(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）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）とで少なくとも構成されている。また、少なくとも、第１導電型の半導体層（８）と、誘電体層（１１）と、第２導電型の半導体層（９）と、少なくとも近赤外波長領域では光学的に透明な透明電極（２３）の層とが順に積層されている。
2010103891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記第１導電型の半導体層に積層された誘電体層と、
前記誘電体層に積層された第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２導電型の半導体層に積層された、少なくとも近赤外波長領域では光学的に透明な透明電極層と、
を少なくとも有する光変調器。
【請求項２】
前記第２導電型の半導体層と前記透明電極との間にシリサイド層が設けられている、請求の範囲第１項に記載の光変調器。
【請求項３】
前記透明電極の層は、光の伝播方向に沿って交互に配置された前記透明電極と絶縁体からなる、請求の範囲第１項または第２項に記載の光変調器。
【請求項４】
前記透明電極は、インジウムスズ酸化物、カドミウムスズ酸化物、スズ酸化物、または酸化亜鉛からなる、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】
前記光変調器における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、キャリア密度が変調される領域の厚みをＷとしたとき、２Ｗとλ／ｎｅｆｆの値が同じである、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ている、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】
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、
前記第１導電型の半導体層上に積層され、少なくとも近赤外波長領域において光学的に透明な半導体が、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、
を少なくとも有する光変調器。
【請求項８】
前記第２導電型の半導体は、酸化亜鉛半導体である、請求の範囲第７項に記載の光変調器。
【請求項９】
光信号が伝播する領域が、リブ導波路構造またはスラブ導波路構造を有している、請求の範囲第１項から第８項のいずれか１項に記載の光変調器。
【請求項１０】
請求の範囲第１項から第９項のいずれか１項に記載の光変調器を使用した光強度変調器であって、
前記光変調器が配置された第１のアームおよび第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、出力側に結合する光結合構造とからなるマッハ・ツェンダー干渉計構造を有する、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、並列あるいは直列に配置されている、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】
第１導電型を呈するようにドープ処理された半導体層上に第２導電型を呈するようにドープ処理された半導体層を積層する工程と、
前記第２導電型の半導体層上に少なくとも近赤外波長領域では光学的に透明な透明電極の層を積層する工程とを、
少なくとも含む、光変調器の製造方法。
【請求項１４】
前記第２導電型の半導体層と前記透明電極との間にシリサイド層を設ける、請求の範囲第１３項に記載の光変調器の製造方法。
【請求項１５】
前記透明電極の層として、光の伝播方向に対し、前記透明電極と絶縁体を交互に配置する、請求の範囲第１３項または第１４項に記載の光変調器の製造方法。
【請求項１６】
前記光変調器における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、キャリア密度が変調される領域の厚みをＷとしたとき、２Ｗとλ／ｎｅｆｆの値が同じになるようにする、請求の範囲第１３項から第１５項のいずれか１項に記載の光変調器の製造方法。
【請求項１７】
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１３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】
第１導電型を呈するようにドープ処理された半導体層上に、少なくとも近赤外波長領域において光学的に透明な第２導電型の半導体層を積層する工程を少なくとも含む、光変調器の製造方法。
【請求項１９】
光信号が伝播する領域に、リブ導波路構造またはスラブ導波路構造を形成する、請求の範囲第１３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】
請求の範囲第１項から第９項のいずれか１項に記載の光変調器を用いた光強度変調器の製造方法であって、
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のアームに前記光変調器を配置し、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し、出力側に光結合構造を接続する、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及びＰＮ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ−Ｎｅｇａｔｉｖｅ）接合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の光ファイバ通信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、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非常に有望なデバイスである。【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、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、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。そして、高い光変調効率が得られるデバイス構造が実現することにより、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・ベースの電気光学光変調器の関連技術の一例である。基板３３の上に、埋め込み酸化層３２、リブ形状をした部分を含む真性半導体３１が順番に積層されている。