導体層を形成する工程では、前記第１方向における前記第３半導体層の上面の長さが、前記第１方向における前記第２半導体層の上面の長さよりも長くてもよい。この場合、第３半導体層の上面の平坦性を高くできる。

［本開示の実施形態の詳細］
以下、添付図面を参照しながら本開示の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。図面には、互いに交差するＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向が必要に応じて示される。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向は例えば互いに直交している。Ｘ軸方向は、例えば［０－１１］方向である。Ｙ軸方向は、例えば［０１１］方向である。Ｚ軸方向は、例えば［１００］方向である。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光変調器を模式的に示す平面図である。図１に示される光変調器１０は、例えばマッハツェンダ変調器である。光変調器１０は、例えば光通信において光の強度又は位相を変調し、変調信号を生成することができる。光変調器１０は、例えば光の強度を調整することによって光を減衰させることができる。

光変調器１０は、マッハツェンダ変調器の第１アーム導波路ＡＭ１及び第２アーム導波路ＡＭ２を備える。第１アーム導波路ＡＭ１は第１メサ導波路Ｍ１を備える。第１アーム導波路ＡＭ１は、第１メサ導波路Ｍ１の両端にそれぞれ光学的に結合された一対の曲がり導波路Ｍ１ｂを備えてもよい。第２アーム導波路ＡＭ２は第２メサ導波路Ｍ２を備える。第２アーム導波路ＡＭ２は、第２メサ導波路Ｍ２の両端にそれぞれ光学的に結合された一対の曲がり導波路Ｍ２ｂを備えてもよい。

第１メサ導波路Ｍ１は、基板１２上に設けられ、Ｙ軸方向（第１方向）に沿って延在し、Ｚ軸方向に高さを有する。第２メサ導波路Ｍ２は、第１メサ導波路Ｍ１に沿って延在する。第２メサ導波路Ｍ２は、Ｙ軸方向に沿って延在し、Ｚ軸方向に高さを有してもよい。第２メサ導波路Ｍ２の延在方向は、第１メサ導波路Ｍ１の延在方向と異なってもよい。具体的には、第１メサ導波路Ｍ１の延在方向と第２メサ導波路Ｍ２の延在方向とのなす角度は例えば０°超２０°以下であってもよい。第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２は、Ｘ軸方向において互いに離間している。

第１メサ導波路Ｍ１の入力端及び第２メサ導波路Ｍ２の入力端は、それぞれ曲がり導波路Ｍ１ｂ及び曲がり導波路Ｍ２ｂを介して、光分波器Ｃ１に光学的に結合される。光分波器Ｃ１は、例えば１×２多モード干渉カプラ等の多モード干渉（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ－Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）カプラである。光分波器Ｃ１は、入力導波路Ｗ１の出力端に光学的に結合される。入力導波路Ｗ１の入力端は入力ポートＰ１となる。入力ポートＰ１は基板１２の縁に位置する。光は入力ポートＰ１に入力される。

第１メサ導波路Ｍ１の出力端及び第２メサ導波路Ｍ２の出力端は、それぞれ曲がり導波路Ｍ１ｂ及び曲がり導波路Ｍ２ｂを介して、光合波器Ｃ２に光学的に結合される。光合波器Ｃ２は、例えば２×１多モード干渉カプラ等のＭＭＩカプラである。光合波器Ｃ２は、出力導波路Ｗ２の入力端に光学的に結合される。出力導波路Ｗ２の出力端は出力ポートＰ２となる。出力ポートＰ２は、入力ポートＰ１が位置する基板１２の縁とは反対側の縁に位置する。光は出力ポートＰ２から出力される。

第１メサ導波路Ｍ１は、Ｙ軸方向に沿って互いに離間して配置された複数の変調部Ｍ１ｍを備える。複数の変調部Ｍ１ｍ間には分離部Ｍ１ｓが位置する。各変調部Ｍ１ｍには、Ｙ軸方向に延在する配線Ｅ１ａが接続される。配線Ｅ１ａは、変調部Ｍ１ｍ上に位置している。各配線Ｅ１ａは、配線Ｅ１ｂにより電極パッドＥＰ１に接続される。電極パッドＥＰ１は、Ｘ軸方向において配線Ｅ１ａから離れて位置する。電極パッドＥＰ１は、複数の変調部Ｍ１ｍにわたってＹ軸方向に延在する。配線Ｅ１ａ、配線Ｅ１ｂ及び電極パッドＥＰ１は、基板１２上に位置している。配線Ｅ１ａ、配線Ｅ１ｂ及び電極パッドＥＰ１は、例えば金等の金属を含む。

