JPWO2015129039A1 - 光半導体装置 - Google Patents
光半導体装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2015129039A1 JPWO2015129039A1 JP2014513816A JP2014513816A JPWO2015129039A1 JP WO2015129039 A1 JPWO2015129039 A1 JP WO2015129039A1 JP 2014513816 A JP2014513816 A JP 2014513816A JP 2014513816 A JP2014513816 A JP 2014513816A JP WO2015129039 A1 JPWO2015129039 A1 JP WO2015129039A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- optical
- semiconductor layer
- type
- silicon
- optical waveguide
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 219
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 186
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 110
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 110
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 239000000470 constituent Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 237
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 108
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 claims description 49
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 28
- 229910021424 microcrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 claims description 13
- 229910008310 Si—Ge Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 4
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 54
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 22
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 20
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 11
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 9
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 6
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 5
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 235000004522 Pentaglottis sempervirens Nutrition 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 4
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910000611 Zinc aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 3
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical compound [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 3
- 240000004050 Pentaglottis sempervirens Species 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- SBEQWOXEGHQIMW-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si].[Si] SBEQWOXEGHQIMW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009751 slip forming Methods 0.000 description 1
- 230000005428 wave function Effects 0.000 description 1
- YVTHLONGBIQYBO-UHFFFAOYSA-N zinc indium(3+) oxygen(2-) Chemical compound [O--].[Zn++].[In+3] YVTHLONGBIQYBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
