JP2019203915A - 光集積デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】伝搬損失が小さい良好な光学特性の光導波路を備える光集積デバイスが実現できるようにする。【解決手段】基板１０１の上に形成された第１クラッド層１０２と、第１クラッド層１０２の上に形成されたコア１０３と、コア１０３を覆って第１クラッド層１０２の上に形成された第２クラッド層１０４とから構成された光導波路を備える。第１クラッド層１０２および第２クラッド層１０４の少なくとも一方は、重水素原子を含む酸化シリコンからなるクラッド材料から構成されている。このクラッド材料に含まれる水素原子の原子数は、クラッド材料に含まれる重水素原子より少ない数とされている。【選択図】 図１

Description

本発明は、光素子などとともに光導波路が集積されている光集積デバイスおよびその製造方法に関する。

クラウド・モバイル環境の急速な普及により、情報流通量の増大が続いており、現在、光ネットワークの大容量化、高速化、低消費電力化が強く求められている。この実現に向けては、光通信の特徴である波長分割多重(Wavelength-division multiplexing；ＷＤＭ)通信を支える光デバイスの高性能化、低消費電力化、低コスト化が重要となる。このような背景の中、近年、光導波路デバイス、発光デバイス、受光デバイス、などの各光デバイスの小型化・高性能化と、各光デバイスを同一基板上へ集積することでのデバイス高機能化と低コスト化の研究開発が活発になっている。

このような光集積デバイスでは、小型化が可能で経済性に優れ、また屈折率の選択性が広がることから、Ｓｉ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮをコアとし、ＳｉＯ₂をクラッドとする光導波路の研究開発に期待が集まっている（特許文献１参照）。Ｓｉ，ＳｉＮ，ＳｉＯＮをコアとした光導波路は、石英系よりコアとクラッドとの屈折率差の高い光導波路系として昔から知られており、通信ネットワーク応用向けにも研究されてきた。

しかし、これら屈折率の高い材料をコアとして伝搬損失が小さい光導波路を形成するには、高品質なコア材料の膜を形成する技術と、高精度な加工技術とが必要になるという課題があり、作製の難しさから通信ネットワークで使える実用デバイスは実現できてこなかった。しかし、今日では、成膜技術、加工技術の進歩により、実用レベルのデバイス作製が可能になってきている。

特にＳｉＮ，ＳｉＯＮ膜を形成する成膜技術においては、低損失化を妨げていたコア中のＮＨ基を低減させる成膜技術が確立されてきたことで、ＳｉＮ，ＳｉＯＮをコアに、酸化シリコン膜をクラッドとした光導波路においても、通信ネットワークに適用可能な低損失で優れた性能の光導波路が実現できるようになっている。

特表２００３−５２５１９５号公報

しかしながら、高機能性、省エネルギー性、経済性が同時に求められる今日の通信ネットワーク用光デバイスにおいては、異なる機能を持つ光デバイスを同一基板上に融合集積することが必須である。このような集積デバイスにおいて優れた特性を実現するためには、単独デバイスの作製とは異なる課題が見えてきた。

例えば、光導波路デバイスの場合、単独デバイスではクラッドとして高品質で損失のない熱シリコン酸化膜や熱ＣＶＤ膜が使用できるため、光導波路の低損失化はコアとする膜の形成技術と、この膜の加工技術の開発が重要であった。

しかし、同一基板上で各種デバイスを積層する集積光デバイス作製では、熱耐性の問題により、低温成膜によりクラッドとする膜（クラッド膜）が形成されるが、デバイス性能への要求が高まるにつれてクラッド膜での損失も無視できなくなり、クラッド膜の膜質も改善が必要という問題が出てきた。このように、光集積デバイスで使われる光導波路では、単独デバイスでの光導波路とは異なる構造と作製方法の開発が求められていた。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、伝搬損失が小さい良好な光学特性の光導波路を備える光集積デバイスが実現できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光集積デバイスは、基板の上に形成された光導波路を備える光集積デバイスであって、光導波路は、第１クラッド層と、第１クラッド層の上に形成されたコアと、コアを覆って第１クラッド層の上に形成された第２クラッド層とを備え、第１クラッド層および第２クラッド層の少なくとも一方は、重水素原子を含む酸化シリコンからなるクラッド材料から構成され、クラッド材料に含まれる水素原子の原子数は、クラッド材料に含まれる重水素原子より少ない数とされている。

