专利名称：半导体光调制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体光调制器，更详细地，涉及在长波段中工作的超高速 半导体光调制器。
背景技术：
对于在长距离波分复用光通信系统中使用的光信号，为了抑制光纤色散 效应的影响，要求其波长啁啾小。这样的光信号通常由组合了激光二极管光
源和外部调制器的结构来产生。此种典型的外部调制器是由LiNb03(LN) 波导制成的LN调制器。LN调制器的工作原理是使光波导与电波导耦合，通 过电信号的输入引发基于电光效应的折射率变化，来改变光信号的相位。在 这样的LN调制器中，除简单的光相位调制器外，还有构成马赫-增德尔干涉 计的光强度调制器，或通过组合多个波导来作为高功能的光开关工作的器件 等。
此外，还存在采用与LN调制器相同的工作原理的半导体光调制器。例 如，有在半绝缘的GaAs上配置肖特基电极、作为光电子波导的GaAs光调制 器，和采用异质pn结、在光封闭的同时有效地对波导的芯部分施加电压的 InP/InGaAsP光调制器等。半导体光调制器具有体积小这一优点，但另 一方面，问题。
最近，作为避开这样的问题的结构，提出了一种使两侧的InP覆层为n 型、其间插入薄的p层(p型势垒层)作为用于抑制两个n层间的电子电流 的势垒层的npin型光调制器结构(专利文献1 )。由于此npin型未使用光损 失大的p型覆层，所以能使用比较长的波导。此外，由于具有可对耗尽层厚 度做任意优化设计这样的自由度，所以容易同时满足驱动电压的降低和电信 号速度/光速度的匹配，有利于提高调制器的响应速度。
但是，由于npin型光调制器是与晶体管相同的半导体叠层结构，所以在 存在有限的光吸收的情况下，存在产生的空穴载流子积累在p型势垒层中的问题。由于此现象而使得势垒的高度下降，引起所谓的"光电晶体管的工作"。 这不仅会成为端子间的电子流增大即耐压下降的原因，还会成为波长色散的 原因。因此，有人提出了重新形成p型层、用于引出积累的空穴的结构(专
利文献2)。但是，其具有结构复杂这样的缺点。
图8中示出根据这种现有技术的半导体光调制器的结构。此半导体光调 制器80的结构如下在半绝缘衬底81之上形成第一n型电极层82-l，在第 一n型电极层82-l上形成第一n型电极88-l、第一n型覆层83-l。在第一n 型覆层83-1之上还依次层叠第一低浓度覆层85-1、第一中间层86-1、芯层 87、第二中间层86-2、第二低浓度覆层85-2、 p型覆层84、第二 n型覆层83-2、 第二 n型电极层82-2及第二n型电极88-2。此外，在第二n型覆层83-2和 第二 n型电极层82-2的一部分上形成导电类型由n型变为p型的区域89。
在此，芯层87构成为可有效地发挥工作光波长的电光学效应。此外，第 二中间层86-2起到使光吸收中产生的载流子在异质界面不被俘获的连接层的 作用，p型包覆层84作为电子势垒起作用。在图8所示的半导体光调制器的 结构中，第二n型电极88-2与第二n型电极层82-2及p型区域89连接，三 者成为同电位。由此，就能使因光吸收而积累在p型覆层84中的空穴流到第 二n型电极88-2，从而得到耐压更高、工作更稳定的光调制器。
但是，为了引入导电类型由n型变为p型的区域89,必须使用Zn热扩 散或Be离子注入等方法。因此，不仅制作工艺变得复杂，还会导致元件的制 造成本增加这样的问题。
鉴于这样的问题而提出本发明，其目的在于，提供一种耐压高、制作容 易的npin型光调制器。
专利文献1 特开2005-099387号公报
专利文献2特开2005-114868号公报(第一图至第三图)
发明内容
为了实现这种目的，根据本发明的一实施方式的半导体光调制器是一种 在衬底侧配置阴极层、并顺序层叠的npin型的半导体光调制器，其特征在于， 该npin型半导体光调制器至少包括第一n型覆层、p型覆层、芯层、及第 二n型覆层，其中，p型覆层与阴极层的电极电连接。
此外，根据本发明一实施方式的半导体光调制器，其特征在于，p型覆层构成台面，台面侧面与阴极层的电极电连接。
此外，根据本发明一实施方式的半导体光调制器，其特征在于，在p型 覆层的一部分上形成p型欧姆区域，p型欧姆区域与阴极层的电极电连接。
此外，根据本发明一实施方式的半导体光调制器，其特征在于，在芯层 之下含有第一中间层，在芯层之上含有第二中间层，其中，第一中间层的带
隙能量比芯层的大、比第一中间层之下的层的小；第二中间层的带隙能量比 芯层的带隙能量大、比第二中间层之上的层的带隙能量小。
此外，根据本发明一实施方式的半导体光调制器，其特征在于，p型覆 层比第一n型覆层的电子亲和力小。
