JP6853552B2 - 電気光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気光学装置に関する。

近年、シリコンベースの導波路、光結合器、および波長フィルタなどの受動デバイスが、非常に広く研究されている。また、通信システム用の光信号を操作する重要な技術として、シリコンベースの光変調器や光スイッチなどの能動素子が非常に注目されている。ここで、シリコンの熱光学効果を利用して屈折率を変化させる光スイッチや変調素子は、低速であり、１Ｍｂ／秒程度の変調周波数（装置速度）にしか利用出来ない。このため、多くの光通信システムにおいて要求される高い変調周波数を実現するためには、電気光学効果を利用する光変調素子が必要である。

電気光学装置の一つとして、シリコンベース光通信デバイスがある。シリコンベース光通信デバイスは、家庭用光ファイバやローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）などの様々なシステム用光ファイバで使用される波長１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍの光に対応することができる。また、シリコンベース光通信デバイスは、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）技術を利用して、光機能素子および電子回路をシリコンプラットフォーム上に集積した集積回路として実現可能である。このため、シリコンベース光通信デバイスは、高い変調周波数を持つ光変調素子の実現に非常に有望な技術である。

現在提案されている関連する電気光学装置（光変調器）の多くは、キャリアプラズマ効果を利用して、シリコン層中の自由キャリア密度を変化させることにより、屈折率の実数部と虚数部を変化させ、光の位相や強度を変化させる。ここで、純シリコンは、線形電気光学効果（ポッケルス（Pockels）効果）を示さない。また、純シリコンにおけるフランツ・ケルディッシュ（Franz-Keldysh）効果やカー（Kerr）効果による屈折率の変化は、非常に小さい。そのため、関連する電気光学装置では、上述したキャリアプラズマ効果が広く利用されている。また、自由キャリア吸収を利用する変調器は、シリコン（Ｓｉ）中を伝播する光吸収の変化により、出力を直接変調する。屈折率変化を利用した構造としては、マッハ・ツェンダー干渉計を利用するものが一般的である。この構造は、二本のアームを通過する光信号に位相差を生じさせ、これらの光信号を合波することで光強度変調信号を得る。

電気光学装置における自由キャリア密度は、自由キャリアの注入、蓄積、除去、または反転によって変えることが出来る。しかしながら、現在までに検討されたこのような関連する装置の多くは、光変調効率が悪い。そのため、これらの関連する装置は、光位相変調に必要とされる長さがｍｍオーダーであり、１ｋＡ／ｃｍ^３より高い注入電流密度を必要とする。また、素子サイズが大きくなると、電気光学装置は、シリコンプラットフォーム上での温度分布の影響を受け易くなる。そのため、サイズが大きい電気光学装置では、熱光学効果に起因してシリコン層の屈折率が変化する。その結果、効率の悪い光位相変調器では、本来の電気光学効果が打ち消されるという事態も想定される。したがって、小型・高集積化、さらには低消費電力化を実現するためには、高い光変調効率が得られる素子構造が必要である。高い光変調効率を実現することで、光位相変調長さを小さくすることが可能となる。高い光変調効率を実現するには、キャリア密度が変更制御される領域が、理想的には光信号電界と一致していることが望ましい。

図１は、非特許文献１に示されているシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板上に形成されたリブ導波路構造を利用した、シリコンベース電気光学位相変調器の典型例を示す図である。この電気光学位相変調器は、真性半導体領域１０１からなるリブ形状の両側に、横方向に延びるスラブ領域１０２，１０３がそれぞれｐドープ及びｎドープされて形成されている。上記リブ導波路構造は、ＳＯＩ基板上の真正半導体シリコン層１を利用して形成される。図１に示した変調器は、ＰＩＮ（Positive Intrinsic-Negative）ダイオード型変調器である。この変調器は、順方向および逆方向バイアスを印加することにより、真性半導体領域１０１内の自由キャリア密度を変化させ、キャリアプラズマ効果を生じさせることにより、その領域１０１の屈折率を変化させる構造となっている。この例では、ＳＯＩ基板は、支持基板３と、支持基板３上に形成された埋め込み酸化膜２、及び埋め込み酸化膜２上に形成された真正半導体シリコン層１を有している。真性半導体シリコン層１は、その一部が第１の電気コンタクト部６−１となる高濃度にドープ処理されたｐタイプ領域（ｐ＋ドープ半導体シリコン層）４を含む。図では、真性半導体シリコン層１は、さらに高濃度にｎタイプドープ処理されたｎタイプ領域（ｎ＋ドープ半導体シリコン層）５を含む。ｐタイプ領域４の一部は、第１の電気コンタクト部６−１として機能し、ｎタイプ領域５の一部は、第２の電気コンタクト部６−２として機能する。電気コンタクト部６−１，６−２にはそれぞれ電極配線７−１，７−２が接続される。電極配線７−１，７−２は、真正半導体シリコン層１を覆うように形成された酸化物クラッド８を貫いて形成される。ＰＩＮダイオード構造においては、ｐ及びｎタイプ領域４、５は、１ｃｍ^３毎に約１０２０のキャリア密度を呈するようにドープ処理することも可能である。また、ＰＩＮ構造においては、ｐタイプ領域４およびｎタイプ領域５は、リブ形状の真正半導体シリコン層１の両側に間隔を置いて配置されている。

