(57)【要約】【課題】より高い変調効率が得られる光変調素子および光変調器、ならびに光変調素子の製造方法を提供する。【解決手段】上面、下面、第一側面、及び第二側面を有するリブ領域と、前記第一側面から延びる第一スラブ領域と、前記第二側面から延びる第二スラブ領域と、を含む光導波路を備えた光変調素子が提供される。前記光導波路は、第一導電型の第一半導体領域と、前記第一導電型とは電気的に反対の符号をもつ第二導電型の第二半導体領域と、を含む。前記第一半導体領域は、前記リブ領域の上面に沿って延びる上部領域と、前記リブ領域の第二側面に沿って延びる側部領域と、前記リブ領域の下面に沿って延びる下部領域と、を含む。前記第二半導体領域は、前記上部領域と前記側部領域と前記下部領域とに接するように、前記上部領域と前記下部領域との間に挟まれている。前記上部領域及び前記下部領域のうちの少なくとも一方の端面は、前記第一側面と面一である。【選択図】図１
2018005092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面、下面、第一側面、及び第二側面を有するリブ領域と、前記第一側面から延びる第一スラブ領域と、前記第二側面から延びる第二スラブ領域と、を含む光導波路を備えた光変調素子であって、
前記光導波路は、第一導電型の第一半導体領域と、前記第一導電型とは電気的に反対の符号をもつ第二導電型の第二半導体領域と、を含み、
前記第一半導体領域は、前記リブ領域の上面に沿って延びる上部領域と、前記リブ領域の第二側面に沿って延びる側部領域と、前記リブ領域の下面に沿って延びる下部領域と、を含み、
前記第二半導体領域は、前記上部領域と前記側部領域と前記下部領域とに接するように、前記上部領域と前記下部領域との間に挟まれ、
前記上部領域及び前記下部領域のうちの少なくとも一方の端面は、前記第一側面と面一である、光変調素子。
【請求項２】
前記上部領域及び前記下部領域の両方の端面は、前記第一側面と面一である、請求項１に記載の光変調素子。
【請求項３】
前記下部領域は、前記第一スラブ領域内まで延びている、請求項１に記載の光変調素子。
【請求項４】
前記第一導電型はＮ型であり、
前記第二導電型はＰ型である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光変調素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光変調素子を備える光変調器。
【請求項６】
上面、下面、第一側面、及び第二側面を有するリブ領域と、前記第一側面から延びる第一スラブ領域と、前記第二側面から延びる第二スラブ領域と、を備えた光変調素子の製造方法であって、
基板に第一導電型及び前記第一導電型とは電気的に反対の符号をもつ第二導電型のドーパントを注入して、前記第一導電型の第一層と、前記第二導電型の第二層と、前記第一導電型の第三層とを、前記基板の厚さ方向に沿ってこの順に配されるように前記基板内に形成し、
前記第一層の表面上に第一マスクを形成し、
前記第一マスクが形成されていない範囲において、前記第一層と前記第二層の上部とを除去して前記第一スラブ領域、前記第二スラブ領域、及び前記第一マスクに覆われた前記リブ領域を形成し、
前記第一マスクの表面の一部および前記第二スラブ領域の全表面上に第二マスクを形成し、
前記第一マスク及び前記第二マスク越しに前記第二導電型のドーパントを打ち込んで、前記第一スラブ領域に前記第二導電型のドーパントを注入し、
前記第一マスク及び前記第二マスクを除去し、
前記第二導電型の前記第一スラブ領域の全表面及び前記リブ領域の表面上に、前記第二側面近傍において前記リブ領域の表面が露出するように、第三マスクを形成し、
前記第三マスク越しに前記第一導電型のドーパントを打ち込んで、前記第二スラブ領域と前記リブ領域のうちの前記第三マスクから露出する部分とに前記第一導電型のドーパントを注入し、
前記第三マスクを除去する、
光変調素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光変調素子および光変調器、ならびに光変調素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信において、電気信号を光信号に変換する変調素子が使用される。一例として、半導体材料からなる光導波路の一部にＰ型のドーパント及びＮ型のドーパントを注入することにより形成された光変調素子が知られている。このような光変調素子において、Ｐ型にドープされた領域及びＮ型にドープされた領域のそれぞれに電極が設けられている。これら電極を通じて電気信号を印加することにより、光導波路における屈折率を実現することができる。
【０００３】
特許文献１には、Ｐ型にドープされた領域とＮ型にドープされた領域との接合面（ＰＮ接合部）が、光導波路のリブ領域の上面及び側面に沿って延びる光変調素子が開示されている。この光変調素子では、リブ領域の上面近傍及び一側面近傍にのみＰＮ接合部が存在する。
【０００４】
非特許文献１には、リブ領域の中央において、Ｐ型にドープされた領域がＮ型にドープされた領域に挟まれるようにドーピングされた光変調素子およびその製造方法が開示されている。この光変調素子では、リブ領域の中央近傍にのみＰＮ接合部が存在している。
