JP6368289B2 - 光変調器のｐｎ接合位置測定方法 - Google Patents

Description

本発明は光変調器のｐｎ接合位置測定方法に関し、より詳細には、シリコンオンインシュレータウエハ上に形成したシリコン光変調器のｐｎ接合位置測定方法に関する。

近年の光通信の普及に伴い、光通信装置の低コスト化が求められている。その解決策の１つとして、光通信装置を構成する光回路を、シリコンウエハのような大口径ウエハ上に、シリコンフォトニクスのような微小光回路技術を用いて形成する方法がある。これにより、１チップあたりの材料費を劇的に下げ、光通信装置の低コスト化を図ることが出来る。

このような技術を用いてシリコン基板上に形成する代表的な光変調器として、キャリア引抜型のシリコン光変調器がある。図１は、従来のキャリア引抜型のシリコン光変調器を示す図で、図１（ａ）はシリコン光変調器１００の上面図を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ´における断面図を示している。シリコン光変調器１００は、基板１０１と、基板１０１上に形成された下部クラッド１０２と、下部クラッド１０２に形成された導波路１０３と、導波路１０３上に形成された上部クラッド１０４とを備える。導波路１０３は、入射導波路１０３−１と、入射導波路１０３−１からの光を分波する光分岐器１０３−２と、光分岐器１０３−２からの光が伝搬するアーム導波路１０３−３及び１０３−４とを備える。また、導波路１０３は、アーム導波路１０３−３及び１０３−４からの光を合波する光合波器１０３−５と、光合波器１０４からの光をシリコン光変調器１００から出射する出力導波路１０３−６とを備える。

アーム導波路１０３−３（１０３−４）は、リブ形の導波路であり、幅方向中央が凸型に形成されている（凸部１１０）。一方の導波路縁側はｐ型半導体領域１１１であり、他方の導波路縁側はｎ型半導体領域１１２であり、凸部１１０において、ｐ型半導体領域１１１とｎ型半導体領域１１２とが接合されている（ｐｎ接合部１２０）。また、ｐ型半導体領域１１１は、上面の一部が高濃度ｐ型半導体領域１１３となっており、ｎ型半導体領域１１２は、上面の一部が高濃度ｎ型半導体領域１１４となっている。高濃度ｐ型半導体領域１１３は、電極１１６とオーミック接合により接続されている。また、高濃度ｎ型半導体領域１１４は、電極１１８とオーミック接合により接続されている。

シリコン光変調器１００は、電極１１６及び１１８を介して信号発生器１０５−１〜１０５−４から印加する高周波電力の電圧を変化させることにより、アーム導波路１０３−３（１０３−４）のｐｎ接合部１１０周辺に形成される空乏層領域を増減させ、空乏層領域を伝播する光の位相等を変化させる。位相の変化した光は、光合波器１０３−５において干渉されることにより、変調される。

シリコン光変調器１００は、空乏層における光の位相変化の程度が大きいほど光変調器の変調効率が高まる。空乏層における光の位相変化の程度を決める要因はいくつかあるが、その１つに導波路中のｐｎ接合部１２０の幅方向の位置と、導波路を伝播する光のモードフィールド中央部（リブ形導波路の幅方向中心線）の幅方向の位置との距離（ズレ）がある。この距離（ズレ）が小さいほど、空乏層における光の位相変化の程度は大きい。よって、高効率なシリコン光変調器を安定的に製造するためには、導波路中のｐｎ接合部の位置を正確に測定して、製造工程を監視する必要がある。

特開２００３−２２９０８６号公報

導波路中のｐｎ接合位置を測定する場合、従来は、リソグラフィ工程におけるｐｎ接合を行う位置に記したレジスト像を、電子顕微鏡等の観察手段を用いて精度誤差を測定するという方法が採用されていた（例えば特許文献１）。しかし、電子顕微鏡等によるｐｎ接合を行う位置の観察は、時間を要するばかりでなく、リソグラフィ工程で形成されるレジスト像の観察でしかないため、導波路中の正確なｐｎ接合位置を把握できるものではないという問題があった。

