JP2022013377A - 多層膜、光デバイス、光集積回路素子、及び光トランシーバ - Google Patents

多層膜、光デバイス、光集積回路素子、及び光トランシーバ Download PDF

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Abstract

【課題】光集積回路に集積可能、かつ長期信頼性をもつ多層膜と、これを用いた光デバイスを提供する。【解決手段】多層膜は、シリコン単結晶層と、前記シリコン単結晶層の上に、Ｚｒを含む第一層、ＺｒＯ２を含む第二層、及び電気光学効果を有するペロブスカイト型酸化物を含む第三層をこの順で有し、使用波長に対して透明である。【選択図】図４

Description

本発明は、多層膜、光デバイス、光集積回路素子、及び光トランシーバに関する。
インターネットプロトコル（ＩＰ）データ通信量の急増により、光ネットワークの大容量化が求められている。加えて、空間的に光伝送機器の収容効率を増やすために、光送受信機にさらなる小型化と集積化が望まれている。シリコン（Ｓｉ）導波路は光閉じ込めが強く、曲げ半径を１０μｍ程度に低減できるため、Ｓｉフォトニクス集積回路チップが光送信器や光受信器に適用され始めている。
Ｓｉ導波路で光変調器を形成したＳｉ変調器は、キャリア濃度の変化によるＳｉの屈折率変化（キャリアプラズマ効果またはエレクトロリフラクティブ効果と呼ばれる）を利用して光を変調する。Ｓｉ変調器の屈折率変化は、現在主流となっているＬｉＮｂＯ３（ＬＮ：ニオブ酸リチウム）変調器の電気光学効果による屈折率変化と比べて小さいため、変調効率が不十分である。
Ｓｉフォトニクス回路に集積可能な光変調器の材料として、ＬｉＮｂＯ３よりも電気光学効果の高い有機材料（ポリマ材料）が期待されている。図１に示すように、近接する２本のストライプ２２０の間の間隙２２３に電気光学ポリマ２２２が充填されたスロット導波路２２１を用いた光変調器が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
米国特許第７６４３７１４号
D. Rezzonico, et al., "Photostabililty studies of pi-conjugated chromophores with resonant and nonresonant light excitation for long-life polymeric telecommunication devices," J. Opt. Soc. Am. B., vol. 24, no. 9, pp. 2199-2207, 2007
電気光学ポリマはＳｉフォトニクス集積回路に塗布可能であるが、長期信頼性に懸念があることから、未だ実用化は進んでいない。実際、酸素を含む大気中で、光通信波長である１５５０ｎｍ帯の強い光を透過させると、ポリマ材料が劣化し、変調特性、光学特性が劣化する光酸化現象が起きると報告されている（たとえば、非特許文献１参照）。
本発明は、１つの側面では、光集積回路に集積可能、かつ長期信頼性をもつ多層膜と、これを用いた光デバイスを提供することを目的とする。
一つの態様では、多層膜は、シリコン単結晶層と、前記シリコン単結晶層の上にＺｒを含む第一層、ＺｒＯ２を含む第二層、及び電気光学効果を有するペロブスカイト型酸化物を含む第三層をこの順で有し、使用波長に対して透明である。
光集積回路に集積可能、かつ長期信頼性をもつ多層膜と、これを用いた光デバイスが実現される。
電気光学ポリマを用いた従来のスロット導波路の模式図である。 実施形態の光デバイスが適用される光集積回路素子の模式図である。 図２の光集積回路素子を用いた光トランシーバの概略ブロック図である。 第１実施例の多層膜を有するスロット導波路の模式図である。 第１実施例のスロット導波路の作製工程図である。 第１実施例のスロット導波路の作製工程図である。 第１実施例の多層膜に含まれる結晶層の物性値を示す図である。 図４のスロット導波路を用いた光デバイスの光伝搬状態を示す図である。 第２実施例の多層膜を有するスロット導波路の模式図である。 第２実施例の多層膜に含まれる結晶層の物性値を示す図である。 図９のスロット導波路を用いた光デバイスの光伝搬状態を示す図である。 第３実施例の多層膜を有するスロット導波路の模式図である。 第３実施例の多層膜に含まれる結晶層の物性値を示す図である。 図１２のスロット導波路を用いた光デバイスの光伝搬状態を示す図である。 第４実施例の多層膜を有するスロット導波路の模式図である。 第４実施例の多層膜に含まれる結晶層の物性値を示す図である。 図１５のスロット導波路を用いた光デバイスの光伝搬状態を示す図である。 第５実施例の多層膜を有するスロット導波路の模式図である。 第５実施例の多層膜に含まれる結晶層の物性値を示す図である。 図１８のスロット導波路を用いた光デバイスの光伝搬状態を示す図である。 第６実施例の多層膜を有するスロット導波路の模式図である。 第６実施例の多層膜に含まれる結晶層の物性値を示す図である。 図２１のスロット導波路を用いた光デバイスの光伝搬状態を示す図である。 第７実施例の多層膜を有するスロット導波路の模式図である。 スロット電極の作製を説明する図である。 図２４のスロット導波路を用いた光デバイスの光伝搬状態を示す図である。 第８実施例の多層膜を有するスロット導波路の模式図である。 スロット電極の作製を説明する図である。 図２７のスロット導波路を用いた光デバイスの光伝搬状態を示す図である。 第９実施例の多層膜を有するスロット導波路の模式図である。 スロット電極の作製を説明する図である。 図３０のスロット導波路を用いた光デバイスの光伝搬状態を示す図である。 第１０実施例の多層膜を有するスロット導波路の模式図である。 図３３のスロット導波路に働く電気力線の模式図である。 図３３のスロット導波路を用いた光デバイスの光伝搬状態を示す図である。 図３３のスロット導波路の作製プロセス図である。 図３３のスロット導波路の作製プロセス図である。 図３３のスロット導波路の作製プロセス図である。 図３３のスロット導波路の作製プロセス図である。 図３３のスロット導波路の作製プロセス図である。 図３３のスロット導波路の別の作製プロセス図である。 図３３のスロット導波路の別の作製プロセス図である。 図３３のスロット導波路の別の作製プロセス図である。 図３３のスロット導波路の別の作製プロセス図である。 図３３のスロット導波路の別の作製プロセス図である。
実施形態では、ＬｉＮｂＯ３よりも大きい電気光学効果を有する無機材料、具体的にはペロブスカイト型酸化物を含む多層膜で光導波路を実現することで、光導波路と、光導波路を用いた光デバイスの長期信頼性を実現する。実施形態の多層膜を用いたスロット導波路は、光変調器、光スイッチ、光共振器等の光デバイスに適用され、Ｓｉフォトニクス回路に集積可能である。
図２は、実施形態の光デバイスが適用される光集積回路素子１１の模式図である。光集積回路素子１１は、光送受信のフロントエンド回路として用いられ、光送信回路１４と、光受信回路１５を有する。光送信回路１４は電気／光変換機能を有し、光受信回路１５は光／電気変換機能を有する。この例で、光デバイスは光送信回路１４で用いられる光変調器１０である。
光変調器１０の相互作用部は、スロット導波路２１で形成されている。相互作用部とは電気と光が相互に作用する部分であり、たとえば導波路に印加される電圧または電界によって、導波路を伝搬する光の速度または位相が変化する領域をさす。
