JP6457440B2 - 光変調器および光変調素子の製造方法 - Google Patents
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Description
(3)上記(1)の光変調素子において、前記下部領域は、前記第一スラブ領域内まで延びていてもよい。
(4)上記(1)〜(3)の光変調素子において、前記第一導電型はN型であり、前記第二導電型はP型であってもよい。
半導体材料の屈折率を変化させる方法はいくつか存在する。特に、シリコンの屈折率をナノ秒オーダで変化させる方法として、キャリアプラズマ効果を用いた方法が知られている。キャリアプラズマ効果とは、媒質内のキャリア濃度(たとえば、正孔濃度と電子濃度)の変化に応じて、媒質の屈折率が変化する効果である。
R. A. Soref and B. R. Bennett, “Electrooptical effects in silicon”, IEEE J. Quantum Electron. 23, 123-129 (1987)によれば、P型、N型シリコンにおける、波長1.55μmの光に対するシリコンの複素屈折率の変化Δnは、次の(式1)、及び(式2)により表される。
上記(式1)より、電子濃度および正孔濃度の変化量が大きいほど、屈折率の実部の変化量が大きくなることがわかる。特に、正孔濃度の変化量が、屈折率の実部の変化量により大きく寄与することがわかる。
したがって、逆バイアス電圧を制御することにより、シリコン基板の屈折率を制御することができる。
また、このキャリア濃度が変化する空乏層(すなわち、PN接合面)が光導波路内に占める割合が大きいほど、逆バイアス電圧の印加による光変調素子の屈折率変化量を大きくすることができ、よって、光導波路を伝搬する光に対してより大きな位相変調を与えることができる。
光モードの分布に関して、鉛直方向の寸法が水平方向の寸法よりも小さい光導波路においては、一般的に、鉛直方向の光の閉じ込めが強固になる。このような光導波路において、鉛直方向における単位長さ(面積)当たりの光の電界強度は、水平方向におけるそれよりも大きい。したがって、鉛直方向にける屈折率変化量を大きくすることが、光変調素子の変調効率を向上させる一つの手段である。
図1の例において、リブ領域2は、幅w11、高さh2の略矩形形状である。第一スラブ領域3は、幅w3、高さh3の略矩形形状であり、第二スラブ領域4は、幅w4、高さh3の略矩形形状である。また、リブ領域2の下面2bは、第一スラブ領域3の下面3bおよび第二スラブ領域4の下面4bと面一である。光導波路5に要求される特性に応じて、第一スラブ領域3の下面3bおよび第二スラブ領域4の下面4bに対するリブ領域2の下面2bの位置は適宜調整できる。
N型の導電性を与える添加物の例としてはリン(P)やヒ素(As)等のV族元素が挙げられる。このような添加物を光導波路5の所定の領域にイオン注入することにより、N型の半導体領域を得ることができる。
上部領域11、側部領域12、下部領域13、及び第二スラブ領域4に存在する半導体領域は、実質的に連続した一つの半導体領域10を構成している。説明の便宜上、リブ領域2内に存在する半導体領域10を3つに分割して、それぞれ上部領域11、側部領域12、および下部領域13と呼んでいる。
図1の例において、第二半導体領域20は、リブ領域2から第一スラブ領域3に亘って、リブ領域2の中心を含むように延在している。第二半導体領域20と上部領域11との境界に略水平方向に延びるPN接合面j1が、第二半導体領域20と側部領域12との境界に略鉛直方向に延びるPN接合面j2が、第二半導体領域20と下部領域13との境界に略水平方向に延びるPN接合面j3及び略鉛直方向に延びるPN接合面j4が存在する。
本図に例示されるように、上部領域11の端面11eは第一側面2cと面一でなく、下部領域13の端面13eのみが第一側面2cと面一であってもよい。本例において、上部領域11の端面11eは第一側面2cから距離waだけ離れている。また、上部領域11の端面11eと第二半導体領域20との境界に、略鉛直方向に延びるPN接合面j5が存在する。
本図に例示されるように、上部領域11の端面11eは第一側面2cと面一であって、下部領域13の端面13eは第一側面2cと面一でなくてもよい。本例において、下部領域13の端面13eは第一側面2cから距離wbだけ離れている。また、下部領域13の端面13eと第二半導体領域20との境界に、略鉛直方向に延びるPN接合面j4が存在する。
