JP2020500332A

JP2020500332A - 光電気デバイス

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Publication number: JP2020500332A
Application number: JP2019528034A
Authority: JP
Inventors: グオミンユー; フーマンアビィディアル; ダミアナルローズ; アミットシンナガラ; プラディープスリニバサン; ハイドンジョーンズ
Original assignee: Rockley Photonics Ltd
Current assignee: Rockley Photonics Ltd
Priority date: 2016-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2020-01-09
Also published as: CN109564362B; EP3545357B1; CN109564362A; EP3545357A1; WO2018096035A1

Abstract

光電気デバイス及びその製造方法であって、デバイスは、基板、基板上のエピタキシャル結晶クラッド層、前記エピタキシャル結晶クラッド層上の光学活性領域を備え、前記エピタキシャル結晶クラッド層は、光電気デバイスの光出力が光活性領域に限定されるように、光活性領域の屈折率より小さい屈折率を有する。【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は光電気デバイスに関し、特に光学活性領域と基板との間に埋め込み酸化物層又は他の絶縁層がない光電気デバイスに関する。

従来の光電気デバイス（例えば、電子吸収変調器又はＥＡＭ）は、一般にシリコン基板などの半導体基板であるベース上に導波路を備える。このベース上に形成された導波路は、コア層、下部クラッド層及び上部クラッド層である三つの層を含み、これらは全内部反射によってコア層を通して光信号を導くように構成される。コア層は光透過性媒体であり、これは、従来は埋め込み酸化物又はＢＯＸ層などの絶縁層の上に配置された（後述する活物質と比較して）薄いシリコン層である。導波路（下部クラッド）の一部としてのＢＯＸ層は、シリコン基板上に配置され、光透過媒体に光を閉じ込めるように機能する。光電気デバイスは、シリコン層のキャビティ内（すなわち、ＢＯＸ層の上）に積層された光学活性領域を有する導波路（活性導波路とも称される）、例えば電気吸収媒体を備えてもよい。典型的には、薄いシリコン層が、活性材料をエピタキシャル成長させるための結晶種として、ＢＯＸ層と光学活性領域との間のキャビティの底部に残される。シリコンシード層とＢＯＸ層の両方が、活性導波路のための下部クラッドとして機能し得る。通常、活性材料のエピタキシャル成長は、所望の活性領域の高品質の結晶構造を得るために、シリコンシード層上に配置されたさらなる活性材料シード層を必要とする。例えば、シリコン・ゲルマニウムの活性層を成長させる場合、ゲルマニウムのシード層を成長させることができる。受動導波路（例えば、非光学活性導波路）と活性導波路との間の結合効率を有用なレベルに維持するために、均一で連続的なシリコン層は比較的薄く保たれなければならない。従来の光電気デバイスではシリコン層の厚さは約０．２μｍである。

前述したような既知のＥＡＭをシリコンウェハから製造するために、ＢＯＸの上のシリコン層を、約３μｍの初期厚さから約０．２μｍの厚さにエッチングしなければならない。これを一貫して行うのは難しいため、歩留まりに問題が生じる可能性がある。

１３１０ｎｍの波長で動作する既知の光電気デバイスは多くの問題を抱えている。例えば、マッハツェンダ干渉計をベースとしてこの波長で動作するデバイスは、フォトニック回路上に非常に大きい設置面積を有し、それは非常に大きい寄生容量をもたらす可能性がある。さらに、そのようなデバイス用の駆動回路は非常に複雑であり、しばしば分布電極及び伝送線路設計を必要とする。この波長で動作する量子閉じ込めシュタルク効果デバイスは、高い偏光依存性（すなわち、ＴＥモード及びＴＭモードの挿入損失及び消光比などの性能差が許容範囲外になり得ること）及び製造に対する高い感度を示す。また、プロセス許容差動作帯域幅は、消光比とのトレードオフにおいて制限される。すなわち所定の消光比に対応して最大帯域幅が制限される。

これまで、光電気デバイスを機能させるために、シリコンシード層及びＢＯＸ層が下部クラッドとして光学活性領域の下に必要であると思われてきた。しかし、本発明者は、シリコンシード層及びＢＯＸ層は必要ではなく、光学活性領域の屈折率より低い屈折率を有する結晶構造を有する他の材料で置き換えることができることを確認した。

本発明は、一般に、光学活性領域の下に再成長又はエピタキシャル結晶クラッド層を有する光電気デバイスに関する。例えば、埋め込み酸化物の一部が除去されたＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎｏｎｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハと、クラッド層がその場所に再成長する。

従って、第１の態様では、本発明は、光学活性領域と基板とを備える光電気デバイスを提供し、光学活性領域と基板との間に位置しかつ基板に直接隣接する下部クラッド層は、エピタキシャル結晶層によって構成される。このように、光学活性領域と基板との間に埋め込み酸化物層は存在しない。基板はシリコン基板でよい。

下部クラッド層は、エピタキシャル結晶層、例えばシリコン又はＳｉＧｅエピタキシャルクラッド層でよい。エピタキシャルクラッド層の上面は、光学活性領域の底面に接してもよい。

第２の態様では、本発明は、基板、基板の上のエピタキシャル結晶クラッド層、及びエピタキシャル結晶クラッド層上の光学活性領域を備え、エピタキシャル結晶クラッド層は、光電気デバイスの光出力を光活性領域に制限するように、光活性領域の屈折率より小さい屈折率を有する、光電気デバイスを提供する。

エピタキシャル結晶性クラッド層は、再成長クラッド層又はエピタキシャルクラッド層又はエピタキシャル半導体層とも称される。再成長とは、製造中に、既存のクラッド層が除去され、その場所に代わりのものが再成長することでもよい。例えば、既存のクラッド層が埋め込み酸化物層であるとき、それを除去してもよく、埋め込み酸化物ではない材料で形成されるクラッド層が再成長してもよい。エピタキシャルとは、クラッド層の結晶構造が、その上にクラッド層が配置される基板の結晶構造の関数であってもよい。クラッド層は、結晶クラッド層とも称される。エピタキシャル結晶とは、クラッド層が半導体材料を用いてエピタキシャル成長されることでもよい。光学パワーと言う用語は、デバイスの光学モードが光学活性領域に限定されること、又はデバイスを通過する光のための主要な光路が光学活性領域を通過することでもよい。

有利なことに、受動導波路（光学活性領域に接続又は接続可能）と本発明による光学活性領域との間の結合損失は、埋め込み酸化物層を有する従来技術のデバイスにおける同じ領域間の結合損失より小さい。一般に、クラッド層は活性領域より比較的（低い）屈折率を有することによって機能し、従って、光は活性領域内に閉じ込められる。さらに、クラッド層の高さを調整してモード整合を最適化することが可能であり、それによってデバイス損失が減少し、デバイス製造において歩留まりが向上する可能性がある。さらに、クラッド層と光学活性領域との間に埋め込み酸化物層が存在しないことによって、ＲＦ寄生容量を（例えば、Ｃｏｘ容量の除去によって）除去又は減少でき、これはデバイス速度をより高くし得る。

再成長とは、クラッド層が、基板又は中間層から成長した層として提供されるものでもよい。それはエピタキシャル又は結晶性クラッド層でもよい。クラッド層は、直接に基板の上にあってもよい。又は、クラッド層は、シード層（例えば、ゲルマニウムシード層）によって基板から分離されてもよく、又はクラッド層はシード層として機能してもよい。シード層は、クラッド層及び／又は光学活性領域の結晶構造が良好な品質であり、低い欠陥密度を有すること、及び正しい結晶軸に沿った成長を促進することを確実にするのを助けることができる。いくつかの実施形態では、シード層は薄く保たれ、例えば受動導波路内のＢＯＸの厚さに実質的に等しく、これは損失を最小限に抑えるのに役立つので約４００ｎｍである。一般に、シード層の上面は、隣接する受動導波路内のＢＯＸ層の上面と実質的に等しくなければならない。基板はシリコン基板でもよい。

光学活性領域は、電界吸収型変調器、フォトダイオード、又はアバランシェフォトダイオードのうちの一つとすることができる。電界吸収型変調器は、フランツ−ケルディッシュ効果又は量子閉じ込めシュタルク効果によって動作するものでよい。光学活性領域が、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＳｎ、ＧｅＳｎ、ＩｎＧａＮＡｓ、又はＩｎＧａＮＡｓＳｂのうちのいずれか一つから形成される場合、光学活性領域は、フランツ−ケルディッシュ効果によって動作する電界吸収変調でもよい。

デバイスは、基板上に配置され、クラッド層に水平に隣接して配置された絶縁層をさらに含んでもよく、クラッド層は、絶縁層と異なる材料で形成してもよい。絶縁層は埋め込み酸化物層でもよい。水平方向に隣接するとは、絶縁層がクラッド層の基板と異なる側に隣接することを意味し得る。水平とは、デバイスの高さに垂直な方向、すなわちデバイスの上面に平行な方向である。

