JP6440819B2 - シリコン−ゲルマニウム電気吸収型変調器 - Google Patents

Description

本発明は光相互接続の分野に関し、具体的には、シリコン−ゲルマニウム電気吸収型変調器に関する。

微小電子機器の分野で一般的な材料として、シリコン材料は加工技術及び製造コストの点で絶対的な優位性を有している。しかし、金属ワイヤー及び絶縁体に基づく従来の相互接続技術は、遅延、電力消費、帯域などにより限界があり、将来のチップ上に多数のコアを有するシステムのグローバルな要求に合致させることは困難である。電気的相互接続と比較して、光相互接続は、高帯域、低消費電力、短い遅延などの利点を有し、電気的相互接続が直面する現在の課題を総合的に解決すると考えられている。近年、シリコンに基づく光相互接続が、研究者から広く注目を浴びており、急速に発展している。シリコンに基づく変調器は、シリコンに基づく光相互接続技術の基本的な構成要素の１つであり、近年における重要な研究課題である。通常のシリコンに基づく変調器は、自由キャリア分散効果に基づく変調器及び電気吸収に基づく変調器を含む。

自由キャリア分散効果に基づく変調器とは、電圧がシリコン変調領域に印加されると、シリコン内のキャリアの分布の変化を引き起こすことをいう。自由キャリア分散効果に起因して、シリコン内の光の屈折率も変化し、光信号が変調される。現在、自由キャリア分散効果に基づく変調器は、主に２つの種類に分類される。１つはシリコンマッハ−ツェンダー干渉器（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ、ＭＺＩ）変調器であり、これは高い変調率及び高い光帯域という利点並びに大型であること、大きな電力消費及び進行波が必要であるという欠点を有する。もう１つはシリコンマイクロリング変調器であり、これは、小型で高い変調率という利点並びに極端に温度に対する感度が高いこと、低い変調帯域、小さな技術的許容誤差、及び応用性が低いことという欠点を有する。

電気吸収に基づく変調器とは、半導体における電気−光学効果（フランツ−ケルディシュ効果）を用いることによって製造された光信号変調要素を指し、これは、高い変調帯域、低い電力消費、実用的な光帯域、及び許容可能な消光比などの利点を有する。しかし、シリコンは電気―光学効果が弱いため、改善のためにシリコン内に導入され、ドープされる第２の材料が必要となる。ゲルマニウム材料は、Ｃ帯域（１５５０ｎｍ）で顕著な電気−光学効果を有し、通常の相補性金属酸化物半導体（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ、ＣＭＯＳ）技術と完全に互換性がある。そのため、１つの確実に代替可能な解決手段は、第２の材料としてゲルマニウムを用い、ゲルマニウムまたはシリコン‐ゲルマニウム電気吸収型変調器を製造することである。

ゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウム変調器は、小型、低消費電力、及び高い変調率などの利点を有する。この種類の変調器の主要な主題は、ゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウム変調領域とシリコンに基づく導波路との間の結合である。現在、主に２つの結合方法が存在する。１つの方法は、ゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウム変調領域がアライメントによってシリコンに基づく導波路と直接結合されることである。しかし、シリコン及びゲルマニウムは異なる屈折率を有するため、アライメントによる直接結合方式は、端面反射を有し、これは結合損失を引き起こす。さらに、現在の製造方法では、ＰＩＮ接合がゲルマニウム変調領域に製造され、これはドーピング領域における光吸収を引き起こし、吸収損失を引き起こす。さらに、アライメントによる直接結合方式は、複雑な製造技術を有し、実行することが困難である。もう１つの方式は、エバネセント波を用いることによって結合を実現することである。この種類の結合構造は、シンガポール国ＩＭＥによって提案された水平ＰＩＮ接合の構造及び中国科学アカデミー半導体研究所によって提案された垂直ＰＩＮ接合の構造を含む。ＩＭＥによって提案された水平ＰＩＮ接合の構造に関して、モード場安定性のために必要な伝搬長さが考慮されていないため、伝搬損失が大きく、ＰＩＮ接合がゲルマニウム変調領域に製造されているため、吸収損失が存在する。中国科学アカデミー半導体研究所によって提案された垂直ＰＩＮ接合の構造は、複雑な製造技術を有し、複数回の成長、エッチング及びドーピングなどの技術を必要とする。さらに、ｎ＋＋Ｓｉの構造を容易に製造するために、シリコン−ゲルマニウム変調領域は幅が広く、変調領域は複数のモードを有し、これは通信容量や伝送距離に影響を及ぼす。

従って、本発明の目的は、シリコン−ゲルマニウム電気吸収型変調器を提供することである。技術的プロセスが単純化され、製造の困難さが低減されるように、変調層は、選択的エピタキシーによって成長し、変調層とＰＩＮ接合との間の並列接続の構造設計が用いられる。電気吸収型変調器は、小型、高い３ｄＢ帯域、低い電力消費、及び小さい挿入損失などの利点を有する。

