JP2018041957A - Photoelectric conversion device and method of controlling operation wavelength of the same - Google Patents

Photoelectric conversion device and method of controlling operation wavelength of the same Download PDF

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靖彦 石川
Yasuhiko Ishikawa
靖彦 石川
道治 西村
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道治 西村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion device capable of more easily controlling an operation wavelength, and a method of controlling an operation wavelength of the same.SOLUTION: The photoelectric conversion device includes: a semiconductor substrate 102 having at least a Si layer 105 on its surface; a light absorbing layer 114a made of a Ge layer selectively grown on the semiconductor substrate 102; and a stress applying layer 117A provided on an upper surface of the light absorbing layer 114a and applying compressive stress or tensile stress to the light absorbing layer 114a. The stress applying layer 117A includes a SiGe layer 116 that is lattice-matched to the base.SELECTED DRAWING: Figure 12

Description

本発明は、光電変換デバイスおよび光電変換デバイスの動作波長の制御方法に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion device and a method for controlling an operating wavelength of the photoelectric conversion device.

光信号を電気信号に変換する光電変換デバイスとして、フォトダイオード(以下、PDとも称する)が知られている。ゲルマニウム(Ge)は、光通信波長帯の近赤外光を吸収し、シリコン(Si)基板上にエピタキシャル成長させて光吸収層を形成することができる。このため、Geを用いるpin構造のPDは、Si光電子集積回路技術「Siフォトニクス」におけるPDとして応用されている(例えば非特許文献1)。   A photodiode (hereinafter also referred to as PD) is known as a photoelectric conversion device that converts an optical signal into an electric signal. Germanium (Ge) can absorb near-infrared light in the optical communication wavelength band, and can be epitaxially grown on a silicon (Si) substrate to form a light absorption layer. For this reason, a PD PD having a pin structure is applied as a PD in the Si optoelectronic integrated circuit technology “Si photonics” (for example, Non-Patent Document 1).

pinダイオード構造に印加される電界強度を変調すると(最大値100kV/cmオーダー)、Franz−Keldysh効果により、光吸収層における光吸収の大きさを制御できる。すなわち、光吸収層を透過する光の強度を制御でき、電界吸収型光変調器を実現できる(例えば非特許文献2)。   When the electric field strength applied to the pin diode structure is modulated (maximum value of 100 kV / cm order), the magnitude of light absorption in the light absorption layer can be controlled by the Franz-Keldysh effect. That is, the intensity of light transmitted through the light absorption layer can be controlled, and an electroabsorption optical modulator can be realized (for example, Non-Patent Document 2).

大容量の波長分割多重光通信では、波長1.260〜1.360μmのO帯、1.530〜1.565μmのC帯、1.565〜1.625μmのL帯といった様々な波長の光が利用されている。Geからなる光吸収層がSi基板上に設けられた現状の受光器は、C帯より短波長側では高効率で受光することができるが、長波長側のL帯では受光効率が減少する。L帯で高効率化するには、光吸収端波長を決めているGeの直接遷移バンドギャップを減少させる必要がある。   In large-capacity wavelength division multiplexing optical communication, light of various wavelengths such as an O band with a wavelength of 1.260 to 1.360 μm, a C band of 1.530 to 1.565 μm, and an L band of 1.565 to 1.625 μm are transmitted. It's being used. The current light receiving device in which the light absorption layer made of Ge is provided on the Si substrate can receive light with high efficiency on the shorter wavelength side than the C band, but the light receiving efficiency decreases on the L band on the longer wavelength side. In order to increase the efficiency in the L band, it is necessary to reduce the direct transition band gap of Ge, which determines the light absorption edge wavelength.

一方、電界吸収型光変調器では、動作波長は光吸収端波長の周辺に限られている。より広範な波長で動作可能とするためには、直接遷移バンドギャップを減少または増加させる必要がある。直接遷移バンドギャップの大きさを制御する方法として、エピタキシャル成長したSiGeまたはGeSn(例えば非特許文献3)などの混晶半導体やそのヘテロ接合(例えば非特許文献4)を用いる方法がある。また、SiNxなど応力を内包する誘電体膜を表面に堆積し、Geに格子ひずみを誘起する方法(例えば非特許文献5)がある。   On the other hand, in the electroabsorption optical modulator, the operating wavelength is limited to the vicinity of the light absorption edge wavelength. In order to be able to operate over a wider range of wavelengths, the direct transition band gap needs to be reduced or increased. As a method for controlling the size of the direct transition band gap, there is a method using a mixed crystal semiconductor such as epitaxially grown SiGe or GeSn (for example, Non-Patent Document 3) or a heterojunction thereof (for example, Non-Patent Document 4). Further, there is a method (for example, Non-Patent Document 5) in which a dielectric film containing stress such as SiNx is deposited on the surface to induce lattice distortion in Ge.

G. Li et al., Opt. Express 20 (2012) 26345G. Li et al., Opt. Express 20 (2012) 26345 J. Liu et al., Nature Photon. 2 (2008) 433J. Liu et al., Nature Photon. 2 (2008) 433 M. Oehme et al., Appl. Phys. Lett. 104 (2014) 161115M. Oehme et al., Appl. Phys. Lett. 104 (2014) 161115 E. H. Edwards et al., Opt. Express 21 (2013) 867E. H. Edwards et al., Opt. Express 21 (2013) 867 R. Kuroyanagi et al., Opt. Express 21 (2013) 18553R. Kuroyanagi et al., Opt. Express 21 (2013) 18553

光電変換デバイスの動作波長は、エピタキシャル成長の条件で決まる混晶の組成で決定される。非特許文献2に記載されている光変調器では、混晶組成を1%あるいはそれ以下の精度で制御しなければならない。非特許文献5に記載された方法では、1GPa近傍あるいはそれ以上の大きな応力を有する誘電体膜が必要とされる。   The operating wavelength of the photoelectric conversion device is determined by the composition of the mixed crystal determined by the epitaxial growth conditions. In the optical modulator described in Non-Patent Document 2, the mixed crystal composition must be controlled with an accuracy of 1% or less. In the method described in Non-Patent Document 5, a dielectric film having a large stress in the vicinity of 1 GPa or more is required.

より広範な波長で動作可能とするために、動作波長をより簡便に制御できる光電変換デバイスは、未だ得られていない。   In order to be able to operate in a wider range of wavelengths, a photoelectric conversion device that can more easily control the operating wavelength has not yet been obtained.

そこで本発明は、動作波長をより簡便に制御することができる光電変換デバイス、および光電変換デバイスの動作波長の制御方法を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device that can more easily control the operating wavelength, and a method for controlling the operating wavelength of the photoelectric conversion device.

本発明に係る光電変換デバイスは、少なくとも表面にSi層を有する半導体基板と、前記半導体基板上に選択成長したGe層からなる光吸収層と、前記光吸収層の上面に設けられ、前記光吸収層に圧縮応力または引張り応力を印加する応力印加層とを備え、前記応力印加層は、下地に格子整合したSiGe層を含むことを特徴とする。   A photoelectric conversion device according to the present invention is provided on a semiconductor substrate having at least a Si layer on a surface thereof, a light absorption layer composed of a Ge layer selectively grown on the semiconductor substrate, and an upper surface of the light absorption layer, and the light absorption A stress applying layer for applying a compressive stress or a tensile stress to the layer, and the stress applying layer includes a SiGe layer lattice-matched to the base.

本発明に係る光電変換デバイスの動作波長の制御方法は、少なくとも表面にSi層を有する半導体基板と、前記半導体基板上に選択成長したGe層からなる光吸収層とを備える光電変換デバイスの動作波長の制御方法であって、前記光吸収層に格子整合したSiGe層からなる応力印加層を、前記光吸収層の上に形成し、前記応力印加層から前記光吸収層に圧縮応力を印加して、前記光吸収層の直接遷移バンドギャップを増加させることで、前記光電変換デバイスの動作波長を短波長化することを特徴とする。   The method for controlling the operating wavelength of a photoelectric conversion device according to the present invention includes an operation wavelength of a photoelectric conversion device including a semiconductor substrate having at least a Si layer on a surface and a light absorption layer made of a Ge layer selectively grown on the semiconductor substrate. A stress applying layer composed of a SiGe layer lattice-matched to the light absorbing layer is formed on the light absorbing layer, and compressive stress is applied from the stress applying layer to the light absorbing layer. The operating wavelength of the photoelectric conversion device is shortened by increasing the direct transition band gap of the light absorption layer.

本発明に係る光電変換デバイスの動作波長の制御方法は、少なくとも表面にSi層を有する半導体基板と、前記半導体基板上に選択成長したGe層からなる光吸収層とを備える光電変換デバイスの動作波長の制御方法であって、Si層と、前記Si層に格子整合したSiGe層とを含む応力印加層を、前記光吸収層の上に形成し、前記応力印加層から前記光吸収層に引張り応力を印加して、前記光吸収層の直接遷移バンドギャップを減少させることで、前記光電変換デバイスの動作波長を長波長化することを特徴とする。   The method for controlling the operating wavelength of a photoelectric conversion device according to the present invention includes an operation wavelength of a photoelectric conversion device including a semiconductor substrate having at least a Si layer on a surface and a light absorption layer made of a Ge layer selectively grown on the semiconductor substrate. A stress applying layer including a Si layer and a SiGe layer lattice-matched to the Si layer is formed on the light absorbing layer, and tensile stress is applied from the stress applying layer to the light absorbing layer. Is applied to reduce the direct transition band gap of the light absorption layer, thereby extending the operating wavelength of the photoelectric conversion device.

本発明によれば、光電変換デバイスは、光吸収層に応力を印加する応力印加層を備えている。光吸収層は、応力印加層から応力を印加されることによって、直接遷移バンドギャップが増加または減少する。   According to the present invention, the photoelectric conversion device includes the stress application layer that applies stress to the light absorption layer. In the light absorption layer, when a stress is applied from the stress application layer, the direct transition band gap is increased or decreased.

光吸収層の直接遷移バンドギャップが増加する場合には、光電変換デバイスの動作波長を短波長化することができ、光吸収層の直接遷移バンドギャップが減少する場合には、光電変換デバイスの動作波長を長波長化することができる。これによって、光電変換デバイスの動作波長を簡便に制御することができ、より広範な波長での動作が可能となる。   When the direct transition band gap of the light absorption layer increases, the operating wavelength of the photoelectric conversion device can be shortened, and when the direct transition band gap of the light absorption layer decreases, the operation of the photoelectric conversion device The wavelength can be increased. As a result, the operating wavelength of the photoelectric conversion device can be easily controlled, and operation in a wider range of wavelengths is possible.

