JP7217464B2 - 光モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光通信分野において使用される、光導波路素子とフォトダイオードとを備える光モジュールおよびその製造方法に関するものである。

近年、シリコンフォトニクスを用いた光電子集積技術の開発が進んでいる。シリコンフォトニクスの光電子集積技術の基本光部品は、シリコン（Ｓｉ）系光導波路とゲルマニウム（Ｇｅ）フォトダイオードとから構成される。これまで、シリコン系光導波路としてシリコンリッチな石英系材料であるＳｉＯｘをコアに用いたＳｉＯｘ光導波路とゲルマニウムフォトダイオードとを同一基板上にモノリシックに集積した小型光モジュールが開発され（特許文献１参照）、通信システムへの応用が期待されている。

ＳｉＯｘ光導波路とゲルマニウムフォトダイオードから構成された光モジュールにおいて、ＳｉＯｘコアの屈折率の制御にはシリコン量の微妙な制御が必要であり、光導波路の特性の再現性が低い。そのため、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）からなる光導波路コアを用いた光モジュールも提案されている。

例えば、特許文献２には、ゲルマニウムフォトダイオード、シリコンコアからなるシリコン光導波路、及び酸窒化シリコンコアからなる酸窒化シリコン光導波路がこれらの順に接続した光モジュール及びその製造方法が記載されている。この光モジュールは、光導波路を構成する酸窒化シリコンコアが第１酸窒化シリコン層（１４１）及び第２酸窒化シリコン層（１４２）から構成されているので、フォトダイオードを構成するゲルマニウムパターンの形成前と後とに分けて酸窒化シリコン層を形成することができる。したがって、ゲルマニウムの選択成長が可能となり、シリコン光導波路、酸窒化光導波路、ゲルマニウムフォトダイオードのモノリシック集積を実現できる。

特許文献２に記載された従来の光モジュールでは、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる下部クラッド層上に下部シリコンパターンを介してゲルマニウムパターンを形成する必要があり、下部クラッド層及び下部シリコンパターンを形成するためにＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板が好ましく使用されている。しかし、ＳＯＩ基板はシリコン支持基板上に埋め込み酸化膜（ＢＯＸ（Buried Oxide）層）を介して単結晶シリコン層が形成されたものであり、バルクシリコン基板と比べると非常に高価であるため、光モジュールの低コスト化を阻害する要因となっている。

特許文献３には、ＳＯＩ基板ではなくＳｉ基板上に光集積回路を構築するため、Ｓｉ基板上に厚さ１μｍのＧｅフォトダイオード（アクティブデバイス）を構築し、アクティブデバイスの上部にアクティブデバイスと光結合するように光導波路（アドオン導波路）を形成し、光導波路がアンダークラッド層、石英導波路コア及びオーバークラッド層からなり、アンダークラッド層の厚さを１μｍ以上とする構造が記載されている。

特許第５７６１７５４号公報 特開２０１７－１９１１５８号公報 特開２０１６－１５６９３３号公報

特許文献３に記載された従来の光モジュールの構造では、Ｓｉ基板による光吸収損失を低減するためにＧｅフォトダイオードと光導波路との間の離間距離を広げる必要があり、例えばアンダークラッド層の厚さを少なくとも１μｍ以上確保する必要がある。

しかしながら、Ｓｉ基板による光吸収損失の影響を受けないようにアンダークラッド層を十分に厚くした場合、光導波路コアとＧｅフォトダイオードとの離間距離が大きくなることにより両者の光結合度が低下するという問題がある。アンダークラッド層に合わせてＧｅフォトダイオードを厚くすることにより、Ｇｅフォトダイオードと光導波路との間の光結合度を確保することは可能である。しかしながら、Ｇｅフォトダイオードを厚くする場合、ゲルマニウム結晶成長に時間がかかり、製造効率が非常に悪いという問題がある。

したがって、本発明の目的は、Ｇｅフォトダイオードの結晶性及び製造効率を高めつつ、Ｇｅフォトダイオードと光導波路との光結合度を強めることが可能な光モジュール及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明による光モジュールは、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成されたＧｅパターンを含むＧｅフォトダイオードと、前記Ｇｅフォトダイオードと光結合するように前記シリコン基板上に設けられた光導波路とを備え、前記光導波路は、前記シリコン基板上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された光導波路コアと、前記光導波路コアを覆うように前記下部クラッド層上に形成された上部クラッド層とを備え、前記下部クラッド層は、前記シリコン基板上の前記Ｇｅパターンの形成領域を露出させる開口を有し、前記光導波路コアの終端部は前記Ｇｅパターンの上面及び側面の少なくとも一方に接していることを特徴とする。