光集積回路素子１１は、Ｓｉ基板上にＳｉフォトニクス技術を用いて形成されており、Ｓｉ基板に集積される各要素は、Ｓｉ導波路１１１で接続されている。光変調器１０の相互作用部に用いられるスロット導波路２１は、モードコンバータ１１２によってＳｉ導波路１１１と接続されている。モードコンバータ１１２は、スロット導波路２１を伝搬する光のモードと、Ｓｉ導波路内の伝搬モードの間でモード変換する。
図２では、図示の便宜上、スロット導波路２１とＳｉ導波路の間の１つの接続部にのみモードコンバータ１１２が示されているが、スロット導波路２１とＳｉ導波路１１１の間のすべての接続部にモードコンバータ１１２は設けられる。
光変調器１０は、たとえば、８本のスロット導波路２１で形成される４つの子マッハツェンダ（Mach-Zehnder：ＭＺ）干渉計ＭＺIX、ＭＺQX、ＭＺIY、ＭＺQYと、２つの親ＭＺ干渉計ＭＺIとＭＺIIを有する。光入力ポート７から入力される光は、Ｓｉ導波路１１１を通って光変調器１０に入射する。いずれか一方の親ＭＺ干渉計、たとえば、ＭＺIIで変調された光は、偏波ローテータ（ＰＲ）６１で偏波面が９０°回転される。他方の親ＭＺ干渉計、たとえばＭＺIで変調された光は、偏波ビームコンバイナ（ＰＢＣ）５によって、偏波回転された変調光と偏波合成され、出力ポート８から出力される。
光受信回路１５には、受光素子（ＰＤ）２、９０度ハイブリッド素子３、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４、偏波ローテータ（ＰＲ）６２が集積されている。光受信ポート９から入力された受信信号光は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４で２つの偏波に分離される。一方の偏波は、偏波ローテータ（ＰＲ）６２で偏波面が９０度回転され、分離された偏波は、２つの９０度ハイブリッド素子３の各々に入射する。
一方、光入力ポート７から入力された光の一部は分岐され、ローカル光として９０度ハイブリッド素子３のそれぞれに導かれる。９０度ハイブリッド素子３の各々で、ローカル光は参照光として用いられ、受信信号光が検波される。９０度ハイブリッド素子３は、受信信号光の位相状態を光強度に変換する機能を有しており、この光強度は、受光素子（ＰＤ）２で検出される。具体的には、各偏波で、９０度位相の異なるＩ成分とＱ成分のそれぞれの差動出力が検出される。
図３は、図２の光集積回路素子１１を用いた光トランシーバ１００の概略ブロック図である。光トランシーバは、光送受信フロントエンド回路としての光集積回路素子１１と、電気回路素子１０７と、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１２を有する。ＤＳＰ１２は送信信号のＩＱ変調処理、及び受信信号の復調処理を行う。ＤＳＰ１２から変調電気信号は、電気回路素子１０７のドライバ回路（ＤＲＶ）１３で増幅され、高速アナログ駆動信号として光送信回路１４の光変調器１０に入力される。
光受信回路１５から、ＰＤ２（図２参照）で検出された光電流が出力される。光電流は電気回路素子１０７のトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）１６で増幅され、ＤＳＰ１２に入力されて復調される。
以下で、光変調器１０等の光デバイスを形成するスロット導波路２１と、スロット導波路２１で用いられる多層膜の具体的な構成を説明する。
＜第１実施例＞
図４は、第１実施例の多層膜５０Ａを用いたスロット導波路２１Ａの断面図である。スロット導波路２１Ａは、たとえば図２の８本のスロット導波路２１の中の一本である。Ｓｉの基板１７上にＳｉＯ２層１８で形成され、ＳｉＯ２層１８の上に、一対の導体２０が形成されている。この明細書と特許請求の範囲で、「上に」というときは、絶対的な方向を意味するのではなく、基板の積層方向でみたときに上層側に位置することを意図する。一対の導体２０は、光導波路に電界を印加する電極として機能するため、以下では、「電極２０」と呼ぶ。この例で、電極２０はホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）等の元素が添加されて抵抗が低減された単結晶シリコンである。
２つの電極２０の間に、狭いギャップまたはスロット２３が形成される。スロット２３の底面に、絶縁性を有する高抵抗のＳｉ単結晶層２４が設けられている。Ｓｉ単結晶層２４は、不純物元素をドープせずに成長されたアンドープの層である。たとえば、ＳＯＩ（silicon-on-insulator）基板の最上層のＳｉ層をエッチング加工した後に、一部の領域をマスクして不純物を注入することで、電極２０とＳｉ単結晶層２４が形成される。
一対の電極２０の間にあるＳｉ単結晶層２４が絶縁性を有することで、２つの電極２０が電気的にショートせず、所定の電圧を印加することができる。Ｓｉ単結晶層２４の厚さは、電圧の印可効率を高めるため、すなわち印加電圧をなるべく低くするために、電極２０の高さの１／３以下、より好ましくは、１／５以下に薄く形成する。
２つの電極２０の互いに対向する内側の側壁は、２～５ｎｍ程度の絶縁層２５で覆われている。絶縁層２５は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮなどである。絶縁層２５は、２つの電極２０の間の電気的なショートを、より確実に防止する。
２つの電極２０の間のスロット２３は、実施形態の多層膜５０Ａで埋められている。多層膜５０Ａは、絶縁性のＳｉ単結晶層２４と、Ｓｉ単結晶層２４の上にエピタキシャル成長された第一層２７、第二層２７、及び第三層２８を含む。
第一層２７は、Ｚｒを含む層であり、厚さが５～８ｎｍ程度の薄い層である。第二層２８は、第一層２７の上にエピタキシャル成長されたＺｒＯ２を含む層である。第三層２８は、第二層２７の上にエピタキシャル成長された、ペロブスカイト型酸化物を含む層である。第１実施例では、第三層２８は、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（以下、「ＰＺＴ」と略す）である。
スロット導波路２１Ａは、２つの電極２０の間のスロット２３を埋める多層膜５０Ａで形成される。スロット導波路２１Ａを形成する多層膜５０Ａ以外の領域は、絶縁層１９で覆われていてもよい。
図５と図６は、多層膜５０Ａの形成に先立つスロット電極２００の作製を説明する図である。図５で、２つの電極２０と、スロット２３の底部に形成された絶縁性のＳｉ単結晶層２４が形成された状態で、全面を覆う絶縁層１９が形成される。絶縁層１９は、たとえば、化学的気相成長（ＣＶＤ）法などにより形成された数μｍの厚いＳｉＯ２膜である。絶縁層１９を化学機械研磨（ＣＭＰ）で平坦化する。
図６で、絶縁層１９の一部をエッチング加工して電極２０とＳｉ単結晶層２４を露出する際に、２つの電極２０の互いに対向する側壁に、２～５ｎｍの薄い絶縁層２５が残る。上述のように、絶縁層２５は電極２０間の電気的なショートの防止に役立つ。図６のエッチング処理で、スロット２３を挟んで対向する側壁が薄い絶縁層２５に覆われたスロット電極２００が形成される。
その後、Ｓｉ単結晶層２４、及び電極２０の上に、第一層２６、第二層２７、及び第三層２８をこの順でエピタキシャル成長することで、Ｓｉ単結晶層２４を含む多層膜５０Ａが形成される。エピタキシャル成長は、真空蒸着、スパッタリングなどの物理的気相成長（ＰＶＤ）法や、ゾルゲルなどの塗布法を用いることができる。第１実施例では、Ｚｒを含む第一層２６とＺｒＯ２を含む第二層２７を真空蒸着で形成し、ＰＺＴを含む第三層２８をスパッタリングで形成する。
