JP2013195715A - 半導体光変調素子及び半導体光変調素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性が高く、光損失の低い半導体光変調素子を提供する。
【解決手段】半導体材料により形成されており、入射した光が伝播する光変調導波路と、前記光変調導波路の側面の両側において、前記光変調導波路の各々の側面と接続されている半導体材料により形成された接続構造部と、前記光変調導波路及び前記接続構造部の下側に形成された下部酸化膜層と、前記接続構造部と接している下部酸化膜層の一部を除去することに形成された空間部と、を有することを特徴とする半導体光変調装置により上記課題を解決する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、半導体光変調素子及び半導体光変調素子の製造方法に関するものである。

近年における情報通信の増大に伴い、光通信及び光伝送における超高速化と大容量化の検討がなされており、このような光通信等には、様々な光変調器や光スイッチ等が用いられている。このような光変調器の１つとして、広帯域な波長の入力光に対応したマッハツェンダ（Mach-Zehnder；ＭＺ）型光変調器がある。（例えば、特許文献１）

図１は、マッハツェンダ型の光変調器において、伝播する光の位相変調がなされる光導波路部分の構造を示すものである。また、図２（ａ）は、図１における一点鎖線１Ａ−１Ｂにおいて切断された断面図であり、図２（ｂ）は、図１における一点鎖線１Ｃ−１Ｄにおいて切断された断面図である。

この光変調器は、光が伝播する半導体材料により形成された光導波路９１０を有している。また、光導波路９１０は、例えば、光が入射する側に形成されたストレート光導波路９１０ａと、位相変調がなされる光変調導波路９２０と、光が出射する側に形成されたストレート光導波路９１０ｂを有している。これにより、ストレート光導波路９１０ａの端部より入射した光は、ストレート光導波路９１０ａ、光変調導波路９２０、ストレート光導波路９１０ｂを順に伝播した後、ストレート光導波路９１０ｂの端部より出射する。光変調導波路９２０の側面においては、一方の側には接続構造部９２１が設けられており、他方の側には接続構造部９２２が設けられている。また、接続構造部９２１には、ｎ型領域９２１ａが設けられており、ｎ型領域９２１ａにおいて、接続構造部９２１は共通電極９３０と接続されている。同様に、接続構造部９２２には、ｐ型領域９２２ａが設けられており、ｐ型領域９２２ａにおいて、接続構造部９２２は信号電極９３１と接続されている。尚、光変調導波路９２０が形成されている部分では、光変調導波路９２０と接続構造部９２１及び９２２等により形成される形状が格子状であることから、側面格子構造と称され、入射した光は光変調導波路９２０に局在して伝播する。

このような構造の光変調器では、共通電極９３０と信号電極９３１との間に印加する電圧を変化させることにより、ｎ型領域９２１ａとｐ型領域９２２ａとの間において、電子及びホールのフリー・キャリアの濃度を変化させることができる。これにより、フリー・キャリア・プラズマ効果によって、コア層である光変調導波路９２０における屈折率が変化するため、光変調導波路９２０を伝播する光の位相を変調させることができる。（例えば、非特許文献１）
ところで、このような光変調器は、例えば、図２に示されるように、光導波路９１０は、基板９０１の上に形成された酸化膜層９０２の上に形成されている。具体的には、基板９０１はシリコンにより形成されており、酸化膜層９０２は酸化シリコン層により形成されており、光導波路９１０はシリコン層により形成されている。従って、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いて形成することが可能であり、この場合、光導波路９１０は、ＳＯＩ層により形成され、酸化膜層９０２はＢＯＸ（buried oxide）層により形成される。

また、光導波路９１０を形成しているストレート光導波路９１０ａ、光変調導波路９２０、ストレート光導波路９１０ｂの上には、オーバークラッド層とも呼ばれる上部酸化膜層９４０が形成されている。上部酸化膜層９４０は、酸化シリコンにより形成されており、酸化膜層９０２は下部酸化膜層となるものであるため、光導波路９１０は、上下方向において、下部酸化膜層である酸化膜層９０２と上部酸化膜層９４０により挟まれた構造となっている。

米国特許第７２５１４０８号明細書

S. Akiyama, "12.5-Gb/s Operation ofEfficient Silicon Mach-Zehnder Modulator Using Side-Wall Grating Waveguide,"(WA4) in proceeding of 8th IEEE International Conference on Group IVPhotonics (GFP 2011). T.Tanabe et al, "Low power and fast electro-optic siliconmodulator with lateral p-i-n embedded photonic crystalnanocavity," Optics express, 17, 22505 (2009). Y A. Vlasov et al, "Activecontrol of slow light on a chip with photonic crystal waveguides," nature, 438,65 (2005).

ところで、図１及び図２に示す構造の光変調器においては、伝播光は接続構造部９２１におけるｎ型領域９２１ａ、接続構造部９２２におけるｐ型領域９２２ａ等まで広がるため、キャリア吸収による光損失が大きい。このため、光導波路９１０の全体を完全に中空にした構造のものが開示されている（例えば、特許文献２及び３）。しかしながら、このような構造ものは、モードミスマッチが大きく、光導波路９１０を伝播する光の一部は、光変調導波路９２０とストレート光導波路９１０ｂとの間において反射されるため、光損失が大きくなる。これは、光変調導波路９２０の側面には、接続構造部９２１及び９２２が形成されているが、ストレート光導波路９１０ｂの側面には、接続構造部９２１及び９２２に相当するものが形成されていないことによるものと考えられる。また、このような構造のものは、機械的強度も低く、信頼性等も低い。

よって、信頼性が高く、光損失の低い半導体光変調素子及び半導体光変調素子の製造方法が求められている。

本実施の形態の一観点によれば、半導体材料により形成されており、入射した光が伝播する光変調導波路と、前記光変調導波路の側面の両側において、前記光変調導波路の各々の側面と接続されている半導体材料により形成された接続構造部と、前記光変調導波路及び前記接続構造部の下側に形成された下部酸化膜層と、前記接続構造部と接している下部酸化膜層の一部を除去することに形成された空間部と、を有することを特徴とする。

また、本実施の形態の他の一観点によれば、半導体材料により形成されており、入射した光が伝播する光変調導波路と、前記光変調導波路の側面の両側に形成されており、前記光変調導波路の側面と接続されている半導体材料により形成された接続構造部と、前記光変調導波路及び前記接続構造部の上側に形成された上部酸化膜層と、前記上部酸化膜層において、前記接続構造部の上の一部又は全部に形成された開口部と、を有することを特徴とする。

また、本実施の形態の他の一観点によれば、基板上に下部酸化膜層が形成されており、前記下部酸化膜層の上に半導体層が形成されているものにおいて、前記半導体層の一部を除去することにより、光変調導波路及び前記光変調導波路の側面の両側において接続されている接続構造部を形成する工程と、前記光変調導波路の側面の一方の側に形成された一方の接続構造部の全部又は一部に、第１の導電型の領域を形成し、他方の側に形成された他方の接続構造部の全部又は一部に、第２の導電型の領域を形成する工程と、前記光変調導波路及び前記接続構造部の上に、上部酸化膜層を形成する工程と、前記接続構造部の上の前記上部酸化膜層の全部または一部を除去することにより、開口部を形成する工程と、前記開口部に対応する部分の前記下部酸化膜層において、前記接続構造部と接している前記下部酸化膜層の一部を除去することにより空間部を形成する工程と、を有することを特徴とする。

開示の半導体光変調素子及び半導体光変調素子の製造方法によれば、信頼性が高く、光損失の低い半導体光変調素子を得ることができる。

従来の半導体光変調素子の説明図（１） 従来の半導体光変調素子の説明図（２） 第１の実施の形態における半導体光変調素子の上面図 第１の実施の形態における半導体光変調素子の説明図 第１の実施の形態における半導体光変調素子の断面図 半導体光変調素子のシミュレーションにおけるモデルの説明図（１） 光導波路における位置とエネルギー密度との関係図（１） 半導体光変調素子のシミュレーションにおけるモデルの説明図（２） 光導波路における位置とエネルギー密度との関係図（２） 第１の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（１） 第１の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（２） 第１の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（３） 第１の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（４） 第１の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（５） 第１の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（６） 第１の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（７） 第１の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（８） 第１の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（９） 第２の実施の形態における半導体光変調素子の説明図 第３の実施の形態における半導体光変調素子の説明図 第３の実施の形態における半導体光変調素子の断面図 第３の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（１） 第３の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（２） 第３の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（３） 第３の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（４） 第３の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（５） 第３の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（６） 第３の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（７） 第３の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（８） 第３の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（９） 第３の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（１０） 第４の実施の形態における半導体光変調素子の説明図 第４の実施の形態における半導体光変調素子の断面図 半導体光変調素子のシミュレーションにおけるモデルの説明図（３） シミュレーションにより得られた光導波路におけるモード分布図 第４の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（１） 第４の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（２） 第４の実施の形態における半導体光変調素子の製造方法の工程図（３）

