JP6303718B2 - 光半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光半導体素子及びその製造方法に関する。

近時では、シリコン等の半導体を用いた光デバイスの集積化による次世代の光インターコネクトの技術開発が進められている。この技術は、シリコン等を用いた光導波路、波長分波器、位相変調器や受光器等の光デバイスを１つの基板上に一括集積することにより実現される。その中でも位相変調器は、電圧を印加することで駆動する光デバイスであるため、電極構造を光導波路に設けることが必要となる。

"50-Gb/s ring-resonator-based silicon modulator"Optics Express, Vol. 21, Issue 10, pp. 11869-11876 (2013)

位相変調器を光導波路に設けた光半導体素子の一例として、非特許文献１で開示するものを図１に示す。
この光半導体素子では、通常のチャネル型のコア１０１の両側面に位相変調器である第１及び第２の側面格子１０２ａ，１０２ｂが一体形成されている。第１の側面格子１０２ａは、コア１０１の一方の側面に櫛歯状に形成されたＮ型導電型の位相変調器である。第２の側面格子１０２ｂは、コア１０１の他方の側面に櫛歯状に形成されたＰ型導電型の位相変調器である。第１及び第２の側面格子１０２ａ，１０２ｂに電圧を印加することにより、コア１０１に第１の側面格子１０２ａから電子が、第２の側面格子１０２ｂからホールがそれぞれ注入され、コア１０１の屈折率が変化して位相変調される。

この場合、コア１０１の第１の側面格子１０２ａの非形成部分と第１の側面格子１０２ａの形成部分とでは横断面形状が異なる。そのため、図２に示すように、両者の境界面（楕円Ａで囲む部分）で発生する光反射が問題となる。この光反射を抑制する手法としては、図３に示すように、境界面に対して、コア１０１並びに第１及び第２の側面格子１０２ａ，１０２ｂを傾斜させることが考えられる。しかしながらこの手法では、境界面に平行な波数成分が保存されない（コア１０１の第１の側面格子１０２ａの非形成部分及び形成部分における波数ｋ₁，ｋ₂の境界面に平行な成分をそれぞれｋａ，ｋｂとして、ｋａ≠ｋｂとなる。）。そのため、出射側のコア１０１への光の透過強度が減衰して小さくなるという課題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、光導波路におけるコアの境界面における光反射を抑止し、コアを通過する光の透過強度を減衰させることなく出射する、透過強度のロスを抑えた信頼性の高い光半導体素子を提供することを目的とする。

光半導体素子の一態様は、基板と、前記基板上に、相異なる断面形状で一意に定まる境界面を有する第１のコア及び第２のコアを備えた光導波路とを含み、前記光導波路は、前記境界面と垂直な仮想直線に対して前記第１のコアの光導波方向がなす角度をθ₁とし、前記仮想直線に対して前記第２のコアの光導波方向がなす角度をθ₂とし、前記第１のコアの等価屈折率をｎ₁とし、前記第２のコアの等価屈折率をｎ₂とした場合に、
ｎ₁ｓｉｎθ₁＝ｎ₂ｓｉｎθ₂ ，θ ₁ ≠θ ₂
の関係を満たす。

光半導体素子の製造方法の一態様は、基板上に、相異なる断面形状で一意に定まる境界面を有する第１のコア及び第２のコアを有する光導波路を形成するに際して、前記境界面と垂直な仮想直線に対して前記第１のコアの光導波方向がなす角度をθ₁とし、前記仮想直線に対して前記第２のコアの光導波方向がなす角度をθ₂とし、前記第１のコアの等価屈折率をｎ₁とし、前記第２のコアの等価屈折率をｎ₂とした場合に、
ｎ₁ｓｉｎθ₁＝ｎ₂ｓｉｎθ₂ ，θ ₁ ≠θ ₂
の関係を満たすように、前記光導波路を形成する。

上記の諸態様によれば、光導波路におけるコアの境界面における光反射を抑止し、コアを通過する光の透過強度を減衰させることなく出射する、透過強度のロスを抑えた信頼性の高い光半導体素子が実現する。

従来の光半導体素子の一例を示す概略平面図である。 従来の光半導体素子の問題点を説明するための概略平面図である。 従来の光半導体素子の他の例を示す概略平面図である。 第１の実施形態による光半導体素子の主要構成を説明するための概略平面図である。 第２の実施形態における光半導体素子の製造方法について工程順に示す概略図である。 図５に引き続き、第２の実施形態における光半導体素子の製造方法について工程順に示す概略図である。 図６に引き続き、第２の実施形態における光半導体素子の製造方法について工程順に示す概略図である。 図７に引き続き、第２の実施形態における光半導体素子の製造方法について工程順に示す概略図である。 図８に引き続き、第２の実施形態における光半導体素子の製造方法について工程順に示す概略図である。 図９に引き続き、第２の実施形態における光半導体素子の製造方法について工程順に示す概略図である。 第３の実施形態における光半導体素子の製造方法の主要工程について工程順に示す概略図である。 図１１に引き続き、第３の実施形態における光半導体素子の製造方法の主要工程について工程順に示す概略図である。 第４の実施形態における光半導体素子の製造方法の主要工程について工程順に示す概略図である。 図１３に引き続き、第４の実施形態における光半導体素子の製造方法の主要工程について工程順に示す概略図である。 図１４に引き続き、第４の実施形態における光半導体素子の製造方法の主要工程について工程順に示す概略図である。 図１５に引き続き、第４の実施形態における光半導体素子の製造方法の主要工程について工程順に示す概略図である。 図１６に引き続き、第４の実施形態における光半導体素子の製造方法の主要工程について工程順に示す概略図である。

