JP6187456B2

JP6187456B2 - シリコンベース電気光学装置

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Inventors: 藤方　潤一; 潤一藤方; 重樹高橋
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Filing date: 2013-03-14
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Description

本発明は、情報処理および通信分野において必要となる、高速電気信号を光信号に高速に変換するシリコンベース電気光学装置に関するものであり、より詳細には、充分な高速動作を行うように、シリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ：ｓｉｌｉｃｏｎｏｎｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板上に形成された、シリコン−絶縁体−シリコンからなるキャパシタ構造を利用したシリコンベース電気光学装置に関する。

家庭用光ファイバおよびローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ：ｌｏｃａｌａｒｅａｎｅｔｗｏｒｋ）などの様々なシステムにおいて、１３３０ｎｍあるいは１５００ｎｍの光ファイバ通信波長で機能するシリコンベース光通信デバイスは、ＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｍｅｔａｌｏｘｉｄｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）技術を利用して、光機能素子および電子回路をシリコンプラットフォーム上に集積化可能とする非常に有望な技術である。

近年、シリコンベースの導波路、光結合器、および波長フィルタなどの受動デバイスが、広く研究されている。また、通信システム用の光信号を操作可能とする重要な技術として、シリコンベースの光変調器や光スイッチなどの能動デバイスが挙げられ、非常に注目されている。しかしながら、シリコンの熱光学効果を利用して屈折率を変化させる光変調器や光スイッチは、低速であり、１Ｍｂｐｓの変調周波数までの装置速度においてしか使用出来ない。従って、より多くの光通信システムに要求される高い変調周波数を実現するためには、高速動作を可能とする電気光学効果を利用した光変調器や光スイッチが求められる。

純シリコンは、線形電気光学効果（Ｐｏｃｋｅｌｓ効果）を示さず、Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ効果やＫｅｒｒ効果による純シリコンの屈折率の変化は非常に小さい。そのため、現在提案されている電気光学変調器の多くは、キャリアプラズマ効果を利用して、シリコン層中の自由キャリア密度を変化させることにより、屈折率の実数部と虚数部を変化させ、シリコン層を伝播する光の位相や強度を変化させる。このような自由キャリア吸収を利用した変調器では、シリコン層内を伝播する光の吸収の変化により、出力光の強度が直接変調される。また、屈折率変化を利用した構造としては、マッハ−ツェンダー干渉計を利用したものが一般的である。導波路型のマッハ−ツェンダー干渉計では、前記屈折率変化によって２本のアームを伝播する一方または両方の光に位相差を与え、これらの光を干渉させることにより、光の強度変調信号が得られる。

電気光学変調器における自由キャリア密度は、自由キャリアの注入、蓄積、除去、または反転によって変えることが出来る。しかしながら、既に検討されている電気光学変調器の多くは、光変調効率が悪く、光位相変調に必要な長さ（以降、単に「光位相変調長」と称する）がｍｍオーダーであり、１ｋＡ／ｃｍ^３より高い注入電流密度を必要とする。電気光学変調器の光位相変調長が長く、素子サイズが大きくなると、シリコンプラットフォーム上での温度分布の影響を受け易くなり、熱光学効果に起因するシリコン層の屈折率変化により、本来の電気光学効果が打ち消されるおそれがある。従って、電気光学変調器の小型・高集積化、及び低消費電力化を実現するためには、高い光変調効率が得られる素子構造が求められる。

上記要求を満たす電気光学変調器として、例えば非特許文献１には、ＳＯＩ基板上にリブ導波路構造を備えたシリコンベース電気光学装置が開示されている。非特許文献１に記載のシリコンベース電気光学装置では、真性半導体領域からなるリブ導波路構造の両側横方向に延びるスラブ領域がｐタイプ、ｎタイプにそれぞれドープされている。

上記リブ導波路構造は、図１４に示すように、シリコンからなる支持基板３、埋め込み酸化層２を含むＳＯＩ基板上のシリコン層１Ｓを利用して形成される。リブ導波路構造は、ＰＩＮダイオード型変調器であり、順方向および逆方向バイアスを印加することにより、真性半導体領域内の自由キャリア密度を変化させ、キャリアプラズマ効果を利用することにより、屈折率を変化させる構造となっている。図１４のＰＩＮダイオード型変調器では、真性半導体シリコン１が、第１の電極コンタクト層６Ａと接触するシリコン層１Ｓに高濃度にドープ処理されてなるｐ＋ドープ半導体シリコン４を含むように形成されている。また、真性半導体シリコン１は、シリコン層１Ｓに対して高濃度にドープ処理されたｎ＋ドープ半導体シリコン５および、これに接続する第２の電極コンタクト層６Ｂを含む。
ｐ＋およびｎ＋ドープ半導体シリコン４，５は、１ｃｍ^３毎に約１０^２０のキャリア密度を呈するようにドープ処理される。

図１４に示すリブ導波路構造では、第１および第２の電極コンタクト層６Ａ，６Ｂが電極配線７を介して電源（図示略）に接続されている。第１および第２の電極コンタクト層６Ａ，６Ｂを用いて、ＰＩＮダイオードに対して順方向バイアスを印加することにより、導波路内に自由キャリアが注入される。そして、自由キャリアの増加により、真性半導体シリコン１の屈折率が変化し、それによって導波路内を伝播する光の位相変調が行われる。