実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

〔第１の実施の形態〕
（半導体光変調素子）
第１の実施の形態における半導体光変調素子について、図３から図５に基づき説明する。図３は、本実施の形態における半導体光変調素子であるマッハツェンダ型の光変調器の上面図であり、図４は、図３における一点鎖線３Ａにより囲まれた領域の拡大図である。また、図５（ａ）は、図４における一点鎖線４Ａ−４Ｂにおいて切断された断面図であり、図５（ａ）は、図４における一点鎖線４Ｃ−４Ｄにおいて切断された断面図であり、図５（ｃ）は、図４における一点鎖線４Ｅ−４Ｆにおいて切断された断面図である。

図３に示されるマッハツェンダ型の光変調器では、連続光を入射側の光導波路１０ａに入射させることにより、出射側の光導波路１０ｂより変調光が出射する構造のものである。この半導体光変調素子は、第１の光導波路１１と第２の光導波路１２とを有しており、第１の光導波路１１及び第２の光導波路１２における双方の光が入射する側は入射側の光導波路１０ａと接続されており、光が出射する側は出射側の光導波路１０ｂと接続されている。従って、入射側の光導波路１０ａに入射した連続光は、第１の光導波路１１を伝播する光と第２の光導波路１２を伝播する光に分岐され、所望の変調等がなされた後、出射側の光導波路１０ｂにおいて合流し、変調光として出射される。

本実施の形態における半導体光変調素子は、共通電極３０、第１の信号電極３１、第２の信号電極３２を有しており、共通電極３０は、第１の光導波路１１と第２の光導波路１２との間に形成されている。また、第１の光導波路１１は、共通電極３０と第１の信号電極３１との間に挟まれており、第２の光導波路１２は、共通電極３０と第２の信号電極３２との間に挟まれている。

本実施の形態では、コア層となる第１の光導波路１１には、光変調導波路２０等が設けられており、光変調導波路２０等に光が入射する側にはストレート光導波路１１ａが、出射する側にはストレート光導波路１１ｂが設けられている。また、光変調導波路２０の両側の側面には、半導体層の一部を除去することにより、光変調導波路２０の両側の側面から各々延びる棒形状の接続構造部２１及び２２が複数形成されている。このように、光変調導波路２０の側面の一方の側には一方の接続構造部２１が所定の間隔で形成されており、側面の他方の側には他方の接続構造部２２が所定の間隔で形成されている。尚、第２の光導波路１２についても同様である。また、本実施の形態における半導体装置は、第１の光導波路１１及び第２の光導波路１２は半導体層に形成されているものであるが、この半導体層は、Ｓｉ基板等の基板６０の上に形成された酸化膜層６１の上に形成されている。よって、本実施の形態における半導体光変調素子は、ＳＯＩ基板を用いて作製することができる。

本実施の形態では、コア層となる第１の光導波路１１等の幅Ｗ１は、約４４０ｎｍとなるように形成されている。また、第１の光導波路１１における光変調導波路２０と共通電極３０との間及び光変調導波路２０と第１の信号電極３１との間の間隔Ｄ１は、約２μｍとなるように形成されており、この間隔Ｄ１の値は、接続構造部２１及び２２における長さの値と等しい。また、接続構造部２１及び２２は、光変調導波路２０等における光の伝播方向と略垂直方向に延びるように形成されており、形成される接続構造部２１及び２２の幅Ｋ１は約６０〜８０ｎｍであり、ピッチＰ１は約２８５ｎｍである。尚、接続構造部２１及び２２等の幅Ｋ１は、光変調導波路２０等を伝播する光が光変調導波路２０等より漏れ出すことがないように、所定の幅、具体的には、光変調導波路２０等の幅Ｗ１よりも狭い幅となるように形成されている。また、本実施の形態では、第１の光導波路１１等と接続構造部２１及び２２等は、略同じ厚さで形成されており、この高さＨ１は約２２０ｎｍである。

本実施の形態における半導体光変調素子では、一方の接続構造部２１には、ｎ型領域２１ａが設けられており、ｎ型領域２１ａにおいて、接続構造部２１と共通電極３０とが接続されている。また、他方の接続構造部２２には、ｐ型領域２２ａが設けられており、ｐ型領域２２ａにおいて、接続構造部２２と第１の信号電極３１とが接続されている。

本実施の形態においては、ｎ型領域２１ａには、不純物濃度が約１×１０^２０ｃｍ^−３となるように、不純物元素としてＰ（リン）がイオン注入されている。また、ｐ型領域２２ａには、不純物濃度が約１×１０^２０ｃｍ^−３となるように、不純物元素としてＢ（ボロン）がイオン注入されている。尚、本実施の形態においては、ｎ型領域２１ａを形成するための不純物元素としては、Ｐ以外にもＡｓ等を用いることができ、ｐ型領域２２ａを形成するための不純物元素としては、Ｂ以外にもＡｌ等を用いることができる。また、本実施の形態では、ｎ型を第１の導電型と、ｐ型を第２の導電型として説明するが、これらの関係は逆であってもよい。

また、本実施の形態における半導体光変調素子には、第１の光導波路１１等の上には、上部酸化膜層４０が形成されている。上部酸化膜層４０は、酸化シリコンにより形成されており、コア層である第１の光導波路１１等は、基板６０の上に形成された下部酸化膜層となる酸化膜層６１と上部酸化膜層４０により上下が挟まれた構造となっている。

この構造の半導体光変調素子では、電圧信号源７０により、共通電極３０と第１の信号電極３１との間に印加する電圧を変化させることにより、ｎ型領域２１ａとｐ型領域２２ａとの間において電子及びホールのフリー・キャリアの濃度を変化させることができる。これにより、フリー・キャリア・プラズマ効果によって、コア層である光変調導波路２０等における屈折率が変化し、光変調導波路２０等において伝播する光の位相を変調させることができる。

また、本実施の形態における半導体光変調素子は、光変調導波路２０の両側の領域において、接続構造部２１及び２２の下側部分における酸化膜層６１の一部を除去することにより、空間部６２が形成されている。同様に、同じ領域における接続構造部２１及び２２の上側に開口部４１を有する上部酸化膜層４０が形成されている。このように、空間部６２や開口部４１を形成することにより、光変調導波路２０を伝播する光が、接続構造部２１及び２２に漏れ出すことをより一層防ぐことができ、光変調導波路２０の内部における光の局在性を高めることができる。このように、光変調導波路２０における光の局在性を高めることにより、光変調導波路２０とストレート光導波路１１ｂとの間における反射を低減させることができ、伝播する光の損失を抑制することができる。尚、空間部６２及び開口部４１は、光変調導波路２０に近ければ近い程、伝播光が接続構造部２１及び２２に漏れ出すことを抑制することができ、光変調導波路２０を伝播する光の損失を低減することができる。また、図５においては、空間部６２は、酸化膜層６１の表面部分を一部除去することにより形成した構造のものを示すが、空間部６２は、基板６０の表面が露出するまで酸化膜層６１を除去した構造のものであってもよい。

本実施の形態においては、光変調導波路２０は接続構造部２１及び２２と接続されており、接続構造部２１及び２２は酸化膜層６１及び上部酸化膜層４０と接しているため、完全に中空となっているものと比べて、機械的強度も比較的高く、信頼性も高い。