上記光集積デバイスにおいて、コアは、シリコン、化学量論組成に比較してシリコンの方が多い酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコンのいずれかからなるコア材料から構成されているとよい。

上記光集積デバイスにおいて、コア材料は、重水素原子を含んで構成され、コア材料に含まれる水素原子の原子数は、コア材料に含まれる重水素原子より少ない数とされているとよい。

上記光集積デバイスにおいて、基板の上に形成された光素子を備える。

本発明に係る光集積デバイスの製造方法は、基板の上に形成された光導波路を備える光集積デバイスの製造方法であって、基板の上に第１クラッド層を形成する第１工程と、第１クラッド層の上にコアを形成する第２工程と、コアを覆って第１クラッド層の上に第２クラッド層を形成する第３工程とにより光導波路を製造し、第１クラッド層および第２クラッド層の少なくとも一方は、重水素シランと酸素とを原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法により形成した酸化シリコンからなるクラッド材料から形成する。

上記光集積デバイスの製造方法において、第２工程では、酸素ガスまたは窒素ガスと、重水素シランガスとを原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法により形成したシリコン、化学量論組成に比較してシリコンの方が多い酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコンのいずれかからなるコア材料からコア形成するようにしてもよい。

上記光集積デバイスの製造方法において、基板の上に光素子を形成する第４工程を備える。

上記光集積デバイスの製造方法において、プラズマＣＶＤ法は、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法であればよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、伝搬損失が小さい良好な光学特性の光導波路を備える光集積デバイスが実現できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における光集積デバイスの一部構成を示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態における光集積デバイスの製造方法を説明するためのフローチャートである。 図３は、水素原子を含む酸化シリコン膜（破線）と、水素原子を含まない酸化シリコン膜（実線）の光透過スペクトルを示す特性図である。 図４は、コアを窒化シリコンから構成した実施の形態における光導波路の伝搬損失を測定した結果を示す特性図である。 図５は、本発明の実施の形態における光集積デバイスのより詳細な構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態おける光集積デバイスについて図１を参照して説明する。なお、図１は、光が導波する方向に垂直な面の断面を示している。この光集積デバイスは、基板１０１の上に形成された第１クラッド層１０２と、第１クラッド層１０２の上に形成されたコア１０３と、コア１０３を覆って第１クラッド層１０２の上に形成された第２クラッド層１０４とから構成された光導波路を備える。基板１０１の上には、上記光導波路とともに、光素子が備えられている。

ここで、実施の形態における光集積デバイスでは、まず、第１クラッド層１０２および第２クラッド層１０４の少なくとも一方は、重水素原子を含む酸化シリコンからなるクラッド材料から構成されている。加えて、このクラッド材料に含まれる水素原子の原子数は、クラッド材料に含まれる重水素原子より少ない数とされている。

なお、コア１０３は、シリコン、化学量論組成に比較してシリコンの方が多い酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコンのいずれかからなるコア材料から構成されていればよい。このコア材料も、重水素原子を含んで構成され、コア材料に含まれる水素原子の原子数は、コア材料に含まれる重水素原子より少ない数とされているとよい。

第１クラッド層１０２、第２クラッド層１０４は、例えば、厚さが１〜３μｍ程度とされている。コア１０３は、例えば断面の形状が、幅１μｍ程度、高さ０．５μｍ程度の矩形とされている。

