(57)【要約】本発明は、内部に希土類元素が組み込まれた光信号コンジットを含む。光信号コンジットは、例えば、誘電性材料母材に組み込まれた希土類元素を含むことができる。例えば、エルビウムまたはセリウムは、シリコンナノクリスタル内で、光信号コンジットの誘電性材料全体に、分散することができる。誘電性材料は、光信号の通路を画定することができ、ならびに、光信号を通路に沿って保持することを助けるための鞘内に包むことができる。鞘は、任意の適切な障壁材料を含むことができ、ならびに、例えば、一つまたはそれ以上の金属材料を含むことができる。本発明は光信号コンジットを形成する方法も含み、そのような方法のいくつかは、光信号コンジットは半導体構造物の一部分として形成される方法である。【選択図】図１
2009524214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光が中を通って移動する内部材料と、
前記内部材料の周囲の鞘であって、前記内部材料によって画定された経路に沿った光の移動を実質上維持するために形成された鞘と、
を含む、導光コンジットであって、
前記内部材料は母材を含み、前記母材はその中に拡散された一種以上の希土類元素を持ち、前記母材の少なくとも一つの部分内における前記一種以上の希土類元素の総濃度は、少なくとも１×1016 atoms/cm3
であることを特徴とする、導光コンジット。
【請求項２】
前記一種以上の希土類元素はセリウム、エルビウム、ネオジムおよびイッテルビウムのうちの一つまたはそれ以上を含むことを特徴とする、請求項１の導光コンジット。
【請求項３】
前記一種以上の希土類元素はエルビウムを含み、そのようなエルビウムの少なくともいくらかはエルビウムがドープされたシリコンナノクリスタルとして存在する、請求項１の導光コンジット。
【請求項４】
前記一種以上の希土類元素はエルビウムを含むことを特徴とし、ならびに、エルビウムを含んだ前記内部材料母材の少なくとも一部がガラス質を含み、前記ガラス質は、二酸化ケイ素と、フッ素、リン、ホウ素のうちの一つまたはそれ以上とを含むことを特徴とする、導光コンジット。
【請求項５】
前記内部材料母材の前記少なくとも一部の中のエルビウムの濃度が、約１×1016atoms/cm3から約１×1018atoms/cm3である、請求項４の構造物。
【請求項６】
前記一種以上の希土類元素はエルビウムを含み、前記エルビウムを含む前記内部材料母材の少なくとも一部は二酸化ケイ素であることを特徴とする、請求項１の導光コンジット。
【請求項７】
前記内部材料母材の前記少なくとも一部の中のエルビウムの濃度が、約１×1016atoms/cm3から約１×1018atoms/cm3である、請求項６の構造物。
【請求項８】
前記一種以上の希土類元素はエルビウムを含むことを特徴とし、ならびに、前記内部材料母材の少なくとも一部は酸化インジウムスズおよび酸化亜鉛スズの一つもしくは両方を含むことを特徴とする、請求項１の導光コンジット。
【請求項９】
前記内部材料母材の前記少なくとも一部の中のエルビウムの濃度が、約１×1016atoms/cm3から約１×1018atoms/cm3である、請求項８の構造物。
【請求項１０】
前記内部材料が、
前記一種以上の希土類元素を少なくとも約１×1016atoms/cm3の総濃度で含む第一の区分部と、
前記内部材料に沿った光の経路に沿って、第一の区分部の下流側にある第二の区分部であって、前記第二の区分部は前記一種以上の希土類元素を約１×1015 atoms/cm3より少ない総濃度で含む第二の区分部と、
を含むことを特徴とする、請求項１の導光コンジット。
【請求項１１】
前記光の経路に沿った前記第一の区分部の上流側にある領域をさらに含む導光コンジットであって、前記導光コンジットは光信号を前記上流側の領域から前記第一の区分部へ通
過させるように構成され、前記第一の区分部は前記光信号を増幅し、増幅された前記光信号は前記第二の区分部に移る、ことを特徴とする、請求項１０の導光コンジット。
【請求項１２】
前記第一の区分部の誘電性組成物は酸化インジウムスズおよび酸化亜鉛スズの一つまたは両方を含むことを特徴とし、ならびに、前記第二の区分部の誘電性組成物は酸化インジウムスズまたは酸化亜鉛スズのいずれも含まないことを特徴とする、請求項１０の導光コンジット。
【請求項１３】
前記第二の区分部の誘電性組成物が二酸化ケイ素、ドープされた二酸化ケイ素、および窒化ケイ素のうち一つもしくはそれ以上を含む、ことを特徴とする、請求項１２の導光コンジット。
【請求項１４】
前記一種以上の希土類元素がエルビウムを含む、請求項１の導光コンジット。
【請求項１５】
前記一種以上の希土類元素がほぼエルビウムのみを含む、請求項１の導光コンジット。
【請求項１６】
前記鞘が金属区分部と非金属区分部を含む、請求項１の導光コンジット。
【請求項１７】
半導体基板と、
前記基板によって支えられる導波管であって、一種以上の希土類元素を含み、前記一種以上の希土類元素は前記導波管の少なくとも一つの区分部内に少なくとも１×1016 atoms/cm3の総濃度で存在する、導波管と、
を含む、半導体構造物。
【請求項１８】
前記一種以上の希土類元素が、セリウム、エルビウム、ネオジムおよびイッテルビウムのうち一つまたはそれ以上を含む、請求項１７の構造物。
【請求項１９】
前記一種以上の希土類元素の少なくともいくつかが、希土類元素がドープされたシリコンナノクリスタルとして存在する、請求項１７の構造物。
【請求項２０】
前記一種以上の希土類元素の総濃度が、約１×1016 atoms/cm3から約１×1018 atoms/cm3である、請求項１７の構造物。
【請求項２１】
前記導波管が、前記一種以上の希土類元素を含む誘電性材料母材をさらに含むことを特徴とし、ならびに、前記誘電性材料母材の少なくとも一部が、二酸化ケイ素、ドープされた二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化インジウムスズ、酸化亜鉛スズのうち一つまたはそれ以上を含むことを特徴とする、請求項１７の構造物。
【請求項２２】
前記導波管がある長手方向の寸法と、前記長手方向の寸法に直交する横方向の寸法を持ち、ならびに、前記横方向の寸法を全体的に囲む鞘をさらに含む、ことを特徴とする、請求項２１の構造物。
