JP2007079604A - 光学導波路内の高伝導埋込層 - Google Patents

Abstract

【課題】キャリアを注入するための効率的な電流伝導経路を提供し、デバイスの作動帯域幅を強化し、電力消費を低減する。
【解決手段】二酸化シリコン層（３０４）と、埋込ケイ化物層（３０６）と、接点層（３０８）と、シリコン表面層（３１０）とをこの順に含む光学デバイス（３００）。表面層（３１０）は選択的にエッチングされ露出リブ（３１２）が形成される。リブ（３１２）の上面はドープされそれに沿って細長い電極（３１４）が形成される。表面層（３１０）は、リブ（３１２）から離れた領域において接点層（３０８）まで選択的にエッチングされ、接点層（３０８）との電気的接続を行うためのバイアチャネル（３１６ａ、３１６ｂ）が形成される。リブ（３１２）は放射線が伝播する導波路を形成する。電荷をリブ（３１２）内へ注して、放射線の大部分が伝播するリブ（３１２）の中心領域（３２４）に屈折率変化を誘起する。
【選択図】図４

Description

本発明は光学デバイス、特に、導波路（層）内を案内される放射線を変調するためのデバイスに関するが、これに限るわけではない。

先行技術においても各種の光学デバイスが知られている。それらはＨ．Ｐ．ザップの著書「半導体集積光学デバイスの紹介」（ＩＳＢＮ ０−８９００６−７８９−９、アーテクハウス出版社、１９９５年）に記載されている。放射線を変調するための光学デバイスは、外部の影響力により変更することのできる変調媒体の光学特性を利用することにより作動する。光学特性の１つに屈折率が含まれる。屈折率において誘起される変化は、媒体が複屈折性となる異方性であったり、等方性であったりする。屈折率を変調するには多くの技法が考えられる。それらの技法を以下に説明する。

屈折率の変化は、ある種の光学伝播材に外部から機械的力を加えることにより誘起することができる。これは光弾性効果と呼ばれる。熱的に誘起される屈折率の変化は熱光学効果と呼ばれる。

磁気的に誘起される複屈折性はファラデイ又は磁気光学効果と呼ばれるが、ある種の光学伝播材に磁界をかけた際にその中に生じる。材料内の磁束密度、材料のベルデ定数、材料の組成、材料内の放射線伝播経路長等の因子によって、複屈折性がどの程度生じるかが決まる。

屈折率の変化は、ある種の材料に電界をかけることによっても誘起することができる。これらの屈折率の変化は、カー効果及びポッケルス効果の両方により生じる。カー効果により生じる屈折率の変化は、材料のカー定数及びかけられた電界の二乗に比例する。ポッケルス効果の場合、屈折率変化はかけられた電界に比例する。ポッケルス効果は、対称軸のない結晶からなる結晶体材料でのみ観察される。

屈折率変化は、ある種の材料に自由電荷キャリアを導入することによって誘起することができる。このような変化は自由キャリア変調、又時にはプラズマ拡散効果と呼ばれる。自由キャリアは屈折率の実数部及び虚数部の両方を変更し、これにより、キャリアが存在する領域を通って伝播する光学的放射線に対し、光学的位相偏移及び光学的吸収を共に誘起する。

シリコンは中心に対して対称の結晶構造を有しており、それ故ポッケルス効果が現れることはないが、ただ高温ポーリングが行われている時には弱い効果が得られる。この弱い効果は式（１）の常数ｒ（１０^-12ｍＶ^-1）に対応し、この式は屈折率の変化Δｎをシリコンの屈折率ｎ₀とかけられる電界Ｅの関数として表したものである。

Δｎ＝(１/２)ｎ₀ ³ｒＥ （１）

シリコンは非常に強い電界がかけられると弱いカー効果を呈し、例えば１０⁶Ｖ^-1ｍの電界がかけられると約１０^-4の屈折率変化が得られる。シリコン導波路に基づいて放射線を変調するための実用的光学デバイスを提供するためには、熱光学効果又はプラズマ拡散効果の何れかを利用しなければならない。シリコン導波路の熱光学効果に依存するデバイスの作動帯域幅は、導波路の比較的低速の熱力学によって制限され、実際数ワットに上る電力入力に対し数十キロヘルツの帯域幅が得られる。これに対し、シリコン導波路のプラズマ拡散効果に依存するデバイスの作動帯域幅は、光学的放射線が伝播する領域からの電荷キャリアの除去及びそこへの注入の速さによって制限され、それらのデバイスは実際数十メガヘルツの作動帯域幅を提供する。

一様な媒体内での光学的放射線の伝播は、式（２）により表されるが、時間により媒体内で空間的に変化する強さＥの電界ベクトルを有する。

Ｅ∝ｅ^ikx （２）
但し、ｋは光学的放射線の波数
ｘは媒体内の距離
ｉは−１の平方根である。

式（２）の波数ｋは、光学的放射線に関する自由空間波数ｋ₀と媒体の屈折率ｎの積で表され、式（３）のようになる。

（３）

式（３）において、屈折率ｎは実数部ｎ_rと虚数部αで式（４）のように表される。
ｎ＝ｎ_r＋ｉα （４）

これを用いれば電界強さＥの大きさは式（５）で表される。

（５）

媒体がシリコンの場合、自由キャリアをその中に注入すると、屈折率ｎの実数部ｎ_r、虚数部αがクラマース−クローニヒの関係式に従って共に変わり、これは式（６）及び（７）で表される。

（６）

（７）

但し、ｃは真空中の光の速度、
μ_eはシリコン中での電子移動度、
μ_hはシリコン中での正孔移動度、
ｍ_ceはシリコン中での自由電子の有効質量、
ｍ_chはシリコン中での自由正孔の有効質量、
ｑは電子上の電荷、
λは媒体中で伝播する放射線の波長、
Ｎ_eは媒体内の自由電子濃度、
Ｎ_hは媒体内の自由正孔濃度、
Δｎ_rは実数部ｎ_rの変化、
Δαは虚数部αの変化、
ε₀は自由空間の誘電率である。

シリコン中を伝播する波長１μｍの光学的放射線に関していえば、電荷キャリアの注入により実数部ｎ_rに約１０^-4の変化が誘起される。これに伴う虚数部の変化の大きさのオーダーはこれより小さい。

先行技術による、シリコン導波路に基づいて放射線を変調するためのデバイスは通常プラズマ拡散効果を利用している。そのようなデバイスは、標準的シリコンマイクロ製作技法を使って作ったシリコンｐ−ｉ−ｎダイオード構造を採用しており、例えばウェーハ基板上に層を成長させるためのエピタキシャル技法を使っている。この構造は、電子アクセプタドープのｐ領域、リブ形態の真性ｉ領域、電子ドナードープのｎ領域から成る。光学的放射線は導波路として機能する真性ｉ領域に閉じこめられる。電荷キャリアは、ｐ領域にｎ領域より高い電位がかけられたときに、ｐ及びｎ領域から真性ｉ領域に注入される。キャリアは導波路の屈折率を変調する。

注入された電荷キャリアは、先行技術によるデバイス内を伝播する放射線に僅かな位相変化を誘起する。この位相変化は、少なくとも１つのデバイスをマッハ−ツェンダー干渉計に組み込むことにより振幅変化に変換される。

先行技術による光学デバイスの第１の例が米国特許第４，７８７，６９１号に記載されている。このデバイスは導波路内の案内される光を変調し、切り替えるように設計されている。これは、シリコン基板ベース、ｎ＋ドープインフラックスシリコン基板、低屈折率誘電体層、ｎ型結晶性シリコン層、ｐ＋ドープシリコン層がこの順に並んで構成されている。低屈折率誘電体層はデバイス製作中にエッチングされ、デバイス中に誘電ストリップを形成する。ｎ型層及びｐ＋ドープ層はデバイス製作中にエッチングされ、ｐ＋電極をその頂点に持つ導波路を形成するが、この導波路と電極とは前記ストリップに沿って整列している。このストリップは放射線を導波路内に閉じこめるのを助ける。ｐ＋電極はデバイスの第１の電極を形成し、基板ベースはその第２の電極を形成する。第１及び第２の電極の間にかけられる電位差によってキャリアが導波路内に注入されることとなり、これが導波路の屈折率を変え、それに沿って伝播する放射線の特性を変える。