第１及び第２の電気コンタクト部６−１，６−２を介して、ＰＩＮダイオードに順方向バイアスを印加すると、導波路内に自由キャリアが注入される。この時、自由キャリアの増加により、真正半導体シリコン層１の屈折率が変化する。それによって、導波路を通して伝達される光の位相変調が行われる。しかし、この光変調動作の速度は、リブ形状の真正半導体シリコン層１内の自由キャリア寿命と、順方向バイアスが取り除かれた後のキャリア拡散速度によって制限される。このようなＰＩＮダイオード位相変調器は、通常、順方向バイアス動作時に１０〜５０Ｍｂ／秒の範囲内の動作速度を有する。これに対し、順方向バイアスが取り除かれた後の動作速度は著しく遅い。シリコン層内に不純物を導入してキャリア寿命を短くすることによって、切り換え速度を増加させることが可能である。しかし、導入された不純物は光変調効率を低下させる。しかも、動作速度に影響する最も大きな因子は、ＲＣ時定数によるものである。このＰＩＮダイオード位相変調器では、順方向バイアス印加時の静電容量（Ｃ）が、ＰＮ接合部のキャリア空乏層の減少により非常に大きくなる。理論的には、ＰＮ接合部に逆バイアスを印加することにより高速動作を達成することは可能である。しかし、それには、比較的大きな駆動電圧あるいは大きな素子サイズが必要となる。

また、特許文献１には第２の導電性タイプの本体領域とこれと部分的に重なるように積層された第１の導電性タイプのゲート領域からなり、この積層界面に比較的薄い誘電体層を形成したシリコンベース電気光学変調器が記載されている。特許文献２にも同様の構成のＳＯＩベースの光学配列が記載されている。

図２はこの種のＳＩＳ（Silicon-Insulator-Silicon）型構造からなるシリコンベース電気光学変調器を示す図である。図２において、図１の構成要素と同等のものには同一の参照符号を付してある。

図２のシリコンベース電気光学変調器は、ＳＯＩプラットフォーム上に形成される。その本体領域１０５は、ＳＯＩ基板の真正半導体シリコン層１０６に形成される。また、ゲート領域１０７はＳＯＩ構造に積層される多結晶シリコン層１０８に形成される。本体領域１０５とゲート領域１０７との間には誘電体層１２が配置されている。シリコン層１０６及び多結晶シリコン層１０８は、それぞれドープ処理され、ｐドープ半導体シリコン（第１のシリコン半導体層９）及びｎドープ多結晶シリコン（第２のシリコン半導体層１０）を構成する。また、シリコン層１０６及び多結晶シリコン層１０８は、高濃度にドープ処理されたｐタイプ領域４及びｎタイプ領域（ｎ＋ドープ多結晶シリコン層）１１をそれぞれ含む。第１のシリコン半導体層９及び第２の半導体シリコン層１０の各々の一部が、それぞれ本体領域１０５及びゲート領域１０７として機能する。これらのドープ処理された領域では、キャリア密度が外部信号電圧により変化する。つまり、ドープ処理された領域のキャリア密度は動的に外部制御することができる。誘電体層１２の両側において、自由キャリアが蓄積、除去、または反転されることにより、本体領域１０５を通過する光の位相変調がなされる。この位相変調を効率的に実現するためには、キャリア密度が動的に外部制御される領域が、理想的には光信号電界と一致していることが望ましい。しかし、実際にはキャリア密度が動的に変化する領域は、光信号電界の広がりに比べ、数十ｎｍ程度と非常に薄い。このため所望の光位相変調を実現するには、ｍｍオーダーの光変調長さ（図の表裏方向長さ）が必要となる。その結果、電気光学装置のサイズは大きくなり、高速動作は難しくなる。

また、特許文献３には、シリコンベース電気光学装置（ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型Ｓｉ変調器）が記載されている。この電気光学装置では、第１の導電型の第１のシリコン半導体層と第２の導電型の第２のシリコン半導体層との積層構造がリブ導波路形状を有して光の閉じ込め領域を構成している。また、この電気光学装置は、図３に示すように、リブ型導波路１１０のスラブ部分１１１に、電極配線（金属電極）７−１が接続された領域を有している。この電極配線７−１が接続された領域においてスラブ部分１１１の厚さは、その周囲のスラブ部分１１１の厚さよりも大きい。さらに、電極配線７−１，７−２が接続された領域は、そこからリブ型導波路１１０までの距離を変化させたときにリブ型導波路１１０の０次モードの実効屈折率が変化しない距離の範囲内に設けられている。

このシリコンベース電気光学装置では、第１の導電型の第１のシリコン半導体層９に電気的に接続される電極層（不図示）と第２の導電型の第２のシリコン半導体層１０に電気的に接続される電極層（不図示）との間で干渉が生じないようにしなければならない。つまり、第１のシリコン半導体層９に電気的に接続される電極層を、第２のシリコン半導体層１０に電気的に接続される電極層から離れた位置に形成しなければならない。ここで、第２の導電型の第２のシリコン半導体層１０に電気的に接続される電極層を、リブ型導波路１１０の近く（図の中央側）に配置すると、光損失が大きくなる。そのため、第２の導電型の第２のシリコン半導体層１０に電気的に接続される電極層は、リブ型導波路１１０からある程度離さなければならない。そのため、第１のシリコン半導体層９に接続される電極層は、さらにリブ型導波路１１０から離れた位置に設けなければならない。その結果、第１のシリコン半導体層９から電極層に至る配線距離が長くなり引出抵抗が高くなる。

特表２００６−５１５０８２号公報 特表２００７−５２５７１１号公報 特開２０１１−１８０５９５号公報

William M. J. Green, Michael J. Rooks, Lidija Sekaric, and Yurii A. Vlasof, Opt. Express 15, 17106-171113 (2007), "Ultra-compact, low RF power, 10Gb/s silicon Mach-Zehnder modulator."

