JP6314972B2 - シリコンベース電気光学変調装置 - Google Patents

Description

本発明は、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変調装置に関し、具体的には、例えば、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板上に形成され、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電気光学変調装置に関する。本発明は、例えば、情報処理および通信分野において利用されるものである。

情報処理や通信分野においてチャネルあたりの情報伝送量あるいは伝送レート増加させるためには、光通信装置内で情報処理を担っているＬＳＩ回路からの信号を高速に光信号に変調する光変調器が重要となる。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）などの様々なシステム用の１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍ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は、非常に広く研究されている。また、このような通信システム用の光信号を操作する手段として重要な技術として、シリコンベースの光変調器や光スイッチなどの能動素子が挙げられ、非常に注目されている。ここで、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スイッチや変調素子は、低速であり、１Ｍｂ／秒の変調周波数までの装置速度にしか使用出来ない。従って、より多くの光通信システムにおいて要求される高い変調周波数を実現するためには、電気光学効果を利用した光変調素子が必要である。

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とを変化させ、光の位相や強度を変化させるデバイスである。純シリコンは、線形電気光学効果（Ｐｏｃｋｅｌｓ）効果を示さず、またＦｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ効果やＫｅｒｒ効果による屈折率の変化は非常に小さいため、上記の効果が広く利用されている。自由キャリア吸収を利用した変調器ではＳｉ中を伝播する光吸収の変化により出力が直接変調されるのであるが、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り、二本のアームにおける光位相差を干渉させて、光の強度変調信号を得ることが可能である。

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。現在までに検討されたこのような装置の多くは、光変調効率が悪く、光位相変調に必要な長さがｍｍオーダーであり、１ｋＡ／ｃｍ^３より高い注入電流密度が必要である。小型、高集積化さらには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必要であり、これにより光位相変調長さを小さくすることが可能である。また、素子サイズが大きい場合、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を打ち消すことも想定され、問題である。

図１は、非特許文献１に示されているＳＯＩ基板上に形成されたリブ導波路形状を利用したシリコンベース電気光学位相変調器の典型例である。図１に示した構造は、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。この電気光学位相変調器では、上記リブ導波路構造は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板上のＳｉ層を利用して形成される。図１は、光変調器の断面図であり、光の伝搬方向に対して垂直な面における断面図である。この光変調器は、支持基板としてのシリコン基板１１の上面に酸化物層１２を有する。酸化物層１２の上面には、リブ導波路１４が形成されている。リブ導波路１４は、その中央部にコアとなる突起部１５を有し、さらに、突起部１５の両側にあって突起部１５に接続するスラブ部１６を有する。（本明細書では突起部をリブ部と称することもある。）リブ導波路１４は、真性半導体シリコン層である。

さらに、スラブ部１６の両側には、真性半導体シリコン層にｐタイプドープ処理されたｐタイプ領域１７と、真性半導体シリコン層にｎタイプドープ処理されたｎタイプ領域１８と、が形成されている。（したがって、ＰＩＮダイオードの構造になっている。）ｐタイプ領域１７の上面には第１電極コンタクト層１９が形成され、第１電極コンタクト層１９が電極配線２１に接続されている。ｎタイプ領域１８の上面には第２電極コンタクト層２０が形成され、第２電極コンタクト層２０が電極配線２１に接続されている。このＰＩＮダイオードの構造においては、ｐタイプ領域１７およびｎタイプ領域１８は、単位体積（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することも可能である。そして、リブ導波路１４、ｐタイプ領域１７およびｎタイプ領域１８の全体を覆うように、導波路におけるクラッド層としても機能する酸化物クラッド層１３が設けられている。

光変調動作に関しては、第１及び第２の電極コンタクト層１９、２０を用いて、ＰＩＮダイオードに対して順方向バイアスを印加し、それによって導波路内に自由キャリアを注入するように、電源に接続されている。この時、自由キャリアの増加により真性半導体シリコン層（すなわちリブ導波路１４）の屈折率が変化し、それによって導波路１４を通して伝達される光の位相変調が行われる。このような従来技術のＰＩＮダイオード位相変調器は、通常、順方向バイアス動作時に１０〜５０Ｍｂ／秒の範囲内の動作速度を有する。ここで、この光変調動作の速度は、リブ導波路１４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と、によって制限される。そこで、シリコン層内に不純物を導入することによってキャリア寿命を短くして切り換え速度を増加させることが可能であるが、導入された不純物は光変調効率を低下させるという課題がある。

