專利名稱：半導體光電子波導通路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導體光電子波導通路，尤其涉及一種具有可執(zhí)行光調(diào)制器的穩(wěn)定動作之nin型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半導體光電子波導通路。另外，涉及一種半導體光電子波導通路，具有使用nin型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電子波導通路的電氣分離區(qū)域構(gòu)造，并用于長波長頻帶的超高速光調(diào)制器中。
背景技術(shù)：
就近年來的大容量光通信系統(tǒng)而言，傳輸執(zhí)行Gbit/s以上的高速調(diào)制的光信號，但由于傳輸距離越長，越易受到光纖的分散效果影響，脈沖波形失真，所以必需使用波長線性調(diào)頻(wavelength chirping)少的光信號。因此，通常的光信號的產(chǎn)生不是由具有極大的鄆裂之激光二極管(LD)的直接調(diào)制來進行，而是通過組合直流動作的LD與外部調(diào)制器來執(zhí)行。
用于光信號的長距離傳輸之現(xiàn)有典型的外部調(diào)制器是由LiNbO3(LN)波導通路構(gòu)成的LN調(diào)制器。該LN調(diào)制器的動作原理是在結(jié)合光波導通路與電波導通路的光電子波導通路中，產(chǎn)生基于光電效應的折射率變化，利用該折射率變化來向光提供相位變化。這種LN調(diào)制器可用作光相位調(diào)制器或組裝了馬赫-策德爾(MZMach Zehnder)干擾儀的光強度調(diào)制器、或結(jié)合多個波導通路來構(gòu)成的高功能光開關(guān)。
但是，由于LiNbO3是電介質(zhì)材料，所以LN調(diào)制器在材料表面的穩(wěn)定化或波導通路的加工中需要高級的制作技術(shù)。另外，波導通路長度必需較長，必需使用與通常的半導體加工不同的特殊光刻法。并且，安裝LN調(diào)制器的封裝的尺寸不得不變大。因此，存在LN調(diào)制器模塊的制造成本變高、光發(fā)送器的尺寸較大的問題。
另外，還知基于與LN調(diào)制器一樣的動作原理的半導體光調(diào)制器，例如，已知在半絕緣性GaAs上配置肖脫基電極(Schottky electrode)、并將該電極設(shè)為光電子波導通路的GaAs光調(diào)制器，或通過利用異質(zhì)pn結(jié)、除光閉入外、向波導通路芯部有效施加電壓的InP/InGaAsP光調(diào)制器等。
但是，這些半導體光調(diào)制器中，前者存在波導通路長度長、電損失大的問題，后者存在由于p包覆層的光吸收大，波導通路不得取長，所以不能降低動作電壓的問題。最近提議InP/InGaAsP光調(diào)制器的兩側(cè)包覆層也設(shè)為n型的構(gòu)造(所謂nin型構(gòu)造)，作為避免這些問題的構(gòu)造(例如參照專利文獻1和專利文獻2)。
圖9是表示構(gòu)成現(xiàn)有典型的InP/InGaAsP光調(diào)制器之半導體光電子波導通路的頻帶圖表的圖，圖中符號101是波導通路的芯層，102-1和102-2是第一包覆層，103-1和103-2分別是p型和n型的第二包覆層。另外，100-1和100-2分別是電子及空穴(孔)，向p型第二包覆層103-1與n型第二包覆層103-2施加電壓，使芯層101感應期望的光電效應，實現(xiàn)光調(diào)制。在這種現(xiàn)有波導通路中，由于利用pn結(jié)來執(zhí)行向芯層101的電壓施加，所以泄漏電流少，或由光吸收產(chǎn)生的載流子(載離子)容易流到外部，實現(xiàn)穩(wěn)定動作。
但是，具備肖脫基電極的GaAs光調(diào)制器存在動作電壓變高的問題。另外，InP/InGaAsP光調(diào)制器除由于p型包覆層的阻抗高，導致電信號的傳輸損失，所以動作頻域窄以外，由于p型包覆層的光吸收大，所以不能增長波導通路長度，難以低動作電壓化。InP/InGaAsP光調(diào)制器中的電信號的傳輸損失在pn結(jié)通過信號線的阻抗與p型第二包覆層103-1的阻抗進行充放電的過程中產(chǎn)生。尤其是p型第二包覆層103-1的阻抗由于是空穴的移動度低、阻抗值高的材料物性引起的，所以不能避免。鑒于這種問題，最近提議nin型構(gòu)造的波導通路。
圖10是表示將圖9所示的InP/InGaAsP光調(diào)制器的波導通路兩側(cè)包覆層(103-1和103-2)都設(shè)為n型的nin型構(gòu)造之半導體光電子波導通路的頻帶圖表的圖，向這兩個n型電極層間施加電壓，使器件動作。圖中符號111是波導通路的芯層，112-1和112-2是第一包覆層。與圖9所示構(gòu)成的區(qū)別點在于將兩個電極層(114-1和114-2)設(shè)為n型，和用具有深的Fe能級116的Fe摻雜半絕緣層115與n型電極層114-1來置換圖9中的p型第二包覆層103-1(例如參照專利文獻1)。另外，n型電極層114-2相當于圖9中的n型第二包覆層103-2，110-1和110-2分別是電子和空穴(孔)。
在這種構(gòu)成中，由于半絕緣層115的深的Fe能級116作為離子化的受主作用，所以頻帶因其電荷而彎曲，形成對電子的勢壘，如圖中箭頭所示，位于頻帶的彎曲部附近的電子114-1與空穴110-2經(jīng)半絕緣層115的深的Fe能級116再結(jié)合。因此，可利用該勢壘來抑制電子的泄漏電流，可向芯層111施加電場。
