(57)【要約】  本発明の光変調器は、第１導電型を呈するようにドープ処理された半導体層（８）の少なくとも一部と第２導電型を呈するようにドープ処理された半導体層（９）の少なくとも一部とが誘電体層（１１）を挟んで重なり合って形成されている。また、第１導電型を呈する半導体層（８）および第２導電型を呈する半導体層（９）が誘電体層（１１）を挟んで重なり合った部分において、第１導電型の半導体層（８）の表面は凹凸形状を有している。凹凸形状の第１導電型の半導体層（８）上には誘電体層（１１）が形成され、誘電体層（１１）上に第２導電型の半導体層（９）が形成されている。
2010055826.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹凸形状を有し、第１導電型を呈するようにドープ処理された半導体層と、
第２導電型を呈するようにドープ処理された半導体層と、
前記第１導電の半導体層の凹凸形状部上に形成され、前記第１導電型の半導体層の少なくとも一部と前記第２導電の半導体層の少なくとも一部とに挟まれた誘電体層と、からなる光変調器。
【請求項２】
前記第１導電型の半導体層の表面が有している前記凹凸形状が、光信号の伝播方向に対して、垂直な方向に形成されている、請求の範囲第１項に記載の光変調器。
【請求項３】
前記第１導電型の半導体層の表面が有している前記凹凸形状が、光信号の伝播方向に対して、平行な方向に形成されている、請求の範囲第１項に記載の光変調器。
【請求項４】
前記第１導電型の半導体層の表面が有している前記凹凸形状の凹部と凸部の間隔が、前記第１導電型の半導体層および前記第２導電型の半導体層のそれぞれの内部で自由キャリアが前記誘電体層の両側で蓄積、除去、または反転する領域の厚さＷに対して、２Ｗ以下である、請求の範囲第１項から第３項のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項５】
前記第１導電型の半導体層の表面が有している前記凹凸形状の凹部から凸部までの高さが、前記光変調器における光信号電界が感じる実効的な屈折率をｎｅｆｆ、光信号波長をλとしたとき、λ／ｎｅｆｆ以下である、請求の範囲第１項から第４項のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項６】
自由キャリアが前記誘電体層の両側で蓄積、除去、または反転する領域内に、光信号電界がピーク強度を有する領域が配置される、請求の範囲第１項から第５項のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項７】
前記第１導電型の半導体層と前記第２導電型の半導体層が、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Ｓｉ、ＳｉｘＧｅ（１−ｘ）の少なくとも一層からなる、請求の範囲第１項から第６項のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項８】
前記第１導電型の半導体層および前記第２導電型の半導体層が前記誘電体層を挟んで重なり合った部分を含む光信号が伝播する領域が、リブ導波路構造をしている、請求の範囲第１項から第７項のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項９】
前記第１導電型の半導体層および前記第２導電型の半導体層が前記誘電体層を挟んで重なり合った部分を含む光信号が伝播する領域が、スラブ導波路構造をしている、請求の範囲第１項から第７項のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項１０】
第１導電型を呈するようにドープ処理された半導体層の少なくとも一部と第２導電型を呈するようにドープ処理された半導体層の少なくとも一部とが誘電体層を挟んで重なり合った光変調器と、
マッハ・ツェンダー干渉計構造を構成する、前記光変調器が配置された第１のアームと、前記光変調器が配置された第２のアームと、前記第１のアームおよび前記第２のアームの入力側に結合する光分岐構造と、前記第１のアームおよび前記第２のアームの出力側に結合する光結合構造と、からなる光強度変調器。
【請求項１１】
前記光分岐構造は、前記第１のアームおよび前記第２のアームに対して、１対１で入力信号分配比を与える、請求の範囲第１０項に記載の光強度変調器。
【請求項１２】
複数の前記マッハ・ツェンダー干渉計構造が配置されている、請求の範囲第１０項または第１１項に記載の光強度変調器。
【請求項１３】