第２メサ導波路Ｍ２は第１メサ導波路Ｍ１と同様の構成を備える。第２メサ導波路Ｍ２は、Ｙ軸方向に沿って互いに離間して配置された複数の変調部Ｍ２ｍを備える。複数の変調部Ｍ２ｍ間には分離部Ｍ２ｓが位置する。各変調部Ｍ２ｍには、Ｙ軸方向に延在する配線Ｅ２ａが接続される。配線Ｅ２ａは、変調部Ｍ２ｍ上に位置している。各配線Ｅ２ａは、配線Ｅ２ｂにより電極パッドＥＰ２に接続される。電極パッドＥＰ２は、Ｘ軸方向において配線Ｅ２ａから離れて位置する。電極パッドＥＰ２は、複数の変調部Ｍ２ｍにわたってＹ軸方向に延在する。配線Ｅ２ａ、配線Ｅ２ｂ及び電極パッドＥＰ２は、基板１２上に位置している。配線Ｅ２ａ、配線Ｅ２ｂ及び電極パッドＥＰ２は、例えば金等の金属を含む。

電極パッドＥＰ１の一端及び電極パッドＥＰ２の一端には、配線により駆動回路ＤＲが接続されている。駆動回路ＤＲは、交流電源ＰＷと、抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ２とを含む。交流電源ＰＷは、配線により抵抗Ｒ１を介して電極パッドＥＰ１の一端に接続される。交流電源ＰＷは、配線により抵抗Ｒ２を介して電極パッドＥＰ２の一端に接続される。

電極パッドＥＰ１の他端は、配線により終端抵抗ＲＴ１を介して接地電位ＧＮＤに接続されている。電極パッドＥＰ２の他端は、配線により終端抵抗ＲＴ２を介して接地電位ＧＮＤに接続されている。

図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。図２には、変調部Ｍ１ｍ及び変調部Ｍ２ｍの断面が示されている。図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。図３には、分離部Ｍ１ｓ及び分離部Ｍ２ｓの断面が示されている。図４は、図１のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である。図４には、変調部Ｍ１ｍ及び分離部Ｍ１ｓの断面が示されている。

図２から図４に示されるように、第１メサ導波路Ｍ１は、基板１２上に設けられたｐ型の第１半導体層１６と、第１半導体層１６上に設けられたコア層１８と、コア層１８上に設けられたｐ型の第２半導体層２６と、コア層１８上に設けられたｎ型の第３半導体層２０とを備える。基板１２と第１半導体層１６との間には半導体層１４が設けられ得る。第２半導体層２６上にはｐ型の半導体層２８が設けられ得る。第３半導体層２０上にはｎ型の半導体層２２が設けられ得る。

第２半導体層２６及び第３半導体層２０は、Ｙ軸方向において互いに隣接して配置されている。複数の第２半導体層２６及び複数の第３半導体層２０がＹ軸方向に配列され得る。第２半導体層２６及び第３半導体層２０は、Ｙ軸方向において交互に配列され得る。第３半導体層２０の数は電極Ｅ１の数と一致し得る。第２半導体層２６と第３半導体層２０との間の接合面ＪＮは、Ｙ軸方向に直交する面（ＸＺ平面）に対して傾斜している。すなわち、接合面ＪＮは、第１メサ導波路Ｍ１のＹＺ断面においてＺ軸方向に対して傾斜している。接合面ＪＮは、ＰＮ接合面である。本実施形態において、接合面ＪＮは、Ｙ軸方向における第３半導体層２０の長さＬ２０が電極Ｅ１からコア層１８に向かうに連れて短くなるように傾斜する。すなわち、接合面ＪＮは、Ｙ軸方向における第２半導体層２６の長さＬ２６が電極Ｅ１からコア層１８に向かうに連れて長くなるように傾斜する。接合面ＪＮは、ＸＺ平面に対して角度（９０°－θ）だけ傾斜している。すなわち、接合面ＪＮは、基板１２の主面１２ａに対して角度θだけ傾斜している。角度θは、５０°以上６０°以下であり得る。角度θは、第２半導体層２６に含まれるＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の結晶方位により制御され得る。例えば、基板１２の主面１２ａが（１００）面であり、主面１２ａ上に第２半導体層２６をエピタキシャル成長する場合、角度θは５５°であり得る。

接合面ＪＮは、Ｙ軸方向における第３半導体層２０の長さＬ２０が電極Ｅ１からコア層１８に向かうに連れて長くなるように傾斜してもよい。すなわち、接合面ＪＮは、Ｙ軸方向における第２半導体層２６の長さＬ２６が電極Ｅ１からコア層１８に向かうに連れて短くなるように傾斜してもよい。

第１メサ導波路Ｍ１において、第３半導体層２０上には電極Ｅ１が設けられている。第３半導体層２０と電極Ｅ１との間には半導体層２２が配置され得る。電極Ｅ１上には配線Ｅ１ａが設けられる。第１メサ導波路Ｍ１において、第２半導体層２６上には電極Ｅ１及び配線Ｅ１ａが設けられていない。