本発明の光電変換デバイスの原理を説明するための模式図であり、図1Aは第1の例、図1Bは第2の例の模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the principle of the photoelectric conversion device of this invention, FIG. 1A is a schematic diagram of a 1st example, FIG. 1B is a 2nd example. Ge層の(001)面に一軸性の応力を印加した場合の伝導帯および価電子帯のバンド端エネルギーの計算結果であり、図2Aは、[100]方向に一軸性の応力を印加した場合、図2Bは、[110]方向に一軸性の応力を印加した場合の計算結果である。FIG. 2A is a calculation result of the band edge energy of the conduction band and the valence band when uniaxial stress is applied to the (001) plane of the Ge layer. FIG. 2A shows the case where uniaxial stress is applied in the [100] direction. FIG. 2B shows the calculation result when uniaxial stress is applied in the [110] direction. Ge層の(001)面に一軸性の応力を印加した場合の直接遷移バンドギャップの計算結果であり、図3Aは、[100]方向に一軸性の応力を印加した場合、図3Bは、[110]方向に一軸性の応力を印加した場合の計算結果である。FIG. 3A is a calculation result of a direct transition band gap when uniaxial stress is applied to the (001) plane of the Ge layer. FIG. 3A shows a case where uniaxial stress is applied in the [100] direction. 110] is a calculation result when uniaxial stress is applied in the direction. SiGe層の組成と応力との関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between the composition of a SiGe layer, and stress. SiGe層の組成と臨界膜厚との関係を示すグラフ図であり、図5Aは、Ge層上のSiGe層、図5Bは、Si層上のSiGe層についての計算結果である。FIG. 5A is a graph showing the relationship between the composition of the SiGe layer and the critical film thickness. FIG. 5A shows the calculation result for the SiGe layer on the Ge layer, and FIG. 5B shows the calculation result for the SiGe layer on the Si layer. 第1実施形態に係る光電変換デバイスを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the photoelectric conversion device which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る光電変換デバイスの顕微鏡像であり、図7Aは上面の光学顕微鏡像、図7Bは断面の走査電子顕微鏡像である。It is a microscope image of the photoelectric conversion device which concerns on 1st Embodiment, FIG. 7A is an optical microscope image of an upper surface, FIG. 7B is a scanning electron microscope image of a cross section. Geのフォトルミネセンス発光スペクトルである。It is a photoluminescence emission spectrum of Ge. Geのフォトルミネセンス発光ピークのGe層幅依存性を示すグラフ図である。It is a graph which shows Ge layer width dependence of the photoluminescence emission peak of Ge. 上面に異なる層が設けられたGeのフォトルミネセンス発光スペクトルである。It is a photoluminescence emission spectrum of Ge provided with different layers on the upper surface. Geのフォトルミネセンス発光スペクトルである。It is a photoluminescence emission spectrum of Ge. 第2実施形態に係る光電変換デバイスを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the photoelectric conversion device which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る光電変換デバイスの製造方法を段階的に示す図であり、図13Aはメサ型のGe層上にSiGe層を形成した段階、図13Bは、メサ型のGe層の側面を除去した段階を示す断面図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the photoelectric conversion device which concerns on 2nd Embodiment in steps, FIG. 13A is the step which formed the SiGe layer on the mesa type Ge layer, FIG. 13B shows the side surface of the mesa type Ge layer. It is sectional drawing which shows the step which removed. 第2実施形態の変形例の光電変換デバイスを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the photoelectric conversion device of the modification of 2nd Embodiment. 第2実施形態の変形例の光電変換デバイスの製造方法を段階的に示す図であり、図15Aはメサ型のGe層上にSiGe層を形成した段階、図15Bは、メサ型のGe層の側面を除去した段階を示す断面図である。FIG. 15A is a view showing stepwise a method for manufacturing a photoelectric conversion device according to a modification of the second embodiment. FIG. 15A is a view showing a stage in which a SiGe layer is formed on a mesa-type Ge layer, and FIG. It is sectional drawing which shows the step which removed the side surface. 第3実施形態に係る光電変換デバイスを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the photoelectric conversion device which concerns on 3rd Embodiment. 第3実施形態に係る光電変換デバイスの製造方法を段階的に示す図であり、図17Aはメサ型のGe層上にSi層を形成した段階、図17Bは、Si層上にSiGe層を形成した段階を示す断面図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the photoelectric conversion device which concerns on 3rd Embodiment in steps, FIG. 17A is the step which formed Si layer on the mesa type Ge layer, FIG. 17B formed the SiGe layer on Si layer It is sectional drawing which shows the step which carried out. 第3実施形態の変形例の光電変換デバイスを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the photoelectric conversion device of the modification of 3rd Embodiment. 第3実施形態の変形例の光電変換デバイスの製造方法を段階的に示す図であり、図19Aはメサ型のGe層上にSi層を形成した段階、図19Bは、Si層上にSiGe層を形成した段階を示す断面図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the photoelectric conversion device of the modification of 3rd Embodiment in steps, FIG. 19A is the step which formed Si layer on the mesa type Ge layer, FIG. 19B is a SiGe layer on Si layer It is sectional drawing which shows the step which formed. 第4実施形態に係る光電変換デバイスを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the photoelectric conversion device which concerns on 4th Embodiment. 第4実施形態に係る光電変換デバイスの製造方法を段階的に示す図であり、図21Aはメサ型のGe層の一方の上にSi層を形成した段階、図21Bは、SiGe層を形成した段階、図21Cは、他方のGe層の側面を除去した段階を示す断面図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the photoelectric conversion device which concerns on 4th Embodiment in steps, FIG. 21A is the step which formed Si layer on one side of a mesa type Ge layer, FIG. 21B formed the SiGe layer FIG. 21C is a cross-sectional view showing the stage in which the side surface of the other Ge layer is removed. 第4実施形態の変形例の光電変換デバイスを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the photoelectric conversion device of the modification of 4th Embodiment. 第4実施形態の変形例の光電変換デバイスの製造方法を段階的に示す図であり、図23Aはメサ型のGe層の一方の上にSi層を形成した段階、図23Bは、SiGe層を形成した段階、図23Cは、他方のGe層の側面を除去した段階を示す断面図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the photoelectric conversion device of the modification of 4th step in steps, FIG. 23A is the step which formed Si layer on one side of a mesa type Ge layer, FIG. FIG. 23C is a cross-sectional view showing the stage where the other Ge layer has been removed.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[基本原理]
まず、本発明の光電変換デバイスの基本原理を説明する。図1A、図1Bに、本発明の光電変換デバイスの模式図を示す。図1Aに示す光電変換デバイス10Aは、半導体基板12上に細線状のGe層からなる光吸収層14が形成されている。ここでの半導体基板12は、絶縁層(SiO2層)12bおよびSi層12cがSi基板12a上に順次形成されたSOI(Silicon on Insulator)基板であるが、Si基板12aを半導体基板12として用いることもできる。
[Basic principle]
First, the basic principle of the photoelectric conversion device of the present invention will be described. 1A and 1B are schematic views of the photoelectric conversion device of the present invention. In the photoelectric conversion device 10 </ b> A shown in FIG. 1A, a light absorption layer 14 made of a thin Ge layer is formed on a semiconductor substrate 12. Here, the semiconductor substrate 12 is an SOI (Silicon on Insulator) substrate in which an insulating layer (SiO 2 layer) 12b and an Si layer 12c are sequentially formed on the Si substrate 12a. The Si substrate 12a is used as the semiconductor substrate 12. You can also.

光吸収層14は、半導体基板12表面の絶縁層(SiO2層)20で画定された領域にGe層を選択成長させることによって形成される。光吸収層14上には、SiGe層16からなる応力印加層17Aが設けられている。SiGe層16は、下地である光吸収層14に直接成長させることで得られ、光吸収層14に格子整合している。追って説明するように、応力印加層17AとしてのSiGe層16の厚さは、臨界膜厚以下であることが好ましい。 The light absorption layer 14 is formed by selectively growing a Ge layer in a region defined by an insulating layer (SiO 2 layer) 20 on the surface of the semiconductor substrate 12. On the light absorption layer 14, a stress application layer 17A made of the SiGe layer 16 is provided. The SiGe layer 16 is obtained by directly growing on the light absorption layer 14 as a base, and lattice-matched with the light absorption layer 14. As will be described later, the thickness of the SiGe layer 16 as the stress application layer 17A is preferably equal to or less than the critical film thickness.

Ge層からなる光吸収層14上に直接成長させたSiGe層16は、矢印TSと反対方向に引張り応力を有する。SiGe層16からなる応力印加層17Aが、引張り応力を開放するために収縮するような弾性変形を起こすことによって、光吸収層14に矢印CSで表わされる圧縮応力が印加される。Ge層からなる光吸収層14に圧縮応力が印加されると、直接遷移バンドギャップが増加して、光電変換デバイス10Aの動作波長が短波長化する。   The SiGe layer 16 directly grown on the light absorption layer 14 made of a Ge layer has a tensile stress in the direction opposite to the arrow TS. The stress applying layer 17 </ b> A made of the SiGe layer 16 undergoes elastic deformation that contracts to release the tensile stress, whereby a compressive stress represented by an arrow CS is applied to the light absorbing layer 14. When compressive stress is applied to the light absorption layer 14 made of the Ge layer, the direct transition band gap increases, and the operating wavelength of the photoelectric conversion device 10A is shortened.

図1Bに示す光電変換デバイス10Bは、光吸収層14上の応力印加層17Bが、Si層18とSiGe層16とから構成されている。SiGe層16は、下層のSi層18に格子整合して直接成長させたものである。Si層18は、格子整合せずに光吸収層14上に形成されている。この点が異なる以外は、光電変換デバイス10Bは、光電変換デバイス10Aと同様の構成である。   In the photoelectric conversion device 10 </ b> B shown in FIG. 1B, the stress application layer 17 </ b> B on the light absorption layer 14 is composed of the Si layer 18 and the SiGe layer 16. The SiGe layer 16 is grown directly in lattice matching with the underlying Si layer 18. The Si layer 18 is formed on the light absorption layer 14 without lattice matching. Except for this point, the photoelectric conversion device 10B has the same configuration as the photoelectric conversion device 10A.

応力印加層17BにおけるSiGe層16は、下層のSi層18に格子整合している。Si層18は、Ge層からなる光吸収層14に格子整合していないので、格子緩和層として作用する。Si層18とSiGe層16とを含む応力印加層17Bは、矢印CSと反対方向に圧縮応力を有する。応力印加層17Bが圧縮応力を開放するために膨張するような弾性変形を起こすことによって、光吸収層14には矢印TSで表わされる引張り応力が印加される。Ge層からなる光吸収層14に引張り応力が印加されると、直接遷移バンドギャップが減少して、光電変換デバイス10Bの動作波長が長波長化する。   The SiGe layer 16 in the stress application layer 17B is lattice-matched to the lower Si layer 18. Since the Si layer 18 is not lattice-matched to the light absorption layer 14 made of a Ge layer, it functions as a lattice relaxation layer. The stress applying layer 17B including the Si layer 18 and the SiGe layer 16 has a compressive stress in the direction opposite to the arrow CS. A tensile stress represented by an arrow TS is applied to the light absorption layer 14 by causing elastic deformation such that the stress application layer 17B expands to release the compressive stress. When a tensile stress is applied to the light absorption layer 14 made of a Ge layer, the direct transition band gap decreases, and the operating wavelength of the photoelectric conversion device 10B becomes longer.

Si層上に成長させたGe層には、熱応力による引張りひずみが予め存在していてもよい。Ge層に外部から応力が印加された際のGeのバンドギャップについて、以下に説明する。   In the Ge layer grown on the Si layer, tensile strain due to thermal stress may exist in advance. The Ge band gap when a stress is applied to the Ge layer from the outside will be described below.

図2Aのグラフには、Ge層の(001)面の面内の[100]方向に一軸性の応力を印加した場合の伝導帯および価電子帯のバンド端エネルギーの計算結果を示す。図2Bのグラフには、Ge層の(001)面の面内の[110]方向に一軸性の応力を印加した場合の伝導帯および価電子帯のバンド端エネルギーの計算結果を示す。   The graph of FIG. 2A shows the calculation results of the band edge energy of the conduction band and valence band when uniaxial stress is applied in the [100] direction in the (001) plane of the Ge layer. The graph of FIG. 2B shows the calculation results of the band edge energy of the conduction band and the valence band when uniaxial stress is applied in the [110] direction in the (001) plane of the Ge layer.

図2A、図2Bのグラフ中、E ΓおよびE は、それぞれ伝導帯のΓ点およびL点のエネルギーを表わしている。E HHおよびE LHは、それぞれ価電子帯のヘビーホールおよびライトホールのエネルギーを表わしている。E SOは、価電子帯のスプリットオフバンドのエネルギーを表わしている。これらのグラフから、格子ひずみによって、Geの伝導帯および価電子帯のバンド端エネルギーが変化することがわかる。 In the graphs of FIGS. 2A and 2B, E C Γ and E C L represent the energy at the Γ point and L point of the conduction band, respectively. E V HH and E V LH represent the energy of heavy holes and light holes in the valence band, respectively. E V SO represents the energy of the split-off band of the valence band. From these graphs, it is understood that the band edge energy of the conduction band and the valence band of Ge changes depending on the lattice strain.

