JP2008096484A

JP2008096484A - 光半導体装置

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Publication number: JP2008096484A
Application number: JP2006274752A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Kishima; 公一朗木島
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2006-10-06
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2008-04-24
Also published as: US20080085075A1; CN101158731B; CN101158731A; US7526170B2

Abstract

【課題】一般にリッジ型の光導波路は、光の閉じこめが強くないため、ストリップ型の光導波路と比較すると、光導波路を屈曲させた場合の光の導波損失が大きくなるので、その光導波路の屈曲部での光の導波損失を低減することを可能とする。
【解決手段】半導体領域１６と、前記半導体領域１６内に形成された第１光閉じ込め層１２と第２光閉じ込め層１４とに挟まれてなる光導波路２１と、前記光導波路２１の屈曲部の曲率半径方向に対して該屈曲部の外側および内側の少なくとも一方側上の前記半導体領域１６に形成した絶縁膜領域２２とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路の屈曲部の導波損失を低減させた光導波路を備えた光半導体装置に関する。

ＳＩＭＯＸ（Separation by Iｍplanted Oxygen）法によりシリコン基板の表面の直下に光導波路を形成する方法がある。この方法は、表面が平坦な状態で表面側に単結晶のシリコン材料を残しながら、内部に光導波路となる部分を形成することができるという特徴を有している（例えば、非特許文献１参照。）。このため、光集積回路と電気集積回路とを１つのシリコン基板に３次元的に集積することができる製法であるという点で特に注目されている。

ここで、ＳＩＭＯＸ法による光導波路の構成例は、図１２に示すように、シリコン基板１１１上に第１酸化シリコン層１１２を介してシリコン層１１３が形成され、このシリコン層１１３中に第２酸化シリコン層１１４が形成されているものである。この第１酸化シリコン層１１２と第２酸化シリコン層１１４との間のシリコン層１１３が光導波路を形成する第１シリコン層１１５であり、この第１シリコン層１１５の膜厚の厚い部分、すなわち第１酸化シリコン膜１１２がシリコン基板１１１側に凹まして形成されている部分上が光導波路１２１となる。この場合、第２酸化シリコン層１１４は両面とも平坦な面で形成されている。また、第２酸化シリコン層１１４上のシリコン層１１３は第２シリコン層１１６となっている。上記構成を形成するには、シリコン基板１１１上で上記光導波路１２１が形成される領域上を開口したマスク（図示せず）を形成した後に、例えば酸素をイオン注入することで、上記第１酸化シリコン層１１２を形成し、さらに上記マスクを除去した後に、例えば酸素をイオン注入することで、上記第２酸化シリコン層１１４を形成する。これによって、第１シリコン層１１５でリッジ形状の光導波路１２１が形成される。

また、図１３に示すように、シリコン基板１１１上に第１酸化シリコン層１１２を介してシリコン層１１３が形成されている。このシリコン層１１３中には第２酸化シリコン層１１４が形成され、上記第１酸化シリコン層１１２と上記第２酸化シリコン層１１４とに挟まれたシリコン層１１３（第１シリコン層１１５）は、光導波路１２１となる領域が他の領域よりも厚く形成されている。また、第２酸化シリコン層１１４上のシリコン層１１３は第２シリコン層１１６となっている。したがって、第１シリコン層１１５と第２シリコン層１１６とは同一層で形成されるので、このシリコン層１１３上で上記光導波路が形成される領域上にマスク（図示せず）を形成した後に、例えば酸素をイオン注入することで、上記第２シリコン層１１６を形成し、第１シリコン層１１５でリッジ形状の光導波路１２１を形成する。つまり、ＳＯＩ（Silicon on insulator）基板のシリコン層１１３中に、酸素をイオン注入することにより、上記構成の光導波路１２１を形成することができる。

ＳＩＭＯＸ法などの手法によりシリコン基板の内部に光導波路を形成した基板の表面にＭＯＳデバイスを作製する提案が最近なされている（例えば、非特許文献２参照。）。このＳＩＭＯＸ法によりシリコン基板の内部に作製した光導波路は、リッジ型の光導波路の形成が報告されている。しかし、一般にリッジ型の光導波路は、光の閉じこめが強くないため、ストリップ型の光導波路と比較すると、光導波路を屈曲させた場合の光の導波損失が大きくなるという欠点が存在する。

