JP6347486B2 - Optical active device - Google Patents
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Description
本発明は、ゲルマニウムから構成された活性層を備える光能動素子に関する。 The present invention relates to an optical active device comprising an active layer made of germanium.
n型のシリコン層とp型のシリコン層とでゲルマニウム(Ge)からなる活性層を挾んで構成された光能動素子が開発されている。この光能動素子は、シリコン基板の上に直接形成でき、また、通信波帯域の1.55μm付近の波長の光で使用可能である。このことより、上記光能動素子は、シリコン基板上に形成可能なシリコンフォトニクス用の発光素子,変調素子として大きな注目を集めている(非特許文献1参照)。 An optical active device has been developed in which an n-type silicon layer and a p-type silicon layer sandwich an active layer made of germanium (Ge). This optical active element can be directly formed on a silicon substrate, and can be used with light having a wavelength in the vicinity of 1.55 μm in the communication wave band. For this reason, the above-mentioned optical active element has attracted much attention as a light emitting element and a modulation element for silicon photonics that can be formed on a silicon substrate (see Non-Patent Document 1).
上述した光能動素子について、図7を用いて説明する。図7は、現在用いられているGeを用いた光能動素子の構成を示す斜視図である。この光能動素子は、シリコン基板401の上に形成されたGeからなる活性層402と、活性層402を挾んで形成された第1導電型の第1シリコン層403および第2導電型の第2シリコン層404とを備える。シリコン基板401の上に、第1シリコン層403,活性層402,第2シリコン層404の順に積層されている。
The above-described optical active element will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a perspective view showing a configuration of a currently used photoactive element using Ge. This photoactive element includes an
また、この光能動素子は、活性層402の周囲の第1シリコン層403の上に形成された絶縁層405と、第1シリコン層403に接続する第1電極411と、第2シリコン層404に接続する第2電極412とを備える。絶縁層405は、クラッドとして機能している。また、第1電極411は、絶縁層405を貫通して第1シリコン層403に接続している。
In addition, the optical active element includes an
ここで、発光には、活性層402を直接遷移型の半導体から構成することが必要となるが、Geは間接遷移型の半導体であり、このままでは、光能動素子の活性層402として用いることができない。このため、Geから構成した活性層402に歪みを加えることで、直接遷移型に近い状態へとすることができる(非特許文献2参照)。例えば、発光ダイオードとして構成する場合、活性層402に引っ張り歪みを与えればよい。
Here, in order to emit light, the
また、光変調器として構成する場合、電界吸収型として用いられ、活性層402に圧縮歪みを加えればよい。Geの光吸収スペクトル端は通常1600nm程度まであるため、電界吸収型として通信波帯Cバンドで用いるためには、スペクトル端を1550nm付近にまで下げる必要がある。このため、光変調器とする場合、Geからなる活性層402に圧縮歪みを加える。
In the case where the optical modulator is configured, it is used as an electroabsorption type, and compressive strain may be applied to the
しかしながら、現状では、基板の曲げや、他の層(クラッドなど)との熱膨張係数の差により歪みを印加しているため、歪み量の制御が容易ではなく、また、歪み量が不十分である。現状では、活性層402に与えられる歪み量は、0.2〜0.3%である(非特許文献2参照)。
However, at present, strain is applied due to differences in thermal expansion coefficients from the bending of the substrate and other layers (cladding, etc.), so it is not easy to control the amount of strain, and the amount of strain is insufficient. is there. At present, the amount of strain applied to the
例えば、発光ダイオードとする場合、歪み量が不十分であり、活性層402に高濃度にn型不純物を導入している(非特許文献2参照)。しかしながら、Geへのn型不純物の高濃度導入は技術的に容易ではなく、製造プロセスに負担をかけることになる。また、光変調器とする場合、波長帯によって吸収スペクトル端を制御する必要があり、従来の歪み印加の手法では、要求される歪み量の制御が困難である。
For example, in the case of a light emitting diode, the amount of strain is insufficient, and n-type impurities are introduced into the
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、所望とする量の歪みが印加されたGeからなる活性層により光能動素子が構成できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to make it possible to configure a photoactive element by an active layer made of Ge to which a desired amount of strain is applied. To do.