上述したように、非特許文献１及び特許文献１〜３に記載された電気光学装置には、いくつかの問題点がある。例えば、Ｓｉ基板上に集積化可能なシリコンベース電気光学装置において、低コスト、低電流密度、低消費電力、高い変調度、低電圧駆動、および高速変調を全て実現することは困難である。特に、サブミクロンの領域内でこれらを実現可能な、キャリアプラズマ効果に基づく光変調器構造を実現することは困難である。

また、特許文献３に記載されるようなＭＯＳ型Ｓｉ変調器では、小型・低電圧化が可能であるが、依然として以下のような要求がある。即ち、リブ型Ｓｉ導波路と高効率に結合し、変調効率を高めると共に、多結晶Ｓｉやリブ型導波路におけるスラブ層を構成する薄いＳｉ層による引出抵抗の低抵抗化および低光損失化が求められている。

発明者は、上記問題点や要求に対する答えを得るため鋭意研究を続けるうちに、下記の問題点を解決することにより、上記問題点や要求に対する解決策又は改善策を提供できることを見出した。

即ち、特許文献３に記載されたシリコンベース電気光学装置では、第２の導電型の第２のシリコン半導体層１０のｎタイプ領域１１が、第１の導電型の第１のシリコン半導体層９（及びｐタイプ領域４）と積層方向に重なるように形成されている。ここで、第１のシリコン半導体層９に形成されたｐタイプ領域４は、電極引出抵抗を低減するために、リブ型導波路１１０の方へ延び、ｎタイプ領域１１の下方にまで達している。この構造では、ｎタイプ領域１１を形成するために高温アニールを行うと、望まずして不純物が第１のシリコン半導体層９にまで拡散する恐れがある。そして、この不純物拡散は、ｐタイプ領域４の電気抵抗にも影響する。また、これを回避するために、ｎタイプ領域１１を形成する際のアニール温度を低くすると、ｎタイプ領域１１において十分なアニール効果を得ることできない。このように、特許文献３に記載されたシリコンベース電気光学装置には、高濃度不純物導入領域の形成の際、適切なアニールを行うことが困難であるという問題点がある。

本発明の目的は、上述した課題を解決するための技術を提供することであり、リブ型導波路を有し、かつ高濃度不純物導入領域の形成に適切なアニールを行える構造の電気光学装置を提供することにある。

本発明の一態様に係る電気光学装置は、リブ部及び前記リブ部から第１の方向へ延びる第１のスラブ部を含むリブ型導波路を有する第１の半導体層と、前記リブ部上に形成された誘電体層と、前記誘電体層の上面から前記第１の方向とは逆の第２の方向へと延びる第２の半導体層と、前記第１のスラブ部に前記第１の方向の側で接するように前記第１の半導体層に形成された第１の高濃度不純物領域と、前記第２の半導体層の前記第２の方向寄りの領域に形成された第２の高濃度不純物領域と、を有し、前記第２の高濃度不純物領域は、前記第１の半導体層と積層方向に重なる領域以外の領域に形成されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、リブ型導波路を有し、かつ高濃度不純物導入領域の形成に適切なアニールを行える構造の電気光学装置を提供することができる。

非特許文献１のＰＩＮ構造からなる電気光学装置の構造を示す断面図である。 特許文献１のＳＩＳ構造からなる電気光学装置の構造を示す断面図である。 特許文献３の電気光学装置の構造を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る電気光学装置の構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る電気光学装置の構造を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る電気光学装置の構造を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る電気光学装置の構造を示す断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る電気光学装置の構造を示す断面図である。 本発明の第６の実施形態に係る電気光学装置の構造を示す断面図である。 本発明の第７の実施形態に係る電気光学装置の構造を示す断面図である。 本発明の第８の実施形態に係る電気光学装置の構造を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る電気光学装置の製造プロセスを工程順に説明するための断面図である。 図１２に示す工程に続く工程を説明するための断面図である。 図１３に示す工程に続く工程を説明するための断面図である。 本発明の電気光学装置及び関連する電気光学装置の光変調特性の周波数依存性を示すグラフである。 本発明の電気光学装置が適用されるマッハ・ツェンダー干渉計型の光強度変調器の一構成例を示す平面図である。

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

本発明の実施形態に係る電気光学装置は、具体的には、情報処理および通信分野において必要となる、高速電気信号を光信号に高速に変換するシリコンベース電気光学変調器である。この電気光学装置は、十分な高速動作を実現するため、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板上に形成されたシリコン−絶縁体−シリコンからなるキャパシタ構造を利用する。

本発明の第１の実施形態に係る電気光学装置は、第１の導電タイプを呈するようにドープ処理された第１の半導体層（第１のシリコン半導体層）と第２の導電タイプを呈するようにドープ処理された第２の半導体層（第２のシリコン半導体層）の少なくとも一部が積層された構造を含む。第１のシリコン半導体層は、リブ導波路形状に加工されており、少なくともそのリブ部上に第２のシリコン半導体層が積層される。積層された第１のシリコン半導体層と第２のシリコン半導体層の間には、比較的薄い誘電体層が形成され、いわゆるＳＩＳ（Semiconductor-Insulator-Semiconductor）型接合を形成している。なお、「比較的薄い誘電体層」は、１０ｎｍ程度以下の誘電体層を意味する。

ＳＩＳ型接合において、第１および第２のシリコン半導体層に結合された電気端子からの電気信号により、自由キャリアが、比較的薄い誘導体層の両側で蓄積、除去、または反転する。即ち、本実施形態の電気光学装置は、第１のシリコン半導体層のリブ部を通過する光信号の電界が感じる自由キャリア濃度が変調されることを利用する電気光学装置である。なお、リブ導波路形状は、自由キャリアが、誘電体層の両側で蓄積、除去、または反転する領域内に、光信号電界のピーク強度を有する領域が配置されるように設計される。

上述のように、第１のシリコン半導体層は、リブ導波路形状に加工されている。リブ導波路形状は、リブ部とそれに隣接するスラブ部により形成される。そして、リブ部が、リブ導波路として機能する。第１のシリコン半導体層は、さらにスラブ部に隣接して、高濃度ドープされた第１の電気コンタクト部を有している。