クラッド層は、シリコンで形成されていてもよい。シリコンはエピタキシャル成長シリコンでもよい。クラッド層は、埋め込み酸化物ではない材料で形成されてもよい。クラッド層は、シリコン・ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）から形成されてもよく、又はＳｉＧｅ層とＧｅ層との組み合わせでもよい。基板とクラッド層との間にシード層がある場合、クラッド層は、さらに、シード層によって引き起こされる可能性があるあらゆる光学的損失を隔離するように動作してもよい。光学活性領域は、第１の組成を有するＳｉＧｅＳｎ、ＧｅＳｎ、ＩｎＧａＮＡｓ、ＩｎＧａＮＡｓＳｂ、又はＳｉＧｅから形成されてもよく、クラッド層は、第１の組成と異なる第２の組成を有する同じ材料から形成されてもよい。この例では、クラッド層とシリコン層との間に配置された、シード層として機能するゲルマニウムシード層又はＳｉＧｅ層があってもよい。シード層がクラッド層とシリコン基板層との間に設けられる場合、シード層はシリコン基板層の真上に位置し、クラッド層はシード層の真上に位置してもよい。光学活性領域はＳｉＧｅＳｎから形成され、クラッド層はＳｉＧｅから形成されてもよい。

デバイスは、クラッド層と光学活性領域との間にゲルマニウムシード層をさらに含んでもよい。あるいは、シード層は、ＳｉＧｅ又はＳｉＧｅＳｎでもよい。

デバイスは、クラッド層の第１の及び／又は第２の水平面上に配置された絶縁層（例えば、埋込み酸化物層）をさらに含んでもよく、クラッド層が有する基板からの高さは、絶縁（例えば埋め込み酸化物）層の高さと実質的に等しい高さである。クラッド層が有する基板からの高さ（すなわち基板の平面に対して直角に測定）は、３μｍのシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）プラットフォームでは０．４μｍであり、又は異なるＳＯＩプラットフォームではそれより大きくてもよい。クラッド層は、埋め込み酸化物層と異なる材料で形成される。絶縁（例えば埋め込み酸化物）層は、光学活性領域のスラブの一部の下に延在してもよく、すなわち再成長又はエピタキシャル結晶性クラッド層は、光学活性領域ほど水平方向に広くなくてもよく、光活性領域はリブを備え、リブの下にクラッド層が配置される。

光学活性領域は、基板の上に配置された絶縁体上シリコン層のキャビティ内に配置してもよい。光学活性領域は、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＳｎ、ＳｉＧｅ多重量子井戸（ＭＱＷ）エピタキシャル成長スタック、又はＩｎＰベースのＭＱＷエピタキシャル成長スタックのいずれかで形成されてもよい。光学活性領域は、Ｓｉ_xＧｅ_1-x-yＳｎ_yから形成してもよく、５％≦ｘ≦２０％及び１％≦ｙ≦１０％である。そのようなデバイスは、１３１０ｎｍの光学波長で動作可能であり、３０μｍと６０μｍとの間の光学活性領域の長さをしてもよい。デバイスは、１．８Ｖ〜２Ｖの間の電圧で駆動可能であり、ピークツーピークで測定され、逆バイアスとして印加されてもよい。有利なことに、そのようなデバイスは、以前の１３１０ｎｍデバイスより偏光依存性が少なく、デバイスの性能は一般にプロセス変動に対する感度が低い。

光学活性領域は、キャップ層を上に設けて（キャッピングして）もよい。

デバイスは、光学活性領域の第１の面に結合される入力導波路と、光学活性領域の第２の側部に結合される出力導波路をさらに含んでもよい。入力導波路と光学活性領域との境界面、及び出力導波路と光学活性領域との境界面は、入力導波路及び／又は出力導波路の導波方向に対して０°より大きい角度である。

光学活性領域はＳｉＧｅ光導波路を含んでもよく、導波路は接合領域と、接合を横切るバイアスを提供してフランツ−ケルディ効果、量子閉じ込めシュタルク効果の使用、又は分散を介して接合領域を通過する光の位相を制御可能にするための複数の電極とを備えてもよい。光学活性領域はＳｉＧｅＳｎ光導波路を含んでもよく、導波路は接合領域と、接合を横切るバイアスを印加してフランツ−ケルディッシュ効果の使用、又は分散を介して接合領域を通過する光の位相を制御可能にするための複数の電極を備えてもよい。

一実施形態では、光学活性領域は導波路隆起部を含んでもよく、上面と下面と、光学活性領域の下面の少なくとも一部に及び／又はそれに隣接して配置され、導波路隆起部から横方向外側に第１の方向に延びる下部活性領域と、光学活性領域の導波路隆起部の上面の少なくとも一部に及び／又はそれに隣接して配置され、導波路隆起部から横方向外側に第２の方向に延びる上部ドープ領域と、下部ドープ領域と上部ドープ領域との間に位置する真性領域とを有してもよい。

この実施形態では、第１の電極は第１の接触面で下部ドープ領域と接し、第２の電極は第２の接触面で上部ドープ領域と接してもよい。第１の接触面は、導波路隆起部から第１の方向に横方向にずれてもよい。第２の接触面は、導波路隆起部から第２の方向に横方向にずれていてもよい。第１及び第２の接触面は、側面に沿って互いに整列してもよい。

この実施形態では、上部ドープ領域は、第１のドープ領域と第２のドープ領域とを備えてもよい。上部ドープ領域の第２のドープ領域のドーパント濃度は、上部ドープ領域の第１のドープ領域のドーパント濃度より高くてもよい。上部ドープ領域の第２のドープ領域は第２の接触面を備えてもよい。上部ドープ領域の第１のドープ領域は、光学活性領域（ＯＡＲ）の導波路隆起部の上面に及び／又はそれに隣接してもよく、第２のドープ領域は導波路隆起部から第２の方向に横方向にずれた位置に配置されてもよい。

この実施形態では、下部ドープ領域は、第１のドープ領域と第２のドープ領域とを備えてもよい。下部ドープ領域の第２のドープ領域のドーパント濃度は、下部ドープ領域の第１のドープ領域のドーパント濃度より高くてもよい。下部ドープ領域の第２のドープ領域は第１の接触面を備えてもよい。下部ドープ領域の第１のドープ領域は、ＯＡＲの真下に位置してもよい。下部ドープ領域の第２のドープ領域は、導波路隆起部から横方向にずれて、ＯＡＲ内に配置されてもよい。下部ドープ領域の第２のドープ領域は、第１の接触面を含む上面と、下部ドープ領域の第１のドープ領域と直接接する下面とを有してもよい。下部ドープ領域の第２のドープ領域は、高さが低いＯＡＲの一部の中に配置されてもよい。高さが低いＯＡＲの一部は、下部ドープ領域のドーパント種が追加される前にエッチングされたＯＡＲの部分でもよい。

この実施形態では、下部ドープ領域の第１のドープ領域は、ＯＡＲの真下に位置してもよい。ＯＡＲは、第１の方向に延びるスラブを含んでもよく、スラブは、導波路隆起部から第１の方向に横方向にずれた位置に、その厚さ方向に貫通穴を設けてもよい。下部ドープ領域の第２のドープ領域は、貫通穴の直下の第１のドープ領域内に配置されてもよい。

この実施形態では、下部ドープ領域は、部分的にＯＡＲの下面に隣接してもよく、部分的に下面でＯＡＲ内に移行して設けられてもよい。

この実施形態では、上部ドープ領域を完全にＯＡＲ内に配置してもよい。

この実施形態では、ＯＡＲは、電界の印加に応答してフランツ−ケルディッシュ効果を生じる電界吸収材料から形成してもよい。

この実施形態では、電圧バイアスが上下のドープ領域に印加されたときに掃き出されるように、ＯＡＲは、光及び電子の検出時に電流を発生するのに適した光吸収材料から形成してもよい。

この実施形態では、光学活性領域は、導波路隆起部、導波路隆起部の第１の側部の第１のスラブ、及び導波路の隆起部の第２の側部の第２のスラブを含んでもよい。ＯＡＲは上面と下面とを有してもよい。下部ドープ領域は、ＯＡＲの下面の一部に隣接して配置されてもよい。下部ドープ部分は、また、ＯＡＲの第１のスラブに沿って隣接して横方向に、第１の方向に隆起部から離れるように延びてもよい。上部ドープ領域は、ＯＡＲの隆起部の上面の少なくとも一部の中に配置されてもよく、ＯＡＲの第２のスラブに沿って第２の方向に横方向外側に延びてもよい。下部ドープ領域は、ＯＡＲの下面の一部に隣接して位置してもよく、ＯＡＲの下面の同じ部分でＯＡＲ内に移行して設けられてもよい。