【０００５】
非特許文献２には、ＳＯＩ基板に、一つのＰＮ接合を形成するための方法が開示されている。この方法によれば、スラブ領域形成時に用いたマスクを用いてスラブ領域へのＮ型ドーパントの注入を行うことにより、リブ領域の一側面（リブ領域とスラブ領域との境界）上にＰＮ接合面が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７７４７１２２号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Tongtong Cao, Yonghao Fei, Libin Zhang, Yanmei Cao, and Shaowu Chen, “Design of a silicon Mach-Zehnder modulator with a U-type PN junction”, Applied Optics, vol. 52, No. 24, p. 5941-5948 (2013)
【非特許文献２】D. J. Thomson, F. Y. Gardes, G. T. Reed, F. Milesi, and J-M Fedeli, “High speed silicon optical modulator with self aligned fabrication process”, Optics Express, vol. 18, No. 18, p. 19064-19069 (2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示されている光変調素子は、Ｐ型領域及びＮ型領域の形状がシンプルであるため、比較的容易に製造することができる。しかしながら、より高い変調効率が求められるデバイスにおいて、そのＰＮ接合面の面積が不十分である場合がある。
【０００９】
非特許文献１に開示されている光変調素子の製造方法では、Ｎ型ドーパントを注入する領域が限定され、得られる光変調素子においてリブ領域の中央近傍にのみＰＮ接合面が形成される。しかしながら、より高い変調効率が求められるデバイスにおいて、そのＰＮ接合面の面積が不十分である場合がある。
【００１０】
非特許文献２に開示されている光変調素子の製造方法では、シリコン基板中に１つのＰＮ接合面を高い位置精度で形成することができる。しかしながら、ＰＮ接合面が複数存在する光変調素子を製造することについて同文献では議論がなされていない。
【００１１】
本発明は、より高い変調効率が得られる光変調素子および光変調器、ならびに光変調素子の製造方法の提供を一つの目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（１）本発明の一態様に係る光変調素子は、上面、下面、第一側面、及び第二側面を有するリブ領域と、前記第一側面から延びる第一スラブ領域と、前記第二側面から延びる第二スラブ領域と、を含む光導波路を備え、前記光導波路は、第一導電型の第一半導体領域と、前記第一導電型とは電気的に反対の符号をもつ第二導電型の第二半導体領域と、を含み、前記第一半導体領域は、前記リブ領域の上面に沿って延びる上部領域と、前記リブ領域の第二側面に沿って延びる側部領域と、前記リブ領域の下面に沿って延びる下部領域と、を含み、前記第二半導体領域は、前記上部領域と前記側部領域と前記下部領域とに接するように、前記上部領域と前記下部領域との間に挟まれ、前記上部領域及び前記下部領域のうちの少なくとも一方の端面は、前記第一側面と面一である。
【００１３】
（２）上記（１）の光変調素子において、前記上部領域及び前記下部領域の両方の端面は、前記第一側面と面一であってもよい。
（３）上記（１）の光変調素子において、前記下部領域は、前記第一スラブ領域内まで延びていてもよい。
（４）上記（１）〜（３）の光変調素子において、前記第一導電型はＮ型であり、前記第二導電型はＰ型であってもよい。
【００１４】
（５）本発明の一態様に係る光変調器は、上記（１）〜（４）の光変調素子のいずれか一つを備えている。
【００１５】
（６）本発明の一態様に係る光変調素子の製造方法は、上面、下面、第一側面、及び第二側面を有するリブ領域と、前記第一側面から延びる第一スラブ領域と、前記第二側面から延びる第二スラブ領域と、を備えた光変調素子の製造方法であって、基板に第一導電型及び前記第一導電型とは電気的に反対の符号をもつ第二導電型のドーパントを注入して、前記第一導電型の第一層と、前記第二導電型の第二層と、前記第一導電型の第三層とを、前記基板の厚さ方向に沿ってこの順に配されるように前記基板内に形成し、前記第一層の表面上に第一マスクを形成し、前記第一マスクが形成されていない範囲において、前記第一層と前記第二層の上部とを除去して前記第一スラブ領域、前記第二スラブ領域、及び前記第一マスクに覆われた前記リブ領域を形成し、前記第一マスクの表面の一部および前記第二スラブ領域の全表面上に第二マスクを形成し、前記第一マスク及び前記第二マスク越しに前記第二導電型のドーパントを打ち込んで、前記第一スラブ領域に前記第二導電型のドーパントを注入し、前記第一マスク及び前記第二マスクを除去し、前記第二導電型の前記第一スラブ領域の全表面及び前記リブ領域の表面上に、前記第二側面近傍において前記リブ領域の表面が露出するように、第三マスクを形成し、前記第三マスク越しに前記第一導電型のドーパントを打ち込んで、前記第二スラブ領域と前記リブ領域のうちの前記第三マスクから露出する部分とに前記第一導電型のドーパントを注入し、前記第三マスクを除去する。