また、動作速度に影響する最も大きな因子はＲＣ時定数によるものであり、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。理論的には、ＰＮ接合部の高速動作は逆バイアスを印加することにより達成可能であるが、比較的大きな駆動電圧あるいは大きな素子サイズを必要とする。

また、図２に示すようなSIS型（silicon-insulator-silicon）接合を形成したシリコンベース電気光学変調器３０の例が特許文献１（特表２００６−５１５０８２号公報）に開示されている。
この光変調器３０では、導波路構造において、ｐドープシリコン層３４とｎドープシリコン層３８とが比較的薄い誘電体層４２を介して積層されている。この光変調器３０は、図２に示すように、シリコン基板（支持基板）３１、酸化物層３２、酸化物クラッド層３３および電極配線４１を有する。酸化物層３２の上面に、第１の導電性タイプにドープ処理された比較的薄いシリコン表面層３４が形成されている。この第１の導電性タイプにドープ処理（例えばｐタイプドーパント）された比較的薄いシリコン表面層を本体領域３４と称することにする。本体領域３４の上面において、この本体領域３４と少なくとも一部がオーバーラップするようにゲート領域３８が形成されている。ゲート領域３８は、第２の導電性タイプにドープ処理（例えばｎタイプドーパント）された比較的薄いシリコン領域で形成されている。そして、本体領域３４とゲート領域３８との間には薄いゲート誘電体４２が挟まれている。

本体領域３４の端部（図２では右端）には高濃度にドープ処理された高濃度ドープ領域３５が形成され、高濃度ドープ領域３５の上面に第１電極コンタクト層３６が形成され、第１電極コンタクト層３６が電極配線３７に接続されている。ゲート領域３８の端部（図２では左端）には高濃度にドープ領域された高濃度ドープ領域３９が形成され、高濃度ドープ領域３９の上面に第２電極コンタクト層４０が形成され、第２電極コンタクト層４０が電極配線４１に接続されている。

このような構成において、ゲート領域３８および本体領域３４はドープ処理され、ドープ処理された領域は、キャリア密度変化が外部信号電圧により制御されるように規定されている。このとき、理想的には、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とは一致させることが望ましく、ゲート誘電体層４２の両側で、自由キャリアが蓄積、除去、または反転されることにより、光位相変調がなされる。しかし、実際にはキャリア密度が動的に変化する領域は数十ｎｍ程度と非常に薄いことが問題であり、これによりｍｍオーダーの光変調長さが必要となり、電気光学変調器のサイズが大きく、高速動作が難しいという課題がある。

特表２００６−５１５０８２号公報

William M. J. Green, Michael J. Rooks, Lidija Sekaric, and Yurii A. Vlasof, Opt. Express 15, 17106-171113 (2007), "Ultra-compact, low RF power, 10Gb/s silicon Mach-Zehnder modulator."

従って、Ｓｉ基板上に集積化可能なシリコンベース電気光学変調装置において、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ことは従来技術では困難であった。
さらに、光変調効率を増加させるために、Ｓｉ層の厚さを薄くした場合、引出し電極の抵抗が大きくなり、高速動作が困難であった。
そこで本発明の目的は、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と共にキャリアプラズマ効果をエンハンスし、さらに引出し電極抵抗を低減した小型かつ高速動作可能なシリコンベース電気光学変調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変調装置は、
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シリコン半導体層との少なくとも一部が積層され、前記第１シリコン半導体層と前記第２シリコン半導体層とが積層された界面に、比較的薄い誘電体が形成されたＳＩＳ（semiconductor-insulator-semiconductor）型接合を有し、前記第１シリコン半導体層および前記第２シリコン半導体層にそれぞれ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、光信号電界が感じる自由キャリア濃度が変調されることを利用したシリコンベース電気光学変調装置であって、
第１シリコン半導体層は、リブ導波路のコアとなる部分であって突起する形状に形成されたリブ部と、前記リブ部の両側にあって前記リブ部に接続されるスラブ部と、を有するリブ導波路形状に加工されており、
前記第１シリコン半導体層の前記スラブ部に隣接する位置において、高濃度ドープされた第１高濃度ドープ領域と、
第２シリコン半導体層の一部が高濃度ドープされて形成された第２高濃度ドープ領域と、を有し、
前記第１高濃度ドープ領域は、前記リブ導波路の前記リブ部と同等の高さを有する
ことを特徴とする。