次に、本発明の実施の形態における光集積デバイスの製造方法について、図２のフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ１０１で、基板の上に第１クラッド層を形成する（第１工程）。次に、ステップＳ１０２で、所定の堆積法によりコア材料を堆積することで、第１クラッド層の上にコア材料膜を形成する。次に、ステップＳ１０３で、コア材料膜をパターニングして第１クラッド層の上にコアを形成する（第２工程）。次に、ステップＳ１０４で、コアを覆って第１クラッド層の上に第２クラッド層を形成する（第３工程）。

以上の工程により、光集積デバイスの光導波路を作製する。また、基板の上に光素子を形成し（第４工程）、光導波路および光素子を備える光集積デバイスとする。

ここで、第１クラッド層および第２クラッド層の少なくとも一方は、重水素シランと酸素とを原料ガスとしたプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成した酸化シリコンからなるクラッド材料から形成する。このようにすることで、酸化シリコンには、重水素原子が含まれるものとなる。このようなＣＶＤ法による堆積では、原料ガスに、Ｈ₂Ｏなどが不純物として含まれ、また、成膜室内には、水分が付着している。このため、堆積される酸化シリコンには、微量ながら、水素原子が含まれるものとなる。しかしながら、上述したように、重水素シランを原料ガスとして酸化シリコンを堆積することで、形成された酸化シリコンの膜中には、水素原子に比較して重水素原子がより多く含まれた状態となる。

プラズマＣＶＤ法は、ＥＣＲ（Electron Cycrotron Resonance）プラズマＣＶＤ法を用いればよい。各クラッド層の形成では、３００℃程度以下の低温で形成することが望ましいため、低温で高品質膜が形成できるＥＣＲプラズマＣＶＤを用いることが望ましい。

例えば、ステップＳ１０１において、重水素シランと酸素とを原料ガスとしたＥＣＲプラズマ法により、基板の上に厚さ１μｍから３μｍ程度に酸化シリコンを堆積することで、第１クラッド層を形成すればよい。同様に、ステップＳ１０４において、重水素シランと酸素とを原料ガスとしたＥＣＲプラズマ法により、基板の上に厚さ１μｍから３μｍ程度に酸化シリコンを堆積することで、第２クラッド層を形成すればよい。

また、コアの形成（第２工程）では、窒素ガスおよび重水素シランガスを原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法により形成した窒化シリコンをコア材料とし、このコア材料を堆積して形成したコア材料膜をパターニングすればよい。コアは、断面を幅１μｍ程度、高さ０．５μｍ程度の矩形に形成すればよい。

なお、コア材料は、酸素ガスおよび重水素シランガスを原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法により形成した、化学量論組成に比較してシリコンの方が多い酸化シリコンを用いてもよい。また、コア材料は、酸素ガス，窒素ガス、および重水素シランガスを原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法により形成した、酸窒化シリコンを用いてもよい。

前述同様に、ＣＶＤ法によるコア材料の堆積では、原料ガスに、Ｈ₂Ｏなどが不純物として含まれ、また、成膜室内には、水分が付着している。このため、堆積されるコア材料膜には、微量ながら、水素原子が含まれるものとなる。しかしながら、重水素シランを原料ガスとしてコア材料を堆積することで、形成されたコア材料膜には、水素原子に比較して重水素原子がより多く含まれた状態となる。この状態とすることで、例えば、コアを窒化シリコンから構成する場合、水素原子がほとんど含まれない状態となり、コアにはＮＨ基がほとんど存在しない状態となり、ＮＨ基の吸収によるコア中での光の損失が抑制されるようになる。

以下、クラッド層に水素原子に比較して重水素原子がより多く含まれた状態とすることの効果について説明する。例えば、原料ガスとしてＳｉＨ₄を用いる一般的なプラズマＣＶＤ法で形成される酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜は、堆積した膜中に水素原子（Ｈ）が多く含まれた状態となる。このような状態のＳｉＯ₂からなるクラッド層に光を透過させると、ＳｉＯ₂中の１．３９μｍ付近にピークを持ったＯＨ基振動の倍音にあたる吸収が観測される。この吸収の裾が１．５５μｍ付近にまで伸びているため、光導波路の伝搬損失に影響を与えている。