本発明によれば、Ｇｅパターンとその上方に設けられる光導波路コアとが直接接続する。よって、Ｇｅフォトダイオードと光導波路との光結合度を強めることができ、光導波路コアを伝搬する光をＧｅフォトダイオードに確実に送り込むことができる。

本発明において、前記下部クラッド層の厚さは０．７μｍ以上１μｍ未満であることが好ましく、０．９μｍ以上１μｍ未満であることが特に好ましい。これにより、Ｇｅパターンを薄く形成することができ、Ｇｅパターンの厚さが１μｍ程度であったとしてもその上面を少なくとも下部クラッド層の上面とほぼ同じ高さかそれ以上にすることができる。したがって、Ｇｅフォトダイオードの結晶性及び製造効率を高めることができる。

本発明において、前記光導波路を伝搬する光の波長は１２６０ｎｍ以上１３６０ｎｍ以下のＯバンドであることが好ましい。光導波路を伝搬する光の波長をＯバンドとすることで光がシリコン基板にまで達することが無くなり、下部クラッド層の厚さを１μｍ未満に薄くしてもシリコン基板による光吸収損失を低減できる。

本発明において、前記Ｇｅパターンの上面は、前記下部クラッド層の上面よりも上方に位置していてもよく、前記光導波路コアの上面よりも上方に位置していてもよい。いずれの構成でも光導波路コアとＧｅパターンとを直接接続することができ、光導波路を伝搬する光をＧｅフォトダイオードに確実に送り込むことができる。

本発明において、前記シリコン基板の上面は、第１の上面と、前記第１の上面よりも高い第２の上面とを有し、前記下部クラッド層は、前記第１の上面に形成されており、前記Ｇｅパターンは、前記第２の上面に形成されていることが好ましい。この場合において、前記第１の上面は、前記シリコン基板の上面であり、前記第２の上面は、前記シリコン基板の上面に形成されたＳｉパターンの上面であってもよい。この構成によれば、Ｇｅパターンを厚く形成しなくてもその上面を下部クラッド層の上面よりも高くすることができる。したがって、Ｇｅ結晶成長にかかるコストを低減しつつ、Ｇｅフォトダイオードと光導波路との光結合度を強めることができる。

前記シリコン基板がバルクシリコン基板からなることが好ましい。この構成によれば、光モジュールの基板コストを低減できる。

前記光導波路コアが窒化シリコン（ＳｉＮｘ）からなることが好ましい。窒化シリコンは光通信に用いられる光の波長に対して透明なアモルファス材料であるため、光損失が低く、光導波路として好適である。また窒化シリコンは熱的に安定しており、熱光学係数が小さく、温度変動に対する屈折率変化が小さいことから、温度変動に対して堅牢な光モジュールを実現できる。

また、本発明による光モジュールの製造方法は、シリコン基板の上面に下部クラッド層を形成する工程と、前記下部クラッド層に開口を形成して前記シリコン基板の上面の一部を露出させる工程と、前記開口から露出する前記シリコン基板の上面の一部にＧｅパターンを選択成長させる工程と、前記下部クラッド層の上面及び前記Ｇｅパターンの上面に光導波路コア層を形成する工程と、前記光導波路コア層をパターニングすることにより前記Ｇｅパターンの上面及び側面の少なくとも一方に接する光導波路コアを形成する工程と、前記下部クラッド層の露出面及び前記光導波路コアの露出面を覆う上部クラッド層を形成する工程と備えることをと特徴とする。

本発明によれば、Ｇｅフォトダイオードと光導波路との光結合度を強めることができ、光導波路コアを伝搬する光をＧｅフォトダイオードに確実に送り込むことができる。またＧｅフォトダイオードをシリコン基板の上面に形成するので、ゲルマニウムの結晶品質を向上させて受光感度を向上させることができる。また、下部クラッド層が０．７μｍ以上１μｍ未満であるので、Ｇｅフォトダイオードの厚さが１μｍ未満と薄くても光導波路コアと直接接続できる。

