JPH11330503A - 信号処理の光電子工学方法、その実施装置と用途 - Google Patents

信号処理の光電子工学方法、その実施装置と用途

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JPH11330503A
JPH11330503A JP11104365A JP10436599A JPH11330503A JP H11330503 A JPH11330503 A JP H11330503A JP 11104365 A JP11104365 A JP 11104365A JP 10436599 A JP10436599 A JP 10436599A JP H11330503 A JPH11330503 A JP H11330503A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 採用が困難な半導体組成や技術を使用せず
に、光ビームを半導体構造物に最適に結合できる、信号
処理の新規な電気光学的方法とこの方法を実施するため
の装置とその用途を提供する。 【解決手段】 基板(10)と、少なくとも１つの導波層(1
4)を含む積層アセンブリ、とから少なくともなる、少な
くとも１つの半導体部品を用意し；導波層(14)に光電磁
波を照射し、その光電磁波の波長と入射角を、前記アセ
ンブリが該光電磁波を導波層(14)内で誘導するのに適し
た特定の吸収ピークを、その波長およびその入射角で有
するように選択する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光電子工学 (オプト
エレクトロニクス) の分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在研究所で研究されているか、または
商業的に利用されている多くのシステムが、半導体電子
部品に、例えばこれらの電子部品が発する光ビームを誘
導 (導波) する機能を与える部品か、または制御または
処理の目的でこれらの電子部品に照射される部品とを組
合わせたものからなる。
【０００３】そのため、オプトエレクトロニクスの分野
では非常に広範囲の文献が既に存在している。しかし、
出願人が知る限りでは、この分野はここ数年は著しい進
展を遂げていないようである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、実験
結果に基づいて、公知の従来システムより性能が改善さ
れた新規な手段を提供することである。
【０００５】本発明の主な目的は、特に、採用が困難な
半導体組成や技術を使用することを必要とせずに、光ビ
ームを半導体構造物に最適に結合することを可能にする
手段を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明に従
って、下記工程を含むことを特徴とする、信号処理の光
電子工学方法により達成される： −基板(10)と、その上に形成された少なくとも１つの導
波層(14)を含むアセンブリ、とから少なくともなる、少
なくとも１つの半導体部品を用意し； −導波層(14)に光電磁波を照射し、その光電磁波の波長
と入射角を、前記アセンブリが該光電磁波を該導波層内
で誘導可能にするのに適した特定の吸収ピークを、その
波長およびその入射角で有するように選択する。
【０００７】本発明の別の有利な特徴によれば、前記波
長と入射角を、導波層(14)の少なくとも１つの界面で形
成されたエバネッセント波に関連する共振 (共鳴) 光干
渉を発生させるように選択する。
【０００８】本発明のさらに別の有利な特徴によれば、
基板(10)上に形成されたアセンブリ(12,14) が、導波層
(14)に加えて、基板(10)とこの導波層(14)との間に介在
させた、照射する光電磁波の波長で該導波層より小さな
屈折率を示す少なくとも１つの層 (下層) (12)を含む。
【０００９】以下の詳細な説明を読めばわかるように、
本発明は特に、電子部品間の完全な電気的隔離を確保し
ながら、それらの部品間の非常に迅速な相互接続を可能
にする。
【００１０】本発明はまた、この方法を実施するための
装置にも関する。本発明の上記以外の特徴、目的および
利点は、制限を意図しない例として示す添付図面に関連
して以下に述べる詳細な説明から明らかとなろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１に本発明に係るオプトエレク
トロニクス装置の１例を模式的に示す。この装置は、例
えばシリコン系の半導体材料から作製された基板10を備
え、その上に順に、半絶縁性材料 (例、酸化ケイ素、Si
O2) から作製された第１の層12と、例えばポリシリコン
から作製された、導波層を形成する第２の層14とが積層
されている。
【００１２】図１にはまた、第２の層14の延長上 (隣