图l是本发明的第1实施例相关的半导体光调制器的剖面图。 图2是沿图1的II-IP线的剖面的能带图。
图3是沿图i的ni-nr线的剖面的能带图。
图4是本发明的第2实施例相关的半导体光调制器的剖面图。
图5是本发明的第3实施例相关的半导体光调制器的剖面图。
图6是沿图5的VI-VT线的剖面的能带图。
图7是本发明的第4实施例相关的半导体光调制器的能带图。
图8是表示根据现有技术的半导体光调制器的结构的一个示例的图。
具体实施例方式
下面，参照附图，详细地il明本发明的几个实施例。 (实施例1)
图1中示出本发明的第1实施例相关的半导体光调制器的剖面图。在此 光调制器10中，在半绝缘的InP衬底11之上形成第一n型电极层(n+-InP) 12-1，在第一n型电极层(n+-InP) 12-1上形成第一 n型覆层(n-InP) 13-1。 在第一n型覆层13-l之上形成起电子势垒作用的p型覆层(p-InP) 14，在p 型覆层(p-InP ) 14上形成p型电极19、和第一低浓度覆层(ud-InP ) 15-1 。 在p型电极19之上形成与第一n型电极层12-1相连的第一n型电极18-1。 另 一方面，在第 一低浓度覆层15-1之上，还依次层叠第 一 中间层(ud-InGaAsP ) 16-1、芯层17、第二中间层(ud-InGaAsP) 16-2、第二低浓度覆层(通二 n型覆层(n-InP) 13-2、第二n型电极层(n+-InP) 12-2 及第二n型电极18-2。
在此，芯层17构成为可有效地发挥工作光波长的电光学效应，例如，如 果是1.5/xm波带的器件的话，则可以形成为使InGaAlAs中的Ga/Al的组份改 变的层分别形成为量子阱层和量子势垒层的多量子阱结构。此外，第一中间 层16-1起到使光吸收中产生的载流子不会在异质界面被俘获的连接层的作 用。
要制作这种半导体光调制器10,在衬底11之上外延生长从第一 n型电 极层12-1至第二 n型电极层12-2各层后，对第一低浓度覆层15-1至第二 n 型电极层12-2进行蚀刻，来形成台面型波导结构。此后，通过蚀刻第一n型 覆层13-1及p型覆层14使第一n型电极层12-1露出。然后分别形成p型电 极19、第一n型电极18-1及第二n型电极18-2。此外，也可以按照要求，沉 积钝化膜，以保护台面表面。
在此半导体光调制器10中，当相对于第一n型电极18-1而在第二n型 电极18-2上施加正电压时，会在芯层17中感应出电场，成为正常的工作状 态。在图2及图3中示出了此状态下的能带图。图2是沿图l的II-ir线的 剖面的能带图，图3是沿图1的in-in'线的剖面的能带图。在此，无论p型 覆层14是中性化、还是耗尽化，都形成相对于电子的势垒，由此，抑制来自 n型^^层13-1的电子注入。
在光调制器10中，由层13-1至13-2形成光波导，4艮据因施加电压而引 起的折射率变化来调制在此波导中传播的光。在芯层17中有光吸收的状态 下，产生的载流子中的电子1流到阳极侧(层12-2、 13-2),空穴2被p型覆 层14俘获。
在此，在未设置与第一n型电极相连的p型电极19的现有结构中，由光 吸收和复合速度的平衡所决定的固定量的空穴就会积累在p型覆层14中。 这就如前所述，使p型覆层14的电子势垒的高度下降，引起半导体光调制器 的耐压下降(光电晶体管工作)。另一方面，在根据本发明的半导体光调制器 10中，由于p型覆层14通过p型电极19与第一n型电极18-1连接，所以即 使在p型电极19的正下方的p型覆层14中没有残留中性化层，过剩的空穴 也会横向流过p型覆层14 (图1 )，最终越过在p型覆层/p型电极界面产生 的肖特基势垒而被p型电极19吸收(图3)。而且，通过将与p型覆层14相连的p型电极19与n型电极18-1连接，就能比较容易地改善在此种光调制 器中产生的空穴积累的问题。 (实施例2 )
图4中示出本发明的第2实施例相关的半导体光调制器的剖面图。此第 2实施例相关的半导体光调制器20与第1实施例相关的半导体光调制器10 的功能基本相同。但是，在此半导体光调制器20中，在由第一n型覆层13-1、 p型覆层14、第一低浓度覆层15-l构成的台面的側面形成p型电极19。
在此，在图l的结构中，由于p型覆层14比较薄，所以从上表面获得p 型电极的接触在制作上未必容易。与此相对照，在图4的结构中，通过从台 面的侧面穿过界面3获得与p型覆层14侧壁的接触，就能容易地与p型电极 连接。
