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JPS6132656B2 - - Google Patents
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JPS6132656B2 - - Google Patents

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JPS6132656B2
JPS6132656B2 JP52061272A JP6127277A JPS6132656B2 JP S6132656 B2 JPS6132656 B2 JP S6132656B2 JP 52061272 A JP52061272 A JP 52061272A JP 6127277 A JP6127277 A JP 6127277A JP S6132656 B2 JPS6132656 B2 JP S6132656B2
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semiconductor
semiconductor device
protruding
epitaxial layer
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Andore Roogan Rarufu
Kaaru Reinhaato Furantsu
Robaato Shinkuraiaa Uiriamu
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AT&T Technologies Inc
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体集積光波変調器に係るものであ
る。
たとえば通信のような各種の目的に光を使用す
る場合、光ビームの強度を変調する手段を持つこ
とが望ましい。たとえば、日本国特許昭47第
106754号（特開昭48−52250号）においては、異
なる屈折率をもつ異なる半導体材料の多層構造を
もつ異なる半導体材料の多層構造を用いた光変調
器が述べられている。更に、アプライド フイジ
ツクス レターズ（Applied physics Letters）
第24巻、６号、270−272頁（1974年４月15日）に
発表されたラインハート、ローガン（F.K.
Reinhert、R.A.Logan）（本発明の発明者２人）
及びリー（T.P.Lee）らによる論文には、エピタ
キシヤル半導体突出形導波路の伝送特性が述べら
れている。これらの突出形導波路はAlxGa1-xAs
層上のエピタキシヤルGaAsを幾何学的に選択陽
極酸化することにより形成され、“突出”はエピ
タキシヤル層のその部分を残りの（“平板”）エピ
タキシヤル層より幾分厚くなるように規定されて
いる。突出方向に沿つたエピタキシヤル層中の光
波の伝播は、突出部表面の頂点の下（エピタキシ
ヤル層がより厚くなつている部分）のエピタキシ
ヤル層部分中に閉じ込められる傾向がある。
半導体突出形導波路はこのように横方向の閉じ
込め及び伝播する光ビームの導波路に有用であ
る。しかし、（突出部分とエピタキシヤル層の他
の平板部分との厚さの差に等しい）突出部の高さ
は重要なパラメータであり、通常最低次数の単一
モード伝播であるが、光を所望のあらかじめ決め
られたモード（場合によつては複数）で伝播させ
るためにはその値を注意深く制御しなければなら
ない。さらに、電気信号に従つて光を変調する手
段を持つためには、突出部に対する電極が必要で
ある。日本国特許第107589／75（特開昭51−
104843）においては、再び成長させたエピタキミ
ヤル ガリウム アルミニウム ヒ素層が半導体
導波路に対する電極として提案されている。しか
し、光集積素子中に形成されたそのような電極
は、他の半導体光要素に影響を与えることなく、
あらかじめ決められた領域上にエピタキシヤル成
長させることが必要で、従つて突出形導波路構造
に組み合わせて作ることは困難である。さらに、
上の金属電極と薄い半導体導波路との間の光緩衝
層用に、たとえば二酸化シリコン（ｎ＝1.5）の
ような屈折率の比較的低い電気的絶縁層を用いる
と、厚い絶縁体緩衝層の場合、突出形導波路中の
変調電界損失が著しく大きくなり、また酸化膜中
のピンホール（最終的に上の金属電極でうめられ
る）が薄い絶縁体緩衝層の場合、半導体導波路中
の局部的な降伏の原因になるという問題がある。
従つて、比較的容易に突出部の高さが制御でき、
同時に簡単で容易に製作できる電極をもち、光の
損失が小さくかつ導電性が良いことを特徴とし、
突出形導波路の光特性を変調できる突出形導波構
造を実現することが望ましい。
本発明に従うと、次のものから成る半導体突出
形導波路構造が実現される。すなわち、第２のエ
ピタキシヤル層（“突出形導波路”）を支持する第
１のエピタキシヤル層から成り、光学的特性が有
利であることを特徴とする。このような構造は突
出形導波路エピタキシヤル半導体層の台形の主表
面上に形成され、そのような導波路構造の突出部
分に対するヘテロ接合障壁層を形成する透明半導
型電極層により実現される。“突出部へのヘテロ
接合障壁層電極”というのは、突出形半導体に接
する材料層で、突出形半導体とは異なる化学組成
をもち、少くとも0.3ボルト、好ましくは約0.4な
いし1.0ボルトあるいはそれ以上の内部電位障壁
高さをもつ半導体突出部とのヘテロ接合を形成す
る。透明電極の材料は、第１又は第２のエピタキ
シヤル層のいずれの化学要素成分とも共通でない
（不純物を除いて）少くとも１化学成分を有する
本質的に多結晶化合物であると有利である。ま
た、電極層のバルク材料の屈折率は、障壁層電極
内にある突出部のそれより著しく小さく、それに
よつてこの電極が光モードを突出形導波路内に閉
