(57)【要約】【課題】低い消費電力で駆動させることのできる半導体光素子を提供する。【解決手段】半導体材料により形成されたコア部と、前記コア部の一方の側面に接しており、半導体材料により前記コア部よりも薄く形成された第１のスラブ部と、前記コア部の他方の側面に接しており、半導体材料により前記コア部よりも薄く形成された第２のスラブ部と、前記第１のスラブ部に接して形成されている第１の電極と、前記第２のスラブ部に接して形成されている第２の電極と、を有し、前記第１のスラブ部には、第１の導電型の不純物元素が、前記コア部が設けられている側から前記第１の電極が設けられている側に向かって、不純物濃度が徐々に増加するように形成されており、前記第２のスラブ部には、第２の導電型の不純物元素が、前記コア部が設けられている側から前記第２の電極が設けられている側に向かって、不純物濃度が徐々に増加するように形成されていることを特徴とする半導体光素子により上記課題を解決する。【選択図】  図４
2013238657.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料により形成されたコア部と、
前記コア部の一方の側面に接しており、半導体材料により前記コア部よりも薄く形成された第１のスラブ部と、
前記コア部の他方の側面に接しており、半導体材料により前記コア部よりも薄く形成された第２のスラブ部と、
前記第１のスラブ部に接して形成されている第１の電極と、
前記第２のスラブ部に接して形成されている第２の電極と、
を有し、
前記第１のスラブ部には、第１の導電型の不純物元素が、前記コア部が設けられている側から前記第１の電極が設けられている側に向かって、不純物濃度が徐々に増加するように形成されており、
前記第２のスラブ部には、第２の導電型の不純物元素が、前記コア部が設けられている側から前記第２の電極が設けられている側に向かって、不純物濃度が徐々に増加するように形成されていることを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
前記第１のスラブ部においては、前記コア部が設けられている側からの距離とバンドギャップの減少量とが略線形となるように第１の導電型の不純物元素がドープされており、
前記第２のスラブ部においては、前記コア部が設けられている側からの距離とバンドギャップの減少量とが略線形となるように第２の導電型の不純物元素がドープされていることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項３】
半導体材料により形成されたコア部と、
前記コア部の一方の側面に接しており、半導体材料により前記コア部よりも薄く形成された第１のスラブ部と、
前記コア部の他方の側面に接しており、半導体材料により前記コア部よりも薄く形成された第２のスラブ部と、
前記第１のスラブ部に接して形成されている第１の電極と、
前記第２のスラブ部に接して形成されている第２の電極と、
を有し、
前記第１のスラブ部は、前記コア部が設けられている側から前記第１の電極が設けられている側に向かって３以上の領域を有しており、前記コア部が設けられている側から前記第１の電極が設けられている側に向かって、第１の導電型の不純物元素の不純物濃度が、前記領域ごとに段階的に順に増加するように形成されており、
前記第２のスラブ部は、前記コア部が設けられている側から前記第２の電極が設けられている側に向かって３以上の領域を有しており、前記コア部が設けられている側から前記第２の電極に向かって、第２の導電型の不純物元素の不純物濃度が、前記領域ごとに段階的に順に増加するように形成されていることを特徴とする半導体光素子。
【請求項４】
前記コア部は、第１の導電型の不純物元素または第２の導電型の不純物元素がドープされていないものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体光素子。
【請求項５】
前記半導体材料は、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、III−Ｖ族半導体のいずれかであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体光素子。
【請求項６】
前記半導体材料は、Ｓｉであって、
前記第１の導電型の不純物元素はリンであり、
前記第２の導電型の不純物元素はボロンであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体光素子。
【請求項７】
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加することにより、コア部における屈折率を変化させるものであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の半導体光素子。
【請求項８】
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加することにより、コア部を伝搬する光の損失係数を変化させるものであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の半導体光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の大容量映像配信、ブロードバンドネットワークをベースとしたサービスの普及により、ネットワークのトラフィック及びサーバ・データセンターにおける処理能力は急速に高まっており、今後ともこの傾向は続くものと考えられる。このようなネットワークにおけるサーバ等の機器は電力消費量が高いため、光電変換することなく光信号を光のまま伝送経路を切替えることのできる光スイッチは、電力消費を抑えることができることから、有望とされている。
【０００３】
このような光スイッチとしては、例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板に形成された光導波路を有する導波路型光デバイスを有するものがある。この導波路型光デバイスは、シリコンにより形成されたコア部と、コア部の両側の側面にコア部よりも薄く形成されたスラブ部とを有しており、双方のスラブ部を介して、コア部にキャリアを注入することにより、コア部を伝播する光を変調することができる。このような導波路型光デバイスは、半導体のプロセス技術を用いて製造することができるため、大量生産することができ、低コストで製造することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２４２４８７号公報
【特許文献２】特表２００２−５４０４６９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Soref, R. A. & Bennett, B. R.Electrooptical effects in silicon. IEEE J. Quant. Electron. QE-23, 123-129 (1987).
【非特許文献２】Vassil Palankovski, DISSERTATION Simulation ofHeterojunction Bipolar Transistors Institute for Microelectronics, TU Wien  2000， Fig3.21−Fig3.28, [online］, <URL : http://www.iue.tuwien.ac.at/phd/palankovski/node4.html>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１及び図２に基づき、より詳細に半導体光素子を形成している導波路型光デバイスについて説明する。図１に示される導波路型光デバイス９００は、上述したようにＳＯＩ基板等を用いて形成されており、シリコン基板９１１上には、酸化シリコン層９１２が形成されており、この酸化シリコン層９１２の上には、光導波路となるコア部９２１が形成されている。また、酸化シリコン層９１２の上には、コア部９２１の両側に側面に接してコア部９２１よりも厚さの薄いスラブ部９２２及び９２３が形成されている。コア部９２１の一方の側面に接して形成されるスラブ部９２２には、ｎ型となる不純物元素をドープすることによりｎ型領域９２２ａが形成されており、ｎ型領域９２２ａに接して電極９３１が形成されている。また、コア部９２１の他方の側面に接して形成されるスラブ部９２３には、ｐ型となる不純物元素をドープすることによりｐ型領域９２３ａが形成されており、ｐ型領域９２３ａに接して電極９３２が形成されている。尚、コア部９２１、スラブ部９２２及び９２３が露出している部分を覆うように酸化シリコン等により保護膜９４０が形成されている。また、コア部９２１には、不純物元素はドープされてはいない。