真空蒸着やスパッタリング等のＰＶＤの場合、エピタキシャル成長を促進する目的で基板１７を５００～７５０℃の温度に加熱してもよい。図４のように多層膜５０Ａを不要な部分に成長させないために、不要な部分をマスキングしてもよい。
図７は、多層膜５０Ａに含まれるＳｉ単結晶層２４、ＺｒＯ２を含む第二層２７、及びＰＺＴを含む第三層２８の結晶構造と物性値を示す。ＺｒＯ２結晶は立方晶で、格子定数は０．５１４ｎｍであり、同じく立方晶のＳｉの格子定数０．５４３ｎｍに近い。したがって、Ｓｉ単結晶層２４の上に、Ｚｒを含む薄い第一層２６と、ＺｒＯ２を含む第二層２７をエピタキシャル成長することができる。
高抵抗のＳｉ単結晶層２４の上に、Ｚｒを含む第一層２６とＺｒＯ２を含む第二層２７を良好にエピタキシャル成長するには、Ｓｉ単結晶層２４の表面にＳｉ酸化膜がない方が望ましいが、極薄い自然酸化膜が存在しても、エピタキシャル成長する。
一方、ＰＺＴ結晶は正方晶で、格子定数は０．４０１ｎｍであるが、ＰＺＴ結晶が面内で４５度回転すると、対角線の長さは０.５６７ｎｍとなり、ＺｒＯ２結晶の格子定数０．５１４ｎｍと近くなる。ＰＺＴは、下地と自己整合するように成長過程で自然に、面内で４５度回転して成長する。したがって、ＺｒＯ２を含む第二層２７の上に、ＰＺＴを含む第三層２８をエピタキシャル成長することができる。
図８は、光デバイス１０Ａでスロット導波路２１Ａを伝搬する光２９の状態を示す。光２９の大部分は、水平方向で２つの電極２０の間のＰＺＴの中央付近に閉じ込められる。電極２０を形成するＳｉは、ＰＺＴよりも屈折率が高いが、高屈折率媒質の間に挟まれたサブ波長幅のＰＺＴに光が強く閉じ込められる。この例で、２つの電極２０の間のギャップは０．１～０．２μｍであり、光通信波長である１２６０～１６７５ｎｍの光を十分に閉じ込めることができる。
多層膜５０Ａに含まれる第二層２７のＺｒＯ２と第三層２８のＰＺＴは、Ｐｔなどの金属材料やＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３-ＳｎＯ２）、ＳＲＯ（ＳｒＲｕＯ３）等の導電材料と異なり、１２６０～１６７５ｎｍの光に対して透明な誘電体であり、光吸収による伝搬損失がほとんど生じない。なお、Ｚｒを含む第一層２６は、成膜中または成膜後に一部または全部が酸化し、あるいは、ＺｒＯ２を含む第二層２７からの酸素の供給を受けて、一部または全部が酸化するので、第一層２６での光吸収による伝搬損失は無視できる程度である。
図７に示したように、ＰＺＴの屈折率が２．４４であるのに対し、ＺｒＯ２の屈折率は１．５４と低いため、積層方向でも光２９の多くはＰＺＴを含む第三層２８に閉じ込められる。この積層構成も、光吸収による伝搬損失の低減に寄与している。Ｚｒを含む第一層２６の一部または全部が酸化され、かつ、電極２０の互いに対向する側壁に絶縁層２５が形成されているので、第一層２６による電気的なショートは防止される。電極２０の側壁に絶縁層２５がない場合であっても、第一層２６の一部または全部が酸化されているため電極２０間の電気的なショートは防止される。
スロット導波路２１Ａを形成するＰＺＴ結晶は電気光学効果を有し、２つの電極２０の間に電圧を加えると、ＰＺＴの屈折率が変化して、光学的な光路長が変化する。図２の４つの子ＭＺ型干渉計の各々で、２つのアーム（スロット導波路２１）の間に適切な電圧差を与えることで、ＭＺ干渉計の干渉条件が変化し、光位相などを変調することができる。
なお、ＰＬＴの第三層２８の結晶が使用時の電圧印加方向で最大の電気光学効果を発揮するように、高温下で、電圧印加方向に通常の使用時よりも高い電圧を与えて結晶の分極を整えても良い（分極処理、またはポーリング処理と呼ばれる）。
第１実施例で用いるＰＺＴは、光変調器の材料として現在主流のＬｉＮｂＯ３の４倍程度の電気光学効果を有するため、ＬＮ光変調器と比較して、電極２０の長さを１／４程度に短縮できる。これにより、光デバイス１０Ａの小型化が実現される。
第１実施例の多層膜５０Ａと、これを用いた光デバイス１０Ａは、Ｓｉフォトニクス回路に容易に集積でき、かつ長期信頼性の要求を満たす。
＜第２実施例＞
図９は、第２実施例の多層膜５０Ｂを用いたスロット導波路２１Ｂの断面図である。第２実施例では、多層膜５０Ｂに含まれる第三層３０のペロブスカイト型酸化物として、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（以下、「ＰＬＺＴ」と略す）を用いる。それ以外のデバイス構成は第１実施例と同じであり、同じ構成要素に同じ符号をつけて重複する説明を省略する。
多層膜５０Ｂは、基板１７の上のＳｉ単結晶層２４と、このＳｉ単結晶層２４の上にエピタキシャル成長された、Ｚｒを含む第一層２６、ＺｒＯ２を含む第二層２７、及びＰＬＺＴを含む第三層３０をこの順で有する。
ＰＬＺＴを含む第三層３０は、真空蒸着、スパッタリングなどのＰＶＤ、ゾルゲルなどの塗布法などで形成される。第２実施例では、ＺｒＯ２を含む第二層２７の上に、スパッタリングでＰＬＺＴを含む第三層３０を形成する。ＰＬＺＴのＬａの含有割合は、電気光学効果を十分に発揮させる観点から、２～１０atm.%、より好ましくは８．５～９．５atm.%、さらに好ましくは９atm.%である。
図１０は、多層膜５０Ｂに含まれるＳｉ単結晶層２４、ＺｒＯ２を含む第二層２７、及びＰＬＺＴを含む第三層３０の結晶構造と物性値を示す。ＺｒＯ２結晶は立方晶で、格子定数は０．５１４ｎｍであり、同じく立方晶のＳｉの格子定数０．５４３ｎｍに近い。したがって、Ｓｉ単結晶層２４の上に、Ｚｒを含む薄い第一層２６と、ＺｒＯ２を含む第二層２７をエピタキシャル成長することができる。
ＰＬＺＴ結晶は正方晶で、格子定数は０．４０８ｎｍであるが、ＰＬＺＴ結晶が面内で４５度回転すると、対角線の長さは０.５７７ｎｍとなり、ＺｒＯ２結晶の格子定数０．５１４ｎｍと近くなる。ＺｒＯ２を含む第二層２７の上に、ＰＬＺＴを含む第三層２８をエピタキシャル成長することができる。
図１１は、光デバイス１０Ｂでスロット導波路２１Ｂを伝搬する光３１の状態を示す。光３１の大部分は、水平方向で２つの電極２０の間のＰＬＺＴの中央付近に閉じ込められて伝搬する。電極２０を形成するＳｉは、ＰＬＺＴよりも屈折率が高いが、高屈折率媒質の間に挟まれたサブ波長幅のＰＬＺＴに光が強く閉じ込められる。この例で、２つの電極２０の間のギャップは０．１～０．２μｍであり、光通信波長である１２６０～１６７５ｎｍの光を十分に閉じ込めることができる。
多層膜５０Ａに含まれる第二層２７のＺｒＯ２と第三層３０のＰＬＺＴは、Ｐｔなどの金属材料やＩＴＯ、ＳＲＯ等の導電材料と異なり、１２６０～１６７５ｎｍの光に対して透明な誘電体であり、光吸収による伝搬損失がほとんど生じない。なお、Ｚｒを含む第一層２６は、成膜中または成膜後に一部または全部が酸化し、あるいは、ＺｒＯ２を含む第二層２７からの酸素の供給を受けて、一部または全部が酸化するので、第一層２６での光吸収による伝搬損失は無視できる程度である。
図１０で示したように、ＰＬＺＴの屈折率が２．４０であるのに対し、ＺｒＯ２の屈折率は１．５４と低いため、積層方向でも光３１の多くがＰＬＺＴの第三層３０に閉じ込められる。この積層構成も、光吸収による伝搬損失の低減に寄与している。Ｚｒを含む第一層２６の一部または全部が酸化され、かつ、電極２０の互いに対向する側壁に絶縁層２５が形成されているので、第一層２６による電気的なショートは防止される。電極２０の側壁に絶縁層２５がない場合であっても、第一層２６の一部または全部が酸化されているため、電極２０間の電気的なショートは防止される。