図3Aには、Ge層の(001)面の面内の[100]方向に一軸性の応力を印加した場合のΓ点の直接遷移バンドギャップの計算結果を示す。図3Bには、Ge層の(001)面の面内の[110]方向に一軸性の応力を印加した場合のΓ点の直接遷移バンドギャップの計算結果を示す。ここでの計算においては、熱応力の影響は考慮していない。   FIG. 3A shows the calculation result of the direct transition band gap at the Γ point when uniaxial stress is applied in the [100] direction in the (001) plane of the Ge layer. FIG. 3B shows the calculation result of the direct transition band gap at the Γ point when uniaxial stress is applied in the [110] direction in the (001) plane of the Ge layer. In this calculation, the influence of thermal stress is not considered.

図3A、図3Bのグラフ中、C−HHは、ヘビーホールに対する直接遷移バンドギャップを表わし、C−LHは、ライトホールに対する直接遷移バンドギャップを表わしている。これらのグラフから、Geに格子ひずみを与えることによって、直接遷移バンドギャップが変化することがわかる。   In the graphs of FIGS. 3A and 3B, C-HH represents a direct transition band gap for a heavy hole, and C-LH represents a direct transition band gap for a light hole. From these graphs, it can be seen that the transition band gap changes directly by applying lattice strain to Ge.

下層に格子整合したSiGe層には、応力が発生する。図4に示すように、Ge層上に格子整合したSiGe層(SiGe on Ge)には、引張り応力が発生する。一方、Si層上に格子整合したSiGe層(SiGe on Si)には、圧縮応力が発生する。SiGe層に発生する応力は、数GPaのオーダーである。いずれの場合も、SiGe層中のGe含有量が多くなると応力は負方向に変化する。SiGeの組成を変更することで、SiGe層の応力の大きさを制御できる。   Stress is generated in the SiGe layer lattice-matched to the lower layer. As shown in FIG. 4, tensile stress is generated in the SiGe layer (SiGe on Ge) lattice-matched on the Ge layer. On the other hand, compressive stress is generated in the SiGe layer (SiGe on Si) lattice-matched on the Si layer. The stress generated in the SiGe layer is on the order of several GPa. In any case, as the Ge content in the SiGe layer increases, the stress changes in the negative direction. By changing the composition of SiGe, the magnitude of the stress of the SiGe layer can be controlled.

SiGe層は、臨界膜厚以下であれば、Ge層またはSi層に格子整合して形成することができる。   The SiGe layer can be formed in lattice matching with the Ge layer or the Si layer as long as it has a critical film thickness or less.

図5Aには、Ge層上のSiGe層の臨界膜厚の計算結果を示し、図5Bには、Si層上のSiGe層の臨界膜厚の結果を示す。知られているとおり、SiGe層の臨界膜厚は成長温度に依存する。低温では、People−Beanのモデルによる計算結果によく一致する。高温では、Matthews−Blakesleeのモデルによる計算結果によく一致している。   FIG. 5A shows the calculation result of the critical thickness of the SiGe layer on the Ge layer, and FIG. 5B shows the result of the critical thickness of the SiGe layer on the Si layer. As is known, the critical thickness of the SiGe layer depends on the growth temperature. At low temperatures, it agrees well with the results calculated by the People-Bean model. At high temperatures, it is in good agreement with the results calculated by the Matthews-Blakeslee model.

SiGe層の厚さは、Ge含有量に応じて適宜選択することができる。Ge層上のSiGe層のGe含有量は、30〜90%程度が好ましく、50〜90%程度がより好ましく、70〜90%程度が最も好ましい。Si層上のSiGe層のGe含有量は、10〜70%程度が好ましく、10〜50%程度がより好ましく、10〜30%程度が最も好ましい。   The thickness of the SiGe layer can be appropriately selected according to the Ge content. The Ge content of the SiGe layer on the Ge layer is preferably about 30 to 90%, more preferably about 50 to 90%, and most preferably about 70 to 90%. The Ge content of the SiGe layer on the Si layer is preferably about 10 to 70%, more preferably about 10 to 50%, and most preferably about 10 to 30%.

例えば、Ge含有量が80%の場合、Ge層上のSiGe層の厚さは5〜200nm程度が好ましく、10〜150nm程度がより好ましく、20〜100nm程度が最も好ましい。Ge含有量が80%の場合、Si層上のSiGe層の厚さは5〜200nm程度が好ましく、10〜150nm程度がより好ましく、20〜100nm程度が最も好ましい。   For example, when the Ge content is 80%, the thickness of the SiGe layer on the Ge layer is preferably about 5 to 200 nm, more preferably about 10 to 150 nm, and most preferably about 20 to 100 nm. When the Ge content is 80%, the thickness of the SiGe layer on the Si layer is preferably about 5 to 200 nm, more preferably about 10 to 150 nm, and most preferably about 20 to 100 nm.

[第1実施形態]
図6に示す光電変換デバイス10Aは、半導体基板12上に設けられた光吸収層14と、光吸収層14を覆う応力印加層17Aとを備える。半導体基板12は、Si基板12a上に、絶縁層(SiO2層)12bおよびSi層12cが順次積層されている。光吸収層14は、化学気相堆積(CVD)によりSi層12c上にGe層を選択成長させることによって形成することができる。
[First Embodiment]
A photoelectric conversion device 10 </ b> A illustrated in FIG. 6 includes a light absorption layer 14 provided on the semiconductor substrate 12 and a stress application layer 17 </ b> A that covers the light absorption layer 14. In the semiconductor substrate 12, an insulating layer (SiO 2 layer) 12b and a Si layer 12c are sequentially stacked on a Si substrate 12a. The light absorption layer 14 can be formed by selectively growing a Ge layer on the Si layer 12c by chemical vapor deposition (CVD).

応力印加層17Aは、Ge層からなる光吸収層14上に直接成長させたSiGe層16により構成される。本実施形態においては、SiGe層16中におけるGe組成は、約80%である。   The stress application layer 17A is composed of a SiGe layer 16 grown directly on the light absorption layer 14 made of a Ge layer. In the present embodiment, the Ge composition in the SiGe layer 16 is about 80%.

図7Aに示すように、光吸収層14の幅は5μm程度である。図7Bに示すように、光吸収層14の厚さは、約500nmであり、SiGe層16からなる応力印加層17Aの厚さは約40nmである。光吸収層14の幅は、0.5〜20μmの範囲で適宜選択することができる。光吸収層14の厚さは、0.1〜2.0μmの範囲で適宜選択することができる。   As shown in FIG. 7A, the width of the light absorption layer 14 is about 5 μm. As shown in FIG. 7B, the thickness of the light absorption layer 14 is about 500 nm, and the thickness of the stress application layer 17A made of the SiGe layer 16 is about 40 nm. The width of the light absorption layer 14 can be appropriately selected within the range of 0.5 to 20 μm. The thickness of the light absorption layer 14 can be appropriately selected within a range of 0.1 to 2.0 μm.

上面にSiGe層が設けられたGeのフォトルミネセンス発光スペクトルを、図8に示す。図8には、Ge層の底面の幅が異なる5種類(100μm、10μm、5μm、3μm、2μm)の構造についての発光スペクトルを、参照としてのバルクGeの発光スペクトルとともに示している。図8は、バンド間の直接遷移による発光が生じていることを表わす。発光ピークの波長(以下、「発光ピーク」と称す)は、バンドギャップに相当するエネルギーを有する光の波長である。   FIG. 8 shows a photoluminescence emission spectrum of Ge having a SiGe layer on the upper surface. FIG. 8 shows emission spectra of five types of structures (100 μm, 10 μm, 5 μm, 3 μm, and 2 μm) having different widths of the bottom surface of the Ge layer, together with an emission spectrum of bulk Ge as a reference. FIG. 8 shows that light emission is caused by direct transition between bands. The wavelength of the emission peak (hereinafter referred to as “emission peak”) is the wavelength of light having energy corresponding to the band gap.

Ge層の幅が100μmの場合の発光ピークは、バルクGeの発光ピークより長波長側にある。これは、Ge層の幅を100μmとすることで、熱応力によりバンドギャップが減少したことに起因すると推測される。Ge層の幅が狭くなると、発光ピークは短波長側にシフトすることが、図8に示されている。発光ピークの短波長側へのシフトは、SiGe層から受けるひずみの影響が大きくなって、直接遷移バンドギャップが増大することに対応する。   The emission peak when the width of the Ge layer is 100 μm is on the longer wavelength side than the emission peak of bulk Ge. This is presumed to be due to the fact that the band gap was reduced due to thermal stress by setting the width of the Ge layer to 100 μm. FIG. 8 shows that the emission peak shifts to the short wavelength side when the width of the Ge layer is narrowed. The shift of the emission peak to the short wavelength side corresponds to the fact that the influence of the strain received from the SiGe layer increases and the direct transition band gap increases.

図9には、Geのフォトルミネセンス発光ピークのGe層幅依存性を示す。Ge層の幅を100μmから3μmに減少させることによって、発光ピークを10nm以上シフトさせることができる。   FIG. 9 shows the Ge layer width dependence of Ge photoluminescence emission peak. The emission peak can be shifted by 10 nm or more by reducing the width of the Ge layer from 100 μm to 3 μm.

図10には、上面に異なる層が設けられたGeのフォトルミネセンス発光スペクトルを、比較して示している。“SiGe cap”は、Ge層上にSiGe層を直接成長させて形成した場合であり、“Si cap”は、Ge層上にSi層を形成した場合である。いずれについても、Ge層の幅は5μmとした。   FIG. 10 shows a comparison of the photoluminescence emission spectra of Ge having different layers on the top surface. “SiGe cap” is a case where the SiGe layer is directly grown on the Ge layer, and “Si cap” is a case where the Si layer is formed on the Ge layer. In all cases, the width of the Ge layer was 5 μm.

“SiGe cap”の発光ピークは、“Si cap”の発光ピークより10nm以上短波長側にある。Si層は、基本的にはGe層上に格子整合させることができないのに対し、SiGe層はGe層上に直接成長させることができる。Ge層上に直接成長させたSiGe層は、格子ひずみを有しているので、Ge層に圧縮応力を印加して、発光波長を短波長化することができる。   The emission peak of “SiGe cap” is 10 nm or more shorter than the emission peak of “Si cap”. The Si layer basically cannot be lattice matched on the Ge layer, whereas the SiGe layer can be grown directly on the Ge layer. Since the SiGe layer grown directly on the Ge layer has lattice strain, the emission wavelength can be shortened by applying a compressive stress to the Ge layer.

(変形例)
Ge層からなる光吸収層14とSiGe層16との間に、10nm程度の厚さのSi層18を設ける以外は、前述の光電変換デバイス10Aの場合と同様の手法により、図1Bに示した光電変換デバイス10Bを作製した。Si層18とSiGe層16とから、応力印加層17Bが構成される。すでに説明したとおり、SiGe層16は、Si層18上に直接成長させて得られ、Si層18に格子整合している。Si層18は、Ge層からなる光吸収層14に格子整合していないので、格子緩和層として作用する。
(Modification)
FIG. 1B shows a method similar to that of the photoelectric conversion device 10A described above except that a Si layer 18 having a thickness of about 10 nm is provided between the light absorption layer 14 made of a Ge layer and the SiGe layer 16. A photoelectric conversion device 10B was produced. The Si layer 18 and the SiGe layer 16 constitute a stress application layer 17B. As already described, the SiGe layer 16 is obtained by directly growing on the Si layer 18 and lattice-matched with the Si layer 18. Since the Si layer 18 is not lattice-matched to the light absorption layer 14 made of a Ge layer, it functions as a lattice relaxation layer.