Prakash Koonath, Koichiro Kisima, Tejaswi Indukuri,and Bahram Jalali 著「Sculpting of three-dimensional nano-optical structures in silicon」APPLIDE PHYSICS LETTERS VOL.83 Number24 p.4909-4911 ２００３年１２月１５日 Tejaswi Indukuri, Prakash Koonath,and Bahram Jalali 著「Three-dimensional Integration of metal-oxide-semiconductor transistor with subterranean photonics in silicon」APPLIDE PHYSICS LETTERS VOL.88 121108-1-3 ２００６年

解決しようとする問題点は、一般にリッジ型の光導波路は、光の閉じこめが強くないため、ストリップ型の光導波路と比較すると、光導波路を屈曲させた場合の光の導波損失が大きくなるという欠点が存在する点である。

本発明は、光導波路の屈曲部での光の導波損失を低減することを課題とする。

本発明の光半導体装置は、半導体領域と、前記半導体領域内に形成された第１光閉じ込め層と第２光閉じ込め層とに挟まれてなる光導波路と、前記光導波路の屈曲部の中央部より外側および内側の少なくとも一方側上の前記半導体領域に形成した絶縁膜領域とを備えたことを特徴とする。

本発明の光半導体装置では、光導波路の屈曲部の中央部より外側および内側の少なくとも一方側上の半導体領域に形成した絶縁膜領域を備えたことから、光導波路の屈曲部における導波損失が低減される。これは、光導波路中を導波される光が光導波路の屈曲部において絶縁膜領域により光導波路外に放出される光を光導波路内に戻す効果があるためである。

本発明の光半導体装置によれば、光導波路の屈曲部における導波損失を低減できるため、光の導波効率を高めることができるので、高性能な光導波路を備えた光半導体装置を提供することができるという利点がある。

本発明の光半導体装置の一実施の形態（第１実施例）を、図１の概略構成断面図および図２の平面レイアウト図によって説明する。

図１に示すように、半導体基板１１と、この半導体基板１１上に第１光閉じ込め層１２を介して形成されたもので、光導波路２１となる領域が他の領域よりも厚く形成された第１半導体層１３と、この第１半導体層１３上に第２光閉じ込め層１４を介して形成された第２半導体層１５とが形成されている。上記半導体基板１１には、例えばシリコン基板を用いる。そして、上記第１光閉じ込め層１２、第２光閉じ込め層１４は、上述の半導体層よりも屈折率の低い絶縁膜が用いられ、例えば酸化シリコン膜で形成されている。そして、第１光閉じ込め層１２は第１半導体層１３側が平坦に形成され、第２閉じ込め層１４は第１半導体層１２の光導波路２１となる部分が厚くなるように、第２半導体層１５側に凹ました状態に形成されている。また、上記第１半導体層１３、第２半導体層１５にはシリコン層が用いられる。

すなわち、上記半導体基板１１、第１半導体層１３および第２半導体層１５により半導体領域１６が形成されている。また、第１半導体層１３と第２半導体層１５とは同一の半導体層で形成され、この半導体層に上記第２光閉じ込め層１４は、ＳＩＭＯＸ法などにより、例えば酸素のイオン注入により、酸化シリコンで形成されている。さらに、上記光導波路２１は、リッジ型の光導波路となっている。

図２に示すように、上記光導波路２１は、所望の経路に形成され、その経路中の光導波路の屈曲部２１Ｃには、その屈曲部２１Ｃの中央部（中央線Ｃ）より外側および内側の少なくとも一方側上の上記半導体領域１６（第２シリコン層１５）に、上記光導波路２１にそって絶縁膜領域２２が形成されている。本第１実施例では、光導波路２１の両側の傾斜した側壁上方の第２光閉じ込め層１４上の半導体領域１６（第２シリコン層１５）に絶縁膜領域２２（２２ａ、２２ｂ）が光導波路２１の両側上方に沿って形成されている。