また、第１のシリコン半導体層からなるリブ型導波路のリブ部の上部領域に上記誘電体層が形成されている。この誘電体層上に第２のシリコン半導体層が積層される。第２のシリコン半導体層は誘電体層よりも側方へ広がる領域を有する。その側方へ広がった領域の一部は高濃度ドープされて第２の電気コンタクト部を構成する。

さらに、第１の電気コンタクト部と第２の電気コンタクト部とは、リブ型導波路における光伝搬方向に対して、左右に片側ずつ形成されている。

本実施形態において、リブ導波路形状におけるスラブ部は、リブ部の両側にあってよい。しかしながら、一方のスラブ部、即ち第１の電気コンタクト部とは反対側に位置するスラブ部、の長さ（リブ部から側方へ広がる方向の長さ）は１μｍ以下であることが望ましい。スラブ部の長さを短くすることにより、第１のシリコン半導体層および第２のシリコン半導体層に電圧を印加した際の電界分布の広がりを抑制することが可能となる。これにより、より低電圧で動作可能なシリコンベース電気光学装置を実現することが可能となる。

また、本実施形態において、第１の電気コンタクト部の高さは、リブ導波路形状におけるリブ部と同等の高さに設定されてよい。これにより、リブ導波路形状の光位相変調部からスラブ部を介して電極に接続するまでの、電極引出し抵抗を低減出来ると共に、作製容易性や作製マージンを改善することが可能となる。

さらに、本実施形態において、第１のシリコン半導体層のリブ部の上部領域中に第１の導電タイプを呈する少なくとも１層からなるＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層が、少なくとも一部埋め込まれて形成されてよい。これにより、キャリアプラズマ効果が改善され、より小型・低電圧な前記シリコンベース電気光学装置を実現することが可能となる。

さらにまた、本実施形態において、誘電体層は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、ハフニウム酸化物、ジルコニウム酸化物、希土類酸化物から選択されるいずれか１種類、あるいは少なくとも２種類からなる合金または積層膜であってよい。

また、本実施形態において、第１及び第２のシリコン半導体層の各々は、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、歪シリコン、単結晶シリコン、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘからなる群から選択される少なくとも一層からなる層であってよい。

さらに、本実施形態において、電気端子は、光信号損失を小さくするように、かつ低い直列抵抗を与えるように配置されてよい。

以下、本発明の他の実施形態に係るシリコンベース電気光学装置の特定の例示的な構造を説明する前に、シリコン内の変調メカニズムの概要について説明する。後述する実施形態に係るいくつかが変調構造に関連しているが、本発明のシリコンベース電気光学装置は、以下に説明する電気光学効果（自由キャリアプラズマ効果）を利用するものである。

前述したように、純粋なシリコンでは、電気光学効果が生じないか、または生じても非常に小さい。このため、シリコンベースの光変調器では、自由キャリアプラズマ効果と熱光学効果が光変調動作に有効である。本発明の実施形態が目的とする高速動作（Ｇｂ／秒以上）のためには、自由キャリアプラズマ効果が特に有効である。自由キャリアプラズマ効果は、以下の関係式の１次近似値で説明される。

式中、ΔｎおよびΔｋは、シリコン層の屈折率変化の実部および虚部を表わす。ｅは電荷、λは光波長、ε_０は真空中の誘電率、ｎは真性半導体シリコンの屈折率を表す。また、ｍ_ｅは電子キャリアの有効質量、ｍ_ｈはホールキャリアの有効質量を表す。また、μ_ｅは電子キャリアの移動度、μ_ｈはホールキャリアの移動度を表す。さらに、ΔＮ_ｅは電子キャリアの濃度変化、ΔＮ_ｈはホールキャリアの濃度変化を表す。

上記式より、電子およびホールキャリアの有効質量を小さくすること、すなわちＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層などを適用することにより、より大きな屈折率変化を得ることが可能であることが理解される。

しかしながら、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層の適用は、光吸収損失を上昇させる。つまり、変調効率と光損失とはトレードオフの関係にある。このトレードオフの問題を軽減するため、組成の異なる複数のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層をシリコン層に積層して、光コア領域にＧｅ組成の大きいＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層を配置することができる。あるいはＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層を組成変調して、光コア領域にＧｅ組成の大きいＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層を配置することができる。これにより、変調効率と光損失とのトレードオフの問題を軽減することが可能となる。

また、シリコン中の電気光学効果の実験的な評価が行われており、光通信システムで使用する１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍ波長でのキャリア密度に対する屈折率変化は、ドルーデ（Drude）の式と良く一致することが分かっている。そして、これを利用した電気光学変調器においては、位相変化量は以下の式で定義される。

式中、Ｌは電気光学変調器の光伝播方向に沿ったアクティブ層の長さである。

本発明の実施形態に係る電気光学装置における位相変化量は、その光吸収量を考慮すると、比較的大きいと言える。そして、以下に述べる実施形態に係る電気光学装置は、基本的に位相変調器としての特徴を示す。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態についてさらに詳細に説明する。以下に説明するように、各実施の形態に係る電気光学装置は、ＳＯＩ基板上にシリコン半導体−誘電体層−シリコン半導体（ＳＩＳ）接合を形成し、自由キャリアプラズマ効果を利用する電気光学位相変調器である。

前述のように、図１及び図２に示すＰＩＮ構造やＳＩＳ構造の電気光学装置には、光フィールドとキャリア密度が変調される領域とのオーバーラップが小さく、そのサイズが大きくなるという欠点がある。また、図３に示すＳＩＳ構造の電気光学装置では、第１の導電型の第１のシリコン半導体層と第２の導電型の第２のシリコン半導体層にそれぞれ接続される電極層が互いに干渉しないように、これらを互いに離れた位置に配置する必要がある。そのため、第１のシリコン半導体層から電極層に至る引出抵抗が高くなるという課題がある。一方、この課題を少しでも解決するため、第２のシリコン半導体層に接続される電極層を、リブ型導波路に近づけると、光損失が大きくなるという課題が生じる。