本発明によれば、Ｇｅフォトダイオードの結晶性及び製造効率を高めつつ、Ｇｅフォトダイオードと光導波路との光結合度を強めることが可能な光モジュール及びその製造方法を提供できる。

図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態による光モジュールの構成を示す図であって、（ａ）は略平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ_１－Ｘ_１線に沿った断面図である。 図２（ａ）及び（ｂ）は、図１のＹ_１－Ｙ_１線及びＹ_２－Ｙ_２線に沿った光モジュールの断面図である。 図３は、ＳｉＯ_２からなる下部クラッド層の厚さｄ（μｍ）と光導波路の伝搬損失（ｄＢ／ｃｍ）との関係を示すグラフである。 図４（ａ）～（ｇ）は、本発明の実施の形態による光モジュールの製造方法の一例を示す略断面図である。 図５（ａ）～（ｅ）は、Ｇｅパターンの形成方法を説明する略断面図である。 図６（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態による光モジュールの構成を示す略断面図である。 図７（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態による光モジュールの構成を示す略断面図である。 図８は、本発明の第４の実施の形態による光モジュールの構成を示す略断面図である。 図９は、本発明の第５の実施の形態による光モジュールの構成を示す略断面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態による光モジュールの構成を示す図であって、（ａ）は略平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ_１－Ｘ_１線に沿った断面図である。また図２（ａ）及び（ｂ）は、図１のＹ_１－Ｙ_１線及びＹ_２－Ｙ_２線に沿った光モジュールの断面図である。

図１（ａ）及び（ｂ）及び図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、この光モジュール１は、シリコン基板１０と、シリコン基板１０上に設けられたＧｅフォトダイオード２０と、Ｇｅフォトダイオード２０の上面と接するようにシリコン基板１０上に設けられた光導波路３０とを備えており、Ｇｅフォトダイオード２０は光導波路３０の終端部に接続されている。光導波路３０は、シリコン基板１０上に形成された下部クラッド層３１と、下部クラッド層３１上に形成された窒化シリコン（ＳｉＮｘ）からなる光導波路コア３２と、光導波路コア３２を覆うように下部クラッド層３１上に形成された上部クラッド層３３とで構成されている。

シリコン基板１０はバルクシリコン基板であることが好ましい。バルクシリコン基板とはバルクシリコンウェーハを加工して得られるシリコン基板のことを言い、バルクシリコンウェーハとは単結晶シリコンインゴットを１ｍｍ程度の厚さにスライスしてその表面を鏡面研磨することにより得られるポリッシュト・ウェーハのことを言う。バルクシリコン基板はＳＯＩ基板等と比べて安価であり、光デバイスと電子デバイスのモノリシック集積も容易である。

Ｇｅフォトダイオード２０は、シリコン基板１０の上面に形成されたＧｅパターン２１を有している。本実施形態によるＧｅパターン２１はシリコン基板１０上に結晶成長させた単結晶ゲルマニウムであることが好ましい。Ｇｅパターン２１が単結晶からなることにより、受光感度が高いＧｅフォトダイオードを実現できる。本実施形態において、Ｇｅパターン２１は下部クラッド層３１と同じ厚さを有しているが、後述するように下部クラッド層３１よりも厚く形成してもよい。ただし、Ｇｅパターン２１を厚くするほどその結晶成長に時間がかかり、製造コストが増加するため、Ｇｅパターン２１はできるだけ薄いほうがよい。

下部クラッド層３１は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等からなり、Ｇｅフォトダイオード２０の形成領域を除くシリコン基板１０の略全面に形成されているが、少なくとも光導波路３０の形成領域に形成されていればよい。下部クラッド層３１は、光導波路コア３２に対するクラッド層としてだけでなく、シリコン基板１０上にゲルマニウムを選択的に堆積させるためのマスクとしての役割も果たしている。

下部クラッド層３１の厚さは、光導波路コア３２内に光を閉じ込めることができる限りにおいて特に限定されないが、０．７μｍ以上１μｍ未満とすることが好ましく、０．９μｍ以上１μｍ未満であることが特に好ましい。下部クラッド層３１の厚さが１μｍ未満であれば、Ｇｅパターン２１を薄く形成することができ、Ｇｅパターン２１の厚さが１μｍ程度であったとしてもその上面を少なくとも下部クラッド層３１の上面とほぼ同じ高さかそれ以上にすることができる。したがって、Ｇｅパターン２１とその上方に設けられる光導波路コア３２とを直接接続できる。