【請求項２３】
前記鞘が少なくとも部分的に金属である、請求項２２の構造物。
【請求項２４】
前記誘電性材料母材の少なくとも一部が二酸化ケイ素またはドープされた二酸化ケイ素を含むことを特徴とし、ならびに、前記誘電性材料母材の前記少なくとも一部の前記横方向の寸法を囲む前記鞘が窒化ケイ素からなることを特徴とする、請求項２２の構造物。
【請求項２５】
前記導波管が、
前記一種以上の希土類元素を含む第一の区分部と、
前記一種以上の希土類元素を実質的に含まない第二の区分部と、
を含む、ことを特徴とする、請求項１７の構造物。
【請求項２６】
前記第二の区分部は前記導波管に沿った光の経路に沿って、前記第一の区分部の下流側にあることを特徴とする、請求項２５の構造物。
【請求項２７】
前記第一の区分部は酸化インジウムスズおよび酸化亜鉛スズの一つもしくは両方を含むことを特徴とし、ならびに、前記第二の区分部は酸化インジウムスズまたは酸化亜鉛スズのいずれも含まないことを特徴とする、請求項２６の構造物。
【請求項２８】
光信号入力を前記第一の区分部に供給するように構成された光信号コンジットをさらに含み、ここで、前記第一の区分部は、前記光信号入力を増幅するための光増幅器であって、増幅された前記光信号を前記第二の区分部に送る、ことを特徴とする、請求項２６の構造物。
【請求項２９】
光信号入力器と、
前記入力器から光信号を受信し、前記光信号を増幅するために構成された、光信号増幅器であって、前記光信号増幅器は母材材料内に一種以上の希土類元素を含む、光信号増幅器と、
光信号受信器と、
増幅された前記光信号を前記受信器に導くように構成された、光信号コンジットと、
を含む、光信号伝播部品。
【請求項３０】
前記一種以上の希土類元素がセリウム、エルビウム、ネオジムおよびイッテルビウムのうち一つまたはそれ以上を含む、請求項２９の部品。
【請求項３１】
前記一つまたはそれ以上の希土類元素がエルビウムを含み、そのようなエルビウムの少なくとも一部がエルビウムがドープされたシリコンナノクリスタルとして存在する、請求項２９の部品。
【請求項３２】
前記母材材料の中のエルビウムの濃度が、約１×1016 atoms/cm3から約１×1018 atoms/cm3である、請求項３１の部品。
【請求項３３】
前記母材材料が酸化インジウムスズおよび酸化亜鉛スズの一つまたは両方を含む、請求項３２の部品。
【請求項３４】
前記光信号コンジットに存在するすべての希土類元素が約１×1015atoms/cm3より少ない総濃度で存在する、請求項３３の部品。
【請求項３５】
前記光信号コンジットは窒化ケイ素、二酸化ケイ素またはドープされた二酸化ケイ素の一つまたはそれ以上から実質的になる、請求項３４の部品。
【請求項３６】
半導体基板をさらに含み、前記光信号コンジットの少なくとも一部分または前記光信号増幅器の少なくとも一部分が前記半導体基板によって支えられることを特徴とする、請求項２９の部品。
【請求項３７】
前記半導体基板がバルクモノクリスタルシリコンを含む、請求項３６の部品。
【請求項３８】
半導体基板を用意するステップと、
前記基板に一つまたはそれ以上のトレンチをエッチングするステップと、
第一の障壁材料で前記トレンチのうちの少なくとも一つの内側を覆うステップと、
前記トレンチのうちの内側が覆われた前記少なくとも一つを導波管材料で充填するステップと、
一種以上の希土類元素で前記導波管材料の少なくとも一部をドープするステップと、
前記導波管材料を覆う第二の障壁材料を形成するステップであって、前記第二の障壁材料は、前記少なくとも一つのトレンチの側壁に沿って、前記第一の障壁材料に接触する、ステップと、
を含む、半導体構造物を形成する方法。
【請求項３９】
前記ドープするステップは、
前記一種以上の希土類元素の塩化物から、前記一種以上の希土類元素を、約100 KeV から約300 KeV の注入エネルギーを用い、約１×1013  atoms/cm2から約１×1015 atoms/cm2を注入量として、注入するステップ
を含む、請求項３８の方法。
【請求項４０】
前記導波管材料内で前記一種以上の希土類元素を拡散させるために、前記ドープするステップの後で焼きなましするステップをさらに含む、請求項３９の方法。
【請求項４１】
前記一種以上の希土類元素がほぼエルビウムのみである、請求項３９の方法。
【請求項４２】
前記一種以上の希土類元素がセリウムを含み、前記ドープするステップが導波管材料の少なくとも一部を酸性溶液にさらすステップを含み、前記酸性溶液はその中に溶けているセリウム含有材料を持つ、ことを特徴とする、請求項３８の方法。
【請求項４３】
前記酸性溶液がHClを含む請求項４２の方法。
【請求項４４】
前記セリウム含有材料が酸化セリウムを含む請求項４２の方法。
【請求項４５】
前記一種以上の希土類元素がエルビウムを含むことを特徴とし、ならびに、前記ドープするステップが前記導波管材料の少なくとも一部を酸性溶液にさらすステップを含み、前記酸性溶液はその中に溶けているエルビウム含有材料を持つことを特徴とする、請求項３８の方法。
【請求項４６】
前記酸性溶液がHClを含む請求項３８の方法。
【請求項４７】
前記エルビウム含有材料がEr2O3を含む請求項３８の方法。
【請求項４８】
前記ドープするステップが前記酸性溶液にさらすステップに続く焼きなましをさらに含み、前記焼きなましは前記導波管材料内でエルビウムを拡散させることを特徴とする、請求項３８の方法。
【請求項４９】
前記トレンチを導波管材料で充填する前記ステップで、前記トレンチを過充填し、さらに、前記第二の障壁材料の形成のステップに先立って、前記導波管材料を平坦化する、ことを特徴とする、請求項３８の方法。
【請求項５０】
前記第一の障壁材料の少なくとも一つの領域が、前記少なくとも一つの領域とほぼ同じ組成である、前記第二の障壁材料の一つの領域と接触することを特徴とする、請求項３８の方法。
【請求項５１】
前記導波管材料のドープされた領域内の希土類元素の総濃度が、0 atoms/cm3よりも大
きく約１×1018 atoms/cm3までである、請求項３８の方法。
【請求項５２】
前記導波管材料のドープされた領域内の希土類元素の総濃度が、約１×1016 atoms/cm3から約１×1018 atoms/cm3である、請求項３８の方法。