- G02F1/025—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction in an optical waveguide structure
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference
- G02F1/225—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference in an optical waveguide structure
- G02F1/2257—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference in an optical waveguide structure the optical waveguides being made of semiconducting material
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
- G02F1/0151—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction modulating the refractive index
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference
- G02F1/212—Mach-Zehnder type
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F2202/00—Materials and properties
- G02F2202/10—Materials and properties semiconductor
- G02F2202/103—Materials and properties semiconductor a-Si
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F2202/00—Materials and properties
- G02F2202/10—Materials and properties semiconductor
- G02F2202/105—Materials and properties semiconductor single crystal Si
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
Description
そこで、400℃以下の低温で成膜可能でありながら、c−Siに匹敵するかあるいは非線形光学特性など一部では凌駕するような光学特性を持つ水素化非晶質シリコン(a−Si:H)を用いたシリコンフォトニクス技術が提案され、これまでに様々な受動素子の研究開発はなされてきた。
c−Siをベースとした電気光変調器はこれまで数多く報告されている(例えば、特許文献1)が、c−Siの場合はこの緩和時間が比較的遅く、変調速度を制限する主要な要因の一つとなっている。つまり、キャリア緩和時間の点では、c−Siに比べてa−Si:Hは高速な電気光変調器として有利な特性を有していると言える。
この電気光変調器は、シリコン基板101上に不純物を添加していないi型a−Si:H層103を導波路コアとして備え、下クラッドとして、シリコン基板101とi型a−Si:H層103との間に、i型a−Si:Hと同様に低温成長可能でありながらi型a−Si:Hよりもやや屈折率の低い水素化非晶質シリコンカーバイド(a−SiC:H)に不純物を添加してp型半導体としたp型a−SiC:H層102と、上クラッド層として、i型a−Si:H層103の上に不純物の添加されたn型a−SiC:H層104と、その上部に酸化亜鉛/アルミニウム電極105とを備えている。
この電気光変調器では、n型層(104)、p型層(102)のa−SiC:Hの導電率はそれぞれ、2.3×10−6S/cm、1.9×10−8S/cmの各導電率を有している。
図7に、提案した電気光変調器の一例の断面模式図を示す。
この電気光変調器は、シリコン基板201上にシリコン基板を熱酸化して得られたシリコン熱酸化膜202を備え、その上に0.1μm厚程度のB(ボロン)添加のp型水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層203と、1.3μm厚程度の無添加のi型a−Si:H層204と、0.1μm厚程度のP(リン)添加のn型μc−Si:H層205とが縦方向に積層されている。
さらにその上に、シリコン酸化膜206と、ITO(酸化インジウムスズ)膜207と、アルミニウム(Al)からなる電極208、209とを備える。
光導波路は、幅3.0μm程度、高さ1.5μm程度、リブ高さ0.1μm程度のリブ型構造を構成している。また、203、204及び205の各層は、pin構造を構成しており、i型a−Si:H層204に電子あるいは正孔を注入することができる。
この電気光変調器は、p型半導体層及びn型半導体層を、i型非晶質半導体からなる光導波路を介して縦方向に積層して配置するとともに、上面での電極取り出しを可能としたものである。
図8に示す電気光変調器は、シリコン基板301上にシリコン基板を熱酸化して得られたシリコン熱酸化膜302を備え、その上にB(ボロン)添加のp型μc−Si:H層303と、縦方向に積層した無添加のi型a−Si:H層304と、P(リン)添加のn型μc−Si:H層305とを備える。
さらにその上に、シリコン酸化膜306と、IZO(酸化インジウム亜鉛)膜307と、電極308とを備えている。また、B(ボロン)添加のp型μc−Si:H層303の引出電極として、IZO膜309と、電極310とを備える。