このような応力印加層17Bが上面に設けられたGeのフォトルミネセンス発光スペクトルを、図11中に“compressive SiGe cap”として示す。図11中、“relaxed Si cap”は、Ge層の上面に、厚さ約50nmのSi層のみを設けた場合のGeのフォトルミネセンス発光スペクトルを示している。図11中、“tensile SiGe cap”は図1Aに示した光電変換デバイス10AにおけるGeのフォトルミネセンス発光スペクトルであり、“reference bulk Ge”は、参照としてのバルクGeの発光スペクトルである。   The photoluminescence emission spectrum of Ge provided with the stress application layer 17B on the upper surface is shown as “compressive SiGe cap” in FIG. In FIG. 11, “relaxed Si cap” indicates the photoluminescence emission spectrum of Ge when only the Si layer having a thickness of about 50 nm is provided on the upper surface of the Ge layer. In FIG. 11, “tensile SiGe cap” is a photoluminescence emission spectrum of Ge in the photoelectric conversion device 10A shown in FIG. 1A, and “reference bulk Ge” is an emission spectrum of bulk Ge as a reference.

図8の場合と同様、図11は、バンド間の直接遷移による発光が生じていることを表わしている。したがって、発光ピークは、バンドギャップに相当するエネルギーを有する光の波長である。   As in the case of FIG. 8, FIG. 11 shows that light emission is caused by direct transition between bands. Therefore, the emission peak is the wavelength of light having energy corresponding to the band gap.

光吸収層(Ge層)の上面にSi層のみを設けた“relaxed Si cap”の場合、発光ピークは、バルクGeの場合より長波長側にある。Ge層と、Ge層の下地の半導体基板との間には、熱膨張係数の差による応力(熱応力)が生じている。この熱応力によって、Ge層に引張りひずみが予め内蔵され、その影響により発光ピークが長波長側にシフトしたものと推測される。   In the case of “relaxed Si cap” in which only the Si layer is provided on the upper surface of the light absorption layer (Ge layer), the emission peak is on the longer wavelength side than in the case of bulk Ge. Stress (thermal stress) due to a difference in thermal expansion coefficient is generated between the Ge layer and the semiconductor substrate underlying the Ge layer. It is presumed that due to this thermal stress, a tensile strain is built in the Ge layer in advance, and the emission peak is shifted to the long wavelength side due to the influence.

Si層とSiGe層とからなる応力印加層が設けられた“compressive SiGe cap”では、発光ピークは、Si層のみの場合よりもさらに長波長側にシフトしている。Si層(格子緩和層)をSiGe層の下層に有する応力印加層が弾性変形を起こすことによって、Ge層からなる光吸収層に引張り応力が印加される。その結果、直接遷移バンドギャップが減少して、発光ピークがさらに長波長側へシフトした。   In a “compressive SiGe cap” provided with a stress application layer composed of a Si layer and a SiGe layer, the emission peak is shifted further to the longer wavelength side than in the case of only the Si layer. When the stress application layer having the Si layer (lattice relaxation layer) under the SiGe layer undergoes elastic deformation, a tensile stress is applied to the light absorption layer made of the Ge layer. As a result, the direct transition band gap decreased, and the emission peak further shifted to the longer wavelength side.

[第2実施形態]
(全体構成)
図12に示す光電変換デバイス100Aは、Si基板103上に絶縁層104およびSi層105が順次設けられた半導体基板102を備える。半導体基板102は、SOI基板である。Si層105は、p−Si領域107およびn−Si領域108が、i層(真性半導体層)110を挟んで離間形成されている。光電変換デバイス100Aは、半導体基板102の表面に平行な方向にpinダイオード構造を有している。
[Second Embodiment]
(overall structure)
A photoelectric conversion device 100A illustrated in FIG. 12 includes a semiconductor substrate 102 in which an insulating layer 104 and a Si layer 105 are sequentially provided on a Si substrate 103. The semiconductor substrate 102 is an SOI substrate. In the Si layer 105, a p-Si region 107 and an n-Si region 108 are formed with an i layer (intrinsic semiconductor layer) 110 interposed therebetween. The photoelectric conversion device 100 </ b> A has a pin diode structure in a direction parallel to the surface of the semiconductor substrate 102.

半導体基板102上には、選択成長させたGe層からなる断面矩形の光吸収層114aが配置される。光吸収層114aは、紙面に直交する方向に延びた細線状である。光吸収層114a上には、直接成長させたSiGe層116からなる応力印加層117Aが設けられている。   On the semiconductor substrate 102, a light absorption layer 114a having a rectangular cross section made of a selectively grown Ge layer is disposed. The light absorption layer 114a has a thin line shape extending in a direction orthogonal to the paper surface. On the light absorption layer 114a, a stress application layer 117A made of the directly grown SiGe layer 116 is provided.

応力印加層117Aが設けられた光吸収層114aをSi層105とともに覆って、絶縁層120が設けられている。Si層105のp−Si領域107およびn−Si領域108に接続するように、絶縁層120を貫通して一対の電極(第1の電極119aおよび第2の電極119b)が形成されている。   An insulating layer 120 is provided so as to cover the light absorption layer 114a provided with the stress application layer 117A together with the Si layer 105. A pair of electrodes (a first electrode 119a and a second electrode 119b) are formed through the insulating layer 120 so as to be connected to the p-Si region 107 and the n-Si region 108 of the Si layer 105.

(製造方法)
光電変換デバイス100Aを製造するにあたっては、まず、図13Aに示すように、絶縁層(SiO2層)104およびSi層105がSi基板103上に順次形成されたSOI基板を準備し、Si層105の所定の領域に、リソグラフィー技術、イオン注入技術を用いて、p−Si領域107、n−Si領域108およびi層110を形成する。
(Production method)
In manufacturing the photoelectric conversion device 100A, first, as shown in FIG. 13A, an SOI substrate in which an insulating layer (SiO 2 layer) 104 and a Si layer 105 are sequentially formed on a Si substrate 103 is prepared. The p-Si region 107, the n-Si region 108, and the i layer 110 are formed in a predetermined region using a lithography technique and an ion implantation technique.

次に、所定のパターンに形成されたレジスト膜(レジストパターン)をマスクとして用いてSi層105をエッチングし、レジストパターンを除去する。その後、全面に絶縁層120aをCVDで形成し、化学機械研磨(chemical mechanical polishing)により、全面を平坦にする。再度レジストを塗布し、レジストパターンをマスクとして用いて絶縁層120aをエッチングし、所定のパターンのSi層105を露出させる。   Next, the Si layer 105 is etched using a resist film (resist pattern) formed in a predetermined pattern as a mask, and the resist pattern is removed. Thereafter, an insulating layer 120a is formed on the entire surface by CVD, and the entire surface is flattened by chemical mechanical polishing. A resist is applied again, and the insulating layer 120a is etched using the resist pattern as a mask to expose the Si layer 105 having a predetermined pattern.

露出したSi層105の上にGe層114を選択成長させる。このときSi層105の一部が絶縁層120aで覆われているので、Ge層114は、Si層105の上にメサ型に形成されて、側面に斜面を有している。図13Aに示すように、Si層105上に選択成長させたメサ型のGe層114上に、SiGe層116を直接成長させて応力印加層117Aを得る。SiGe層116は、メサ型のGe層114の側面の斜面を含む全表面に形成される。   A Ge layer 114 is selectively grown on the exposed Si layer 105. At this time, since part of the Si layer 105 is covered with the insulating layer 120a, the Ge layer 114 is formed in a mesa shape on the Si layer 105 and has a slope on the side surface. As shown in FIG. 13A, the SiGe layer 116 is directly grown on the mesa-type Ge layer 114 selectively grown on the Si layer 105 to obtain the stress application layer 117A. The SiGe layer 116 is formed on the entire surface including the slopes on the side surfaces of the mesa-type Ge layer 114.

レジストパターンをマスクとして用いて、SiGe層116が形成されたメサ型のGe層114の斜面を含む側壁部分をエッチングし、図13Bに示すような矩形状の断面を有する光吸収層114aを得る。   Using the resist pattern as a mask, the side wall portion including the slope of the mesa-type Ge layer 114 on which the SiGe layer 116 is formed is etched to obtain a light absorption layer 114a having a rectangular cross section as shown in FIG. 13B.

次いで、全面に絶縁層を形成して応力印加層117Aが設けられた光吸収層114aとともにSi層105を覆い、化学機械研磨で平坦にした後、リソグラフィー技術、エッチング技術を用いて絶縁層を貫通してコンタクト部を形成する。金属層をスパッタリング法により形成し、パターニングして、Si層105に接続する第1、第2の電極119a,119bを形成する。以上の工程によって、図12に示した光電変換デバイス100Aが得られる。   Next, an insulating layer is formed on the entire surface, covers the Si layer 105 together with the light absorption layer 114a provided with the stress applying layer 117A, is flattened by chemical mechanical polishing, and then penetrates the insulating layer using a lithography technique and an etching technique. Thus, a contact portion is formed. A metal layer is formed by sputtering and patterned to form first and second electrodes 119a and 119b connected to the Si layer 105. Through the above steps, the photoelectric conversion device 100A shown in FIG. 12 is obtained.

(動作および効果)
光電変換デバイス100Aは、入射用および出射用の光導波路を設けて、光変調器として用いることができる。光導波路は、紙面に直交する方向で光吸収層114aの両端面に接続する。
(Operation and effect)
The photoelectric conversion device 100A can be used as an optical modulator by providing optical waveguides for incidence and emission. The optical waveguide is connected to both end faces of the light absorption layer 114a in a direction perpendicular to the paper surface.

光吸収層114aを構成しているGeは屈折率が高いので、光導波路から光吸収層114aに光を入射すると、光は光吸収層114中に存在し易くなる。光吸収層114aは、主に光導波路のコアとして機能する。   Since Ge constituting the light absorption layer 114a has a high refractive index, when light is incident on the light absorption layer 114a from the optical waveguide, the light easily exists in the light absorption layer 114. The light absorption layer 114a mainly functions as the core of the optical waveguide.

光吸収層114aの幅が0.2〜0.8μm程度の場合には、シングルモード光導波路とすることができるので、光は、出射側へ低損失で伝播することが可能となる。   When the width of the light absorption layer 114a is about 0.2 to 0.8 μm, a single mode optical waveguide can be formed, so that light can propagate to the emission side with low loss.

第1の電極119aと第2の電極119bとの間に電圧を印加して、光吸収層114aの電界強度を制御することによって、出射側導波路へ通過する光強度を変化させることができる。例えば、p−Si領域107/i層110/n−Si領域108で構成されるpinダイオードに電圧を印加しない場合、光吸収層114a中の電界強度が10kV/cm程度と小さくなる。この際、Geの直接遷移バンドギャップよりもエネルギーの小さい光は、吸収されることなく通過する。また、pinダイオードの逆方向に電圧を印加し、数10kV/cmを越える大きな電界を光吸収層114aに印加すると、Franz−Keldysh効果により光吸収が大きくなる。この場合には、光は透過しなくなる。以上のように本実施例では、光電変換デバイス100Aは、電界吸収型光変調器として機能する。   By applying a voltage between the first electrode 119a and the second electrode 119b to control the electric field intensity of the light absorption layer 114a, the intensity of light passing through the emission-side waveguide can be changed. For example, when no voltage is applied to the pin diode formed of the p-Si region 107 / i layer 110 / n-Si region 108, the electric field strength in the light absorption layer 114a is as low as about 10 kV / cm. At this time, light having energy smaller than the direct transition band gap of Ge passes through without being absorbed. Further, when a voltage is applied in the reverse direction of the pin diode and a large electric field exceeding several tens of kV / cm is applied to the light absorption layer 114a, light absorption increases due to the Franz-Keldysh effect. In this case, light is not transmitted. As described above, in this embodiment, the photoelectric conversion device 100A functions as an electroabsorption optical modulator.