一実施形態では、光学活性領域は、リブ導波路変調領域を含んでもよく、リブ導波路変調領域は、クラッド層から延びる隆起部と、隆起部の第１の側部にある第１のスラブ領域と、隆起部の第２の側部にある第２のスラブ領域とを有する。第１のドープ領域は、第１のスラブ領域及び隆起部の第１の側壁に沿って延び、第１の側壁は第１のスラブ領域と接する。第２のドープ領域は、第２のスラブ領域及び隆起部の第２の側壁に沿って延び、第２の側壁は第２のスラブ領域と接する。

別の実施形態では、光学活性領域は、リブ導波路変調領域を含んでもよく、リブ導波路変調領域は、クラッド層から延びる隆起部を有し、隆起部の全部又は少なくともその一部は、クラッド層の材料と異なる材料から形成される。さらに、リブ導波路変調領域は、隆起部の第１の側部にある第１のスラブ領域と、前記隆起部の第２の側部にある第２のスラブ領域とを含む。第１のドープ領域は、第１のスラブ領域及び隆起部の第１の側壁に沿って延びてもよく、第１の側壁は第１のスラブ領域に接する。第２のドープ領域は、第２のスラブ領域及び隆起部の第２の側壁に沿って延びてもよく、第２の側壁は第２のスラブ領域に接する。

一実施形態では、光学活性領域は、リブ導波路変調領域を含んでもよく、リブ導波路変調領域は、クラッド層から延び、隆起部の少なくとも一部がクラッド層の材料と異なる、選択された半導体材料から形成される隆起部と、隆起部の第１の側部にある第１のスラブ領域と、隆起部の第２の側部にある第２のスラブ領域とを有し、第１のスラブ領域又は第２のスラブ領域のいずれかがクラッド層の材料である。第１のドープ領域は、第１のスラブ領域及び隆起部の第１の側壁に沿って延び、第１の側壁が第１のスラブ領域と接し、第２のドープ領域は、第２のスラブ領域及び隆起部の第２の側壁に沿って延び、第２の側壁が第２のスラブ領域と接する。

別の実施形態では、光学活性領域は、リブ導波路変調領域をさらに含んでもよく、リブ導波路変調領域は、クラッド層の上に配置されたシリコンベースと、シリコンベースから延び、少なくとも一部はシリコンベースの材料と異なる選択された半導体材料から形成される隆起部を有する。シリコンベースは、隆起部の第１の側部に第１のスラブ領域と、隆起部の第２の側部に第２のスラブ領域とを含んでもよい。第１のドープ領域は、第１のスラブ領域及び隆起部の第１の側壁に沿って延びてもよく、第１の側壁は第１のスラブ領域に接する。第２のドープ領域は、第２のスラブ領域及び隆起部の第２の側壁に沿って延びてもよく、第２の側壁は第２のスラブ領域に接する。

この実施形態又は前の実施形態では、選択された半導体材料は、シリコン・ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、シリコン・ゲルマニウムスズ（ＳｉＧｅＳｎ）、ＧｅＳｎ、ＩｎＧａＮＡｓ、ＩｎＧａＮＡｓＳｂ、若しくはシリコン・ゲルマニウム又はＳｉＧｅの金属合金でもよい。選択される半導体材料は、Ｓｉ上又はIII−Ｖ族半導体上に成長したＧｅＳｎ合金でもよい。

この実施形態又は前の実施形態では、デバイスは、シリコンベース又はクラッド層の第１のスラブ領域上に配置された第１の電気コンタクトと、シリコンベース又はクラッド層の第２のスラブ領域上に配置された第２の電気コンタクトとをさらに含んでもよい。第１のドープ領域はｎドープされ、第２のドープ領域はｐドープされる。

この実施形態では、隆起部は、ベースと接して、離れるように延びる下部隆起部と、下部隆起部と接して、離れるように延びる下部隆起部とを備えてもよい。ベースと下部隆起部はシリコンから形成され、上部隆起部は選択された半導体材料から形成される。第１の側壁に沿って延びる第１のドープ領域は、第１の隆起部に位置する下部側壁部と、第２の隆起部に位置する上部側壁領域とを含んでもよい。第２の側壁に沿って延びる第２のドープ領域は、第１の隆起部に位置する下部側壁部と第２の隆起部に位置する上部側壁領域とを含んでもよい。下部側壁部及びスラブ領域は、上部側壁部より高いドーパント濃度を有してもよい。下部側壁部は上部側壁のドーパント濃度より高いドーパント濃度を有してもよく、ドープ領域のスラブ領域は下部側壁部より高いドーパント濃度を有してもよい。第１の及び第２下部側壁部が隆起部内に延びる距離（ｄ_np2、ｄ_pp2）は、第１の及び第２上部側壁部が隆起部内に延びる距離（ｄ_n、ｄ_p）より大きくてもよい。

この実施形態又は前の実施形態では、デバイスは、光をリブ導波路変調領域に結合するためにリブ導波路変調領域の入力に結合された入力リブ導波路と、リブ導波路変調領域からの光を結合するためにリブ導波路変調領域の出力に結合された出力リブ導波路を含んでもよい。

この実施形態又は前の実施形態では、ベース又はクラッド層の高さ（ｈ₂）及び下部側壁部分の高さ（ｈ₃）は、リブ導波路のモード中心が、入力導波路及び／又は出力導波路のモード中心としてのベース層又はクラッド層の上方の高さと同じになるように選択されてもよい。

光学活性領域は、導波路隆起部と、導波路スラブを含んでもよく、さらに、隆起部の側壁と、スラブの一部と、スラブ全部と、スラブに隣接する隆起部の部分と、隆起部の両側壁をふくんでもよい。光学活性領域は、ドーパントを含む結晶質又は非晶質シリコンで形成してもよい。導波路スラブの他の部分は、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＳｎ、ＧｅＳｎ、ＩｎＧａＮＡｓ、ＩｎＧａＮＡｓＳｂ又はゲルマニウムから形成されてもよい。

この実施形態では、スラブの一部及び隣接する側壁は結晶質又は非結晶質シリコンで形成されてもよい。そのような例では、スラブの一部と隣接する側壁は同種のドーパントを含んでもよい。さらに、スラブのさらなる部分及びさらなる隣接する側壁が結晶質又は非結晶質シリコンで形成され、従って、隆起部の両側の両側壁及びスラブの両方の部分が結晶質又は非結晶質シリコンで形成されてもよい。この例では、スラブのさらなる部分及びさらなる隣接する側壁は、スラブの第１の部分及び第１の隣接する側壁に含まれるものと異種のドーパントを含む。あるいは、導波路スラブ全部が結晶又はアモルファスシリコンや、スラブに隣接する隆起部の一部で形成されてもよく、結晶又はアモルファスシリコンが逆「Ｔ」形状を形成する。このような例では、導波路スラブの一部は第１種のドーパントを含み、導波路スラブの異なる部分は第２種のドーパントを含んでもよい。さらに、一方又は両方の側壁が結晶質又は非結晶質シリコンで形成されてもよい。一方の側壁のみが結晶質又は非結晶質シリコン（ドーパントを含む）で形成される例では、他方の側壁は、ドープされている活性材料（例えば、ＳｉＧｅ又はＳｉＧｅＳｎ）から形成される。そのような例における側壁はドーパントを含んでもよく、それぞれ異種のドーパントを含んでもよい。有利なことに、そのような構成は製造が容易である。さらに、ドープされたＳｉ部分上に配置された少なくとも一つの電気接点を有するデバイスは、直列抵抗の改善をみせ、それは光パワーの帯域幅及び線形性を改善できる。

第３の態様では、本発明は、基板と、絶縁層（例えば埋め込み酸化物層）と、シリコン上絶縁層とを含むシリコン・オン・インシュレータウェハ上に形成された光電気デバイスを提供する。シリコン・オン・インシュレータウェハは、絶縁層の材料と異なる材料で基板の上に形成されたクラッド層と、クラッド層上の光学活性領域を備える。クラッド層は、光電気デバイスの光学モードが光学活性領域に限定されるように光学活性領域の屈折率より小さい屈折率を有し、絶縁層は記光学活性領域の下方には延在しない。光学活性領域は、ＳｉＧｅＳｎ、ＧｅＳｎ、ＩｎＧａＮＡｓ、又はＩｎＧａＮＡｓＳｂから形成されてもよい。光学活性領域は、ＳｉＧｅから形成されてもよい。クラッド層は、シリコン又はＳｉＧｅから形成されてもよい。

第３の態様の光電気デバイスは、第２の態様の光電気デバイスに関して説明した特徴のうちのいずれかを有することができる。

第４の態様では、本発明は、基板と、絶縁層（例えば埋め込み酸化物層）と、シリコン上絶縁層とを含むシリコン・オン・インシュレータウェハから光電気デバイスを製造する方法を提供する。この方法は、深さが基板の少なくとも上面まで延びるようなキャビティをウェハにエッチングし、基板の上面にクラッド層を成長させ、クラッド層上に光学活性材料を成長させるステップを含む。クラッド層は、光学活性材料の屈折率より小さい屈折率を有する。クラッド層の上に光学活性領域を形成するように光学活性材料をエッチングする。光学活性材料はＳｉＧｅを含んでもよい。光学活性材料は、ＳｉＧｅＳｎ、ＧｅＳｎ、ＩｎＧａＮＡｓ、又はＩｎＧａＮＡｓＳｂのいずれか一つを含んでもよい。クラッド層は、前述のクラッド層に対応してもよく、それに関して開示された特徴のいずれかを有してもよい。

