(57)【要約】  本発明の光変調器１は、第１の導電型を有する第１の半導体層４と、第１の半導体層４上に形成され、第１の半導体層４上を第１の方向に延びる誘電体層５と、誘電体層５上に形成され、第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する第２の半導体層６と、を有し、誘電体層５が、第１の方向から見たときに、誘電体層５の幅方向の中央に位置し、誘電体層５の厚さ方向における電気容量が相対的に大きい第１の領域５ａと、幅方向の端部に位置し、厚さ方向における電気容量が相対的に小さい第２の領域５ｂと、を有している。
2014156480.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型を有する第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に形成され、該第１の半導体層上を第１の方向に延びる誘電体層と、
前記誘電体層上に形成され、前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する第２の半導体層と、を有し、
前記誘電体層が、前記第１の方向から見たときに、前記誘電体層の幅方向の中央に位置し、前記誘電体層の厚さ方向における電気容量が相対的に大きい第１の領域と、前記幅方向の端部に位置し、前記厚さ方向における電気容量が相対的に小さい第２の領域と、を有する、光変調器。
【請求項２】
前記誘電体層は、前記第２の領域の厚さが、前記第１の領域の厚さよりも厚い、請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記誘電体層の厚さは、前記第１の領域から前記第２の領域にかけて連続的に増加する、請求項２に記載の光変調器。
【請求項４】
前記誘電体層の厚さは、前記第１の領域から前記第２の領域にかけて段階的に増加する、請求項２に記載の光変調器。
【請求項５】
前記誘電体層は、前記第１の領域と前記第２の領域とが異なる積層構造を有する、請求項１に記載の光変調器。
【請求項６】
前記誘電体層は、前記第１の領域と前記第２の領域とが異なる組成で形成されている、請求項１に記載の光変調器。
【請求項７】
前記誘電体層の前記幅方向の中央に、前記第１の方向に沿って、周囲と比べて電気容量が相対的に大きい領域が離散的に設けられている、請求項１に記載の光変調器。
【請求項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、および希土類酸化物のいずれか１つ、または少なくとも２つからなる合金である、請求項１から７のいずれか１項に記載の光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャリアプラズマ効果を利用した光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）などの光通信システムにおいて用いられる光通信デバイスとして、１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍの光ファイバ通信波長帯で動作するシリコン・ベースの光通信デバイスが知られている。このような光通信デバイスは、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のシリコン基板上への集積化が可能になる点で、非常に有望なデバイスである。【０００３】
これまで、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、非常に広く研究されている。一方で、近年では、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、非常に注目されている。【０００４】
シリコン・ベースの光変調器には、熱光学効果を利用してシリコンの屈折率を変化させるものがある。しかしながら、熱光学効果を利用した光変調器は、動作速度が低速であり、１Ｍｂ／秒を超える変調周波数が要求される装置には使用することができない。したがって、より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した光変調器が必要となる。【０００５】
純シリコンは、線形電気光学効果（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したものである（例えば、非特許文献１および特許文献１参照）。すなわち、自由キャリアの注入、蓄積、除去、または反転により、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ものである。【０００６】
図１および図２は、それぞれ非特許文献１および特許文献１に記載の、キャリアプラズマ効果を利用した光変調器を概略的に示す断面図である。【０００７】