【発明の効果】
【００１６】
上記本発明のいくつかの態様によれば、より高い変調効率が得られる光変調素子および光変調器、ならびに光変調素子の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】一実施形態に係る光変調素子の断面を模式的に示す断面図である。
【図２】同実施形態の第一変形例に係る光変調素子の断面を模式的に示す断面図である。
【図３】同実施形態の第二変形例に係る光変調素子の断面を模式的に示す断面図である。
【図４】同実施形態の第三変形例に係る光変調素子の断面を模式的に示す断面図である。
【図５Ａ】一実施形態に係る位相変調部の断面を模式的に示す断面図である。
【図５Ｂ】一実施形態に係る光変調器を示す模式図である。
【図６Ａ】一実施形態に係る光変調素子の製造工程を模式的に示す断面図である。
【図６Ｂ】図６Ａの工程に続く製造工程を模式的に示す断面図である。
【図６Ｃ】図６Ｂの工程に続く製造工程を模式的に示す断面図である。
【図６Ｄ】図６Ｃの工程に続く製造工程を模式的に示す断面図である。
【図７Ａ】一実施形態に係る光変調素子の製造工程を模式的に示す断面図である。
【図７Ｂ】図７Ａの工程に続く製造工程を模式的に示す断面図である。
【図７Ｃ】図７Ｂの工程に続く製造工程を模式的に示す断面図である。
【図７Ｄ】図７Ｃの工程に続く製造工程を模式的に示す断面図である。
【図８】一実施形態に係る光変調素子の変調効率を示すグラフである。
【図９】一実施形態に係る光変調素子における光の電界強度および屈折率変化量の分布を示すシミュレーション画像である。
【図１０】従来例に係る光変調素子の変調効率を示すグラフである。
【図１１】従来例に係る光変調素子における光の電界強度および屈折率変化量の分布を示すシミュレーション画像である。
【図１２】従来例に係る光変調素子の断面を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
はじめに、半導体材料を含む光導波路中に形成された光変調素子の屈折率制御と変調効率について説明する。
半導体材料の屈折率を変化させる方法はいくつか存在する。特に、シリコンの屈折率をナノ秒オーダで変化させる方法として、キャリアプラズマ効果を用いた方法が知られている。キャリアプラズマ効果とは、媒質内のキャリア濃度（たとえば、正孔濃度と電子濃度）の変化に応じて、媒質の屈折率が変化する効果である。
R. A. Soref and B. R. Bennett, “Electrooptical effects in silicon”, IEEE J. Quantum Electron. 23, 123-129 (1987)によれば、Ｐ型、Ｎ型シリコンにおける、波長１．５５μｍの光に対するシリコンの複素屈折率の変化Δｎは、次の（式１）、及び（式２）により表される。
【００１９】
【数１】
2018005092.tif 000003
【００２０】
【数２】
2018005092.tif 000004
【００２１】
ここで、ΔＮｅは電子濃度の変化量［ｃｍ−３］であり、ΔＮｈは正孔濃度の変化量［ｃｍ−３］である。Ｉｍ［Δｎ］の単位はＮａｐｅｒ／ｃｍである。
上記（式１）より、電子濃度および正孔濃度の変化量が大きいほど、屈折率の実部の変化量が大きくなることがわかる。特に、正孔濃度の変化量が、屈折率の実部の変化量により大きく寄与することがわかる。
【００２２】
Ｐ型にドープされた領域（Ｐ型領域）及びＮ型にドープされた領域（Ｎ型領域）を有するシリコン基板において、Ｐ型領域とＮ型領域との境界付近には、キャリア（正孔及び電子）が極めて少ない空乏層と呼ばれる領域が存在する。この空乏層（ＰＮ接合部）に逆バイアス電圧が印加されると、空乏層の幅が変化し、キャリア濃度が変化する。
したがって、逆バイアス電圧を制御することにより、シリコン基板の屈折率を制御することができる。
また、このキャリア濃度が変化する空乏層（すなわち、ＰＮ接合面）が光導波路内に占める割合が大きいほど、逆バイアス電圧の印加による光変調素子の屈折率変化量を大きくすることができ、よって、光導波路を伝搬する光に対してより大きな位相変調を与えることができる。
【００２３】
光変調素子の変調効率は、光導波路内における屈折率変化量の分布と、伝搬する光モード（電界強度）の分布との重なり積分により評価される。
光モードの分布に関して、鉛直方向の寸法が水平方向の寸法よりも小さい光導波路においては、一般的に、鉛直方向の光の閉じ込めが強固になる。このような光導波路において、鉛直方向における単位長さ（面積）当たりの光の電界強度は、水平方向におけるそれよりも大きい。したがって、鉛直方向にける屈折率変化量を大きくすることが、光変調素子の変調効率を向上させる一つの手段である。
【００２４】
