JPH03196120A - 光変調器 - Google Patents

光変調器

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JPH03196120A
JPH03196120A JP2323413A JP32341390A JPH03196120A JP H03196120 A JPH03196120 A JP H03196120A JP 2323413 A JP2323413 A JP 2323413A JP 32341390 A JP32341390 A JP 32341390A JP H03196120 A JPH03196120 A JP H03196120A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、光・電子デバイス、具体的には、少なくとも
1つのp−n接合を含む、5OI(sflcon−on
−insulator)ベースのリブ導波路光度mWに
関するものである。
[従来の技術〕 シリコンベースの回路の動作速度が速くなるにつれて、
高速コンピュータにおいてチップ間の遅延が制限要因と
なる。この問題を解決するために、チップ間の遅延を制
限するための手段として、光学的なチップ間の通信が提
案されてきた。しかしながら、シリコンは能動光学物質
ではない。従って、シリコン集積回路に配設される光源
を、ハイブリッド物質またはハイブリッド実装技術のい
ずれか一方で製造する必要がある。例えば、完全な集積
化のために、GaAs/Siおよび他のハイブリッド構
造体を製造しなければならない。このようなハイブリッ
ド構造体の技術において、直接光源を変調きせること、
または物質の電子光学的活性を利用して光自身を変調き
せることによって、シリコン集積回路を通って伝わる光
信号を変調させるために、高速のG a A s回路機
構が使用される。
また、例えば、GaAs光源をGaAs基板上に成長さ
せて、他のチップからシリコン回路機構によって駆動す
るような別のハイブリッド実装技術は、変調速度および
柔軟性について制限を有する。1つの制限は、独立して
変調する必要のある多くのチャネルに光源を分割する場
合に起こる。
一般的には、このようなハイブリッド物質は、基本的な
物質およびプロセスの問題を含む。したがって、ハイブ
リッド物質の米麦[Wを必要とせず、シリコンベースの
集積回路にDC駆動光放射源のオンチップ変調を与える
ことが望まれる。また、チップに生じる電気48号に従
って光が変調されるように、電気信号に応答する光変調
器、即ち光・電子変調器を提供することが望まれる。
米国特許第4,745,449号は、III −V族F
ET型光導電体を開示している。米国特許第4゜517
.581号は、ゲートが光吸収先導波路としても作用す
るリブ(脈)として規定される、JFET型の光検出器
を開示している。米国特許第4.360,246号は、
集積された導波路及びFET検出器を開示している。前
記米国特許第4゜517.581号及び第4.360.
246号のデバイスは、III −V族物質で構成され
る。
米国特許第4,729,618号は、例えば回路の一部
がInPまたはGaAsであり、一方、他の部分が例え
ば低コストの基板物質で形成される曲導波路などの比較
的低い集積度を有するように、高コストかつ高性能の基
板物質を提供するハイブリッド集積光学回路を開示して
いる。
米国特許第4.438,447号は、光導波路の層によ
って置換されたオンチップ電気接続を有する電子光学集
積回路を開示している。この半導体チップは、ll−V
族の物質から構成される。
特開昭55−138889は、単結晶基板の光導波路を
通るFETおよび集積形成された光オシレータを有する
半導体光パルス発生基を開示している。
「ブリーチング誘発の自由キャリアに基づく導波GaA
s/AQGaAs  FET光変調器(G u ide
dwave  GaAs/ A Q GaAs  F 
E T  opticalmodulator bas
ed on free carrier induce
dbleaching) J  (E]ectron、
Lett、 (UK)、Vol。
23、No、 24.1987年11月19日、PP。
1302〜1304)  は、自由キャリアのブリーチ
