JP2006053471A - 光導波装置及びその製造方法、並びに光情報処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光結合のロスが少ない光導波装置及びその製造方法、並びに光情報処理装置を提供すること。
【解決手段】 第１の半導体層２と、絶縁層３と、第２の半導体層４とがこの順に積層され、第１の半導体層２に光導波層５が形成されている光導波装置１において、光導波層５の少なくとも厚みが、光入射側端部６で光出射側端部７よりも大きいことを特徴とする、光導波装置１。本発明の光導波装置１と、この光導波装置１の光導波層５に光を入射させる光入射手段９と、光導波層５からの出射光を受け入れる受光手段１０とを有する、光情報処理装置８。第１の半導体層２にゲルマニウム等の不純物元素を導入する工程を経て、少なくとも厚みが光入射側端部６で光出射側端部７よりも大きい光導波層５を形成することを特徴とする、光導波装置１の製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光導波装置及びその製造方法、並びに光情報処理装置に関するものである。

現在、ＬＳＩ（Large Scale Integration：大規模集積回路）チップ内のシリコン上に形成されたトランジスタ、キャパシタなどによりフロントエンドに形成された素子間又はこれら素子のブロック間での信号伝搬及び動作電源供給を行うバックエンドの接続配線は、全て絶縁膜基板上に形成された金属線を介した電気伝送によりなされている。しかし、昨今のスケールの微細化による素子動作速度の高速化、即ちＭＰＵ高機能化に伴い、チップ内において必要とされるデータ授受量は著しく高速化かつ大容量化し、その動作クロックは著しく高速化している。

なかでも、データや動作クロック信号を電気的に配信するメタル配線には様々な問題が浮上している。それら問題の代表的なものとして、メタル配線の抵抗、寄生容量による信号のＲＣ信号遅延、インピーダンスミスマッチ、ＥＭＣ／ＥＭＩ、クロストーク等による信号劣化や伝送エラーなどの問題、及び著しい微細化による信号伝送に要する消費電力の増大、多層化による配線長の増大や歩留りの低下などの問題が挙げられる。

これまで、高集積化、高速化のためのデザインルールの微細化に伴って配線も微細化を繰り返し、その都度、配置構造の最適化、新素材開発などの様々な手法を駆使し、バックエンド配線の改善、解決に当ってきた。

例えば、デザインルールでいうところの０．１８μｍルール世代から０．１３μｍ世代までは、ＳｉＯ₂を絶縁膜として、アルミニウムをメタル導線とする構造で配線形成されてきたが、０．０９μｍ（９０ｎｍ）世代では、アルミニウムに代わり比抵抗の低い銅が配線金属材料として採用され、現在量産が開始され始めた最先端プロセスといわれる６５ｎｍ世代では銅配線に加えて、低誘電率膜を複合的に採用することでトータルの配線ＲＣ遅延を低減する構造が用いられている。

しかし、近年、上記のバックエンド配線配置の最適化や銅や低誘電率膜などの新素材開発等の効果も物性的限界に阻まれつつあり、また高度な微細化により配線層数は増大し、今後システムの更なる高機能化を実現するためには、単純な半導体チップのデザインルールに微細化を前提としたシュリンクそのものを見直す必要が生じてきている。近年、これら諸問題を解決すべく様々な抜本対策が提案されているが、以下にその代表的なものを記す。

例えば、Ｈｙ−Ｂｒｉｄ構造による絶縁膜の実行誘電率の低減、又はバックエンドのリバーススケーリング手法などが挙げられる。後者は、下層の配線をスケーリングのシュリンクに伴い微細化する一方で、上層のグローバル配線、セミグローバル配線を下層の配線とは逆に拡大させることで配線遅延を抑制する構造である。このように、バックエンド配線の最適化構造、材料、プロセスなどが各種考案実施されているが、現在、研究開発段階にある４２ｎｍＮｏｄｅ以降を想定した場合、素子を微細化するプロセス以前に、素子の動作速度に見合った必要な周波数帯域で十分な伝送容量の情報を伝達するための配線構造は既に破綻しており、絶縁膜とメタルからなる電気的な信号伝送でシュリンクすることに代わる何らかの新しい手法を導入する必要がある。