有利なことに、スラブ高さの良好な均一性は、より少ないエッチング変動性によって達成できる。従って、デバイスはより容易に製造でき、及び／又はより高い歩留まりを達成できる。さらに、クラッド層がシリコン基板上（又はシリコン基板上のシード層上）に直接成長するので、従来の方法より製造プロセスを速くできる。この製造プロセスによって、チップ上のデバイスの高密度化でき、製造されるデバイスの歩留まりを向上でき、及び光学回路をシリコン・オン・インシュレータプラットフォームに集積するためのコストを低減できる。

ウェハにキャビティをエッチングするステップは、エッチングを停止するために絶縁（例えば埋め込み酸化物）層を使用する第１のエッチングステップと、エッチングを停止するために基板を使用する第２のエッチングステップを備えてもよい。

この方法は、クラッド層がシード層から成長するように、クラッド層を成長させる前に、基板の上面の上にシード層を成長させるステップを含んでもよい。

この方法は、成長した光学活性材料を平坦化する光学活性材料を成長させた後の追加のステップを含んでもよい。

この方法は、光学活性材料を成長させた後、かつ光学活性材料をエッチングする前、又は成長した光学活性領域の少なくとも一部の上にハードマスクを配置するステップを含んでもよい。

この方法は、光学活性材料をエッチングした後に、電気吸収変調器を提供するように、光学活性領域に第１種及び第２種のドーパントをドープするステップを含んでもよい。

第５の態様では、本発明は、絶縁層（例えば、埋込み酸化物層）の上に配置された導波路スラブと、導波路スラブ上に配置された導波路隆起部と、隆起部の側壁と、スラブの一部と、スラブの全部と、スラブに隣接する隆起部の部分と、隆起部の両側壁を備え、結晶質又は非晶質シリコンから形成され、ドーパントを含む光電気デバイスを提供する。

この実施形態では、スラブの一部及び隣接する側壁が結晶質又は非結晶質シリコンで形成されてもよい。さらに、スラブの追加部分及びさらに隣接する側壁が結晶質又は非結晶質シリコンで形成され、従って、隆起部の両側の両側壁及びスラブの両方の部分が結晶質又は非結晶質シリコンで形成されてもよい。あるいは、導波路スラブ全部が結晶又はアモルファスシリコン、ならびにスラブに隣接する隆起部の一部で形成され、結晶質又は非結晶質シリコンが逆「Ｔ」形状を形成してもよい。さらに、一方又は両方の側壁が結晶質又は非結晶質シリコンで形成されてもよい。

導波路隆起部の第１の側壁及び第２の側壁は、それぞれ第１種のドーパント及び第２種のドーパントでドープされてもよい。第１の側壁に隣接する導波路スラブの第１の側部、及び第２の側壁に隣接する導波路スラブの第２の側部は、それぞれ第１種のドーパント及び第２種のドーパントでドープされてもよい。導波路隆起部及び導波路スラブの残りの部分は、ＳｉＧｅ又はゲルマニウムで形成してもよい。

次に、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態を例として説明する。

光電気デバイスの平面図である。図１のデバイスのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。図１のデバイスのＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。様々な製造工程を示す図である。様々な製造工程を示す図である。様々な製造工程を示す図である。様々な製造工程を示す図である。様々な製造工程を示す図である。様々な製造工程を示す図である。様々な製造工程を示す図である。様々な製造工程を示す図である。様々な製造工程を示す図である。様々な製造工程を示す図である。様々な製造工程を示す図である。様々な製造工程を示す図である。様々な製造工程を示す図である。様々な製造工程を示す図である。様々な製造工程を示す図である。様々な製造工程を示す図である。変形例のデバイスを示す図である。変形例のデバイスを示す図である。変形例のデバイスを示す図である。変形例のデバイスを示す図である。光学活性領域及び／又はデバイスのための変形例の構造を示す図である。光学活性領域及び／又はデバイスのための変形例の構造を示す図である。光学活性領域及び／又はデバイスのための変形例の構造を示す図である。光学活性領域及び／又はデバイスのための変形例の構造を示す図である。光学活性領域及び／又はデバイスのための変形例の構造を示す図である。光学活性領域及び／又はデバイスのための変形例の構造を示す図である。光学活性領域及び／又はデバイスのための変形例の構造を示す図である。

詳細な説明とその他のオプションの特徴
図１は、チップ１００上に配置された光電気デバイス１０４の平面図である。入力導波路１０１は、方向１０２に沿って境界面１０３を通ってデバイス内に光信号を導くように動作可能である。入力導波路とデバイスとの境界面は、光の導波方向１０２に対して角度α１にある。角度α１は、０°から１０°の間の値でもよい。いくつかの実施形態では、α１は約８°である。

境界面を通過してデバイス１０４に入った光信号は、それを処理又は修正できる光学活性領域（ＯＡＲ）１０５に入る。例えば、光学活性領域は、フォトダイオード、電界吸収型変調器、又はアバランシェフォトダイオードのいずれかで構成してもよい。光学活性領域の性質に応じて、光信号は、ＯＡＲ及びデバイス１０４を出て、境界面１０８を介して出力導波路１０６に入ってもよい。

出力導波路１０６は、光を方向１０７に導き、境界面１０８は、出力導波路内の光の導波方向１０７に対して角度α２でもよい。角度α１と同様に、角度α２は、０°から１０°の間の値でもよい。いくつかの実施形態では、α２は約８°であり、一般にα１に等しい。

図２Ａは、図１に示すデバイス１０４の線Ａ−Ａ’における断面図である。デバイス１０４は、デバイスの最下層であるシリコン基板２０１を備える。二つの埋め込み酸化物（ＢＯＸ）層２０２ａ及び２０２ｂが基板上に配置される。そして、埋め込み酸化物層の間に、Ｓｉ又はＳｉＧｅで構成してもよいクラッド層２０３が設けられる。クラッド層の上には、その両側が入力導波路１０１及び出力導波路１０６に接続される光学活性領域１０５がある。導波路とＯＡＲとの境界面１０３及び１０８が示されている。この図には、ＳｉＯ₂キャップ層２０６が示されている。特に、埋め込み酸化物層２０２ａ及び２０２ｂは、光学活性領域１０５の下には延在しない。埋め込み酸化物層は、部分的に導波路隆起部のスラブの下、すなわちドープ領域２１０及び２１１の下に延在できる。

図２Ｂは、図１に示すデバイス１０４の線Ｂ−Ｂ’における断面図である。この図は、光学活性領域１０５の一例をより詳細に示している。同じ材料から形成された真性部分２０５、第１のドープ領域２０８及び第２のドープ領域２０９を含み真性部分２０５を備える導波路が、クラッド層の上に配置される。あるいは、ドープ領域２０８又は２０９の一方、又はドープ領域２０８及び２０９の両方は、Ｓｉ又はＳｉＧｅなどの真性部分２０５と異なる材料から形成されてもよい。ドープ領域２０８及び２０９は、クラッド層２０３の上面に沿って、真性部分２０５の側壁まで延びている。第１のドープ領域内のドーパントは、第２のドープ領域内のドーパントと異なる種類である。

第１のドープ領域２０８の第１の部分２１０は、第１のドープ領域の他の部分と比較して高濃度にドープされている。この第１の部分２１０は、ＳｉＯ₂キャップ層２０６を貫通して延びる電極２３２ａに接続される。同様に、第２のドープ領域２０９の第２の部分２１１は、第２のドープ領域の他に部分と比較して高濃度にドープされている。この第２の部分２１１は、キャップ層２０６を貫通して延びる第２の電極２３２ｂに接続される。ＯＡＲ１０５は、通常、シリコン層のキャビティ内に配置され、キャビティは、シリコン側壁２０７ａ及び２０７ｂによって部分的に画定される。この例の真性部分２０５はドープされていないので、ＯＡＲはｐ−ｉ−ｎ接合として説明できる。真性部分２０５がクラッディング層から離れて延びるにつれて、それは、真性部分２０５と、真性部分２０５の側部まで延びる第１のドープ領域２０８及び第２のドープ領域２０９によってリブが構成されるリブ導波路の一部として記述される。スラブは、クラッド層２０３の上面に沿って延びるドープ領域２０８及び２０９の一部によって構成される。リブ導波路は、クラッド層の上面から測定して約２．８μｍの高さでもよく、スラブは約２００ｎｍの高さでもよい。リブ導波路の幅（すなわち、真性部分２０５の側面まで延びる第１及び第２のドープ領域の部分間の水平距離）は約０．８μｍでもよい。クラッド層は、（シリコン基板の最上面からクラッド層の最上面まで測定したとき）約４００ｎｍの厚さでもよい。このような例では、入力導波路から導波路２０５への結合効率は、ＴＥモードでは約９９％、ＴＭモードでは９８．７％であると計算される。