本発明の構成によれば、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と共にキャリアプラズマ効果をエンハンスし、さらに引出し電極抵抗を低減した小型かつ高速動作可能なシリコンベース電気光学変調装置とすることができる。

背景技術として、ＰＩＮ構造からなる電気光学変調器の構造例の断面図。 背景技術として、ＳＩＳ構造からなる電気光学変調器の構造例の断面図。 第１実施形態に係るシリコンベース電気光学変調装置の断面図。 第２シリコン半導体層の厚みを調整した例を示す図。 第２シリコン半導体層の厚みを調整した例を示す図。 リブ導波路のリブ部において、上側の領域にＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層を形成した状態を示す図。 リブ導波路のリブ部において、上側の領域に二種類のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層を形成した状態を示す図。 電気光学変調装置の製造プロセスを説明するための図。 電気光学変調装置の製造プロセスを説明するための図。 電気光学変調装置の製造プロセスを説明するための図。 電気光学変調装置の製造プロセスを説明するための図。 電気光学変調装置の製造プロセスを説明するための図。 電気光学変調装置の製造プロセスを説明するための図。 電気光学変調装置の製造プロセスを説明するための図。 電気光学変調装置の製造プロセスを説明するための図。 電気光学変調装置の製造プロセスを説明するための図。 電気光学変調装置の製造プロセスを説明するための図。 本発明による電気光学変調器の光変調効率の周波数特性を示す図。 シリコンベース電気光学変調装置を用いたマッハ・ツェンダー干渉計型の光強度変調器。 シリコンベース電気光学変調装置を用いたマッハ・ツェンダー干渉計型の光強度変調器を並列に配置した実施例を示す図。 シリコンベース電気光学変調装置を用いたマッハ・ツェンダー干渉計型の光強度変調器を直列に配置した実施例を示す図。

本発明のシリコンベース電気光学装置の実施形態を例示する前に、本発明の動作原理として、シリコン内の変調メカニズムの概要を説明する。後述する実施形態のいくつかが変調構造に関連しているが、本発明のシリコンベース電気光学変調装置は、以下に説明する電気光学効果（自由キャリアプラズマ効果）を利用するものである。

純粋な電気光学効果はシリコン内には存在しないか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だけが光変調動作に利用出来る。本発明が目的とする高速動作（Ｇｂ／秒以上）のためには、自由キャリアプラズマ効果だけが効果的であり、以下の関係式の１次近似値で説明される。

式中、ΔｎおよびΔｋは、シリコン層の屈折率変化の実部および虚部を表わしている。
ｅは電荷、λは光波長、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）層においては、Ｇｅ組成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。この時、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（ｘ＝０．０１〜０．９）層の組成や積層構成の工夫により、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。
そして、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層は、シリコン半導体層に比較し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組成を増加することにより、キャリアプラズマ効果はよりエンハンスされる。このとき、光通信システムで使用する１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍ波長において、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、組成としては、ｘ＝０．０１〜０．９が望ましい。また、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）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、より大きなキャリアプラズマ効果を得ることが可能である。

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１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍ波長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分かっている。また、これを利用した電気光学変調器においては、位相変化量は以下の式で定義される。

式中、Ｌは電気光学装置器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に比較して大きな効果であり、以下に述べる電気光学変調器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。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
ＳＯＩ基板上にシリコン半導体−誘電体層−シリコン半導体接合からなる自由キャリアプラズマ効果を用いた電気光学位相変調装置を以下に開示する。

図３は、第１実施形態に係るシリコンベース電気光学変調装置１００の断面図であり、光の伝搬方向に対して垂直な面における断面図である。
電気光学変調装置１００は、支持基板としてのシリコン基板１１０の上面に酸化物層１１１を有する。酸化物層１１１の上面には、第１の導電性タイプ（例えばｐタイプ）にドープ処理された第１シリコン半導体層１２０が形成されている。第１シリコン半導体層１２０は、その中央領域がリブ導波路１３０となっており、リブ導波路１３０の両側には高濃度ドープ領域１４０、１４０が形成されている。