一方、ＬＳＩチップ間の信号伝播において、高分子樹脂からなる光導波路による光配線を用い、電気信号を光変調して信号の伝送速度を大幅に向上させる方法が提案されている。この光導波路は、高分子樹脂からなるクラッド層及びコア層からなり、コア層の屈折率をクラッド層より高くすることで、コア層を光路として機能させる。

しかしながら、ＬＳＩチップ内のシリコン上に形成されたトランジスタ、キャパシタ等によりフロントエンドに形成された素子間又はこれら素子のブロック間での信号伝搬において、上記の光導波路による光接続配線構造を適用した場合では、基幹系の光伝送物理をシュリンクしただけとなり、伝送する出力電気信号のコーデック、ＭＵＸ・ＤＥＭＵＸなどのシステムアーキテクチャとして必要となる回路チップ以外に、発光素子の駆動回路チップ、発光素子チップ、受光素子チップ、光導波路（光路）、インピーダンスマッチング回路、ＩＶ変換回路が物理的に少なくとも必要となり、モノリシックで形成できない限り、これら要素の個数分のチップを減らすことはできない。

従って、全体の動作消費電力は、上記した複数のチップの動作消費電力を単純和として積算して得られること、実装によるアライメント誤差、歩留り、コストが累積すること等が根本的に不可避な問題点として存在する。

この問題を解決する手法として、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造のウェーハを用いることで、上記した複数の回路チップを部分的に１チップ化して要素の複合機能化、個数削減を図る構造が提案されている（例えば、後記の特許文献１参照。）。

図１０は、ＳＯＩ構造のウェーハを用いて形成された光配線構造を示す概略断面図である。

図１０に示すように、ＳＯＩ構造のウェーハを用いた従来例による光配線構造では、第１シリコン層５０と、酸化シリコン層（ＳｉＯ₂層）５１と、第２シリコン層５２とがこの順に積層され、かつ酸化シリコン層５１と第１シリコン層５０との間に、光導波層（例えばゲルマニウムドープのシリコン層）５３が挟持されている。また、第２シリコン層５２上にはバイポーラトランジスタ、ＭＯＳトランジスタ等の半導体集積回路５４が組み込まれている。また、レーザー等の発光素子５５が、光導波層５３の光入射端面５６に対応した位置に配置され、さらに、光導波層５３の光出射端面５７はミラー面に形成されており、この光出射端面５７の中心線の直上にフォトダイオード等の受光素子５８が配置されている。

この光配線構造の光伝搬メカニズムは、発光素子５５から出射された光信号５９ａをレンズ等の光学部品６０で集光し、光導波層５３へ導入する。光導波層５３へ導入された光信号５９ｂは、光導波層５３を導波し、ミラー面の光出射端面５７にて垂直方向に偏光され、貫通孔６１を通って出射される。出射光５９ｃは、レンズ等の光学部品６０によって集光され、光導波層５３の光出射端面５７の中心線の直上に配置された受光素子５８に受光される。

このようなＳＯＩ構造のウェーハによる光配線構造を用いることにより、デジタル回路での高速及び低消費電力動作が可能となり、高周波回路での動作周波数の向上及びノイズの低減を図ることができ、ラッチアップの完全抑制やソフトエラー発生率の低減を実現することができる。

WO 2004 / 010192 A2 29. Jan 2004（７頁１６行目〜８頁２０行目、図１）

しかしながら、受光素子及び発光素子に関しては実用的にＳＯＩ構造のウェーハ上に形成できる技術はなく、別途作製した受光素子及び発光素子をプリント配線基板やＬＳＩチップ上に搭載する形が一般的である。ところが、このような方法では、発光素子（例えばレーザー）から放射された光信号（例えばレーザー光）は通常、所定の角度で広がりながら伝搬していくので、放射された光信号が光導波層の光入射端面より大きく広がり、その結果、光導波層の光入射端面からはみ出した部分の光信号は結合ロスとなってしまう。

また、上述したように、発光素子からの光信号を光導波層に入射させる手段として、レンズなどの屈折手段や、４５度曲げミラーなどの方向変換手段を用いる方法もあるが、この場合、表面反射や４５度曲げによるロスが生じ、光信号が減衰する現象が起こっていた。

本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、光結合のロスが少ない光導波装置及びその製造方法、並びに光情報処理装置を提供することにある。