以下、光半導体素子の具体的な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態では、光半導体素子の主要構成について説明する。

図４は、光半導体素子の主要構成を説明するための概略平面図である。
この光半導体素子は、ＳｉＯ₂等の基板１上に光導波路が形成されて構成される。光導波路は、コア２と、コア２上に設けられた不図示のクラッド及び電極を備えて構成される。

コア２は、この光半導体素子における主要な構成部材であって、例えば単一のシリコン層がエッチング加工されてなるものであり、相異なる断面形状である第１のコア２ａと第２のコア２ｂとが一体形成されてなる。
第１のコア２ａは、チャネル型コアのみの部分であり、入射側部分であるコア入射側部１１と、出射側部分であるコア出射側部１２とからなる。
第２のコア２ｂは、チャネル型コアであるコア中央部１３の両側面に位相変調器である側面部分１４が一体形成されてなる。側面部分１４は、コア中央部１３の一方の側面に形成された第１の側面格子１４ａと、コア中央部１３の他方の側面に第２の側面格子１４ｂとからなる。

第１の側面格子１４ａは、コア中央部１３の一方の側面に櫛歯状に形成されたｎ型導電型の位相シフタである。第２の側面格子１４ｂは、コア中央部１３の他方の側面に櫛歯状に形成されたｐ型導電型の位相シフタである。側面格子１４ａ，１４ｂに電圧を印加することにより、コア中央部１３に側面格子１４ａから電子が、側面格子１４ｂからホールがそれぞれ注入され、コア中央部１３の屈折率が変化して位相変調される。

第１のコア２ａと第２のコア２ｂとは、光導波モードにおける光強度分布のピーク位置が一致するように接続されている。第１のコア２ａと第２のコア２ｂとの間に境界面、具体的にはコア入射側部１１と第２のコア２ｂとの間に一意に定まる境界面Ａが、第２のコア２ｂとコア出射側部１２との間に一意に定まる境界面Ｂがそれぞれ形成されている。境界面Ａ，Ｂと垂直な仮想直線Ａ１，Ｂ１を考える。

以下、境界面Ａを例に採って説明する。境界面Ｂの場合も同様である。
境界面Ａにおいて、第１のコア２ａ（のコア入射側部１１）と第２のコア２ｂとでは横断面形状が異なる。この場合、両者の境界面Ａに平行な波数成分が保存されるように、コア入射側部１１の入射角及びコア中央部１３の出射角を規定すれば、光の透過強度の減衰が抑止されて透過強度が一定に保持されることになる。

コア入射側部１１を導波する光の波数をｋ₁、コア中央部１３を導波する光の波数をｋ₂、仮想直線Ａ１に対してコア入射側部１１の光導波方向がなす角度をθ₁とし、仮想直線Ａ１に対してコア中央部１３の光導波方向がなす角度をθ₂とする。境界面Ａに平行な波数成分が保存されることから、以下の関係式（１）が成立する。
ｋ₁ｓｉｎθ₁＝ｋ₂ｓｉｎθ₂ ・・・（１）

関係式（１）は、角度θ₁，θ₂と、第１のコア２ａの等価屈折率ｎ₁及び第２のコア２ｂコアの等価屈折率ｎ₂とを用いて記述すれば、以下の関係式となる。本実施形態では、当該関係式を条件式１と称する。
ｎ₁ｓｉｎθ₁＝ｎ₂ｓｉｎθ₂ ・・・（条件式１）

コア２が上記の条件式１を満たすように形成されることにより、光の透過強度の減衰が抑止されて透過強度が一定に保持される。

更に本実施形態では、境界面Ａにおける基本モードの光反射を低減することを志向する。
コア入射側部１１における基本モードの波数をｋ₁、コア入射側部１１の境界面Ａに平行な電磁場成分をＥ¹，Ｈ¹とする。コア中央部１３における基本モードの波数をｋ₂、コア中央部１３の境界面Ａに平行な電磁場成分をＥ²，Ｈ²とする。更に角度θ₁，θ₂を用いると、基本波の振幅反射率Ｒ₀は以下の関係式で表現できる。