真性半導体３１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３４とｎ＋ドープ半導体３５がそれぞれ形成されている。ｐ＋ドープ半導体３４とｎ＋ドープ半導体３５は、真性半導体３１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３１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３１のリブ形状の部分の一方の側方に、電極コンタクト層３６が配置され、その電極コンタクト層３６と対向する位置に、前記したｐ＋ドープ半導体３４が形成されている。同様に、真性半導体３１のリブ形状の部分の他方の側方にも電極コンタクト層３６が配置され、その電極コンタクト層３６と対向する位置にｎ＋ドープ半導体３５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３７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３４、３５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３６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。このとき、自由キャリアの増加により、真性半導体３１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３１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学光変調器は、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３１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。しかしながら、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の印加時の静電容量が、ＰＮ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ−Ｎｅｇａｔｉｖｅ）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。しかしながら、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３３上に埋め込み酸化層３２と、第１導電型の本体領域とが順に積層されており、さらに、本体領域と部分的に重なるように第２導電型のゲート領域が積層されている。そして、この本体領域とゲート領域との積層界面に薄い誘電体層４１を形成したキャパシタ構造のシリコン・ベースの電気光学光変調器が特許文献１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・ベースの電気光学光変調器を示す。光学光変調器は、基板３３と埋め込み酸化層３２と本体領域とで構成されたＳＯＩ基板に形成されている。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３８と、高濃度にドープ処理して形成したｐ＋ドープ半導体３４と、電極コンタクト層３６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３９と、高濃度にドープ処理して形成したｎ＋ドープ半導体３５と、電極コンタクト層３６とで構成されている。そして、埋め込み酸化層３２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３７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３６に印加すると、誘電体層４１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、光位相変調が行われる。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とを一致させることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特表２００６−５１５０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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。【００１３】
本発明の目的は、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。【００１４】
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を少なくとも有している。また、少なくとも、第１導電型の半導体層と、誘電体層と、第２導電型の半導体層と、少なくとも近赤外波長領域では光学的に透明な透明電極の層とが順に積層されている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、光フィールドがリブ導波路内に閉じ込められ、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ため、光変調器を小型化し、高位相で高速な変調度を持たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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】本発明に係る光変調器の一実施形態の概略構成図である。
【図４】図３における光変調器のＡＡ’断面の概略図である。
【図５】図３における光変調器のＢＢ’断面の概略図である。
【図６】本発明に係る光変調器の他の実施形態の概略構成図である。
【図７】図４における光変調器のＡＡ’断面の概略図である。
【図８】図４における光変調器のＢＢ’断面の概略図である。
【図９】本発明に係る光変調器のさらに他の実施形態の概略構成図である。
【図１０】図９における光変調器のＡＡ’断面の概略図である。
【図１１】図９における光変調器のＢＢ’断面の概略図である。
【図１２Ａ】図３における光変調器の製造過程を示した図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａの続きの製造過程を示した図である。
【図１３Ａ】図１２Ｂの続きの製造過程を示した図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａの続きの製造過程を示した図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｂの続きの製造過程を示した図である。