また、前述のとおり、本実施例では、光電変換デバイス100Aは、光吸収層114a上に格子整合したSiGe層116からなる応力印加層117Aが設けられているので、光吸収層114aに圧縮応力が印加される。これによって、光吸収層114aの直接遷移バンドギャップが増加して、電界吸収型光変調器として動作する波長を短波長化することができる。   Further, as described above, in this embodiment, the photoelectric conversion device 100A is provided with the stress application layer 117A including the lattice-matched SiGe layer 116 on the light absorption layer 114a, so that the light absorption layer 114a has a compressive stress. Applied. As a result, the direct transition band gap of the light absorption layer 114a is increased, and the wavelength that operates as the electroabsorption optical modulator can be shortened.

(変形例)
光電変換デバイス100Aは、pinダイオード構造の方向を変更することができる。具体的には、図14に示す光電変換デバイス100Bのように、半導体基板202の表面に直交する方向にpinダイオード構造を有していてもよい。
(Modification)
The photoelectric conversion device 100A can change the direction of the pin diode structure. Specifically, a pin diode structure may be provided in a direction orthogonal to the surface of the semiconductor substrate 202 as in the photoelectric conversion device 100B illustrated in FIG.

光電変換デバイス100Bは、Si基板203上に絶縁層(SiO2層)204およびSi層205が順次設けられた半導体基板202を備える。ここで「p(n)−Si」は、「p−Si」または「n−Si」の意味である。 The photoelectric conversion device 100B includes a semiconductor substrate 202 in which an insulating layer (SiO 2 layer) 204 and an Si layer 205 are sequentially provided on an Si substrate 203. Here, “p (n) -Si” means “p-Si” or “n-Si”.

光吸収層114a上には、SiGe層116からなる応力印加層117Aが設けられている。SiGe層116は、Si層205がp−Siである場合は、n−SiGeからなり、Si層205がn−Siである場合は、p−SiGeからなる。つまり、光電変換デバイス100Bは、Si層205と、光吸収層114aを構成しているGe層と、応力印加層117Aを構成しているSiGe層116とで構成されるpinダイオード構造を、半導体基板202の表面に直交する方向に有している。   On the light absorption layer 114a, a stress application layer 117A made of the SiGe layer 116 is provided. The SiGe layer 116 is made of n-SiGe when the Si layer 205 is p-Si, and is made of p-SiGe when the Si layer 205 is n-Si. That is, the photoelectric conversion device 100B has a pin diode structure composed of the Si layer 205, the Ge layer that constitutes the light absorption layer 114a, and the SiGe layer 116 that constitutes the stress application layer 117A. 202 in a direction perpendicular to the surface of 202.

第1の電極119aはSi層205に2つ接続され、第2の電極119bはSiGe層116からなる応力印加層117Aに接続されている。第1の電極119aは、必ずしも2つが必要ではなく、第1の電極119aと第2の電極119bとの一対の電極が存在すればよい。   Two first electrodes 119a are connected to the Si layer 205, and the second electrode 119b is connected to a stress application layer 117A made of the SiGe layer 116. Two first electrodes 119a are not necessarily required, and a pair of electrodes of the first electrode 119a and the second electrode 119b may be present.

光電変換デバイス100Bは、pinダイオード構造の方向と、電極の接続が異なる以外は、光電変換デバイス100Aと同様の構成である。光電変換デバイス100Bは、基本的には、光電変換デバイス100Aと同様の方法により製造することができる。   The photoelectric conversion device 100B has the same configuration as the photoelectric conversion device 100A except that the direction of the pin diode structure and the connection of the electrodes are different. The photoelectric conversion device 100B can be basically manufactured by the same method as the photoelectric conversion device 100A.

光電変換デバイス100Bを製造するにあたっては、まず、図15Aに示すように、絶縁層(SiO2層)204およびSi層205がSi基板203上に順次形成されたSOI基板を準備し、Si層205の所定の領域に、リソグラフィー技術、イオン注入技術を用いて、p−Si領域を形成する。 In manufacturing the photoelectric conversion device 100B, first, as shown in FIG. 15A, an SOI substrate in which an insulating layer (SiO 2 layer) 204 and a Si layer 205 are sequentially formed on a Si substrate 203 is prepared. A p-Si region is formed in a predetermined region using a lithography technique and an ion implantation technique.

次に、レジストパターンをマスクとして用いてSi層205をエッチングし、レジストパターンを除去する。その後、全面に絶縁層120aをCVDで形成し、化学機械研磨により全面を平坦にする。再度レジストを塗布し、レジストパターンをマスクとして用いて絶縁層120aをエッチングし、所定のパターンのSi層205を露出させる。   Next, the Si layer 205 is etched using the resist pattern as a mask, and the resist pattern is removed. Thereafter, an insulating layer 120a is formed on the entire surface by CVD, and the entire surface is flattened by chemical mechanical polishing. A resist is applied again, and the insulating layer 120a is etched using the resist pattern as a mask to expose the Si layer 205 having a predetermined pattern.

露出したSi層205の上に、Ge層114を選択成長させる。このときSi層205の一部が絶縁層120aで覆われているので、Ge層114は、Si層205の上にメサ型に形成されて、側面に斜面を有している。図15Aに示すように、Si層205上に選択成長させたメサ型のGe層114上に、SiGe層116を直接成長させて応力印加層117Aを得る。SiGe層116は、メサ型のGe層114の側面の斜面を含む全表面に形成される。   A Ge layer 114 is selectively grown on the exposed Si layer 205. At this time, since part of the Si layer 205 is covered with the insulating layer 120a, the Ge layer 114 is formed in a mesa shape on the Si layer 205 and has a slope on the side surface. As shown in FIG. 15A, the SiGe layer 116 is directly grown on the mesa-type Ge layer 114 selectively grown on the Si layer 205 to obtain the stress application layer 117A. The SiGe layer 116 is formed on the entire surface including the slopes on the side surfaces of the mesa-type Ge layer 114.

レジストパターンをマスクとして用いて、SiGe層116が形成されたメサ型のGe層114の斜面を含む側壁部分をエッチングし、図15Bに示すような矩形状の断面を有する光吸収層114aを得る。   Using the resist pattern as a mask, the side wall portion including the slope of the mesa-type Ge layer 114 on which the SiGe layer 116 is formed is etched to obtain a light absorption layer 114a having a rectangular cross section as shown in FIG. 15B.

次いで、全面に絶縁層を形成して応力印加層117Aが設けられた光吸収層114aとともにSi層205を覆い、化学機械研磨で平坦にした後、リソグラフィー技術、エッチング技術を用いて絶縁層を貫通してコンタクト部を形成する。金属層をスパッタリング法により形成し、パターニングして、Si層205に接続する第1の電極119aと応力印加層117Aに接続する第2の電極119bとを形成する。以上の工程によって、図14に示した光電変換デバイス100Bが得られる。   Next, an insulating layer is formed on the entire surface, covers the Si layer 205 together with the light absorption layer 114a provided with the stress application layer 117A, and is flattened by chemical mechanical polishing, and then penetrates the insulating layer using a lithography technique and an etching technique. Thus, a contact portion is formed. A metal layer is formed by a sputtering method and patterned to form a first electrode 119a connected to the Si layer 205 and a second electrode 119b connected to the stress application layer 117A. Through the above steps, the photoelectric conversion device 100B shown in FIG. 14 is obtained.

光電変換デバイス100Bは、光電変換デバイス100Aと同様に、入射用および出射用の光導波路を設けて、光変調器として用いることができる。光導波路は、紙面に直交する方向で光吸収層114aの両端面に接続する。   Similarly to the photoelectric conversion device 100A, the photoelectric conversion device 100B can be used as an optical modulator by providing incident and output optical waveguides. The optical waveguide is connected to both end faces of the light absorption layer 114a in a direction perpendicular to the paper surface.

第1の電極119aと第2の電極119bとの間に電圧を印加して、光吸収層114aの電界強度を制御することによって、出射側導波路へ通過する光強度を変化させることができる。例えば、p−Si領域205/Ge層114a/n−SiGe116で構成されるpinダイオードに電圧を印加しない場合、光吸収層114a中の電界強度が10kV/cm程度と小さくなる。この際、Geの直接遷移バンドギャップよりもエネルギーの小さい光は吸収されることなく通過する。また、pinダイオードの逆方向に電圧を印加し、数10kV/cmを越える大きな電界を光吸収層114aに印加すると、Franz−Keldysh効果により光吸収が大きくなる。この場合には、光は透過しなくなる。以上のように本実施例では、光電変換デバイス100Bは、電界吸収型光変調器として機能する。   By applying a voltage between the first electrode 119a and the second electrode 119b to control the electric field intensity of the light absorption layer 114a, the intensity of light passing through the emission-side waveguide can be changed. For example, when no voltage is applied to the pin diode composed of the p-Si region 205 / Ge layer 114a / n-SiGe 116, the electric field strength in the light absorption layer 114a is as low as about 10 kV / cm. At this time, light having energy smaller than the direct transition band gap of Ge passes through without being absorbed. Further, when a voltage is applied in the reverse direction of the pin diode and a large electric field exceeding several tens of kV / cm is applied to the light absorption layer 114a, light absorption increases due to the Franz-Keldysh effect. In this case, light is not transmitted. As described above, in this embodiment, the photoelectric conversion device 100B functions as an electroabsorption optical modulator.

また、前述のとおり、本実施例では、光電変換デバイス100Bは、光吸収層114a上に格子整合したSiGe層116からなる応力印加層117Aが設けられているので、光吸収層114aに圧縮応力が印加される。これによって、光吸収層114aの直接遷移バンドギャップが増加して、電界吸収型光変調器として動作する波長を短波長化することができる。   In addition, as described above, in this example, the photoelectric conversion device 100B is provided with the stress application layer 117A including the lattice-matched SiGe layer 116 on the light absorption layer 114a. Therefore, the light absorption layer 114a has a compressive stress. Applied. As a result, the direct transition band gap of the light absorption layer 114a is increased, and the wavelength that operates as the electroabsorption optical modulator can be shortened.

上述のとおり、光電変換デバイス100Bの場合も、光電変換デバイス100Aと同様の効果が得られるが、第2の電極119bが金属製の場合には、光の導波損失が増大する場合がある。これを避けるために、低抵抗のSi(不純物ドープしたポリSiなど)を用いて、透過する光が金属で吸収されることを防ぐことが望まれる。   As described above, in the case of the photoelectric conversion device 100B, the same effect as that of the photoelectric conversion device 100A can be obtained. However, when the second electrode 119b is made of metal, the waveguide loss of light may increase. In order to avoid this, it is desirable to use low-resistance Si (such as impurity-doped poly-Si) to prevent the transmitted light from being absorbed by the metal.

[第3実施形態]
(全体構成)
図16に示す光電変換デバイス200Aは、Si基板103上に絶縁層104およびSi層105が順次設けられた半導体基板102を備える。半導体基板102は、SOI基板である。Si層105は、p−Si領域107およびn−Si領域108が、i層110を挟んで離間形成されている。光電変換デバイス100Aは、半導体基板102の表面に平行な方向にpinダイオード構造を有している。
[Third Embodiment]
(overall structure)
A photoelectric conversion device 200 </ b> A illustrated in FIG. 16 includes a semiconductor substrate 102 in which an insulating layer 104 and a Si layer 105 are sequentially provided on a Si substrate 103. The semiconductor substrate 102 is an SOI substrate. In the Si layer 105, the p-Si region 107 and the n-Si region 108 are formed with the i layer 110 interposed therebetween. The photoelectric conversion device 100 </ b> A has a pin diode structure in a direction parallel to the surface of the semiconductor substrate 102.