じ込める光クラツド層としても働くようにすると
有利である。そのような低屈折率電極クラツド材
料はまた、固有の導波特性（伝送定数及びモード
伝搬容量）をほとんど乱さない。電極クラツド層
の自由キヤリア濃度は十分大きく、導波路層より
少くとも１桁ないし２桁大きく、障壁におけるク
ラツド中の空乏層の浸入が、無視できるほど小さ
い（＜0.1ミクロン）と有利である。更に、電極
クラツド層の露出した表面に、光変調用の外部電
気回路を付着するための金属層が容易に接触でき
る。また電極クラツド層は多結晶構造で、それに
よりこの電極クラツド層が次に露出される下のエ
ピタキシヤル導波路層の表面に比較的容易に製作
できることが有利である。そのような多結晶層は
典型的には約200オングストローム程度の大きさ
の多結晶粒を特徴とする。更に、この電極層への
材料は、エツチング又は酸化といつたエピタキシ
ヤル層中に突出構造を形成するために用いる加工
程に対するマスクとしても働くように選ぶと有利
である。すなわち、電極層は下の第２のエピタキ
シヤル層を保護し、その厚さを維持し、一方第２
のエピタキシヤル層の残つた平坦部分はそのよう
な工程によつて、厚さが減される。
そのような電極クラツド層の本発明における製
作能力は、半導体光集積回路を形成する従来用い
られている技術を補う。光レーザ源周波数及び光
モード伝播をそれぞれ制御するために形成された
格子及び突出部をもつた個別素子の相互接続に、
単一ヘテロ構造導波路を用いると、本発明の低損
失クラツド電極が格子又は突出部分のいずれかの
上に形成でき、高温結晶成長工程を苦心して行わ
ずに、更に回路機能がつけ加わる。
本発明の具体的な実施例を形成するために、単
結晶半導体基板の主表面上に、第１の厚さ及び基
板と同じ伝導形で第１のバルク屈折率を有する第
１のエピタキシヤル層を成長させる。第１のエピ
タキシヤル層の露出した主表面上に、第１のエピ
タキシヤル層と同じ伝導形をもつ半導体材料の第
２の（小さな）厚さと第２の（高い）屈折率を有
する第２のエピタキシヤル層を成長させる。この
時点において、本質的に平坦な第２のエピタキシ
ヤル層の露出した主表面がある。次に、導電性で
かつ第２のエピタキシヤル層より低い屈折率を有
する光学的に透明な化合物半導体材料の透明電極
層を、第２のエピタキシヤル層の露出した主表面
上に形成し、それによりヘテロ接合障壁層電極を
形成する。突出構造を形成するため、所望の電極
パターンに従い、電極層を選択的に除去する。す
なわち、電極層は突出形導波路が形成される領域
を除いた部分から、エピタキシヤル層に影響を与
えない加工法により、除去される。次に、第２の
エピタキシヤル層を導波路の突出部分の所望の高
さに等しい深さまで、（エツチング又は酸化によ
り除去し）選択的に減少させる。この時電極クラ
ツド層をエピタキシヤル層の選択的な除去又は酸
化に対するマスクとして用いる。典型的には、基
板はｎ形アルミニウム ガリウム ヒ素
（AlxGa1-xAs）で、第２のエピタキシヤル層もま
たｎ形アルミニウムガリウムヒ素
（AlyGa1-yAs）であるが、第１のエピタキシヤル
層よりガリウムに対するアルミニウムの割合が小
さく（ｙ＜ｘ）、電極クラツド層はインジウム−
スズ酸化物である。基板及び電極クラツド層に対
するオーム性電極は（光の波長及び偏向、エピタ
キシヤル結晶の禁止帯エネルギー及び結晶学的方
向に依存して、）光強度又は光波のいずれかに対
する変調電界を印加できる。そのような変調器は
集積光方向性結合スイツチング素子及び集積光ト
ランジスタ素子（光を媒介として電気信号を増幅
する）のような各種の分野で有利である。
第１図に示されるように、半導体突出形導波路
光変調器素子１０は、以下のものを支持するｎ形
ガリウムヒ素の単結晶基板１２を含む。すなわ
ち、ｎ形アルミニウムガリウムヒ素の第１のエピ
タキシヤル層１３（典型的には液相成長で作成し
た約ｘ＝0.3のAlxGa1-xAs）、第１のエピタキシ
ヤル層より低いアルミニウム対ガリウム比を有す
るｎ形アルミニウムガリウムヒ素の第２のエピタ
キシヤル層１４（典型的には液相成長で作成した
約ｙ＝0.15のAlyGa1-yAs）、第２のエピタキシヤ
ル層１４の突出部分１４．２に接する電極クラツ
ド材層１５、電極クラツド層にオーム的に接する
典型的には金であるオーム性電極層１６及び基板
１２にオーム的に接する典型的にはスズである電
極層１１である。光放射源１７は光１８の入力ビ
ームを変調器１０に向け、そこでビームは突出形
導波路を経て、突出形導波モードで伝播する。モ
ードの横方向の広がりは、突出部１４．２の横方
向の大きさ及びステツプの高さの組合せで決る。
信号源２１により供給される電気信号に従つて強
度が変化する変調された出力ビーム１９は、検出
手段２０により検出されるため、突出形導波路か
ら出る。信号源２１と直列の逆バイアスD.C.電
圧源２２は、典型的には約0.1ないし12ボルトの
範囲の電圧バイアスを印加する。この電圧範囲
は、第２のエピタキシヤル層中の熱的なふらつき
を押えるには十分であり、しかし動作中降伏が起
るには不十分である。
説明を明確にするという目的のためにのみ、図
の寸法の比率は実際と異ることに注意されたい。
更に、やはり説明を明確にするという目的のため
にのみ、図では入力及び出力光ビームを変調器１
０に光学的に結合するための各種の可能な周知の
光学的結合手段を省略してある。
ｎ形GaAsの基板１２は約0.0005ないし0.01Ω
−cm、典型的には0.003Ω−cmの均一なバルク抵
抗率を有する。第１のエピタキシヤル層１３はた
とえば典型的に１立方センチメートル当り約1017
といつたスズ（Sn）不純物の濃度に従い、典型
的には約0.01Ω−cmのバルク抵抗率を有し、典型
的な厚さ約2.5ミクロンである。この第１のエピ
タキシヤル層１３のバルク屈折率は約0.886ミク
ロンの光波長に対し、（真空中で）典型的な場合
約3.394である。第２のエピタキシヤル層１４の