図１に示す光変調器１０１は、真性半導体シリコンからなり、支持基板１０２および埋め込み酸化層１０３と共にＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を構成するシリコン層１０４を有している。シリコン層１０４は、リブ形状部分を有している。そのリブ形状部分を挟んだ両側には、高濃度ｐ型領域１０５および高濃度ｎ型領域１０６が形成されている。高濃度ｐ型領域１０５および高濃度ｎ型領域１０６は、シリコン層（真性半導体シリコン）１０４にそれぞれｐ型不純物およびｎ型不純物が高濃度にドープされた領域である。シリコン層１０４は上面を酸化物クラッド１０７で覆われている。【０００８】
このようなＰＩＮ（ｐ−ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−ｎ）ダイオード構造に対し、順方向および逆方向バイアスを印加すると、真性半導体シリコンからなるシリコン層１０４内の自由キャリア密度が変化する。その結果、シリコン層１０４の屈折率が変化し、導波路としてのシリコン層１０４を通じて伝達される光が位相変調されるようになっている。【０００９】
一方、図２に示す光変調器２０１は、支持基板２０２および埋め込み酸化層２０３と共にＳＯＩ基板を構成するｐ型シリコン層２０４と、誘電体層２０５を介して、ｐ型シリコン層２０４に部分的に重なるように積層されたｎ型シリコン層２０６と、を有している。ｐ型シリコン層２０４には、ｐ型不純物が高濃度にドープされた高濃度ｐ型領域２０４ａが形成されている。ｎ型シリコン層２０６には、ｎ型不純物が高濃度にドープされた高濃度ｎ型領域２０６ａが形成されている。ｐ型シリコン層２０４およびｎ型シリコン層２０６では、キャリア密度の変化が外部信号電圧により制御されるように、不純物濃度が規定されている。ｐ型シリコン層２０４、誘電体層２０５、およびｎ型シリコン層２０６は周囲を酸化物クラッド２０７で覆われている。【００１０】
このようなＳＩＳ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）キャパシタ構造では、誘電体層２０５の両側のｐ型シリコン層２０４およびｎ型シリコン層２０６で、自由キャリアが蓄積、除去、または反転されることで、光位相変調が行われるようになっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】グリーン（Ｇｒｅｅｎ）、外３名、「Ｕｌｔｒａ−ｃｏｍｐａｃｔ，  ｌｏｗ  ＲＦ  ｐｏｗｅｒ，  １０Ｇｂ／ｓ  ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、（アメリカ）、２００７年、第１５巻、ｐ．１７１０６−１７１１１３
【特許文献】
【００１２】
【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】
【００１３】
しかしながら、キャリアプラズマ効果を利用した上述の光変調器には、以下に示すように、高速動作と、小型化および低消費電力化とを両立できないという問題がある。【００１４】
図１に示す光変調器の光変調動作速度は、シリコン層１０４のリブ形状部分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場合のキャリア拡散とによって制限される。このようなＰＩＮダイオード構造の光変調器は、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している。これに対し、キャリア寿命を短くするために、シリコン層１０４内に不純物を導入することで、切り換え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、それが小型化および低消費電力化の妨げになってしまう。【００１５】
また、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。図１に示す光変調器では、順方向バイアス印加時の電気容量（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ってしまう。理論的には、ＰＮ接合部の高速動作は、逆バイアスを印加することにより達成可能である。しかしながら、そのためには、駆動電圧を比較的に大きくするか、あるいはデバイスサイズを比較的大きくする必要がある。【００１６】
一方、図２に示す光変調器では、理想的には、光信号電界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、所定の位相シフトを得るためには、光変調器の光伝播方向に沿った長さが１ｍｍ以上必要となり、デバイスサイズが大きくなってしまう。【００１７】
また、図２に示す光変調器では、誘電体層２０６の厚さを薄くした場合、光変調効率を向上させ、デバイスの小型化および低消費電力化を実現することができる。しかしながら、誘電体層２０６の厚さを薄くすることは、同時に、電気容量を大きくし、ＲＣ時定数を大きくするため、動作速度の低下につながる。すなわち、動作速度と光変調効率との間にはトレードオフの関係がある。【００１８】