同様に、第２メサ導波路Ｍ２において、第３半導体層２０上には電極Ｅ２が設けられている。第３半導体層２０と電極Ｅ２との間には半導体層２２が配置され得る。電極Ｅ２上には配線Ｅ２ａが設けられる。第２メサ導波路Ｍ２において、第２半導体層２６上には電極Ｅ２及び配線Ｅ２ａが設けられていない。

図２に示されるように、変調部Ｍ１ｍ及び変調部Ｍ２ｍにおいて、半導体層１４、第１半導体層１６、コア層１８、第３半導体層２０及び半導体層２２は、基板１２の主面１２ａ上に順に設けられ得る。第１半導体層１６は下部クラッド層を構成する。第３半導体層２０は上部クラッド層を構成する。第１メサ導波路Ｍ１のコア層１８及び第２メサ導波路Ｍ２のコア層１８は、Ｘ軸方向において互いに離間して配置されている。Ｙ軸方向に直交する第１メサ導波路Ｍ１の断面において、光のスポットＳ１は、第１半導体層１６、コア層１８及び第３半導体層２０にわたって形成される。Ｙ軸方向に直交する第２メサ導波路Ｍ２の断面において、光のスポットＳ２は、第１半導体層１６、コア層１８及び第３半導体層２０にわたって形成される。

図３に示されるように、分離部Ｍ１ｓ及び分離部Ｍ２ｓにおいて、半導体層１４、第１半導体層１６、コア層１８、第２半導体層２６及び半導体層２８は、基板１２の主面１２ａ上に順に設けられ得る。第２半導体層２６は上部クラッド層を構成する。

基板１２は、例えば半絶縁性半導体基板である。基板１２は、絶縁性ドーパントがドープされたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。基板１２は、例えば鉄（Ｆｅ）がドープされたＩｎＰを含む。基板１２のドーパント濃度は、１×１０^１７ｃｍ^－３以上１×１０^１８ｃｍ^－３以下であり得る。

半導体層１４は、図２及び図３に示されるように、コア層１８と基板１２との間に位置する第１部分１４ａと、第１部分１４ａの両側に位置する一対の第２部分１４ｂとを備える。第１部分１４ａ及び一対の第２部分１４ｂは、Ｙ軸方向に延在している。したがって、半導体層１４の幅（Ｘ軸方向の長さ）は、コア層１８の幅よりも大きくなっている。第１メサ導波路Ｍ１の半導体層１４と第２メサ導波路Ｍ２の半導体層１４とは、互いに接続されている。本実施形態において、第１メサ導波路Ｍ１の半導体層１４と第２メサ導波路Ｍ２の半導体層１４とは、互いに接続されて単一の半導体層を形成している。半導体層１４は、一対の第２部分１４ｂを備えなくてもよい。この場合、基板１２と半導体層１４との間に設けられた半導体層又は導電層によって、第１メサ導波路Ｍ１の半導体層１４と第２メサ導波路Ｍ２の半導体層１４とを互いに電気的に接続できる。

半導体層１４は、ｐ型ドーパントがドープされたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。半導体層１４は、例えば亜鉛（Ｚｎ）がドープされたＩｎＧａＡｓ又はＩｎＰを含む。半導体層１４は、第１半導体層１６のドーパント濃度よりも大きいドーパント濃度を有する。半導体層１４のドーパント濃度は、第１半導体層１６のドーパント濃度の１０倍以上であり得る。半導体層１４のドーパント濃度は、５×１０^１８ｃｍ^－３以上又は１×１０^１９ｃｍ^－３以上であり得る。半導体層１４の厚みＴ１は、例えば０．５μｍ以上２．０μｍ以下である。

第１半導体層１６は、コア層１８と半導体層１４との間に位置する第１部分１６ａと、第１部分１６ａの両側に位置する一対の第２部分１６ｂとを備える。第１部分１６ａの厚みは、第２部分１６ｂの厚みよりも大きい。第１部分１６ａ及び一対の第２部分１６ｂは、Ｙ軸方向に延在している。したがって、第１半導体層１６の幅は、コア層１８の幅よりも大きくなっている。第１メサ導波路Ｍ１の第１半導体層１６と第２メサ導波路Ｍ２の第１半導体層１６とは、互いに接続されている。本実施形態において、第１メサ導波路Ｍ１の第１半導体層１６と第２メサ導波路Ｍ２の第１半導体層１６とは、互いに接続されて単一の半導体層を形成している。第１半導体層１６は、一対の第２部分１６ｂを備えなくてもよい。

第１半導体層１６は、ｐ型ドーパントがドープされたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。第１半導体層１６は、半導体層１４の半導体材料とは異なる半導体材料を含み得る。第１半導体層１６は、例えばＺｎがドープされたＩｎＰを含む。第１半導体層１６のドーパント濃度は、１×１０^１７ｃｍ^－３以上２×１０^１８ｃｍ^－３以下であり得る。第１半導体層１６の厚みＴ２（第１部分１６ａの厚み）は、半導体層１４の厚みＴ１より大きくてもよく、例えば１．０μｍ以上３．０μｍ以下である。

