JP4230807B2

JP4230807B2 - Silicon optical device

Info

Publication number: JP4230807B2
Application number: JP2003110030A
Authority: JP
Inventors: 光俊高橋; 浩治山田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2023-04-15
Also published as: JP2004319668A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オプトエレクトロニクス分野，光通信分野などにおいて使用される光集積回路に用いられる、シリコンを光の導波路として用いるシリコン光集積回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、光導波路，発光素子，受光素子のいずれをも作製することが可能である。このため、例えば光通信分野においては、分布帰還型半導体レーザと電界吸収型光変調器とを集積化したモノリシック光集積回路が、開発（実現）されている（特許文献１参照）。
これに対し、シリコン半導体は、ＬＳＩの微細化，大規模化に見られるように、電子素子には広く利用されているが、間接遷移型半導体のため、発光素子を実現するのが困難であり、光集積回路にはあまり利用されていない。
【０００３】
シリコンを用いた電子制御式光減衰器（非特許文献１参照）、シリコンを用いた光導波路（非特許文献２参照）、シリコンを用いた周波数選択フィルタなどの光制御デバイスは実現されているが、これらに発光素子をモノリシックに集積した光集積回路は実現されていない。現状では、シリコンを用いた光制御デバイスに、化合物半導体レーザなどを組み合わせて用いている（特許文献２参照）。
【０００４】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を本件の出願時までに発見するには至らなかった。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２１２０３８号公報
【特許文献２】
特開平５−１６４９２５号公報
【非特許文献１】
Proceedings of the SPIE: The International Society for Optical Engineering. vol.4293,p.1-9,2001
【非特許文献２】
"Low loss mode size converter from 0.3 μｍ square Si wire waveguides to singlemode fibers" Electronics Letters, vol.38, No.25, p.1669-1670(2002)
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来では、シリコンを用いて光集積回路を実現しようとする場合、シリコンより作製した光制御デバイスに、化合物半導体レーザなどを組み合わせることになるが、これらには、光軸合わせなどのコストのかかる工程が必要となる。この光軸合わせは、素子の微細化を進める上では大きな障害となる。
【０００７】
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、シリコンからなるコアと発光部とを、同一の基板の上にモノリシックに形成することを可能とし、より微細でより安価なシリコン光集積回路が容易に実現できるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るシリコン光素子は、絶縁体からなる下部クラッド層の上に形成され、単結晶シリコンからなるノンドープの単結晶シリコンから形成されて希土類元素と酸素原子とが添加された所定の長さの発光部コアと、発光部コアを覆うように形成されたシリコン化合物の絶縁体からなる上部クラッドと、所定の電位が印加される第１電極および第２電極を含み、発光部コアの少なくとも一部を空乏化する空乏化手段と、発光部コアの一方の光出射端の側に設けられた第１光反射手段と、発光部コアの他方の光出射端に設けられ、第１光反射手段より反射率の低い第２光反射手段とを備えるようにしたものである。
【０００９】
加えて、下部クラッド層の上で発光部コアの近傍に配置されて高濃度にｐ形不純物が導入されたシリコンからなるｐ形高濃度不純物領域と、下部クラッド層の上で発光部コアの近傍に発光部コアを挟むようにｐ形高濃度不純物領域と対向配置され、高濃度にｎ形不純物が導入されたシリコンからなるｎ形高濃度不純物領域と、発光部コアとｐ形高濃度不純物領域との間に各々接触して配置され、発光部コアより薄い単結晶シリコンから構成された第１電圧印加部と、発光部コアとｎ形高濃度不純物領域との間に各々接触して配置され、発光部コアより薄い単結晶シリコンから構成された第２電圧印加部とを備え、第１電極は、ｐ形高濃度不純物領域にオーミック接続され、第２電極は、ｎ形高濃度不純物領域にオーミック接続され、空乏化手段は、ｎ形高濃度不純物領域とｐ形高濃度不純物領域との少なくとも一方もしくは両方から構成されたものとする。
【００１０】
このシリコン光素子では、第１電極および第２電極により発光部コアを空乏化するように電位を印加することで、発光部コアに添加されている希土類元素に加速されたキャリアが衝突して希土類元素が励起され、発光部コアにおいて発光が生じる。この発光は、第１光反射手段と第２光反射手段とにより構成される共振器により閉じ込められ、反射と誘導放出とが繰り返され、第２反射手段側よりレーザ光が発振する。
【００１１】
また、上記シリコン光素子において、下部クラッド層の上で発光部コアの近傍に配置されて高濃度にｐ形不純物が導入されたシリコンからなるｐ形高濃度不純物領域と、下部クラッド層の上で発光部コアの近傍に発光部コアを挟むようにｐ形高濃度不純物領域と対向配置され、高濃度にｎ形不純物が導入されたシリコンからなるｎ形高濃度不純物領域と、発光部コアとｐ形高濃度不純物領域との間に各々接触して配置され、発光部コアより薄い単結晶シリコンから構成された第１電圧印加部と、発光部コアとｎ形高濃度不純物領域との間に各々接触して配置され、発光部コアより薄い単結晶シリコンから構成された第２電圧印加部と、発光部コアの上面の上部クラッドに設けられた凹部と、凹部の底部で発光部コアの上面に接触する薄い絶縁膜と、この絶縁膜の上に接触して設けられた第３電極とを備え、第１電極は、ｐ形高濃度不純物領域にオーミック接続され、第２電極は、ｎ形高濃度不純物領域にオーミック接続され、空乏化手段は、ｎ形高濃度不純物領域とｐ形高濃度不純物領域との少なくとも一方もしくは両方のいずれかから構成されたものであり、絶縁膜には、発光部コアに添加された希土類元素もしくはこれより発光波長の短い希土類元素のいずれかが添加されているようにしてもよい。
このシリコン光素子において、絶縁膜は、上部クラッド層の一部から構成するようにしても良い。
【００１２】
また、上述したシリコン光素子において、第１光反射手段および第２光反射手段は、発光部コアより出射される光の導波方向に所定の間隔で配列されて、発光部コアと同一の断面形状を有する単結晶シリコンから構成されて上部クラッドに覆われた複数のパターンから構成された導波路型回折格子であればよい。
また、上述したシリコン光素子において、発光部コアの一方の光出射端の側の下部クラッド層の上に配置されて発光部コアと同一の断面形状を有する単結晶シリコンから構成された導波路コアを備え、上部クラッドは、発光部コアから連続して導波路コアを覆うように形成されているようにしてもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［実施の形態１］
はじめに、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態におけるシリコン光素子の構成例を示す平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ）である。このシリコン光素子は、まず、基板１０１の上に、酸化シリコンなどから構成された下部クラッド層１０２を備える。
【００１４】
また、下部クラッド層１０２の上には、発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子（第１，第２光反射手段）１０５，１０６，および、発光部コア１０３の両脇に接触する発光部コア１０３より薄い電圧印加部１０７，１０８を備える。これら下部クラッド層１０２の上の構造体は、単結晶シリコンから構成されたものである。この単結晶シリコンは、ノンドープの単結晶シリコン層，高抵抗ｐ形の単結晶シリコン層，あるいは高抵抗ｎ形の単結晶シリコン層であればよい。
【００１５】
また、上記構造体は、所望の厚さより薄い高抵抗ｐ形の単結晶シリコン層の上に、ノンドープの単結晶シリコンを結晶成長させて所望の厚さとした単結晶シリコン層を、パターニングすることで形成したものでも良い。同様に、上記構造体は、所望の厚さより薄い高抵抗ｎ形の単結晶シリコン層の上に、ノンドープの単結晶シリコンを結晶成長させて所望の厚さとした単結晶シリコン層を、パターニングすることで形成したものでも良い。