本発明はこのような問題を解決するものであり、シリコン光変調器のｐｎ接合位置を迅速かつ正確に測定する方法を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、 本発明の第１の態様は、光変調器の前記ｐｎ接合部の位置を測定するためのテスト構造部であって、基板と、前記基板上に形成された下部クラッドと、前記下部クラッドに形成され、幅方向中央に凸部を有する導波路であって、一方の導波路縁側はｐ型半導体領域であり、他方の導波路縁側はｎ型半導体領域であり、前記凸部において、ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域とが接合されたｐｎ接合部が形成され、前記ｐ型半導体領域は、前記ｎ型半導体領域と反対方向の上面の一部に高濃度ｐ型半導体領域が形成され、前記ｎ型半導体領域は、前記ｐ型半導体領域と反対方向の上面の一部に高濃度ｎ型半導体領域が形成された、導波路と、それぞれが前記高濃度ｐ型半導体領域及び前記高濃度ｎ型半導体領域に接続されたテスト電極と、前記下部クラッド及び前記導波路上に形成された上部クラッドとを備えることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、基板と、前記基板上に形成された下部クラッドと、前記下部クラッドに形成され、幅方向中央に凸部を有する導波路であって、一方の導波路縁側はｐ型半導体領域であり、他方の導波路縁側はｎ型半導体領域であり、前記凸部において、ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域とが接合されたｐｎ接合部が形成され、前記ｐ型半導体領域は、前記ｎ型半導体領域と反対方向の上面の一部に高濃度ｐ型半導体領域が形成され、前記ｎ型半導体領域は、前記ｐ型半導体領域と反対方向の上面の一部に高濃度ｎ型半導体領域が形成された、導波路と、前記下部クラッド及び前記導波路上に形成された上部クラッドと、前記下部クラッド及び前記導波路上に形成された上部クラッドとを備える光変調器の前記ｐｎ接合部の位置を測定するためのテスト構造部において、前記ｐｎ接合部の位置を測定する方法であって、前記テスト電極の間に逆バイアス電圧を印加するステップと、前記逆バイアス電圧と、前記アーム導波路内に発生した空乏層の静電容量との関係を測定するステップと、前記逆バイアス電圧と前記空乏層の静電容量との関係が屈曲する点を検出するステップと、前記屈曲する点の電圧値から、前記ｐｎ接合部の前記位置と、前記導波路を伝播する光のモードフィールド中央部との距離を算出するステップとを含むことを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第２の態様の光変調器のｐｎ接合部の位置を測定する方法であって、前記逆バイアス電圧と前記空乏層の静電容量との関係が屈曲する点を検出するステップは、予め前記ｐｎ接合部の位置をずらした構造の光変調器を複数作製し、それぞれの光変調器に逆バイアス電圧を変化させながら印加して、それぞれの空乏層の静電容量を測定するステップを含み、前記屈曲する点の電圧値から、前記ｐｎ接合部の前記位置と、前記導波路を伝播する光のモードフィールド中央部との距離を算出するステップは、前記空乏層の幅と電圧の関係と、及び前記凸部の幅とから前記ｐｎ接合部の位置を求めるステップを含むことを特徴とする。

本発明によれば、光変調器のアーム導波路内のｐｎ接合部の位置を正確に算出することができ、高効率なシリコン光変調器を安定的に製造するための製造工程監視を行うことができる。

従来のキャリア引抜型のシリコン光変調器を示す図で、（ａ）はシリコン光変調器の上面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´における断面図を示している。 本発明の一実施形態にかかるテスト構造部を有するシリコン光変調器の構造を示す図で、（ａ）はシリコン光変調器の上面図を示し、（ｂ）は、シリコン光変調器のテスト構造部の拡大図の上面図を示し、（ｃ）は、（ｂ）のＢ−Ｂ´における断面図を示している。 図２のシリコン光変調器の光の導波方向と直交する方向の断面図を示し、シリコン光変調器２００に低逆バイアス電圧を印加したときの様子を示している。 図２のシリコン光変調器において、予めｐｎ接合部の位置をずらした構造のシリコン光変調器を２種類作製し、逆バイアス電圧を変化させながら、それぞれの空乏層の静電容量を測定した結果を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