突出部分１４．２は横方向の寸法が典型的には５
ミクロンで、層１３の上端からの厚さは約0.7ミ
クロンである。一方、第２のエピタキシヤル層１
４の残りの”平坦”部分１４．１は（約（0.7−
0.6）＝0.1ミクロンという波高の半分に対応し、）
約0.6ミクロンの厚さである。また、この第２の
エピタキシヤル層１４は典型的には１立方センチ
メートル当り約５×1016のスズ不純物濃度に従
い、典型的には約0.02Ω−cmのバルク抵抗率を有
する。第１及び第２のエピタキシヤル層は典型的
には液相エピタキシで成長させ、それにより基板
上に単一ヘテロ接合構造が形成される。電極クラ
ツド層１５は典型的には約1.9の屈折率を有し、
バルク抵抗率は0.1Ω−cm以下、典型的には約
0.002Ω−cm、すなわち自由ヤリア濃度が第２の
エピタキシヤル層のそれより小くとも１桁大きく
有利である多結晶インジウム−スズ酸化物であ
る。このインジウム−スズ酸化膜は多くの方法で
形成できる。たとえば、インジウム−スズ酸化物
は重量にして典型的には91パーセントのIn2O3と
９パーセントのSnO2である高温加圧したターゲ
ツト電極から、典型的には室温の５×10-3トール
のアルゴン中で、0.5ミクロンあるいはそれ以下
の厚さにスパツタ形成できる。インジウム−スズ
酸化物のスパツタ蒸着法は、たとえばデイー．ビ
ー．フレーザーらによるジヤーナル．エレクトロ
ケミカル ソサイアテイ、第119巻、1368頁
（1972）及びジエイ．エル．ボツソンによるアー
ルシーエイレビユー第32巻289頁（1971）に述べ
られている。また、低温（約500℃以下）におけ
る化学的形成の有用な方法は、エイチ．コストリ
ンらによるフイジカステイタスソリデイ第A29
巻、87頁（1975）に述べられている。この電極ク
ラツド層の形成前に、通常露出したアルミニウム
ガリウムヒ素層１４は約10ないし50ボルトにおけ
る陽極酸化の後、HCl中で酸化物を除去すること
により浄化される。
アルミニウムガリウムヒ素層１４の表面を陽極
酸化し、続いて酸化膜を除去する方法は、（更に
表面の浄化をしなければ）アルミニウムガリウム
ヒ素又は欠陥のない適当な単結晶構造をもつその
ような層を続いて再成長させるための十分清浄な
表面を与えるものではない。そのような再成長導
波路中の欠陥は、それらが光の散乱損失を増加さ
せ、それに対応して所望の突出形導波モードに光
を閉じこめる効果を減少させ動作上有害である。
あるいはインジウム−スズ酸化物の代りに、カ
ドミウム酸化物電極クラツド層を、たとえばカド
ミウム酸化物電極のスパツタリングにより形成し
て使用することもできる。
インジウム−スズ酸化物の電極クラツド層１５
と第２のアルミニウムガリウムヒ素層１４の表面
との間に形成されたヘテロ接合は、自由キヤリア
の濃度及びこのインジウム−スズ酸化物層の形成
中発生した界面準位に依存して、約0.4ないし1.0
ボルトの障壁電位を持つという有利な特徴があ
る。
変調器１０の突出構造は次のようにして製作で
きる。第１に、第１及び第２のエピタキシヤル層
１３及び１４を成長させるために、通常の液相エ
ピタキシヤルを用い、続いて上に述べたようにイ
ンジウム−スズ酸化物（In2O3−SnO2）の電極ク
ラツド層を形成する。突出形導波路パターンをイ
ンジウム−スズ酸化物層５に導入するため、この
層１５は所望の突出部パターンに従い選択的にエ
ツチされる。典型的には高温の塩酸であるエツチ
ング液を、そのようなエツチングに対する通常の
フオトレジストマスクとともに用いる。あるい
は、弗化水素３及び水７の室温における溶液を、
インジウム−スズ酸化物層をエツチングするエツ
チング液として使用できる。通常のフオトレジス
トマスクを用いる時、最適のパターン分解能を得
るためには、マスクされたインジウム−スズ酸化
物層をエツチングするために用いる溶液に露出す
る時間を典型的にはわずか10秒程度に制限するこ
とが重要である。このようにインジウム−スズ酸
化物層をエツチングすると、第２のエピタキシヤ
ル層１４中のアルミニウム対ガリウム比が約0.4
以下（典型的には約0.2）である限り、この層の
露出した表面は全く侵されない。このことは形成
すべき突出部の高さを良く制御するために望まし
い。次に突出部パターンを陽極酸化により第２の
エピタキシヤル層１４中に導入する。典型的には
超酸化物（30パーセントの過酸化水素水溶液）の
酸性電解液又はリン酸を加えた酸性水溶液中で、
いずれもPHを約2.5に調整して行う。この陽極酸
化中典型的には約＋100ボルトの陽極電圧を（白
金電極に対し、）基板１２に印加し、この基板は
例えば金属締具により、第２のエピタキシヤル層
に電気的に接続されている。そのため、第２のエ
ピタキシヤル層の電位は（電解溶液中に浸されて
いるが）基板のそれと同じである。この陽極酸化
工程は第２のエピタキシヤル層１４の平坦部分１
４．１を酸化し、一方突出部分１４．２はインジ
ウム−スズ酸化物１５により、酸化に対し保護さ
れている。超酸化物電解液中の陽極酸化電圧を
150ボルトに又は酸性水溶液中の電圧を100ボルト
に制御することにより、（酸化されていない）半
導体突出部分の高さは所望の0.1ミクロンにな
る。次に、基板の露出した表面に、スズ電極層１
１を形成する。（オーム性）金電極層１６を典型
的には蒸着により電極クラツド層１５上に形成
し、典型的にはヨウ素及びヨウ化カリウム水溶液
のエツチング液を用いて、通常のフオトレジスト
マスクを使用し、選択的にエツチングする。ある
いは、インジウム−スズ酸化物層へのオーム性電
極として、金の代りに銀ペースト又は銀エポキシ
を使用できる。第２のエピタキシヤル層１４のア
ルミニウムガリウムヒ素材料の平坦部分１４．１
は陽極酸化中形成されたそれ自身の酸化物により
絶縁保護されているから、インジウム−スズ酸化
物層上のオーム性電極層の選択的な除去に使用す
るマスクは、インジウム−スズ酸化物層それ自身