り) に、導波層14に関連して動作することができる電子
部品が、参照番号16として示されている。この電子部品
は、例えば、導波層14の延長上に形成されたＭＯＳ（金
属酸化物半導体）トランジスタの形態でよい。
【００１３】図１にはさらに、導波層14にある波長と入
射角Ａの光電磁波 (光線) を照射ことができる手段も、
参照番号20として示されている。この波長と入射角Ａ
は、導波層14が、光電磁波を導波層14内で誘導可能にす
るのに適した光吸収ピークをその波長とその入射角Ａと
で有するように選択する。
【００１４】さらにより具体的な指標として、酸化ケイ
素製の下層12の上に、例えばＣＶＤによりポリシリコン
製の導波層14を成膜してなる、一般的なＭＯＳテクノロ
ジーにおける構造の場合、手段20により導波層14に対し
て照射する電磁波は、好ましくは波長が約８μｍで、入
射角Ａが70〜76°の範囲であるのが好ましいことを本発
明者は見出した。
【００１５】これらの条件下で電磁波がポリシリコン層
14内を誘導されることを、本発明者は実際に確かめた。
この入射角において、電磁波は導波層に約16°の角度で
入るが、この角度はポリシリコン内の導波モードでの伝
播に対する臨界角である。一方、このパラメータの範囲
外では光は誘導されない。
【００１６】制限を意図しない例として、Applied Phys
ics Letters, vol.72, No.12, 1998年３月, C. Gmachl
et al., 「λ≒8.5 μｍの屈折率結合分布フィードバッ
ク量子カスケードレーザーの連続波および高出力パルス
型操作(Continuous-wave andhigh-power pulsed operat
ion of index-coupled distributed feedback quantum
cascade laser at λ≒8.5 μm)」の論文に記載されて
いる種類の量子カスケードレーザーを手段20として使用
してもよい。
【００１７】より具体的には、導波層を形成するポリシ
リコン層14は厚みが約 200〜400 nmで、その下の酸化物
層12は厚みが少なくとも10 nm であることが好ましい。
かくして、本発明によれば、従来の技術を用いて成膜し
たポリシリコン薄膜内での単色赤外線電磁波の効果的な
誘導 (導波) が可能になる。
【００１８】以下に説明するように、本発明は多くの用
途に使用することができる。例えば、このようなポリシ
リコン薄膜により、相互に及び導波電磁波に対して電気
的に孤立している、例えばＭＯＳ型の複数のトランジス
タの同時光制御を行うことが可能となる。
【００１９】また、１つのトランジスタを別のトランジ
スタにより、それらの間の電気的接触を伴わずに確実に
光スイッチングすることが可能となる。この場合、スイ
ッチされたトランジスタは、スイッチング用トランジス
タから来る光制御信号を上記の導波層を介して受け取
る。この用途は、例えば、異なる電圧で動作している
か、または異なる回路ユニットに位置している二つのト
ランジスタを用いることを可能にする。
【００２０】かくして、例えば、標準的なＭＯＳ構造、
即ち、Geと積層されていても、いなくてもよいSiO2製の
ゲート (厚みが１nmより大きく、窒化されていても、い
なくてもよい) と非晶質、多結晶もしくは単結晶のシリ
コン製のゲート材料を備えたＭＯＳ構造の場合、所定角
度で表面に入射する適当な波長の光によりトランジスタ
の状態を変更 (変調) することができる。
【００２１】トランジスタの状態変更に加えて、透過光
をゲート材料の層内を誘導して、別のトランジスタ (ま
たは複数の他のトランジスタ) に対して、それらのトラ
ンジスタ間の電気的接触を生ずることなく作用させるこ
ともできる (これは既知のデバイスの従来の構造では達
成することが不可能である) 。
【００２２】さらに、本発明により達成される導波 (誘
導) 効果は、ポリシリコン層の２つの界面に存在するエ
バネッセント波に関連する共振光干渉によるものである
ことを本発明者は確かめた。この共振エバネッセント波
はポリシリコン層内を長手方向に伝播する。
【００２３】これは、上述した入射角と波長のパラメー
タを考慮して、導波層14より屈折率の小さい２つのフラ
ンキング層 (対向層)(層12と空気、もしくは層12に似た
別の層) の間に導波層14を挟むことにより生ずる。
【００２４】本発明はかくして、厚い導波層を必要とせ
ずに光を導波層14に閉じ込めるのに適した条件を得るこ
とを可能にする。
【００２５】その結果、本発明は、特にＭＯＳトランジ
スタの平面テクノロジーと導波層１４を作製するテクノ
ロジーとの間に完全な適合性を得ることを可能にする。
本発明は特に従来技術で提案されたある種のシステムに
存在する導波層と半導体構造物との間のレベル差を解消
することを可能にする。
【００２６】もちろん、本発明は上述した特定の態様に
制限されるものではなく、その技術思想に従った全ての