本発明に係る光能動素子は、入力した光が伝搬する方向に延在して基板の上に形成されたゲルマニウムからなる活性層と、活性層を挾んで形成された第1導電型の第1シリコン層および第2導電型の第2シリコン層と、基板の上で基板の平面に平行で活性層の延在方向に垂直な歪み印加方向に活性層を挾んで形成され、歪み印加方向の歪みを活性層に与える圧電体からなる第1歪み層および第2歪み層と、活性層と第1歪み層および第2歪み層との各々の間に配置された第1絶縁層および第2絶縁層と、第1シリコン層に接続する第1電極と、第2シリコン層に接続する第2電極と、第1歪み層および第2歪み層の一方に接続する第3電極および第4電極と、第1歪み層および第2歪み層の他方に接続する第5電極および第6電極とを備える。 An optical active device according to the present invention includes an active layer made of germanium formed on a substrate extending in a direction in which input light propagates, and a first conductivity type first formed by sandwiching the active layer. A strain in the strain application direction is formed by sandwiching the active layer in a strain application direction that is parallel to the plane of the substrate and perpendicular to the extending direction of the active layer on the substrate and the second silicon layer of the second conductivity type. A first strained layer and a second strained layer made of a piezoelectric material for imparting to the active layer, and a first insulating layer and a second insulating layer disposed between the active layer, the first strained layer and the second strained layer, respectively. A first electrode connected to the first silicon layer, a second electrode connected to the second silicon layer, a third electrode and a fourth electrode connected to one of the first strained layer and the second strained layer, A fifth electrode and a sixth electrode connected to the other of the first strain layer and the second strain layer.
上記光能動素子において、第1絶縁層の上から第1歪み層の上にかけて形成された第3絶縁層と、第2絶縁層の上から第2歪み層の上にかけて形成された第4絶縁層とを備えるようにしてもよい。 In the optical active element, a third insulating layer formed from above the first insulating layer to the first strained layer, and a fourth insulating layer formed from above the second insulating layer to the second strained layer. May be provided.
上記光能動素子において、活性層が形成されている領域の基板に形成された空間を備えるようにしてもよい。 The optical active device may include a space formed in the substrate in a region where the active layer is formed.
上記光能動素子において、第1シリコン層および第2シリコン層は、基板の法線方向に活性層を挾んで形成され、第3電極および第4電極は、第1シリコン層の上に配置され、第3電極および第4電極の上に、基板の平面に垂直な方向に配向し、配向方向に対する電圧印加により歪み印加方向の歪みを生じる第1歪み層および第2歪み層が配置されているようにする。また、第1シリコン層および第2シリコン層は、歪み印加方向に活性層を挾んで形成されているようにする。 In the optical active element, the first silicon layer and the second silicon layer are formed with the active layer sandwiched in the normal direction of the substrate , and the third electrode and the fourth electrode are disposed on the first silicon layer, on the third and fourth electrodes, oriented in a direction perpendicular to the plane of the substrate, the first strained layer and the second strained layer distorted distortion application direction by applying a voltage is being arranged relative to the alignment direction so that to. The first silicon layer and the second silicon layer is such that is formed by sandwiching an active layer strained application direction.