また、別の電気光学変調器として、例えば特許文献１には、ＳＯＩプラットフォーム上に形成されたＳＩＳ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｉｎｓｌａｔｏｒ−ｓｉｌｉｃｏｎ）型構造を備えたシリコンベース電気光学装置が開示されている。特許文献１に記載のシリコンベース電気光学装置は、図１５に示すように、ＳＯＩ基板の比較的薄いシリコン表面層に形成された本体領域であるｎドープ多結晶シリコン１０と、ｎドープ多結晶シリコン１０と部分的に重なるように積層されたゲート領域であるｐドープ半導体シリコン９からなる。また、ｐドープ半導体シリコン９とｎドープ多結晶シリコン１０との積層界面には、比較的薄い誘電体層１２が形成されている。ゲート領域及び本体領域内にドープ処理されてなるｐ，ｎドープ多結晶シリコン９，１０は、キャリア密度変化が外部信号電圧により電極配線７及びｐ＋，ｎ＋ドープ半導体シリコン４，１１を介して制御されるように規定されている。

特表２００６−５１５０８２号公報

Ｗ．Ｍ．Ｇｒｅｅｎ，Ｍ．Ｊ．Ｒｏｏｋｓ，Ｌ．Ｓｅｋａｒｉｃ，Ｙ．Ａ．Ｖｌａｓｏｖ，"Ｕｌｔｒａ−ｃｏｍｐａｃｔ，ｌｏｗＲＦｐｏｗｅｒ，１０Ｇｂ／ｓｓｉｌｉｃｏｎＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒｍｏｄｕｌａｔｏｒ，"ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，ＴｈｅＯｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２００７年１２月，Ｖｏｌ．１５，Ｉｓｓｕｅ２５，ｐ．１７１０６−１７１１３

非特許文献１に記載のシリコンベース電気光学装置の動作速度は、真性半導体シリコン１内の自由キャリア寿命と、順方向バイアスが取り除かれた場合のキャリア拡散によって制限される。このように、関連技術のＰＩＮダイオード型変調器は、通常、順方向バイアス動作時に１０〜５０Ｍｂｐｓの範囲内の動作速度を有する。これに対し、キャリア寿命を短くするために、真性半導体シリコン１内に不純物を導入することによって、切り換え速度を増加させることは可能であるが、導入された不純物は光変調効率を低下させてしまう。また、ＰＩＮダイオード型変調器の動作速度に影響する最も大きな因子は、ＲＣ時定数であり、上記リブ導波路構造の場合、順方向バイアス印加時の静電容量（Ｃ）が、ＰＮ接合部のキャリア空乏層の減少により非常に大きくなる。ＰＮ接合部の高速動作は、理論的には、逆バイアスを印加することにより達成できるが、駆動電圧が比較的大きくなってしまう、あるいはシリコンベース電気光学装置のサイズが大きくなってしまう問題があった。

また、特許文献１に記載のシリコンベース電気光学装置においては、光信号電界とキャリア密度が動的に外部制御される領域は一致することが望ましい。光信号電界とキャリア密度の外部制御領域が一致した場合、誘電体層１２の両側で、自由キャリアが蓄積、除去、または反転することにより、光位相変調がなされる。しかしながら、実際には、キャリア密度が動的に変化する領域は数十ｎｍ程度と非常に薄くなってしまう。このため、ｍｍオーダーの光位相変調長が必要となり、結果として、シリコンベース電気光学装置が大型化するとともに、高速動作が難くなってしまう問題があった。

本発明は、上述の問題を解決し、シリコン基板上に集積化可能なシリコンベース電気光学装置において、低電流密度、低消費電力、高い変調度、低電圧駆動、および高速変調を、サブミクロンの領域内で実現可能な、キャリアプラズマ効果に基づく光変調器構造を低コストで実現することのできるシリコンベース電気光学装置を提供することにある。