変更例を包含するものである。
【００２７】本発明は、半導体構造物、特にポリシリコ
ン系半導体構造物に、その結晶状態がどうであろうと、
即ち、非晶質、微結晶質または単結晶（ＳＯＩ<silicon
oninsulator>の場合) のいずれであろうと、適用する
ことができる。本発明はまたゲルマニウム系半導体構造
物にも適用することができる。
【００２８】導波層14の下側の層12の技術 (テクノロジ
ー) は多くの変更態様の主題となりうる。これは、例え
ば、乾式相 (O2存在下) もしくは湿式相 (O2＋H2) での
酸化、或いはＣＶＤ成膜 (プラズマもしくはＵＶによる
助けの有無にかかわらず) により得られた酸化物層を含
むものでよい。これはまた、窒化物 (Si3N4)系の下層12
を含んでいてもよい。しかし、この場合は、採用する波
長を約９μｍとすることが好ましい。
【００２９】本発明は、例えば、光子材料(photonic ma
terial) またはフィルターにも有用性を見出すことがで
きる。制限を意図しない例として、フィルターに関して
は、付随する導波層(associated guiding layer)上の入
射角と付随波長(associated wavelength) とに応じてス
イッチングを行うか、または行わない、トランジスタを
使用したものでよい。
【００３０】また、本発明は、２以上の波長を組合わせ
た後にだけトランジスタのスイッチングを行うように設
計されたシステムにも有用である。これは、電気効果
(ゲート、従って、そのトランジスタの電気的状態の変
調、別のトランジスタに作用するための導波を伴っても
伴わなくてもよい) を伴う、光制御ロジック (該構造物
に入射する波長の組合わせ) を可能にする。
【００３１】本発明はまた、伝播する光の波長と回折格
子の間隔とに応じた共振構造物のプラズマエッチングに
より光子結晶(photonic crystals) を作製するのにも有
用である。
【００３２】添付の図１に示すのは、導波層14がその表
面上で直接電磁波を受ける構造物である。変更例とし
て、電磁波をこの導波層14の末端に入射させるか、また
は上に積層した閉じ込め層 (例えば、下側層12に類似の
層) に作製した窓を通して入射させることも考えられ
る。
【００３３】添付の図２に示すのは、本発明の基礎とな
る実験結果であって、照射電磁波のエネルギー (cm-1)
による屈折率ｎと吸光係数ｋの変化を示すグラフであ
る。これは、SiO2層上に成膜した200 nm厚のポリシリコ
ン導波層14を含む構造物について測定した値である。
【００３４】より具体的には、図２において、 −破線はシリコンの屈折率ｎを示し、 −□のプロットを通る線はSiO2の屈折率ｎを示し、 −■のプロットを通る線はポリシリコンの屈折率ｎを示
し、 −△のプロットを通る線はSiO2の吸光係数 (光吸収係
数) を示し、 −▲のプロットを通る線はポリシリコンの吸光係数を示
す。
【００３５】図２は、約 1260 cm-1のＥ (エネルギー)
にポリシリコン導波層14の吸収ピークがあることを示し
ている。
【００３６】図３は、SiO2層を、シリコン基板上に成膜
した窒化物 (Si3N4)の層に変更した構造物についての、
図２と同様の曲線を示す。より具体的には、図３におい
て、 −連続実線はシリコンの屈折率ｎを示し、 −△のプロットを通る線はSi3N4 の屈折率ｎを示し、 −▲のプロットを通る線はポリシリコンの屈折率ｎを示
し、 −□のプロットを通る線はSi3N4 の吸光係数を示し、 −■のプロットを通る線はポリシリコンの吸光係数を示
す。
【００３７】図３は、約 1130 cm-1のＥにポリシリコン
導波層14の吸収ピークがあることを示している。
【００３８】さらに、本発明者は、下記の条件を満たす
ことが望ましいことを見出した： １) 導波層14の屈折率ｎが高く (典型的には約３〜４で
あり) 、その吸光係数が０ (ｋ＝０) であり、そして ２) 光電磁波のcm-1単位で表した波数ωが、導波層14の
下に位置する層12の横断方向波数ωT と長手方向波数ω
L0との中間、即ち、ε1(ω) ＜０で、ωT ＜ω＜ωL0で
ある。この関係式において：ωT はε2 の最大値に対応
し、ε2 は誘電率 (誘電関数) の虚数部分 (虚部) を表
し、そしてωL0はε1 の０値に対応し、ε1 は誘電率の
実数部分 (実部) を表す。
【００３９】この条件を満たすことにより、いわゆるレ
ストストラーレン (残留線) 帯の範囲に入る。ωT とω
L0の値は図４に示されている。
【００４０】ωT とωL0の定義は、B. Harbecke et a
l., Appl. Phys. A38 263-267 (1985)「薄膜の光学特性
とベルマン効果(Optical Properties of Thin Films an
d theBerreman Effect)」およびD.W. Berreman, Phys.