以上説明したように、本発明によれば、基板の上で基板の平面に平行な歪み印加方向に活性層を挾んで形成され、歪み印加方向の歪みを活性層に与える圧電体からなる第1歪み層および第2歪み層を備えるようにしたので、所望とする量の歪みが印加されたGeからなる活性層により光能動素子が構成できるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, the first piezoelectric substrate is formed on the substrate with the active layer sandwiched in the strain application direction parallel to the plane of the substrate, and applies the strain in the strain application direction to the active layer. Since the strained layer and the second strained layer are provided, it is possible to obtain an excellent effect that an optical active element can be constituted by an active layer made of Ge to which a desired amount of strain is applied.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1について図1を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態1における光能動素子の構成を示す斜視図である。この光能動素子は、基板101の上に形成されたゲルマニウム(Ge)からなる活性層102と、活性層102を挾んで形成された第1シリコン層103および第2シリコン層104と、基板101の上で基板101の平面に平行な歪み印加方向(x軸方向)に活性層102を挾んで形成された第1歪み層105および第2歪み層106とを備える。活性層102と第1歪み層105の間には、第1絶縁層107が設けられ、活性層102と第2歪み層106との間には、第2絶縁層108が設けられている。
[Embodiment 1]
First, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an optical active element according to Embodiment 1 of the present invention. This optical active element includes an
また、第1シリコン層103には第1電極111が接続し、第2シリコン層104には第2電極112が接続している。また、第1歪み層105の一方には第3電極113が接続し、第2歪み層106の一方には第4電極114が接続している。また、第1歪み層105の他方には第5電極115が接続し、第2歪み層106の他方には第6電極116が接続している。なお、x軸方向は、基板101の平面に平行な平面上で、第1歪み層105,活性層102,第2歪み層106が配列されている方向である。また、y軸方向は、基板101の平面に平行な平面上で、活性層102が延在して入力した光が伝搬する方向である。また、z軸方向は、基板101の平面の法線方向である。
The
基板101は、例えばシリコン基板である。第1シリコン層103は、第1導電型(例えばn型)とされ、第2シリコン層104は、第2導電型(例えばp型)とされている。実施の形態1において、第1シリコン層103および第2シリコン層104は、基板101の法線方向(z軸方向)に活性層102を挾んで形成され、第1シリコン層103,活性層102,第2シリコン層104の順に接して積層されている。なお、第1シリコン層103に含まれている一部のn型不純物が拡散するため、活性層102の第1シリコン層103側の一部は、n型となる。また、第2シリコン層104に含まれている一部のp型不純物が拡散するため、活性層102の第2シリコン層104側の一部は、p型となる。
The
また、第1歪み層105および第2歪み層106は、圧電体から構成され、これらで挾む活性層102に、基板101の平面に平行な方向(歪み印加方向)の歪みを与える。第1歪み層105および第2歪み層106を構成する圧電体は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)であればよい。また、実施の形態1において、圧電体が形成(堆積)されることになる第3電極113および第4電極114は、プラチナ(Pt)とチタン(Ti)との合金から構成すればよい。
In addition, the
例えば、PtとTiとの合金をスパッタ法により堆積して第3電極113および第4電極114を形成した場合、この上には、z軸方向に<111>配向し、(100)面をz軸方向としたPZTの多結晶体が成長する。このように形成したPZTによる第1歪み層105および第2歪み層106の上に、第5電極115および第6電極116を形成すれば、分極処理をすることなく100〜150pm/V程度の圧電定数d31が得られる。
For example, in the case where the
例えば、活性層102は、層厚300μm,幅(x軸方向の寸法)1μmに形成し、第1歪み層105および第2歪み層106は、層厚300μm,幅1μmに形成し、圧電定数d31を150pm/Vとし、第1絶縁層107,第2絶縁層108は、幅0.5μmに形成した場合を例にする。
For example, the
この場合、配向方向に対して負の電圧(例えば−20V)を各歪み層に印加すれば、活性層102には、x軸方向に0.5%引っ張り歪が与えられる。これにより、実施の形態1の光能動素子は、発光ダイオードとして機能させることができる。活性層102への電流注入は、第1電極111、第3電極113、第2電極112を通して行われる。発光させている間は、第5電極115および第6電極116に電位を印加し続ける。
In this case, if a negative voltage (for example, −20 V) with respect to the alignment direction is applied to each strained layer, the
一方、配向方向に対して正の電圧(例えば+20V)を各歪み層に印加すれば、活性層102には、x軸方向に0.5%の圧縮歪みが与えられる。これにより、実施の形態1の光能動素子は、光変調器として機能させることができる。活性層102への変調信号の入力は、第1電極111、第3電極113、第2電極112を通して行われる。変調している間は、第5電極115および第6電極116に電位を印加し続ける。
On the other hand, when a positive voltage (for example, +20 V) with respect to the alignment direction is applied to each strained layer, 0.5% compressive strain is applied to the
なお、歪み量は、以下の式で与えられる。Δwは、圧電体(活性層102)の変位量、d31は圧電定数(pm/V)、wは圧電体(活性層102)の幅(x軸方向の寸法)、dは、圧電体(活性層102)の厚さ(z軸方向の寸法)である。 The amount of distortion is given by the following equation. Δw is the amount of displacement of the piezoelectric body (active layer 102), d 31 is the piezoelectric constant (pm / V), w is the width of the piezoelectric body (active layer 102) (dimension in the x-axis direction), and d is the piezoelectric body ( It is the thickness (dimension in the z-axis direction) of the active layer 102).