本発明のシリコンベース電気光学装置は、第１の導電タイプを呈するようにドープ処理されたシリコン半導体層と第２の導電タイプを呈するようにドープ処理されたシリコン半導体層の少なくとも一部が積層された構造からなり、前記積層された半導体層の界面に、比較的薄い誘電体が形成されたＳＩＳ型接合において、前記第１および第２のドープ領域に結合された電気端子からの電気信号により、自由キャリアが、前記比較的薄い誘導体の両側で蓄積、除去、または反転することにより、光信号電界に作用する自由キャリア濃度が変調されることを利用した電気光学装置であって、前記第１および第２の導電タイプを呈するシリコン半導体層が積層された領域において、前記第１のシリコン半導体層表面にＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる凹凸が設けられており、この上に比較的薄い誘電体が形成され、さらに前記第２の導電タイプを呈するシリコン半導体層が積層され、前記第１のシリコン半導体層の表面に設けられたＳｉ _１−ｘＧｅ _ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる凹凸が、少なくとも２種類以上のＳｉ _１−ｘＧｅ _ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）組成の積層構造からなることを特徴とする。
また、本発明のシリコンベース電気光学装置は、第１の導電タイプを呈するようにドープ処理された第１のシリコン半導体層と第２の導電タイプを呈するようにドープ処理された第２のシリコン半導体層の少なくとも一部が積層された構造からなり、前記積層された第１のシリコン半導体層と第２のシリコン半導体層との界面に、比較的薄い誘電体層が形成されたＳＩＳ型接合において、前記第１および第２のシリコン半導体層に結合された電気端子からの電気信号により、自由キャリアが、前記比較的薄い誘導体層の両側で蓄積、除去、または反転することにより、光信号電界に作用する自由キャリア濃度が変調されることを利用した電気光学装置であって、前記第１および第２の導電タイプを呈する第１および第２のシリコン半導体層が積層された領域において、前記第１のシリコン半導体層の表面にＳｉ _１−ｘＧｅ _ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる凹凸が設けられており、この上に前記比較的薄い誘電体層が形成され、さらに前記第２の導電タイプを呈する第２のシリコン半導体層が積層され、前記第１のシリコン半導体層の表面に設けられたＳｉ _１−ｘＧｅ _ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる凹凸が、Ｓｉ _１−ｘＧｅ _ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）の組成が膜厚方向に変調された構造からなることを特徴とする。
また、本発明のシリコンベース電気光学装置は、第１の導電タイプを呈するようにドープ処理された第１のシリコン半導体層と第２の導電タイプを呈するようにドープ処理された第２のシリコン半導体層の少なくとも一部が積層された構造からなり、前記積層された第１のシリコン半導体層と第２のシリコン半導体層との界面に、比較的薄い誘電体層が形成されたＳＩＳ型接合において、前記第１および第２のシリコン半導体層に結合された電気端子からの電気信号により、自由キャリアが、前記比較的薄い誘導体層の両側で蓄積、除去、または反転することにより、光信号電界に作用する自由キャリア濃度が変調されることを利用した電気光学装置であって、前記第１および第２の導電タイプを呈する第１および第２のシリコン半導体層が積層された領域において、前記第１のシリコン半導体層の表面にＳｉ _１−ｘＧｅ _ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる凹凸が設けられており、この上に前記比較的薄い誘電体層が形成され、さらに前記第２の導電タイプを呈する第２のシリコン半導体層が積層され、前記第１のシリコン半導体層の表面に設けられたＳｉ _１−ｘＧｅ _ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる凹凸が、少なくとも２種類以上のＳｉ _１−ｘＧｅ _ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）組成からなることを特徴とする。

本発明のシリコンベース電気光学装置によれば、低電流密度、低消費電力、高い変調度、低電圧駆動、および高速変調を、サブミクロンの領域内で実現可能な、キャリアプラズマ効果に基づく光変調器構造を低コストで実現することができる。

本発明の第１実施形態に係るシリコンベース電気光学装置の断面図である。本発明の第１実施形態に係るシリコンベース電気光学装置の平面図であり、光伝播方向における平面図である。本発明の第２実施形態に係るシリコンベース電気光学装置の断面図である。本発明の第３実施形態に係るシリコンベース電気光学装置の断面図である。本発明の第４実施形態に係るシリコンベース電気光学装置の断面図である。本発明の第５実施形態に係るシリコンベース電気光学装置の断面図である。本発明の第５実施形態に係るシリコンベース電気光学装置の平面図であり、光伝播方向における平面図である。本発明の第１実施形態に係るシリコンベース電気光学装置の製造工程を示す断面図である。本発明の第６実施形態に係るマッハ−ツェンダー干渉計型の構造を説明するための平面図である。本発明の第７実施形態に係るマッハ−ツェンダー干渉計型の構造を説明するための平面図である。本発明の第８実施形態に係るマッハ−ツェンダー干渉計型の構造を説明するための平面図である。実施例１におけるシリコンベース電気光学装置の光位相シフト量の光位相変調長依存性を示すグラフである。実施例１におけるシリコンベース電気光学装置の光位相シフト量の動作周波数帯域依存性を示すグラフである。非特許文献１に開示されているシリコンベース電気光学装置の断面図である。特許文献１に開示されているシリコンベース電気光学装置の断面図である。

以下、本発明の実施形態であるシリコンベース電気光学装置およびマッハ−ツェンダー干渉計型の構造について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

図１〜図１３に示す本発明の実施形態のシリコンベース電気光学装置は、電気光学効果（自由キャリアプラズマ効果）を利用するものである。以下に、本発明のシリコンベース電気光学装置における動作原理である、シリコン内の光位相変調メカニズムの概要を説明する。

（自由キャリアプラズマ効果の概要）
前述したように、純粋な電気光学効果はシリコン内には存在しない、または非常に弱いため、自由キャリアプラズマ効果と熱光学効果のみがシリコンベース電気光学装置の光変調動作に用いられる。すなわち、シリコンベース電気光学装置において、本発明が目的とするＧｂｐｓ以上の高速動作を実現するためには、自由キャリアプラズマ効果のみが効果的である。自由キャリアプラズマ効果は、下記の式（１），（２）の１次近似値で説明される。

式（１），（２）において、ΔｎおよびΔｋは、シリコン半導体層の屈折率変化の実部および虚部を表わしており、ｅは電荷、λは光の波長、ε_０は真空中の誘電率、ｎは真性半導体シリコンの屈折率、ｍ_eは電子キャリアの有効質量、ｍ_hはホールキャリアの有効質量、μ_eは電子キャリアの移動度、μ_hはホールキャリアの移動度、ΔＮ_eは電子キャリアの濃度変化、ΔＮ_hはホールキャリアの濃度変化である。

Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層（以降、単にＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層と記載する）においては、Ｇｅの組成ｘを増加させることにより、電子およびホールキャリアの有効質量が小さくなり、より大きな屈折率変化量を得ることが可能である。また、屈折率の虚部、すなわち光吸収係数も大きくなる。従って、電気光学変調器においては、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層を凹凸状に形成し、自由キャリア密度が変化する領域と光フィールドとのオーバーラップを改善し、アクティブ層の長さを小さくすることが重要である。

Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層は、シリコン半導体層に比べて屈折率が大きいため、自由キャリア密度が変化する領域と光フィールドとのオーバーラップを改善する効果がある。さらに、上記のようにＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層を凹凸形状とすることにより、アクティブ層の長さを顕著に小さくすることが可能である。

また、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層におけるＧｅの組成を高めることにより、自由キャリアプラズマ効果が、よりエンハンスされる。光通信システムで使用する波長１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍにおいては、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層中の電子エネルギー遷移に起因する光吸収を避けるために、Ｇｅの組成はｘ＝０．０１〜０．９であることが好ましい。また、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層に歪を印加することにより、電子およびホールキャリアの有効質量がより小さくなり、より大きな自由キャリアプラズマ効果を得ることができる。

シリコン中の電気光学効果の実験的な評価が行われており、光通信システムで使用する波長１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍでのキャリア密度に対する屈折率変化は、Ｄｒｕｄｅの式と良く一致することが知られている。また、Ｄｒｕｄｅの式に基づく光学的動作を利用した電気光学変調器においては、位相変化量は次式（３）で定義される。

式（３）におけるＬは、シリコンベース電気光学装置の光伝播方向に沿ったアクティブ層の長さである。

本発明では、上記位相変化量は光吸収と比較して大きな効果として発揮される。以下で説明するシリコンベース電気光学装置は、基本的に位相変調器としての特徴を示すことが出来る。

次に、図１〜図１１を参照しながら、上述の自由キャリアプラズマ効果を用いた、ＳＩＳ接合からなる本発明のシリコンベース電気光学装置について説明する。

（第１実施形態）
本発明を適用した第１実施形態に係る電気光学位相変調器（シリコンベース電気光学装置）１０１の断面図を図１に示す。
電気光学位相変調器１０１は、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層からなる凹凸（以降、単に「Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層」と称する）１３と、比較的薄い誘電体層（誘電体）１２と、ｎドープ多結晶シリコン（第２の導電タイプを呈するシリコン半導体層）１０と、を有する。また、電気光学位相変調器１０１は、支持基板３、埋め込み酸化層２、ｐドープ多結晶シリコン（第１の導電タイプを呈するシリコン半導体層）９が順次積層されてなるＳＯＩ基板上に形成されている。なお、図１では、ｎドープ多結晶シリコン１０のうち、誘電体層１２に接する部分をｎドープ多結晶シリコン１９として図示している。

ここで、本発明においては、前記比較的薄い誘電体層１２が、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウムの少なくとも一層からなることを特徴とする。また、前記比較的薄い誘電体層１２の層厚が、０．１ｎｍから５０ｎｍであることを特徴とする。前記比較的薄い誘電体は、電気光学位相変調器１０１においては、誘電体層１２の両側で自由キャリアを蓄積させる際において、誘電率を大きくすると共に、膜厚を薄くすることにより、変調効率が改善されることになる。一方、電気容量の増加は、高速動作する際に周波数帯域を減少させることになるため、目的とする変調効率と高速性を実現するために最適な膜厚および材料が適用される。膜厚に関しては、０．１ｎｍより薄くなると実用上リーク電流の問題があり、また５０ｎｍより厚くなると変調効率が大幅に低下するため、０．１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲で設計することが好ましい。

Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層１３は、ＳＯＩ基板のｐドープ半導体シリコン９の表面に設けられている。Ｇｅの組成は、自由キャリアプラズマ効果を高めるために、ｘ＝０．０１〜０．９とすることが好ましい。

比較的薄い誘電体層１２は、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層１３及びＳＯＩ層の表面上の一部に形成されている。従って、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層１３の最上面だけではなく側面、くぼみのあらゆる露出面が誘電体層１２で覆われている。

ｎドープ多結晶シリコン１０は、誘電体層１２上の表面凹凸を被覆するように積層されている。また、光学的損失を低減するために、ｎドープ多結晶シリコン１０の表面はポリッシングにより平滑化されても良い。
ｐ及びｎドープ多結晶シリコン９，１０には、それぞれに外部から駆動電圧を印加するための電極配線７が接続されている。また、ｐ及びｎドープ多結晶シリコン９，１０と電極配線７のそれぞれの接続部分には、高濃度ドープ処理されたｐ＋及びｎ＋ドープ半導体シリコン４，１１が形成されている。なお、ｐ＋及びｎ＋ドープ半導体シリコン４，１１は、電極配線７のコンタクトとして機能するが、必要に応じてｐ＋及びｎ＋ドープ半導体シリコン４，１１と電極配線７との界面に、各々コンタクト層６を設けてもよい。
ｐ及びｎドープ多結晶シリコン９，１０は、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、歪シリコン、単結晶シリコン、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘからなる群から選択される少なくとも一層からなる。

電気光学位相変調器１０１では、ＳＩＳ接合界面にＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層１３を設けることにより、光フィールドとキャリア密度変調領域のオーバーラップが大きくなる。また、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１３を採用することにより、シリコン半導体層よりも大きなキャリアプラズマ効果が得られるため、電気光学位相変調器１０１のサイズを小さくすることができる。また、ＳＩＳ接合界面に隣接するｐ，ｎドープ多結晶シリコン９，１０のドーピング密度をさらに上昇させることにより、直列抵抗成分を小さくし、ＲＣ時定数を小さくすることができる。

また、電気光学位相変調器１０１においては、ｐ，ｎドープ多結晶シリコン９，１０のドーピング密度を上昇させた領域と光フィールドとのオーバーラップによる光吸収損失を低減するために、ＳＩＳ接合の部分を図１に示すようなリブ／リッジ形状からなる導波路形状とする。そして、スラブ領域のドーピング密度を上昇させた構造とすることにより、光損失およびＲＣ時定数が小さく、高速動作可能な電気光学位相変調器を実現することができる。

