基板型光スイッチ及びその製造方法

【目的】駆動電流を低減し、かつ寄生容量を小さくして高速スイッチングに適したものとする。
【構成】液相エキタピシャル成長法または気相成長法により、ｐ−ＩｎＰ基板１上にｐ−ＩｎＰバッファ層１１、ｕ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層１２、ｎ⁺−ＩｎＰ電流閉じ込め層１３、ｎ⁺−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１４を順次結晶成長させた後、選択化学エッチング法により電流閉じ込め層１３をエッチングし、つぎにその電流閉じ込め層１３に隣接するようにＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層１５を結晶成長させ、さらにこの電流ブロック層１５をエッチングしてリッジ型導波路構造とし、基板１の上面において電流閉じ込め層に接触する電極１８を設けるとともに、基板１の裏面に電極１９を設ける。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、光通信や光情報処理等に用いられる基板型光スイッチ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、基板型光スイッチとして、キャリア注入により引き起こされるバンドフィリング効果による大きな屈折率変化を利用することにより構成される内部全反射型光スイッチが提案されている（たとえばIEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATION vol.6,No.7 p1262-1266）。
【０００３】この基板型光スイッチは、図１０に示すように、化合物半導体材料であるｎ−ＩｎＰ（ｎ型インジウムリン）の基板４上にＸ字状の光導波路部５を設けて、その交差部をスイッチング部６として形成したものである。光導波路部５は、図１１に示すようにリブ型光導波路構造となっており、ｎ−ＩｎＰ基板４上にｎ−ＩｎＰバッファ層４１を介してｕ−ＩｎＧａＡｓＰ（無ドープインジウムガリウムヒ素リン）の光導波路層４２を形成し、さらにその上にｎ−ＩｎＰクラッド層４３を形成した後、エッチングすることにより作られている。
【０００４】その交差部のスイッチング部６では、図１２R>２に示すように、ｎ−ＩｎＰクラッド層４３の一部にｐ−ＩｎＰ電流閉じ込め層４４が形成され、その上面にｐ型電極４６が、下面にｎ型電極４７が形成されている。なお、このｎ−ＩｎＰ基板４の上面には、ｐ−ＩｎＰ電流閉じ込め層４４の上面を除いて、その全面を覆うように二酸化硅素の絶縁層４５が形成されている。
【０００５】電極４６、４７間に電圧をかけることにより電流を注入すると、ｐ−ＩｎＰ電流閉じ込め層４４とｎ−ＩｎＰバッファ層４１との間にダブルヘテロ接合が形成されるため、このｐ−ＩｎＰ電流閉じ込め層４４を通じて順方向電流が流れる。ｎ−ＩｎＰクラッド層４３は電流を阻止する電流ブロック層として機能する。このような構造をとるのはｕ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層４２内で注入キャリア密度を上げるためである。このキャリア注入により、バンドフィリング効果による屈折率変化が起こり、入射光の全反射を生じさせることができる。すなわち、図１０に示すように、光導波路部５の一端Ｐｉから光を入射する場合、上記のような電流注入を行なわないときは光は直進して一端Ｐａより出射するが、上記のように電流注入するとスイッチング部６で全反射されて他端Ｐｂより出射するようになる。
【０００６】このような基板型光スイッチは、従来ではつぎのようにして製造されている。まず、液相エピタキシャル成長（ＬＰＥ）法または有機金属気相成長（ＯＭＶＰＥ）法により、図１３に示すようにｎ−ＩｎＰ基板４の一面上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層４１、ｕ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層４２及びｎ−ＩｎＰクラッド層４３を順次多層成長させる。つぎに、この基板４の上面をフォトリソグラフ技術と反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）技術を用いてｎ−ＩｎＰクラッド層４３の一部をエッチングすることにより図１１や図１２に示すようなリブ型光導波路構造を作る。その後、交差部において亜鉛（Ｚｎ）を選択的に拡散し、ｐ−ＩｎＰ電流閉じ込め層４４を形成する。そして、上面を覆う二酸化硅素の絶縁層４５の一部を除去し光導波路層４２に対してｐ型電極４６をコンタクトさせるとともに、下面にｎ型電極４７を形成する。