Rev. 130, 2193-2198 (1963)「立方晶膜における極長手
光モード振動数での赤外吸収帯(Infrared AbsorptionBa
nds at Polar Longitudinal Optic Mode Frequencies i
n Cubic Crystal Films) 」の論文に記載されている。
【００４１】本発明の範囲内において、ドープしたポリ
シリコンから作製した導波層14の１領域に電極を配置し
て、そのドープしたポリシリコン層内に存在する自由キ
ャリアの存在に関連する光変調効果を生起させるように
することも可能である。電気的変調が、自由キャリアの
効果により屈折率の変調を誘導する。さらに、この効果
がますます顕著になると、波長範囲は付随するプラズモ
ン振動数(associatedplasmon frequency)に近づく。
【００４２】さらに、導波層部分14の上の位置させた高
ドープレベルの領域を限定すると、この波長に同調させ
たカスケード型SiGeレーザーに容易に関連させることが
できる共振キャビティを作りだすことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る装置の構造を示す説明図である。
【図２】本発明の基礎となる実験結果を示すグラフであ
る。
【図３】本発明の基礎となる別の実験結果を示すグラフ
である。
【図４】例えば導波層の下層として用いるSiO2層の誘電
率( ε＝n2) の実数部分 (円形プロットの曲線) と虚数
部分 (三角形プロットの曲線) とを示す。
【符号の説明】
10：基板、12：低屈折率の下層、14：導波層、16：別の
電子部品 (例、トランジスタ) 、20：光電磁波照射手段

Claims (31)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 下記工程を含むことを特徴とする、信号
    処理の光電子工学方法： −基板と、その上に形成された少なくとも１つの導波層
    を含むアセンブリ、とから少なくともなる、少なくとも
    １つの半導体部品を用意し； −前記導波層に光電磁波を照射し、その光電磁波の波長
    と入射角を、前記アセンブリが、該光電磁波を該導波層
    内で誘導可能にするのに適した特定の光吸収ピークを、
    その波長およびその入射角で有するように選択する。
  2. 【請求項２】 前記波長と入射角を、前記導波層の少な
    くとも１つの界面で形成されたエバネッセント波に関連
    する共振光干渉を発生させるように選択することを特徴
    とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記基板上に形成された前記アセンブリ
    が、前記導波層に加えて、基板とこの導波層との間に介
    在させた、照射する光電磁波の波長で該導波層より小さ
    な屈折率を示す少なくとも１つの層を含むことを特徴と
    する、請求項１または２記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記導波層が、典型的には約３ないし４
    の高い屈折率ｎと０の吸光係数 (ｋ＝０) を有すること
    を特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載
    の方法。
  5. 【請求項５】 前記光電磁波のcm-1で表した波数ωが、
    前記導波層の下に位置する層の横断方向振動数ωT と長
    手方向振動数ωL0との中間、即ち、ε1(ω)＜０および
    ωT ＜ω＜ωL0であることを特徴とする、請求項１ない
    し４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記導波層がポリシリコン製であって、
    酸化ケイ素製の下層の上に形成されており、この導波層
    に照射する電磁波の波長が約８μｍ、入射角が70°ない
    し76°の間であることを特徴とする、請求項１ないし５
    のいずれか１項に記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記導波層がポリシリコン製であって、
    窒化ケイ素製の下層の上に形成されており、この導波層
    に照射する電磁波の波長が約９μｍ、入射角が70°ない
    し76°の間であることを特徴とする、請求項１ないし５
    のいずれか１項に記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記導波層の厚みが約 200〜400 nmであ
    り、その下層の厚みが少なくとも10 nm であることを特
    徴とする、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方
    法。
  9. 【請求項９】 前記光電磁波が赤外領域のものであるこ
    とを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載
    の方法。
  10. 【請求項１０】 基板と、その上に形成された少なくと
    も１つの導波層を含むアセンブリ、とから少なくともな
    る、少なくとも１つの半導体部品；ならびに −前記導波層に、前記アセンブリが該光電磁波を該導波
    層内で誘導可能にするのに適した特定の光吸収ピーク
    を、その波長およびその入射角で有するように選択した
    波長および入射角で光電磁波を照射することができる手
    段、とを含むことを特徴とする、請求項１ないし９のい