第１の態様によれば、
シリコン基板と、シリコン基板上に配置された酸化層と、を含む基板層と、
酸化層上に配置された上部層シリコンであって、導波路層が上部層シリコン上に形成された、上部層シリコンと、
上部層シリコン上に形成され、第１のドーピングパネル及び第２のドーピングパネルを含み、第１の種類の軽ドーピング領域が第１のドーピングパネル上に形成され、第２の種類の軽ドーピング領域が第２のドーピングパネル上に形成され、第１の種類の軽ドーピング領域及び第２の種類の軽ドーピング領域が、導波路層の２つの側方に位置し、導波路層に密接し、第１の種類の軽ドーピング領域、導波路層、及び第２の種類の軽ドーピング領域がＰＩＮ接合を形成する、ドーピング層と、
導波路層上に配置され、ＰＩＮ接合に対して平行に接続された変調層と、を含み、
特定の波長を有するビームが導波路層にそって伝搬し、変調層及び導波路層によって形成された変調領域に入り、次いで、変調層と導波路層との間を振動して伝搬し、変調電気信号が第１の種類の軽ドーピング領域及び第２の種類の軽ドーピング領域に逆方向に印加されると、ビームについて変調層の光吸収係数が、変調電気信号とともに変化し、ビームが変調領域を通過した後に、ビームの光パワーもそれに従って変化し、電気−光変調がビームに対して行われる、電気吸収型変調器が提供される。

第１の態様の第１の可能な実装方法において、二酸化シリコン層が、導波路層及びドーピング層の上に成長して形成され、選択的エピタキシャル領域が二酸化シリコン層をエッチングすることによって得られ、選択的エピタキシャル領域が、変調層を成長させるために使用され、ビームが導波路層及び変調層を伝搬する際に必要なモード合致要件を変調層の大きさが満たすように、第１の方向における選択的エピタキシャル領域の開口幅が選択され、成長した変調層の厚さ及び形状が制御される。

第１の態様の第１の可能な実装方法を参照して、第２の可能な実装方法において、第２の方向における選択的エピタキシャル領域の長さが、成長した変調層の長さであり、ビームが変調領域を伝搬する場合に、光パワーが、λ／（ｎ_１ ^ｅｆｆ−ｎ_２ ^ｅｆｆ）の振動周期で変調層と導波路層との間を振動し、変調層の長さが、振動周期の整数倍であり、λがビームの波長であり、ｎ_１ ^ｅｆｆが変調層におけるビームの有効屈折率であり、ｎ_２ ^ｅｆｆが、導波路層におけるビームの有効屈折率である。

第１の態様の第２の可能な実装方法を参照して、第３の可能な実装方法において、第１の方向が、変調電気信号が印加される方向であり、第２の方向が、ビームが伝搬する方向であり、第１の方向が、第２の方向に対して垂直である。

第１の態様の第４の可能な実装方法において、ドーピング層がさらに、
第１のドーピングパネル上に形成された第１の種類の重ドーピング領域であって、第１の種類の軽ドーピング領域が、第１の種類の重ドーピング領域と導波路層との間に位置し、第１の種類の重ドーピング領域のドーピング密度が、第１の種類の軽ドーピング領域のドーピング密度よりも大きい、第１の種類の重ドーピング領域と、
第２のドーピングパネル上に形成された第２の種類の重ドーピング領域であって、第２の種類の軽ドーピング領域が、第２の種類の重ドーピング領域と導波路層との間に位置し、第２の種類の重ドーピング領域のドーピング密度が、第２の種類の軽ドーピング領域のドーピング密度よりも大きい、第２の種類の重ドーピング領域と、を含む。

第１の態様の第４の可能な実装方法を参照して、第５の可能な実装方法において、第１の種類がＮ型であり、第２の種類がＰ型である場合に、変調電気信号が第１の種類の軽ドーピング領域及び第２の種類の軽ドーピング領域に逆方向に印加されることが、変調電気信号の正の電極が第１の種類の軽ドーピング領域に電気的に接続され、変調電気信号の負の電極が第２の種類の軽ドーピング領域に電気的に接続されることであり、または、
第１の種類がＰ型であり、第２の種類がＮ型である場合に、変調電気信号が第１の種類の軽ドーピング領域及び第２の種類の軽ドーピング領域に逆方向に印加されることが、変調電気信号の負の電極が第１の種類の軽ドーピング領域に電気的に接続され、変調電気信号の正の電極が第２の種類の軽ドーピング領域に電気的に接続されることである。

第１の態様の第４の可能な実装方法を参照して、第６の可能な実装方法において、電気吸収型変調器がさらに、
第１の金属電極層及び第２の金属電極層を含む金属層を含み、第１の金属電極層が第１の種類の重ドーピング領域上に形成され、第２の金属電極層が第２の種類の重ドーピング領域上に形成される。

第１の態様の第６の可能な実装方法を参照して、第７の可能な実装方法において、電気吸収型変調器がさらに、
上部層シリコン上に形成され、上部層シリコン、ドーピング層、導波路層及び変調層を覆うカバー層を含む。

第１の態様の第７の可能な実装方法を参照して、第８の可能な実装方法において、第１のビア及び第２のビアがカバー層上に配置され、第１のビアが第１の金属電極層と連通し、第２のビアが第２の金属電極層と連通し、変調電気信号が、第１のビア及び第２のビアを通して第１の金属電極層及び第２の金属電極層に印加される。