ング効果に基づ< III −V族の光変調器を開示し
ている。そのデバイスは、導波路に自己整合されたFE
Tゲートを有する単一量子ウェルFET光変調器である
。同様のデバイスが、「エグジトン・ブリーチングに基
づく新しい単一量子ウェル光・電子デバイス(Nove
l  S ingle  QuantumWell  
0ptoelectronic  Devices  
Ba5ed  onExiton  Bleachin
g) J  (Journal  ofLfghtva
ve  TechnologySVol、 LT−5、
No、9.1987年9月)にも開示されている。
「集積光エレクトロニクス用の高効率導波路位相変調器
(Highly efficient wavegui
de phasemodulator for int
egrated optoelectronics) 
J(Appl、 Phys、 Lett、、 Vol 
、 48、No、19.1986年5月12日)は、逆
バイアスのリッジ導波されたAQGaAsダブルへテロ
構造を開示している。
しかしながら、この先行技術は、シリコンベースの集積
回路用の光変調器を開示してはいない。
ファイバ光学系用の集積全光変調器および論理ゲート 
(I ntegrated  All −Optica
lModulator  and  Logic  G
ate  for  FiberOptics   S
ystems)  J   (I  GWo   1 
988年、PP、351〜354)は、1.32ないし
1゜55μmの範囲内の放射用のシリコンベースの変調
器を開示している。変調光は導波路内に吸収され、間接
的なバンド間吸収によって電子正孔対な生み、それによ
って導かれた光の波長において、効果的に導波路の屈折
率を低下させる。この変調器は、電気信号ではなく光信
号によって制御される。
[自由キャリア吸収の効果を用いたリッジ型光導波構造
の赤外光変調器(Infra−red  LightM
odulator  of  Ridge −Type
  OpticalWaveguide  5truc
ture  Using  Effect  ofFr
ee −Carrier  Absorption) 
J(Electronics  Lett、、 198
6年8月14日、Vol、22、No、17、PP、9
22〜923)は、p”Si基板(キャリア濃度は5 
X 10 ”Cm−3)およびその基板上のp〜Si導
波路(キャリア濃月はI X 1014c+w−3)を
含むリッジ導波構造を有〕る10.6μm放射の光変調
を開示している(負4図参照)。トンネルMISダイオ
ードは、キAリア注入用の電極として働く。
「λ=1.3および1.6μmのための全シしコン活性
および不活性導波構成要素(All−S jlicon
  Active  and  Pa5sive  G
uided −Wave   Components 
  for   λ=1.3and1、、6μm) J
  (Journal  of  QuantumE 
IectronicsXVol 、 Q E −22、
No、8.1986年6月)は、多量にドープしたシリ
コ〉基板に成長させた単結晶シリコン層においてfBI
逸される1、3umのチャネル導波路および終端結合さ
れたブレーナを開示している。
第5図は、前記開示と同様のリッジ導波デバイス10の
断面図である。このデバイス10は、3X 10 ”c
m−3の濃度でドープされたn”<111>シリコン基
板12を含む。基板12の上のn型エピタキシャル・シ
リコン層14は、リッジ構造16を有する。層14は、
9 X 10 ”cm−3の濃度でドープされる。導か
れる光(GL)は、デバイス10のチャネル−導波路領
域を占有する。層14および層12の屈折率の差が、比
較的小ざいので、層をかなり厚くする必要がある。例え
ば、第5図のデバイス10の寸法は、A=10gm1B
=2゜8μmおよびC=4.2μmである。その結果、
この型のデバイスは、シリコンベースのVLSIの集積
化規則に適合する構造を与えるための最適値よりも小さ
な寸法を有する。
rsOI導波路における光−光変調(L ight −
by−Light  Modulation  in 
 5ilicon−on −Insulator  W
aveguides) J  (I GWo、 198