本発明の第１の実施形態に係る電気光学装置は、これら図１乃至図３に示す電気光学装置が有する問題点（欠点や課題）の少なくとも一部を改善するため、図４に示す構造を採用する。

図４に示す構造は、第１の導電タイプを呈するようにドープ処理された第１のシリコン半導体層９と第２の導電タイプを呈するようにドープ処理された第２のシリコン半導体層１０の少なくとも一部が積層された構造を含む。そして、これら積層された半導体層の間に、比較的薄い誘電体層（絶縁膜）１２が形成されて、ＳＩＳ（Semiconductor-Insulator-Semiconductor）型接合を形成する。このＳＩＳ型構造部分において、第１および第２のシリコン半導体層９，１０に結合された電気端子である電極配線７−１，７−２からの電気信号により、自由キャリアが、誘電体層１２の両側で蓄積、除去、または反転する。これにより、ＳＩＳ型構造部分を通過する光信号の電界が感じる自由キャリア濃度が変調される。

第１のシリコン半導体層９は、リブ導波路形状に加工されている。即ち、第１のシリコン半導体層９は、リブ部１４１と、その両側に延びる第１及び第２のスラブ部１４２，１４３を有している。リブ部１４１は、図の表裏方向に延在し、光導波路（リブ型導波路）として機能する。第１のスラブ部１４２は、図の左方向（第１の方向）に延び（又は拡がり）、第２のスラブ部１４３は、図の右方向（第２の方向）へ延びて（拡がって）いる。ただし、第２のスラブ部１４３は、第１のスラブ部１４２に比べ図の左右方向に関して非常に短いか、無くてもよい。

第１のシリコン半導体層９は、さらに、第１のスラブ部１４２に隣接して、高濃度ドープされたｐタイプ領域４を有する。ｐタイプ領域４の一部は、第１の電気コンタクト部６−１として機能する。

第１のシリコン半導体層９からなるリブ部１４１の上面に誘電体層１２が形成されている。誘電体層１２の上面及びその側方へ延びるように第２のシリコン半導体層１０が積層されている。第２のシリコン半導体層１０は、主として第２の方向へ延びる（広がる）ように形成されている。第２のシリコン半導体層１０の一部（第２の方向寄りの領域）には、不純物が高濃度ドープされたｎタイプ領域１１を有する。ｎタイプ領域１１の一部は、第２の電気コンタクト部６−２として機能する。

図４から容易に理解されるように、第１の電気コンタクト部６−１と第２の電気コンタクト部６−２は、リブ型導波路における光伝搬方向（図の略中央における紙面表裏方向）に対して、左右に片側ずつ形成されている。換言すると、第１の電気コンタクト部６−１は、リブ型導波路に関して第１の方向に位置し、第２の電気コンタクト部６−２は、リブ型導波路に関して第２の方向に位置している。また、第２の電気コンタクト部６−２（ｎタイプ領域１１）は、第１のシリコン半導体層９と積層方向に重なる領域以外の領域に形成されている。つまり、第２の電気コンタクト部６−２（ｎタイプ領域１１）は、第１のシリコン半導体層９が形成されていない領域の上方に形成されている。

この構造では、ｎタイプ領域１１の積層方向下側に第１のシリコン半導体層９が存在しない。そのため、ｎタイプ領域１１の形成の際に高温アニールを行っても、望まない不純物拡散による第１のシリコン半導体層９への影響は無いか小さい。少なくとも、ｐタイプ領域４への影響は、実質上無いと言える。したがって、ｎタイプ領域１１の形成の際、十分に高い温度でアニールを行うことができる。これにより、不純物導入に伴いｎタイプ領域１１に発生する結晶格子の欠陥を十分に修復することができる。しかも、ｐタイプ領域４を含む給電経路の電気抵抗（電極引出抵抗）を上昇させることも実質的にない。その結果、電気光学装置として良好な特性を得ることができる。

また、この構造は、第１の電気コンタクト部６−１と第２の電気コンタクト部６−２とがリブ型導波路の左右に配置されている。それゆえ、この構造は、図３に示すＳＩＳ型接合構造の電気光学装置に比較して、第１の電気コンタクト部６−１をリブ型導波路に顕著に近づけることが可能となる。その結果、電極引出抵抗を低減し、高速動作を実現することが可能である。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る電気光学装置の構造を示す図である。図では分り難いが、この電気光学装置では、リブ導波路形状における第２のスラブ部１４３の長さを１μｍ以下に設定している。第２のスラブ部１４３は、無くてもよいが、リブ型導波路を通過する光の強度分布（断面形状）をより左右対称に近づけるには、１μｍ程度の長さが必要である。一方、スラブ部１４３の存在は、第１のシリコン半導体層９に印加される電圧による電界を拡げ、変調特性を劣化させる。よってこれらのトレードオフの妥協点として、スラブ部１４３の長さを１μｍ以下に設定することが好ましい。これにより、電気光学装置の入力側及び出力側への光ファイバ等との結合を良好に行えるとともに、印加電圧による電界分布の広がりを抑制することができる。その結果、より低電圧で動作可能な電気光学装置を実現することが可能である。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る電気光学装置の構造を示す図である。この電気光学装置では、第１のシリコン半導体層９において、ｐタイプ領域４の一部（電気コンタクト部６−１を含む）がリブ部１４１と同等の厚みを有している。つまり、第１の電気コンタクト部６−１は、リブ導波路形状におけるリブ部１４１と同等の高さを有する。これにより、電極配線７−１を短くし、電極引出し抵抗、すなわち直列抵抗成分を小さくして、ＲＣ時定数を小さくすることが可能である。よって、この電気光学装置は、図５のものに比べて、高い光変調効率を維持したまま、より高速動作が可能になる。