【０００７】
このような導波路型光デバイス９００においては、電極９３１及び電極９３２を介してコア部９２１に電流を注入することにより、コア部９２１における屈折率を変化させることができ、これにより、コア部９２１を伝搬する光を変調することができる。言い換えるならば、コア部９２１に電流を注入することにより、コア部９２１におけるキャリア密度を変化させ、キャリアプラズマ効果により光導波路となるコア部における等価屈折率または損失を変化させることができる。
【０００８】
キャリアプラズマ効果とは、物質内のキャリア密度の変化により、屈折率ｎ及び損失係数αが変化することである。この屈折率ｎ及び損失係数αの変化量と、キャリア密度の変化量との関係は、非特許文献１に開示されており、数１及び数２に示される式で表わされる。尚、Δｎは屈折率の変化量であり、Δαは損失係数の変化量であり、ΔＮｅは電子密度の変化量であり、ΔＮｈは正孔密度の変化量であり、ｍ＊ｃｅは電子の有効質量であり、ｍ＊ｃｈは正孔の有効質量であり、μｅは電子の移動度であり、μｈは正孔の移動度である。
【０００９】
【数１】
2013238657.tif 000003
【００１０】
【数２】
2013238657.tif 000004
【００１１】
ところで、光スイッチを形成している導波路型光デバイスにおいては、より一層の小型化及び低消費電力化が求められている。しかしながら、図１に示される導波路型光デバイスでは、不純物元素をドープすることにより生じるバンドギャップナローイングにより、コア部９２１に注入されるキャリア密度が低くなるため、屈折率の変化量が小さくなってしまう。このため、光スイッチの小型化や低消費電力化することの妨げとなっていた。具体的には、図２に示されるように、コア部９２１等の不純物元素がドープされていない領域に比べて、不純物元素がドープされているｎ型領域９２２ａ及びｐ型領域９２３ａのバンドギャップは、その境界において急激に狭くなる。このため、ｎ型領域９２２ａとスラブ部９２２において不純物元素がドープされていない領域との間、また、ｐ型領域９２３ａとスラブ部９２３において不純物元素がドープされていない領域との間におけるキャリアの移動が妨げられてしまう。これにより、コア部９２１に注入されるキャリアが減少し、コア部９２１における屈折率の変化量が小さくなる。従って、所望の位相差を発生させるための消費電力は高くなる。
【００１２】
よって、所望の屈折率変化を得るための消費電力を低くすることができ、低い消費電力で駆動させることのできる半導体光素子が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本実施の形態の一観点によれば、半導体材料により形成されたコア部と、前記コア部の一方の側面に接しており、半導体材料により前記コア部よりも薄く形成された第１のスラブ部と、前記コア部の他方の側面に接しており、半導体材料により前記コア部よりも薄く形成された第２のスラブ部と、前記第１のスラブ部に接して形成されている第１の電極と、前記第２のスラブ部に接して形成されている第２の電極と、を有し、前記第１のスラブ部には、第１の導電型の不純物元素が、前記コア部が設けられている側から前記第１の電極が設けられている側に向かって、不純物濃度が徐々に増加するように形成されており、前記第２のスラブ部には、第２の導電型の不純物元素が、前記コア部が設けられている側から前記第２の電極が設けられている側に向かって、不純物濃度が徐々に増加するように形成されていることを特徴とする。
【００１４】
また、本実施の形態の他の一観点によれば、半導体材料により形成されたコア部と、前記コア部の一方の側面に接しており、半導体材料により前記コア部よりも薄く形成された第１のスラブ部と、前記コア部の他方の側面に接しており、半導体材料により前記コア部よりも薄く形成された第２のスラブ部と、前記第１のスラブ部に接して形成されている第１の電極と、前記第２のスラブ部に接して形成されている第２の電極と、を有し、前記第１のスラブ部は、前記コア部が設けられている側から前記第１の電極が設けられている側に向かって３以上の領域を有しており、前記コア部が設けられている側から前記第１の電極が設けられている側に向かって、第１の導電型の不純物元素の不純物濃度が、前記領域ごとに段階的に順に増加するように形成されており、前記第２のスラブ部は、前記コア部が設けられている側から前記第２の電極が設けられている側に向かって３以上の領域を有しており、前記コア部が設けられている側から前記第２の電極に向かって、第２の導電型の不純物元素の不純物濃度が、前記領域ごとに段階的に順に増加するように形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
開示の半導体光素子によれば、所望の屈折率変化を得るための消費電力を低くすることができるため、低い消費電力で駆動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来の導波路型光デバイスの構造図
【図２】従来の導波路型光デバイスのバンド図
【図３】第１の実施の形態における半導体光素子の説明図
【図４】第１の実施の形態における導波路型光デバイスの構造図
【図５】第１の実施の形態における導波路型光デバイスのバンド図
【図６】消費電力密度とキャリア密度変化量との相関図（１）
【図７】導波路型光デバイスの長さと消費電力との相関図（１）
【図８】第１の実施の形態における他の導波路型光デバイスのバンド図
【図９】第２の実施の形態における導波路型光デバイスの構造図
【図１０】第２の実施の形態における導波路型光デバイスのバンド図
【図１１】消費電力密度とキャリア密度変化量との相関図（２）
【図１２】導波路型光デバイスの長さと消費電力との相関図（２）
【図１３】第２の実施の形態における他の導波路型光デバイスのバンド図
【図１４】第３の実施の形態における導波路型光デバイスの構造図
【図１５】第３の実施の形態における導波路型光デバイスのバンド図
【図１６】消費電力密度とキャリア密度変化量との相関図（３）
【図１７】導波路型光デバイスの長さと消費電力との相関図（３）
【図１８】第４の実施の形態における半導体光素子の構造図
【図１９】消費電力密度と損失係数との相関図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００１８】
〔第１の実施の形態〕
第１の実施の形態における半導体光素子について、図３〜図５に基づき説明する。本実施の形態は、図３に示されるようなマッハツエンダー型光スイッチである。このマッハツエンダー型光スイッチは、第１の導波路型光デバイス１０、第２の導波路型光デバイス２０、光分岐器３０及び光結合器４０を有している。第１の導波路型光デバイス１０と第２の導波路型光デバイス２０は、同じ長さＬ、例えば、０．１ｍｍとなるように形成されている。
【００１９】
光分岐器３０の入力側は、入力側の第１ポート３１と光導波路３３ａにより接続されており、入力側の第２のポート３２と光導波路３３ｂにより接続されている。また、光分岐器３０の出力側は、第１の導波路型光デバイス１０の入力側と、光導波路３３ｃにより接続されており、第２の導波路型光デバイス２０の入力側と、光導波路３３ｄにより接続されている。
【００２０】
また、第１の導波路型光デバイス１０の出力側と光結合器４０の入力側とは、光導波路４３ａにより接続されており、第２の導波路型光デバイス２０の出力側と光結合器４０の入力側とは、光導波路４３ｂにより接続されている。また、光結合器４０の出力側は、出力側の第１ポート４１と、光導波路４３ｃにより接続されており、出力側の第２のポート４２と、光導波路４３ｄにより接続されている。