関係式（２）の積分は、境界面Ａに平行な方向の積分である。関係式（２）は、第１のコア２ａのＴＥの基本モードの等価屈折率ｎ₁及び第２のコア２ｂのＴＥの基本モードの等価屈折率ｎ₂を用いると、一般的なバルクの平面波の反射を表す以下のフレネル方程式で簡略化して記述することができる。

関係式（３）において、分母が０となる条件は、以下の関係式で記述される。本実施形態では、当該関係式を条件式２と称する。
ｎ₁ｃｏｓθ₂＝ｎ₂ｃｏｓθ₁ ・・・（条件式２）

コア２が上記の条件式２を満たすように形成されることにより、境界面Ａにおける基本モードの光反射が０に抑止される。

以上説明したように、本実施形態では、コア２が上記の条件式１及び条件式２の双方を満たすように形成されることにより、光の透過強度の減衰が抑止されて透過強度が一定に保持されると共に、境界面Ａ，Ｂにおける基本モードの光反射が略完全に抑止される。

（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態で説明した光導波路を備えた光半導体素子の具体的な構成について、その製造方法と共に説明する。

図５〜図１０は、第２の実施形態における光半導体素子の製造方法について工程順に示す概略図である。図５〜図１０の各図において、下図が平面図、上図が下図の破線Ｉ−Ｉに沿った断面図である。

先ず、図５に示すように、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板２１を用意する。ＳＯＩ基板２１は、埋め込み酸化層２１ａ上に２μｍ程度の厚みのＳＯＩ層２１ｂが設けられて構成されている。

続いて、図６に示すように、ＳＯＩ層２１ｂの表面における図中の右側部分に、ｎ型ドーピング領域２２を形成する。
詳細には、ＳＯＩ層２１ｂの表面上に、一方の側面部分を露出するレジストマスクを形成し、当該露出部分にｎ型不純物、例えばリン（Ｐ⁺）又は砒素（Ａｓ⁺）をドーピングする。レジストマスクはウェット処理又はアッシング処理により除去される。
次に、上記のドーピング部分のうち、ＳＯＩ層２１ｂの表面で中央寄りの部分を露出するレジストマスクを形成し、当該露出部分にｎ型不純物、例えばリン（Ｐ⁺）又は砒素（Ａｓ⁺）を、上記のドーピングよりも高濃度にドーピングする。レジストマスクはウェット処理又はアッシング処理により除去される。

以上により、ＳＯＩ層２１ｂの表面の図６中の右側部分において、ｎ^-型ドーピング領域２２ａと、その外側でｎ^-型ドーピング領域２２ａと隣接するｎ⁺型ドーピング領域２２ｂとからなるｎ型ドーピング領域２２が形成される。ｎ^-型ドーピング領域２２ａは、比較的低濃度のｎ型（ｎ^-型）にドーピングされた領域であり、ｎ⁺型ドーピング領域２２ｂは、ｎ^-型ドーピング領域２２ａよりも高濃度のｎ型（ｎ⁺型）にドーピングされた領域である。

続いて、図７に示すように、ＳＯＩ層２１ｂの表面における図中の左側部分に、ｐ型ドーピング領域２３を形成する。
詳細には、ＳＯＩ層２１ｂの表面上に、一方の側面部分を露出するレジストマスクを形成し、当該露出部分にｐ型不純物、例えばホウ素（Ｂ⁺）をドーピングする。レジストマスクはウェット処理又はアッシング処理により除去される。
次に、上記のドーピング部分のうち、ＳＯＩ層２１ｂの表面で中央寄りの部分を露出するレジストマスクを形成し、当該露出部分にｐ型不純物、例えばホウ素（Ｂ⁺）を、上記のドーピングよりも高濃度にドーピングする。レジストマスクはウェット処理又はアッシング処理により除去される。

以上により、ＳＯＩ層２１ｂの表面の図７中の左側部分において、ｐ^-型ドーピング領域２３ａと、その外側でｐ^-型ドーピング領域２３ａと隣接するｐ⁺型ドーピング領域２３ｂとからなるｐ型ドーピング領域２３が形成される。ｐ^-型ドーピング領域２３ａは、比較的低濃度のｐ型（ｐ^-型）にドーピングされた領域であり、ｐ⁺型ドーピング領域２３ｂは、ｐ^-型ドーピング領域２３ａよりも高濃度のｐ型（ｐ⁺型）にドーピングされた領域である。

続いて、図８に示すように、ＳＯＩ層２１ｂを加工して、コア２を形成する。
詳細には、リソグラフィー及びドライエッチングによりＳＯＩ層２１ｂを加工する。これにより、ＳＯＩ層２１ｂのシリコン膜で第１のコア２ａと第２のコア２ｂとが一体形成されてなるコア２が形成される。