リブ導波路１３０は、その中央部にコアとなる突起部１３１を有し、さらに、突起部１３１の両側にあって突起部１３１に接続するスラブ部１３２、１３２を有する。
（本明細書では突起部をリブ部と称することもある。）
そして、スラブ部１３２のさらに外側において、高濃度ドープ領域１４０、１４０が形成されている。さらに、この高濃度ドープ領域１４０、１４０の上面に第１電気コンタクト部１４１、１４１が形成されている。
第１電気コンタクト部１４１、１４１は、例えば、シリサイド層である。このとき、第１電気コンタクト部１４１、１４１の高さはスラブ部１３２、１３２よりも高くなっている。
（つまり、高濃度ドープ領域１４０、１４０の厚みがスラブ部１３２、１３２の厚みよりも厚く、高濃度ドープ領域１４０、１４０の上面の高さがスラブ部１３２、１３２よりも高くなっている。）図３では、具体的には、第１電気コンタクト部１４１、１４１の高さは、リブ導波路１３０の突起部（リブ部１３１）とほぼ同等の高さに形成されている。
（つまり、高濃度ドープ領域１４０、１４０の上面の高さがリブ導波路１３０の突起部（リブ部１３１）の高さとほぼ同等である。）
言い換えると、図３の断面図において、第１シリコン半導体層１２０は、スラブ部１３２、１３２の部分で凹み、リブ部１３１と第１コンタクト部１４１、１４１のところで凸になっている。第１コンタクト部１４１、１４１には電極配線１４２、１４２が接続されている。

さらに、リブ導波路１３０のリブ部１３１の上面に誘電体層１５０が形成されている。この誘電体層１５０は、比較的薄く形成されている。
（なお、誘電体層１５０は比較的薄いものであるが、図を見やすくするため、ある程度の厚みで図示している。）

さらに、誘電体層１５０の上面に、第２の導電性タイプ（例えばｎタイプ）にドープ処理された第２シリコン半導体層１６０が形成されている。第２シリコン半導体層１６０は、その幅がリブ導波路１３０のリブ部１３１の幅よりも十分に広く、さらに、上面視において、第２シリコン半導体層１６０はリブ導波路１３０のスラブ領域１３２、１３２にもオーバーラップするように張り出すように形成されている。第２シリコン半導体層１６０の両端部には、高濃度ドープによって形成された高濃度ドープ領域１６１、１６１が形成されている。この高濃度ドープ領域１６１、１６１の上面には第２電気コンタクト部１６２、１６２が形成されている。第２電気コンタクト部１６２、１６２は、例えば、シリサイド層である。第２電極コンタクト部１６２、１６２には電極配線１６３、１６３が接続されている。

第１シリコン半導体層１２０（リブ導波路１３０）−誘電体層１５０−第２シリコン半導体層１６０、の積層により、ＳＩＳ（semiconductor-insulator-semiconductor）型接合となっている。そして、第１シリコン半導体層１２０および第２シリコン半導体層１６０の全体を覆うように、酸化物クラッド層１７０が設けられている。

電気信号が電極配線１４２、１４２、１６３、１６３からリブ導波路１３０および第２シリコン半導体層１６０に与えられると、自由キャリアが誘導体層１５０の両側で蓄積、除去または反転することにより、光信号電界が感じる自由キャリア濃度が変調される。このようにして変調された光信号が生成されることになる。

このような第１実施形態によれば、高濃度ドープ領域１４０、１４０および第１電気コンタクト部１４１、１４１はリブ導波路１３０のリブ部１３１と同等の高さに形成されているので、電極引出し抵抗、すなわち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。すなわち、高濃度ドープ領域１４０、１４０に電極配線１４２、１４２を接続するにあたってシリサイド層（第１電気コンタクト部１４１）を形成するが、高濃度ドープ領域１４０、１４０に十分な厚みがあるため、安定したシリサイド層を形成しやすく、結果として、電極配線１４２、１４２と高濃度ドープ領域１４０、１４０との接続抵抗を安定的に下げることができる。

