JP5980645B2 - グラフェンを利用した光変調器 - Google Patents
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Description
本発明は、グラフェンを利用して、高速動作が可能な電界吸収光変調器に関する。
光変調器は、光の属性、一例として光度または光の位相を変化させて、光による情報の伝送を行う装置である。光変調器は、光が通過する光導波路、例えば、半導体物質の光導波路に加えられる電流または電圧により発生する電界屈折または電界吸収の変化を利用できる。
電界吸収光変調器は、光導波路にバイアス電圧を加えて、フランツ・ケルディシュ効果により、バンドギャップサイズに変化が発生して、光吸収速度（ｌｉｇｈｔ−ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｒａｔｅ）が変わる現象を利用する。
従来のほとんどの光変調器は、特定の波長の光でのみ光の特性が変わるので、作動範囲が２０ｎｍ以下と狭い。また、ＲＣ（ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ−ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）遅延により、高速変調器を製造しがたい。また、光導波路の単位長あたり変調可能な光の変化である変調深さが小さく、十分な変調のためにサイズが大きくなる。
グラフェンは、二次元六角形炭素構造を有する、半導体を代替できる新たな物質である。グラフェンは、キャリア移動度が、常温で２００，０００ｃｍ２Ｖ−１ｓ−１であって、既存のシリコンに比べて約１００倍高く、高速動作素子、例えば、光変調器に応用される。
M.Liu et al.,Nature vol.474(2011),p64-67
"Graphene optical modulators could lead to ultrafast communications"、[online]PHYSorg.com、 インターネット<http://www.physorg.com/news/2011-05-graphene-optical-modulators-ultrafast.html>
T.Mueller et al.,Nature photonics vol.4(2010),p297-301
本発明の目的は、変調深さが深く、小型かつ高速で動作するグラフェンを利用した光変調器を提供することである。
本発明の一実施形態によるグラフェンを利用した光変調器は、半導体層と、前記半導体層の上面上に位置した第１グラフェン及び第２グラフェンと、前記第１グラフェン上に位置した第１電極と、前記第２グラフェン上に位置した第２電極と、を備え、前記第１グラフェンの一側と前記第２グラフェンの一側とは離隔して位置する。
前記半導体層は、前記半導体層の底面から突出して形成された第１リッジ部をさらに備え、前記第１グラフェン及び前記第２グラフェンのうち少なくとも一つは、前記第１リッジ部の上面及び一側面を覆うように屈曲した構造を有してもよい。
前記半導体層と前記第１グラフェンとの間に位置した第１絶縁層を備えてもよい。
前記第１絶縁層は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ホウ素、及び六方晶系の窒化ホウ素からなる群から選択されたいずれか一つからなってもよい。
前記第１グラフェンと前記第２グラフェンとの間に位置した第２絶縁層を備えてもよい。
前記第２絶縁層は、１ｎｍないし１００ｎｍの厚さに形成されてもよい。
前記半導体層は、前記半導体層の底面から突出して形成された第１リッジ部と、前記第２グラフェン上に位置し、当該第１リッジ部と対向して形成された第２リッジ部とを備えてもよい。
前記第２グラフェンと前記第２リッジ部との間に位置した第３絶縁層を備えてもよい。
前記半導体層及び前記第２リッジ部は、シリコン、ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体、及びＩＩ−ＩＶ族の半導体からなる群から選択されたいずれか一つからなってもよい。
前記半導体層の第１リッジ部と前記第２リッジ部とは、光導波路をなし、前記第１グラフェン及び前記第２グラフェンは、前記光導波路の垂直面上でほぼ中央に形成されてもよい。
前記第１リッジ部は、エピタキシャル成長のシリコン層であり、前記第２リッジ部は、ポリシリコン層または非晶質シリコン層であってもよい。
前記第１グラフェン及び前記第２グラフェンは、それぞれ単層または二層のグラフェン層であってもよい。
本発明の他の実施形態によるグラフェンを利用した光変調器は、半導体層と、前記半導体層の上面上に位置した第１グラフェン及び第２グラフェンと、前記第１グラフェン上に位置した第１電極と、前記第２グラフェン上に位置した第２電極と、を備え、前記第１グラフェンと前記第２グラフェンとは、前記半導体層の底面と平行な平面構造を有し、前記第１グラフェンの一側と前記第２グラフェンの一側とは離隔して位置する。
本発明のさらに他の実施形態によるグラフェンを利用した光変調器は、半導体層と、前記半導体層の上面上に位置した第１グラフェン及び第２グラフェンと、前記第１グラフェン上に位置した第１電極と、前記第２グラフェン上に位置した第２電極と、を備え、前記第１グラフェンの一側と前記第２グラフェンの一側とは、前記半導体層の底面と平行な方向に第１ギャップほど離隔して位置する。
前記半導体層は、前記半導体層の底面から突出して形成された第１リッジ部をさらに備え、前記第１グラフェン及び前記第２グラフェンのうち少なくとも一つは、前記第１リッジ部の上面及び一側面を覆うように屈曲した構造を有してもよい。