9年 PP、86〜87)は、リッジ導波構造に向けら
れる800n−の光を伴う1.3μmの光の光変調を開
示している。第6図は、同様の変調器20の断面図であ
る。n型シリコン基板22は、その表面上をおおって形
成される厚き0.4μm(D)の酸化物層24を有する
。酸化物層z4の上には、厚さ3.0μmのエピタキシ
ャル成長したシリコン層およびその上の厚き0.15μ
mの結晶シリコン層26が形成される(C+B)。シリ
コンのエビ層において、5.10.20または40μm
の輻(A)を有するストライブの導波路がエツチングさ
れた。このデバイスは、文献で報告された最初の5t−
on−5iO2リツジ導波路であると言われている。し
かしながら、このデバイスは、光・電子的にではなく光
学的制御によって動作する。
[発明が解決しようとする課題] 本発明の目的は、シリコン導波領域および隣接する絶縁
体領域を含む、シリコンベース集積デバイス用の光・電
子変調器を提供することである。
本発明の別の目的は、VLS!回路と共に製造できる寸
法を有するSOI光・電子変調器を提供することである
本発明の別の目的は、電荷キャリアの注入によって生じ
る屈折率の変化によって変調が起こるような光・電子変
調器/導波路構造体を提供することである。
本発明の別の目的は、ハイブリッド物質のプロセス技術
を必要としないオンチップ光・電子変調器を有するシリ
コンベースの集積回路を提供することである。
[課題を解決するための手段J 例えば1.3μmのような所定の波長の放射を得るため
の可変の光透過特性を有する導波領域を含む光変調器に
よって、前述のような問題を解決し、他の利点を確認で
きる。光透過特性は、第1タイプの電気導電率を有する
シリコンを含む第1領域の屈折率と、例えばシリコン酸
化物のような絶縁体を含む第2隣接領域の屈折率との差
の関数である。変調器は、さらに、やはりシリコンを含
み、第1領域に隣接して配設される第3領域を含む。第
3領域は、第1領域とp−n接合を形成するために、第
2タイプの電気導電率を有する。電荷キャリアは、屈折
率を変化きせるために第1領域に注入され、導波領域の
光透過特性が変化する。
第1の実施例において、p−n接合は、まっすぐなリブ
構造体の中に施される。別の実施例において、リブ構造
体は、多くのp−n接合を有する垂直の積層体を含む。
第3の実施例において、導波領域に電荷キャリアを注入
し、がっ導波領域の外へ電荷キャリアを通すことによっ
て、2つのp −n接合は、動作速度を速めるために用
いられる横方向バイポーラ・トランジスタ・デバイスを
形成する。本発明の変調器は、半導体レーザのような外
部ソースによって得られる放射を変調するシリコンベー
ス集積回路と共に製造するのに適している。本発明の様
々な実施例は、導波モードにおいて動作するか、または
消滅モードにおける動作スイッチとして働く。例えば、
非消滅モードにおいて操作される場合、そこを通る導か
れた放射の位相変化を誘発するために、マツハ・ツエン
ダ型ノ輝度変vi器の1つの腕(光路)に本発明の変調
器を形成し、それによってデバイスの出力において輝度
を変調きせる。
[実施例] 例えば1,3μmにおいて動作するGaInAsPレー
ザのような、DC光信号を供給するためのオフチップ放
射源は、第1図ないし第3図には示されていない。GL
で示される導波領域内を通って導かれるDC光信号は、
周知の手段によって本発明のシリコン・リブ導波デバイ
スに終端結合きれている。
第1図は(スケールは必らずしも合っていないが)、本
発明の第1実施例に従って構成される光・電子SOI消
滅型変調デバイス3oの断面図である。変調デバイス3
oは、電荷を注入するために単一p−n接合を有し、そ
れによって導波チャネル領域の屈折率が変えられる。
デバイス30は、シリコン基板32、その上のSiO2
等の電気絶縁体の層34、およびその上のシリコンエビ
層36を含む。エビ層36は、リッジ導波路38を形成
するためにエツチングされ、さらに層36の下の部分が
n型でかつ上の部分がp+になるように選択的にドープ
される。
本発明に従うと、エビ層36および絶縁層34の屈折率
(それぞれn=3.5およびn=1.5)の差が大きい
ので、シリコンエビ層36は導波路として働く。サブミ
クロン厚ざのシリコンは屈折率が大きく異なるので使用
でき、したがって確実にVLSIの寸法と適合すること