コア層１８は、ｉ型の半導体層すなわちアンドープ半導体層である。コア層１８は、多重量子井戸構造を有し得る。コア層１８は、例えばＡｌＧａＩｎＡｓ系のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。コア層１８の幅は例えば１．５μｍ以下である。コア層１８中のｐ型ドーパント濃度は、例えば１×１０^１６ｃｍ^－３以下である。

第３半導体層２０は、ｎ型ドーパントがドープされたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。第３半導体層２０は、例えばＳｉがドープされたＩｎＰを含む。第３半導体層２０のドーパント濃度は、１×１０^１７ｃｍ^－３以上２×１０^１８ｃｍ^－３以下であり得る。第３半導体層２０の厚みは、例えば１．０μｍ以上３．０μｍ以下である。

半導体層２２は、ｎ型ドーパントがドープされたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。半導体層２２は、第３半導体層２０の半導体材料とは異なる半導体材料を含み得る。半導体層２２は、例えばＳｉがドープされたＩｎＧａＡｓ又はＩｎＰを含む。半導体層２２は、第３半導体層２０のドーパント濃度よりも大きいドーパント濃度を有する。半導体層２２のドーパント濃度は、１×１０^１８ｃｍ^－３以上又は１×１０^１９ｃｍ^－３以上であり得る。半導体層２２の厚みは、例えば０．１μｍ以上０．５μｍ以下である。

第２半導体層２６は、ｐ型ドーパントがドープされたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。第２半導体層２６は、第１半導体層１６の半導体材料と同じ半導体材料を含み得る。第２半導体層２６は、例えばＺｎがドープされたＩｎＰを含む。第２半導体層２６は、第１半導体層１６のドーパント濃度よりも小さいドーパント濃度を有する。第２半導体層２６のドーパント濃度は、５×１０^１６ｃｍ^－３以上５×１０^１７ｃｍ^－３以下、又は５×１０^１６ｃｍ^－３以上１×１０^１７ｃｍ^－３以下であり得る。第２半導体層２６の厚みは、第１半導体層１６の厚みＴ２より小さくてもよく、例えば１．０μｍ以上３．０μｍ以下である。

半導体層２８は、ｐ型ドーパントがドープされたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。半導体層２８は、第２半導体層２６の半導体材料とは異なる半導体材料を含み得る。半導体層２８は、例えばＺｎがドープされたＩｎＧａＡｓ又はＩｎＰを含む。半導体層２８は、第１半導体層１６のドーパント濃度よりも小さいドーパント濃度を有する。半導体層２８のドーパント濃度は、５×１０^１６ｃｍ^－３以上５×１０^１７ｃｍ^－３以下、又は５×１０^１６ｃｍ^－３以上１×１０^１７ｃｍ^－３以下であり得る。半導体層２８の厚みは、例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

電極Ｅ１は、第１メサ導波路Ｍ１の半導体層２２に接続される。電極Ｅ１は、第１メサ導波路Ｍ１の半導体層２２にオーミック接触する。電極Ｅ１は、配線Ｅ１ａに接続される。同様に、電極Ｅ２は、第２メサ導波路Ｍ２の半導体層２２に接続される。電極Ｅ２は、第２メサ導波路Ｍ２の半導体層２２にオーミック接触する。電極Ｅ２は、配線Ｅ２ａに接続される。電極Ｅ１及び電極Ｅ２のそれぞれは、例えばＮｉ層、Ｇｅ層及びＡｕ層を含む。更なる電極が半導体層１４に接続されてもよい。

基板１２の主面１２ａ、第１メサ導波路Ｍ１の側面及び第２メサ導波路Ｍ２の側面上には、例えば無機材料を含む絶縁膜３０が設けられ得る。第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２を埋め込むように、絶縁膜３０上に埋込領域３２が設けられ得る。埋込領域３２は例えば樹脂を含む。絶縁膜３０は、埋込領域３２上に設けられ得る。

本実施形態の光変調器１０では、駆動回路ＤＲにより電極Ｅ１及び電極Ｅ２に交流電圧が印加される。例えば第１メサ導波路Ｍ１に電圧が印加されることによって、第１メサ導波路Ｍ１のコア層１８を伝搬する光の強度又は位相が調整される。同様に、第２メサ導波路Ｍ２に電圧が印加されることによって、第２メサ導波路Ｍ２のコア層１８を伝搬する光の強度又は位相が調整される。

本実施形態の光変調器１０によれば、第２半導体層２６中のｐ型ドーパントと第１半導体層１６中のｐ型ドーパントとが相互拡散し難い。そのため、第１半導体層１６及び第２半導体層２６中のｐ型ドーパントがコア層１８に向かって拡散することを抑制できる。よって、コア層１８のｐ型ドーパント濃度を低くできる。