前記の米国特許第４，７８７，６９１号に記載されたデバイスは、基板ベース上に成長した層をエッチングすることを含むプロセスを使って製作される。それ故その構造はプロセスにより課された制限によって支配される。この制限の１つは、基板ベースが電極の１つに使用されるということである。その結果、基板ベース上に幾つかのデバイスを一緒に形成する際には、ベースが各デバイスに共通の第２の電極を形成するという第１の問題が生じる。これは、回路の構成に制限を加え、デバイスを制約する可能性がある。更に、ベース及びインフラックスシリコン基板は、アルミニウムのような金属よりは数オーダー低い伝導率を提供する。その結果、電力が、電荷注入が生じ有効な変調効果が得られる領域ではなく直列抵抗それ自身の中で消費されるので、デバイスの作動効率を低下させる電極直列抵抗という第２の問題が生じる。更に、デバイス内の電荷キャリアは、誘電ストリップが導波路の下に配置されているため、主に導波路の端の領域に注入される。しかし、放射線は主に導波路の中心領域を伝播するので、導波路の端の領域に注入された電荷キャリアは、導波路内の放射線を変調するのに特に効果的なわけではない。それ故、導波路内の放射線を望むだけ変調するために、必要以上に多い電荷キャリアが注入されることになる。その結果、導波路内の多すぎるキャリアの再結合に必要な時間の故に、必要以上に多いキャリアはデバイスの変調帯域幅を減じるという第３の問題が生じる。

先行技術による光学デバイスの第２の例が欧州特許ＥＰ０，１２１，４０１，Ａ２号に記載されている。このデバイスは、基板、基板層、光学導波層、全てｎ型又は全てｐ型の何れかの化合物半導体結晶で形成されるバッファ層がこの順に並んで構成されている。各層は全て、基板の第１の側の上にエピタキシャル蒸着により形成される。リブ導波路が、バッファ層から、それらを選択的にエッチングすることによって形成される。バッファ層の１つはリブ導波層の頂上に第１の電極を提供し、基板の第２の側の上に蒸着された金属合金層は第２の電極を提供する。導波路に沿う放射線の伝播は第１及び第２電極にかけられた電位の差に応じて修正される。前記欧州特許に述べられたデバイスは、その製作方法からくる制限のために、最初の例のデバイスにも影響を与えた、前記第１及び第２の問題の影響を受ける。

先行技術による光学デバイスの第３の例が米国特許第４，０９３，３４５号に記載されている。このデバイスは、ｎ型アルミニウムガリウム砒素の第１エピタキシャル層と、第１エピタキシャル層よりはアルミニウム対ガリウム比の低いｎ型アルミニウムガリウム砒素の第２エピタキシャル層と、第２エピタキシャル層のリブ部と接触している電極被覆材の層と、電極被覆層とオーム接触している金電極接点層と、基板とオーム接触している錫電極接点層とを支持するｎ型ガリウム砒素の単結晶基板を含んでいる。このデバイスは、金電極層及び錫接点層にかけられる変調電位がリブ部の屈折率を変えるように形成されていて、リブ部に沿って伝播する放射線を変調する。このデバイスは、エピタキシャル処理を使って製作されるので、デバイスの構造に制限が課せられる。この制限の結果、本デバイスは、前記第１及び第２の例に記載したデバイスに影響を及ぼす、前記第１及び第２の問題の影響を受ける。

米国特許第４，７８７，６９１号 欧州特許ＥＰ０，１２１，４０１ Ａ２号 米国特許第４，０９３，３４５号

本発明の目的は、前記問題の少なくとも１つを緩和する代替光学デバイスを提供することである。

本発明によれば、放射線伝播のためのアクティブ領域と電荷キャリアを前記アクティブ領域に注入するための注入手段とを有し、前記注入手段が接合されたウェーハ対の２つのウェーハ要素の間に高伝導率の埋込層を含み、デバイスが埋込層とアクティブ領域の間に、アクティブ層内に電荷キャリアを集めるための集中手段を含んでいることを特徴とする光学デバイスが提供される。

本発明は、高伝導層が、先行技術による光学デバイスに比べ消費を少なくしてデバイスにバイアスをかけるための電気経路を提供するという利点を提供する。更に本発明は、本デバイスが、集中手段が放射線の伝播するアクティブ領域に電荷キャリアを集めるので、先行技術によるデバイスよりもより効率的に放射線を変調するという利点を提供する。

本デバイスは、ウェーハ対内で電気的に絶縁するための誘電絶縁層を含んでいてもよい。これは、例えば幾つかのデバイスがこの対上に一緒に作られる際に、デバイスがウェーハ要素から絶縁されるという利点を提供する。

アクティブ領域には、１０¹⁸原子ｃｍ^-3以下の濃度までのドーパント不純物を含んでいてもよい。これは、アクティブ領域が、放射線減衰が１ｄＢｃｍ^-1以下であるような放射線のための伝播経路を提供できるという利点を提供する。

アクティブ領域は、注入手段により変調可能な屈折率を有する放射線導波手段を提供できる。これは、特に、アクティブ領域が中心に対して対称な結晶構造を有する材料からなる場合には、アクティブ領域内を伝播する放射線を変調するための便利なデバイス構成を提供する。

集中手段は、アクティブ領域の１方の側の上に配置された第１電極から成っていてもよく、デバイスは他方の側の上に配置された第２電極を含んでいる。これは、デバイス用の簡単な実用的構成であるという利点を提供する。

第１の実施例では、集中手段は、デバイスの部分の間を延びる絶縁層を通して飛び出している埋込層の領域であってもよい。これは、電荷キャリアをアクティブ領域に集中させ、それによりデバイスの有効性を増すのに特に効果的な構造である。

埋込層はポリシリコン層であってもよい。これは、従来型の半導体製作装置を使って容易に蒸着できるので、ポリシリコン層はこの層に使うに便利な材料であるという利点を提供する。

ポリシリコン層は１０¹⁸から１０¹⁹原子ｃｍ^-3の範囲の濃度までのドーパント不純物を含んでいてもよい。ドーパント濃度をこの範囲とすれば、従来型の半導体製作プロセスを使って実現できるので利点がある。

第２の実施例では、集中手段は埋込層に対し異なる化学構成の高度にドープされた領域であってもよい。これは、集中手段が主に電荷キャリヤをアクティブ領域に注入するのに適合しており、埋込層が主に電気接続経路を集中手段に提供するのに適合しているという利点を提供する。

埋込層は金属ケイ化物層であってもよい。これは、ケイ化物層は１．５μΩｍ以下の抵抗係数を有しており、そのため先行技術と比べ集中手段への接続経路の抵抗が少なくなり、その結果デバイスの消費する作動エネルギーを低減することができるという利点を提供する。

埋込層はケイ化タングステン層であってもよい。これは、ケイ化タングステンはデバイスを製作するための次の処理工程を実行するのに必要な１０００℃オーダーの高温に耐えるという利点を提供する。

埋込層はケイ化タンタル層、ケイ化コバルト層、ケイ化チタン層の何れかであってもよい。これは、主に埋込層を製作するために採用できる材料の範囲が広がるという利点を提供する。

集中手段と埋込層は、前者に伝導性を提供する同じドーパント不純物を共有していてもよい。これは、集中手段を選択的にドーピングし、デバイスの製作の間にドーパントの供給源とすることができるという利点を提供する。

本発明のもう１つの態様では、本発明のデバイスの作製法が以下の段階、即ち
（ａ）第１及び第２ウェーハ要素を設ける段階と、
（ｂ）放射線伝播のために、電荷キャリアをアクティブデバイス領域に注入するための注入手段を形作るように構築された層を備えたウェーハ要素を設ける段階と、
（ｃ）金属ケイ化物層又はポリシリコン層のどちらかを備えたウェーハ要素を設けて、注入手段を提供する段階と、
（ｄ）ウェーハ要素を接合して、金属ケイ化物層又はポリシリコン層が埋め込まれているウェーハ対を形成する段階と、
（ｅ）この対を処理して、アクティブデバイス領域を形作る段階と、
を含んでいる。

従来型の先行技法では、例えば、エピタキシャル技法を使ってウェーハ上に連続する層を蒸着して、デバイスを製作するのは現下では実現性がないが、本発明方法は、従来の技法では製作することのできないデバイスを製作するためのプロセスを提供するという利点を提供する。