【００２１】
このようなマッハツエンダー型光スイッチにおいては、入力側の第１ポート３１より入力光を入力すると、光導波路３３ａを介し光分岐器３０に入力され、光分岐器３０において分岐される。光分岐器３０において分岐された光は、光導波路３３ｃを介し第１の導波路型光デバイス１０に入力され、光導波路３３ｄを介し第２の導波路型光デバイス２０に入力される。
【００２２】
このように、第１の導波路型光デバイス１０に入力した光は、第１の導波路型光デバイス１０を伝搬した後に、第１の導波路型光デバイス１０の出力側に接続されている光導波路４３ａに出力され、光導波路４３ａを介し光結合器４０に入力する。また、第２の導波路型光デバイス２０に入力した光は、第２の導波路型光デバイス２０を伝搬した後に、第２の導波路型光デバイス２０の出力側に接続されている光導波路４３ｂに出力され、光導波路４３ｂを介し光結合器４０に入力する。光結合器４０では、入力した第１の導波路型光デバイス１０から出力された光と、第２の導波路型光デバイス２０から出力された光とが結合され、光導波路４３ｃを介し出力側の第１のポート４１または光導波路４３ｄを介し出力側の第２のポート４２より出力される。
【００２３】
ここで、図３（ａ）に示すように、第１の導波路型光デバイス１０及び第２の導波路型光デバイス２０に電圧が印加されていない場合、第１の導波路型光デバイス１０及び第２の導波路型光デバイス２０において光が伝搬するコア部には、キャリアが注入されない。従って、第１の導波路型光デバイス１０及び第２の導波路型光デバイス２０におけるコア部では、屈折率変化が生じていないため、第１の導波路型光デバイス１０を伝搬する光と第２の導波路型光デバイス２０を伝搬する光との間では位相差は生じていない。よって、この場合には、光結合器４０において結合された光は、矢印Ａに示されるように、光導波路４３ｄを介し出力側の第２のポート４２より出力光として出力される。
【００２４】
また、図３（ｂ）に示すように、第１の導波路型光デバイス１０または第２の導波路型光デバイス２０において、第１の導波路型光デバイス１０を伝搬する光と第２の導波路型光デバイス２０を伝搬する光との間で位相差πが生じるように電圧を印加した場合を考える。この場合、電圧を印加された第１の導波路型光デバイス１０において光が伝搬するコア部、または第２の導波路型光デバイス２０において光が伝搬するコア部にはキャリアが注入されるため、キャリアが注入されたコア部では屈折率が変化する。これにより、第１の導波路型光デバイス１０のコア部を伝搬する光と第２の導波路型光デバイス２０のコア部を伝搬する光との間では、πの位相差が生じる。よって、この場合には、光結合器４０において結合された光は、矢印Ｂに示されるように、光導波路４３ｃを介し出力側の第１のポート４１より出力光として出力される。
【００２５】
このように、第１の導波路型光デバイス１０又は第２の導波路型光デバイス２０等に電圧を印加するか否かにより、出力光を出力側の第１のポート４１より出力させるか、出力側の第２のポート４２より出力させるかの切り替えを行なうことができる。
【００２６】
次に、図４及び図５に基づき第１の導波路型光デバイス１０について説明する。尚、便宜上、第１の導波路型光デバイス１０について、単に、本実施の形態における導波路型光デバイス１と記載する場合がある。図４は、図３における一点鎖線３Ａ−３Ｂにおいて切断した断面図である。また、図５は、図４に示される本実施の形態における導波路型光デバイスのバンド図を示す。尚、以下における内容は、第２の導波路型光デバイス２０についても同様である。
【００２７】
図４に示されるように、本実施の形態における導波路型光デバイス１は、シリコンにより形成された基板１１１の上に、酸化シリコン層１１２が形成されている。酸化シリコン層１１２の上には、シリコンにより形成された光が伝搬するコア部１２１とコア部の両側に形成された第１のスラブ部１２２及び第２のスラブ部１２３を有している。コア部１２１は、光導波路となるものであり、幅Ｗ、厚さＨ１となるように形成されている。また、第１のスラブ部１２２及び第２のスラブ部１２３においては、第１のスラブ部１２２及び第２のスラブ部１２３における厚さＨ２は、光が伝搬するコア部１２１の厚さＨ１よりも薄く形成されている。これにより、コア部１２１を伝搬する光が、第１のスラブ部１２２及び第２のスラブ部１２３に漏れにくい構造となっている。また、コア部１２１、第１のスラブ部１２２及び第２のスラブ部１２３の上には、酸化シリコン等により形成された保護膜１４０が形成されている。尚、本実施の形態における導波路型光デバイス１は、例えば、コア部１２１は、幅Ｗが約４８０ｎｍ、厚さＨ１が約２５０ｎｍとなるように形成されており、第１のスラブ部１２２及び第２のスラブ部１２３は、厚さＨ２が約５０ｎｍとなるように形成されている。
【００２８】
第１のスラブ部１２２には、ｎ型となる不純物元素がドープされており、コア部１２１から離れるに従い、ドープされているｎ型となる不純物元素の濃度が高くなるように形成されている。具体的には、第１のスラブ部１２２は、コア部１２１に近い領域から順に、第１のｎ型領域１２２ａ、第２のｎ型領域１２２ｂ、第３のｎ型領域１２２ｃ、第４のｎ型領域１２２ｄ、第５のｎ型領域１２２ｅ、第６のｎ型領域１２２ｆとなるように形成されている。第１のｎ型領域１２２ａ、第２のｎ型領域１２２ｂ、第３のｎ型領域１２２ｃ、第４のｎ型領域１２２ｄ、第５のｎ型領域１２２ｅにおける各々の幅Ｐａは約５５ｎｍとなるよう均等に形成されている。ドープされている不純物元素の濃度は、第１のｎ型領域１２２ａが１×１０１７ｃｍ−３、第２のｎ型領域１２２ｂが５×１０１７ｃｍ−３、第３のｎ型領域１２２ｃが１×１０１８ｃｍ−３、第４のｎ型領域１２２ｄが５×１０１８ｃｍ−３、第５のｎ型領域１２２ｅが１×１０１９ｃｍ−３、第６のｎ型領域１２２ｆが５×１０１９ｃｍ−３である。尚、ｎ型となる不純物元素としては、Ｐ（リン）が用いられており、第１のスラブ部１２２における第６のｎ型領域１２２ｆに接して、金属材料等により第１の電極１３１が形成されている。このように、第１のスラブ部１２２において、各々の領域における不純物濃度が異なるように方法としては、所望の開口を有するレジストパターンの形成の工程と、不純物元素のイオン注入とを交互に繰り返すことにより形成することができる。
【００２９】
第１のスラブ部１２２においては、不純物元素をドープすることによりバンドギャップナローイングが生じるが、このバンドギャップナローイングは、ドープされる不純物元素の濃度に応じて狭くなる。具体的には、不純物元素がドープされていないコア部１２１に対し、第１のｎ型領域１２２ａで１０ｍｅＶ、第２のｎ型領域１２２ｂで２０ｍｅＶ、第３のｎ型領域１２２ｃで３０ｍｅＶ、第４のｎ型領域１２２ｄで７０ｍｅＶ、第５のｎ型領域１２２ｅで８５ｍｅＶ、第６のｎ型領域１２２ｆで１５０ｍｅＶバンドギャップが狭くなる。
【００３０】
また、第２のスラブ部１２３においては、ｐ型となる不純物元素がドープされており、コア部１２１から離れるに従い、ドープされているｐ型となる不純物元素の濃度が高くなるように形成されている。具体的には、第２のスラブ部１２３は、コア部１２１に近い領域から順に、第１のｐ型領域１２３ａ、第２のｐ型領域１２３ｂ、第３のｐ型領域１２３ｃ、第４のｐ型領域１２３ｄ、第５のｐ型領域１２３ｅ、第６のｐ型領域１２３ｆとなるように形成されている。第１のｐ型領域１２３ａ、第２のｐ型領域１２３ｂ、第３のｐ型領域１２３ｃ、第４のｐ型領域１２３ｄ、第５のｐ型領域１２３ｅにおける各々の幅Ｐｂは約５５ｎｍとなるように均等に形成されている。ドープされている不純物元素の濃度は、第１のｐ型領域１２３ａが１×１０１７ｃｍ−３、第２のｐ型領域１２３ｂが５×１０１７ｃｍ−３、第３のｐ型領域１２３ｃが１×１０１８ｃｍ−３、第４のｐ型領域１２３ｄが５×１０１８ｃｍ−３、第５のｐ型領域１２３ｅが１×１０１９ｃｍ−３、第６のｐ型領域１２３ｆが５×１０１９ｃｍ−３である。尚、ｐ型となる不純物元素としては、Ｂ（ボロン）が用いられており、第２のスラブ部１２３における第６のｐ型領域１２３ｆに接して、金属材料等により第２の電極１３２が形成されている。このように、第２のスラブ部１２３において、各々の領域における不純物濃度が異なるように方法としては、所望の開口を有するレジストパターンの形成の工程と、不純物元素のイオン注入とを交互に繰り返すことにより形成することができる。