以下、本発明の実施形態に係る光変調素子および光変調器、ならびに光変調素子の製造方法を、添付図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、断面とは、光導波路中の光の伝搬方向に直交する面である。また、説明の便宜上、リブ領域が上に凸になるように配置された光変調素子に対して、上面、下面、側面等の面、上部、側部、下部等の部分、鉛直方向、水平方向等の方向を定義し、幅は当該水平方向における寸法を、高さは鉛直方向における寸法を指している。これら面や部分、方向等に関する定義は、各要素の空間における絶対的な位置を限定するものではない。
【００２５】
図１は、一実施形態に係る光変調素子の断面を模式的に示す断面図である。本図に例示されている光変調素子１は、上面２ａ、下面２ｂ、第一側面２ｃ、及び第二側面２ｄを有するリブ領域２と、第一側面２ｃから延びる第一スラブ領域３と、第二側面２ｄから延びる第二スラブ領域４と、を含む光導波路５を備えている。この例において、リブ領域２は幅ｗ１１、高さｈ２の略矩形形状である。なお、第一側面２ｃは、リブ領域２と第一スラブ領域３との境界面も含んでいる。同様に、第二側面２ｄは、リブ領域２と第二スラブ領域４との境界面も含んでいる。
【００２６】
光導波路５は、シリコンにより形成してもよい。たとえば、シリコン（Ｓｉ）−シリカ（ＳｉＯ２）−シリコン（Ｓｉ）からなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の最上層のシリコン（Ｓｉ）層を加工して、リブ領域２と、第一スラブ領域３と、第二スラブ領域４と、を一体に形成することができる。
図１の例において、リブ領域２は、幅ｗ１１、高さｈ２の略矩形形状である。第一スラブ領域３は、幅ｗ３、高さｈ３の略矩形形状であり、第二スラブ領域４は、幅ｗ４、高さｈ３の略矩形形状である。また、リブ領域２の下面２ｂは、第一スラブ領域３の下面３ｂおよび第二スラブ領域４の下面４ｂと面一である。光導波路５に要求される特性に応じて、第一スラブ領域３の下面３ｂおよび第二スラブ領域４の下面４ｂに対するリブ領域２の下面２ｂの位置は適宜調整できる。
【００２７】
光導波路５は、第一導電型の第一半導体領域１０と、前記第一導電型とは電気的に反対の符号をもつ第二導電型の第二半導体領域２０と、を含んでいる。第一導電型及び第二導電型は、Ｐ型又はＮ型であり、互いに電気的に反対の符号をもつ型である。すなわち、第一導電型がＰ型の場合に第二導電型はＮ型であり、第一導電型がＮ型の場合に第二導電型はＰ型である。
【００２８】
Ｐ型の導電性を与える添加物の例としてはホウ素（Ｂ）等のＩＩＩ族元素がある。このような添加物を光導波路５の所定の領域にイオン注入することにより、Ｐ型の半導体領域を得ることができる。
Ｎ型の導電性を与える添加物の例としてはリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）等のＶ族元素が挙げられる。このような添加物を光導波路５の所定の領域にイオン注入することにより、Ｎ型の半導体領域を得ることができる。
【００２９】
第一半導体領域１０は、リブ領域２の上面２ａに沿って延びる上部領域１１と、リブ領域２の第二側面２ｄに沿って延びる側部領域１２と、リブ領域２の下面２ｂに沿って延びる下部領域１３と、を含んでいる。
【００３０】
図１の例において、上部領域１１は、幅ｗ１１、高さｈ１１の略矩形形状である。上部領域１１は、上面２ａ及び第二側面２ｄに実質的に接している。側部領域１２は、幅ｗ１２、高さｈ１２の略矩形形状である。側部領域１２は、第二側面２ｄに実質的に接している。下部領域１３は、幅ｗ１１、高さｈ１３の略矩形形状である。下部領域１３は、第二側面２ｄ及び下面２ｂに実質的に接している。
上部領域１１、側部領域１２、下部領域１３、及び第二スラブ領域４に存在する半導体領域は、実質的に連続した一つの半導体領域１０を構成している。説明の便宜上、リブ領域２内に存在する半導体領域１０を３つに分割して、それぞれ上部領域１１、側部領域１２、および下部領域１３と呼んでいる。
【００３１】
第二半導体領域２０は、上部領域１１と側部領域１２と下部領域１３とに接するように、上部領域１１と下部領域１３との間に挟まれている。
図１の例において、第二半導体領域２０は、リブ領域２から第一スラブ領域３に亘って、リブ領域２の中心を含むように延在している。第二半導体領域２０と上部領域１１との境界に略水平方向に延びるＰＮ接合面ｊ１が、第二半導体領域２０と側部領域１２との境界に略鉛直方向に延びるＰＮ接合面ｊ２が、第二半導体領域２０と下部領域１３との境界に略水平方向に延びるＰＮ接合面ｊ３及び略鉛直方向に延びるＰＮ接合面ｊ４が存在する。
【００３２】
上部領域１１の端面１１ｅ及び下部領域１３の端面１３ｅの少なくとも一方は、第一側面２ｃと面一である。図１の例では、上部領域１１及び下部領域１３の両方の端面１１ｅ及び１３ｅは、第一側面２ｃと面一である。すなわち、上部領域１１及び下部領域１３の両方は、リブ領域２の全幅に亘って存在している。
【００３３】
図２〜図４を参照しながら、上述した光変調素子１のいくつかの変形例について説明する。上述した光変調素子１と同じ構造を有する要素については説明を省略する。
【００３４】
図２は、第一変形例に係る光変調素子３０の断面を模式的に示す断面図である。
本図に例示されるように、上部領域１１の端面１１ｅは第一側面２ｃと面一でなく、下部領域１３の端面１３ｅのみが第一側面２ｃと面一であってもよい。本例において、上部領域１１の端面１１ｅは第一側面２ｃから距離ｗａだけ離れている。また、上部領域１１の端面１１ｅと第二半導体領域２０との境界に、略鉛直方向に延びるＰＮ接合面ｊ５が存在する。