第１のコア２ａは、チャネル型コアのみの部分であり、入射側部分であるコア入射側部１１と、出射側部分であるコア出射側部１２とからなる。
コア入射側部１１は、ＳＯＩ層２１ｂの表面におけるｎ型ドーピング領域２２及びｐ型ドーピング領域２２の非形成部分である上側部分に形成される。コア出射側部１２は、ＳＯＩ層２１ｂの表面におけるｎ型ドーピング領域２２及びｐ型ドーピング領域２２の非形成部分である下側部分に形成される。

第２のコア２ｂは、チャネル型コアであるコア中央部１３の両側面に側面部分１４が一体形成されてなる。コア中央部１３は、コア入射側部１１と一体的に接続される。側面部分１４は、コア中央部１３の一方の側面に形成された第１の側面格子１４ａと、コア中央部１３の他方の側面に第２の側面格子１４ｂとからなる。

第１の側面格子１４ａは、ｎ型ドーピング領域２２がパターニングされてなり、ｎ^-型ドーピング領域２２ａが櫛歯状に加工され、ｎ⁺型ドーピング領域２２ｂが電極接続領域として形成される。ｎ^-型ドーピング領域２２ａでは、櫛歯部分２２ａ１の長手方向がコア中央部１３の長手方向と略直交するように形成される。

第２の側面格子１４ｂは、ｐ型ドーピング領域２３がパターニングされてなり、コア中央部１３の他方の側面に、ｐ^-型ドーピング領域２３ａが櫛歯状に加工されて形成される。ｐ^-型ドーピング領域２３ａでは、櫛歯部分２３ａ１の長手方向がコア中央部１３の長手方向と略直交するように形成される。

側面部分１４は、位相変調器として機能する。具体的には、第１及び第２の側面格子１４ａ，１４ｂに電圧を印加することにより、コア中央部１３に第１の側面格子１４ａから電子が、第２の側面格子１４ｂからホールがそれぞれ注入され、コア中央部１３の屈折率が変化して位相変調される。

コア２では、例えば、第１のコア２ａについて、コア入射側部１１及びコア出射側部１２のコア幅Ｗ₁が４５０ｎｍ程度、高さが２２０ｎｍ程度とされる。第２のコア２ｂについては、コア中央部１３のコア幅が４５０ｎｍ程度、高さが２２０ｎｍ程度とされ、第１及び第２の側面格子１４ａ，１４ｂの櫛歯部分２２ａ１，２３ａ１の幅Ｗ₂が７０ｎｍ程度、長さが１μｍ程度、ピッチＰ（周期）が２８５ｎｍ程度とされる。

本実施形態では、コア２は、第１の実施形態で規定した角度θ₁，θ₂、等価屈折率ｎ₁，ｎ₂を用いて、条件式１，２の双方が成立するように形成される。具体的には、コア入射側部１１に入射する光の波長が１．５５μｍの場合におけるＴＥの基本モードの等価屈折率ｎ₁，ｎ₂について、ｎ₁が２．４、ｎ₂が２．７である。従って、角度θ₁が４８°程度、角度θ₂が４１°程度となるように、第１及び第２のコア２ａ，２ｂを形成すれば良い。このようにコア２を一体形成することにより、光の透過強度の減衰が抑止されて透過強度が一定に保持されると共に、境界面Ａにおける基本モードの光反射が略完全に抑止される。

続いて、図９に示すように、コア２上にクラッド３を形成する。
詳細には、コア２上にＣＶＤ法等により１μｍ程度の厚みにシリコン酸化膜を堆積し、シリコン酸化膜をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工して一対の開口を形成する。以上により、コア２上に、コア２のｎ⁺型及びｐ⁺型ドーピング領域２２ｂ，２３ｂの一部を露出する電極用開口３ａ，３ｂを有するクラッド３が形成される。
コア２及びクラッド３により、本実施形態における光導波路１０が形成される。

続いて、図１０に示すように、電極４，５を形成する。
詳細には、電極用開口３ａ，３ｂを埋め込むようにクラッド３上に電極用金属、例えばアルミニウム（Ａｌ）をスパッタ法等に堆積し、Ａｌをリソグラフィー及びドライエッチングにより加工する。以上により、電極用開口３ａ，３ｂを介して第１及び第２の側面格子１４ａ，１４ｂと電気的に接続されてなる一対の電極４，５が形成される。電極４，５から第１及び第２の側面格子１４ａ，１４ｂに電圧を印加することにより、コア中央部１３の屈折率が変化して位相変調される。

以上説明したように、本実施形態によれば、光導波路１０におけるコア２の境界面における光反射を抑止し、コア２を通過する光の透過強度を減衰させることなく出射する、透過強度のロスを抑えた信頼性の高い光半導体素子が実現する。

（第３の実施形態）
本実施形態では、第２の実施形態と同様に、第１の実施形態で説明した光導波路を備えた光半導体素子の具体的な構成について、その製造方法と共に説明するが、第２のコアの側面格子の形状が若干異なる点で第２の実施形態と相違する。