但是，在該構(gòu)造的波導通路中，由于不認為深的Fe能級116的密度足夠高，所以能級的離子化狀態(tài)依賴于偏壓來變化。這種離子化狀態(tài)的偏壓依賴性產(chǎn)生如下結(jié)果，即電壓變化導致耗盡層厚度變化，不能保持施加電壓與施加于芯層111上的電壓之間的比例關(guān)系。并且，由于基于深的Fe能級116的載流子的捕獲、釋放的間隔較長，所以難以高速響應調(diào)制信號處理，調(diào)制強度帶來頻率分散。
另外，所謂‘向兩個n型電極層間施加電壓、使器件動作’的基本概念作為所謂的體勢壘(bulk barrier)二極管，在電子器件領(lǐng)域中是以前公知的，作為將其應用于光調(diào)制器的實例，有‘導入感應量子阱的載流子頻帶填充效應的芯層之調(diào)制器’的報告(例如參照專利文獻2)。由于該光調(diào)制器利用電子向量子阱的出入，所以與利用光電效應的光調(diào)制器相比，原理上不能加快動作速度。
圖11是具有現(xiàn)有nin型構(gòu)造的半導體光調(diào)制器的構(gòu)成圖，圖中符號121表示n型的第三半導體包覆層，122表示p型的第五半導體包覆層，123表示第一半導體包覆層，124表示具有光電效應的半導體芯層，125表示第二半導體包覆層，126表示n型的第四半導體包覆層，127、128表示n型電極，129表示凹狀的利用蝕刻形成的電氣分離區(qū)域。還報告在該凹狀的蝕刻部分中再生長半絕緣性半導體的電氣分離構(gòu)造(例如參照專利文獻1)，但由于構(gòu)造較復雜，未必是最適用于光調(diào)制器的方法。
在n型第三半導體包覆層121上，依次層疊p型第五半導體包覆層122與第一半導體包覆層123，設(shè)置具有光電效應的半導體芯層124，該半導體芯層124被該第一半導體包覆層123與第二半導體包覆層125夾持。并且，在第二半導體包覆層125上，層疊具有凹狀的、利用蝕刻形成的電氣分離區(qū)域129之n型第四半導體包覆層126。在該第四半導體包覆層126上，設(shè)置有電極128，同時，在第三半導體包覆層121的凸狀部兩側(cè)，設(shè)置有電極127。
在圖11所示的波導通路構(gòu)造中，由于將n型InP包覆層126的一部分蝕刻成凹狀來設(shè)置電氣分離區(qū)域129，所以在包覆層厚度變化的部分，產(chǎn)生光傳輸模式的變化，結(jié)果，產(chǎn)生光散射損失。另外，在現(xiàn)有的波導通路構(gòu)造中，第四半導體包覆層126的蝕刻較深，其控制性成問題。
但是，就該nin型InP/InGaAsP光調(diào)制器的典型構(gòu)造而言，由于通過去除部分上層n型包覆層126的一部分來進行執(zhí)行調(diào)制的波導通路部分與其外側(cè)的連接波導通路部分的電氣分離，所以在波導通路中會產(chǎn)生凹部129。這在從連接波導通路至電氣分離區(qū)域部分、從電氣分離區(qū)域部分至主波導通路部分中，產(chǎn)生伴隨光的傳輸模式變化的光損失。并且，由于必需在電氣分離區(qū)域部分(凹部)正下方殘留規(guī)定厚度以上的高阻抗包覆層，所以不能變薄該高阻抗包覆層的厚度，不能向半導體芯層124有效施加電場。
本發(fā)明鑒于上述問題而做出，其目的在于提供一種可進行光調(diào)制器的穩(wěn)定動作的、具有nin型異質(zhì)構(gòu)造的半導體光電子波導通路。
另外，本發(fā)明的目的在于提供一種半導體光電子波導通路，與以前的形成凹部來構(gòu)成電氣分離區(qū)域相比，不會對光模式的傳輸造成大的影響，解決光損失的問題，另外，控制性好，穩(wěn)定地具有電氣分離區(qū)域構(gòu)造。
并且，本發(fā)明的目的解決在nin型InP/InGaAsP光調(diào)制器等半導體光電子波導通路中引起芯層電壓的變動的上述課題，實現(xiàn)半導體光電子波導通路的穩(wěn)定動作。
專利文獻1特開2003-177368號公報專利文獻2美國專利第5647029號說明書發(fā)明內(nèi)容為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的半導體光電子波導通路的特征在于，具備配置在具有光電效應的半導體芯層的一個主面和另一主面的各個面上之第一半導體包覆層；配置在該第一半導體包覆層上的第二半導體包覆層；pn結(jié)層，配置在層疊于所述半導體芯層的一個主面?zhèn)鹊乃龅诙雽w包覆層上，所述第二半導體包覆層側(cè)是p型，與所述第二半導體包覆層相反側(cè)是n型；和第三半導體包覆層，配置在層疊于所述pn結(jié)層上和所述半導體芯層的另一主面?zhèn)鹊乃龅诙雽w包覆層上，用作n型電極層，所述第一半導體包覆層的頻帶間隙比所述半導體芯層的頻帶間隙大，所述第二半導體包覆層和所述第三半導體包覆層的頻帶間隙的各個分別比所述第一半導體包覆層的頻帶間隙大。
根據(jù)這種本發(fā)明的半導體光電子波導通路，可使光電子波導通路具備的nin型異質(zhì)構(gòu)造之頻帶輪廓控制變?nèi)菀?，所以可提供能進行光調(diào)制器的穩(wěn)定動作之半導體光電子波導通路。由此，不損害驅(qū)動電壓低的nin型異質(zhì)構(gòu)造的半導體光電子波導通路的特長，實現(xiàn)更穩(wěn)定的光調(diào)制動作，有助于模塊的低功耗化與低價格化。
另外，本發(fā)明的半導體光電子波導通路的特征在于具備具有有效光電效應的半導體芯層；第一和第二半導體包覆層，分別夾持該半導體芯層的上下，頻帶間隙比該半導體芯層大；第三和第四半導體包覆層，分別夾持該第一和第二半導體包層的上下，包含n型雜質(zhì)；第五半導體層，在基板側(cè)配置所述第一和第三半導體包覆層，配置在該第一半導體包覆層與所述第三半導體包覆層之間，包含p型雜質(zhì)，并且，頻帶間隙比所述半導體芯層大；至少一個電氣分離區(qū)域，向所述第四半導體包覆層實施基于離子注入法的材料變性來形成；和分別設(shè)置在所述第四半導體包覆層的所述電氣分離區(qū)域以外的主區(qū)域和所述第三半導體包覆層各自中的電極，向所述半導體芯層施加電壓。