即ち、本発明は、第１の半導体層と、絶縁層と、第２の半導体層とがこの順に積層され、前記第１の半導体層に光導波層が形成されている光導波装置において、
前記光導波層の少なくとも厚みが、光入射側端部で光出射側端部よりも大きい
ことを特徴とする、光導波装置に係るものである。

また、本発明の光導波装置と、この光導波装置の前記光導波層に光を入射させる光入射手段と、前記光導波層からの出射光を受け入れる受光手段とを有する、光情報処理装置に係るものである。

さらに、第１の半導体層と、絶縁層と、第２の半導体層とがこの順に積層され、前記第１の半導体層に光導波層が形成されている光導波装置の製造方法において、
前記第１の半導体層に不純物元素を導入する工程を経て、少なくとも厚みが光入射側 端部で光出射側端部よりも大きい光導波層を形成する
ことを特徴とする、光導波装置の製造方法に係るものである。

本発明によれば、前記光導波層の少なくとも厚みが、前記光入射側端部で前記光出射側端部よりも大きいので、図１０に示すような従来例による構造のように光導波層の厚みが常に一定のものと比べて、前記光導波層の光入射端面を大きくすることができ、レンズ等の光学部品を特に用いなくても、効果的に光源からの光信号を前記光導波層に入射させて光結合効率を飛躍的に改善することができ、生産性及びコスト面に優れている。

一方、従来例の高分子樹脂からなる光導波路において、本発明のように光導波層（コア層）の厚みを、光入射側端部で光出射側端部よりも大きく形成するのは困難である。即ち、高分子樹脂により光導波路を作製する場合、コア層は高分子膜の選択露光、マスク除去によってパターニング形成されるが、この際、コア層の厚みを光入射側端部で光出射側端部よりも大きくするのは非常に困難である。これに対し、本発明は、前記第１の半導体層に前記不純物元素を導入する工程を経て、少なくとも厚みが前記光入射側端部で前記光出射側端部よりも大きい前記光導波層を形成するので、容易に作製することができる。

本発明の光導波装置は上述したような優れた効果を奏するので、光通信等の光情報処理装置として好適に用いることができる。

本発明において、前記光導波層の少なくとも厚みが光入射側から光出射側にかけて漸次小さくなっていることが好ましい。これにより、光源からの光信号をより効果的に前記光導波層に入射させ、光結合効率をより飛躍的に改善することができる。

また、前記光導波層の幅が、前記光入射側端部で前記光出射側端部よりも大きいことが好ましく、更には前記光導波層の幅が光入射側から光出射側にかけて漸次小さくなっていることがより好ましい。これにより、前記光導波層の前記光入射端面をより大きくすることができ、光源からの光信号をより効果的に前記光導波層に入射させることができ、光結合効率を一層向上することができる。

また、前記光導波層の前記光入射側の前記厚さ又は前記横幅が、前記光入射側から前記光出射側へ例えば４５度以上、９０度未満の角度で直線的に小さくなっていることが好ましい。

また、前記光導波層の屈折率が、前記第１の半導体層及び前記絶縁層の屈折率より高いことが望ましく、これにより前記光導波層にて効果的な光信号の導波を行うことができる。

具体的には、前記第１の半導体層としてのシリコン基体に不純物元素のドープによって前記光導波層が形成されていることが好ましい。また、前記不純物元素はシリコンよりも屈折率の高い元素であれば良く、例えばゲルマニウムからなるのが好ましい。

また、前記シリコン基体に前記光導波層としてのゲルマニウムドープのシリコン層が形成され、更にこのゲルマニウムドープのシリコン層上に、前記絶縁層としての酸化シリコン層及び前記第２の半導体層としてのシリコン層が設けられていることが望ましい。

そして、前記第２の半導体層に集積回路が形成されていることが好ましい。また、前記集積回路が、前記光導波層への光入射手段及び前記光導波層からの出射光の受光手段の駆動回路を有するのが好ましい。

このように、本発明に基づく光導波装置はＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造によるウェーハを用いるので、デジタル回路での高速及び低消費電力動作が可能となり、高周波回路での動作周波数の向上及びノイズの低減を図ることができ、ラッチアップの完全抑制やソフトエラー発生率の低減を実現することができる。