また、図１および図２で説明した従来の構造では、光フィールドとキャリア密度が変調される領域とのオーバーラップが小さく、電気光学変調器のサイズが大きくなるという欠点があった。この点、本実施形態では、リブ導波路構造としているので光フィールドを狭く閉じ込め、さらに、第２シリコン半導体層１６０の厚さを調整することにより、光フィールドとキャリア密度が変調される領域とのオーバーラップを改善し、電気光学変調器の小型化も可能となる。

図４および図５に、第２シリコン半導体層１６０の厚みを調整した例を示す。
図４および図５に示すように、第２シリコン半導体層１６０において、高濃度ドープ領域１６１、１６１の厚みが、リブ部１３１および誘電体層１５０の直上に位置する領域の厚みよりも厚くなっている。逆にいうと、第２シリコン半導体層１６０において、リブ部１３１および誘電体層１５０の直上に位置する領域の厚みが、高濃度ドープ領域１６１、１６１の厚みよりも薄い。なお、図４では、リブ部１３１および誘電体層１５０の直上に対応する位置において第２シリコン半導体層１６０の上面側を窪ませることにより、前記の構造を実現している。逆に、図５では、リブ部１３１および誘電体層１５０の直上に対応する位置において第２シリコン半導体層１６０の下面側を窪ませることにより、前記の構造を実現している。

この構成により、さらに高い光変調効率を維持した状態でありながらも、直列抵抗成分は小さくし、ＲＣ時定数を小さくすることが可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を説明する。
第２実施形態の基本的構成は第１実施形態と同様であるが、リブ部の上部領域にＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）からなる層１３１Ａを有する点に特徴を有する。図６において、リブ導波路１３０のリブ部１３１において、上側の領域にＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層１３１Ａを形成している。このような構成にすることにより、変調効率をさらに高めることが可能である。本明細書では、リブ部１３１の上側の領域、つまり、誘電体層１５０に隣接する領域を、リブ上部領域と称する。

このとき、リブ上部領域に形成するＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層１３１Ａの厚さとしては、自由キャリアが誘電体層の両側で蓄積、除去または反転する半導体層の厚さＷに対して、２Ｗ以下であることが望ましい。Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層の厚さを２Ｗ以上とした場合でも変調効率を改善する効果はもちろんあるが、より効果的には２Ｗ以下であることが望ましい。

具体的に、最大空乏層厚さとしてのＷは、熱平衡状態では下記数式で与えられる。

ここで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の時、最大空乏層厚W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W、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。

さらに、図７に示すように、光フィールドの電界分布に合わせて、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層を少なくとも２種類以上のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層組成の積層構造としてもよい。図７においては、リブ上部領域において、二種類のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層１３１Ｂ、１３１Ｃを積層した状態を示している。

あるいは、リブ上部領域において、膜厚方向にＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層の組成を変調した構造としてもよい。すなわち、リブ上部領域において、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層の組成が上下方向で徐々に変化するようにする。このような構成を採用することにより、より高い光変調効率および光損失の低減を実現することが可能である。さらに、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層に格子歪を導入してもよい。これにより、より高い光変調効率を得ることができる。

以上において、第１シリコン半導体層および第２シリコン半導体層は、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、歪シリコン、単結晶シリコンおよびＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘからなる群より選択される少なくとも一層から形成するようにするとよい。もちろん、これらを種々組み合わせ、積層することによって第１シリコン半導体層および第２シリコン半導体層を形成してもよい。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態として製造工程の一例を説明する。
図８Ａは、シリコンベース電気光学変調装置を形成するために用いるＳＯＩ基板の断面図である。
このＳＯＩ基板は、埋め込み酸化層１１１上に１００−１０００ｎｍ程度のＳｉ層が積層された構造からなり、光損失を低減するために、埋め込み酸化層１１１の厚みを１０００ｎｍ以上とする構造を適用した。この埋め込み酸化層１１１上のＳｉ層は、第１の導電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（リン）あるいはＢ（ホウ素）を表面層にドープ処理した後、熱処理しても良い。このようにして、第１シリコン半導体層１２０が形成される。

次に、図８Ｂに示すように、リブ導波路形状を形成するためのマスクとして酸化膜マスク４１０とＳｉＮ_ｘハードマスク層４１１の積層構造を形成し、そして、ＵＶリソグラフィとドライエッチング法などによりパターニングする。すると、図８Ｃに示すように、酸化膜マスク４１０およびＳｉＮ_ｘハードマスク４１１をマスクにした第１シリコン半導体層１２０のパターニングにより、リブ導波路１３０形状が形成される。なお、図８Ｃに示すように、リブ導波路１３０形状のさらに外側の領域については削らずに高さが残るようにしておく。