【００３１】
第２のスラブ部１２３において、不純物元素をドープすることによりバンドギャップナローイングが生じるが、このバンドギャップナローイングは、ドープされる不純物元素の濃度に応じて狭くなる。具体的には、不純物元素がドープされていないコア部１２１に対し、第１のｐ型領域１２３ａで１０ｍｅＶ、第２のｐ型領域１２３ｂで２０ｍｅＶ、第３のｐ型領域１２３ｃで３０ｍｅＶ、第４のｐ型領域１２３ｄで７０ｍｅＶ、第５のｐ型領域１２３ｅで９０ｍｅＶ、第６のｐ型領域１２３ｆで１７０ｍｅＶバンドギャップが狭くなる。
【００３２】
次に、本実施の形態における導波路型光デバイスの消費電力等について説明する。図６は、本実施の形態における導波路型光デバイス１及び図１に示される従来の構造の導波路型光デバイス９００において、消費電力密度とキャリア密度変化量との関係を示すものである。また、図７は、本実施の形態における導波路型光デバイス１及び図１に示される従来の構造の導波路型光デバイス９００において、導波路型光デバイスの長さＬと位相差をπ生じさせるための消費電力との関係を示すものである。尚、図６及び図７に示されるものはシミュレーションにより得られた結果である。また、従来の構造の導波路型光デバイス９００におけるコア部９２１の幅及び高さ、スラブ部９２２及び９２３における高さは、本実施の形態における導波路型光デバイス１と略同じとなるように形成されている。また、ｎ型領域９２２ａ及びｐ型領域９２３ａにドープされている不純物の濃度は、ともに５×１０１９ｃｍ−３である。
【００３３】
図６に示されるように、本実施の形態における導波路型光デバイス１は、従来の構造の導波路型光デバイス９００に比べて、同じキャリア密度変化量を得るための消費電力密度が低い。また、同じ消費電力密度であれば、本実施の形態における導波路型光デバイス１は、従来の構造の導波路型光デバイス９００に比べて、キャリア密度変化量が大きい。従って、本実施の形態における導波路型光デバイス１は、従来の構造の導波路型光デバイス９００に比べて、駆動のための消費電力を低く抑えることができ、また、同じ消費電力であれば、位相差を大きくすることができる。
【００３４】
具体的には、図７に示されるように、各々の導波路型光デバイスの長さＬが同じであれば、本実施の形態における導波路型光デバイス１は、従来の構造の導波路型光デバイス９００に比べて、πの位相差を生じさせる消費電力を低くすることができる。例えば、導波路型光デバイスの長さＬが０．１ｍｍの場合、従来の構造の導波路型光デバイス９００の消費電力は約２．９ｍＷであるのに対し、本実施の形態における導波路型光デバイス１の消費電力は約１．４ｍＷであり、消費電力を約５２％低減することができる。
【００３５】
また、従来の構造の導波路型光デバイス９００では、長さＬを０．０８ｍｍ以下にすると消費電力が急増してしまうが、本実施の形態における導波路型光デバイス１では、０．０５ｍｍ以上であれば、消費電力が顕著に増加することはない。従って、本実施の形態における導波路型光デバイス１は、従来の構造の導波路型光デバイス９００に比べて長さを３８％短くすることができるため、小型にすることができ、導波路型光デバイスが用いられる光スイッチも小型にすることができる。
【００３６】
また、上記においては、第１のスラブ部１２２及び第２のスラブ部１２３における不純物濃度が６段階であって、コア部１２１から離れるに従い順に増加する場合について説明した。しかしながら、第１のスラブ部１２２及び第２のスラブ部１２３における不純物濃度が３段階以上であれば、効果の程度に差はあるものの、本実施の形態における効果と同様の効果を得ることができる。例えば、図８に示されるバンド図のように、第１のスラブ部１２２及び第２のスラブ部１２３における不純物濃度が３段階となるように形成したものであってもよい。即ち、第１のスラブ部１２２は、コア部１２１から離れるに従い、第１のｎ型領域１７２ａ、第２のｎ型領域１７２ｂ、第３のｎ型領域１７２ｃの順でｎ型となる不純物濃度が高くなるように形成してもよい。また、第２のスラブ部１２３は、コア部１２１から離れるに従い、第１のｐ型領域１７３ａ、第２のｐ型領域１７３ｂ、第３のｐ型領域１７３ｃの順でｐ型となる不純物濃度が高くなるように形成してもよい。これにより、コア部１２１から離れるに従いバンドギャップは次第に狭くなる。
【００３７】
また、第１のスラブ部１２２及び第２のスラブ部１２３においては、ドープされる不純物濃度が段階的に増加するものではなく、コア部１２１から離れるに従い、不純物濃度が連続的に増加するように形成したものであってもよい。尚、ｎ型となる不純物元素がドープされている領域は、第１のスラブ部１２２の全部であってもよく、また、一部であってもよく、ｐ型となる不純物元素がドープされている領域は、第２のスラブ部１２３の全部であってもよく、また、一部であってもよい。
【００３８】
また、上記においては、不純物濃度が異なる領域の幅を等間隔で形成したが、等間隔でなくともよい。また、上記においては、スラブ部１２１及び１２３において、最も不純物濃度が高くなる領域の不純物濃度が、５×１０１９ｃｍ−３以下である場合について説明した。しかしながら、最も不純物濃度が高くなる領域の不純物濃度が、１×１０１８ｃｍ−３以上、１×１０２２ｃｍ−３以下であれば、上記の場合と同様の効果を得ることができる。
【００３９】
また、本実施の形態においては、シリコン（Ｓｉ）によりコア部１２１、第１のスラブ部１２２及び第２のスラブ部１２３を形成した場合について説明した。しかしながら、これらを形成する材料は、ＳｉＧｅ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＡｓ等のIII−Ｖ族半導体により形成しても同様の効果が得られる。
【００４０】
〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態における半導体光素子について説明する。本実施の形態は、図３に示されるようなマッハツエンダー型光スイッチであって、第１の実施の形態とは異なる構造の導波路型光デバイスにより、第１の導波路型光デバイス１０、第２の導波路型光デバイス２０が形成されているものである。
【００４１】
図９及び図１０に基づき、本実施の形態における導波路型光デバイスについて説明する。図９は、図３における一点鎖線３Ａ−３Ｂに相当する部分で切断した本実施の形態における導波路型光デバイス２の断面図である。また、図１０は、図９に示される本実施の形態における導波路型光デバイス２のバンド図を示す。尚、本実施の形態における半導体光素子は、図３に示されるマッハツエンダー型光スイッチにおける第１の導波路型光デバイス１０及び第２の導波路型光デバイス２０を図９に示される本実施の形態における導波路型光デバイス２により形成した構造のものである。
【００４２】
図９に示されるように、本実施の形態における導波路型光デバイス２は、シリコンにより形成された基板１１１の上に、酸化シリコン層１１２が形成されている。酸化シリコン層１１２の上には、シリコンにより形成された光が伝搬するコア部１２１とコア部の両側に形成された第１のスラブ部２２２及び第２のスラブ部２２３を有している。コア部１２１は、光導波路となるものであり、幅Ｗ、厚さＨ１となるように形成されている。また、第１のスラブ部２２２及び第２のスラブ部２２３においては、第１のスラブ部２２２及び第２のスラブ部２２３における厚さＨ２は、光が伝搬するコア部１２１の厚さＨ１よりも薄く形成されている。これにより、コア部１２１を伝搬する光が、第１のスラブ部２２２及び第２のスラブ部２２３に漏れにくい構造となっている。また、コア部１２１、第１のスラブ部２２２及び第２のスラブ部２２３の上には、酸化シリコン等により形成された保護膜１４０が形成されている。尚、本実施の形態における導波路型光デバイス２は、例えば、コア部１２１は、幅Ｗが約４８０ｎｍ、厚さＨ１が約２５０ｎｍとなるように形成されており、第１のスラブ部２２２及び第２のスラブ部２２３は、厚さＨ２が約５０ｎｍとなるように形成されている。