また、図１に示すように、上記第２半導体層１５には、ＭＯＳデバイスが形成されていてもよい。例えば、ＭＯＳトランジスタ４１、５１が形成されている。ＭＯＳトランジスタ４１は、例えば、第２半導体層１５上にゲート絶縁膜４２を介してゲート電極４３が形成され、このゲート電極４３の両側の第２半導体層１５にソース・ドレイン４４、４５が形成されている。同様にＭＯＳトランジスタ５１は、例えば、第２半導体層１５上にゲート絶縁膜５２を介してゲート電極５３が形成され、このゲート電極５３の両側の第２半導体層１５にソース・ドレイン５４、５５が形成されている。そして、ＭＯＳトランジスタ４１、５１間において、電気的干渉を低減するため、通常、電気的に分離する素子分離領域が形成されるが、ここではこの素子分離領域を上記絶縁膜領域２２が兼ねることができ、この絶縁膜領域２２は、通常のＭＯＳトランジスタの素子分離技術であるシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ：Shallow Trench Isolation）技術によって形成することができる。

例えば、第２半導体層１５の絶縁膜領域２２を形成する領域に、通常のレジスト膜形成、リソグラフィー技術によるレジスト膜のパターニングによって、絶縁膜領域２２を形成する領域上に開口を設けたエッチングマスクを形成し、そのエッチングマスクを用いて、第２半導体層１５を第２光閉じ込め層１４までエッチングして溝を形成する。この溝内に絶縁膜を埋め込み、第２半導体層１５上に形成された余剰な絶縁膜を研磨、例えば化学的機械研磨によって除去する。これによって、第２半導体層１５に第２光閉じ込め層１４に達する絶縁膜領域２２を形成することができる。

上記光半導体装置１では、光導波路２１の屈曲部２１Ｃの曲率半径方向に対して該屈曲部２１Ｃの外側および内側の少なくとも一方側上の半導体領域１６（第２シリコン層１５）に形成した絶縁膜領域２２を備えたことから、光導波路２１の屈曲部２１Ｃにおける導波損失が低減される。これは、光導波路２１中を導波される光が光導波路２１の屈曲部２１Ｃにおいて絶縁膜領域２２により光導波路２１外に放出される光を光導波路２１内に戻す効果があるためである。よって、光導波路の屈曲部２１Ｃにおける導波損失を低減できるため、光の導波効率を高めることができるので、高性能な光導波路２１を備えた光半導体装置１を提供することができるという利点がある。また、上記構成では、絶縁膜領域２２を光導波路２１の両側壁部上方に設けたが、一方側であっても、効果は得られる。

次に、本発明の光半導体装置の一実施の形態（第２実施例）を、図３の概略構成断面図によって説明する。なお、前記第１実施例と同様な構成部品には同一符号を付して説明する。

図３に示すように、半導体基板１１と、この半導体基板１１上に第１光閉じ込め層１２を介して形成されたもので、光導波路２１となる領域が他の領域よりも厚く形成された第１半導体層１３と、この第１半導体層１３上に第２光閉じ込め層１４を介して形成された第２半導体層１５とが形成されている。上記半導体基板１１には、例えばシリコン基板を用いる。そして、上記第１光閉じ込め層１２、第２光閉じ込め層１４は、上述の半導体層よりも屈折率の低い絶縁膜が用いられ、例えば酸化シリコン膜で形成されている。そして、第１光閉じ込め層１２は第１半導体層１２の光導波路２１となる部分が厚くなるように、半導体基板１１側に凹ました状態に形成されている。また第２閉じ込め層１４は第１半導体層１３側が平坦に形成されている。上記第１半導体層１３、第２半導体層１５にはシリコン層が用いられる。

すなわち、上記半導体基板１１、第１半導体層１３および第２半導体層１５により半導体領域１６が形成されている。また、上記第１光閉じ込め層１２は、ＳＩＭＯＸ法などにより、例えば半導体基板１１への酸素のイオン注入により、酸化シリコンで形成されている。さらに、上記光導波路２１は、リッジ型の光導波路となっている。