光導波路では、伝搬する光の大部分はコア中を伝搬し、クラッド層中を光が伝搬するわけではないが、コアをしみだした一部の光がクラッド内を伝搬するため、ある距離を伝搬させるとクラッド層での光吸収も光導波路の伝搬損失として無視できなくなる。このため、クラッド層においても、ＯＨ吸収のない状態にすることが重要である。

重水素シラン（ＳｉＤ₄）と酸素（Ｏ₂）を原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法によって水素原子より重水素原子を多く含むＳｉＯ₂膜でクラッド層を形成することで、光導波路伝搬光のＯＨ吸収を低減でき、低損失な光導波路デバイスが実現できる。

図３に、水素原子（Ｈ）を含む酸化シリコン膜（破線）と、含まない酸化シリコン膜（実線）の光透過スペクトルを示す。水素を含まない酸化シリコン膜は、大幅に光吸収損失が低減できることが確認できる。

次に、コアを窒化シリコンから構成した実施の形態における光導波路の伝搬損失を測定した結果を図４に示す。図４に示すように、損失値０．６ｄＢ／ｃｍという低損失な光導波路が実現できた。なお、この例では、第１クラッド層および第２クラッド層の両方を、重水素原子を含む酸化シリコンからなるクラッド材料から構成し、クラッド材料に含まれる水素原子の原子数は、クラッド材料に含まれる重水素原子より少ない数としたがこれに限るものではない。第１クラッド層または第２クラッド層の一方が、上述した状態となっていれば、損失低減の効果は見られる。

次に、上述した実施の形態における光導波路を適用した光集積デバイスの１例について図５を参照して説明する。なお、図５は、光が導波する方向に垂直な面の断面を示している。

この光集積デバイスは、光アクティブデバイスである光変調器２２１と、光導波路２２２とが、シリコンからなる基板２０１の上に集積されている。基板２０１の上には、まず、酸化シリコンからなる厚さ３μｍの第１クラッド層２０２が形成されている。

第１クラッド層２０２の上には、シリコンからなる第１コア２０３、およびシリコンからなるリブ型の変調器コア２０４が形成され、変調器コア２０４には、Ｓｉからなるスラブ層２０４ａ，２０４ｂが接続している。また、これら第１コア２０３，変調器コア２０４などを覆って酸化シリコンからなる厚さ０．３μｍの第２クラッド層２０５が、第１クラッド層２０２の上に形成されている。

第１クラッド層２０２，第１コア２０３，第２クラッド層２０５により、チャネル型の光導波路が構成されている。また、スラブ層２０４ａは、ｎ型の不純物を導入することでｎ型とされ、スラブ層２０４ｂは、ｐ型の不純物を導入することでｐ型とされている。変調器コア２０４，ｎ型のスラブ層２０４ａ，ｐ型のスラブ層２０４ｂにより、光変調器２２１が構成されている。

また、第２クラッド層２０５の上には、第１コア２０３の形成位置に対応させてＳｉＯ_xＮ_yからなる第２コア２０６が形成されている。第２コア２０６は、断面形状が幅４μｍ程度、高さ２μｍ程度の矩形となっている。

また、第２コア２０６を覆って、酸化シリコンからなる厚さ５μｍ程度の第３クラッド層２０７が、第２クラッド層２０５の上に形成されている。第２クラッド層２０５、第２コア２０６，第３クラッド層２０７により光導波路が構成されている。第１コア２０３と第２コア２０６は、一部の領域で光学的に結合をおこさせるために最適な厚さの第２クラッド層２０５を介してコア同士が重なっている。