第１の態様の第９の可能な実装方法において、導波路層がリッジ導波路であり、導波路層がシリコンからなる。

第１の態様の第１０の可能な実装方法において、変調層が、所定の比率に従ってゲルマニウムをシリコンと混合することによって形成される。

第１の態様の第１１の可能な実装方法において、電気吸収型変調器がさらに、
導波路層と変調層との間に配置された変調バッファ層を含む。

第１の態様の第１２の可能な実装方法において、ＰＩＮ接合によって生じる内部電場が、変調領域内に存在し、変調電気信号がＰＩＮ接合に逆方向に印加される場合、前記変調層における内部電場が、変調電気信号とともに変化し、変調電気信号が強い場合、内部電場が増加し、変調層が光波の光をより多く吸収し、変調電気信号が弱い場合、内部電場が減少し、変調層が光波の光を吸収する量が小さくなる。

本発明において提供される電気吸収型変調器によれば、水平ＰＩＮ接合が設計によって形成され、変調層を成長させるために、選択的エピタキシャル領域がエッチングによって得られ、変調層の長さ及び幅が２つの導波路モード、すなわち水平単一モード及び垂直単一モードに合致するように、変調層の長さ及び厚さが選択的エピタキシャル領域によって決定される。変調層は、ＰＩＮ接合に対して平行に接続され、変調電気信号がＰＩＮ接合に逆方向に印加されると、変調電気信号によって決定された内部電場が、変調層において存在する。フランツ−ケルディシュ効果によって、入射ビームについての変調層の光吸収係数が内部電場とともに変化し、電気−光変調が入射ビームについて実行される。本発明において提供される電気吸収型変調器は、単純な技術的プロセス、低い製造困難性、小さな大きさ、高い３ｄＢ帯域、低い電力消費、及び小さな挿入損失などの利点を有する。

本発明の技術的解決手段をより明確に説明するために、以下に、実装方法を説明するために必要な添付図面を簡単に説明する。明らかに、以下の説明における添付図面は、本発明のいくつかの実装方法を単に示すのみであり、当業者であれば、創作的な努力の必要なく、これらの添付図面から他の図も導きうる。

本発明の実施形態に従う電気吸収型変調器の概略的な構造図である。 異なる開口幅を有する変調層の形状の概略図である。 異なる開口幅を有する変調層の形状の概略図である。 変調電気信号が図１に示された電気吸収型変調器に印加された後の内部電場の分布図である。 「オフ」状態の電気吸収型変調器の光強度の変化の図である。 「オン」状態の電気吸収型変調器の光強度の変化の図である。

以下に、本発明の実施形態における添付図を参照して、本発明の実施形態における技術的解決手段を明確かつ完全に説明する。明らかに、説明される実施形態は本発明の実施形態のいくつかにすぎず、全てではない。創造的な努力なく本発明の実施形態に基づいて当業者によって得られるその他全ての実施形態は、本発明の保護範囲内に含まれるものとする。

図１を参照すると、本発明の実施形態は、電気吸収型変調器１００を提供する。電気吸収型変調器１００は、基板層１１０と、上部層シリコン１２０と、ドーピング層と、変調層１４０と、を含む。上部層シリコン１２０は、基板層１１０上に配置され、導波路層１２２が上部層シリコン１２０に形成される。ドーピング層は上部層シリコン１２０に形成され、ドーピング層は第１のドーピングパネル１３２及び第２のドーピングパネル１３３を含む。第１のドーピングパネル１３２及び第２のドーピングパネル１３３は、それぞれ導波路層１２２の２つの側方に配置され、導波路層１２２に密接する。変調層１４０は導波路層１２２上に形成され、変調層１４０及び導波路層１２２は変調領域を形成する。特定の波長を有するビームは、導波路層１２２において第２の方向（すなわち、図１に示されたｙ方向）に伝搬し、変調領域に入り、導波路層１２２と変調層１４０との間を振動しながら伝搬する。変調電気信号が第１のドーピングパネル１３２及び第２のドーピングパネル１３３に、第１の方向（すなわち、図１に示されたｘ方向）に、逆方向に印加されると、特定の波長を有するビームに対する変調層１４０の光吸収係数が、変調電気信号の強度とともに変化し、ビームの光強度（または光パワー）が変調される。

本発明のこの実施形態において、基板層１１０は、シリコン基板１１２及び酸化層１１４を含む。酸化層１１４はシリコン基板１１２の上に形成され、シリコン基板１１２はシリコンからなるものであってよく、酸化層１１４は二酸化シリコンからなるものであってよい。上部層シリコン１２０は酸化層１１４の上に配置され、シリコン基板１１２、酸化層１１４、及び上部層シリコン１２０はシリコンオンインシュレータ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ、ＳＯＩ）を形成する。

本発明のこの実施形態において、導波路層１２２及びドーピング層は、上部層シリコン１２０へのエッチング及びドーピングを行うことによって得られうる。導波路層１２２は、リッジ導波路であってもよい。好適には、導波路層１２２は単一モード条件に合致する。ドーピング層の第１のドーピングパネル１３２及び第２のドーピングパネル１３３は、導波路層１２２の２つの側方にそれぞれ位置し、導波路層１２２に密接する。好適には、導波路層１２２、第１のドーピングパネル１３２、及び第２のドーピングパネル１３３の上部は平行に保たれ、同じ水平面上にある。