【請求項５３】
前記導波管材料の少なくとも一部が、二酸化ケイ素およびドープされた二酸化ケイ素からなるグループから選択される、請求項３８の方法。
【請求項５４】
前記導波管材料の少なくとも一部が窒化ケイ素である、請求項３８の方法。
【請求項５５】
前記導波管材料の少なくとも一部が酸化インジウムスズである、請求項３８の方法。
【請求項５６】
前記導波管材料の少なくとも一部が酸化亜鉛スズである、請求項３８の方法。
【請求項５７】
前記導波管が、
希土類元素がドープされた誘電性材料を含む第一の区分部と、
希土類元素を実質的に含まない第二の区分部と、
を含む、請求項３８の方法。
【請求項５８】
前記導波管が、
エルビウムがドープされた誘電性材料を含む第一の区分部と、
エルビウムドーパントを実質的に含まない第二の区分部と、
を含む、請求項３８の方法。
【請求項５９】
前記第二の区分部は前記導波管に沿った光の経路において前記第一の区分部の下流側にある、請求項５８の方法。
【請求項６０】
前記第二の区分部は二酸化ケイ素またはドープされた二酸化ケイ素からなることを特徴とし、ならびに、前記第一の区分部の前記エルビウムがドープされた誘電性材料は、酸化インジウムスズおよび酸化亜鉛スズの一つまたは両方を含むことを特徴とする、請求項５８の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体構造物、ならびに、半導体構造物、光伝導コンジット、および光信号伝播部品（または組立体：assembly）の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光信号にはいろいろな用途がある。例えば、光信号はしばしば長距離にわたってデータを転送するために利用される。光伝導コンジット（例えば、光ファイバケーブルなど）は、光信号の経路として利用できる。しかしながら、光信号はある点から他のある点までの進行の間に減損し、したがって、光信号を信号の経路に沿っていくつかの間隔でリフレッシュすることが望まれる。
【０００３】
光信号は、その他、超高速コンピュータで利用される。超高周波数では、多くの物理的影響が信頼できる情報キャリアとしての電子の性能を下げてしまうので、超高速プロセッサのスピードで情報を転送するために電子を利用できなくなってしまう。しかしながら、光子は、そのような超高速プロセッサにおいても、能力のある情報キャリアとなることが可能である。
【０００４】
さらに他の用途として、光信号は、非常に強い放射線がある可能性を持つ環境で利用されるプロセッサでの情報の転送に利用される。そのような環境では、電子を利用する信号の転送には多くの問題が引き起こされることになるが、光子を利用する信号の転送は、そのような条件下でも比較的ロバストのままである。高放射線環境での情報転送の利用のための応用例は、軍事的応用、宇宙技術への応用である。
【０００５】
上記の例は、光信号技術のために発展してきた多くの応用例、また発展してきた工程のうちの、ほんの少しである。光信号技術のための多くの実施例にかんがみて、光信号伝播および転送を改良するため、装置ならびに方法を発展させることが望まれる。
【発明の開示】
【０００６】
一態様では、本発明は導光（light-directing）コンジットを含む。コンジットは、それを通って光が移動する内部材料、および内部材料の周囲の鞘（障壁）を含む。鞘は、内部材料によって画定された経路に沿って光を実質的に移動させ続けるために、形成される。内部材料は、その中に分散する一つまたはそれ以上の希土類元素を有する母材（マトリックス：matrix）を含み、母材の少なくとも一部分での一つまたはそれ以上の希土類元素の総濃度は、少なくとも約１×1016 atoms/cm3である。当技術分野の通常の知識を有するもの（当業者）には理解されるように、希土類元素は原子番号58−71の任意の元素であってよい。
【０００７】
一態様では、本発明は半導体基板を備える半導体構造物を含み、導波管はその基板によって支えられる。導波管は一つまたはそれ以上の希土類元素を含み、そのような元素は導波管の少なくとも一つの区分部（セグメント：segment）内に少なくとも約１×1016atoms/cm3の総濃度で存在する。
【０００８】
一態様では、本発明は光信号伝播部品を含む。部品は光信号入力器、光信号増幅器、光信号受信器、および光信号コンジットを含む。光信号増幅器は入力器からの光信号を受信するために形成され、光信号を増幅し、ならびに光信号コンジットは増幅された信号を増
幅器から受信器へ導くために形成される。光信号増幅器は一つまたはそれ以上の希土類元素を母材材料内に含む。具体的な態様では、希土類元素は、セリウム、エルビウム、ネオジム、イッテルビウムの一つまたはそれ以上を含むことができる。
【０００９】
一態様では、本発明は半導体構造物を形成する方法を含む。半導体基板が提供され、一つまたはそれ以上のトレンチが基板にエッチングされる。少なくとも一つのトレンチの内側を第一の障壁材料で覆い、それから導波管材料で充填する。導波管材料の少なくともいくつかが、一つまたはそれ以上の希土類元素でドープされる。第二の障壁材料が導波管材料の上に形成され、第二の障壁材料は第一の障壁材料に少なくとも一つのトレンチの側壁に沿って接触する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の開示は、“科学と有用技術の発展を推進する”（アーティクル1、セクション8）という米国特許法の憲法上の目的を促進するために提出される。
【００１１】
本発明は、光導波管と光増幅器、ならびに光導波管と光増幅器を形成する方法を含む。本発明のいくつかの態様においては、希土類元素を光信号を増幅するために利用できることが理解される。希土類元素は光相互接続に組み込まれることができ、ならびに具体的な態様では集積回路用光相互接続に組み込まれることができ、光相互接続に沿って移動する光信号の信号強度を維持している。いくつかの態様では、希土類元素を使って光接続の少なくとも一つの区分部内で光信号強度を増幅できる。
【００１２】