根據(jù)這種本發(fā)明的半導體光電子波導通路，可提供一種半導體光電子波導通路，與以前的基于凹部形成的電氣分離區(qū)域相比，不會對光模式的傳輸造成大的影響，解決光損失的問題，另外，控制性好，穩(wěn)定地具有電氣分離區(qū)域構(gòu)造。另外，本發(fā)明在穩(wěn)定實現(xiàn)使用具有驅(qū)動電壓低的特性之nin型異質(zhì)構(gòu)造的光調(diào)制器特性方面發(fā)揮效果，降低輸入光功率，有助于光調(diào)制器模塊的低功耗化與低價格化。
并且，本發(fā)明的半導體光電子波導通路的特征在于具備具有光電效應的半導體芯層；第一和第二半導體包覆層，分別夾持該半導體芯層的上下，頻帶間隙比該半導體芯層大；第三半導體包覆層，配置在該第一半導體包覆層下，包含n型雜質(zhì)；第四半導體包覆層，配置在所述第二半導體包層上；第五半導體層，在基板側(cè)配置所述第三半導體包覆層與所述第一半導體包覆層，在所述第二半導體包覆層與所述第四半導體包覆層之間，包含p型雜質(zhì)，并且，頻帶間隙比所述半導體芯層的大；形成于所述第四包覆層內(nèi)的一部分中的n型調(diào)制波導通路的主區(qū)域；分離區(qū)域，鄰接于該主區(qū)域，具有p型導電性，所述主區(qū)域與共同的電極接觸；和設(shè)置在所述第三半導體包覆層中的一電極，經(jīng)所述兩個電極向所述半導體芯層施加電壓。
根據(jù)這種本發(fā)明的半導體光電子波導通路，可抑制使用nin型異質(zhì)構(gòu)造的光電子波導通路之寄生雙電極效應，結(jié)果，可利用積累在p型勢壘層中的空穴，解決勢壘的高度變動、產(chǎn)生泄漏電流并引起芯層電壓變化的問題。
另外，對穩(wěn)定實現(xiàn)使用具有可降低驅(qū)動電壓等特征的nin型異質(zhì)構(gòu)造的光調(diào)制器的特性方面發(fā)揮效果，允許更高的輸入光功率，使光發(fā)送模塊的輸出增大。


圖1A是說明本發(fā)明的半導體光電子波導通路一實施例的斜視圖。
圖1B是表示圖1A所示的半導體光電子波導通路的頻帶圖表的圖。
圖2是表示本發(fā)明另一實施例的半導體光電子波導通路的頻帶圖表的圖。
圖3是說明本發(fā)明的半導體光電子波導通路另一實施例的斜視圖。
圖4是說明本發(fā)明的半導體光電子波導通路再一實施例的斜視圖。
圖5是說明本發(fā)明的半導體光電子波導通路又一實施例的斜視圖。
圖6是說明本發(fā)明的半導體光電子波導通路又一實施例的斜視圖。
圖7是說明本發(fā)明的半導體光電子波導通路又一實施例的斜視圖。
圖8是說明本發(fā)明的半導體光電子波導通路又一實施例的斜視圖。
圖9是表示構(gòu)成現(xiàn)有典型InP/InGaAsP光調(diào)制器的半導體光電子波導通路的頻帶圖表的圖。
圖10是表示將圖9所示的InP/InGaAsP光調(diào)制器的波導通路兩側(cè)的包覆層均設(shè)為n型的nin型構(gòu)造之半導體光電子波導通路的頻帶圖表的圖。
圖11是說明具有現(xiàn)有nin型構(gòu)造的半導體光調(diào)制器的斜視圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖來說明本發(fā)明的實施例。
實施例1圖1A和圖1B是說明本發(fā)明的半導體光電子波導通路一實施例的構(gòu)成圖，圖1A是該光電子波導通路的斜視圖，圖1B是表示其頻帶圖表的圖。圖中符號11是半導體芯層，12-1、12-2是配置于半導體芯層11兩個主面上的第一半導體包覆層，13-1、13-2是分別配置于第一半導體包覆層12-1、12-2上的第二半導體包覆層。14-1、14-2是第三半導體包覆層。15、16分別是p型層、n型層，由兩個層15與16來構(gòu)成pn結(jié)層。
在第二半導體包覆層13-1上配置p型層15，在n型層16上配置第三半導體包覆層14-1。另外，在第二半導體包覆層13-2下配置第三半導體包覆層14-2。
芯層11的構(gòu)造確定為在動作光波長下，光電效應有效作用，且光吸收不成問題。例如，在為1.5微米頻帶的器件的情況下，形成由InGaAlAs化合物來形成量子阱層與勢壘層、并使這些層的Ga/Al組成不同的多重量子阱構(gòu)造的芯層11。
在芯層11的上面與下面，為了使光吸收產(chǎn)生的載流子不在異質(zhì)界面處陷波(被俘獲)，設(shè)置具有比芯層11的頻帶間隙大的頻帶間隙的、具有InGaAlAs等組成的中間包覆層(12-1、12-2)。
在中間包覆層12-1的上面和中間包覆層12-2的下面，分別設(shè)置具有比這些中間包覆層大的頻帶間隙的、InGaAlAs等組成之包覆層13-1和13-2。
在包覆層13-1的上面，依次層疊例如InGaAlAs的p型層15、與例如InGaAlAs的n型層16，在動作狀態(tài)下使用的施加電壓范圍下，耗盡p型InGaAlAs層15的整個區(qū)域與n型InGaAlAs層16的部分區(qū)域或整個區(qū)域。確定這些層的摻雜濃度輪廓，以使這種耗盡區(qū)域的頻帶的電勢變化足夠大，即激發(fā)感應對電子的充分的勢壘，確定這些層的摻雜濃度分布。這些層的摻雜濃度優(yōu)選是p型層15為1×1017cm-3以上，n型層16為5×1017cm-3以上。例如，將p型層15的摻雜濃度設(shè)為2×1017cm-3，將n型層16的摻雜濃度設(shè)為1×1018cm-3。
在n型InGaAlAs層16的上面和包覆層13-2的下面，分別設(shè)置用作包覆層的、InGaAlAs等組成的n型層14-1和14-2，在n型層14-1的上面，設(shè)置電極18-1。另外，這些n型層14-1和14-2的頻帶間隙被設(shè)定成比中間包覆層12-1和12-2的頻帶間隙大。另外，將作為這些層疊構(gòu)造體最下層的n型層14-2設(shè)置在具有電極18-2的n型電極層17主面的部分區(qū)域上。