により規定される突出部パターンと正確に位置が
合つている必要はない。
突出構造を形成するために第２のエピタキシヤ
ル層１４を上に述べたように陽極酸化する代り
に、突出部はたとえば米国特許第3859178号に述
べられているように、二重陽極酸化により第２の
エピタキシヤル層上に形成することができ、次に
第２のエピタキシヤル層の露出した主表面に電極
クラツド層が形成できる。最後に電極クラツド層
は突出部の露出した表面から成る領域を除いて除
去することができる。また、突出構造を形成する
ために、イオン粉砕法を用いることもでき、その
場合電極クラツド層は下の波形部分１４．２を保
護するためのマスクとして使用できる。あるい
は、メタノール中の0.1パーセント臭素溶液を用
いた化学エツチングも、第２のエピタキシヤル層
のエツチングに使用できる。しかし、陽極酸化の
重要な利点は、それにより平坦部分１４．１の表
面に形成される半導体酸化物が第２のエピタキシ
ヤル層１４の屈折率より著しく小さい屈折率をも
ち、それにより動作中光モードを著しく乱すこと
なく保護及び絶縁のため代りに残される。
第２のエピタキシヤル層１４中のドーピング濃
度を１立方センチメートル当り1017ドナー又はそ
れ以下とした変調素子１０の降伏電圧は、約15ボ
ルト又はそれ以上である。0.9ミクロンの光波長
において、0.1cmの長さの突出形導波路の場合、
信号電圧１ボルト当り約16°（約0.27ラジアン）
の突出形導波TEモードの位相変移（160゜/V-
cm）が測定された。
インジウム−スズ酸化物層と接する第２のエピ
タキシヤル層１４の表面は、たとえば（100）結
晶面のように、各種の結晶方向で良い。光の波長
及び突出形導波路の光のモードと同様この結晶方
向に依存して、各種の型及び量の光位相変移の変
調及び光強度が観測できる。それぞれの場合、信
号電圧に応答したバルク光電効果及び導波効果
は、ともに全位相変位を決定する役割りを果す。
光変調を良好に制御し適当な深さを得るために
は、突出形電極クラツド界面におけるヘテロ接合
障壁は少くとも約0.3ボルトであることが重要で
ある。更に、入射光ビーム１８の電界偏向が
〔110〕結晶方向に平行な時、信号源２１に応答し
て起る変調は信号に比例した角度を経て偏向面を
回転させるようなものである。一方、入射光ビー
ムの電界ベクトルが〔111〕又は〔100〕方向に平
行な時、ビームは単に位相変調を受けるだけであ
る。更に、光波が第２のエピタキシヤル層の禁止
帯エネルギーに対応するフオトンエネルギーの波
長に近づくと、（偏向要素をつけ加える必要な
く）信号に従い大きな直接光吸収効果が得られ
る。
カドミウム酸化物を電極クラツド層として用い
る場合、突出形構造を形成するために、イオン粉
砕又は二重陽極酸化法が使用できる。
変調器１０に類似の（しかしいずれの波形構造
ももたず、単にインジウム−スズ酸化物電極クラ
ツド層１５の効果を試験するために）単に平坦な
導波路構造の光伝播特性を試験する目的で、上に
述べたものと同様の構造を、第１の領域にはその
ような電極クラツドがあり、第２の領域にはクラ
ツドがないように製作した。光の伝播方向に沿つ
た素子の長さが比較的短い（0.1ミリメートル）
試料の場合、クラツドのある領域の光伝送特性
は、クラツドのない領域に比べ小さかつたが、比
較的長い（0.5ミリメートル）試料ではクラツド
のある試料の光伝送特性はクラツドのない試料に
比べほとんど減少しなかつた。従つて、クラツド
のある試料中の光伝送損失は、電極クラツド層１
５の存在による光散乱損失によるよりむしろ構造
の出入りの結合において、光モードが減少するこ
とが基本的な原因であると結論できる。これらの
電極クラツド中における比較的小さな損失は、突
出部の誘電率（ｎr＝3.4）に比べ電極クラツド層
のバルク誘電率が比較的小さく、（ｎe＝1.9）そ
の中を伝播する光エネルギーの割合が相対的に小
さいためと確信される。インジウム−スズ酸化物
層１５中の光学場の空間的な減衰定数は、第２の
エピタキシヤル層１４がアルミニウムガリウムヒ
素Ａl0.15Ga0.85Asの場合、約0.89ミクロンの光波
長に対し、約0.024以下であることが計算されて
いる。このように電極クラツド中への光の浸透が
比較的小さいという利点は、ｎr ２−ｎe ２の値が
比較的大きいことによる。この値は0.3ne 2以上が
有利である。
従つて、電極クラツド層は特に光損失を増すこ
となく、約0.5ミクロン以下と非常に薄くでき
る。同時に、そのような薄い電極クラツド層が使
用できると、電極クラツド材料の不必要な平坦部
分を除去するのに、比較的短いエツチング時間で
可能であるから、突出部の幅が容易に制御でき
る。すなわち、第２のエピタキシヤル層１４の最
終的には不要となる平坦部分１４．１を被う電極
クラツド層のそれらの部分の除去が、短時間のエ
ツチングにより可能となる。そのため、この電極
クラツドは、更にエツチングにより突出部を形成
する後の工程中使用する早くしかも容易に形成で
きるマスクとしてそれ自身働く。
導波路層１４は第１のエピタキシヤル層１３よ
り低濃度ドーピングの均一にドープしたｎ形層と
して述べてきたが、この導波層はあるいは、ほぼ
同じドーピング濃度及び厚さ（約0.7ミクロン増
す）のｎ形層とその上のｐ形層の組み合わせでも
良い。それにより導波路層中にｐ−ｎ接合が形成
され、ｐ形層には電極クラツド層１５が接触し、
ｎ形層には第１のエピタキシヤル層１３が接触す
る。このｐ−ｎ接合は空乏領域をもち、その中で
印加電界により光変調が行われる。更に、ｎ形及
びｐ形伝導形はこの構造のいずれにおいても相互
に交換することができる。その理由は、ここで述
べた電極クラツド層は（もしそれが金属によりｎ
形又はｐ形半導体のいずれかとシヨツトキー障壁
の形成と同様の障壁を形成するなら）いずれの伝
導形の半導体上にもヘテロ接合障壁を形成するか
らである。また、電極クラツド層と接するエピタ