光導波路コア３２は、下部クラッド層３１の上面に選択的に形成された窒化シリコン（ＳｉＮｘ）からなる細線パターンである。窒化シリコンは光通信に用いられる１３００～１５５０ｎｍ近傍の光の波長に対して透明な材料であるため、光導波路として好適である。また窒化シリコンはアモルファスであるため、多結晶シリコンのように結晶粒界で光が散乱することがなく、光損失が低い光導波路となる。さらに窒化シリコンは熱的に安定しており、熱光学係数が小さく、温度変動に対する屈折率変化が小さいことから、温度変動に対して堅牢な光モジュールを実現できる。

本実施形態による光導波路３０は、光の波長が１２６０~１３６０ｎｍ（中心波長１３１０ｎｍ）のＯバンドの光に対してシングルモードで動作するように設計される。そのため、ＳｉＮ（屈折率ｎ＝１．９９）からなる光導波路コア３２の幅ｗは６００～１１００ｎｍであることが好ましい。また光導波路コア３２の高さｈは４００～８００ｎｍであることが好ましく、ｈ≦－０．８ｗ＋１３２０の関係を満たすことが特に好ましい。

上部クラッド層３３は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等からなり、光導波路コア３２の形成領域を含む下部クラッド層３１の略全面に形成されており、光導波路コア３２の上面及び側面とＧｅパターン２１の露出面を覆っている。上部クラッド層３３の厚さは、光導波路コア３２内に光を閉じ込めることができる限りにおいて特に限定されず、例えば１～１０μｍとすることができる。

Ｇｅフォトダイオード２０は、シリコン基板１０の上面に選択的に形成されたＧｅパターン２１を含み、Ｇｅパターン２１はシリコン基板１０の上面に直接形成されている。本実施形態によるＧｅフォトダイオード２０は、基板と平行な横方向（面内方向）にｐｉｎ接合を有する。すなわち、図２（ａ）に示すように、Ｇｅパターン２１は、ｐ型ドーパントがドープされたｐ領域２１ｐと、ｎ型ドーパントがドープされたｎ領域２１ｎと、ドーパントがドープされていないｉ領域２１ｉとを有している。本実施形態において、ｐ領域２１ｐ及びｎ領域２１ｎは、光導波路の延在方向（Ｙ方向）と直交する幅方向（Ｘ方向）の一端側及び他端側にそれぞれ設けられており、ｉ領域２１ｉはｐ領域２１ｐとｎ領域２１ｎとの間に設けられている。ｐ領域２１ｐ及びｎ領域２１ｎは、上部クラッド層３３を貫通するコンタクトプラグであるｐ側電極４０ｐ及びｎ側電極４０ｎにそれぞれ接続されている。

シリコン基板１０上にＧｅパターン２１を直接形成するので、単結晶ゲルマニウムを選択成長させることができ、結晶品質を向上させて受光感度を向上させることができる。また、シリコン基板１０の上面にＧｅフォトダイオード２０を直接形成し、Ｇｅフォトダイオード２０の上層に窒化シリコンからなる光導波路コア３２を形成するので、ＳＯＩ基板ではなくバルクシリコン基板を使用することができ、基板コストを低減できる。また窒化シリコンはアモルファスであり、多結晶シリコンのような結晶粒界が存在しないため、光の散乱が非常に小さい。また、熱的にも安定しているので、光導波路コア３２に必要な光学特性を安定的に確保できる。