【００３５】
図３は、第二変形例に係る光変調素子４０の断面を模式的に示す断面図である。
本図に例示されるように、上部領域１１の端面１１ｅは第一側面２ｃと面一であって、下部領域１３の端面１３ｅは第一側面２ｃと面一でなくてもよい。本例において、下部領域１３の端面１３ｅは第一側面２ｃから距離ｗｂだけ離れている。また、下部領域１３の端面１３ｅと第二半導体領域２０との境界に、略鉛直方向に延びるＰＮ接合面ｊ４が存在する。
【００３６】
図４は、第三変形例に係る光変調素子５０の断面を模式的に示す断面図である。
本図に例示されるように、下部領域１３は、第一スラブ領域３内まで延びていてもよい。本例のように、上部領域１１の端面１１ｅが第一側面２ｃと面一であり、下部領域１３の端面１３ｅが第一スラブ領域３内にあってもよい。本例において、下部領域１３の端面１３ｅは第一側面２ｃから距離ｗｃだけ第一スラブ領域３に突出している。また、下部領域１３の端面１３ｅと第二半導体領域２０との境界に、略鉛直方向に延びるＰＮ接合面ｊ４が存在する。この場合、略水平方向に延びるＰＮ接合面ｊ３は、リブ領域２から第一スラブ領域３に亘って存在し、略鉛直方向に延びるＰＮ接合面ｊ４は第一スラブ領域３内に存在する。
【００３７】
上述した光変調素子１，３０，４０，及び５０によれば、光導波路５内において、第一半導体領域１０と第二半導体領域２０との境界面であるＰＮ接合面の面積（光導波路の寸法に対する相対的な面積）を、公知の光変調素子よりも大きくすることができる。すなわち、光導波路５内において、屈折率変化量の大きい部分をより多く確保できる。したがって、より高い変調効率が得られる光変調素子を提供できる。
また、第一半導体領域１０の上部領域１１の端面１１ｅ及び下部領域１３の端面１３ｅの少なくとも一方はリブ領域２の第一側面２ｃと面一であるため、第一側面２ｃに達する略水平方向に延在するＰＮ接合面（空乏層）がリブ領域２内に少なくとも一つ存在する。したがって、第一側面２ｃ近傍における鉛直方向の屈折率変化量をより大きくすることができ、光変調素子１全体としての変調効率を向上させることができる。
【００３８】
第一半導体領域１０の上部領域１１の端面１１ｅ及び下部領域１３の端面１３ｅの両方がリブ領域２の第一側面２ｃと面一である場合、第一側面２ｃに達する略水平方向に延在するＰＮ接合面（空乏層）がリブ領域２内に二つ存在する。この場合、第一側面２ｃ近傍における鉛直方向の屈折率変化量をさらに大きくすることができ、光変調素子１全体としての変調効率をより向上させることができる。
【００３９】
下部領域１３が第一スラブ領域３まで延びている場合、水平方向においてリブ領域２の第一側面２ｃを横断して第一スラブ領域３まで延在するＰＮ接合面（空乏層）が存在する。この場合、リブ領域２のみならず第一スラブ領域３においても鉛直方向における屈折率変化量を大きくすることができる。したがって、第一スラブ領域３に存在する光モードに対する変調効率を向上させることができ、光変調素子１全体としての変調効率をさらに向上させることができる。
特に、図４に例示されるように、下部領域１３が第一スラブ領域３まで延びていて且つ、上部領域１１の端面１１ｅがリブ領域２の第一側面２ｃと面一である場合、第一側面２ｃに達する略水平方向に延在するＰＮ接合面（空乏層）がリブ領域２内に二つ存在して且つ、第一スラブ領域３において略水平方向に延在するＰＮ接合面（空乏層）が存在する。この場合、第一スラブ領域３において鉛直方向における屈折率変化量をより大きくできるとともに、リブ領域２での鉛直方向における屈折率変化量をさらに大きくできる。したがって、光変調素子１全体としての変調効率をさらに向上させることができる。
【００４０】
上述した光変調素子１，３０，４０，及び５０において、第一導電型はＮ型であり、第二導電型はＰ型であってもよい。この場合、光モードの強い光導波路５の中心付近において、正孔濃度の変化量を大きくすることができる。よって、上記（式１）からも明らかなように、より変調効率の高い光変調素子を提供できる。
【００４１】
図５Ａは、一実施形態に係る位相変調部の断面を模式的に示す断面図である。本図に例示した位相変調部６０は、基板６１と、下部クラッド６２と、光変調素子１と、上部クラッド６３と、２つの電極６４と、を備えている。本例において光変調素子として示されている部分はコアとして機能する。位相変調部６０は、光変調素子１の代わりに、上述した光変調素子３０，４０，又は５０を備えていてもよい。
【００４２】
基板６１には、たとえば、アンドープシリコン（ｕｎｄｏｐｅｄ  Ｓｉ）を用いることができる。基板６１の上面上にある下部クラッド６２には、たとえば、シリカ(ＳｉＯ２)を用いることができる。光変調素子１（３０，４０，５０）の上面上にある上部クラッド６３には、たとえば、シリカ(ＳｉＯ２)を用いることができる。
このような基板６１、下部クラッド６２、光変調素子１（３０，４０，５０）、および上部クラッド６３を有する素子は、たとえば、ＳＯＩ基板を加工して、最上層のシリコンへのドーピングを行った後に、当該シリコン層上にシリカを堆積することにより作製することができる。