上記のように、ＳＩＳ接合界面に設けられた凹凸は、ｐドープ半導体シリコン９表面にＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層１３を形成し、さらに誘電体層１２、その上にｎドープ多結晶シリコン１０を積層して形成することにより実現される。Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層１３における凹凸の間隔（周期）は、自由キャリアが誘電体層１２の両側で蓄積、除去、または反転する半導体層の厚さ（以下、最大空乏層厚）Ｗに対して、２Ｗ以下であることが好ましい。２Ｗ以上であっても変調効率を改善する効果は得られるが、変調効率を改善する効果をより高めるためには２Ｗ以下であることが好ましい。

熱平衡状態における最大空乏層厚Ｗは、次式（４）で与えられる。

式（４）において、ε_ｓは半導体層の誘電率、ｋはボルツマン定数、Ｎ_ｃはキャリア密度、ｎ_ｉは真性キャリア濃度、ｅは電荷量である。例えば、Ｎ_ｃが１０^１７／ｃｍ^３である場合、最大空乏層厚は０．１μｍ程度であり、キャリア密度が上昇するに伴い、空乏層厚、すなわちキャリア密度の変調が生じる領域の厚みは薄くなる。

一方、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層１３における凹凸の高さは、電気光学位相変調器１０１において、光信号電界に作用する実効的な屈折率をｎ_ｅｆｆ、光信号の波長をλとした場合、λ／ｎ_ｅｆｆ以下であることが好ましい。この条件を満たすことにより、光フィールドとキャリア密度変調が行われる領域との重なりが最大となり、高効率な光位相変調が実現される。

上記のように、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層１３の凹凸形状の間隔を２Ｗ以下、かつ凹凸形状の高さをλ／ｎ_ｅｆｆ以下に設定することにより、光信号の反射が抑えられ、自由キャリアが誘電体層１２の両側で蓄積、除去、または反転する領域内に、光信号電界のピーク強度が存在する領域が重ねられるため、最も高い光変調効率が得られることとなる。

図２は、図１に示す電気光学位相変調器１０１の光伝播方向（図１に示すＺ方向）における平面図である。関連の電気光学位相変調器においては、電気信号を駆動電圧として印加した際に、比較的薄い誘電体層の両側でキャリアの蓄積、あるいは空乏化、あるいは反転が生じる。この場合、キャリア密度が変調する領域の厚みは、１００ｎｍ以下であると見積もられる。従って、光信号電界の広がりに対して、キャリア密度が変調される領域が非常に小さく、一般的に変調効率が悪いことが問題である。本実施形態の電気光学位相変調器１０１では、キャリア密度変調される領域を、ＳＩＳ接合の形状をｐドープ半導体シリコン９の表面に設けられたＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１３からなる凹凸形状の領域とすることにより、領域面積を実効的に大きくとり、光信号電界との重なりを改善し、高い変調効率を得ることができる。

（第２実施形態）
次いで、本発明を適用した第２実施形態に係る電気光学位相変調器１０２の断面図を図３に示す。なお、以下の第２〜第５の実施形態に係る電気光学位相変調器の構成において、第１実施形態の電気光学位相変調器１０１と同一の構成には、同一の符号を付し、その説明を省略する。

電気光学位相変調器１０２では、図３に示すように、ＳＯＩ基板のｐドープ半導体シリコン９の表面において、光の伝送方向に対して直交する方向に２種類以上のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ組成の積層構造１４からなる凹凸が形成されている。図３には、Ｇｅの組成ｘが異なる２種類のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層１４ａ，１４ｂからなる積層構造１４を例示している。

Ｇｅの組成を異ならしめた２種類以上のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層の積層構造１４が設けられることにより、Ｇｅの組成を増やした際の結晶欠陥を低減すると共に、誘電体層１２との界面付近のキャリアプラズマ効果をより高めた層構成を実現することが可能となる。

（第３実施形態）
次いで、本発明を適用した第３実施形態に係る電気光学位相変調器１０３の断面図を図４に示す。電気光学位相変調器１０３では、図４に示すように、ＳＯＩ層の表面に、膜厚方向に組成変調されたＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層１５が形成されている。膜厚方向にＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘの組成を変調することにより、Ｇｅの組成ｘを増やした時の結晶欠陥を低減すると共に、誘電体層１２との界面付近のキャリアプラズマ効果をさらに向上させた層構成を実現することが可能となる。

（第４実施形態）
次いで、本発明を適用した第４実施形態に係る電気光学位相変調器１０４の断面図を図５に示す。電気光学位相変調器１０４では、図５に示すように、ＳＯＩ層の表面上のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層１６の凹凸が、光信号の伝播方向（図５に示すＺ方向）に対して、垂直な方向（図５に示すＸ方向）に形成されている。これにより、光フィールドとキャリア変調領域との重なりが改善され、より大きな変調効率が得られる。

（第５実施形態）
次いで、本発明を適用した第５実施形態に係る電気光学位相変調器１０５の断面図を図６に示す。電気光学位相変調器１０５では、図６に示すように、ＳＯＩ層の表面上のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層１７の凹凸が、光信号の伝播方向に対して、平行な方向（図６に示すＺ方向）に形成されている。