クラッド層２０３は、ＯＡＲに入射する光信号をリブ導波路内に閉じ込めるように機能する。それは、主に、ＯＡＲの屈折率より低い屈折率を有する材料から形成されることによるものである。例えば、クラッド層は、エピタキシャル成長で形成されるシリコン層、又は３．３から３．８の屈折率を有する化学気相堆積を使用して堆積させたシリコン層で形成できる。これに対し、導波路及び／又はＯＡＲは、４．０から４．７の屈折率を有するシリコン・ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）から主に形成されてもよい。ＯＡＲとクラッド層との境界面における屈折率のこの変化は、光信号を導波路に閉じ込めるのに十分な屈折率コントラスト（すなわちΔｎ）を提供できる。前述したように、ＯＡＲの下に埋め込み酸化物層がなくても良好な閉じ込めが達成できることは注目に値する。

図３Ａ〜図３Ｐは、断面Ｂ−Ｂ’において示されており、図２及び図３に示されるデバイスを提供するための製造工程を説明する。図３Ａに示す第１のステップでは、シリコン・オン・インシュレータウェハが提供される。ウェハは、シリコン基板２０１、その上に配置された埋め込み酸化物層２０２、及びシリコン上絶縁層２０７を含む。次に、図３Ｂに示すように、絶縁体上シリコン層の領域上に第１のマスク２１２が配置され、次にマスクされていない領域が埋め込み酸化物層２０２までエッチングされる。これによって、側壁２０７ａ及び２０７ｂによって部分的に画定される絶縁体上シリコン層のキャビティ２１３となる。次に、側壁２０７ａと２０７ｂとの間の埋め込み酸化物層をエッチングで除去し、第１のマスクを除去すると、図３Ｃに示す構造が得られる。キャビティは、少なくとも部分的に、絶縁体上シリコン層２０７ａ及び２０７ｂの側壁及び残りの埋め込み酸化物層２０２ａ及び２０２ｂの側壁によって画定される。

次に、図３Ｄに示すように、キャビティ２１３の側壁２０７ａ及び２０７ｂに沿って絶縁ライナー２１５ａ及び２１５ｂを設けてもよい。実際、いくつかの実施形態では、キャビティの側壁に沿ってライナーを設けない。ライナーは、図示のように側壁２０７ａ及び２０７ｂの頂部に沿って延びてもよい。次に、図３Ｄに示すように、キャビティ２１３の側壁２０７ａ及び２０７ｂに沿って絶縁ライナー２１５ａ及び２１５ｂを設けてもよい。実際、いくつかの実施形態では、キャビティの側壁に沿ってライナーを設けない。図示するように、ライナーは側壁２０７ａ及び２０７ｂの頂部に沿って延びてもよい。図３Ｅに示すように、ライナーを設けた後、クラッド層２０３をシリコン基板２０１上に成長させる。クラッド層は、エピタキシャル成長半導体（例えばシリコン）層とすることができ、エピタキシャル結晶層と称してもよい。ライナーは、クラッド層がシリコン基板からのみ成長し、側壁から成長しないので、クラッド層がほぼ均一な結晶構造で確実に成長するようにできる。クラッド層を再成長させた後の任意に選択される追加の工程として、キャビティ２１３の側壁２０７ａ及び２０７ｂに沿って設けられる絶縁ライナー２１５ａ及び２１５ｂを除去してもよい。

図３Ｆに示すように、クラッド層を設けた後に光学活性領域２１７を成長させる。この工程の前に、シード層をクラッド層の上に成長させてもよい。これは光学活性領域の形成に有益となる。キャビティ２１３へのゲルマニウムのブランケット堆積によって、光学活性領域を提供してもよい。図３Ｇに示すように、堆積後、ＯＡＲの最上面がライナー２１５ａ及び２１５ｂの最上面と同じ高さになるように、光学活性領域２１７は、例えば化学機械研磨によって平坦化される。ライナーがない場合、ＯＡＲの最上面は側壁２０７ａ及び２０７ｂの最上面と同じ高さになる。

次に、図３Ｈに示すように、第２のマスク２１８をＯＡＲの一部の上に設け、マスクされていない領域をエッチングして導波路のスラブ２２０ａ及び２２０ｂを設ける。前述したように、エッチングされていない領域はリブ導波路２１９を構成する。これにより、光学活性領域を提供するための重要な製造工程が完了する。

図３Ｉに示される、さらなるステップとして、キャップ層２２１がＯＡＲの上に設けられる。このキャップ層は、キャップ層を通してドーパントをＯＡＲの領域に注入できるほど十分に薄い。例えば、図３Ｊに示すように、第３のマスク又はフォトレジスト２２２がデバイスの一領域に設けられる。次に、マスクされていない領域は、光学活性領域の領域２０８をドープするように、第１種のドーパント２２３に曝される。この例では、ドーパントは、マスクされていないスラブ２２０ａの領域、及び導波路のリブの側壁に注入される。ドーパントは、例えばホウ素でもよく、それで領域はｐ型のドーパント種でドープされる。その後、第３のマスクが除去される。

同様に、図３Ｋに示すように、第４のマスク又はフォトレジスト２２４がデバイスのある領域の上に設けられる。次に、マスクされていない領域は、光学活性領域の領域２０９をドープするように、第２種のドーパント２２５に曝される。この例では、ドーパントは、マスクされていないスラブ２２０ｂの領域及びリブ導波路の側壁に注入される。ドーパントは、例えばリンでもよく、そのため領域はｎ型のドーパント種でドープされる。その後、第４のマスクが除去される。

第１のドープ領域２０８及び第２のドープ領域２０９の電気抵抗を減少させるために、後述するように、追加のドープを行ってもよい。図３Ｌでは、第５のマスク又はフォトレジスト２２６がデバイスの領域上に配置され、マスクされていない領域が第１種ドーパント２２７にさらに曝される。これにより、第１のドープ領域２０８内に第１の高濃度ドープ領域２１０が形成される。この領域は、ｐドープ領域２０８に対してｐ＋＋ドープされたとして説明できる。次いで、第５のマスクが除去される。同様に、図３Ｍに示すように、第６のマスク又はフォトレジスト２２８がデバイスのある領域の上に設けられ、マスクされていない領域が第２種のドーパント２２９にさらに曝される。これにより、第２のドープ領域２０９内に第２の高濃度ドープ領域２１１が形成される。この領域は、ｎドープ領域２０９に対してｎ＋＋ドープされたとして説明できる。次いで、第６マスクが除去される。

図３Ｏに示す、さらなるステップとして、第７のマスク２３０をデバイスのある領域の上に設け、マスクされていない領域をエッチングして、第１及び第２の高濃度ドープ領域２１０及び２１１の上のキャップ層２２１の部分を除去する。これによりビア２３１ａ及び２３１ｂが形成される。その後、第７のマスクが除去される。図３Ｐに示す最終ステップでは、ビアを経由して第１の高濃度ドープ領域２１０及び第２の高濃度ドープ領域２１１にそれぞれ接続する電極２３２ａ及び２３２ｂが設けられる。電極２３２ａ及び２３２ｂを介して電位を印加でき、その結果、導波路２１９を横切る水平方向の電界が生じる。従って、デバイスは、通過する光信号の振幅を変調するためにフランツ−ケルディ効果を利用できる。

図４にデバイスの変形例を示す。ここではゲルマニウムシード層４０１がクラッド層４１６とシリコン基板２０１との間に配置される。この図にも示されるように、シード層４０１はシリコン基板２０のキャビティ内に配置され、クラッド層４１６が先の実施形態と同様の位置に配置される。この図において、同じ特徴は同じ数字で示される。理解されるように、図２Ｂに示す追加の特徴もこのデバイスに存在してもよいが、この変形例の特徴を明確にするために示していない。

同様に、図５にデバイスのさらなる変形例を示す。ここで、第１のドープ領域５０１は、導波路２１９の側壁の途中までしか延びていない。図２Ｂに示すさらなる特徴もこのデバイスに存在してもよいが、この変形例の特徴を明確にするために示していない。このデバイスは、接合部を横切るバイアスをかけて、接合領域を通って進行する光の位相を分散によって制御可能にするのに適している。デバイスの構造及びその製造方法は、発明の名称が「導波路変調器構造」である国際公開２０１６／０１３９４８４の開示と同様であり、その全部の内容が参照により本明細書に組み込まれる。