いくつかの態様では、希土類元素は光伝導（light-conducting）コンジット内に組み込まれるように考慮され、ここでいう「光伝導コンジット」という用語は、光導波管および光増幅器を含む、光路を有する任意の装置を一般的に指す。
【００１３】
希土類元素が光信号を増幅でき、または少なくとも光信号の維持を援助することができるメカニズムは、その元素が、元素に衝突した光子と同じ位相および軌道を有する追加の光子を生成できることによる。本発明の一態様は、特に希土類元素がシリコンナノクリスタル内にある場合、オンチップ集積回路用光相互接続導波管への希土類元素の組み込みは有利となりうる、という認識をもたらす。誘電体（例えば二酸化ケイ素）内に分散されたシリコンナノクリスタル内の希土類元素は、希土類元素が適切なエネルギーの光子によって励起された場合に、光増幅をもたらすことが可能である。エルビウムに関しては、例えば室温において、平方センチメーター当たり１×10-14と見積られる励起断面積で、波長約1540nmの光放出を引き起こすことができる。この効果は、量子効率を強化するために使用でき、それによって光は材料を通って転送される。
【００１４】
エルビウム、イッテルビウム、ネオジム、およびセリウムは、誘電性導波管材料に組み込むのに特に適切である。例えば、エルビウムイオンは、波長800nm、波長980nm、および波長1480nmでの励起ができる量子レベル（quantum levels）を持つ。
【００１５】
希土類元素は、集積回路の通常利用される誘電体（例えば、二酸化ケイ素など）内では低い溶解度を持つ傾向がある。格子間希土類元素（例えば、エルビウムなど）は実質的に誘電体の物理的特性（例えば、屈折率および誘電定数）を変化させないので、これらは有益でありうる。
【００１６】
さまざまな量および種類の希土類元素の光伝導コンジットへの組み込みはコンジットの特性を具体的な用途にぴったりと合うようにすることができる。本発明の例示的な態様は図１から１０を参照して述べられる。
【００１７】
図１および２について言えば、これらは、光信号入力器１４から光信号受信器１６に至る、光伝導コンジット１２を含む構造１０を示す。
【００１８】
光信号入力器は光信号をコンジット１２に導く任意のものであってよく、光信号受信器１６はコンジット１２からの光信号が送られる任意のものであってよい。例えば、一態様では、入力器１４は光ファイバケーブルに相当してもよく、そして入力器とコンジット１２の間に適切なレンズおよび／または他の装置を用意して、光ファイバケーブルからの光信号をコンジット１２に転送するようにしてもよい。同様に、いくつかの態様においては、受信器１６は光ファイバケーブルに相当してよく、そして受信器とコンジット１２の間に適切なレンズおよび／または他の装置を用意して、コンジットからの光信号を光ファイバケーブルに転送するようにしてもよい。他の例では、入力器１４は光データ信号をコンジット１２に導く高周波数プロセッサであってよく、受信器１６は光データ信号に含まれるデータを蓄積または利用するために構成されるシステムであってよい。
【００１９】
導光（light-directing）コンジット１２は基板１８によって支えられているように示されている。このような基板は導光コンジットを支えるために適切な任意のものであってよく、いくつかの態様では、モノクリスタルシリコンを含んでよい。そのような態様では、基板とは半導体基板のことであるとしてもよい。後に続く請求項の説明を手助けするために、「半導電性基板（semiconductive substrate）」および「半導体基板（semiconductor substrate）」という用語は、（単独のあるいはその上に他の材料を含む部品内の）半導体ウェハ、（単独のあるいは他の材料を含む部品内の）半導体材料層などのバルク半導体材料、を含むが、限定されない、半導体材料を含む任意の構成を意味するように定義される。「基板」という用語は、半導体基板を含むが、それに限定されない、任意の支持構造を言う。基板が半導体基板であると、半導体プロセス技術を導光コンジットの構成に使用できるので有利といえる。
【００２０】
基板１８が半導体基板である場合、（示されるように）基板は均質な半導体組成物であってもよく、または、異なる組成物の多重層を含んでもよい。基板が均質な半導体組成物である場合、基板は、例えば、モノクリスタルシリコンを含んでもよいし、実質的にモノクリスタルシリコンからなってもよいし、もしくはモノクリスタルシリコンのみからなっていてもよい。基板が多重層を含む場合、一つまたはそれ以上の層が、モノクリスタルシリコンのみからなる、もしくは、モノクリスタルシリコンからなる基板を含み、多重層のうちの他の層は、半導体材料を含んでも、含まなくてもよい。例えば、他の層は、誘電性材料、金属材料、もしくは電気伝導性金属含有組成物を含んでもよい。基板が多重層を含む態様では、コンジット１２は任意の適切な層に形成されてもよく、あるいは一つ以上の層を通って延びていてもよい。
【００２１】
導光コンジット１２は内部材料２０およびそのような内部材料を囲む鞘２２を含むものとして示される。示された態様においては、導光コンジットは基板１８内で延びる。鞘は内部材料２０と基板１８の間の第一の部分２４、および内部材料２０と基板１８の上の第二の部分２６を含む。第一と第二の部分２４および２６は互いに同じ組成物を含んでもよく、互いに異なる組成物でもよい。さらに、第一と第二の部分２４および２６は均質であるように示されているが、少なくとも一つの部分がその部分内にさまざまな区分部または層として配置される多重の異なる組成物を含んでもよいことが理解されよう。
【００２２】
内部材料２０は導光コンジット１２の導波管とみなされてよい。光は内部材料を通って移動する。内部材料を通って移動する光の特異的な波長は内部材料の組成によって決定され、このことは、当技術分野の通常の技術を有する者（当業者）によって認識されるであろう。本発明の一態様は、一つまたはそれ以上の希土類元素（すなわち、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビ
ウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、およびルテチウムから成るグループから選択された一種以上の元素）を内部材料内へ包含することで、内部材料を通って移動する光信号の安定性を強化することができるという認識をもたらす。いくつかの態様においては、内部材料はその中に分散する一つまたはそれ以上の希土類元素を持つ母材を含み、母材の少なくとも一つの部分内での一つまたはそれ以上の希土類元素の総濃度は、少なくとも約１×1016 atoms/cm3である。
【００２３】
母材は任意の適切な組成物もしくは組成物の組み合わせを含むことができ、いくつかの態様においては、二酸化ケイ素、ガラス質を含むケイ素酸化物（例えば、ボロホスホシリカートガラスborophosphosilicate glass (BPSG) 、ホスホシリカートガラス phosphosilicate glass (PSG)、フルオロシリカートガラス fluorosilicate glass (FSG)）、窒化ケイ素、酸化インジウムスズ、および酸化亜鉛スズのうち一つまたはそれ以上を含むであろう。ガラス質を含むケイ素酸化物はドープされた二酸化ケイ素とみなされてよく、ならびに、いくつかの態様では、二酸化ケイ素と、リン、フッ素、ホウ素のうちのひとつ以上とから成るとみなされてよい。
【００２４】
希土類元素は任意の適切な濃度で内部材料母材に含まれてよく、内部材料母材を通って移動する光信号の安定性を維持する（もしくは、望ましくは、内部材料母材を通って移動する光信号を増幅する）のを手助けする。希土類元素は伝統的に、内部材料母材中の希土類元素の固体溶解度限界より低い、もしくは同等の濃度で与えられ、希土類元素の総濃度は典型的には約１×1018 atoms/cm3より低く、もしくは同等となることになる。例示的な態様においては、内部材料母材内の希土類元素の総濃度は、約１×1016 atoms/cm3から約１×1018 atoms/cm3である。いくつかの態様においては、特定の希土類元素が内部材料母材内に含まれる唯一の希土類元素となり、少なくとも製作技術の範囲内で存在する唯一の希土類元素になるだろう。特定の希土類元素が製作技術の範囲内で存在する唯一の希土類元素である場合、そのような希土類元素を内部材料内に存在する実質的に単独の唯一の希土類元素であるとみなしてよい。いくつかの態様においては、内部材料母材が実質的に単独にエルビウムまたはセリウムを含むことは有益となりうる。
【００２５】
いくつかの態様においては、希土類元素は内部材料母材内に存在するシリコンナノクリスタル中に供給されてもよい。例えば、エルビウムは内部材料母材内で、エルビウムリッチ（すなわち、エルビウムがドープされた）シリコンナノクリスタル内に存在することができる。
【００２６】
鞘２２は、内部材料２０によって画定された経路に沿った光の移動が実質的に維持されるように形成される。鞘は通常、一つまたはそれ以上の組成物を含み、そのような組成物は、その組成物に隣接する内部材料２０の屈折率とは異なる屈折率を持つ。鞘の屈折率と鞘に隣接する内部材料の屈折率の違いは、当技術分野において通常の技術を有する者によって認識されるように、内部材料によって画定される経路に沿って光を維持する助けとなりうる。
【００２７】
鞘２２の組成物、もしくは複数の組成物は、内部材料によって画定される経路に沿って光を維持するのを助けるために適した任意のものであってよい。例えば、内部材料が二酸化ケイ素を含む場合、二酸化ケイ素に隣接する鞘２２の部分は、窒化ケイ素および／または金属材料および／または金属含有組成物を含んでよい。本発明の示された態様においては、鞘２２は非金属材料３４の区分部、および金属材料３２の区分部を含む。金属材料３２は任意の適切な組成物、もしくは組成物の組み合わせであってよく、ならびに具体的な態様においては、アルミニウム、タングステン、銅、および金属ケイ化物（例えば、ケイ化チタンおよびケイ化タングステン）のうち一つまたはそれ以上を含むことができる。
【００２８】
導波管２０は長手方向軸２１（図１）に沿って伸びる長手方向の寸法（または広がり：dimension）を持ち、長手方向の寸法に直交する側面方向の寸法（または広がり）（例えば、図１および２の側面方向の寸法２３および２５）を持つものとしてみなされる。本発明の示された態様では、鞘２２は導波管２０の側面方向の寸法（または外形：dimension）の周囲全体に広がり、よって、そのような側面方向の寸法（または外形）を全体的に囲む。
【００２９】
本発明のいくつかの態様においては、内部材料２０は、光信号を増幅するための、一つまたはそれ以上の希土類元素が十分な濃度でドープされた領域（もしくは区分部）を持ち（通常は希土類元素の総濃度は少なくとも１×1016 atoms/cm3である）、ならびに、意味のある量の希土類元素でドープされていないその他の領域（もしくは区分部）を持つ（言い換えると、１×1015 atoms/cm3未満の希土類元素の総濃度を有する領域を持つ）であろう。本発明のそのような態様は図３に例示される。図３での番号付けは、適切である限りは、図１および２で示したものと同様である。
【００３０】
図３は、基板１８によって支えられる光伝導コンジット４２を含む構造物４０を示す。基板１８は、図１および２を参照して事前に示されたものと同じとしてよい。上述の光信号入力器１４および光信号受信器１６は光伝導コンジット４２のすぐ前後に示される。光信号は入力器１４から入ってコンジット４２を通過し受信器１６に供給され、よって、コンジットを通る光の経路は入力器１４から受信器１６へ、下流に向かって進行するとみなされうる。
【００３１】
光伝導コンジット４２は導波管の二つの隣接する区分部４４および４６を含み、コンジットを通る受信器１６への光の流れに関連して、区分部４４は区分部４６の上流にある。本発明の特定の態様では、上流区分部４４は一つまたはそれ以上の十分な濃度の希土類元素でドープされ、光信号を増幅し（通常は希土類元素の総濃度は少なくとも１×1016 atoms/cm3であるが、希土類元素の総濃度は１×1016 atoms/cm3から１×1018 atoms/cm3であってよい）、一方、下流区分部４６は、希土類元素でどんな意味のある量にもドープされないであろう（通常は１×1015 atoms/cm3に満たない希土類元素の総濃度である）。そのような態様では、構成４０は光信号伝播部品を含むとしてみなされる。そのような部品の上流区分部４４は光信号増幅器とみなされ、入力器１４からの光信号を受信し、信号がコンジットの残りの区分部４６を通って受信器１６へと通過してゆくのに先立ち、その中の希土類元素が信号を増幅するよう用いられる。