上記光導波路２１は、所望の経路に形成され、前記図２によって説明したのと同様に、その経路中の光導波路の屈曲部２１Ｃには、その屈曲部２１Ｃの曲率半径方向に対して、屈曲部の外側および内側の少なくとも一方側上の上記半導体領域１６（第２シリコン層１５）に、上記光導波路２１にそって絶縁膜領域２２が形成されている。本第２実施例では、光導波路２１の両側の傾斜した側壁上方の第２光閉じ込め層１４上の半導体領域１６（第２シリコン層１５）に絶縁膜領域２２（２２ａ、２２ｂ）が光導波路２１の両側上方に沿って形成されている。

上記第２半導体層１５には、ＭＯＳデバイスが形成されていてもよい。例えば、ＭＯＳトランジスタ４１、５１が形成されている。ＭＯＳトランジスタ４１は、例えば、第２半導体層１５上にゲート絶縁膜４２を介してゲート電極４３が形成され、このゲート電極４３の両側の第２半導体層１５にソース・ドレイン４４、４５が形成されている。同様にＭＯＳトランジスタ５１は、例えば、第２半導体層１５上にゲート絶縁膜５２を介してゲート電極５３が形成され、このゲート電極５３の両側の第２半導体層１５にソース・ドレイン５４、５５が形成されている。そして、ＭＯＳトランジスタ４１、５１間において、電気的干渉を低減するため、通常、電気的に分離する素子分離領域が形成されるが、ここではこの素子分離領域を上記絶縁膜領域２２が兼ねることができ、この絶縁膜領域２２は、通常のＭＯＳトランジスタの素子分離技術であるシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ：Shallow Trench Isolation）技術によって形成することができる。

上記光半導体装置２では、前記光半導体装置１と同様に、光導波路２１の屈曲部２１Ｃの曲率半径方向に対して該屈曲部２１Ｃの外側および内側の少なくとも一方側上の半導体領域１６（第２シリコン層１５）に形成した絶縁膜領域２２を備えたことから、光導波路２１の屈曲部２１Ｃにおける導波損失が低減される。これは、光導波路２１中を導波される光が光導波路２１の屈曲部２１Ｃにおいて絶縁膜領域２２により光導波路２１外に放出される光を光導波路２１内に戻す効果があるためである。よって、光導波路の屈曲部２１Ｃにおける導波損失を低減できるため、光の導波効率を高めることができるので、高性能な光導波路２１を備えた光半導体装置２を提供することができるという利点がある。また、上記構成では、絶縁膜領域２２を光導波路２１の両側壁部上方に設けたが、一方側であっても、効果は得られる。

次に、本発明の光半導体装置の一実施の形態（第３実施例）を図４の概略構成断面図によって、一実施の形態（第４実施例）を図５の概略構成断面図によって説明する。

図４に示すように、絶縁膜領域２２以外の構成は、前記図１によって説明したのと同様である。よって、ここでは絶縁膜領域２２について説明する。絶縁膜領域２２は、レイアウト上、光導波路２１側部上を含め、光導波路２１に重なるように、第２光閉じ込め層１４上の第２半導体層１５に形成されている。この構成でも、光導波路の屈曲部２１Ｃ（前記図２参照）における導波損失を低減できるため、光の導波効率を高めることができる。

また、図５に示すように、絶縁膜領域２２以外の構成は、前記図３によって説明したのと同様である。よって、ここでは絶縁膜領域２２について説明する。絶縁膜領域２２は、レイアウト上、光導波路２１側部上を含め、光導波路２１に重なるように、第２光閉じ込め層１４上の第２半導体層１５に形成されている。この構成でも、光導波路の屈曲部２１Ｃ（前記図２参照）における導波損失を低減できるため、光の導波効率を高めることができる。

次に、本発明の光半導体装置の各種構成について、光の導波損失をシミュレーションによって調べた結果を説明する。

シミュレーションでは、構成を簡単化したモデルによって行った。基本構成を図６の概略構成断面図によって説明する。この構成は、絶縁膜領域２２を形成しない構成であり、この構成を構成Ａとする。