図３は、ＳｉＯ_２からなる下部クラッド層の厚さｄ（μｍ）と光導波路の伝搬損失（ｄＢ／ｃｍ）との関係を示すグラフである。

図３に示すように、下部クラッド層の厚さｄが大きくなるほど伝搬損失は小さくなる。また、光の波長が１５５０ｎｍである場合よりも１３００ｎｍである場合の方が、伝搬損失が小さくなる。このように、光導波路３０を伝搬する光の波長を約１３００ｎｍのＯバンドとすることで、下部クラッド層の厚さを１μｍ未満に薄くしても光の伝搬損失を小さくできる。これにより１μｍ程度のＧｅパターン２１であってもその上層に設けられる光導波路コア３２と直接接続することが可能となるので、光導波路３０とＧｅフォトダイオード２０との光結合度を強めることができる。さらに図示のように、下部クラッド層３１の厚さが０．７μｍ以上であれば、約１３００ｎｍのＯバンドにおいて光の伝搬損失を１０ｄＢ／ｃｍ以下に抑えることができる。さらに、下部クラッド層３１の厚さが０．９μｍ以上であれば、Ｏバンドにおいて光の伝搬損失を２ｄＢ／ｃｍ以下に抑えることができる。ここで、伝搬損失が１０ｄＢ／ｃｍであり、導波路長が１ｃｍである場合には、光強度が１／１０になってしまう。この場合、１０ｄＢ／ｃｍの伝搬損失は許容できない。しかし、導波路長が１ｍｍ程度の光モジュールであれば、伝搬損失が１０ｄＢ／ｃｍであっても実際の伝搬損失は１ｄＢ（８０％）となるので、１０ｄＢ／ｃｍの伝搬損失を許容可能である。

図４（ａ）～（ｇ）は、本発明の実施の形態による光モジュールの製造方法の一例を示す略断面図である。

本実施形態による光モジュールの製造方法は、まずシリコン基板１０を用意し、シリコン基板１０の全面に厚さが０．７μｍ以上１μｍ未満のＳｉＯ_２膜からなる下部クラッド層３１を形成する（図４（ａ））。

次に、シリコン基板１０の上面の一部が露出するように下部クラッド層３１に開口３１ａを形成する（図４（ｂ））。開口３１ａはＳｉＯ_２膜をフォトリソグラフィ及びドライエッチングでパターニングすることにより形成できる。これにより、シリコン基板１０上のＧｅパターン２１の形成領域を露出させることができる。

次に、下部クラッド層３１の開口３１ａから露出するシリコン基板１０の上面の一部にＧｅパターン２１をＣＶＤ法により形成する（図４（ｃ））。ゲルマニウムは結晶成長中の炉内圧を１０Ｐａ未満とするＵＨＶＣＶＤ法（Ultra-High Vacuum CVD）により形成してもよく、結晶成長中の炉内圧を１×１０^４Ｐａ未満とする減圧ＣＶＤ法により形成してもよい。あるいは、ＧｅＨ_４をソースガスとし、基板温度を６００～６５０℃とする熱ＣＶＤ法によりゲルマニウムを形成することも可能である。このとき、ゲルマニウムは開口３１ａ内のシリコン基板１０の上面にのみ堆積し、ＳｉＯ_２膜からなる下部クラッド層３１の上面には堆積しないので、Ｇｅパターン２１を選択成長させることができる。シリコン基板１０上にＧｅパターン２１を直接形成するので、フォトダイオードの受光感度を高めることができる。

図５（ａ）～（ｅ）は、Ｇｅパターンの形成方法を説明する略断面図である。Ｇｅパターン２１の成長面にはファセット面が形成される場合がある。そのため、図５（ａ）に示すようにＧｅパターン２１を下部クラッド層３１と同じ高さまで選択成長させる場合には、開口３１ａ内をＧｅパターン２１で完全に埋めることができず、Ｇｅパターン２１と開口３１ａの内壁面との間に溝２１ｔ（隙間）が形成される。このような溝２１ｔは、Ｇｅパターン２１及び下部クラッド層３１の上面に形成される光導波路コア３２の平坦性を悪化させ、光導波路３０とＧｅフォトダイオード２０との光結合度が低下する。

溝２１ｔの影響をなくすためには、溝２１ｔを埋めて平坦化することが好ましく、図５（ｂ）に示すように溝２１ｔの内部を含む下部クラッド層３１の上面全体にＳｉＯ_２の絶縁膜３４を形成した後、図５（ｃ）に示すようにＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により平坦化してＧｅパターン２１の上面を露出させることが好ましい。あるいは、図５（ｄ）に示すようにファセット面の影響を受けない厚さまでＧｅパターン２１を下部クラッド層３１よりも厚く選択成長させた後、図５（ｅ）に示すようにＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により平坦化してもよい。