【００３２】
導波管の区分部４４および４６は、導波管２０に関して上記で説明されたものに類似の構造物を含み、特に内部に分散された一つまたはそれ以上の希土類元素を持つ、誘電性母材材料を含む。特定の態様においては、そのような希土類元素の少なくともいくつかが希土類元素リッチのシリコンナノクリスタル内に含まれてもよい。任意の適切な希土類元素もしくは希土類元素の組み合わせが利用されてもよい。いくつかの態様においては、エルビウム、セリウム、ネオジム、およびイッテルビウムのうちの一つまたはそれ以上が利用されるであろう。
【００３３】
いくつかの態様においては、区分部４４の誘電性母材材料は区分部４６の誘電性母材材料と異なるであろう。例えば、酸化インジウムスズおよび酸化亜鉛スズのうち一つまたは両方を光増幅区分部４４の誘電性母材材料として利用して、区分部４６の誘電性母材材料として他の材料を利用することは、有益となりうる。それによって、本発明のいくつかの態様においては、区分部４４は酸化インジウムスズおよび酸化亜鉛スズのうち一つまたは両方を含み、区分部４６は酸化インジウムスズおよび酸化亜鉛スズを含まないであろう。そのような態様においては、区分部４６の誘電性母材材料は、例えば、二酸化ケイ素、ドープされた二酸化ケイ素、および窒化ケイ素のうち一つまたはそれ以上を含んでもよい。
【００３４】
図１および２に関連して上記に述べられた鞘２２に類似する、鞘４８、は区分部４４および４６の側面方向の縁に沿って示される。例示的な鞘４８は金属領域３２および非金属領域３４を持つ。そのような例示的な鞘は、図３の構成で利用された鞘が、図１および２の構成で利用された鞘に類似するが、非金属区分部、金属区分部、もしくは非金属区分部と金属区分部の組み合わせを含むことができることを指摘するために示される。鞘４８の金属材料は希土類元素を多く含む区分部４４に近接して示されるが、区分部４６に隣接する鞘の部分も金属であってもよいものとして理解されるべきである。しかしながら、本発明のいくつかの態様においては、鞘の金属領域をインジウムスズ酸化物および亜鉛スズ酸化物のひとつまたは両方を含むコンジット４２の領域に沿って供給することは、有益となりうる。
【００３５】
図３の鞘４８は、区分部４４および４６を含む導波管を側面から全体的に囲むことができ、これは鞘２２が図１および２の導波管２０を側面から全体的に囲む方法に類似する。
【００３６】
本発明の光信号コンジットを形成するための例示的な方法は、図４から１０に関連して示される。図４から１０での番号付けは、適切である限りは、図１から３で示したものと同様である。
【００３７】
図４について言えば、構造物４０は基板１８を含むように示される。そのような基板は半導体基板であってよく、いくつかの態様においては、バルクモノクリスタルシリコンを含んでもよいし、実質的にバルクモノクリスタルシリコンからなってもよいし、もしくはバルクモノクリスタルシリコンのみからなっていてもよい。
【００３８】
次に図５について言えば、トレンチ５０が基板１８にエッチングされる。ただ一つのトレンチが示されているが、複数のトレンチが基板内に同時に形成されてもよいことが理解されるべきである。トレンチ５０は、例えば、トレンチの位置を画定するフォトリソグラフィーでパターンされたマスク（不図示）の供給、マスクによって画定された位置にトレンチを形成するための基板のエッチング、および続いて起こる、図５に示された構造を残すためのマスクの除去、を含む任意の適切な工程で形成されうる。
【００３９】
次の図６について言えば、トレンチ５０は障壁材料５４で内側が覆われ、それから内側が覆われたトレンチは導波管材料５６で充填される。複数のトレンチが形成された実施例においては、図５の工程段階で、トレンチの全てが材料５４で内側が覆われ、および／または材料５６で充填されてよく、もしくは代わりに全てのトレンチより少ないトレンチが、材料５４で内側が覆われ、および／または材料５６で充填されてもよい。障壁材料５４は、材料５６を含む導波管を下る光の移動に関連する障壁である。障壁は導波管を助けるように（for）光が逃げることを完全に妨げることができ、しかし、より典型的には導波管から光が逃げることを部分的にのみ妨げることができる。
【００４０】
障壁材料５４は最後に上記で述べた鞘を形成し、それによって、図１から３の鞘をつくる材料として前に述べられたものと同じ組成物を含むことができる。このように、障壁材料は、例えば、窒化ケイ素、または他の非金属材料を含むことができ、および／またはさまざまな金属材料を含むことができる。
【００４１】
導波管材料５６は最後に上記に述べた光伝導コンジットに類似する光伝導コンジットを形成し、それによって、図１から３の光伝導コンジットとして前に述べられたものと同じ組成物を含むことができる。このように、導波管材料は、例えば、二酸化ケイ素、ドープされた二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化インジウムスズおよび酸化亜鉛スズのうち一つまたはそれ以上を、含んでもよいし、実質的にそれらからなってもよいし、もしくはそれら
のみからなってもよい。
【００４２】
図７について言えば、材料５４および５６は平坦化（例えば、化学機械研磨など）にさらされ、基板１８と材料５４および５６にわたる平坦化上部表面５７を形成する。いくつかの態様において、平坦化は基板１８のいくらかを除去し、その結果、平坦化表面５７は高さにおいて基板１８の当初の最上面の下になる。また、他の態様においては、平坦化を、基板１８の最上面上に実質的に到達したら止めることができる。
【００４３】
図８について言えば、導波管材料５６（図７）は、一つまたはそれ以上の希土類元素にさらされ、希土類元素がドープされた材料６０に転化する。希土類元素でのドープは図７の平坦化の後に行われるように示されているが、本発明はまた、そのようなドープが平坦化の前に行われる態様（不図示）を含むことが理解されるべきである。
【００４４】