そこで、本発明の目的は、高速動作と小型化および低消費電力化とを両立する光変調器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上述した目的を達成するために、本発明の光変調器は、第１の導電型を有する第１の半導体層と、第１の半導体層上に形成され、第１の半導体層上を第１の方向に延びる誘電体層と、誘電体層上に形成され、第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する第２の半導体層と、を有し、誘電体層が、第１の方向から見たときに、誘電体層の幅方向の中央に位置し、誘電体層の厚さ方向における電気容量が相対的に大きい第１の領域と、幅方向の端部に位置し、厚さ方向における電気容量が相対的に小さい第２の領域と、を有している。
【発明の効果】
【００２０】
以上、本発明によれば、高速動作と小型化および低消費電力化とを両立する光変調器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】関連技術の光変調器を概略的に示す断面図である。
【図２】関連技術の光変調器を概略的に示す断面図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態における光変調器を概略的に示す断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示す光変調器の一部を拡大して示す概略断面図である。
【図４】本実施形態における誘電体層の電気容量と印加電圧との関係を示すグラフである。
【図５】本実施形態の光変調器の製造方法の一工程を示す概略断面図である。
【図６】上記製造方法の、図５の工程に続く工程を示す概略断面図である。
【図７】上記製造方法の、図６の工程に続く工程を示す概略断面図である。
【図８】上記製造方法の、図７の工程に続く工程を示す概略断面図である。
【図９】上記製造方法の、図８の工程に続く工程を示す概略断面図である。
【図１０】上記製造方法の、図９の工程に続く工程を示す概略断面図である。
【図１１】上記製造方法の、図１０の工程に続く工程を示す概略断面図である。
【図１２】上記製造方法の、図１１の工程に続く工程を示す概略断面図である。
【図１３】上記製造方法の、図１２の工程に続く工程を示す概略断面図である。
【図１４】上記製造方法の、図１３の工程に続く工程を示す概略断面図である。
【図１５】上記製造方法の、図１４の工程に続く工程を示す概略断面図である。
【図１６】上記製造方法の、図１５の工程に続く工程を示す概略断面図である。
【図１７】上記製造方法の、図１６の工程に続く工程を示す概略断面図である。
【図１８】本実施形態の光変調器の変形例を示す概略断面図である。
【図１９】本実施形態の光変調器の変形例を示す概略断面図である。
【図２０】本実施形態の光変調器の変形例を示す概略断面図である。
【図２１】本実施形態の光変調器の変形例を示す概略断面図である。
【図２２】本実施形態の光変調器の変形例を示す概略断面図である。
【図２３】本実施形態の光変調器の変形例を示す概略断面図である。
【図２４】本実施形態の光変調器の変形例を示す概略断面図である。
【図２５】本実施形態の光変調器を用いたマッハ・ツェンダー型光変調器を概略的に示す平面図である。
【図２６】本実施形態のマッハ・ツェンダー型光変調器を並列に配置した構成を示す概略平面図である。
【図２７】本実施形態のマッハ・ツェンダー型光変調器を直列に配置した構成を示す概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００２３】
まず、本発明の一実施形態における光変調器の構成を説明する前に、本実施形態の光変調器の動作の基となる、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。後述する変形例を含め、本実施形態の光変調器は、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。
【００２４】
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、純シリコンでは、キャリアプラズマ効果と熱光学効果だけを光変調動作に利用することができる。しかしながら、熱光学効果を利用して屈折率を変化させる光変調器は、動作速度が低速である。したがって、所望の高速動作（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キャリア拡散は、一次近似では、以下の関係式で説明される。
【００２５】
【数１】
2014156480.tif 000003
【００２６】
【数２】
2014156480.tif 000004
【００２７】
上記式（１）および式（２）において、ΔｎおよびΔｋはそれぞれ、シリコン層の屈折率変化の実部および虚部を表わしている。また、ｅは素電荷、λは光波長、ε０は真空中の誘電率、ｎは真性半導体シリコンの屈折率、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。
【００２８】