【００１６】
発光部コア１０３は、例えばエルビウムなどの希土類元素および酸素原子が導入され、レーザ活性領域として機能する。なお、発光部コア１０３，導波路コア１０４は、断面の形状が例えば一辺が０．２〜０．３μｍの正方形であり、発光部コア１０３の導波方向の長さは、例えば１００μｍである。また、この断面形状は、正方形に限るものではなく、下部クラッド層１０２の平面方向に横長の長方形であってもよい。
【００１７】
発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６は、所定の方向に延在する直線上に配列され、これらを覆うように上部クラッド層１０９が形成されている。電圧印加部１０７は、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａに接続し、電圧印加部１０８は、ｎ形高濃度不純物領域１０８ａに接続している。また、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａには、電極１１１がオーミック接合し、ｎ形高濃度不純物領域１０８ａには、電極１１２がオーミック接合している。
【００１８】
また、図では格子数を省略して示しているが、導波路型回折格子１０５，１０６は、導波路コア１０４と同じ断面形状を有する複数のパターンが、前述した直線上に配列されたものである。導波路型回折格子１０５，１０６を構成するパターンの導波方向の長さは、０．１５μｍ程度とし、パターンの周期は０．３μｍ程度とすればよい。また、導波路型回折格子１０５の繰り返し数は、導波路型回折格子１０６の繰り返し数より少なくする。なお、上記パターンの間隔は、発光部コア１０３より発光する光の波長の０．１２〜０．６４倍、パターンの周期は、波長の０．５〜０．７５倍とすればよい。
【００１９】
以上に説明したように構成された本実施の形態のシリコン光素子では、つぎに説明することにより、レーザ発振がなされる。まず、電圧印加部１０７，電圧印加部１０８および発光部コア１０３が、ノンドープの単結晶シリコンから構成されている場合について説明する。この場合、「ｐ形高濃度不純物領域１０７ａ−電圧印加部１０７，発光部コア１０３、電圧印加部１０８−ｎ形高濃度不純物領域１０８ａ」からなるＰＩＮ構造に対して逆方向バイアスとなるように、電極１１１と電極１１２との間に電圧を印加する。
【００２０】
このことにより、ｎ形高濃度不純物領域１０８ａからの空乏層が広がり、少なくとも発光部コア１０３の一部が空乏化される。この場合、ｎ形高濃度不純物領域１０８ａとｐ形高濃度不純物領域１０７ａとが空乏化手段となる。また、空乏化された発光部コア１０３においては、キャリア（電子）が加速され、発光部コア１０３に添加されているエルビウム（希土類元素）に衝突してこれを励起し、この結果、発光が開始される。
【００２１】
また、電圧印加部１０７，電圧印加部１０８および発光部コア１０３が、高抵抗ｎ形の単結晶シリコンから構成されている場合、「ｐ形高濃度不純物領域１０７ａ−電圧印加部１０７」からなるｐｎ接合に対して逆バイアスとなるように、電極１１１と電極１１２との間に電圧を印加すればよい。このことによっても、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａより広がる空乏層に、発光部コア１０３の一部が空乏化されるようになる。この場合、少なくともｐ形高濃度不純物領域１０７ａが、空乏化手段を構成するものとなる。
【００２２】
ここで、発光部コア１０３に添加されているエルビウムが、３価の陽イオン（Ｅｒ³⁺）となっていないと、加速されたキャリアが衝突しても発光は起きない。このため、発光部コア１０３には、エルビウムとともに酸素イオンも導入し、添加されているエルビウムの周囲に酸素が存在する状態とする。この状態とすることで、発光部コア１０３に添加されているエルビウムが、３価の陽イオンの状態となり、発光に寄与するようになる。
【００２３】
また、発光部コア１０３に添加されているエルビウムの近傍に、予めキャリア（例えば自由電子）が存在していると、加速されて注入されたキャリアがエルビウムに衝突し、エルビウムを励起しても、これが発光に寄与せず、エネルギーがキャリアに移動してしまう。従って、発光部コア１０３には、可能な限りキャリアが存在していない方がよい。加えて、発光部コア１０３に、接触する程度に近い状態でｐ形やｎ形の不純物導入領域が存在すると、発光した光が吸収されるようになる。従って、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａ，ｎ形高濃度不純物領域１０８ａは、図１に示すように、電圧印加部１０７，１０８を介して発光部コア１０３に接続し、発光部コア１０３に直接接触しないようにする方がよい。
【００２４】
上述したことにより発生した光は、発光部コア１０３をコアとした上部クラッド層１０９に覆われた導波路を伝搬し、光共振器を構成している導波路型回折格子１０５，１０６の間に閉じ込められる。閉じ込められた光は、導波路型回折格子１０５と導波路型回折格子１０６との間の反射を繰り返し、発光部コア１０３では反射してきた光により誘導放出が繰り返される。
【００２５】
これらの結果、位相のそろった光が増幅され、増幅された光の強度がある程度以上となり、反射率が低い導波路型回折格子１０５よりレーザ光として出射されるようになる。このようにして導波路型回折格子１０５，１０６と発光部コア１０３とからなるレーザより発振されたレーザ光は、導波路コア１０４からなる導波路に注入されることになる。なお、導波路型回折格子１０５，導波路型回折格子１０６，および発光部コア１０３により、分布ブラッグ反射型のレーザが構成されていることになる。
【００２６】
以上に示したように、本実施の形態のシリコン光素子によれば、シリコンからなるコアと発光部とを、同一の基板の上にモノリシックに形成することが可能となる。従って、発光部と導波路とを個別に形成する場合に比較し、複雑な光軸合わせなどが必要なく、安価にシリコン光集積回路を実現できるようになる。また、シリコンを用いた公知の半導体装置の製造方法を容易に適用できるので、微細化も容易に実現できる。
【００２７】
つぎに、上述した本実施の形態におけるシリコン光素子の製造方法について、図２，３，４を用いて簡単に説明する。
まず、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用意する。ＳＯＩ基板は、埋め込み絶縁層上の単結晶シリコン層が、ノンドープの単結晶シリコン層，高抵抗ｐ形の単結晶シリコン層，あるいは高抵抗ｎ形の単結晶シリコン層であればよい。また、上記単結晶シリコン層は、所望の厚さより薄い高抵抗ｐ形の単結晶シリコン層の上に、ノンドープの単結晶シリコンを結晶成長させて所望の厚さとしたものでも良い。同様に、上記単結晶シリコン層は、所望の厚さより薄い高抵抗ｎ形単結晶シリコン層の上に、ノンドープの単結晶シリコンを結晶成長させて所望の厚さとしたものでも良い。
【００２８】
この単結晶シリコン層を、公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより微細加工し、基板１０１の上の下部クラッド層１０２の上に、発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６を形成し、また、発光部コア１０３の両脇に接触する発光部コア１０３より薄い電圧印加部１０７，１０８を形成する（図２）。
【００２９】
下部クラッド層１０２は、ＳＯＩ基板の埋め込み酸化層の部分である。また発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６，および電圧印加部１０７，１０８を形成する単結晶シリコン層は、ノンドープである。このように、下部クラッド層１０２の上に、各パターンを形成したら、発光部コア１０３に、希土類元素と酸素原子とを導入する。この導入は、例えば、公知のフォトリソグラフィ技術により発光部コア１０３の領域が開放したマスクパターンを形成し、選択的にイオン注入することで行えばよい。
【００３０】
発光部コア１０３に対する希土類類元素の添加量は、１×１０¹⁸〜１×１０²⁰ｃｍ^-3程度であればよい。また、発光部コア１０３に対する酸素原子の添加量は、希土類元素より１桁程度多い、１×１０¹⁹〜１×１０²¹ｃｍ^-3程度とすればよい。なお、希土類元素は、エルビウム（Ｅｒ），ツリウム（Ｔｍ），ホルミウム（Ｈｏ）のいずれかであればよい。希土類元素と酸素元素とが導入された発光部コア１０３は、レーザ活性領域となる。
【００３１】
つぎに、図３に示すように、上部クラッド層１０９を形成する。上部クラッド層１０９の形成では、まず、シリコン酸化膜もしくはシリコン酸窒化膜などのシリコン系絶縁材料を、下部クラッド層１０２の上に堆積し、発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６，および電圧印加部１０７，１０８を覆う絶縁膜が形成された状態とする。つぎに、公知のフォトリソグラフィ技術により、形成された絶縁膜の発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６の上部に配置されるマスクパターンを形成する。次いで、マスクパターンをマスクとして絶縁膜を選択的にエッチング除去する。このとき、マスクが形成されていない領域においても、絶縁膜が薄く残るようにし、上部クラッド層１０９とする。
【００３２】
ところで、上部クラッド層１０９を形成する前に、発光部コア１０３と電圧印加部１０７，１０８の表面に、数ｎｍの熱酸化膜を形成しておくようにしてもよい。熱酸化膜を形成しておくことで、キャリア閉じ込め効果が大きくなり、発光部コア１０３における発光効率をより大きくすることが可能となる。
【００３３】
以上のようにして、上部クラッド層１０９を形成した後、マスクパターンを利用した選択的なイオン注入により、図４に示すように、電圧印加部１０７の一部に、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａを形成し、また、電圧印加部１０８の一部に、ｎ形高濃度不純物領域１０８ａを形成する。ここで、イオン注入をした後、窒素雰囲気において７００〜１０００℃の加熱処理を行い、イオン注入をした領域の活性化と、注入による損傷の回復を行う。
【００３４】
つぎに、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａとｎ形高濃度不純物領域１０８ａとの上部の上部クラッド層１０９に開口部を形成し、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａとｎ形高濃度不純物領域１０８ａの一部領域を露出させる。次いで、これらの上に、例えばアルミニウムなどの電極材料の膜を堆積形成し、形成した電極材料の膜をパターニングすることで、図１に示すように、露出したｐ形高濃度不純物領域１０７ａとｎ形高濃度不純物領域１０８ａに各々接続する電極１１１，１１２を形成する。
以上の工程により、本実施の形態におけるシリコン光素子が形成される。
【００３５】
［実施の形態２］
つぎに、本発明の他の実施の形態について説明する。図５は、本実施の形態におけるシリコン光素子の構成例を示す平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ），（ｄ）である。このシリコン光素子は、まず、基板１０１の上に、酸化シリコンなどから構成された下部クラッド層１０２を備える。
また、下部クラッド層１０２の上には、発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６，および、発光部コア１０３の両脇に接触する発光部コア１０３より薄い電圧印加部１０７，１０８を備える。これらは、例えば、高抵抗ｎ形シリコンから構成されたものである。
【００３６】
発光部コア１０３は、例えばエルビウムなどの希土類元素および酸素原子が導入され、レーザ活性領域として機能する。なお、発光部コア１０３，導波路コア１０４は、断面の形状が例えば一辺が０．２〜０．３μｍの正方形であり、発光部コア１０３の導波方向の長さは、例えば１００μｍである。また、この断面形状は、正方形に限るものではなく、下部クラッド層１０２の平面方向に横長の長方形であってもよい。
【００３７】
発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６は、所定の方向に延在する直線上に配列され、これらを覆うように上部クラッド層１０９が形成されている。電圧印加部１０７の一部領域には、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａが形成され、電圧印加部１０８の一部領域には、ｎ形高濃度不純物領域１０８ａが形成され、各々には、電極１１１，１１２が接続されている。
以上のことは、図１に示したシリコン光素子と同様である。
【００３８】
図５に示すシリコン発光素子では、まず、発光部コア１０３の上部にあたる上部クラッド層１０９に、開口部１０９ａを設けるようにした。開口部１０９ａの底面においては、上部クラッド層１０９の上面が露出した状態となっている。また、開口部１０９ａの底面に、少なくとも露出している上部クラッド層１０９の上面を覆うように、希土類元素元素が添加された膜厚５０ｎｍ程度の絶縁膜１１０を設け、ここに電極（第３電極）１１３が形成されているようにした。電極１１３は、配線１１４に接続している。
【００３９】
ここで、絶縁膜１１０に添加されている希土類元素は、発光部コア１０３と同様のエルビウムであればよい。なお、絶縁膜１１０に添加されている希土類元素は、発光部コア１０３に添加されている希土類元素と同じにする必要はなく、発光部コア１０３に添加された希土類元素より短波長の光を発生するものであればよい。
【００４０】
以上のように構成した本実施の形態におけるシリコン光素子では、電極１１１を接地電位とし、電極１１２に正の電位を印加することで、発光部コア１０３のほぼ全域を空乏化することができる。発光部コア１０３が空乏化されることにより、キャリア（電子）が加速され、加速されたキャリアは、発光部コア１０３に添加されているエルビウム（希土類元素）に衝突してこれを励起し、この結果、発光が開始される。
【００４１】
加えて、電極１１３にも正の電位を印加することで、希土類元素が添加されている絶縁膜１１０と発光部コア１０３との界面に電子の蓄積層が生じ、トンネル電流が流れるようになる。上述したトンネル電流により、絶縁膜１１０に添加されている希土類元素が励起されて発光するようになる。この光は、発光部コア１０３に添加されている希土類元素の励起を促進し、より強い光の放射を促すようになる。
【００４２】
上述したことにより発生した光は、発光部コア１０３をコアとした上部クラッド層１０９に覆われた導波路を伝搬し、光共振器を構成している導波路型回折格子１０５，１０６の間に閉じ込められる。閉じ込められた光は、導波路型回折格子１０５と導波路型回折格子１０６との間の反射を繰り返し、発光部コア１０３では反射してきた光により誘導放出が繰り返される。
【００４３】
これらの結果、位相のそろった光が増幅され、増幅された光の強度がある程度以上となり、反射率が低い導波路型回折格子１０５よりレーザ光として出射されるようになる。このようにして導波路型回折格子１０５，１０６と発光部コア１０３とからなるレーザより発振されたレーザ光は、導波路コア１０４からなる導波路に注入されることになる。
【００４４】
以上に示したように、本実施の形態のシリコン光素子によれば、シリコンからなるコアと発光部とを、同一の基板の上にモノリシックに形成することが可能となる。従って、発光部と導波路とを個別に形成する場合に比較し、複雑な光軸合わせなどが必要なく、安価にシリコン光集積回路を実現できるようになる。また、シリコンを用いた公知の半導体装置の製造方法を容易に適用できるので、微細化も容易に実現できる。また、図５のシリコン光素子では、発光部コア１０３の全域を空乏化することに加え、絶縁膜１１０に添加された希土類元素の発光の効果により、図１に示すシリコン光素子に比較し、より強いレーザ光を発振できるようになる。
【００４５】
つぎに、上述した本実施の形態におけるシリコン光素子の製造方法について、図２，３，４，６を用いて簡単に説明する。
まず、市販されているＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用意し、この単結晶シリコン層を、公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより微細加工し、基板１０１の上の下部クラッド層１０２の上に、発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６を形成し、また、発光部コア１０３の両脇に接触する発光部コア１０３より薄い電圧印加部１０７，１０８を形成する（図２）。
【００４６】
下部クラッド層１０２は、ＳＯＩ基板の埋め込み酸化層の部分である。また発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６，および電圧印加部１０７，１０８を形成する単結晶シリコン層は、ｎ形の高抵抗シリコンである。
このように、下部クラッド層１０２の上に、各パターンを形成したら、発光部コア１０３に、希土類元素と酸素原子とを導入する。この導入は、例えば、公知のフォトリソグラフィ技術により発光部コア１０３の領域が開放したマスクパターンを形成し、選択的にイオン注入することで行えばよい。
【００４７】
発光部コア１０３に対する希土類類元素の添加量は、１×１０¹⁸〜１×１０²⁰ｃｍ^-3程度であればよい。また、発光部コア１０３に対する酸素原子の添加量は、希土類元素より１桁程度多い、１×１０¹⁹〜１×１０²¹ｃｍ^-3程度とすればよい。なお、希土類元素は、エルビウム，ツリウム，ホルミウムのいずれかであればよい。希土類元素と酸素元素とが導入された発光部コア１０３は、レーザ活性領域となる。
【００４８】
つぎに、図３に示すように、上部クラッド層１０９を形成する。上部クラッド層１０９の形成では、まず、シリコン酸化膜もしくはシリコン酸窒化膜などのシリコン系絶縁材料を、下部クラッド層１０２の上に堆積し、発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６，および電圧印加部１０７，１０８を覆う絶縁膜が形成された状態とする。