複数の前記マッハ・ツェンダー干渉計構造が、並列あるいは直列に配置されている、請求の範囲第１２項に記載の光強度変調器。
【請求項１４】
第１導電型を呈するようにドープ処理された半導体層の表面に凹凸形状を設けるステップと、前記第１導電型の半導体層の前記凹凸形状部上に前記誘電体層を形成するステップと、前記誘電体層上に少なくとも一部が重なるように、第２導電型を呈するようにドープ処理された半導体層を形成するステップとを含む、光変調器の製造方法。
【請求項１５】
前記第１導電型の半導体層の表面の前記凹凸形状を、光信号の伝播方向に対して、垂直な方向に形成する、請求の範囲第１４項に記載の光変調器の製造方法。
【請求項１６】
前記第１導電型の半導体層の表面の前記凹凸形状を、光信号の伝播方向に対して、平行な方向に形成する、請求の範囲第１４項に記載の光変調器の製造方法。
【請求項１７】
前記第１導電型の半導体層の表面が有している前記凹凸形状の凹部と凸部の間隔を、前記第１導電型の半導体層および前記第２導電型の半導体層のそれぞれの内部で自由キャリアが前記誘電体層の両側で蓄積、除去、または反転する領域の厚さＷに対して、２Ｗ以下にする、請求の範囲第１４項から第１６項のいずれか１項に記載の光変調器の製造方法。
【請求項１８】
前記第１導電型の半導体層の表面が有している前記凹凸形状の凹部から凸部までの高さを、前記光変調器における光信号電界が感じる実効的な屈折率をｎｅｆｆ、光信号波長をλとしたとき、λ／ｎｅｆｆ以下にする、請求の範囲第１４項から第１７項のいずれか１項に記載の光変調器の製造方法。
【請求項１９】
自由キャリアが前記誘電体層の両側で蓄積、除去、または反転する領域内に、光信号電界がピーク強度を有する領域を配置する、請求の範囲第１４項から第１８項のいずれか１項に記載の光変調器の製造方法。
【請求項２０】
第１導電型を呈するようにドープ処理された半導体層の少なくとも一部と第２導電型を呈するようにドープ処理された半導体層の少なくとも一部とが誘電体層を挟んで重なり合った光変調器を、マッハ・ツェンダー干渉計構造の第１のアームおよび第２のアームに配置するステップと、前記第１のアームおよび前記第２のアームの入力側に光分岐構造を接続するステップと、前記第１のアームおよび前記第２のアームの出力側に光結合構造を接続するステップとを含む、光強度変調器の製造方法。
【請求項２１】
入力信号分配比を、前記第１のアームおよび前記第２のアームに対して、１対１にする、請求の範囲第２０項に記載の光強度変調器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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光変調器とその製造方法に関し、具体的には、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）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した光変調器とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
業務用が中心であった光ファイバ通信が、家庭用にも幅広く普及してきている。それに伴い、高性能な光通信デバイスが求められている。家庭用光ファイバおよびローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）などの様々な光通信システム用の光通信デバイスとして、１３３０ｎｍおよび１５００ｎｍの光信号の波長で機能するシリコン・ベースの光通信デバイスがある。このシリコン・ベースの光通信デバイスは、非常に有望なデバイスであり、具体的には、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）技術を利用することで、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化することが可能となる。【０００３】
シリコン・ベースの光通信デバイスとして、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幅広く研究されている。また、前述した光通信システム用の、光信号を操作する手段の重要な要素として、シリコン・ベースの光変調器や光スイッチなどの能動デバイスが挙げられ、非常に注目されている。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変調器や光スイッチは光変調速度が低速であるため、光変調周波数が1Ｍｂ／秒以下の装置にしか使用できない。それよりも大きい光変調周波数の装置に対しては、電気光学効果を利用した光変調器が必要である。【０００４】