キシヤル導体導波路中のｐ−ｍ接合の場合、導波
路層への本質的にオーム性のヘテロ接合接触は、
次に隣接する（高濃度ドープ層と接触する）層と
同じ伝層形の、薄くしかしより高濃度にドープし
た電極層を間に置くことにより形成できる。その
ような高濃度ドープ電極層は、ヘテロ接合障壁を
おさえるか消滅させるが、変調電界が比較的大き
な空乏領域を発生するのに適した導波路中のｐ−
ｎ接合には、なお障壁が存在する。しかし、ｐ−
ｎ接合と高濃度ドープ電極層をもつたそのような
導波路構造は、第１図に示したようなヘテロ接合
障壁をもつた簡単な構造を製作する場合よりは製
作で複雑である。
第２図及び第３図は結合素子３０中に一対の相
互に分離された突出部分１４．２及び１４．３が
あることを除き、上に述べた光変調素子１０に似
た構造中に対の突出形導波路を用いたスイツチ可
能な光方向性結合素子３０を示す。第１図のそれ
らと同様の第２図及び第３図中の要素は、同じ参
照番号で示されている。それぞれの突出部の光結
合（相互作用）領域３５中の両方の突出部分１
４．２及び１４．３の異なる局在した領域と接触
した一対の局在電極クラツド層１６，１６．１及
び１６．２，１６．３をもつ。光結合領域３５に
おいては突出部は典型的には１ないし２ミクロン
の距離、言いかえれば導波路中で測定された数波
長分の距離だけ近接して分離されている。相互作
用領域から離れた領域においては、これらの突出
形導波路は典型的には約50ミクロンか又はそれ以
上、すなわち突出部の全長又はそれ以上に等しい
かそれ以上の距離だけ分離されている。突出部１
４．２は一対の光ポート３１及び３２をもち、突
出部１４．３は一対のポート３３及び３４をも
つ。電極１６，１６．１及び１６．２，１６．３
のそれぞれには異なる電気的入力信号源から信号
が印加され、それにより論理機能と組み合わされ
た各種の形の光スイツチング機能が実現される。
具体的には、もし光のTE状モードの位相整合が
相互作用領域３５中で行われるように、入力信号
を調整するならば、ポ−ト３１における光入力波
は突出形導波路に沿つてTE状のモードで伝播
し、ポート３２ではなくポート３４に現われるで
あろう。光結合領域３５中の突出部の高さを、た
とえばエツチングにより、局部的に変化させる
と、光モード伝播定数を局部的に制御することに
よつて位相整合を制御する働きができる。従つ
て、異なる突出形導波路の突出部の高さは、一般
には異なつて良い。
第４図は光トランジスタ素子４０の断面の概略
図である。すなわち、電気信号源２１からの電気
信号を、増幅し、電気的負荷ＲL間に電気出力信
号を発生させるための素子である。第４図中の要
素は第１図に関連して述べた要素と類似であり、
同じ参照番号がつけられている。分離された傾斜
結合ダブルヘテロ構造部分が、下の単一ヘテロ接
合導波路と組み合わせて、素子４０中に形成され
ている。これらは、局部的なｎ形（あるいはｐ
形）エピタキシヤルガリウムヒ素層４２，４６，
４９である。これらの傾斜結合層は分離された局
部的なｐ形アルミニウムガリウムヒ素層４３，４
７及び５０により被覆されている。それらのアル
ミニウム対ガリウム比は典型的には約0.3ないし
0.7の範囲である。３個の分離された傾斜結合ヘ
テロ構造は（それぞれレーザー、光増幅器、光検
出器として働き）、以下で詳細に述べるようにダ
ブルヘテロ構造を光学的に結合するための光導波
路層として働く層１４上に形成される。それらの
傾斜結合ダブルヘテロ構造及びそれらを製作する
方法については、上に述べた審査中の日本国特許
107589／75に完全に述べられている。
突出形導波層１４．２は広い傾斜結合構造に効
率良く結合するために、傾斜結合レーザー、光増
幅器、光検出器の１つ又は複数のものの付近で、
（図の平面と垂直方向に）広くすることができ
る。
レーザーダブルヘテロ構造のｐ形半導体層４３
は、たとえば領域４１及び４５中の条線（波形）
のような適当な回折格子により形成された、一対
の分布ブラツグ反射器間の導波路層１４中に発生
した光空洞の中で、レーザー動作を起させるのに
十分なように、電池４４により正（順方向）にバ
イアスされる。典型的には、これらの領域中の条
線は、約1300オングストロームかそれ以下の空間
的な周期を特徴とし、たとえば定在波によりパタ
ーン形成したフオトレジストでマスクし、アルゴ
ンイオン粉砕又はエツチングにより形成されるよ
うなものである。このようにして、所望のモード
（場合によつては複数）のみが回折格子領域間の
空洞中で前後に反射され、他の（不要な）モード
は導波層中の光伝播路から回折により出され、傾
斜結合光増幅器４６中には集められない。一方、
所望のレーザーモードは空洞中でレーザー動作を
するように何度も反射され、このモードは傾斜結
合層４６上に入射し集められる。また、所望のレ
ーザーモード強度は源２１からの電気信号により
変調され、それによつて回折格子領域４１及び４
５間のレーザー空洞中の実効的な光伝波路が変調
される。このようにして、源２１からの信号は一
定の波長に対するレーザーを同調させたりはずし
たりし、傾斜結合光増幅層４６に到達する光波の
強度を変調する。
光増幅器のｐ形層４７は順バイアスされ、それ
によつて所望のモードの増幅が刺激放射により実
現される。このように増幅された光は導波層１４
中に結合されかつその中を伝播し、光検出器の傾
斜結合層４９に達し、ここで光は吸収され電子−
正孔対の形で電荷に変換される。これらのキヤリ
アはｐ形アルミニウムガリウムヒ素５０に印加さ
れた電池５１の負（逆方向）電圧バイアスにより
生じた電界の効果により集められる。あるいはア
ルミニウムガリウムヒ素層５０は傾斜結合層４９
中のｐ形ガリウムヒ素（及び第１及び第２のエピ
タキシヤル層１３及び１４）と組み合わせて、ｎ
形にすることもできる。するとその場合、層１
４，４９及び５０は通常のヘテロ接合トランジス
タを形成し、層４９中の光電流に利得を与える。
このように、いずれの場合も瞬時の出力電圧がレ