さらに、第２のシリコン半導体層１０の厚さを調整することにより、光フィールドとキャリア密度が変調される領域とのオーバーラップ範囲の形状や広さを改善することができる。これにより、電気光学装置の小型化も可能である。

なお、ドーピング密度を上昇させた領域と光フィールドとがオーバーラップすると光吸収損失は大きくなる。上記実施の形態は、いずれも、リブ（又はリッジ）形状の光導波路を採用し、ドーピング密度を上昇させた領域は、第１のスラブ部１４２に接する領域に設けている。これにより、光損失が小さく、ＲＣ時定数の小さい、高速動作する電気光学装置を得ることが可能となる。また、この構成は、リブ部と同等の高さを持つ第１の電気コンタクト部６−１をリブ部１４１側に近づけた時に生じる高次光伝搬モードの励振を抑制することも可能となる。

図７及び図８は、本発明の第４及び第５の実施形態に係る電気光学装置の構造をそれぞれ示す図である。図７に示す電気光学装置は、リブ部１４１の上部領域にＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層１３を有している。また、図８に示す電気光学装置は、リブ部１４１の上部領域に２層以上の（組成比の異なる）Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層が積層されたＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ積層層１４を有している。これらＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１３又はＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ積層層１４の少なくとも一部は、リブ部１４１に埋め込み形成されている。

本実施の形態によれば、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１３又はＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ積層層１４を設けたことで、変調効率をさらに高めることが可能である。なお、変調効率を高めるために、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層１３及びＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ積層層１４の厚さは、自由キャリアが誘電体層１２の両側で蓄積、除去、または反転する半導体層の厚さＷに対して、２Ｗ以下であることが望ましい。Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１３又はＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ積層層１４の厚さが２Ｗ以上でも変調効率は改善されるが、より効果的には２Ｗ以下であることが望ましい。

図９は、本発明の第６の実施形態に係る電気光学装置の構造を示す図である。本実施の形態では、膜厚方向に組成を変化させた（組成変調された）組成変調Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層１５が、リブ部１４１の上部領域に形成されている。この組成変調Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１５は、Ｇｅ組成の大きい方が下層側に位置するように、膜厚方向に組成変調されている。光コア領域にＧｅ組成の大きい層を配置することにより、光変調効率の改善と共に、光損失の増大を低減することが可能となる。

図１０は、本発明の第７の実施形態に係る電気光学装置の構造を示す図である。本実施形態では、格子歪が導入された歪Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層１６が、リブ部１４１の上部領域に形成されている。歪Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１６に格子歪を導入することにより、キャリアの有効質量が低減し、より大きな光変調効率を得ることが可能となる。

図１１は、本発明の第８の実施形態に係る電気光学装置の構造を示す図である。本実施の形態では、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層１３の上面に酸化又は窒化Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１７を形成している。この酸化又は窒化Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１７は、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１３を形成した後、その表面を酸化あるいは窒化処理することにより形成することができる。この酸化又は窒化Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層１７は、誘電体層１２の一部あるいは全部をなすように構成されてよい。そうすることで、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層１３と誘電体層１２との界面の欠陥密度が低減され、より安定した光位相変調動作が得られる。

以上説明した各実施形態に係る電気光学装置において生じる空乏層の最大厚Ｗは、熱平衡状態では下記数式で与えられる。

ここでε_ｓは半導体層の誘電率、ｋはボルツマン定数、Ｎ_ｃはキャリア密度、ｎ_ｉは真性キャリア濃度、ｅは電荷量である。例えば、Ｎ_ｃが１０１７／ｃｍ^３の時、最大空乏層厚は０．１μｍ程度である。そして、キャリア密度が上昇するに伴い、空乏層厚、すなわちキャリア密度の変調が生じる領域の厚みは薄くなる。

上述した各実施の形態において、第１および第２のシリコン半導体層９，１０の各々は、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、歪シリコン、単結晶シリコン、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘからなる群から選択される少なくとも一層により構成される。

次に、図１２〜図１４を参照して、図６に示す第３の実施形態に係る電気光学装置の製造方法について説明する。

概略、この方法では、まず、第１の導電タイプを呈する第１のシリコン半導体層をリブ導波路形状に加工する。次に、第１のシリコン半導体層のリブ導波路形状のスラブ部に隣接する領域に高濃度ドープ処理を行い第１の電気コンタクト部を形成する。次に、リブ型導波路のリブ部の上面に比較的薄い誘電体層を形成する。この後、第２の導電タイプを呈するようにドープ処理された第２のシリコン半導体層を積層する。それから、第２のシリコン半導体層の一部に高濃度ドープ処理を行い、第２の電気コンタクト部を形成する。以下、詳細に説明する。

図１２（ａ）は、電気光学装置を形成するために用いられるＳＯＩ基板の断面図である。このＳＯＩ基板は、支持基板３に埋め込み形成された埋め込み酸化層２の上に１００〜１０００ｎｍ程度のＳｉ層（９）を積層して構成されている。光損失を低減するために、埋め込み酸化層厚は１０００ｎｍ以上とすることができる。この埋め込み酸化層２の上のＳｉ層は、第１のシリコン半導体層９として利用するため、第１の導電タイプを呈するように予めドーピング処理されていてよい。あるいはイオン注入などの方法により、Ｓｉ層の表面層に不純物（リン（Ｐ）やボロン（Ｂ））をドープ処理した後、熱処理を行うことで、Ｓｉ層が第１の導電タイプを呈する第１のシリコン半導体層９となるようにしても良い。