【００４３】
第１のスラブ部２２２においては、ｎ型となる不純物元素がドープされており、コア部１２１から離れるに従い、ドープされているｎ型となる不純物元素の濃度が高くなるように形成されている。具体的には、第１のスラブ部２２２は、コア部１２１に近い領域から順に、第１のｎ型領域２２２ａ、第２のｎ型領域２２２ｂ、第３のｎ型領域２２２ｃ、第４のｎ型領域２２２ｄ、第５のｎ型領域２２２ｅ、第６のｎ型領域２２２ｆとなるように形成されている。第１のｎ型領域２２２ａ、第２のｎ型領域２２２ｂ、第３のｎ型領域２２２ｃ、第４のｎ型領域２２２ｄ、第５のｎ型領域２２２ｅにおける各々の幅Ｐａは約５５ｎｍとなるように均等に形成されている。ドープされている不純物元素の濃度は、第１のｎ型領域２２２ａが８×１０１７ｃｍ−３、第２のｎ型領域２２２ｂが３×１０１８ｃｍ−３、第３のｎ型領域２２２ｃが７×１０１８ｃｍ−３、第４のｎ型領域２２２ｄが１．３×１０１９ｃｍ−３、第５のｎ型領域２２２ｅが２．４×１０１９ｃｍ−３、第６のｎ型領域２２２ｆが５×１０１９ｃｍ−３である。尚、ｎ型となる不純物元素としては、Ｐ（リン）が用いられており、第１のスラブ部２２２における第６のｎ型領域２２２ｆに接して、金属材料等により第１の電極１３１が形成されている。このように、第１のスラブ部２２２において、各々の領域における不純物濃度が異なるように方法としては、所望の開口を有するレジストパターンの形成の工程と、不純物元素のイオン注入とを交互に繰り返すことにより形成することができる。
【００４４】
第１のスラブ部２２２においては、不純物元素をドープすることによりバンドギャップナローイングが生じるが、このバンドギャップナローイングは、ドープされる不純物元素の濃度に応じて狭くなる。具体的には、不純物元素がドープされていないコア部１２１に対し、第１のｎ型領域２２２ａで２５ｍｅＶ、第２のｎ型領域２２２ｂで５０ｍｅＶ、第３のｎ型領域２２２ｃで７５ｍｅＶ、第４のｎ型領域２２２ｄで１００ｍｅＶ、第５のｎ型領域２２２ｅで１２５ｍｅＶ、第６のｎ型領域２２２ｆで１５０ｍｅＶバンドギャップが狭くなる。即ち、隣接する領域間におけるバンドギャップの差が、２５ｍｅＶで略一定となるように形成されている。よって、各々の領域の幅Ｐａは約５５ｎｍであり一定であるため、第１のｎ型領域２２２ａから第６のｎ型領域２２２ｆに向かって、バンドギャップが略線形で狭くなっている。
【００４５】
また、第２のスラブ部２２３においては、ｐ型となる不純物元素がドープされており、コア部１２１から離れるに従い、ドープされているｐ型となる不純物元素の濃度が高くなるように形成されている。具体的には、第２のスラブ部２２３は、コア部１２１に近い領域から順に、第１のｐ型領域２２３ａ、第２のｐ型領域２２３ｂ、第３のｐ型領域２２３ｃ、第４のｐ型領域２２３ｄ、第５のｐ型領域２２３ｅ、第６のｐ型領域２２３ｆとなるように形成されている。第１のｐ型領域２２３ａ、第２のｐ型領域２２３ｂ、第３のｐ型領域２２３ｃ、第４のｐ型領域２２３ｄ、第５のｐ型領域２２３ｅにおける各々の幅Ｐｂは約５５ｎｍとなるように均等に形成されている。ドープされている不純物元素の濃度は、第１のｐ型領域２２３ａが９×１０１７ｃｍ−３、第２のｐ型領域２２３ｂが３×１０１８ｃｍ−３、第３のｐ型領域２２３ｃが６×１０１８ｃｍ−３、第４のｐ型領域２２３ｄが１．３×１０１９ｃｍ−３、第５のｐ型領域２２３ｅが２．２×１０１９ｃｍ−３、第６のｐ型領域２２３ｆが５×１０１９ｃｍ−３である。尚、ｐ型となる不純物元素としては、Ｂ（ボロン）が用いられており、第２のスラブ部２２３における第６のｐ型領域２２３ｆに接して、金属材料等により第２の電極１３２が形成されている。このように、第２のスラブ部２２３において、各々の領域における不純物濃度が異なるように方法としては、所望の開口を有するレジストパターンの形成の工程と、不純物元素のイオン注入とを交互に繰り返すことにより形成することができる。
【００４６】
第２のスラブ部２２３において、不純物元素をドープすることによりバンドギャップナローイングが生じるが、このバンドギャップナローイングは、ドープされる不純物元素の濃度に応じて狭くなる。具体的には、不純物元素がドープされていないコア部１２１に対し、第１のｐ型領域２２３ａで２８ｍｅＶ、第２のｐ型領域２２３ｂで５６ｍｅＶ、第３のｐ型領域２２３ｃで８５ｍｅＶ、第４のｐ型領域２２３ｄで１１３ｍｅＶ、第５のｐ型領域２２３ｅで１４２ｍｅＶ、第６のｐ型領域２２３ｆで１７０ｍｅＶバンドギャップが狭くなる。即ち、隣接する領域間におけるバンドギャップが、２８〜２９ｍｅＶで略一定となるように形成されている。よって、各々の領域の幅Ｐｂは約５５ｎｍであり一定であるため、第１のｐ型領域２２３ａから第６のｐ型領域２２３ｆに向かって、バンドギャップが略線形で狭くなっている。
【００４７】
次に、本実施の形態における導波路型光デバイス２の消費電力等について説明する。図１１は、本実施の形態における導波路型光デバイス２及び図１に示される従来の構造の導波路型光デバイス９００において、消費電力密度とキャリア密度変化量との関係を示すものである。また、図１２は、本実施の形態における導波路型光デバイス２及び図１に示される従来の構造の導波路型光デバイス９００において、導波路型光デバイスの長さＬと位相差をπ生じさせるための消費電力との関係を示すものである。尚、図１１及び図１２に示されるものはシミュレーションにより得られた結果である。また、従来の構造の導波路型光デバイスにおけるコア部９２１の幅及び高さ、スラブ部９２２及び９２３における高さは、本実施の形態における導波路型光デバイス２と略同じとなるように形成されている。また、ｎ型領域９２２ａ及びｐ型領域９２３ａにドープされている不純物の濃度は、ともに５×１０１９ｃｍ−３である。
【００４８】
図１１に示されるように、本実施の形態における導波路型光デバイス２は、従来の構造の導波路型光デバイス９００に比べて、同じキャリア密度変化量を得るための消費電力密度が低い。また、同じ消費電力密度であれば、本実施の形態における導波路型光デバイス２は、従来の構造の導波路型光デバイス９００に比べて、キャリア密度変化量が大きい。従って、本実施の形態における導波路型光デバイス２は、従来の構造の導波路型光デバイス９００に比べて、駆動のための消費電力を低く抑えることができ、また、同じ消費電力であれば、位相差を大きくすることができる。
【００４９】
具体的には、図１２に示されるように、各々の導波路型光デバイスの長さＬが同じであれば、本実施の形態における導波路型光デバイス２は、従来の構造の導波路型光デバイス９００に比べて、πの位相差を生じさせる消費電力を低くすることができる。例えば、導波路型光デバイスの長さＬが０．１ｍｍの場合、従来の構造の導波路型光デバイス９００の消費電力は約２．９ｍＷであるのに対し、本実施の形態における導波路型光デバイス２の消費電力は約１．４ｍＷであり、消費電力を約７２％低減することができる。
【００５０】
また、従来の構造の導波路型光デバイス９００では、長さＬを０．０８ｍｍ以下にすると消費電力が急増してしまうが、本実施の形態における導波路型光デバイス１では、０．０５ｍｍ以上であれば、消費電力が顕著に増加することはない。従って、本実施の形態における導波路型光デバイス２は、従来の構造の導波路型光デバイス９００に比べて長さを３８％短くすることができるため、小型にすることができる。
【００５１】
更には、本実施の形態における導波路型光デバイス２では、０．０３ｍｍ以上であれば、消費電力が顕著に増加することはない。従って、本実施の形態における導波路型光デバイス２は、従来の構造の導波路型光デバイス９００に比べて長さを６２％短くすることができるため、小型にすることができる。よって、導波路型光デバイス２が用いられる光スイッチも小型にすることができる。
【００５２】
尚、本実施の形態における導波路型光デバイス２は、第１の実施の形態における導波路型光デバイス１よりも、消費電力を低くすることができる。これは、本実施の形態における導波路型光デバイス２の第１のスラブ部２２２及び第２のスラブ部２２３におけるバンドギャップナローイングが第１の実施の形態における導波路型光デバイス１のものよりも、線形に近くなるためと考えられる。
