(57)【要約】  本発明は、シリコンを含むｉ型非晶質半導体、とりわけａ−Ｓｉ：Ｈ中へ高速にキャリアを注入できかつ、光学的な損失の少ない電気光変調器を提供することを課題とする。  基板２０１と、基板上に形成されたシリコンを含むｉ型非晶質半導体からなる光導波路２０４と、シリコンを含むｉ型非晶質半導体からなる光導波路を介して相互に離隔して配置されシリコンを含むｉ型非晶質半導体からなる光導波路２０４とともに光導波路を構成する、シリコンを含むｐ型半導体層２０３及びシリコンを含むｎ型半導体層２０５を備えた電気光変調器であって、上記シリコンを含むｐ型半導体層２０３及びシリコンを含むｎ型半導体層２０５の少なくとも一方は結晶性半導体層である電気光変調器。
2015122022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンを含むｉ型非晶質半導体からなる光導波路と、該ｉ型非晶質半導体からなる光導波路を介して相互に離隔して配置され該ｉ型非晶質半導体からなる光導波路とともに光導波路を構成する、シリコンを含むｐ型半導体層及びシリコンを含むｎ型半導体層を備えた電気光変調器であって、上記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層の少なくとも一方は結晶性半導体層であることを特徴とする電気光変調器。
【請求項２】
基板と、基板上に形成されたシリコンを含むｉ型非晶質半導体からなる光導波路と、該ｉ型非晶質半導体からなる光導波路を介して相互に離隔して配置され該ｉ型非晶質半導体からなる光導波路とともに光導波路を構成する、シリコンを含むｐ型半導体層及びシリコンを含むｎ型半導体層を備えた電気光変調器であって、上記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層の少なくとも一方は結晶性半導体層であることを特徴とする電気光変調器。
【請求項３】
上記シリコンを含むｉ型非晶質半導体は、水素化非晶質シリコンであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気光変調器。
【請求項４】
上記シリコンを含むｉ型非晶質半導体は、水素化非晶質Ｓｉ−Ｇｅであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気光変調器。
【請求項５】
上記結晶性半導体層は、水素化微結晶シリコンからなる半導体層であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電気光変調器。
【請求項６】
上記結晶性半導体層は、レーザー結晶化シリコンからなる半導体層であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電気光変調器。
【請求項７】
上記結晶性半導体層は、金属触媒による固相化結晶シリコンからなる半導体層であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電気光変調器。
【請求項８】
上記結晶性半導体層は、単結晶シリコンからなる半導体層であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電気光変調器。
【請求項９】
上記結晶性半導体層は、微結晶ＳｉＣであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電気光変調器。
【請求項１０】
上記結晶性半導体層は、微結晶ＳｉＯであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電気光変調器。
【請求項１１】
上記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層は、上記ｉ型非晶質半導体からなる光導波路を介して縦方向に積層して配置されていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の電気光変調器。
【請求項１２】
上記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層は、上記ｉ型非晶質半導体からなる光導波路を介して横方向に隣接して配置されていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の電気光変調器。
【請求項１３】
上記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層は、上記ｉ型非晶質半導体からなる光導波路を介して横方向に対向して配置されていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の電気光変調器。
【請求項１４】
上記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層間に電圧を印加するかあるいは電流を流すことにより、上記ｉ型非晶質半導体からなる光導波路の屈折率を可変としたことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の電気光変調器。
【請求項１５】
上記基板は、ＳＯＩ基板であることを特徴とする請求項２ないし１４のいずれか１項に記載の電気光変調器。
【請求項１６】
上記基板は、光集積回路基板であることを特徴とする請求項２ないし１４のいずれか１項に記載の電気光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンを用いた導波路型の電気光変調器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
同一のシリコン基板上に光デバイスと電子デバイスを融合的に高密度集積するシリコンフォトニクス技術が大きな注目を集めている。この技術は、光通信分野への応用は勿論のこと、集積回路の光インターコネクション分野への応用も大いに期待され、現在活発に研究開発がすすめられている。【０００３】