また、第３クラッド層２０７および第２クラッド層２０５を貫通し、スラブ層２０４ａ，２０４ｂに電気的に接続する貫通電極２０８ａ，２０８ｂが形成されている。

第２クラッド層２０５および第３クラッド層２０７は、重水素原子（Ｄ）を含み、また、含まれている水素原子（Ｈ）の原子数が、重水素原子より少ない数とされている酸化シリコンから構成されている。この結果、第２クラッド層２０５および第３クラッド層２０７においては、層中に含まれるＯＨ基が少ない状態となっている。また、第２コア２０６は、重水素原子を含み、また、含まれている水素原子（Ｈ）の原子数が、重水素原子より少ない数とされているＳｉＯ_xＮ_yから構成されている。この結果、第２コア２０６においては、含まれているＯＨ基およびＮＨ基が少ない状態となっている。

次に、上述した光集積デバイスの製造について簡単に説明する。

まず、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用意する。ＳＯＩ基板の基板部を基板２０１とし、埋め込み酸化層を第１クラッド層２０２とする。また、ＳＯＩ基板の表面シリコン層をパターニングすることで、第１コア２０３，変調器コア２０４，スラブ層２０４ａ，２０４ｂを形成する。

例えば、表面シリコン層に上に公知の堆積法により酸化シリコンを堆積して酸化シリコン層を形成する。次に、形成した酸化シリコン層を、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングし、ハードマスクとするマスクパターンを形成する。このマスクパターンをマスクとして表面シリコン層をエッチングすることで、第１コア２０３の一部，変調器コア２０４，スラブ層２０４ａ，２０４ｂにおける凹部を形成する。

次に、よく知られたイオン注入法により、スラブ層２０４ａにｎ型不純物を導入し、スラブ層２０４ｂにｐ型不純物を導入し、スラブ層２０４ａをｎ型とし、スラブ層２０４ｂをｐ型とする。

次に、変調器コア２０４，スラブ層２０４ａ，２０４ｂの形成領域、および第１コア２０３の上をマスクするレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとし、残っている表面シリコン層をパターニングすることで、第１コア２０３の形状を完成させ、また、変調器コア２０４，スラブ層２０４ａ，２０４ｂの領域を分離する。この後、レジストパターンは除去する。

次に、ＳｉＤ₄およびＯ₂を原料ガスとしたＥＣＲプラズマＣＶＤ法により酸化シリコンを堆積することで、第２クラッド層２０５を形成する。なお、形成した第２クラッド層２０５は、この表面を、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法などにより平坦化しておく。

次に、ＳｉＤ₄，Ｏ₂，およびＮ₂を原料ガスとしたＥＣＲプラズマＣＶＤ法により酸窒化シリコンを堆積し、平坦化した第２クラッド層２０５の上に酸窒化シリコン層を形成する。形成した酸窒化シリコン層を、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、第２コア２０６を形成する。

次に、ＳｉＤ₄およびＯ₂を原料ガスとしたＥＣＲプラズマＣＶＤ法により酸化シリコンを堆積することで、第３クラッド層２０７を形成する。次に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、第３クラッド層２０７にコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールに電極材料を充填することで、貫通電極２０８ａ，２０８ｂを形成する。

上述した製造方法によれば、第２クラッド層２０５，第３クラッド層２０７は、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法を用いて形成するため低温で形成でき、光変調器２２１に損傷を与えることがない。また、第２クラッド層２０５，第３クラッド層２０７は、水素原子をほとんど含まず重水素原子を含む酸化シリコンで構成される、第１コア２０３による光導波路と、第２コア２０６による光導波路は、ＯＨ基の吸収の影響がほとんどない低損失な状態で作製できる。

さらにこの光集積デバイスは、チャネル型の第１コア２０３からなる光導波路の光モードが、第２クラッド層２０５を介して第２コア２０６の光導波路と光学的に結合することで機能が発揮される、第２クラッド層２０５の膜質および厚さ制御は、高効率結合を実現する上で重要である。