上述した例の場合、20Vの印加により、x軸方向の活性層102の変位は、1×10-8(m)となる。実施の形態1では、活性層102と第1歪み層105および第2歪み層106には、第1絶縁層107および第2絶縁層108を形成しているため、これらを合わせて圧電体部分の幅を2μmとすると、歪み量は0.5%となる。
In the case of the above-described example, when 20 V is applied, the displacement of the
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について図2を用いて説明する。図2は、本発明の実施の形態2における光能動素子の構成を示す断面図である。この光能動素子は、基板101の上に形成されたGeからなる活性層102と、活性層102を挾んで形成された第1シリコン層103および第2シリコン層104と、基板101の上で基板101の平面に平行な歪み印加方向(x軸方向)に活性層102を挾んで形成された第1歪み層105および第2歪み層106とを備える。活性層102と第1歪み層105の間には、第1絶縁層107が設けられ、活性層102と第2歪み層106との間には、第2絶縁層108が設けられている。
[Embodiment 2]
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the optical active element according to Embodiment 2 of the present invention. This optical active element includes an
また、第1シリコン層103には第1電極111が接続し、第2シリコン層104には第2電極112が接続している。また、第1歪み層105の一方には第3電極113が接続し、第2歪み層106の一方には第4電極114が接続している。また、第1歪み層105の他方には第5電極115が接続し、第2歪み層106の他方には第6電極116が接続している。
The
上記構成は、実施の形態1と同様である。実施の形態2では、PtとTiとの合金からなる第4電極114および第5電極115の上に、LaNiO3からなるバッファ層109を介し、PZTからなる第1歪み層105および第2歪み層106を形成している。
The above configuration is the same as that of the first embodiment. In the second embodiment, the
このように、バッファ層109を介して第1歪み層105および第2歪み層106を形成することで、第4電極114および第5電極115の上に直接形成した場合に比較して、PZTの配向度を向上させることができる。配向度を向上させることで、第1歪み層105および第2歪み層106における圧電定数の向上が望めるため、実施の形態2によれば、更に大きな歪みを活性層102に与えることが可能となる。なお、バッファ層109を構成する材料は、第1歪み層105および第2歪み層106を構成する圧電体により適宜に選択する。
As described above, by forming the first
[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3について図3を用いて説明する。図3は、本発明の実施の形態3における光能動素子の構成を示す断面図である。この光能動素子は、基板101の上に形成されたGeからなる活性層102と、活性層102を挾んで形成された第1シリコン層103および第2シリコン層104と、基板101の上で基板101の平面に平行な歪み印加方向(x軸方向)に活性層102を挾んで形成された第1歪み層105および第2歪み層106とを備える。活性層102と第1歪み層105の間には、第1絶縁層107が設けられ、活性層102と第2歪み層106との間には、第2絶縁層108が設けられている。
[Embodiment 3]
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the optical active element according to Embodiment 3 of the present invention. This optical active element includes an
また、第1シリコン層103には第1電極111が接続し、第2シリコン層104には第2電極112が接続している。また、第1歪み層105の一方には第3電極113が接続し、第2歪み層106の一方には第4電極114が接続している。また、第1歪み層105の他方には第5電極115が接続し、第2歪み層106の他方には第6電極116が接続している。
The
上記構成は、実施の形態1と同様である。実施の形態3では、まず、第1歪み層105の上面から第1絶縁層107の上面にかけて形成された上部絶縁層(第3絶縁層)121を備える。従って、第1歪み層105と第1絶縁層107とは、接している側面による密着に加え、各々の上面が上部絶縁層121で連結された状態となる。この結果、第1歪み層105による引っ張り歪みが発生しているときに、第1絶縁層107が、第1歪み層105から剥がれることが抑制されるようになり、活性層102により均一な作用を与えることができるようになる。
The above configuration is the same as that of the first embodiment. In the third embodiment, first, an upper insulating layer (third insulating layer) 121 formed from the upper surface of the first
同様に、第2歪み層106の上面から第2絶縁層108の上面にかけて形成された上部絶縁層(第4絶縁層)122を備える。従って、第2歪み層106と第2絶縁層108とは、接している側面による密着に加え、各々の上面が上部絶縁層122で連結された状態となる。この結果、第2歪み層106による引っ張り歪みが発生しているときに、第2絶縁層108が、第2歪み層106から剥がれることが抑制されるようになり、活性層102により均一な作用を与えることができるようになる。