【図１４Ａ】図１３Ｃの続きの製造過程を示した図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａの続きの製造過程を示した図である。
【図１４Ｃ】図１４Ｂの続きの製造過程を示した図である。
【図１５Ａ】図１４Ｃの続きの製造過程を示した図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａの続きの製造過程を示した図である。
【図１５Ｃ】図１５Ｂの続きの製造過程を示した図である。
【図１６Ａ】関連技術の光変調器の光フィールドの分布を示した図である。
【図１６Ｂ】本発明の光変調器の光フィールドの分布を示した図である。
【図１７】本発明の光変調器と関連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１８】本発明の光変調器と関連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１９】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】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
【数１】
2010103891.tif 000003
【００２１】
【数２】
2010103891.tif 000004
【００２２】
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、ｍｋ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、μｋ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、ΔＮｋ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電気光学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。
【００２３】
【数３】
2010103891.tif 000005
【００２４】
Ｌは電気光学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。
【００２５】
本発明では、上記位相変化量は光吸収効果に比較して大きな効果であり、以下に述べる電気光学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。
【００２６】
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。
【００２７】
図３に、本発明に係る光変調器の実施形態の一例における概略断面図を、図４に、図３の光変調器のＡＡ’断面の概略図を、図５に、図３の光変調器のＢＢ’断面の概略図を示す。なお、図中において、矢印が光の伝播方向を示している。
【００２８】
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、さらにその上に第１導電型の半導体（以降すべて「ｐドープ半導体」とする）８とが積層され、ＳＯＩ基板が構成されている。ｐドープ半導体８上には、薄い（以降「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と、第２導電型の半導体（以降すべて「ｎドープ半導体」とする）９と、シリサイド２１と、透明な導電層２２とが順番に積層されて、リブ形状を形成している。
【００２９】
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（以降すべて「ｐ＋ドープ半導体」とする）４が形成されている。また、ｐ＋ドープ半導体４上には電極コンタクト層６が、透明な導電層２２上には金属電極２３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。
【００３０】
なお、図１５Ｃで示すように、実際は、電極コンタクト層６も金属電極２３に接続されており、この金属電極２３を介して外部に接続可能である。
【００３１】
本実施形態では、シリコン半導体−誘電体層−シリコン半導体のキャパシタ構造をしており、ｎドープ半導体９に結合する電極材料として、シリコン半導体層よりも屈折率が小さく、近赤外波長領域において光学的に透明な導電層（以降すべて「透明電極」とする）２２をさらに積層する。このことにより、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、光変調器の寸法を小さくすることが可能である。また、光フィールドと透明電極２２との重なりによる光損失が従来の構造と比較して低減され、光源電力の低減が可能となる。また、前述したキャパシタ構造の接合界面に隣接したｐドープ半導体８およびｎドープ半導体９の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が可能である。  
【００３２】
本発明では、ｎドープ半導体９と透明電極２２とを直接結合せず、ｎドープ半導体９と透明電極２２との界面にシリサイド２１の層を形成する。このことにより、ｎドープ半導体９と透明電極２２との接触抵抗を小さくし、余分な付加抵抗を小さくすることが可能である。  
【００３３】
さらに、ドーピング密度を上昇させたｐドープ半導体８とｎドープ半導体９の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、本発明では図３に示すようなリブ形状からなる導波路形状とした。さらに、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、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。  
【００３４】
ここで、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「最大空乏層厚Ｗ」と称し、その熱平衡状態は下記数式で表される。
【００３５】
【数４】
2010103891.tif 000006
【００３６】
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のとき、最大空乏層厚Ｗは０．１μｍ程度であり、キャリア密度が上昇するに従い、最大空乏層厚Ｗ、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。
【００３７】
本実施形態のリブ導波路構造は、前述のキャパシタ構造上に近赤外波長領域において光学的に透明な導電層（透明電極２２）を積層したとき、キャリア密度が変調される領域と光フィールドとのオーバーラップが最大となるように設計される。  
【００３８】