純シリコンは、Ｐｏｃｋｅｌｓ効果による屈折率の変化を示さず、またＦｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ効果やＫｅｒｒ効果による屈折率の変化も非常に小さい。そのため、現在提案されている電気光学効果を利用した光変調器の多くは、キャリアプラズマ効果を利用する。つまり、シリコン層中の自由キャリア密度を変化させることで、屈折率の実数部と虚数部を変化させて、光の位相や強度を変化させる。【０００５】
光変調器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。現在までに検討されたこのような光変調器の多くは、光変調効率が悪く、光位相変調に必要な長さが１ｍｍ以上であり、１ｋＡ／ｃｍ３より高い注入電流密度を要していた。光変調器の小型化、高集積化、および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デバイス構造が必要である。高い光変調効率が得られることで、光位相変調に必要な長さを短くすることが可能である。また、光通信デバイスのサイズが大きい場合、シリコン基板上での温度の影響を受け易くなり、熱光学効果に起因するシリコン層の屈折率変化により、本来なら得られるはずであった電気光学効果を打ち消してしまうことも考えられる。【０００６】
図１は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に形成されたリブ導波路を利用した、シリコン・ベースの光変調器の関連技術の一例である。基板３の上に、埋め込み酸化層２と、リブ形状をした部分を含む真性半導体１が順番に積層されている。真性半導体１のリブ形状の部分の両側に間隔をおいて、ｐ＋ドープ半導体４とｎ＋ドープ半導体５がそれぞれ形成されている。ｐ＋ドープ半導体４とｎ＋ドープ半導体５は、真性半導体１に部分的に高濃度にドープ処理することによって形成されたものである。図１に示した光変調器の構造は、ＰＩＮ（Ｐ−ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−Ｎ）ダイオードである。ＰＩＮダイオードに順方向および逆方向バイアス電圧が印加されると、真性半導体１内の自由キャリア密度が変化し、キャリアプラズマ効果によって、屈折率が変化する。この例では、真性半導体１のリブ形状の部分の一方の側方に、電極コンタクト層６が配置され、その電極コンタクト層６と対向する位置に、前記したｐ＋ドープ半導体４が形成されている。同様に、真性半導体１のリブ形状の部分の他方の側方にも電極コンタクト層６が配置され、その電極コンタクト層６と対向する位置にｎ＋ドープ半導体５が形成されている。また、リブ形状の部分を含む導波路は酸化物クラッド７により、覆われている。上記したＰＩＮダイオードの構造においては、半導体４、５のキャリア密度が１０２０／ｃｍ３程度になるように高濃度にドープ処理することが可能である。【０００７】
光変調動作時に、電極コンタクト層６に接続された電源から、ＰＩＮダイオードに対して順方向バイアス電圧が印加され、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、真性半導体１の屈折率が変化し、導波路を通して伝播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、真性半導体１のリブ形状の内部の自由キャリア寿命と、順方向バイアス電圧が取り除かれた場合のキャリア拡散によって制限される。このような関連技術のＰＩＮダイオード構造を有する光変調器は、通常、順方向バイアス電圧の印加時に１０〜５０Ｍｂ／秒の範囲内の動作速度を有する。これに対し、キャリア寿命を短くするために、真性半導体１内に不純物を導入することによって、切換速度を増加させることが可能であるが、導入された不純物は光変調効率を低下させるという問題がある。また、動作速度に影響する最も大きな因子は、ＲＣ時定数であり、順方向バイアス電圧印加時の静電容量が、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接合部の高速動作は逆バイアス電圧を印加することにより達成可能であるが、比較的大きな駆動電圧あるいは大きな素子サイズを必要とする。【０００８】