そして、上述したようなＳＯＩ構造によるウェーハを用いたことによる効果と共に、前記光導波層の前記光入射端面を大きくすることができるので、レンズ等の光学部品を特に用いなくても、光源からの光信号を効果的に前記光導波層に入射させて光結合効率を飛躍的に改善することができ、生産性及びコスト面に優れている。

本発明の光導波装置の製造方法は、第１の半導体層と、絶縁層と、第２の半導体層とがこの順に積層され、前記第１の半導体層に光導波層が形成されている光導波装置の製造方法において、
前記第１の半導体層に不純物元素を導入する工程を経て、少なくとも厚みが光入射側 端部で光出射側端部よりも大きい光導波層を形成する
ことを特徴とする。

ここで、前記不純物元素をイオン導入によって前記第１の半導体層にドープし、この際、少なくとも注入エネルギーを光導波方向に沿って変化させて前記光導波層の厚みを変化させることが好ましい。

また、前記不純物元素のイオン注入領域を前記光導波層の幅方向に変化させて、前記光導波層の幅を前記光入射側端部で前記光出射側端部よりも大きくすることが好ましい。

上述したように、前記不純物元素としてゲルマニウム等を用いることができ、前記第１の半導体層としてのシリコン基体に前記不純物元素のドープによって前記光導波層を形成することが好ましい。

具体的には、前記シリコン基体にゲルマニウムをドープしてゲルマニウムドープのシリコンからなる前記光導波層を形成し、前記絶縁層としての酸化シリコン層付きの第２のシリコン基体を前記酸化シリコン層の側で前記光導波層に接合し、前記第２のシリコン基体を所定の厚みに研磨加工して前記第２の半導体層を形成することが好ましい。

また、前記シリコン基体の一部を表面から深さ方向に除去した後、このシリコン基体にゲルマニウムを均一な注入エネルギーでドープし、このゲルマニウムドープのシリコン基体を研磨加工して前記光導波層を形成し、前記絶縁層としての酸化シリコン層付きの第２のシリコン基体を前記酸化シリコン層の側で前記光導波層に接合し、前記第２のシリコン基体を所定の厚みに研磨加工して前記第２の半導体層を形成することが好ましい。

上記のようにして前記第１の半導体層、前記光導波層、前記絶縁層及び前記第２の半導体層をこの順に積層した後、前記第２の半導体層に集積回路を形成するのが好ましい。また、前記集積回路が、前記光導波層への光の入射手段及び前記光導波層からの出射光の受光手段の駆動回路を有するのが好ましい。

そして、本発明は、前記光導波層に効率良く入射した光信号を次段回路の受光素子（光配線やフォトディテクタ等）等に入射させるように構成した光通信等の光情報処理に有効に用いることができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。

第１の実施の形態
図１は、本発明に基づく光導波装置及び光情報処理装置の概略図である。図１（ａ）は、本発明に基づく光導波装置と、この光導波装置の前記光導波層に光を入射させる光入射手段と、前記光導波層からの出射光を受け入れる受光手段とを有する光情報処理装置の平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’線概略断面図である。なお、図１（ａ）では、前記第２半導体層及び絶縁層を図示省略した。

図１に示すように、本発明に基づく光導波装置１は、第１の半導体層２と、絶縁層３と、第２の半導体層４とがこの順に積層され、第１の半導体層２に光導波層５が形成されている。また、光導波層５の少なくとも厚みが、光入射側端部６で光出射側端部７よりも大きい。

そして、本発明に基づく光情報処理装置８は、本発明に基づく光導波装置１と、この光導波装置１の光導波層５に光１１ａを入射させる光入射手段（例えば、レーザー等の発光素子）９と、光導波層５からの出射光１１ｂを受け入れる受光手段（例えば、フォトダイオード等の受光素子、又は光ファイバー）１０とを有する。

また、光導波層５の少なくとも厚みが光入射側から光出射側にかけて直線的に漸次小さくなっていることが好ましい。これにより、光源（光入射手段）９からの光信号１１ａをより効果的に光導波層５に入射させ、光結合効率をより飛躍的に改善することができる。

また、光導波層５の幅が、光入射側端部６で光出射側端部７よりも大きいことが好ましく、更には光導波層５の幅が光入射側から光出射側にかけて直線的に漸次小さくなっていることがより好ましい。これにより、光導波層５の光入射端面１３をより大きくすることができ、光源（光入射手段）９からの光信号１１ａをより効果的に光導波層５に入射させることができ、光結合効率を一層向上することができる。