前記第１ギャップは、１ｎｍないし１００ｎｍの幅に形成されてもよい。
本発明のさらに他の実施形態によるグラフェンを利用した光変調器は、半導体層と、前記半導体層の上面上に位置した第１グラフェン及び第２グラフェンと、前記第１グラフェン上に位置した第１電極と、前記第２グラフェン上に位置した第２電極と、を備え、前記第１グラフェン及び前記第２グラフェンは、前記半導体層の底面と平行な平面構造を有し、前記第１グラフェンの一側と前記第２グラフェンの一側とは、前記半導体層の底面と平行な方向に第１ギャップほど離隔して位置する。
本発明によるグラフェンを利用した光変調器は、光導波路の中央に電極と連結された二つのグラフェンを配置して、グラフェンの光吸収作用を大きくすることで、変調深さを増加させ、光変調器のサイズを減少させることができる。
以下、添付された図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。この過程において、図面に示す層や領域の厚さは、明細書の明確性のために誇張されて示されたものである。明細書を通じて、実質的に同じ構成要素には、同じ参照番号を使用し、詳細な説明は省略する。
図１は、本発明の一実施形態による光変調器１００を概略的に示す斜視図であり、図２は、図１のII−II’線の断面図である。
図１及び図２を参照すれば、基板１１０上に酸化物層１１２が形成され、酸化物層１１２上に、第１リッジ部１２４を備える半導体層１２０が形成される。基板１１０は、シリコン、ゲルマニウム、シリコン・ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体、ＩＩ−ＶＩ族の半導体で形成される。図１及び図２に示すように、第１リッジ部１２４は、底面１２０ａ，１２０ｂから突出した部分であって、底面１２０ａ，１２０ｂと平行な上面１２４ａ及び側面１２４ｂ，１２４ｃを含む構造を有する。しかし、これは、一例に過ぎない。一例として、側面１２４ｂ，１２４ｃは、図１及び図２と異なり、底面１２０ａ，１２０ｂと垂直でなくてもよく、また、上面１２４ａは、最終の使用目的によって平面構造以外の変形された形態を有してもよい。
基板１１０上の酸化物層１１２は、埋め込み酸化物層であってもよい。基板１１０及び半導体層１２０がシリコンで形成され、酸化物層１１２が酸化シリコンで形成された埋め込み酸化物層の場合、それらの構造は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１１０にリッジ部を形成した構造である。
第１リッジ部１２４を備える半導体層１２０は、基板１１０と同じ物質で形成される。
第１リッジ部１２４を備える半導体層１２０上には、第１絶縁層１３１が形成される。第１絶縁層１３１は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ホウ素、及び六方晶系の窒化ホウ素などであり、約数ｎｍないし数百ｎｍの厚さに形成される。
第１リッジ部１２４を備える半導体層１２０上には、第１絶縁層１３１が形成される。第１絶縁層１３１は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ホウ素、及び六方晶系の窒化ホウ素などであり、約数ｎｍないし数百ｎｍの厚さに形成される。
第１絶縁層１３１上には、第１グラフェン１４１が形成される。第１グラフェン１４１は、化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ： ＣＶＤ）工程により製造されたグラフェンを第１絶縁層１３１上に転写して形成される。図１及び図２のように、第１グラフェン１４１は、屈曲した構造であり、第１リッジ部１２４の上面１２４ａ及び一側面１２４ｂ、一側面１２４ｂから延びた底面１２０ａにのみ形成される。また、第１グラフェン１４１は、第１リッジ部１２４の上面１２４ａで、第１リッジ部１２４の右側エッジから離隔して形成される。第１グラフェン１４１上で、第１リッジ部１２４と離隔するように、第１電極１６１が形成される。
第１リッジ部１２４の上面１２４ａで、第１グラフェン１４１を覆う第２絶縁層１３２が形成される。第２絶縁層１３２は、第１リッジ部１２４の他の側面１２４ｃ及び他の底面１２０ｂ上に延びつつ、第１絶縁層１３１を覆ってもよい。第２絶縁層１３２は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ホウ素、及び六方晶系の窒化ホウ素などであり、約１ｎｍないし１００ｎｍの厚さに形成される。第２絶縁層１３２の厚さが１ｎｍより薄ければ、キャパシタンスの増加により、ＲＣ遅延が大きくなり、光変調器１００の動作速度が遅くなる。第２絶縁層１３２の厚さが１００ｎｍより厚ければ、光変調器１００の駆動電圧が上昇する。
第２絶縁層１３２上には、第２グラフェン１４２が形成される。第２グラフェン１４２の一側面は、第１グラフェン１４１の一側と底面１２０ａ，１２０ｂに垂直な方向に離隔して平行に形成される。第２グラフェン１４２は、ＣＶＤ工程により製造されたグラフェンを第２絶縁層１３２上に転写して形成される。図１及び図２に示すように、第２グラフェン１４２も屈曲した構造を有し、第１リッジ部１２４の上方から、第１リッジ部１２４の他の側面１２４ｃ及び他の底面１２０ｂ上に延びて形成される。
このように、第１グラフェン１４１と第２グラフェン１４２は、半導体層の上面上に互いに離隔して位置しているものの、第１グラフェン１４１の一側と第２グラフェン１４２の一側とは近接して位置している。また、光変調器１００を基板１１０の鉛直方向から見たとき、第１グラフェン１４１と第２グラフェン１４２とは部分的に重なり合っている。