本発明のこの実施形態において、第１の軽イオンインプランテーション領域は、光エッチング法を用いることによって第１のドーピングパネル１３２の上に形成されてもよく、第２の軽イオンインプランテーション領域は、光エッチング法を用いることによって第２のドーピングパネル１３３上に形成されてもよい。第１の軽イオンインプランテーション領域及び第２の軽イオンインプランネーション領域は、導波路層１２２の２つの側方に位置し、導波路層１２２に密接する。リンイオンやヒ素イオンなどのＮ型イオンは、第１の軽イオンインプランテーション領域にインプラントされ、第１の種類の軽ドーピング領域１３４を形成する。ホウ素イオンやガリウムイオンなどのＰ型イオンは、第２の軽イオンインプランテーション領域にインプラントされ、第２の種類の軽ドーピング領域１３５を形成する。この場合、第１の種類はＮ型であり、第２の種類はＰ型である。イオンインプランテーション濃度は、実際の必要性に応じて選択されてもよく、例えば、４×１０^１７／ｃｍ^３のインプランテーション濃度が選択されてもよい。第１の種類の軽ドーピング領域１３４、導波路層１２２、及び第２の種類の軽ドーピング領域１３５はＰＩＮ接合を形成する。第１の空間電荷領域は、導波路層１２２と第１の種類の光ドーピング領域１３４との交差面に形成される。第１の空間電荷領域は自由電子を含む。第２の空間電荷領域は、導波路層１２２と第２の種類の軽ドーピング領域１３５との交差面に形成される。第２の空間電荷領域は自由電子ホールを含む。内部電場は、第１の空間電荷領域と、第２の空間電荷領域との間に形成される。内部電場の電気力線の方向は、第２の種類の軽ドーピング領域１３５から始まり、第１の種類の軽ドーピング領域１３４を指し、導波路層１２２を通過する。本発明の別の実施形態において、Ｐ型イオンが第１の軽イオンインプランテーション領域にインプラントされて、第１の種類の軽ドーピング領域１３４を形成してもよく、Ｎ型イオンが第２の軽イオンインプランテーション領域にインプラントされて、第２の種類の軽ドーピング領域１３５を形成してもよい。この場合、第１の種類はＰ型であり、第２の種類はＮ型である。内部電場の電気力線の方向は、第１の種類の軽ドーピング領域１３４から始まり、第２の種類の軽ドーピング領域１３５を指し、導波路層１２２を通過する。

本発明のこの実施形態において、ドーピング層に光エッチング法を用いることによって、第１の重イオンインプランテーション領域がさらに第１のドーピングパネル１３２上に形成されてもよく、第２の重イオンインプランテーション領域がさらに第２のドーピングパネル１３３上に形成されてもよい。第１の種類の軽ドーピング領域１３４にインプラントされたものと同じ種類のイオン（例えば、同じＮ型イオンまたは同じＰ型イオン）が、第１の重イオンインプランテーション領域にインプラントされて、第１の種類の重ドーピング領域１３６を形成する。第１の種類の軽ドーピング領域１３４は、第１の種類の重ドーピング領域１３６と導波路層１２２との間に配置される。第２の種類の軽ドーピング領域１３５にインプラントされたものと同じ種類のイオン（例えば、同じＰ型イオンまたは同じＮ型イオン）が第２の重イオンインプランテーション領域にインプラントされて、第２の種類の重ドーピング領域１３７を形成する。第２の種類の軽ドーピング領域１３５は、第２の種類の重ドーピング領域１３７と導波路層１２２との間に配置される。第１の種類の重ドーピング領域１３６及び第２の種類の重ドーピング領域１３７のイオンインプランテーション濃度は、実際の必要性に従って選択されてもよく、例えば、１×１０^２０／ｃｍ^３であってもよい。イオン拡散効果のために、第１の種類の重ドーピング領域１３６のイオンは、第１の種類の軽ドーピング領域１３４に拡散し、第２の種類の重ドーピング領域１３７のイオンは、第２の種類の軽ドーピング領域１３５に拡散する。従って、２つの重畳領域が、拡散領域内に形成される。重畳領域のイオン濃度は、４×１０^１７／ｃｍ^３から１×１０^２０／ｃｍ^２の間であり、第１の種類の重ドーピング領域から第１の種類の軽ドーピング領域に向かう方向、または第２の種類の重ドーピング領域から第２の種類の軽ドーピング領域に向かう方向で減少する。第１の種類の重ドーピング領域１３６及び第２の種類の重ドーピング領域１３７は、変調電気信号を印加するのに使用され、変調電気信号は、第１の種類の軽ドーピング領域１３４及び第２の種類の軽ドーピング領域１３５に印加される。さらに、第１の種類の重ドーピング領域１３６及び第２の種類の重ドーピング領域１３７は、変調層１４０からは遠いため、第１の種類の重ドーピング領域１３６及び第２の種類の重ドーピング領域１３７が入射ビームを吸収するときに生じる損失は無視されうる。