ができる。1゜3μmにおける単一モード伝搬のための
代表的な寸法は、シリコン導波層の厚き(C)が400
0人であり、シリコン酸化物の厚さ(D)も4000人
であり、メーサ(リブ)高さ(B)は400人でリブ輻
(A)は4000人である。シリコン基板32の厚きは
、任意の値で構わない。本発明の様々な実施例に関連し
て、本明細書で与えられる寸法がおおよその値にすぎず
、これらの値が本発明の教示する態様の範囲内にあるこ
とは、理解されるであろう。
本発明に従うと、図中鎖線で示されるp−n金属接合3
8aは、リッジ38の下に形成され、p −n接合38
8が適切にバイアス印加される際に、リッジ38の中に
電荷を注入する。このため、n + 4領域40は、層
36のi型部分を電気的に接続させるために使用され、
コンタクト金属42は、層36の91部分を電気的に接
続させるためにリッジ38に施される。
第1図のデバイス30は、2つの別個のモードにおいて
動作する。第1のモードは、光が導かれるが、電荷注入
によって誘発される屈折率変化によって導かれた光が位
相変化するような状態を含む。第4図に示きれているよ
うに、マツハ−ツエンダ位相変調器の1つの腕の中に第
3図のデバイスを統合して製造することによって、この
特性は利用される。適切な長とのデバイス30、即ち所
定の位相変化を与えるための適切な長ざλ/2δnのデ
バイスは、出力において100%変調を起こす。例えば
、1018c−一3のキャリア注入に対して、導波路に
おける0、1%の有効屈折率変化が起こり(図面におい
て寸法は示される)、それによって500波長分の長き
即ち650Ltmの長ざのデバイスが、1.3μmの導
かれた光の100%変調を与える。
動作の第2のモードは、注入された約 10I9cIl−3のキャリア濃度が導かれた光を消滅
きせ、即ちリブ38がもはや導波路として働かないよう
な状!1!を含む。そして、デバイスは消滅モードの変
調器として働く。
消滅モードにおいて働く第1図のデバイス3゜は、デバ
イスの寸法が小ざく構造および動作が簡便なので、好ま
しい実施例として表わきれている。
約50umというデバイスの長ざは、約10”cm−3
のキャリア濃度では、出力において100%の変調を与
えるのに十分である。
デバイス30の導波および消滅の両方の動作モードにお
ける主な問題は、デバイスのスイッチング速度である。
GHz動作で、シリコンの再結合時間は、一般的にはマ
イクロ秒のオーダであり、変調速度は、ナノ秒のオーダ
である。キャリアの寿命は、再結合中心を導入すること
によって、短くすることができる。しかしながら、この
方法は効率(即ち印加電流に対する有効キャリア濃度)
をも低下きせる。本発明の教示によって得ることができ
るSOI導波路の形状は、キャリアの寿命を短くするの
を助ける。界面における再結合は、般的に速いので、デ
バイスの速度は主として界面への拡散時間によって決定
される。この時間は、与えられる形状に対して、一般的
に1ナノ秒以下である。
速い再結合を得るための別の方法では、空乏モードにお
いてp−n接合38aを動作させ、もはや再結合はデバ
イス動作での役割りを果たさない。
しかしながら、単一接合38aでは、与えられるキャリ
ア濃度に対する空乏部分の制限がある。例えば、10 
”cm−3のドーピング濃度に対しては、空乏輻は20
0人である。
この問題の1つの解決策は、MBE (分子ビームエピ
タキシ)のような成長技術を使用し、第2図に示される
ようなp−n積層体を製造することである。第2図は(
スケールは必らずしも合っていないが)、本発明の第2
の実施例に従って構成される光・電子SOI消滅型変調
デバイス50の断面図であり、変調デバイス50は互い
違いに積層されたp−n接合を複数有する。デバイス5
0は、シリコン基板52、その上の5層02層54およ
びその上のn型シリコンエビ層56を含む。複数の互い
違いのp+型およびn型の薄い層を含む積層体58は、
エビ層56の上に配設される。交互の層は、複数の垂直
に配設されたp−n接合を形成する。垂直に配設された
p 4’領域60は、p+層を電気的に接続させるため
に施され、垂直に配設されたn+領域62は、積層体5
8のn層を電気的に接続させるために施される。導かれ
た光が伝播される導波チャネルは、概ね図示されるよう