    ずれか１項に記載の方法を実施するための装置。
  11. 【請求項１１】 前記波長と入射角が、前記導波層の少
    なくとも１つの界面で形成されたエバネッセント波に関
    連する共振光干渉を発生させるように選択されることを
    特徴とする請求項10記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記基板上に形成された前記アセンブ
    リが、前記導波層に加えて、基板とこの導波層との間に
    介在させた、照射する光電磁波の波長で該導波層より小
    さな屈折率を示す少なくとも１つの層を含むことを特徴
    とする、請求項10または11記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記導波層が、典型的には約３ないし
    ４の高い屈折率ｎと０の吸光係数 (ｋ＝０) を有するこ
    とを特徴とする、請求項10ないし12のいずれか１項に記
    載の装置。
  14. 【請求項１４】 前記光電磁波のcm-1で表した波数ω
    が、前記導波層の下に位置する層の横断方向振動数ωT
    と長手方向振動数ωL0の中間、即ち、ε1(ω)＜０で、
    ωT ＜ω＜ωL0であることを特徴とする、請求項10ない
    し13のいずれか１項に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 前記導波層がポリシリコン製であっ
    て、酸化ケイ素製の下層の上に形成されており、この導
    波層に照射する電磁波の波長が約８μｍ、入射角が70°
    ないし76°の間であることを特徴とする、請求項10ない
    し12のいずれか１項に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 前記導波層がポリシリコン製であっ
    て、窒化ケイ素製の下層の上に形成されており、この導
    波層に照射する電磁波の波長が約９μｍ、入射角が70°
    ないし76°の間であることを特徴とする、請求項10ない
    し12のいずれか１項に記載の装置。
  17. 【請求項１７】 前記導波層の厚みが約 200〜400 nmで
    あり、その下層の厚みが少なくとも10 nm であることを
    特徴とする請求項10ないし16のいずれか１項に記載の装
    置。
  18. 【請求項１８】 前記アセンブリがポリシリコン系のも
    のであることを特徴とする、請求項10ないし17のいずれ
    か１項に記載の装置。
  19. 【請求項１９】 前記アセンブリがゲルマニウム系のも
    のであることを特徴とする、請求項10ないし17のいずれ
    か１項に記載の装置。
  20. 【請求項２０】 前記アセンブリが導波層の下側に酸化
    物層を含んでいることを特徴とする請求項10ないし19の
    いずれか１項に記載の装置。
  21. 【請求項２１】 前記アセンブリが導波層の下側に窒化
    物系の層を含んでいることを特徴とする請求項10ないし
    19のいずれか１項に記載の装置。
  22. 【請求項２２】 前記導波層が、端部で、または上に形
    成された閉じ込め層内に作製された窓を通して、前記電
    磁波を受けることを特徴とする、請求項10ないし21のい
    ずれか１項に記載の装置。
  23. 【請求項２３】 前記光電磁波が赤外領域のものである
    ことを特徴とする請求項10ないし22のいずれか１項に記
    載の装置。
  24. 【請求項２４】 前記導波層中の自由キャリアの存在に
    関連する光変調効果を生起するように、この導波層の１
    領域上に形成された電極を備えることを特徴とする、請
    求項10ないし23のいずれか１項に記載の装置。
  25. 【請求項２５】 前記導波層の上に、共振キャビティを
    形成する高ドープ濃度の少なくとも１つの領域を備える
    ことを特徴とする、請求項10ないし24のいずれか１項に
    記載の装置。
  26. 【請求項２６】 前記共振キャビティがその波長に同調
    させたカスケード型レーザーに関連するものであること
    を特徴とする、請求項25記載の装置。
  27. 【請求項２７】 相互に及び導波光に対して電気的に孤
    立している、トランジスタのような複数の電子部品を同
    時に光制御するための、請求項10ないし26のいずれか１
    項に記載の装置の使用。
  28. 【請求項２８】 トランジスタのような１つの電子部品
    を、別の部品により、それらの間の電気的接触を伴わず
    に光スイッチングするための、請求項10ないし26のいず
    れか１項に記載の装置の使用。
  29. 【請求項２９】 付随する導波層上の入射角と付随波長
    とに応じてスイッチングを行うか、または行わない、ト
    ランジスタの形態のフィルターを製造するための、請求
    項10ないし26のいずれか１項に記載の装置の使用。
  30. 【請求項３０】 複数の波長を組合わせた後に、トラン
    ジスタのような１つの電子部品をスイッチングするため
    の、請求項10ないし26のいずれか１項に記載の装置の使
    用。
  31. 【請求項３１】 伝播する光の波長と回折格子の間隔と
    に応じた共振構造物のプラズマエッチングによる光子結
    晶の作製のための、請求項10ないし26のいずれか１項に
    記載の装置の使用。
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