図６にデバイスの別の変形例を示す。ここでは、さらなるシリコン層６０１がドープされ、第１のドープ領域６０２及び第２のドープ領域６０４が設けられている。６０２はクラッド層２０３内に作られる。それらは、それぞれ、第１の高濃度ドープ領域６０３及び第２の高濃度ドープ領域６０５を含む。第１のドープ領域６０２は、導波路２１９の側壁を超えて延びておらず、代わりに導波路の最下面に沿って延びる。さらに、第２のドープ領域６０４は、導波路２１９の最上面に沿って延びる。従って、電極２３２ａ及び２３２ｂに電圧が印加されると、前述した例の水平電界とは対照的に、導波路２１９を横切る垂直電界を印加できる。デバイスの構造及びその製造方法は、発明の名称が「導波路変調器構成」である国際公開公報２０１７／０８１１９６Ａ１の開示と同様であり、その全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

図７に、デバイスのさらなる変形例を示す。この図では、高さｈｗｇのリッジ変調領域を含むデバイスが示されている。リッジ変調領域は、第１の導波路材料Ｍ１から製造されたベース７０１と、第１の導波路材料と異なる第２の導波路材料Ｍ２から製造された隆起部７０２とからなる。

ベース７０１は、導波路隆起部の第１の側壁から第１の方向に延びる第１のスラブ領域と、導波路隆起部の第２の側壁から第２の方向に延びる第２のスラブ領域とを含む。第２の方向は第１の方向と反対である。

デバイスは、第１のドープ領域を含み、第１のドープ領域は、第１のドープスラブ領域７１３ａと、導波路の第１の側壁に沿って延びる第１のドープ側壁領域とを含む。

図示するように、導波路の隆起部は、下部隆起部７１２ａと上部隆起部７１２ｂとから形成される。下側隆起部分はベースと接し、ベースから離れる方向に延びる。ベース及び下部隆起部分の両方は、第１の材料Ｍ１から形成される。上部隆起部は、下部隆起部と接して、そこから離れて延び、下部隆起部の上に位置する第２の材料Ｍ２から作られる。

第１のドープされた側壁領域は、下部隆起部７１２ａと上部隆起部７１２ｂの両方を含む隆起部の側壁全部に沿って延在する。従って、第１のドープされた側壁領域は、隆起部の下部隆起部において第１の側壁に沿って延びる第１の下部側壁部分７１３ｂと、隆起部の上部隆起部の側壁に沿って延びる第１の上部側壁部分７１３ｃを備える。

同様に、リブ導波路の第２の側部において、デバイスは、第２のドープスラブ領域７１４ａと、導波路の第２の側壁に沿って延びる第２のドープ側壁領域とを備える。第２のドープされた側壁は、隆起部の下部隆起部において第２の側壁に沿って延びる第２の下部側壁部分７１４ｂと、隆起部の上部隆起部の側壁に沿って延びる第２の上部側壁部分７１４ｃからなる。

ドープスラブ領域及び下部ドープ側壁領域におけるドーパント濃度は、上部ドープ側壁領域のドーパント濃度より高い。図示した例では、第１のドープスラブ領域及び第１の下部側壁ドープ領域はｎ＋＋ドープされ、第１の上部側壁はｎドープされている。ｎ＋＋ドープ領域は、典型的には、ｎドープ領域と比較して、１ｃｍ３当たり少なくとも１から２桁のドーパント量を含む。第２のドープスラブ領域及び第２の下部側壁ドープ領域はｐ＋＋ドープされ、一方第１の上部側壁はｐドープされている。

図示した例では、第１の材料Ｍ₁はシリコン（Ｓｉ）から形成され、第２の材料Ｍ₂はシリコン・ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）又はシリコン・ゲルマニウムスズ（ＳｉＧｅＳｎ）から形成される。しかし、この実施形態の構造は他の適切な光学材料にも同様に適用可能であると考えられる。Ｓｉ／ＳｉＧｅ又はＳｉ／ＳｉＧｅＳｎのＭ₁／Ｍ₂構造に対する適切なドーパント濃度の例を以下の表１に示す。

図７に見られるように、第１のドープスラブ領域は、それが第１の材料Ｍ₁のスラブの中へ下方に延びる厚さｄ_np1によって定められる。第１の下部側壁部分７１３ｂ及び第２の下部側壁部分７１４ｂは、それぞれ、隆起部の下部の高さに対応する高さｈ３だけスラブから離れるように上方に延びる。これらの下部側壁部分７１３ｂ、７１４ｂはそれぞれの距離ｄ_np2、ｄ_pp2だけ隆起部内に延びており、これらのそれぞれの距離の各々は下部隆起部の全断面幅の半分未満である。その結果、アンドープ領域がｎ＋＋領域をｐ＋＋領域から分離する。それによってｐ＋＋領域はｐ−ｉ−ｎ接合を形成する。

ドープ領域によって形成される接合部を横切るバイアスを印加するために、電気接点（図示せず）が各スラブ領域に配置される。これらの電気接点はスラブ上に（すなわち、リブの上面、隆起部の両側に）直接配置される。通常、接点は隆起部の各側壁から等距離にある。

第１及び第２の上部側壁部分７１３ｃ、７１４ｃは、それぞれ距離ｄ_np2、ｄ_pp2だけ短い距離ｄｎ、ｄｐだけ隆起部の上部隆起部の中に延び、それによって下部側壁部分７１３ｂ、７１４ｂのそれぞれは、リブ導波路の下部７１２ａ内に延びる。典型的な測定例を表２に示す（ｎｍ）。

この例では、導波路デバイスは導波路電気吸収変調器（ＥＡＭ）の形態をとる。しかし、デバイスが代わりに導波路フォトダイオード（ＰＤ）のような他の光電子部品の形態をとることもできる。

デバイスの構造及びその製造方法は、米国特出願許第６２／４２９，７０１号に開示されるものと同様であり、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。

図８は、図７に示すものと同様の光学活性領域を示す。しかし、点線８０１内に示される、第１のドープスラブ領域７１３ａ、第１の下部側壁部分７１３ｂ及び第１の上部側壁部分７１３ｃは、結晶質又は非結晶質シリコンで形成される。図示していないが、ベース７０１の下に埋め込み酸化物層があることができるが、これは任意である。

図９は、点線９０１内に示される領域は、第２のドープスラブ領域７１４ａ、第２の下部側壁部分７１４ｂ、及び第２の上部側壁部分７１４ｃを含み、これらの領域は結晶又はアモルファスシリコンで形成される。図示していないが、ベース７０１の下に埋め込み酸化物層があることができるが、これは任意である。

図１０は、前述の変形光学活性領域に対する変形光学活性領域を示す。ここで、スラブの全部、及び隆起部の一部７１３ｂ、７１４ｂは、点線内に示される領域１００１内にある。この領域は、結晶質又は非結晶質シリコンで形成される。このデバイスは、領域１００１の下に任意に埋め込まれた酸化物層１００２と共に示される。これは、図７、８、９、１１及び１２に示されるデバイスにも当てはまる。

図１１は、図１０に示したと同様の光学活性領域を示す。しかし、ここでは点線領域１１０１はリブ導波路の一方の側まで延びており、従って、第１の上部側壁部分７１３ｃを含み、これもまた結晶質又は非晶質シリコンで形成される。図１２は、これを拡張したものであり、第２の上部側壁部分７１４ｃも含まれており、これもまた結晶質又は非結晶質シリコンで形成される。

図１３は、光電気デバイスのさらなる代替例を示している。ここで、先の実施形態と同様に、スラブ１３０１及びリブ１３０２は、シリコン基板２０１の上に配置された隆起部導波路を形成する。しかし、前述した例とは対照的に、クラッド層２０３はスラブ１３０１ほど広くない。スラブ１３０１の下に埋め込み酸化物層２０２ａ及び２０２ｂの一部が配置される。

図１４は、光電気デバイスのさらなる代替例を示している。一般に、この例は、これまでに論じた任意の例と同様である（従って、適切な場合には、それを参照して開示した特徴のいずれかを有してもよい）。しかし、図１４に示す相違点は、このデバイスがダブルシリコン・オン・インシュレータウェハ上に提供されることである。従って、デバイスの光学モードを光学活性領域２１９に限定するクラッド層１４０１は、基板１４０２（一般にシリコンで形成される）の上にある。その基板１４０２は、第２の基板１４０４の上にあるＳｉＯ₂などの埋め込み酸化物層１４０３の上にある。エッチングは、少なくとも図示されていない埋め込み酸化物層に対して行われる。しかし、これは基板１４０２の上であるべきである。

本発明を前述の例示的な実施形態と併せて説明したが、この開示が与えられたときには当業者には多くの同等の修正形態及び変形形態が明らかとなるであろう。従って、前述した本発明の例示的な実施形態は例示的なものであり、限定的なものではないと考えられる。記載された実施形態に対する種々の変更は、本発明の思想及び範囲から逸脱することなくなされ得る。