シリコンフォトニクス技術では、結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）が埋め込み酸化膜（ＢＯＸ）上に形成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いるのが一般的であるが、ｃ−Ｓｉの形成には一般的に１１００℃以上の極めて高温な工程を必要とすることや、ＳＯＩ基板が高価であるといった問題がある。
そこで、４００℃以下の低温で成膜可能でありながら、ｃ−Ｓｉに匹敵するかあるいは非線形光学特性など一部では凌駕するような性能を示す水素化非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）を用いたシリコンフォトニクス技術が提案され、これまでに様々な受動素子の研究開発がなされてきた。【０００４】
ところが、光波を搬送波として電気的な信号の通信を行うためには、高速な電気光変換素子や、光路を電気信号で切り替えるような光スイッチング素子などの能動素子が必要であることは言うまでもないが、これらに関連する報告はそう多くはない。その理由として、ａ−Ｓｉ：Ｈは非晶質材料であるために移動度や導電率等の電気的特性が低いことが挙げられる。【０００５】
一方で、非特許文献１に示されているように、ａ−Ｓｉ：Ｈは何かしらの手法により内部に注入あるいは励起されたキャリアは、非常に短時間、典型的にはサブピコ秒の間に緩和することが知られており、これはキャリアの波動関数が拡がった状態から局在化した状態、具体的には、裾状態への緩和が極めて速いことに起因する。裾状態は、Ｓｉの結合長や結合角の揺らぎに由来するので、この高速なキャリア緩和はランダム構造に起因する非晶質半導体特有の現象といえる。
ｃ−Ｓｉをベースとした電気光変調器はこれまで数多く報告されている（例えば特許文献１）が、ｃ−Ｓｉの場合はこの緩和時間が比較的遅く、変調速度を制限する主要な要因の一つとなっている。つまり、キャリア緩和時間の点では、ｃ−Ｓｉに比べてａ−Ｓｉ：Ｈは高速な変調器として有利な特性を有していると言える。【０００６】
図１１は、非特許文献２に記載の、ａ−Ｓｉ：Ｈを用いた低温プロセスで作製される電気光変調器の一例を示している。
この電気光変調器は、シリコン基板１０１上に不純物を添加していないｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１０３を導波路コアとして備え、下クラッドとして、シリコン基板１０１とｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１０３との間に、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈと同様に低温成長可能でありながらｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈよりもやや屈折率の低い水素化非晶質シリコンカーバイド（ａ−ＳｉＣ：Ｈ）に不純物を添加してｐ型半導体としたｐ型ａ−ＳｉＣ：Ｈ層１０２と、上クラッド層として、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１０３の上に不純物の添加されたｎ型ａ−ＳｉＣ：Ｈ層１０４と、その上部に酸化亜鉛／アルミニウム電極１０５とを備えている。【０００７】
図１１に示す構造は、最も屈折率の高いｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１０３を導波路コアとする光導波路構造を構成すると同時に、ｐ型層（１０２）、ｉ型層（１０３）、ｎ型層（１０４）は、ｐｉｎ構造を構成している。
この電気光変調器では、ｎ型層（１０４）、ｐ型層（１０２）のａ−ＳｉＣ：Ｈの導電率はそれぞれ、２．３×１０−６Ｓ／ｃｍ、１．９×１０−８Ｓ／ｃｍの各導電率を有している。【０００８】
上記電気光変調器は、シリコン基板１０１と導波路上部の酸化亜鉛／アルミニウム層１０５を通してｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１０３に電圧が印加されるように外部電源に接続される。ｉ型層（１０３）に逆バイアスが印加された時、空乏層はそれぞれｐ型層（１０２）、ｎ型層（１０４）側へ広がり、ｉ型層（１０３）のキャリア密度が減少し、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１０３の屈折率が増加する。
それにより、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１０３を導波路コアとする導波路中を伝搬する光波の位相に変調を施すことができる。この場合、上記電気光変調器の動作速度は、主にｐ型層（１０２）、ｎ型層（１０４）の移動度と導電率によって制限されるが、非特許文献２に記載の電気光変調器の場合、ｐ型層（１０２）とｎ型層（１０４）に移動度と導電率が極めて低いａ−ＳｉＣ：Ｈを用いているために、１Ｇｂｐｓを超えるような高速な変調動作を得ることは極めて困難である。すなわち、この電気光変調器においては、ａ−Ｓｉ：Ｈの高速キャリア緩和特性が生かされていないと言える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特表２００９−５３７８７１号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Y. Shoji, T. Ogasawara, T. Kamei, Y. Sakakibara, S. Suda, K. Kintaka, H. Kawashima, M. Okano, T. Hasama, H. Ishikawa, and M. Mori, “Ultrafast nonlinear effects in hydrogenated amorphous silicon wire waveguide,” Opt. Express 18, 5669-5673 (2010).