半導体基板102上には、選択成長させたメサ型のGe層からなる光吸収層114が配置される。光吸収層114は、紙面に直交する方向に延びた細線状である。光吸収層114上には、Si層118と、Si層118に直接選択成長させたSiGe層116とを含む応力印加層117Bが設けられている。   On the semiconductor substrate 102, a light absorption layer 114 made of a selectively grown mesa-type Ge layer is disposed. The light absorption layer 114 has a thin line shape extending in a direction perpendicular to the paper surface. On the light absorption layer 114, a stress application layer 117B including a Si layer 118 and a SiGe layer 116 directly and selectively grown on the Si layer 118 is provided.

光電変換デバイス200Aは、光吸収層114の断面形状、応力印加層117Bの構成が異なる以外は、光電変換デバイス100Aと同様である。   The photoelectric conversion device 200A is the same as the photoelectric conversion device 100A except that the cross-sectional shape of the light absorption layer 114 and the configuration of the stress application layer 117B are different.

光電変換デバイス100Aと同様に、応力印加層117Bが設けられた光吸収層114とSi層105とをともに覆って、絶縁層120が設けられている。Si層105のp−Si領域107およびn−Si領域108に接続するように、絶縁層120を貫通して一対の電極(第1の電極119aおよび第2の電極119b)が形成されている。   Similar to the photoelectric conversion device 100A, the insulating layer 120 is provided so as to cover both the light absorption layer 114 provided with the stress application layer 117B and the Si layer 105. A pair of electrodes (a first electrode 119a and a second electrode 119b) are formed through the insulating layer 120 so as to be connected to the p-Si region 107 and the n-Si region 108 of the Si layer 105.

(製造方法)
光電変換デバイス200Aを製造するにあたっては、まず、図17Aに示すように、絶縁層(SiO2層)104およびSi層105がSi基板103上に順次形成されたSOI基板を準備し、Si層105の所定の領域に、リソグラフィー技術、イオン注入技術を用いて、p−Si領域107、n−Si領域108およびi層110を形成する。
(Production method)
In manufacturing the photoelectric conversion device 200A, first, as shown in FIG. 17A, an SOI substrate in which an insulating layer (SiO 2 layer) 104 and a Si layer 105 are sequentially formed on a Si substrate 103 is prepared. The p-Si region 107, the n-Si region 108, and the i layer 110 are formed in a predetermined region using a lithography technique and an ion implantation technique.

次に、レジストパターンをマスクとして用いてSi層105をエッチングし、レジストパターンを除去する。その後、全面に絶縁層120aをCVDで形成し、化学機械研磨により、全面を平坦にする。再度レジストを塗布し、レジストパターンをマスクとして用いて絶縁層120aをエッチングし、所定のパターンのSi層105を露出させる。   Next, the Si layer 105 is etched using the resist pattern as a mask, and the resist pattern is removed. Thereafter, an insulating layer 120a is formed on the entire surface by CVD, and the entire surface is flattened by chemical mechanical polishing. A resist is applied again, and the insulating layer 120a is etched using the resist pattern as a mask to expose the Si layer 105 having a predetermined pattern.

露出したSi層105の上にGe層114を選択成長させる。このときSi層105の一部が絶縁層120aで覆われているので、Ge層114は、Si層105の上にメサ型に形成されて、側面に斜面を有している。図17Aに示すように、Ge層114上にSi層118を選択成長させる。Si層118の厚さは、臨界膜厚以上であることが好ましく、2〜100nm程度とすることができる。Si層118上にはSiGe層116を直接成長させて、図17Bに示すような応力印加層117Bを得る。SiGe層116は、メサ型のGe層114の側面の斜面を含む全表面に形成される。   A Ge layer 114 is selectively grown on the exposed Si layer 105. At this time, since part of the Si layer 105 is covered with the insulating layer 120a, the Ge layer 114 is formed in a mesa shape on the Si layer 105 and has a slope on the side surface. As shown in FIG. 17A, a Si layer 118 is selectively grown on the Ge layer 114. The thickness of the Si layer 118 is preferably equal to or greater than the critical thickness, and can be about 2 to 100 nm. A SiGe layer 116 is directly grown on the Si layer 118 to obtain a stress applying layer 117B as shown in FIG. 17B. The SiGe layer 116 is formed on the entire surface including the slopes on the side surfaces of the mesa-type Ge layer 114.

次いで、全面に絶縁層を形成して応力印加層117Bが設けられた光吸収層114aとともにSi層105を覆い、化学機械研磨で平坦にした後、リソグラフィー技術、エッチング技術を用いて絶縁層を貫通してコンタクト部を形成する。金属層をスパッタリング法により形成し、パターニングして、Si層105に接続する第1、第2の電極119a,119bを形成する。以上の工程によって、図16に示した光電変換デバイス200Aが得られる。   Next, an insulating layer is formed on the entire surface, covers the Si layer 105 together with the light absorption layer 114a provided with the stress applying layer 117B, is flattened by chemical mechanical polishing, and then penetrates the insulating layer using a lithography technique and an etching technique. Thus, a contact portion is formed. A metal layer is formed by sputtering and patterned to form first and second electrodes 119a and 119b connected to the Si layer 105. Through the above steps, the photoelectric conversion device 200A shown in FIG. 16 is obtained.

(動作および効果)
光電変換デバイス200Aは、紙面に直交する方向に光を入射して、受光器として用いることができる。具体的には、紙面に直交する方向で光吸収層114の両端面に光導波路を接続する。例えば、第1の電極119aと第2の電極119bとを介して、p−Si領域107/i層110/n−Si領域108で構成されるpinダイオードの逆方向に電圧を印加し、光吸収層114に電圧をかけた状態に、光導波路から特定の波長の光が入射すると、光吸収層114中で、電子とホールが生成し、第1の電極119aと第2の電極119bとに電流が流れる。以上のように本実施例では、光電変換デバイス200Aは、pin受光器として機能する。
(Operation and effect)
The photoelectric conversion device 200A can be used as a light receiver by making light incident in a direction perpendicular to the paper surface. Specifically, optical waveguides are connected to both end surfaces of the light absorption layer 114 in a direction perpendicular to the paper surface. For example, light is absorbed by applying a voltage in the reverse direction of the pin diode composed of the p-Si region 107 / i layer 110 / n-Si region 108 via the first electrode 119a and the second electrode 119b. When light having a specific wavelength is incident from the optical waveguide while a voltage is applied to the layer 114, electrons and holes are generated in the light absorption layer 114, and current flows between the first electrode 119a and the second electrode 119b. Flows. As described above, in this embodiment, the photoelectric conversion device 200A functions as a pin light receiver.

また、上述のように構成された光電変換デバイス200Aは、光吸収層114上に、Si層118とSiGe層116とを含む応力印加層117Bが設けられている。SiGe層116は、Si層118に格子整合しているので、光吸収層114に引張り応力が印加される。これによって、光吸収層114の直接遷移バンドギャップが減少して、動作波長を長波長化することができる。   In the photoelectric conversion device 200 </ b> A configured as described above, the stress application layer 117 </ b> B including the Si layer 118 and the SiGe layer 116 is provided on the light absorption layer 114. Since the SiGe layer 116 is lattice-matched to the Si layer 118, a tensile stress is applied to the light absorption layer 114. As a result, the direct transition band gap of the light absorption layer 114 is reduced, and the operating wavelength can be increased.

光電変換デバイス200Aは、応力印加層117Bに向けて上から下方向に光を入射させてもよい。   In the photoelectric conversion device 200A, light may enter from the top to the bottom toward the stress application layer 117B.

(変形例)
光電変換デバイス200Aは、pinダイオード構造の方向を変更することができる。具体的には、図18に示す光電変換デバイス200Bのように、半導体基板202の表面に直交する方向にpinダイオード構造を有していてもよい。
(Modification)
The photoelectric conversion device 200A can change the direction of the pin diode structure. Specifically, a pin diode structure may be provided in a direction orthogonal to the surface of the semiconductor substrate 202 as in a photoelectric conversion device 200B illustrated in FIG.

光電変換デバイス200Bは、Si基板203上に絶縁層(SiO2層)204およびSi層205が順次設けられた半導体基板202を備える。ここで「p(n)−Si」は、「p−Si」または「n−Si」の意味である。 The photoelectric conversion device 200B includes a semiconductor substrate 202 in which an insulating layer (SiO 2 layer) 204 and a Si layer 205 are sequentially provided on a Si substrate 203. Here, “p (n) -Si” means “p-Si” or “n-Si”.

光吸収層114上には、Si層118とSiGe層116とを含む応力印加層117Bが設けられている。SiGe層116は、Si層205がp−Siである場合は、n−SiGeからなり、Si層205がn−Siである場合は、p−SiGeからなる。つまり、光電変換デバイス200Bは、Si層205と、光吸収層114を構成しているGe層と、応力印加層117Bとで構成されるpinダイオード構造を、半導体基板202の表面に直交する方向に有している。   On the light absorption layer 114, the stress application layer 117B including the Si layer 118 and the SiGe layer 116 is provided. The SiGe layer 116 is made of n-SiGe when the Si layer 205 is p-Si, and is made of p-SiGe when the Si layer 205 is n-Si. That is, the photoelectric conversion device 200 </ b> B has a pin diode structure composed of the Si layer 205, the Ge layer constituting the light absorption layer 114, and the stress application layer 117 </ b> B in a direction orthogonal to the surface of the semiconductor substrate 202. Have.

光電変換デバイス200Bは、光電変換デバイス100Bと同様に、Si層205に接続した2つの第1の電極119aと、SiGe層116に接続した第2の電極119bとを備えている。第1の電極119aは、必ずしも2つが必要ではなく、第1の電極119aと第2の電極119bとの一対の電極が存在すればよい。   Similar to the photoelectric conversion device 100B, the photoelectric conversion device 200B includes two first electrodes 119a connected to the Si layer 205 and a second electrode 119b connected to the SiGe layer 116. Two first electrodes 119a are not necessarily required, and a pair of electrodes of the first electrode 119a and the second electrode 119b may be present.

光電変換デバイス200Bは、pinダイオード構造の方向と、電極の接続が異なる以外は、光電変換デバイス200Aと同様の構成である。光電変換デバイス200Bは、基本的には、光電変換デバイス200Aと同様の方法により製造することができる。   The photoelectric conversion device 200B has the same configuration as the photoelectric conversion device 200A except that the direction of the pin diode structure and the connection of the electrodes are different. The photoelectric conversion device 200B can be basically manufactured by the same method as the photoelectric conversion device 200A.

光電変換デバイス200Bを製造するにあたっては、まず、図19Aに示すように、絶縁層(SiO2層)204およびSi層205がSi基板203上に順次形成されたSOI基板を準備し、Si層205の所定の領域に、リソグラフィー技術、イオン注入技術を用いて、p−Si領域を形成する。 In manufacturing the photoelectric conversion device 200B, first, as shown in FIG. 19A, an SOI substrate in which an insulating layer (SiO 2 layer) 204 and a Si layer 205 are sequentially formed on a Si substrate 203 is prepared. A p-Si region is formed in a predetermined region using a lithography technique and an ion implantation technique.

次に、レジストパターンをマスクとして用いてSi層205をエッチングし、レジストパターンを除去する。その後、全面に絶縁層120aをCVDで形成し、化学機械研磨により、全面を平坦にする。再度レジストを塗布し、レジストパターンをマスクとして用いて絶縁層120をエッチングし、所定のパターンのSi層205を露出させる。   Next, the Si layer 205 is etched using the resist pattern as a mask, and the resist pattern is removed. Thereafter, an insulating layer 120a is formed on the entire surface by CVD, and the entire surface is flattened by chemical mechanical polishing. A resist is applied again, and the insulating layer 120 is etched using the resist pattern as a mask to expose the Si layer 205 having a predetermined pattern.