次に、図１２（ｂ）に示すように、第１のシリコン半導体層９の上面に酸化膜マスク１８とＳｉＮ_ｘハードマスク層１９の積層構造を形成する。それから、酸化膜マスク１８とＳｉＮ_ｘハードマスク層１９を加工して、第１のシリコン半導体層９にリブ導波路形状を形成するためのマスクを形成する。即ち、ＵＶリソグラフィとドライエッチング法などを用いて、酸化膜マスク１８とＳｉＮ_ｘハードマスク層１９を所定形状にパターニングする。

次に、図１２（ｃ）に示すように、酸化膜マスク１８とＳｉＮ_ｘハードマスク１９層をマスクにして、第１のシリコン半導体層９をパターニングし、リブ導波路形状を形成する。これにより、リブ部１４１とスラブ部１４２，１４３が形成される。本実施形態では、この時、後にｐタイプ領域４となる部分もエッチングされることなく残留させる。この後、第２のスラブ部１４３を形成するように第１のシリコン半導体層９の不要領域（図の右側部分）を除去する。これは、図示しない別のマスクを用いるエッチング等により実現できる。

次に、図１３（ａ）に示すように、第１のシリコン半導体層９の第１のスラブ部１４２に隣接領域にイオン注入法などを用いて不純物（例えばＢ）を高濃度にドープし、ｐタイプ領域４を形成する。この領域には、リブ部１４１と同等の高さを有する領域が含まれる。

次に、図１３（ｂ）に示すように、酸化物クラッド８を積層し、その上面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により平坦化する。

次に、図１３（ｃ）に示すように、ＳｉＮ_ｘハードマスク層１９および酸化膜マスク１８を熱リン酸および希フッ酸処理などにより除去し、リブ部１４１の上面を露出させる。続いて、露出させたリブ部の上面に５〜１０ｎｍ程度の比較的薄い誘電体層１２を形成する。

次に、図１４（ａ）に示すように、第２のシリコン半導体層１０としてｎドープ多結晶シリコン層を積層する。そして、第２の電気コンタクト部６−２の形成に必要な幅を持つ形状となるように、ドライエッチング法などにより第２のシリコン半導体層１０をパターニングする。

次に、図１４（ｂ）に示すように、その一部が第２の電気コンタクト部６−２となるｎタイプ領域１１を形成するように、イオン注入法などを用いて、第２のシリコン半導体層１０の一部に不純物を高濃度にドープする。

次に、図１４（ｃ）に示すように、酸化物クラッド８をさらに１μｍ程度積層する。それから、酸化物クラッド８を貫いてｐタイプ領域４及びｎタイプ領域１１にそれぞれ達するコンタクトホール２０をドライエッチング法などにより形成する。ｐタイプ領域４及びｎタイプ領域１１のコンタクトホール２０内に露出する部分が、それぞれ第１及び第２の電気コンタクト部６−１，６−２となる。

次に、図１４（ｄ）に示すように、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ａｌ（Ｃｕ）あるいはＴｉ／ＴｉＮ／Ｗなどの積層膜からなり、コンタクトホール２０を埋め込む金属層をスパッタ法やＣＶＤ法により成膜する。それから、成膜した金属層を反応性エッチングによりパターニングすることにより、電極配線７−１，７−２を形成する。

この後、電極配線７−１，７−２にそれぞれ接続される図示しない配線層を形成する。それらの配線層は、図示しない駆動回路との接続に利用される。
以上のようにして、電気光学装置が完成する。

図１５は、本実施形態に係る電気光学装置の光変調効率（正規化応答度）の周波数特性１５１を示すグラフである。比較のため、図１５には、図３の電気光学装置の周波数特性１５２も示している。本実施の形態に係る装置では、図３の装置に比べて第１および第２の電気コンタクト部６−１，６−２の膜厚を大きくすることができる。これにより、第１及び第２のシリコン半導体層９及び１０の各々に接続される直列抵抗を低減することができる。その結果、装置のＲＣ時定数が小さくなり、３０ＧＨｚ程度の周波数帯域での動作を実現できる。

上記に加えて、周波数特性を改善するためには、キャリアの移動度や寿命が非常に重要である。特に、多結晶シリコン層におけるキャリアの移動度は、高速動作する上で問題となり得る。従って、第２のシリコン半導体層１０に多結晶シリコン層を用いた場合は、アニール処理による再結晶化により粒子径を大きくし、キャリア移動度を改善することが有効である。あるいは、第２のシリコン半導体層をエピタキシャル横方向成長（ＥＬＯ：Epitaxial Lateral Overgrowth）法などを用いて形成するなどして、結晶品質を改善することが有効である。

図１６は、本発明のいずれかの実施の形態に係る電気光学装置が適用されるマッハ・ツェンダー干渉計型の光強度変調器の一構成例を示す図である。本例では、平行に配置された第１のアーム２１および第２のアーム２２として、本発明のいずれかの実施形態に係る電気光学装置を用いる。また、この光強度変調器は、第１のアーム２１及び第２のアーム２２に沿って配置された３つの駆動用電極パッド２３を有する。

３つの電極パッド２３のうち中央の電極パッドは、第１のアーム２１及び第２のアーム２２を構成する電気光学装置の電極配線７−１，７−２の一方に共通に接続される。残りの２つの電極パッドは、第１のアーム２１及び第２のアーム２２を構成する電気光学装置の電極配線７−１，７−２の他方にそれぞれ接続される。

さらに、この光強度変調器は、第１のアーム２１及び第２のアーム２２の入力側に結合された光分岐器２４と、それらの出力側に結合された光結合器２５とを有している。光分岐器２４は、入力された光信号を等しいパワーとなるように二分岐し、第１のアーム２１および第２のアーム２２へ二分岐した光信号を出力する。第１のアーム２１と第２のアーム２２は、電極パッド２３に印加された電圧に応じて、各々を通過する光信号の位相変調を行う。光結合器２５は、第１のアーム２１と第２のアーム２２でそれぞれ異なる位相変調を受けた光信号を結合させる。換言すると、光結合器２５は、第１のアーム２１と第２のアーム２２を通過した光信号を相互に位相干渉させ、光強度変調信号に変換する。