図７は、電気光学位相変調器１０５の光伝播方向における平面図である。電気光学位相変調器１０５においても、電気光学位相変調器１０１と同様に、キャリア密度が変調される領域の厚みをＷとした場合、表面の凹凸形状の間隔は、２Ｗ以下であることが好ましい。また、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層１７の凹凸は、光信号の群速度を遅くするように周期的に形成されても良い。あるいは、光信号の反射を抑制するために、光信号電界に作用する実効的な屈折率をｎ_ｅｆｆ、光信号波長をλとした時、λ／ｎ_ｅｆｆ以下の間隔となるように非周期的に形成されても良い。このような凹凸構造により、光フィールドとキャリア変調領域との重なりがさらに改善され、より大きな変調効率を得ることが可能である。

次に、上記第１〜第５の実施形態に係る電気光学位相変調器のキャリア変調領域の形成方法を、図８（ａ）〜（ｊ）を参照しながら説明する。

図８（ａ）は、電気光学位相変調器を形成するためのＳＯＩ基板の断面図である。ＳＯＩ基板は、図８（ａ）に示すように、支持基板３上の埋め込み酸化層２に１００〜１０００ｎｍ程度のｐ型ドープ多結晶シリコン９が積層された構造からなる。光損失を低減するために、埋め込み酸化層厚が１０００ｎｍ以上である構造を用いることが好ましい。埋め込み酸化層２上のｐ型ドープ多結晶シリコン９は、第１の導電タイプ（ｐタイプ）を呈するように予めドーピング処理された基板を用いるか、あるいはイオン注入などにより、ｐタイプのドーパントであるＰあるいはＢを表面層にドープ処理した後、熱処理を行っても良い。

次に、図８（ｂ）に示すように、ｐ型ドープ多結晶シリコン９上に、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層からなる凹凸を形成するための酸化膜マスク１８を低圧ＣＶＤ法などの成膜法により形成する。その後、光リソグラフィあるいは電子線リソグラフィにより光変調部に例えば幅２００ｎｍ程度の開口パターンを形成する。その後、開口パターン上に、超高真空ＣＶＤ法あるいは低圧ＣＶＤ法により、例えば高さ５０〜１００ｎｍ程度のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層１３を選択成長させる。

次に、図８（ｃ）に示すように、熱酸化プロセスにより、例えば５ｎｍ程度のＳｉＯ_２からなる比較的薄い誘電体層１２を形成する。その後、ＣＶＤ法あるいはスパッタ法により、凹凸を十分被覆するように誘電体層１２上にドープされていないノンドープ多結晶シリコン１９ｎを成膜する。本工程においては、ＳＯＩ上の凹凸に起因して、ノンドープ多結晶シリコン１９ｎ上にも凹凸が転写して形成される。そして、低圧ＣＶＤ法などの成膜法により、ノンドープ多結晶シリコン１９ｎ上にＳｉＮ_ｘからなるハードマスク層２０を形成する。

次に、図８（ｄ）に示すように、光リソグラフィあるいは電子線リソグラフィによりハードマスク層２０をパターニングする。さらに、形成したパターンを用いて、光変調部において光導波路構造の幅が０．３μｍ以上２μｍ以下となるように、反応性プラズマエッチング法などにより、ノンドープ多結晶シリコン１９ｎをリブ型導波路形状に加工する。

次に、図８（ｅ）に示すように、イオン注入法によりＳＯＩ層であるｐ型ドープ多結晶シリコン９上にｐ＋ドープ半導体シリコン４を形成する。

次に、図８（ｆ）に示すように、プラズマＣＶＤ法などの成膜法により、酸化膜クラッド層８を成膜し、ＣＭＰにより平坦化を行う。

次に、図８（ｇ）に示すように、上部電極引出し層となる多結晶シリコン層を積層し、ｎタイプのイオン注入により、ノンドープ多結晶シリコン１９ｎと共に、ｎタイプの導電性を示すようにドープ処理をする。また、ノンドープ多結晶シリコン１９ｎは、ｎタイプを呈するように、成膜中にドーピング処理しても良い。

次に、図８（ｈ）に示すように、ｎドープ多結晶シリコン１０の上部電極引出し層に、イオン注入によりｎ＋ドープ多結晶シリコン１１を形成する。

次に、図８（ｉ）に示すように、酸化膜クラッド層８をプラズマＣＶＤ法などにより積層し、反応性エッチングによりコンタクトホール２１を形成後、ｐ＋ドープ半導体シリコン４とｎ＋ドープ多結晶シリコン１１の各表面に、電極コンタクト層６を形成する。本工程において、電極コンタクト層６は、半導体シリコン層上にＮｉなどの金属を積層して、アニールすることによりシリサイド層などで形成しても良い。

次に、図８（ｊ）に示すように、スパッタ法やＣＶＤ法によりコンタクトホール２１を埋めるようにＴｉ／ＴｉＮ／Ａｌ（Ｃｕ）あるいはＴｉ／ＴｉＮ／Ｗなどの金属層を成膜し、反応性エッチングによりパターニングすることにより、電極配線７を形成する。電極配線７の形成により、駆動回路との接続が可能になる。

次いで、本発明のマッハ−ツェンダー干渉計型の構造について説明する。
図９は、本発明を適用した第６実施形態に係るＭＺＭ型光強度変調器（マッハ−ツェンダー干渉計型の構造）２０６の構成図である。ＭＺＭ型光強度変調器２０６は、上記の第１〜第５の実施形態のうちのいずれかの電気光学位相変調器が平行に配置された第１のアーム２２および第２のアーム２３からなり、第１および第２のアーム２２，２３の入力側で光を分岐する光分岐構造２５と、出力側で結合する光結合構造２６が接続して設けられている。ＭＺＭ型光強度変調器２０６では、第１および第２のアーム２２，２３で光信号の位相変調が行われた後、光結合構造２６により位相干渉が行われることにより、入力光が光強度変調信号に変換される。