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、光フィールドサイズはλ／ｎｅｆｆとなる。したがって、キャリア密度が変調される領域の高さをλ／ｎｅｆｆ程度にすることで、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、効率的な光の位相変調が実現される。  
【００３９】
したがって、自由キャリアが、誘電体層１１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とき、最も高い光変調効率が得られる。  
【００４０】
本発明によるＳＩＳのキャパシタ構造からなる光変調器においては、電気信号を駆動電圧として印加した際に、誘電体層１１の両側でキャリアの蓄積、空乏化、または反転が生じるが、キャリア密度が変調する領域の厚み（最大空乏層）Ｗは、１００ｎｍ程度であると見積もられる。したがって、光信号電界の広がりに対して、キャリア密度が変調される領域が非常に小さく、光変調効率が悪いことが問題である。本実施形態では、リブ導波路構造の上部に結合する透明電極２２層を、シリコン半導体層よりも屈折率が小さく、近赤外波長領域において光学的に透明な導電層とすることにより、光フィールドがリブ導波路内に閉じ込められ、より高効率に光変調を行うことが可能である。このとき、リブ導波路の形状は、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、キャリア密度が変調される領域の厚みをＷとしたとき、２Ｗとλ／ｎｅｆｆがより近い値となるように設計されることが望ましい。  
【００４１】
また、透明電極２２として、インジウムスズ酸化物、カドミウムスズ酸化物、酸化スズ、酸化亜鉛などの酸化物導電体が望ましい。しかし、シリコン半導体層上にこのような酸化物導電体膜を形成した場合、接触抵抗が大きくなるという問題が生じる。この問題を解決するために、シリコン半導体層と透明電極２２層との積層界面にシリサイド層２１を形成することが望ましい。  
【００４２】
図６に、本発明に係る光変調器の他の実施形態の一例における概略断面図を、図７に、図６の光変調器のＡＡ’断面の概略図を、図８に、図６の光変調器のＢＢ’断面の概略図を示す。なお、図中において、矢印が光の伝播方向を示している。上述した実施形態と同一の構成については説明を省略する。
【００４３】
本実施形態の光変調器は、第２導電型の半導体９に結合する電極材料として、シリコン半導体層よりも屈折率が小さく、近赤外波長領域において光学的に透明な導電層（透明電極）２２と、絶縁体層であるシリコン酸化層１２とを、光の伝播方向に沿って交互に周期的に位置するように、シリサイド２１の上に積層することを特徴とする。このようにすることで、シリコン酸化層１２により光信号の伝達が遅くなり、光変調効率を向上させることができる。透明導電２２層の周期は、光信号の群速度を遅くするように周期的に形成されるか、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としたとき、λ／ｎｅｆｆ以下の間隔となるように並べられても良い。  
【００４４】
図９に、本発明に係る光変調器のさらに他の実施形態の一例における概略断面図を、図１０に、図９の光変調器のＡＡ’断面の概略図を、図１１に、図９の光変調器のＢＢ’断面の概略図を示す。なお、図中において、矢印が光の伝播方向を示している。上述した実施形態と同一の構成については説明を省略する。
【００４５】
本実施形態の光変調器は、第２導電型の半導体として、シリコン半導体よりも屈折率が小さく、近赤外波長領域において光学的に透明な半導体を用いた。近赤外領域において光学的に透明な半導体層としては、酸化亜鉛が挙げられる。本実施形態においては、ｐタイプにドープされたｐドープ半導体８層の上にｎドープされた酸化亜鉛半導体（以降すべて「ｎドープワイドギャップ半導体」とする）１４を形成することにより、ＰＮ接合が形成される。このとき、ｎドープワイドギャップ半導体１４の光の屈折率は、ｐドープ半導体８の光の屈折率よりも十分小さくなっている。ｎドープワイドギャップ半導体１４が酸化亜鉛半導体の場合、光の屈折率は１．９〜２．０程度である。したがって、ｐドープ半導体８をリブ導波路形状に加工し、これにｎドープワイドギャップ半導体１４を積層することにより、ｐドープ半導体９内に光フィールドが閉じ込められる。したがって、より効率的に光変調を行うことが可能となる。
【００４６】
図１２から図１４に、本発明の透明導電体電極を用いた光変調器の形成方法の一例を示す。
【００４７】
図１２Ａ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’が積層された構造である。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した後、熱処理をしてもよい。図１２Ａには、ホウ素をドープして、シリコン層８’をｐドープ半導体８にした状態を示している。
【００４８】
次に図１２Ｂに示すように、ｐドープ半導体８上に熱処理により５〜１０ｎｍ程度の誘電体層１１を形成する。この誘電体層１１は、低圧ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの製膜法により製膜するＳｉＮｘ層などでもよい。
【００４９】
次に図１３Ａ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上に製膜する。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、ホウ素またはリンをドープ処理する（第１導電型の半導体８層とは異なるものでドープ処理する）。図１３Ａ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。
【００５０】
次に図１３Ｂに示すように、ｎドープ半導体９層上にニッケル層などを積層し、４００から６００度でアニール処理を行い、シリサイド（ＮｉＳｉ２）２１の層を形成し、硫酸加水溶液により未反応のニッケル層を除去する。
【００５１】
次に図１３Ｃに示すように、シリサイド２１層上にＣＶＤ法あるいはスパッタ法などにより、シリコン半導体８、９層よりも屈折率が小さく、近赤外波長領域において光学的に透明な導電体であるインジウムスズ酸化膜や亜鉛酸化膜などの酸化物誘電体を透明電極２２として製膜する。  
次に図１４Ａに示すように、透明電極２２の幅（光導波路構造の幅、つまりリブの幅）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、加工する。
【００５２】
さらに、図１４Ｂに示すように、パターニングされた透明電極２２をマスクとして、ｎドープ半導体９を反応性エッチング法などによりエッチング加工する。このとき、誘電体層１１をエッチングストップ膜として利用する。
【００５３】