【００５３】
また、上記においては、便宜上、第１のスラブ部２２２及び第２のスラブ部２２３における不純物濃度が６段階であって、コア部１２１から離れるに従い順に増加する場合について説明した。しかしながら、第１のスラブ部２２２及び第２のスラブ部２２３における不純物濃度が３段階以上であれば、効果の程度に差はあるものの、本実施の形態における効果と同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態における導波路型光デバイスにおいては、図１３に示されるように、コア部１２１からの距離とバンドギャップの減少量とが略線形の関係となるように、不純物元素がドープされているものであることが、より好ましい。尚、ｎ型となる不純物元素がドープされている領域は、第１のスラブ部２２２の全部であってもよく、また、一部であってもよく、ｐ型となる不純物元素がドープされている領域は、第２のスラブ部２２３の全部であってもよく、また、一部であってもよい。
【００５４】
また、上記においては、不純物濃度が異なる領域の幅を等間隔で形成したが、等間隔でなくともよい。また、上記においては、第１のスラブ部２２２及び第２のスラブ部２２３において、最も不純物濃度が高くなる領域の不純物濃度が、５×１０１９ｃｍ−３以下である場合について説明した。しかしながら、最も不純物濃度が高くなる領域の不純物濃度が、１×１０１８ｃｍ−３以上、１×１０２２ｃｍ−３以下であれば、上記の場合と同様の効果を得ることができる。
【００５５】
また、本実施の形態においては、シリコンＳｉにより、コア部１２１、第１のスラブ部２２２及び第２のスラブ部２２３を形成した場合について説明した。しかしながら、これらを形成する材料は、ＳｉＧｅ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＡｓ等のIII−Ｖ族半導体により形成しても同様の効果が得られる。尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
【００５６】
〔第３の実施の形態〕
第３の実施の形態における半導体光素子について説明する。本実施の形態は、図３に示されるようなマッハツエンダー型光スイッチであって、第１及び第２の実施の形態とは異なる構造の導波路型光デバイスにより、第１の導波路型光デバイス１０、第２の導波路型光デバイス２０が形成されているものである。
【００５７】
図１４及び図１５に基づき、本実施の形態における導波路型光デバイスについて説明する。図１４は、図３における一点鎖線３Ａ−３Ｂに相当する部分で切断した本実施の形態における導波路型光デバイス３の断面図である。また、図１５は、図１４に示される本実施の形態における導波路型光デバイス３のバンド図を示す。尚、本実施の形態における半導体光素子は、図３に示されるマッハツエンダー型光スイッチにおける第１の導波路型光デバイス１０及び第２の導波路型光デバイス２０を図１４に示される本実施の形態における導波路型光デバイス３により形成した構造のものである。
【００５８】
図１４に示されるように、本実施の形態における導波路型光デバイス３は、シリコンにより形成された基板１１１の上に、酸化シリコン層１１２が形成されている。酸化シリコン層１１２の上には、シリコンにより形成された光が伝搬するコア部１２１とコア部の両側に形成された第１のスラブ部３２２及び第２のスラブ部３２３を有している。コア部１２１は、光導波路となるものであり、幅Ｗ、厚さＨ１となるように形成されている。また、第１のスラブ部３２２及び第２のスラブ部３２３においては、第１のスラブ部３２２及び第２のスラブ部３２３における厚さＨ２は、光が伝搬するコア部１２１の厚さＨ１よりも薄く形成されている。これにより、コア部１２１を伝搬する光が、第１のスラブ部３２２及び第２のスラブ部３２３に漏れにくい構造となっている。また、コア部１２１、第１のスラブ部３２２及び第２のスラブ部３２３の上には、酸化シリコン等により形成された保護膜１４０が形成されている。尚、本実施の形態における導波路型光デバイス３は、例えば、コア部１２１は、幅Ｗが約４８０ｎｍ、厚さＨ１が約２５０ｎｍとなるように形成されており、第１のスラブ部３２２及び第２のスラブ部３２３は、厚さＨ２が約５０ｎｍとなるように形成されている。
【００５９】
第１のスラブ部３２２においては、ｎ型となる不純物元素がドープされており、コア部１２１から離れるに従い、ドープされているｎ型となる不純物元素の濃度が高くなるように形成されている。具体的には、第１のスラブ部３２２は、コア部１２１に近い領域から順に、第１のｎ型領域３２２ａ、第２のｎ型領域３２２ｂ、第３のｎ型領域３２２ｃ、第４のｎ型領域３２２ｄ、第５のｎ型領域３２２ｅとなるように形成されている。尚、本実施の形態では、第１のｎ型領域３２２ａは幅Ｐｃ１が約５５ｎｍ、第２のｎ型領域３２２ｂは幅Ｐｃ２が約６５ｎｍ、第３のｎ型領域３２２ｃは幅Ｐｃ３が約７５ｎｍ、第４のｎ型領域３２２ｄは幅Ｐｃ４が約８５ｎｍとなるように形成されている。ドープされている不純物元素の濃度は、第１のｎ型領域３２２ａが８×１０１７ｃｍ−３、第２のｎ型領域３２２ｂが３×１０１８ｃｍ−３、第３のｎ型領域３２２ｃが７×１０１８ｃｍ−３、第４のｎ型領域３２２ｄが１．３×１０１９ｃｍ−３、第５のｎ型領域３２２ｅが５×１０１９ｃｍ−３である。尚、ｎ型となる不純物元素としては、Ｐ（リン）が用いられており、第１のスラブ部３２２における第５のｎ型領域３２２ｅに接して、金属材料等により第１の電極１３１が形成されている。このように、第１のスラブ部３２２において、各々の領域における不純物濃度が異なるように方法としては、所望の開口を有するレジストパターンの形成の工程と、不純物元素のイオン注入とを交互に繰り返すことにより形成することができる。
【００６０】
第１のスラブ部３２２においては、不純物元素をドープすることによりバンドギャップナローイングが生じるが、このバンドギャップナローイングは、ドープされる不純物元素の濃度に応じて狭くなる。具体的には、不純物元素がドープされていないコア部１２１に対し、第１のｎ型領域３２２ａで２５ｍｅＶ、第２のｎ型領域３２２ｂで５０ｍｅＶ、第３のｎ型領域３２２ｃで７５ｍｅＶ、第４のｎ型領域３２２ｄで１００ｍｅＶ、第５のｎ型領域３２２ｅで１５０ｍｅＶバンドギャップが狭くなっている。このように、各々の領域の幅と隣接する領域間におけるバンドギャップを調節することにより、第１のｎ型領域３２２ａから第５のｎ型領域３２２ｅに向かって、バンドギャップが略線形で狭くなるように形成されている。
【００６１】
また、第２のスラブ部３２３においては、ｐ型となる不純物元素がドープされており、コア部１２１から離れるに従い、ドープされているｐ型となる不純物元素の濃度が高くなるように形成されている。具体的には、第２のスラブ部３２３は、コア部１２１に近い領域から順に、第１のｐ型領域３２３ａ、第２のｐ型領域３２３ｂ、第３のｐ型領域３２３ｃ、第４のｐ型領域３２３ｄ、第５のｐ型領域３２３ｅとなるように形成されている。尚、本実施の形態では、第１のｐ型領域３２３ａは幅Ｐｄ１が約５５ｎｍ、第２のｐ型領域３２３ｂは幅Ｐｄ２が約６５ｎｍ、第３のｐ型領域３２３ｃは幅Ｐｄ３が約７５ｎｍ、第４のｐ型領域３２３ｄは幅Ｐｄ４が約８５ｎｍとなるように形成されている。ドープされている不純物元素の濃度は、第１のｐ型領域３２３ａが９×１０１７ｃｍ−３、第２のｐ型領域３２３ｂが３×１０１８ｃｍ−３、第３のｐ型領域３２３ｃが６×１０１８ｃｍ−３、第４のｐ型領域３２３ｄが１．３×１０１９ｃｍ−３、第５のｐ型領域３２３ｅが５×１０１９ｃｍ−３である。尚、ｐ型となる不純物元素としては、Ｂ（ボロン）が用いられており、第２のスラブ部３２３における第５のｐ型領域３２３ｅに接して、金属材料等により第２の電極１３２が形成されている。このように、第２のスラブ部３２３において、各々の領域における不純物濃度が異なるように方法としては、所望の開口を有するレジストパターンの形成の工程と、不純物元素のイオン注入とを交互に繰り返すことにより形成することができる。
【００６２】