２つの電極６４は、それぞれ第一スラブ領域３及び第二スラブ領域４にオーミックコンタクトを形成できるように接続されている。２つ電極６４間に逆バイアス電圧を印加することにより、上述の通り、光変調を実現できる。電極６４には、アルミ等、シリコン材料とのオーミックコンタクトが形成可能な材料であれば、特に限定されず、元素単体でも合金でもよい。
【００４３】
上述した位相変調部６０によれば、変調効率の高い光変調素子１（３０，４０，５０）を備えているため、他の構成要素を特に変更することなく、より変調効率の高い位相変調部を提供することができる。
【００４４】
図５Ｂは、一実施形態に係る光変調器を示す模式図である。本図に例示した光変調器７０は、上述した位相変調部６０を２つ備えている。入射部７１より光変調器７０に入射した光は、分波部７２で２つに分波され、それぞれ２つのアーム７３，７４に導波する。各アーム７３，７４には、それぞれ位相変調部６０が設けられ、アーム７３，７４ごとに位相変調を行う。アーム７３，７４を通過した光は、合波部７５で合波されて出射部７６に出力される。したがって、両アーム７３，７４を通過した後の光の位相差に応じた、強度変調や、位相変調が可能になる。
位相変調部６０は、２つのアーム７３，７４のいずれか一方に設けられていてもよい。
【００４５】
上述した光変調器７０によれば、変調効率の高い光変調素子１（３０，４０，５０）を備えた位相変調部６０が用いられているため、他の構成要素を特に変更することなく、より変調効率の高い位相変調部を提供することができる。
【００４６】
図６Ａ〜図６Ｄ及び図７Ａ〜図７Ｄは、一実施形態に係る光変調素子の製造方法を模式的に示す断面図である。一例として、図６Ａ〜図６Ｄを参照しながら、図１に例示された構造を有する光変調素子１の製造方法を詳細に説明する。
【００４７】
図６Ａを参照して、基板Ｓに第一導電型及び前記第一導電型とは電気的に反対の符号をもつ第二導電型のドーパントを注入して、第一導電型の第一層ｓ１と、第二導電型の第二層ｓ２と、第一導電型の第三層ｓ３とを、基板Ｓの厚さ方向に沿ってこの順に配されるように基板Ｓ内に形成する。
基板Ｓには、たとえば、シリコンのような半導体材料を用いることができる。第一導電型及び第二導電型は、Ｐ型又はＮ型であり、互いに電気的に反対の符号をもつ型である。なお、ドーパントの注入の回数は、ドーパントの型やドーパントが注入される深さ等に応じて適宜決定される（以下の説明においても同様である）。
【００４８】
図６Ｂを参照して、第一層ｓ１の表面上に第一マスクｍ１を形成し、第一マスクｍ１が形成されていない範囲において、第一層ｓ１と第二層ｓ２の上部とを除去して第一スラブ領域３、第二スラブ領域４、及び第一マスクｍ１に覆われたリブ領域２を形成する。
この工程において、第一層ｓ１に形成された第一導電型の領域の端面を、リブ領域２の第一側面２ｃに精度よく一致させることができる。
第一マスクｍ１及び後述する第二〜五マスクｍ２〜ｍ５には、たとえば、レジスト膜やＳｉＯ２膜などを用いることができる。第一層ｓ１の除去および第二層ｓ２の上部の除去には、エッチング等の公知の方法を用いて行うことができる。
【００４９】
図６Ｃを参照して、第一マスクｍ１の表面の一部および第二スラブ領域４の全表面上に第二マスクｍ２を形成する。第一マスクｍ１及び第二マスクｍ２越しに第二導電型のドーパントを打ち込んで、第一スラブ領域３に第二導電型のドーパントを注入する。
この工程において、第一スラブ領域３における第三層ｓ３の導電型は、第一導電型から第二導電型に反転され、第一スラブ領域３の全領域は第二導電型になる。
第一スラブ領域３、第二スラブ領域４、及びリブ領域２の形成に用いた第一マスクｍ１をそのまま第二導電型ドーパントの注入に用いることにより、第三層ｓ３における第一導電型の領域と第二導電型の領域との境界面（ＰＮ接合面）を、リブ領域２の第一側面２ｃに精度よく一致させることができる。
また、第二マスクｍ２は少なくとも第二スラブ領域４の全表面を覆えばよいので、リブ領域２上における第二マスクｍ２の端面の位置精度は要求されない。したがって、製造効率を高めることができる。
【００５０】
図６Ｄを参照して、第一マスクｍ１及び第二マスクｍ２を除去した後に、第二導電型の第一スラブ領域３の全表面及びリブ領域２の表面上に、第二側面２ｄ近傍においてリブ領域２の表面が露出するように、第三マスクｍ３を形成する。
本図の例では、第二側面２ｄから距離ｗ１２の範囲にあるリブ領域２の表面２ｅが露出するように、第三マスクｍ３が形成されている。距離ｗ１２は、最終的に得られる光変調素子において、所望の側部領域の幅が得られるように決定される。
【００５１】
第三マスクｍ３越しに第一導電型のドーパントを打ち込んで、第二スラブ領域４とリブ領域２のうちの第三マスクｍ３から露出している部分に第一導電型のドーパントを注入する。
この工程において、第二層ｓ２の導電型は、第二導電型から第一導電型に反転され、第二スラブ領域４の全領域およびリブ領域２の露出部分（第二側面２ｄから距離ｗ１２の範囲）は第一導電型になる。その後に第三マスクｍ３を除去して、光変調素子１を得る。
【００５２】