次に、Ｇｅパターン２１の上面を含む下部クラッド層３１の上面全体に窒化シリコン膜からなる光導波路コア層３２ＬをＣＶＤまたはスパッタ法により形成し（図４（ｄ））、さらに光導波路コア層３２Ｌをパターニングすることにより光導波路コア３２を形成する（図４（ｅ））。

次に、光導波路コア３２の露出面（上面及び側面）及びＧｅパターン２１の露出面（上面）を含む下部クラッド層３１の上面全体にＳｉＯ_２膜からなる上部クラッド層３３を形成する（図４（ｆ））。

その後、上部クラッド層３３を貫通してＧｅパターン２１の上面を露出させるコンタクトホールをパターニングすることにより形成し、コンタクトホール内に電極材料を埋め込むことにより、Ｇｅパターン２１のｐ領域２１ｐに接続されたｐ側電極４０ｐと、Ｇｅパターン２１のｎ領域２１ｎに接続されたｎ側電極４０ｎを形成する（図４（ｇ））。以上により、シリコン基板１０上にＧｅフォトダイオード２０及び光導波路３０が形成された光モジュール１が完成する。

以上説明したように、本実施形態による光モジュール１は、シリコン基板１０上に形成されたＧｅフォトダイオード２０と光導波路３０とを備え、光導波路３０は、下部クラッド層３１と、光導波路コア３２と、上部クラッド層３３とを有し、光導波路コア３２の終端部はＧｅフォトダイオード２０の上面に接しているので、Ｇｅフォトダイオード２０と光導波路３０との光結合度を強めることができ、光導波路コア３２を伝搬する光をＧｅフォトダイオード２０に確実に送り込むことができる。また、高価なＳＯＩ基板を使用する必要はなく、バルクシリコン基板を用いて光モジュール１を構成することができる。

また、本実施形態による光モジュール１は、光導波路３０を構成する下部クラッド層３１が０．７μｍ以上１μｍ未満であるので、Ｇｅパターン２１の厚さが１μｍ以下と薄くても光導波路コア３２とＧｅパターン２１とを直接接続できる。さらに、光導波路３０を伝搬する光の波長帯が１２６０～１３６０ｎｍ（Ｏバンド）であるため、下部クラッド層３１が１μｍ未満と薄い場合でもシリコン基板１０による光吸収を抑制でき、光導波路３０の伝搬損失を低減することができる。さらに、光導波路コア３２が窒化シリコン（ＳｉＮｘ）からなるので、温度変動に対して堅牢な光モジュールを実現できる。

（第２の実施の形態）
図６（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態による光モジュールの構成を示す略断面図である。

図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態による光モジュール１の特徴は、Ｇｅパターン２１の上面が下部クラッド層３１の上面よりも上方に位置している点にある。特に、図６（ａ）は、Ｇｅパターン２１の上面が光導波路コア３２の上面よりも下方に位置している場合を示しており、図６（ｂ）は、Ｇｅパターン２１の上面が光導波路コア３２の上面よりも上方に位置している場合を示している。

このように、本実施形態による光モジュール１は、Ｇｅパターン２１が下部クラッド層３１の上面よりも上方に位置しているので、光導波路コア３２内を伝搬する光をＧｅパターン２１内に確実に送り込むことができる。

（第３の実施の形態）
図７（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態による光モジュールの構成を示す略断面図である。

図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態による光モジュール１の特徴は、シリコン基板１０の上面に段差が形成されており、Ｇｅパターン２１の形成領域の下地面（第２の上面）の高さが周囲の面（第１の上面）よりも高くなっている点にある。このうち、図７（ａ）は、Ｇｅパターン２１の形成領域におけるシリコン基板１０上にエピタキシャル膜からなるＳｉパターン１０ｅを選択成長させたものである。また図７（ｂ）は、Ｇｅパターン２１の形成領域以外のシリコン基板１０の上面をエッチング等により掘り下げることにより、Ｇｅパターン２１の形成領域を相対的に高くしたものである。シリコン基板１０の上面のエッチング等による掘り下げは、例えば光導波路コア３２の形成領域に限定して行ってもよい。