本発明のこの実施形態において、電気吸収型変調器１００はさらに、金属層を含むことに注意すべきである。金属層は、第１の金属電極層１３８及び第２の金属電極層１３９を含む。第１の金属電極層１３８は、第１の種類の重ドーピング領域１３６上に形成され、第２の金属電極層１３９は、第２の種類の重ドーピング領域１３７上に形成される。変調電気信号の正の電極及び負の電極は、第１の金属電極層１３８及び第２の金属電極層１３９に電気的に接続され、第１の種類の重ドーピング領域１３６及び第２の種類の重ドーピング領域１３７に変調電気信号を印加し、これは、印加の際の接触抵抗を低下させる。

図２（ａ）及び図２（ｂ）をともに参照すると、本発明のこの実施形態において、変調層１４０は、特定の比率に従って、ゲルマニウムをシリコンと混合することによって形成されうる。変調層を成長させる段階は、具体的には以下の通りである。第１に、必要な成長材料を得るために、実際の必要性に従って、ゲルマニウム及びシリコンの混合比率を選択する。通常の実行方法において、電気吸収型変調器１００のワーキングウインドウは、一般にＣ帯域にあるように選択され、すなわち、入射ビームの波長が約１５５０ｎｍである。従って、変調層１４０のエレクトロルミネセント光吸収係数が顕著に変化する（すなわち、入射ビームの波長が、エレクトロルミネセント光吸収係数が顕著に変化する帯域にあると、変調層１４０の光吸収係数が変調電気信号の動作の下で顕著に変化する）帯域は、約１５５０ｎｍにシフトされる必要がある。ゲルマニウムのエレクトロルミネセント光吸収係数が顕著に変化する帯域は、約１６２０ｎｍから１６４０ｎｍである。特定の比率のシリコンをゲルマニウムにドープすることで、得られるシリコン−ゲルマニウム混合材料（すなわち、変調層１４０）のエレクトロルミネセント光吸収係数が顕著に変化する帯域は、１５４０ｎｍから１５６０ｎｍの帯域にシフトされ、これによって入射ビームの変調効率が確実に最も高くなりうる。本発明の別の実施形態において、別の波長の入射ビームは、ゲルマニウム及びシリコンの混合比率を変化させることによって変調されうることは理解可能であり、さらに本明細書において詳細は説明しない。

本発明のこの実施形態において、二酸化シリコン層は、導波路層１２２及びドーピング層上に、プラズマ支援化学気相成膜（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＰＥＣＶＤ）法を用いることによって成長可能であり、選択的エピタキシャル領域は、光エッチング法を用いて二酸化シリコン層をエッチングすることによって得られる。好適には、ｙ方向における選択的エピタキシャル領域の長さは、ｙ方向におけるドーピング層の長さと等しい。次いで、ｘ方向における選択的エピタキシャル領域の開口幅ｗが選択される。変調層１４０の成長の間、水平方向の成長速度と垂直方向の成長速度は異なるので、結晶面｛３１１｝が変調層１４０の側面に形成され、成長した変調層１４０は直方体ではない。変調層１４０の形状は開口幅ｗによって決定される。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、異なる開口幅ｗを有して成長した変調層１４０の形状を示しており、角度θは、結晶面｛３１１｝と結晶面｛１００｝との間の角度である。ｗ＞２ｈｃｏｔθ（ｈは成長厚さ）である場合、ｘ−ｚ平面における変調層１４０の断面は台形である。ｗ≦２ｈｃｏｔθの場合、ｘ−ｚ平面における変調層１４０の断面は三角形であり、変調層１４０の厚さは、ｈ_０＝ｗ／（２ｃｏｔθ）≦ｈである。従って、適切な開口幅ｗが選択され、変調層１４０の成長厚さが制御され、成長した変調層１４０の長さ及び厚さが確実に所定の必要性を満たして、入出力結合損失が最小となり、変調効率が最も高くなり、２つの導波路のモード、水平単一モード及び垂直単一モードが合致するようになる。

電気吸収型変調器１４０はさらに、変調バッファ層１５０を含むことに注意すべきである。変調層１４０の成長プロセスにおいて、シリコンからシリコン−ゲルマニウムへの遷移の間に、異なる材料の結晶格子定数に起因する転位を防ぐために、シリコン−ゲルマニウムの濃度は次第に増加する必要がある。変調バッファ層１５０は、材料濃度が次第に増加する際に成長する。変調バッファ層１５０は、それに続いて成長する変調層１４０の転位を低減するために使用されうる。

本発明のこの実施形態において、電気吸収型変調器１００はさらに、カバー層１６０を含む。カバー層１６０は二酸化シリコンであってもよく、成膜方法を用いて、上部層シリコン１２０、ドーピング層、導波路層１２２、及び変調層１４０を覆い、外部の物体の汚染、外力の損傷などから電気吸収型変調器１００を保護する。さらに、第１のビア及び第２のビアがカバー層１６０上に配置され、第１のビアは第１の金属電極層１３８と連通し、第２のビアは第２の金属電極層１３９と連通し、変調電気信号は、第１のビア及び第２のビアを通して第１の金属電極層１３８及び第２の金属層１３９に印加される。変調層１４０の２つの側方の領域における光の強度は、好適な解決手段では弱いため、金属誘導光吸収を確実に小さくするために、第１のビア及び第２のビアは、変調層１４０の２つの側方の領域に配置されるべきであることに注意しなければならない。

