(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
・半導体材料から構成された基板と、
・絶縁性材料およびゲート材料を備えた少なくとも１つのＭＯＳ構造物と、
・前記ゲート材料から構成される導波層および前記絶縁性材料から構成され、かつ前記基板と前記導波層との間に挟まれた下層から構成される積層アセンブリと、
から構成される部品を用意する工程；および
前記導波層に光電磁波を照射して前記ＭＯＳ構造物の状態を変調する工程、ここで、照射する光電磁波の波長と入射角は、前記積層アセンブリが、該光電磁波を前記導波層内で誘導可能にするのに適した特定の光吸収ピークを、その波長およびその入射角で有するように選択される、
を含み、
前記光電磁波の波長と入射角を、前記導波層の少なくとも１つの界面で形成されて前記導波層内を伝搬するエバネッセント波に関連する共振光干渉を発生させるように選択することを特徴とする、信号処理の光電子工学方法。
【請求項２】
前記導波層がポリシリコンから構成され、前記下層の屈折率が、照射する光電磁波の波長で該導波層の屈折率より小さいことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記導波層が、約３ないし４の屈折率ｎと０の吸光係数(ｋ＝０)を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記エバネッセント波が導波層内を長手方向に伝搬し、前記光電磁波のcm-1で表した波数ωが、前記導波層の下に位置する前記下層の横断方向波数ωTと長手方向波数ωLOとの間、即ち、ωT＜ω＜ωL0であり、ここで横断方向共振振動数は長手方向に垂直な横断方向に関係し、長手方向共振振動数は長手方向に関係することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記導波層がポリシリコンから構成され、酸化ケイ素から構成される前記下層の上に形成されており、この導波層に照射する電磁波の波長が約８μｍ、入射角が70°ないし76°の間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項に記載の方法。
【請求項６】
前記導波層がポリシリコンから構成され、窒化ケイ素から構成される前記下層の上に形成されており、この導波層に照射する電磁波の波長が約９μｍ、入射角が70°ないし76°の間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項に記載の方法。
【請求項７】
前記導波層の厚みが約200〜400 nmであり、前記下層の厚みが少なくとも10 nmであることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記光電磁波が赤外領域のものであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記基板がゲルマニウムから構成されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記下層が酸化物層から構成されることを特徴とする請求項１ないし５および７ないし９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記下層が窒化物系の層から構成されることを特徴とする請求項１ないし４および６ないし９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
導波層に光電磁波を照射する工程が、該導波層の端部に前記電磁波を照射することを特徴とする、請求項１ないし11のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記部品が、前記導波層中の自由キャリアの存在に関連する光変調効果を生起するように、この導波層の１領域上に形成された電極をさらに備えることを特徴とする、請求項１ないし12のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記部品が、前記導波層の上に、共振キャビティを形成する高ドープ濃度の少なくとも１つの領域を備えることを特徴とする、請求項１ないし13のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記共振キャビティがこの共振キャビティの波長に同調させたカスケード型レーザーに関連するものであることを特徴とする、請求項14記載の方法。
【請求項１６】
−前記基板と前記積層アセンブリとを備える前記の用意された部品；ならびに
−前記用意された部品の積層アセンブリの導波層に、前記積層アセンブリが前記光電磁波を該導波層内で誘導可能にするのに適した前記特定の光吸収ピークを、その波長およびその入射角で有するように選択した波長および入射角で光電磁波を照射することができる手段、