図４に示されるように、Ｙ軸方向における第３半導体層２０の長さＬ２０が電極Ｅ１からコア層１８に向かうに連れて短くなるように接合面ＪＮが傾斜し得る。この場合、Ｙ軸方向において接合面ＪＮからｐ型の第２半導体層２６内に延びる電界リークが発生しても、Ｙ軸方向において電界が広がる領域を小さくできる。よって、コア層１８において電圧が印加される領域のＹ軸方向における長さを小さくできる。

第２半導体層２６のｐ型ドーパントが１×１０^１６ｃｍ^－３以上の濃度を有する場合、Ｙ軸方向において接合面ＪＮからｐ型の第２半導体層２６内に延びる電界リーク長さを小さくできる。第２半導体層２６のｐ型ドーパントが１×１０^１７ｃｍ^－３以下の濃度を有する場合、第２半導体層２６において、自由キャリア吸収による光損失を低減できる。

以下、光変調器１０の評価のために行った種々の実験について説明する。以下に説明する実験は、本開示を限定するものではない。

（第１実験）
第１実験の光変調器は、図１から図４に示される構造を有する。具体的には、第１実験の光変調器は以下の構造を有する。
基板１２：ＦｅがドープされたＩｎＰ基板（Ｆｅ濃度１×１０^１７ｃｍ^－３以上１×１０^１８ｃｍ^－３以下）、
半導体層１４：ｐ－ＩｎＧａＡｓコンタクト層。ＺｎがドープされたＩｎＧａＡｓ層（厚み１．１μｍ、Ｚｎ濃度２×１０^１９ｃｍ^－３）、
第１半導体層１６：ｐ－ＩｎＰ下部クラッド層。ＺｎがドープされたＩｎＰ層（第１部分１６ａの厚み１．５μｍ、第２部分１６ｂの厚み１μｍ、Ｚｎ濃度５×１０^１７ｃｍ^－３以上２×１０^１８ｃｍ^－３以下）、
コア層１８：ｉ－コア層。ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの多重量子井戸（厚み０．５μｍ、幅１．５μｍ、第１メサ導波路Ｍ１のコア層１８と第２メサ導波路Ｍ２のコア層１８と間の距離１５μｍ）、
第３半導体層２０：ＳｉがドープされたＩｎＰ層（Ｓｉ濃度５×１０^１７ｃｍ^－３以上２×１０^１８ｃｍ^－３以下）、
半導体層２２：ＳｉがドープされたＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ濃度１×１０^１９ｃｍ^－３以上）、
第２半導体層２６：ｐ－ＩｎＰ上部クラッド層。ＺｎがドープされたＩｎＰ層（厚み１．２μｍ、Ｚｎ濃度１×１０^１７ｃｍ^－３以上５×１０^１７ｃｍ^－３以下）、
半導体層２８：ｐ－ＩｎＧａＡｓ層。ＺｎがドープされたＩｎＧａＡｓ層（厚み５０ｎｍ、Ｚｎ濃度１×１０^１７ｃｍ^－３以上５×１０^１７ｃｍ^－３以下）。

第１実験の光変調器についてＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）測定を行った。結果を図５に示す。

図５は、第１実験における深さとドーパント濃度との関係を示すグラフである。グラフ中、縦軸はドーパント濃度を示す。ドーパント濃度はＺｎ濃度である。横軸は、ＩｎＰ基板の主面に直交する方向における深さを示す。深さが０となる位置は、ｐ－ＩｎＧａＡｓ層の上面である。グラフには、Ｚｎ濃度のプロファイルＰ１ＺＮが示される。ｉ－コア層において、Ｚｎ濃度は１×１０^１６ｃｍ^－３以下と小さかった。図５のグラフから、ｐ－ＩｎＰ下部クラッド層中のＺｎ及びｐ－ＩｎＰ上部クラッド層中のＺｎがｉ－コア層中に拡散していないことが分かる。

（第２実験）
第２実験の光変調器は、ｐ－ＩｎＰ上部クラッド層及びｐ－ＩｎＧａＡｓ層に代えてそれぞれＳＩ（Ｓｅｍｉ－Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ：半絶縁性の）－ＩｎＰ上部クラッド層及びＳＩ－ＩｎＧａＡｓＰ層を備えること以外は第１実験の光変調器と同じ構造を有する。ＳＩ－ＩｎＰ上部クラッド層及びＳＩ－ＩｎＧａＡｓＰ層のそれぞれは、ドーパントとしてＦｅを含む。