ーザーにより生じた瞬時の光強度従つて２１の電
気信号に従い、負荷ＲL間に発生する。この出力
電圧は適当な結合容量Ｃpを経て電気信号力出力
端５２へ伝えられる。端子５２における出力は、
たとえばトランジスタ従属増幅のためもう一方の
光トランジスタ（図示されていない）への入力信
号として使用でき、あるいは増幅された電気出力
として直接使用できる。
第４図において、（層４２及び４３を含む）レ
ーザーダブルヘテロ構造はこのように通常のバイ
ポーラトランジスタの“エミツタ”に類似で、
（層４６及び４７を含む）光増幅器ダブルヘテロ
構造は通常のバイポーラトランジスタの“ドリフ
ト”領域に類似で、（層４９及び５０を含む）光
検出器ダブルヘテロ構造は通常のバイポーラトラ
ンジスタの“コレクタ”に類似であり、電極クラ
ツド層１５は通常のトランジスタの“ベース”電
極に類似である。
光トランジスタ素子４０中の別の形として、電
極クラツド層１５は分布変調光帰還のため回折領
域４５と重なり（あるいは同じ広がりをもち）接
触しても良い。更に、（図示されていない）第２
の電極クラツド層を他の格子領域４１に形成して
も良く、その場合異なる電気信号を回折格子領域
４１及び４５の対に接触する電極クラツド層のそ
れぞれに印加することもできる。それによつて、
これらの格子領域の反射対波長特性は所望のレー
ザー波長に同調でき、従つてレーザーを同調した
りはずしたりするために使用できる。
本発明について具体的な実施例をあげて説明し
たが、本発明の視点を離れることなく、各種の修
正が可能である。たとえば、アルミニウムガリウ
ムヒ素以外の他の−族化合物半導体を、単一
及びダブルヘテロ構造に使用することができる。
たとえば、アルミニウムガリウムリン
（AlxGa1-xP）で、ヘテロ構造の異なる層に対し
てはｘを異なる値にする。また、InPと
GaxIn1-xAyP1-yあるいはAlyGa1-yAsxSb1-xと
GaAs1-xSbyといつた他の−族の各種の組合
せも可能である。更に、多結晶インジウム−スズ
酸化物（−−族のIn2O3−SnO2）及びカド
ミウム酸化物（−族のCdO）以外の他の材
料も電極クラツド層として使用可能である。ただ
し、そのような材料は電気的に伝導性で、（素子
中で用いる光波長に対して光学的に透明でなけれ
ばならず、同時に導波路との界面にヘテロ接合障
壁を形成し、その障壁の高さは少くとも0.3ボル
ト必要である。約0.4ないし1.0ボルトあるいはそ
れ以上が有利である。それによつて適当な信号レ
ベルにおいて良好な変調深さを実現し、比較的簡
単に製作された半導体構造中で、光損失の少い特
性が達成できる。たとえば、多結晶酸化亜鉛及び
硫化カドミウムが本発明の実施するための電極ク
ラツド材として有用なその他のものである。より
一般的には、第１及び第２のエピタキシヤル層に
より形成された−族半導体ヘテロ構造導波路
用の適当な電極クラツド材としては、たとえばセ
レン化亜鉛及びカドミウム−スズのような他の
−族、−−族又は−−族多結晶化
合物半導体がある。これらの電極クラツド材は、
一般には化学成分の多結晶化合物から成り、その
成分の少くとも１つは（あるいはそれらのいずれ
も）下の半導体導波路材料のいずれの化学成分と
も共通ではない。
以上本発明を要約すると、次にようになる。
１ 電気信号に応答して光波を変調するための半
導体素子。
(a) 第１の半導体エピタキシヤル層はそれと同
じ伝導形でそれより高いバルク屈折率を有す
る第２の半導体エピタキシヤル層を支持す
る。該第２のエピタキシヤル層は比較的厚い
突出形光導波路部分と比較的薄い平坦部分を
持つ。該突出形導波路部分は台形状主表面を
もつ。
(b) 少くとも突出形部分の台形表面の第１の部
分に接触した電極クラツド層。該電極クラツ
ド層はそれにより第２のエピタキシヤル層の
突出部分とヘテロ接合を形成する。該ヘテロ
接合は少くとも0.3ボルトの電位障壁高さを
もつことを特徴とし、該電極クラツド層はそ
の化学成分の少くとも１つが第１及び第２の
エピタキシヤル層半導体材料のいずれの化学
成分とも異なる。該電極クラツド層は第１及
び第２のエピタキシヤル層より少くと１桁高
い自由キヤリア濃度を有する本質的に多結晶
材料である。
２ 前記第１項に記載された素子において、該電
位障壁高さは少くとも約0.4ボルトである。
３ 前記第１項に記載された素子において、該電
極クラツド層にはオーム性電極層が接触し、オ
ーム性電極層は突出形導波モードで第２のエピ
タキシヤル層中の突出導波路部分を伝播する光
波を変調するために、それに電気信号を印加す
るための端子を有する。
４ 前記第１項に記載された素子において、第１
及び第２のエピタキシヤル層の両方が−族
の半導体材料である。
５ 前記第４項に記載された素子において、第１
及び第２の−族半導体材料は、それぞれ
AlxGa1-xAs及びAlxGa1-yAsで、ｘはｙより大
きい。
６ 前記第５項に記載された素子において、電極
クラツド材料インジウム−スズ酸化物である。
７ 前記第６項に記載された素子において、イン
ジウム−スズ酸化物材料は本質的に重量で91パ
ーセントがインジウム酸化物で９パーセントは
スズ酸化物であり、バルク抵抗は0.1Ω−cm以
下である。
８ 前記第５項に記載された素子において、電極
クラツド材はカドミウム酸化物である。
９ 前記第１項に記載された素子において、少く
とも第１及び第２の分離されたダブル半導体ヘ
テロ接合構造が含まれ、それらの各々は第１及
び第２のエピタキシヤル層を支持する単結晶基
板中に集積化された突出形導波路の異なる領域
に傾斜結合され、それにより第１のダブルヘテ
ロ構造中で発生した光波は変調され第２のダブ
ルヘテロ構造部分中に伝送される。ここで変調
された光は増幅され、次に第３のダブルヘテロ
構造部分中に傾斜結合される。ここで増幅かつ
変調された光波は検出される。
10 次のものから成る光変調器 (a) 半導体基板上の本質的にAlxGa1-xRである