スロット導波路２１Ｂを形成するＰＬＺＴ結晶は電気光学効果を有し、２つの電極２０の間に電圧を加えると、ＰＬＺＴの屈折率が変化して、光学的な光路長が変化する。図２の４つの子ＭＺ型干渉計の各々で、２つのアーム（スロット導波路２１）の間に適切な電圧差を与えることで、ＭＺ干渉計の干渉条件が変化し、光位相などを変調することができる。
なお、ＰＬＺＴの第三層３０の結晶が使用時の電圧印加方向で最大の電気光学効果を発揮するように、高温下で、電圧印加方向に通常の使用時よりも高い電圧を与えて結晶の分極を整えても良い。
第２実施例で用いるＰＬＺＴは、光変調器の材料として現在主流のＬｉＮｂＯ３の２０倍程度の電気光学効果を有するため、ＬＮ光変調器と比較して電極２０の長さを１／２０程度に短縮できる。これにより、光デバイス１０Ｂの小型化が実現される。
第２実施例の多層膜５０Ｂと、これを用いた光デバイス１０Ｂは、Ｓｉフォトニクス回路に容易に集積でき、かつ長期信頼性の要求を満たす。
＜第３実施例＞
図１２は、第３実施例の多層膜５０Ｃを用いたスロット導波路２１Ｃの断面図である。第３実施例の多層膜５０Ｃは、基板１７の上の高抵抗のＳｉ単結晶層２４と、このＳｉ単結晶層２４の上にエピタキシャル成長された、Ｚｒを含む第一層２６、ＺｒＯ２を含む第二層２７、ＳｒＴｉＯ３（ＳＴＯ）層３２、及びＰＺＴを含む第三層２８をこの順で有する。第１実施例と比べて、ＺｒＯ２を含む第二層２７と、ＰＺＴを含む第三層２８の間に、ＳＴＯを含む層３２が挿入されている。多層膜５１Ｃ以外の構成は、第１実施例と同じであり、同じ構成要素に同じ符号をつけて重複する説明を省略する。
多層膜５０Ｃは、真空蒸着、スパッタリングなどのＰＶＤ、ゾルゲルなどの塗布法などで形成される。第３実施例では、Ｚｒを含む第一層２６とＺｒＯ２を含む第二層２７を真空蒸着で形成し、ＳＴＯを含む層３２とＰＺＴを含む第三層２８をスパッタリングで形成する。
図１３は、多層膜５０Ｃに含まれるＳｉ単結晶層２４、ＺｒＯ２を含む第二層２７、ＳＴＯを含む層３２、及びＰＺＴを含む第三層２８の結晶構造と物性値を示す。Ｓｉ単結晶層２４の上に、Ｚｒを含む薄い第一層２６と、ＺｒＯ２を含む第二層２７をエピタキシャル成長できることは、上述したとおりである。
ＳＴＯ結晶は、ＺｒＯ２結晶と同じ立方晶で、格子定数は０．３９１ｎｍであるが、ＳＴＯ結晶が面内で４５度回転すると、対角線の長さは０.５５３ｎｍとなり、ＺｒＯ２結晶の格子定数０．５１４ｎｍと近くなる。したがって、ＺｒＯ２を含む第二層２７の上にＳＴＯを含む層３２をエピタキシャル成長することができる。ＰＺＴ結晶は正方晶で、格子定数は０．４０１ｎｍとＳＴＯの格子定数に近い。ＳＴＯを含む層３２の上に、ＰＺＴを含む第三層２８をエピタキシャル成長することができる。
図１４は、光デバイス１０Ｃでスロット導波路２１Ｃを伝搬する光３３の状態を示す。光３３の大部分は、水平方向で２つの電極２０の間に挟まれるＰＺＴの第三層２８の中央付近に閉じ込められて伝搬する。
多層膜５０Ｃに含まれる第二層２７のＺｒＯ２、ＳＴＯを含む層３２、及び第三層２８のＰＺＴは、Ｐｔなどの金属材料やＩＴＯ、ＳＲＯ等の導電材料と異なり、いずれも光通信波長の１２６０～１６７５ｎｍ帯で透明な誘電体である。これらの層で、光吸収による伝搬損失はほとんど生じない。
図１３で示したように、ＳＴＯとＰＺＴの屈折率はそれぞれ２．２８と２．４４であるのに対し、ＺｒＯ２の屈折率は１．５４と低い。積層方向で光３３の多くがＰＺＴを含む第三層２８とＳＴＯを含む層３２に閉じ込められることも、光吸収による伝搬損失の低減に寄与している。
ＰＺＴの電気光学効果により、スロット導波路２１Ｃの長さを一般的なＬＮ光変調器の導波路長の１／４程度に低減できるのは上述したとおりである。第３実施例の多層膜５０Ｃと、これを用いた光デバイス１０Ｃは、Ｓｉフォトニクス回路に容易に集積することができ、かつ長期信頼性の要求を満たす。
＜第４実施例＞
図１５は、第４実施例の多層膜５０Ｄを用いたスロット導波路２１Ｄの断面図である。第４実施例の多層膜５０Ｄは、基板１７の上の高抵抗のＳｉ単結晶層２４と、このＳｉ単結晶層２４の上にエピタキシャル成長された、Ｚｒを含む第一層２６、ＺｒＯ２を含む第二層２７、ＳｒＴｉＯ３（ＳＴＯ）層３２、及び、ＰＬＺＴを含む第三層３０をこの順で有する。第三層３０として、第３実施例の多層膜５０Ｃで用いられるＰＺＴに替えて、ＰＬＺＴを用いる。
多層膜５１Ｄ以外の構成は、第１実施例と同じであり、同じ構成要素に同じ符号をつけて重複する説明を省略する。多層膜５０Ｄの成膜方法も、上述した第１～第３実施例で述べたとおりである。
図１６は、多層膜５０Ｄに含まれるＳｉ単結晶層２４、ＺｒＯ２を含む第二層２７、ＳＴＯを含む層３２、及びＰＬＺＴを含む第三層３０の結晶構造と物性値を示す。Ｓｉ単結晶層２４の上に、Ｚｒを含む薄い第一層２６と、ＺｒＯ２を含む第二層２７をエピタキシャル成長できることは、上述したとおりである。
ＳＴＯ結晶は、ＺｒＯ２結晶と同じ立方晶で、格子定数は０．３９１ｎｍであるが、ＳＴＯ結晶が面内で４５度回転すると、対角線の長さは０.５５３ｎｍとなり、ＺｒＯ２結晶の格子定数０．５１４ｎｍと近くなる。したがって、ＺｒＯ２を含む第二層２７の上にＳＴＯを含む層３２をエピタキシャル成長することができる。ＰＬＺＴ結晶は正方晶で、格子定数は０．４０８ｎｍとＳＴＯの格子定数に近い。ＳＴＯを含む層３２の上に、ＰＬＺＴを含む第三層３０をエピタキシャル成長することができる。
図１７は、光デバイス１０Ｄでスロット導波路２１Ｄを伝搬する光３４の状態を示す。光３４の大部分は、水平方向で２つの電極２０の間に挟まれるＰＬＺＴの第三層２８の中央付近に閉じ込められて伝搬する。
多層膜５０Ｄに含まれる第二層２７のＺｒＯ２、ＳＴＯを含む層３２、及び第三層２８のＰＬＺＴは、Ｐｔなどの金属材料やＩＴＯ、ＳＲＯ等の導電材料と異なり、いずれも光通信波長の１２６０～１６７５ｎｍ帯で透明な誘電体である。これらの層で、光吸収による伝搬損失はほとんど生じない。
図１６で示したように、ＳＴＯとＰＬＺＴの屈折率はそれぞれ２．２８と２．４０であるのに対し、ＺｒＯ２の屈折率は１．５４と低い。積層方向で光３４の多くがＰＬＺＴを含む第三層３０とＳＴＯを含む層３２に閉じ込められることも、光吸収による伝搬損失の低減に寄与している。
ＰＬＺＴの電気光学効果により、スロット導波路２１Ｄの長さを一般的なＬＮ光変調器の導波路長の１／２０程度に低減できるのは第２実施例で説明したとおりである。第４実施例の多層膜５０Ｄと、これを用いた光デバイス１０Ｄは、Ｓｉフォトニクス回路に容易に集積することができ、かつ長期信頼性の要求を満たす。
＜第５実施例＞
図１８は、第５実施例の多層膜５０Ｅを用いたスロット導波路２１Ｅの断面図である。第５実施例の多層膜５０Ｅは、基板１７の上の高抵抗のＳｉ単結晶層２４と、このＳｉ単結晶層２４の上にエピタキシャル成長された、Ｚｒを含む第一層２６、ＺｒＯ２を含む第二層２７、ＭｇＯを含む層３５、及びＰＺＴを含む第三層２８をこの順で有する。
第３実施例と比較して、ＳＴＯを含む層３２に替えて、ＭｇＯを含む層３５が、ＺｒＯ２を含む第二層２７とＰＺＴを含む第三層２８の間に挿入されている。多層膜５１Ｅ以外の構成は第３実施例と同じであり、同じ構成要素に同じ符号をつけて重複する説明を省略する。ＭｇＯを含む層３５は、ＳＴＯを含む層３２と同様に、スパッタリング等で形成される。