以下に、本発明のこの実施形態で提供される電気吸収型変調器１００の変調原理及び変調プロセスを説明する。

図３を参照すると、本発明のこの実施形態において、第１の種類はＮ型であり、第２の種類はＰ型であり、変調電気信号の正の電極は、第１のビア及び第１の金属電極層１３８を通して第１の種類の重ドーピング領域１３６に電気的に接続され、変調電気信号の負の電極は、第２のビア及び第２の金属電極層１３９を用いることによって第２の種類の重ドーピング領域１３７に電気的に接続され、変調電気信号は電気吸収型変調器１００に逆方向に印加される。この場合、逆バイアスが印加されるので、第１の種類の軽ドーピング領域１３４におけるほとんどのキャリア（すなわち、自由電子）は、正の電極の方へ移動し、第２の種類の軽ドーピング領域１３５におけるほとんどのキャリア（すなわち、自由電子ホール）は、負の電極の方へ移動する。そのため、第１の空間電荷領域及び第２の空間電荷領域の幅は大きくなり、第１の空間電荷領域と第２の空間電荷領域との間に形成される内部電場も、それに応じて大きくなる。内部電場の方向は、第１の種類の軽ドーピング領域１３４から始まり、第２の種類の軽ドーピング領域１３５を指し、導波路層１２２を通過する。変調層１４０及びＰＩＮ接合は平行に接続されているため、内部電場も変調層１４０に存在する。この場合、フランツ−ケルディシュ効果が、変調層１４０において内部電場の働きの下、生じる。フランツ−ケルディシュ効果は、主に次の通りである。（１）変調層１４０の材料バンドギャップよりも低い入射ビームについては、入射ビームに対する変調層１４０の光吸収係数が増加する。（２）変調層１４０の材料バンドギャップよりも高い入射光については、入射ビームについての変調層１４０の光吸収係数が振動する。変調層１４０のエレクトロルミネセント光吸収係数が顕著に変化する帯域は、既に約１５５０ｎｍにシフトしている（すなわち、変調層１４０のバンドギャップが入射ビームの光子エネルギーに近い）ため、変調電気信号がさらに印加されると、入射ビームの変調効率は、変調層１４０において高くなる。

本発明のこの実施形態において、特定の波長（例えば、約１５５０ｎｍの波長）を有する入射光が、ｙ方向において導波路層１２２に入射し、導波路層１２２及び変調層１４０によって形成された変調領域に入ると、入射ビームは、振動しながら導波路層１２２と変調層１４０との間を伝搬する。変調電気信号が第１の金属電極層１３８及び第２の金属電極層１３９に逆方向に印加されると、フランツ−ケルディシュ効果のために、変調層１４０を伝搬するビームについての変調層１４０の光吸収係数は増加する。入射ビームが変調層１４０に入るたびに、入射ビームが吸収され、光パワーが減少する。入射光の光パワーが減少する程度は、変調電気信号の電場の強さに関連する。変調電気信号が低いレベルＶ_１にある場合、入射光についての変調層１４０の光吸収係数は小さく、入射光のほとんどは吸収されず、変調領域を通過した後に、導波路層１２２をｙ方向に伝搬し続ける。この場合、電気吸収型変調器１００は「オン」状態にある。変調電気信号が高いレベルＶ_２にある場合、入射光についての変調層１４０の光吸収係数は大きく、入射ビームのほとんどは、変調層１４０によって吸収される。この場合、電気吸収型変調器は「オフ」状態にある。入力変調電気信号のレベルの変化に従って、変調層１４０の光吸収係数はそれに応じて変化し、出力される光パワーはそれに従って変化し、電気−光変調が実行される。

本発明のこの実施形態において、入射ビームが、変調層１４０及び導波路層１２２が位置する変調領域内を伝搬する場合、２つの伝導モードが存在する（すなわち、変調層１４０における伝導モード及び導波路層１２２における伝導モード）ことに注意すべきである。２つの伝導モードの間の干渉のために、入射ビームの光パワーは、変調層１４０と変調層１４０の下の導波路層１２２との間で振動する。振動周期Ｔは、λ／（ｎ_１ ^ｅｆｆ−ｎ_２ ^ｅｆｆ）に等しく、λはビームの波長であり、ｎ_１ ^ｅｆｆは変調層１４０におけるビームの有効屈折率であり、ｎ_２ ^ｅｆｆは導波路層１２２におけるビームの有効屈折率である。「オン」状態において挿入損失を確実に小さくするために、入射ビームが、変調領域を離れた後に導波路層１２２をちょうど通るように、ｙ方向における変調層１４０の長さは、振動周期Ｔの整数倍であるべきである。ｙ方向における変調層１４０の長さが振動周期Ｔの整数倍でない場合、入射ビームが変調領域を離れた後に振動して変調層１４０に結合されると、ビームは「オン」状態か「オフ」状態かに関わらず散乱される。従って、極端に大きな挿入損失が存在し、消光比がゼロにまで近づき、電気−光変調は実行されない。