関連技術の他の一例として、基板３上に埋め込み酸化層２と、第１導電型の本体領域が順番に積層されており、この本体領域と、本体領域と部分的に重なるように積層された第２導電型のゲート領域とからなり、この積層界面に薄い誘電体層１１が形成されたキャパシタ構造のシリコン・ベースの光変調器が特表２００６−５１５０８２号公報（以下、特許文献１と記す）に開示されている。なお、これ以降「薄い」とは、サブミクロンオーダー（１μｍ未満）を意図している。【０００９】
図２には関連技術によるＳＩＳ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｓｉｌｉｃｏｎ）構造からなるシリコン・ベースの光変調器を示す。光変調器は、基板３と埋め込み酸化層２と本体領域とで構成されたＳＯＩ基板に形成される。本体領域は、ＳＯＩ基板のシリコン層にドープ処理して形成したｐドープ半導体８と、高濃度にドープ処理して形成したｐ＋ドープ半導体４と、電極コンタクト層６とで構成されている。ゲート領域はＳＯＩ基板上に積層された薄いシリコン層にドープ処理して形成したｎドープ半導体９と、高濃度にドープ処理して形成したｎ＋ドープ半導体５と、電極コンタクト層６とで構成されている。そして、埋め込み酸化層２と本体領域とゲート領域との隙間、および本体領域とゲート領域の上方は、酸化物クラッド７を有している。【００１０】
ドープ処理された領域は、キャリア密度変化が外部信号電圧により制御されるようになっている。また、電圧を電極コンタクト層６に印加すると、誘電体層１１の両側で、自由キャリアが蓄積、除去、または反転される。このことにより、光位相変調がなされる。そのため、光信号電界の領域とキャリア密度が動的に外部制御される領域は一致させることが望ましい。
【発明の概要】
【００１１】
特許文献１の方法において、光位相変調は可能だが、実際にはキャリア密度が動的に変化する領域の厚さは数十ｎｍ程度と非常に薄くなってしまう。そのため、ミリメートルオーダー（１ｍｍ以上）の光変調長さが必要であり、光変調器のサイズも大きくなり、かつ高速動作が難しくなる。したがって、シリコン基板上に集積が可能なシリコン・ベースの光変調器において、低コスト、低電流密度、低消費電力、高い変調度、低電圧駆動、および高速変調を厚さがサブミクロンオーダー（１μｍ未満）の領域内で実現可能なキャリアプラズマ効果に基づく光変調器を実現することは困難である。
【００１２】
本発明の目的は、上記課題である、光変調器を小型化し高位相で高速な変調度を持たせるのは困難である、という問題を解決する光変調器とその製造方法を提供することである。
【００１３】
本発明の光変調器は、第１導電型を呈するようにドープ処理された半導体層の少なくとも一部と第２導電型を呈するようにドープ処理された半導体層の少なくとも一部とが誘電体層を挟んで重なり合っている。また、第１導電型を呈する半導体層および第２導電型を呈する半導体層が誘電体層を挟んで重なり合った部分において、第１導電型の半導体層の表面は凹凸形状を有している。さらに、凹凸形状の第１導電型の半導体層上に誘電体層が形成され、誘電体層上に第２導電型の半導体層が形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】関連技術の光変調器の一例の概略構成図である。
【図２】関連技術の光変調器の他の一例の概略構成図である。
【図３】本発明の光変調器の一実施形態の概略図である。
【図４】図３に示す光変調器のＡＡ’断面図である。
【図５】本発明の光変調器の他の一実施形態の概略図である。
【図６Ａ】本発明の光変調器のさらに他の一実施形態の概略図であり、光の伝播方向から見た図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示す光変調器のＢＢ’断面図である。
【図６Ｃ】図６Aに示す光変調器のＣＣ’断面図である。
【図７Ａ】図３に示す光変調器の製造過程の一番初めを示した図である。
【図７Ｂ】図７Ａの続きの製造過程を示した図である。
【図７Ｃ】図７Ｂの続きの製造過程を示した図である。
【図７Ｄ】図７Ｃの続きの製造過程を示した図である。
【図８Ａ】図７Ｄの続きの製造過程を示した図である。
【図８Ｂ】図８Ａの続きの製造過程を示した図である。
【図８Ｃ】図８Ｂの続きの製造過程を示した図である。
【図８Ｄ】図８Ｃの続きの製造過程を示した図である。
【図９】図８Ｄの続きの製造過程を示した図である。
【図１０】本発明の光変調器と従来技術の光変調器における光変調長さと光位相シフト量との関係を示した図である。
【図１１】本発明の光変調器と従来技術の光変調器におけるキャリア密度と周波数帯域の関係を示した図である。