図１９は、多層膜５０Ｅに含まれるＳｉ単結晶層２４、ＺｒＯ２を含む第二層２７、ＭｇＯを含む層３５、及びＰＺＴを含む第三層２８の結晶構造と物性値を示す。ＭｇＯ結晶は、ＺｒＯ２結晶と同じ立方晶で、格子定数は０．４２１ｎｍであるが、ＭｇＯ結晶が面内で４５度回転すると、対角線の長さは０.５９５ｎｍとなり、ＺｒＯ２結晶の格子定数０．５１４ｎｍと近くなる。したがって、ＺｒＯ２を含む第二層２７の上にＭｇＯを含む層３５をエピタキシャル成長することができる。ＰＺＴ結晶は正方晶で、格子定数は０．４０１ｎｍとＭｇＯの格子定数に近い。ＭｇＯを含む層３５の上に、ＰＺＴを含む第三層２８をエピタキシャル成長することができる。
図２０は、光デバイス１０Ｅでスロット導波路２１Ｅを伝搬する光３６の状態を示す。光３６の大部分は、水平方向で２つの電極２０の間に挟まれるＰＺＴの第三層２８の中央付近に閉じ込められて伝搬する。
多層膜５０Ｅに含まれる第二層２７のＺｒＯ２、ＭｇＯを含む層３５、及び第三層２８のＰＺＴは、Ｐｔなどの金属材料やＩＴＯ、ＳＲＯ等の導電材料と異なり、いずれも光通信波長の１２６０～１６７５ｎｍ帯で透明な誘電体である。これらの層で光吸収による伝搬損失はほとんど生じない。
図１９で示したように、ＰＺＴの屈折率は２．４４であるのに対し、ＭｇＯとＺｒＯ２の屈折率は、それぞれ１．７１、及び１．５４と低い。積層方向で光３６の多くがＰＺＴを含む第三層２８に閉じ込められることも光吸収による伝搬損失の低減に寄与している。
ＰＺＴの電気光学効果により、スロット導波路２１Ｅの長さを一般的なＬＮ光変調器の導波路長の１／４程度に低減できるのは上述したとおりである。第５実施例の多層膜５０Ｅと、これを用いた光デバイス１０Ｅは、Ｓｉフォトニクス回路に容易に集積することができ、かつ長期信頼性の要求を満たす。
＜第６実施例＞
図２１は、第６実施例の多層膜５０Ｆを用いたスロット導波路２１Ｆの断面図である。第６実施例の多層膜５０Ｆは、基板１７の上の高抵抗のＳｉ単結晶層２４と、このＳｉ単結晶層２４の上にエピタキシャル成長された、Ｚｒを含む第一層２６、ＺｒＯ２を含む第二層２７、ＭｇＯを含む層３５、及びＰＬＺＴを含む第三層３０をこの順で有する。
第４実施例と比較して、ＳＴＯを含む層３２に替えて、ＭｇＯを含む層３５が、ＺｒＯ２を含む第二層２７とＰＬＺＴを含む第三層３０の間に挿入されている。多層膜５１Ｅ以外の構成は第３実施例と同じであり、同じ構成要素に同じ符号をつけて重複する説明を省略する。ＭｇＯを含む層３５は、ＳＴＯを含む層３２と同様に、スパッタリング等で形成される。
図２２は、多層膜５０Ｆに含まれるＳｉ単結晶層２４、ＺｒＯ２を含む第二層２７、ＭｇＯを含む層３５、及びＰＬＺＴを含む第三層３０の結晶構造と物性値を示す。ＭｇＯ結晶は、ＺｒＯ２結晶と同じ立方晶で、格子定数は０．４２１ｎｍであるが、ＭｇＯ結晶が面内で４５度回転すると、対角線の長さは０.５９５ｎｍとなり、ＺｒＯ２結晶の格子定数０．５１４ｎｍと近くなる。したがって、ＺｒＯ２を含む第二層２７の上にＭｇＯを含む層３５をエピタキシャル成長することができる。ＰＬＺＴ結晶は正方晶で、格子定数は０．４０８ｎｍとＭｇＯの格子定数に近い。ＭｇＯを含む層３５の上に、ＰＬＺＴを含む第三層３０をエピタキシャル成長することができる。
図２３は、光デバイス１０Ｆでスロット導波路２１Ｆを伝搬する光３７の状態を示す。光３７の大部分は、水平方向で２つの電極２０の間に挟まれるＰＬＺＴの第三層２８の中央付近に閉じ込められて伝搬する。
多層膜５０Ｆに含まれる第二層２７のＺｒＯ２、ＭｇＯを含む層３５、及び第三層３０のＰＬＺＴは、Ｐｔなどの金属材料やＩＴＯ、ＳＲＯ等の導電材料と異なり、いずれも光通信波長の１２６０～１６７５ｎｍ帯で透明な誘電体である。これらの層で光吸収による伝搬損失はほとんど生じない。
図２２で示したように、ＰＬＺＴの屈折率は２．４０であるのに対し、ＭｇＯとＺｒＯ２の屈折率は、それぞれ１．７１、及び１．５４と低い。積層方向で光３７の多くがＰＬＺＴを含む第三層３０に閉じ込められることも光吸収による伝搬損失の低減に寄与している。
ＰＬＺＴの電気光学効果により、スロット導波路２１Ｆの長さを一般的なＬＮ光変調器の導波路長の１／２０程度に低減できるのは上述したとおりである。第６実施例の多層膜５０Ｅと、これを用いた光デバイス１０Ｅは、Ｓｉフォトニクス回路に容易に集積することができ、かつ長期信頼性の要求を満たす。
＜第７実施例＞
図２４は、第７実施例の多層膜５０Ｇを用いたスロット導波路２１Ｇの断面図である。第７実施例では、Ｓｉの基板１７の上にＳｉＯ２層１８が形成され、ＳｉＯ２層１８の上に、第１導電型（たとえばＰ型）のＳｉ単結晶で形成される一方の電極３８と、第２導電型（たとえばＮ型）のＳｉ単結晶で形成される他方の電極３９が近接して配置される。電極３８と電極３９の間のスロット２３の底面は、Ｎ型のＳｉ単結晶層４０となっている。
Ｐ型の電極３８は、たとえばＢをイオン注入することで作製され、Ｎ型の電極３９は、たとえばＰをイオン注入することで作製される。
多層膜５０Ｇは、基板１７の上の低抵抗のＳｉ単結晶層４０と、このＳｉ単結晶層４０
の上にエピタキシャル成長された、Ｚｒを含む第一層２６、ＺｒＯ２を含む第二層２７、ＳＴＯを含む層３２、及びＰＺＴを含む第三層２８をこの順で有する。
立方晶のＺｒＯ２の格子定数０．５１４ｎｍは、同じく立方晶であるＳｉの格子定数０．５４３ｎｍと近く（図１３参照）、Ｎ型のＳｉ単結晶層４０の上にＺｒＯ２を含む第二層２７をエピタキシャル成長することができる。ＺｒＯ２を含む第二層２７の上に、ＳＴＯを含む層３２をエピタキシャル成長し、ＳＴＯを含む層３２の上にＰＺＴを含む第三層２８をエピタキシャル成長できることは、上述したとおりである。
図２５は、第７実施例のスロット電極２０１の作製を説明する図である。ＳｉＯ２層１８の上に、Ｐ型の電極３８とＮ型の電極３９と、電極間のスロット２３の底面に位置するＮ型のＳｉ単結晶層４０を形成する。次に、全面を絶縁層１９で覆い、絶縁層１９を平坦化する。その後、多層膜５０Ｇの形成に必要な領域をエッチング加工して、電極３８、電極３９、及びＮ型のＳｉ単結晶層４０を露出する際に、電極３８と電極３９の互いに対向する側壁に絶縁層４１が形成される。このエッチング加工で、スロット２３を挟んで対向する側壁が厚さ２～５ｎｍ程度の薄い絶縁層４１に覆われたスロット電極２０１が形成される。
第７実施例では、Ｐ型のＳｉ単結晶で形成される電極３８を負電位とし、Ｎ型のＳｉ単結晶で形成される他方の電極３９、及びＮ型のＳｉ単結晶層４０を、正電位とする（逆バイアス）。ＰＮ接合ダイオードの性質として、正電位のＮ型のＳｉ単結晶の電極３９及びＮ型のＳｉ単結晶層４０から、負電位のＰ型のＳｉ単結晶の電極３８には、電流が流れない。電極３８と電極３９は電気的にショートせず、光デバイスの動作に必要な所定の電圧を印加することができる。
電極３８と電極３９の間にあるＮ型のＳｉ単結晶層４０の厚さは、印加電圧の効率を向上、すなわち印加される電圧を下げるために、電極３８及び３９の高さの１／３以下、より好ましくは１／５以下に薄くすることが望ましい。
スロット電極２０１の形成後に、Ｎ型のＳｉ単結晶層４０、及び電極３８、３９の上にＺｒを含む第一層２６、ＺｒＯ２を含む第二層２７、ＳＴＯを含む層３２、及びＰＺＴを含む第三層２８をこの順でエピタキシャル成長する。これにより、Ｓｉ単結晶層４０を含む多層膜５０Ｇが形成される。