図４（ａ）及び図４（ｂ）をともに参照すると、図４（ａ）は、本発明の実施形態に従う、オフ状態の電気吸収型変調器１００の光強度変化の図であり、図４（ｂ）は、本発明の実施形態に従う、オン状態の電気吸収型変調器１００の光強度変化の図である。図４（ａ）に示されるように、ビームが変調領域を通過すると、２つの伝導モードの間の干渉によって、ビームは変調層１４０と変調層１４０の下の導波路１２２との間で振動する。印加された変調電気信号が強く、または変調電気信号の高いレベルにある場合、変調層１４０の光吸収係数は増加する。ビームが振動しながら変調層１４０を通過するたびに、ビームは部分的に吸収され、入射ビームが変調領域を通過するまでに、入射ビームは基本的に完全に吸収される。この場合、電気吸収変調器１００は「オフ」状態にある。図４（ｂ）に示されるように、変調電気信号が電気吸収型変調器１００に印加されない場合、または印加された変調電気信号が弱く、もしくは変調電気信号の低いレベルにある場合、入射ビームは変調領域で上下に振動するが、変調層１４０は入射光をほとんど吸収しない。ビームが変調領域を通過した後は、ｙ方向の変調層１４０の長さが、設計によってちょうど振動周期Ｔの整数倍であるため、入射光は導波路層１２２に完全に結合される。ほとんどのビームは依然として変調領域を通過することができるため、電気吸収型変調器１００は「オン」状態にある。シミュレーション及び計算の結果は、本発明のこの実施形態において提供される電気吸収型変調器１００の消光比ＥＲが約８ｄＢであり、３ｄＢ帯域は５０ＧＨｚより大きく、挿入損失ＩＬは約３．２ｄＢであることを示しており、これは良好な効果を達成する。

結論として、本発明のこの実施形態において提供される電気吸収型変調器によれば、水平ＰＩＮ接合が設計によって形成され、変調層１４０を成長させるために、選択的エピタキシャル領域がエッチングによって得られ、変調層１４０の長さ及び幅が２つの導波路モード、すなわち水平単一モード及び垂直単一モードに合致するように、変調層１４０の長さ及び厚さが選択的エピタキシャル領域によって決定される。変調層１４０は、ＰＩＮ接合に対して平行に接続され、変調電気信号がＰＩＮ接合に逆方向に印加されると、変調電気信号によって決定された内部電場が、変調層１４０において存在する。フランツ−ケルディシュ効果によって、入射ビームについての変調層１４０の光吸収係数が内部電場とともに変化し、電気−光変調が入射ビームについて実行される。本発明において提供される電気吸収型変調器１００は、単純な技術的プロセス、低い製造困難性、小さな大きさ、高い３ｄＢ帯域、低い電力消費、及び小さな挿入損失などの利点を有する。

前述の説明は、本発明の例示的な実施方法である。当業者は、本発明の原理から逸脱することなく何らかの改善及び改良を行ってもよいことに注意すべきであり、そのような改善及び改良は、本発明の保護範囲に含まれるものとする。

１００ 電気吸収型変調器
１１０ 基板層
１１２ シリコン基板
１１４ 酸化層
１２０ 上部層シリコン
１２２ 導波路層
１３２ 第１のドーピングパネル
１３３ 第２のドーピングパネル
１３４ 第１の種類の軽ドーピング領域
１３５ 第２の種類の軽ドーピング領域
１３６ 第１の種類の重ドーピング領域
１３７ 第２の種類の重ドーピング領域
１３８ 第１の金属電極層
１３９ 第２の金属電極層
１４０ 変調層
１５０ 変調バッファ層
１６０ カバー層

Claims (13)