任意の適切な方法を、所望された希土類元素を導波管材料に組み込むために利用できる。例えば、ドーパントは材料に注入できる。例示的な態様においては、一つまたはそれ以上の希土類元素の塩化物が約100 KeV から約300 KeV の注入エネルギーを利用して材料へと注入され、その注入量は約１×1013 atoms/cm2から約１×1015 atoms/cm2である。そのような注入により、導波管材料内に所望された量の希土類元素を約１×1016 atoms/cm3から約１×1018 atoms/cm3の範囲で入れることができる。導波管材料内に注入された希土類元素を拡散させるために、例えば、約500℃から700℃の温度で、約10分間から約30分間の焼きなましを注入後に行ってもよい。特定の態様においては、注入する希土類元素はエルビウムであってよく、それゆえ塩化物は塩化エルビウムとなりうる。注入された希土類元素が全てエルビウムである場合、導波管材料内のドーパントはエルビウム単独となるが、注入された希土類元素がほぼエルビウムである場合には、導波管材料内のドーパントは実質的にエルビウム単独となる。
【００４５】
他の態様においては、導波管材料を、希土類元素を含む材料を溶かした酸性溶液にさらすことによって、ドープすることができる。そのような酸性溶液は、例えば、36%（重量）のHCl希釈液を水で体積比１対１で割った溶液に、酸化エルビウム（Er2O3）、酸化セリウム（CeO2）、もしくはさまざまな有機／希土類元素化合物の一つまたはそれ以上を溶解させたものに相当する。上述したドープの後に、焼きなましを行って、導波管材料内の希土類元素を拡散させることができる。
【００４６】
導波管材料内に希土類元素を組み込むために利用される手順に関わらず、本発明のいくつかの態様は、導波管材料のシリコンナノクリスタル内に希土類元素を組み込むこと（incorporation）を含む。導波管材料がいくらかのケイ素を含む場合には、このような組み込みは焼きなまし中に行われる。それによって、本発明のいくつかの態様は、導波管材料として利用される誘電性材料へのいくらかのケイ素の組み込みを含むであろう。いくつかの態様においては、導波管材料は、最初に、二酸化ケイ素、ドープされた二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化インジウムスズ、酸化亜鉛スズの一つまたはそれ以上を含むことができ、さらに十分なケイ素を含み、その結果、最終的に導波管材料内に供給される希土類元素のほとんどもしくは全てを組み込むために、シリコンナノクリスタルは導波管材料内に十分な量で拡散される。
【００４７】
図８に関連して示されたドープは導波管材料の全体をドープすることができ、または導波管材料の一部分のみをドープすることもできる。例えば、導波管材料の一部は、ドープの間マスクで保護されることができ、その結果、保護された部分はドープされず、一方、その他の部分はドープされる。図９は、図８の工程段階での例示的な構成の上面図を示し、導波管材料の一部分はドープ材料６０を形成するためにドープされ、導波管材料の他の部分（もしくは区分部）はドープされない（要するに、図６および７に関連して上記に述べられた材料５６として残るということである）。
【００４８】
図９の構造物は、図３に関連して上記に述べられたものと類似する、光信号伝播部品を含む。特に、図９の区分部６０は、図３の区分部４４として上記に述べられたのと同一の組成を持つことができ、図９の区分部５６は、図３の区分部４６として上記に述べられたのと同一の組成を持つことができる。それによって、いくつかの態様においては、区分部６０は、希土類元素がドープされた酸化インジウムスズ、希土類元素がドープされた酸化亜鉛スズの一つまたはそれ以上に相当し、区分部５６は、二酸化ケイ素、ドープされた二酸化ケイ素、窒化ケイ素、のうち一つまたはそれ以上と相当することが可能である。
【００４９】
障壁材料５４は、区分部５６に沿うのと同様に、区分部６０に沿った共通の組成物を含むように示されているが、本発明では、障壁材料が、ドープされた導波管材料に沿う部分とドープされていない導波管材料に沿う部分とで異なるような態様も含む。例えば、酸化インジウムスズまたは酸化亜鉛スズを含むドープされた導波管材料に沿うように、金属障壁材料を用いて、また、二酸化ケイ素、ドープされた二酸化ケイ素、および／または窒化ケイ素を含むドープされていない導波管材料に沿うように、非金属障壁材料を用いると、有益となりうる。
【００５０】
図１０について言えば、図８および９の後に続く工程段階での図８の断面図が示され、特に、第二の障壁材料６２が平坦化表面５７にわたって形成された後の状態が示される。第二の障壁材料は、トレンチ５０（そのようなトレンチは図５に関連して上述した）の側壁に沿って、第一の障壁材料に接触する。第二の障壁材料は、第一の障壁材料のように、一つの組成物を含んでもよく、または異なる組成物の区分部を含んでもよい。いくつかの態様において、第二の障壁材料が第一の障壁材料と接触する箇所において、第二の障壁材料は第一の障壁材料と同様の組成である。
【００５１】
法令に従って、本発明は、構造的および方法的な特徴に関して、多かれ少なかれ具体的に言語で説明されている。しかしながら、本発明は、示されたり説明されたりした特定の特徴に限られないことが理解されるべきであり、なぜならここに開示の方法は、発明の効果を得る上で好ましい形態を含むからである。それゆえ、本発明は、付随する請求項の適切な範囲内での形状または変更例の任意のもので請求され、請求項は、均等物の原則にしたがって適切に解釈される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
本発明の好ましい実施形態が次の付随する図を参照して示される。
【図１】本発明の例示的な態様にしたがった光装置部品の概略的な断面上面図である。
【図２】図１の２−２の線に沿った概略的な断面図である。
【図３】本発明の別の例示的な態様にしたがった光装置部品の概略的な断面上面図である。
【図４】本発明の例示的な一態様にしたがった予備工程段階における半導体構造物の断片（fragment）の概略的な断面図である。
【図５】図４の次に続く工程段階における図４の断片の図である。
【図６】図５の次に続く工程段階における図４の断片の図である。
【図７】図６の次に続く工程段階における図４の断片の図である。