次に、図８Ｄに示すように、リブ導波路１３０形状と同等の高さの隣接する領域にイオン注入法などにより高濃度Ｂドープする。このようにして、高濃度ドープ領域１４０、１４０が形成される。

次に、図８Ｅに示すように、酸化物クラッド１７０を積層し、ＣＭＰ（chemical mechanical polishing）法により平坦化を行う。

次に、図８Ｆに示すように、ＳｉＮ_ｘハードマスク４１１および酸化膜マスク４１０を熱リン酸および希フッ酸処理などにより除去し、続いて、リブ導波路１３０形状の上層部に５〜１０ｎｍ程度の比較的薄い誘電体層１５０を形成する。

次に、図８Ｇに示すように、ｎドープ多結晶シリコン層１６０を積層し、第２の電気コンタクト層が形成出来る程度の幅にドライエッチング法などによりパターニングする。これにより、第２シリコン半導体層１６０が形成される。

次に、図８Ｈに示すように、第２の電気コンタクト部１６２、１６２が形成出来るように、第２シリコン半導体層１６０の一部に高濃度ドープをイオン注入法などにより行う。これにより、高濃度ドープ領域１６１、１６１が形成される。

次に、図８Ｉに示すように、酸化物クラッド１７０をさらに１ｕｍ程度積層し、続いて、第１および第２の電気コンタクトを取る為のコンタクトホール４２１をドライエッチング法などにより形成する。

最後に、図８Ｊに示すように、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ａｌ（Ｃｕ）あるいはＴｉ／ＴｉＮ／Ｗなどの金属層をスパッタ法やＣＶＤ法により成膜し、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１４２、１４２、１６３、１６３を形成して、駆動回路との接続を行う。

図９は、本発明によるシリコンベース電気光学変調装置と従来型（例えば図２のタイプ）のそれとにおける光変調効率の周波数特性を示す図である。実線が本発明によるシリコンベース電気光学変調装置における光変調効率の周波数特性を示す。点線は、従来型（例えば図２のタイプ）の気光学変調装置における光変調効率の周波数特性を示す。高濃度ドープ領域１４０、１４０、１６１、１６１の膜厚を大きくし、第１および第２の電気コンタクト部１４１、１４１、１６２、１６２の直列抵抗を低減することにより、ＲＣ時定数が小さくなり、３０ＧＨｚ程度の周波数帯域の改善が得られた。

上記に加えて、周波数帯域を改善するためには、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てキャリア移動度を改善するか、あるいは、第２シリコン半導体層１６０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。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態として、マッハ・ツェンダー干渉計型の光強度変調器５００を示す。
図１０において、第１アーム５１０としてのシリコンベース電気光学変調装置と第２アーム５２０としてのシリコンベース電気光学変調装置とが平行に配置されている。
なお、第１アーム５１０と第２アーム５２０とをそれぞれ挟むように電極パッド５３１、５３２、５３３が設けられている。そして、光分岐構造５４１が入力側に設けられ、光合波構造５４２が出力側に設けられている。
光入力は光分岐構造５４１によって分岐され、それぞれ第１アーム５１０と第２アーム５２０とに入射する。そして、第１アーム５１０および第２アーム５２０でそれぞれ光信号の位相変調が行われ、光合波構造５４２により位相干渉が行われる。
このようにして、光強度が変調された信号（光強度変調）が生成される。

本実施形態においては、入力側に配置された光分岐構造５４１により、入力光は、第１アーム５１０と第２アーム５２０とに等しいパワーとなるように分岐される。
ここで、第１アーム５１０にプラスの電圧を印加することにより、薄い誘電体層１５０の両側でキャリア蓄積が生じ、第２アーム５２０にマイナスの電圧を印加することにより、薄い誘電体層１５０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シリコンベース電気光学変調装置における光信号電界が感じる屈折率が小さくなり、キャリア除去（空乏化）モードでは、光信号電界が感じる屈折率が大きくなり、両アーム５１０、５２０での光信号位相差が最大となる。この両アーム５１０、５２０を伝送する光信号を出力側の光合波構造５４２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。本実施形態のシリコンベース電気光学変調装置５００においては、４０Ｇｂｐｓ以上の光信号の送信が可能であることを確認した。