［実施形態］
図２は、本発明の一実施形態にかかるテスト構造部を有するシリコン光変調器の構造を示す図で、図２（ａ）はシリコン光変調器の上面図を示し、図２（ｂ）は、シリコン光変調器のテスト構造部の拡大図の上面図を示し、図２（ｃ）は、図２（ｂ）のＢ−Ｂ´における断面図を示している。

図２のシリコン光変調器２００は、基板２０１と、基板２０１上に形成された下部クラッド２０２と、下部クラッド２０２に形成された導波路２０３と、導波路２０３上に形成された上部クラッド２０４とを備える。導波路２０３は、入射導波路２０３−１と、入射導波路２０３−１からの光を分波する光分岐器２０３−２と、光分岐器２０３−２からの光が伝搬するアーム導波路２０３−３及び２０３−４とを備える。また、導波路２０３は、アーム導波路２０３−３及び２０３−４からの光を合波する光合波器２０３−５と、光合波器２０３−５からの光をシリコン光変調器２００から出射する出力導波路２０３−６とを備える。

アーム導波路２０３−３（２０３−４）は、リブ形の導波路であり、幅方向中央が凸型に形成されている（凸部２１０）。一方の導波路縁側はｐ型半導体領域２１１であり、他方の導波路縁側はｎ型半導体領域２１２であり、凸部２１０において、ｐ型半導体領域２１１とｎ型半導体領域２１２とが接合されている（ｐｎ接合部２１５）。また、ｐ型半導体領域２１１は、上面の一部が高濃度ｐ型半導体領域２１３となっており、ｎ型半導体領域２１２は、上面の一部が高濃度ｎ型半導体領域２１４となっている。高濃度ｐ型半導体領域２１３は、電極２１６とオーミック接合により接続されている。また、高濃度ｎ型半導体領域２１４は、電極２１８とオーミック接合により接続されている。

シリコン光変調器２００は、電極２１６及び２１８を介して信号発生器２０５−１〜２０５−４から印加する高周波電力の電圧を変化させることにより、アーム導波路２０３−３（２０３−４）のｐｎ接合部２１５周辺に形成される空乏層領域を増減させ、空乏層領域を伝播する光の位相等を変化させる。位相の変化した光は、光合波器２０３―５において干渉されることにより、変調される。

シリコン光変調器２００のアーム導波路２０３−３には、ｐｎ接合位置測定のためのテスト構造部２２０−１が形成される。また、シリコン光変調器２００のアーム導波路２０３−４には、ｐｎ接合位置測定のためのテスト構造部２２０−２が形成される。テスト構造部２２０−１（２２０−２）において、高濃度ｐ型半導体領域２１３は、テスト電極２２６とオーミック接合により接続されている。また、高濃度ｎ型半導体領域２１４は、テスト電極２２８とオーミック接合により接続されている。

本実施形態において、テスト構造部２２０−１（２２０−２）の凸部２１０の厚さは、２２０ｎｍとした。また、凸型構造の段差は凸部の厚さの半分程度（１００ｎｍ）であってもよいが、本実施形態においては９０ｎｍとした。

ここで、図２のテスト構造部２２０−１（２２０−２）を有するシリコン光変調器２００を使用して、導波路中のｐｎ接合部２１５の幅方向の位置と、導波路を伝播する光のモードフィールド中央部（リブ形導波路の幅方向中心線）の幅方向の位置との距離（ズレ）を測定する方法について説明する。測定は、テスト電極２２６と２２８との間に逆バイアス電圧を印加しながら、アーム導波路２０３−３（２０３−４）内に発生した空乏層の静電容量を測定して、静電容量の不連続点を測定することにより、ｐｎ接合部２１５の幅方向の位置を算出する。本方法は、市販のインピーダンスアナライザ等の装置により迅速に測定できるばかりでなく、測定結果はｐｎ接合部２１５周囲に発生した空乏層の位置を特定できるため、リソグラフィ工程における電子顕微鏡等による観察よりも正確にｐｎ接合部２１５の幅方向の位置を同定することが出来る。