本発明のもう１つの態様では、本発明によるデバイスは前記方法を使って製作される。

本発明を更に完全に理解いただくために、単に例としてであるが、以下の添付図面を参照しつつ実施例について説明する。
図１は、全体を１で示す、先行技術によるプラズマ拡散光学変調器デバイスの概略図である。これには、シリコン基板２、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）層３、シリコン表面層４がこの順に含まれている。シリコン基板２、二酸化シリコン層３、シリコン表面層４は平行で、積層され、一体化されている。表面層４は不純物濃度１０¹⁶原子ｃｍ^-3以下の低ドープシリコンである。

表面層４はデバイス１の製作過程でエッチバックされ、露出リブ６を形成する。図１にはリブ６の方向に沿う基準軸ｘ−ｘ’が示されている。リブ６はその上面に沿ってドープされ細長いｐ＋電極８をその上面に形成する。表面層４の露出表面はドープされ、表面層４内に２つの細長いｎ＋電極１０ａ、１０ｂを形成する。ｎ＋電極１０ａ、１０ｂはリブ６の各側に隣接しているが、リブ６に食い込んではいない。ｐ＋電極８、ｎ＋電極１０ａ、１０ｂ、リブ６は全て互いに平行に整列している。二酸化シリコン層３と表面層４との間にインタフェース１２が形成されている。

電極８、１０ａ、１０ｂは１０¹⁸から１０¹⁹原子ｃｍ^-3の範囲の濃度に不純物でドープされる。ｎ＋電極１０ａ、１０ｂはリンでドープされ、ｐ＋電極８はボロンでドープされる。

電極８、１０ａ、１０ｂの長さは、リブ６に平行な基準軸ｘ−ｘ’に沿う方向に２．５ｍｍである。リブ６の幅は、軸ｘ−ｘ’に直角で表面層４に平行な方向に４μｍである。リブ６の高さはインタフェース１２から直角方向に６．５μｍである。表面層４の厚さは、リブ６から離れた部分では、インタフェース１２から直角方向に３．３μｍである。電極１０ａ、１０ｂの幅は、軸ｘ−ｘ’に直角で表面層４に平行な方向に各々５μｍである。その深さは、表面層４の露出表面に直角な方向に０．５μｍである。

以下、図１を参照しながら先行技術による光学変調器デバイス１の作動を説明する。リブ６は、１．３μｍから１．５μｍの範囲の波長の光学的放射線、特に、光学通信システムでよく使用される１．３μｍ及び１．５μｍの波長の放射線が１ｄＢｃｍ^-1以下の低ロスで伝播する単一モード光学導波路（層）を形成する。放射線は、リブ６、二酸化シリコン層３、光学変調器デバイス１を取り巻く空気又は被覆フィルム（図示せず）のような低誘電定数媒体の屈折率が異なることにより導波路内に閉じこめられる。

電極８、１０ａ、１０ｂ及びリブ６はｐ−ｉ−ｎダイオードを形成する。ｐ＋電極８をｎ＋電極１０ａ、１０ｂより高い電位にバイアスするために電位差をかけると、ｐ−ｉ−ｎダイオードは順方向バイアス状態となり、電荷キャリアは導波路内に注入される。電極８、１０ａ、１０ｂは、電位差があるとリブ６の中心領域１６より端部領域１４ａ、１４ｂに集中する電界を生成するように構成されている。その結果、電極８、１０ａ、１０ｂから注入された電荷キャリアは原理的に端部領域１４ａ、１４ｂに集中する。そうすると、中心領域１６に比較し端部領域１４ａ、１４ｂにおいて、プラズマ拡散効果によりより大きな屈折率変化が生じる。導波路内での光学的放射線の伝播は主に中心領域１６に閉じこめられているので、端部領域１４ａ、１４ｂにある注入されたキャリアからは弱い影響を受けるのみである。

リブ６内に注入された電荷キャリアはその中で屈折率変化を引き起こし、それによりリブに沿う光学的放射線伝播の位相変調を誘起する。この位相変調は、マッハ−ツェンダー干渉計（図示せず）の１つのアームに変調器デバイス１を組み込むことにより、光学的放射線の振幅変調に変換される。

変調器デバイス１の代替例が先行技術内に見いだされる。代替例では、ｎ＋電極１０ａ、１０ｂが含まれていない。替わりに、基板２がリンドナー不純物で１０¹⁸から１０¹⁹原子ｃｍ^-3の濃度にドープされ、基板２から二酸化シリコン層３経由で表面層４までの電気的接続がリブ６から離れて設けられている。この代替例では、基板２がｐ−ｉ−ｎダイオードの第１電極を提供し、ｐ＋電極８がダイオードの第２電極を提供する。この代替例では、ｐ＋電極８に基板２よりも高い電位のバイアスをかけると、電荷キャリアがリブ６内に注入され、その結果それに沿って変調放射線伝播が行われることになる。

図１に示す、或いは前記代替例での変調器デバイス１に生じる問題は、そこに形成されるｐ−ｉ−ｎダイオードが比較的高い直列抵抗を有するということであり、例えば、リブ６及びそのｐ＋電極８の長さが約１ｍｍのときダイオードの直列抵抗は１ｋΩとなる。基板２又は電極１０ａ、１０ｂとｐ＋電極８との間のキャパシタンスは直列抵抗と組み合わせられて、電位変調帯域幅の制限因子となる。

変調器デバイス１及び代替例に生じるもう１つの問題は、電力が直列抵抗に消費されるということである。この問題の例として、リブ６とそのｐ＋電極の長さが１ｍｍでｐ＋電極８とｎ＋電極１０ａ、１０ｂとの間に流れる電流が１０ｍＡであるときに、変調器デバイス１がリブ６に沿う放射線伝播に使用できる変調効果を提供する場合があるが、この場合、直列抵抗が１ｋΩ時に電力消費は１１４ｍＷとなり、約１．４ボルトの電位がｐ−ｉ−ｎダイオードを順方向にバイアスするためにかけられているときにｐ−ｉ−ｎダイオードが例え伝導するとしても、１１．４ボルトの電圧をｐ＋電極８とｎ＋電極１０ａ、１０ｂ又は基板２との間にかける必要がある。このようにこの例では、変調効果を達成するためには導波路６内で１４ｍＷの電力消費が生じ、直列抵抗内で１００ｍＷの電力消費が起こる。

変調器デバイス１及び代替例は、シリコン基板上へのエピタキシャル層蒸着を使って作成される。デバイス１及び代替例を製作するのに適した層の厚さ、即ち約０．３μｍに対し、シート抵抗が平方当たり１０Ω以下の大きさのオーダーのドープされた半導体層を蒸着するのは現時点では実現性がない。このように、現時点では、直列抵抗を大幅に低減し、それによりデバイス１及びその代替例内の電力消費を少なくすることは不可能である。

図２は、全体を１００で示す光学デバイスであり、二酸化シリコン層１０２、ｎ＋ドープシリコン埋込接点層１０４、シリコン表面層１０６がこの順に並んで構成されている。層１０２、１０４、１０６平行で、積層され、一体化されている。

表面層１０６はエッチングされて露出リブ１０８を形成する。図２には、リブ１０８に沿う方向に向いた基準軸ｋ−ｋ’が示されている。リブ１０８の上面はドープされ細長いｐ＋電極１１０を形成する。電極１１０とリブ１０８は互いに平行に整列している。表面層１０６はリブ１０８から離れた領域が選択的にエッチングされ、埋込接点層１０４に電気的接続を行うための２つのバイアチャネル１１２ａ、１１２ｂが形成される。電気的接続はドープされたポリシリコン又は金属トラック（図示せず）をチャネル１１２ａ、１１２ｂに蒸着することによって行われる。

ｐ＋電極１１０は、１０¹⁸から１０¹⁹原子ｃｍ^-3の範囲の不純物濃度にボロンでドープされている。リブ１０８は、軸ｋ−ｋ’に直角で表面層１０６に平行な方向の幅が４μｍである。又、埋込接点層１０４から垂直方向の高さが６．５μｍである。表面層１０６の厚さは、リブ１０８から離れた領域で、埋込接点層１０４から垂直方向に３．３μｍである。接点層１０４の厚さは０．１μｍで、１０¹⁸から１０¹⁹原子ｃｍ^-3の範囲の濃度に電子ドナー不純物でドープされている。二酸化シリコン層１０２は、リブ１０８に沿う光学的放射線の漏洩ロスを低減するため少なくとも１μｍの厚さがある。