図１１〜図１２は、第３の実施形態における光半導体素子の製造方法の主要工程について工程順に示す概略図である。図１１〜図１２の各図において、（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）の破線Ｉ−Ｉに沿った断面図である。図１１〜図１２では、第１及び第２の実施形態と同様の構成部材については、同符号を付して詳しい説明を省略する。

先ず、第２の実施形態と同様に、図５〜図７の各工程を順次実行する。
続いて、図１１に示すように、ＳＯＩ層２１ｂを加工して、コア２０を形成する。
詳細には、リソグラフィー及びドライエッチングによりＳＯＩ層２１ｂを加工する。これにより、ＳＯＩ層２１ｂのシリコン膜で第１のコア２０ａと第２のコア２０ｂとが一体形成されてなるコア２０が形成される。

第１のコア２０ａは、チャネル型コアのみの部分であり、入射側部分であるコア入射側部１１と、出射側部分であるコア出射側部１２とからなる。
コア入射側部１１は、ＳＯＩ層２１ｂの表面におけるｎ型ドーピング領域２２及びｐ型ドーピング領域２２の非形成部分である上側部分に形成される。コア出射側部１２は、ＳＯＩ層２１ｂの表面におけるｎ型ドーピング領域２２及びｐ型ドーピング領域２２の非形成部分である下側部分に形成される。

第２のコア２０ｂは、チャネル型コアであるコア中央部１３の両側面に位相変調器である側面部分１５が一体形成されてなる。コア中央部１３は、コア入射側部１１と一体的に接続される。側面部分１５は、コア中央部１３の一方の側面に形成された第１の側面格子１５ａと、コア中央部１３の他方の側面に第２の側面格子１５ｂとからなる。

第１の側面格子１５ａは、ｎ型ドーピング領域２２がエッチング加工されてなり、ｎ^-型ドーピング領域２２ｃが櫛歯状に加工され、ｎ⁺型ドーピング領域２２ｂが電極形成領域として形成される。ｎ^-型ドーピング領域２２ａでは、櫛歯部分２２ｃ１の長手方向が境界面Ａ，Ｂと略直交するように形成される。

第２の側面格子１５ｂは、ｐ型ドーピング領域２３がエッチング加工されてなり、ｐ^-型ドーピング領域２３ｃが櫛歯状に加工され、ｐ⁺型ドーピング領域２３ｂが電極形成領域として形成される。ｐ^-型ドーピング領域２３ａでは、櫛歯部分２３ｃ１の長手方向が境界面Ａ，Ｂと略直交するように形成される。

側面部分１５は、位相変調器として機能する。具体的には、第１及び第２の側面格子１５ａ，１５ｂに電圧を印加することにより、コア中央部１３に第１の側面格子１５ａから電子が、第２の側面格子１５ｂからホールがそれぞれ注入され、コア中央部１３の屈折率が変化して位相変調される。

コア２０では、例えば、第１のコア２０ａについて、コア入射側部１１及びコア出射側部１２のコア幅が４５０ｎｍ程度、高さが２２０ｎｍ程度とされる。第２のコア２０ｂについては、コア中央部１３のコア幅Ｗ₁が４５０ｎｍ程度、高さが２２０ｎｍ程度とされ、第１及び第２の側面格子１５ａ，１５ｂの櫛歯部分２２ｃ１，２３ｃ１の幅Ｗ₂が７０ｎｍ程度、長さが１μｍ程度、ピッチＰ（周期）が２８５ｎｍ程度とされる。

本実施形態では、コア２０は、第１の実施形態で規定した角度θ₁，θ₂、等価屈折率ｎ₁，ｎ₂を用いて、条件式１，２の双方が成立するように形成される。具体的には、コア入射側部１１に入射する光の波長が１．５５μｍの場合におけるＴＥの基本モードの等価屈折率ｎ₁，ｎ₂について、ｎ₁が２．４、ｎ₂が２．７である。従って、角度θ₁が４８°程度、角度θ₂が４１°程度となるように、第１及び第２のコア２０ａ，２０ｂを形成すれば良い。このようにコア２０を一体形成することにより、光の透過強度の減衰が抑止されて透過強度が一定に保持されると共に、境界面Ａ，Ｂにおける基本モードの光反射が略完全に抑止される。

続いて、図１２に示すように、第２の実施形態と同様に、コア２０上にクラッド３を形成し、電極４，５を形成する。コア２０及びクラッド３により、本実施形態における光導波路３０が形成される。電極４，５から第１及び第２の側面格子１５ａ，１５ｂに電圧を印加することにより、コア中央部１３の屈折率が変化して位相変調される。

以上説明したように、本実施形態によれば、光導波路３０におけるコア２０の境界面における光反射を抑止し、コア２０を通過する光の透過強度を減衰させることなく出射する、透過強度のロスを抑えた信頼性の高い光半導体素子が実現する。

（第４の実施形態）
本実施形態では、第２の実施形態と同様に、第１の実施形態で説明した光導波路を備えた光半導体素子の具体的な構成について、その製造方法と共に説明するが、第２のコアが異なる点で第２の実施形態と相違する。