に配設され、積層体58のplおよびnの交互の層を部
分的に含む。寸法Aは、一般的に4000人であり、寸
法Bは約2000ないし8000人の範囲内にあり、寸
法CおよびDは、それぞれ約2000人である。各層は
約100人の厚さである。
積層体58のキャパシタンスは接合の数の関数で増加す
るが、抵抗はその総数と共に減少する。
その結果、RC時間定数は本質的に一定であり、電気信
号の変化に対するデバイスの応答性は影響を受けない。
第1図の位相変調デバイス30と同じ変調効果を達成す
るために、10 ”cs+−3のドーピング即ちキャリ
ア濃度が要求される。積層体58に必要な接合数は、約
20である。
さらに別の高速動作を達成するための方法は、電荷を注
入して次々と通すように、リブのまわりに三端子デバイ
スを提供することである。第3図は(スケールは必らず
しも合っていないカリ、本発明の第3の実施例に従って
構成される三端子光・電子SOI変調デバイス70の断
面図である。デバイス70は、シリコン基板72、その
上のS i 02層74、およびその上のシリコンエビ
層を含む。このエビ層は、トランジスタのコレクタを形
成するためのn型領域76、コレクタに電気的接続を与
えるためのn+領域78、トランジスタのベースを形成
するためのp型領域80.およびトランジスタのエミッ
タを形成するための09領域82に区別される。光は、
軽くドーピングしたn型およびp型の領域76および8
0を通って導かれる。トランジスタがオン状態にバイア
ス印加されると、約1018clI−3のキャリア濃度
が導波領域に現われる。この電流密度は、一般的に消滅
変調器としてデバイス70を動作するに十分ではない。
しかしながら、第4図に示されるように、1つの腕の中
に配置された変調デバイス70を有するマツハ・ツエン
ダ変FAM92と共に、集積回路チップ90は容易に組
み立てられる。デバイス70の長ざ(L)は、一般的に
数百ミクロンである。
変調速度はキャリアの寿命とは無関係であり、バイポー
ラ・トランジスタのON10 F F切換時間によって
決定される。トランジスタをバイアス印加し動作させて
光源94からの1.3μmの光を変調させるために、コ
レクタ(C)、ベース(B)およびエミッタ(E)の端
子を電気的に接続させる。
一般的にp型およびn型の物質は、本発明の様々な実施
例の動作に影響を与えなければ、交換することができる
ことは明らかであろう。SiO2のかわりに、シリコン
窒化物(Si3N4)のような絶縁物質を用いることも
できる。
[発明の効果] 本発明は、シリコン導波領域および隣接する絶縁体領域
を含む、シリコンベース集積デバイス用の光・電子変g
JMを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の第1の実施例に従う単一p−n接合
を有する光・電子SOI消滅型変調器の断面図である。 第2図は、本発明の第2の実施例に従うp−n接合の積
層体を有する光・電子SOI消滅型変調器の断面図であ
る。 第3図は、本発明の第3の実施例に従う三端子光・電子
SOI変調器の断面図である。 第4図は、第3図のデバイスを有するマツハ・ツエンダ
輝度変調器を含むシリコンベース集積回路チップの一部
の平面図である。 第5図および第6図は、従来技術の導波路光変FA器の
断面図である。 12.22.32.52.72・・−・シリコン基板、
14.24.34.54.74・・・・シリコン酸化物
層、16.28.38・・・・リッジ導波路、26・・
・・シリコン層、36.56.76・・・・シリコンエ
ビ層、38a・・・・p−n接合、40・・・・n44
領域、42・・・・コンタクト金属、58・・・・積層
体、60・・・・p1領域、62.78.82・・・・
n+領領域80・・・・p型頭域、90・・・・集積回
路チップ、92・・・・マツハ・ツエンダ輝度変調器、
94・・・・光源。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、第1タイプの電気導電率を有するシリコンを含む第
    1領域の屈折率と、絶縁体を含む第2隣接領域の屈折率
    との差の関数である光透過特性を有する所定波長の放射
    の導波領域を含む光変調器であつて、前記導波領域の光
    透過特性を変化させるように前記屈折率を変化させるた