Similarly, an upper insulating layer (fourth insulating layer) 122 formed from the upper surface of the second
なお、各歪み層の上に上部絶縁層を形成すると、各歪み層における歪みが抑制されるようになる。各歪み層に電圧を印加すると、x軸方向およびz軸方向に歪む。上部絶縁層の存在は、この歪みを抑制することになる。このため、前述した実施の形態と同様の歪みを活性層102に与えることはできない。
Note that when an upper insulating layer is formed on each strained layer, strain in each strained layer is suppressed. When a voltage is applied to each strained layer, the strain is distorted in the x-axis direction and the z-axis direction. The presence of the upper insulating layer suppresses this distortion. For this reason, the same strain as in the above-described embodiment cannot be applied to the
実施の形態3の場合、配向方向に対して負の電圧を各歪み層に印加すれば、各歪み層の上面(z軸方向を向く面)には圧縮応力がかかり、各歪み層の側面(x軸方向を向く面)には引っ張り応力がかかる。この結果、活性層102には、引っ張り応力がかかる。一方、配向方向に対して正の電圧を各歪み層に印加すれば、各歪み層の上面(z軸方向を向く面)には引っ張り応力がかかり、各歪み層の側面(x軸方向を向く面)には圧縮応力がかかる。この結果、活性層102には、圧縮応力がかかる。
In the case of the third embodiment, if a negative voltage is applied to each strained layer with respect to the orientation direction, compressive stress is applied to the upper surface (surface facing the z-axis direction) of each strained layer, and the side surface ( A tensile stress is applied to the surface facing the x-axis direction. As a result, tensile stress is applied to the
このような応力による格子定数の変化であっても、Geのバンド構造に変化をもたらすことができるため、活性層102に歪みを与えた場合と同様の効果が望める。
Even if the lattice constant changes due to such stress, it is possible to change the Ge band structure, so that the same effect as when the
[実施の形態4]
次に、本発明の実施の形態4について図4を用いて説明する。図4は、本発明の実施の形態4における光能動素子の構成を示す断面図である。この光能動素子は、基板101の上に形成されたGeからなる活性層102と、活性層102を挾んで形成された第1シリコン層103および第2シリコン層104と、基板101の上で基板101の平面に平行な歪み印加方向(x軸方向)に活性層102を挾んで形成された第1歪み層105および第2歪み層106とを備える。活性層102と第1歪み層105の間には、第1絶縁層107が設けられ、活性層102と第2歪み層106との間には、第2絶縁層108が設けられている。
[Embodiment 4]
Next, Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the optical active element according to Embodiment 4 of the present invention. This optical active element includes an
また、第1シリコン層103には第1電極111が接続し、第2シリコン層104には第2電極112が接続している。また、第1歪み層105の一方には第3電極113が接続し、第2歪み層106の一方には第4電極114が接続している。また、第1歪み層105の他方には第5電極115が接続し、第2歪み層106の他方には第6電極116が接続している。
The
上記構成は、実施の形態1と同様である。実施の形態4では、活性層102が形成されている領域の基板101に形成された空間141を備える。例えば、公知のリソグラフィー技術で形成したマスクパターンを用いたエッチング加工により、空間141が形成できる。空間141を設けることで、活性層102の下層は、第1シリコン層103のみとなり、基板101による拘束がなくなる。この結果、活性層102が、より歪みやすい状態となる。
The above configuration is the same as that of the first embodiment. The fourth embodiment includes a
[実施の形態5]
次に、本発明の実施の形態5について図5を用いて説明する。図5は、本発明の実施の形態5における光能動素子の構成を示す断面図である。この光能動素子は、基板101の上に形成されたGeからなる活性層102と、活性層102を挾んで形成された第1シリコン層103および第2シリコン層104と、基板101の上で基板101の平面に平行な歪み印加方向(x軸方向)に活性層102を挾んで形成された第1歪み層205および第2歪み層206とを備える。活性層102と第1歪み層205の間には、第1絶縁層107が設けられ、活性層102と第2歪み層206との間には、第2絶縁層108が設けられている。