第２実験の光変調器についてＳＩＭＳ測定を行った。結果を図６に示す。

図６は、第２実験における深さとドーパント濃度との関係を示すグラフである。グラフ中、縦軸はドーパント濃度を示す。ドーパント濃度はＺｎ濃度又はＦｅ濃度である。横軸は、ＩｎＰ基板の主面に直交する方向における深さを示す。深さが０となる位置は、ＳＩ－ＩｎＧａＡｓＰ層の上面である。グラフには、Ｚｎ濃度のプロファイルＰ２ＺＮと、Ｆｅ濃度のプロファイルＰ２ＦＥとが示される。コア層において、Ｚｎ濃度は１×１０^１６ｃｍ^－３よりも大きかった。図６のグラフから、ｐ－ＩｎＰ下部クラッド層中のＺｎがｉ－コア層中に拡散し、ＳＩ－ＩｎＰ上部クラッド層中のＦｅがｐ－ＩｎＰ下部クラッド層中に拡散していることが分かる。

（第３実験）
第３実験では、図４の第２半導体層２６及び第２半導体層２６の両側に位置する一対の第３半導体層２０を含む領域に対応するモデル構造について、シミュレーションにより電界強度分布を算出した。結果を図７に示す。

図７は、導波方向の位置と電界強度との関係の例を示すグラフである。グラフ中、縦軸は電界強度を示す。横軸は導波方向（Ｙ軸方向）の位置を示す。モデル構造は、導波方向においてそれぞれ１μｍの長さを有する一対のｎ－ＩｎＰ層と、導波方向において５μｍの長さを有するｐ－ＩｎＰ層とを有する。各ｎ－ＩｎＰ層のＳｉ濃度は２×１０^１８ｃｍ^－３である。ｐ－ＩｎＰ層のアクセプタ濃度（Ｚｎ濃度）は、１×１０^１４ｃｍ^－３、１×１０^１５ｃｍ^－３又は１×１０^１６ｃｍ^－３である。各ｎ－ＩｎＰ層とｐ－ＩｎＰ層との接合面は導波方向に対して直交している。

グラフ中、プロファイルＣ１４は、アクセプタ濃度が１×１０^１４ｃｍ^－３である場合のｐ－ＩｎＰ層中の電界強度分布を示す。プロファイルＣ１５は、アクセプタ濃度が１×１０^１５ｃｍ^－３である場合のｐ－ＩｎＰ層中の電界強度分布を示す。プロファイルＣ１６は、アクセプタ濃度が１×１０^１６ｃｍ^－３である場合のｐ－ＩｎＰ層中の電界強度分布を示す。電界リーク長さＬ１５は、アクセプタ濃度が１×１０^１５ｃｍ^－３である場合に、電界強度のピークに対して１％以上の電界強度を有する領域の導波方向における長さを示す。電界リーク長さＬ１６は、アクセプタ濃度が１×１０^１６ｃｍ^－３である場合に、電界強度のピークに対して１％以上の電界強度を有する領域の導波方向における長さを示す。図７のグラフから、アクセプタ濃度が高くなると電界リーク長さが短くなることが分かる。

図８は、アクセプタ濃度と電界リーク長さとの関係の例を示すグラフである。グラフ中、縦軸は電界リーク長さを示す。横軸はアクセプタ濃度を示す。電界リーク長さＬ１５は３μｍ程度である。電界リーク長さＬ１６は１μｍ程度である。図８のグラフから、アクセプタ濃度が高くなると電界リーク長さが線形的に短くなることが分かる。アクセプタ濃度が１×１０^１６ｃｍ^－３以上であると、電界リーク長さが１μｍ以下と小さくなる。

以下、図９から図１５を参照して第１実施形態に係る光変調器の製造方法について説明する。光変調器１０は、以下のようにして製造され得る。

（半導体積層体を形成）
まず、図９及び図１０に示されるように、基板１２上に半導体積層体ＳＬを形成する。半導体積層体ＳＬは、基板１２上に設けられたｐ型の第１半導体層１６と、第１半導体層１６上に設けられたコア層１８と、コア層１８上に設けられたｐ型（第１導電型）の第２半導体層２６とを含む。半導体積層体ＳＬは、基板１２と第１半導体層１６との間に配置された半導体層１４を含み得る。半導体積層体ＳＬは、第２半導体層２６上に設けられたｐ型の半導体層２８を含み得る。各層は、例えば有機金属気相成長法（ＯＭＶＰＥ：Ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）により形成される。

次に、半導体積層体ＳＬ上にマスクＭＫ１を形成する。本実施形態では、複数のマスクＭＫ１が、Ｘ軸方向に延在しており、Ｙ軸方向において互いに離間して配置される。マスクＭＫ１は、例えばフォトリソグラフィー及びエッチングにより形成され得る。