光導波路は典型的には幅0.5μm程度、高さ0.2μm程度の細線型構造を構成している。
また、303、304及び305の各層はpin構造を構成しており、i型a−Si:H層304に電子及び正孔を注入することができる。
(1)シリコンを含むi型非晶質半導体からなる光導波路と、i型非晶質半導体からなる光導波路を介して相互に離隔して配置されi型非晶質半導体からなる光導波路とともに光導波路を構成する、シリコンを含むp型半導体層及びシリコンを含むn型半導体層を備えた電気光変調器であって、上記p型半導体層及びn型半導体層の少なくとも一方は結晶性半導体層である電気光変調器。
(2)SOI基板、光集積回路基板等の基板と、基板上に形成されたシリコンを含むi型非晶質半導体からなる光導波路と、i型非晶質半導体からなる光導波路を介して相互に離隔して配置されi型非晶質半導体からなる光導波路とともに光導波路を構成する、シリコンを含むp型半導体層及びシリコンを含むn型半導体層を備えた電気光変調器であって、上記p型半導体層及びn型半導体層の少なくとも一方は結晶性半導体層である電気光変調器。
上記の電気光変調器は、上記p型半導体層及びn型半導体層間に電圧を印加するかあるいは電流を流すことにより、上記i型非晶質半導体からなる光導波路の屈折率を可変とするものである。
CVD(Chemical Vapor Deposition)やPECVD(Plasma Enhanced CVD)などにより、低温成長したシリコン薄膜に依り上記機構を実現する際には、SiH4などの原料ガスにB2H6、PH3などの不純物ガスを添加することにより、価電子制御を行い、p型シリコン層、i型シリコン層、n型シリコン層を連続して成膜するため、縦にpinが積層された構造となる。
一方、B(ボロン)やP(リン)などの不純物が添加されたシリコンは、室温で多くの自由キャリアが存在しており、主に光通信で使用される波長帯(波長1550nmを中心とする波長帯)においてDrudeの関係式に従い自由キャリア密度におおむね比例する光学的な吸収を持つことが実験的に確かめられている。電気光変調器を高速に駆動させるために、p型シリコン層、n型シリコン層の導電率はなるべく高い方が望ましいが、一方で光吸収が増大するという問題がある。このため、変調器機能を持たない導波路しては、不純物の添加量が少ないか、添加されていないi型シリコン層を用いることが望ましい。
(1)シリコンを含む非晶質半導体層からなる第1の光導波路と、シリコンを含むi型半導体層を構成要素として含む第2の光導波路とが、光学的な相互作用が及ぶ範囲で異なる層に配置されており、第2の光導波路の少なくとも一部にはp型半導体層、i型半導体層及びn型半導体層からなるpin接合構造を有する電気光変調器が備えられており、電気光変調器により第2の光導波路の屈折率を変化させることにより、第1の光導波路を伝搬する光波を変調することを特徴とする光半導体装置。
(2)上記第1の光導波路を構成するシリコンを含む非晶質半導体層は、水素化非晶質シリコン層であることを特徴とする(1)に記載の光半導体装置。
(3)上記シリコンを含むi型半導体層は、i型非晶質半導体層であることを特徴とする(1)又は(2)に記載の光半導体装置。
(4)上記シリコンを含むi型半導体層は、水素化非晶質シリコン層であることを特徴とする(3)に記載の光半導体装置。
(5)上記シリコンを含むi型半導体層は、水素化非晶質Si−Ge層であることを特徴とする(3)に記載の光半導体装置。
(6)上記電気光変調器のpin接合を構成するp型半導体層及びn型半導体層の少なくとも一方は、シリコンを含む結晶性半導体層であることを特徴とする(1)ないし(5)のいずれかに記載の光半導体装置。
(7)上記シリコンを含む結晶性半導体層は、微結晶シリコン層からなることを特徴とする(6)に記載の光半導体装置。
(8)上記シリコンを含む結晶性半導体層は、レーザー結晶化シリコン層からなることを特徴とする(6)に記載の光半導体装置。
(9)上記シリコンを含む結晶性半導体層は、金属触媒による固相化結晶シリコン層からなることを特徴とする(6)に記載の光半導体装置。
(10)上記シリコンを含む結晶性半導体層は、単結晶シリコン層からなることを特徴とする(6)に記載の光半導体装置。
(11)上記シリコンを含む結晶性半導体層は、微結晶SiC層であることを特徴とする(6)に記載の光半導体装置。
(12)上記シリコンを含む結晶性半導体層は、微結晶SiO層であることを特徴とする(6)に記載の光半導体装置。
(13)上記p型半導体層及びn型半導体層は、上記第2の光導波路の構成要素であるシリコンを含むi型半導体層を介して縦方向に積層して配置されていることを特徴とする(1)ないし(12)のいずれかに記載の光半導体装置。
(14)上記p型半導体層及びn型半導体層は、上記第2の光導波路の構成要素であるシリコンを含むi型半導体層を介して横方向に隣接して配置されていることを特徴とする(1)ないし(12)のいずれかに記載の光半導体装置。
(15)上記シリコンを含むi型半導体層を構成要素として含む第2の光導波路は、リング共振器型光導波路であることを特徴とすることを特徴とする(1)ないし(14)のいずれかに記載の光半導体装置。
(16)上記光半導体装置は、マッハツェンダー干渉計であり、干渉アーム内に層間膜によって積層方向に隔離して、上記pin接合構造を有する電気光変調器が備えられた第2の光導波路が配置されていることを特徴とする(1)ないし(14)のいずれかに記載の光半導体装置。
さらに、製造工程的にも受動回路の形成と、能動回路の形成を異なる層に分離できるため製造工程が簡素化し、i線露光装置を利用できるため、低コスト化にも有効である。
本発明に係る光半導体装置の断面構造概念図を図1に示す。