第１の半導体エピタキシヤル層 (b) 光波を伝播するための第２の半導体エピタ
キシヤル導波路層、該導波路層は本質的に
AlyGa1-yRで、これは第１のエピタキシヤル
層上に形成されている。ここでＲはヒ素及び
リンから選ばれ、ｏ＜ｙ＜ｘである。
(c) 第２のエピタキシヤル層の主表面の第１の
表面部分上に形成された電極クラツド層。該
電極クラツド層は本質的に化合物材料から成
り、そのバルク抵抗率は第１及び第２のエピ
タキシヤル層の両方より、少くとも１桁大き
く、第１及び第２のエピタキシヤル層の半導
体材料のいずれの化学成分とも異なる少くと
も１種類の化学成分を有する。
11 前記第10項に記載された変調器において、Ｒ
はAsで、電極クラツド層は本質的に多結晶カ
ドミウム酸化物である。
12 前記第11項に記載された変調器において、電
極クラツド層は多結晶インジウム−スズ酸化物
である。
13 前記第12項に記載された変調器において、第
１の表面部分は第２のエピタキシヤル層の平坦
部分より厚い突出部分の台形表面中に含まれ
る。
14 前記第11項に記載された変調器において、第
１の表面部分は第２のエピタキシヤル層の平坦
部分より厚い第２のエピタキシヤル層の突出部
分の台形表面中に含まれる。
15 前記第14項に記載された変調器において、電
極クラツド層は第２のエピタキシヤル層の最初
平坦な主表面上に形成され、電極クラツド層は
第２のエピタキシヤル層の平坦部分の厚さを薄
くする前に、該平坦主表面から除去される。
16 光波を変調するための半導体装置で、次のも
のから成る。
(a) 半導体導波路層。これは光波を該導波路層
の表面に平行に光波を伝播させるためのもの
である。
(b) 光変調手段は導波路層の該表面の少くとも
１部とヘテロ接合接触をなす電極クラツド層
を含む。該電極クラツド層は光学的に透明な
材料で、その自由キヤリア濃度は該導波路層
のそれより少くとも１桁大きく、そのバルク
屈折率は導波路層のそれより小さい。該透明
材料はその化学成分の少くとも１つが該導波
路層の化学成分ではない本質的な化合物であ
る。
17 前記第16項に記載された装置において、該ヘ
テロ接合は少くとも0.4ボルトの電位障壁高さ
を特徴とする。
18 前記第17項に記載された装置において、該電
極クラツド層は多結晶で、該導波路層はエピタ
キシヤル半導体層である。
19 前記第16項に記載された装置において、該電
極クラツド層は多結晶で、該導波路層はエピタ
キシヤル半導体層である。
20 前記第16項に記載された装置において、該導
波路層は第１のエピタキシヤル半導体層上に成
長した第２のエピタキシヤル半導体層で、第１
のエピタキシヤル層の屈折率は第２のエピタキ
シヤル層のそれより小さい。また、電極クラツ
ド層は化合物の多結晶材料で、その化学成分は
すべて第１及び第２のエピタキシヤル層のいず
れの化学成分とも異なる。
21 前記第16項に記載された装置において、第２
のエピタキシヤル層は比較的厚い突出部分と比
較的薄い平坦部分をもち、ｎr ２−ｎe ２は
0.3nr 2より大きい。ここで、ｎrは第２のエピタ
キシヤル層突出部分のバルク屈折率で、ｎeは
電極クラツド層のバルク屈折率である。
22 前記第16項に記載された装置において、該導
波路層は少なくとも第１及び第２の突出部分を
含み、その厚さは該突出部分に隣接した該導波
路層の部分より小さく、該電極クラツド層は導
波路層の局在した領域において該突出部分と接
触し、この領域で該第１及び第２の突出部分は
十分近接し、該第１及び第２の突出部分中を伝
播する光モード間の光相互作用を十分可能にし
てい。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の具体的な実施例に従う半導体
突出形導波路光変調器の透視図、第２図及び第３
図は本発明のもう一つの具体的な実施例に従う半
導体光方向性結合スイツチ装置のそれぞれ断面図
及び上面の概略図、第４図は本発明の更にもう一
つの実施例に従う半導体集積光トランジスタの断
面の概略図である。
【表】 層

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の半導体エピタキシヤル層、 台形表面を有する比較的厚い突出する導波路部
    分と比較的薄い平坦部分とを有し、あらかじめ決
    められた光波長に対して前記第１の半導体エピタ
    キシヤル層の屈折率よりも大きいバルク屈折率を
    有し、前記第１の半導体エピタキシヤル層の電気
    抵抗率よりも大きなバルク電気抵抗率を有する第
    ２の半導体エピタキシヤル層、及び 前記台形表面の少なくとも一部を含む第３の半
    導体層とからなる光を電気的に変調する半導体デ
    バイスにおいて； 前記第３の層は、多結晶質であり、その層に電
    気的変調信号を印加するためのオーミツク・コン
    タクト層によつて被覆され、前記第２の層よりも
    低いバルク屈折率を有し、及び前記第１と第２の
    半導体層の半導体材料の化学的構成元素のいずれ
    とも異なる化学的構成元素を少なくとも一つ含む
    半導体材料であつて前記第３の層と第２のエピタ
    キシヤル層の突出部分との間に少なくとも0.3V
    の高さのポテンシヤル障壁を有するヘテロ接合を
    形成しており、それによつて前記第３の層は光学
    的クラツド材料としての機能、及び前記突出した
    導波路部分にその中を伝播する光を変調する電気
    信号を印加するための電極層としての機能の両方
    を果たすことを特徴とする半導体デバイス。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の半導体デバイ
    スにおいて、 前記ヘテロ接合のポテンシヤル障壁の高さは
    0.4ボルト乃至1.0ボルトであることを特徴とする