ＭＺＭ型光強度変調器２０６においては、入力側に配置された光分岐構造２５により、入力光が第１および第２のアーム２２，２３に等しいパワーとなるように分岐される。ここで、第１のアーム２２に正の電圧を印加することにより、電気光学位相変調器の誘電体層の両側でキャリア蓄積が生じ、第２のアームに負の電圧を印加することにより、同誘電体層の両側のキャリアが除去されることになる。これにより、キャリア蓄積モードでは、電気光学装置における光信号電界に作用する屈折率が小さくなり、キャリア除去(空乏化)モードでは、光信号電界に作用する屈折率が大きくなり、両アームでの光信号位相差が最大となる。この両アームを伝送する光信号を出力側の光結合構造により合波することにより、光強度変調が生じることになる。

上記構成を備えるＭＺＭ型光強度変調器２０６によれば、入力光を低電流密度、低消費電力、高い変調度、低電圧駆動、および高速変調で光強度変調することができる。

図１０は、本発明を適用した第７実施形態に係るＭＺＭ型光強度変調器２０７の構成図である。ＭＺＭ型光強度変調器２０７は、図１０に示すように、上記のＭＺＭ型光強度変調器２０６を並列に配置した構成を備えている。
上記構成により、ＭＺＭ型光強度変調器２０６と同様の効果が得られると共に、入力光の光強度変調における並列処理が可能となる。

図１１は、本発明を適用した第８実施形態に係るＭＺＭ型光強度変調器２０８の構成図である。ＭＺＭ型光強度変調器２０８は、図１１に示すように、複数のＭＺＭ型光強度変調器２０６、または、ＭＺＭ型光強度変調器２０７が直列に配置された構成を備えている。
上記構成により、ＭＺＭ型光強度変調器２０７，２０８は、より高い転送レートを有する光変調器やマトリックス光スイッチなどへ応用することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

以下、具体例を示す。

（実施例１）
上記の第１実施形態に係る電気光学位相変調器１０１を図８（ａ）〜（ｊ）に示す工程により作製した。作製時においては、入力光の波長λを１５５０ｎｍとして、波長を勘案し、その他の条件を・・・とした。
また、自由キャリアが誘電体層１２の両側で蓄積、除去、または反転する半導体層の厚さＷを１６０ｎｍとし、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層１３の凹凸の間隔をＷと同程度の１６０ｎｍ程度以下とした。

（比較例１）
Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層１３に凹凸を設けないこと以外は、実施例１と同じ条件で電気光学位相変調器を作製した。

実施例１および比較例１で作製した電気光学位相変調器における位相シフト量の光信号伝搬方向の長さ依存を図１２に示す。キャリア変調される厚みＷと同程度の１６０ｎｍ程度以下の間隔の凹凸を形成することにより、実施例１の電気光学位相変調器における光変調効率が顕著に改善されることを確認した。Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層１３の凹凸の深さに関しても、深さを大きくすることにより、光変調効率が改善されることを確認した。

また、実施例１および比較例１で作製した電気光学位相変調器における動作周波数帯域のキャリア密度依存性を図１３に示す。光位相変調の動作周波数帯域は、変調効率改善によるサイズ低減の効果と凹凸を設けることによる電気容量増加の影響とトレードオフがある。基本的には、光信号電界に作用する実効的な屈折率をｎ_ｅｆｆ、光信号波長をλとした時、凹凸の深さがλ／ｎ_ｅｆｆ以下である場合に周波数帯域は広くなるが、キャリア密度を１０^１８／ｃｍ^３程度とすることにより、１０ＧＨｚ以上の高速動作が可能になることを確認した。

なお、上記に加えて、周波数帯域をより改善するためには、キャリアの移動度や寿命が非常に重要である。特に、多結晶シリコン層におけるキャリアの移動度は、高速動作する上で課題として挙げられる。従って、アニール処理による再結晶化により粒子径を大きくし、キャリア移動度を改善するか、あるいはｎドープ多結晶シリコン１０に関して、エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯ）法などを用いて結晶品質を改善することが有効である。

（実施例２）
実施例１で作製した電気光学位相変調器を用いて、上記の第６実施形態に係るＭＺＭ型光強度変調器２０６を作製した。
作製したＭＺＭ型光強度変調器においては、実用的な光通信システムと同程度の４０Ｇｂｐｓ以上での光強度変調、および、変調された光信号の送信が可能であることを確認した。

本願は、２０１２年３月３０日に、日本に出願された特願２０１２−８０４５１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

低コスト、低電流密度、低消費電力、高い変調度、低電圧駆動、および高速変調を、サブミクロンの領域内で実現可能な、キャリアプラズマ効果に基づく光変調器構造を実現するシリコンベース電気光学装置を提供することができる。