為了用作光電子波導通路，形成包含圖1A示例的截面的臺面構(gòu)造之波導通路構(gòu)造，在使光在該波導通路中傳輸?shù)臓顟B(tài)下，從電極18-1和18-2輸入電氣信號，向n型層14-1與n型層14-2之間施加電壓。
如從表示電壓施加狀態(tài)下的頻帶圖表的圖1B所理解的那樣，利用由p型InGaAlAs層15與n型InGaAlAs層16的存在所形成的勢壘來抑制伴隨來自n型層14-1的電子注入的泄漏電流，另一方面，因光吸收(雖然僅有一點)所產(chǎn)生的空穴10-2經(jīng)p型InGaAlAs層15與n型InGaAlAs層16中的淺能級的受主和施主再結(jié)合，由此可向芯層11施加電壓。
若將圖1B的頻帶圖表與圖10所示的頻帶圖表相比，則相對于以前構(gòu)成的波導通路通過離子化深的能級來激發(fā)感應電勢變化，在本發(fā)明的構(gòu)造中，通過確定淺能級的受主與施主的濃度，以向芯層11施加期望的電場強度，由此可確實控制電勢形狀。
另外，在圖1A和圖1B中，將p型InGaAlAs層15與n型InGaAlAs層16構(gòu)成的pn結(jié)層設(shè)置在包覆層13-1與n型層14-1之間，但也可改變該構(gòu)成，設(shè)置在包覆層13-2與n型層14-2之間。
實施例2在動作時，盡管只有一點，但也通過芯層11中的光吸收生成電子10-1與空穴10-2。其中，電子10-1容易到達n型層14-2，而空穴10-2有可能會積累在頻帶彎曲急劇的n型InGaAlAs層16附近。該積累的空穴10-3構(gòu)成p型InGaAlAs層15與n型InGaAlAs層16之間的pn結(jié)中的順時針方向偏壓主要原因，所以構(gòu)成降低該區(qū)域中的勢壘，難以向芯層11施加電壓，同時，引起從n型層14-1側(cè)注入電子的原因。
在本實施例2中，由于使這種積累空穴10-3快速再結(jié)合，所以將p型InGaAlAs層15與n型InGaAlAs層16設(shè)為高濃度摻雜的層，通過變薄pn結(jié)的厚度，使電子與積累空穴在空間上接近，提高圖1B中的箭頭所示的頻帶間再結(jié)合的概率。由此，快速去除芯層11中產(chǎn)生、并積累在n型InGaAlAs層16附近的空穴10-3，可抑制由p型InGaAlAs層15與n型InGaAlAs層16形成的勢壘的高度變動。
實施例3本實施例3的半導體光電子波導通路在相當于圖1的n型InGaAlAs層16的層中，在摻雜施主雜質(zhì)的同時，摻雜Fe等形成深能級的雜質(zhì)。另外，將形成深能級的雜質(zhì)的摻雜量設(shè)定得比施主雜質(zhì)的摻雜量低得多。根據(jù)這種摻雜，形成深能級的雜質(zhì)不會對頻帶輪廓造成大的影響，另一方面，經(jīng)深能級的再結(jié)合概率變高，可快速去除由于光吸收而在芯層11中產(chǎn)生的空穴。
實施例4圖2是表示本發(fā)明實施例4的半導體光電子波導通路的頻帶圖表的圖，將相當于圖1的n型InGaAlAs層16的層變?yōu)镮nGaAsP等頻帶間隙能量較小的n型層19。通過將InGaAlAs等p型層15與InGaAsP等n型層19之間的頻帶間隙差(ΔEG)與摻雜輪廓設(shè)為期望的形狀，因光吸收而在芯層11中產(chǎn)生的空穴10-2的一部分到達該n型InGaAsP層19(10-3)，可快速再結(jié)合。這里，當控制電勢形狀時，優(yōu)選p型InGaAlAs層15與n型InGaAsP層19之間的價電子帶不連續(xù)性比傳導帶不連續(xù)性小。這是因為價電子帶不連續(xù)性越小，則空穴越容易通過p型InGaAlAs層15與n型InGaAsP層19的界面。
在此前的說明中，在說明本發(fā)明時將InGaAlAs和InGaAsP示例為波導通路的構(gòu)成材料，但不限于這些材料，也可由包含AlGaAs系列的III-V族化合物半導體來構(gòu)成本發(fā)明的波導通路。
實施例5
圖3是說明本發(fā)明的半導體光電子波導通路的實施例5的斜視圖，圖中符號21表示n型第三半導體包覆層，22表示p型第五半導體包覆層，23表示第一半導體包覆層，24表示具有光電效應的半導體芯層，25表示第二半導體包覆層，26表示n型第四半導體包覆層，27、28表示n型電極，29表示離子注入形成的電氣分離區(qū)域，29-1表示n型第四半導體包覆層26與電氣分離區(qū)域29的連接波導通路區(qū)域。
在n型第三半導體包覆層21上，依次層疊p型第五半導體包覆層22與第一半導體包覆層23，由第一半導體包覆層23與第二半導體包覆層25夾持，設(shè)置具有光電效應的半導體芯層24。并且，在第二半導體包覆層25上，層疊具有通過離子注入形成的電氣分離區(qū)域29的n型第四半導體包覆層26。在該第四半導體包覆層26上，設(shè)置電極28，同時，在第三半導體包覆層21的凸狀部的兩側(cè)，設(shè)置電極27。
即，本發(fā)明的半導體光電子波導通路具有半導體異質(zhì)構(gòu)造的層疊體，即至少具備具有有效光電效應的半導體芯層24；第一和第二半導體包覆層23、25，夾持該半導體芯層24的上下，并且頻帶間隙比該半導體芯層24大；和第三和第四半導體包覆層21、26，夾持該第一和第二半導體包層23、25的上下，包含n型雜質(zhì)。
在基板(未圖示)側(cè)配置第一和第三半導體包覆層23、21。在該第一半導體包覆層23與第三半導體包覆層21之間插入第五半導體層22，該第五半導體層22包含p型雜質(zhì)，并且，頻帶間隙比半導體芯層24大。另外，在第四半導體包覆層26中，通過離子注入來形成至少一個部位的電氣分離區(qū)域29。另外，在第四半導體包覆層26的電氣分離區(qū)域29以外的主區(qū)域及第三半導體包層21中，分別設(shè)置單獨電極28、27，向半導體芯層24施加電壓。