【０００７】このような基板型光スイッチは、バンドフィリング効果による大きな屈折率変化を用いるという特徴を有するとともに、ｎ−ＩｎＰ基板上にＬＰＥ法またはＯＭＶＰＥ法により１回の結晶成長のみで作製できるという利点を持っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の基板型光スイッチは、低電流駆動という点で問題があるとともに、寄生容量が高速スイッチングの障害になるという問題がある。駆動電流が大きくなると、光スイッチの駆動電力が大きくなるので、特にこのような光スイッチを集積化する場合や高速で動作させる場合には問題が大きい。
【０００９】上記のように駆動電流が大きくなる原因としては以下に示すようなことが考えられる。まず、この基板型光スイッチは、上記のようにｎ−ＩｎＰクラッド層内にＺｎ拡散を用いて電流閉じ込め層を形成している。光スイッチに一定の電流を注入した場合、電流閉じ込め領域の体積が小さくなれば注入キャリア密度は増加するので低電流駆動が実現できるが、このような光スイッチでは拡散という手法を用い電流閉じ込め領域を形成しているため電流閉じ込め領域の幅を微細（たとえば１μｍ以下）にすることが困難であり、低電流駆動を実現することができない。また、このように形成されたｐ−ＩｎＰ電流閉じ込め層は、ｎ−ＩｎＰクラッド層との間でｐｎ順方向ホモ接合を形成する。すなわち、注入された電流は、ダブルヘテロ接合とこのホモ接合間のわずかなポテンシャル差により、ダブルヘテロ接合側に優先的に流れるのであるが、高電流注入時にはポテンシャルの差が小さいのでこのホモ接合側にも電流が流れることとなり、高効率動作、つまり低電流駆動を実現することができない。さらに、拡散その他の方法でｐ−ＩｎＰ電流閉じ込め層の幅を微細にすることができたとしても、この電流を閉じ込める領域がｐ型のＩｎＰにより構成されることになり、ｐ型のＩｎＰはｎ型のＩｎＰに比べて電気抵抗率が１桁大きいので、この電流閉じ込め領域で素子の電気抵抗が増大し、低電力で光スイッチを駆動することが困難となる。そのため、このような光スイッチを集積化してマトリクススイッチを形成する場合には個々のスイッチエレメントでの消費電力が大きいので、全消費電流が大きくなって問題が大きい。
【００１０】また、ｐ−ＩｎＰ電流閉じ込め層とｎ−ＩｎＰクラッド層（電流ブロック層）との間で生じる接合容量が形成される。この寄生容量が、スイッチングを高速化した場合に問題となり、スイッチングの高速化の障害となっている。
【００１１】この発明は、上記に鑑み、低電流駆動が可能で、かつ寄生容量が小さくて高速スイッチングに適した基板型光スイッチを提供することを目的とする。
【００１２】また、この発明は、そのように改善された基板型光スイッチの製造方法を提供することをも目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するため、この発明による基板型光スイッチにおいては、ｐ−ＩｎＰ基板と、この基板上に形成されたｕ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層と、この光導波路層上に並列的に形成されたｎ−ＩｎＰ電流閉じ込め層及びＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層とが備えられており、電流閉じ込め層の幅を従来の１／２以下の１μｍ程度とすることができ、また導電型がｎ型なので、従来のようなｐ型の電流閉じ込め層と比較すると素子の抵抗を１桁ほど改善することができる。
【００１４】この発明による基板型光スイッチ製造方法は、ｐ−ＩｎＰ基板上にｕ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層及びｎ−ＩｎＰ電流閉じ込め層を順次結晶成長させ、その後このｎ−ＩｎＰ電流閉じ込め層をエッチングしてこの電流閉じ込め層の幅を狭くし、つぎにこの電流閉じ込め層の脇に隣接するように上記光導波路層上にＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層を再度結晶成長させることが特徴となっている。
【００１５】また、ｐ−ＩｎＰ基板上にｕ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層及びＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層を順次結晶成長させ、その後このＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層をエッチングして上記光導波路層に到達する細長い溝を形成し、つぎにこの細長い溝中において上記光導波路層上にｎ−ＩｎＰ電流閉じ込め層を結晶成長させて製造してもよい。
【００１６】