上述した製造方法によれば、第一半導体領域１０の上部領域１１の端面１１ｅ及び下部領域１３の端面１３ｅを、リブ領域２の第一側面２ｃに精度よく一致させることができる。したがって、第一側面２ｃ近傍における鉛直方向の屈折率変化量が大きく、変調効率の高い光変調素子１を提供できる。
【００５３】
［変形例］
一実施形態に係る光変調素子の製造方法の他の例として、図７Ａ〜図７Ｄを参照しながら、図４に例示された構造を有する光変調素子５０の製造方法を詳細に説明する。
【００５４】
図７Ａ及び図７Ｂを参照して、上述した製造方法と同様に、第一スラブ領域３、第二スラブ領域４、及び第一マスクｍ１に覆われたリブ領域２を形成する。基板Ｓに第一導電型及び第二導電型のドーパントを注入して、第一導電型の第一層ｓ１と、第二導電型の第二層ｓ２と、第一導電型の第三層ｓ３とを、基板Ｓの厚さ方向に沿ってこの順に配されるように基板Ｓ内に形成する。その後に第一マスクｍ１を除去する。
【００５５】
図７Ｃを参照して、リブ領域２の全表面、第二スラブ領域４の全表面、及び第一スラブ領域３の表面上に、第一側面２ｃ近傍の部分を除く第一スラブ領域３の表面３ｅが露出するように、第四マスクｍ４を形成する。
本図の例では、第一スラブ領域３のうちの第一側面２ｃから距離ｗｃの範囲にある部分が第四マスクに覆われている。距離ｗｃは、最終的に得られる光変調素子において、所望の下部領域の幅が得られるように決定される。
【００５６】
第四マスクｍ４越しに第二導電型のドーパントを打ち込んで、第一スラブ領域３のうちの第四マスクｍ４から露出している部分に第二導電型のドーパントを注入する。
この工程において、第三層ｓ３の導電型は、第一導電型から第二導電型に反転され、第一側面２ｃ近傍の部分（第一側面２ｃから距離ｗｃの範囲）を除く第一スラブ領域３の全領域は第二導電型になる。
【００５７】
図７Ｄを参照して、第四マスクｍ４を除去した後に、第二導電型の第一スラブ領域３の全表面及びリブ領域２の表面上に、第二側面２ｄ近傍においてリブ領域２の表面が露出するように、第五マスクｍ５を形成する。
本図の例では、第二側面２ｄから距離ｗ１２の範囲にあるリブ領域２の表面２ｅが露出するように、第五マスクｍ５が形成されている。距離ｗ１２は、最終的に得られる光変調素子において、所望の側部領域の幅が得られるように決定される。
【００５８】
第五マスクｍ５越しに第一導電型のドーパントを打ち込んで、第二スラブ領域４とリブ領域２のうちの第五マスクｍ５から露出している部分に第一導電型のドーパントを注入する。
この工程において、第二層ｓ２の導電型は、第二導電型から第一導電型に反転され、第二スラブ領域４の全領域およびリブ領域２の露出部分（第二側面２ｄから距離ｗ１２の範囲）は第一導電型になる。その後に第五マスクｍ５を除去して、光変調素子５０を得る。
【００５９】
上述した製造方法によれば、第一半導体領域１０の上部領域１１の端面１１ｅを、リブ領域２の第一側面２ｃに精度よく一致させることができる。また、リブ領域２の第一側面２ｃを横断して第一スラブ領域３まで延びる下部領域１３を形成できる。したがって、リブ領域２のみならず第一スラブ領域３における鉛直方向の屈折率変化量が大きく、変調効率の高い光変調素子１を提供できる。
【００６０】
［実施例］
上述した光変調素子１の変調効率の評価をシミュレーションにより行った。比較のために、従来例に係る光変調素子についても同様の評価を行った。
【００６１】
図１２を参照して、従来例に係る光変調素子１００は、第一半導体領域及び第二半導体領域を除いて、上述した光変調素子１と同様の構造を有している。
光変調素子１００の第一半導体領域１１０は、リブ領域２の第一側面２ｃに接していない上部領域１１１及び下部領域１１３を有している。
【００６２】
図１２の例において、上部領域１１１は、幅ｗ１１１、高さｈ１１１の略矩形形状であり、下部領域１１３は、幅ｗ１１１、高さｈ１１３の略矩形形状である。上部領域１１１の端面１１１ｅおよび下部領域１１３の端面１１３ｅは、第一側面２ｃから距離ｗｇ離れている。すなわち、上部領域１１１の端面１１１ｅと第一側面２ｃとの間、および下部領域１１３の端面１１３ｅと第一側面２ｃとの間に、幅ｗｇの第二半導体領域１２０が存在している。
換言すると、第二半導体領域１２０と上部領域１１１との境界で略水平方向に延びるＰＮ接合面ｊ１０１、および、第二半導体領域１２０と下部領域１１３との境界で略水平方向に延びるＰＮ接合面ｊ１０３は、第一側面２ｃに到達していない。したがって、光変調素子１００の第一側面２ｃ近傍において、略水平方向に延在するＰＮ接合面（空乏層）は存在しない。
【００６３】
このような光変調素子１００及び上述した光変調素子１について、以下の条件で各シミュレーションを行った。
＜光変調素子１の寸法＞
ｈ３＝１００ｎｍ，ｗ１１＝５００ｎｍ，ｈ２＝２２０ｎｍ，ｈ１１＝ｈ１３＝７０ｎｍ，ｗ１２＝７０ｎｍ，ｈ１２＝８０ｎｍ
＜光変調素子１００の寸法＞
ｈ３＝１００ｎｍ，ｗ１１１＝４３０ｎｍ，ｈ２＝２２０ｎｍ，ｈ１１１＝ｈ１１３＝７０ｎｍ，ｗ１２＝７０ｎｍ，ｈ１２＝８０ｎｍ
＜半導体領域＞
第一導電型：Ｎ型，第二導電型：Ｐ型
電子濃度（第一半導体領域）の初期値：１．０×１０１８／ｃｍ３
正孔濃度（第二半導体領域）の初期値：１．５×１０１８／ｃｍ３
＜光導波路を伝搬する光＞
波長：１．５５μｍ、偏波：ＴＥモード
【００６４】