這樣，從基板側(cè)依次層疊第三InPn型包覆層21、包含p型雜質(zhì)的第五InP包覆層22、通常為低摻雜濃度的第一InP包覆層23、和半導體芯層24，該半導體芯層24的構(gòu)造確定為光電效應在動作光波長下有效動作，光吸收不成問題，若是1.5微米頻帶的器件，則構(gòu)成將改變InGaAlAs的Ga/Al組成的層分別變?yōu)榱孔于鍖优c勢壘層的多重量子阱構(gòu)造。
并且，在半導體芯層24上，配置低摻雜濃度的第二InP包覆層25、與第四InPn型包覆層26。與電極27相反，向電極28施加正電壓，根據(jù)光電效應來調(diào)制光相位。在動作狀態(tài)下使用的施加電壓范圍下，使第五InP包覆層22至第二InP包覆層25全部耗盡，另外，使n型第三InPn型包覆層21與第四半導體包覆層26部分耗盡。由于第五InP包覆層22是p型，所以作為相對電子的勢壘來動作。
為了使該器件用作光電子波導通路，變?yōu)槿缦聽顟B(tài)，即在沿與圖3所示的臺面構(gòu)造之截面垂直的方向傳輸光的狀態(tài)下，向電極28輸入電氣信號，向第三InPn型包覆層21與第二InP包覆層25之間施加電壓。通常，在作為光調(diào)制器使用光電子波導通路時，必需配置從電極28施加電壓的光調(diào)制波導通路部，并在該光調(diào)制波導通路部的光輸入/輸出側(cè)配置連接波導通路，并電氣分離這些部件之間。
在本實施例5的半導體光電子波導通路中，在符號29所示的部分中，通過離子注入法，將第四InPn型包覆層的一部分設(shè)為高阻抗化區(qū)域、或由pn結(jié)包圍的p形區(qū)域(電氣分離區(qū)域)。
另外，在本實施例5中，特征還在于將摻雜于作為對電子的勢壘而動作的p形中之第五InP包覆層22配置在下部。這是為了避免由于離子注入時產(chǎn)生的結(jié)晶缺陷，制作勢壘的離子化受主的溫度分布受到影響。即，用于防止當施加偏壓時，勢壘形狀惡化，結(jié)的泄漏電流增大。
另外，在本實施例5的構(gòu)成中，作為離子注入到電氣分離區(qū)域29中的離子種，使用Be等在InP中形成受主的原子、或形成深的施主/受主對能級的原子。在電氣分離區(qū)域29變?yōu)閜型的情況下，該部分的電氣阻抗與相同程度的摻雜量之n型層的電氣阻抗相比，高出約30倍以上，即使沒有變?yōu)楦咦杩箤?，也可防止因輸入電氣信號在電氣分離區(qū)域29中傳輸而導致調(diào)制效率下降。不用說，設(shè)為高阻抗層好，但即便只從n型變化為p型，也可使電氣分離的功能提高。
在圖11所示的現(xiàn)有波導通路構(gòu)造中，由于將n型InP包覆層126的一部分蝕刻為凹狀，設(shè)置電氣分離區(qū)域129，所以在包覆層的厚度變化的部分中，產(chǎn)生光傳輸模式的變化，結(jié)果，產(chǎn)生光散射損失。另一方面，在本實施例5的構(gòu)造中，不產(chǎn)生這種伴隨光傳輸模式變化的光散射損失。另外，在現(xiàn)有構(gòu)造中，第四半導體包覆層126的蝕刻較深，其控制性成問題，而在本實施例5的構(gòu)造中，不產(chǎn)生這種問題。結(jié)果，本實施例5的構(gòu)造改善了電氣分離區(qū)域形成引起的現(xiàn)有光電子波導通路的問題，通過降低光損失，使光調(diào)制器的輸出增大，另外，使元件制作時的構(gòu)造控制變?nèi)菀住?br> 實施例6圖4是說明本發(fā)明的半導體光電子波導通路的實施例6的斜視圖，圖中符號31表示n型第三半導體包覆層，32表示配置在第三半導體包覆層31上的p型第五半導體包覆層，33表示配置在第五半導體包覆層32上的第一半導體包覆層，34表示配置在第一半導體包覆層33上的、具有光電效應的半導體芯層，35表示配置在半導體芯層34上的第二半導體包覆層，36表示配置在第二半導體包覆層35上的n型第四半導體包覆層，37、38表示n型電極，39表示通過離子注入形成的多個pn結(jié)構(gòu)成的電氣分離區(qū)域。另外，電氣分離區(qū)域39以外的層疊構(gòu)造與圖3的實施例5一樣。
在上述實施例5中，電氣分離區(qū)域29在第四InPn型包覆層26的兩側(cè)各設(shè)置于一個部位，在本實施例6中，連接多個離子注入?yún)^(qū)域，將其設(shè)為電氣分離區(qū)域39。在離子注入部分為p型層的情況下，由于作為電氣分離區(qū)域整體，為串聯(lián)連接pn結(jié)的形式，所以施加于pn結(jié)每個上的電壓下降，降低電氣分離區(qū)域的泄漏電流。
通常，在由離子注入形成的pn結(jié)中殘留晶格缺陷，容易流過再結(jié)合電流(泄漏電流)。該電氣分離層構(gòu)造在這種情況下有用。
實施例7圖5是說明本發(fā)明的半導體光電子波導通路的實施例7的斜視圖，圖中符號41表示n型第三半導體包覆層，42表示配置在第三半導體包覆層41上的p型第五半導體包覆層，43表示配置在第五半導體包覆層42上的第一半導體包覆層，44表示配置在第一半導體包覆層43上的、具有光電效應的半導體芯層，45表示配置在半導體芯層44上的第二半導體包覆層，46表示配置在第二半導體包覆層45上的n型第四半導體包覆層，47、48表示n型電極，49表示通過離子注入形成的電氣分離區(qū)域，50-1表示形成于n型第四半導體包覆層中的電極，50-2表示將形成于n型第四半導體包覆層中的電極設(shè)為與第三包覆層相同電位的布線。另外，n型電極50-1和布線50-2以外的層疊構(gòu)造與圖3所示的通過在夾持電氣分離區(qū)域49、與光調(diào)制波導通路部對抗的部分之第四半導體包覆層46中，形成n型電極50-1，用布線50-2連接該n型電極50-1，將其電位設(shè)為與第三半導體包覆層41相同的電位。在電氣分離區(qū)域的阻抗不足夠高的情況下，可排除提高電氣分離區(qū)域49外側(cè)的電位，向主波導通路部分以外施加偏壓的問題。