図２６は、光デバイス１０Ｇでスロット導波路２１Ｇを伝搬する光３７の状態を示す。光３７の大部分は、水平方向で電極３８と電極３９の間に挟まれるＰＺＴの第三層２８の中央付近に閉じ込められて伝搬する。図１３に示したように、ＳＴＯとＰＺＴの屈折率はそれぞれ２．２８と２．４４であるのに対し、ＺｒＯ２の屈折率は１．５４と低い。積層方向でも、光３７の多くがＰＺＴを含む第三層２８とＳＴＯを含む層３２に閉じ込められる。この積層構成も、光吸収による伝搬損失の低減に寄与している。
ＰＺＴの電気光学効果により、スロット導波路２１Ｇの長さを一般的なＬＮ光変調器の導波路長の１／４程度に低減できるのは上述したとおりである。第７実施例の多層膜５０Ｇと、これを用いた光デバイス１０Ｇは、Ｓｉフォトニクス回路に容易に集積することができ、かつ長期信頼性の要求を満たす。
第７実施例では、Ｎ型のＳｉ単結晶層４０の上方とその周囲に形成する多層膜を、第３実施例のエピタキシャル成長層の積層と同じ構成にしたが、第１実施例、第２実施例、第４実施例、第５実施例、または第６実施例のエピタキシャル成長層の積層構成を用いてもよい。第三層にＰＬＺＴを用いる場合は、導波路長を一般的なＬＮ光変調器の１／２０に低減できる。
＜第８実施例＞
図２７は、第８実施例の多層膜５０Ｈを用いたスロット導波路２１Ｈの断面図である。第８実施例では、Ｓｉの基板１７の上にＳｉＯ２層１８が形成され、ＳｉＯ２層１８の上に、第１導電型（たとえばＰ型）のＳｉ単結晶で形成される一方の電極３８と、第２導電型（たとえばＮ型）のＳｉ単結晶で形成される他方の電極３９が近接して配置される。電極３８と電極３９の間のスロット２３の底面は、ＰＮ接合型のＳｉ単結晶層４３となっている。
多層膜５０Ｈは、基板１７の上のＰＮ接合型のＳｉ単結晶層４３と、このＳｉ単結晶層４３の上にエピタキシャル成長された、Ｚｒを含む第一層２６、ＺｒＯ２を含む第二層２７、ＳＴＯを含む層３２、及びＰＺＴを含む第三層２８をこの順で有する。ここでは、第３実施例のエピタキシャル成長の積層構造を採用しているが、第１実施例、第２実施例、第４実施例、第５実施例、または第６実施例のエピタキシャル成長層の積層構成を用いてもよい。
図２８は、第８実施例のスロット電極２０２の作製を説明する図である。ＳｉＯ２層１８の上に、Ｐ型の電極３８、Ｎ型の電極３９、及び、電極間のスロット２３の底面に位置するＰＮ接合型のＳｉ単結晶層４３を形成する。次に、全面を絶縁層１９で覆い、絶縁層１９を平坦化する。その後、多層膜５０Ｈの形成に必要な領域をエッチング加工して、電極３８、電極３９、及びＰＮ接合型のＳｉ単結晶層４３を露出する際に、電極３８と電極３９の互いに対向する側壁に、厚さ２～５ｎｍの絶縁層４１が形成される。このエッチング加工で、スロット２３を挟んで対向する側壁が薄い絶縁層４１に覆われたスロット電極２０１が形成される。
第８実施例では、Ｐ型のＳｉ単結晶で形成される電極３８と、ＰＮ接合型のＳｉ単結晶層４３のＰ型領域を負電位とし、Ｎ型のＳｉ単結晶で形成される他方の電極３９と、Ｓｉ単結晶層４３のＮ型領域を正電位とする（逆バイアス）。ＰＮ接合ダイオードの性質として、正電位のＮ型のＳｉ単結晶の電極３９及びＳｉ単結晶層４３のＮ型領域から、負電位のＰ型のＳｉ単結晶の電極３８及びＳｉ単結晶層４３のＰ型領域には、電流が流れない。電極３８と電極３９は電気的にショートせず、光デバイスの動作に必要な所定の電圧を印加することができる。
電極３８と電極３９の間にあるＰＮ接合型のＳｉ単結晶層４３の厚さは、印加電圧の効率を向上、すなわち印加される電圧を下げるために、電極３８及び３９の高さの１／３以下、より好ましくは１／５以下に薄くすることが望ましい。
スロット電極２０１の形成後に、Ｎ型のＳｉ単結晶層４０、及び電極３８、３９の上にＺｒを含む第一層２６、ＺｒＯ２を含む第二層２７、ＳＴＯを含む層３２、及びＰＺＴを含む第三層２８をこの順でエピタキシャル成長する。これにより、Ｓｉ単結晶層４０を含む多層膜５０Ｈが形成される。
図２９は、光デバイス１０Ｈでスロット導波路２１Ｈを伝搬する光４４の状態を示す。光４４の大部分は、水平方向で電極３８と電極３９の間に挟まれるＰＺＴの第三層２８の中央付近に閉じ込められて伝搬する。図１３に示したように、ＳＴＯとＰＺＴの屈折率はそれぞれ２．２８と２．４４であるのに対し、ＺｒＯ２の屈折率は１．５４と低い。積層方向でも、光４４の多くがＰＺＴを含む第三層２８とＳＴＯを含む層３２に閉じ込められる。この積層構成も、光吸収による伝搬損失の低減に寄与している。
ＰＺＴの電気光学効果により、スロット導波路２１Ｃの長さを一般的なＬＮ光変調器の導波路長の１／４程度に低減できるのは上述したとおりである。第三層にＰＬＺＴを用いる場合は、導波路長をさらに短出できる。第８実施例の多層膜５０Ｈと、これを用いた光デバイス１０Ｈは、Ｓｉフォトニクス回路に容易に集積することができ、かつ長期信頼性の要求を満たす。
＜第９実施例＞
図３０は、第９実施例の多層膜５０Ｉを用いたスロット導波路２１Ｉの断面図である。第９実施例では、Ｓｉの基板１７の上にＳｉＯ２層１８が形成され、ＳｉＯ２層１８の上に、第１導電型（たとえばＰ型）のＳｉ単結晶で形成される一方の電極３８と、第２導電型（たとえばＮ型）のＳｉ単結晶で形成される他方の電極３９が近接して配置される。電極３８と電極３９の間のスロット２３の底面は、高抵抗、すなわち絶縁型のＳｉ単結晶層４５となっている。
Ｓｉ単結晶層４５は、電極３８と電極３９に対応する導電型の不純物をイオン注入する際に、スロット２３の領域をマスキングして不純物をドープしないことで形成される。Ｐ型のＳｉ単結晶の電極３８と、Ｎ型のＳｉ単結晶の電極３９の間に、絶縁性のＳｉ単結晶層４５を配置することで、電極３８と電極３９の間に、電気的なショートを引き起こさずにデバイス動作に必要な電圧を印加できる。
多層膜５０Ｈは、基板１７の上の高抵抗のＳｉ単結晶層４５と、このＳｉ単結晶層４５の上にエピタキシャル成長された、Ｚｒを含む第一層２６、ＺｒＯ２を含む第二層２７、ＳＴＯを含む層３２、及びＰＺＴを含む第三層２８をこの順で有する。ここでは、第３実施例のエピタキシャル成長の積層構造を採用しているが、第１実施例、第２実施例、第４実施例、第５実施例、または第６実施例のエピタキシャル成長層の積層構成を用いてもよい。
図３１は、第９実施例のスロット電極２０３の作製を説明する図である。ＳｉＯ２層１８の上に、Ｐ型の電極３８、Ｎ型の電極３９、及び、電極間のスロット２３の底面に位置する高抵抗のＳｉ単結晶層４５を形成する。次に、全面を絶縁層１９で覆い、絶縁層１９を平坦化する。その後、多層膜５０Ｉの形成に必要な領域をエッチング加工して、電極３８、電極３９、及び高抵抗のＳｉ単結晶層４５を露出する際に、電極３８と電極３９の互いに対向する側壁に、厚さ２～５ｎｍの絶縁層４１が形成される。このエッチング加工により、スロット２３を挟んで対向する側壁が薄い絶縁層４１に覆われたスロット電極２０３が形成される。
電極３８と電極３９の間にある高抵抗のＳｉ単結晶層４５の厚さは、印加電圧の効率を向上、すなわち印加される電圧を下げるために、電極３８及び３９の高さの１／３以下、より好ましくは１／５以下に薄くすることが望ましい。
スロット電極２０３の形成後に、高抵抗のＳｉ単結晶層４５と、電極３８及び３９の上に、Ｚｒを含む第一層２６、ＺｒＯ２を含む第二層２７、ＳＴＯを含む層３２、及びＰＺＴを含む第三層２８をこの順でエピタキシャル成長する。これにより、Ｓｉ単結晶層４５を含む多層膜５０Ｉが形成される。