図６に示すように、半導体基板１１と、この半導体基板１１上に第１光閉じ込め層１２を介して形成されたもので、光導波路２１となる領域が他の領域よりも厚く形成された第１半導体層１３と、この第１半導体層１３上に第２光閉じ込め層１４を介して形成された第２半導体層１５とが形成されている。上記半導体基板１１はシリコン基板とし、第１光閉じ込め層１２、第２光閉じ込め層１４は酸化シリコン膜とした。また、第１半導体層１３、第２半導体層１５はシリコン層とした。そして、第１光閉じ込め層１２は第１半導体層１３側が平坦に形成され、第２閉じ込め層１４は第１半導体層１２の光導波路２１となる部分が厚くなるように、第２半導体層１５側に凹ました状態に形成されているとした。また、計算を簡単化するため、光導波路２１は矩形断面とした。

各部の寸法は、図示の通りであり、第１光閉じ込め層１２の膜厚は０．４μｍ、第１半導体層１３の膜厚は０．０９μｍであり、光導波路２１の部分の膜厚は０．１９μｍである。また第２光閉じ込め層１４の膜厚は０．１μｍ、第２半導体層の膜厚は０．１７５μｍで、光導波路２１上の膜厚は０．０７５μｍとした。さらに、光導波路２１の幅は１．０μｍ、光導波路２１の両側における第２光閉じ込め層１４の段差形成部１４Ｓ１、１４Ｓ２の幅は０．３μｍ、その両側の第２光閉じ込め層１４の幅を５．０μｍとした。

上記基本構成に対して、絶縁膜領域２２を形成した構成を図７〜図１２の概略構成断面図によって説明する。

図７に示すように、絶縁膜領域２２は、レイアウト上、光導波路２１両端に重なるように、光導波路２１の両外側上における第２光閉じ込め層１４の段差形成部１４Ｓ１、１４Ｓ２上の第２半導体層１５に形成されているもので、この構成を構成Ｂとする。

図８に示すように、絶縁膜領域２２は、レイアウト上、光導波路２１上の第２光閉じ込め層１４および第２光閉じ込め層１４の段差形成部１４Ｓ１、１４Ｓ２上の第２半導体層１５に形成されているもので、この構成を構成Ｃとする。

図９に示すように、絶縁膜領域２２は、レイアウト上、光導波路２１上の第２光閉じ込め層１４の第２半導体層１５に形成されているもので、この構成を構成Ｄとする。この構成Ｄでは、絶縁膜領域２２は第２光閉じ込め層１４の段差形成部１４Ｓ１、１４Ｓ２上には形成されていない。

図１０に示すように、絶縁膜領域２２は、レイアウト上、光導波路２１一端に重なるように、光導波路２１の側方における第２光閉じ込め層１４の一方の段差形成部１４Ｓ１上、この場合は光導波路２１が前記図２のように曲折しているとして、光導波路２１の曲折部２１Ｃ（前記図２参照）内側上方の第２半導体層１５に形成されているもので、この構成を構成Ｅとする。

図１１に示すように、絶縁膜領域２２は、レイアウト上、光導波路２１両端に重なるように、光導波路２１の側方における第２光閉じ込め層１４の一方の段差形成部１４Ｓ２上、この場合は光導波路２１が前記図２のように曲折しているとして、光導波路２１の曲折部２１Ｃ（前記図２参照）外側上方の第２半導体層１５に形成されているもので、この構成を構成Ｆとする。

上記構成Ａ〜Ｆについて、導波損失を計算した。計算では、光導波路２１の曲折部２１の曲率半径を１０μｍの場合と２０μｍの場合について、導波損失Ｌを計算した。ここで、光導波路２１の曲率半径とは、光導波路２１の中央線（前記図２の１点鎖線で示す線）における曲率半径をいう。また、上記光導波路２１の導波損失Ｌは、１ｃｍあたり導波した場合にその導波光量がｅｘｐ（−Ｌ）になるように定義された数値である。曲率半径２０μｍの屈曲部を用いて光導波路の角度を９０°回転させた場合の導波長さは、３．１４×２０×２／４であるので、約３１．４μｍとなり、１ｃｍには満たないが、表１においては導波損失の比較を容易にするために、このような損失Ｌを用いた。なお、この計算結果においては、前記図２示したように、光導波路が紙面に対して左側に屈曲している場合の計算結果を表１に示す。