即，本發(fā)明在穩(wěn)定實現(xiàn)使用具有驅(qū)動電壓低的特性之nin型異質(zhì)構(gòu)造的光調(diào)制器特性方面發(fā)揮效果，降低輸入光功率，有助于光調(diào)制器模塊的低功耗化與低價格化。另外，在上述各實施例中，示出將InP與InAlGaAs設(shè)為半導體材料的半導體光電子波導通路，但也可同樣適用于使用包含AlGaAs系列或InGaAsP的其它III-V族化合物半導體的光電子波導通路構(gòu)造中。
實施例8上述圖3所示的實施例5的半導體光電子波導通路將InP/InGaAsP光調(diào)制器兩側(cè)的包覆層均設(shè)為n型(所謂nin型構(gòu)造)，但在這種構(gòu)成中，如向芯層24施加電壓時，不流過電子電流所示，必需設(shè)置對電子的勢壘層，作為該勢壘層，在芯層24的下側(cè)，插入導入p型摻雜層的半導體包覆層22。將芯層24的上部n型包覆層26兩側(cè)設(shè)為p型層，將其作為電氣分離層29。另外，21是n型第三半導體包覆層，23是第一半導體包覆層，25是第二半導體包覆層，29-1是第四半導體包覆層26、29的連接波導通路區(qū)域，27、28是電極。
圖3所示的nin型InP/InGaAsP光調(diào)制器的波導通路構(gòu)造中，具有可降低驅(qū)動電壓的好的特征，但芯層24多少會有光吸收，其中產(chǎn)生的空穴積累在勢壘層22中，結(jié)果，判斷對電子的勢壘降低，引起產(chǎn)生泄漏電流等現(xiàn)象(寄生光電晶體管效應)，這是還應解決的課題。即，若以晶體管動作來說，則變?yōu)樵诨鶚O開放狀態(tài)下，若基極空穴濃度上升，則發(fā)射極/基極結(jié)被順時針偏置的狀態(tài)。并且，由于施加于芯層24的電壓也下降順時針偏置的電壓，所以結(jié)果是調(diào)制特性因光波長或光強度而改變，這限制了作為調(diào)制器的利用范圍。
圖6是說明本發(fā)明的半導體光電子波導通路的實施例8的斜視圖，圖中符號61表示第三半導體包覆層，62表示配置在第三半導體包覆層61上的第一半導體包覆層，63表示配置在第一半導體包覆層62上的半導體芯層，64表示配置在半導體芯層63上的第二半導體包覆層，65表示配置在第二半導體包覆層64上的第五半導體包覆層，66表示配置在第五半導體包覆層65上的第四半導體包覆層，66-1表示光調(diào)制區(qū)域，66-2表示分離區(qū)域，66-3是連接波導通路區(qū)域，67、68表示電極。
首先，從基板(未圖示)側(cè)說明，第三半導體包覆層61是n型的第三InPn形包覆層，第一半導體包覆層62是在低摻雜濃度下頻帶間隙比InP小的第一InGaAlAs包覆層，半導體芯層63是將其構(gòu)造確定為光電效應在動作光波長下有效動作、降低到光吸收不成問題程度的半導體芯層。若該器件是1.5微米頻帶的器件，則構(gòu)成將改變InGaAlAs的Ga/Al組成的層分別變?yōu)榱孔于鍖优c勢壘層的多重量子阱構(gòu)造。
第二半導體包覆層64是在低摻雜濃度下頻帶間隙比InP小的第二InGaAlAs包覆層，并且，在該包覆層64上，配置65的p型InP勢壘層(第五半導體包覆層)。
第四InP包覆層66由3個區(qū)域構(gòu)成，光調(diào)制區(qū)域66-1由n型InP層構(gòu)成，分離區(qū)域66-2是p型InP區(qū)域，其底面接觸p型InP勢壘層65。該p型InP區(qū)域66-2可通過例如在從第三半導體包覆層61至第四半導體包覆層66的層生長之后，利用蝕刻去除相當于分離區(qū)域66-2的部分，使p型InP再生長，或利用離子注入法向第四半導體包覆層66的層的一部分導入Be受主來形成。連接波導通路區(qū)域66-3不管導電形式如何，均為InP。
電極67與68是金屬電極，相對于一個電極67，將另一電極68作為負極性，向芯層63施加電壓。金屬電極68在光調(diào)制區(qū)域66-1與分離區(qū)域66-2兩個區(qū)域中取得電氣接觸。在動作狀態(tài)下使用的施加電壓范圍下，光調(diào)制區(qū)域正下方的第一半導體包覆層62至第五半導體包覆層65的層全部去除n型InP包覆層66-1與p型InP勢壘層65的界面之部分的耗盡部分，基于幾乎保持n型中性地確定摻雜濃度。
為了使圖6所示的器件用作光電子波導通路，在使光沿與圖6所示臺面構(gòu)造的截面垂直的方向傳輸?shù)臓顟B(tài)下，向電極68輸入電氣信號，向由n型第三InPn型包覆層61與n型InP構(gòu)成的光調(diào)制區(qū)域66-1之間施加電壓。這里，InP勢壘層65是p型，作為相對電子的勢壘動作，所以抑制來自光調(diào)制區(qū)域66-1的電子注入，在泄漏電流的產(chǎn)生少的狀態(tài)下，向芯層63施加電壓，可執(zhí)行基于光電效應的光相位的調(diào)制。
通常，在作為光調(diào)制器使用光電子波導通路時，必需配置施加電壓的光調(diào)制區(qū)域，并在該光調(diào)制區(qū)域的光輸入/輸出側(cè)配置連接波導通路區(qū)域66-3，電氣分離這些區(qū)域之間。在該實施例的構(gòu)造中，將圖6的分離區(qū)域66-2所示的部分選擇性地設(shè)為p型區(qū)域(p型InP區(qū)域)，該區(qū)域構(gòu)成電氣分離區(qū)域。
電連接于n型InP包覆層66-1上的p型InP區(qū)域66-2的導入具有如下作用。即，在圖3所示的波導通路構(gòu)造中，如上所述，會引起伴隨芯層24的光吸收產(chǎn)生的空穴的寄生光電晶體管效應，但在本實施例的構(gòu)造中，p型InP區(qū)域(分離區(qū)域)66-2的電位比耗盡勢壘層65低，所以空穴流過p型InP區(qū)域(分離區(qū)域)66-2，可抑制勢壘層65中的空穴的積累。