例えば、３つの電極パッド２３のうち中央の電極パッドに負電圧を印加し、残りの２つの電極パッドの一方に正電圧を、他方に負電圧を印加するものと仮定する。この場合、例えば、第１のアーム２１を構成する電気光学装置の誘電体層１２の両側でキャリア蓄積が生じ（キャリア蓄積モード）、第２のアーム２２を構成する誘電体層１２の両側のキャリアが除去される（キャリア除去モード）。キャリア蓄積モードでは、電気光学装置における光信号電界が感じる屈折率が小さくなる。一方、キャリア除去（空乏化）モードでは、光信号電界が感じる屈折率が大きくなる。その結果、両アーム２１，２２を通過する光信号の位相差が最大となる。また、すべての電極パッド２３に負電圧を印加すれば、両アーム２１，２２を通過する光信号の位相差は最小（理想的にはゼロ）になる。光結合器２５は、この両アーム２１，２２を通過する光信号を出力側で合波する。その結果、位相差が最大の時に光強度は最小となり、位相差が最小の時に光強度は最大となる。こうして、光強度変調器は、光強度変調を実現する。本実施形態に係る電気光学装置を用いた光強度変調器により、４０Ｇｂｐｓ以上の光信号の送信が可能であることを確認した。

なお、本発明の電気光学装置は、複数のマッハ・ツェンダー干渉計型光強度変調器を並列あるいは直列に接続した高い転送レートを実現する光変調器やマトリックス光スイッチなどにも適用可能である。

以上、本発明についていくつかの実施の形態に即して詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の変形・変更が可能である。

この出願は、２０１５年３月３１日に出願された日本出願特願２０１５−０７１０２２号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１ 真性半導体シリコン層
２ 埋め込み酸化層
３ 支持基板
４ ｐタイプ領域（ｐ＋ドープ半導体シリコン層）
５ ｎタイプ領域（ｎ＋ドープ半導体シリコン層）
６−１ 第１の電気コンタクト部
６−２ 第２の電気コンタクト部
７−１，７−２ 電極配線（金属電極）
８ 酸化物クラッド
９ 第１のシリコン半導体層（ｐドープ半導体シリコン）
１０ 第２のシリコン半導体層（ｎドープ多結晶シリコン）
１１ ｎタイプ領域（ｎ＋ドープ多結晶シリコン層）
１２ 誘電体層
１３ Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層
１４ Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ積層層
１５ 組成変調Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層
１６ 歪Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層
１７ 酸化又は窒化Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）層
１８ 酸化膜マスク
１９ ＳｉＮ_ｘハードマスク層
２０ コンタクトホール
２１ 第１のアーム
２２ 第２のアーム
２３ 駆動用電極パッド
２４ 光分岐器
２５ 光合波器
１０１ 真性半導体領域
１０２，１０３ スラブ領域
１０５ 本体領域
１０６ （真正半導体）シリコン層
１０７ ゲート領域
１０８ 多結晶シリコン層
１１０ リブ型導波路
１１１ スラブ部分
１４１ リブ部
１４２ 第１のスラブ部
１４３ 第２のスラブ部
１５１ 本発明の実施形態に係る電気光学装置の周波数特性
１５２ 関連する電気光学装置の周波数特性

Claims (9)

1. リブ部及び前記リブ部から第１の方向へ延びる第１のスラブ部を含むリブ型導波路を有する第１の半導体層と、
   前記リブ部上のみに形成された誘電体層と、
   前記誘電体層の上面から前記第１の方向とは逆の第２の方向へと延びる第２の半導体層と、
   前記第１のスラブ部に前記第１の方向の側で接するように前記第１の半導体層に形成された第１の高濃度不純物領域と、
   前記第２の半導体層の前記第２の方向寄りの領域であって、前記第１の半導体層と積層方向に重なる領域以外の領域に形成された第２の高濃度不純物領域と、
   を有し、
   前記第１の半導体層は、前記リブ部から前記第２の方向へ延びる第２のスラブ部をさらに有し、前記第２のスラブ部には高純度不純物領域が接していない、ことを特徴とする電気光学装置。
2. 前記第２のスラブ部の前記第２の方向の長さは１μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の電気光学装置。
3. 前記第１の半導体層は、第１の導電タイプを有し、前記第２の半導体層は、第２の導電タイプを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電気光学装置。
4. 前記第１の半導体層は、前記リブ部と同等の高さを有する第１の電気コンタクト部を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の電気光学装置。
5. 前記リブ部に、少なくともその一部が埋め込まれるように、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層又は歪Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層が形成されていることを特徴とする請求項１及至４のいずれか一つに記載の電気光学装置。
6. 前記Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層が、組成の異なる複数のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層の積層層又は組成を膜厚方向に変化させた組成変調Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層であることを特徴とする請求項５に記載の電気光学装置。
7. 前記Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層の表面を酸化あるいは窒化して、前記誘電体層の一部あるいは全部をなすことを特徴とする請求項５又は６に記載の電気光学装置。
8. 前記誘電体層が、シリコン酸化物、シリコン窒化物、ハフニウム酸化物、ジルコニウム酸化物、希土類酸化物から選択されるいずれか１種類、あるいは少なくとも２種類からなる合金または積層膜であることを特徴とする請求項１及至６のいずれか一つに記載の電気光学装置。
9. 前記第１および第２の半導体層の各々が、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、歪シリコン、単結晶シリコン、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘからなる群から選択される少なくとも一層からなることを特徴とする請求項１及至８のいずれか一つに記載の電気光学装置。

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