【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は第１の実施例にかかる基板型光スイッチを示すもので、この図に示すように、化合物半導体材料であるｐ−ＩｎＰ基板１上にＸ字状の光導波路部２が設けられており、その交差部がスイッチング部３として形成されている。光導波路部２は図２R>２に示すようにリッジ型光導波路構造となっており、ｐ−ＩｎＰ基板１上にｐ−ＩｎＰバッファ層１１を介してｕ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層１２が形成され、さらにその上に細長いＳＩ−ＩｎＰクラッド層１５及びｎ⁺−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１４が凸状に乗っているという構造となっている。このＳＩ−ＩｎＰクラッド層１５というのは、ＩｎＰにＦｅ（鉄）などをドープして抵抗を高めた準絶縁（ＳｅｍｉＩｎｓｕｌａｔｅｄ）層である。
【００１７】交差部のスイッチング部３では、図３に示すように、凸状のＳＩ−ＩｎＰクラッド層１５の一部にｎ⁺−ＩｎＰ電流閉じ込め層１３が細長く埋め込まれており、その上面にｎ型電極１８が、下面にｐ型電極１９が形成されている。なお、このｐ−ＩｎＰ基板１の上面には、ｎ⁺−ＩｎＰ電流閉じ込め層１３の上に位置するｎ⁺−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１４の上面の部分を除いて、その全面を覆うように二酸化硅素の絶縁層１７が形成されている。
【００１８】電極１８、１９間に電圧を印加することにより電流を注入すると、ｐ−ＩｎＰバッファ層１１とｎ⁺−ＩｎＰ電流閉じ込め層１３との間のｐｎダブルヘテロ接合を通して、このｎ⁺−ＩｎＰ電流閉じ込め層１３に電流が流れる。ＳＩ−ＩｎＰクラッド層１５では電流が阻止され、このクラッド層１５は電流ブロック層として機能することになるので、ｕ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層１２内の反射部のキャリア密度が大きくなる。このようなキャリア注入により、バンドフィリング効果による屈折率変化が起こり、入射光の全反射を生じさせることができ、図１に示すように、光導波路部２の一端Ｐｉから光を入射する場合、上記のような電流注入を行なわないときは光は直進して一端Ｐａより出射するが、上記のように電流注入するとスイッチ部３で全反射されて他端Ｐｂより出射するようになる。
【００１９】この場合、ＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層１５とそこに埋め込まれるｎ⁺−ＩｎＰ電流閉じ込め層１３は、一方を先に結晶成長させた後、フォトリソグラフ技術と選択化学エッチング技術により不要な部分を除去して必要な部分のみを残した後、再度の結晶成長によって他方を形成すれば、ｎ⁺−ＩｎＰ電流閉じ込め層１３の幅を従来の１／２以下の１μｍ程度とすることができる。このように電流閉じ込め層１３の面積を従来の１／２以下と小さくすることができるので、光スイッチとしての駆動電流は従来と比較して大幅に低減できる。また、スイッチングのための屈折率変化はスイッチング電流により上昇するキャリア密度の関数であるので、電流閉じ込め層１３の面積が狭ければ狭いほど効率のよいスイッチング動作が実現でき、集積化を考えた場合非常に有利である。
【００２０】さらに、この電流閉じ込め層１３は導電型がｎ型なので、ｐ型の電流閉じ込め層の場合に比較してスイッチング電流を流したときの素子の抵抗を１桁改善することができる。たとえば、ｎ⁺−ＩｎＰ電流閉じ込め層１３の面積を１μｍ×２００μｍ（幅×長さ）とし、このｎ⁺−ＩｎＰのキャリア濃度を４×１０¹⁸とした場合、この部分での抵抗はわずか０．１Ωとなる。ちなみに従来のようにｐ型の電流閉じ込め層を用いた場合はｐ−ＩｎＰのキャリア濃度を４×１０¹⁸とするなど同様の条件の下で１．４Ωとなり、この実施例の方が１桁以上小さくなっていることがわかる。その結果、駆動電力及び高速スイッチの点で有利である。
【００２１】また、ＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層１５は非常に高い電気抵抗を有しているので、このＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層１５とｎ⁺−ＩｎＰ電流閉じ込め層１３との間に形成される接合容量は非常に小さく、そのためスイッチングを高速化したときに障害となるほどの寄生容量とならない。つまり、寄生容量を小さくでき、高速スイッチングに適した基板型光スイッチを実現できる。
【００２２】つぎに、このような構造の基板型光スイッチの製造方法の一実施例について述べる。まず図４に示すように、ＯＭＶＰＥ法を用いてｐ−ＩｎＰ基板１上に、ｐ−ＩｎＰバッファ層１１、ｕ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層１２、ｎ⁺−ＩｎＰ電流閉じ込め層１３、ｎ⁺−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１４を、順次多層結晶成長させた。