（第２半導体層をウェットエッチング）
次に、図１１及び図１２に示されるように、第２半導体層２６をウェットエッチングすることによって、第２半導体層２６に凹部ＲＳを形成する。半導体層２８もウェットエッチングされ得る。ウェットエッチングは、マスクＭＫ１を用いて行われる。エッチャントの例は、塩酸及び過酸化水素を含む水溶液を含む。Ｙ軸方向における凹部ＲＳの長さＬＲＳは、凹部ＲＳの上端ＲＳ１から下端ＲＳ２に向かうに連れて小さくなっている。すなわち、凹部ＲＳの側壁は順テーパ形状を有する。

（第３半導体層を形成）
次に、図１１及び図１２に示されるように、凹部ＲＳ内にｎ型（第１導電型とは反対の第２導電型）の第３半導体層２０を形成する。その後、第３半導体層２０上に半導体層２２が形成され得る。各層は、例えば、マスクＭＫ１を用いて有機金属気相成長法により形成される。各層は、選択成長によりマスクＭＫ１上に形成されなくてもよい。

Ｙ軸方向における第３半導体層２０の上面の長さＬ２０Ｕは、Ｙ軸方向における第２半導体層２６の上面の長さＬ２６Ｕよりも長くてもよい。この場合、第３半導体層２０の上面の平坦性を高くできる。

（第１メサ導波路及び第２メサ導波路を形成）
次に、図１３から図１５に示されるように、第２半導体層２６、第３半導体層２０、コア層１８及び第１半導体層１６をエッチングすることによって、第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２を形成する。半導体層２２及び半導体層２８もエッチングされ得る。第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２は、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより形成され得る。まず、図１３及び図１４に示されるように、マスクＭＫ２を用いて、第２半導体層２６、半導体層２８、第３半導体層２０、半導体層２２、コア層１８及び第１半導体層１６をエッチングする。第１半導体層１６は部分的にエッチングされる。本実施形態では、一対のマスクＭＫ２が、Ｙ軸方向に延在しており、Ｘ軸方向において互いに離間して配置される。次に、図１５に示されるように、Ｙ軸方向に延在するマスクＭＫ３を用いて、第１半導体層１６及び半導体層１４をエッチングする。Ｘ軸方向におけるマスクＭＫ３の幅は、Ｘ軸方向におけるマスクＭＫ２の幅よりも大きい。これにより、第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２が形成される。

次に、図２及び図３に示されるように、第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２を覆うように絶縁膜３０を形成する。その後、絶縁膜３０上に樹脂を塗布することによって埋込領域３２を形成する。その後、埋込領域３２上に絶縁膜３０を形成する。

（電極を形成）
次に、図２及び図４に示されるように、第１メサ導波路Ｍ１上に電極Ｅ１を形成する。電極Ｅ１は、ｎ型の第３半導体層２０上に形成され、ｐ型の第２半導体層２６上には形成されない。電極Ｅ１は、半導体層２２上に形成され得る。同様に、図２に示されるように、第２メサ導波路Ｍ２上に電極Ｅ２を形成する。電極Ｅ２は、ｎ型の第３半導体層２０上に形成され、ｐ型の第２半導体層２６上には形成されない。電極Ｅ２は、半導体層２２上に形成され得る。

次に、電極Ｅ１及び電極Ｅ２上にそれぞれ配線Ｅ１ａ及び配線Ｅ２ａを形成する。同時に、配線Ｅ１ｂ、配線Ｅ２ｂ、電極パッドＥＰ１及び電極パッドＥＰ２も形成される。配線及び電極パッドは、例えばフォトリソグラフィー、ドライエッチング、蒸着及びリフトオフにより形成され得る。

上記製造方法において、第２半導体層２６と第３半導体層２０との形成順序を逆にしてもよい。この場合、半導体積層体を形成する工程において、半導体積層体ＳＬは、コア層１８上に設けられたｎ型（第１導電型）の第３半導体層２０（第２半導体層）を含む。第２半導体層をウェットエッチングする工程では、第３半導体層２０をウェットエッチングすることによって、第３半導体層２０に凹部を形成する。第３半導体層を形成する工程では、凹部内にｐ型（第２導電型）の第２半導体層２６を形成する。この場合、図４に示される接合面ＪＮは、Ｙ軸方向における第３半導体層２０の長さＬ２０が電極Ｅ１からコア層１８に向かうに連れて長くなるように傾斜する。

（第２実施形態）
図１６は、第２実施形態に係る光変調器の一部を模式的に示す断面図である。図１６に示される光変調器は、エッチングストップ層５０を更に備えること以外は第１実施形態の光変調器１０と同じ構成を備える。

エッチングストップ層５０は、第２半導体層２６をウェットエッチングする時にエッチングストップ層として機能し得る。エッチングストップ層５０は、例えばＩｎＧａＡｓＰ等のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。

本実施形態では、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。エッチングストップ層５０によって、第２半導体層２６又は第３半導体層２０をウェットエッチングする際に、コア層１８がエッチングされることを抑制できる。