前述した全ての参考文献は、参照により本明細書に組み入れられる。

１００チップ
１０１入力導波路
１０２、１０７導光方向
１０３入力導波路とＯＡＲの境界面
１０４光電気デバイス
１０５、２０５ＯＡＲ
１０６出力導波路
１０８ＯＡＲと出力導波路との境界面
２０１シリコン基板
２０２ａ、２０２ｂ埋め込み酸化物
２０３、４１６クラッド層
２０６キャップ層
２０７ａ、２０７ｂシリコン上絶縁層
２０８第１のドープ領域
２０９第２のドープ領域
２１０第１の高濃度ドープ領域
２１１第２の高濃度ドープ領域
２１２第１のマスク
２１３キャビティ
２１４基板上面
２１５ａ、２１５ｂ絶縁ライナー
２１７成長した光学活性領域
２１８第２のマスク
２１９リブ導波路の隆起部
２２０ａ、２２０ｂリブ導波路のスラブ
２２１キャップ層
２２２第３のマスク
２２３第１のドーパント注入
２２４第４のマスク
２２５第２のドーパント注入
２２６第５のマスク
２２７第３のドーパント注入
２２８第６のマスク
２２９第４のドーパント注入
２３０第７のマスク
２３１ａ、２３１ｂビア
２３２ａ、２３２ｂ電極
４０１シード層