[Embodiment 5]
Next, Embodiment 5 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the optical active element according to Embodiment 5 of the present invention. This optical active element includes an
また、第1シリコン層103には第1電極111が接続し、第2シリコン層104には第2電極112が接続している。また、第1歪み層205の一方には第3電極113が接続し、第2歪み層206の一方には第4電極114が接続している。また、第1歪み層205の他方には第5電極115が接続し、第2歪み層206の他方には第6電極116が接続している。
The
実施の形態5では、第1歪み層205および第2歪み層206の上面高さを、活性層102の上面高さより低くし、第1歪み層205および第2歪み層206の層厚をより薄くしている。なお、第1歪み層205,第2歪み層206以外の構成は、前述した実施の形態1と同様であり、詳細な説明は省略する。
In the fifth embodiment, the upper surface heights of the
圧電体による引っ張り歪みは圧電体が薄くなるほど大きくなるため、上述したように、第1歪み層205および第2歪み層206の層厚をより薄くすれば、より大きな歪み量が望める。ただし、この場合、活性層102には、不均一な歪みが与えられることになる。なお、例えば、各歪み層の上面高さを活性層102の上面高さより高くし、各歪み層をより厚く形成してもよい。各歪み層をより厚くすれば歪みの量は減るが、各歪み層を構成する圧電体の貫通転位が減ることでリーク電流を抑えられる。
Since the tensile strain due to the piezoelectric body becomes larger as the piezoelectric body becomes thinner, as described above, if the layer thickness of the
[実施の形態6]
次に、本発明の実施の形態6について図6を用いて説明する。図6は、本発明の実施の形態6における光能動素子の構成を示す断面図である。この光能動素子は、基板301の上に形成されたGeからなる活性層302と、活性層302を挾んで形成された第1シリコン層303および第2シリコン層304と、基板301の上で基板301の平面に平行な歪み印加方向(x軸方向)に活性層302を挾んで形成された第1歪み層305および第2歪み層306とを備える。活性層302と第1歪み層305の間には、第1絶縁層307が設けられ、活性層302と第2歪み層306との間には、第2絶縁層308が設けられている。
[Embodiment 6]
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of an optical active element according to Embodiment 6 of the present invention. This optical active element includes an
また、第1シリコン層303には第1電極311が接続し、第2シリコン層304には第2電極312が接続している。また、第1歪み層305の一方には第3電極313が接続し、第2歪み層306の一方には第4電極314が接続している。また、第1歪み層305の他方には第5電極315が接続し、第2歪み層306の他方には第6電極316が接続している。
The
基板301は、例えばシリコン基板である。第1シリコン層303は、第1導電型(例えばn型)とされ、第2シリコン層304は、第2導電型(例えばp型)とされている。実施の形態6において、第1シリコン層303および第2シリコン層304は、基板301の平面に平行な歪み印加方向に(x軸方向)に活性層302を挾んで形成されている。
The
また、第1シリコン層303は、第1歪み層305(第1絶縁層307)と活性層302との間から、基板301の表面と第1歪み層305(第3電極313)との間にかけて、断面視でL字型に形成されている。同様に、第2シリコン層304は、第2歪み層306(第2絶縁層308)と活性層302との間から、基板301の表面と第2歪み層306(第4電極314)との間にかけて、断面視でL字型に形成されている。
The
なお、第1シリコン層303に含まれている一部のn型不純物が拡散するため、活性層302の第1シリコン層303側の一部は、n型となる。また、第2シリコン層304に含まれている一部のp型不純物が拡散するため、活性層302の第2シリコン層304側の一部は、p型となる。
Note that a part of the n-type impurities contained in the
また、第1歪み層305および第2歪み層306は、圧電体から構成され、これらで挾む活性層302に、基板301の平面に平行な歪み印加方向の歪みを与える。第1歪み層305および第2歪み層306を構成する圧電体は、例えば、PZTであればよい。また、実施の形態6において、圧電体が形成(堆積)されることになる第3電極313および第4電極314は、PtとTiとの合金から構成すればよい。
The
例えば、PtとTiとの合金をスパッタ法により堆積して第3電極313および第4電極314を形成した場合、この上には、z軸方向に111配向し、(100)面をz軸方向としたPZTの多結晶体が成長する。このように形成したPZTによる第1歪み層305および第2歪み層306の上に、第5電極315および第6電極316を形成すれば、分極処理をすることなく100〜150pm/V程度の圧電定数d31が得られる。
For example, when the