さらに、光導波層５の屈折率が、第１の半導体層２及び絶縁層３の屈折率より高いことが望ましく、これにより光導波層５にて効果的な光信号の導波を行うことができる。

具体的には、第１の半導体層２としてのシリコン基体に不純物元素のドープによって光導波層５が形成されていることが好ましい。また、前記不純物元素はシリコンよりも屈折率の高い元素であればよく、例えばゲルマニウムからなるのが好ましい。

また、シリコン基体２に光導波層５としてのゲルマニウムドープのシリコン層が形成され、更にこのゲルマニウムドープのシリコン層５上に、絶縁層３としての酸化シリコン層（ＳｉＯ₂層）及び第２の半導体層４としてのシリコン層が設けられていることが望ましい。

そして、第２の半導体層４に集積回路１２が形成されていることが好ましい。また、集積回路１２が、光導波層５への光入射手段９及び光導波層５からの出射光の受光手段１０の駆動回路を有するのが好ましい。

本発明に基づく光導波装置１において、ゲルマニウムドープのシリコン層５は、シリコン基体２や酸化シリコン層３よりも屈折率ｎが高いため、光信号１１ａの導波路として効果的に機能する。ゲルマニウムドープのシリコン層５を通る波長としては９７０ｎｍ以上の近赤外波長域の光であり、一般に１．３μｍや１．５μｍ近傍の波長のレーザーが光源９として使われる。

次に、本発明に基づく光導波装置１における各部位の大きさの一例を、図２を参照して説明する。

図２に示すように、光導波層５の角度θ及びθ’は例えば４５度以上、９０度未満の角度であることが好ましい。また、光導波層５の光入射端面１３の幅ｔは１〜１００μｍ、高さｂは１〜１０μｍとすることができる。また、光導波層５の光出射端面１４の幅ｎは０．１〜１０μｍ、高さａは０．０１〜５μｍとすることができる。この場合、光導波層５の勾配形状１５、１５’の幅ｄは０．１〜５ｍｍとすることができる。さらに、第１の半導体層２の高さｅは１〜５０μｍとすることができ、絶縁層３の高さｆは０．４μｍとすることができる。光導波装置１の大きさはＬＳＩのサイズとほぼ同じであり、種々変形可能である。

本発明に基づく光情報処理装置８の光伝搬メカニズムは、光入射手段（発光素子）９から出射された光信号１１ａが、光導波層５としてのゲルマニウムドープのシリコン層へ光入射端面１３から導入される。光導波層５へ導入された光信号１１ａは、光導波層５を導波し、その光出射端面１４から出射され、出射された光信号１１ｂは、受光手段（受光素子）１０によって受光される。

本発明に基づく光導波装置１及び光情報処理装置８はＳＯＩ構造によるウェーハを用いるので、デジタル回路での高速及び低消費電力動作が可能となり、高周波回路での動作周波数の向上及びノイズの低減を図ることができ、ラッチアップの完全抑制やソフトエラー発生率の低減を実現することができる。

そして、上述したようなＳＯＩ構造によるウェーハを用いたことによる効果と共に、光導波層５の光入射端面１３を大きくすることができるので、レンズ等の光学部品を特に用いなくても、光源９からの光信号１１ａを効果的に光導波層５に入射させて光結合効率を飛躍的に改善することができ、生産性及びコスト面に優れている。

第２の実施の形態
次に、図３〜図５を参照して本発明に基づく光導波装置の製造方法の一例を説明する。

まず、図３（ａ）に示すようなシリコン基体（前記第１の半導体層）２に、図３（ｂ）に示すように、前記不純物元素としての例えばゲルマニウムをドープする。ここで、前記不純物元素をイオン導入によってシリコン基体２にドープする際、少なくとも注入エネルギーを光導波方向に沿って変化させて光導波層５の厚みを変化させることが好ましい。また、前記不純物元素のイオン注入領域を光導波層５の幅方向に変化させて、光導波層５の幅を変化させることが好ましい。