（光導波路におけるシミュレーション結果）
次に、従来の半導体光変調素子と本実施の形態における半導体光変調素子とにおいて、エネルギー密度分布におけるシミュレーションを行なった結果について説明する。具体的には、本実施の形態における半導体光変調素子のモデルとして、図６に示す構造のものを想定し、従来の半導体光変調素子の構造のモデルとして、図２に示す構造のものを想定した。尚、シミュレーションは、３次元電磁界計算により行なったものであり、後述するように光変調導波路２０の高さＨ１は２２０ｎｍであり、光変調導波路９２０の高さも同じ高さである。

図６に示す構造のものは、本実施の形態における半導体光変調素子であり、光変調導波路２０の側面に接続構造部２１及び２２が形成されている。また、光変調導波路２０、接続構造部２１及び２２の下及び上には、酸化膜層６１、上部酸化膜層４０が形成されているが、接続構造部２１及び２２が形成されている領域においては、酸化膜層６１、上部酸化膜層４０の一部が除去されている。具体的には、光変調導波路２０の幅Ｗ１が４４０ｎｍであり、接続構造部２１及び２２は、幅Ｋ１が６０ｎｍ、長さＬ１が１μｍであり、形成される接続構造部２１及び２２のピッチＰ１は２８５ｎｍである。また、形成される上部酸化膜層４０及び酸化膜層６１の幅Ｓ１は６００ｎｍであり、光変調導波路２０、接続構造部２１及び２２はシリコンにより形成されており、酸化膜層６１、上部酸化膜層４０は酸化シリコンにより形成されている。尚、図６（ａ）は、この構造のものの上面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）における一点鎖線６Ａ−６Ｂにおいて切断した断面図である。

また、図２は、従来の半導体光変調素子を示すものであり、前述したように、光変調導波路９２０の側面に接続構造部９２１及び９２２が形成されている。また、光変調導波路９２０、接続構造部９２１及び９２２の下及び上には、酸化膜層９０２、上部酸化膜層９４０が形成されており、接続構造部９２１及び９２２が形成されている領域では、酸化膜層６１、上部酸化膜層４０は除去されることなく形成されている。具体的には、光変調導波路９２０の幅は、４４０ｎｍであり、接続構造部９２１及び９２２は、幅が６０ｎｍ、長さが１μｍであり、形成される接続構造部９２１及び９２２のピッチは２８５ｎｍである。また、光変調導波路９２０、接続構造部９２１及び９２２はシリコンにより形成されており、酸化膜層９０２、上部酸化膜層９４０は酸化シリコンにより形成されている。

図７は、光導波路９６０及び光変調導波路２０の中心からの位置とエネルギー密度との関係について計算により得られた結果を示す。尚、図７において、図６に示される本実施の形態における半導体光変調素子において、図６（ａ）の一点鎖線６Ａ−６Ｂの部分におけるエネルギー密度の分布を７Ａに示す。また、図２に示される従来の半導体光変調素子において、同様の部分に相当する部分におけるエネルギー密度の分布を７Ｂに示す。７Ａに示される本実施の形態における半導体光変調素子のエネルギー密度の分布は、７Ｂに示される従来の構造の半導体光変調素子のエネルギー密度の分布に比べて、光変調導波路２０等の光導波路の中心部分（位置が０μｍ）におけるエネルギー密度が高い。また、光変調導波路２０等の光導波路の外側（位置の絶対値が０．３μｍ前後）となる領域に漏れ出す光が少ない。従って、７Ａに示される本実施の形態における半導体光変調素子の方が、光変調導波路２０等の光導波路の外に漏れ出す光を抑制することができるため、伝播する光は光変調導波路２０等の光導波路の内部に局在化させることができる。

次に、別のエネルギー密度分布におけるシミュレーションを行なった結果について説明する。具体的には、本実施の形態における半導体光変調素子のモデルとして、図８（ａ）に示す構造のものを想定し、従来の半導体光変調素子の構造のモデルとして、図８（ｃ）に示す構造のものを想定した。また、図８（ｂ）は、酸化膜層が形成されていない構造のモデルであり、図８（ｄ）は、ストレート光導波路１１ｂにおけるモデルである。尚、シミュレーションは、３次元電磁界計算により行なったものであり、後述する光変調導波路２０及び９２０、ストレート光導波路１１ｂの高さは、２２０ｎｍである。

図８（ａ）に示す構造のものは、光変調導波路２０の側面に接続構造部２１及び２２が形成されており、光変調導波路２０と、接続構造部２１及び２２が形成されている領域の一部に、上部酸化膜層４０及び酸化膜層６１が形成されているものである。具体的には、光変調導波路２０の幅Ｗ１が４４０ｎｍであり、接続構造部２１及び２２は、幅Ｋ１が６０ｎｍ、長さＬ１が１μｍであり、接続構造部２１及び２２のピッチＰ１は２８５ｎｍのものである。また、上部酸化膜層４０及び酸化膜層６１の幅Ｓ１は６００ｎｍであり、光変調導波路２０、接続構造部２１及び２２はシリコンにより形成されており、上部酸化膜層４０及び酸化膜層６１は酸化シリコンにより形成されている。

また、図８（ｂ）に示す構造のものは、光変調導波路２０の側面に接続構造部２１及び２２が形成されているものであって、上部及び下部には酸化膜層が形成されていないものである。具体的には、光変調導波路２０の幅Ｗ２が４４０ｎｍであり、接続構造部２１及び２２は、幅Ｋ２が６０ｎｍ、長さＬ２が１μｍであり、接続構造部２１及び２２のピッチＰ２は２８５ｎｍのものである。また、光変調導波路２０、接続構造部２１及び２２はシリコンにより形成されている。

また、図８（ｃ）に示す構造のものは、光変調導波路９２０の側面に接続構造部９２１及び９２２が形成されており、光変調導波路９２０と、接続構造部９２１及び９２２が形成されている領域には上部酸化膜層９４０及び酸化膜層９０２が形成されているものである。具体的には、光変調導波路９２０の幅Ｗ３が４４０ｎｍであり、接続構造部９２１及び９２２は、幅Ｋ３が６０ｎｍ、長さＬ３が１μｍであり、接続構造部９２１及び９２２のピッチＰ３は２８５ｎｍのものである。また、光変調導波路９２０、接続構造部９２１及び９２２はシリコンにより形成されており、上部酸化膜層９４０及び酸化膜層９０２は酸化シリコンにより形成されている。

また、図８（ｄ）に示す構造のものは、酸化膜層６１の上に、ストレート光導波路１１ｂが形成されており、更に、ストレート光導波路１１ｂの上に、上部酸化膜層４０が形成されている構造のものである。具体的には、ストレート光導波路１１ｂの幅Ｗ４は４４０ｎｍであり、ストレート光導波路１１ｂはシリコンにより形成されており、酸化膜層６１、上部酸化膜４０は酸化シリコンにより形成されている。

図９は、光変調導波路２０及び９２０、ストレート光導波路１１ｂの中心からの位置とエネルギー密度との関係について計算により得られた結果を示す。尚、図９において、９Ａは図８（ａ）に示す構造のものの一点鎖線８Ａ−８Ｂにおける部分のエネルギー密度を示し、９Ｂは図８（ｂ）に示す構造のものの一点鎖線８Ｃ−８Ｄにおける部分のエネルギー密度を示す。また、９Ｃは図８（ｃ）に示す構造のものの一点鎖線８Ｅ−８Ｆにおける部分のエネルギー密度を示し、９Ｄは図８（ｄ）に示す構造のものの一点鎖線８Ｇ−８Ｈにおける部分のエネルギー密度を示す。尚、図９では、光変調導波路２０及び９２０、ストレート光導波路１１ｂについて、導波路コアと記載している。

図９においては、９Ｂに示されるものは、光変調導波路２０の外に漏れ出す光を最も抑制することができるが、９Ｄに示されるものとのモードマッチング性が最も低い。また、９Ｃに示されるものは、光変調導波路９２０の外に光が最も漏れ出しており、更には、９Ｄに示されるものとのモードマッチング性も低い。また、本実施の形態における９Ａに示されるものは、９Ｄに示されるものとのモードマッチング性が最も高く、更には、９Ｃに示されるものより、光変調導波路２０等の光導波路の外に漏れ出す光が低い。

以上のように、９Ａに示されるエネルギー分布が得られる本実施の形態における光変調導波路２０は、９Ｄに示されるエネルギー分布が得られるストレート光導波路１１ｂとのモードマッチング性が高い。従って、伝播光の光損失を最も抑制することができるものと考えられる。