図３２は、光デバイス１０Ｉでスロット導波路２１Ｉを伝搬する光４６の状態を示す。光４６の大部分は、水平方向で電極３８と電極３９の間に挟まれるＰＺＴの第三層２８の中央付近に閉じ込められて伝搬する。図１３に示したように、ＳＴＯとＰＺＴの屈折率はそれぞれ２．２８と２．４４であるのに対し、ＺｒＯ２の屈折率は１．５４と低い。積層方向でも、光４４の多くがＰＺＴを含む第三層２８とＳＴＯを含む層３２に閉じ込められる。この積層構成も、光吸収による伝搬損失の低減に寄与している。
ＰＺＴの電気光学効果により、スロット導波路２１Ｃの長さを一般的なＬＮ光変調器の導波路長の１／４程度に低減できるのは上述したとおりである。第三層にＰＬＺＴを用いる場合は、導波路長をさらに短縮することができる。第９実施例の多層膜５０Ｉと、これを用いた光デバイス１０Ｉは、Ｓｉフォトニクス回路に容易に集積することができ、かつ長期信頼性の要求を満たす。
＜第１０実施例＞
図３３は、第１０実施例の多層膜５０Ｊを用いたスロット導波路２１Ｊの断面模式図である。第１～第９実施例では、基板１７と水平方向で近接する２つの電極間のスロットにペロブスカイト型酸化物で光導波路を形成した。第１～第９実施例のスロット導波路を水平型のスロット導波路と呼んでもよい。
第１０実施例では、基板と垂直な方向に近接する２つの電極の間に、ペロブスカイト型酸化物を含む多層膜５０Ｊで光導波路を形成する。この構成を、縦型のスロット導波路と呼んでもよい。
基板１７上のＳｉＯ２層１８の上に、電極として機能するＳｉ単結晶４９と、Ｓｉ単結晶４９から延びるＳｉ単結晶の配線５５が配置されている。Ｓｉ単結晶層４９と配線５５には、あらかじめ不純物元素が添加されている。
電極として機能するＳｉ単結晶層４９の上層に、積層方向でＳｉ単結晶層４９に近接して、他方の電極５２が設けられている。Ｓｉ単結晶層４９と電極５２の間のギャップに、Ｚｒを含む第一層２６、ＺｒＯ２を含む第二層２７、及びＰＺＴを含む第三層２８がこの順でエピタキシャル成長された多層膜５０Ｊが配置されて、スロット導波路２１Ｊが形成されている。電極５２は、たとえばＳｉをエピタキシャル成長して所定の形状に加工することで形成される。電極５２を形成するＳｉ層は、アモルファス、多結晶、単結晶のいずれでもよい。
図１３を参照して説明したように、ＺｒＯ２結晶は立方晶で、格子定数は０．５１４ｎｍである。同じく立方晶であるＳｉの格子定数０．５４３ｎｍに近いため、Ｓｉ単結晶層４９の上にＺｒＯ２を含む第二層２７をエピタキシャル成長することができる。低抵抗のＳｉ単結晶層４９の上に、Ｚｒを含む第一層２６とＺｒＯ２を含む第二層２７を良好にエピタキシャル成長するには、Ｓｉ単結晶層４９の表面にＳｉ酸化膜がない方が望ましいが、極薄い自然酸化膜が存在しても、エピタキシャル成長できる。
ＰＺＴ結晶の自己整合的な面内回転により、ＺｒＯ２を含む第二層２７の上に、ＰＺＴを含む第三層２８をエピタキシャル成長できることは、上述したとおりである。
多層膜５０Ｊを含むスロット導波路２０Ｊは、横方向または水平方向では、絶縁層５１に囲まれている。絶縁層５１は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３など、ＰＺＴよりも屈折率の低い透明な材料で形成される。絶縁層５１は、横方向に光を第三層２８に閉じ込めるクラッド層として機能する。
多層膜５０Ｊを挟んで、配線５５と電極５２は、互いに逆方向に延びている。配線５５と電極５２を、逆方向から多層膜５０Ｊに接続することで、ＰＺＴを含む第三層に効率的に電界を印加することができる。
図３４は、図３３のスロット導波路２１Ｊに働く電気力線の模式図である。仮に、配線５５と電極５２が同じ方向に延びていると、電圧の印加時に、配線５５と電極５２の間の絶縁層５１に電界かかり、ＰＺＴを含む第三層に電界を集中させることができない。配線５５と電極５２を、逆方向から多層膜５０Ｊに接続することで、電圧印加時に、電気力線をＰＺＴに集中的にかけることができる。
なお、ＰＺＴの第三層２８の結晶が使用時の電圧印加方向で最大の電気光学効果を発揮するようにするために、高温下で、電圧印加方向に通常の使用時よりも高い電圧を与えて結晶の分極を整えても良い。第三層にＰＬＺＴを用いる場合も同様である。
図３５は、光デバイス１０Ｊでスロット導波路２１Ｊを伝搬する光５３の状態を示す。光５３の大部分は、水平方向で絶縁層５１に挟まれる第三層２８の中央付近に閉じ込めらる。積層方向では、第三層２８のＰＺＴよりも屈折率の高いＳｉ単結晶層４９と、Ｓｉの電極５２が互いに近接して配置され、その間に挟まれるＰＺＴにスロット伝搬モードが立つ。ＺｒＯ２を含む第二層２７、ＰＺＴを含む第三層２８ともに光通信波長に対して透明な誘電体であり、光の伝搬損失はほとんどない。
図３６Ａ～図３６Ｅは、光デバイス１０Ｊのスロット導波路２１Ｊの作製プロセスの一例を示す。図３６Ａで、Ｓｉの基板１７の上にＳｉＯ２層１８と、Ｓｉ単結晶層４７が形成されているＳＯＩ基板を用いる。Ｓｉ単結晶層４７の必要な領域に、あらかじめ、Ｂ、Ｐなどの元素がイオン注入されて抵抗値が低減されている。
Ｓｉ単結晶層４７の上に、第１実施例と同様に、Ｚｒを含む膜厚７ｎｍ程度の薄い第一層２６、ＺｒＯ２を含む第二層２７、及び、ＰＺＴを含む第三層２８を、この順でエピタキシャル成長する。これにより、第一層２６、第二層２７、及び第三層２８を含む積層４８が形成される。
図３６Ｂで、積層４８とＳｉ単結晶層４７の一部をエッチング除去して、積層４８を含む突起を形成する。
図３６Ｃで、突起の片側のＳｉ単結晶層４７をエッチングで完全に除去し、電極として機能するＳｉ単結晶層４９と、配線５５を形成する。この段階で、Ｓｉ単結晶層４９を含む多層膜５０Ｊが得られる。
図３６Ｄで、少なくとも多層膜５０Ｊの周囲に、ＣＶＤ等で厚さ数μｍの絶縁層５１を形成した後、ＰＺＴを含む第三層２８が露出するまで、ＣＭＰ等で絶縁層５１を平坦化する。
図３６Ｅで、ＰＺＴを含む第三層２８と、その周辺の絶縁層５１の上に、Ｓｉ層をスパッタリング等で形成し、配線５５と同じ側に存在するＳｉ層をエッチング除去する。これにより、配線５５と反対側に延びる電極５２が形成される。Ｓｉで形成される電極５２には、Ｓｉ層のスパッタリング時に不純物元素が添加されてもよいし、電極５２の形成後にイオン注入で不純物元素を添加してもよい。この構成により、ＰＺＴを含む第三層２８に効率的に電界を印加することができる。
図３７Ａ～図３７Ｅは、光デバイス１０Ｊのスロット導波路２１Ｊの別の作製プロセス例を示す。図３７Ａで、ＳｉＯ２層１８上のＳｉ単結晶層４７の一部をエッチングで除去する。図３７Ｂで、突起の一方の側のＳｉ単結晶層４７のエッチングで完全に除去して、電極として機能するＳｉ単結晶層４９と、配線５５を形成する。
図３７Ｃで、少なくともＳｉ単結晶層４９の周囲に、ＣＶＤ等により厚さ数μｍの絶縁層５１を形成した後、ＣＭＰ等により平坦化する。さらに、Ｓｉ単結晶層４９の上部の絶縁層５１をエッチング除去して、Ｓｉ単結晶層４９の上面を露出する。
図３７Ｄで、少なくともＳｉ単結晶層４９の周囲に、第一層２６、第二層２７、及び第三層２８をこの順でエピタキシャル成長して、積層４８を形成する。最後に図３７Ｅで、ＣＭＰ等で平坦化し、絶縁層５１の上の所定の領域に第三層２８に接続される電極５２を形成することで、スロット導波路２１Ｊを有する光デバイス１０Ｊが得られる。
スロット導波路２１Ｊの形成方法に特に制限はなく、上記以外にも可能な方法で縦型のスロット導波路２１Ｊを形成してもよい。