Claims

光電気デバイスであって、
基板と、
前記基板の上のエピタキシャル結晶クラッド層と、
前記エピタキシャル結晶クラッド層の上の光学活性領域とを備え、
前記エピタキシャル結晶クラッド層は、光電気デバイスの光出力が光活性領域に限定されるように、前記光活性領域の屈折率より小さい屈折率を有する光電気デバイス。
請求項１に記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域は、電界吸収型変調器、フォトダイオード、又はアバランシェフォトダイオードの一つで構成される光電気デバイス。
請求項１又は２に記載の光電気デバイスであって、
前記基板の上に前記クラッド層に水平に隣接して配置された絶縁層をさらに備え、
前記クラッド層は前記絶縁層と異なる材料で形成される光電気デバイス。
請求項１又は２に記載の光電気デバイスであって、
前記クラッド層はシリコン又はＳｉＧｅで形成される光電気デバイス。
請求項４に記載の光電気デバイスであって、
前記クラッド層はシリコンであり、エピタキシャル成長シリコンである光電気デバイス。
請求項１から５のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域は、ＳｉＧｅＳｎ、ＧｅＳｎ、ＩｎＧａＮＡｓ、又はＩｎＧａＮＡｓＳｂから形成された電界吸収型変調器又はフォトダイオードである光電気デバイス。
請求項６に記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域はＳｉ_xＧｅ_1-x-yＳｎ_yから形成され、
５％≦ｘ≦２０％であり、１％≦ｙ≦１０％である光電気デバイス。
請求項１から７のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域の長さは３０μｍから６０μｍである光電気デバイス。
請求項１から８のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記クラッド層と前記光学活性領域との間にシリコンシード層をさらに備える光電気デバイス。
請求項１から９のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域はシリコン・ゲルマニウム領域を含む光電気デバイス。
請求項１から１０のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記クラッド層の第１の水平面及び第２の水平面の少なくとも一つの上に配置された絶縁層を備え、
前記クラッド層の前記基板からの高さは、前記絶縁層の前記基板からの高さと実質的に等しい光電気デバイス。
請求項１から１１のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域は、前記基板の上方に配置される絶縁体上シリコン層のキャビティ内に配置される光電気デバイス。
請求項１から１２のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域の第１の側部に結合された入力導波路と、
前記光学活性領域の第２の側部に結合された出力導波路とを備え、
前記入力導波路と前記光学活性領域との境界面及び前記出力導波路と前記光学活性領域との境界面は、前記入力導波路及び／又は前記出力導波路の導波方向に対して０°より大きい角度である光電気デバイス。
請求項１から１３のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域は、導波路隆起部を含み、
前記導波路隆起部は、
上面及び下面と、
前記光学活性領域の下面の少なくとも一部及びそれに隣接する位置の少なくとも一方に配置され、前記導波路隆起部から横方向外側に第１の方向に延伸する下部ドープ領域と、
前記光学活性領域の前記導波路隆起部の上面の少なくとも一部及びそれに隣接する位置の少なくとも一方に配置され、前記導波路隆起部から横方向外側に第２の方向に延伸する上部ドープ領域と
前記下部ドープ領域と前記上部ドープ領域との間に位置する真性領域とを有する光電気デバイス。
請求項１から１３のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域は、リブ導波路変調領域を含み、
前記リブ導波路変調領域は、
前記クラッド層から延伸する隆起部と、
前記隆起部の第１の側部にある第１のスラブ領域と、前記隆起部の第２の側部にある第２のスラブ領域とを含み、
第１のドープ領域は、前記第１のスラブ領域及び前記隆起部の第１の側壁に沿って延在し、前記第１の側壁は前記第１のスラブ領域に接し、
第２のドープ領域は、前記第２のスラブ領域及び前記隆起部の第２の側壁に沿って延在し、前記第２の側壁は前記第２のスラブ領域に接する光電気デバイス。
請求項１から１３のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域は、リブ導波路変調領域を含み、
前記リブ導波路変調領域は、前記クラッド層から延伸し、少なくとも一部が前記クラッド層の材料と異なる選択された半導体材料から形成される隆起部を有し、
前記クラッド層は、前記隆起部の第１の側部にある第１のスラブ領域と、前記隆起部の第２の側部にある第２のスラブ領域とを含み、
第１のドープ領域は、前記第１のスラブ領域及び前記隆起部の第１の側壁に沿って延在し、前記第１の側壁は前記第１のスラブ領域に接し、
第２のドープ領域は、前記第２のスラブ領域及び前記隆起部の第２の側壁に沿って延在し、前記第２の側壁は前記第２のスラブ領域に接する光電気デバイス。
請求項１から１３のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域は、リブ導波路変調領域を含み、
前記リブ導波路変調領域は、
前記クラッド層から延伸し、少なくとも一部が前記クラッド層の材料と異なる選択された半導体材料から形成される隆起部と、
前記隆起部の第１の側部にある第１のスラブ領域と、
前記隆起部の第２の側部にある第２のスラブ領域とを有し、
前記第１のスラブ領域又は前記第２のスラブ領域のいずれかが前記クラッド層の材料であり、
第１のドープ領域は、前記第１のスラブ領域及び前記隆起部の第１の側壁に沿って延在し、前記第１の側壁は、前記第１のスラブ領域に接し、
第２のドープ領域は、前記第２のスラブ領域及び前記隆起部の第２の側壁に沿って延在し、前記第２の側壁は、前記第２のスラブ領域に接する光電気デバイス。
請求項１から１３のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域は、リブ導波路変調領域を含み、
前記リブ導波路変調領域は、
前記クラッド層の上に配置されたシリコンベースと、
前記シリコンベースから延伸し、少なくとも一部が前記シリコンベースの材料と異なる選択された半導体材料から形成される隆起部と、
前記シリコンベースは、前記隆起部の第１の側部にある第１のスラブ領域及び前記隆起部の第２の側部にある第２のスラブ領域とを含み、
第１のドープ領域は、前記第１のスラブ領域及び前記隆起部の第１の側壁に沿って延在し、前記第１の側壁は、前記第１のスラブ領域と接し、
第２のドープ領域は、前記第２のスラブ領域及び前記隆起部の第２の側壁に沿って延在し、前記第２の側壁は、前記第２のスラブ領域に接する光電気デバイス。
請求項１から１３のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域が、導波路隆起部及び導波路スラブを含み、
前記隆起部の側壁、前記スラブの一部、前記スラブの全部、前記スラブに隣接する前記隆起部の一部、及び前記隆起部の両側壁の少なくとも一つは、結晶質又は非晶質シリコンから形成され、ドーパントを含む光電気デバイス。
請求項１９に記載の光電気デバイスであって、
前記導波路隆起部及び前記導波路スラブの他の部分は、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＳｎ、ＧｅＳｎ、ＩｎＧａＮＡｓ又はＩｎＧａＮＡｓＳｂから形成される光電気デバイス。
請求項１から２０のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域は、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＳｎ、ＧｅＳｎ、ＩｎＧａＮＡｓ又はＩｎＧａＮＡｓＳｂを含む第１の組成から形成され、
前記クラッド層は、同じ材料を含み、前記第１の組成と異なる第２の組成から形成される光電気デバイス。
請求項１から２１のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記デバイスは１．８Ｖから２Ｖの間の電圧で駆動可能である光電気デバイス。
基板と、絶縁層と、前記絶縁層上のシリコン層とを含むシリコン・オン・インシュレータウェハ上に形成された光電気デバイスであって、
前記基板の最上位に、前記絶縁層の材料と異なる材料で形成されたクラッド層と、
前記クラッド層上の光学活性領域とを備え、
前記クラッド層は、前記光電気デバイスの光学モードを前記光学活性領域内に制限するように、前記光学活性領域の屈折率より小さい屈折率を有し、
前記絶縁層は、前記光学活性領域の下には延在しない光電気デバイス。
請求項２３に記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域は、電界吸収型変調器、フォトダイオード、又はアバランシェフォトダイオードの一つである光電気デバイス。
請求項２３又は２４に記載の光電気デバイスであって、
前記クラッド層は、シリコン又はＳｉＧｅで形成される光電気デバイス。
請求項２５に記載の光電気デバイスであって、
前記クラッド層はシリコンであり、エピタキシャル成長シリコンである光電気デバイス。
請求項２３又は２４に記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域は、ＳｉＧｅＳｎ、ＧｅＳｎ、ＩｎＧａＮＡｓ、又はＩｎＧａＮＡｓＳｂから形成される電界吸収型変調器又はフォトダイオードである光電気デバイス。
請求項２７に記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域はＳｉ_xＧｅ_1-x-yＳｎ_yから形成され、
５％≦ｘ≦２０％であり、１％≦ｙ≦１０％である光電気デバイス。
請求項２３から２８のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域の長さは３０μｍから６０μｍである光電気デバイス。
請求項２３から２９のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記デバイスは１．８Ｖから２Ｖの電圧で駆動可能である光電気デバイス。
請求項２３から３０のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記クラッド層と前記光学活性領域との間にゲルマニウム又はＳｉＧｅシード層をさらに備える光電気デバイス。
請求項２３から３１のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域はシリコン・ゲルマニウム領域を含む光電気デバイス。
請求項２３から３２のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記絶縁層は、前記クラッド層の第１の水平面及び第２の水平面の少なくとも一つの上に配置され、
前記クラッド層は、前記基板からの絶縁層の高さと実質的に等しいか高い高さを有する光電気デバイス。
請求項２３から３３のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域は、絶縁体上シリコン層のキャビティ内に配置される光電気デバイス。
請求項２３から３４のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域の第１の側部に結合された入力導波路と、
前記光学活性領域の第２の側部に結合された出力導波路と、
前記入力導波路と前記光学活性領域との境界面及び前記出力導波路と前記光学活性領域との境界面は、前記入力導波路又は前記出力導波路の導波方向に対して０°より大きい角度である光電気デバイス。
請求項２３から３５のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域は、導波路隆起部を含み、
前記光学活性領域は、
上面及び下面と、
前記光学活性領域の下面の少なくとも一部及びそれに隣接する位置の少なくとも一方に配置され、前記導波路隆起部から横方向外側に第１の方向に延伸する下部ドープ領域と、
前記光学活性領域の前記導波路隆起部の上面の少なくとも一部及びそれに隣接する位置の少なくとも一方に配置され、前記導波路隆起部から横方向外側に第２の方向に延伸する上部ドープ領域と、
前記下部ドープ領域と前記上部ドープ領域との間に位置する真性領域とを有する光電気デバイス。
請求項２３から３５のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域はリブ導波路変調領域を含み、
前記リブ導波路変調領域は、
前記クラッド層から延伸する隆起部と、
前記隆起部の第１の側部にある第１のスラブ領域と、
前記隆起部の第２の側部にある第２のスラブ領域とを有し、
第１のドープ領域は、前記第１のスラブ領域及び前記隆起部の第１の側壁に沿って延在し、前記第１の側壁は前記第１のスラブ領域に接し、
第２のドープ領域は、前記第２のスラブ領域及び前記隆起部の第２の側壁に沿って延在し、前記第２の側壁は前記第２のスラブ領域に接する光電気デバイス。
請求項２３から３５のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域は、リブ導波路変調領域を含み、
前記リブ導波路変調領域は、前記クラッド層から延伸し、少なくとも一部は前記クラッド層の材料と異なる材料から形成される隆起部を有し、
前記クラッド層は、前記隆起部の第１の側部にある第１のスラブ領域と、前記隆起部の第２の側部にある第２のスラブ領域とを含み、
第１のドープ領域は、前記第１のスラブ領域及び前記隆起部の第１の側壁に沿って延在し、前記第１の側壁は前記第１のスラブ領域に接し、
第２のドープ領域は、前記第２のスラブ領域及び前記隆起部の第２の側壁に沿って延在し、前記第２の側壁は前記第２のスラブ領域に接する光電気デバイス。
請求項２３から３５のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域は、リブ導波路変調領域を含み、
前記リブ導波路変調領域は、
前記クラッド層から延伸し、少なくとも一部は前記クラッド層の材料と異なる選択された半導体材料から形成される隆起部と、
前記隆起部の第１の側部にある第１のスラブ領域と、
前記隆起部の第２の側部にある第２のスラブ領域とを有し、
前記第１のスラブ領域又は前記第２のスラブ領域のいずれかが前記クラッド層の材料であり、
第１のドープ領域は、前記第１のスラブ領域及び前記隆起部の第１の側壁に沿って延在し、前記第１の側壁は前記第１のスラブ領域に接し、
第２のドープ領域は、前記第２のスラブ領域及び前記隆起部の第２の側壁に沿って延在し、前記第２の側壁は前記第２のスラブ領域に接する光電気デバイス。
請求項２３から３５のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域は、リブ導波路変調領域を含み、
前記リブ導波路変調領域は、
前記クラッド層の上に配置されたシリコンベースと、
前記シリコンベースから延伸し、少なくとも一部は前記クラッド層の材料と異なる材料から形成される隆起部とを有し、
前記シリコンベースは、前記隆起部の第１の側部にある第１のスラブ領域と、前記隆起部の第２の側部にある第２のスラブ領域を含み、
第１のドープ領域は、前記第１のスラブ領域及び前記隆起部の第１の側壁に沿って延在し、前記第１の側壁は前記第１のスラブ領域に接し、
第２のドープ領域は、前記第２のスラブ領域及び前記隆起部の第２の側壁に沿って延在し、前記第２の側壁は前記第２のスラブ領域に接する光電気デバイス。
請求項２３から３５のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域は、導波路隆起部及び導波路スラブを含み、
前記隆起部の側壁、前記スラブの一部、前記スラブの全部、前記スラブに隣接する前記隆起部の一部、及び前記隆起部の両側壁の少なくとも一つは、結晶質又は非晶質シリコンから形成され、ドーパントを含む光電気デバイス。
請求項４１に記載の光電気デバイスであって、
前記導波路隆起部及び前記導波路スラブの他の部分は、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＳｎ、ＧｅＳｎ、ＩｎＧａＮＡｓ、ＩｎＧａＮＡｓＳｂ又はゲルマニウムから形成される光電気デバイス。
請求項２３から４２のいずれか一つに記載の光電気デバイスであって、
前記光学活性領域は、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＳｎ、ＧｅＳｎ、ＩｎＧａＮＡｓ又はＩｎＧａＮＡｓＳｂを含む第１の組成から形成され、
前記クラッド層は、同じ材料を含み、前記第１の組成と異なる第２の組成から形成される光電気デバイス。
基板、絶縁層及びシリコン・オン・インシュレータ層を含むシリコン・オン・インシュレータウェハから光電気デバイスを製造する方法であって、
その深さが前記基板の少なくとも上面まで延びるキャビティを前記ウェハにエッチングし、
前記基板の上面にクラッド層を成長させ、
前記クラッド層の屈折率より大きい屈折率を有する光学活性材料を前記クラッド層上に成長させ、
前記光学活性材料をエッチングして、前記クラッド層の上に光学活性領域を形成する方法。
請求項４４に記載の方法であって、
前記光学活性材料は、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＳｎ、ＧｅＳｎ、ＩｎＧａＮＡｓ、又はＩｎＧａＮＡｓＳｂを含む方法。
請求項４４又は４５に記載の方法であって、
前記ウェハ内にキャビティをエッチングするステップは、
前記絶縁層がエッチストップとして使用される第１のエッチングステップと、
前記基板がエッチストップとして使用される第２のエッチングステップとを含む方法。
請求項４４から４６のいずれか一つに記載の方法であって、
前記キャビティをエッチングした後かつ前記クラッド層を成長させる前に、前記キャビティの側壁を絶縁体で被覆するステップをさらに含む方法。
請求項４４から４７のいずれか一つに記載の方法であって、
前記光学活性材料を成長させた後に、前記成長した光学活性材料を平坦化するステップをさらに含む方法。
請求項４４から４８のいずれか一つに記載の方法であって、
前記光学活性材料を成長させた後かつ前記光学活性材料をエッチングする前に、前記成長させた光学活性材料の少なくとも一部の上にハードマスクを配置するステップをさらに含む方法。
請求項４４から４７のいずれか一つに記載の方法であって、
前記光学活性材料をエッチングした後、
電気吸収変調器を提供するために、前記光学活性領域を第１種及び第２種のドーパントでドープするステップをさらに含む方法。
光学活性領域及び基板を含む光電気デバイスであって、
前記光学活性領域と基板との間に位置しかつ基板に直接隣接する下部クラッド層は、エピタキシャル結晶層によって構成される光電気デバイス。
請求項５１に記載の光電気デバイスであって、
前記下部クラッド層はシリコン又はＳｉＧｅエピタキシャルクラッド層であり、
前記シリコン又は前記ＳｉＧｅエピタキシャルクラッド層の上面は光学活性領域の底面に接する光電気デバイス。