JP6156910B2

JP6156910B2 - 光変調器

Info

Publication number: JP6156910B2
Application number: JP2013027792A
Authority: JP
Inventors: 充竹中; 高木　信一; 信一高木
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2033-02-15
Also published as: JP2013214044A

Description

本発明は、光変調器に関するものである。

ブロードバンド技術の進展により、従来の電話網の装置に光ファイバ通信を用いてさまざまなネットワーク機器が接続されるようになっている。また、ネットワークを流れる情報量は年々増大しており、ネットワークが大容量化、大規模化している。それに伴い、使用機器においては消費電力が増加することになるので、消費電力が少ない機器の開発が求められている。光ファイバ通信において不可欠な光変調器は、主に音声や画像などの電気信号を光の強弱信号に変換するデバイスで、特に小型化、省電力化が求められている。

光変調器は、電気光学効果を用いて、光の吸光度や屈折率を変換することにより、電気信号を光の強弱信号に変換している。例えば、ＩｎＰ基板に光を吸収する機能を有するコア層をＩｎＧａＡｓＰで形成した光変調器は、電界を印加することにより光の吸収が変化する（例えば、特許文献１）。

また、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、ＬＮ基板という）に光導波路と進行波電極とを形成したＬＮ光変調器が開示されている（例えば、特許文献２）。
ところが、上記特許文献１及び２に係る変調器は、いずれも特殊な材料を用いるので、大量生産に適さない、という問題があった。

これに対し、LSI(Large Scale Integration)において技術的な蓄積があるＳｉを用いて、大量生産に適した光変調器の開発がなされている。その一例として、Ｓｉで形成されたマッハツェンダー（Mach-Zehnder：MZ）型の光導波路を用いたＭＯＳ構造の光変調器が開示されている（非特許文献１〜３）。

特開2011-133500号公報特開2004-318113号公報

A. Liu, R. Jones, L.Liao, D. Samara-Rubio, D. Rubin, O. Cohen, R. Nicolaescu, and M. Paniccia, "Ahigh-speed silicon optical modulator based on a metal-oxide-semiconductorcapacitor," Nature, vol. 427, pp. 615-618, 2004. L. Liao, D. Samara-Rubio,M. Morse, A. Liu, D. Hodge, D. Rubin. U. D. Keil, and T. Franck, "High speedsilicon Mach-Zehnder modulator," Optics Express, vol. 13, pp. 3129-3135, 2005. L. Liao, A. Liu, R.Jones, D. Rubin, D. Samara-Rubio, O. Cohen, M. Salib, and M. Paniccia, "Phasemodulation efficiency and transmission loss of silicon optical phase shifters,"IEEE J. Quantum Electron., vol. 41, pp. 250-257, 2005.

しかしながら、上記非特許文献１〜３に係る光変調器は、Ｓｉが光の変調に適していないため、電気光学効果を用いた従来の光変調器に比べ性能が著しく劣り、性能の劣化を補完するため大型化又は入力する電気信号を高電圧にせざるを得ない、という問題があった。
そこで、本発明は、電気光学効果を用いた従来の光変調器と同等以上の性能を有する、Ｓｉで形成した光変調器を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る光変調器は、Ｓｉで形成されたＰ型半導体層と、前記Ｐ型半導体層上に設けられた一般式Ｓｉ _１−ｘＧｅ _ｘ（０＜ｘ＜１）で表されるＳｉＧｅ層と、前記ＳｉＧｅ層に接するように前記ＳｉＧｅ層上に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に設けられたＳｉで形成されたＮ型半導体層と、前記Ｎ型半導体層上に設けられた入力電極と、前記ＳｉＧｅ層に設けられた接地電極とを備え、前記ゲート絶縁膜、前記Ｎ型半導体層、及び前記入力電極は、凸条の光導波路を構成し、前記接地電極は、前記凸条の光導波路を挟んで両側に設けられており、前記ＳｉＧｅ層には前記Ｐ型半導体層により圧縮応力が付与され、圧縮歪みが生じていることを特徴とする。

本発明の請求項１によれば、ＳｉＧｅ層に圧縮歪みが生じているのでキャリアの有効質量が減少する。キャリアの有効質量とキャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎ又は自由キャリア吸収による吸光度の変化Δαとは反比例するので、光変調器はより大きな屈折率の変化Δｎ又は吸光度の変化Δαを得ることができる。したがって、光変調器は、キャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎ又は自由キャリア吸収による吸光度の変化Δαを増大させることにより、従来と同等以上の性能を得ることができる。