【図１２】本発明の光変調器を用いたマッハ・ツェンダー干渉計型の光強度変調器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。なお、同一の機能を有する構成には添付図面中、同一の番号を付与し、その説明を省略することがある。
【００１６】
本発明の光変調器の例示的な構造を説明する前に、本発明の動作の基となっているシリコン層内のキャリア密度の変調メカニズムについて説明する。本発明のシリコン・ベースの光変調器は、以下に説明するキャリアプラズマ効果を利用するものである。
【００１７】
前述したように、純シリコンはＰｏｃｋｅｌｓ効果による屈折率の変化を示さず、またＦｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ効果やＫｅｒｒ効果による屈折率の変化も非常に小さい。そのため、キャリアプラズマ効果と熱光学効果だけが光変調動作に利用できる。しかし、熱光学効果を利用して屈折率を変化させる光変調器は、変調速度が低速である。したがって、本発明が目的とする高速動作（１Ｇｂ／秒以上）のためには、キャリアプラズマ効果によるキャリア拡散だけが効果的である。キャリアプラズマ効果による屈折率の変化は、クラマース・クローニッヒの関係式とＤｒｕｄｅの式から導かれる以下の関係式の一次近似値で説明される。
【００１８】
【数１】
2010055826.tif 000003
【００１９】
【数２】
2010055826.tif 000004
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しており、ｅは電荷、λは光波長、ε０は真空中の誘電率、ｎは真性シリコンの屈折率、ｍｅは電子キャリアの有効質量、ｍｈはホールキャリアの有効質量、μｅは電子キャリアの移動度、μhはホールキャリアの移動度、ΔＮｅは電子キャリアの濃度変化、ΔＮｈはホールキャリアの濃度変化である。シリコン中のキャリアプラズマ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１３３０ｎｍおよび１５００ｎｍの光通信波長でのキャリア密度に対する屈折率変化は、上記の式で求めた結果とよく一致することが分かった。また、キャリアプラズマ効果を利用した光変調器においては、位相変化量は以下の式で定義される。
【００２０】
【数３】
2010055826.tif 000005
Ｌは光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。
【００２１】
キャリアプラズマ効果による位相変化量は電界吸収効果による位相変化量に比べて大いため、以下に述べる光変調器は基本的に位相変調器としての特徴を示すことが出来る。
【００２２】
本発明のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板上にシリコン−誘電体層−シリコンのキャパシタ構造をしている自由キャリアプラズマ効果を用いた光変調器を以下に説明する。
【００２３】
図３は本発明に係る光変調器の一実施形態における概略断面図である。この光変調器の基本構成を説明すると、基板３上に埋め込み酸化層２が形成され、さらにその上にリブ構造を有する第１導電型の半導体８と、誘電体層１１と、第２導電型の半導体層９とが順番に積層されている。基板３と、埋め込み酸化層２と、第１導電型の半導体８とによってＳＯＩ基板が構成されている。なお、図中において、矢印が光の伝播方向を示している。ＳＯＩ基板に形成されたリブ導波路を構成する第１導電型の半導体（以降「ｐドープ半導体」とする）８の表面は、光の伝播方向に対して直交する方向に窪み（窪みの長手方向が光の伝播方向に平行になっている）が掘られ、凹凸形状が形成されている。そしてこの凹凸形状が形成されているすべての部分を、薄い（以後「薄い」とはサブミクロンオーダー（１μｍ未満）を指す）誘電体層１１が覆っている。薄い誘電体層１１上には第２導電型の半導体（以後「ｎドープ半導体」とする）９がさらに堆積することで、リブ形状が形成されている。リブ形状の両側のスラブ領域には、高濃度にドープ処理されたドープ領域（以後「ｐ＋ドープ半導体」とする）４が形成され、第２導電型の半導体９上にも、高濃度にドープ処理されたドープ領域（以後「ｎ＋ドープ半導体」とする）５が形成されている。また、ｐ＋ドープ半導体４とｎ＋ドープ半導体５の上には、電極コンタクト層６がそれぞれ設けられている。また、導波路全体を酸化物クラッド７で覆っている。
【００２４】