（半導体光変調素子の製造方法）
次に、本実施の形態における半導体光変調素子の製造方法について、図１０〜図１８に基づき説明する。尚、図１０〜図１８においては、便宜上、ストレート光導波路１１ａ及び１１ｂは省略されている。

最初に、図１０に示すように、ＳＯＩ（silicon on insulator）基板を準備する。ＳＯＩ基板は、Ｓｉ等の基板６０上に、ＢＯＸ（buried oxide）層と呼ばれる酸化膜層６１及び、この酸化膜層６１の上に、ＳＯＩ層と呼ばれる半導体層５０が形成されているものである。本実施の形態においては、ＳＯＩ基板には、酸化膜層６１として厚さが１〜３μｍの酸化シリコンが形成されており、半導体層５０として厚さが約２２０ｎｍの結晶シリコンが形成されている。尚、図１０は、この工程における断面図であり、図１０（ａ）は、図４における一点鎖線４Ａ−４Ｂに相当する部分の断面図であり、図１０（ｂ）は、図４における一点鎖線４Ｃ−４Ｄに相当する部分の断面図である。

次に、図１１に示すように、半導体層５０を用いて、光変調導波路２０、接続構造部２１及び２２、ストレート光導波路１１ａ及び１１ｂを形成する。具体的には、半導体層５０の表面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、光変調導波路２０、接続構造部２１及び２２、ストレート光導波路１１ａ及び１１ｂが形成される領域上に不図示のレジストパターンを形成する。この後、ＲＩＥ（Reactive
Ion Etching）等により、レジストパターンが形成されていない領域の半導体層５０を除去することにより、光変調導波路２０、接続構造部２１及び２２、ストレート光導波路１１ａ及び１１ｂを形成することができる。この後、不図示のレジストパターンを有機溶剤等により除去する。尚、図１１は、この工程における断面図であり、図１１（ａ）は、図４における一点鎖線４Ａ−４Ｂに相当する部分の断面図であり、図１１（ｂ）は、図４における一点鎖線４Ｃ−４Ｄに相当する部分の断面図である。

次に、図１２に示すように、接続構造部２１にｎ型領域２１ａを形成し、接続構造部２２にｐ型領域２２ａを形成する。具体的には、半導体層５０の表面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、ｎ型領域２１ａが形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、リン（Ｐ）のイオン注入を行なうことにより、ｎ型領域２１ａを形成し、更に、不図示のレジストパターンを有機溶剤等により除去する。次に、再度、半導体層５０の表面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、ｐ型領域２２ａが形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、ボロン（Ｂ）のイオン注入を行なうことにより、ｐ型領域２２ａを形成し、更に、不図示のレジストパターンを有機溶剤等により除去する。これにより、接続構造部２１にｎ型領域２１ａに形成することができ、接続構造部２２にｐ型領域２２ａを形成することができる。この際、半導体層５０において、後述する共通電極３０及び第１の信号電極３１等が形成される領域においても、ｎ型領域２１ａ及びｐ型領域２２ａが各々形成される。尚、図１２は、この工程における断面図であり、図１２（ａ）は、図４における一点鎖線４Ａ−４Ｂに相当する部分の断面図であり、図１２（ｂ）は、図４における一点鎖線４Ｃ−４Ｄに相当する部分の断面図である。

次に、図１３に示すように、光変調導波路２０、接続構造部２１及び２２、ストレート光導波路１１ａ及び１１ｂの上に上部酸化膜層４０を形成する。具体的には、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を成膜することにより形成する。尚、図１３は、この工程における断面図であり、図１３（ａ）は、図４における一点鎖線４Ａ−４Ｂに相当する部分の断面図であり、図１３（ｂ）は、図４における一点鎖線４Ｃ−４Ｄに相当する部分の断面図である。

次に、図１４に示すように、共通電極３０及び第１の信号電極３１等と接続するためのコンタクトホール４２を形成する。このコンタクトホール４２は、接続構造部２１におけるｎ型領域２１ａと後述する共通電極３０、接続構造部２２におけるｐ型領域２２ａと第１の信号電極３１等とを接続するためのものである。具体的には、上部酸化膜層４０の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、コンタクトホール４２が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、ＲＩＥ等によるドライエッチングによりレジストパターンが形成されていない領域の上部酸化膜層４０を除去し、コンタクトホール４２を形成する。この後、不図示のレジストパターンは有機溶剤等により除去する。尚、図１４は、この工程における断面図であり、図１４（ａ）は、図４における一点鎖線４Ａ−４Ｂに相当する部分の断面図であり、図１４（ｂ）は、図４における一点鎖線４Ｃ−４Ｄに相当する部分の断面図である。

次に、図１５に示すように、上部酸化膜層４０の上に、金属膜３５を形成する。具体的には、上部酸化膜層４０の上にスパッタリングによりＡｌ膜を成膜することにより金属膜３５を形成する。金属膜３５は、後述する共通電極３０、第１の信号電極３１等を形成するためのものであり、コンタクトホール４２において露出しているｎ型領域２１ａ及びｐ型領域２２ａに接して形成される。尚、図１５は、この工程における断面図であり、図１５（ａ）は、図４における一点鎖線４Ａ−４Ｂに相当する部分の断面図であり、図１５（ｂ）は、図４における一点鎖線４Ｃ−４Ｄに相当する部分の断面図である。

次に、図１６に示すように、上部酸化膜層４０に開口部４１を形成する。具体的には、金属膜３５の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、開口部４１が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、ドライエッチングにより、レジストパターンが形成されていない領域における金属膜３５及び上部酸化膜層４０を除去することにより、開口部４１を形成する。尚、図１６は、この工程における断面図であり、図１６（ａ）は、図４における一点鎖線４Ａ−４Ｂに相当する部分の断面図であり、図１６（ｂ）は、図４における一点鎖線４Ｃ−４Ｄに相当する部分の断面図である。

次に、図１７に示すように、酸化膜層６１に空間部６２を形成する。具体的には、気相状態におけるフッ酸を用いたエッチングにより、開口部４１より酸化膜層６１のエッチングを行なう。このような気相状態のフッ酸を用いたエッチングでは、気相状態のフッ酸が回り込み酸化膜をエッチングするため、開口部４１において、接続構造部２１及び２２が形成されている部分の下の酸化膜層６１をエッチングにより除去することができる。このようにして、開口部４１において、接続構造部２１及び２２が形成されている部分と接している酸化膜層６１を除去することにより、空間部６２が形成される。この後、不図示のレジストパターンを除去する。尚、図１７は、この工程における断面図であり、図１７（ａ）は、図４における一点鎖線４Ａ−４Ｂに相当する部分の断面図であり、図１７（ｂ）は、図４における一点鎖線４Ｃ−４Ｄに相当する部分の断面図である。

次に、図１８に示すように、不要な金属膜３５を除去することにより、残存する金属膜３５により、共通電極３０及び第１の信号電極３１等を形成する。具体的には、金属膜３５上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、金属膜３５が除去される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。次に、酸等を用いたウェットエッチングにより、レジストパターンの開口部に露出している金属膜３５を除去する。これにより、ｎ型領域２１ａと接続される共通電極３０及びｐ型領域２２ａと接続される第１の信号電極３１等を形成する。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。尚、図１８は、この工程における断面図であり、図１８（ａ）は、図４における一点鎖線４Ａ−４Ｂに相当する部分の断面図であり、図１８（ｂ）は、図４における一点鎖線４Ｃ−４Ｄに相当する部分の断面図である。