シリコン層内でのキャリアプラズマ効果の実験的な評価が行われている。それによると、光通信システムで使用する１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍの光ファイバ通信波長帯でのキャリア密度に対する屈折率変化は、上記式（１）および式（２）から求めた結果と良く一致することがわかっている。また、キャリアプラズマ効果を利用した光変調器では、位相変化量は以下の式で定義される。
【００２９】
【数３】
2014156480.tif 000005
【００３０】
上記式（３）において、Ｌは光変調器の光伝播方向に沿った長さである。
【００３１】
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と比べて大きく、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できる。
【００３２】
次に、図３Ａおよび図３Ｂを参照して、本実施形態の光変調器の構成について説明する。
【００３３】
図３Ａは、本実施形態の光変調器を概略的に示す断面図であり、光の伝播方向に垂直な断面を示している。図３Ｂは、図３Ａに示す光変調器の一部を拡大して示す概略断面図である。
【００３４】
光変調器１は、支持基板２と、支持基板２上に形成された埋め込み酸化層３と、埋め込み酸化層３上に形成され、第１の導電型を有する第１の半導体層４と、を有している。本実施形態では、第１の半導体層４は、ｐ型不純物がドープされたシリコン、すなわちｐ型シリコンから形成されている。以下、第１の半導体層４を「ｐ型シリコン層」という。支持基板２と埋め込み酸化層３とｐ型シリコン層４とにより、ＳＯＩ基板が構成されている。
【００３５】
また、光変調器１は、ｐ型シリコン層４上に形成され、光の伝播方向（紙面直交方向）に延びる誘電体層５と、誘電体層５上に形成され、第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する第２の半導体層６と、を有している。本実施形態では、第２の半導体層６は、ｎ型不純物がドープされたシリコン、すなわちｎ型シリコンから形成されている。以下、第２の半導体層６を「ｎ型シリコン層」という。ｐ型シリコン層４と誘電体層５とｎ型シリコン層６とにより、ＳＩＳ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）キャパシタ構造が形成されている。したがって、本実施形態の光変調器１は、ＳＯＩ基板上に形成された、ＳＩＳキャパシタ構造を有する光変調器である。ｎ型シリコン層６の上部には、ｎ型シリコン層６と同様の導電型を有する電極引き出し部７が形成されている。すなわち、電極引き出し部７は、ｎ型シリコンから形成されている。
【００３６】
ｐ型シリコン層４およびｎ型シリコン層６のそれぞれは、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、およびＳｉ１−ｘＧｅｘの少なくとも１つの層から構成されている。また、誘電体層５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、および希土類酸化物のいずれか１つ、またはこれらの少なくとも２つからなる合金である。
【００３７】
ｐ型シリコン層４の、誘電体層５を挟んだ両側には、ｐ型不純物が高濃度にドープされた高濃度ｐ型領域４ａが形成されている。高濃度ｐ型領域４ａ上には、電極コンタクト層４ｂが形成されている。電極コンタクト層４ｂには、電極配線４ｃが接続されている。また、電極引き出し部７の、誘電体層５を挟んだ両側には、ｎ型不純物が高濃度にドープされた高濃度ｎ型領域７ａが形成されている。高濃度ｎ型領域７ａ上には、電極コンタクト層７ｂが形成されている。電極コンタクト層７ｂには、電極配線７ｃが接続されている。これら導波路全体は酸化物クラッド８で覆われている。
【００３８】
前述したように、誘電体層５の厚さを薄くすると、光変調効率が向上してデバイスの小型化および低消費電力化が実現される。しかしながら、それは同時に、電気容量の増大につながり、高速動作の妨げになる。
【００３９】
そこで、本実施形態の光変調器１では、図３Ｂに示すように、誘電体層５が、光の伝播方向（第１の方向）から見たときに、幅方向の中央に位置する中央領域（第１の領域）５ａと、端部に位置する端部領域（第２の領域）５ｂと、を有している。そして、端部領域５ｂの厚さが、中央領域５ａの厚さよりも厚くなっている。すなわち、誘電体層５の厚さ方向における電気容量が、中央領域５ａで相対的に大きく、端部領域５ｂで相対的に小さくなっている。
【００４０】
上述のＳＩＳキャパシタ構造の接合界面を伝播する光フィールドにおいては、光電界強度が中央領域５ａで大きく、端部領域５ｂで小さくなる。したがって、誘電体層５の中央領域５ａの誘電率を端部領域５ｂよりも大きくすることで、光変調効率を維持しながら、電気容量を小さくすることができる。すなわち、光変調効率を維持しながら、高速動作を実現することができる。以下、この効果について、図４および表１を参照して説明する。
【００４１】