このように、本実施形態による光モジュール１は、Ｇｅパターン２１の形成領域と平面視で重なるシリコン基板１０の上面の一部がその周囲よりも高くなっているので、Ｇｅパターン２１を厚く形成しなくても、その上面を下部クラッド層３１の上面よりも高くすることができる。したがって、Ｇｅ結晶成長にかかるコストを低減しつつ、Ｇｅフォトダイオード２０と光導波路３０との光結合度を強めることができる。

（第４の実施の形態）
図８は、本発明の第４の実施の形態による光モジュールの構成を示す略断面図である。

図８に示すように、本実施形態による光モジュール１の特徴は、Ｇｅフォトダイオード２０が基板に垂直な縦方向のｐｉｎ接合を有する点にある。縦方向のｐｉｎ接合を実現するため、シリコン基板１０の表層部にはｎ領域１０ｎが形成されており、このｎ領域１０ｎ上にＧｅパターン２１が形成されている。またＧｅパターン２１の上層部にはｐ領域２１ｐが形成されている。Ｇｅパターン２１の下層部はｉ領域２１ｉである。本実施形態においてはシリコン基板１０側にｎ領域を形成し、Ｇｅパターン２１の上層側にｐ領域を形成しているが、シリコン基板１０側にｐ領域を形成し、Ｇｅパターン２１の上層側にｎ領域を形成してもよい。

図示のように、シリコン基板１０のｎ領域１０ｎのＸ方向の幅はＧｅパターン２１のＸ方向の幅よりも広いので、ｎ領域１０ｎはＧｅパターン２１と平面視で重ならない露出面を有している。そしてｎ領域１０ｎの露出面の一部は、上部クラッド層３３及び下部クラッド層３１を貫通するコンタクトプラグであるｎ側電極４０ｎに接続されている。また、ｐ領域２１ｐは、上部クラッド層３３を貫通するコンタクトプラグであるｐ側電極４０ｐに接続されている。このように、本実施形態による光モジュール１は、Ｇｅフォトダイオード２０が縦方向のｐｉｎ接合を有しているが、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。

また本実施形態によれば、Ｇｅフォトダイオード２０の高速応答の実現が容易である。Ｇｅフォトダイオード２０の高速応答を実現するためには、キャリアがｉ領域２１ｉを通過する時間をできるだけ短くする必要があり、そのためにはｉ領域２１ｉをできるだけ狭くする必要がある。横方向のｐｉｎ接合ではリソグラフィによりｉ領域２１ｉの幅を制御する必要があるが、縦方向のｐｉｎ接合ではＧｅ層の厚さでｉ領域２１ｉの幅を制御できる。Ｇｅ結晶成長プロセスでＧｅ層の厚さを１ｕｍ未満に抑えつつｉ領域２１ｉの厚さを精密に制御することは容易なため、プロセス要求精度の緩和が可能となる。

（第５の実施の形態）
図９は、本発明の第５の実施の形態による光モジュールの構成を示す略断面図である。

図９に示すように、本実施形態による光モジュール１の特徴は、第１乃至第３の実施の形態の応用例であって、Ｇｅフォトダイオード２０に近接した近端領域Ｄ１における光導波路３０の下部クラッド層３１の厚さが０．７μｍ以上１μｍ未満になっており、Ｇｅフォトダイオード２０から遠く離れた遠端領域Ｄ３の光導波路３０の下部クラッド層３１の厚さが２μｍ以上となっている点にある。さらに、近端領域Ｄ１と遠端領域Ｄ３との間には、下部クラッド層３１の厚さが徐々に小さくなる遷移領域Ｄ２が設けられている。近端領域Ｄ１内の光導波路３０の長さは、遷移領域Ｄ２内及び遠端領域Ｄ３内の光導波路３０の合計長さよりも短いことが好ましい。

このように、本実施形態による光モジュール１は、光導波路３０の下部クラッド層３１がＧｅフォトダイオード２０との接続位置近傍において薄く、Ｇｅフォトダイオード２０から遠く離れた位置において厚く形成されているので、光導波路３０の伝搬損失を低減しながらＧｅフォトダイオード２０と光導波路３０との光結合度を強めることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。

例えば、上記実施形態による光モジュール１はシリコン基板１０上にＧｅフォトダイオード２０と光導波路３０だけが設けられた構成であるが、他の光デバイスと共にモノリシック集積されてもよい。