上記電子濃度及び正孔濃度（キャリア濃度）の初期値を用いて、各逆バイアス電圧におけるキャリア濃度の変化量を算出し、（式１）を用いて算出された濃度変化量を屈折率変化量に変換して、各逆バイアス電圧における光導波路（光変調素子）の実効屈折率を求めた。求められた実効屈折率に基づき、逆バイアス電圧１Ｖにおける位相に対する、各逆バイアス電圧における位相変化量を求めた。同様に、各逆バイアス電圧における光吸収損失を（式２）より求めた。
【００６５】
図８及び図１０は、それぞれ光変調素子１及び光変調素子１００について、逆バイアス電圧と位相の変化量との関係、及び、逆バイアス電圧と光吸収損失との関係を示すグラフである。図８と図１０との比較より、位相変化量（効率）及び光吸収損失の点で、光変調素子１は光変調素子１００よりも優れていることが分かる。
特に、基準となる逆バイアス電圧１Ｖでの位相をさらに１８０ｄｅｇ変化（シフト）させるのに必要な電圧は、光変調素子１において＋１．０Ｖ、光変調素子１００において＋１．２Ｖであることが分かる。さらに、逆バイアス電圧２Ｖでの光吸収損失は、光変調素子１において３．３ｄＢ、光変調素子１００において３．９ｄＢであることが分かる。
【００６６】
光変調素子の変調効率の性能指標として、上記必要な電圧と光吸収損失との積が用いられることがある。当該積は、光変調素子１について３．３、光変調素子１００について４．７である。この性能指標においても、光変調素子１の構造が光変調素子１００の構造よりも高い変調効率を得るのに適しているといえる。
【００６７】
図９及び図１１は、それぞれ光変調素子１及び光変調素子１００について、２Ｖの逆バイアス電圧を印加した際の、光モード分布（上部）及び屈折率変化量の分布（下部）を示している。光モード分布（上部）はグレースケールで示されており、最も光モード分布が多い（強い）部分が白で示され、最も光モード分布が少ない（弱い）部分が黒で示されている。屈折率変化量の分布（下部）もグレースケールで示されており、最も屈折率変化量が大きい部分が白で示され、最も屈折率変化量が小さい部分が黒で示されている。
光モード分布は、有限要素法を用いて算出した。屈折率変化量は、上記正孔濃度及び電子濃度（キャリア濃度）の初期値を用いて、電位方程式とキャリア輸送方程式を用いて算出されたキャリア濃度変化量を（式１）に代入して求めた。
図９及び図１１より、光変調素子１及び光変調素子１００の断面における光モード分布は、鉛直方向において光が強固に閉じ込められていることがわかる。
【００６８】
このような光モード分布に作用する屈折率変化量の分布は、光変調素子１と光変調素子１００とで異なっている。特に、リブ領域２の第一側面２ｃ近傍における屈折率変化量の分布が大きく異なっている。
図９及び図１１から明らかなように光変調素子１の第一側面２ｃ近傍では、鉛直方向における屈折率変化量が大きい。これに対し、光変調素子１００の第一側面２ｃ近傍では、水平方向における屈折率変化はみられるものの、鉛直方向における屈折率変化がほとんどない。
以上より、光変調素子１では、従来例に係る光変調素子１００に比べ、リブ領域２の第一側面２ｃ近傍において鉛直方向の屈折率変化量がより大きいことが分かる。したがって、全体として、光変調素子１によれば、従来例に係る光変調素子１００に比べ、より高い変調効率を有する光変調素子を提供できる。
【００６９】
以上、本発明の好ましい実施形態を記載し説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、特許請求の範囲によって制限されている。
【符号の説明】
【００７０】
１，３０，４０，５０，１００…光変調素子、２…リブ領域、２ａ…上面、２ｂ…下面、２ｃ…第一側面、２ｄ…第二側面、２ｅ…露出している表面、３…第一スラブ領域、４…第二スラブ領域、５…光導波路、１０…第一半導体領域、１１…上部領域、１１ｅ…端面、１２…側部領域、１３…下部領域、１３ｅ…端面、２０…第二半導体領域、６０…位相変調部、７０…光変調器、ｓ…基板、ｓ１…第一層、ｓ２…第二層、ｓ３…第三層、ｍ１…第一マスク、ｍ２…第二マスク、ｍ３…第三マスク、ｍ４…第四マスク、ｍ５…第五マスク
【図１】
2018005092.tif 000005
【図２】
2018005092.tif 000006
【図３】
2018005092.tif 000007
【図４】
2018005092.tif 000008
【図５Ａ】
2018005092.tif 000009
【図５Ｂ】
2018005092.tif 000010
【図６Ａ】
2018005092.tif 000011
【図６Ｂ】
2018005092.tif 000012
【図６Ｃ】
2018005092.tif 000013
【図６Ｄ】
2018005092.tif 000014
【図７Ａ】
2018005092.tif 000015
【図７Ｂ】
2018005092.tif 000016
【図７Ｃ】
2018005092.tif 000017
【図７Ｄ】
2018005092.tif 000018
【図８】
2018005092.tif 000019
【図９】
2018005092.tif 000020
【図１０】
2018005092.tif 000021
【図１１】
2018005092.tif 000022
【図１２】
2018005092.tif 000023