より具体的には、例えば図５（ａ）に示すように、図３（ａ）に示すようなシリコン基体２上に、所望とする光導波層５のパターン形状の開口部１６を有するマスク１７を形成する。また、図５（ｂ）に示すような、光導波層５のパターン形状の開口部１６を全て覆うことのできる大きさのマスク１８を用意する。そして、図５（ｃ）に示すように、図５（ａ）のマスク１７付きのシリコン基体２上に図５（ｂ）のマスク１８を配し、矢印方向にマスク１８を徐々に移動させながら、前記不純物元素のイオン注入を行う。

このイオン注入の際に、イオン注入領域に応じてイオン照射エネルギーやイオンドープ量を適宜選択することにより、図３（ｃ）に示すように、光導波層５の前記厚み及び幅を、光入射側端部６で光出射側端部７よりも大きくすることができる。例えば、前記イオン照射エネルギーは１０ｋｅＶ〜５００ｋｅＶの範囲で適宜選択すればよく、また前記イオンドープ量は１×１０¹⁵ｉｏｎｓ／ｃｍ²〜１×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ²の範囲で適宜選択すればよい。

一方、図３（ｄ）に示すように、酸化シリコン層（ＳｉＯ₂）（前記絶縁層）３付きの第２のシリコン基体４’を作製する。

そして、図４（ｅ）に示すように、図３（ｃ）に示すようなゲルマニウムドープのシリコン基体５に、図３（ｄ）に示すような酸化シリコン層３付きの第２のシリコン基体４’を酸化シリコン層３の側で接合する。

次に、図４（ｆ）に示すように、第２のシリコン基体４’を所定の厚みに研磨加工して前記第２の半導体層としてのシリコン層４を形成する。次いで、図示省略したが、前記第２の半導体層としてのシリコン層４に前記集積回路、特に前記光入射手段及び前記受光手段の駆動回路を組み込む。

以上のようにして、本発明に基づく光導波装置を容易に作製することができる。

第３の実施の形態
次に、図６〜図７を参照して本発明に基づく光導波装置の製造方法の他の例を説明する。

まず、図６（ａ）に示すようなシリコン基体（前記第１の半導体層）２の一部を表面から深さ方向にエッチング、研磨等により除去する（図６（ｂ））。

次に、図６（ｃ）に示すように、このシリコン基体２に前記不純物元素としての例えばゲルマニウムを均一な注入エネルギーでドープする。例えば、前記イオン照射エネルギーを１００ｋｅＶとし、また前記イオンドープ量を５×１０¹⁶ｉｏｎｓ／ｃｍ²とすることができる。次いで、図７（ｄ）に示すように、ゲルマニウムドープのシリコン基体５’を研磨加工して光導波層５を形成する。これにより、光導波層５の前記厚みを、光入射側端部６で光出射側端部７よりも大きくすることができる。また、シリコン基体２上に所定形状のマスクを形成した後、前記ドープを行うことにより、光導波層５の前記幅を、光入射側端部６で光出射側端部７よりも大きくすることができる。

次に、図７（ｅ）に示すように、前記絶縁層としての酸化シリコン層３付きの第２のシリコン基体４’を酸化シリコン層３の側で光導波層５に接合する。

次に、図７（ｆ）に示すように、第２のシリコン基体４’を所定の厚みに研磨加工して前記第２の半導体層としてのシリコン層４を形成する。次いで、図示省略したが、前記第２の半導体層としてのシリコン層４に前記集積回路、特に前記光入射手段及び前記受光手段の駆動回路を組み込む。

以上のようにして、本発明に基づく光導波装置を容易に作製することができる。

第４の実施の形態
本実施の形態の光導波装置は、図８に示すように、光導波層５の前記厚みが光入射側端部６で光出射側端部７よりも大きく、光導波層５の前記幅は光入射側端部６から光出射側端部７にかけて同等である。

このような構造であっても、光導波層５の光入射端面１３を大きくすることができるので、レンズ等の光学部品を特に用いなくても、光源９からの光信号１１ａを効果的に光導波層５に入射させて光結合効率を飛躍的に改善することができ、生産性及びコスト面に優れている。

第５の実施の形態
前記光導波層の前記光入射側端部について、上記に前記光導波層の前記光入射側端部の厚みが、前記光導波層の前記光出射側端部の厚みよりも大きいと共に、光入射側から光出射側にかけて直線的に小さくなっている例を説明したが、例えば図９（ａ）に示すように、光導波層５の光入射側端部６の厚みが、光入射側１９から光出射側２０にかけて多段階で小さくなるように形成されていてもよい。