露出したSi層205の上に、Ge層114を選択成長させる。このときSi層205の一部が絶縁層120aで覆われているので、Ge層114は、Si層205の上にメサ型に形成されて、側面に斜面を有している。図19Aに示すように、Ge層114上にSi層118を選択成長させる。Si層118の厚さは、臨界膜厚以上であることが好ましく、2〜100nm程度とすることができる。Si層118上にはSiGe層116を直接成長させて、図19Bに示すような応力印加層117Bを得る。SiGe層116は、メサ型のGe層114の側面の斜面を含む全表面に形成される。   A Ge layer 114 is selectively grown on the exposed Si layer 205. At this time, since part of the Si layer 205 is covered with the insulating layer 120a, the Ge layer 114 is formed in a mesa shape on the Si layer 205 and has a slope on the side surface. As shown in FIG. 19A, a Si layer 118 is selectively grown on the Ge layer 114. The thickness of the Si layer 118 is preferably equal to or greater than the critical thickness, and can be about 2 to 100 nm. A SiGe layer 116 is directly grown on the Si layer 118 to obtain a stress applying layer 117B as shown in FIG. 19B. The SiGe layer 116 is formed on the entire surface including the slopes on the side surfaces of the mesa-type Ge layer 114.

次いで、全面に絶縁層を形成して、応力印加層117Bが設けられた光吸収層114とともにSi層205を覆い、化学機械研磨で平坦にした後、リソグラフィー技術、エッチング技術を用いて絶縁層を貫通してコンタクト部を形成する。金属層をスパッタリング法により形成し、パターニングして、Si層205に接続する第1の電極119aと、SiGe層116に接続する第2の電極119bとを形成する。以上の工程によって、図18に示した光電変換デバイス200Bが得られる。   Next, an insulating layer is formed on the entire surface, covers the Si layer 205 together with the light absorption layer 114 provided with the stress applying layer 117B, and is flattened by chemical mechanical polishing, and then the insulating layer is formed using a lithography technique and an etching technique. A contact portion is formed through. A metal layer is formed by a sputtering method and patterned to form a first electrode 119a connected to the Si layer 205 and a second electrode 119b connected to the SiGe layer 116. Through the above steps, the photoelectric conversion device 200B shown in FIG. 18 is obtained.

光電変換デバイス200Bは、光電変換デバイス200Aと同様に光導波路を設けて、受光器として用いることができる。光電変換デバイス200Bの場合も、光電変換デバイス200Aと同様の効果が得られるが、応力印加層117Bに向けて上から下方向に光を入射させる場合には、光反射を抑えることが望まれる。   Similarly to the photoelectric conversion device 200A, the photoelectric conversion device 200B can be used as a light receiver by providing an optical waveguide. In the case of the photoelectric conversion device 200B, the same effect as that of the photoelectric conversion device 200A can be obtained. However, when light is incident on the stress application layer 117B from the top to the bottom, it is desired to suppress light reflection.

[第4実施形態]
(全体構成)
図20に示す光電変換デバイス300Aは、Si基板103上に絶縁層104およびSi層105が順次設けられた半導体基板102を備えている。光電変換デバイス300Aは、半導体基板102の表面に平行な方向にpinダイオード構造を有し、上述した光電変換デバイス100Aと光電変換デバイス200Aとが一体に形成されたものである。
[Fourth Embodiment]
(overall structure)
A photoelectric conversion device 300 </ b> A illustrated in FIG. 20 includes a semiconductor substrate 102 in which an insulating layer 104 and a Si layer 105 are sequentially provided on a Si substrate 103. The photoelectric conversion device 300A has a pin diode structure in a direction parallel to the surface of the semiconductor substrate 102, and the above-described photoelectric conversion device 100A and the photoelectric conversion device 200A are integrally formed.

すでに説明したように、光電変換デバイス100Aは、断面矩形の光吸収層114a上に格子整合したSiGe層116からなる応力印加層117Aが設けられている。光電変換デバイス200Aは、メサ型のGe層からなる光吸収層114の上に、Si層118とSi層118に格子整合したSiGe116層とを含む応力印加層117Bが設けられている。   As already described, in the photoelectric conversion device 100A, the stress application layer 117A including the SiGe layer 116 lattice-matched is provided on the light absorption layer 114a having a rectangular cross section. In the photoelectric conversion device 200 </ b> A, a stress application layer 117 </ b> B including a Si layer 118 and a SiGe 116 layer lattice-matched to the Si layer 118 is provided on a light absorption layer 114 made of a mesa-type Ge layer.

(製造方法)
光電変換デバイス300Aを製造するにあたっては、まず、図21Aに示すように、絶縁層(SiO2層)104およびSi層105がSi基板103上に順次形成されたSOI基板を準備し、Si層105の所定の領域に、リソグラフィー技術、イオン注入技術を用いて、p−Si領域107、n−Si領域108およびi層110を形成する。
(Production method)
In manufacturing the photoelectric conversion device 300A, first, as shown in FIG. 21A, an SOI substrate in which an insulating layer (SiO 2 layer) 104 and a Si layer 105 are sequentially formed on a Si substrate 103 is prepared. The p-Si region 107, the n-Si region 108, and the i layer 110 are formed in a predetermined region using a lithography technique and an ion implantation technique.

次に、レジストパターンをマスクとして用いてSi層105をエッチングし、レジストパターンを除去する。その後、全面に絶縁層120aをCVDで形成し、化学機械研磨により、全面を平坦にする。再度レジストを塗布し、レジストパターンをマスクとして用いて絶縁層120aをエッチングし、所定のパターンのSi層105を露出させる。   Next, the Si layer 105 is etched using the resist pattern as a mask, and the resist pattern is removed. Thereafter, an insulating layer 120a is formed on the entire surface by CVD, and the entire surface is flattened by chemical mechanical polishing. A resist is applied again, and the insulating layer 120a is etched using the resist pattern as a mask to expose the Si layer 105 having a predetermined pattern.

露出したSi層105の上にGe層114を選択成長させる。このときSi層105の一部が絶縁層120aで覆われているので、Ge層114は、Si層105の上にメサ型に形成されて、側面に斜面を有している。   A Ge layer 114 is selectively grown on the exposed Si layer 105. At this time, since part of the Si layer 105 is covered with the insulating layer 120a, the Ge layer 114 is formed in a mesa shape on the Si layer 105 and has a slope on the side surface.

次に、Ge層114上にSi層118を選択成長させる。Si層118の厚さは、臨界膜厚以上であることが好ましく、例えば2〜100nm程度とすることができる。光電変換デバイス200AのSi層118形成領域をレジストパターンでマスクした後、光電変換デバイス100Aの領域のSi層118をエッチングし、レジストを除去する(図21A)。その後、光電変換デバイス100Aの領域のGe層114上および光電変換デバイス200AのSi層118上にSiGe層116を直接成長させて、図21Bに示すような応力印加層117A、117Bを得る。   Next, a Si layer 118 is selectively grown on the Ge layer 114. The thickness of the Si layer 118 is preferably equal to or greater than the critical film thickness, and can be, for example, about 2 to 100 nm. After the Si layer 118 formation region of the photoelectric conversion device 200A is masked with a resist pattern, the Si layer 118 in the region of the photoelectric conversion device 100A is etched to remove the resist (FIG. 21A). Thereafter, the SiGe layer 116 is directly grown on the Ge layer 114 in the region of the photoelectric conversion device 100A and on the Si layer 118 of the photoelectric conversion device 200A to obtain stress application layers 117A and 117B as shown in FIG. 21B.

なお、応力印加層117Aおよび応力印加層117BにおけるSiGe層116は、別々に形成して、Ge組成の異なるSiGe層としてもよい。Ge組成が異なるSiGe層は、Ge層およびSi層のいずれの上でも格子整合できる可能性が高くなるため、デバイス特性の最適化が期待できる。   Note that the SiGe layers 116 in the stress application layer 117A and the stress application layer 117B may be formed separately to form SiGe layers having different Ge compositions. Since SiGe layers having different Ge compositions are more likely to be lattice-matched on both the Ge layer and the Si layer, optimization of device characteristics can be expected.

ここで、応力印加層117Aは、光吸収層114に格子整合したSiGe層116からなり、応力印加層117Bは、Si層118とSi層118に格子整合したSiGe116層からなる。レジストパターンをマスクとして用いて、光電変換デバイス100Aの領域の応力印加層117Aが形成されたメサ型のGe層114の斜面を含む側壁部分をエッチングし、図21Cに示すような矩形状の断面を有する光吸収層114aを得る。   Here, the stress application layer 117A is composed of the SiGe layer 116 lattice-matched to the light absorption layer 114, and the stress application layer 117B is composed of the Si layer 118 and the SiGe 116 layer lattice-matched to the Si layer 118. Using the resist pattern as a mask, the side wall portion including the inclined surface of the mesa-type Ge layer 114 in which the stress applying layer 117A is formed in the region of the photoelectric conversion device 100A is etched to form a rectangular cross section as shown in FIG. 21C. The light absorption layer 114a is obtained.

次いで、全面に絶縁層を形成して応力印加層117A、117Bが設けられた光吸収層114とともにSi層105を覆い、化学機械研磨で平坦にした後、リソグラフィー技術、エッチング技術を用いて絶縁層を貫通してコンタクト部を形成する。金属層をスパッタリング法により形成し、パターニングして、Si層105に接続する第1の電極119aと、SiGe層116に接続する第2の電極119bとを形成する。以上の工程によって、図20に示した光電変換デバイス300Aが得られる。   Next, an insulating layer is formed on the entire surface, covers the Si layer 105 together with the light absorption layer 114 provided with the stress applying layers 117A and 117B, and is flattened by chemical mechanical polishing, and then the insulating layer is formed using a lithography technique and an etching technique. A contact portion is formed through the substrate. A metal layer is formed by a sputtering method and patterned to form a first electrode 119a connected to the Si layer 105 and a second electrode 119b connected to the SiGe layer 116. Through the above steps, the photoelectric conversion device 300A shown in FIG. 20 is obtained.

(動作および効果)
上記のように構成された光電変換デバイス300Aは、光変調器として作用する光電変換デバイス100Aと、受光器として作用する光電変換デバイス200Aとが一体に設けられている。
(Operation and effect)
In the photoelectric conversion device 300A configured as described above, a photoelectric conversion device 100A that functions as an optical modulator and a photoelectric conversion device 200A that functions as a light receiver are integrally provided.

これによって、同一波長の光を入射して、一方の光電変換デバイスで変調し、他方の光電変換デバイスでは受光することが可能となる。しかも、上述したように、光変調器はより短波長の光に対応でき、受光器はより長波長の光に対応できる。   As a result, it is possible to enter light of the same wavelength, modulate it with one photoelectric conversion device, and receive light with the other photoelectric conversion device. Moreover, as described above, the optical modulator can cope with light having a shorter wavelength, and the light receiver can cope with light having a longer wavelength.

なお、下地と格子整合せず、完全に格子緩和もしていない状態のSiGe層116が形成されてもよい。この場合の応力は、図4に示した値よりは小さくなるが、残存しているSiGe層となる。   Note that the SiGe layer 116 that is not lattice-matched with the base and is not completely relaxed may be formed. The stress in this case is smaller than the value shown in FIG. 4, but becomes the remaining SiGe layer.

(変形例)
光電変換デバイス300Aは、pinダイオード構造の方向を変更することができる。具体的には、図22に示す光電変換デバイス300Bのように、半導体基板202の表面に直交する方向にpinダイオード構造を有していてもよい。
(Modification)
The photoelectric conversion device 300A can change the direction of the pin diode structure. Specifically, a pin diode structure may be provided in a direction orthogonal to the surface of the semiconductor substrate 202 as in a photoelectric conversion device 300B illustrated in FIG.