図１３〜図１７は、第４の実施形態における光半導体素子の製造方法の主要工程について工程順に示す概略図である。図１３〜図１７の各図において、（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）の破線Ｉ−Ｉに沿った断面図である。図１３〜図１７では、第１及び第２の実施形態と同様の構成部材については、同符号を付して詳しい説明を省略する。

先ず、第１の実施形態と同様に、図２のＳＯＩ基板２１を用意する。
続いて、図１３に示すように、ＳＯＩ基板２１のＳＯＩ層２１ｂの中央部分を加工して、リブ型構造の第２のコアとなる領域２４を形成する。
詳細には、リソグラフィー及びドライエッチングによりＳＯＩ層２１ｂを加工する。これにより、ＳＯＩ層２１ｂの表面の中央部分に、第２のコアとなる領域２４が形成される。この領域２４は、チャネル型コアであるコア中央部１８の両側面に位相変調器となる側面部分１９が一体形成されてなる。側面部分１９は、コア中央部１８よりも薄い平板状のスラブ領域であり、コア中央部１８の一方の側面に形成された第１のスラブ領域１９ａと、コア中央部１８の他方の側面に形成された第２のスラブ領域１９ｂとからなる。

続いて、図１４に示すように、ＳＯＩ基板２１のＳＯＩ層２１ｂの上方部分及び下方部分を加工して、第１のコア４０ａを形成する。
詳細には、リソグラフィー及びドライエッチングによりＳＯＩ層２１ｂを加工する。これにより、ＳＯＩ層２１ｂの表面の上方部分及び下方部分に、第１のコア４０ａが形成される。第１のコア４０ａは、チャネル型コアのみの部分であり、入射側部分であるコア入射側部１６と、出射側部分であるコア出射側部１７とからなる。第１のコア４０ａは、コア入射側部１６がコア中央部１８の入射側端と、コア出射側部１７がコア中央部１８の出射側端とそれぞれ接続されるように、第２のコアとなる領域２４と一体形成される。

続いて、図１５に示すように、第１のスラブ領域１９ａにｎ型不純物をドーピングする。
詳細には、先ず、第１のスラブ領域１９ａを露出するレジストマスクを形成し、当該露出部分にｎ型不純物、例えばリン（Ｐ⁺）又は砒素（Ａｓ⁺）をドーピングする。レジストマスクはウェット処理又はアッシング処理により除去される。
次に、上記のドーピング部分のうち、ＳＯＩ層２１ｂの表面で中央寄りの部分を露出するレジストマスクを形成し、当該露出部分にｎ型不純物、例えばリン（Ｐ⁺）又は砒素（Ａｓ⁺）を、上記のドーピングよりも高濃度にドーピングする。レジストマスクはウェット処理又はアッシング処理により除去される。

以上により、第１のスラブ領域１９ａに、ｎ^-型ドーピング領域２５ａと、その外側でｎ^-型ドーピング領域２５ａと隣接するｎ⁺型ドーピング領域２５ｂとが形成される。ｎ⁺型ドーピング領域２５ｂは電極接続領域となる。

続いて、図１６に示すように、第２のスラブ領域１９ｂにｐ型不純物をドーピングする。
詳細には、先ず、第２のスラブ領域１９ｂを露出するレジストマスクを形成し、当該露出部分にｐ型不純物、例えばホウ素（Ｂ⁺）をドーピングする。レジストマスクはウェット処理又はアッシング処理により除去される。
次に、上記のドーピング部分のうち、ＳＯＩ層２１ｂの表面で中央寄りの部分を露出するレジストマスクを形成し、当該露出部分にｎ型不純物、例えばホウ素（Ｂ⁺）を、上記のドーピングよりも高濃度にドーピングする。レジストマスクはウェット処理又はアッシング処理により除去される。
以上により、第２のスラブ領域１９ｂに、ｐ^-型ドーピング領域２６ａと、その外側でｐ^-型ドーピング領域２６ａと隣接するｐ⁺型ドーピング領域２６ｂとが形成される。ｐ⁺型ドーピング領域２６ｂは電極接続領域となる。

以上のようにして、コア中央部１８の一方の側面にｎ型とされた第１のスラブ領域１９ａが、コア中央部１８の他方の側面にｐ型とされた第２のスラブ領域１９ｂとを有してなる第２のコア４０ｂが形成される。第１のコア４０ａと第２のコア４０ｂとが一体となってコア４０が構成される。

第２のコア４０ｂにおいて、側面部分１９は、位相変調器として機能する。具体的には、第１及び第２のスラブ領域１９ａ，１９ｂに電圧を印加することにより、コア中央部１８に第１のスラブ領域１９ａから電子が、第２のスラブ領域１９ｂからホールがそれぞれ注入され、コア中央部１８の屈折率が変化して位相変調される。