    めに、前記第1領域とp−n接合を形成する第2タイプ
    の電気導電率を有する前記第1領域に隣接するシリコン
    を含む第3領域をさらに含む光変調器。 2、前記第2領域が、SiO_2を含む請求項1記載の
    光変調器。 3、前記所定の波長が、約1.3μmである請求項1記
    載の光変調器。 4、前記p−n接合が、前記第1領域上に配設される直
    立リブ構造の中に配置される請求項1記載の光変調器。 5、さらに、リブ構造の中に互い違いで垂直に積層され
    る複数のp−n接合を含む請求項4記載の光変調器。 6、さらに、三端子電子デバイスを形成するための第2
    のp−n接合を含む請求項1記載の光変調器。 7、前記三端子電子デバイスが横方向バイポーラ・トラ
    ンジスタである請求項6記載の光変調器。 8、1.3μmの所定の波長における単一モードの伝播
    のために、前記第1領域の厚さは約4000Åであり、
    前記第2領域はSiO_2を含む約4000Åの厚さで
    あり、前記変調器は、高さが約400Åでかつ幅が約4
    000Åである直立のリブ構造を前記第1領域の上に配
    設して含む請求項1記載の光変調器。 9、前記第1領域に約10^1^8cm^−^3のキャ
    リア濃度を注入することによつて、前記導波領域におい
    て約0.1%の有効屈折率変化を起こす請求項8記載の
    光変調器。10、前記第1領域に約10^1^9cm^
    −^3のキャリア濃度を注入することによつて、前記導
    波領域内で放射が消滅する請求項8記載の光変換器。 11、前記光変調器がシリコンを含む基板を有する集積
    回路デバイスの一部として製造され、p−n接合に接続
    された電気信号に従つて、前記集積回路デバイスの一部
    を通過する光放射を変調する請求項1記載の光変調器。 12、前記光変調器がマツハ・ツエンダ輝度変調器の一
    方の光路中に配設される請求項11記載の光変調器。 13、第1タイプの電気導電率を有するシリコンを含む
    第1領域の屈折率と、SiO_2を含む第2隣接領域の
    屈折率との差の関数である光透過特性を有する所定波長
    放射の導波領域を含む光変調器であつて、前記導波領域
    の光透過特性を変化させるように前記屈折率を変化させ
    るために、前記第1領域中に電荷キャリアを注入する交
    互に垂直に配設される複数のp−n接合を含む第3領域
    で、かつ第2領域および第3領域の間に第1領域が挿入
    されるように第1領域に隣接して配設されるシリコンを
    含む第3領域をさらに含む光変調器。 14、前記所定の波長が、約1.3μmである請求項1
    3記載の光変調器。 15、前記第3領域が、前記第1領域上に配設される直
    立リブ構造を含む請求項13記載の光変調器。 16、前記変調器が、集積回路デバイスの一部として製
    造され、複数のp−n接合に接続された電気信号に従つ
    て、前記集積回路デバイスの一部を通過する光放射を変
    調する請求項13記載の光変調器。 17、第1タイプの電気導電率を有するシリコンを含む
    第1領域の屈折率と、SiO_2を含む第2隣接領域の
    屈折率との差の関数である光透過特性を有する所定波長
    放射の導波領域を含む光変調器であつて、前記第1領域
    に隣接して配設されるシリコンを含む第3領域をさらに
    含み、第1のp−n接合をそれと共に形成し、前記第3
    領域が前記導波領域の光透過特性を変化させるように前
    記屈折率を変化させるために、前記第1領域中に電荷キ
    ャリアを注入する第2のp−n接合を含んで横方向バイ
    ポーラ・トランジスタ・デバイスを規定することを特徴
    とする光変調器。 18、前記変換器が集積回路デバイスの一部として製造
    され、トランジスタ・デバイスのベースに接続された電
    気信号に従つて、前記集積回路デバイスの一部を通過す
    る光放射を変調する請求項17記載の光変調器。 19、前記トランジスタ・デバイスがn−p−n又はp
    −n−Pのデバイスである請求項18記載の光変調器。
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