本図に例示されるように、下部領域13は、第一スラブ領域3内まで延びていてもよい。本例のように、上部領域11の端面11eが第一側面2cと面一であり、下部領域13の端面13eが第一スラブ領域3内にあってもよい。本例において、下部領域13の端面13eは第一側面2cから距離wcだけ第一スラブ領域3に突出している。また、下部領域13の端面13eと第二半導体領域20との境界に、略鉛直方向に延びるPN接合面j4が存在する。この場合、略水平方向に延びるPN接合面j3は、リブ領域2から第一スラブ領域3に亘って存在し、略鉛直方向に延びるPN接合面j4は第一スラブ領域3内に存在する。
また、第一半導体領域10の上部領域11の端面11e及び下部領域13の端面13eの少なくとも一方はリブ領域2の第一側面2cと面一であるため、第一側面2cに達する略水平方向に延在するPN接合面(空乏層)がリブ領域2内に少なくとも一つ存在する。したがって、第一側面2c近傍における鉛直方向の屈折率変化量をより大きくすることができ、光変調素子1全体としての変調効率を向上させることができる。
特に、図4に例示されるように、下部領域13が第一スラブ領域3まで延びていて且つ、上部領域11の端面11eがリブ領域2の第一側面2cと面一である場合、第一側面2cに達する略水平方向に延在するPN接合面(空乏層)がリブ領域2内に二つ存在して且つ、第一スラブ領域3において略水平方向に延在するPN接合面(空乏層)が存在する。この場合、第一スラブ領域3において鉛直方向における屈折率変化量をより大きくできるとともに、リブ領域2での鉛直方向における屈折率変化量をさらに大きくできる。したがって、光変調素子1全体としての変調効率をさらに向上させることができる。
このような基板61、下部クラッド62、光変調素子1(30,40,50)、および上部クラッド63を有する素子は、たとえば、SOI基板を加工して、最上層のシリコンへのドーピングを行った後に、当該シリコン層上にシリカを堆積することにより作製することができる。
2つの電極64は、それぞれ第一スラブ領域3及び第二スラブ領域4にオーミックコンタクトを形成できるように接続されている。2つ電極64間に逆バイアス電圧を印加することにより、上述の通り、光変調を実現できる。電極64には、アルミ等、シリコン材料とのオーミックコンタクトが形成可能な材料であれば、特に限定されず、元素単体でも合金でもよい。
位相変調部60は、2つのアーム73,74のいずれか一方に設けられていてもよい。
基板Sには、たとえば、シリコンのような半導体材料を用いることができる。第一導電型及び第二導電型は、P型又はN型であり、互いに電気的に反対の符号をもつ型である。なお、ドーパントの注入の回数は、ドーパントの型やドーパントが注入される深さ等に応じて適宜決定される(以下の説明においても同様である)。
この工程において、第一層s1に形成された第一導電型の領域の端面を、リブ領域2の第一側面2cに精度よく一致させることができる。
第一マスクm1及び後述する第二〜五マスクm2〜m5には、たとえば、レジスト膜やSiO2膜などを用いることができる。第一層s1の除去および第二層s2の上部の除去には、エッチング等の公知の方法を用いて行うことができる。
この工程において、第一スラブ領域3における第三層s3の導電型は、第一導電型から第二導電型に反転され、第一スラブ領域3の全領域は第二導電型になる。
第一スラブ領域3、第二スラブ領域4、及びリブ領域2の形成に用いた第一マスクm1をそのまま第二導電型ドーパントの注入に用いることにより、第三層s3における第一導電型の領域と第二導電型の領域との境界面(PN接合面)を、リブ領域2の第一側面2cに精度よく一致させることができる。
また、第二マスクm2は少なくとも第二スラブ領域4の全表面を覆えばよいので、リブ領域2上における第二マスクm2の端面の位置精度は要求されない。したがって、製造効率を高めることができる。
本図の例では、第二側面2dから距離w12の範囲にあるリブ領域2の表面2eが露出するように、第三マスクm3が形成されている。距離w12は、最終的に得られる光変調素子において、所望の側部領域の幅が得られるように決定される。