實施例9圖7是說明本發(fā)明的半導體光電子波導通路的實施例9的斜視圖。在上述本發(fā)明的實施例8中，將p型InP區(qū)域66-2配置于光調(diào)制區(qū)域66-1的兩側(cè)，但若波導通路變長，則光吸收所產(chǎn)生的空穴不能被p型InP區(qū)域66-2有效吸收。為了防止這種情況的發(fā)生，如表示本發(fā)明實施例9的構(gòu)造的圖7所示，只要在光調(diào)制區(qū)域內(nèi)配置多個76-2的p型InP區(qū)域即可。
與實施例8的情況一樣，這些區(qū)域76-2電接觸n型InP區(qū)域76-1。這里，若將p型InP區(qū)域76-2的縱向長度取得短，則可在保持空穴吸收的效果的同時，盡量抑制p型層的導入引起的光吸收的增大。另外，將電極78連接于各p型InP區(qū)域76-2上，這些區(qū)域76-2變?yōu)橄嗤娢?，所以這些區(qū)域不會對電氣信號的傳輸造成壞影響。
另外，71是n型第三半導體包覆層，72是配置在第三半導體包覆層71上的第一半導體包覆層，73是配置在第一半導體包覆層72上的、具有光電效應的半導體芯層，74是配置在半導體芯層73上的第二半導體包覆層，75是配置在第二半導體包覆層74上的p型第五半導體包覆層，76是配置在第五半導體包覆層75上的第四半導體包覆層，76-3是第四半導體包覆層的p型區(qū)域(分離區(qū)域)，76-4是第四半導體包覆層的連接波導通路區(qū)域，77是n型電極。
實施例10圖8是說明本發(fā)明的半導體光電子波導通路的實施例10的斜視圖，圖中符號81是n型第三半導體包覆層，82是配置在第三半導體包覆層81上的第一半導體包覆層，83是配置在第一半導體包覆層82上的、具有光電效應的半導體芯層，84是配置在半導體芯層83上的第二半導體包覆層，85是配置在第二半導體包覆層84上的p型第五半導體包覆層，86是配置在第五半導體包覆層85上的第四半導體包覆層，86-1是第四半導體包覆層的n型區(qū)域(光調(diào)制區(qū)域)，86-2是第四半導體包覆層的p型區(qū)域(分離區(qū)域)，86-3是第四半導體包覆層的連接波導通路區(qū)域，87、88是n型電極，89是形成于第四半導體包覆層的連接波導通路部分中的電極，90是將第四半導體包覆層的連接波導通路部分設(shè)為與第三包覆層相同電位的布線。
本實施例10的半導體光電子波導通路構(gòu)成為夾持用作電氣分離區(qū)域的p型InP區(qū)域86-2，在與光調(diào)制區(qū)域86-1相反側(cè)的第四包覆層(連接波導通路部分)86-3中分別形成電極89，在該電極89與第三半導體包覆層81上的電極87之間連接布線90，將連接波導區(qū)域86-3的電位設(shè)為與第三包覆層81相同的電位。
利用該構(gòu)成，可排除在電氣分離區(qū)域86-2的阻抗不足夠高的情況下，提高電氣分離區(qū)域外側(cè)的電位，向主波導通路部分以外施加偏壓的問題。這里，上述連接波導區(qū)域的導電形式為p、n，或為耗盡層。這是因為在任一情況下，與光調(diào)制區(qū)域之間變?yōu)轫槙r針偏置，不變?yōu)榱鬟^電流的狀態(tài)。
(其它實施例)使上述本發(fā)明的實施例9、10組合也有效。另外，在上述本發(fā)明的實施例8、9、10中，描述將InP與InAlGaAs設(shè)為材料的實例，但本發(fā)明也可同樣適用于使用包含AlGaAs系列或InGaAsP的其它III-V族化合物半導體的光電子波導通路構(gòu)造中。這樣，本發(fā)明的實施例不限于上述所示，只要在權(quán)利要求的范圍中所述的范圍內(nèi)，材質(zhì)等的置換、形狀或個數(shù)的變更、公知部件或公知技術(shù)的簡單組合等包含于本發(fā)明的實施例中。
另外，將本發(fā)明的半導體光電子波導通路集成化為半導體激光器的手法與集成化電場吸收形式光調(diào)制器與半導體激光器的公知手法在技術(shù)上相同，所以不提及。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明涉及具有使用nin型異質(zhì)構(gòu)造的光電子波導通路之電氣分離區(qū)域構(gòu)造、并用于長波長頻帶的超高速光調(diào)制器中的半導體光電子波導通路，提供一種半導體光電子波導通路，與以前的形成凹部來構(gòu)成電氣分離區(qū)域相比，不會對光模式的傳輸造成大的影響，解決光損失的問題，另外，控制性好，穩(wěn)定地具有電氣分離區(qū)域構(gòu)造。并且，本發(fā)明的半導體光電子波導通路可用于長波長頻帶的超高速光調(diào)制器中，可期待對調(diào)整光網(wǎng)絡(luò)通信等有大的幫助。
權(quán)利要求
1.一種半導體光電子波導通路，其特征在于，具備第二半導體包覆層，配置在具有光電效應的半導體芯層的一個主面和另一主面的各個面上；pn結(jié)層，配置在層疊于所述半導體芯層的一個主面?zhèn)鹊乃龅诙雽w包覆層上，所述第二半導體包覆層側(cè)是p型，與所述第二半導體包覆層相反側(cè)是n型；和第三半導體包覆層，配置在所述pn結(jié)層上和層疊于所述半導體芯層的另一主面?zhèn)鹊乃龅诙雽w包覆層上，用作n型電極層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體光電子波導通路，其特征在于在所述半導體芯層的一個主面和另一主面的各個面上、與所述第二半導體包覆層之間，配置第一半導體包覆層，所述第一半導體包覆層的頻帶間隙比所述半導體芯層的頻帶間隙大，所述第二半導體包覆層和所述第三半導體包覆層的頻帶間隙分別比所述第一半導體包覆層的頻帶間隙大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導體光電子波導通路，其特征在于所述pn結(jié)層設(shè)定各個層厚度與雜質(zhì)濃度，以便在所述半導體光電子波導通路的動作狀態(tài)下，p層整個區(qū)域耗盡，另一方面，n層至少部分區(qū)域耗盡