本発明に係る光半導体装置は、シリコンを含む半導体層からなる第1の光導波路407と、シリコンを含むi型半導体層404を構成要素として含む第2の光導波路409とが、光学的な相互作用が及ぶ範囲で異なる層に配置されている。そして、第2の光導波路409の少なくとも一部にシリコンを含むp型半導体層403、シリコンを含むi型半導体層404及びシリコンを含むn型半導体層405からなるpin接合構造を有する電気光変調器409が備えられている。
本発明に係る光半導体装置は、第1の光導波路407を伝搬する光波を光学的な相互作用により、シリコンを含むi型半導体層を構成要素として含む第2の光導波路409に移動させ、少なくともその一部にpin接合構造を有する電気光変調器409により第2の光導波路409の屈折率を変化させることにより、光波を変調した後、第1の光導波路407に伝搬する光波を戻すものである。また、電気光変調器でもある第2の光導波路409が共振器構造を有する場合、共振条件に依っては、第1の光導波路407を伝搬する光波は、第2の光導波路と相互作用せずに、そのまま第1の光導波路407を伝搬する。
また、第1の光導波路407、第2の光導波路409も互いに異なる層に配置されている限り、相互にその配置を置換することができる。
なお、以下に例示する各実施例は、あくまでも本発明に係る光半導体装置の理解を容易にするためのものであって、特許請求の範囲に記載された本発明の技術思想に基づく変形、他の実施形態等は、当然本発明の光半導体装置に包含されるものである。
図2は、本発明の第1の実施例であり、その鳥瞰図を示している。
第1の実施例は、シリコンを含むi型半導体層を構成要素として含む第2の光導波路を、リング共振器型光導波路としたものである。
この光半導体装置は、リング共振器型光導波路504よりも屈折率が低く、光学的な吸収損失の少ない典型的にはシリコン酸化膜からなる下クラッド層501と、電気光変調器を備えたリング共振器型光導波路504とシリコンを含む半導体層からなる第1の光導波路505のいずれよりも屈折率が低く、光学的な吸収損失の少ない典型的にはシリコン酸化膜からなる層間膜502と、層間膜502によって互いに積層方向に隔離して配置される、下クラッド層501上のpin接合構造を有する電気光変調器を備えるリング共振器型光導波路504と、例えば水素化非晶質シリコン(a−Si:H)等の低温成膜可能なシリコンを含む半導体層からなる第1の光導波路505とを備える。この上には、第1の光導波路505よりも屈折率が低く、光学的な吸収損失の少ない典型的にはシリコン酸化膜からなる上クラッド層503を備える。
また、図3は、そのA−A’断面模式図である。図3において、p型結晶性シリコン層506、i型水素化非晶質シリコン層507、n型結晶性シリコン層508は、pin接合構造を有する電気光変調器を備えるリング共振器型光導波路を構成している。
次に光半導体装置の作製工程を説明する。
(1)SOI基板、光集積回路基板等の基板上に、テトラエトキシシラン(TEOS)を原料ガスとするシリコン酸化膜を成膜することで下クラッド層501を形成する。必要に応じて、シリコン酸化膜表面を化学的機械的研磨(CMP)法により研磨する。
(2)その後、シリコン酸化膜上にpin構造となるp型結晶性シリコン層506、i型水素化非晶質シリコン層507、n型結晶性シリコン層508からなる3層の各シリコン薄膜をPECVD法により成膜する。
(3)その後、通常の半導体プロセスを用いてpin接合構造を有するシリコンを含むi型半導体層からなる第2の光導波路を形成し、上層と下層の間で光学的かつ電気的に絶縁を確保するために、シリコン酸化膜の層間膜502を成膜する。必要に応じて、シリコン酸化膜表面を化学的機械的研磨(CMP)法により研磨する。
(4)その後、シリコン酸化膜の層間膜502上にa−Si:Hを成膜し、a−Si:Hをコアとする第1の光導波路を通常の半導体プロセスにより形成する。最後に、シリコン酸化膜を成膜し上クラッド層503を形成する。
また、シリコンを含む半導体層からなる第1の光導波路505はあくまで例示的な構造を示しているだけにすぎず、シリコンを含む半導体層からなる第1の光導波路505のような働きをする光導波路は少なくとも1本あればよく、またその配置は電気光変調器を備えるリング共振器型光導波路504と光学的な相互作用が及ぶ範囲に配置されていれば、どのような配置でもよい。
上記電気光変調器の動作を説明する。
シリコンを含むi型半導体層からなるリング共振器型光導波路504のpin構造に印加する電圧を制御することでi型半導体層の屈折率を制御することが可能であり、すなわちシリコンを含むi型半導体層からなるリング共振器型光導波路504中を伝搬する光波の伝搬定数を制御することが可能である。
印加電圧と、電気光変調器を備えるシリコンを含むi型半導体層からなるリング共振器型光導波路504中を伝搬する光波の電磁界分布と相互作用が及ぶ範囲の材料あるいは形状によって決定する共振波長の光波を、第1の光導波路505に紙面手前から入射した時、電気光変調器を備えるリング共振器型光導波路504と第1の光導波路505が接近する箇所において第1の光導波路505を伝搬する光波は電気光変調器を備えるリング共振器型光導波路504へ結合し、第1の光導波路505の紙面奥側へ透過する光は減少する。
図4は、本発明の第2の実施例であり、その鳥瞰図を示している。
この光半導体装置は、2つの光合分波器605によって構成されるマッハツェンダー干渉計の干渉アーム内に、層間膜602によって積層方向に隔離して配置される層間膜602上のi型水素化非晶質シリコン層608を備える。
そして、シリコン光導波路604よりも屈折率が低く、光学的な吸収損失の少ない典型的にはシリコン酸化膜からなる下クラッド層601と、縦方向方向性結合器607、i型水素化非晶質シリコン層608、縦方向方向性結合器607からなる上層の光導波路のいずれよりも屈折率が低く、光学的な吸収損失の少ない典型的にはシリコン酸化膜からなる層間膜602と、縦方向方向性結合器607と、a−Si:H等の低温成膜可能なシリコン光導波路604、2つの光合分波器605、干渉光導波路606とを備える。