以上、特定の構成例に基づいて本発明を説明したが、本発明は、上記の構成例に限定されるない。実施形態の多層膜５０は、光変調器の他に、光スイッチ、光共振器などの光デバイスに適用可能である。光スイッチに適用する場合は、スロット導波路２１に印加する電圧のオン・オフにより、入力ポートから入射した光の出力先を、クロスポートとスルーポートの間で切り換えることができる。電気光学効果が大きいため、スイッチングの速度が速い。また、無機材料を用いることで、動作の長期信頼性が実現される。多層膜５０が光共振器に適用される場合は、電圧レベルの調整により、リング共振器やレーストラック共振器の共振周波数を調整することができる。
ペロブスカイト型酸化物を含む第三層は、（Ｐｂ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、または（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）０３に限定されず、Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ３、（Ｓｒ，Ｂａ）ＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３など、その他の電気光学効果を有するペロブスカイト型酸化物を用いてもよい。
１０ 光変調器
１０Ａ～１０Ｊ 光デバイス
１１ 光集積回路素子
１２ ＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）
１７ 基板
１８ ＳｉＯ２層（シリコン酸化物層）
２０ 電極
２１、２１Ａ～２１Ｊ スロット導波路（光導波路）
２４、４５ Ｓｉ単結晶層（高抵抗）
２５、４１ 絶縁層
２６ 第一層
２７ 第二層
２８、３０、 第三層
３２ ＳＴＯを含む層
３５ Ｍｇを含む層
４０ Ｓｉ単結晶層（低抵抗）
４３ Ｓｉ単結晶層（ＰＮ接合型）
５０Ａ～５０Ｊ 多層膜
１００ 光トランシーバ
１０７ 電気回路素子
１１１ Ｓｉ導波路
１１２ モードコンバータ
２００、２０１ スロット電極

Claims (12)

  1. シリコン単結晶層と、
    前記シリコン単結晶層の上に、Ｚｒを含む第一層、ＺｒＯ２を含む第二層、及び電気光学効果を有するペロブスカイト型酸化物を含む第三層、
    をこの順で有する、使用波長に対して透明な多層膜。
  2. 前記電気光学効果を有する前記ペロブスカイト型酸化物は、（Ｐｂ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）０３、（Ｓｒ，Ｂａ）ＴｉＯ３、Ｋ（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ３、ＢａＴｉＯ３、から選択される、
    請求項１に記載の多層膜。
  3. 前記ペロブスカイト型酸化物は（Ｐｂ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、または（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）０３であり、
    前記第二層と前記第三層の間に、ＳｒＴｉＯ３またはＭｇＯを含む層を有する、
    請求項１または２に記載の多層膜。
  4. 前記シリコン単結晶層は、シリコン酸化物層の上に設けられている、
    請求項１～３のいずれか１項に記載の多層膜。
  5. 基板の上の一対の導体の間にスロットが設けられたスロット電極と、
    前記スロット内に設けられる多層膜と、
    を有し、前記多層膜は、シリコン単結晶層と、前記シリコン単結晶層の上にＺｒを含む第一層、ＺｒＯ２を含む第二層、及びペロブスカイト型酸化物を含む第三層がこの順でエピタキシャル成長された積層とを含み、
    前記スロット内の前記第三層で光導波路が形成されている、
    光デバイス。
  6. 前記スロットを挟んで対向する前記一対の導体の側壁に設けられる絶縁膜、
    をさらに有する、請求項５に記載の光デバイス。
  7. 前記シリコン単結晶層は、前記スロットの底面に設けられたアンドープのシリコン単結晶である、
    請求項５または６に記載の光デバイス。
  8. 前記一対の導体の一方は第１の導電型のシリコン単結晶、他方は第２の導電型のシリコン単結晶であり、
    前記シリコン単結晶層は、前記スロットの底面に設けられた前記第１の導電型、または前記第２の導電型、またはＰＮ接合型のシリコン単結晶であり、
    前記一対の導体に、対応する導電型と逆の電位が与えられる、
    請求項５または６に記載の光デバイス。
  9. 前記一対の導体は、前記基板と垂直な方向で互いに近接して配置され、
    前記多層膜は、前記基板と垂直な方向で前記一対の導体に挟まれ、前記基板と水平な方向で、前記ペロブスカイト型酸化物よりも屈折率の小さい絶縁層で挟まれており、
    前記一対の導体と前記絶縁層によって囲まれる前記ペロブスカイト型酸化物で光導波路が形成されている、
    請求項５に記載の光デバイス。
  10. 前記一対の導体が前記多層膜を挟んで延びる方向は逆方向である、
    請求項９に記載の光デバイス。
  11. 請求項５～１０のいずれか１項に記載の光デバイスと、
    前記光デバイスと光学的に接続されるシリコン導波路と、
    を有する光集積回路素子。
  12. 請求項１１に記載の光集積回路素子と、
    電気回路素子と、
    前記電気回路素子に接続されるデジタル信号プロセッサと、
    を備える光トランシーバ。
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JPH1082921A (ja) 1996-09-06 1998-03-31 Ngk Insulators Ltd 光導波路基板、光導波路部品、第二高調波発生デバイスおよび光導波路基板の製造方法
DE19823732A1 (de) * 1998-05-27 1999-12-02 Inst Neue Mat Gemein Gmbh Verfahren zur Herstellung optischer Mehrschichtsysteme
JP2001296566A (ja) * 2000-04-11 2001-10-26 Fuji Xerox Co Ltd 光偏向素子
US20030010988A1 (en) * 2001-07-11 2003-01-16 Motorola, Inc. Structure and method for fabricating semiconductor structures with integrated optical components and controller
US7643714B2 (en) 2005-06-28 2010-01-05 California Institute Of Technology Nanophotonic devices in silicon
US20110170820A1 (en) 2009-11-04 2011-07-14 University Of Delaware Eo polymer-based dual slot waveguide modulators
EP3506002B1 (en) * 2017-12-29 2022-06-08 IHP GmbH - Innovations for High Performance Microelectronics / Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik Electrooptical device

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