を含むことを特徴とする、請求項１ないし15のいずれか１項に記載の方法を実施するための装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光電子工学 (オプトエレクトロニクス) の分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在研究所で研究されているか、または商業的に利用されている多くのシステムが、半導体電子部品に、例えばこれらの電子部品が発する光ビームを誘導 (導波) する機能を与える部品か、または制御または処理の目的でこれらの電子部品に照射される部品とを組合わせたものからなる。
【０００３】
そのため、オプトエレクトロニクスの分野では非常に広範囲の文献が既に存在している。しかし、出願人が知る限りでは、この分野はここ数年は著しい進展を遂げていないようである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、実験結果に基づいて、公知の従来システムより性能が改善された新規な手段を提供することである。
【０００５】
本発明の主な目的は、特に、採用が困難な半導体組成や技術を使用することを必要とせずに、光ビームを半導体構造物に最適に結合することを可能にする手段を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、本発明に従って、下記工程を含むことを特徴とする、信号処理の光電子工学方法により達成される：
−基板(10)と、その上に形成された少なくとも１つの導波層(14)を含むアセンブリ、とから少なくともなる、少なくとも１つの半導体部品を用意し；
−導波層(14)に光電磁波を照射し、その光電磁波の波長と入射角を、前記アセンブリが該光電磁波を該導波層内で誘導可能にするのに適した特定の吸収ピークを、その波長およびその入射角で有するように選択する。
【０００７】
本発明の別の有利な特徴によれば、前記波長と入射角を、導波層(14)の少なくとも１つの界面で形成されたエバネッセント波に関連する共振 (共鳴) 光干渉を発生させるように選択する。
【０００８】
本発明のさらに別の有利な特徴によれば、基板(10)上に形成されたアセンブリ(12,14) が、導波層(14)に加えて、基板(10)とこの導波層(14)との間に介在させた、照射する光電磁波の波長で該導波層より小さな屈折率を示す少なくとも１つの層 (下層) (12)を含む。
【０００９】
以下の詳細な説明を読めばわかるように、本発明は特に、電子部品間の完全な電気的隔離を確保しながら、それらの部品間の非常に迅速な相互接続を可能にする。
【００１０】
本発明はまた、この方法を実施するための装置にも関する。
本発明の上記以外の特徴、目的および利点は、制限を意図しない例として示す添付図面に関連して以下に述べる詳細な説明から明らかとなろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１に本発明に係るオプトエレクトロニクス装置の１例を模式的に示す。この装置は、例えばシリコン系の半導体材料から作製された基板10を備え、その上に順に、絶縁性材料 (例、酸化ケイ素、SiO2) から作製された第１の層12と、例えばポリシリコンから作製された、導波層を形成する第２の層14とが積層されている。
【００１２】
図１にはまた、第２の層14の延長上 (隣り) に、導波層14に関連して動作することができる電子部品が、参照番号16として示されている。この電子部品は、例えば、導波層14の延長上に形成されたＭＯＳ（金属酸化物半導体）トランジスタの形態でよい。
【００１３】
図１にはさらに、導波層14にある波長と入射角Ａの光電磁波 (光線) を照射することができる手段も、参照番号20として示されている。この波長と入射角Ａは、導波層14が、光電磁波を導波層14内で誘導可能にするのに適した光吸収ピークをその波長とその入射角Ａとで有するように選択する。
【００１４】
さらにより具体的な指標として、酸化ケイ素製の下層12の上に、例えばＣＶＤによりポリシリコン製の導波層14を成膜してなる、一般的なＭＯＳテクノロジーにおける構造の場合、手段20により導波層14に対して照射する電磁波は、好ましくは波長が約８μｍで、入射角Ａが70〜76°の範囲であるのが好ましいことを本発明者は見出した。
【００１５】
これらの条件下で電磁波がポリシリコン層14内を誘導されることを、本発明者は実際に確かめた。この入射角において、電磁波は導波層に約16°の角度で入るが、この角度はポリシリコン内の導波モードでの伝播に対する臨界角である。一方、このパラメータの範囲外では光は誘導されない。
【００１６】
制限を意図しない例として、Applied Physics Letters, vol.72, No.12, 1998年３月, C. Gmachl et al., 「λ≒8.5 μｍの屈折率結合分布フィードバック量子カスケードレーザーの連続波および高出力パルス型操作(Continuous-wave and high-power pulsed operation of index-coupled distributed feedback quantum cascade laser at λ≒8.5 μm)」の論文に記載されている種類の量子カスケードレーザーを手段20として使用してもよい。