図３に示す本発明の構造では、キャパシタ構造の接合界面に凹凸形状を設けることにより、光フィールドとキャリア密度変調領域のオーバーラップが大きくなり、光変調長さが短くても光の変調が十分可能である。そのため、光変調器の寸法を小さくすることができる。また、キャパシタ構造の接合界面に隣接した第１導電型を呈するようにドープされた領域および第２の導電型を呈するようにドープされた領域のドーピング密度をさらに上昇させることにより、直列抵抗成分を小さくし、ＲＣ時定数を小さくすることも可能である。
【００２５】
このドーピング密度を上昇させた領域と光フィールドとのオーバーラップによる光吸収損失を低減するために、本発明の光変調器は図３に示すようなリブ導波路とした。また、スラブ領域のドーピング密度を上昇させた構造とすることにより、光損失が小さく、またＲＣ時定数の小さい、高速動作する光変調器を得ることも可能となる。
【００２６】
キャパシタ構造の接合界面付近の領域で、キャリア変調が生じる部分の厚みをＷとすると、最大空乏層厚（キャリア変調が引き起こされる厚み）Ｗは、熱平衡状態では下記数式で与えられる。
【００２７】
【数４】
2010055826.tif 000006
εｓは、半導体層の誘電率、ｋはボルツマン定数、Ｎｃはキャリア密度、ｎｉは真性キャリア濃度、ｅは電荷量である。例えば、Ｎｃが１０１７／ｃｍ３の時、最大空乏層厚は０．１μｍ程度であり、キャリア密度が上昇するに従い、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。
【００２８】
図４に図３のＡＡ’断面図を示す。ｐドープ半導体８上に設けられた凹部と凸部の間隔をＸとすると、Ｘは２Ｗ以下であることが望ましい。凹部と凸部の間隔を２Ｗ以下とすると、隣接する凹凸間のキャリア変調領域がオーバーラップするので、より高い光変調効果が得られる。ただし、隣接する凹凸形状の凹部と凸部の間隔を２Ｗ以上にした場合でも光変調効率を改善する効果を得ることは可能である。
【００２９】
光信号電界が感じる実効的な屈折率をｎｅｆｆ、光信号波長をλとした時、光のフィールドサイズはλ／ｎｅｆｆである。そのため、図３で示した光変調器において、ｐドープ半導体８表面に設けられた凹部から凸部までの高さは、λ／ｎｅｆｆ以下であることが望ましい。そうすることで、光フィールドとキャリア密度変調が行われる領域との重なりが最大となり、効率的な光位相変調を実現することができる。
【００３０】
図５は本発明の光変調器の他の実施形態における概略図である。本実施形態においては、ＳＯＩ層の表面は、光の伝送方向に対して直交する方向に凹凸形状が形成されている。この光変調器はスラブ導波路形状をしているが、スラブ導波路の内部に図３の構造とは逆の向きのリブ構造を有している。凹凸形状を有するｐドープ半導体８上に薄い誘電体層１１が堆積し、さらに、ｎドープ半導体９が堆積している。光信号電界の大きさを小さくするために、電極引出しのための左右に広がるｐおよびｎドープ半導体８、９層の厚みを１００ｎｍ以下としている。これにより、高濃度にドープ処理したｐ＋ドープ半導体４およびｎ＋ドープ半導体５の領域を光変調領域に隣接して配置することが可能となる。そのため、直列抵抗成分を低減するとともに、キャリアの蓄積および除去が高速に行われることとなり、光変調器のサイズが小さくなると共に、高速化および低電力化が実現されることとなる。ｐ＋ドープ半導体４およびｎ＋ドープ半導体５上に電極コンタクト層６が設けられ、ている。ｐドープ半導体８、誘電体層１１、ｎドープ半導体９、ｐ＋ドープ半導体４、ｎ＋半導体５、電極コンタクト層６、基板３および埋め込み酸化層２以外の部分は酸化物クラッド７で覆われている。
【００３１】
図６Ａ〜図６Ｃは本発明の光変調器のさらに他の実施形態における概略図である。図６Ａは、光の伝送方向から見た図であり、図６Ｂは、図６ＡのＢＢ’断面を示した図であり、図６Ｃは、図６ＡのＣＣ’断面を示した図である。なお、矢印の方向が光の伝播方向である（図６Ａにおいては、手前から奥方向）。
【００３２】
ＳＯＩ基板上に形成されたリブ導波路内のｐドープ半導体８の表面には、光の伝播方向に対して平行に窪み（窪みの長手方向が光の伝播方向に直交している）が掘られ、凹凸形状が形成されており、その凹凸形状上のすべての部分が、薄い誘電体層１１で覆われている。この薄い誘電体層１１上にはｎドープ半導体９が堆積されている。さらにこのｎドープ半導体９の上には高濃度にドープ処理されたｎ＋ドープ半導体５が堆積されている。リブ形状をした領域の両側のスラブ領域には、高濃度にドープ処理されたｐ＋ドープ半導体４が形成されている。また、ｐ＋ドープ半導体４と、ｎ＋ドープ半導体５には、電極コンタクト層６が設けられており、さらに導波路全体が酸化物クラッド７で覆われている。