以上、本開示の好適な実施形態について詳細に説明されたが、本開示は上記実施形態に限定されない。各実施形態の各構成要素は、任意に組み合わされてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０…光変調器
１２…基板
１２ａ…主面
１４…半導体層
１４ａ…第１部分
１４ｂ…第２部分
１６…第１半導体層
１６ａ…第１部分
１６ｂ…第２部分
１８…コア層
２０…第３半導体層
２２…半導体層
２６…第２半導体層
２８…半導体層
３０…絶縁膜
３２…埋込領域
５０…エッチングストップ層
ＡＭ１…第１アーム導波路
ＡＭ２…第２アーム導波路
Ｃ１…光分波器
Ｃ２…光合波器
Ｃ１４…プロファイル
Ｃ１５…プロファイル
Ｃ１６…プロファイル
ＤＲ…駆動回路
Ｅ１…電極
Ｅ１ａ…配線
Ｅ１ｂ…配線
Ｅ２…電極
Ｅ２ａ…配線
Ｅ２ｂ…配線
ＥＰ１…電極パッド
ＥＰ２…電極パッド
ＧＮＤ…接地電位
ＪＮ…接合面
Ｍ１…第１メサ導波路
Ｍ１ｂ…曲がり導波路
Ｍ１ｍ…変調部
Ｍ１ｓ…分離部
Ｍ２…第２メサ導波路
Ｍ２ｂ…曲がり導波路
Ｍ２ｍ…変調部
Ｍ２ｓ…分離部
ＭＫ１…マスク
ＭＫ２…マスク
ＭＫ３…マスク
Ｐ１…入力ポート
Ｐ１ＺＮ…プロファイル
Ｐ２…出力ポート
Ｐ２ＦＥ…プロファイル
Ｐ２ＺＮ…プロファイル
ＰＷ…交流電源
Ｒ１…抵抗
Ｒ２…抵抗
ＲＳ…凹部
ＲＳ１…上端
ＲＳ２…下端
ＲＴ１…終端抵抗
ＲＴ２…終端抵抗
Ｓ１…スポット
Ｓ２…スポット
ＳＬ…半導体積層体
Ｗ１…入力導波路
Ｗ２…出力導波路

Claims (7)

1. 光軸方向である第１方向に延在する第１メサ導波路と、
   第２メサ導波路と、
   を備え、
   前記第１メサ導波路は、基板の主面上に設けられたｐ型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられたｐ型の第２半導体層と、前記コア層上に設けられたｎ型の第３半導体層とを備え、
   前記第２半導体層及び前記第３半導体層は、前記第１方向において互いに隣接して配置されており、
   前記第３半導体層上には電極が設けられており、
   前記第２半導体層と前記第３半導体層との間の接合面は、前記第１方向に直交する面に対して傾斜しており、
   前記接合面は、前記基板の前記主面に対して５０°以上６０°以下の角度だけ傾斜している、光変調器。
2. 前記接合面は、前記第１方向における前記第３半導体層の長さが前記電極から前記コア層に向かうに連れて短くなるように傾斜している、請求項１に記載の光変調器。
3. 前記第２半導体層のｐ型ドーパントは、１×１０^１６ｃｍ^－３以上の濃度を有する、請求項１又は請求項２に記載の光変調器。
4. 前記第２半導体層のｐ型ドーパントは、１×１０^１７ｃｍ^－３以下の濃度を有する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光変調器。
5. 光軸方向である第１方向に延在する第１メサ導波路と、第２メサ導波路とを備える光変調器の製造方法であって、
   基板の主面上に半導体積層体を形成する工程であり、前記半導体積層体は、前記基板上に設けられたｐ型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられた第１導電型の第２半導体層とを含む、工程と、
   前記第２半導体層をウェットエッチングすることによって、前記第２半導体層に凹部を形成する工程であり、前記第１方向における前記凹部の長さが、前記凹部の上端から下端に向かうに連れて小さくなっている、工程と、
   前記凹部内に第２導電型の第３半導体層を形成する工程であり、前記第２半導体層と前記第３半導体層との間の接合面は、前記基板の前記主面に対して５０°以上６０°以下の角度だけ傾斜している、工程と、
   前記第２半導体層、前記第３半導体層、前記コア層及び前記第１半導体層をエッチングすることによって、前記第１メサ導波路及び前記第２メサ導波路を形成する工程と、
   前記第１メサ導波路上に電極を形成する工程であり、前記電極は、前記第２半導体層及び前記第３半導体層のうちｎ型の層上に形成される、工程と、
   を含む、光変調器の製造方法。
6. 前記第３半導体層が前記ｎ型の層である、請求項５に記載の光変調器の製造方法。
7. 前記第３半導体層を形成する工程では、前記第１方向における前記第３半導体層の上面の長さが、前記第１方向における前記第２半導体層の上面の長さよりも長い、請求項５又は請求項６に記載の光変調器の製造方法。

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