以上の製造方法により、本実施の形態における半導体光変調素子を作製することができる。

〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、接続構造部２１及び２２に代えてフォトニック結晶を形成した構造のものである。図１９に基づき、本実施の形態における半導体光変調素子について説明する。尚、図１９（ａ）は、本実施の形態における半導体光変調素子の上面図であり、図１９（ｂ）は、図１９（ａ）における一点鎖線１９Ａ−１９Ｂにおいて切断した断面図である。本実施の形態における半導体光変調素子は、コア層となる光変調導波路１２０の両側、即ち、光変調導波路１２０と共通電極３０との間及び、光変調導波路１２０と第１の信号電極３１等との間にフォトニック結晶領域１２１及び１２２が形成されているものである。フォトニック結晶領域１２１及び１２２においては、直径２１５ｎｍの円柱形の空孔１２３が、４００ｎｍのピッチにより、２次元周期で形成されており、この２次元周期で形成された空孔１２３によりフォトニック結晶が形成される。一方、光変調導波路１２０においては、このような空孔１２３が形成されていないため、光を伝播させることができる。このような本実施の形態における半導体装置においては、２次元フォトニック結晶のスローライト効果を利用した高効率な位相シフタを得ることができる。尚、スローライト効果を利用する場合においても、伝播光の広がりによる吸収損失が問題となる。しかしながら、本実施の形態における半導体光変調素子では、フォトニック結晶領域１２１及び１２２における上側の上部酸化膜層４０の一部が除去され開口部４１が形成されており、下側の酸化膜層６１の一部が除去され空間部６２が形成されている。これにより、モードミスマッチ等による光損失を低減することができる。

尚、本実施の形態における半導体光変調素子は、第１の実施形態における製造方法において、図１１に示される接続構造部２１及び２２を形成する工程と同様の工程により、空孔１２３を形成することにより作製することができる。本実施の形態における半導体光変調素子では、このような空孔１２３により、フォトニック結晶領域１２１及び１２２を形成することができる。また、気相状態におけるフッ酸を用いたエッチングでは、空孔１２３より気相状態のフッ酸が入り込むため、第１の実施の形態における図１７に示される場合と同様に、空間部６２を形成することが可能である。

尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。

〔第３の実施の形態〕
（半導体光変調素子）
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態における半導体光変調素子は、第１の実施の形態における半導体光変調素子の空間部６２の相当する部分に低屈折率材料層を形成した構造のものである。

図２０及び図２１に基づき、本実施の形態における半導体光変調素子について説明する。図２０は、本実施の形態のおける半導体光変調素子の上面図である。また、図２１（ａ）は、一点鎖線２０Ａ−２０Ｂにおいて切断した断面図であり、図２１（ｂ）は、一点鎖線２０Ｃ−２０Ｄにおいて切断した断面図であり、図２１（ｃ）は、一点鎖線２０Ｅ−２０Ｆにおいて切断した断面図である。

本実施の形態における半導体光変調素子は、上述したように、第１の実施の形態における半導体光変調素子の空間部６２の相当する部分に低屈折率材料層２６２を形成した構造のものである。第１の実施の形態における半導体光変調素子のように、空間部６２が、空気や真空等である場合には屈折率が最も低くなるため特性的には好ましい。しかしながら、本実施の形態のように、第１の実施の形態における半導体光変調素子の空間部６２に相当する部分に低屈折率材料層２６２を形成した場合においても、第１の実施の形態のものと同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態では、空間部６２に相当する部分が低屈折率材料層２６２により埋められるため、機械的強度が更に増し、信頼性等の観点においては好ましいものと考えられる。

低屈折率材料層２６２を形成する材料としては、酸化シリコンよりも屈折率が低い材料が好ましく、例えば、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）等が挙げられる。

（半導体光変調素子の製造方法）
次に、本実施の形態における半導体光変調素子の製造方法について、図２２〜図３１に基づき説明する。尚、図２２〜図３１においては、便宜上、ストレート光導波路１１ａ及び１１ｂは省略されている。

最初に、図２２に示すように、ＳＯＩ基板を準備する。ＳＯＩ基板は、Ｓｉ等の基板６０上に、ＢＯＸ層と呼ばれる酸化膜層６１及び、この酸化膜層６１の上に、ＳＯＩ層と呼ばれる半導体層５０が形成されているものである。本実施の形態においては、ＳＯＩ基板には、酸化膜層６１として厚さが１〜３μｍの酸化シリコンが形成されており、半導体層５０として厚さが約２２０ｎｍの結晶シリコンが形成されている。尚、図２２は、この工程における断面図であり、図２２（ａ）は、図２０における一点鎖線２０Ａ−２０Ｂに相当する部分の断面図であり、図２２（ｂ）は、図２０における一点鎖線２０Ｃ−２０Ｄに相当する部分の断面図である。

次に、図２３に示すように、半導体層５０を用いて、光変調導波路２０、接続構造部２１及び２２、ストレート光導波路１１ａ及び１１ｂを形成する。具体的には、半導体層５０の表面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、光変調導波路２０、接続構造部２１及び２２、ストレート光導波路１１ａ及び１１ｂが形成される領域上に不図示のレジストパターンを形成する。この後、ＲＩＥ等により、レジストパターンが形成されていない領域の半導体層５０を除去することにより、光変調導波路２０、接続構造部２１及び２２、ストレート光導波路１１ａ及び１１ｂを形成する。この後、不図示のレジストパターンを有機溶剤等により除去する。尚、図２３は、この工程における断面図であり、図２３（ａ）は、図２０における一点鎖線２０Ａ−２０Ｂに相当する部分の断面図であり、図２３（ｂ）は、図２０における一点鎖線２０Ｃ−２０Ｄに相当する部分の断面図である。

次に、図２４に示すように、接続構造部２１にｎ型領域２１ａを形成し、接続構造部２２にｐ型領域２２ａを形成する。具体的には、半導体層５０の表面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、ｎ型領域２１ａが形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、リン（Ｐ）のイオン注入を行なうことにより、ｎ型領域２１ａを形成し、更に、不図示のレジストパターンを有機溶剤等により除去する。次に、再度、半導体層５０の表面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、ｐ型領域２２ａが形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、ボロン（Ｂ）のイオン注入を行なうことにより、ｐ型領域２２ａを形成し、更に、不図示のレジストパターンを有機溶剤等により除去する。これにより、接続構造部２１にｎ型領域２１ａに形成することができ、接続構造部２２にｐ型領域２２ａを形成することができる。この際、半導体層５０において、後述する共通電極３０及び第１の信号電極３１等が形成される領域においても、ｎ型領域２１ａ及びｐ型領域２２ａが各々形成される。尚、図２４は、この工程における断面図であり、図２４（ａ）は、図２０における一点鎖線２０Ａ−２０Ｂに相当する部分の断面図であり、図２４（ｂ）は、図２０における一点鎖線２０Ｃ−２０Ｄに相当する部分の断面図である。

次に、図２５に示すように、光変調導波路２０、接続構造部２１及び２２、ストレート光導波路１１ａ及び１１ｂの上に上部酸化膜層４０を形成する。具体的には、ＣＶＤにより酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を成膜することにより形成する。尚、図２５は、この工程における断面図であり、図２５（ａ）は、図２０における一点鎖線２０Ａ−２０Ｂに相当する部分の断面図であり、図２５（ｂ）は、図２０における一点鎖線２０Ｃ−２０Ｄに相当する部分の断面図である。

次に、図２６に示すように、共通電極３０及び第１の信号電極３１等と接続するためのコンタクトホール４２を形成する。このコンタクトホール４２は、接続構造部２１におけるｎ型領域２１ａと後述する共通電極３０、接続構造部２２におけるｐ型領域２２ａと第１の信号電極３１等とを接続するためのものである。具体的には、上部酸化膜層４０の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、コンタクトホール４２が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、ＲＩＥ等によるドライエッチングによりレジストパターンが形成されていない領域の上部酸化膜層４０を除去し、コンタクトホール４２を形成する。この後、不図示のレジストパターンは有機溶剤等により除去する。尚、図２６は、この工程における断面図であり、図２６（ａ）は、図２０における一点鎖線２０Ａ−２０Ｂに相当する部分の断面図であり、図２６（ｂ）は、図２０における一点鎖線２０Ｃ−２０Ｄに相当する部分の断面図である。

次に、図２７に示すように、上部酸化膜層４０の上に、金属膜３５を形成する。具体的には、上部酸化膜層４０の上にスパッタリングによりＡｌ膜を成膜することにより金属膜３５を形成する。金属膜３５は、後述する共通電極３０、第１の信号電極３１等を形成するためのものであり、コンタクトホール４２において露出しているｎ型領域２１ａ及びｐ型領域２２ａに接して形成される。尚、図２７は、この工程における断面図であり、図２７（ａ）は、図２０における一点鎖線２０Ａ−２０Ｂに相当する部分の断面図であり、図２７（ｂ）は、図２０における一点鎖線２０Ｃ−２０Ｄに相当する部分の断面図である。