縦方向方向性結合器607、i型水素化非晶質シリコン層608、縦方向方向性結合器607からなる上層の光導波路上には、該光導波路よりも屈折率が低く、光学的な吸収損失の少ない典型的にはシリコン酸化膜からなる上クラッド層603を備える。
また、図5は、そのB−B’断面模式図である。図5において、p型結晶性シリコン層609、i型水素化非晶質シリコン層608、n型結晶性シリコン層610は、pin接合構造を有する電気光変調器を構成している。
上下層間の光波結合の機構は一例を示しているだけにすぎず、上下層間で光波を結合させることができればその他に例えば、グレーティング結合器などを利用してもよい。
i型水素化非晶質シリコン層608と、上下間で光波を結合させる機構である縦方向方向性結合器607は、マッハツェンダー干渉計内に少なくとも一か所に導入されていればよく、干渉光導波路606の途中に挿入されていてもよい。
上記光半導体装置の作製工程は、第1の実施例と同様である。
一方で、それぞれの光波が反相の時は、合波することなく光波は透過しない。すなわち、光合分波器605の紙面奥側へ透過する光波の強度を、p型結晶性シリコン層609、i型水素化非晶質シリコン層608、n型結晶性シリコン層610からなるpin接合構造へ印加する電圧で制御することができる。
また、各実施例では、シリコンを含むi型非晶質半導体として、水素化非晶質シリコンを例示したが、水素化非晶質Si−Geであってもよい。特に、水素化非晶質Si−Geは非晶質シリコンや結晶性シリコンに比べて屈折率が高く、i型非晶質半導体に効率的に光を閉じ込めることができるので、光学的な損失を減らすことができる。
すなわち、p型半導体層及びn型半導体層の少なくとも一方を、水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)、レーザー結晶化シリコン、金属触媒による固相化結晶シリコンのような結晶性半導体層とすることにより、i型非晶質半導体層に高速にキャリアを注入でき、a−Si:Hのようなi型非晶質半導体の有する高速なキャリア緩和現象を利用できるため、高速動作が可能で、かつ、光学的な損失の少ない電気光変調器として作動することができる。
さらに、p型半導体層及びn型半導体層の配置については、図1、図3に示すようにi型非晶質半導体からなる光導波路を介して縦方向に積層したり、図5に示すようにi型非晶質半導体からなる光導波路を介して横方向に隣接して配置したり、i型非晶質半導体からなる光導波路を介して横方向に対向して配置してもよい。
102 p型a−SiC:H層
103 i型a−Si:H層
104 n型a−SiC:H層
105 酸化亜鉛/アルミニウム電極
201 シリコン基板
202 シリコン熱酸化膜
203 p型μc−Si:H層
204 i型a−Si:H層
205 n型μc−Si:H層
206 シリコン酸化膜
207 ITO膜
208 電極
209 電極
301 シリコン基板
302 シリコン熱酸化膜
303 p型μc−Si:H層
304 i型a−Si:H層
305 n型μc−Si:H層
306 シリコン酸化膜
307 IZO膜
308 電極
309 IZO膜
310 電極
311 絶縁膜
401 基板
402 下クラッド層
403 シリコンを含むp型半導体層
404 シリコンを含むi型半導体層
405 シリコンを含むn型半導体層
406 層間膜
407 シリコンを含む非晶質半導体層からなる第1の光導波路
408 上クラッド層
409 第2の光導波路であるとともに少なくともその一部にpin接合を有する電気光変調器
501 下クラッド層
502 層間膜
503 上クラッド層
504 リング共振器型光導波路
505 第1の光導波路
506 p型結晶性シリコン層
507 i型水素化非晶質シリコン層
508 n型結晶性シリコン層
601 下クラッド層
602 層間膜
603 上クラッド層
604 シリコン光導波路
605 光合分波器
606 干渉光導波路
607 縦方向方向性結合器
608 i型水素化非晶質シリコン層
609 p型結晶性シリコン層
610 n型結晶性シリコン層
Claims (16)
- シリコンを含む非晶質半導体層からなる第1の光導波路と、シリコンを含むi型半導体層を構成要素として含む第2の光導波路とが、光学的な相互作用が及ぶ範囲で異なる層に配置されており、第2の光導波路の少なくとも一部にはp型半導体層、i型半導体層及びn型半導体層からなるpin接合構造を有する電気光変調器が備えられており、電気光変調器により第2の光導波路の屈折率を変化させることにより、第1の光導波路を伝搬する光波を変調することを特徴とする光半導体装置。
- 上記第1の光導波路を構成するシリコンを含む非晶質半導体層は、水素化非晶質シリコン層であることを特徴とする請求項1に記載の光半導体装置。
- 上記シリコンを含むi型半導体層は、i型非晶質半導体層であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光半導体装置。
- 上記シリコンを含むi型半導体層は、水素化非晶質シリコン層であることを特徴とする請求項3に記載の光半導体装置。
- 上記シリコンを含むi型半導体層は、水素化非晶質Si−Ge層であることを特徴とする請求項3に記載の光半導体装置。
- 上記電気光変調器のpin接合を構成するp型半導体層及びn型半導体層の少なくとも一方は、シリコンを含む結晶性半導体層であることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の光半導体装置。
