(57)【要約】  金属酸化物半導体（ＭＯＳ）光変調器は、導波路構造体を有するドープされた半導体層と、ドープされた半導体層の導波路構造体の上に配置された誘電体層と、誘電体層の上に配置されたゲート領域であって、ゲート領域は屈折率がシリコンより低い透明な導電性材料を有する、ゲート領域と、ゲート領域の上に配置された金属コンタクトとを含む。金属コンタクト、ゲート領域、及びドープされた半導体層の導波路構造体は、互いに鉛直方向に整列してよい。
2017518538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属酸化物半導体（ＭＯＳ）キャパシタ型光変調器であって、
導波路構造体を有するドープされた半導体層と、
前記ドープされた半導体層の前記導波路構造体の上に配置された誘電体層と、
前記誘電体層の上に配置されたゲート領域であって、前記ゲート領域は屈折率がシリコンより低い透明な導電性材料を有する、ゲート領域と、
前記ゲート領域の上に配置された金属コンタクトと、
を含む、
ＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項２】
前記金属コンタクト、前記ゲート領域、及び前記ドープされた半導体層の前記導波路構造体は、互いに鉛直方向に整列している、
請求項１に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項３】
前記透明な導電性材料は、ｎ型にドープされた酸化亜鉛（ＺｎＯ）である、
請求項１に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項４】
前記ドープされた半導体層はｐ型にドープされたシリコンであり、前記透明な導電性材料は、ｎ型にドープされた酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ｎ型にドープされた炭化シリコン（ＳｉＣ）、及びｎ型にドープされたインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）のうち１つである、
請求項１に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項５】
前記透明な導電性材料は、１．３マイクロメートル（μｍ）と１．５５μｍとの間の光遠隔通信波長帯域において透明である、
請求項１に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項６】
前記透明な導電性材料の複数の側壁は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）のクラッド材料で覆われており、前記透明な導電性材料の前記屈折率は、前記ＳｉＯ２のクラッド材料の屈折率より高い、
請求項１に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項７】
前記誘電体層は、シリカ及び窒化シリコンのうち１つを含むゲート酸化物である、
請求項１に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項８】
前記金属コンタクトは前記ゲート領域の直上に配置され、前記ゲート領域は前記ドープされた半導体層の前記導波路構造体の直上に配置される、
請求項１に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項９】
前記ドープされた半導体層は、セミコンダクタ・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハの上部層である、
請求項１に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項１０】
金属酸化物半導体（ＭＯＳ）キャパシタ型光変調器であって、
半導体基板に形成された埋め込み酸化物の上に配置された上部半導体層を有するセミコンダクタ・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハ部分であって、前記上部半導体層は導波路構造体を含む、ＳＯＩウェーハ部分と、
前記上部半導体層の前記導波路構造体の上に配置された誘電体層と、
前記誘電体層の上に配置されたゲート領域であって、前記ゲート領域は屈折率がシリコンより低い透明な導電性材料を有する、ゲート領域と、
前記ゲート領域の上に配置された金属コンタクトであって、前記金属コンタクトは、前記ゲート領域及び前記上部半導体層の前記導波路構造体の上に直接配置される、
ＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項１１】
前記上部半導体層はｐ型にドープされたシリコン含有材料であり、前記透明な導電性材料はｎ型にドープされた酸化亜鉛（ＺｎＯ）である、
請求項１０に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項１２】
前記透明な導電性材料は、１．３マイクロメートル（μｍ）と１．５５μｍとの間の光遠隔通信波長帯域において透明である、
請求項１０に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項１３】
前記透明な導電性材料の複数の側壁は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）のクラッド材料で覆われており、前記透明な導電性材料の前記屈折率は、前記ＳｉＯ２のクラッド材料の屈折率より高い、
請求項１０に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項１４】
前記ＭＯＳキャパシタ型光変調器のソースに近接した前記上部半導体層のドーピング濃度は、前記ＭＯＳキャパシタ型光変調器のドレインに近接した前記上部半導体層のドーピング濃度より低い、
請求項１０に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項１５】