図４は、本実施形態の誘電体層５の電気容量と印加電圧との関係を示すグラフである。図４のグラフには、端部領域５ｂの厚さが５ｎｍ、１０ｎｍ、および１５ｎｍであるときの、誘電体層５における電気容量の印加電圧依存性がそれぞれ示されている。ここで、誘電体層５の中央領域５ａの厚さは５ｎｍである。
【００４２】
図４からわかるように、端部領域５ｂの厚さを中央領域５ａの厚さよりも厚くすると、誘電体層５の厚さが均一の場合に比べて、キャリア蓄積が生じる領域、すなわち印加電圧がマイナスの領域で、電気容量を２０〜４０％程度低減することできる。また、このときの変調効率ＶπＬを表１に示す。
【００４３】
【表１】
2014156480.tif 000006
【００４４】
変調効率ＶπＬが小さいことは、所定の位相シフトに必要な駆動電圧および導波路長が小さいことを意味しており、したがって、光変調効率が良好であることを意味している。
【００４５】
端部領域５ｂの厚さが１０ｎｍの場合の変調効率ＶπＬは、端部領域５ｂの厚さが５ｎｍ（誘電体層５の厚さが均一）の場合と同程度である。すなわち、端部領域５ｂの厚さを中央領域５ａの厚さの２倍にしても、光変調効率を同程度に維持することができる。
【００４６】
一方、端部領域５ｂの厚さが１５ｎｍの場合には、変調効率ＶπＬは、端部領域５ｂの厚さが５ｎｍの場合と比べて約２７％増加しており、光変調効率の低下が見られている。しかしながら、端部領域５ｂの厚さが１５ｎｍの場合、この光変調効率の低下を上回る電気容量の低減効果が得られており（図４参照）、誘電体層５の厚さが均一な場合と比べても、有利な効果を得られることがわかる。
【００４７】
ところで、本実施形態では、上述したように、ｐ型シリコン層４と、誘電体層５と、ｎ型シリコン層６とが、リブ形状あるいはリッジ形状の導波路を形成している。また、このリブ導波路から間隔をおいて、高濃度にドープされた領域（高濃度ｐ型領域４ａおよび高濃度ｎ型領域７ａ）が形成されている。これにより、光フィールドと高濃度にドープされた領域とのオーバーラップによる光吸収損失が低減され、その結果、光変調効率を向上させることができる。
【００４８】
なお、高濃度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と、ＳＩＳキャパシタ構造における直列抵抗成分をより小さくし、ＲＣ時定数をさらに小さくすることができる。その結果、さらなる高速動作を実現することができる。この観点から、電極コンタクト層４ｂ，７ｂは、シリサイドで形成されていることが好ましい。
【００４９】
上述のＳＩＳキャパシタ構造の接合界面付近の領域、すなわち誘電体層５の両側には、キャリア密度が変調される領域が生じる。この領域の厚さ（最大空乏層厚）Ｗは、熱平衡状態では、以下の式で定義される。
【００５０】
【数４】
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【００５１】
上記式（４）において、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は素電荷である。例えば、キャリア密度Ｎｃが１０１７／ｃｍ３の場合、最大空乏層厚Ｗは０．１μｍ程度であり、キャリア密度Ｎｃが上昇するのに伴い、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。すなわち、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なり、光変調効率が悪くなることが問題となる。
【００５２】
そのため、本実施形態の光変調器１は、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ている。
【００５３】
光信号電界が感じる実効的な屈折率をｎｅｆｆとし、光信号波長をλとすると、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が変調さ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。
【００５４】
そのため、誘電体層５の両側で自由キャリアが蓄積、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ことになる。
【００５５】
次に、図５から図１８を参照して、本実施形態の光変調器の製造方法について説明する。図５から図１８は、本実施形態の製造方法の各工程における光変調器を概略的に示す断面図であり、それぞれ光の伝播方向に垂直な断面を示している。なお、以下では、誘電体層５が酸化物から構成されている場合を例に挙げて、本実施形態の製造方法を説明するが、これに限定されるものではない。
【００５６】
まず、図５に示すように、支持基板２と埋め込み酸化層３とｐ型シリコン層４とから構成されたＳＯＩ基板を用意する。埋め込み酸化層３は、光損失を低減するために、１０００ｎｍ以上の厚さを有している。その埋め込み酸化層３上に１００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度のシリコン層を積層した後、イオン注入法により、表面層にリン（Ｐ）あるいはホウ素（Ｂ）をドープする。そして、それを熱処理することにより、ｐ型シリコン層４を形成する。なお、予めｐ型にドープされたシリコン層を備えたＳＯＩ基板を用いてもよい。