次に、図２８に示すように、上部酸化膜層４０に開口部４１を形成する。具体的には、金属膜３５の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、開口部４１が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、ドライエッチングにより、レジストパターンが形成されていない領域における金属膜３５及び上部酸化膜層４０を除去することにより、開口部４１を形成する。尚、図２８は、この工程における断面図であり、図２８（ａ）は、図２０における一点鎖線２０Ａ−２０Ｂに相当する部分の断面図であり、図２８（ｂ）は、図２０における一点鎖線２０Ｃ−２０Ｄに相当する部分の断面図である。

次に、図２９に示すように、酸化膜層６１に空間部６２を形成する。具体的には、気相状態におけるフッ酸を用いたエッチングにより、開口部４１より酸化膜層６１のエッチングを行なう。このような気相状態のフッ酸を用いたエッチングでは、気相状態のフッ酸が回り込み酸化膜をエッチングするため、開口部４１において、接続構造部２１及び２２が形成されている部分の下の酸化膜層６１をエッチングにより除去することができる。このようにして、開口部４１において、接続構造部２１及び２２が形成されている部分と接している酸化膜層６１を除去することにより、空間部６２が形成される。この後、不図示のレジストパターンを除去する。尚、図２９は、この工程における断面図であり、図２９（ａ）は、図２０における一点鎖線２０Ａ−２０Ｂに相当する部分の断面図であり、図２９（ｂ）は、図２０における一点鎖線２０Ｃ−２０Ｄに相当する部分の断面図である。

次に、図３０に示すように、酸化膜層６１に形成された空間部６２及び上部酸化膜層４０に形成された開口部４１に低屈折率材料層２６２を形成する。低屈折率材料層２６２はフッ化マグネシウム等の酸化シリコンよりも屈折率の低い材料が用いられており、スパッタリング等の真空成膜方法により形成することができる。尚、図３０は、この工程における断面図であり、図３０（ａ）は、図２０における一点鎖線２０Ａ−２０Ｂに相当する部分の断面図であり、図３０（ｂ）は、図２０における一点鎖線２０Ｃ−２０Ｄに相当する部分の断面図である。

次に、図３１に示すように、不要な金属膜３５を除去することにより、残存する金属膜３５により、共通電極３０及び第１の信号電極３１等を形成する。具体的には、金属膜３５上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、金属膜３５が除去される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。次に、酸等を用いたウェットエッチングにより、レジストパターンの開口部に露出している金属膜３５を除去する。これにより、ｎ型領域２１ａと接続される共通電極３０及びｐ型領域２２ａと接続される第１の信号電極３１等を形成することができる。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。尚、図３１は、この工程における断面図であり、図３１（ａ）は、図２０における一点鎖線２０Ａ−２０Ｂに相当する部分の断面図であり、図３１（ｂ）は、図２０における一点鎖線２０Ｃ−２０Ｄに相当する部分の断面図である。

以上の工程により、本実施の形態における半導体光変調素子を製造することができる。

尚、上記以外の内容については第１の実施の形態と同様である。また、本実施の形態は、第２の実施の形態における半導体光変調素子に適用することが可能である。

〔第４の実施の形態〕
（半導体光変調素子）
図３２及び図３３に基づき第４の実施の形態における半導体光変調素子について説明する。図３２は、本実施の形態における半導体光変調素子において、第１の実施の形態において説明した図３における一点鎖線３Ａにより囲まれた領域の拡大図である。また、図３３（ａ）は、図３２における一点鎖線３２Ａ−３２Ｂにおいて切断された断面図である。図３３（ａ）は、図３２における一点鎖線３２Ｃ−３２Ｄにおいて切断された断面図である。図３３（ｃ）は、図３２における一点鎖線３２Ｅ−３２Ｆにおいて切断された断面図である。

本実施の形態においては、コア層となる第１の光導波路１１及び第２の光導波路１２には、光変調導波路３２０等が設けられており、光変調導波路３２０等に光が入射する側及び出射する側には、ストレート光導波路１１ａ及び１１ｂ等が設けられている。また、光変調導波路３２０の側面の両側には、半導体層の表面を一部除去し、半導体層の厚さを薄くすることによりスラブ層３２１及び３２２が形成されている。尚、本実施の形態におけるスラブ層３２１及び３２２は、接続構造部と記載する場合がある。

本実施の形態では、コア層となる光変調導波路３２０の幅Ｗ５は、約４４０ｎｍとなるように形成されており、光変調導波路３２０と、共通電極３０又は第１の信号電極３１との間隔Ｄ５は、約１μｍとなるように形成されている。また、光変調導波路３２０の高さＨ５は約２２０ｎｍで形成されており、スラブ層３２１及び３２２の高さＨＳ５は、光変調導波路３２０等を伝播する光が光変調導波路３２０等より漏れ出すことがないように、約５０ｎｍとなるように形成されている。

本実施の形態における半導体光変調素子では、一方のスラブ層３２１には、ｎ型領域３２１ａが設けられており、ｎ型領域３２１ａにおいて、スラブ層３２１と共通電極３０とが接続されている。また、他方のスラブ層３２２には、ｐ型領域３２２ａが設けられており、ｐ型領域３２２ａにおいて、スラブ層３２２と第１の信号電極３１とが接続されている。

本実施の形態においては、ｎ型領域３２１ａには、不純物濃度が約１×１０^２０ｃｍ^−３となるように、不純物元素としてＰ（リン）がイオン注入されている。また、ｐ型領域２２２ａには、不純物濃度が約１×１０^２０ｃｍ^−３となるように、不純物元素としてＢ（ボロン）がイオン注入されている。尚、本実施の形態においては、ｎ型領域２２１ａを形成するための不純物元素としては、Ｐ以外にもＡｓ等を用いることができ、ｐ型領域２２２ａを形成するための不純物元素としては、Ｂ以外にもＡｌ等を用いることができる。また、本実施の形態では、ｎ型を第１の導電型と、ｐ型を第２の導電型として説明するが、これらの関係は逆であってもよい。

また、本実施の形態における半導体光変調素子では、光変調導波路３２０等の上には、上部酸化膜層３４０が形成されている。上部酸化膜層３４０は、酸化シリコンにより形成されており、コア層である光変調導波路３２０等は、基板６０の上に形成された下部酸化膜層となる酸化膜層６１と上部酸化膜層３４０により上下が挟まれた構造となっている。

このような構造の半導体光変調素子では、共通電極３０と第１の信号電極３１との間に印加する電圧を変化させることにより、ｎ型領域３２１ａとｐ型領域３２２ａとの間において電子及びホールのフリー・キャリアの濃度を変化させることができる。これにより、フリー・キャリア・プラズマ効果によって、コア層である光変調導波路３２０における屈折率が変化し、光変調導波路３２０において伝播する光の位相を変調させることができる。

また、本実施の形態における半導体光変調素子は、光変調導波路３２０の両側の領域において、スラブ層３２１及び３２２の上側部分における上部酸化膜層３４０の一部を除去することにより、開口部３４１が形成されている。

このように、上部酸化膜層３４０に開口部３４１を形成することにより、光変調導波路３２０を伝播する光が、スラブ層３２１及び３２２に漏れ出すことをより一層防ぐことができ、光変調導波路３２０の内部における光の局在性を高めることができる。このように、光変調導波路３２０における光の局在性を高めることにより、光変調導波路３２０とストレート光導波路１１ｂとの間における反射を低減することができ、伝播する光の損失を抑制することができる。尚、開口部３４１は、光変調導波路３２０に近ければ近い程、伝播光がスラブ層３２１及び３２２に漏れ出すことを抑制することができ、光変調導波路３２０を伝播する光の損失を更に、低減することができる。

次に、図３４及び図３５に基づき、光導波路におけるエネルギー密度分布についてシミュレーションを行なった結果について説明する。図３４（ａ）は、本実施の形態における半導体光変調素子に相当するものである。具体的には、酸化膜層６１の上に光変調導波路３２０、スラブ層３２１及び３２２が形成されており、光変調導波路３２０の上には上部酸化膜層３４０が形成されており、スラブ層３２１及び３２２の上には上部酸化膜層３４０が形成されていない構造のものである。尚、光変調導波路３２０は、幅Ｗ５が４４０ｎｍ、高さＨ５が２２０ｎｍとなるように形成されており、スラブ層３２１及び３２２は、高さＨＳ５は５０ｎｍとなるように形成されている。