図３は、図２のシリコン光変調器２００の光の導波方向と直交する方向の断面図を示し、シリコン光変調器２００のテスト構造部２２０−１（２２０−２）に低逆バイアス電圧を印加したときの様子を示している。ここで、図３（ａ）、図３（ｂ）ともにシリコン光変調器２００のテスト構造部２２０−１（２２０−２）に低逆バイアス電圧を印加したときの様子を示しているが、図３（ｂ）は、図３（ａ）よりも高い電圧をかけた場合の様子を示している。図３においては、ｐｎ接合部２１５は導波路凸部（２１０）中央（光のモードフィールド中央部）から、ｎ型半導体領域側にずれている場合を考える。

シリコン光変調器２００のテスト構造部２２０−１（２２０−２）に低逆バイアス電圧を印加したときに、図３（ａ）の点線で囲われた部分に空乏層２３０が発生する。空乏層２３０のｐ側空乏層界面２１１−１及びｎ側空乏層界面２１２−１はともに凸部２１０の中にあるため、空乏層２３０の静電容量は、ｐ側空乏層界面２１１−１とｎ側空乏層界面２１２−１とにより形成される平行平板コンデンサの容量とほぼ等しい。図３（ａ）の状態から逆バイアス電圧を高くしていくと、ｐ側空乏層界面２１１−１及びｎ側空乏層界面２１２−１は、ｐｎ接合部２１５から互いに離反するように基板水平方向のそれぞれ同じ距離だけ移動するため、空乏層２３０の静電容量は小さくなる。

シリコン光変調器２００に印加する逆バイアス電圧をさらに高くしていくと、図３（ｂ）のようにｎ側空乏層界面２１２−１は凸部２１０の外側に外れるため、空乏層２３０の静電容量対電圧曲線が屈曲する。図３（ｂ）の状態からさらに逆バイアス電圧を高くしていくと、ｐ側空乏層界面２１１−１も、凸部２１０の外側に外れるため、再び空乏層２３０の静電容量対電圧曲線が屈曲する。これらの空乏層２３０の静電容量の不連続点を測定することにより、ｐｎ接合部２１５の幅方向の位置が凸部２１０の幅方向中心からどの程度片寄っているかを算出することが出来る。

具体的な算出方法としては、ｐｎ接合部の位置の異なる複数の素子（ｐｎ₁，ｐｎ₂，．．．，ｐｎ_m）を用意し、それぞれの空乏層の静電容量Ｃと逆バイアス電圧Ｖとの関係をグラフにしたＣＶ曲線を算出する。次に、ＣＶ曲線の屈曲点電圧（Ｖ₁，Ｖ₂，．．．，Ｖ_m）を把握する。ここで、ｐｎ₁のｐｎ接合部の位置と、ｐｎ₂のｐｎ接合部の位置との差をｄ₁₂とすると、
ｄ₁₂／（Ｖ₂−Ｖ₁）
から空乏層幅と電圧の関係が得られる。

ｐｎ_xのｐｎ接合部の位置をｄ_xとし、凸部の幅をｗとすると、
ｗ−ｄ_x＝ｄ₁₂／（Ｖ₂−Ｖ₁）＊Ｖ_x
からｐｎ_xのｐｎ接合部の位置ｄ_xを求めることができる。

［実施例］
図４は、シリコン光変調器２００において、予めｐｎ接合部２１５の位置をずらした構造のシリコン光変調器（ｐｎ１、ｐｎ２）を２種類作製し、逆バイアス電圧を変化させながら、それぞれの空乏層の静電容量を測定した結果を示す図である。ここで、グラフ２１はｐｎ₁の静電容量の変化を示し、グラフ２２はｐｎ₂の静電容量の変化を示している。

図４において、印加した逆バイアス電圧の範囲において、グラフ２１では屈曲点は観測されていないが、グラフ２２では明確な屈曲点が観察されている。従って、ｐｎ₁は導波路中のｐｎ接合部の位置と、導波路を伝播する光のモードフィールド中央部とのズレが少ないといえる。一方で、ｐｎ₂は、導波路中のｐｎ接合部の位置と、導波路を伝播する光のモードフィールド中央部とのズレが大きいといえる。