次に図１４Ｃに示すように、酸化物クラッド７を積層する。このとき、酸化物クラッド７の表面をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により平滑化することが望ましい。
【００５４】
次に図１５Ａに示すように、酸化物クラッド７にコンタクトホール２４を反応性エッチングにより形成し、イオン注入法によりｐ＋ドープ半導体４を形成し、さらに電極コンタクト層６として、ＮｉＳｉ２層などを形成する。
【００５５】
さらに、図１５Ｂに示すように、透明電極２２上にもコンタクトホール２４を形成する。  
【００５６】
最後に、図１５Ｃに示すとおり、コンタクトホール２４を埋めるようにＴａＮ／Ａｌ（Ｃｕ）などからなる金属電極層２３を形成して、駆動回路との接続を行う。  
【００５７】
なお、本発明では、第１および第２の導電タイプを呈するようにドープ処理されたシリコン半導体８、９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。  
【００５８】
透明電極２２を用いない関連技術の光変調器と、透明電極２２を用いる本発明の光変調器の光フィールドの分布を調べた。図１６に光フィールドの分布図を示す。図１６Ａは関連技術のリブ導波路をｎドープ半導体９のみで形成した光変調器、図１６Ｂは本発明のリブ導波路に透明電極２２を用いた光変調器である。この図は、光変調器の垂直方向断面における光の伝播状態を示しており、光導波路の各部を通る光の強度を色の濃淡で表している。なお、この光の進行方向は手前から奥行き方向である。白い線で囲まれたＸ方向に伸びる長方形は、ｐドープ半導体８を含むスラブ領域であり、白い線で囲まれたＹ方向に伸びる長方形は、リブ導波路を示している。
【００５９】
また、図１６では見づらいが、破線で囲まれた領域が光の通過した領域であり、破線の領域の中心ほど光の強度が強くなっている。
【００６０】
図１６Ａに示すように、リブ導波路をｎドープ半導体９のみで形成した場合、光フィールドがリブ導波路の上部の電極層に広がってしまい、光伝播損失が大きくなる。一方、図１６Ｂに示すように、本発明の透明電極２２をリブ導波路に用いることにより、光フィールドがＳＩＳ接合領域に閉じ込められている。そのため、光伝播損失を低減することができ、光変調効率を改善することができる。  
【００６１】
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、上述と同様に、リブ導波路に透明電極２２を用いた本発明の光変調器と、リブ導波路をｎドープ半導体９のみで形成した関連技術の光変調器について調べた。試験結果の一例を図１７に示す。
【００６２】
本発明の光変調器の方が関連技術の光変調器より、約２．５倍も位相シフトが大きくなっている。このことにより、透明電極２２を用いてリブ導波路を形成することで、フィールドとキャリア変調領域の重なりが大幅に改善され、光変調効率が顕著に改善されることが分かる。
【００６３】
また、上記と同様に、リブ導波路に透明電極２２を用いた本発明の光変調器とリブ導波路をｎドープ半導体のみ形成した関連技術の光変調器とについて、キャリア密度と光変調器の光変調の動作周波数帯域の関係を調べた。図１８に試験結果の一例を示す。
【００６４】
光変調の動作周波数帯域は、透明電極２２を用いることによる光位相変調長さの低減により、電気容量が小さくなり、さらにキャリア密度を１０１８／ｃｍ３程度とすることにより変調効率が上昇し、１０ＧＨｚ以上の高速動作が可能であった。  
【００６５】
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多結晶シリコンの粒子径を大きくし、キャリア移動度を改善させる。または、あるいは第２導電型の半導体層に関して、エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯ）法などを用いて多結晶シリコンの結晶品質を改善させることが有効である。
【００６６】
さらに、本発明の光変調器を応用した例を説明する。
【００６７】
図１９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。
【００６８】
光変調器が平行に配置された第１のアーム１５および第２のアーム１６を有し、その入力側で分岐する光分岐構造１８と、出力側で結合する光結合構造１９とがそれぞれ接続されている。光分岐構造１８で分岐した光が、第１のアーム１５および第２のアーム１６において位相変調が行われ、光結合構造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ことを特徴としている。
【００６９】
本実施例においては、入力側に配置された光分岐構造１８により、入力光が第１および第２のアーム１５、１６に等しいパワーとなるように分岐される。ここで、電極パッド１７で第１のアーム１５にプラスの電圧を印加することにより、光変調器の誘電体層１１の両側でキャリア蓄積が生じ、第２のアーム１６にマイナスの電圧を印加することにより、光変調器の誘電体層１１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ことになる。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。
【００７０】
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。
【００７１】
本発明はリブ導波路構造について説明したが、リブ形状を備えることで、スラブ導波路構造や、その他の導波路にも適用できる。
【００７２】
この出願は、２００９年３月１３日に出願された日本出願特願２００９−０６１５２６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。
【符号の説明】
【００７３】
２  埋め込み酸化層
３  基板
４  ｐ＋ドープ半導体
６  電極コンタクト層
７  酸化物クラッド
８  ｐドープ半導体（第１導電型の半導体）
８’シリコン層
９  ｎドープ半導体（第２導電型の半導体）
１１  誘電体層
１２  シリコン酸化層
１４  ｎドープワイドギャップ半導体（第２導電型の透明な半導体）
１５  第１のアーム
１６  第２のアーム
１７  電極パッド
１８  光分岐構造
１９  光合波構造
２１  シリサイド
２２  透明電極
２３  金属電極
２４  コンタクトホール
３１  真性半導体層
３２  埋め込み酸化層
３３  基板
３４  ｐ＋ドープ半導体
３５  ｎ＋ドープ半導体
３６  電極コンタクト層
３７  酸化物クラッド
３８  ｐドープ半導体
３９  ｎドープ半導体
４１  誘電体層
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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