第１実施形態に係る光変調器の使用状態を示す模式図である。第１実施形態に係る光変調器の全体構成を示す縦断面図である。第２実施形態に係る光変調器の全体構成を示す縦断面図である。第３実施形態に係る光変調器の全体構成を示す縦断面図である。第３実施形態の変形例に係る光変調器の全体構成を示す縦断面図である。第４実施形態に係る光変調器の全体構成を示す縦断面図である。第５実施形態に係る光変調器の全体構成を示す縦断面図である。Ｓｉ基板上にＳｉＧｅ層を成長させた場合のＧｅ濃度と正孔の有効質量の関係を計算した結果を示すグラフである。Ｓｉ基板上にＳｉＧｅ層を成長させた場合のＧｅ濃度とＳｉＧｅのバンドギャップの関係を計算した結果を示すグラフである。Ｓｉ基板上にＳｉＧｅ層を成長させた場合のＧｅ濃度とキャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎの関係を計算した結果を示すグラフである。Ｓｉ基板上にＳｉＧｅ層を成長させた場合のＧｅ濃度と自由キャリア吸収による吸光度の変化Δαの関係を計算した結果を示すグラフである。キャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎと、自由キャリア吸収による吸光度の変化Δαの計算に用いた光変調器の構成を示す図であり、図１２Ａは縦断面図、図１２Ｂは光導波路１２にＴＥモードの基本波を入射させた場合の電界の分布を示す図である。ゲート電圧とキャリアプラズマ効果による屈折率の変化の関係を計算した結果を示すグラフである。ゲート電圧と自由キャリア吸収による吸光度の変化の関係を計算した結果を示すグラフである。Ｓｉ基板上にＳｉＧｅ層を成長させた場合のＧｅ濃度と駆動電圧×素子長（Ｖ_πＬ）の関係を計算した結果を示すグラフである。Ｓｉ基板上にＳｉＧｅ層を成長させた場合のＧｅ濃度と単位長さあたりの吸光度の関係を計算した結果を示すグラフである。第４実施形態に対応する実施例に係る光変調器の製造方法を段階的に示す縦断面図であり、図１７ＡはＳＯＩ基板上にＳｉＧｅ層とＳｉ層を形成した段階、図１７Ｂは光導波路を形成した段階、図１７ＣはＰ型及びＮ型半導体層を形成した段階、図１７Ｄは入力及び接地電極を形成した段階を示す図である。第４実施形態に対応する実施例に係る光変調器の構成を示すＴＥＭ像であり、図１８Ａは縦断面図、図１８Ｂは部分拡大断面図である。第４実施形態に対応する実施例に係る光変調器の減衰特性を示すグラフである。光変調器の使用状態の変形例を示す模式図である。

本発明に係る光変調器は、キャリアプラズマ効果による屈折率の変化又は自由キャリア吸収による吸光度の変化を増大させることにより、従来の光変調器と同等以上の性能を得ることができる。

まず、本実施形態に係る光変調器で用いるキャリアプラズマ効果及び自由キャリア吸収について説明する。キャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎは、以下の関係式で表される。

式中、ｅは単位電荷、λは光波長、ε₀は真空中の誘電率、ｎは真性シリコンの屈折率、ΔＮ_ｅは電子密度の変化、ｍ_ｃｅ ^＊は電子の有効質量、ΔＮ_ｈは正孔密度の変化、ｍ_ｃｈ ^＊は正孔の有効質量である。上記式から明らかなように、電子の有効質量又は正孔の有効質量が減少すると、屈折率の変化Δｎが増大する。
同様に、自由キャリア吸収による吸光度の変化Δαは、以下の関係式で表される。

式中、μ_ｅは電子の移動度、μ_ｈは正孔の移動度である。上記式から明らかなように、電子の有効質量又は正孔の有効質量が減少すると、吸光度の変化Δαが増大する。

上記のとおり、屈折率の変化Δｎ及び吸光度の変化Δαは共に、電子の有効質量又は正孔の有効質量に反比例し、電子の有効質量又は正孔の有効質量を減少させることにより、屈折率の変化Δｎ及び吸光度の変化Δαは増大する。

本発明では、光導波路に引張り歪み又は圧縮歪みを与えて光導波路における電子の有効質量又は正孔の有効質量を減少させることにより、屈折率の変化Δｎ又は吸光度の変化Δαを増大させている。

因みに、圧縮歪みにより、正孔の有効質量は最大で１／３程度に減少することが知られている。これにより、圧縮歪を光導波路に与えた場合、キャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎ及び自由キャリア吸収による吸光度の変化Δαを３倍程度に増大することができる。また、引張り歪みにより、電子の有効質量は最大で１／２程度に減少することが知られている。これにより、引張歪を光導波路に与えた場合、キャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎ及び自由キャリア吸収による吸光度の変化Δαを２倍程度に増大することができる。

一方向に圧縮歪み又は引張歪みを付与する１軸歪みの場合、２方向に同時に圧縮歪み又は引張歪みを付与する２軸歪みに比べ、バンドギャップの縮小が少ない。なお、Ｓｉのバンドギャップは1.15eVであるのに対し、Ｇｅのバンドギャップは0.67eVであるので、ＳｉＧｅ層３１におけるＧｅ濃度を高くするほどバンドギャップは小さくなる。例えば、動作波長1.55μｍとした場合、バンドギャップは0.8eV必要である。そうすると、１軸歪みの場合、２軸歪みに比べ原理的にはより大きな歪みを付与することができるので、キャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎ及び自由キャリア吸収による吸光度の変化Δαをさらに増大することができる。