光電変換デバイス300Bは、Si基板203上に絶縁層204およびSi層205が順次設けられた半導体基板202を備えている。光電変換デバイス300Bは、半導体基板202の表面に直交する方向にpinダイオード構造を有し、上述の光電変換デバイス100Bと光電変換デバイス200Bとが一体に形成されたものである。   The photoelectric conversion device 300B includes a semiconductor substrate 202 in which an insulating layer 204 and an Si layer 205 are sequentially provided on an Si substrate 203. The photoelectric conversion device 300B has a pin diode structure in a direction orthogonal to the surface of the semiconductor substrate 202, and the photoelectric conversion device 100B and the photoelectric conversion device 200B described above are integrally formed.

すでに説明したように、光電変換デバイス100Bは、断面矩形の光吸収層114a上に格子整合したSiGe層116からなる応力印加層117Aが設けられている。光電変換デバイス200Aは、メサ型のGe層からなる光吸収層114の上に、Si層118とSi層118に格子整合したSiGe層116とを含む応力印加層117Bが設けられている。   As already described, the photoelectric conversion device 100B is provided with the stress application layer 117A including the SiGe layer 116 lattice-matched on the light absorption layer 114a having a rectangular cross section. In the photoelectric conversion device 200 </ b> A, a stress application layer 117 </ b> B including a Si layer 118 and a SiGe layer 116 lattice-matched to the Si layer 118 is provided on a light absorption layer 114 made of a mesa-type Ge layer.

光電変換デバイス300Bは、pinダイオード構造の方向と、電極の接続が異なる以外は、光電変換デバイス300Aと同様の構成である。光電変換デバイス300Bは、基本的には、光電変換デバイス300Aと同様の方法により製造することができる。   The photoelectric conversion device 300B has the same configuration as the photoelectric conversion device 300A except that the direction of the pin diode structure and the connection of the electrodes are different. The photoelectric conversion device 300B can be basically manufactured by the same method as the photoelectric conversion device 300A.

光電変換デバイス300Bを製造するにあたっては、まず、図23Aに示すように、絶縁層(SiO2層)204およびSi層205がSi基板203上に順次形成されたSOI基板を準備し、Si層205の所定の領域に、リソグラフィー技術、イオン注入技術を用いて、p−Si領域を形成する。 In manufacturing the photoelectric conversion device 300B, first, as shown in FIG. 23A, an SOI substrate in which an insulating layer (SiO 2 layer) 204 and a Si layer 205 are sequentially formed on a Si substrate 203 is prepared. A p-Si region is formed in a predetermined region using a lithography technique and an ion implantation technique.

次に、レジストパターンをマスクとして用いてSi層205をエッチングし、レジストパターンを除去する。その後、全面に絶縁層120aをCVDで形成し、化学機械研磨により、全面を平坦にする。更に、再度レジストを塗布し、レジストパターンをマスクとして用いて絶縁層120aをエッチングし、所定のパターンのSi層205を露出させる。   Next, the Si layer 205 is etched using the resist pattern as a mask, and the resist pattern is removed. Thereafter, an insulating layer 120a is formed on the entire surface by CVD, and the entire surface is flattened by chemical mechanical polishing. Further, a resist is applied again, and the insulating layer 120a is etched using the resist pattern as a mask to expose the Si layer 205 having a predetermined pattern.

露出したSi層205の上にGe層114を選択成長させる。このときSi層205の一部が絶縁層120aで覆われているので、Ge層114は、Si層205の上にメサ型に形成されて、側面に斜面を有している。   A Ge layer 114 is selectively grown on the exposed Si layer 205. At this time, since part of the Si layer 205 is covered with the insulating layer 120a, the Ge layer 114 is formed in a mesa shape on the Si layer 205 and has a slope on the side surface.

次に、Ge層114上にSi層118を選択成長させる。Si層118の厚さは、臨界膜厚以上であることが好ましく、例えば2〜100nm程度とすることができる。光電変換デバイス200BのSi層118形成領域をレジストパターンでマスクした後、光電変換デバイス100Bの領域のSi層118をエッチングし、レジストを除去する(図23A)。その後、光電変換デバイス100Bの領域のGe層114上および光電変換デバイス200BのSi層118上にSiGe層116を直接成長させて、図23Bに示すような応力印加層117A、117Bを得る。   Next, a Si layer 118 is selectively grown on the Ge layer 114. The thickness of the Si layer 118 is preferably equal to or greater than the critical film thickness, and can be, for example, about 2 to 100 nm. After the Si layer 118 formation region of the photoelectric conversion device 200B is masked with a resist pattern, the Si layer 118 in the region of the photoelectric conversion device 100B is etched to remove the resist (FIG. 23A). Thereafter, the SiGe layer 116 is directly grown on the Ge layer 114 in the region of the photoelectric conversion device 100B and the Si layer 118 of the photoelectric conversion device 200B to obtain stress application layers 117A and 117B as shown in FIG. 23B.

ここで、応力印加層117Aは、光吸収層114に格子整合したSiGe層116からなり、応力印加層117Bは、Si層118とSi層118に格子整合したSiGe116層からなる。レジストパターンをマスクとして用いて、光電変換デバイス100Bの領域の応力印加層117Aが形成されたメサ型のGe層114の斜面を含む側壁部分をエッチングし、図23Cに示すような矩形状の断面を有する光吸収層114aを得る。   Here, the stress application layer 117A is composed of the SiGe layer 116 lattice-matched to the light absorption layer 114, and the stress application layer 117B is composed of the Si layer 118 and the SiGe 116 layer lattice-matched to the Si layer 118. Using the resist pattern as a mask, the sidewall portion including the slope of the mesa-type Ge layer 114 on which the stress applying layer 117A is formed in the region of the photoelectric conversion device 100B is etched, and a rectangular cross section as shown in FIG. 23C is obtained. The light absorption layer 114a is obtained.

次いで、全面に絶縁層を形成して応力印加層117A、117Bが設けられた光吸収層114とともにSi層205を覆い、化学機械研磨で平坦にした後、リソグラフィー技術、エッチング技術を用いて絶縁層を貫通してコンタクト部を形成する。金属層をスパッタリング法により形成し、パターニングして、Si層205に接続する第1の電極119aと、SiGe層116に接続する第2の電極119bとを形成する。以上の工程によって、図22に示した光電変換デバイス300Bが得られる。   Next, an insulating layer is formed on the entire surface, the Si layer 205 is covered together with the light absorption layer 114 provided with the stress applying layers 117A and 117B, and is flattened by chemical mechanical polishing, and then the insulating layer is formed using a lithography technique and an etching technique. A contact portion is formed through the substrate. A metal layer is formed by a sputtering method and patterned to form a first electrode 119a connected to the Si layer 205 and a second electrode 119b connected to the SiGe layer 116. The photoelectric conversion device 300B shown in FIG. 22 is obtained through the above steps.

光電変換デバイス300Bは、光電変換デバイス300Aと同様に同一波長の光を入射して、一方の光電変換デバイスで変調し、他方の光電変換デバイスでは受光することが可能となる。   Similarly to the photoelectric conversion device 300A, the photoelectric conversion device 300B receives light of the same wavelength, modulates with one photoelectric conversion device, and receives light with the other photoelectric conversion device.

100A,100B,200A,200B,300A,300B 光電変換デバイス
102,202 半導体基板
114,114a 光吸収層
116,SiGe層
117A,117B 応力印加層
100A, 100B, 200A, 200B, 300A, 300B Photoelectric conversion device 102, 202 Semiconductor substrate 114, 114a Light absorption layer 116, SiGe layer 117A, 117B Stress application layer

Claims (12)

少なくとも表面にSi層を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に選択成長したGe層からなる光吸収層と、
前記光吸収層の上面に設けられ、前記光吸収層に圧縮応力または引張り応力を印加する応力印加層とを備え、
前記応力印加層は、下地に格子整合したSiGe層を含むことを特徴とする光電変換デバイス。
A semiconductor substrate having at least a Si layer on the surface;
A light absorption layer comprising a Ge layer selectively grown on the semiconductor substrate;
A stress applying layer that is provided on the upper surface of the light absorbing layer and applies compressive stress or tensile stress to the light absorbing layer;
The photoelectric conversion device, wherein the stress application layer includes a SiGe layer lattice-matched to a base.
前記下地は前記光吸収層であり、前記SiGe層は、前記光吸収層に圧縮応力を印加することを特徴とする請求項1記載の光電変換デバイス。   The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the base is the light absorption layer, and the SiGe layer applies compressive stress to the light absorption layer. 前記光吸収層は、矩形状の断面を有することを特徴とする請求項2記載の光電変換デバイス。   The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein the light absorption layer has a rectangular cross section. 前記SiGe層は、臨界膜厚以下の厚さを有することを特徴とする請求項2または3記載の光電変換デバイス。   The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein the SiGe layer has a thickness equal to or less than a critical film thickness. 光変調器であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項記載の光電変換デバイス。   It is an optical modulator, The photoelectric conversion device of any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. 前記下地は、前記光吸収層上に格子整合せずに形成されたSi層であり、前記SiGe層は、前記光吸収層に引張り応力を印加することを特徴とする請求項1記載の光電変換デバイス。   The photoelectric conversion according to claim 1, wherein the base is a Si layer formed on the light absorption layer without lattice matching, and the SiGe layer applies a tensile stress to the light absorption layer. device. 前記光吸収層は、メサ型構造を有することを特徴とする請求項6記載の光電変換デバイス。   The photoelectric conversion device according to claim 6, wherein the light absorption layer has a mesa structure. 前記Si層は、臨界膜厚以上の厚さを有することを特徴とする請求項6または7記載の光電変換デバイス。   The photoelectric conversion device according to claim 6, wherein the Si layer has a thickness equal to or greater than a critical film thickness. 受光器であることを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項記載の光電変換デバイス。   It is a light receiver, The photoelectric conversion device of any one of Claims 6-8 characterized by the above-mentioned. 前記半導体基板は、Si基板またはSOI基板であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項記載の光電変換デバイス。   The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is a Si substrate or an SOI substrate. 少なくとも表面にSi層を有する半導体基板と、前記半導体基板上に選択成長したGe層からなる光吸収層とを備える光電変換デバイスの動作波長の制御方法であって、
前記光吸収層に格子整合したSiGe層からなる応力印加層を、前記光吸収層の上に形成し、前記応力印加層から前記光吸収層に圧縮応力を印加して、前記光吸収層の直接遷移バンドギャップを増加させることで、前記光電変換デバイスの動作波長を短波長化することを特徴とする制御方法。
A method for controlling the operating wavelength of a photoelectric conversion device comprising a semiconductor substrate having at least a Si layer on the surface, and a light absorption layer comprising a Ge layer selectively grown on the semiconductor substrate,
A stress application layer composed of a SiGe layer lattice-matched to the light absorption layer is formed on the light absorption layer, and compressive stress is applied from the stress application layer to the light absorption layer to directly apply the light absorption layer. A control method characterized by shortening an operating wavelength of the photoelectric conversion device by increasing a transition band gap.
少なくとも表面にSi層を有する半導体基板と、前記半導体基板上に選択成長したGe層からなる光吸収層とを備える光電変換デバイスの動作波長の制御方法であって、
Si層と、前記Si層に格子整合したSiGe層とを含む応力印加層を、前記光吸収層の上に形成し、前記応力印加層から前記光吸収層に引張り応力を印加して、前記光吸収層の直接遷移バンドギャップを減少させることで、前記光電変換デバイスの動作波長を長波長化することを特徴とする制御方法。
A method for controlling the operating wavelength of a photoelectric conversion device comprising a semiconductor substrate having at least a Si layer on the surface, and a light absorption layer comprising a Ge layer selectively grown on the semiconductor substrate,
A stress application layer including a Si layer and a SiGe layer lattice-matched to the Si layer is formed on the light absorption layer, and a tensile stress is applied from the stress application layer to the light absorption layer, so that the light A control method characterized in that the operating wavelength of the photoelectric conversion device is lengthened by reducing the direct transition band gap of the absorption layer.
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