コア４０では、例えば、第１のコア４０ａについて、コア入射側部１６及びコア出射側部１７のコア幅Ｗが４５０ｎｍ程度、高さが２２０ｎｍ程度とされる。第２のコア４０ｂについては、コア中央部１８のコア幅が４５０ｎｍ程度、高さが２２０ｎｍ程度とされる。

本実施形態では、コア４０は、第１の実施形態で規定した角度θ₁，θ₂、等価屈折率ｎ₁，ｎ₂を用いて、条件式１，２の双方が成立するように形成される。具体的には、コア入射側部１６に入射する光の波長が１．５５μｍの場合におけるＴＥの基本モードの等価屈折率ｎ₁，ｎ₂について、ｎ₁が２．４、ｎ₂が２．６である。従って、角度θ₁が４７°程度、角度θ₂が４３°程度となるように、第１及び第２のコア４０ａ，４０ｂを形成すれば良い。このようにコア４０を一体形成することにより、光の透過強度の減衰が抑止されて透過強度が一定に保持されると共に、境界面Ａ，Ｂにおける基本モードの光反射が略完全に抑止される。

続いて、図１７に示すように、第２の実施形態と同様に、コア４０上にクラッド３を形成し、電極４，５を形成する。コア４０及びクラッド３により、本実施形態における光導波路５０が形成される。電極４，５から第１及び第２のスラブ領域１９ａ，１９ｂに電圧を印加することにより、コア中央部１８の屈折率が変化して位相変調される。

以上説明したように、本実施形態によれば、光導波路５０におけるコア４０の境界面における光反射を抑止し、コア４０を通過する光の透過強度を減衰させることなく出射する、透過強度のロスを抑えた信頼性の高い光半導体素子が実現する。

なお、第１〜第４の実施形態では、光導波路のコアの材料としてシリコンを例示しているが、これに限定されるものではなく、例えばガリウムヒ素等の化合物半導体や高分子ポリマー等を用いることもできる。

以下、光半導体素子及びその製造方法の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）基板と、
前記基板上に、相異なる断面形状で一意に定まる境界面を有する第１のコア及び第２のコアを備えた光導波路と
を含み、
前記光導波路は、前記境界面と垂直な仮想直線に対して前記第１のコアの光導波方向がなす角度をθ₁とし、前記仮想直線に対して前記第２のコアの光導波方向がなす角度をθ₂とし、前記第１のコアの等価屈折率をｎ₁とし、前記第２のコアの等価屈折率をｎ₂とした場合に、
ｎ₁ｓｉｎθ₁＝ｎ₂ｓｉｎθ₂
の関係を満たすことを特徴とする光半導体素子。

（付記２）前記光導波路は、
ｎ₁ｃｏｓθ₂＝ｎ₂ｃｏｓθ₁
の関係を更に満たすことを特徴とする付記１に記載の光半導体素子。

（付記３）前記第２のコアは、一方の側面に形成された第１導電型の第１の側面部分と、他方の側面に形成された第２導電型の第２の側面部分とを有することを特徴とする付記１又は２に記載の光半導体素子。

（付記４）前記第１の側面部分及び前記第２の側面部分は、櫛歯部分を有する側面格子であることを特徴とする付記３に記載の光半導体素子。

（付記５）前記第１の側面部分及び前記第２の側面部分は、各々の前記櫛歯部分が前記第２のコアの光導波方向と垂直に形成されていることを特徴とする付記４に記載の光半導体素子。

（付記６）前記第１の側面部分及び前記第２の側面部分は、各々の前記櫛歯部分が前記境界面と水平に形成されていることを特徴とする付記４に記載の光半導体素子。

（付記７）前記第１の側面部分及び前記第２の側面部分は、平板状に形成されていることを特徴とする付記３に記載の光半導体素子。

（付記８）前記第１のコア及び前記第２のコアは、同一の半導体層により一体形成されていることを特徴とする付記１〜７のいずれか１項に記載の光半導体素子。

（付記９）基板上に、相異なる断面形状で一意に定まる境界面を有する第１のコア及び第２のコアを有する光導波路を形成するに際して、
前記境界面と垂直な仮想直線に対して前記第１のコアの光導波方向がなす角度をθ₁とし、前記仮想直線に対して前記第２のコアの光導波方向がなす角度をθ₂とし、前記第１のコアの等価屈折率をｎ₁とし、前記第２のコアの等価屈折率をｎ₂とした場合に、
ｎ₁ｓｉｎθ₁＝ｎ₂ｓｉｎθ₂
の関係を満たすように、前記光導波路を形成することを特徴とする光半導体素子の製造方法。

（付記１０）ｎ₁ｃｏｓθ₂＝ｎ₂ｃｏｓθ₁
の関係を更に満たすように、前記光導波路を形成することを特徴とする付記９に記載の光半導体素子の製造方法。

（付記１１）前記基板上の半導体層を加工して、前記第１のコア及び前記第２のコアを一体形成することを特徴とする付記９又は１０に記載の光半導体素子の製造方法。

（付記１２）前記第２のコアは、一方の側面に形成された第１導電型の第１の側面部分と、他方の側面に形成された第２導電型の第２の側面部分とを有することを特徴とする付記９〜１１のいずれか１項に記載の光半導体素子の製造方法。