    半導体デバイス。 ３ 特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の半
    導体デバイスにおいて、 前記第３の多結晶半導体層はインジウム−スズ
    酸化物であることを特徴とする半導体デバイス。 ４ 特許請求の範囲第３項に記載の半導体デバイ
    スにおいて 前記インジウム−スズ酸化物の本質的に91重量
    パーセントがインジウム酸化物であり、９重量パ
    ーセントがスズ酸化物であり、前記インジウム−
    スズ酸化物のバルク抵抗率は0.1Ω−cm以下であ
    ることを特徴とする半導体デバイス。 ５ 特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の構
    体において、 前記第３の多結晶半導体層はカドミウム酸化物
    であることを特徴とする半導体デバイス。 ６ 特許請求の範囲第１項乃至第５項のいずれか
    １項に記載の半導体デバイスにおいて、 前記第３の層は、自由キヤリヤ濃度が第１の半
    導体エピタキシヤル層と第２の半導体エピタキシ
    ヤル層の自由キヤリヤ濃度よりも少なくとも１桁
    大きい材料であることを特徴とする半導体デバイ
    ス。 ７ 特許請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか
    １項に記載の半導体デバイスにおいて、 前記第３の多結晶半導体層のバルクの電気的抵
    抗率は第１の半導体エピタキシヤル層及び第２の
    半導体エピタキシヤル層の両方の抵抗率よりも少
    なくとも１桁少さいことを特徴とする半導体デバ
    イス。 ８ 特許請求の範囲前記各項のいずれか１項に記
    載の半導体デバイスにおいて、 ｎrを第２の半導体エピタキシヤル層の突出部
    分のバルク屈折率とし、ｎeを第３の多結晶半導
    体層のバルク屈折率とし、ｎ２ ｒ−ｎ２ ｅを0.3n２ ｒよ
    り大
    きくすることを特徴とする半導体デバイス。 ９ 特許請求の範囲第１項乃至第８項のいずれか
    １項に記載の半導体デバイスにおいて、 前記突出部分は相互に分離した少なくとも第１
    と第２の突出部分から成り、前記第３の多結晶半
    導体層は前記導波路の局所的領域で突出した導波
    路部分と接触し、前記局所的領域で第１と第２の
    突出した導波路部分は接近し、それによつて第１
    の突出する導波路部分内を伝播する光のモードと
    第２の突出する導波路部分内を伝播する光のモー
    ドとの間に著しい光学的相互作用を生じさせるこ
    とを特徴とする半導体デバイス。 １０ 第１の半導体エピタキシヤル層、 台形表面を有する比較的厚い突出する導波路部
    分と比較的薄い平担部分とを有し、あらかじめ決
    められた光波長に対して前記第１の半導体エピタ
    キシヤル層の屈折率よりも大きいバルク屈折率を
    有し、前記第１の半導体エピタキシヤル層の電気
    抵抗率よりも大きなバルク電気抵抗率を有する第
    ２の半導体エピタキシヤル層、及び 前記台形表面の少なくとも一部を含む第３の半
    導体層とからなり、 前記第３の層は、多結晶質であり、その層に電
    気的変調信号を印加するためのオーミツクコンタ
    クト層によつて被覆され、前記第２の層よりも低
    いバルク屈折率を有し、及び、前記第１と第２の
    半導体層の半導体材料の化学的構成元素のいずれ
    とも異なる化学的構成元素を少なくとも一つ含む
    半導体材料であつて前記第３の層と第２のエピタ
    キシヤル層の突出部分との間に少なくとも0.3V
    の高さのポテンシヤル障壁を有するヘテロ接合を
    形成しており、それによつて前記第３の層は光学
    的クラツド材料としての機能、及び前記突出した
    導波路部分にその中を伝播する光を変調する電気
    信号を印加するための電極層としての機能の両方
    を果たす光を電気的に変調する半導体デバイスに
    おいて； 少なくとも第１、第２及び第３の分離した半導
    体ダブルヘテロ構造部分を備え、前記ダブルヘテ
    ロ構造部分の各々は第１及び第２の半導体エピタ
    キシヤル層を支持する単結晶基板に集積された突
    出する導波路部分の別々の領域に傾斜結合し、そ
    れによつて第１のダブルヘテロ構造で発生した光
    を変調し、前記光を変調された光として第２のダ
    ブルヘテロ構造部分内に伝送し、前記変調された
    光を前記第２のダブルヘテロ構造部分内で増幅
    し、次に前記光を第３のダブルヘテロ構造部分に
    傾斜結合し、前記変調され増幅された光を前記第
    ３のダブルヘテロ構造部分で検出することを特徴
    とする半導体デバイス。 １１ 基板上に、第１と第２のエピタキシヤル層
    を被着する工程と、 相対的に厚い導波部分と相対的に薄い平坦部分
    とから成る第２の層を形成する工程とを含む光を
    電気的に変調する半導体デバイスの製造方法にお
    いて、 前記第２の層よりもバルク屈折率が低い第３の
    多結晶層を成長させる工程を含み、前記第３の層
    は第１及び第２の層のいずれの化学的成分とも異
    なつた構成成分を少なくとも一つ含む半導体化合
    物から成り、第２の層上に導波部分と平坦部分と
    を形成する前に前記第３の層を第２のエピタキシ
    ヤル層の平坦な主表面上に成長させ、第２の層の
    平坦部分の厚さを減少させる前に第２の層の最終
    的に平坦部分となる部分上の平坦な主表面から第
    ３の層を除去することを特徴とすることを特徴と
    する半導体デバイスの製造方法。
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