第１グラフェン１４１及び第２グラフェン１４２は、単層または二層のグラフェン層であってもよい。
第２グラフェン１４２上で、第１リッジ部１２４と離隔して他の底面１２０ｂ上に第２電極１６２が形成される。第１電極１６１及び第２電極１６２は、通常の電極物質、例えば、金、銅、白金、モリブデン、パラジウムなどで形成される。
第１電極１６１及び第２電極１６２は、それぞれ第１リッジ部１２４から約１００ｎｍないし数μｍ離隔して形成される。これは、図３に示すように、光導波路を通過する光透過領域が光導波路より大きいので、第１電極１６１及び第２電極１６２が光透過を妨害しないように、ある程度第１リッジ部１２４から離隔して形成するのである。本実施形態では、第１電極１６１と連結された第１グラフェン１４１と、第２電極１６２と連結された第２グラフェン１４２とを光透過領域に配置する。第１グラフェン１４１及び第２グラフェン１４２は、光透過領域で透明である。
第２グラフェン１４２上で、第１リッジ部１２４の上面１２４ａに第３絶縁層１３３が形成される。第３絶縁層１３３は、第１絶縁層１３１と同じ物質で、約数ｎｍないし数百ｎｍの厚さに形成される。
第３絶縁層１３３上には、第１リッジ部１２４と対向するように、第２リッジ部１５０が形成される。第２リッジ部１５０の高さは、第１リッジ部１２４の高さと略同じ高さである。第１リッジ部１２４、第２リッジ部１５０及びその間の層は、光導波路を形成する。第１リッジ部１２４と第２リッジ部１５０とが略同じ高さに形成されれば、第１グラフェン１４１及び第２グラフェン１４２は、光導波路の底面１２０ａ，１２０ｂに対する垂直方向において、光導波路のほぼ中央に位置する。
第１絶縁層１３１ないし第３絶縁層１３３は、窒化ホウ素または六方晶系の窒化ホウ素で形成される時、第１グラフェン１４１及び第２グラフェン１４２での移動度特性の低下が減少する。
第２リッジ部１５０は、第１リッジ部１２４と屈折率が同じ程度の物質で形成される。例えば、第２リッジ部１５０は、第１リッジ部１２４と同じ物質で形成される。第１リッジ部１２４は、エピタキシャル成長された半導体層であり、第２リッジ部１５０は、蒸着された半導体層である。例えば、第１リッジ部１２４は、シリコンエピタキシャル層であり、第２リッジ部１５０は、ポリシリコン層または非晶質シリコン層である。
図３は、本発明の実施形態による光変調器１００に電圧を印加する時、光度を示す図面である。
図３を参照すれば、第１電極１６１と第２電極１６２との間に所定の電圧を印加すれば、第１グラフェン１４１と第２グラフェン１４２とのフェルミ準位が、一方は減少し、他方は増加する。これによって、第１グラフェン１４１及び第２グラフェン１４２に吸収されるキャリア量が減少して、結局、光吸収が低下し、したがって、光導波路を通過する光量が増加する。結果として、光導波路を通過する光度が上昇する。かかる作用を利用すれば、光変調器１００を通過する光の通過を調節できる。
一方、光度の高い光導波路の中央部に、第１グラフェン１４１及び第２グラフェン１４２が配置されるので、光の変調深さが増加する。これによって、光導波路の長さＬ（図１）を減少させることが可能となるので、光変調器１００のサイズが減少しうる。
図４は、本発明の他の実施形態による光変調器２００を概略的に示す断面図である。図１及び図２の構造と実質的に同じ構成要素には、同じ参照番号を使用し、詳細な説明は省略する。
図４を参照すれば、基板２１０上に酸化物層２１２が形成され、酸化物層２１２上に第１リッジ部２２４を備える半導体層２２０が形成される。基板２１０は、シリコン、ゲルマニウム、シリコン・ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体、ＩＩ−ＶＩ族の半導体で形成される。
基板２１０上の酸化物層２１２は、埋め込み酸化物層であってもよい。基板２１０及び半導体層２２０がシリコンで形成され、酸化物層２１２が酸化シリコンで形成される埋め込み酸化物層の場合、それらの構造は、ＳＯＩ基板２１０にリッジ部を形成した構造である。
第１リッジ部２２４を備える半導体層２２０の底面２２０ａ上に、第１リッジ部２２４の上面２２４ａと同じ高さに絶縁層２２８が形成される。
第１リッジ部２２４の上面２２４ａ及び絶縁層２２８上に、第１絶縁層２３１が形成される。第１絶縁層２３１は、絶縁層２２８上に延びて形成される。第１絶縁層２３１は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ホウ素、及び六方晶系の窒化ホウ素などであり、約数ｎｍないし数百ｎｍの厚さに形成される。第１絶縁層２３１上には、第１グラフェン２４１が形成される。第１グラフェン２４１は、第１リッジ部２２４の上面２２４ａと、第１リッジ部２２４の一側の絶縁層２２８とを覆うように形成される。第１グラフェン２４１は、ＣＶＤ工程により製造されたグラフェンを第１絶縁層２３１上に転写して形成される。第１グラフェン２４１上で、第１リッジ部２２４と離隔するように、第１電極２６１が形成される。
第１グラフェン２４１上で、第１リッジ部２２４の上面２２４ａ上に第２絶縁層２３２が形成される。第２絶縁層２３２は、第１リッジ部２２４の他側の絶縁層２２８上に延びて形成される。第２絶縁層２３２は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ホウ素、及び六方晶系の窒化ホウ素などであり、約１ｎｍないし１００ｎｍの厚さに形成される。