【００４９】
つぎに、公知のフォトリソグラフィ技術により、形成された絶縁膜の発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６の上部に配置されるマスクパターンを形成する。次いで、マスクパターンをマスクとして絶縁膜を選択的にエッチング除去する。このとき、マスクが形成されていない領域においても、絶縁膜が薄く残るようにし、上部クラッド層１０９とする。
【００５０】
以上のようにして、上部クラッド層１０９を形成した後、マスクパターンを利用した選択的なイオン注入により、図４に示すように、電圧印加部１０７の一部に、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａを形成し、また、電圧印加部１０８の一部に、ｎ形高濃度不純物領域１０８ａを形成する。
以上の工程は、前述した実施の形態１と同様である。
【００５１】
つぎに、本実施の形態では、図６に示すように、発光部コア１０３の上部にあたる上部クラッド層１０９に、開口部１０９ａを形成する。また、開口部１０９ａの、少なくとも底面を覆うように、希土類元素元素が添加された膜厚５０ｎｍ程度の絶縁膜１１０を形成する。なお、上部クラッド層１０９を薄く残すことで、絶縁膜１１０を形成するようにしても良い。絶縁膜１１０は、酸化シリコンもしくは酸窒化シリコンから構成すればよい。希土類元素は、１０¹⁴〜１０¹⁵ｃｍ^-2程度イオン注入することで添加すれば良く、例えば、発光部コア１０３と同様にエルビウムを添加すればよい。
【００５２】
ここで、上述したイオン注入をした後、窒素雰囲気において７００〜１０００℃の加熱処理を行い、イオン注入をした領域の活性化と、注入による損傷の回復を行う。
なお、絶縁膜１１０に添加する希土類元素は、発光部コア１０３に添加されている希土類元素と同じにする必要はなく、発光部コア１０３に添加された希土類元素より短波長の光を発生するものとすればよい。
【００５３】
この後、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａとｎ形高濃度不純物領域１０８ａとの上部の上部クラッド層１０９に開口部を形成し、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａとｎ形高濃度不純物領域１０８ａの一部領域を露出させる。次いで、これらの上に、例えばアルミニウムなどの電極材料の膜を堆積形成し、形成した電極材料の膜をパターニングすることで、図５に示すように、露出したｐ形高濃度不純物領域１０７ａ，ｎ形高濃度不純物領域１０８ａに接続する電極１１１，１１２を形成する。また、絶縁膜１１０の上に、電極１１３およびこれに接続する配線１１４を形成すれば、図５に示すシリコン光素子が完成する。
【００５４】
なお、上述では、希土類元素としてエルビウムを用いるようにしたが、ツリウムやホルミウムを用いるようにしてもよい。エルビウムを用いる場合、発振波長は１．５４μｍとなり、ツリウムを用いる場合、発振波長は１．６５μｍとなり、Ｈｏを用いる場合、発振波長は１．９６μｍとなる。
ところで、上述した実施の形態では、ＰＮ構造やＰＩＮ構造とし、これら空乏化手段により発光部コアを空乏化するようにしたが、これらに限るものではない。例えば、金属電極をシリコンに接触させてショットキー障壁を形成し、この空乏化手段により発光部コアを空乏化させるようにしても良い。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、第１電極および第２電極により発光部コアを空乏化するように電位を印加することで、発光部コアに添加されている希土類元素に加速されたキャリアを衝突させて希土類元素を励起し、発光部コアにおいて発光が生じるようにした。この発光は、第１光反射手段と第２光反射手段とにより構成される共振器により閉じ込められ、反射と誘導放出とが繰り返され、第２反射手段側よりレーザ光が発振する。
【００５６】
このように、本発明によれば、シリコンを用いた素子により発光部（レーザ）を構成したので、シリコンからなるコアと発光部とを、同一の基板の上にモノリシックに形成することが可能となる。この結果、より微細でより安価なシリコン光集積回路が、容易に実現できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるシリコン光素子の構成例を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ），（ｃ）である。
【図２】図１のシリコン光素子の製造途中の状態を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ），（ｃ）である。
【図３】図１のシリコン光素子の製造途中の状態を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ），（ｃ）である。
【図４】図１のシリコン光素子の製造途中の状態を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ），（ｃ）である。
【図５】本発明の他の実施の形態におけるシリコン光素子の構成例を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ），（ｃ），（ｄ）である。
【図６】図５のシリコン光素子の製造途中の状態を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ），（ｃ）である。
【符号の説明】
１０１…基板、１０２…下部クラッド層、１０３…発光部コア、１０４…導波路コア、１０５，１０６…導波路型回折格子、１０７，１０８…電圧印加部、１０７ａ…ｐ形高濃度不純物領域、１０８ａ…ｎ形高濃度不純物領域、１０９…上部クラッド層、１１１，１１２…電極。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a silicon optical integrated circuit using silicon as an optical waveguide, which is used in an optical integrated circuit used in an optoelectronic field, an optical communication field, and the like.
[0002]
[Prior art]
A III-V compound semiconductor can produce any of an optical waveguide, a light emitting element, and a light receiving element. Therefore, for example, in the optical communication field, a monolithic optical integrated circuit in which a distributed feedback semiconductor laser and an electroabsorption optical modulator are integrated has been developed (implemented) (see Patent Document 1).
On the other hand, silicon semiconductors are widely used in electronic devices as seen in the miniaturization and large scale of LSI, but it is difficult to realize a light emitting device because of an indirect transition type semiconductor. It is not used much in optical integrated circuits.
[0003]
Optical control devices such as an electronically controlled optical attenuator using silicon (see Non-Patent Document 1), an optical waveguide using silicon (see Non-Patent Document 2), and a frequency selective filter using silicon have been realized. However, an optical integrated circuit in which the light emitting elements are monolithically integrated is not realized. At present, a compound semiconductor laser or the like is used in combination with a light control device using silicon (see Patent Document 2).