第２のスラブ部３２３において、不純物元素をドープすることによりバンドギャップナローイングが生じるが、このバンドギャップナローイングは、ドープされる不純物元素の濃度に応じて狭くなる。具体的には、不純物元素がドープされていないコア部１２１に対し、第１のｐ型領域３２３ａで２８ｍｅＶ、第２のｐ型領域３２３ｂで５６ｍｅＶ、第３のｐ型領域３２３ｃで８５ｍｅＶ、第４のｐ型領域３２３ｄで１１３ｍｅＶ、第５のｐ型領域３２３ｅで１７０ｍｅＶバンドギャップが狭くなっている。このように、各々の領域の幅と隣接する領域間におけるバンドギャップを調節することにより、第１のｐ型領域３２３ａから第５のｐ型領域３２３ｅに向かって、バンドギャップが略線形で狭くなるように形成されている。
【００６３】
次に、本実施の形態における導波路型光デバイス３の消費電力等について説明する。図１６は、本実施の形態における導波路型光デバイス３及び図１に示される従来の構造の導波路型光デバイス９００において、消費電力密度とキャリア密度変化量との関係を示すものである。また、図１７は、本実施の形態における導波路型光デバイス３及び図１に示される従来の構造の導波路型光デバイス９００において、導波路型光デバイスの長さＬと位相差をπ生じさせるための消費電力との関係を示すものである。尚、図１６及び図１７に示されるものはシミュレーションにより得られた結果である。また、従来の構造の導波路型光デバイスにおけるコア部９２１の幅及び高さ、スラブ部９２２及び９２３における高さは、本実施の形態における導波路型光デバイス３と略同じとなるように形成されている。また、ｎ型領域９２２ａ及びｐ型領域９２３ａにドープされている不純物の濃度は、ともに５×１０１９ｃｍ−３である。
【００６４】
図１６に示されるように、本実施の形態における導波路型光デバイス３は、従来の構造の導波路型光デバイス９００に比べて、同じキャリア密度変化量を得るための消費電力密度が低い。また、同じ消費電力密度であれば、本実施の形態における導波路型光デバイス３は、従来の構造の導波路型光デバイス９００に比べて、キャリア密度変化量が大きい。従って、本実施の形態における導波路型光デバイス３は、従来の構造の導波路型光デバイス９００に比べて、駆動のための消費電力を低く抑えることができ、また、同じ消費電力であれば、位相差を大きくすることができる。
【００６５】
具体的には、図１７に示されるように、各々の導波路型光デバイスの長さＬが同じであれば、本実施の形態における導波路型光デバイス３は、従来の構造の導波路型光デバイス９００に比べて、πの位相差を生じさせる消費電力を低くすることができる。例えば、導波路型光デバイスの長さＬが０．１ｍｍの場合、従来の構造の導波路型光デバイス９００の消費電力は約２．９ｍＷであるのに対し、本実施の形態における導波路型光デバイス３の消費電力は約１．４ｍＷであり、消費電力を約７２％低減することができる。
【００６６】
また、従来の構造の導波路型光デバイス９００では、長さＬを０．０８ｍｍ以下にすると消費電力が急増してしまうが、本実施の形態における導波路型光デバイス1では、０．０５ｍｍ以上であれば、消費電力が顕著に増加することはない。従って、本実施の形態における導波路型光デバイス３は、従来の構造の導波路型光デバイス９００に比べて長さを３８％短くすることができるため、小型にすることができる。更には、本実施の形態における導波路型光デバイス３では、０．０３ｍｍ以上であれば、消費電力が顕著に増加することはない。従って、本実施の形態における導波路型光デバイス３は、従来の構造の導波路型光デバイス９００に比べて長さを６２％短くすることができるため、小型にすることができる。よって、導波路型光デバイス３が用いられる光スイッチも小型にすることができる。
【００６７】
尚、本実施の形態における導波路型光デバイス３は、第１の実施の形態における導波路型光デバイス１よりも、消費電力を低くすることができる。これは、本実施の形態における導波路型光デバイス３の第１のスラブ部３２２及び第２のスラブ部３２３におけるバンドギャップナローイングが第１の実施の形態における導波路型光デバイス１のものよりも、線形に近くなるためと考えられる。
【００６８】
また、上記においては、便宜上、第１のスラブ部３２２及び第２のスラブ部３２３における不純物濃度が５段階であって、コア部１２１から離れるに従い順に増加する場合について説明した。しかしながら第１のスラブ部３２２及び第２のスラブ部３２３における不純物濃度が３段階以上であれば、効果の程度に差はあるものの、本実施の形態における効果と同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態における導波路型光デバイスにおいては、図１３に示されるように、コア部１２１からの距離とバンドギャップの減少量とが略線形の関係となるように、不純物元素がドープされているものであることが、より好ましい。尚、ｎ型となる不純物元素がドープされている領域は、第１のスラブ部３２２の全部であってもよく、また、一部であってもよく、ｐ型となる不純物元素がドープされている領域は、第２のスラブ部３２３の全部であってもよく、また、一部であってもよい。
【００６９】
また、上記においては、第１のスラブ部３２２及び第２のスラブ部３２３において、最も不純物濃度が高くなる領域の不純物濃度が、５×１０１９ｃｍ−３以下である場合について説明した。しかしながら、最も不純物濃度が高くなる領域の不純物濃度が、１×１０１８ｃｍ−３以上、１×１０２２ｃｍ−３以下であれば、上記の場合と同様の効果を得ることができる。
【００７０】
また、本実施の形態においては、シリコンＳｉによりコア部１２１、第１のスラブ部３２２及び第２のスラブ部３２３を形成した場合について説明した。しかしながら、これらを形成する材料は、ＳｉＧｅ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＡｓ等のIII−Ｖ族半導体により形成しても同様の効果が得られる。尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
【００７１】
〔第４の実施の形態〕
次に、第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、ゲート型光スイッチであり、第１から第３の実施の形態における導波路型光デバイスを用いたものである。具体的には、図１８に示されるように、コア部１２１の両側に第１の電極１３１と第２の電極１３２とを有しており、第１の電極１３１と第２の電極１３２との間に電圧を印加することにより、光が伝搬するコア部１２１にキャリアを注入するものである。コア部１２１にキャリアを注入することにより、伝搬する光の損失が増加するため、これにより出射光の光強度が低下し、オン状態からオフ状態に制御することができるものである。
【００７２】
図１９は、ゲート型光スイッチにおける消費電力密度と損失係数との関係を示す。従来の構造の導波路型光デバイス９００を用いたものに比べて、第１の実施の形態における導波路型光デバイス１及び第２の実施の形態における導波路型光デバイス２を用いたものの方が、同じ損失係数の値を得るための消費電力密度は低くすることができる。また、第１の実施の形態における導波路型光デバイス１を用いたものよりも、第２の実施の形態における導波路型光デバイス２を用いたものの方が、同じ損失係数の値を得るためには、消費電力密度は低くすることができる。例えば、導波路型光デバイスの長さが１ｍｍであって損失係数αが１５ｃｍ−１である場合には、従来の構造の導波路型光デバイス９００を用いたものが約３５ｍＷであるのに対し、第１の実施の形態における導波路型光デバイス１を用いたものは約１５ｍＷである。よって、第１の実施の形態における導波路型光デバイス１を用いることにより、従来の構造の導波路型光デバイス９００を用いた場合と比べて、消費電力を約５７％低減することができる。また、導波路型光デバイスの長さが１ｍｍであって損失係数αが１５ｃｍ−１である場合には、第２の実施の形態における導波路型光デバイス２を用いたものは約８ｍＷである。よって、第２の実施の形態における導波路型光デバイス２を用いることにより、従来の構造の導波路型光デバイス９００を用いた場合と比べて、消費電力を約７７％低減することができる。また、第１の実施の形態における導波路型光デバイス１及び第２の実施の形態における導波路型光デバイス２は、従来の構造の導波路型光デバイス９００と比べて損失係数が大きいため、導波路型光デバイスの長さを短くすることができる。尚、上記以外の内容については、第１から第３の実施の形態と同様である。