第２絶縁層２３２上で、第１リッジ部２２４の上面２２４ａから第１リッジ部２２４の他側の絶縁層２２８上に延びた第２グラフェン２４２が形成される。第２グラフェン２４２の一側は、第１グラフェン２４１の一側と、半導体層２２０の底面２２０ａとの垂直な方向に離隔して平行に形成される。第２グラフェン２４２は、ＣＶＤ工程により製造されたグラフェンを第２絶縁層２３２上に転写して形成される。図４における第１グラフェン２４１と第２グラフェン２４２とは、図１及び図２と異なり、屈曲した構造ではない平面構造を有する。
このように、第１グラフェン２４１と第２グラフェン２４２は、半導体層の上面上に互いに離隔して位置しているものの、第１グラフェン２４１の一側と第２グラフェン２４２の一側とは近接して位置している。また、光変調器２００を基板２１０の鉛直方向から見たとき、第１グラフェン２４１と第２グラフェン２４２とは部分的に重なり合っている。
第１グラフェン２４１及び第２グラフェン２４２は、単層または二層のグラフェン層であってもよい。
第２グラフェン２４２上で、第１リッジ部２２４の上面２２４ａ上には、第３絶縁層２３３が形成される。第３絶縁層２３３は、第１絶縁層２３１と同じ物質で、約数ｎｍないし数百ｎｍの厚さに形成される。
第３絶縁層２３３上には、第１リッジ部２２４と対向するように、第２リッジ部２５０が形成される。第２リッジ部２５０の高さは、第１リッジ部２２４の高さと略同じ高さである。第１リッジ部２２４、第２リッジ部２５０及びその間の層は、光導波路を形成する。第１リッジ部２２４と第２リッジ部２５０とが略同じ高さに形成されるので、第１グラフェン２４１及び第２グラフェン２４２は、垂直面上で光導波路のほぼ中央に位置する。
第１絶縁層２３１ないし第３絶縁層２３３は、窒化ホウ素または六方晶系の窒化ホウ素で形成される時、第１グラフェン２４１及び第２グラフェン２４２での移動度特性の低下が減少する。
第２リッジ部２５０は、第１リッジ部２２４と屈折率が同じ程度の物質または同じ物質で形成される。第１リッジ部２２４は、エピタキシャル成長された半導体層であり、第２リッジ部２５０は、蒸着された半導体層である。例えば、第１リッジ部２２４は、シリコンエピタキシャル層であり、第２リッジ部２５０は、ポリシリコン層または非晶質シリコン層である。
第２グラフェン２４２上で、第１リッジ部２２４と離隔するように、第２電極２６２が形成される。第１電極２６１及び第２電極２６２は、通常の電極物質、例えば、金、銅、白金、モリブデン、パラジウムなどで形成される。
本発明の他の実施形態による光変調器２００は、リッジ部の両側に、リッジ部と同じ平面を有する絶縁層２２８を形成するので、第１リッジ部２２４上にグラフェン層及び絶縁層を形成することが容易である。光変調器２００の他の作用は、光変調器１００と実質的に同一であるので、詳細な説明は省略する。
図５は、本発明のさらに他の実施形態による光変調器３００を概略的に示す断面図である。
図５を参照すれば、基板３１０上に酸化物層３１２が形成され、酸化物層３１２上に、第１リッジ部３２４を備える半導体層３２０が形成される。基板３１０は、シリコン、ゲルマニウム、シリコン・ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体、ＩＩ−ＶＩ族の半導体で形成される。
基板３１０上の酸化物層３１２は、埋め込み酸化物層であってもよい。基板３１０及び半導体層３２０がシリコンで形成され、酸化物層３１２が酸化シリコンで形成される埋め込み酸化物層の場合、それらの構造は、ＳＯＩ基板にリッジ部を形成した構造である。
第１リッジ部３２４を備える半導体層３２０は、基板３１０と同じ物質で形成される。
第１リッジ部３２４を備える半導体層３２０上には、第１絶縁層３３１が形成される。第１絶縁層３３１は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ホウ素、及び六方晶系の窒化ホウ素などであり、約数ｎｍないし数百ｎｍの厚さに形成される。
第１絶縁層３３１上には、第１リッジ部３２４の上面３２４ａからそれぞれ延びて、半導体層３２０の底面３２０ａ，３２０ｂまで延びた第１グラフェン３４１及び第２グラフェン３４２が形成される。第１グラフェン３４１及び第２グラフェン３４２は、ＣＶＤ工程により製造されたグラフェンを第１絶縁層３３１上に転写して形成される。第１グラフェン３４１及び第２グラフェン３４２は、単層または二層のグラフェン層であり、図１及び図２のように屈曲した構造を有する。
第１絶縁層３３１上で、第１グラフェン３４１の一側と第２グラフェン３４２の一側とは、第１リッジ部３２４の上面３２４ａで第１ギャップＧを有し、底面３２０ａ，３２０ｂと平行な方向に近接して形成される。第１ギャップＧは、第１リッジ部３２４の上面上で中央に配置されるように、第１グラフェン３４１及び第２グラフェン３４２が配置される。第１ギャップＧは、１ｎｍないし１００ｎｍである。第１ギャップＧが１ｎｍより小さければ、キャパシタンスの増加により、ＲＣ遅延が大きくなり、動作速度が遅くなる。第１ギャップＧが１００ｎｍより大きければ、駆動電圧が上昇する。
第１グラフェン３４１上で、第１リッジ部３２４と離隔するように、第１電極３６１が形成される。半導体層３２０の他の底面３２０ｂで、第１リッジ部３２４と離隔するように、第２電極３６２が形成される。
第１電極３６１及び第２電極３６２は、通常の電極物質、例えば、金、銅、白金、モリブデン、パラジウムなどで形成される。
第１絶縁層３３１上には、第１グラフェン３４１及び第２グラフェン３４２を覆う第２絶縁層３３２が形成される。第２絶縁層３３２は、第１絶縁層３３１と同じ物質で、約数ｎｍないし数百ｎｍの厚さに形成される。
第２絶縁層３３２上には、第１リッジ部３２４と対向するように、第２リッジ部３５０が形成される。第２リッジ部３５０の高さは、第１リッジ部３２４の高さと略同じ高さである。第１リッジ部３２４、第２リッジ部３５０及びその間の層は、光導波路を形成する。第１リッジ部３２４と第２リッジ部３５０とが略同じ高さに形成されるので、第１グラフェン３４１及び第２グラフェン３４２は、底面３２０ａ，３２０ｂに垂直方向に光導波路のほぼ中央に位置する。
第１絶縁層３３１及び第２絶縁層３３２は、窒化ホウ素または六方晶系の窒化ホウ素で形成される時、第１グラフェン３４１及び第２グラフェン３４２での移動度特性の低下が減少する。
第２リッジ部３５０は、第１リッジ部３２４と屈折率が同じ程度の物質または同じ物質で形成される。第１リッジ部３２４は、エピタキシャル成長された半導体層３２０であり、第２リッジ部３５０は、蒸着された半導体層である。例えば、第１リッジ部３２４は、シリコンエピタキシャル層であり、第２リッジ部３５０は、ポリシリコン層または非晶質シリコン層である。
このように、第１グラフェン３４１と第２グラフェン３４２は、半導体層の上面上に互いに離隔して位置しているものの、第１グラフェン３４１の一側と第２グラフェン３４２の一側とは近接して位置している。
本発明のさらに他の実施形態による光変調器３００は、光変調器１００と比較して構造が簡単であり、製造工程が容易であり、その作用は、光変調器１００と実質的に同一であるので、詳細な説明は省略する。
図６は、本発明のさらに他の実施形態による光変調器４００を概略的に示す断面図である。図５の構造と実質的に同じ構成要素には、同じ参照番号を使用し、詳細な説明は省略する。
図６を参照すれば、基板４１０上に酸化物層４１２が形成され、酸化物層４１２上に第１リッジ部４２４を備える半導体層４２０が形成される。基板４１０は、シリコン、ゲルマニウム、シリコン・ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体、ＩＩ−ＶＩ族の半導体で形成される。
基板４１０上の酸化物層４１２は、埋め込み酸化物層であってもよい。基板４１０及び半導体層４２０がシリコンで形成され、酸化物層４１２が酸化シリコンで形成される埋め込み酸化物層の場合、それらの構造は、ＳＯＩ基板４１０にリッジ部を形成した構造である。
第１リッジ部４２４を備える半導体層４２０の底面４２０ａ上に、絶縁層４２８が形成される。絶縁層４２８は、第１リッジ部４２４の上面４２４ａと同じ高さに形成される。
第１リッジ部４２４の上面４２４ａに、第１絶縁層４３１が形成される。第１絶縁層４３１は、絶縁層４２８上に延びて形成される。第１絶縁層４３１は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ホウ素、及び六方晶系の窒化ホウ素などであり、約数ｎｍないし数百ｎｍの厚さに形成される。第１絶縁層４３１上で、第１リッジ部４２４の上面４２４ａ上からそれぞれ前記絶縁層４２８上に延びるように、第１グラフェン４４１及び第２グラフェン４４２が形成される。第１グラフェン４４１及び第２グラフェン４４２は、ＣＶＤ工程により製造されたグラフェンを第１絶縁層４３１上に転写して形成される。第１グラフェン４４１及び第２グラフェン４４２は、単層または二層のグラフェン層である。
第１絶縁層４３１の第１リッジ部４２４の上面４２４ａの領域で、第１グラフェン４４１の一側と第２グラフェン４４２の一側とは、第１ギャップＧほど底面４２０ａと平行な方向に近接して形成される。第１ギャップＧは、１ｎｍないし１００ｎｍである。第１ギャップＧは、第１リッジ部４２４の中央に位置する。
第１グラフェン４４１上で、第１リッジ部４２４の領域と離隔するように、第１電極４６１が形成される。第２グラフェン４４２上で、第１リッジ部４２４の領域と離隔するように、絶縁層４２８上に第２電極４６２が形成される。第１電極４６１及び第２電極４６２は、通常の電極物質、例えば、金、銅、白金、モリブデン、パラジウムなどで形成される。
第１絶縁層４３１上に、第１グラフェン４４１及び第２グラフェン４４２の一部を覆う第２絶縁層４３２が形成される。第２絶縁層４３２は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ホウ素、及び六方晶系の窒化ホウ素などであり、約数ｎｍないし数百ｎｍの厚さに形成される。
第２絶縁層４３２上には、第１リッジ部４２４と対向するように、第２リッジ部４５０が形成される。第２リッジ部４５０の高さは、第１リッジ部４２４の高さと略同じ高さである。第１リッジ部４２４、第２リッジ部４５０及びその間の層は、光導波路を形成する。第１リッジ部４２４と第２リッジ部４５０とが略同じ高さに形成されるので、第１グラフェン４４１及び第２グラフェン４４２は、底面４２０ａに垂直方向に光導波路のほぼ中央に位置する。
第２リッジ部４５０は、第１リッジ部４２４と屈折率が同じ程度の物質または同じ物質で形成される。第１リッジ部４２４は、エピタキシャル成長された半導体層であり、第２リッジ部４５０は、蒸着された半導体層である。例えば、第１リッジ部４２４は、シリコンエピタキシャル層であり、第２リッジ部４５０は、ポリシリコン層または非晶質シリコン層である。
このように、第１グラフェン４４１と第２グラフェン４４２は、半導体層の上面上に互いに離隔して位置しているものの、第１グラフェン４４１の一側と第２グラフェン４４２の一側とは近接して位置している。
本発明のさらに他の実施形態による光変調器４００は、第１リッジ部４２４の両側に、第１リッジ部４２４と同じ上面を有する絶縁層４２８を形成するので、第１リッジ部４２４上にグラフェン層を形成することが容易である。光変調器４００の他の作用は、光変調器１００と実質的に同一であるので、詳細な説明は省略する。
以上、添付された図面を参照して説明された本発明の実施形態は、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であることを理解できるであろう。したがって、本発明の真の保護範囲は、特許請求の範囲により決まらねばならない。
本発明は、例えば、光通信関連の技術分野に適用可能である。
１００，２００，３００，４００ 光変調器、
１１０，２１０，３１０，４１０ 基板、
１１２，２１２，３１２，４１２ 酸化物層、
１２０，２２０，３２０，４２０ 半導体層、
１２０ａ，１２０ｂ，２２０ａ，３２０ａ，３２０ｂ，４２０ａ 底面、
１２４，２２４，３２４，４２４ 第１リッジ部、
１２４ａ，２２４ａ，３２４ａ，４２４ａ 上面、
１２４ｂ，１２４ｃ 側面、
１３１，２３１，３３１，４３１ 第１絶縁層、
１３２，２３２，３３２，４３２ 第２絶縁層、
１３３，２３３ 第３絶縁層、
１４１，２４１，３４１，４４１ 第１グラフェン、
１４２，２４２，３４２，４４２ 第２グラフェン、
１５０，２５０，３５０，４５０ 第２リッジ部、
１６１，２６１，３６１，４６１ 第１電極、
１６２，２６２，３６２，４６２ 第２電極、
２２８，４２８ 絶縁層。
１１０，２１０，３１０，４１０ 基板、
１１２，２１２，３１２，４１２ 酸化物層、
１２０，２２０，３２０，４２０ 半導体層、
１２０ａ，１２０ｂ，２２０ａ，３２０ａ，３２０ｂ，４２０ａ 底面、
１２４，２２４，３２４，４２４ 第１リッジ部、
１２４ａ，２２４ａ，３２４ａ，４２４ａ 上面、
１２４ｂ，１２４ｃ 側面、
１３１，２３１，３３１，４３１ 第１絶縁層、
１３２，２３２，３３２，４３２ 第２絶縁層、
１３３，２３３ 第３絶縁層、
１４１，２４１，３４１，４４１ 第１グラフェン、
１４２，２４２，３４２，４４２ 第２グラフェン、
１５０，２５０，３５０，４５０ 第２リッジ部、
１６１，２６１，３６１，４６１ 第１電極、
１６２，２６２，３６２，４６２ 第２電極、
２２８，４２８ 絶縁層。
Claims (41)
- 半導体層と、
前記半導体層の上面上に位置した第１グラフェン及び第２グラフェンと、
前記第１グラフェン上に位置した第１電極と、
前記第２グラフェン上に位置した第２電極と、を備え、
前記半導体層は、前記半導体層の底面から突出して形成された第１リッジ部を備え、
前記第１グラフェン及び前記第２グラフェンのうち少なくとも一つは、前記第１リッジ部の上面及び一側を覆うように屈曲した構造を有し、
前記第１グラフェンの一側と前記第２グラフェンの一側とは離隔して位置したことを特徴とするグラフェンを利用した光変調器。 - 前記半導体層と前記第１グラフェンとの間に位置した第１絶縁層と、
前記第１グラフェンと前記第２グラフェンとの間に位置した第２絶縁層と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のグラフェンを利用した光変調器。 - 前記第１絶縁層及び前記第２絶縁層は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ホウ素、及び六方晶系の窒化ホウ素からなる群から選択されたいずれか一つからなることを特徴とする請求項２に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 前記第２絶縁層は、１ｎｍないし１００ｎｍの厚さに形成されたことを特徴とする請求項２または３に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 半導体層と、
前記半導体層の上面上に位置した第１グラフェン及び第２グラフェンと、
前記第１グラフェン上に位置した第１電極と、
前記第２グラフェン上に位置した第２電極と、を備え、
前記半導体層は、前記半導体層の底面から突出して形成された第１リッジ部と、前記第２グラフェン上に位置し、当該第１リッジ部と対向して形成された第２リッジ部とを備え、
前記第１グラフェンの一側と前記第２グラフェンの一側とは離隔して位置したことを特徴とするグラフェンを利用した光変調器。 - 前記第２グラフェンと前記第２リッジ部との間に位置した第３絶縁層を備えることを特徴とする請求項５に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 前記第３絶縁層は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ホウ素、及び六方晶系の窒化ホウ素からなる群から選択されたいずれか一つからなることを特徴とする請求項６に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 前記半導体層及び前記第２リッジ部は、シリコン、ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体、及びＩＩ−ＩＶ族の半導体からなる群から選択されたいずれか一つからなることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 前記半導体層の第１リッジ部と前記第２グラフェン上に位置した第２リッジ部とは、光導波路をなし、
前記第１グラフェン及び前記第２グラフェンは、前記半導体層に対する垂直方向において、前記光導波路のほぼ中央に形成されたことを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載のグラフェンを利用した光変調器。 - 前記第１リッジ部は、エピタキシャル成長のシリコン層であり、前記第２リッジ部は、ポリシリコン層または非晶質シリコン層であることを特徴とする請求項９に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 前記第１グラフェン及び前記第２グラフェンは、それぞれ単層または二層のグラフェン層であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 半導体層と、
前記半導体層の上面上に位置した第１グラフェン及び第２グラフェンと、
前記第１グラフェン上に位置した第１電極と、
前記第２グラフェン上に位置した第２電極と、を備え、
前記半導体層は、前記半導体層の底面から突出して形成された第１リッジ部と、前記第２グラフェン上に位置し、当該第１リッジ部と対向して形成された第２リッジ部とを備え、
前記第１グラフェン及び前記第２グラフェンは、前記半導体層の底面と平行な平面構造を有し、
前記第１グラフェンの一側と前記第２グラフェンの一側とは離隔して位置したことを特徴とするグラフェンを利用した光変調器。 - 前記半導体層と前記第１グラフェンとの間に位置した第１絶縁層と、
前記第１グラフェンと前記第２グラフェンとの間に位置した第２絶縁層と、をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載のグラフェンを利用した光変調器。 - 前記第１絶縁層及び前記第２絶縁層は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ホウ素、及び六方晶系の窒化ホウ素からなる群から選択されたいずれか一つからなることを特徴とする請求項１３に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 前記第２絶縁層は、１ｎｍないし１００ｎｍの厚さに形成されたことを特徴とする請求項１３または１４に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 前記第２グラフェンと前記第２リッジ部との間に位置した第３絶縁層をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 前記第３絶縁層は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ホウ素、及び六方晶系の窒化ホウ素からなる群から選択されたいずれか一つからなることを特徴とする請求項１６に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 前記半導体層及び前記第２リッジ部は、シリコン、ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体、及びＩＩ−ＩＶ族の半導体からなる群から選択されたいずれか一つからなることを特徴とする請求項１２〜１７のいずれか１項に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 前記半導体層の第１リッジ部と前記第２リッジ部とは、光導波路をなし、
前記第１グラフェン及び前記第２グラフェンは、前記光導波路の垂直面上でほぼ中央に形成されたことを特徴とする請求項１２〜１８のいずれか１項に記載のグラフェンを利用した光変調器。 - 前記第１リッジ部は、エピタキシャル成長のシリコン層であり、前記第２リッジ部は、ポリシリコン層または非晶質シリコン層であることを特徴とする請求項１９に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 前記第１グラフェン及び前記第２グラフェンは、それぞれ単層または二層のグラフェン層であることを特徴とする請求項１２〜２０のいずれか１項に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 半導体層と、
前記半導体層の上面上に位置した第１グラフェン及び第２グラフェンと、
前記第１グラフェン上に位置した第１電極と、
前記第２グラフェン上に位置した第２電極と、を備え、
前記半導体層は、前記半導体層の底面から突出して形成された第１リッジ部を備え、
前記第１グラフェン及び前記第２グラフェンのうち少なくとも一つは、前記第１リッジ部の上面及び一側面を覆うように屈曲した構造を有し、
前記第１グラフェンの一側と前記第２グラフェンの一側とは、前記半導体層の底面と平行な方向に第１ギャップほど離隔して位置したことを特徴とするグラフェンを利用した光変調器。 - 前記半導体層は、前記第２グラフェン上に位置し、前記第１リッジ部と対向して形成された第２リッジ部とを備えることを特徴とする請求項２２に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 前記半導体層上で、前記第１グラフェン及び前記第２グラフェン下に位置した第１絶縁層と、
前記第１グラフェン及び第２グラフェン上で、前記第２リッジ部下に位置した第２絶縁層と、をさらに備えることを特徴とする請求項２３に記載のグラフェンを利用した光変調器。 - 前記第１絶縁層及び前記第２絶縁層は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ホウ素、及び六方晶系の窒化ホウ素からなる群から選択されたいずれか一つからなることを特徴とする請求項２４に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 前記半導体層及び前記第２リッジ部は、シリコン、ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体、及びＩＩ−ＩＶ族の半導体からなる群から選択されたいずれか一つからなることを特徴とする請求項２３に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 前記第１ギャップは、１ｎｍないし１００ｎｍの幅に形成されたことを特徴とする請求項２２〜２６のいずれか１項に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 半導体層と、
前記半導体層の上面上に位置した第１グラフェン及び第２グラフェンと、
前記第１グラフェン上に位置した第１電極と、
前記第２グラフェン上に位置した第２電極と、を備え、
前記半導体層の第１リッジ部と、前記第１グラフェン及び第２グラフェン上に位置した第２リッジ部とは、光導波路をなし、
前記第１グラフェン及び前記第２グラフェンは、前記光導波路の垂直面上でほぼ中央に形成され、
前記第１グラフェンの一側と前記第２グラフェンの一側とは、前記半導体層の底面と平行な方向に第１ギャップほど離隔して位置したことを特徴とするグラフェンを利用した光変調器。 - 前記第１リッジ部は、エピタキシャル成長のシリコン層であり、前記第２リッジ部は、ポリシリコン層または非晶質シリコン層であることを特徴とする請求項２８に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 前記第１グラフェン及び前記第２グラフェンは、それぞれ単層または二層のグラフェン層であることを特徴とする請求項２２〜２９のいずれか１項に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 半導体層と、
前記半導体層の上面上に位置した第１グラフェン及び第２グラフェンと、
前記第１グラフェン上に位置した第１電極と、
前記第２グラフェン上に位置した第２電極と、を備え、
前記第１グラフェン及び前記第２グラフェンは、前記半導体層の底面と平行な平面構造を有し、
前記半導体層は、前記半導体層の底面から突出して形成された第１リッジ部と、前記第２グラフェン上に位置し、当該第１リッジ部と対向して形成された第２リッジ部とを備え、
前記第１グラフェンの一側と前記第２グラフェンの一側とは、前記半導体層の底面と平行な方向に第１ギャップほど離隔して位置したことを特徴とするグラフェンを利用した光変調器。 - 前記半導体層上で、前記第１グラフェン及び第２グラフェン下に位置した第１絶縁層と、
前記第１グラフェン及び第２グラフェン上で、前記第２リッジ部下に位置した第２絶縁層と、をさらに備えることを特徴とする請求項３１に記載のグラフェンを利用した光変調器。 - 前記第１絶縁層及び前記第２絶縁層は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ホウ素、及び六方晶系の窒化ホウ素からなる群から選択されたいずれか一つからなることを特徴とする請求項３２に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 前記半導体層及び前記第２リッジ部は、シリコン、ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体、及びＩＩ−ＩＶ族の半導体からなる群から選択されたいずれか一つからなることを特徴とする請求項３１に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 前記半導体層の第１リッジ部と、前記第１グラフェン及び第２グラフェン上に位置した第２リッジ部とは、光導波路をなし、
前記第１グラフェン及び前記第２グラフェンは、前記光導波路の垂直面上でほぼ中央に形成されたことを特徴とする請求項３１〜３４のいずれか１項に記載のグラフェンを利用した光変調器。 - 前記第１リッジ部は、エピタキシャル成長のシリコン層であり、前記第２リッジ部は、ポリシリコン層または非晶質シリコン層であることを特徴とする請求項３５に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 前記第１ギャップは、１ｎｍないし１００ｎｍの幅に形成されたことを特徴とする請求項３１〜３６のいずれか１項に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 前記第１グラフェン及び前記第２グラフェンは、それぞれ単層または二層のグラフェン層であることを特徴とする請求項３１〜３７のいずれか１項に記載のグラフェンを利用した光変調器。
- 半導体層と、
前記半導体層の上面上に位置した第１グラフェン及び第２グラフェンと、
前記第１グラフェン上に位置した第１電極と、
前記第２グラフェン上に位置した第２電極と、を備え、
前記半導体層は、前記半導体層の底面から突出して形成された第１リッジ部を備え、
前記第１グラフェンの一側と前記第２グラフェンの一側とは離隔して位置したことを特徴とするグラフェンを利用した光変調器。 - 半導体層と、
前記半導体層の上面上に位置した第１グラフェン及び第２グラフェンと、
前記第１グラフェン上に位置した第１電極と、
前記第２グラフェン上に位置した第２電極と、を備え、
前記半導体層は、前記半導体層の底面から突出して形成された第１リッジ部を備え、
前記第１グラフェンの一側と前記第２グラフェンの一側とは、前記半導体層の底面と平行な方向に第１ギャップほど離隔して位置したことを特徴とするグラフェンを利用した光変調器。 - 前記第１電極および前記第２電極は、前記第１リッジ部から離隔して形成されていることを特徴とする請求項１〜４０のいずれか１項に記載のグラフェンを利用した光変調器。
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