- 上記シリコンを含む結晶性半導体層は、微結晶シリコン層からなることを特徴とする請求項6に記載の光半導体装置。
- 上記シリコンを含む結晶性半導体層は、レーザー結晶化シリコン層からなることを特徴とする請求項6に記載の光半導体装置。
- 上記シリコンを含む結晶性半導体層は、金属触媒による固相化結晶シリコン層からなることを特徴とする請求項6に記載の光半導体装置。
- 上記シリコンを含む結晶性半導体層は、単結晶シリコン層からなることを特徴とする請求項6に記載の光半導体装置。
- 上記シリコンを含む結晶性半導体層は、微結晶SiC層であることを特徴とする請求項6に記載の光半導体装置。
- 上記シリコンを含む結晶性半導体層は、微結晶SiO層であることを特徴とする請求項6に記載の光半導体装置。
- 上記p型半導体層及びn型半導体層は、上記第2の光導波路の構成要素であるシリコンを含むi型半導体層を介して縦方向に積層して配置されていることを特徴とする請求項1ないし請求項12のいずれか1項に記載の光半導体装置。
- 上記p型半導体層及びn型半導体層は、上記第2の光導波路の構成要素であるシリコンを含むi型半導体層を介して横方向に隣接して配置されていることを特徴とする請求項1ないし請求項12のいずれか1項に記載の光半導体装置。
- 上記シリコンを含むi型半導体層を構成要素として含む第2の光導波路は、リング共振器型光導波路であることを特徴とする請求項1ないし請求項14のいずれか1項に記載の光半導体装置。
- 上記光半導体装置は、マッハツェンダー干渉計であり、干渉アーム内に層間膜によって積層方向に隔離して、上記pin接合構造を有する電気光変調器が備えられた第2の光導波路が配置されていることを特徴とする請求項1ないし請求項14のいずれか1項に記載の光半導体装置。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014035644 | 2014-02-26 | ||
JP2014035644 | 2014-02-26 | ||
PCT/JP2014/055124 WO2015129039A1 (ja) | 2014-02-26 | 2014-02-28 | 光半導体装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2015129039A1 true JPWO2015129039A1 (ja) | 2017-03-30 |
JP6206878B2 JP6206878B2 (ja) | 2017-10-04 |
Family
ID=50349456
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014513816A Expired - Fee Related JP6206878B2 (ja) | 2014-02-26 | 2014-02-28 | 光半導体装置 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US9690122B2 (ja) |
EP (1) | EP2913705A1 (ja) |
JP (1) | JP6206878B2 (ja) |
WO (1) | WO2015129039A1 (ja) |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017211550A (ja) * | 2016-05-26 | 2017-11-30 | 住友電気工業株式会社 | マッハツェンダ変調器、マッハツェンダ変調器を作製する方法 |
JP2018148209A (ja) * | 2017-03-03 | 2018-09-20 | 住友電工デバイス・イノベーション株式会社 | 光導波路型受光素子 |
US10360939B2 (en) * | 2017-12-23 | 2019-07-23 | Western Digital Technologies, Inc. | Metal-insulator-metal near-field transducer for heat-assisted magnetic recording |
FR3084481B1 (fr) * | 2018-07-25 | 2021-07-23 | Commissariat Energie Atomique | Modulateur-commutateur athermique a deux anneaux superposes |
FR3090909B1 (fr) * | 2018-12-20 | 2021-05-07 | St Microelectronics Crolles 2 Sas | Dispositif électro-optique à résonateur en anneau |
US11977282B2 (en) | 2019-07-02 | 2024-05-07 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Optical modulator |
GB2587795B (en) * | 2019-09-03 | 2021-12-29 | Ligentec Sa | An electro-optic modulator |
FR3104273B1 (fr) * | 2019-12-10 | 2021-12-17 | Commissariat Energie Atomique | Circuit photonique atténuateur à structure interférométrique verticale |
US11029465B1 (en) * | 2020-03-27 | 2021-06-08 | Globalfoundries U.S. Inc. | Micro-ring modulator |
Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08316485A (ja) * | 1995-05-12 | 1996-11-29 | Fuji Xerox Co Ltd | 半導体結晶の形成方法及びこれを用いた半導体装置の製造方法 |
JPH1074969A (ja) * | 1996-06-27 | 1998-03-17 | Amoco Enron Solar | 不均質基板上での微晶質シリコンの成核促進のために表面調製することによる太陽電池の製造 |
JPH11283922A (ja) * | 1998-03-27 | 1999-10-15 | Seiko Epson Corp | 半導体装置の製造方法及び半導体装置 |
JP2001500280A (ja) * | 1996-09-13 | 2001-01-09 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | 導波体の相互結合のための装置 |
JP2002540452A (ja) * | 1999-03-18 | 2002-11-26 | ザ・ユニバーシティ・オブ・シドニー | 光プレーナー導波管装置とその製造方法 |
JP2004031518A (ja) * | 2002-06-24 | 2004-01-29 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | 薄膜太陽電池 |
JP2005508014A (ja) * | 2001-04-27 | 2005-03-24 | サーノフ・コーポレーション | フォトニック集積回路(pic)およびその製造方法 |
JP2008065030A (ja) * | 2006-09-07 | 2008-03-21 | Ricoh Co Ltd | 光制御素子及び複合光制御素子 |
JP2012053399A (ja) * | 2010-09-03 | 2012-03-15 | Toshiba Corp | 光変調素子 |
JP2012198465A (ja) * | 2011-03-23 | 2012-10-18 | Toshiba Corp | リング光変調器 |
JP2013041138A (ja) * | 2011-08-17 | 2013-02-28 | Fujitsu Ltd | 光半導体素子 |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20040235267A1 (en) * | 2003-05-23 | 2004-11-25 | James Sheats | Lamination and delamination technique for thin film processing |
US7679107B2 (en) * | 2005-04-28 | 2010-03-16 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Memory device that utilizes organic layer with a compound that can photoisomerize between conductive layers; at least one of which is light transmitting |
US7257283B1 (en) | 2006-06-30 | 2007-08-14 | Intel Corporation | Transmitter-receiver with integrated modulator array and hybrid bonded multi-wavelength laser array |
US8805130B2 (en) | 2010-03-16 | 2014-08-12 | Cornell University | Semiconductor high-speed integrated electro-optic devices and methods |
JP5752629B2 (ja) | 2012-03-26 | 2015-07-22 | 株式会社東芝 | アサーマル・リング光変調器 |
JP6060546B2 (ja) | 2012-07-26 | 2017-01-18 | 株式会社Ihi | 非接触給電システム |
-
2014
- 2014-02-28 WO PCT/JP2014/055124 patent/WO2015129039A1/ja active Application Filing
- 2014-02-28 JP JP2014513816A patent/JP6206878B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 2014-02-28 US US14/345,915 patent/US9690122B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2014-03-18 EP EP14160550.1A patent/EP2913705A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08316485A (ja) * | 1995-05-12 | 1996-11-29 | Fuji Xerox Co Ltd | 半導体結晶の形成方法及びこれを用いた半導体装置の製造方法 |
JPH1074969A (ja) * | 1996-06-27 | 1998-03-17 | Amoco Enron Solar | 不均質基板上での微晶質シリコンの成核促進のために表面調製することによる太陽電池の製造 |