１．第１実施形態
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１に示す光変調器１Ａは、マッハツェンダー干渉計２に設けられている。マッハツェンダー干渉計２は、入力部３、分岐部４、第１の分岐導波路５、第２の分岐導波路６、合波部７、及び出力部８を備え、第１の分岐導波路５に光変調器１Ａが設けられている。本実施形態に係る光変調器１Ａは、キャリアプラズマ効果により、入射した光の屈折率を変化させる。

光変調器１Ａは、入射部１０と、出射部１１と、当該入射部１０から出射部１１へとつながる光導波路１２と、変調電気入力信号が入力される電極としての入力電極１３とを備える。光変調器１Ａは、ＣＷ光が光導波路１２を通過する際、当該ＣＷ光を入力電極１３に入力された変調電気入力信号により変調された光変調信号を出射部１１から出射する。

入力部３に入射したＣＷ（Continuous wave）光は、分岐部４で第１の分岐導波路５と第２の分岐導波路６に分岐される。第１の分岐導波路５に分岐されたＣＷ光の一部は、光変調器１Ａに入射し、入力電極１３に入力された変調電気入力信号に変調された光変調信号として光変調器１Ａから出射される。光変調信号は、合波部７において第２の分岐導波路６を伝播してきたＣＷ光の他部と合波され、所定の強度変調が付与された変調光出力信号として出力部８から出力される。

このように、光の屈折率を利用した光変調器１Ａは、マッハツェンダー干渉計２と共に用いられる。入力されたＣＷ光の一部は、光変調器１Ａで電気信号から光変調信号に変換され、さらにマッハツェンダー干渉計２により強度変調が付与された変調光出力信号として出力される。

図２に示す光変調器１Ａは、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に形成された凸条の光導波路１２を有するＰＩＮ（Ｐ−ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−Ｎ）型ダイオードと同様の構造を有する。この光変調器１Ａは、Ｓｉ基板１６と、Ｓｉ基板１６上に積層されたＳｉＯ_２からなる埋め込み酸化層１７と、埋め込み酸化層１７上に設けられた凸条の光導波路１２を有するＳｉで形成された真正半導体層１８とを有する。光導波路１２は図面に対し垂直方向、すなわち手前から奥へ伸びるように形成されている。当該真正半導体層１８の光導波路１２を挟んで一側に不純物半導体部としてのＰ型半導体部１９と、他側に不純物半導体部としてのＮ型半導体部２０がそれぞれ形成されている。光導波路１２は、Ｐ型半導体部１９とＮ型半導体部２０の間の真正半導体層１８で形成されている。Ｐ型半導体部１９は、前記入力電極１３が設けられており、変調電気入力信号が入力される。Ｎ型半導体部２０は、電極としての接地電極２１が設けられている。

上記のように構成された光導波路１２の表面には、歪生成部としてのＳｉＮ膜２２が形成されている。ＮはＳｉに比べ格子定数が大きいので、真正半導体層１８上に形成されたＳｉＮ膜２２は、凸条の基端部すなわち、Ｐ型半導体部１９とＮ型半導体部２０の間の真正半導体層１８に対し引張応力を付与する。この引張応力に比例して真正半導体層１８には、１軸の引張歪みが生じる。この真正半導体層１８の引張り歪みにより、半導体のバンド構造が変調することで、真正半導体層１８における電子の有効質量が減少する。

光変調器１Ａは、電界が印加されていない場合、入射部１０に入射したＣＷ光を出射部１１からそのまま出射する。一方、入力電極１３と接地電極２１の間に順バイアス電圧を印加すると、光導波路１２内に自由キャリアが注入される。自由キャリアの増加により真正半導体層１８の屈折率が変化し、これにより光導波路１２内を通過するＣＷ光の位相が変調される。

本実施形態の場合、光変調器１Ａは、ＳｉＮ膜２２により真正半導体層１８に引張り応力が付与されており、これにより光導波路１２には１軸の引張歪みが生じている。この引張歪みによって光導波路１２における電子の有効質量が減少する。電子の有効質量とキャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎとは反比例するので、光変調器１Ａはより大きな屈折率の変化Δｎを得ることができる。したがって、光変調器１Ａは、キャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎを増大させることにより、従来と同等以上の性能を得ることができる。

本実施形態の場合、光変調器１Ａは、光導波路１２に１軸の引張歪みが生じているので、歪みが生じていない場合に比べ、キャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎを２倍程度に増大することができる。

なお、本実施形態では、ＳｉＮ膜２２が真正半導体層１８に引張応力を付与し、これにより真正半導体層１８には、１軸の引張歪みが生じる場合について説明したが、本実施形態はこれに限られない。すなわち、ＳｉＮ膜２２は成膜条件を制御することで、真正半導体層１８に圧縮応力を付与することもできる。これにより真正半導体層１８には１軸の圧縮歪みが生じるので、正孔の有効質量が減少する。正孔の有効質量とキャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎとは反比例するので、光変調器１Ａはより大きな屈折率の変化Δｎを得ることができる。この場合、光変調器１Ａは、光導波路１２に１軸の圧縮歪みが生じているので、歪みが生じていない場合に比べ、キャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎを３倍程度に増大することができる。

また、本実施形態では、入力電極１３と接地電極２１の間に順バイアス電圧を印加する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、逆バイアス電圧を印加してもよい。この場合、光導波路１２内において空乏層が伸びることでキャリア密度を変調することができる。これにより、真正半導体層１８の屈折率が変化するので、光導波路１２内を通過するＣＷ光の位相を変調することができる。

２．第２実施形態
第２実施形態に係る光変調器１Ｂについて、図２と同様の構成について同様の符号を付した図３を参照して説明する。本図における光変調器１Ｂは、光導波路１２を挟んで一側及び他側に形成された不純物半導体部としてのＰ型半導体部２５とＮ型半導体部２６が形成されており、それぞれ一般式Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（０＜ｘ＜１）（以下、「ＳｉＧｅ」と示す。）を含有する。これにより、Ｐ型半導体部２５とＮ型半導体部２６は真正半導体層１８の光導波路１２が形成された部分２７に圧縮応力を付与する。この圧縮応力に比例して真正半導体層１８の光導波路１２が形成された部分２７には、１軸の圧縮歪みが生じる。真正半導体層１８の光導波路１２が形成された部分２７の圧縮歪みにより、半導体のバンド構造が変調することで、正孔の有効質量が減少する。なお、ＳｉＧｅのＧｅ濃度が高い方が、部分２７により大きな歪みを生じさせ得る。この場合、Ｇｅ濃度は、ｘ≧0.1以上であれば真正半導体層１８の部分２７により確実に歪みを生じさせることができる。

正孔の有効質量とキャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎとは反比例するので、光変調器１Ｂは、より大きな屈折率の変化Δｎを得ることができる。したがって、光変調器１Ｂは、キャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎを増大させることにより、従来と同等以上の性能を得ることができる。

本実施形態の場合、光変調器１Ｂは、光導波路１２に１軸の圧縮歪みが生じているので、歪みが生じていない場合に比べ、キャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎを３倍程度に増大することができる。

３．第３実施形態
第３実施形態に係る光変調器１Ｃについて、図２と同様の構成について同様の符号を付した図４を参照して説明する。本図における光変調器１Ｃは、光導波路３０に歪生成部としてのＳｉＧｅ層３１が形成されている。光導波路３０は、真正半導体層１８、ＳｉＧｅ層３１、真正半導体層１８の順に積層されており、当該ＳｉＧｅ層３１に圧縮応力が生じている。この圧縮応力に比例して、ＳｉＧｅ層３１そのものに２軸の圧縮歪みが生じている。この圧縮歪みにより、半導体のバンド構造が変調することで、ＳｉＧｅ層３１における正孔の有効質量が減少する。

なお、Ｓｉのバンドギャップは1.15eVであるのに対し、Ｇｅのバンドギャップは0.67eVであるので、ＳｉＧｅ層３１におけるＧｅ濃度を高くするほどバンドギャップは小さくなる。例えば、動作波長1.55μｍとした場合、バンドギャップは0.8eV必要である。そうすると、0.8eVのバンドギャップを確保するには、ＳｉＧｅ層３１におけるＧｅ濃度はｘ≦0.5とするのが好ましい。

本実施形態に係る光変調器１Ｃは、光導波路３０にＳｉＧｅ層３１を設けたことにより、ＳｉＧｅ層３１がＰ型半導体部１９とＮ型半導体部２０の間に配置されることになる。そうすると、入力電極１３と接地電極２１の間に順バイアス電圧を印加した場合、電流はＰ型半導体部１９とＮ型半導体部２０の間の真正半導体層１８より抵抗が少ないＳｉＧｅ層３１を流れる。当該ＳｉＧｅ層３１は、圧縮歪みによって正孔の有効質量が減少しているので、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、上記では、光導波路３０にＳｉＧｅ層３１を設けた場合について説明したが、本実施形態はこれに限られない。図４と同様の構成について同様の符号を付した図５に示す光変調器１Ｄのように、Ｐ型半導体部１９とＮ型半導体部２０の間の真正半導体層１８に歪生成部としてのＳｉＧｅ層３２を形成することとしてもよい。ＳｉＧｅ層３２は、Ｐ型半導体部１９とＮ型半導体部２０と真正半導体層１８とで囲まれているので、圧縮応力が付与されている。この圧縮応力に比例して、ＳｉＧｅ層３２そのものに２軸の圧縮歪みが生じている。そうすると、ＳｉＧｅ層は２軸の圧縮歪みによって正孔の有効質量が減少しているので、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