【００３３】
ｐドープ半導体８に形成された凹凸形状の凹部と凸部の間隔をＹとし、キャリア密度が変調される領域の厚みをＷとすると、前述の理由からＹは２Ｗ以下が好ましい。また、凹凸形状の周期が、光信号の群速度を遅くするように形成されるか、あるいは光信号の反射を抑制するために、非周期的に光信号電界が感じる実効的な屈折率をｎｅｆｆ、光信号波長をλとすると、λ／ｎｅｆｆ以下の間隔となるように形成されてもよい。
【００３４】
図７Ａから図９に、本発明の凹凸形状を有するキャリア変調領域を形成する方法の一例を示す。
【００３５】
図７Ａは、本発明の光変調器を形成するために用いるＳＯＩ基板の断面図である。このＳＯＩ基板は、基板３上に埋め込み酸化層２が積層され、さらにその上に１００から１０００ｎｍ（１μｍ）程度のシリコン層８が積層された構造からなる。光損失を低減するために、埋め込み酸化層２の厚さは１０００ｎｍ（１μｍ）以上とした。この埋め込み酸化層２上のシリコン層８は、第１導電型を呈するように予めドーピング処理された基板を用いるか、あるいはイオン注入などで、リンまたはホウ素をシリコン表面層にドープ処理をした後、熱処理をしてもよい。図７Ａではホウ素をドープしたと仮定し、シリコン層８をｐドープ半導体とする。
【００３６】
次に図７Ｂに示すように、ｐドープ半導体８上に熱処理により１０から３０ｎｍ程度の熱酸化層１２が形成され、さらに熱酸化層１２上に低圧ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの製膜法によりＳｉＮｘ層１３を形成する。
【００３７】
次に図７Ｃに示すように、ＳｉＮｘ層１３をｐドープ半導体８上に形成する凹凸形状の凹部と凸部の間隔に相当する間隔になるように、パターニングする。
【００３８】
次に図７Ｄに示すように、図７ＣでパターニングされたＳｉＮｘ層をマスクとして熱酸化処理を行い、マスクされていない部分のｐドープ半導体８層にも熱酸化層１４を形成させる。これらのプロセスは、ＬＯＣＯＳ（ｌｏｃａｌ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）プロセスと呼ばれ、ＣＭＯＳ加工プロセスでは一般的なプロセスであるが、１００ｎｍ以下の微細加工時には、形状の制御が十分でない場合もある。したがって、ＬＯＣＯＳプロセスの代わりに、フォトレジストをマスクとして、反応性イオンエッチングなどの方法により、所望の表面の凹凸形状を形成することも有効である。
【００３９】
次にＳＯＩ基板をリン酸溶液に浸してＳｉＮｘ層１３と熱酸化層１２、１４を除去した後、図８Ａに示すように、熱処理を行い、ｐドープ半導体８の表面層に誘電体層１１であるシリコン酸化層を形成する。誘電体層１１は、シリコン酸化層、窒化シリコン層や、他のＨｉｇｈ−ｋ絶縁層からなる少なくとも一層で良い。
【００４０】
次に図８Ｂに示すように、多結晶シリコン９をＣＶＤ法あるいはスパッタリング法により、誘電体層１１上の表面の凹凸形状が十分に被覆するように製膜する。この時、誘電体層１１の凹凸形状に起因して、同様の凹凸形状が多結晶シリコン９上にも形成される。このような多結晶シリコン９上の凹凸形状は、光信号を伝送した時の光散乱損失の原因となるため、ＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）により平滑化することが望ましい。また、多結晶シリコン９は、第２導電型を呈するように、製膜中にドーピング処理するか、あるいは製膜後にイオン注入法などにより、ホウ素またはリンでドープ処理する（第１導電型の半導体層とは逆のものでドープ処理する）。図８Ｂではリンでドープ処理したと仮定し、多結晶シリコン９をｎドープ半導体とする。
【００４１】
次に図８Ｃに示すように、光導波路構造の幅（リブの幅）が０．３μmから２μm以下となるように、反応性プラズマエッチング法などにより、図８Ｂに示した積層体をリブ形状に加工する。さらに、図８（ｄ）に示すように、ｐドープ半導体８およびｎドープ半導体９に隣接する領域に高濃度にドープ処理したｐ＋ドープ半導体４およびｎ＋ドープ半導体５を形成する。
【００４２】
最後に、図９に示すように、ＴａＮ／Ａｌ（Ｃｕ）などからなる電極コンタクト層６を形成して、駆動回路との接続を行う。そして、酸化物クラッド層７を形成する。
【００４３】
なお本発明では、第１導電型の半導体および第２導電型の半導体は、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Ｓｉ、ＳｉｘＧｅ（１−ｘ）からなる群から選択される少なくとも一層から構成されている。