デバイス１００の作動について以下に説明する。リブ１０８は、１．３μｍから１．５μｍの範囲の波長の光学的放射線、特に、光学通信システムでよく使用される１．３μｍ及び１．５μｍの波長の放射線が伝播する光学導波路を形成する。放射線は、リブ１０８、埋込接点層１０４、二酸化シリコン層１０２、デバイス１００を取り巻く低誘電定数媒体の間の屈折率が異なることにより導波路内に閉じこめられる。

ｐ＋電極１１０を埋込接点層１０４より高い電位にバイアスするために電位差をかけると、電荷キャリアは優先的にリブ１０８の中心領域１１４内に注入される。これにより電荷分布は、リブ１０８の端部領域１１６に比べ、光学的放射線の大部分が閉じこめられている中心領域１１４でキャリアの密度が高くなるように生成される。これにより、導波路内に注入されたキャリアは、図１の先行技術による変調器デバイス１に比べ、放射線を効率的に変調する。デバイス１００では、放射されたキャリアは導波路内で放射線の位相変調を誘起する。この位相変調は、先行技術による変調器デバイス１と同じ方法で、デバイス１００をマッハ−ツェンダー干渉計（図示せず）の１つのアームに挿入することにより、振幅変調に変換される。

図３は本発明の代替光学デバイス２００を示す。埋込ケイ化タングステン（ＷＳｉ₂）層２０２が二酸化シリコン層１０２と埋込接点層１０４の間に含まれ、層１０４がチャネル１１２ａ、１１２ｂ及びリブ１０８に近い領域２０４で選択的にドープされることを除いては、図２のデバイス１００と同じである。ケイ化物層２０２の厚さは１００ｎｍである。

ケイ化タングステン層２０２は埋込接点層１０４よりも大きな伝導率を有している。これは光学的放射線を効率的に反射し、放射線をリブ１０８内により効果的に閉じこめる働きをする。更に、ケイ化物層２０２も、接点層１０４のあらゆる領域へより低い抵抗で接続できるようにし、これによりデバイス２００の高周波変調性能を強化している。埋込層１０４の領域２０４は、ドーパントをケイ化物層２０２内へ選択的に注入し、続いて、後に述べるウェーハ接合後に、接点層１０４内へドーパントを拡散することにより形成される。

図４は、全体を３００で示す、本発明による光学デバイスであり、シリコン基板３０２、二酸化シリコン層３０４、埋込ケイ化タングステン層（ＷＳｉ₂）３０６、ｎ＋ドープシリコン埋込接点層３０８、シリコン表面層３１０をこの順に配置して構成されている。層３０２から３１０は平行であり、積層され、一体化されている。

表面層３１０はエッチングされ、露出リブ３１２を形成する。図４には、リブ３１２に沿う方向に向いた基準軸ｍ−ｍ’が示されている。リブ３１２の上面はドープされ、細長いｎ＋電極３１４を形成する。電極３１４とリブ３１２とは互いに平行に整列している。表面層３１０はリブ３１２から離れた領域で選択的にエッチングされ、埋込接点層３０８との電気的接続を行うための２つのバイアチャネル３１６ａ、３１６ｂを形成する。電気的接続はドープされたポリシリコン又は金属トラック（図示せず）をチャネル３１６ａ、３１６ｂに蒸着することによって行われる。層３０８は、チャネル３１６ａ、３１６ｂに近い領域３２０ａ、３２０ｃ及びリブ３１２に近い領域３２０ｂで選択的にドープされ、結果的に領域３２０ａ、３２０ｂ、３２０ｃの間に低ドープ領域３２２を形成する。ケイ化層３０６の厚さは１００ｎｍから２５０ｎｍの範囲にある。

ｐ＋電極３１４は１０¹⁸から１０¹⁹原子ｃｍ^-3の範囲の不純物濃度にボロンでドープされる。リブ３１２の幅は、軸ｍ−ｍ’に直角で表面層３１０に平行な方向に４μｍである。その高さは、埋込接点層３０８から垂直方向に６．５μｍである。表面層３１０の厚さは、リブ３１２から離れた領域で埋込接点層３０８に直角方向に３．３μｍである。接点層３０８の厚さは０．１μｍであり、１０¹⁸から１０¹⁹原子ｃｍ^-3の範囲の濃度に電子ドナー不純物でドープされる。二酸化シリコン層３０４は、リブ３１２からの光学的放射線の漏洩ロスを低減するため少なくとも１μｍの厚さを有する。

デバイス３００の作動について以下に説明する。リブ３１２は、１．３μｍから１．５μｍの範囲の波長の光学的放射線、特に、光学通信システムでよく使用される１．３μｍ及び１．５μｍの波長の放射線が伝播する光学導波路を形成する。放射線は、リブ３１２、埋込接点層３０８、ケイ化物層３０８、二酸化シリコン層３０４、デバイス３００を取り巻く低誘電定数媒体の間の屈折率が異なることにより導波路内に閉じこめられる。

ｐ＋電極３１４を埋込接点層３０８より高い電位にバイアスするために電位差をかけると、電荷キャリアは主にリブ３１２の中心領域３２４内に注入される。これにより電荷分布は、リブ３１２の端部領域３２６に比べ、光学的放射線の大部分が閉じこめられている中心領域３２４でキャリアの密度が高くなるように生成される。これにより、導波路内に注入されたキャリアは、図１の先行技術による変調器デバイス１に比べ放射線を効率的に変調する。デバイス３００では、放射されたキャリアは導波路内で放射線の位相変調を誘起する。この位相変調は、先行技術による変調器デバイス１と同じ方法で、デバイス３００をマッハ−ツェンダー干渉計（図示せず）の１つのアームに挿入することにより、振幅変調に変換される。

ケイ化タングステン層３０６は埋込接点層３０８よりも大きな伝導率を有している。これは光学的放射線を効率的に反射し、放射線をリブ３１２内により効果的に閉じこめる働きをする。更に、ケイ化物層３０６も、接点層３０８のあらゆる領域へより低い抵抗で接続できるようにし、これによりデバイス３００の高周波変調性能を強化し、その中での電力の消費を低減する。デバイス３００の直列抵抗は、同等サイズの先行技術によるデバイスと比較してオーダーの大きさで低減される。

埋込接点層３０８の領域３２０ａ、３２０ｂ、３２０ｃはドーパントをケイ化物層３０６内へ選択的に注入し、続いて、後に述べるウェーハ接合後に、埋込接点層３０８内へドーパントを拡散することにより形成される。

領域３２０ａ、３２０ｂ、３２０ｃを選択的にドーピングすることにより、バイアチャネル３１６ａ、３１６ｂを通って流れる電流が主にケイ化物層３０６内へと進路を変えられ、領域３２０ｂからの電荷注入が主にリブ３１２の中心領域３２４へと行われ、それによりデバイス３００の変調効率が改善されるという利点が提供される。層３０６は１．５μΩｍ以下の抵抗定数、即ち、層３０６の厚さが２００ｎｍであるときに平方当たり７．５Ω以下のシート抵抗を有する。成分ＷＳｉ_2.7を有するシリコン濃縮ケイ化タングステンフィルムは、２００ｎｍフィルム厚さに対し平方当たり約２Ωのシート抵抗に匹敵する約０．４μΩｍの抵抗定数を有することが実験的に特徴付けられ確認されている。

デバイス３００の簡素化バージョンでは、領域３２０ａ、３２０ｂ、３２０ｃに対し選択的ドーピングは適用されていない。その代わり、接点層３０８が実質的に均等にドープされている。ケイ化タングステンを使って層３０６を製作するのに代えて、ケイ化チタン、ケイ化タンタル、ケイ化コバルトの内の少なくとも１つを使用することができる。

二酸化シリコン層３０４はシリコン基板３０２をケイ化物層３０６から電気的に絶縁する。これは、リブ３１２を基板３０２から絶縁し、電荷キャリアをリブ３１２内へ注入するためにかけられる電位が、先に述べた先行技術によるデバイスの場合のように基板３０２の電位により制限されることはないという利点を提供する。