[0004]
The applicant has not found any prior art documents related to the present invention by the time of filing of the present application other than the prior art documents specified by the prior art document information described in the present specification.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-212038
[Patent Document 2]
JP-A-5-164925
[Non-Patent Document 1]
Proceedings of the SPIE: The International Society for Optical Engineering.vol.4293, p.1-9,2001
[Non-Patent Document 2]
"Low loss mode size converter from 0.3 μm square Si wire waveguides to singlemode fibers" Electronics Letters, vol.38, No.25, p.1669-1670 (2002)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, conventionally, when an optical integrated circuit is realized using silicon, a compound semiconductor laser or the like is combined with an optical control device manufactured from silicon. Costly process is required. This optical axis alignment is a major obstacle to the progress of device miniaturization.
[0007]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and enables a silicon core and a light-emitting portion to be monolithically formed on the same substrate, which is finer and more detailed. An object of the present invention is to easily realize an inexpensive silicon optical integrated circuit.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  The silicon optical device according to the present invention is formed on a lower clad layer made of an insulator and made of single crystal silicon.Formed from non-doped single crystal siliconA light emitting portion core having a predetermined length to which a rare earth element and oxygen atoms are added, an upper clad made of a silicon compound insulator formed so as to cover the light emitting portion core, and a first potential to which a predetermined potential is applied. A depleting unit that includes an electrode and a second electrode and depletes at least a part of the light emitting unit core; a first light reflecting unit provided on one light emitting end side of the light emitting unit core; The second light reflecting means is provided at the other light emitting end and has a lower reflectance than the first light reflecting means.
[0009]
  In addition, a p-type high-concentration impurity region made of silicon, which is disposed in the vicinity of the light emitting unit core on the lower cladding layer and into which p-type impurities are introduced at a high concentration, and in the vicinity of the light emitting unit core on the lower cladding layer An n-type high-concentration impurity region made of silicon having n-type impurities introduced at a high concentration, a light-emitting portion core, and a p-type high-concentration impurity region. Between the first voltage application unit made of single crystal silicon thinner than the light emitting unit core, and between the light emitting unit core and the n-type high concentration impurity region. And a second voltage application unit composed of single crystal silicon thinner than the light emitting unit core, the first electrode is ohmically connected to the p-type high concentration impurity region, and the second electrode is connected to the n type high concentration impurity region. Ohmic connected and depleted hands It is assumed to have been composed of at least one or both of the n-type high impurity concentration region and the p type high concentration impurity regions.
[0010]
  In this silicon optical device, by applying a potential so as to deplete the light emitting portion core by the first electrode and the second electrode, the accelerated carriers collide with the rare earth element added to the light emitting portion core and the rare earth element is collided. The element is excited and light emission occurs in the light emitting core. This light emission is confined by a resonator constituted by the first light reflecting means and the second light reflecting means, and reflection and stimulated emission are repeated, and laser light oscillates from the second reflecting means side.
[0011]
In the silicon optical device, a p-type high concentration impurity region made of silicon, which is disposed in the vicinity of the light emitting portion core on the lower clad layer and into which the p-type impurity is introduced at a high concentration, and on the lower clad layer An n-type high-concentration impurity region made of silicon, which is disposed in opposition to the p-type high-concentration impurity region so as to sandwich the light-emitting unit core in the vicinity of the light-emitting unit core, and is doped with n-type impurities at a high concentration, A first voltage application unit made of single crystal silicon that is thinner than the light emitting unit core, and is disposed between the light emitting unit core and the n type high concentration impurity region. A second voltage application unit made of single crystal silicon that is arranged in contact with and thinner than the light emitting unit core, a recess provided in the upper clad on the upper surface of the light emitting unit core, and an upper surface of the light emitting unit core at the bottom of the recess Thin insulation touching And a third electrode provided in contact with the insulating film, the first electrode being ohmically connected to the p-type high concentration impurity region, and the second electrode being ohmically connected to the n-type high concentration impurity region. The connected and depletion means is composed of at least one or both of an n-type high concentration impurity region and a p-type high concentration impurity region, and the insulating film is added to the light emitting portion core. Either a rare earth element or a rare earth element having a shorter emission wavelength may be added.
In this silicon optical device, the insulating film may be constituted by a part of the upper clad layer.
[0012]
In the silicon optical element described above, the first light reflecting means and the second light reflecting means are arranged at predetermined intervals in the waveguide direction of the light emitted from the light emitting section core, and have the same cross section as the light emitting section core. Any waveguide type diffraction grating may be used as long as it is composed of a single crystal silicon having a shape and a plurality of patterns covered with an upper clad.
Further, in the silicon optical device described above, a waveguide core made of single crystal silicon having the same cross-sectional shape as the light emitting unit core, disposed on the lower clad layer on the light emitting end side of the light emitting unit core The upper clad may be formed so as to cover the waveguide core continuously from the light emitting portion core.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
First, a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a plan view (a), cross-sectional views (b), and (c) showing a configuration example of a silicon optical element in the present embodiment. This silicon optical device first includes a lower cladding layer 102 made of silicon oxide or the like on a substrate 101.
[0014]
Further, on the lower cladding layer 102, on both sides of the light emitting unit core 103, the waveguide core 104, the waveguide type diffraction gratings (first and second light reflecting means) 105 and 106, and the light emitting unit core 103. Voltage application units 107 and 108 that are thinner than the light emitting unit core 103 in contact therewith are provided. The structure on the lower cladding layer 102 is made of single crystal silicon. The single crystal silicon may be a non-doped single crystal silicon layer, a high resistance p-type single crystal silicon layer, or a high resistance n-type single crystal silicon layer.
[0015]
In addition, the above structure is obtained by patterning a single crystal silicon layer having a desired thickness by growing non-doped single crystal silicon on a high resistance p-type single crystal silicon layer thinner than a desired thickness. It may be formed. Similarly, the above structure is obtained by patterning a single crystal silicon layer having a desired thickness by growing non-doped single crystal silicon on a high resistance n-type single crystal silicon layer thinner than a desired thickness. It may be formed by.
[0016]
The light emitting portion core 103 functions as a laser active region by introducing rare earth elements such as erbium and oxygen atoms. Note that the light emitting unit core 103 and the waveguide core 104 have a square cross section with a side of 0.2 to 0.3 μm, for example, and the length of the light emitting unit core 103 in the waveguide direction is, for example, 100 μm. The cross-sectional shape is not limited to a square, and may be a horizontally long rectangle in the plane direction of the lower cladding layer 102.
[0017]
The light emitting core 103, the waveguide core 104, and the waveguide type diffraction gratings 105 and 106 are arranged on a straight line extending in a predetermined direction, and an upper clad layer 109 is formed so as to cover them. The voltage application unit 107 is connected to the p-type high concentration impurity region 107a, and the voltage application unit 108 is connected to the n-type high concentration impurity region 108a. The electrode 111 is in ohmic contact with the p-type high concentration impurity region 107a, and the electrode 112 is in ohmic contact with the n-type high concentration impurity region 108a.
[0018]
Although the number of gratings is omitted in the figure, the waveguide type diffraction gratings 105 and 106 are obtained by arranging a plurality of patterns having the same cross-sectional shape as the waveguide core 104 on the straight line described above. is there. The length of the pattern constituting the waveguide type diffraction gratings 105 and 106 in the waveguide direction may be about 0.15 μm, and the pattern period may be about 0.3 μm. The number of repetitions of the waveguide type diffraction grating 105 is set to be smaller than the number of repetitions of the waveguide type diffraction grating 106. The pattern interval may be 0.12 to 0.64 times the wavelength of light emitted from the light emitting unit core 103, and the pattern period may be 0.5 to 0.75 times the wavelength.