此外，在设定低掺杂浓度的p型覆层14的情况下，此层更容易由于表面 电荷而被耗尽。为此，其耗尽部分的电位变高，该p型覆层的传导率下降， 空穴2的横向的流动常会不充分。如图4所示，在用第一低浓度覆层15-1覆 盖在p型覆层14之上的结构中，由于表面电荷的影响变小、上述阻碍因素减 弱，所以易于发挥p型覆层固有的效果。 (实施例3 )
图5中示出了本发明的第3实施例相关的半导体光调制器的剖面图。在 此第3实施例中，除第2实施例相关的结构外，还在由第一低浓度覆层15-1、 p型覆层14、第一n型覆层13-1构成的台面的侧面形成p型欧姆区域4。通 过在形成台面后使Zn热扩散，或者在形成由Au和Zn合金层构成的p型电 极19时使Zn扩散，就能形成此p型欧姆区域4。
图6中示出了沿图5的VI-VI'线的剖面的能带图。由于P型欧姆区域4 比p型覆层14的掺杂浓度高，所以，如图6所示，由于相对于空穴的隧道势 垒变薄，所以不会妨碍空穴的流动，能更有效地利用p型电极19排除空穴2。 (实施例4 )
本发明的第4实施例相关的半导体光调制器具有在上述第1至第3实施 例相关的结构中用比第一n型覆层13-1电子亲和力更小的半导体材料(典型 的为InAlAs )替换p型覆层14的异质结的结构。这是所谓的类型II的异质结 的一种。此结构的能带图在图7中示出。由于此替换的部分14'的电位相对 变低，所以成为对电子的势垒更高的结构。由于此结构，对积累的空穴电荷的势垒变得更高，能抑制伴随光电晶体管效应的耐压下降。
如上所述，本发明的半导体光调制器能解决因所谓的具有驱动电压低这
样的特点的npin型光调制器中的"伴随光吸收的空穴积累"现象而产生的"耐 压下降"这样的问题。此外，无需如专利文献2所述的通过Zn扩散或Be离 子注入改变一部分区域的导电类型，因此制造工艺变得比较容易，不会导致 制造成本增加。由此，能廉价地制作耐压高、更稳定的光调制器。
以上，虽然根据具体的几个实施例说明了本发明，但鉴于可应用本发明 的原理的大量的可实施的方式，在此记载的实施例只不过是例示，并不限定 本发明的范围。例如，在上述实施例中，虽然说明了作为光调制器起作用的 单一的波导结构，但通过组合多个这样的波导，或与能进行光信号传播的连 接波导和光分支波导组合，就能构成马赫-增德尔型光调制器，还有光交叉连 接开关等。此外，虽然在上述的实施例中以使用InP和InGaAsP作为半导体 材料的情形为例进行说明，但基本上也可以是将InGaAsP替换为InGaAlAs 的结构，或组合InGaAsP和InGaAlAs的结构，上述的实施例不限制半导体 材料的种类。如此，在此例示的实施方式可进行不脱离本发明的宗旨的结构 和细节的变更。
权利要求
1.一种在衬底侧具有阴极层、并顺序层叠的npin型的半导体光调制器，该npin型半导体光调制器至少包括第一n型覆层、p型覆层、芯层、及第二n型覆层，其特征在于，所述p型覆层与所述阴极层的电极电连接。
2. 根据权利要求l所述的半导体光调制器，其特征在于，所述p型覆层 构成台面，所述台面侧面与所述阴极层的电极电连接。
3. 根据权利要求1或2所述的半导体光调制器，其特征在于，在所述p 型覆层的一部分上形成p型欧姆区域，所述p型欧姆区域与所述阴极层的电 极电连接。
4. 根据权利要求1至3任意一项所述的半导体光调制器，其特征在于， 在所述芯层之下含有第一中间层，在所述芯层之上含有第二中间层， 所述第 一中间层的带隙能量比所述芯层的带隙能量大、比所述第一中间层之下的层的带隙能量小，所述第二中间层的带隙能量比所述芯层的带隙能量大、比所述第二中间 层之上的层的带隙能量小。
5. 根据权利要求1至4任意一项所述的半导体光调制器，其特征在于， 所述p型覆层比所述第一n型覆层的电子亲和力更小。
全文摘要
根据本发明，能够提供一种耐压高、制作容易的npin型光调制器。根据本发明的一实施例的半导体光调制器(10)是一种在衬底侧配置阴极层(12-1)、顺序层叠的npin型的半导体光调制器，其特征在于，该npin型半导体光调制器至少包括第一n型覆层(13-1)、p型覆层(14)、芯层(17)、及第二n型覆层(13-2)，其中p型覆层(14)与阴极层的电极(18-1)电连接。由此，伴随npin型光调制器中的光吸收，就能使向p型覆层的空穴积累被阳极侧的电极吸收。由于此npin型半导体光调制器为台面型波导结构，所以能使用现有的半导体制造技术较容易地制作此npin型半导体光调制器。
文档编号G02F1/025GK101529313SQ20078003896
公开日2009年9月9日 申请日期2007年10月24日 优先权日2006年10月24日
发明者石桥忠夫, 菊池顺裕, 都筑健 申请人:Ntt电子股份有限公司;日本电信电话株式会社