【００４４】
本発明の光変調器における位相シフト量の光信号伝播方向の長さ依存を、第１導電型の半導体層８の表面に凹凸形状がある場合とない場合とについて調べた。凹凸形状の凹部と凸部の間隔は１６０ｎｍ以下とした。試験結果の一例を図１０に示す。
【００４５】
凹部と凸部の間隔がキャリア変調される厚みと同程度の１６０ｎｍ程度以下の凹凸形状を形成することにより、位相シフト量が大きくなっていることから、光変調効率が改善されることが分かる。また、試験結果を示していないが、凹部から凸部までの高さに関しても、高さを大きくすることにより、光変調効率が改善された。
【００４６】
また、第１導電型の半導体８層表面に凹凸形状がある場合とない場合とについて、キャリア密度と光変調器の光変調の動作周波数帯域との関係を調べた。光変調の動作周波数帯域は、変調効率改善によるサイズ低減の効果と凹凸形状を設けることによる電気容量増加の影響とのトレードオフがある。凹凸形状の凹部と凸部の間隔を１６０ｎｍ以下、光信号電界が感じる実効的な屈折率をｎｅｆｆ、光信号波長をλとした時、凹部から凸部までの高さがλ／ｎｅｆｆ以下である場合には光変調の動作周波数帯域は広くなる。
【００４７】
図１１に示す試験結果の一例からわかるように、キャリア密度を１０１８／ｃｍ３程度とすることにより、光変調の動作周波数帯域が１０ＧＨｚ以上となり、高速動作が可能である。
【００４８】
また、上記に加えて、周波数帯域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、高速動作する上で課題として挙げられる。したがって、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か、あるいは第２導電型の半導体９層に関して、エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯ）法などを用いて結晶品質を改善することが有効である。
【００４９】
さらに、本発明の光変調器を応用した例を説明する。
【００５０】
図１２に本発明の光変調器を利用した、マッハ・ツェンダー干渉計型の光強度変調器の構造を示す。マッハ・ツェンダー干渉計を利用し、マッハ・ツェンダー干渉計の二本のアームにおける光位相差を干渉させることで、光強度変調信号を得ることが可能である。
【００５１】
光変調器が平行に配置された第１のアーム１６および第２のアーム１７を有し、各アーム１６、１７は、入力側では第１のアーム１６と第２のアーム１７とに分岐する光分岐構造１９と接続され、出力側では第１のアーム１６と第２のアーム１７とが結合する光結合構造２０とに接続されている。光分岐構造１９で分岐した光が、第１のアーム１６および第２のアーム１７において位相変調が行われ、光結合構造２０により位相干渉が行われることにより、光強度変調信号に変換される。
【００５２】
本実施例においては、入力側に配置された光分岐構造１９により、入力光が第１のアーム１６と第２のアーム１７とに等しく分配される。また、電極パッド１８で第１のアーム１６にプラスの電圧を印加することにより、光変調器の薄い誘電体層の両側でキャリア蓄積が生じ、第２のアーム１７にマイナスの電圧を印加することにより、光変調器の薄い誘電体層の両側のキャリアが除去されることになる。これにより、キャリア蓄積モードでは、光変調器における光信号電界が感じる屈折率が小さくなり、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り、両アームでの光信号位相差が最大となる。この両アームを伝送する光信号を出力側の光結合構造により合波することにより、光強度変調が生じる。本発明の光変調器を利用したマッハ・ツェンダー干渉計型の光強度変調器においては、２０Ｇｂｐｓ以上の光信号の送信が可能であることを確認した。
【００５３】
また、光変調器を利用した複数のマッハ・ツェンダー干渉計構造の光強度変調器を、並列あるいは直列に配置させることにより、より高い転送レートを有する光変調器やマトリックス光スイッチなどへ応用することも可能である。
【００５４】
この出願は、２００８年１１月１３日に出願された日本出願特願２００８−２９０９０３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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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