また、光導波層５の光入射側端部６以外の部分の厚みは均一であってよいが、例えば図９（ｂ）に示すように、徐々に光出射側２０’に向けて小さくなるように形成してもよい。この場合、光導波層５の光出射側端面１４がより小さく形成されているので、出射光をより効果的に集光することができる。

以上、本発明を実施の形態について説明したが、上述の例は、本発明の技術的思想に基づき種々に変形が可能である。

例えば、図１（ａ）に示す光導波層５の勾配形状１５、１５’は適宜選択可能であり、直線状であってもよく或いは曲線状であってもよい。

また、ゲルマニウムドープのシリコン層を前記光導波層とする例を述べてきたが、ゲルマニウムドープのシリコン層以外にも酸化シリコン（ＳｉＯ₂）などを前記光導波層として使用することも可能である。例えば、酸化シリコンは透過率が非常に優れており、８５０ｎｍといった通信用のレーザーの中でも比較的安価に製造されている近赤外レーザー光を低損失で透過させることができる。そこで、酸化シリコンからなる前記光導波層を更に低屈折率の材料からなる層で挟んだ構造とすることにより、上述したゲルマニウムドープのシリコン層と同様にして、酸化シリコンを前記光導波層として効果的に機能させることが可能である。

さらに、前記光導波層の前記光出射端面の中心線上に位置合わせして受光素子や光ファイバー等の前記受光手段を配置する例を説明したが、図１０に示すような従来例のように、前記光導波層の前記光出射側端面をミラー面に形成し、前記光導波層の前記光出射端面の中心線の直上に前記受光手段を配置してもよい。この場合、前記光導波層を導波した光信号は、前記光導波層のミラー面の前記光出射側端面にて垂直方向に偏光され、貫通孔を通過して、前記光導波層の前記光出射端面の中心線の直上に配置された前記受光手段に受光される。

本発明の第１の実施の形態による、本発明に基づく光導波装置及び光情報処理装置の概略図である。 同、本発明に基づく光導波装置の概略断面図である。 本発明の第２の実施の形態による、本発明に基づく光導波装置の製造方法の一例を工程順に示す概略断面図である。 同、本発明に基づく光導波装置の製造方法の一例を工程順に示す概略断面図である。 同、本発明に基づく光導波装置の製造方法の一部工程を示す概略平面図である。 本発明の第３の実施の形態による、本発明に基づく光導波装置の製造方法の他の例を工程順に示す概略断面図である。 同、本発明に基づく光導波装置の製造方法の他の例を工程順に示す概略断面図である。 本発明の第４の実施の形態による、本発明に基づく光導波装置及び光情報処理装置の概略図である。 本発明の第５の実施の形態による、本発明に基づく光導波装置における光導波層の他の例を示す概略断面図である。 従来例による、ＳＯＩ構造のウェーハを用いた光配線構造の概略断面図である。

符号の説明

１…光導波装置、２…第１の半導体層、３…絶縁層、４…第２の半導体層、
５…光導波層、６…光入射側端部、７…光出射側端部、８…光情報処理装置、
９…光入射手段、１０…受光手段、１１…光信号、１２…集積回路、１３…光入射端面、１４…光出射端面、１５、１５’…勾配形状

Claims (26)