[0019]
In the silicon optical element of the present embodiment configured as described above, laser oscillation is performed as described below. First, the case where the voltage application unit 107, the voltage application unit 108, and the light emitting unit core 103 are made of non-doped single crystal silicon will be described. In this case, a reverse bias is applied to the PIN structure including “p-type high-concentration impurity region 107a—voltage application unit 107, light-emitting unit core 103, voltage application unit 108-n-type high-concentration impurity region 108a”. A voltage is applied between the electrode 111 and the electrode 112.
[0020]
As a result, a depletion layer from the n-type high concentration impurity region 108a spreads and at least a part of the light emitting portion core 103 is depleted. In this case, the n-type high concentration impurity region 108a and the p-type high concentration impurity region 107a serve as depletion means. In the depleted light emitting unit core 103, carriers (electrons) are accelerated and collide with erbium (rare earth element) added to the light emitting unit core 103 to excite it. As a result, light emission starts. Is done.
[0021]
Further, when the voltage application unit 107, the voltage application unit 108, and the light emitting unit core 103 are made of high-resistance n-type single crystal silicon, a pn composed of “p-type high-concentration impurity region 107a-voltage application unit 107”. What is necessary is just to apply a voltage between the electrode 111 and the electrode 112 so that it may become a reverse bias with respect to joining. This also causes a part of the light emitting portion core 103 to be depleted in the depletion layer extending from the p-type high concentration impurity region 107a. In this case, at least the p-type high concentration impurity region 107a constitutes a depletion means.
[0022]
Here, the erbium added to the light emitting portion core 103 is a trivalent cation (Er.³⁺Otherwise, no light will be emitted even if accelerated carriers collide. For this reason, oxygen ions are also introduced into the light emitting portion core 103 together with erbium so that oxygen is present around the added erbium. By setting it as this state, the erbium added to the light emission part core 103 will be in the state of a trivalent cation, and will come to contribute to light emission.
[0023]
In addition, if carriers (for example, free electrons) exist in the vicinity of erbium added to the light emitting unit core 103 in advance, even if the carriers injected by acceleration collide with erbium and excite erbium, This does not contribute to light emission, and energy is transferred to carriers. Therefore, it is preferable that the light emitting unit core 103 has as few carriers as possible. In addition, if there is a p-type or n-type impurity introduction region in the light-emitting portion core 103 in a state close to contact, the emitted light is absorbed. Therefore, the p-type high-concentration impurity region 107a and the n-type high-concentration impurity region 108a are connected to the light-emitting portion core 103 via the voltage application portions 107 and 108 and directly contact the light-emitting portion core 103 as shown in FIG. It is better not to.
[0024]
The light generated as described above propagates through the waveguide covered with the upper clad layer 109 with the light emitting core 103 as a core, and between the waveguide type diffraction gratings 105 and 106 constituting the optical resonator. Be trapped. The trapped light repeats reflection between the waveguide type diffraction grating 105 and the waveguide type diffraction grating 106, and stimulated emission is repeated by the light reflected by the light emitting unit core 103.
[0025]
As a result, the light having the same phase is amplified, the intensity of the amplified light becomes more than a certain level, and the light is emitted as laser light from the waveguide type diffraction grating 105 having low reflectance. Thus, the laser light oscillated from the laser composed of the waveguide type diffraction gratings 105 and 106 and the light emitting portion core 103 is injected into the waveguide composed of the waveguide core 104. The waveguide type diffraction grating 105, the waveguide type diffraction grating 106, and the light emitting unit core 103 constitute a distributed Bragg reflection type laser.
[0026]
As described above, according to the silicon optical device of the present embodiment, the core and the light emitting portion made of silicon can be formed monolithically on the same substrate. Therefore, compared with the case where the light emitting portion and the waveguide are formed separately, complicated optical axis alignment is not required, and a silicon optical integrated circuit can be realized at low cost. In addition, since a known semiconductor device manufacturing method using silicon can be easily applied, miniaturization can be easily realized.
[0027]
Next, a method for manufacturing the silicon optical device in the present embodiment described above will be briefly described with reference to FIGS.
First, an SOI (Silicon on Insulator) substrate is prepared. In the SOI substrate, the single crystal silicon layer on the buried insulating layer may be a non-doped single crystal silicon layer, a high resistance p-type single crystal silicon layer, or a high resistance n-type single crystal silicon layer. Further, the single crystal silicon layer may have a desired thickness by crystal growth of non-doped single crystal silicon on a high resistance p-type single crystal silicon layer thinner than the desired thickness. Similarly, the single crystal silicon layer may have a desired thickness obtained by crystal growth of non-doped single crystal silicon on a high resistance n-type single crystal silicon layer thinner than the desired thickness.
[0028]
The single crystal silicon layer is finely processed by a known photolithography technique and etching technique, and the light emitting portion core 103, the waveguide core 104, and the waveguide type diffraction grating 105 are formed on the lower clad layer 102 on the substrate 101. , 106 are formed, and voltage application units 107 and 108 thinner than the light emitting unit core 103 contacting both sides of the light emitting unit core 103 are formed (FIG. 2).
[0029]
The lower cladding layer 102 is a portion of the buried oxide layer of the SOI substrate. The single crystal silicon layer forming the light emitting portion core 103, the waveguide core 104, the waveguide type diffraction gratings 105 and 106, and the voltage applying portions 107 and 108 is non-doped. Thus, after each pattern is formed on the lower cladding layer 102, rare earth elements and oxygen atoms are introduced into the light emitting portion core 103. This introduction may be performed, for example, by forming a mask pattern in which the region of the light emitting core 103 is opened by a known photolithography technique and selectively implanting ions.
[0030]
The amount of rare earth element added to the light emitting core 103 is 1 × 10¹⁸~ 1x10²⁰cm^-3Any degree is acceptable. Further, the amount of oxygen atoms added to the light emitting portion core 103 is about 1 digit 10 times greater than that of rare earth elements.¹⁹~ 1x10^{twenty one}cm^-3It should be about. The rare earth element may be any one of erbium (Er), thulium (Tm), and holmium (Ho). The light emitting part core 103 into which the rare earth element and the oxygen element are introduced becomes a laser active region.
[0031]
Next, as shown in FIG. 3, an upper clad layer 109 is formed. In the formation of the upper clad layer 109, first, a silicon-based insulating material such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film is deposited on the lower clad layer 102, and the light emitting portion core 103, the waveguide core 104, and the waveguide type diffraction. It is assumed that an insulating film that covers the gratings 105 and 106 and the voltage application units 107 and 108 is formed. Next, a mask pattern arranged on the light emitting portion core 103, the waveguide core 104, and the waveguide type diffraction gratings 105 and 106 of the formed insulating film is formed by a known photolithography technique. Next, the insulating film is selectively removed by etching using the mask pattern as a mask. At this time, even in a region where the mask is not formed, the insulating film remains thin, and the upper cladding layer 109 is formed.
[0032]
Incidentally, before forming the upper clad layer 109, a thermal oxide film having a thickness of several nm may be formed on the surfaces of the light emitting portion core 103 and the voltage applying portions 107 and. By forming the thermal oxide film, the carrier confinement effect is increased, and the light emission efficiency in the light emitting unit core 103 can be further increased.
[0033]
After the upper cladding layer 109 is formed as described above, selective ion implantation using a mask pattern is performed to form a p-type high concentration impurity region 107a in a part of the voltage application unit 107 as shown in FIG. In addition, an n-type high concentration impurity region 108 a is formed in a part of the voltage application unit 108. Here, after ion implantation, heat treatment is performed at 700 to 1000 ° C. in a nitrogen atmosphere to activate the ion-implanted region and recover damage caused by the implantation.