【非特許文献２】F. G. Della Corte, S. Rao, G. Coppola, and C. Summonte, “Electro-optical modulation at 1550 nm in an as-deposited hydrogenated amorphous silicon p-i-n waveguiding device,” Opt. Express 19, 2941-2951 (2011).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の電気光変調器では、ｐ層、ｎ層の導電率や移動度が低く、ａ−Ｓｉ：Ｈ中へ高速にキャリアを注入できなかったため、ａ−Ｓｉ：Ｈは非常に高速なキャリア緩和特性を持ちながらも、高速な電気光変調器を製造することができなかった。
したがって、本発明は、シリコンを含むｉ型非晶質半導体、とりわけａ−Ｓｉ：Ｈ中へ高速にキャリアを注入できかつ、光学的な損失の少ない電気光変調器を提供することを課題とする。あわせて、低温の作製工程を用いて、高速動作可能な電気光変調器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するための手段は次のとおりである。
（１）シリコンを含むｉ型非晶質半導体からなる光導波路と、該ｉ型非晶質半導体からなる光導波路を介して相互に離隔して配置され該ｉ型非晶質半導体からなる光導波路とともに光導波路を構成する、シリコンを含むｐ型半導体層及びシリコンを含むｎ型半導体層を備えた電気光変調器であって、上記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層の少なくとも一方は結晶性半導体層であることを特徴とする電気光変調器。
（２）基板と、基板上に形成されたシリコンを含むｉ型非晶質半導体からなる光導波路と、該ｉ型非晶質半導体からなる光導波路を介して相互に離隔して配置され該ｉ型非晶質半導体からなる光導波路とともに光導波路を構成する、シリコンを含むｐ型半導体層及びシリコンを含むｎ型半導体層を備えた電気光変調器であって、上記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層の少なくとも一方は結晶性半導体層であることを特徴とする電気光変調器。
（３）上記シリコンを含むｉ型非晶質半導体は、水素化非晶質シリコンであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の電気光変調器。
（４）上記シリコンを含むｉ型非晶質半導体は、水素化非晶質Ｓｉ−Ｇｅであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の電気光変調器。
（５）上記結晶性半導体層は、水素化微結晶シリコンからなる半導体層であることを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載の電気光変調器。
（６）上記結晶性半導体層は、レーザー結晶化シリコンからなる半導体層であることを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載の電気光変調器。
（７）上記結晶性半導体層は、金属触媒による固相化結晶シリコンからなる半導体層であることを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載の電気光変調器。
（８）上記結晶性半導体層は、単結晶シリコンからなる半導体層であることを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載の電気光変調器。
（９）上記結晶性半導体層は、微結晶ＳｉＣであることを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載の電気光変調器。
（１０）上記結晶性半導体層は、微結晶ＳｉＯであることを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載の電気光変調器。
（１１）上記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層は、上記ｉ型非晶質半導体からなる光導波路を介して縦方向に積層して配置されていることを特徴とする（１）ないし（１０）のいずれかに記載の電気光変調器。
（１２）上記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層は、上記ｉ型非晶質半導体からなる光導波路を介して横方向に隣接して配置されていることを特徴とする（１）ないし（１０）のいずれかに記載の電気光変調器。
（１３）上記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層は、上記ｉ型非晶質半導体からなる光導波路を介して横方向に対向して配置されていることを特徴とする（１）ないし（１０）のいずれかに記載の電気光変調器。
（１４）上記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層間に電圧を印加するかあるいは電流を流すことにより、上記ｉ型非晶質半導体からなる光導波路の屈折率を可変としたことを特徴とする（１）ないし（１３）のいずれかに記載の電気光変調器。
（１５）上記基板は、ＳＯＩ基板であることを特徴とする（２）ないし（１４）のいずれかに記載の電気光変調器。