本発明によるもう１つの光学デバイスを図５に４００で表示する。これは、ポリシリコンｎ＋リンドープ伝導層４０２、二酸化シリコン絶縁埋込層４０４、シリコン表面層４０６をこの順に配置し構成されている。表面層４０６は１０¹⁶原子ｃｍ^-3以下の不純物濃度を持つ低ドープシリコンである。これはエッチバックされて、露出リブ４０８を形成する。図５には、リブ４０８に沿う方向に向いた基準軸ｎ−ｎ’が示されている。リブ４０８の上面はボロン不純物でドープされ、細長いｐ＋電極４１０を形成する。リブ４０８とｐ＋電極４１０とは互いに平行に整列している。リブ４０８の中心領域４１１はｐ＋電極４１０の下に位置している。バイアチャネル４１２ａ、４１２ｂはリブ４０８から離れており、表面層４０６、埋込層４０４を貫通して伝導層４０２までエッチングされ、伝導層４０２と電気的接続を行えるようになっている。伝導層４０２との電気的接続はドープされたポリシリコン又は金属トラックをバイアチャネル４１２ａ、４１２ｂに蒸着することによって行われる。細長いｎ＋ドープ電極領域４１４は、絶縁埋込層４０４を貫き、表面層４０６に０．５μｍだけ食い込むように選択的にエッチングして、チャネルを形成し、層４０２のドープされたポリシリコンを蒸着することにより形成される。電極領域４１４は軸ｎ−ｎ’に沿って整列し、ｐ＋電極４１０に対し中心領域４１１の反対側に配置されている。リブ４０８は、１．３μｍから１．５μｍの範囲の波長の光学的放射線、特に、光学通信システムでよく使われる波長が１．３μｍ及び１．５μｍの放射線を閉じこめるためのモノモード導波路である。

伝導層４０２及びｐ＋電極４１０は１０¹⁸から１０¹⁹原子ｃｍ^-3の範囲の濃度に不純物でドープされる。リブ４０８の大きさは図３に示すリブ１０８と同じである。表面層４０６の厚さはリブ４０８から離れた領域で３．３μｍである。

ｐ＋電極４１０を電極領域４１４より高い電位にバイアスするために電位差をかけると、電荷キャリアは中心領域４１１内に注入される。電極領域４１４は、注入された電荷キャリアが主に領域４１１に確実に閉じこめられ、それによってそこの屈折率を効率的に変調するように、横に面取りされている。この閉じこめ効果によって、ｐ＋電極４１０と電極領域４１４の間の電極間容量は、デバイス４００の場合、リブ６の屈折率を同じだけ変化させる際の変調器デバイス１の電極間容量と比べて少ない。この比較的小さな電極間容量は、図５のデバイス４００に関する作動帯域幅を強化する働きをする。

本発明によるもう１つの光学デバイスを図６に５００で示す。これは、シリコン基板５０２、第１二酸化シリコン絶縁埋込層５０４、ポリシリコンｎ＋リンドープ伝導層５０６、第２二酸化シリコン絶縁埋込層５０８、シリコン表面層５１０をこの順に並べて構成されている。表面層５１０は、１０¹⁶原子ｃｍ^-3以下の不純物濃度の低ドープシリコンである。表面層５１０はエッチバックされて露出リブ５１２を形成する。図６には、リブ５１２に沿う方向に向いた基準軸ｐ−ｐ’が示されている。リブ５１２の上面はボロン不純物でドープされ、それに沿って細長いｐ＋電極５１４を形成する。リブ５１２とｐ＋電極５１４とは互いに平行に整列している。リブ５１２の中心領域５１６はｐ＋電極５１４の下に位置している。バイアチャネル５１８ａ、５１８ｂはリブ５１２から離れており、表面層５１０、第２埋込層５０８を貫通して伝導層５０６までエッチングされ、伝導層５０６と電気的接続を行えるようになっている。伝導層５０６との電気的接続はドープされたポリシリコン又は金属トラック（図示せず）をバイアチャネル５１８ａ、５１８ｂに蒸着することによって行われる。細長いｎ＋ドープ電極領域５２０は、第２絶縁埋込層５０８を貫いて選択的にエッチングして、チャネルを形成し、層５０６のドープされたポリシリコンを蒸着することにより形成される。電極領域５２０は軸ｐ−ｐ’に沿って整列し、ｐ＋電極５１４に対し中心領域５１６の反対側に配置されている。リブ５１２は１．３μｍから１．５μｍの範囲の波長の光学的放射線、特に、光学通信システムでよく使われる波長が１．３μｍ及び１．５μｍの放射線を閉じこめるためのモノモード導波路である。

伝導層５０６及びｐ＋電極５１４は１０¹⁸から１０¹⁹原子ｃｍ^-3の範囲の濃度に不純物原子でドープされる。リブ５１２の大きさは図２に示すリブ１０８と同じである。表面層５１０の厚さはリブ５１２から離れた領域で３．３μｍである。

ｐ＋電極５１４を電極領域５２０より高い電位にバイアスするために電位差をかけると、電荷キャリアは中心領域５１６内に注入される。電極領域５２０は、注入された電荷キャリアが主に領域５１６に確実に閉じこめられ、それによってそこの屈折率を効率的に変調するように、横に面取りされている。この閉じこめ効果によって、ｐ＋電極５１４と電極領域５２０の間の電極間容量は、デバイス５００の場合、リブ６の屈折率を同じだけ変化させる際の変調器デバイス１の電極間容量と比べて少ない。この比較的小さな電極間容量は、図６のデバイス５００に関する作動帯域幅を強化する働きをする。

図７に、デバイス１００を製作するためのマイクロ製作プロセスの概略の過程を示す。１０¹⁶原子ｃｍ^-3以下の濃度までのドーパント不純物を含む研磨された低ドープシリコンウェーハ６００が、イオン注入に曝され、その片面上に高ｎ＋ドープ層６０２が形成される。層６０２は１０¹⁸から１０¹⁹原子ｃｍ^-3の範囲の濃度のドーパント不純物を含む。第２の研磨された低ドープシリコンウェーハ６０４が熱酸化され、その片面上に厚い二酸化シリコン表面層６０６が形成される。層６０８、６１０はそれぞれウェーハ６００、６０４の低ドープシリコン領域に対応する。層６０２、６０６は、互いに溶融して６１２で示すウェーハ対を形成するように、高湿の酸素及び窒素の雰囲気下１１００℃の高温で互いに熱的に接合される。この雰囲気は、酸素、水素、窒素を混合し、高温で自然に反応させ、蒸気と酸素と窒素との混合ガスを形成させて作る。次に、ウェーハ対６１２は研磨され６１４で示す薄いウェーハ対を形成するが、その際、層６０８は研磨されて点線６１６で示す部分が除去され薄い層６１５となる。次に、ウェーハ対６１４はイオン注入に曝され、１０¹⁸から１０¹⁹原子ｃｍ^-3の範囲の濃度の不純物を含む高ドープｐ＋表面層６２０を形成し、これにより６１８で示すウェーハ対が製作される。

次に、標準マイクロ製作リソグラフィー及びドライエッチング処理により層６１５、６２０がエッチングされ、６２２で示すウェーハ対にリブ６２４が形成される。点線６２５はリブ６２４を形成する際に除去される材料の量を示す。次に、標準リソグラフィー及びドライエッチング処理によりバイアチャネル６２８ａ、６２８ｂが形成され、これにより６２６で示すウェーハ対が製作される。完成した光学デバイスを提供するまでに残っている、ウェーハ対６２６に対する更なる処理過程（図示せず）としては、ｎ＋ドープ層６０２及びｐ＋表面層６２０に対する電気的接続のための金属トラック蒸着がある。

図３のデバイス２００の製作法は、ウェーハを接合してウェーハ対とする前にケイ化タングステン層２０２を蒸着することを除いて、図２のデバイス１００と同じである。

図７に概略示しているプロセスは、「絶縁体上でシリコンを結合しエッチバックする方法」（ＢＥＳＯＩ）として知られている。これは、先行技術では、放射線を変調するための光学デバイスの製作には使用されていなかった。

図８に、デバイス２００、３００を製造するためのマイクロ製作プロセスの工程の概略を示す。
デバイス２００、３００を製造するには、１０¹⁵原子ｃｍ^-3以下の濃度までのドーパント不純物を含む２つの研磨された低ドープシリコンウェーハ、即ち第１ウェーハ７００と第２ウェーハ７０２が必要である。第２ウェーハ７０２はイオン注入に曝され、その片面上に高ｎ＋ドープ層７０６が形成される。層７０６は１０¹⁸から１０¹⁹原子ｃｍ^-3の範囲の濃度のドーパント不純物を含む。これにより、ウェーハ７０２は層７０６とこれに隣接する低ドープ層７０４とで構成されることとなる。次に、ケイ化タングステン層７０８が化学蒸着によりｎ＋ドープ層７０６上に形成される。次に、二酸化シリコン表面層７１０が化学蒸着によりケイ化タングステン層７０８上に形成される。