（付記１３）前記第１の側面部分及び前記第２の側面部分は、櫛歯部分を有する側面格子であることを特徴とする付記１２に記載の光半導体素子の製造方法。

（付記１４）前記第１の側面部分及び前記第２の側面部分は、各々の前記櫛歯部分が前記第２のコアの光導波方向と垂直に形成されることを特徴とする付記１３に記載の光半導体素子の製造方法。

（付記１５）前記第１の側面部分及び前記第２の側面部分は、各々の前記櫛歯部分が前記境界面と水平に形成されることを特徴とする付記１３に記載の光半導体素子の製造方法。

（付記１６）前記第１の側面部分及び前記第２の側面部分は、平板状に形成されることを特徴とする付記１２に記載の光半導体素子の製造方法。

１ 基板
２，２０，４０，１０１ コア
２ａ，２０ａ，４０ａ 第１のコア
２ｂ，２０ｂ，４０ｂ 第２のコア
３ クラッド
３ａ，３ｂ 電極用開口
４，５ 電極
１０，３０，５０ 光導波路
１１ コア入射側部
１２ コア出射側部
１３，１８ コア中央部
１４，１５，１９ 側面部分
１４ａ，１５ａ，１０２ａ 第１の側面格子
１４ｂ，１５ｂ，１０２ｂ 第２の側面格子
１９ａ 第１のスラブ領域
１９ｂ 第２のスラブ領域
２１ ＳＯＩ基板
２１ａ 埋め込み酸化層
２１ｂ ＳＯＩ層
２２ ｎ型ドーピング領域
２２ａ，２２ｃ，２５ａ ｎ^-型ドーピング領域
２２ｂ，２５ｂ ｎ⁺型ドーピング領域
２２ａ１，２３ａ１，２２ｃ１，２３ｃ１ 櫛歯部分
２３ ｐ型ドーピング領域
２３ａ，２３ｃ，２６ａ ｐ^-型ドーピング領域
２３ｂ，２６ｂ ｐ⁺型ドーピング領域
２４ 第２のコアとなる領域

Claims (9)

1. 基板と、
   前記基板上に、相異なる断面形状で一意に定まる境界面を有する第１のコア及び第２のコアを備えた光導波路と
   を含み、
   前記光導波路は、前記境界面と垂直な仮想直線に対して前記第１のコアの光導波方向がなす角度をθ₁とし、前記仮想直線に対して前記第２のコアの光導波方向がなす角度をθ₂とし、前記第１のコアの等価屈折率をｎ₁とし、前記第２のコアの等価屈折率をｎ₂とした場合に、
   ｎ₁ｓｉｎθ₁＝ｎ₂ｓｉｎθ₂ ，θ ₁ ≠θ ₂
   の関係を満たすことを特徴とする光半導体素子。
2. 前記光導波路は、
   ｎ₁ｃｏｓθ₂＝ｎ₂ｃｏｓθ₁
   の関係を更に満たすことを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。
3. 前記第２のコアは、一方の側面に形成された第１導電型の第１の側面部分と、他方の側面に形成された第２導電型の第２の側面部分とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体素子。
4. 前記第１の側面部分及び前記第２の側面部分は、櫛歯部分を有する側面格子であることを特徴とする請求項３に記載の光半導体素子。
5. 前記第１の側面部分及び前記第２の側面部分は、平板状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の光半導体素子。
6. 基板上に、相異なる断面形状で一意に定まる境界面を有する第１のコア及び第２のコアを有する光導波路を形成するに際して、
   前記境界面と垂直な仮想直線に対して前記第１のコアの光導波方向がなす角度をθ₁とし、前記仮想直線に対して前記第２のコアの光導波方向がなす角度をθ₂とし、前記第１のコアの等価屈折率をｎ₁とし、前記第２のコアの等価屈折率をｎ₂とした場合に、
   ｎ₁ｓｉｎθ₁＝ｎ₂ｓｉｎθ₂ ，θ ₁ ≠θ ₂
   の関係を満たすように、前記光導波路を形成することを特徴とする光半導体素子の製造方法。
7. ｎ₁ｃｏｓθ₂＝ｎ₂ｃｏｓθ₁
   の関係を更に満たすように、前記光導波路を形成することを特徴とする請求項６に記載の光半導体素子の製造方法。
8. 前記基板上の半導体層を加工して、前記第１のコア及び前記第２のコアを一体形成することを特徴とする請求項６又は７に記載の光半導体素子の製造方法。
9. 前記第２のコアは、一方の側面に形成された第１導電型の第１の側面部分と、他方の側面に形成された第２導電型の第２の側面部分とを有することを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の光半導体素子の製造方法。

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