また、上記結果からｐｎ接合部の位置を算出することができ、高効率なシリコン光変調器を安定的に製造するための製造工程監視を行うことができる。

１００、２００ シリコン光変調器
１０１、２０１ 基板
１０２、２０２ 下部クラッド
１０３、２０３ 導波路
１０３−１、２０３−１ 入射導波路
１０３−２、２０３−２ 光分波器
１０３−３、１０３−４、２０３−３、２０３−４ アーム導波路
１０３−５、２０３−５ 光合波器
１０３−６、２０３−６ 出射導波路
１０４、２０４ 上部クラッド
１０５−１〜１０５−４ 信号発生器
２１０、２２０ 凸部
１１０、２１５ ｐｎ接合部
１１１、２１１ ｐ型半導体領域
１１２、２１２ ｎ型半導体領域
１１３、２１３ 高濃度ｐ型半導体領域
１１４、２１４ 高濃度ｎ型半導体領域
１１６、１１８、２１６、２１８ 電極
２２０−１、２２０−２ テスト構造部
２２６、２２８ テスト電極

Claims (3)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された下部クラッドと、
   前記下部クラッドに形成され、幅方向中央に凸部を有する導波路であって、一方の導波路縁側はｐ型半導体領域であり、他方の導波路縁側はｎ型半導体領域であり、前記凸部において、ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域とが接合されたｐｎ接合部が形成され、前記ｐ型半導体領域は、前記ｎ型半導体領域と反対方向の上面の一部に高濃度ｐ型半導体領域が形成され、前記ｎ型半導体領域は、前記ｐ型半導体領域と反対方向の上面の一部に高濃度ｎ型半導体領域が形成された、導波路と、
   それぞれが前記高濃度ｐ型半導体領域及び前記高濃度ｎ型半導体領域に接続されたテスト電極と、
   前記下部クラッド及び前記導波路上に形成された上部クラッドと
   を備えることを特徴とする光変調器の前記ｐｎ接合部の位置を測定するためのテスト構造部。
2. 基板と、前記基板上に形成された下部クラッドと、前記下部クラッドに形成され、幅方向中央に凸部を有する導波路であって、一方の導波路縁側はｐ型半導体領域であり、他方の導波路縁側はｎ型半導体領域であり、前記凸部において、ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域とが接合されたｐｎ接合部が形成され、前記ｐ型半導体領域は、前記ｎ型半導体領域と反対方向の上面の一部に高濃度ｐ型半導体領域が形成され、前記ｎ型半導体領域は、前記ｐ型半導体領域と反対方向の上面の一部に高濃度ｎ型半導体領域が形成された、導波路と、前記下部クラッド及び前記導波路上に形成された上部クラッドと、前記下部クラッド及び前記導波路上に形成された上部クラッドとを備える光変調器の前記ｐｎ接合部の位置を測定するためのテスト構造部において、前記ｐｎ接合部の位置を測定する方法であって、
   前記テスト電極の間に逆バイアス電圧を印加するステップと、
   前記逆バイアス電圧と、前記アーム導波路内に発生した空乏層の静電容量との関係を測定するステップと、
   前記逆バイアス電圧と前記空乏層の静電容量との関係が屈曲する点を検出するステップと、
   前記屈曲する点の電圧値から、前記ｐｎ接合部の前記位置と、前記導波路を伝播する光のモードフィールド中央部との距離を算出するステップと
   を含むことを特徴とする光変調器のｐｎ接合部の位置を測定する方法。
3. 前記逆バイアス電圧と前記空乏層の静電容量との関係が屈曲する点を検出するステップは、予め前記ｐｎ接合部の位置をずらした構造の光変調器を複数作製し、それぞれの光変調器に逆バイアス電圧を変化させながら印加して、それぞれの空乏層の静電容量を測定するステップを含み、
   前記屈曲する点の電圧値から、前記ｐｎ接合部の前記位置と、前記導波路を伝播する光のモードフィールド中央部との距離を算出するステップは、前記空乏層の幅と電圧の関係と、及び前記凸部の幅とから前記ｐｎ接合部の位置を求めるステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の光変調器のｐｎ接合部の位置を測定する方法。