次に、第１ウェーハ７００と表面層７１０は、互いに溶融し７１２で示すウェーハ対を形成するように、高湿の酸素と窒素の雰囲気下、１１００℃の高温で６０分間両者を接触保持することにより互いに熱接合される。この雰囲気は、酸素、水素、窒素ガスを混合し、高温で自然に反応させ、蒸気と酸素と窒素との混合ガスを形成させて作る。次に、ウェーハ対７１２は研磨され７１４で示す薄いウェーハ対を形成するが、その際、第１ウェーハ７００は研磨されて点線７１６で示す部分が除去され薄い層７１５となる。次に、ウェーハ対７１４はイオン注入に曝され、１０¹⁸から１０¹⁹原子ｃｍ^-3の範囲の濃度の不純物を含む高ドープｐ＋表面層７２０を形成し、これにより７１８で示すウェーハ対が製作される。次に、標準マイクロ製作リソグラフィー及びドライエッチング処理により層７１５、７２０がエッチングされ、７２２で示すウェーハ対にリブ７２４が形成される。点線７２５はリブ７２４を形成する際に除去される材料の量を示す。次に、標準リソグラフィー及びドライエッチング処理によりバイアチャネル７２８ａ、７２８ｂが形成され、これにより７２６で示すウェーハ対が製作される。完成した光学デバイスを提供するまでに残っているウェーハ対７２６に対する更なる処理過程（図示せず）としては、ｎ＋ドープ層７０６及びｐ＋表面層７２０に対する電気的接続のための金属トラック蒸着がある。

バイアチャネル７２８ａ、７２８ｂの位置及びリブ７２４の下にある領域７３０には、伝導性を増すための強化ドーピングが施されており、これはデバイス２００の領域２０４及びデバイス３００の領域３２０ａ、３２０ｂ、３２０ｃに相当する。これらの領域７３０は、
（ｉ）第２ウェーハ７０２上に形成する際に、ｎ＋ドープ層７０６を選択的に補足ドーピングすること、及び
（ｉｉ）ケイ化タングステン層７０８をドーパントで選択的にドーピングし、次にドーパントをｎ＋ドープ層７０６内に拡散させ選択的にドープすること、
の内の少なくとも１つによって形成される。

図８に概略示しているプロセスは、「絶縁体上でシリコンを結合しエッチバックする方法」（ＢＥＳＯＩ）として知られている。先行技術からは、ケイ化物層とシリコン層の間に形成される接合には高い応力が生じているため、埋込ケイ化物層を採用している光学デバイスが高い信頼性で機能するのは期待できない或いは製作することさえできないということが知られている。応力に起因する接合されたケイ化物層の層剥離に関しては、Ｓ．Ｐ．マラーカ著「ＶＬＳＩアプリケーションのためのケイ化物」（アカデミック出版、１９８３年、ＩＳＢＮ０−１２−５１１２２０−３）の５０−５９ページに詳しく述べてある。それ故、先行技術では、光学デバイスを製作するのに埋込ケイ化物層は使用されなかった。図３、４に示すデバイス２００、３００の製作の間に、ケイ化タングステン層７０８とｎ＋ドープ層７０６及び二酸化シリコン層７１０との接合は、ケイ化物層７０８の化学量論的構成をシリコンが多くなるように調整することにより強化されることが分かった。更に、ケイ化物層７０８とｎ＋ドープ層７０６及び二酸化シリコン層７１０との間の接合応力は、ケイ化物層７０８の領域を選択的にエッチングする、即ち、その上に二酸化シリコン層７１０を形成する前にパターン化することにより低減できることが分かった。このようなパターン化には、ケイ化物層７０８が例えばイオンミルを使って選択的にエッチング又は腐食により取り除かれる、通常の間隔を開けた絶縁溝又は孔、即ち空間が含まれる。替わりに、ケイ化物層７０８を、ケイ化物の絶縁された島として含まれるようにパターン化してもよい。

図９に、図５に示すデバイス４００を製作するためのマイクロ製作プロセスの概略の過程を示す。１０¹⁶原子ｃｍ^-3以下の濃度のドーパント不純物を含む低ドープシリコンウェーハ８５０が、リンドーパント注入に曝され、その上に注入ｎ＋表面層８５４を含む、８５２で表されるウェーハを形成する。層８５４は１０¹⁸から１０¹⁹原子ｃｍ^-3の範囲の濃度までのドーパントを含む。低ドープシリコンウェーハ８５６は酸化され、その上に厚さ１μｍの表面二酸化シリコン層８５８を形成する。標準マイクロ製作リソグラフィー及びドライエッチング法を使って、チャネル８６０が二酸化シリコン層８５８中にエッチングされる。次に、ドープされたポリシリコンｎ＋層８６２が二酸化シリコン層８５８の上とチャネル８６０の中に蒸着される。次に、層８６２の露出外表面が平坦に研磨され８６４で示すウェーハを形成する。ウェーハ８５２と８６４は、表面層８５４がポリシリコンｎ＋層８６２と接触するように突き合わされ、高湿の酸素及び窒素の雰囲気下、１１００℃の高温で熱接合されて、８６６で示すウェーハ対を形成する。この雰囲気は酸素、水素、窒素ガスを混合し、高温で自然に反応させ、蒸気と酸素と窒素との混合ガスを形成させて作る。

ウェーハ対８６６は研磨され、中に含まれているウェーハ８５６を薄くして層８６８を形成するが、点線８７０は８７２で示すウェーハ対を形成するために研磨により除去される材料の量を示す。ウェーハ対８７２の層８６８はボロン不純物注入に曝され、ドープされたｐ＋表面層８７４を形成し、８７６で示すウェーハ対が作られる。層８６８はボロン不純物で１０¹⁸から１０¹⁹原子ｃｍ^-3の範囲の濃度までドープされる。標準リソグラフィー及びドライエッチング技法により、表面層８７４及び層８６８がリブ８８０を形成する領域を除いて点線８７８で示すようにエッチバックされ、８８２で示すウェーハ対が作られる。次に２つの接続用バイアチャネル８８４ａ、８８４ｂが輪郭を形成し、層８５８、８６８を貫いてエッチングされ、８８６で示すウェーハ対が製作される。完成した光学デバイスを提供するまでに残っている、ウェーハ対８８６に対する更なる処理過程（図示せず）としては、ｎ＋層８６２及びｐ＋表面層８７４に対する電気的接続のための金属トラック蒸着がある。

図１０に、デバイス５００を製作するためのマイクロ製作プロセスの概略の過程を示す。１０¹⁶原子ｃｍ^-3以下の濃度のドーパント不純物を含む２つの低ドープシリコンウェーハ、即ち、第１ウェーハ９５０及び第２ウェーハ９５２が酸化され、各々その上に厚さ１μｍの二酸化シリコン表面層９５４、９５６が形成され、各々９５８、９５９で示されるウェーハとなる。次に、標準マイクロ製作リソグラフィー及びドライエッチング技法を使って、チャネル９６０が二酸化シリコン層９５６中にエッチングされる。次に、ドープされたポリシリコンｎ＋層９６２が二酸化シリコン層９５６の上とチャネル９６０の中に蒸着される。次に、層９６２の露出外表面が平坦に研磨され９６４で示すウェーハとなる。ウェーハ９５８と９６４は、表面層９５４がポリシリコンｎ＋層９６２と接触するように突き合わされて接触したままに保持され、高湿の酸素及び窒素の雰囲気下、１１００℃の高温に６０分間保ち熱接合されて、９６６で示すウェーハ対が形成される。この雰囲気は酸素、水素、窒素ガスを混合し、高温で自然に反応させ、蒸気と酸素と窒素との混合ガスを形成させて作る。