また、図３４（ｂ）は、従来の半導体光変調素子に相当するものである。具体的には、酸化膜層９７１の上に光変調導波路９５０、スラブ層９５１及び９５２が形成されており、光変調導波路９５０、スラブ層９５１及び９５２の上には上部酸化膜層９７２が形成されている構造のものである。尚、光変調導波路９５０は、幅Ｗ６が４４０ｎｍ、高さＨ６が２２０ｎｍで形成されており、スラブ層９５１及び９５２における高さＨＳ６は５０ｎｍとなるように形成されている。

また、図３４（ｃ）は、ストレート光導波路１１ａ及び１１ｂに相当する光導波路３１０である。この光導波路３１０は、酸化膜層６１の上に形成されており、光導波路３１０の上部には、光導波路３１０の全体を覆うように上部酸化膜３４０が形成されている。尚、光導波路３１０は、幅Ｗ７が４４０ｎｍ、高さＨ７が２２０ｎｍとなるように形成されている。

図３５は、これらの構造のもののエネルギー密度分布を示す。具体的には、図３５（ａ）は、図３４（ａ）に示される構造のもののエネルギー密度分布を示しており、この構造のものにおける有効屈折率ｎ_ｅｆｆは２．４４８である。また、図３５（ｂ）は、図３４（ｂ）に示される構造のもののエネルギー密度分布を示しており、この構造のものにおける有効屈折率ｎ_ｅｆｆは２．４９１である。図３５（ｃ）は、図３４（ｃ）に示される構造のもののエネルギー密度分布を示しており、この構造のものにおける有効屈折率ｎ_ｅｆｆは２．４４１である。

以上より、図３４（ｂ）に示される構造のものよりも、図３４（ａ）に示される構造のものの有効屈折率ｎ_ｅｆｆの値が、図３４（ｃ）に示される構造のものの有効屈折率ｎ_ｅｆｆの値に近い。即ち、図３４（ａ）に示される構造のものと図３４（ｃ）に示される構造のものとの有効屈折率ｎ_ｅｆｆの差は、約０．００７であるのに対し、図３４（ｂ）に示される構造のものと図３４（ｃ）に示される構造のものとの有効屈折率ｎ_ｅｆｆの差は、約０．０５である。従って、図３４（ｂ）に示される構造のものよりも、図３４（ａ）に示される構造のものの方が、図３４（ｃ）に示される構造のものとのモードマッチング性が高く、図３４（ｃ）に示される構造のものに入射する際の光損失が少ない。即ち、図３４（ｂ）に示される構造のものよりも、図３４（ａ）に示される構造のものの方が、ストレート光導波路１１ｂに入射する際の光損失が少ない。

（半導体光変調素子の製造方法）
次に、本実施の形態における半導体光変調素子の製造方法について、図３６〜図３８に基づき説明する。尚、図３６〜図３８は、図３２における一点鎖線３２Ａ−３２Ｂに相当する部分の各々の工程における断面図である。尚、図３６〜図３８においては、便宜上、ストレート光導波路１１ａ及び１１ｂは省略されている。

最初に、図３６（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板を準備する。ＳＯＩ基板は、Ｓｉ等の基板６０上に、ＢＯＸ層と呼ばれる酸化膜層６１及び、この酸化膜層６１の上に、ＳＯＩ層と呼ばれる半導体層３５０が形成されているものである。本実施の形態においては、ＳＯＩ基板には、酸化膜層６１として厚さが１〜３μｍの酸化シリコンが形成されており、半導体層３５０として厚さが約２２０ｎｍの結晶シリコンが形成されている。

次に、図３６（ｂ）に示すように、半導体層３５０を用いて、光変調導波路３２０、スラブ層３２１及び３２２を形成する。具体的には、半導体層３５０の表面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、スラブ層３２１及び３２２が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンが形成されていない領域において、露出している半導体層３５０を厚さが約５０ｎｍとなるまで、ＲＩＥ等によるドライエッチングにより除去することにより、光変調導波路３２０、スラブ層３２１及び３２２を形成する。この後、不図示のレジストパターンは有機溶剤等により除去する。

次に、図３６（ｃ）に示すように、スラブ層３２１にｎ型領域３２１ａを形成し、スラブ層３２２にｐ型領域３２２ａを形成する。具体的には、半導体層３５０の表面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、ｎ型領域３２１ａが形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、リン（Ｐ）のイオン注入を行なうことにより、ｎ型領域３２１ａを形成し、更に、不図示のレジストパターンを有機溶剤等により除去する。次に、再度、半導体層３５０の表面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、ｐ型領域３２２ａが形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、ボロン（Ｂ）のイオン注入を行なうことにより、ｐ型領域３２２ａを形成し、更に、不図示のレジストパターンを有機溶剤等により除去する。これにより、スラブ層３２１にｎ型領域３２１ａに形成することができ、スラブ層３２２にｐ型領域３２２ａを形成することができる。この際、半導体層３５０において、後述する共通電極３０及び第１の信号電極３１等が形成される領域においても、ｎ型領域３２１ａ及びｐ型領域３２２ａが各々形成される。

次に、図３７（ａ）に示すように、光変調導波路３２０、スラブ層３２１及び３２２等の上に上部酸化膜層３４０を形成する。具体的には、ＣＶＤにより酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を成膜することにより形成する。

次に、図３７（ｂ）に示すように、共通電極３０及び第１の信号電極３１等と接続するためのコンタクトホール３４２を上部酸化膜層３４０に形成する。このコンタクトホール４２は、スラブ層３２１におけるｎ型領域３２１ａと後述する共通電極３０、スラブ層３２２におけるｐ型領域３２２ａと第１の信号電極３１等とを接続するためのものである。具体的には、上部酸化膜層３４０の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、コンタクトホール３４２が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、ＲＩＥ等によるドライエッチングによりレジストパターンが形成されていない領域の上部酸化膜層３４０を除去し、コンタクトホール３４２を形成する。この後、不図示のレジストパターンは有機溶剤等により除去する。

次に、図３７（ｃ）に示すように、上部酸化膜層３４０の上に、金属膜３３５を形成する。具体的には、上部酸化膜層３４０の上にスパッタリングによりＡｌ膜を成膜することにより金属膜３３５を形成する。金属膜３３５は、後述する共通電極３０、第１の信号電極３１等を形成するためのものであり、コンタクトホール３４２において露出しているｎ型領域３２１ａ及びｐ型領域３２２ａに接して形成される。

次に、図３８（ａ）に示すように、上部酸化膜層３４０に開口部３４１を形成する。具体的には、金属膜３３５の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、開口部３４１が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、ドライエッチングにより、レジストパターンが形成されていない領域における金属膜３３５及び上部酸化膜層３４０を除去することにより、開口部３４１を形成する。

次に、図３８（ｂ）に示すように、不要な金属膜３３５を除去することにより、残存する金属膜３３５により、共通電極３０及び第１の信号電極３１等を形成する。具体的には、金属膜３３５上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、金属膜３３５が除去される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。次に、酸等を用いてウェットエッチングにより、レジストパターンの開口部に露出している金属膜３３５を除去する。これにより、ｎ型領域３２１ａと接続される共通電極３０及びｐ型領域３２２ａと接続される第１の信号電極３１等を形成することができる。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。