【００１７】
より具体的には、導波層を形成するポリシリコン層14は厚みが約 200〜400 nmで、その下の酸化物層12は厚みが少なくとも10 nm であることが好ましい。
かくして、本発明によれば、従来の技術を用いて成膜したポリシリコン薄膜内での単色赤外線電磁波の効果的な誘導 (導波) が可能になる。
【００１８】
以下に説明するように、本発明は多くの用途に使用することができる。
例えば、このようなポリシリコン薄膜により、相互に及び導波電磁波に対して電気的に孤立している、例えばＭＯＳ型の複数のトランジスタの同時光制御を行うことが可能となる。
【００１９】
また、１つのトランジスタを別のトランジスタにより、それらの間の電気的接触を伴わずに確実に光スイッチングすることが可能となる。この場合、スイッチされたトランジスタは、スイッチング用トランジスタから来る光制御信号を上記の導波層を介して受け取る。この用途は、例えば、異なる電圧で動作しているか、または異なる回路ユニットに位置している二つのトランジスタを用いることを可能にする。
【００２０】
かくして、例えば、標準的なＭＯＳ構造、即ち、Geと積層されていても、いなくてもよいSiO2製のゲート (厚みが１nmより大きく、窒化されていても、いなくてもよい) と非晶質、多結晶もしくは単結晶のシリコン製のゲート材料を備えたＭＯＳ構造の場合、所定角度で表面に入射する適当な波長の光によりトランジスタの状態を変更 (変調) することができる。
【００２１】
トランジスタの状態変更に加えて、透過光をゲート材料の層内を誘導して、別のトランジスタ (または複数の他のトランジスタ) に対して、それらのトランジスタ間の電気的接触を生ずることなく作用させることもできる (これは既知のデバイスの従来の構造では達成することが不可能である) 。
【００２２】
さらに、本発明により達成される導波 (誘導) 効果は、ポリシリコン層の２つの界面に存在するエバネッセント波に関連する共振光干渉によるものであることを本発明者は確かめた。
この共振エバネッセント波はポリシリコン層内を長手方向に伝播する。
【００２３】
これは、上述した入射角と波長のパラメータを考慮して、導波層14より屈折率の小さい２つのフランキング層 (対向層)(層12と空気、もしくは層12に似た別の層) の間に導波層14を挟むことにより生ずる。
【００２４】
本発明はかくして、厚い導波層を必要とせずに光を導波層14に閉じ込めるのに適した条件を得ることを可能にする。
【００２５】
その結果、本発明は、特にＭＯＳトランジスタの平面テクノロジーと導波層14を作製するテクノロジーとの間に完全な適合性を得ることを可能にする。本発明は特に従来技術で提案されたある種のシステムに存在する導波層と半導体構造物との間のレベル差を解消することを可能にする。
【００２６】
もちろん、本発明は上述した特定の態様に制限されるものではなく、その技術思想に従った全ての変更例を包含するものである。
【００２７】
本発明は、半導体構造物、特にポリシリコン系半導体構造物に、その結晶状態がどうであろうと、即ち、非晶質、微結晶質または単結晶（ＳＯＩ<silicon on insulator>の場合) のいずれであろうと、適用することができる。
本発明はまたゲルマニウム系半導体構造物にも適用することができる。
【００２８】
導波層14の下側の層12の技術 (テクノロジー) は多くの変更態様の主題となりうる。これは、例えば、乾式相 (O2存在下) もしくは湿式相 (O2＋H2) での酸化、或いはＣＶＤ成膜 (プラズマもしくはＵＶによる助けの有無にかかわらず) により得られた酸化物層を含むものでよい。
これはまた、窒化物 (Si3N4)系の下層12を含んでいてもよい。しかし、この場合は、採用する波長を約９μｍとすることが好ましい。
【００２９】
本発明は、例えば、光子材料(photonic material) またはフィルターにも有用性を見出すことができる。
制限を意図しない例として、フィルターに関しては、付随する導波層(associated guiding layer)上の入射角と付随波長(associated wavelength) とに応じてスイッチングを行うか、または行わない、トランジスタを使用したものでよい。
【００３０】
また、本発明は、２以上の波長を組合わせた後にだけトランジスタのスイッチングを行うように設計されたシステムにも有用である。これは、電気効果 (ゲート、従って、そのトランジスタの電気的状態の変調、別のトランジスタに作用するための導波を伴っても伴わなくてもよい) を伴う、光制御ロジック (該構造物に入射する波長の組合わせ) を可能にする。
【００３１】
本発明はまた、伝播する光の波長と回折格子の間隔とに応じた共振構造物のプラズマエッチングにより光子結晶(photonic crystals) を作製するのにも有用である。