絶縁膜領域２２を形成しない構成Ａでは、曲率半径が２０μｍの場合に導波損失が１９．４５であり、曲率半径が１０μｍの場合に導波損失が５０．７８であった。この値を基準として考察する。

絶縁膜領域２２を設けたことが最も効果的に現れたのは、構成Ｆである。この構成Ｆでは、曲率半径が２０μｍの場合に導波損失が５．８１であり、曲率半径が１０μｍの場合に導波損失が１５．８４であった。また、構成Ｂでも、曲率半径が２０μｍの場合に導波損失が５．９５であり、曲率半径が１０μｍの場合に導波損失が１６．０２であり、構成Ｆとほぼ同等な効果が得られた。すなわち、絶縁膜領域２２は、光導波路２１の屈曲部２１Ｃの外側上方における第２半導体層１５に形成することが最も有効であることが判る。

一方、構成Ｄでは、曲率半径が２０μｍの場合に導波損失が２０．７８であり、曲率半径が１０μｍの場合に導波損失が５１．０８であり、むしろ、構成Ａよりも悪化していることがわかった。絶縁膜領域２２は、レイアウト上、光導波路２１に重なるように形成したのでは、全く効果が得られないことを示している。

また、構成Ｃでは、曲率半径が２０μｍの場合に導波損失が８．８６であり、曲率半径が１０μｍの場合に導波損失が２２．２０であり、絶縁膜領域２２を設けた効果は見られるが、レイアウト上、光導波路２１に重なるように形成した部分がマイナスに作用して、構成Ｆや構成Ｂのような導波損失レベルにならなかったものといえる。

また、構成Ｅでは、曲率半径が２０μｍの場合に導波損失が５．２３であり、曲率半径１０μｍの場合に導波損失が５１．３４であり、曲率半径が２０μｍの場合に絶縁膜領域２２を設けた効果は見られるが、曲率半径が１０μｍの場合には、むしろ、構成Ａよりも悪化していることがわかった。したがって、構成Ｅは、曲率半径が２０μｍ以上の大きな曲率半径を有する部分に形成することは有効であるが、曲率半径が２０μｍよりもちいさくなると、その効果は低減される、曲率半径が１０μｍでは効果が得られなくなることがわかった。すなわち、導波損失の低減効果は光導波路２１の曲折部２１Ｃの曲率半径に依存している。

本発明の光半導体装置の一実施の形態（第１実施例）を示した概略構成断面図である。本発明の光半導体装置の一実施の形態（第１実施例）を示したレイアウト図である。本発明の光半導体装置の一実施の形態（第２実施例）を示した概略構成断面図である。本発明の光半導体装置の一実施の形態（第３実施例）を示した概略構成断面図である。本発明の光半導体装置の一実施の形態（第４実施例）を示した概略構成断面図である。シミュレーションの構成Ａ（基本構成）を示した概略構成断面図である。シミュレーションの構成Ｂを示した概略構成断面図である。シミュレーションの構成Ｃを示した概略構成断面図である。シミュレーションの構成Ｄを示した概略構成断面図である。シミュレーションの構成Ｅを示した概略構成断面図である。シミュレーションの構成Ｆを示した概略構成断面図である。従来の光半導体装置の一例を示した概略構成断面図である。従来の光半導体装置の一例を示した概略構成断面図である。

符号の説明

１…光半導体装置、１２…第１光閉じ込め層、１４…第２光閉じ込め層、２１…光導波路、２２…絶縁膜領域

Claims

半導体領域と、
前記半導体領域内に形成された第１光閉じ込め層と第２光閉じ込め層とに挟まれてなる光導波路と、
前記光導波路の屈曲部の中央部より外側および内側の少なくとも一方側上の前記半導体領域に形成した絶縁膜領域と
を備えたことを特徴とする光半導体装置。
前記絶縁膜領域は前記光導波路の側面上方から外側および内側の一方側上の前記半導体領域に形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
前記光導波路はリッジ型の光導波路からなる
ことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
前記絶縁膜領域は、前記絶縁膜領域が形成された前記半導体領域に形成されるＭＯＳデバイスの素子分離領域と共用されている
ことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。