以上の工程により、本実施の形態における半導体光変調素子を製造することができる。尚、上記以外の内容については第１の実施の形態と同様である。

以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
半導体材料により形成されており、入射した光が伝播する光変調導波路と、
前記光変調導波路の側面の両側において、前記光変調導波路の各々の側面と接続されている半導体材料により形成された接続構造部と、
前記光変調導波路及び前記接続構造部の下側に形成された下部酸化膜層と、
前記接続構造部と接している下部酸化膜層の一部を除去することに形成された空間部と、
を有することを特徴とする半導体光変調装置。
（付記２）
前記光変調導波路及び前記接続構造部の上側に形成された上部酸化膜層と、
前記上部酸化膜層において、前記接続構造部の上の一部又は全部に形成された開口部と、
を有することを特徴とする付記１に記載の半導体光変調装置。
（付記３）
前記空間部には、前記下部酸化膜層よりも低い屈折率を有する材料により低屈折率材料層が形成されていることを特徴とする付記１または２に記載の半導体光変調装置。
（付記４）
前記空間部と前記開口部とは、前記接続構造部を介して、対応する領域に形成されていることを特徴とする付記３に記載の半導体光変調装置。
（付記５）
前記接続構造部は、前記光変調導波路の側面より延びる複数の棒形状のものにより形成されているものであって、
前記光変調導波路と前記接続構造部とは、略同じ厚さで形成されていることを特徴とする付記１から４のいずれかに記載の半導体光変調装置。
（付記６）
前記接続構造部は、フォトニック結晶により形成されているものであることを特徴とする付記１から４のいずれかに記載の半導体光変調装置。
（付記７）
半導体材料により形成されており、入射した光が伝播する光変調導波路と、
前記光変調導波路の側面の両側に形成されており、前記光変調導波路の側面と接続されている半導体材料により形成された接続構造部と、
前記光変調導波路及び前記接続構造部の上側に形成された上部酸化膜層と、
前記上部酸化膜層において、前記接続構造部の上の一部又は全部に形成された開口部と、
を有することを特徴とする半導体光変調装置。
（付記８）
前記接続構造部は、前記光変調導波路よりも厚さが薄いことを特徴とする付記７に記載の半導体光変調装置。
（付記９）
前記光変調導波路において光が出射する側に形成された光導波路を有することを特徴とする付記１から８のいずれかに記載の半導体光変調装置。
（付記１０）
前記光変調導波路において光が入射する側に形成された光導波路を有することを特徴とする付記１から９のいずれかに記載の半導体光変調装置。
（付記１１）
前記光変調導波路の側面の一方の側に形成された一方の接続構造部は、第１の導電型の領域を有しており、
前記光変調導波路の側面の他方の側に形成された他方の接続構造部は、第２の導電型の領域を有していることを特徴とする付記１から１０のいずれかに記載の半導体光変調素子。
（付記１２）
前記第１の導電型はｎ型であり、前記第２の導電型はｐ型であることを特徴とする付記１１に記載の半導体光変調素子。
（付記１３）
前記一方の接続構造部における前記第１の導電型の領域は、共通電極に接続されており、
前記他方の接続構造部における前記第２の導電型の領域は、信号電極に接続されているものであることを特徴とする付記１１または１２に記載の半導体光変調素子。
（付記１４）
前記光変調導波路、前記接続構造部は、共通の半導体層により形成されており、
前記半導体層は、基板の上に形成されている下部酸化膜層の上に形成されていることを特徴とする付記１から１３のいずれかに記載の半導体光変調素子。
（付記１５）
前記半導体材料は、シリコンを含むものであることを特徴とする付記１から１４のいずれかに記載の半導体光変調素子。
（付記１６）
前記酸化膜層及び前記上部酸化膜層は、酸化シリコンを含むものであることを特徴とする付記１から１５のいずれかに記載の半導体光変調装置。
（付記１７）
基板上に下部酸化膜層が形成されており、前記下部酸化膜層の上に半導体層が形成されているものにおいて、前記半導体層の一部を除去することにより、光変調導波路及び前記光変調導波路の側面の両側において接続されている接続構造部を形成する工程と、
前記光変調導波路の側面の一方の側に形成された一方の接続構造部の全部又は一部に、第１の導電型の領域を形成し、他方の側に形成された他方の接続構造部の全部又は一部に、第２の導電型の領域を形成する工程と、
前記光変調導波路及び前記接続構造部の上に、上部酸化膜層を形成する工程と、
前記接続構造部の上の前記上部酸化膜層の全部または一部を除去することにより、開口部を形成する工程と、
前記開口部に対応する部分の前記下部酸化膜層において、前記接続構造部と接している前記下部酸化膜層の一部を除去することにより空間部を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体光変調装置の製造方法。
（付記１８）
前記空間部は、気相状態におけるフッ酸により、前記下部酸化膜層の一部を除去することにより形成されるものであることを特徴とする付記１７に記載の半導体光変調装置の製造方法。
（付記１９）
前記空間部に、前記下部酸化膜層よりも屈折率の低い材料により低屈折率材料層を形成する工程を有することを特徴とする付記１８に記載の半導体光変調装置の製造方法。
（付記２０）
前記一方の接続構造部の第１の導電型の領域に接続される共通電極と、前記他方の接続構造部の第２の導電型の領域に接続される信号電極とを形成する工程とを有する付記１７から１９のいずれかに記載の半導体光変調装置の製造方法。

１０ａ 光導波路（入射側）
１０ｂ 光導波路（出射側）
１１ 第１の光導波路
１１ａ 接続構造部
１１ｂ 接続構造部
１２ 第２の光導波路
２０ 光変調導波路
２１ 接続構造部
２１ａ ｎ型領域
２２ 接続構造部
２２ａ ｐ型領域
３０ 共通電極
３１ 第１の信号電極
３２ 第２の信号電極
４０ 上部酸化膜層
４１ 開口部
５０ 半導体層
６０ 基板
６１ 酸化膜層（下部酸化膜層）
６２ 空間部
７０ 電圧信号源

Claims (10)

1. 半導体材料により形成されており、入射した光が伝播する光変調導波路と、
   前記光変調導波路の側面の両側において、前記光変調導波路の各々の側面と接続されている半導体材料により形成された接続構造部と、
   前記光変調導波路及び前記接続構造部の下側に形成された下部酸化膜層と、
   前記接続構造部と接している下部酸化膜層の一部を除去することに形成された空間部と、
   を有することを特徴とする半導体光変調装置。
2. 前記光変調導波路及び前記接続構造部の上側に形成された上部酸化膜層と、
   前記上部酸化膜層において、前記接続構造部の上の一部又は全部に形成された開口部と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体光変調装置。
3. 前記空間部には、前記下部酸化膜層よりも低い屈折率を有する材料により低屈折率材料層が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光変調装置。
4. 前記接続構造部は、前記光変調導波路の側面より延びる複数の棒形状のものにより形成されているものであって、
   前記光変調導波路と前記接続構造部とは、略同じ厚さで形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体光変調装置。
5. 前記接続構造部は、フォトニック結晶により形成されているものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体光変調装置。
6. 半導体材料により形成されており、入射した光が伝播する光変調導波路と、
   前記光変調導波路の側面の両側に形成されており、前記光変調導波路の側面と接続されている半導体材料により形成された接続構造部と、
   前記光変調導波路及び前記接続構造部の上側に形成された上部酸化膜層と、
   前記上部酸化膜層において、前記接続構造部の上の一部又は全部に形成された開口部と、
   を有することを特徴とする半導体光変調装置。
7. 前記光変調導波路において光が出射する側に形成された光導波路を有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の半導体光変調装置。
8. 前記光変調導波路の側面の一方の側に形成された一方の接続構造部は、第１の導電型の領域を有しており、
   前記光変調導波路の側面の他方の側に形成された他方の接続構造部は、第２の導電型の領域を有していることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の半導体光変調素子。
9. 基板上に下部酸化膜層が形成されており、前記下部酸化膜層の上に半導体層が形成されているものにおいて、前記半導体層の一部を除去することにより、光変調導波路及び前記光変調導波路の側面の両側において接続されている接続構造部を形成する工程と、
   前記光変調導波路の側面の一方の側に形成された一方の接続構造部の全部又は一部に、第１の導電型の領域を形成し、他方の側に形成された他方の接続構造部の全部又は一部に、第２の導電型の領域を形成する工程と、
   前記光変調導波路及び前記接続構造部の上に、上部酸化膜層を形成する工程と、
   前記接続構造部の上の前記上部酸化膜層の全部または一部を除去することにより、開口部を形成する工程と、
   前記開口部に対応する部分の前記下部酸化膜層において、前記接続構造部と接している前記下部酸化膜層の一部を除去することにより空間部を形成する工程と、
   を有することを特徴とする半導体光変調装置の製造方法。
10. 前記空間部は、気相状態におけるフッ酸により、前記下部酸化膜層の一部を除去することにより形成されるものであることを特徴とする請求項９に記載の半導体光変調装置の製造方法。