【００３２】
添付の図１に示すのは、導波層14がその表面上で直接電磁波を受ける構造物である。変更例として、電磁波をこの導波層14の末端に入射させるか、または上に積層した閉じ込め層 (例えば、下側層12に類似の層) に作製した窓を通して入射させることも考えられる。
【００３３】
添付の図２に示すのは、本発明の基礎となる実験結果であって、照射電磁波のエネルギー (cm-1) による屈折率ｎと吸光係数ｋの変化を示すグラフである。これは、SiO2層上に成膜した200 nm厚のポリシリコン導波層14を含む構造物について測定した値である。
【００３４】
より具体的には、図２において、
−破線はシリコンの屈折率ｎを示し、
−□のプロットを通る線はSiO2の屈折率ｎを示し、
−■のプロットを通る線はポリシリコンの屈折率ｎを示し、
−△のプロットを通る線はSiO2の吸光係数 (光吸収係数) を示し、
−▲のプロットを通る線はポリシリコンの吸光係数を示す。
【００３５】
図２は、約 1260 cm-1のＥ (エネルギー) にポリシリコン導波層14の吸収ピークがあることを示している。
【００３６】
図３は、SiO2層を、シリコン基板上に成膜した窒化物 (Si3N4)の層に変更した構造物についての、図２と同様の曲線を示す。
より具体的には、図３において、
−連続実線はシリコンの屈折率ｎを示し、
−△のプロットを通る線はSi3N4 の屈折率ｎを示し、
−▲のプロットを通る線はポリシリコンの屈折率ｎを示し、
−□のプロットを通る線はSi3N4 の吸光係数を示し、
−■のプロットを通る線はポリシリコンの吸光係数を示す。
【００３７】
図３は、約 1130 cm-1のＥにポリシリコン導波層14の吸収ピークがあることを示している。
【００３８】
さらに、本発明者は、下記の条件を満たすことが望ましいことを見出した：
１) 導波層14の屈折率ｎが高く (典型的には約３〜４であり) 、その吸光係数が０ (ｋ＝０) であり、そして
２) 光電磁波のcm-1単位で表した波数ωが、導波層14の下に位置する層12の横断方向波数ωT と長手方向波数ωL0との中間、即ち、ε1(ω) ＜０で、ωT ＜ω＜ωL0である。この関係式において：
ωT はε2 の最大値に対応し、
ε2 は誘電率 (誘電関数) の虚数部分 (虚部) を表し、そして
ωL0はε1 の０値に対応し、
ε1 は誘電率の実数部分 (実部) を表す。
【００３９】
この条件を満たすことにより、いわゆるレストストラーレン (残留線) 帯の範囲に入る。
ωT とωL0の値は図４に示されている。
【００４０】
ωT とωL0の定義は、B. Harbecke et al., Appl. Phys. A38 263-267 (1985)「薄膜の光学特性とベルマン効果(Optical Properties of Thin Films and the Berreman Effect)」およびD.W. Berreman, Phys. Rev. 130, 2193-2198 (1963) 「立方晶膜における極長手光モード振動数での赤外吸収帯(Infrared Absorption Bands at Polar Longitudinal Optic Mode Frequencies in Cubic Crystal Films) 」の論文に記載されている。
【００４１】
本発明の範囲内において、ドープしたポリシリコンから作製した導波層14の１領域に電極を配置して、そのドープしたポリシリコン層内に存在する自由キャリアの存在に関連する光変調効果を生起させるようにすることも可能である。電気的変調が、自由キャリアの効果により屈折率の変調を誘導する。さらに、この効果がますます顕著になると、波長範囲は付随するプラズモン振動数(associated plasmon frequency)に近づく。
【００４２】
さらに、導波層部分14の上の位置させた高ドープレベルの領域を限定すると、この波長に同調させたカスケード型SiGeレーザーに容易に関連させることができる共振キャビティを作りだすことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る装置の構造を示す説明図である。
【図２】本発明の基礎となる実験結果を示すグラフである。
【図３】本発明の基礎となる別の実験結果を示すグラフである。
【図４】例えば導波層の下層として用いるSiO2層の誘電率( ε＝n2) の実数部分 (円形プロットの曲線) と虚数部分 (三角形プロットの曲線) とを示す。
【符号の説明】
10：基板、12：低屈折率の下層、14：導波層、16：別の電子部品 (例、トランジスタ) 、20：光電磁波照射手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
0005145614.tif 000004
【図４】
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