1. 第１の半導体層と、絶縁層と、第２の半導体層とがこの順に積層され、前記第１の半導体層に光導波層が形成されている光導波装置において、
   前記光導波層の少なくとも厚みが、光入射側端部で光出射側端部よりも大きい
   ことを特徴とする、光導波装置。
2. 前記光導波層の少なくとも厚みが光入射側から光出射側にかけて漸次小さくなっている、請求項１に記載した光導波装置。
3. 前記光導波層の幅が、前記光入射側端部で前記光出射側端部よりも大きい、請求項１に記載した光導波装置。
4. 前記光導波層の幅が光入射側から光出射側にかけて漸次小さくなっている、請求項３に記載した光導波装置。
5. 前記光導波層の前記光入射側端部の前記厚さ及び／又は幅が、前記光入射側から前記光出射側へ直線的に小さくなっている、請求項１又は３に記載した光導波装置。
6. 前記光導波層の屈折率が、前記第１の半導体層及び前記絶縁層の屈折率より高い、請求項１に記載した光導波装置。
7. 前記第１の半導体層としてのシリコン基体に不純物元素のドープによって前記光導波層が形成されている、請求項１に記載した光導波装置。
8. 前記不純物元素がゲルマニウムからなる、請求項７に記載した光導波装置。
9. 前記シリコン基体に前記光導波層としてのゲルマニウムドープのシリコン層が形成され、更にこのゲルマニウムドープのシリコン層上に、前記絶縁層としての酸化シリコン層及び前記第２の半導体層としてのシリコン層が設けられている、請求項８に記載した光導波装置。
10. 前記第２の半導体層に集積回路が形成されている、請求項１に記載した光導波装置。
11. 前記集積回路が、前記光導波層への光入射手段及び前記光導波層からの出射光の受光手段の駆動回路を有する、請求項１０に記載した光導波装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載した光導波装置と、この光導波装置の前記光導波層に光を入射させる光入射手段と、前記光導波層からの出射光を受け入れる受光手段とを有する、光情報処理装置。
13. 第１の半導体層と、絶縁層と、第２の半導体層とがこの順に積層され、前記第１の半導体層に光導波層が形成されている光導波装置の製造方法において、
    前記第１の半導体層に不純物元素を導入する工程を経て、少なくとも厚みが光入射側 端部で光出射側端部よりも大きい光導波層を形成する
    ことを特徴とする、光導波装置の製造方法。
14. 前記光導波層の少なくとも厚みを、光入射側から光出射側にかけて漸次小さくする、請求項１３に記載した光導波装置の製造方法。
15. 前記光導波層の幅を、前記光入射側端部で前記光出射側端部よりも大きくする、請求項１３に記載した光導波装置の製造方法。
16. 前記光導波層の幅を、光入射側から光出射側にかけて漸次小さくする、請求項１５に記載した光導波装置の製造方法。
17. 前記光導波層の前記光入射側端部の前記厚さ及び／又は幅を、前記光入射側から前記光出射側へ直線的に小さくする、請求項１３又は１５に記載した光導波装置の製造方法。
18. 前記光導波層の屈折率を、前記第１の半導体層及び前記絶縁層の屈折率より高くする、請求項１３に記載した光導波装置の製造方法。
19. 前記不純物元素をイオン導入によって前記第１の半導体層にドープし、この際、少なくとも注入エネルギーを光導波方向に沿って変化させて前記光導波層の厚みを変化させる、請求項１３に記載した光導波装置の製造方法。
20. 前記不純物元素のイオン注入領域を前記光導波層の幅方向に変化させて、前記光導波層の幅を光入射側端部で光出射側端部よりも大きくする、請求項１５に記載した光導波装置の製造方法。
21. 前記第１の半導体層としてのシリコン基体に前記不純物元素のドープによって前記光導波層を形成する、請求項１３に記載した光導波装置の製造方法。
22. ゲルマニウムからなる前記不純物元素を用いる、請求項１３に記載した光導波装置の製造方法。
23. 前記シリコン基体にゲルマニウムをドープしてゲルマニウムドープのシリコンからなる前記光導波層を形成し、前記絶縁層としての酸化シリコン層付きの第２のシリコン基体を前記酸化シリコン層の側で前記光導波層に接合し、前記第２のシリコン基体を所定の厚みに研磨加工して前記第２の半導体層を形成する、請求項２２に記載した光導波装置の製造方法。
24. 前記シリコン基体の一部を表面から深さ方向に除去した後、このシリコン基体にゲルマニウムを均一な注入エネルギーでドープし、このゲルマニウムドープのシリコン基体を研磨加工して前記光導波層を形成し、前記絶縁層としての酸化シリコン層付きの第２のシリコン基体を前記酸化シリコン層の側で前記光導波層に接合し、前記第２のシリコン基体を所定の厚みに研磨加工して前記第２の半導体層を形成する、請求項２２に記載した光導波装置の製造方法。
25. 前記第２の半導体層に集積回路を形成する、請求項１３に記載した光導波装置の製造方法。
26. 前記集積回路が、前記光導波層への光の入射手段及び前記光導波層からの出射光の受光手段の駆動回路を有する、請求項１３に記載した光導波装置の製造方法。

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