【００２３】その後、スイッチング部３では、フォトリソグラフ技術と、塩化水素系のエッチング液による選択化学エッチング技術とを用いて、ｎ⁺−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１４をマスクとして、ｎ⁺−ＩｎＰ電流閉じ込め層１３を選択的に除去し、図５に示すように幅１μｍ、長さ２００μｍの細長いｎ⁺−ＩｎＰ電流閉じ込め層１３のみを残した。
【００２４】つぎに、図６に示すようにこの残ったｎ⁺−ＩｎＰ電流閉じ込め層１３及びｎ⁺−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１４を二酸化硅素のマスク層１６で覆った上で、ＬＰＥ法を用いて、ＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層１５及びｎ⁺−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１４を、ｎ⁺−ＩｎＰ電流閉じ込め層１３の両脇に隣接して結晶成長させた。
【００２５】光導波路部２では、上記のエッチング工程において図５のようにはｎ⁺−ＩｎＰ電流閉じ込め層１３、ｎ⁺−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１４は残っていず、これらはすべて除去される。そして上記の再度の結晶成長工程でＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層（クラッド層）１５とｎ⁺−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１４が全面に形成されることになる。
【００２６】つぎに光導波路部２をＸ字状に形成するため、そのＸ字の形状にフォトレジストをパターニングした後、塩素系のガスを用いた反応性イオンビームエッチングを行なった。こうして図２に示すようなリッジ型の光導波路部２を形成するとともに、図３で示すような内部全反射型のスイッチング部３を得た。基板１の上下の面にそれぞれｎ型電極１８、ｐ型電極１９を形成した後、２×２の光スイッチのサイズ（２ｍｍ×０．５ｍｍ）に切り出して図１のような基板型光スイッチを得た。
【００２７】上記の実施例では最初にｎ⁺−ＩｎＰ電流閉じ込め層１３を結晶成長させた後、選択的にエッチングし、その後ＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層１５を再結晶成長させているが、逆にＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層１５を先に結晶成長させ、これを選択的に除去し、その後ｎ⁺−ＩｎＰ電流閉じ込め層１３を再結晶成長させるようににしてもよい。その場合、まず図７のように、ＯＭＶＰＥ法を用いてｐ−ＩｎＰ基板１上に、ｐ−ＩｎＰバッファ層１１、ｕ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層１２、ＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層（クラッド層）１５、ｎ⁺−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１４を、順次多層結晶成長させる。
【００２８】つぎに、スイッチング部３では、フォトリソグラフ技術と、塩化水素系のエッチング液による選択化学エッチング技術とを用いて、ｎ⁺−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１４をマスクとして、ＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層１５を選択的に除去し、図８に示すように幅１μｍ、長さ２００μｍの細長い溝２０を形成した。
【００２９】その後、図９に示すように二酸化硅素層２１をマスクとして、ＬＰＥ法を用いて、ｎ⁺−ＩｎＰ電流閉じ込め層１３及びｎ⁺−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１４を、この溝２０内にのみ結晶成長させた。
【００３０】光導波路部２では、上記のエッチング工程において図８のようには溝２０を形成せず、ＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層１５は全然除去されることなく、このＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層１５はすべて残される。
【００３１】つぎに光導波路部２をＸ字状に形成するため、そのＸ字の形状にフォトレジストをパターニングした後、塩素系のガスを用いた反応性イオンビームエッチングを行ない、図２に示すようなリッジ型の光導波路部２を形成するとともに、図３で示すような内部全反射型のスイッチング部３を得た。基板１の上下の面にそれぞれｎ型電極１８、ｐ型電極１９を形成した後、２×２の光スイッチのサイズ（２ｍｍ×０．５ｍｍ）に切り出して図１のような形状とした。