例えば、活性層302は、層厚300μm,幅(x軸方向の寸法)1μmに形成し、第1歪み層305および第2歪み層306は、層厚300μm,幅1μmに形成し、圧電定数d31を150pm/Vとし、第1絶縁層307,第2絶縁層308は、幅0.5μmに形成した場合を例にする。
For example, the
この場合、配向方向に対して負の電圧(例えば−20V)を各歪み層に印加すれば、活性層302には、x軸方向に0.5%引っ張り歪が与えられる。これにより、実施の形態6の光能動素子は、発光ダイオードとして機能させることができる。活性層302への電流注入は、第1電極311、第3電極313、第2電極312を通して行われる。発光させている間は、第5電極315および第6電極316に電位を印加し続ける。
In this case, if a negative voltage (for example, −20 V) with respect to the alignment direction is applied to each strained layer, the
一方、配向方向に対して正の電圧(例えば+20V)を各歪み層に印加すれば、活性層302には、x軸方向に0.5%の圧縮歪みが与えられる。これにより、実施の形態6の光能動素子は、光変調器として機能させることができる。活性層302への変調信号の入力は、第1電極311、第3電極313、第2電極312を通して行われる。変調している間は、第5電極315および第6電極316に電位を印加し続ける。
On the other hand, when a positive voltage (for example, +20 V) with respect to the alignment direction is applied to each strained layer, 0.5% compressive strain is applied to the
上述した例の場合、20Vの印加により、x軸方向の活性層302の変位は、1×10-8(m)となる。実施の形態6では、活性層302と第1歪み層305および第2歪み層306には、第1絶縁層307および第2絶縁層308を形成しているため、これらを合わせて圧電体部分の幅を2μmとすると、歪み量は0.5%となる。
In the example described above, the displacement of the
実施の形態6によれば、第1導電型としたシリコン層の上にGeを堆積することがないので、製造プロセスの負担が低減できる。また、基板301の法線方向に伸びる縦型の貫通転移による、活性層302のリーク電流も抑制できるようになる。
According to the sixth embodiment, Ge is not deposited on the silicon layer of the first conductivity type, so that the burden on the manufacturing process can be reduced. Further, the leakage current of the
以上に説明したように、本発明によれば、基板の上で基板の平面に平行な歪み印加方向に、絶縁層を介して2つの歪み層で活性層を挾む構成としたので、所望とする量の歪みが印加されたGeからなる活性層により光能動素子が構成できるようになる。この結果、例えば、従来のGe発光ダイオードに比べ高効率にすることができ、また、波長の選択性を持ったGe発光ダイオードが得られる。また、Geからなる活性層に、高濃度なn型不純物の導入を必要としないため、プロセス負担が軽減されるようになる。また、Ge変調器の駆動波長を正確に設定でき、駆動波長の可変が可能となる。 As described above, according to the present invention, the active layer is sandwiched between the two strain layers via the insulating layer in the strain application direction parallel to the plane of the substrate on the substrate. An optical active element can be formed by an active layer made of Ge to which an amount of strain is applied. As a result, for example, a Ge light emitting diode having higher efficiency than that of a conventional Ge light emitting diode and having wavelength selectivity can be obtained. In addition, since it is not necessary to introduce high-concentration n-type impurities into the active layer made of Ge, the process burden is reduced. Further, the drive wavelength of the Ge modulator can be set accurately, and the drive wavelength can be varied.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、圧電体は、BaTiO3,LiNbO3,KNbO3,BiNaTiO3,PbMgNbO3−PrTiO3であってもよい。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, the piezoelectric body may be BaTiO 3 , LiNbO 3 , KNbO 3 , BiNaTiO 3 , PbMgNbO 3 —PrTiO 3 .