４．第４実施形態
第４実施形態に係る光変調器１Ｅについて、図２と同様の構成について同様の符号を付した図６を参照して説明する。光変調器１Ｅは、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に形成された凸条の光導波路４１を有するＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型トランジスタと同様の構造を有する。この光変調器１Ｅは、Ｓｉ基板１６と、Ｓｉ基板１６上に積層されたＳｉＯ_２からなる埋め込み酸化層１７とを備え、埋め込み酸化層１７上に不純物半導体部としてのＰ型半導体層３５、歪生成部としての量子井戸（Quantum well）層３６、ゲート絶縁膜３７、導電部としてのＮ型半導体層３８、電極としての入力電極３９が順に積層されている。ゲート絶縁膜３７、Ｎ型半導体層３８、及び入力電極３９を備える光導波路４１は、図面に対し垂直方向、すなわち手前から奥へ伸びるように形成されている。光導波路１２を挟んで両側にそれぞれ電極としての接地電極４０が設けられている。

Ｐ型半導体層３５上に形成された量子井戸層３６は、ＳｉＧｅを含有するＰ型半導体で構成されており、Ｐ型半導体層３５により圧縮応力が付与されている。この圧縮応力に比例して量子井戸層３６には、２軸の圧縮歪みが生じる。この量子井戸層３６の圧縮歪みにより、半導体のバンド構造が変調することで、正孔の有効質量が減少する。

本実施形態に係る光変調器１ＥはＭＯＳ構造であるため、キャリアはゲート絶縁膜３７の表面のごく近傍（表面から＜10nm）に蓄積される。そのため、ゲート絶縁膜３７のごく近傍の正孔の有効質量を減少させればキャリアプラズマ効果を増大させることができる。したがって、量子井戸層３６は、５ｎｍ程度に薄くても十分な効果を得ることができる。これにより、本実施形態に係る光変調器１Ｅは、薄く形成すればよいので、量子井戸層３６を形成する際に容易に結晶成長することができる。

量子井戸層３６が薄いことによりバンドギャップが大きくなるので、Ｇｅ濃度を高くすることができる。因みに、動作波長1.55μｍとした場合、バンドギャップは0.8eV必要である。したがって、本実施形態に係る光変調器１Ｅは、Ｇｅ濃度を高めて量子井戸層３６により大きな歪を生じさせることができるので、キャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎをより増大することができる。

ゲート絶縁膜３７には、高誘電率ゲート絶縁膜（High-k膜）を用い、等価酸化膜厚（Equivalent Oxide Thickness, EOT）を1nmとすると、キャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎ及び自由キャリア吸収による吸光度の変化Δαともに増大させることができる。高誘電率ゲート絶縁膜は、特に限定されないが、例えば、ハフニウム原子、酸素原子を含んだHfO₂膜、さらにシリコン原子を含んだHfSiO膜、および、シリコン原子の代わりにアルミニウム原子を含んだHfAlO膜などを用いることができる。

上記のように構成された光変調器１Ｅでは、入力電極３９と接地電極４０の間に順バイアス電圧を印加すると、光導波路１２内に自由キャリアが注入される。自由キャリアの増加によりＰ型半導体層３５の屈折率が変化し、これにより光導波路１２内を通過するＣＷ光の位相が変調される。

本実施形態の場合、光変調器１Ｅは、光導波路１２に２軸の圧縮歪みが生じているので、歪みが生じていない場合に比べ、キャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎを３倍程度に増大することができる。さらに、ゲート絶縁膜３７に高誘電率ゲート絶縁膜（High-k膜）を用いて等価酸化膜厚（Equivalent Oxide Thickness, EOT）を1nmとすることにより、5nmの膜厚のＳｉＯ_２のゲート絶縁膜に比べ屈折率の変化を単独で５倍程度に増大することができる。したがって、本実施形態に係る光変調器１Ｅは、歪によるキャリアプラズマ効果と高誘電率ゲート絶縁膜（High-k膜）を用いることによる効果とを組み合わせることにより、従来に比べ、屈折率の変化Δｎを１０倍程度に増大することができる。

本実施形態では、ゲート絶縁膜３７を挟んで不純物半導体部としてのＰ型半導体層３５と導電部としてのＮ型半導体層３８とを設けた場合について説明したが、本実施形態はこれに限られない。例えば、入力電極が設けられた導電部は必ずしも半導体である必要はなく、金属でもよい。

５．第５実施形態
第５実施形態に係る光変調器１Ｆについて、図６と同様の構成について同様の符号を付した図７を参照して説明する。本実施形態に係る光変調器１Ｆは、埋め込み酸化層１７上に不純物半導体部としてのＮ型半導体層４２、ゲート絶縁膜３７、導電部としてのＰ型半導体層４５、入力電極３９が順に積層されている。ゲート絶縁膜３７、Ｐ型半導体層４５、及び入力電極３９を備える光導波路４３は、図面に対し垂直方向、すなわち手前から奥へ伸びるように形成されている。

上記のように構成されたＮ型半導体層４２、及びＰ型半導体層４５の表面には、歪生成部としてのＳｉＮ膜４４が形成されている。形成されたＳｉＮ膜４４は、Ｎ型半導体層４２、及びＰ型半導体層４５に対し引張り応力を付与する。この引張り力に比例してＮ型半導体層４２、及びＰ型半導体層４５には、１軸の引張り歪みが生じる。このＮ型半導体層４２の引張り歪みにより、半導体のバンド構造が変調することで、電子の有効質量が減少する。

本実施形態の場合、光変調器１Ｆは、Ｎ型半導体層４２に形成された光導波路１２に１軸の引張歪みが生じているので、歪みが生じていない場合に比べ、キャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎを２倍程度に増大することができる。

本実施形態では、ゲート絶縁膜３７を挟んで不純物半導体部としてのＮ型半導体層４２と導電部としてのＰ型半導体層４５とを設けた場合について説明したが、本実施形態はこれに限られない。例えば、入力電極が設けられた導電部は必ずしも半導体である必要はなく、金属でもよい。

（変形例）
一方、圧縮応力を付与し得るようにＳｉＮ膜４４を形成してもよい。この場合、図示しないが、光変調器は、埋め込み酸化層上に不純物半導体部としてのＰ型半導体層、ゲート絶縁膜、導電部としてのＮ型半導体層、入力電極が順に積層される。ＳｉＮ膜は、Ｐ型半導体層、及びＮ型半導体層に対し圧縮応力を付与する。この圧縮応力に比例してＰ型半導体層、及びＮ型半導体層には、１軸の圧縮歪みが生じる。このＰ型半導体層の圧縮歪みにより、半導体のバンド構造が変調することで、正孔の有効質量が減少する。光変調器は、Ｐ型半導体層に形成された光導波路に１軸の圧縮歪みが生じているので、歪みが生じていない場合に比べ、キャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎを３倍程度に増大することができる。

この場合Ｎ型半導体層にも１軸の圧縮歪みが生じており、これによりＮ型半導体層ではキャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎ及び自由キャリア吸収による吸光度の変化Δαは小さくなる。本実施形態に係る光変調器は、上述の通り、ＭＯＳ型ダイオードであるから、Ｎ型半導体層は電極に相当する。電極としては抵抗を下げる必要があるので、ドープ濃度を高くする必要がある。ところが、ドープ濃度を高くすると、材料そのものにおける光の吸収が増えてしまい、光の変調効率を著しく低下させてしまう。

そこで、従来はドープ濃度を１０^１８／ｃｍ^３程度に抑える必要があり、電極としては抵抗が大きく、光変調器としての性能を著しく低下させていた。また動作速度は抵抗Ｒと、容量Ｃとの積で表され、一般的に小さい方が動作速度が速くなるといわれている。そうすると、上記した通り従来ではドープ濃度が低いので、電極の抵抗が大きく動作速度を速めることが困難であった。

これに対し、本実施形態に係る光変調器は、Ｎ型半導体層に圧縮歪みが生じていることにより、自由キャリア吸収による吸光度の変化Δαは、歪みが生じていない場合に比べ１／１０程度に小さくなる。そうすると、従来に比べドープ濃度を高くしても光の吸収による変調効率の低下を抑制することができる。したがって、光変調器は、ドープ濃度を高くすることにより電極としての抵抗を下げることができるので、結果として高速動作が可能になる。

本実施形態では、ゲート絶縁膜３７を挟んで不純物半導体部としてのＰ型半導体層と導電部としてのＮ型半導体層とを設けた場合について説明したが、本実施形態はこれに限られない。例えば、入力電極が設けられた導電部は必ずしも半導体である必要はなく、金属でもよい。

６．実施例（１）
図８は、Ｓｉ基板上にＳｉＧｅ層を成長させた場合のＧｅ濃度の変化と正孔の有効質量の変化とを計算した結果である。本図からＧｅ濃度が高くなるに従い、正孔の有効質量が小さくなっていくのが確認できる。