1. シリコン基板と、前記シリコン基板上に配置された酸化層と、を含む基板層と、
   上部層シリコンであって、導波路層が前記上部層シリコン上に形成された、上部層シリコンと、
   前記上部層シリコン上に形成され、第１のドーピングパネル及び第２のドーピングパネルを含み、第１の種類の軽ドーピング領域が前記第１のドーピングパネル上に形成され、第２の種類の軽ドーピング領域が前記第２のドーピングパネル上に形成され、前記第１の種類の軽ドーピング領域及び前記第２の種類の軽ドーピング領域が、前記導波路層の２つの側方に位置し、前記導波路層に密接し、前記第１の種類の軽ドーピング領域、前記導波路層、及び前記第２の種類の軽ドーピング領域がＰＩＮ接合を形成する、ドーピング層と、
   前記導波路層上に配置され、前記ＰＩＮ接合に対して平行に接続された変調層と、を含み、
   特定の波長を有するビームが前記導波路層にそって伝搬し、前記変調層及び前記導波路層によって形成された変調領域に入り、次いで、前記変調層と前記導波路層との間を振動して伝搬し、変調電気信号が前記第１の種類の軽ドーピング領域及び前記第２の種類の軽ドーピング領域に逆方向に印加されると、前記ビームについて前記変調層の光吸収係数が、前記変調電気信号とともに変化し、前記ビームが前記変調領域を通過した後に、前記ビームの光パワーもそれに従って変化し、電気−光変調が前記ビームに対して行われ、
   前記変調層の断面が三角形または台形であり、前記断面が、前記ビームが伝搬する第２の方向に対して垂直である、電気吸収型変調器。
2. 二酸化シリコン層が、前記導波路層及び前記ドーピング層の上に成長して形成され、選択的エピタキシャル領域が前記二酸化シリコン層をエッチングすることによって得られ、前記選択的エピタキシャル領域が、前記変調層を成長させるために使用され、前記ビームが前記導波路層及び前記変調層を伝搬する際に必要なモード合致要件を前記変調層の大きさが満たすように、前記変調電気信号が印加される第１の方向における前記選択的エピタキシャル領域の開口幅が選択され、成長した前記変調層の厚さ及び形状が制御される、請求項１に記載の電気吸収型変調器。
3. 前記第２の方向における前記選択的エピタキシャル領域の長さが、成長した前記変調層の長さであり、前記ビームが前記変調領域を伝搬する場合に、前記光パワーが、λ／（ｎ_１ ^ｅｆｆ−ｎ_２ ^ｅｆｆ）の振動周期で前記変調層と前記導波路層との間を振動し、前記変調層の長さが、前記振動周期の整数倍であり、λが前記ビームの波長であり、ｎ_１ ^ｅｆｆが前記変調層における前記ビームの有効屈折率であり、ｎ_２ ^ｅｆｆが、前記導波路層における前記ビームの有効屈折率である、請求項２に記載の電気吸収型変調器。
4. 前記第１の方向が、前記第２の方向に対して垂直である、請求項３に記載の電気吸収型変調器。
5. 前記ドーピング層がさらに、
   前記第１のドーピングパネル上に形成された第１の種類の重ドーピング領域であって、前記第１の種類の軽ドーピング領域が、前記第１の種類の重ドーピング領域と前記導波路層との間に位置し、前記第１の種類の重ドーピング領域のドーピング密度が、前記第１の種類の軽ドーピング領域のドーピング密度よりも大きい、第１の種類の重ドーピング領域と、
   前記第２のドーピングパネル上に形成された第２の種類の重ドーピング領域であって、前記第２の種類の軽ドーピング領域が、前記第２の種類の重ドーピング領域と前記導波路層との間に位置し、前記第２の種類の重ドーピング領域のドーピング密度が、前記第２の種類の軽ドーピング領域のドーピング密度よりも大きい、第２の種類の重ドーピング領域と、を含む、請求項１に記載の電気吸収型変調器。
6. 前記第１の種類がＮ型であり、前記第２の種類がＰ型である場合に、変調電気信号が前記第１の種類の軽ドーピング領域及び前記第２の種類の軽ドーピング領域に逆方向に印加されることが、前記変調電気信号の正の電極が前記第１の種類の軽ドーピング領域に電気的に接続され、前記変調電気信号の負の電極が前記第２の種類の軽ドーピング領域に電気的に接続されることであり、または、
   前記第１の種類がＰ型であり、前記第２の種類がＮ型である場合に、変調電気信号が前記第１の種類の軽ドーピング領域及び前記第２の種類の軽ドーピング領域に逆方向に印加されることが、前記変調電気信号の負の電極が前記第１の種類の軽ドーピング領域に電気的に接続され、前記変調電気信号の正の電極が前記第２の種類の軽ドーピング領域に電気的に接続されることである、請求項５に記載の電気吸収型変調器。
7. 前記電気吸収型変調器がさらに、
   第１の金属電極層及び第２の金属電極層を含む金属層を含み、前記第１の金属電極層が前記第１の種類の重ドーピング領域上に形成され、前記第２の金属電極層が前記第２の種類の重ドーピング領域上に形成された、請求項５に記載の電気吸収型変調器。
8. 前記電気吸収型変調器がさらに、
   前記上部層シリコン上に形成され、前記上部層シリコン、前記ドーピング層、前記導波路層及び前記変調層を覆うカバー層を含む、請求項７に記載の電気吸収型変調器。
9. 第１のビア及び第２のビアが前記カバー層上に配置され、前記第１のビアが前記第１の金属電極層と連通し、前記第２のビアが前記第２の金属電極層と連通し、前記変調電気信号が、前記第１のビア及び前記第２のビアを通して前記第１の金属電極層及び前記第２の金属電極層に印加される、請求項８に記載の電気吸収型変調器。
10. 前記導波路層がリッジ導波路であり、前記導波路層がシリコンからなる、請求項１に記載の電気吸収型変調器。
11. 前記変調層が、所定の比率に従ってゲルマニウムをシリコンと混合することによって形成された、請求項１に記載の電気吸収型変調器。
12. 前記電気吸収型変調器がさらに、
    前記導波路層と前記変調層との間に配置された変調バッファ層を含む、請求項１に記載の電気吸収型変調器。
13. 前記ＰＩＮ接合によって生じる内部電場が、前記変調領域内に存在し、変調電気信号が前記ＰＩＮ接合に逆方向に印加される場合、前記変調層における前記内部電場が、前記変調電気信号とともに変化し、前記変調電気信号が強い場合、前記内部電場が増加し、前記変調層が前記ビームをより吸収し、前記変調電気信号が弱い場合、前記内部電場が減少し、前記変調層が前記ビームを吸収する量が小さくなる、請求項１に記載の電気吸収型変調器。

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