この工程において、第二層s2の導電型は、第二導電型から第一導電型に反転され、第二スラブ領域4の全領域およびリブ領域2の露出部分(第二側面2dから距離w12の範囲)は第一導電型になる。その後に第三マスクm3を除去して、光変調素子1を得る。
一実施形態に係る光変調素子の製造方法の他の例として、図7A〜図7Dを参照しながら、図4に例示された構造を有する光変調素子50の製造方法を詳細に説明する。
本図の例では、第一スラブ領域3のうちの第一側面2cから距離wcの範囲にある部分が第四マスクに覆われている。距離wcは、最終的に得られる光変調素子において、所望の下部領域の幅が得られるように決定される。
この工程において、第三層s3の導電型は、第一導電型から第二導電型に反転され、第一側面2c近傍の部分(第一側面2cから距離wcの範囲)を除く第一スラブ領域3の全領域は第二導電型になる。
本図の例では、第二側面2dから距離w12の範囲にあるリブ領域2の表面2eが露出するように、第五マスクm5が形成されている。距離w12は、最終的に得られる光変調素子において、所望の側部領域の幅が得られるように決定される。
この工程において、第二層s2の導電型は、第二導電型から第一導電型に反転され、第二スラブ領域4の全領域およびリブ領域2の露出部分(第二側面2dから距離w12の範囲)は第一導電型になる。その後に第五マスクm5を除去して、光変調素子50を得る。
上述した光変調素子1の変調効率の評価をシミュレーションにより行った。比較のために、従来例に係る光変調素子についても同様の評価を行った。
光変調素子100の第一半導体領域110は、リブ領域2の第一側面2cに接していない上部領域111及び下部領域113を有している。
換言すると、第二半導体領域120と上部領域111との境界で略水平方向に延びるPN接合面j101、および、第二半導体領域120と下部領域113との境界で略水平方向に延びるPN接合面j103は、第一側面2cに到達していない。したがって、光変調素子100の第一側面2c近傍において、略水平方向に延在するPN接合面(空乏層)は存在しない。
<光変調素子1の寸法>
h3=100nm,w11=500nm,h2=220nm,h11=h13=70nm,w12=70nm,h12=80nm
<光変調素子100の寸法>
h3=100nm,w111=430nm,h2=220nm,h111=h113=70nm,w12=70nm,h12=80nm
<半導体領域>
第一導電型:N型,第二導電型:P型
電子濃度(第一半導体領域)の初期値:1.0×1018/cm3
正孔濃度(第二半導体領域)の初期値:1.5×1018/cm3
<光導波路を伝搬する光>
波長:1.55μm、偏波:TEモード
特に、基準となる逆バイアス電圧1Vでの位相をさらに180deg変化(シフト)させるのに必要な電圧は、光変調素子1において+1.0V、光変調素子100において+1.2Vであることが分かる。さらに、逆バイアス電圧2Vでの光吸収損失は、光変調素子1において3.3dB、光変調素子100において3.9dBであることが分かる。
光モード分布は、有限要素法を用いて算出した。屈折率変化量は、上記正孔濃度及び電子濃度(キャリア濃度)の初期値を用いて、電位方程式とキャリア輸送方程式を用いて算出されたキャリア濃度変化量を(式1)に代入して求めた。
図9及び図11より、光変調素子1及び光変調素子100の断面における光モード分布は、鉛直方向において光が強固に閉じ込められていることがわかる。
図9及び図11から明らかなように光変調素子1の第一側面2c近傍では、鉛直方向における屈折率変化量が大きい。これに対し、光変調素子100の第一側面2c近傍では、水平方向における屈折率変化はみられるものの、鉛直方向における屈折率変化がほとんどない。
以上より、光変調素子1では、従来例に係る光変調素子100に比べ、リブ領域2の第一側面2c近傍において鉛直方向の屈折率変化量がより大きいことが分かる。したがって、全体として、光変調素子1によれば、従来例に係る光変調素子100に比べ、より高い変調効率を有する光変調素子を提供できる。
Claims (6)
- 上面、下面、第一側面、及び第二側面を有するリブ領域と、前記第一側面から延びる第一スラブ領域と、前記第二側面から延びる第二スラブ領域と、を含む光導波路を備えた光変調素子と、
下部クラッドと、を備え、
前記光導波路は、第一導電型の第一半導体領域と、前記第一導電型とは電気的に反対の符号をもつ第二導電型の第二半導体領域と、を含み、