101…基板、102…活性層、103…第1シリコン層、104…第2シリコン層、105…第1歪み層、106…第2歪み層、107…第1絶縁層、108…第2絶縁層、111…第1電極、112…第2電極、113…第3電極、114…第4電極、115…第5電極、116…第6電極。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記活性層を挾んで形成された第1導電型の第1シリコン層および第2導電型の第2シリコン層と、
前記基板の上で前記基板の平面に平行で前記活性層の延在方向に垂直な歪み印加方向に前記活性層を挾んで形成され、前記歪み印加方向の歪みを前記活性層に与える圧電体からなる第1歪み層および第2歪み層と、
前記活性層と前記第1歪み層および前記第2歪み層との各々の間に配置された第1絶縁層および第2絶縁層と、
前記第1シリコン層に接続する第1電極と、
前記第2シリコン層に接続する第2電極と、
前記第1歪み層および前記第2歪み層の一方に接続する第3電極および第4電極と、
前記第1歪み層および前記第2歪み層の他方に接続する第5電極および第6電極と
を備え、
前記第1シリコン層および前記第2シリコン層は、前記基板の法線方向に前記活性層を挾んで形成され、
前記第3電極および前記第4電極は、前記第1シリコン層の上に配置され、
前記第3電極および前記第4電極の上に、前記基板の平面に垂直な方向に配向し、配向方向に対する電圧印加により前記歪み印加方向の歪みを生じる前記第1歪み層および前記第2歪み層が配置されている
ことを特徴とする光能動素子。 An active layer made of germanium formed on the substrate extending in the direction in which the input light propagates ;
A first conductivity type first silicon layer and a second conductivity type second silicon layer formed by sandwiching the active layer;
A piezoelectric body formed on the substrate sandwiching the active layer in a strain application direction parallel to the plane of the substrate and perpendicular to the extending direction of the active layer, and applying strain in the strain application direction to the active layer A first strain layer and a second strain layer,
A first insulating layer and a second insulating layer disposed between the active layer and each of the first strained layer and the second strained layer;
A first electrode connected to the first silicon layer;
A second electrode connected to the second silicon layer;
A third electrode and a fourth electrode connected to one of the first strained layer and the second strained layer;
A fifth electrode and a sixth electrode connected to the other of the first strain layer and the second strain layer,
The first silicon layer and the second silicon layer are formed sandwiching the active layer in a normal direction of the substrate,
The third electrode and the fourth electrode are disposed on the first silicon layer;
The first strain layer and the second strain layer, which are aligned on the third electrode and the fourth electrode in a direction perpendicular to the plane of the substrate, and generate strain in the strain application direction by applying a voltage to the alignment direction. An optical active element characterized in that is arranged.
前記活性層を挾んで形成された第1導電型の第1シリコン層および第2導電型の第2シリコン層と、
前記基板の上で前記基板の平面に平行で前記活性層の延在方向に垂直な歪み印加方向に前記活性層を挾んで形成され、前記歪み印加方向の歪みを前記活性層に与える圧電体からなる第1歪み層および第2歪み層と、
前記活性層と前記第1歪み層および前記第2歪み層との各々の間に配置された第1絶縁層および第2絶縁層と、
前記第1シリコン層に接続する第1電極と、
前記第2シリコン層に接続する第2電極と、
前記第1歪み層および前記第2歪み層の一方に接続する第3電極および第4電極と、
前記第1歪み層および前記第2歪み層の他方に接続する第5電極および第6電極と
を備え、
前記第1シリコン層および前記第2シリコン層は、前記歪み印加方向に前記活性層を挾んで形成されている
ことを特徴とする光能動素子。 An active layer made of germanium formed on the substrate extending in the direction in which the input light propagates ;
A first conductivity type first silicon layer and a second conductivity type second silicon layer formed by sandwiching the active layer;
A piezoelectric body formed on the substrate sandwiching the active layer in a strain application direction parallel to the plane of the substrate and perpendicular to the extending direction of the active layer, and applying strain in the strain application direction to the active layer A first strain layer and a second strain layer,
A first insulating layer and a second insulating layer disposed between the active layer and each of the first strained layer and the second strained layer;
A first electrode connected to the first silicon layer;
A second electrode connected to the second silicon layer;
A third electrode and a fourth electrode connected to one of the first strained layer and the second strained layer;
A fifth electrode and a sixth electrode connected to the other of the first strain layer and the second strain layer,
The optical active element, wherein the first silicon layer and the second silicon layer are formed with the active layer sandwiched in the strain application direction.
前記第1絶縁層の上から前記第1歪み層の上にかけて形成された第3絶縁層と、
前記第2絶縁層の上から前記第2歪み層の上にかけて形成された第4絶縁層と
を備えることを特徴とする光能動素子。 The optical active device according to claim 1 or 2 ,
A third insulating layer formed from above the first insulating layer to the first strained layer;
And a fourth insulating layer formed from above the second insulating layer to the second strained layer.
前記活性層が形成されている領域の前記基板に形成された空間を備えることを特徴とする光能動素子。 The optical active device according to any one of claims 1 to 3 ,
An optical active device comprising a space formed in the substrate in a region where the active layer is formed.
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