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的半導體光電子波導通路，其特征在于所述pn結(jié)層的p層雜質(zhì)濃度為1×1017cm-3以上，n層雜質(zhì)濃度為5×1017cm-3以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的半導體光電子波導通路，其特征在于在所述pn結(jié)層的n層中，除n型雜質(zhì)外，還摻雜形成深能級的雜質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的半導體光電子波導通路，其特征在于所述pn結(jié)層的n層頻帶間隙能量比該pn結(jié)層的p層頻帶間隙能量小。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的半導體光電子波導通路，其特征在于摻雜于所述pn結(jié)層的n層中的深能級的雜質(zhì)是Fe。
8.一種半導體光電子波導通路，其特征在于具備具有有效光電效應的半導體芯層；第一和第二半導體包覆層，分別夾持在該半導體芯層的上下，頻帶間隙比該半導體芯層大；第三和第四半導體包覆層，分別夾持在該第一和第二半導體包覆層的上下，包含n型雜質(zhì)；第五半導體層，在基板側(cè)配置所述第一和第三半導體包覆層，配置在該第一半導體包覆層與所述第三半導體包覆層之間，包含p型雜質(zhì)，并且，頻帶間隙比所述半導體芯層大；至少一個電氣分離區(qū)域，向所述第四半導體包覆層實施基于離子注入法的材料變性來形成；和分別設(shè)置在所述第四半導體包覆層的所述電氣分離區(qū)域以外的主區(qū)域和所述第三半導體包覆層的各自中的電極，向所述半導體芯層施加電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導體光電子波導通路，其特征在于所述注入離子種是在所述第四半導體包覆層內(nèi)形成受主、或深的施主/受主對能級的原子。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的半導體光電子波導通路，其特征在于所述第四半導體包覆層中，電氣分離區(qū)域為3個區(qū)域以上。
11.根據(jù)權(quán)利要求8、9或10所述的半導體光電子波導通路，其特征在于夾持所述電氣分離區(qū)域，在與所述第四半導體包覆層的主區(qū)域相反側(cè)的所述第四半導體包覆層中，設(shè)置電極，與所述第三半導體包覆層的電極連接。
12.一種半導體光電子波導通路，其特征在于具備具有光電效應的半導體芯層；第一和第二半導體包覆層，分別夾持在該半導體芯層的上下，頻帶間隙比該半導體芯層大；第三半導體包覆層，配置在該第一半導體包覆層下，包含n型雜質(zhì)；第四半導體包覆層，配置在所述第二半導體包覆層上；第五半導體層，在基板側(cè)配置所述第三半導體包覆層與所述第一半導體包覆層，在所述第二半導體包覆層與所述第四半導體包覆層之間，包含p型雜質(zhì)，并且，頻帶間隙比所述半導體芯層的大；形成于所述第四包覆層內(nèi)的一部分中的n型調(diào)制波導通路的主區(qū)域；分離區(qū)域，鄰接于該主區(qū)域，具有p型導電性，與所述主區(qū)域的共同電極接觸；和設(shè)置在所述第三半導體包覆層中的另一電極，經(jīng)所述兩個電極向所述半導體芯層施加電壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導體光電子波導通路，其特征在于設(shè)所述第四包覆層內(nèi)的所述n形調(diào)制波導通路的主區(qū)域的一部分為具有p型導電性的區(qū)域，該具有p型導電性的區(qū)域在電氣上與n型主區(qū)域具有共同的電極。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的半導體光電子波導通路，其特征在于在所述n型調(diào)制波導通路的主區(qū)域外側(cè)兩側(cè)的第四包覆層中，形成一對電極，將該電極與所述第三半導體包覆層的電極連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有可執(zhí)行光調(diào)制器的穩(wěn)定動作之nin型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半導體光電子波導通路。在構(gòu)造確定為在動作光波長下光電效果有效作用、且光吸收不成問題的芯層(11)的上面與下面，為了使光吸收產(chǎn)生的載流子不在異質(zhì)界面處陷波，設(shè)置具有比芯層(11)的頻帶間隙大的頻帶間隙之中間包覆層(12－1和12－2)，在中間包覆層(12－1)的上面和中間包覆層(12－2)的下面，分別設(shè)置具有比這些中間包覆層大的頻帶間隙之包覆層(13－1和13－2)。在包覆層(13－1)的上面，依次層疊p型層(15)與n型層(16)，在動作狀態(tài)下使用的施加電壓范圍下，耗盡p型層(15)的整個區(qū)域與n型層(16)的部分區(qū)域或整個區(qū)域。
文檔編號G02F1/025GK1864092SQ200480028898
公開日2006年11月15日 申請日期2004年10月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月3日
發(fā)明者石橋忠夫, 安藤精后, 都筑健 申請人:Ntt電子股份有限公司, 日本電信電話株式會社