また、前記マッハ・ツェンダー干渉計からなる電気光学変調装置５００は、図１１および図１２に示すように、並列あるいは直列に配置されることにより、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も可能である。
図１１は、マッハ・ツェンダー干渉計からなる電気光学変調装置５００を複数並列に並べた状態を示す図である。
図１２は、マッハ・ツェンダー干渉計からなる電気光学変調装置５００を直列に配置した状態を示す図である。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、上記実施形態を適切に組み合わせられることはもちろんである。

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

（付記１）
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シリコン半導体層との少なくとも一部が積層され、前記第１シリコン半導体層と前記第２シリコン半導体層とが積層された界面に、比較的薄い誘電体が形成されたＳＩＳ（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型接合を有し、前記第１シリコン半導体層および前記第２シリコン半導体層にそれぞれ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、光信号電界が感じる自由キャリア濃度が変調されることを利用したシリコンベース電気光学変調装置であって、
第１シリコン半導体層は、リブ導波路のコアとなる部分であって突起する形状に形成されたリブ部と、前記リブ部の両側にあって前記リブ部に接続されるスラブ部と、を有するリブ導波路形状に加工されており、
前記第１シリコン半導体層の前記スラブ部に隣接する位置において、高濃度ドープされた第１高濃度ドープ領域と、
第２シリコン半導体層の一部が高濃度ドープされて形成された第２高濃度ドープ領域と、を有し、
前記第１高濃度ドープ領域は、前記リブ導波路の前記リブ部と同等の高さを有する
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。
（付記２）
付記１に記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
前記第２シリコン半導体層において前記リブ部の直上に位置する領域の厚みは、前記第２高濃度ドープ領域の厚みよりも薄い
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。
（付記３）
付記１または付記２に記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
前記リブ部の上部領域がＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。
（付記４）
付記３に記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
前記リブ部の上部領域が、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなり、かつ、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変調装置。
（付記５）
付記３に記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
前記リブ部の上部領域が、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなり、かつ、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変調装置。
（付記６）
付記３に記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
前記リブ部の上部領域が、格子歪のあるＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。
（付記７）
付記１から付記６のいずれかに記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
前記第１シリコン半導体層および前記第２シリコン半導体層は、
多結晶シリコン、アモルファスシリコン、歪シリコン、単結晶シリコンおよびＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘからなる群より選択される少なくとも一層を含む
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。
（付記８）
付記１から付記７のいずれかに記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
少なくとも１つの電気変調信号が前記第１高濃度ドープ領域および前記第２高濃度ドープ領域の少なくとも１つに入力として加えられることにより、光変調信号が生成される
ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。
（付記９）
付記１から付記８のいずれかに記載のシリコンベース電気光学変調装置である第１アームと、
付記１から付記８のいずれかに記載のシリコンベース電気光学変調装置であって、前記第１アームに対して平行に配置された第２アームと、
入力側において光を分岐する光分岐部と、
出力側において光を結合する光結合部と、を備え、
前記第１アームおよび前記第２アームで光信号の位相変調を行い、さらに、前記光結合部により位相干渉を行うことにより、光強度変調信号を生成する
ことを特徴とするマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置。
（付記１０）
付記９に記載のマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置において、
前記第１アームと第２アームとは非対称な構成である
ことを特徴とするマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置。
（付記１１）
付記９または付記１０に記載のマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置において、
前記光分岐部は、前記第１アームおよび第２アームに対して１対１以外の入力信号分配比を与える
ことを特徴とするマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置。
（付記１２）
付記９から付記１１のいずれかに記載のマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置を複数備え、
前記複数のマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置を並列に配置した
ことを特徴とするマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置。
（付記１３）
付記９から付記１１のいずれかに記載のマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置を複数備え、
前記複数のマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置を直列に配置した
ことを特徴とするマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置。