（１６）上記基板は、光集積回路基板であることを特徴とする（２）ないし（１４）のいずれかに記載の電気光変調器。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、シリコンを含むｉ型非晶質半導体からなる光導波路と、ｉ型非晶質半導体からなる光導波路を介して相互に離隔して配置されｉ型非晶質半導体からなる光導波路とともに光導波路を構成する、シリコンを含むｐ型半導体層及びシリコンを含むｎ型半導体層を備えた電気光変調器において、上記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層の少なくとも一方を水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）、レーザー結晶化シリコン、金属触媒による固相結晶化シリコンのような結晶性半導体層としたため、i型非晶質半導体層に高速にキャリアを注入でき、ａ−Ｓｉ：Ｈのようなｉ型非晶質半導体の有する高速なキャリア緩和現象を利用できるため、高速動作が可能で、かつ、光学的な損失の少ない電気光変調器を提供することができる。
また、本発明によれば、４００℃以下の温度の製造工程によって、ａ−Ｓｉ：Ｈのようなｉ型非晶質半導体からなる光導波路を備える高速な光変調器を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施例に係る電気光変調器の断面模式図である。
【図２】第１の実施例に係る電気光変調器の断面ＳＩＭ像である。
【図３】第１の実施例に係る電気光変調器の変調動作図である。
【図４】第１の実施例の変形例に係る電気光変調器の断面模式図である。
【図５】第２の実施例に係る電気光変調器の断面模式図である。
【図６】第２の実施例の変形例１に係る電気光変調器の断面模式図である。
【図７】第２の実施例の変形例２に係る電気光変調器の断面模式図である。
【図８】第３の実施例に係る電気光変調器の断面模式図である。
【図９】第３の実施例の変形例に係る電気光変調器の断面模式図である。
【図１０】第４の実施例に係る電気光変調器の断面模式図である。
【図１１】従来の電気光変調器の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（本発明に係る電気光変調器）
本発明に係る電気光変調器は、シリコンを含むｉ型非晶質半導体光導波路と、ｉ型非晶質半導体光導波路を介して相互に離隔して配置され非晶質半導体光導波路とともに光導波路を構成する、シリコンを含むｐ型半導体層及びシリコンを含むｎ型半導体層を備え、上記各半導体層の少なくとも一方を水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）、レーザー結晶化シリコン、金属触媒による固相結晶化シリコンのような結晶性半導体層とすることにより、ｉ型非晶質半導体光導波路中へ高速にキャリアを注入することができる構造としたものである。
【００１６】
以下、図１ないし図１０を参照して、本発明に係る電気光変調器の実施例及びその変形例を紹介する。
なお、以下に例示する各実施例及びその変形例は、あくまでも本発明に係る電気光変調器の理解を容易にするためのものであって、特許請求の範囲に記載された本発明の技術思想に基づく変形、他の実施形態等は、当然本発明の電気光変調器に包含されるものである。
【００１７】
（第１の実施例）
図１は、本発明の第１の実施例の断面模式図を示している。
この電気光変調器は、シリコン基板２０１上にシリコン基板を熱酸化して得られたシリコン熱酸化膜２０２を備え、その上に０．１μｍ厚程度のＢ（ボロン）添加のｐ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層２０３と、１．３μｍ厚程度の無添加のｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層２０４と、０．１μｍ厚程度のＰ（リン）添加のｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層２０５とが縦方向に積層されている。
さらにその上に、シリコン酸化膜２０６と、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）膜２０７と、アルミニウム（Ａｌ）からなる電極２０８、２０９とを備える。
【００１８】
２０３、２０４及び２０５の各層は、それぞれ同等程度の屈折率（３．４〜３．６）を有しており、また、屈折率１．４４程度の、シリコン熱酸化膜２０２、シリコン酸化膜２０６及びＩＴＯ膜２０７よりも屈折率が高いために、光導波路コアとして機能し、ここを光波が伝搬する。
光導波路は、幅３．０μｍ程度、高さ１．５μｍ程度、リブ高さ０．１μｍ程度のリブ型構造を構成している。また、２０３、２０４及び２０５の各層は、ｐｉｎ構造を構成しており、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層２０４に電子あるいは正孔を注入することができる。
【００１９】
（第１の実施例に係る電気光変調器の作製）
第１の実施例に係る電気光変調器の作製工程を説明する。
（１）２μｍ厚のシリコン熱酸化膜を有するシリコン基板上に、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法を用いてＢ（硼素）添加μｃ−Ｓｉ：Ｈ（０．１μｍ）／ａ−Ｓｉ：Ｈ（１．３μｍ）／Ｐ（燐）添加μｃ−Ｓｉ：Ｈ（０．１μｍ）からなる３層のシリコン膜を２００℃〜２５０℃で成膜する。
（２）続いて、リソグラフィとドライエッチング技術を用いて幅３．０μｍ、リブ高さ０．１μｍのリブ導波路を形成する。
（３）続いて、リブ導波路形成と同様のプロセスを用いて、３層のシリコン膜の最下層に位置するｐ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層２０３を残して幅１０μｍのスラブ構造を形成する。
（４）次に、プラズマＣＶＤ法を用いてテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を材料ガスとするシリコン酸化膜２０６を３５０℃で０．５μｍ程度成膜する。
（５）その後、リソグラフィとドライエッチング技術を用いて、ｐ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層及びｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層と電気的接触を確保するため、光導波路の直上及びスラブ構造の脇のシリコン酸化膜２０６の一部を除去する。
（６）そして、０．０５μｍ厚のＩＴＯ膜２０７をスパッタ法により室温にて成膜し、不要なＩＴＯ膜をリソグラフィとドライエッチングを用いて除去する。
（７）最後に、リフトオフ法を用いてアルミニウムからなる電極２０８、２０９を形成することで電気光変調器は完成する。なおここで、電極材料としてアルミニウムを例示したが、アルミニウム以外の金属であってもよい。
以上のように、この第１の実施例に係る電気光変調器は、３５０℃以下のプロセス温度で作製することが可能である。
【００２０】
図２は、実施例として実際に作製された電気光変調器の収束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いた走査イオン顕微鏡（ＳＩＭ）像である。
図２において、２０１はシリコン基板、２０２はシリコン熱酸化膜、２０３はｐ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層、２０４はｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層、２０５はｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層、２０６はシリコン酸化膜、２０７はＩＴＯ膜、２０８・２０９はアルミニウム電極である。
【００２１】
（電気光変調器の動作）
上記電気光変調器の動作を説明する。
この電気光変調器は、２０３、２０４及び２０５の各層を導波路コアとするリブ導波路構造に備えられている電極２０８と電極２０９の間に電圧を印可することで動作する。
ｎ側に比べてｐ側の電位が高くなるように順方向の電圧を印可した場合、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層２０４には、ｐ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層２０３あるいはｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層２０５からそれぞれ正孔あるいは電子が注入され、２０３、２０５の各層も含めて主に層２０４のキャリア密度が増大する。
その結果、以下に説明するＤｒｕｄｅの式に関連した関係式に従って、一次近似値で説明される屈折率変化が誘起される。
【数１】
2015122022.tif 000003
【００２２】
上式中、Δｎ及びΔｋは屈折率の実部の変化及び屈折率の虚部の変化をそれぞれ表わしており、ｅは電荷、λは光波の波長、ε０は自由空間の誘電率、ｎは真性シリコンの屈折率、ｍは有効質量、μは自由キャリア移動度、ΔＮは自由キャリア濃度変化である。下付き文字のｅ及びｈは、それぞれ電子及び空孔に関する物理量であることを表わしている。
アモルファスシリコン中の電気光学効果の実験的評価が行われ、多くの光通信を行う上で重要な波長域（１３３０ｎｍ及び１５５０ｎｍ）での、波長に対する自由電子及び空孔の濃度の関数としての屈折率変化は、Ｄｒｕｄｅ式と良く一致していることが明らかになっている。
【００２３】
以上から、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層３０４に正孔あるいは電子が注入され、キャリア密度が増大した場合、屈折率の実部は減少し、屈折率の虚部は増大する。一方で、印可電圧を減少させると、ｉ型層のキャリア密度は減少し、屈折率の実部は増大し、屈折率の虚部は減少する。すなわち、導波路中を伝搬する光波の位相あるいは強度を、キャリア密度つまり印加電圧を制御することで変調することが可能となる。
【００２４】
図３は、図２に示す電気光変調器を、ファブリペロ―共振器中に配置した時の透過スペクトルを表わしている。ファブリペロ―共振器を構成する２枚の鏡面は、ｐｉｎ構造を備える光導波路の両端を壁開することで作製した。壁開された端面は３０％程度の反射率を持つ鏡面として機能する。
【００２５】
一方の端面から光ファイバを用いて光波を入射し、同時に順方向に電圧を印加しながら、もう一方の端面から出射されてくる光波を再度光ファイバに結合させ、光スペクトルアナライザへ透過光を導入し、そのスペクトルを計測した。
図３に示す透過スペクトルから、印加電圧を大きくしていくにつれ、ファブリペロ―共振器による共振ピークが短波長側にシフトしていることが分かる。この事実により、キャリアを注入することで光導波路の屈折率が減少していることが分かる。
微結晶シリコンの場合、電子に比べてホールの移動度が低く、横からキャリアを注入する図１の構造では、ホールの走行距離が長くなるため、印加電圧が高くなるが、ｐ型半導体層２０３とｎ型半導体層２０５を入れ替えることで、印加電圧を低減できる。
【００２６】
以上、半導体層間に電圧を印加して光導波路の屈折率を変化させたが、本発明に係る電気光変調器では、半導体層間に電流を流すことによっても光導波路の屈折率を変化させることができる。
【００２７】
（第１の実施例の変形例）
図４に第１の実施例の変形例を示す。
図４に変形例として示す電気光変調器の基本構造は、第１の実施例のものと同様であるが、この変形例ではｐ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層２０３は、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層の端部を超えてシリコン熱酸化膜２０２上に延在している。このため、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層２０２の両側で電極２０９の引き出しが可能な構造となっており、光が伝搬する導波路の中心部に、より効率的にキャリアを注入することが可能である。
【００２８】
（第２の実施例）
図５は、本発明の第２の実施例の断面模式図を示している。
第２の実施例は、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層を、ｉ型非晶質半導体からなる光導波路を介して縦方向に積層して配置するとともに、上面での電極取り出しを可能としたものである。
図５に示す電気光変調器は、シリコン基板３０１上にシリコン基板を熱酸化して得られたシリコン熱酸化膜３０２を備え、その上にＢ（ボロン）添加のｐ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層３０３と、縦方向に積層した無添加のｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層３０４と、Ｐ（リン）添加のｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層３０５とを備える。
さらにその上に、シリコン酸化膜３０６と、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛）膜３０７と、電極３０８とを備えている。また、Ｂ（ボロン）添加のｐ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層３０３の引出電極として、ＩＺＯ膜３０９と、電極３１０とを備える。
【００２９】
３０３、３０４及び３０５の各層は、それぞれ同等程度の屈折率（３．４〜３．６）を有しており、屈折率１．４４程度の、シリコン熱酸化膜３０２、シリコン酸化膜３０６及びＩＺＯ膜３０７よりも屈折率が高いために、光導波路コアとして機能し、ここを光波が伝搬する。
光導波路は典型的には幅０．５μｍ程度、高さ０．２μｍ程度の細線型構造を構成している。
また、３０３、３０４及び３０５の各層はｐｉｎ構造を構成しており、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層３０４に電子あるいは正孔を注入することができる。
【００３０】
（電気光変調器の作製）
図５に示す電気光変調器の作製工程を説明する。
（１）シリコン基板３０１上にシリコン熱酸化膜３０２を形成する。このシリコン熱酸化膜の形成には、高温の熱酸化工程が必要となる。そこで、低温の作製工程を用いることが望ましい場合には、シリコン熱酸化膜以外にも、例えばＰＥＣＶＤ法を用いて４００℃以下で成膜することのできるＴＥＯＳを材料ガスとするシリコン酸化膜やシリコン亜酸化膜（ＳｉＯｘ）、シリコン窒化膜、あるいはシリコン酸窒化膜等の材料でもよい。ただし、ｐ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層３０３、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層３０４、ｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層３０５の部分を光導波路コアとして機能させるために、これらの材料は３０３、３０４、３０５の各層よりも屈折率が低くなくてはならない。また、光学的な損失を極力抑えるために、動作波長での光学的な吸収のなるべく小さな材料であることが望ましい。
また、必要に応じて、成膜されたシリコン熱酸化膜３０２の表面を化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法により研磨する。
（２）シリコン熱酸化膜３０２の形成されたシリコン基板上に、ＰＥＣＶＤ法を用いてｐ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ／ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ／ｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈからなる３層のシリコン膜を成膜する。
（３）その後、リソグラフィとエッチング技術を用いてｐ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層３０３を残して３０４、３０５の各層を細線光導波路状に加工する。
（４）続いて、ＴＥＯＳによるシリコン酸化膜を成膜し、上記光導波路コアと光学的かつ電気的な絶縁を確保する。低温成膜可能かつａ−Ｓｉ：Ｈよりも屈折率の低い絶縁材料であれば、シリコン酸化膜以外にも例えばシリコン亜酸化膜（ＳｉＯｘ）、シリコン窒化膜、あるいはシリコン酸窒化膜等の材料でもよい。また、必要に応じて成膜されたシリコン酸化膜３０６の表面を化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法により研磨する。
（５）その後、リソグラフィとエッチング技術を用いてシリコン酸化膜３０６の一部を図５に示すように除去する。
（６）そして、ＩＺＯ膜３０７をスパッタ法により室温にて成膜し、不要なＩＺＯをリソグラフィとドライエッチングを用いて除去する。
（７）最後に、電極３０８を形成する。
【００３１】
図５に示す電気光変調器では、第１の実施例に示す電気光変調器構造に比べて、細線導波路構造を採用することで、素子全体の小型化が可能である。すなわち、注入される自由キャリアと導波路中を伝搬する光波との重畳が増加し、さらに、電界が集中するので、より高い変調効率を得ることができる。
【００３２】
また、図５に示す電気光変調器構造の場合、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層３０４の厚さを０．２μｍ程度にまで薄くすることができる。すなわち、注入されたキャリアの走行距離が減少することで、より高速な動作を得ることができる。一方で、ＩＴＯ膜に比べれば光学的吸収は低いが、透明導電膜であるＩＺＯ膜３０７が導波路直上に配置されているために、無視できない光学的損失が生じる。この問題を解決するために、次にあげる電気光変調器構造がある。
【００３３】
（第２の実施例の変形例１）
図６に第２の実施例の変形例１を示す。
図６に変形例１として示す電気光変調器の基本構造は、第２の実施例のものと同様であるが、この変形例１ではｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層３０５の形状が第２の実施例のものとは異なる。
図６の構造では、無視できない光学的吸収を持つＩＺＯ膜３０７あるいは電極３０９を光導波路から遠ざけることができ、電気光変調器の光学的な損失を低減することができる。
【００３４】
（第２の実施例の変形例２）
図７に第２の実施例の変形例２を示す。
図７に変形例２として示す電気光変調器の基本構造は、第２の実施例の変形例１のものと同様であるが、この変形例２ではｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層３０４中に絶縁膜３１１が挿入されている点が変形例１とは異なる。
図７の構造では、絶縁膜３１１とｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層３０４の界面に電子及び正孔を蓄積させることで、導波路の屈折率を変化させることができる。この時、電気光変調器には電流はほとんど流れないため、消費電力を低減することができる。
【００３５】
（第３の実施例）
図８は、本発明の第３の実施例の断面模式図を示している。
第３の実施例は、ｐ型のシリコンを含む半導体層及びｎ型のシリコンを含む半導体層をｉ型非晶質半導体光導波路を介して横方向に隣接して配置したものである。
【００３６】
図８に示す電気光変調器は、シリコン基板４０１上にシリコン基板を熱酸化して得られたシリコン熱酸化膜４０２を備え、その上にＢ（ボロン）添加のｐ型レーザー結晶化シリコン層４０３と、Ｐ（リン）添加のｎ型レーザー結晶化シリコン層４０５とを同一面上に備え、その上に無添加のｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層４０４と、さらにその上に、シリコン酸化膜４０６とを備える。
ｐ型レーザー結晶化シリコン層４０３と、ｎ型レーザー結晶化シリコン層４０５は、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層の端部を超えてシリコン熱酸化膜４０２上に延在している。このため、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層４０４の両側で電極４０８により引き出しが可能な構造となっている。
【００３７】
図８中のｐ型レーザー結晶化シリコン層４０３、ｎ型レーザー結晶化シリコン層４０５に使用されるレーザー結晶化シリコンには、結晶粒界が存在し、その粒界で発生する光学的な散乱が発生するため、粒界のないａ−Ｓｉ：Ｈよりも大きな光学的な損失を有する。加えて、ｐ型レーザー結晶化シリコン層４０３、ｎ型レーザー結晶化シリコン層４０５は不純物が添加されているために、キャリアに起因する吸収損失を持っている。
【００３８】
以上から４０３、４０５の各層はｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層４０４に比べて、大きな光学的損失を持つ。図８の構造では、ｐ型層あるいはｎ型層とｉ型層との重なり合いを減少させることで、光学的な損失を低減させることができる。
図８に示す電気光変調器では、第１の実施例に示す電気光変調器構造に比べて、細線導波路構造を採用することで、素子全体の小型化が可能である。すなわち、注入される自由キャリアと導波路中を伝搬する光波との重畳が増加し、さらには、小型化に依る電界集中のため、より高い変調効率を得ることができる。
【００３９】
また、図８に示す電気光変調器構造の場合、図１に示す第１の実施例の変調器構造に比べて、ｐ型レーザー結晶化シリコン層４０３とｎ型レーザー結晶化シリコン層４０５の間の距離を細線導波路の幅である０．５μｍより狭くすることができる。すなわち、注入されたキャリアの走行距離が減少することで、より高速な動作を得ることができる。
【００４０】
（第３の実施例の変形例）
図９に第３の実施例の変形例を示す。
図９に変形例として示す電気光変調器の基本構造は、第３の実施例のものと同様であるが、この変形例ではｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層４０４中に絶縁膜４０９が挿入されている点が第３の実施例とは異なる。
図９の構造では、絶縁膜４０９とｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層４０４の界面に電子及び正孔を蓄積させることで、導波路の屈折率を変化させることができる。この時、電気光変調器には電流がほとんど流れないため、消費電力を低減することができる。
【００４１】
（第４の実施例）
図１０は、本発明の第４の実施例の断面模式図を示している。
第４の実施例の構造は、第３の実施例のものと類似しているが、ｐ型ｃ−Ｓｉ層５０３、ｎ型ｃ−Ｓｉ層５０５がｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層５０４の側壁を上部まで覆う構造となっている点が第３の実施例とは異なる。
図１０に示す電気光変調器では、ｐ型ｃ−Ｓｉ層５０３及びｎ型ｃ−Ｓｉ層５０５からｉ型非晶質半導体光導波路内部へ、均一にキャリアを注入することが可能であり、第３の実施例のようにキャリアが導波路下部に集中することを抑制できる。その結果、伝搬する光波とキャリアとの重畳が増加し、変調効率が上昇する。
【００４２】
本発明に係る電気光変調器の構成要素についての変形を以下に例示する。
（基板）
各実施例では、基板２０１、３０１、４０１、５０１としてシリコン基板を例示したが、本発明ではこれに限らず、ＳＯＩ基板、光集積回路基板であってもよい。
【００４３】
（シリコン熱酸化膜）
各実施例では、シリコン熱酸化膜２０２、３０２、４０２、５０２を例示したが、本発明ではこれに限らず、ａ−Ｓｉ：Ｈよりも屈折率の低い絶縁材料であれば例えば、プラズマ化学気相成長法により堆積されるシリコン酸化膜、シリコン亜酸化膜（ＳｉＯｘ）、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜等であってもよい。
【００４４】
（ｉ型非晶質半導体光導波路）
各実施例では、シリコンを含むｉ型非晶質半導体２０４、３０４、４０４、５０４として非晶質シリコンを例示したが、本発明ではこれに限らず、シリコンを含む非晶質Ｓｉ−Ｇｅ等であってもよい。非晶質Ｓｉ−Ｇｅは非晶質シリコンや結晶性シリコンに比べて屈折率が高く、ｉ型非晶質半導体２０４、３０４、４０４、５０４に効率的に光を閉じ込めることができるので、光学的な損失を減らすことができる。また、シリコンを含むｉ型非晶質半導体は、ＳｉＨ４などの水素化物を原料ガスとして製膜したものだけでなく、ＳｉＦ４やＳｉＨ２Ｃｌ２などを原料ガスとして作製した、膜中にハロゲンを含むものであってもよい。
【００４５】
（シリコンを含むｐ型半導体層及びシリコンを含むｎ型半導体層）
各実施例では、シリコンを含むｐ型半導体層２０３、３０３、４０３、５０３及びシリコンを含むｎ型半導体層２０５、３０５、４０５、５０５について、水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、レーザー結晶化シリコン層、金属触媒による固相結晶化シリコン、単結晶シリコンを例示したが、微結晶ＳｉＣ、微結晶ＳｉＯであってもよい。微結晶ＳｉＣ、微結晶ＳｉＯは非晶質シリコンや結晶性シリコンに比べて屈折率が低く、ｉ型非晶質半導体２０４、３０４、４０４、５０４に効率的に光を閉じ込めることができるので、光学的な損失を減らすことができる。
レーザー結晶化に関しては、導波路方向にレーザーを最適な速度で走査することにより、横方向に結晶を成長させ、導波路方向に粒界が少ない半導体層を形成することが光散乱を低減する観点から有効である。
また、シリコンを含む、ｐ型及びｎ型の各半導体層の一方のみを結晶性半導体層としてもよい。
さらに、各実施例におけるシリコンを含む、ｐ型及びｎ型半導体層は、相互にその配置を置換することもできる。
【００４６】
（上クラッドを構成するシリコン酸化膜）
各実施例では、上クラッドを構成するシリコン酸化膜２０６、３０６、４０６としているが、低温成膜可能かつａ−Ｓｉ：Ｈよりも屈折率の低い絶縁材料であればシリコン酸化膜以外に例えば、シリコン亜酸化膜（ＳｉＯｘ）、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜等であってもよい。
【００４７】
（酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）膜等）
各実施例では、ＩＴＯ膜２０７、ＩＺＯ膜３０７、３０９、４０７を例示したが、電極２０８、３０８、３１０、４０８よりも光学的な吸収が少なく、ｐ型層２０３、３０３、４０３あるいはｎ型層２０５、３０５、４０５よりも高い導電率を持つ材料であれば、例えば、酸化亜鉛であってもよい。
なお、ｐ型半導体層、ｎ型半導体層の導電率が十分大きい場合には、不要な場合もある。
【符号の説明】
【００４８】
１０１  シリコン基板
１０２  ｐ型ａ−ＳｉＣ：Ｈ層
１０３  ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層
１０４  ｎ型ａ−ＳｉＣ：Ｈ層
１０５  酸化亜鉛／アルミニウム電極
２０１  シリコン基板
２０２  シリコン熱酸化膜
２０３  ｐ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層
２０４  ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層
２０５  ｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層
２０６  シリコン酸化膜
２０７  ＩＴＯ膜
２０８  電極
２０９  電極
３０１  シリコン基板
３０２  シリコン熱酸化膜
３０３  ｐ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層
３０４  ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層
３０５  ｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層
３０６  シリコン酸化膜
３０７  ＩＺＯ膜
３０８  電極
３０９  ＩＺＯ膜
３１０  電極
３１１  絶縁膜
４０１  シリコン基板
４０２  シリコン熱酸化膜
４０３  ｐ型レーザー結晶化シリコン層
４０４  ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層
４０５  ｎ型レーザー結晶化シリコン層
４０６  シリコン酸化膜
４０７  ＩＺＯ膜
４０８  電極
４０９  絶縁膜
５０１  シリコン基板
５０２  シリコン熱酸化膜
５０３  ｐ型ｃ−Ｓｉ層
５０４  ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層
５０５  ｎ型ｃ−Ｓｉ層
５０６  シリコン酸化膜
５０７  電極
【図１】
2015122022.tif 000004
【図３】
2015122022.tif 000005
【図４】
2015122022.tif 000006
【図５】
2015122022.tif 000007
【図６】
2015122022.tif 000008
【図７】
2015122022.tif 000009
【図８】
2015122022.tif 000010
【図９】
2015122022.tif 000011
【図１０】
2015122022.tif 000012
【図１１】
2015122022.tif 000013
【図２】
2015122022.tif 000014
【国際調査報告】
2015122022.tif 000015
2015122022.tif 000016
2015122022.tif 000017
2015122022.tif 000018