ウェーハ対９６６は研磨され、中に含まれているウェーハ９５６を薄くして層９６８を形成するが、点線９７０は９７２で示すウェーハ対を形成するために研磨により除去される材料の量を示す。ウェーハ対９７２の層９６８はボロン不純物注入に曝され、ドープされたｐ＋表面層９７４を形成し、９７６で示すウェーハ対が作られる。層９６８はボロン不純物で１０¹⁸から１０¹⁹原子ｃｍ^-3の範囲の濃度までドープされる。標準リソグラフィー及びドライエッチング技法により、表面層９７４及び層９６８がリブ９８０を形成する領域を除いて点線９７８で示すように選択的にエッチバックされ、９８２で示すウェーハ対が作られる。次に、２つの接続用バイアチャネル９８４ａ、９８４ｂが輪郭を形成し、層９５８、９６８を貫いてエッチングされ、９８６で示すウェーハ対が製作される。完成した光学デバイスを提供するまでに残っている、ウェーハ対９８６に対する更なる処理過程（図示せず）としては、ｎ＋層９６２及びｐ＋表面層９７４に対する電気的接続のための金属トラック蒸着がある。

図１０では、ドープされたポリシリコンｎ＋層９６２と二酸化シリコン表面層９５４の間に接合インタフェースが設けられている。デバイス５００を製作するための代替マイクロ製作プロセスでは、表面層９５４は第１ウェーハ９５０上ではなくｎ＋層９６２の上に蒸着され、接合インタフェースは表面層９５４と第１ウェーハ９５０の間に設けられる。

図３から６に示すデバイス２００、３００、４００、５００をエピタキシャル技法を使用して製作するのは実現性がない。ケイ化タングステン層２０２、３０６、ポリシリコン層４０２、５０６、二酸化シリコン層３０４、５０４は単結晶ではない。その結果必然的に、前記各層２０２、３０４、３０６、４０２、５０４、５０６の上にエピタキシャルに成長した層は何れも単結晶ではない。このように、現在の層何れに関しても、リブ１０８、３１４、４０８、５１２を製作するに適した単結晶層をその上にエピタキシャルに成長させるのは実現性がない。それ故、図７から１０に示したプロセスは、デバイス２００、３００、４００、５００を製作するための基本である。

次に図２から６に関してであるが、リブ１０８、３１２、４０８、５１２は、再結合による電荷キャリアの迅速な除去を確実にしてデバイスの作動帯域幅を広げるために、金ドープしてもよい。金ドーピングの替わりに、リブ１０８、３１２、４０８、５１２内での電荷キャリア再結合を、再結合サイトとして機能する格子欠陥をリブ内に形成することによって増やしてもよい。このような欠陥は、リブ１０８、３１２、４０８、５１２を高出力レーザー、電子、又は水素イオンビームに曝すことにより導入することができる。替わりに、リブ１０８、３１２、４０８、５１２を、この欠陥を導入するために強力な中性子ビームに曝してもよい。

図２から６では、ドーパントタイプを取り代えてもよく、即ち、ｎ＋ドープ領域、ｐ＋ドープ領域を各々ｐ＋ドープ領域、ｎ＋ドープ領域として本発明による代替光学デバイスを作ってもよい。こうしても、リブ１０８、３１２、４０８、５１２へ電荷キャリアを注入するのに必要な電位の極性を逆にすることを除いては、作動モードに影響を与えない。ウェーハの熱接合温度を１１００℃と説明したが、８００℃から１２００℃の範囲で満足できる熱接合が得られるであろう。先に述べた高湿の酸素及び窒素雰囲気は接合強度を増すが、ウェーハ間の熱接合を行うのに必須のものではない。接合は、例えばウェーハ上に電子回路を集積するのに必要な段階等、高温処理の段階に更に耐えることができるだけ強ければそれで十分である。デバイスを製作するには、熱接合に代えて例えば溶融接合など、他の接合方法を使用してもよい。

電子回路はデバイス１００、２００、３００、４００、５００とモノリシックに一体化することができる。これらの回路は、例えば、緩衝増幅器と論理ゲートから成る。回路は、リブ１０８、３１２、４０８、５１２、６２４、７２４、８８０、９８０の形成後に製作してもよい。替わりに、リブ１０８、３１２、４０８、５１２、６２４、７２４、８８０、９８０の形成前に回路を作り、例えば、スパッタリング、プラズマエッチング、又は湿式化学エッチングのような処理により後で除去できる抵抗層又は金属マスキング層により、リブ自体がエッチング中に保護されるのと同じ方法でエッチングから保護するようにしてもよい。

リブ１０８、３１２、４０８、５１２、６２４、７２４、８８０、９８０は１０¹⁶原子ｃｍ^-3以下の濃度までのドーパント不純物を含んでいるが、濃度は１０¹⁶原子ｃｍ^-3以上としてもよく、その場合、デバイス１００、２００、３００、４００、５００内での放射線吸収が対応して増えることになる。

図２から６に示す光学デバイス１００、２００、３００、４００、５００はシリコン半導体技術に基づいているが、代りにＩＩＩ−Ｖ族半導体材料のウェーハ接合技法を使って製作してもよい。

図７から１０には単一の光学デバイスの製作を示したが、多くのデバイスを同時にウェーハ６００、６０４、７００、７０２、８５０、８５６、９５０、９５２上に作成してもよい。こうして製作された、ウェーハの要素６００、６０４、７００、７０２、８５０、８５８、９５０、９５２から成るデバイスを、ウェーハ対６２６、７２６、８８６、９８６をダイシングし即ち鋸引きして互いに切り離してもよい。替わりに、デバイス１００、２００、３００、４００、５００の列をウェーハ対上に作ってフェーズドアレイデバイスを作ってもよい。

デバイス１００、２００、３００、４００、５００は放射線の変調に適するようにしているが、例えば金属ケイ化物層のような高伝導埋込層を例えば高出力固体レーザーのような他のタイプの半導体光学デバイスに使用して、デバイスにバイアスをかけ直列抵抗の少ない電気経路を提供するのも実現性がある。

先行技術によるプラズマ拡散光学変調器デバイスの概略斜視図である。 埋込伝導層を含む光学変調器デバイスの斜視図である。 埋込ケイ化タングステン層を含む図２に示すような本発明による光学デバイスの斜視図である。 シリコン基板を含む図３に示すような本発明による光学デバイスの斜視図である。 ポリシリコンｎ＋ドープ伝導層とそれに付随する長く延びたｎ＋ドープ電極領域とを含む本発明による光学デバイスの斜視図である。 二酸化シリコン埋込層及びシリコン基板を含む図５に示すような本発明による光学デバイスの斜視図である。 図２の光学デバイスを製造するためのマイクロ製作の過程を示す。 図３及び４の光学デバイスを製造するためのマイクロ製作の過程を示す。 図５の光学デバイスを製造するためのマイクロ製作の過程を示す。 図６の光学デバイスを製造するためのマイクロ製作の過程を示す。

符号の説明

１００ 光学デバイス
１０２ 二酸化シリコン層
１０４ ｎ＋ドープシリコン埋込接点層
１０６ シリコン表面層
１０８ 露出リブ
１１０ ｐ＋電極
１１２ａ、１１２ｂ バイアチャネル

２００ 光学デバイス
２０２ 埋込ケイ化タングステン（ＷＳｉ₂）層
２０４ 領域

３００ 光学デバイス
３０２ シリコン基板
３０４ 二酸化シリコン層
３０６ 埋込ケイ化タングステン層（ＷＳｉ₂）
３０８ ｎ＋ドープシリコン埋込接点層
３１０ シリコン表面層
３１２ 露出リブ
３１４ ｎ＋電極
３１６ａ、３１６ｂ バイアチャネル
３２０ａ、３２０ｂ、３２０ｃ 領域
３２２ 低ドープ領域
３２４ 中心領域
３２６ 端部領域

４００ 光学デバイス
４０２ ポリシリコンｎ＋リンドープ伝導層
４０４ 二酸化シリコン絶縁埋込層
４０６ シリコン表面層
４０８ 露出リブ
４１０ ｐ＋電極
４１１ 中心領域
４１２ａ、４１２ｂ バイアチャネル
４１４ ｎ＋ドープ電極領域

５００ 光学デバイス
５０２ シリコン基板
５０４ 第１二酸化シリコン絶縁埋込層
５０６ ポリシリコンｎ＋リンドープ伝導層
５０８ 第２二酸化シリコン絶縁埋込層
５１０ シリコン表面層
５１２ リブ
５１４ ｐ＋電極
５１６ 中心領域
５１８ａ、５１８ｂ バイアチャネル
５２０ ｎ＋ドープ電極領域