【００３２】このような製造方法で作った基板型光スイッチはいずれも良好な特性を示した。すなわち、これらの基板型光スイッチの特性の測定を行なったところ、電流４０ｍＡでスイッチング動作が得られ、消光比は１５ｄＢ、挿入損失は１０ｄＢであった。スイッチング電流については従来８０ｍＡであったものが４０ｍＡとなっており、大きく低減していることがわかる。その他の特性、つまり消光比と挿入損失とについては従来に比べて電流閉じ込め構造を変化させたことによる顕著な劣化は見られなかった。また、これらの基板型光スイッチのシリーズ電気抵抗は５Ωであり、従来は４．５Ωであるから、電流閉じ込め層１３のの面積を小さくしたことによる素子抵抗の増大はほとんど見られないことになる。
【００３３】なお、２回目の結晶成長に液相成長を用いれば、二酸化硅素のマスクを用いなくてもほぼ同様の構造の光スイッチを形成することが可能である。
【００３４】
【発明の効果】以上実施例について説明したように、この発明の基板型光スイッチ及びその製造方法によれば、電流閉じ込め領域の抵抗を増大させることなく電流閉じ込め領域の体積を小さくして光反射部分のキャリア密度を大きくすることが可能であるため、消費電力（駆動電流）の小さな光スイッチを容易に製造することができる。また、寄生容量を小さくすることができるので、寄生容量が高速スイッチングの妨げとなることを防止できる。このため、光スイッチの集積化及び高速化にきわめて有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例にかかる基板型光スイッチの外観を示す模式的な斜視図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】図１のＢ−Ｂ線断面図。
【図４】同実施例にかかる製造方法の一工程を示す断面図。
【図５】同製造方法におけるつぎの製造工程を示す断面図。
【図６】同製造方法におけるさらにその後の製造工程を示す断面図。
【図７】同実施例にかかる他の製造方法の一工程を示す断面図。
【図８】同実施例にかかる他の製造方法におけるつぎの工程を示す断面図。
【図９】同実施例にかかる他の製造方法におけるさらにその後の工程を示す断面図。
【図１０】従来例にかかる基板型光スイッチの外観を示す模式的な斜視図。
【図１１】図１０のＡ−Ａ線断面図。
【図１２】図１０のＢ−Ｂ線断面図。
【図１３】同従来例にかかる製造方法の一工程を示す断面図。
【符号の説明】
１ｐ−ＩｎＰ基板
２、５光導波路部
３、６スイッチング部
４ｎ−ＩｎＰ基板
１１ｐ−ＩｎＰバッファ層
１２、４２ｕ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層
１３ｎ⁺−ＩｎＰ電流閉じ込め層
１４ｎ⁺−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層
１５ＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層（クラッド層）
１６二酸化硅素マスク層
１７、４５二酸化硅素絶縁層
１８、１９電極
２０溝
４１ｎ−ＩｎＰバッファ層
４３ｎ−ＩｎＰクラッド層
４４ｐ−ＩｎＰ電流閉じ込め層
４６、４７電極

【特許請求の範囲】
【請求項１】ｐ−ＩｎＰ基板と、該基板上に形成されたｕ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層と、該光導波路層上に並列的に形成されたｎ−ＩｎＰ電流閉じ込め層及びＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層とを有することを特徴とする基板型光スイッチ。
【請求項２】ｐ−ＩｎＰ基板上にｕ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層を結晶成長させる工程と、つぎに該光導波路層の上にｎ−ＩｎＰ電流閉じ込め層を結晶成長させる工程と、その後該ｎ−ＩｎＰ電流閉じ込め層をエッチングして該電流閉じ込め層の幅を狭くする工程と、つぎに該電流閉じ込め層の脇に隣接するように上記光導波路層上にＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層を結晶成長させる工程とを有することを特徴とする基板型光スイッチの製造方法。
【請求項３】ｐ−ＩｎＰ基板上にｕ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層を結晶成長させる工程と、つぎに該光導波路層の上にＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層を結晶成長させる工程と、その後該ＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層をエッチングして上記光導波路層に到達する細長い溝を形成する工程と、つぎに該電流ブロック層の細長い溝中において上記光導波路層上にｎ−ＩｎＰ電流閉じ込め層を結晶成長させる工程とを有することを特徴とする基板型光スイッチの製造方法。

【図１】