【００５７】
次に、図６に示すように、ｐ型シリコン層４上に、酸化膜マスク９を形成する。
【００５８】
さらに、酸化膜マスク９上に、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）層を形成する。そして、リブ導波路（すなわち誘電体層５およびｎ型シリコン層６）の幅と同等の幅になるように、ＳｉＮｘ層をパターニングし、図７に示すように、ハードマスク１０を形成する。
【００５９】
次に、熱酸化処理を行い、図８に示すように、酸化膜マスク９の膜厚を厚くする。このとき、酸化膜マスク９のハードマスク１０に覆われた部分は、端部だけが熱酸化処理される。そのため、酸化膜マスク９には、厚さが相対的に厚い領域と薄い領域とが形成される。
【００６０】
次に、熱リン酸などの溶液を用いて、ハードマスク１０を除去した後、希フッ酸処理などにより、酸化膜マスク９の表面を除去する。その後、再び熱酸化処理を行い、酸化膜マスク９の膜質を向上させることで、図９に示すように、誘電体層５が形成される。
【００６１】
その後、図１０に示すように、誘電体層５上に、ｎ型シリコン層６を形成する。具体的には、まず、誘電体層５上に、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはスパッタ法により、多結晶シリコン層を成膜する。その後、イオン注入法により、多結晶シリコン層にＰをドープすることで、ｎ型シリコン層６が形成される。
【００６２】
次に、ｎ型シリコン層６上に、低圧ＣＶＤ法などによりＳｉＮｘ層を形成する。そして、ドライエッチング法などにより、リブ導波路の幅と同等の幅になるように、ＳｉＮｘ層をパターニングし、図１１に示すように、ハードマスク１１を形成する。
【００６３】
その後、このハードマスク１１を用いて、図１２に示すように、リブ導波路となるべき部分が残るように、ｎ型シリコン層６をパターニングする。このときのエッチングにより、誘電体層５も一部が除去されるが、このエッチングは、誘電体層５自体で停止する。そのため、実際には、ｎ型シリコン層６の下側の部分以外にも、ｐ型シリコン層４上には誘電体層５が存在するが、これ以降、その部分の図示は省略する。
【００６４】
次に、プラズマＣＶＤ法などにより、図１３に示すように、酸化物クラッド８を成膜する。そして、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により、酸化物クラッド８の表面を平坦化する。
【００６５】
次に、ハードマスク１１を除去後、図１４に示すように、酸化物クラッド８上に、ｎ型シリコン層６の電極引き出し部７を形成する。具体的には、まず、酸化物クラッド８上に、ＣＶＤ法またはスパッタ法により、多結晶シリコン層を成膜する。その後、イオン注入法により、多結晶シリコン層にＰをドープすることで、ｎ型の電極引き出し部７が形成される。なお、多結晶シリコン層の成膜中にドープ処理を行うことで、電極引き出し部７を形成することもできる。
【００６６】
次に、図１５に示すように、イオン注入法により、ｎ型シリコン層６の電極引き出し部７の両端部に、ｎ型不純物が高濃度にドープされた高濃度ｎ型領域７ａを形成する。
【００６７】
次に、プラズマＣＶＤ法などにより、ｎ型シリコン層６の電極引き出し部７を埋め込むように、酸化物クラッド８をさらに積層する。そして、図１６に示すように、反応性エッチングにより、酸化物クラッド８にコンタクトホール１２を形成する。その後、イオン注入法により、ｐ型シリコン層４に、ｐ型不純物が高濃度にドープされた高濃度ｐ型領域４ａを形成し、高濃度ｐ型領域４ａおよび高濃度ｎ型領域７ａの表面に、電極コンタクト層４ｂ，７ｂをそれぞれ形成する。電極コンタクト層４ｂ，７ｂは、高濃度ｐ型領域４ａおよび高濃度ｎ型領域７ａ上にＮｉなどの金属を積層してアニールすることで形成された、シリサイド層であってもよい。
【００６８】
次に、ＣＶＤ法またはスパッタ法により、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ａｌ（Ｃｕ）あるいはＴｉ／ＴｉＮ／Ｗなどの金属層を成膜し、反応性エッチングによりパターニングを行い、電極配線４ｃ，７ｃを形成する。そして、電極配線４ｃ，７ｃと駆動回路との接続を行うことで、図１７に示すように、光変調器１が完成する。
【００６９】
図１８から図２４は、本実施形態の光変調器の変形例を概略的に示す断面図であり、光の伝播方向に垂直な断面を示している。各図は、誘電体層付近の拡大図であり、図３Ｂに対応する図である。
【００７０】
図１８および図１９に示す変形例では、誘電体層５の厚さが、中央領域５ａから端部領域５ｂにかけて連続的に増加している。一方で、図２０および図２１に示すように、誘電体層５の厚さは、中央領域５ａから端部領域５ｂにかけて段階的に増加していてもよい。
【００７１】