６００ 低ドープシリコンウェーハ
６０２ 高ｎ＋ドープ層
６０４ 第２の低ドープシリコンウェーハ
６０６ 二酸化シリコン表面層
６０８、６１０ 層
６１２、６１４ ウェーハ対
６１５ 薄い層
６１８、６２２、６２６ ウェーハ対
６２０ ｐ＋表面層
６２４ リブ
６２５ 点線
６２８ａ、６２８ｂ バイアチャネル

７００ 第１ウェーハ
７０２ 第２ウェーハ
７０６ 高ｎ＋ドープ層
７０８ ケイ化タングステン層
７１０ 二酸化シリコン層
７１２、７１４ ウェーハ対
７１６ 点線
７１５ 薄い層
７１８、７２２、７２６ ウェーハ対
７２０ 高ドープｐ＋表面層
７２４ リブ
７２５ 点線
７２８ａ、７２８ｂ バイアチャネル
７２０ ｐ＋表面層
７３０ 領域

８５０、８５６ 低ドープシリコンウェーハ
８５２ ウェーハ
８５４ 注入ｎ＋表面層
８５８ 表面二酸化シリコン層
８６０ チャネル
８６２ ドープされたポリシリコンｎ＋層
８６４ ウェーハ
８６６、８７２ ウェーハ対
８６８ 層
８７０ 点線
８７４ ｐ＋表面層
８７８ 点線
８７６、８８２、８８６ ウェーハ対
８８０ リブ
８８４ａ、８８４ｂ バイアチャネル

９５０ 第１ウェーハ
９５２ 第２ウェーハ
９５４、９５６ 二酸化シリコン表面層
９５８、９５９ ウェーハ
９６０ チャネル
９６２ ドープされたポリシリコンｎ＋層
９６４ ウェーハ
９６６、９７２ ウェーハ対
９６８ 層
９７０ 点線
９７４ ｐ＋表面層
９７６、９８２、９８６ ウェーハ対
９８０ リブ
９７８ 点線
９８４ａ、９８４ｂ バイアチャネル

Claims (33)

1. 放射線伝播のためのアクティブ領域（１０８；３１２；４０８；５１２）と、電荷キャリアを前記アクティブ領域に注入するための注入手段（１１０；２０２，２０４；４１０，４１４；５１４，５２０）とを有する光学デバイスにおいて、前記注入手段が接合されたウェーハ対の２つのウェーハ要素の間に高伝導埋込層（１０４；２０２；３０６，３０８；４０２；５０６）を含んでおり、前記デバイスが埋込層とアクティブ領域の間に電荷キャリアをアクティブ領域に集中させるための集中手段（２０４；４１４）を含んでいることを特徴とするデバイス。
2. 前記集中手段（４１４）が、デバイスの部分の間を延びる絶縁層（４０４）を貫いて飛び出ている埋込層（４０２）の領域であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
3. 前記埋込層が、ポリシリコン層（４０２）であることを特徴とする請求項２に記載のデバイス。
4. 前記ポリシリコン層（４０２）が、１０¹⁸から１０¹⁹原子ｃｍ^-3の範囲の濃度までのドーパント不純物を含んでいることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
5. 前記集中手段が、前記埋込層（２０２）と異なる化学組成の高ドープ領域（２０４）であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
6. 前記埋込層が金属ケイ化物層（２０２）であることを特徴とする請求項１又は５に記載のデバイス。
7. 前記埋込層（２０２）が、ケイ化タングステン層であることを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
8. 前記埋込層（２０２）が、ケイ化タンタル層、ケイ化コバルト層、ケイ化チタン層の何れか１つであることを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
9. 前記高ドープ領域（２０４）と前記埋込層（２０２）とが、前者に伝導性を提供する同じドーパント不純物を共有していることを特徴とする請求項５に記載のデバイス。
10. 前記ドーパント不純物が、前記埋込層（２０２）から前記高ドープ領域（２０４）へと熱拡散可能であることを特徴とする請求項９に記載のデバイス。
11. 前記高ドープ領域内のドーパント不純物濃度が、１０¹⁸から１０¹⁹原子ｃｍ^-3の範囲にあることを特徴とする請求項９又は１０に記載のデバイス。
12. 前記埋込層（７０８）が、ウェーハ対（７１４）材料の化学的成分を含んでいることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
13. 前記埋込層（２０２；７０８）が金属ケイ化物であり、前記ウェーハ対の材料がシリコンであることを特徴とする請求項１２に記載のデバイス。
14. 前記アクティブ領域と、前記埋込層と、前記注入手段と、集中手段とをデバイスの他の要素から電気的に絶縁するための誘電絶縁層（３０４；５０４）を備えていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
15. 前記アクティブ領域が、１０¹⁶原子ｃｍ^-3以下の濃度までのドーパント不純物を含んでいることを特徴とする請求項１項に記載のデバイス。
16. 前記アクティブ領域（１０８；３１２；４０７；５１２）が、前記注入手段により変調可能な屈折率を備えた放射線導波手段を提供することを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
17. 前記ウェーハ対内の前記ウェーハ要素の１つが、アクティブ領域を提供することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
18. 前記集中手段が前記アクティブ領域の一方の側の上に位置する第１電極（１１０）を含み、前記デバイスが他方の側に位置する第２電極（２０４）を含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
19. 前記第１電極が、前記アクティブ領域（１０８）と前記絶縁層（１０２）の間にあることを特徴とする請求項１８に記載のデバイス。
20. 前記アクティブ領域が放射線導波手段を提供し、前記注入手段が、電荷キャリアを放射線が主に伝播する導波手段の領域内へ主に注入することにより導波手段の屈折率を変調するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
21. 前記埋込層（２０２）が、１．５μΩｍ以下の抵抗係数を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
22. 前記埋込層（２０２）が、平方当たり７．５Ω以下の抵抗係数を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
23. 前記埋込層が、それ自身とそれに接合された層との間の応力を開放するための孔、島、溝の内少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２１又は２２に記載のデバイス。
24. 前記アクティブ領域が、キャリアの寿命を低減しアクティブ領域内の再結合サイト密度を上げるために、（ｉ）金ドーピングと、（ｉｉ）誘発格子欠陥の内の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
25. （ａ）第１及び第２のウェーハ要素（７００、７０２；８５０、８５６）を設ける段階と、
    （ｂ）放射線伝播のため、電荷キャリアをアクティブデバイス領域内へ注入するための注入手段を形作るように構築された層（７０６、７０８、７１０；８５４，８６２）を備えたウェーハ要素を設ける段階と、
    （ｃ）金属ケイ化物層（７０８）又はポリシリコン層（８６２）の内の１つを有するウェーハ要素を設け、注入手段を提供する段階と、
    （ｄ）ウェーハ要素同士を接合し、中に金属ケイ化物層又はポリシリコン層が埋込まれているウェーハ対（７１４；８６６）を形成する段階と、
    （ｅ）前記ウェーハ対（７１４；８６６）を処理して、アクティブデバイス領域を形作る段階とを含むことを特徴とする、光学デバイスを製作する方法。
26. 段階（ｂ）において、前記構築された層が空間（８６０）で形成された絶縁層（８５８）であり、段階（ｃ）において、注入手段が空間（８６０）を通して延びるように形成されていることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
27. 前記ケイ化物層が、ケイ化タングステン層から成ることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
28. 段階（ｄ）において、前記ウェーハ要素同士は、両者を互いにある期間接触させ、その期間中両者を８００℃から１２００℃の範囲の温度に加熱することによって熱接合されることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
29. 前記ケイ化物層（７０８）は、そこから隣接する層（７０６）へ拡散するドーパント不純物で選択的にドープされ、それによって、電荷キャリア注入をデバイスアクティブ領域（３２４；７２４）に集中するための導電領域（３２０ｂ；７０３）を形作ることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
30. 前記デバイスアクティブ領域は、前記領域内の電荷キャリア再結合サイト密度を上げるために、金ドープされているか、又は放射線に曝されていることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
31. 金属ケイ化物内に、それ自身とそれに接合されている層との間の応力を開放するために、孔、島、溝の内少なくとも１つが形成されていることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
32. デバイスに電気的バイアスをかけるための伝導経路を設けるための埋込層を含んでおり、前記埋込層が１．５μΩｍ以下の抵抗係数を有することを特徴とする光学デバイス。
33. デバイスに電気的バイアスをかけるための伝導経路を設けるための埋込層を含んでおり、前記埋込層が平方当たり７．５Ω以下のシート抵抗を有することを特徴とする光学デバイス。

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