【図８】図７の次に続く工程段階における図４の断片の図である。
【図９】線８−８に沿った断面が図８で示される構造物の上面図である。
【図１０】図８の次に続く工程段階における図４の断片の図である。
【図１】
2009524214.tif 000003
【図２】
2009524214.tif 000004
【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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【手続補正書】
【提出日】平成20年9月1日(2008.9.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光が中を通って移動する内部材料と、
前記内部材料の周囲の鞘であって、前記内部材料によって画定された経路に沿った光の移動を実質上維持するために形成された鞘と、
を含む、導光コンジットであって、
前記内部材料は母材を含み、前記母材はその中に拡散された一種以上の希土類元素を持ち、前記母材の少なくとも一つの部分内における前記一種以上の希土類元素の総濃度は、少なくとも１×1016 atoms/cm3
であることを特徴とし、
前記内部材料は、
前記一種以上の希土類元素を約１×1016 atoms/cm3の総濃度で含む第一の区分部と、
前記内部材料によって画定された光の経路に沿って、第一の区分部の下流側にある第二の区分部であって、前記第二の区分部は、前記一種以上の希土類元素を約１×1015 atoms/cm3より少ない総濃度で含む第二の区分部と、
を含むことを特徴とする、
導光コンジット。
【請求項２】
前記光の前記経路に沿って、前記第一の区分部の上流側にある領域をさらに含む請求項１の導光コンジットであって、前記導光コンジットは光信号を前記上流側にある領域から前記第一の区分部へ通過させるように構成され、前記第一の区分部は前記光信号を増幅し、増幅された前記光信号を前記第二の区分部に送る、ことを特徴とする、請求項１の導光コンジット。
【請求項３】
前記第一の区分部の誘電性組成物は酸化インジウムスズおよび酸化亜鉛スズの一つまた
は両方を含むことを特徴とし、ならびに、前記第二の区分部の誘電性組成物は酸化インジウムスズまたは酸化亜鉛スズのいずれも含まないことを特徴とする、請求項１の導光コンジット。
【請求項４】
前記第二の区分部の誘電性組成物が二酸化ケイ素、ドープされた二酸化ケイ素、および窒化ケイ素のうち一つもしくはそれ以上を含むことを特徴とする、請求項３の導光コンジット。
【請求項５】
前記一種以上の希土類元素がエルビウムを含む、請求項１の導光コンジット。
【請求項６】
前記鞘が金属区分部と非金属区分部を含む、請求項１の導光コンジット。
【請求項７】
半導体基板と、
前記基板によって支えられ、一種以上の希土類元素を含む導波管であって、前記一種以上の希土類元素は前記導波管の少なくとも一つの区分部内に少なくとも１×1016 atoms/cm3の総濃度で存在する、導波管と、
を含む、半導体構造物であって、
前記導波管が、
前記一種以上の希土類元素を含む第一の区分部と、
前記一種以上の希土類元素を含まない第二の区分部と、
を含む、
ことを特徴とする、半導体構造物。
【請求項８】
前記第二の区分部は、前記導波管に沿って、光の経路に沿う前記第一の区分部の下流側にあることを特徴とする、請求項７の構造物。
【請求項９】
前記第一の区分部は酸化インジウムスズおよび酸化亜鉛スズの一つまたは両方を含むことを特徴とし、ならびに、前記第二の区分部は酸化インジウムスズまたは酸化亜鉛スズのいずれも含まないことを特徴とする、請求項８の構造物。
【請求項１０】
光信号入力を前記第一の区分部に供給するために構成された光信号コンジットをさらに含み、ならびに、前記第一の区分部は、前記光信号入力を増幅するために構成された光増幅器であって、増幅された前記光信号を前記第二の区分部に送る、ことを特徴とする、請求項８の構造物。
【請求項１１】
半導体基板を用意するステップと、
前記基板に一つまたはそれ以上のトレンチをエッチングするステップと、
第一の障壁材料で前記トレンチのうちの少なくとも一つの内側を覆うステップと、
前記トレンチのうちの内側が覆われた前記少なくとも一つを導波管材料で充填するステップと、
一種以上の希土類元素を前記導波管材料の少なくともいくつかにドープするステップと、
前記導波管材料を覆う第二の障壁材料を形成するステップであって、前記第二の障壁材料は、前記少なくとも一つのトレンチの側壁に沿って、前記第一の障壁材料に接触する、ステップと、
を含む、半導体構造物を形成する方法。
【請求項１２】
前記一種以上の希土類元素がセリウムを含むことを特徴とし、ならびに、前記ドープするステップが前記導波管材料の少なくとも一部を酸性溶液にさらすステップを含み、前記酸性溶液はその中に溶けているセリウム含有材料を持つ、ことを特徴とする、請求項１１
の方法。
【請求項１３】
前記一種以上の希土類元素がエルビウムを含むことを特徴とし、ならびに、前記ドープするステップが前記導波管材料の少なくとも一部を酸性溶液にさらすステップを含み、前記酸性溶液はその中に溶けているエルビウム含有材料を持つ、ことを特徴とする、請求項１１の方法。
【請求項１４】
前記導波管が、
希土類元素ドープ誘電性材料を含む第一の区分部と、
希土類元素を実質的に含まない第二の区分部と、
を含む、請求項１１の方法。
【請求項１５】
前記導波管が、
エルビウムドープ誘電性材料を含む第一の区分部と、
エルビウムドーパントを実質的に含まない第二の区分部と、
を含む、請求項１１の方法。
【請求項１６】
前記第二の区分部は前記導波管に沿った光の経路に沿って、前記第一の区分部の下流側にある、請求項１５の方法。
【請求項１７】
前記第二の区分部は二酸化ケイ素またはドープされた二酸化ケイ素からなることを特徴とし、ならびに、前記第一の区分部の前記エルビウムでドープされた誘電性材料は、酸化インジウムスズおよび酸化亜鉛スズの一つまたは両方を含むことを特徴とする、請求項１５の方法。
【国際調査報告】
2009524214.tif 000013
2009524214.tif 000014
2009524214.tif 000015