[0034]
Next, an opening is formed in the upper cladding layer 109 above the p-type high-concentration impurity region 107a and the n-type high-concentration impurity region 108a, and one of the p-type high-concentration impurity region 107a and the n-type high-concentration impurity region 108a is formed. The part area is exposed. Next, a film of an electrode material such as aluminum is deposited on them, and the formed film of the electrode material is patterned, thereby exposing the exposed p-type high concentration impurity regions 107a and n as shown in FIG. Electrodes 111 and 112 respectively connected to the high concentration impurity region 108a are formed.
Through the above-described steps, the silicon optical element in the present embodiment is formed.
[0035]
[Embodiment 2]
Next, another embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a plan view (a), cross-sectional views (b), (c), and (d) showing a configuration example of the silicon optical element in the present embodiment. This silicon optical device first includes a lower cladding layer 102 made of silicon oxide or the like on a substrate 101.
On the lower clad layer 102, a lighter voltage is applied to the light emitting unit core 103, the waveguide core 104, the waveguide type diffraction gratings 105 and 106, and the light emitting unit core 103 contacting both sides of the light emitting unit core 103. Parts 107 and 108 are provided. These are made of, for example, high-resistance n-type silicon.
[0036]
The light emitting portion core 103 functions as a laser active region by introducing rare earth elements such as erbium and oxygen atoms. Note that the light emitting unit core 103 and the waveguide core 104 have a square cross section with a side of 0.2 to 0.3 μm, for example, and the length of the light emitting unit core 103 in the waveguide direction is, for example, 100 μm. The cross-sectional shape is not limited to a square, and may be a horizontally long rectangle in the plane direction of the lower cladding layer 102.
[0037]
The light emitting core 103, the waveguide core 104, and the waveguide type diffraction gratings 105 and 106 are arranged on a straight line extending in a predetermined direction, and an upper clad layer 109 is formed so as to cover them. A p-type high concentration impurity region 107 a is formed in a partial region of the voltage application unit 107, and an n-type high concentration impurity region 108 a is formed in a partial region of the voltage application unit 108. , 112 are connected.
The above is the same as the silicon optical element shown in FIG.
[0038]
In the silicon light emitting device shown in FIG. 5, first, an opening 109 a is provided in the upper clad layer 109 corresponding to the upper portion of the light emitting portion core 103. At the bottom surface of the opening 109a, the upper surface of the upper cladding layer 109 is exposed. Further, an insulating film 110 to which a rare earth element is added is provided on the bottom surface of the opening 109a so as to cover at least the upper surface of the exposed upper cladding layer 109, and an electrode (third electrode) is provided here. ) 113 is formed. The electrode 113 is connected to the wiring 114.
[0039]
Here, the rare earth element added to the insulating film 110 may be erbium similar to that of the light emitting portion core 103. Note that the rare earth element added to the insulating film 110 does not have to be the same as the rare earth element added to the light emitting core 103, and generates light having a shorter wavelength than the rare earth element added to the light emitting core 103. Anything to do.
[0040]
In the silicon optical device according to the present embodiment configured as described above, the entire region of the light-emitting portion core 103 can be depleted by setting the electrode 111 to the ground potential and applying a positive potential to the electrode 112. When the light emitting unit core 103 is depleted, carriers (electrons) are accelerated, and the accelerated carriers collide with erbium (rare earth element) added to the light emitting unit core 103 to excite this, As a result, light emission is started.
[0041]
In addition, by applying a positive potential to the electrode 113, an electron accumulation layer is generated at the interface between the insulating film 110 to which the rare earth element is added and the light emitting core 103, and a tunnel current flows. By the tunnel current described above, the rare earth element added to the insulating film 110 is excited to emit light. This light promotes excitation of the rare earth element added to the light emitting portion core 103 and promotes stronger light emission.
[0042]
The light generated as described above propagates through the waveguide covered with the upper clad layer 109 with the light emitting core 103 as a core, and between the waveguide type diffraction gratings 105 and 106 constituting the optical resonator. Be trapped. The trapped light repeats reflection between the waveguide type diffraction grating 105 and the waveguide type diffraction grating 106, and stimulated emission is repeated by the light reflected by the light emitting unit core 103.
[0043]
As a result, the light having the same phase is amplified, the intensity of the amplified light becomes more than a certain level, and the light is emitted as laser light from the waveguide type diffraction grating 105 having low reflectance. Thus, the laser light oscillated from the laser composed of the waveguide type diffraction gratings 105 and 106 and the light emitting portion core 103 is injected into the waveguide composed of the waveguide core 104.
[0044]
As described above, according to the silicon optical device of the present embodiment, the core and the light emitting portion made of silicon can be formed monolithically on the same substrate. Therefore, compared with the case where the light emitting portion and the waveguide are formed separately, complicated optical axis alignment is not required, and a silicon optical integrated circuit can be realized at low cost. In addition, since a known semiconductor device manufacturing method using silicon can be easily applied, miniaturization can be easily realized. Further, in the silicon optical device of FIG. 5, in addition to depleting the entire area of the light emitting portion core 103, due to the light emission effect of the rare earth element added to the insulating film 110, compared to the silicon optical device shown in FIG. A stronger laser beam can be oscillated.
[0045]
Next, a method for manufacturing the silicon optical element in the above-described embodiment will be briefly described with reference to FIGS.
First, a commercially available SOI (Silicon on Insulator) substrate is prepared, and this single crystal silicon layer is finely processed by a known photolithography technique and etching technique, and is formed on the lower cladding layer 102 on the substrate 101. The light emitting unit core 103, the waveguide core 104, and the waveguide type diffraction gratings 105 and 106 are formed, and the voltage applying units 107 and 108 that are thinner than the light emitting unit core 103 in contact with both sides of the light emitting unit core 103 are formed. (FIG. 2).
[0046]
The lower cladding layer 102 is a portion of the buried oxide layer of the SOI substrate. The single crystal silicon layer forming the light emitting portion core 103, the waveguide core 104, the waveguide type diffraction gratings 105 and 106, and the voltage application portions 107 and 108 is n-type high resistance silicon.
Thus, after each pattern is formed on the lower cladding layer 102, rare earth elements and oxygen atoms are introduced into the light emitting portion core 103. This introduction may be performed, for example, by forming a mask pattern in which the region of the light emitting core 103 is opened by a known photolithography technique and selectively implanting ions.
[0047]
The amount of rare earth element added to the light emitting core 103 is 1 × 10¹⁸~ 1x10²⁰cm^-3Any degree is acceptable. Further, the amount of oxygen atoms added to the light emitting portion core 103 is about 1 digit 10 times greater than that of rare earth elements.¹⁹~ 1x10^{twenty one}cm^-3It should be about. The rare earth element may be any one of erbium, thulium, and holmium. The light emitting part core 103 into which the rare earth element and the oxygen element are introduced becomes a laser active region.
[0048]
Next, as shown in FIG. 3, an upper clad layer 109 is formed. In the formation of the upper clad layer 109, first, a silicon-based insulating material such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film is deposited on the lower clad layer 102, and the light emitting portion core 103, the waveguide core 104, and the waveguide type diffraction. It is assumed that an insulating film that covers the gratings 105 and 106 and the voltage application units 107 and 108 is formed.
[0049]
Next, a mask pattern arranged on the light emitting portion core 103, the waveguide core 104, and the waveguide type diffraction gratings 105 and 106 of the formed insulating film is formed by a known photolithography technique. Next, the insulating film is selectively removed by etching using the mask pattern as a mask. At this time, even in a region where the mask is not formed, the insulating film remains thin, and the upper cladding layer 109 is formed.