【００７３】
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
【００７４】
上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
半導体材料により形成されたコア部と、
前記コア部の一方の側面に接しており、半導体材料により前記コア部よりも薄く形成された第１のスラブ部と、
前記コア部の他方の側面に接しており、半導体材料により前記コア部よりも薄く形成された第２のスラブ部と、
前記第１のスラブ部に接して形成されている第１の電極と、
前記第２のスラブ部に接して形成されている第２の電極と、
を有し、
前記第１のスラブ部には、第１の導電型の不純物元素が、前記コア部が設けられている側から前記第１の電極が設けられている側に向かって、不純物濃度が徐々に増加するように形成されており、
前記第２のスラブ部には、第２の導電型の不純物元素が、前記コア部が設けられている側から前記第２の電極が設けられている側に向かって、不純物濃度が徐々に増加するように形成されていることを特徴とする半導体光素子。
（付記２）
前記第１のスラブ部においては、前記コア部が設けられている側からの距離とバンドギャップの減少量とが略線形となるように第１の導電型の不純物元素がドープされており、
前記第２のスラブ部においては、前記コア部が設けられている側からの距離とバンドギャップの減少量とが略線形となるように第２の導電型の不純物元素がドープされていることを特徴とする付記１に記載の半導体光素子。
（付記３）
半導体材料により形成されたコア部と、
前記コア部の一方の側面に接しており、半導体材料により前記コア部よりも薄く形成された第１のスラブ部と、
前記コア部の他方の側面に接しており、半導体材料により前記コア部よりも薄く形成された第２のスラブ部と、
前記第１のスラブ部に接して形成されている第１の電極と、
前記第２のスラブ部に接して形成されている第２の電極と、
を有し、
前記第１のスラブ部は、前記コア部が設けられている側から前記第１の電極が設けられている側に向かって３以上の領域を有しており、前記コア部が設けられている側から前記第１の電極が設けられている側に向かって、第１の導電型の不純物元素の不純物濃度が、前記領域ごとに段階的に順に増加するように形成されており、
前記第２のスラブ部は、前記コア部が設けられている側から前記第２の電極が設けられている側に向かって３以上の領域を有しており、前記コア部が設けられている側から前記第２の電極に向かって、第２の導電型の不純物元素の不純物濃度が、前記領域ごとに段階的に順に増加するように形成されていることを特徴とする半導体光素子。
（付記４）
前記コア部が設けられている側から前記第１の電極が設けられている側に向かう方向において、前記第１のスラブ部における３以上の領域の幅は略均一であり、
前記コア部が設けられている側から前記第２の電極が設けられている側に向かう方向において、前記第２のスラブ部における３以上の領域の幅は略均一であることを特徴とする付記３に記載の半導体光素子。
（付記５）
前記コア部が設けられている側から前記第１の電極が設けられている側に向かう方向において、前記第１のスラブ部における３以上の領域の幅は相互に異なっており、
前記コア部が設けられている側から前記第２の電極が設けられている側に向かう方向において、前記第２のスラブ部における３以上の領域の幅は相互に異なっていることを特徴とする付記３に記載の半導体光素子。
（付記６）
前記コア部は、第１の導電型の不純物元素または第２の導電型の不純物元素がドープされていないものであることを特徴とする付記１から５のいずれかに記載の半導体光素子。
（付記７）
第１の導電型の不純物元素は、前記第１のスラブ部の全部または一部にドープされており、
第２の導電型の不純物元素は、前記第２のスラブ部の全部または一部にドープされているものであることを特徴とする付記１から６のいずれかに記載の半導体光素子。
（付記８）
前記半導体材料は、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、III−Ｖ族半導体のいずれかであることを特徴とする付記１から７のいずれかに記載の半導体光素子。
（付記９）
前記第１の導電型はｎ型であり、
前記第２の導電型はｐ型であることを特徴とする付記１から８のいずれかに記載の半導体光素子。
（付記１０）
前記半導体材料は、Ｓｉであって、
前記第１の導電型の不純物元素はリンであり、
前記第２の導電型の不純物元素はボロンであることを特徴とする付記１から７のいずれかに記載の半導体光素子。
（付記１１）
前記コア部、前記第１のスラブ部及び前記第２のスラブ部は、酸化シリコン層の上に形成されていることを特徴とする付記１０に記載の半導体光素子。
（付記１２）
前記コア部、前記第１のスラブ部及び前記第２のスラブ部の上には、酸化シリコンを含む材料により形成された保護膜が形成されていることを特徴とする付記１０または１１に記載の半導体光素子。
（付記１３）
前記第１のスラブ部においてドープされている第１の導電型の不純物元素の不純物濃度は１×１０２２ｃｍ−３以下であり、
前記第２のスラブ部においてドープされている第２の導電型の不純物元素の不純物濃度は１×１０２２ｃｍ−３以下であることを特徴とする付記１から１２のいずれかに記載の半導体光素子。
（付記１４）
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加することにより、コア部における屈折率を変化させるものであることを特徴とする付記１から１３のいずれかに記載の半導体光素子。
（付記１５）
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加することにより、コア部を伝搬する光の損失係数を変化させるものであることを特徴とする付記１から１３のいずれかに記載の半導体光素子。
【符号の説明】
【００７５】
１０        第１の導波路型光デバイス
２０        第２の導波路型光デバイス
３０        光分岐器
３１        入力側の第１のポート
３２        入力側の第２のポート
３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ        光導波路
４０        光結合器
４１        出力側の第１のポート
４２        出力側の第２のポート
４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ        光導波路
１１１      基板
１１２      酸化シリコン層
１２１      コア部
１２２      第１のスラブ部
１２２ａ    第１のｎ型領域
１２２ｂ    第２のｎ型領域
１２２ｃ    第３のｎ型領域
１２２ｄ    第４のｎ型領域
１２２ｅ    第５のｎ型領域
１２２ｆ    第６のｎ型領域
１２３      第２のスラブ部
１２３ａ    第１のｐ型領域
１２３ｂ    第２のｐ型領域
１２３ｃ    第３のｐ型領域
１２３ｄ    第４のｐ型領域
１２３ｅ    第５のｐ型領域
１２３ｆ    第６のｐ型領域
１３１      第１の電極
１３２      第２の電極
１４０      保護膜
【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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【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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