１ 光モジュール
１０ シリコン基板
１０ｅ エピタキシャル膜
１０ｎ シリコン基板のｎ領域
２０ Ｇｅフォトダイオード
２１ Ｇｅパターン
２１ｉ Ｇｅパターンのｉ領域
２１ｎ Ｇｅパターンのｎ領域
２１ｐ Ｇｅパターンのｐ領域
２１ｔ 溝
３０ 光導波路
３１ 下部クラッド層
３１ａ 下部クラッド層の開口
３２ 光導波路コア
３２Ｌ 光導波路コア層
３３ 上部クラッド層
３４ 絶縁膜
４０ｎ ｎ側電極
４０ｐ ｐ側電極
Ｄ１ 近端領域
Ｄ２ 遷移領域
Ｄ３ 遠端領域

Claims (11)

1. シリコン基板と、
   前記シリコン基板の上面に形成されたＧｅパターンを含むＧｅフォトダイオードと、
   前記Ｇｅフォトダイオードと光結合するように前記シリコン基板上に設けられた光導波路とを備え、
   前記光導波路は、
   前記シリコン基板の上面に形成された、０．７μｍ以上１μｍ未満の厚さを有する下部クラッド層と、
   前記下部クラッド層上に形成された光導波路コアと、
   前記光導波路コアを覆うように前記下部クラッド層上に形成された上部クラッド層とを備え、
   前記下部クラッド層は、前記シリコン基板上の前記Ｇｅパターンの形成領域を露出させる開口を有し、
   前記光導波路コアの終端部は前記Ｇｅパターンの少なくとも上面に接していることを特徴とする光モジュール。
2. 前記光導波路を伝搬する光の波長は１２６０ｎｍ以上１３６０ｎｍ以下のＯバンドである、請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記Ｇｅパターンの上面は、前記下部クラッド層の上面よりも上方に位置する、請求項１又は２に記載の光モジュール。
4. 前記Ｇｅパターンの側面にはファセット面が形成されており、
   前記ファセット面と前記開口の内壁面との間の溝内に絶縁膜が埋め込まれている、請求項１又は２に記載の光モジュール。
5. 前記シリコン基板の上面は、第１の上面と、前記第１の上面よりも高い第２の上面とを有し、
   前記下部クラッド層は、前記第１の上面に形成されており、
   前記Ｇｅパターンは、前記第２の上面に形成されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光モジュール。
6. 前記第１の上面は、前記シリコン基板の上面であり、
   前記第２の上面は、前記シリコン基板の上面に形成されたＳｉパターンの上面である、請求項５に記載の光モジュール。
7. 前記シリコン基板がバルクシリコン基板からなる、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光モジュール。
8. 前記光導波路コアがＳｉＮｘからなる、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光モジュール。
9. バルクシリコン基板の上面に、０．７μｍ以上１μｍ未満の厚さを有する下部クラッド層を形成する工程と、
   前記下部クラッド層に開口を形成して前記バルクシリコン基板の上面の一部を露出させる工程と、
   前記開口から露出する前記バルクシリコン基板の上面の一部にＧｅパターンを選択成長させて当該開口内に埋め込む工程と、
   前記下部クラッド層の上面及び前記Ｇｅパターンの上面に光導波路コア層を形成する工程と、
   前記光導波路コア層をパターニングすることにより前記Ｇｅパターンの少なくとも上面に接する光導波路コアを形成する工程と、
   前記下部クラッド層の露出面及び前記光導波路コアの露出面を覆う上部クラッド層を形成する工程と備えることをと特徴とする光モジュールの製造方法。
10. 前記Ｇｅパターンを選択成長させる工程は、前記Ｇｅパターンを前記下部クラッド層と同じ高さまで選択成長させた後、前記Ｇｅパターンのファセット面と前記開口の内壁面との間に形成される溝の内部を含む下部クラッド層の上面全体に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の上面をＣＭＰにより平坦化して前記Ｇｅパターンの上面を露出させる工程をさらに含む、請求項９に記載の光モジュールの製造方法。
11. 前記Ｇｅパターンを選択成長させる工程は、ファセット面の影響を受けない厚さまで前記Ｇｅパターンを前記下部クラッド層よりも厚く選択成長させた後、ＣＭＰにより平坦化する工程を含む、請求項９に記載の光モジュールの製造方法。

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