以上に説明したように、上述した光集積デバイスは、第２クラッド層２０５，第３クラッド層２０７は、ＳｉＤ₄およびＯ₂ガスを原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法で形成し、ＳｉＯ_xＮ_yからなる第２コア２０６は、ＳｉＤ₄，Ｏ₂，およびＮ₂ガスを原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法で形成した。これにより、クラッド層およびコアには、ＯＨ基がほとんど含まれない状態で光導波路が構成されるので、通信波長帯に光伝搬に影響を与えるＯＨ基とＮＨ基吸収がほぼなくなり、伝搬損失がより小さい光導波路が実現できる。

また、上述した製造方法によれば、２００℃程度以下の低温で、第２クラッド層２０５，第３クラッド層２０７が形成できるため、これらの形成時に光変調器２２１が形成されていても、光変調器２２１に損傷を与えることがなく、第２コア２０６による低損失な光導波路が実現できる。

以上に説明したように、第１クラッド層および第２クラッド層の少なくとも一方を、重水素原子を含む酸化シリコンからなるクラッド材料から構成し、クラッド材料に含まれる水素原子の原子数は、クラッド材料に含まれる重水素原子より少ない数としたので、他の光デバイスと融合集積する場合においても伝搬損失が小さい良好な光学特性の光導波路が実現でき、伝搬損失が小さい良好な光学特性の光導波路を備える光集積デバイスが実現できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…基板、１０２…第１クラッド層、１０３…コア、１０４…第２クラッド層。

Claims (8)

1. 基板の上に形成された光導波路を備える光集積デバイスであって、
   前記光導波路は、
   第１クラッド層と、
   前記第１クラッド層の上に形成されたコアと、
   前記コアを覆って前記第１クラッド層の上に形成された第２クラッド層と
   を備え、
   前記第１クラッド層および前記第２クラッド層の少なくとも一方は、重水素原子を含む酸化シリコンからなるクラッド材料から構成され、
   前記クラッド材料に含まれる水素原子の原子数は、前記クラッド材料に含まれる重水素原子より少ない数とされている
   ことを特徴とする光集積デバイス。
2. 請求項１記載の光集積デバイスにおいて、
   前記コアは、シリコン、化学量論組成に比較してシリコンの方が多い酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコンのいずれかからなるコア材料から構成されていることを特徴とする光集積デバイス。
3. 請求項２記載の光集積デバイスにおいて、
   前記コア材料は、重水素原子を含んで構成され、
   前記コア材料に含まれる水素原子の原子数は、前記コア材料に含まれる重水素原子より少ない数とされている
   ことを特徴とする光集積デバイス。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光集積デバイスにおいて、
   前記基板の上に形成された光素子を備えることを特徴とする光集積デバイス。
5. 基板の上に形成された光導波路を備える光集積デバイスの製造方法であって、
   前記基板の上に第１クラッド層を形成する第１工程と、
   前記第１クラッド層の上にコアを形成する第２工程と、
   前記コアを覆って前記第１クラッド層の上に第２クラッド層を形成する第３工程と
   により前記光導波路を製造し、
   前記第１クラッド層および前記第２クラッド層の少なくとも一方は、重水素シランと酸素とを原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法により形成した酸化シリコンからなるクラッド材料から形成する
   ことを特徴とする光集積デバイスの製造方法。
6. 請求項５記載の光集積デバイスの製造方法において、
   前記第２工程では、酸素ガスまたは窒素ガスと、重水素シランガスとを原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法により形成したシリコン、化学量論組成に比較してシリコンの方が多い酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコンのいずれかからなるコア材料から前記コアを形成する
   ことを特徴とする光集積デバイスの製造方法。
7. 請求項５または６記載の光集積デバイスの製造方法において、
   前記基板の上に光素子を形成する第４工程を備えることを特徴とする光集積デバイスの製造方法。
8. 請求項５〜７のいずれか１項に記載の光集積デバイスの製造方法において、
   プラズマＣＶＤ法は、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法であることを特徴とする光集積デバイスの製造方法。

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