JP2001500280A (ja) * | 1996-09-13 | 2001-01-09 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | 導波体の相互結合のための装置 |
JPH11283922A (ja) * | 1998-03-27 | 1999-10-15 | Seiko Epson Corp | 半導体装置の製造方法及び半導体装置 |
JP2002540452A (ja) * | 1999-03-18 | 2002-11-26 | ザ・ユニバーシティ・オブ・シドニー | 光プレーナー導波管装置とその製造方法 |
JP2005508014A (ja) * | 2001-04-27 | 2005-03-24 | サーノフ・コーポレーション | フォトニック集積回路(pic)およびその製造方法 |
JP2004031518A (ja) * | 2002-06-24 | 2004-01-29 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | 薄膜太陽電池 |
JP2008065030A (ja) * | 2006-09-07 | 2008-03-21 | Ricoh Co Ltd | 光制御素子及び複合光制御素子 |
JP2012053399A (ja) * | 2010-09-03 | 2012-03-15 | Toshiba Corp | 光変調素子 |
JP2012198465A (ja) * | 2011-03-23 | 2012-10-18 | Toshiba Corp | リング光変調器 |
JP2013041138A (ja) * | 2011-08-17 | 2013-02-28 | Fujitsu Ltd | 光半導体素子 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6206878B2 (ja) | 2017-10-04 |
WO2015129039A1 (ja) | 2015-09-03 |
US9690122B2 (en) | 2017-06-27 |
EP2913705A1 (en) | 2015-09-02 |
US20160357035A1 (en) | 2016-12-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6206878B2 (ja) | 光半導体装置 | |
JP6314972B2 (ja) | シリコンベース電気光学変調装置 | |
JP6327644B2 (ja) | 電気光変調器 | |
JP5429579B2 (ja) | 電気光学変調器 | |
JP5321679B2 (ja) | 光変調器とその製造方法 | |
US8705972B2 (en) | Energy-efficient and fault-tolerant resonator-based modulation and wavelength division multiplexing systems | |
JP2009258527A (ja) | 光学素子 | |
JP6622228B2 (ja) | 光変調器及びその製造方法 | |
WO2013146317A1 (ja) | シリコンベース電気光学装置 | |
JP6853552B2 (ja) | 電気光学装置 | |
JP2011180595A (ja) | シリコンベース電気光学装置 | |
Sorianello et al. | Graphene on silicon modulators | |
JPWO2011108508A1 (ja) | 光変調器 | |
JP2011203382A (ja) | 半導体光素子 | |
CN103998960A (zh) | 电子/光子集成电路架构及其制造方法 | |
JP2019215488A (ja) | 電気光学変調器 | |
US6522799B1 (en) | Optical planar waveguide device and method of fabrication | |
JP5494216B2 (ja) | 導波路型光デバイス | |
JP2018173539A (ja) | 電気光学変調器 | |
JP6409299B2 (ja) | 光変調用素子および光変調器 | |
CN101813834A (zh) | 一种双mos结构硅基电光调制器 | |
Hiraki et al. | Heterogeneous integration of III-V semiconductors on Si photonics platform | |
Yuan et al. | Design and fabrication of two kind of SOI-based EA-type VOAs | |
JP2015129827A (ja) | Mos型光変調器及びグレーティングカプラの製造方法 | |
JP2015129828A (ja) | Mos型光変調器及びグレーティングカプラの製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20170131 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170331 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20170822 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20170829 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6206878 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |