(57)【要約】【課題】シリコンからなるコアと発光部とを、同一の基板の上にモノリシックに形成することを可能とし、より微細でより安価なシリコン光集積回路が容易に実現できるようにする。【解決手段】電極１１１，１１２に電位を印加することで、発光部コア１０３の少なくとも一部を空乏化して発光部コア１０３にキャリアを注入し、発光部コア１０３に添加されている希土類元素に加速されたキャリアを衝突させて希土類元素を励起し、発光部コア１０３において発光を生じさせる。この発光は、導波路型回折格子１０５，１０６に閉じ込められ、反射と誘導放出とが繰り返され、導波路型回折格子１０５側よりレーザ光が発振する。【選択図】        図１
2004319668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁体からなる下部クラッド層の上に形成され、希土類元素と酸素原子とが添加された単結晶シリコンからなる所定の長さの発光部コアと、
前記発光部コアを覆うように形成されたシリコン化合物の絶縁体からなる上部クラッドと、
所定の電位が印加される第１電極および第２電極を含み、前記発光部コアの少なくとも一部を空乏化する空乏化手段と、
前記発光部コアの一方の光出射端の側に設けられた第１光反射手段と、
前記発光部コアの他方の光出射端に設けられ、前記第１光反射手段より反射率の低い第２光反射手段と
を有することを特徴とするシリコン光素子。
【請求項２】
請求項１記載のシリコン光素子において、
前記下部クラッド層の上で前記発光部コアの近傍に配置されて高濃度にｐ形不純物が導入されたシリコンからなるｐ形高濃度不純物領域と、
前記下部クラッド層の上で前記発光部コアの近傍に前記発光部コアを挟むように前記ｐ形高濃度不純物領域と対向配置され、高濃度にｎ形不純物が導入されたシリコンからなるｎ形高濃度不純物領域と、
前記発光部コアと前記ｐ形高濃度不純物領域との間に各々接触して配置され、前記発光部コアより薄い単結晶シリコンから構成された第１電圧印加部と、
前記発光部コアと前記ｎ形高濃度不純物領域との間に各々接触して配置され、前記発光部コアより薄い単結晶シリコンから構成された第２電圧印加部と
を備え、
前記第１電極は、前記ｐ形高濃度不純物領域にオーミック接続され、
前記第２電極は、前記ｎ形高濃度不純物領域にオーミック接続され、
前記空乏化手段は、前記ｎ形高濃度不純物領域と前記ｐ形高濃度不純物領域との少なくとも一方もしくは両方から構成されたものである
ことを特徴とするシリコン光素子。
【請求項３】
請求項１記載のシリコン光素子において、
前記下部クラッド層の上で前記発光部コアの近傍に配置されて高濃度にｐ形不純物が導入されたシリコンからなるｐ形高濃度不純物領域と、
前記下部クラッド層の上で前記発光部コアの近傍に前記発光部コアを挟むように前記ｐ形高濃度不純物領域と対向配置され、高濃度にｎ形不純物が導入されたシリコンからなるｎ形高濃度不純物領域と、
前記発光部コアと前記ｐ形高濃度不純物領域との間に各々接触して配置され、前記発光部コアより薄い単結晶シリコンから構成された第１電圧印加部と、
前記発光部コアと前記ｎ形高濃度不純物領域との間に各々接触して配置され、前記発光部コアより薄い単結晶シリコンから構成された第２電圧印加部と、
前記発光部コアの上面の前記上部クラッドに設けられた凹部と、
前記凹部の底部で前記発光部コアの上面に接触する薄い絶縁膜と、
この絶縁膜の上に接触して設けられた第３電極と
を備え、
前記第１電極は、前記ｐ形高濃度不純物領域にオーミック接続され、
前記第２電極は、前記ｎ形高濃度不純物領域にオーミック接続され、
前記空乏化手段は、前記ｎ形高濃度不純物領域と前記ｐ形高濃度不純物領域との少なくとも一方もしくは両方のいずれかから構成されたものであり、
前記絶縁膜には、前記発光部コアに添加された希土類元素もしくはこれより発光波長の短い希土類元素のいずれかが添加されている
ことを特徴とするシリコン光素子。
【請求項４】
請求項３記載のシリコン光素子において、
前記絶縁膜は、前記上部クラッド層の一部であることを特徴とするシリコン光素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のシリコン光素子において、
前記第１光反射手段および前記第２光反射手段は、前記発光部コアより出射される光の導波方向に所定の間隔で配列されて、前記発光部コアと同一の断面形状を有する単結晶シリコンから構成されて前記上部クラッドに覆われた複数のパターンから構成された導波路型回折格子である
ことを特徴とするシリコン光素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のシリコン光素子において、
前記発光部コアの一方の光出射端の側の前記下部クラッド層の上に配置され、前記発光部コアと同一の断面形状を有する単結晶シリコンから構成された導波路コアを備え、
前記上部クラッドは、前記発光部コアから連続して前記導波路コアを覆うように形成されている
ことを特徴とするシリコン光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オプトエレクトロニクス分野，光通信分野などにおいて使用される光集積回路に用いられる、シリコンを光の導波路として用いるシリコン光集積回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、光導波路，発光素子，受光素子のいずれをも作製することが可能である。このため、例えば光通信分野においては、分布帰還型半導体レーザと電界吸収型光変調器とを集積化したモノリシック光集積回路が、開発（実現）されている（特許文献１参照）。
これに対し、シリコン半導体は、ＬＳＩの微細化，大規模化に見られるように、電子素子には広く利用されているが、間接遷移型半導体のため、発光素子を実現するのが困難であり、光集積回路にはあまり利用されていない。
【０００３】
シリコンを用いた電子制御式光減衰器（非特許文献１参照）、シリコンを用いた光導波路（非特許文献２参照）、シリコンを用いた周波数選択フィルタなどの光制御デバイスは実現されているが、これらに発光素子をモノリシックに集積した光集積回路は実現されていない。現状では、シリコンを用いた光制御デバイスに、化合物半導体レーザなどを組み合わせて用いている（特許文献２参照）。
【０００４】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を本件の出願時までに発見するには至らなかった。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２１２０３８号公報
【特許文献２】
特開平５−１６４９２５号公報
【非特許文献１】
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＳＰＩＥ：  Ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．  ｖｏｌ．４２９３，ｐ．１−９，２００１
【非特許文献２】
”Ｌｏｗ  ｌｏｓｓ  ｍｏｄｅ  ｓｉｚｅ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  ｆｒｏｍ  ０．３  μｍ  ｓｑｕａｒｅ  Ｓｉ  ｗｉｒｅ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ｔｏ  ｓｉｎｇｌｅｍｏｄｅ  ｆｉｂｅｒｓ”  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．３８，  Ｎｏ．２５，  ｐ．１６６９−１６７０（２００２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来では、シリコンを用いて光集積回路を実現しようとする場合、シリコンより作製した光制御デバイスに、化合物半導体レーザなどを組み合わせることになるが、これらには、光軸合わせなどのコストのかかる工程が必要となる。この光軸合わせは、素子の微細化を進める上では大きな障害となる。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、シリコンからなるコアと発光部とを、同一の基板の上にモノリシックに形成することを可能とし、より微細でより安価なシリコン光集積回路が容易に実現できるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るシリコン光素子は、絶縁体からなる下部クラッド層の上に形成され、希土類元素と酸素原子とが添加された単結晶シリコンからなる所定の長さの発光部コアと、発光部コアを覆うように形成されたシリコン化合物の絶縁体からなる上部クラッドと、所定の電位が印加される第１電極および第２電極を含み、発光部コアの少なくとも一部を空乏化する空乏化手段と、発光部コアの一方の光出射端の側に設けられた第１光反射手段と、発光部コアの他方の光出射端に設けられ、第１光反射手段より反射率の低い第２光反射手段とを備えるようにしたものである。
【０００９】
このシリコン光素子では、第１電極および第２電極により発光部コアを空乏化するように電位を印加することで、発光部コアに添加されている希土類元素に加速されたキャリアが衝突して希土類元素が励起され、発光部コアにおいて発光が生じる。この発光は、第１光反射手段と第２光反射手段とにより構成される共振器により閉じ込められ、反射と誘導放出とが繰り返され、第２反射手段側よりレーザ光が発振する。
【００１０】
上記シリコン光素子において、下部クラッド層の上で発光部コアの近傍に配置されて高濃度にｐ形不純物が導入されたシリコンからなるｐ形高濃度不純物領域と、下部クラッド層の上で発光部コアの近傍に発光部コアを挟むようにｐ形高濃度不純物領域と対向配置され、高濃度にｎ形不純物が導入されたシリコンからなるｎ形高濃度不純物領域と、発光部コアとｐ形高濃度不純物領域との間に各々接触して配置され、発光部コアより薄い単結晶シリコンから構成された第１電圧印加部と、発光部コアとｎ形高濃度不純物領域との間に各々接触して配置され、発光部コアより薄い単結晶シリコンから構成された第２電圧印加部とを備え、第１電極は、ｐ形高濃度不純物領域にオーミック接続され、第２電極は、ｎ形高濃度不純物領域にオーミック接続され、空乏化手段は、ｎ形高濃度不純物領域とｐ形高濃度不純物領域との少なくとも一方もしくは両方から構成されたものとしてもよい。
【００１１】
また、上記シリコン光素子において、下部クラッド層の上で発光部コアの近傍に配置されて高濃度にｐ形不純物が導入されたシリコンからなるｐ形高濃度不純物領域と、下部クラッド層の上で発光部コアの近傍に発光部コアを挟むようにｐ形高濃度不純物領域と対向配置され、高濃度にｎ形不純物が導入されたシリコンからなるｎ形高濃度不純物領域と、発光部コアとｐ形高濃度不純物領域との間に各々接触して配置され、発光部コアより薄い単結晶シリコンから構成された第１電圧印加部と、発光部コアとｎ形高濃度不純物領域との間に各々接触して配置され、発光部コアより薄い単結晶シリコンから構成された第２電圧印加部と、発光部コアの上面の上部クラッドに設けられた凹部と、凹部の底部で発光部コアの上面に接触する薄い絶縁膜と、この絶縁膜の上に接触して設けられた第３電極とを備え、第１電極は、ｐ形高濃度不純物領域にオーミック接続され、第２電極は、ｎ形高濃度不純物領域にオーミック接続され、空乏化手段は、ｎ形高濃度不純物領域とｐ形高濃度不純物領域との少なくとも一方もしくは両方のいずれかから構成されたものであり、絶縁膜には、発光部コアに添加された希土類元素もしくはこれより発光波長の短い希土類元素のいずれかが添加されているようにしてもよい。
このシリコン光素子において、絶縁膜は、上部クラッド層の一部から構成するようにしても良い。
【００１２】
また、上述したシリコン光素子において、第１光反射手段および第２光反射手段は、発光部コアより出射される光の導波方向に所定の間隔で配列されて、発光部コアと同一の断面形状を有する単結晶シリコンから構成されて上部クラッドに覆われた複数のパターンから構成された導波路型回折格子であればよい。
また、上述したシリコン光素子において、発光部コアの一方の光出射端の側の下部クラッド層の上に配置されて発光部コアと同一の断面形状を有する単結晶シリコンから構成された導波路コアを備え、上部クラッドは、発光部コアから連続して導波路コアを覆うように形成されているようにしてもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［実施の形態１］
はじめに、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態におけるシリコン光素子の構成例を示す平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ）である。このシリコン光素子は、まず、基板１０１の上に、酸化シリコンなどから構成された下部クラッド層１０２を備える。
【００１４】
また、下部クラッド層１０２の上には、発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子（第１，第２光反射手段）１０５，１０６，および、発光部コア１０３の両脇に接触する発光部コア１０３より薄い電圧印加部１０７，１０８を備える。これら下部クラッド層１０２の上の構造体は、単結晶シリコンから構成されたものである。この単結晶シリコンは、ノンドープの単結晶シリコン層，高抵抗ｐ形の単結晶シリコン層，あるいは高抵抗ｎ形の単結晶シリコン層であればよい。
【００１５】
また、上記構造体は、所望の厚さより薄い高抵抗ｐ形の単結晶シリコン層の上に、ノンドープの単結晶シリコンを結晶成長させて所望の厚さとした単結晶シリコン層を、パターニングすることで形成したものでも良い。同様に、上記構造体は、所望の厚さより薄い高抵抗ｎ形の単結晶シリコン層の上に、ノンドープの単結晶シリコンを結晶成長させて所望の厚さとした単結晶シリコン層を、パターニングすることで形成したものでも良い。
【００１６】
発光部コア１０３は、例えばエルビウムなどの希土類元素および酸素原子が導入され、レーザ活性領域として機能する。なお、発光部コア１０３，導波路コア１０４は、断面の形状が例えば一辺が０．２〜０．３μｍの正方形であり、発光部コア１０３の導波方向の長さは、例えば１００μｍである。また、この断面形状は、正方形に限るものではなく、下部クラッド層１０２の平面方向に横長の長方形であってもよい。
【００１７】
発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６は、所定の方向に延在する直線上に配列され、これらを覆うように上部クラッド層１０９が形成されている。電圧印加部１０７は、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａに接続し、電圧印加部１０８は、ｎ形高濃度不純物領域１０８ａに接続している。また、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａには、電極１１１がオーミック接合し、ｎ形高濃度不純物領域１０８ａには、電極１１２がオーミック接合している。
【００１８】
また、図では格子数を省略して示しているが、導波路型回折格子１０５，１０６は、導波路コア１０４と同じ断面形状を有する複数のパターンが、前述した直線上に配列されたものである。導波路型回折格子１０５，１０６を構成するパターンの導波方向の長さは、０．１５μｍ程度とし、パターンの周期は０．３μｍ程度とすればよい。また、導波路型回折格子１０５の繰り返し数は、導波路型回折格子１０６の繰り返し数より少なくする。なお、上記パターンの間隔は、発光部コア１０３より発光する光の波長の０．１２〜０．６４倍、パターンの周期は、波長の０．５〜０．７５倍とすればよい。
【００１９】
以上に説明したように構成された本実施の形態のシリコン光素子では、つぎに説明することにより、レーザ発振がなされる。まず、電圧印加部１０７，電圧印加部１０８および発光部コア１０３が、ノンドープの単結晶シリコンから構成されている場合について説明する。この場合、「ｐ形高濃度不純物領域１０７ａ−電圧印加部１０７，発光部コア１０３、電圧印加部１０８−ｎ形高濃度不純物領域１０８ａ」からなるＰＩＮ構造に対して逆方向バイアスとなるように、電極１１１と電極１１２との間に電圧を印加する。
【００２０】
このことにより、ｎ形高濃度不純物領域１０８ａからの空乏層が広がり、少なくとも発光部コア１０３の一部が空乏化される。この場合、ｎ形高濃度不純物領域１０８ａとｐ形高濃度不純物領域１０７ａとが空乏化手段となる。また、空乏化された発光部コア１０３においては、キャリア（電子）が加速され、発光部コア１０３に添加されているエルビウム（希土類元素）に衝突してこれを励起し、この結果、発光が開始される。
【００２１】
また、電圧印加部１０７，電圧印加部１０８および発光部コア１０３が、高抵抗ｎ形の単結晶シリコンから構成されている場合、「ｐ形高濃度不純物領域１０７ａ−電圧印加部１０７」からなるｐｎ接合に対して逆バイアスとなるように、電極１１１と電極１１２との間に電圧を印加すればよい。このことによっても、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａより広がる空乏層に、発光部コア１０３の一部が空乏化されるようになる。この場合、少なくともｐ形高濃度不純物領域１０７ａが、空乏化手段を構成するものとなる。
【００２２】
ここで、発光部コア１０３に添加されているエルビウムが、３価の陽イオン（Ｅｒ３＋）となっていないと、加速されたキャリアが衝突しても発光は起きない。このため、発光部コア１０３には、エルビウムとともに酸素イオンも導入し、添加されているエルビウムの周囲に酸素が存在する状態とする。この状態とすることで、発光部コア１０３に添加されているエルビウムが、３価の陽イオンの状態となり、発光に寄与するようになる。
【００２３】
また、発光部コア１０３に添加されているエルビウムの近傍に、予めキャリア（例えば自由電子）が存在していると、加速されて注入されたキャリアがエルビウムに衝突し、エルビウムを励起しても、これが発光に寄与せず、エネルギーがキャリアに移動してしまう。従って、発光部コア１０３には、可能な限りキャリアが存在していない方がよい。加えて、発光部コア１０３に、接触する程度に近い状態でｐ形やｎ形の不純物導入領域が存在すると、発光した光が吸収されるようになる。従って、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａ，ｎ形高濃度不純物領域１０８ａは、図１に示すように、電圧印加部１０７，１０８を介して発光部コア１０３に接続し、発光部コア１０３に直接接触しないようにする方がよい。
【００２４】
上述したことにより発生した光は、発光部コア１０３をコアとした上部クラッド層１０９に覆われた導波路を伝搬し、光共振器を構成している導波路型回折格子１０５，１０６の間に閉じ込められる。閉じ込められた光は、導波路型回折格子１０５と導波路型回折格子１０６との間の反射を繰り返し、発光部コア１０３では反射してきた光により誘導放出が繰り返される。
【００２５】
これらの結果、位相のそろった光が増幅され、増幅された光の強度がある程度以上となり、反射率が低い導波路型回折格子１０５よりレーザ光として出射されるようになる。このようにして導波路型回折格子１０５，１０６と発光部コア１０３とからなるレーザより発振されたレーザ光は、導波路コア１０４からなる導波路に注入されることになる。なお、導波路型回折格子１０５，導波路型回折格子１０６，および発光部コア１０３により、分布ブラッグ反射型のレーザが構成されていることになる。
【００２６】
以上に示したように、本実施の形態のシリコン光素子によれば、シリコンからなるコアと発光部とを、同一の基板の上にモノリシックに形成することが可能となる。従って、発光部と導波路とを個別に形成する場合に比較し、複雑な光軸合わせなどが必要なく、安価にシリコン光集積回路を実現できるようになる。また、シリコンを用いた公知の半導体装置の製造方法を容易に適用できるので、微細化も容易に実現できる。
【００２７】
つぎに、上述した本実施の形態におけるシリコン光素子の製造方法について、図２，３，４を用いて簡単に説明する。
まず、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用意する。ＳＯＩ基板は、埋め込み絶縁層上の単結晶シリコン層が、ノンドープの単結晶シリコン層，高抵抗ｐ形の単結晶シリコン層，あるいは高抵抗ｎ形の単結晶シリコン層であればよい。また、上記単結晶シリコン層は、所望の厚さより薄い高抵抗ｐ形の単結晶シリコン層の上に、ノンドープの単結晶シリコンを結晶成長させて所望の厚さとしたものでも良い。同様に、上記単結晶シリコン層は、所望の厚さより薄い高抵抗ｎ形単結晶シリコン層の上に、ノンドープの単結晶シリコンを結晶成長させて所望の厚さとしたものでも良い。
【００２８】
この単結晶シリコン層を、公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより微細加工し、基板１０１の上の下部クラッド層１０２の上に、発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６を形成し、また、発光部コア１０３の両脇に接触する発光部コア１０３より薄い電圧印加部１０７，１０８を形成する（図２）。
【００２９】
下部クラッド層１０２は、ＳＯＩ基板の埋め込み酸化層の部分である。また発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６，および電圧印加部１０７，１０８を形成する単結晶シリコン層は、ノンドープである。
このように、下部クラッド層１０２の上に、各パターンを形成したら、発光部コア１０３に、希土類元素と酸素原子とを導入する。この導入は、例えば、公知のフォトリソグラフィ技術により発光部コア１０３の領域が開放したマスクパターンを形成し、選択的にイオン注入することで行えばよい。
【００３０】
発光部コア１０３に対する希土類類元素の添加量は、１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３程度であればよい。また、発光部コア１０３に対する酸素原子の添加量は、希土類元素より１桁程度多い、１×１０１９〜１×１０２１ｃｍ−３程度とすればよい。なお、希土類元素は、エルビウム（Ｅｒ），ツリウム（Ｔｍ），ホルミウム（Ｈｏ）のいずれかであればよい。希土類元素と酸素元素とが導入された発光部コア１０３は、レーザ活性領域となる。
【００３１】
つぎに、図３に示すように、上部クラッド層１０９を形成する。上部クラッド層１０９の形成では、まず、シリコン酸化膜もしくはシリコン酸窒化膜などのシリコン系絶縁材料を、下部クラッド層１０２の上に堆積し、発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６，および電圧印加部１０７，１０８を覆う絶縁膜が形成された状態とする。つぎに、公知のフォトリソグラフィ技術により、形成された絶縁膜の発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６の上部に配置されるマスクパターンを形成する。次いで、マスクパターンをマスクとして絶縁膜を選択的にエッチング除去する。このとき、マスクが形成されていない領域においても、絶縁膜が薄く残るようにし、上部クラッド層１０９とする。
【００３２】
ところで、上部クラッド層１０９を形成する前に、発光部コア１０３と電圧印加部１０７，１０８の表面に、数ｎｍの熱酸化膜を形成しておくようにしてもよい。熱酸化膜を形成しておくことで、キャリア閉じ込め効果が大きくなり、発光部コア１０３における発光効率をより大きくすることが可能となる。
【００３３】
以上のようにして、上部クラッド層１０９を形成した後、マスクパターンを利用した選択的なイオン注入により、図４に示すように、電圧印加部１０７の一部に、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａを形成し、また、電圧印加部１０８の一部に、ｎ形高濃度不純物領域１０８ａを形成する。ここで、イオン注入をした後、窒素雰囲気において７００〜１０００℃の加熱処理を行い、イオン注入をした領域の活性化と、注入による損傷の回復を行う。
【００３４】
つぎに、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａとｎ形高濃度不純物領域１０８ａとの上部の上部クラッド層１０９に開口部を形成し、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａとｎ形高濃度不純物領域１０８ａの一部領域を露出させる。次いで、これらの上に、例えばアルミニウムなどの電極材料の膜を堆積形成し、形成した電極材料の膜をパターニングすることで、図１に示すように、露出したｐ形高濃度不純物領域１０７ａとｎ形高濃度不純物領域１０８ａに各々接続する電極１１１，１１２を形成する。
以上の工程により、本実施の形態におけるシリコン光素子が形成される。
【００３５】
［実施の形態２］
つぎに、本発明の他の実施の形態について説明する。図５は、本実施の形態におけるシリコン光素子の構成例を示す平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ），（ｄ）である。このシリコン光素子は、まず、基板１０１の上に、酸化シリコンなどから構成された下部クラッド層１０２を備える。
また、下部クラッド層１０２の上には、発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６，および、発光部コア１０３の両脇に接触する発光部コア１０３より薄い電圧印加部１０７，１０８を備える。これらは、例えば、高抵抗ｎ形シリコンから構成されたものである。
【００３６】
発光部コア１０３は、例えばエルビウムなどの希土類元素および酸素原子が導入され、レーザ活性領域として機能する。なお、発光部コア１０３，導波路コア１０４は、断面の形状が例えば一辺が０．２〜０．３μｍの正方形であり、発光部コア１０３の導波方向の長さは、例えば１００μｍである。また、この断面形状は、正方形に限るものではなく、下部クラッド層１０２の平面方向に横長の長方形であってもよい。
【００３７】
発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６は、所定の方向に延在する直線上に配列され、これらを覆うように上部クラッド層１０９が形成されている。電圧印加部１０７の一部領域には、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａが形成され、電圧印加部１０８の一部領域には、ｎ形高濃度不純物領域１０８ａが形成され、各々には、電極１１１，１１２が接続されている。
以上のことは、図１に示したシリコン光素子と同様である。
【００３８】
図５に示すシリコン発光素子では、まず、発光部コア１０３の上部にあたる上部クラッド層１０９に、開口部１０９ａを設けるようにした。開口部１０９ａの底面においては、上部クラッド層１０９の上面が露出した状態となっている。また、開口部１０９ａの底面に、少なくとも露出している上部クラッド層１０９の上面を覆うように、希土類元素元素が添加された膜厚５０ｎｍ程度の絶縁膜１１０を設け、ここに電極（第３電極）１１３が形成されているようにした。電極１１３は、配線１１４に接続している。
【００３９】
ここで、絶縁膜１１０に添加されている希土類元素は、発光部コア１０３と同様のエルビウムであればよい。なお、絶縁膜１１０に添加されている希土類元素は、発光部コア１０３に添加されている希土類元素と同じにする必要はなく、発光部コア１０３に添加された希土類元素より短波長の光を発生するものであればよい。
【００４０】
以上のように構成した本実施の形態におけるシリコン光素子では、電極１１１を接地電位とし、電極１１２に正の電位を印加することで、発光部コア１０３のほぼ全域を空乏化することができる。発光部コア１０３が空乏化されることにより、キャリア（電子）が加速され、加速されたキャリアは、発光部コア１０３に添加されているエルビウム（希土類元素）に衝突してこれを励起し、この結果、発光が開始される。
【００４１】
加えて、電極１１３にも正の電位を印加することで、希土類元素が添加されている絶縁膜１１０と発光部コア１０３との界面に電子の蓄積層が生じ、トンネル電流が流れるようになる。上述したトンネル電流により、絶縁膜１１０に添加されている希土類元素が励起されて発光するようになる。この光は、発光部コア１０３に添加されている希土類元素の励起を促進し、より強い光の放射を促すようになる。
【００４２】
上述したことにより発生した光は、発光部コア１０３をコアとした上部クラッド層１０９に覆われた導波路を伝搬し、光共振器を構成している導波路型回折格子１０５，１０６の間に閉じ込められる。閉じ込められた光は、導波路型回折格子１０５と導波路型回折格子１０６との間の反射を繰り返し、発光部コア１０３では反射してきた光により誘導放出が繰り返される。
【００４３】
これらの結果、位相のそろった光が増幅され、増幅された光の強度がある程度以上となり、反射率が低い導波路型回折格子１０５よりレーザ光として出射されるようになる。このようにして導波路型回折格子１０５，１０６と発光部コア１０３とからなるレーザより発振されたレーザ光は、導波路コア１０４からなる導波路に注入されることになる。
【００４４】
以上に示したように、本実施の形態のシリコン光素子によれば、シリコンからなるコアと発光部とを、同一の基板の上にモノリシックに形成することが可能となる。従って、発光部と導波路とを個別に形成する場合に比較し、複雑な光軸合わせなどが必要なく、安価にシリコン光集積回路を実現できるようになる。また、シリコンを用いた公知の半導体装置の製造方法を容易に適用できるので、微細化も容易に実現できる。また、図５のシリコン光素子では、発光部コア１０３の全域を空乏化することに加え、絶縁膜１１０に添加された希土類元素の発光の効果により、図１に示すシリコン光素子に比較し、より強いレーザ光を発振できるようになる。
【００４５】
つぎに、上述した本実施の形態におけるシリコン光素子の製造方法について、図２，３，４，６を用いて簡単に説明する。
まず、市販されているＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用意し、この単結晶シリコン層を、公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより微細加工し、基板１０１の上の下部クラッド層１０２の上に、発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６を形成し、また、発光部コア１０３の両脇に接触する発光部コア１０３より薄い電圧印加部１０７，１０８を形成する（図２）。
【００４６】
下部クラッド層１０２は、ＳＯＩ基板の埋め込み酸化層の部分である。また発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６，および電圧印加部１０７，１０８を形成する単結晶シリコン層は、ｎ形の高抵抗シリコンである。
このように、下部クラッド層１０２の上に、各パターンを形成したら、発光部コア１０３に、希土類元素と酸素原子とを導入する。この導入は、例えば、公知のフォトリソグラフィ技術により発光部コア１０３の領域が開放したマスクパターンを形成し、選択的にイオン注入することで行えばよい。
【００４７】
発光部コア１０３に対する希土類類元素の添加量は、１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３程度であればよい。また、発光部コア１０３に対する酸素原子の添加量は、希土類元素より１桁程度多い、１×１０１９〜１×１０２１ｃｍ−３程度とすればよい。なお、希土類元素は、エルビウム，ツリウム，ホルミウムのいずれかであればよい。希土類元素と酸素元素とが導入された発光部コア１０３は、レーザ活性領域となる。
【００４８】
つぎに、図３に示すように、上部クラッド層１０９を形成する。上部クラッド層１０９の形成では、まず、シリコン酸化膜もしくはシリコン酸窒化膜などのシリコン系絶縁材料を、下部クラッド層１０２の上に堆積し、発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６，および電圧印加部１０７，１０８を覆う絶縁膜が形成された状態とする。
【００４９】
つぎに、公知のフォトリソグラフィ技術により、形成された絶縁膜の発光部コア１０３，導波路コア１０４，導波路型回折格子１０５，１０６の上部に配置されるマスクパターンを形成する。次いで、マスクパターンをマスクとして絶縁膜を選択的にエッチング除去する。このとき、マスクが形成されていない領域においても、絶縁膜が薄く残るようにし、上部クラッド層１０９とする。
【００５０】
以上のようにして、上部クラッド層１０９を形成した後、マスクパターンを利用した選択的なイオン注入により、図４に示すように、電圧印加部１０７の一部に、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａを形成し、また、電圧印加部１０８の一部に、ｎ形高濃度不純物領域１０８ａを形成する。
以上の工程は、前述した実施の形態１と同様である。
【００５１】
つぎに、本実施の形態では、図６に示すように、発光部コア１０３の上部にあたる上部クラッド層１０９に、開口部１０９ａを形成する。また、開口部１０９ａの、少なくとも底面を覆うように、希土類元素元素が添加された膜厚５０ｎｍ程度の絶縁膜１１０を形成する。なお、上部クラッド層１０９を薄く残すことで、絶縁膜１１０を形成するようにしても良い。絶縁膜１１０は、酸化シリコンもしくは酸窒化シリコンから構成すればよい。希土類元素は、１０１４〜１０１５ｃｍ−２程度イオン注入することで添加すれば良く、例えば、発光部コア１０３と同様にエルビウムを添加すればよい。
【００５２】
ここで、上述したイオン注入をした後、窒素雰囲気において７００〜１０００℃の加熱処理を行い、イオン注入をした領域の活性化と、注入による損傷の回復を行う。
なお、絶縁膜１１０に添加する希土類元素は、発光部コア１０３に添加されている希土類元素と同じにする必要はなく、発光部コア１０３に添加された希土類元素より短波長の光を発生するものとすればよい。
【００５３】
この後、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａとｎ形高濃度不純物領域１０８ａとの上部の上部クラッド層１０９に開口部を形成し、ｐ形高濃度不純物領域１０７ａとｎ形高濃度不純物領域１０８ａの一部領域を露出させる。次いで、これらの上に、例えばアルミニウムなどの電極材料の膜を堆積形成し、形成した電極材料の膜をパターニングすることで、図５に示すように、露出したｐ形高濃度不純物領域１０７ａ，ｎ形高濃度不純物領域１０８ａに接続する電極１１１，１１２を形成する。また、絶縁膜１１０の上に、電極１１３およびこれに接続する配線１１４を形成すれば、図５に示すシリコン光素子が完成する。
【００５４】
なお、上述では、希土類元素としてエルビウムを用いるようにしたが、ツリウムやホルミウムを用いるようにしてもよい。エルビウムを用いる場合、発振波長は１．５４μｍとなり、ツリウムを用いる場合、発振波長は１．６５μｍとなり、Ｈｏを用いる場合、発振波長は１．９６μｍとなる。
ところで、上述した実施の形態では、ＰＮ構造やＰＩＮ構造とし、これら空乏化手段により発光部コアを空乏化するようにしたが、これらに限るものではない。例えば、金属電極をシリコンに接触させてショットキー障壁を形成し、この空乏化手段により発光部コアを空乏化させるようにしても良い。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、第１電極および第２電極により発光部コアを空乏化するように電位を印加することで、発光部コアに添加されている希土類元素に加速されたキャリアを衝突させて希土類元素を励起し、発光部コアにおいて発光が生じるようにした。この発光は、第１光反射手段と第２光反射手段とにより構成される共振器により閉じ込められ、反射と誘導放出とが繰り返され、第２反射手段側よりレーザ光が発振する。
【００５６】
このように、本発明によれば、シリコンを用いた素子により発光部（レーザ）を構成したので、シリコンからなるコアと発光部とを、同一の基板の上にモノリシックに形成することが可能となる。この結果、より微細でより安価なシリコン光集積回路が、容易に実現できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるシリコン光素子の構成例を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ），（ｃ）である。
【図２】図１のシリコン光素子の製造途中の状態を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ），（ｃ）である。
【図３】図１のシリコン光素子の製造途中の状態を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ），（ｃ）である。
【図４】図１のシリコン光素子の製造途中の状態を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ），（ｃ）である。
【図５】本発明の他の実施の形態におけるシリコン光素子の構成例を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ），（ｃ），（ｄ）である。
【図６】図５のシリコン光素子の製造途中の状態を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ），（ｃ）である。
【符号の説明】
１０１…基板、１０２…下部クラッド層、１０３…発光部コア、１０４…導波路コア、１０５，１０６…導波路型回折格子、１０７，１０８…電圧印加部、１０７ａ…ｐ形高濃度不純物領域、１０８ａ…ｎ形高濃度不純物領域、１０９…上部クラッド層、１１１，１１２…電極。
【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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