前記第一半導体領域は、前記リブ領域の上面に沿って延びる上部領域と、前記リブ領域の第二側面に沿って延びる側部領域と、前記リブ領域の下面に沿って延びる下部領域と、を含み、
前記第二半導体領域は、前記上部領域と前記側部領域と前記下部領域とに接するように、前記上部領域と前記下部領域との間に挟まれた部分を有し、
前記上部領域及び前記下部領域のうちの少なくとも一方の端面は、前記第一側面と面一であり、
前記光変調素子の下面は、前記第一半導体領域および前記第二半導体領域により形成されるとともに、前記下部クラッドに接している、光変調器。 - 前記上部領域及び前記下部領域の両方の端面は、前記第一側面と面一である、請求項1に記載の光変調器。
- 前記下部領域は、前記第一スラブ領域内まで延びている、請求項1に記載の光変調器。
- 前記第一導電型はN型であり、
前記第二導電型はP型である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光変調器。 - 上面、下面、第一側面、及び第二側面を有するリブ領域と、前記第一側面から延びる第一スラブ領域と、前記第二側面から延びる第二スラブ領域と、を備えた光変調素子の製造方法であって、
基板に第一導電型及び前記第一導電型とは電気的に反対の符号をもつ第二導電型のドーパントを注入して、前記第一導電型の第一層と、前記第二導電型の第二層と、前記第一導電型の第三層とを、前記基板の厚さ方向に沿ってこの順に配されるように前記基板内に形成し、
前記第一層の表面上に第一マスクを形成し、
前記第一マスクが形成されていない範囲において、前記第一層と前記第二層の上部とを除去して前記第一スラブ領域、前記第二スラブ領域、及び前記第一マスクに覆われた前記リブ領域を形成し、
前記第一層に形成された前記第一導電型の領域の端面を、前記第一側面に一致させ、
前記第一マスクの表面の一部および前記第二スラブ領域の全表面上に第二マスクを形成し、
前記第一マスク及び前記第二マスク越しに前記第二導電型のドーパントを打ち込んで、前記第一スラブ領域に前記第二導電型のドーパントを注入することで、前記第三層を前記第二導電型に反転させ、
前記第一マスク及び前記第二マスクを除去し、
前記第二導電型の前記第一スラブ領域の全表面及び前記リブ領域の表面上に、前記第二側面近傍において前記リブ領域の表面が露出するように、第三マスクを形成し、
前記第三マスク越しに前記第一導電型のドーパントを打ち込んで、前記第二スラブ領域と前記リブ領域のうちの前記第三マスクから露出する部分とに前記第一導電型のドーパントを注入し、
前記第三マスクを除去する、
光変調素子の製造方法。 - 上面、下面、第一側面、及び第二側面を有するリブ領域と、前記第一側面から延びる第一スラブ領域と、前記第二側面から延びる第二スラブ領域と、を備えた光変調素子の製造方法であって、
基板に第一導電型及び前記第一導電型とは電気的に反対の符号をもつ第二導電型のドーパントを注入して、前記第一導電型の第一層と、前記第二導電型の第二層と、前記第一導電型の第三層とを、前記基板の厚さ方向に沿ってこの順に配されるように前記基板内に形成し、
前記第一層の表面上に第一マスクを形成し、
前記第一マスクが形成されていない範囲において、前記第一層と前記第二層の上部とを除去して前記第一スラブ領域、前記第二スラブ領域、及び前記第一マスクに覆われた前記リブ領域を形成し、
前記第一層に形成された前記第一導電型の領域の端面を、前記第一側面に一致させ、
前記第一マスクの表面の一部および前記第二スラブ領域の全表面上に第二マスクを形成し、
前記第一マスク及び前記第二マスク越しに前記第二導電型のドーパントを打ち込んで、前記第一スラブ領域に前記第二導電型のドーパントを注入し、
前記第一マスク及び前記第二マスクを除去し、
前記第二導電型の前記第一スラブ領域の全表面及び前記リブ領域の表面上に、前記第二側面近傍において前記リブ領域の表面が露出するように、第三マスクを形成し、
前記第三マスク越しに前記第一導電型のドーパントを打ち込んで、前記第二スラブ領域と前記リブ領域のうちの前記第三マスクから露出する部分とに前記第一導電型のドーパントを注入することで、前記第二層のうち、前記第二側面に沿って延びる前記リブ領域の一部と、前記第二スラブ領域となる部分と、を前記第一導電型に反転させ、
前記第三マスクを除去する、
光変調素子の製造方法。
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