１真性半導体シリコン
２埋め込み酸化層
３支持基板
４ｐ＋ドープ半導体シリコン
６コンタクト層
６Ａ第１のコンタクト層
６Ｂ第２のコンタクト層
７電極配線
８酸化膜クラッド層
９ｐドープ半導体シリコン
１０ｎドープ多結晶シリコン
１１ｎ＋ドープ多結晶シリコン
１２誘電体層
１３Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層（Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる凹凸）
１４二種類以上のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ組成の積層構造からなる凹凸
１５組成変調されたＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層からなる凹凸
１６Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層（Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる凹凸）
１７Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ凹凸層（Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる凹凸）
１８酸化膜マスク、
１９ｎドープ多結晶シリコン、
１９ｎノンドープ多結晶シリコン
２０ＳｉＮ_ｘハードマスク層
２２第１のアーム
２３第２のアーム
２４電気光学装置駆動用電極パッド
２５光分岐構造
２６光結合構造

Claims

第１の導電タイプを呈するようにドープ処理された第１のシリコン半導体層と第２の導電タイプを呈するようにドープ処理された第２のシリコン半導体層の少なくとも一部が積層された構造からなり、前記積層された第１のシリコン半導体層と第２のシリコン半導体層との界面に、比較的薄い誘電体層が形成されたＳＩＳ型接合において、前記第１および第２のシリコン半導体層に結合された電気端子からの電気信号により、自由キャリアが、前記比較的薄い誘導体層の両側で蓄積、除去、または反転することにより、光信号電界に作用する自由キャリア濃度が変調されることを利用した電気光学装置であって、
前記第１および第２の導電タイプを呈する第１および第２のシリコン半導体層が積層された領域において、
前記第１のシリコン半導体層の表面にＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる凹凸が設けられており、この上に前記比較的薄い誘電体層が形成され、さらに前記第２の導電タイプを呈する第２のシリコン半導体層が積層され、
前記第１のシリコン半導体層の表面に設けられたＳｉ _１−ｘＧｅ _ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる凹凸が、少なくとも２種類以上のＳｉ _１−ｘＧｅ _ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）組成の積層構造からなることを特徴とするシリコンベース電気光学装置。
第１の導電タイプを呈するようにドープ処理された第１のシリコン半導体層と第２の導電タイプを呈するようにドープ処理された第２のシリコン半導体層の少なくとも一部が積層された構造からなり、前記積層された第１のシリコン半導体層と第２のシリコン半導体層との界面に、比較的薄い誘電体層が形成されたＳＩＳ型接合において、前記第１および第２のシリコン半導体層に結合された電気端子からの電気信号により、自由キャリアが、前記比較的薄い誘導体層の両側で蓄積、除去、または反転することにより、光信号電界に作用する自由キャリア濃度が変調されることを利用した電気光学装置であって、
前記第１および第２の導電タイプを呈する第１および第２のシリコン半導体層が積層された領域において、
前記第１のシリコン半導体層の表面にＳｉ _１−ｘＧｅ _ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる凹凸が設けられており、この上に前記比較的薄い誘電体層が形成され、さらに前記第２の導電タイプを呈する第２のシリコン半導体層が積層され、
前記第１のシリコン半導体層の表面に設けられたＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる凹凸が、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）の組成が膜厚方向に変調された構造からなることを特徴とするシリコンベース電気光学装置。
第１の導電タイプを呈するようにドープ処理された第１のシリコン半導体層と第２の導電タイプを呈するようにドープ処理された第２のシリコン半導体層の少なくとも一部が積層された構造からなり、前記積層された第１のシリコン半導体層と第２のシリコン半導体層との界面に、比較的薄い誘電体層が形成されたＳＩＳ型接合において、前記第１および第２のシリコン半導体層に結合された電気端子からの電気信号により、自由キャリアが、前記比較的薄い誘導体層の両側で蓄積、除去、または反転することにより、光信号電界に作用する自由キャリア濃度が変調されることを利用した電気光学装置であって、
前記第１および第２の導電タイプを呈する第１および第２のシリコン半導体層が積層された領域において、
前記第１のシリコン半導体層の表面にＳｉ _１−ｘＧｅ _ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる凹凸が設けられており、この上に前記比較的薄い誘電体層が形成され、さらに前記第２の導電タイプを呈する第２のシリコン半導体層が積層され、
前記第１のシリコン半導体層の表面に設けられたＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる凹凸が、少なくとも２種類以上のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）組成からなることを特徴とするシリコンベース電気光学装置。
前記第１のシリコン半導体層の表面に設けられたＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる凹凸が、格子歪のあるＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載のシリコンベース電気光学装置。
前記第１のシリコン半導体層の表面に設けられたＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる凹凸が、光信号の伝播方向に対して、垂直な方向に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のシリコンベース電気光学装置。
前記第１のシリコン半導体層の表面に設けられたＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる凹凸が、光信号の伝播方向に対して、平行な方向に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のシリコンベース電気光学装置。
前記第１のシリコン半導体層の表面に設けられたＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる凹凸の間隔が、自由キャリアが、前記比較的薄い誘電体の両側で蓄積、除去、または反転する半導体層の厚さＷに対して、２Ｗ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のシリコンベース電気光学装置。
前記第１のシリコン半導体層の表面に設けられたＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる凹凸の高さが、前記電気光学装置における光信号電界が作用される実効的な屈折率をｎ_ｅｆｆ、光信号波長をλとした時、λ／ｎ_ｅｆｆ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のシリコンベース電気光学装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の前記シリコンベース電気光学装置が平行に配置された第１のアームおよび第２のアームからなり、これに入力側で結合する光分岐構造と、出力側で結合する光結合構造が接続して設けられ、前記第１のアームおよび第２のアームで光信号の位相変調が行われ、前記光結合構造により位相干渉が行われることにより、光強度変調信号に変換されることを特徴とするマッハーツェンダー干渉計型の構造。