上述した変形例では、端部領域５ｂの厚さを、中央領域５ａの厚さよりも厚くすることで、誘電体層５の厚さ方向における電気容量を、中央領域５ａで相対的に大きく、端部領域５ｂで相対的に小さくしている。しかしながら、電気容量を変化させる構成は、これに限定されるものではない。他の構成により、誘電体層５の厚さ方向における電気容量を、中央領域５ａで相対的に大きく、端部領域５ｂで相対的に小さくすることもできる。
【００７２】
図２２に示す変形例では、中央領域５ａと端部領域５ｂとが異なる積層構造を有しており、図２３に示す変形例では、中央領域５ａと端部領域５ｂとが異なる組成で形成されている。また、図２４に示す変形例では、誘電体層５の幅方向の中央に、光の伝播方向に沿って、周囲と比べて電気容量が相対的に小さい領域が離散的に設けられている。このような構成により、誘電体層５の厚さ方向における電気容量が、中央領域５ａで相対的に大きく、端部領域５ｂで相対的に小さくなっている。
【００７３】
最後に、本実施形態の光変調器を用いたマッハ・ツェンダー型光変調器の構成について説明する。
【００７４】
図２５は、本実施形態の光変調器を用いたマッハ・ツェンダー型光変調器を概略的に示す平面図である。
【００７５】
マッハ・ツェンダー型光変調器２０は、互いに平行に配置された第１および第２のアーム２１，２２を有している。上述した本実施形態の光変調器は、第１および第２のアーム２１，２２として、マッハ・ツェンダー型光変調器２０に組み込まれる。第１および第２のアーム２１，２２の入力側には、外部から入力される光信号を第１のアーム２１と第２のアーム２２とに分岐する光分岐構造２３が接続されている。第１および第２のアーム２１，２２の出力側には、第１のアーム２１と第２のアーム２２とから出力される光信号を結合する光結合構造２４が接続されている。また、マッハ・ツェンダー型光変調器２０は、第１および第２のアーム２１，２２にそれぞれ電圧を印加するための電極パッド２５を有している。
【００７６】
外部からマッハ・ツェンダー型光変調器２０に入力された光信号は、光分岐構造２３により分岐され、第１のアーム２１と第２のアーム２２とに入力する。入力した光信号は、第１のアーム２１と第２のアーム２２とにより位相変調される。位相変調された光信号は、光結合構造２４で位相干渉されることで、光強度変調信号に変換される。
【００７７】
本実施形態のマッハ・ツェンダー型光変調器２０では、外部から入力された光信号は、光分岐構造２３により、第１のアーム２１と第２のアーム２２とに等しいパワーで分岐される。ここで、第１のアーム２１にプラスの電圧を印加することで、第１のアーム２１（すなわち本実施形態の光変調器）の誘電体層の両側にキャリア蓄積が生じることになる。また、第２のアーム２２にマイナスの電圧を印加することで、第２のアーム２２（すなわち本実施形態の光変調器）の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となる第１のアーム２１では、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）モードとなる第２のアーム２２では、光信号電界が感じる屈折率が大きくなる。このため、第１のアーム２１と第２のアーム２２との間の光信号位相差が最大となる。このようにして両アームを伝送する光信号を、出力側の光結合構造２４により合波することで、光強度変調が生じることになる。本実施形態によれば、４０Ｇｂｐｓ以上の光信号を送信することが可能となる。
【００７８】
なお、本実施形態のマッハ・ツェンダー型光変調器２０は、図２６および図２７に示すように、並列または直列に配置することで、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の応用も可能である。
【００７９】
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。例えば、上述した実施形態では、第１の導電型がｐ型であり、第２の導電型がｎ型である場合を例示したが、その逆であってもよい。すなわち、第１の導電型を有する第１の半導体層がｎ型シリコン層であり、第２の導電型を有する第２の半導体層がｐ型シリコン層であってもよい。
【００８０】
この出願は、２０１３年３月２９曰に出願された日本出願特願２０１３−０７４１７９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】
【００８１】
１  光変調器
２  支持基板
３  埋め込み酸化層
４  ｐ型シリコン層
４ａ  高濃度ｐ型領域
４ｂ  電極コンタクト層
４ｃ  電極配線
５  誘電体層
６  ｎ型シリコン層
７  電極引き出し部
７ａ  高濃度ｎ型領域
７ｂ  電極コンタクト層
７ｃ  電極配線
８  酸化物クラッド
９  酸化膜マスク
１０，１１  ハードマスク
１２  コンタクトホール
２０  マッハ・ツェンダー型光変調器
２１  第１のアーム
２２  第２のアーム
２３  光分岐構造
２４  光合波構造
２５  電極パッド
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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