以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２０１３年３月２６日に出願された日本出願特願２０１３−６３２８５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１１…シリコン基板、１２…酸化物層、１４…リブ導波路、１５…突起部、１６…スラブ部、３０…シリコンベース電気光学変調器、３１…シリコン基板、３３…酸化物クラッド層、３４…本体領域、３５…高濃度ドープ領域、３６…第１電極コンタクト層、３７…電極配線、３８…ゲート領域、３９…高濃度ドープ領域、４０…第２電極コンタクト層、４１…電極配線、４２…ゲート誘電体層、１００…シリコンベース電気光学変調装置、１１０…シリコン基板、１１１…酸化物層、１２０…第１シリコン半導体層、１３０…リブ導波路、１３１…リブ部、１３２…スラブ部、１４０…高濃度ドープ領域、１４１…第１電気コンタクト部、１４２…電極配線、１５０…誘電体層、１６０…第２シリコン半導体層、１６１…高濃度ドープ領域、１６２…第２電気コンタクト部、１６３…電極配線、１７０…酸化物クラッド層、４１０…酸化膜マスク、４１１…ハードマスク層、４２１…コンタクトホール、５００…シリコンベース電気光学変調装置、５１０…第１アーム、５２０…第２アーム、５３１…電極パッド、５４１…光分岐構造、５４２…光合波構造。

Claims (8)

1. 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シリコン半導体層との少なくとも一部が積層され、前記第１シリコン半導体層と前記第２シリコン半導体層とが積層された界面に、比較的薄い誘電体が形成されたＳＩＳ（semiconductor-insulator-semiconductor）型接合を有し、前記第１シリコン半導体層および前記第２シリコン半導体層にそれぞれ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、前記比較的薄い誘電体層の両側で蓄積、除去、または反転することにより、光信号電界が感じる自由キャリア濃度が変調されることを利用したシリコンベース電気光学変調装置であって、
   第１シリコン半導体層は、リブ導波路のコアとなる部分であって突起する形状に形成されたリブ部と、前記リブ部の両側にあって前記リブ部に接続されるスラブ部と、を有するリブ導波路形状に加工されており、
   前記第１シリコン半導体層の前記スラブ部に隣接する位置において、高濃度ドープされた第１高濃度ドープ領域と、
   第２シリコン半導体層の一部が高濃度ドープされて形成された第２高濃度ドープ領域と、を有し、
   前記第１高濃度ドープ領域は、前記リブ導波路の前記リブ部と同等の高さを有し、
   前記リブ領域の上部領域が、Ｓｉ _１−ｘ Ｇｅ _ｘ （ｘ＝０．０１〜０．９）層からなり、かつ、少なくとも２種類以上のＳｉ _１−ｘ Ｇｅ _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変調装置。
2. 請求項１に記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
   前記リブ部の上部領域に形成された前記Ｓｉ _１−ｘ Ｇｅ _ｘ （ｘ＝０．０１〜０．９）層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変調装置。
3. 請求項１又は２に記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
   前記第２シリコン半導体層において前記リブ部の直上に位置する領域の厚みは、前記第２高濃度ドープ領域の厚みよりも薄い
   ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
   前記リブ部の上部領域が、格子歪のあるＳｉ _１−ｘ Ｇｅ _ｘ （ｘ＝０．０１〜０．９）層からなる
   ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
   前記第１シリコン半導体層および前記第２シリコン半導体層は、
   多結晶シリコン、アモルファスシリコン、歪シリコン、単結晶シリコンおよびＳｉ _１−ｘ Ｇｅ _ｘ からなる群より選択される少なくとも一層を含む
   ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載のシリコンベース電気光学変調装置において、
   少なくとも１つの電気変調信号が前記第１高濃度ドープ領域および前記第２高濃度ドープ領域の少なくとも１つに入力として加えられることにより、光変調信号が生成される
   ことを特徴とするシリコンベース電気光学変調装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載のシリコンベース電気光学変調装置である第１アームと、
   請求項１から請求項６のいずれかに記載のシリコンベース電気光学変調装置であって、前記第１アームに対して平行に配置された第２アームと、
   入力側において光を分岐する光分岐部と、
   出力側において光を結合する光結合部と、を備え、
   前記第１アームおよび前記第２アームで光信号の位相変調を行い、さらに、前記光結合部により位相干渉を行うことにより、光強度変調信号を生成する
   ことを特徴とするマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置。
8. 請求項７に記載のマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置において、
   前記第１アームと第２アームとは非対称な構成である
   ことを特徴とするマッハ・ツェンダー干渉計型の電気光学変調装置。

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