図９は、Ｓｉ基板上にＳｉＧｅ層を成長させた場合のＧｅ濃度の変化とＳｉＧｅのバンドギャップの変化とを計算した結果である。ＳｉＧｅ層は厚さ3nmの量子井戸層とした。比較として非特許文献４（D. V. Lang, R. People, J. C. Bean, and A. M. Sergent, “Measurement of the band gap of GexSi1-x/Si strained-layer heterostructures,” Appl. Phys. Lett., vol. 47, pp. 1333-1335, 1985.）と、非特許文献５（D. J. Robbins, L. T. Canham, S. J. Barnett, A. D. Pitt, and P. Calcott, “Near-band-gap photoluminescence from pseudomorphic Si1-xGex single layers on silicon,” J. Appl. Phys., vol. 71, pp. 1407-1414, 1992.）から得たバルクのＳｉＧｅのデータを合わせて示す。本図からＧｅ濃度が高くなるに従い、バンドギャップが小さくなることが分かる。0.9eVのバンドギャップを得ようとすると、バルクの場合にはＧｅ濃度がモル比0.3程度であるのに対し、量子井戸層を形成することによりＧｅ濃度をモル比0.5程度にできることが確認できた。

図１０は、Ｓｉ基板上にＳｉＧｅ層を成長させた場合のＧｅ濃度とキャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎとの関係を計算した結果である。本図から、Ｇｅ濃度を高くして歪みを生じさせることにより、屈折率の変化Δｎが３倍程度になることが確認できた。

図１１は、Ｓｉ基板上にＳｉＧｅ層を成長させた場合のＧｅ濃度と自由キャリア吸収による吸光度の変化Δαとの関係を計算した結果である。本図から、Ｇｅ濃度を高くして歪みを生じさせることにより、吸光度の変化Δαが４倍程度になることが確認できた。

次いで、第４実施形態に係る光変調器１Ｅにおけるキャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎと、自由キャリア吸収による吸光度の変化Δαとを計算した。計算は図１２Ａに示す光変調器１Ｅの構成をモデルとした。すなわち、光変調器１Ｅは、Ｐ型半導体層３５の厚さを160nm、量子井戸層３６はＳｉ_０．５Ｇｅ_０．５とし厚さを3nm、ゲート絶縁膜３７は高誘電率ゲート絶縁膜（High-k膜）を用い、等価酸化膜厚を1nm（物理的な厚さは5nm）、Ｎ型半導体層３８の厚さを200nmとした。図１２Ｂは光導波路１２にＴＥモードの基本波を入射させた場合の電界の分布を示す。

その結果、キャリアプラズマ効果による屈折率の変化Δｎは、図１３に示すとおり、量子井戸層を備えることにより、３倍程度となった。同様に、自由キャリア吸収による吸光度の変化Δαは、図１４に示すとおり、量子井戸層を備えることにより、３倍程度となった。

図１５は、Ｓｉ基板上にＳｉＧｅ層を成長させた場合のＧｅ濃度と駆動電圧Ｖ_πと電極長さＬとの積Ｖ_πＬ特性との関係を計算した結果である。Ｖ_πＬ特性は、光変調器の高速・低駆動電圧の性能を評価する指数の１つで、光変調器の長さを一定にした時の駆動電圧の大きさを表す指標である。また、電極による損失増大を抑制する目的で光変調器の長さを短くできるので、Ｖ_πＬが小さい方が優位である。本図から、駆動電圧（Ｖ_πＬ）は、Ｇｅ濃度が高くなるに従い小さくなって、Ｇｅ濃度がＸ=0.5のとき0.033V-cmになることが確認できた。

図１６は、Ｓｉ基板上にＳｉＧｅ層を成長させた場合のＧｅ濃度と、単位長さ及び駆動電圧あたりの吸光度との関係を計算した結果である。本図から、吸光度は、Ｇｅ濃度が高くなるに従い大きくなって、Ｇｅ濃度がＸ=0.5のとき9dB/mm/Vになることが確認できた。

７．実施例（２）
次に、上記第４実施形態に対応する光変調器１Ｃに係る実施例について説明する。本実施例に係る光変調器１Ｃは、市販のＳＯＩ基板を用いて形成した。使用したＳＯＩ基板の埋め込み層１７の膜厚は２μｍ、埋め込み層１７上のＳｉ層１８Ｂの膜厚は２６０ｎｍである。まず、埋め込み層１７上のＳｉ層１８Ｂを熱酸化し、形成した熱酸化膜を除去することにより、厚さ１００ｎｍに薄膜化した。次いで、厚さ３０ｎｍのＳｉＧｅ層３１と、７０ｎｍのＳｉ層１８Ｂとを化学蒸着（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法によりＳＯＩ基板上に形成した（図１７Ａ）。

光変調器に用いられるＰＩＮ接合は、従来のＣＭＯＳを製造するプロセスによって形成することができる。まず、光導波路に対応するパターンを形成し、ＳｉＧｅ層３１を有する凸条の光導波路３０をドライエッチングによって形成した（図１７Ｂ）。

次いで、ボロンとリンを用いて所定の領域にイオン注入をした後、アニール処理をすることにより、Ｐ型半導体部１９と、Ｎ型半導体部２０とを形成した（図１７Ｃ）。

最後にＰ型半導体部１９と、Ｎ型半導体部２０の表面にそれぞれアルミニウムを熱蒸着した。これによりＰ型半導体部１９上に入力電極１３を形成し、Ｎ型半導体部上２０に接地電極２１を形成した（図１７Ｄ）。