[0050]
After the upper cladding layer 109 is formed as described above, selective ion implantation using a mask pattern is performed to form a p-type high concentration impurity region 107a in a part of the voltage application unit 107 as shown in FIG. In addition, an n-type high concentration impurity region 108 a is formed in a part of the voltage application unit 108.
The above steps are the same as in the first embodiment.
[0051]
Next, in the present embodiment, as shown in FIG. 6, an opening 109 a is formed in the upper clad layer 109 corresponding to the upper part of the light emitting unit core 103. In addition, an insulating film 110 having a thickness of about 50 nm to which a rare earth element is added is formed so as to cover at least the bottom surface of the opening 109a. The insulating film 110 may be formed by leaving the upper cladding layer 109 thin. The insulating film 110 may be made of silicon oxide or silicon oxynitride. Rare earth elements are 10¹⁴-10¹⁵cm^-2For example, erbium may be added in the same manner as the light emitting portion core 103.
[0052]
Here, after the above-described ion implantation, heat treatment at 700 to 1000 ° C. is performed in a nitrogen atmosphere to activate the ion implanted region and recover damage caused by the implantation.
Note that the rare earth element added to the insulating film 110 does not have to be the same as the rare earth element added to the light emitting core 103, and generates light having a shorter wavelength than the rare earth element added to the light emitting core 103. And it is sufficient.
[0053]
Thereafter, an opening is formed in the upper cladding layer 109 above the p-type high concentration impurity region 107a and the n-type high concentration impurity region 108a, and one of the p-type high concentration impurity region 107a and the n-type high concentration impurity region 108a is formed. The part area is exposed. Next, a film of an electrode material such as aluminum is deposited on these, and the formed film of the electrode material is patterned to expose the exposed p-type high concentration impurity regions 107a, n as shown in FIG. Electrodes 111 and 112 connected to the high concentration impurity region 108a are formed. If the electrode 113 and the wiring 114 connected thereto are formed on the insulating film 110, the silicon optical device shown in FIG. 5 is completed.
[0054]
In the above description, erbium is used as the rare earth element, but thulium or holmium may be used. When erbium is used, the oscillation wavelength is 1.54 μm, when thulium is used, the oscillation wavelength is 1.65 μm, and when Ho is used, the oscillation wavelength is 1.96 μm.
By the way, in the above-described embodiment, the PN structure or the PIN structure is used, and the light emitting portion core is depleted by these depletion means. However, the present invention is not limited thereto. For example, a metal electrode may be brought into contact with silicon to form a Schottky barrier, and the light emitting portion core may be depleted by this depletion means.
[0055]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, carriers accelerated by the rare earth element added to the light emitting unit core are applied by applying a potential so that the light emitting unit core is depleted by the first electrode and the second electrode. The rare earth elements were excited by collision to emit light at the light emitting core. This light emission is confined by a resonator composed of the first light reflecting means and the second light reflecting means, and reflection and stimulated emission are repeated, and laser light oscillates from the second reflecting means side.
[0056]
As described above, according to the present invention, since the light emitting part (laser) is constituted by the element using silicon, the core and the light emitting part made of silicon can be formed monolithically on the same substrate. Become. As a result, it is possible to obtain an excellent effect that a finer and cheaper silicon optical integrated circuit can be easily realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a plan view showing a configuration example of a silicon optical device according to an embodiment of the present invention, and FIG.
2 is a plan view (a) and cross-sectional views (b) and (c) showing a state in the middle of manufacturing the silicon optical device of FIG. 1. FIG.
3 is a plan view (a) and cross-sectional views (b) and (c) showing a state in the middle of manufacturing the silicon optical device of FIG. 1. FIG.
4 is a plan view (a) and sectional views (b) and (c) showing a state in the middle of manufacturing of the silicon optical device of FIG. 1. FIG.
5A is a plan view showing a configuration example of a silicon optical device according to another embodiment of the present invention, and FIGS. 5B, 5C, and 5D are cross-sectional views.
6 is a plan view (a) and sectional views (b) and (c) showing a state in the middle of manufacturing the silicon optical device of FIG. 5. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Substrate, 102 ... Lower clad layer, 103 ... Light emitting part core, 104 ... Waveguide core, 105, 106 ... Waveguide type diffraction grating, 107, 108 ... Voltage application part, 107a ... P-type high concentration impurity region, 108a ... n-type high concentration impurity region, 109 ... upper clad layer, 111, 112 ... electrodes.

Claims

Formed on the lower clad layer made of an insulating material, a light emitting unit core is formed of non-doped single crystal silicon rare earth element and an oxygen atom and has been at the length of the constant addition,
An upper clad made of a silicon compound insulator formed to cover the light emitting portion core ;
A first light reflection means provided on the side of one of the light emitting end of the front Symbol emitting unit core,
A second light reflecting means provided at the other light emitting end of the light emitting portion core and having a lower reflectance than the first light reflecting means ;
A p-type high-concentration impurity region made of single-crystal silicon disposed on the lower cladding layer in the vicinity of the light-emitting portion core and introduced with a high-concentration p-type impurity;
N made of single crystal silicon, which is disposed on the lower clad layer so as to face the p-type high-concentration impurity region so as to sandwich the light-emitting portion core in the vicinity of the light-emitting portion core, and is made of single crystal silicon into which n-type impurities are introduced at a high concentration. A high-concentration impurity region;
A first voltage application unit that is disposed between and in contact with the light emitting unit core and the p-type high-concentration impurity region, and is made of non-doped single crystal silicon that is thinner than the light emitting unit core;
A second voltage applying unit that is disposed between and in contact with the light emitting unit core and the n-type high-concentration impurity region, and is made of non-doped single crystal silicon that is thinner than the light emitting unit core;
A first electrode that is ohmically connected to the p-type high concentration impurity region and to which a predetermined potential is applied;
A second electrode ohmically connected to the n-type high concentration impurity region and applied with a predetermined potential;
Including the first electrode and the second electrode, and comprising at least one or both of the n-type high-concentration impurity region and the p-type high-concentration impurity region, and depleting at least a part of the light emitting unit core Depletion means
A silicon optical element comprising at least

The silicon optical device according to claim 1,
A recess provided in the upper clad on the upper surface of the light emitting unit core;
A thin insulating film in contact with the top surface of the light emitting unit core at the bottom of the recess;
A third electrode provided on and in contact with the insulating film to generate an electron accumulation layer at an interface between the insulating film and the light emitting unit core and to cause a tunnel current to flow through the insulating film;
With
The silicon optical element , wherein the insulating film is added with either a rare earth element added to the light emitting portion core or a rare earth element having a shorter emission wavelength .

The silicon optical device according to claim 2 , wherein
The silicon optical element, wherein the insulating film is a part of the upper cladding layer.

In the silicon optical element according to any one of claims 1 to 3 ,
The first light reflecting means and the second light reflecting means are arranged at a predetermined interval in a waveguide direction of light emitted from the light emitting portion core, and have a single crystal having the same cross-sectional shape as the light emitting portion core A silicon optical element, characterized by being a waveguide type diffraction grating composed of a plurality of patterns made of silicon and covered with the upper clad.

In the silicon optical device according to any one of claims 1 to 4 ,
A waveguide core made of single crystal silicon disposed on the lower cladding layer on one light emitting end side of the light emitting core and having the same cross-sectional shape as the light emitting core;
The upper clad is formed so as to cover the waveguide core continuously from the light emitting portion core.