上記のようにして形成された光変調器１Ｃの劈開面における走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）像を図１８に示す。この光変調器１Ｃの減衰特性を従来の光学装置（図示しない）を用いて測定した。光学装置は、ＣＷレーザを出射する光源と、偏光板と、フォトダイオードと、ＳＭＵ（source measurement unit）とを備える。

光源から出射したＣＷレーザ光は、偏光板を通過してＴＥモードに変換され、光変調器１Ｃの劈開面から光導波路３０に入射する。ＳＭＵによって入力電極１３と接地電極２１の間に順方向バイアス電圧が印加されているとき、自由キャリアによって入射したＣＷレーザ光は減衰される。すなわち光変調器１Ｃは、順方向バイアス電圧を印加するか否かにより、ＣＷレーザ光の振幅を変調することが可能になる。このようにして変調された光を、フォトダイオードで検出した。また比較例として、光導波路をＳｉ層のみで形成した光変調器を作製した。

実施例及び比較例に係る光変調器において、減衰特性を測定した結果及びシミュレーション結果を図１９に示す。図１９の縦軸は減衰量（ｄＢ）、横軸は電流密度を示し、○は実施例に係る光変調器１Ｃの測定結果、●は比較例に係る光変調器の測定結果、破線は実施例に対応する光変調器１Ｃのシミュレーション結果、実線は比較例に対応する光変調器のシミュレーション結果を示す。

本図より、実施例は、同じ電流密度において比較例に比べ光の減衰が大きいことが確認できた。２０ｄＢの減衰を得るのに、実施例の場合２４ｍＡ／ｍｍの電流密度で足りるのに対し、比較例の場合５５ｍＡ／ｍｍの電流密度を必要とする。したがって実施例に係る光変調器１Ｃは、比較例に係る光変調器に比べ、２倍以上の光の変調効率を得ることができることが確認できた。

８．変形例
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。

例えば、上記実施形態は、いずれもキャリアプラズマ効果により、入射した光の屈折率を変化させる場合について説明したが、本発明はこれに限らず、自由キャリア吸収により、入射した光を吸収する吸光度を変化させる場合に適用することとしてもよい。この場合、光変調器１Ａ〜１Ｅは図２０に示すように、入射部１０に対しＣＷ光が入射される。入射したＣＷ光は、出射部１１へとつながる光導波路１２を通過して出射部１１から出射される。光変調器１Ａは、ＣＷ光が光導波路１２を通過する際、自由キャリア吸収を利用して、当該ＣＷ光を入力電極３９に入力された変調電気入力信号に変調した光変調信号を出射部１１から出射する。光変調器１Ａは、電界が印加されていない場合、入射部１０に入射したＣＷ光を出射部１１から出射する。一方、入力電極１３と接地電極（本図には図示せず）の間に逆バイアス電圧を印加すると、光導波路１２内に空乏層が形成される。空乏層が形成されることにより半導体層（本図には図示せず）の吸光度が変化し、これにより光導波路１２内を通過するＣＷ光が吸収される。このように入力電極１３と接地電極の間の逆バイアス電圧をＯＮ又はＯＦＦすると、出射光もＯＦＦ又はＯＮされ、電気信号を光信号へ変換することができる。なお、上記説明では、入力電極１３と接地電極の間に逆バイアス電圧を印加する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、入力電極１３と接地電極の間に順バイアス電圧を印加し、光導波路１２内にキャリアを注入することにより半導体層の吸光度を変化させることとしてもよい。

１Ａ：光変調器
１２：光導波路
１３：入力電極（電極）
１８：真正半導体層
１９：Ｐ型半導体部
２０：Ｎ型半導体部
２２：ＳｉＮ膜（歪生成部）

Claims

Ｓｉで形成されたＰ型半導体層と、
前記Ｐ型半導体層上に設けられた一般式Ｓｉ _１−ｘＧｅ _ｘ（０＜ｘ＜１）で表されるＳｉＧｅ層と、
前記ＳｉＧｅ層に接するように前記ＳｉＧｅ層上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられたＳｉで形成されたＮ型半導体層と、
前記Ｎ型半導体層上に設けられた入力電極と、
前記ＳｉＧｅ層に設けられた接地電極とを備え、
前記ゲート絶縁膜、前記Ｎ型半導体層、及び前記入力電極は、凸条の光導波路を構成し、
前記接地電極は、前記凸条の光導波路を挟んで両側に設けられており、
前記ＳｉＧｅ層には前記Ｐ型半導体層により圧縮応力が付与され、圧縮歪みが生じている
ことを特徴とする光変調器。
前記ＳｉＧｅ層は、量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記ゲート絶縁膜は、高誘電率ゲート絶縁膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光変調器。