第２金属コンタクトが、クラッド材料によって前記ゲート領域から横方向に離間され、前記上部半導体層の上に配置される、
請求項１０に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項１６】
前記ゲート領域及び前記埋め込み酸化物は、前記ゲート領域の全底面に沿った前記上部半導体層によって物理的に分離される、
請求項１０に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項１７】
金属酸化物半導体（ＭＯＳ）キャパシタ型光変調器を形成する方法であって、
半導体層に導波路構造体を形成する段階と、
前記半導体層の前記導波路構造体の上に誘電体層を形成する段階と、
前記誘電体層の上にゲート領域材料を堆積させる段階であって、前記ゲート領域材料は屈折率がシリコンより低い透明な導電性材料を有する、堆積させる段階と、
前記ゲート領域材料の上に金属コンタクトを形成する段階と、
を備える、
方法。
【請求項１８】
前記金属コンタクト、前記ゲート領域材料、及び前記半導体層の前記導波路構造体を鉛直方向に整列させる段階を更に備える、
請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、無線周波数（ＲＦ）スパッタリング、及びプラズマエンハンスド原子層堆積のうち１つによって、前記ゲート領域材料を堆積させる段階を更に備える、
請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記半導体層をエッチングして前記導波路構造体を形成する段階と、
前記ゲート領域材料に第１ドーパントを注入し、前記半導体層に前記第１ドーパントと異なる第２ドーパントを注入する段階と、
を更に備える、
請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］  本特許出願は、Ｈｏｎｇｍｉｎ  Ｃｈｅｎ他により２０１４年４月１８日に出願され、「透明導電・低屈折率ゲートを有するＭＯＳキャパシタ型光変調器（ＭＯＳ  Ｃａｐａｃｉｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ  ｗｉｔｈ  Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ａｎｄ  Ｌｏｗ−Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ−Ｉｎｄｅｘ  Ｇａｔｅ）」と題する米国仮特許出願第６１／９８１，５１７号の優先権を主張し、その全体が再現されたかのように、参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
シリコン（Ｓｉ）フォトニックデバイスは、光媒体としてシリコンをチップ内に用いるフォトニックデバイスを指し得る。シリコンフォトニックデバイスは、一般に光ファイバ遠隔通信システムにより用いられる赤外線波長領域で動作し得る。シリコンは、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、つまりシリカの層の上に位置し、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）として機能し得る。シリコンフォトニックデバイスは、既存の半導体製造技術を用いて製造され得る。
【０００３】
シリコンは、集積回路用の基板として一般に用いられるので、ハイブリッドデバイスは、単一のチップ上に統合された光と電子の両方の構成要素を備え得る。そのようなハイブリッドデバイスは、電気的なデータ操作を提供し得るが、チップ間及びチップ内でより速いデータ転送を可能とし得る光相互接続も提供し得る。その結果、シリコンフォトニクスへの関心が増している。
【発明の概要】
【０００４】
１つの実施形態において、本開示は、導波路構造体を有するドープされた半導体層と、ドープされた半導体層の導波路構造体の上に配置された誘電体層と、誘電体層の上に配置されたゲート領域であって、ゲート領域は屈折率がシリコンより低い透明な導電性材料を有する、ゲート領域と、ゲート領域の上に配置された金属コンタクトとを含む、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）光変調器を含む。
【０００５】
１つの実施形態において、本開示は、半導体基板に形成された埋め込み酸化物の上に配置された上部半導体層を有するセミコンダクタ・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハ部分であって、上部半導体層は導波路構造体を含む、ＳＯＩウェーハ部分と、上部半導体層の導波路構造体の上に配置された誘電体層と、誘電体層の上に配置されたゲート領域であって、ゲート領域は屈折率がシリコンより低い透明な導電性材料を有する、ゲート領域と、ゲート領域の上に配置された金属コンタクトであって、金属コンタクトの複数の側壁はゲート領域の複数の側壁及び上部半導体層の導波路構造体の複数の側壁と同一面上にある、金属コンタクトとを含む、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）光変調器を含む。
【０００６】
１つの実施形態において、本開示は、半導体層に導波路構造体を形成する段階と、半導体層の導波路構造体の上に誘電体層を形成する段階と、誘電体層の上にゲート領域材料を堆積させる段階であって、ゲート領域材料は屈折率がシリコンより低い透明な導電性材料を有する、堆積させる段階と、ゲート領域材料の上に金属コンタクトを形成する段階とを含む、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）光変調器を形成する方法を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本開示の一実施形態によるＭＯＳキャパシタ型光変調器の概略図である。
【０００８】
【図２】シリコン及び酸化亜鉛についての屈折率対キャリア密度のグラフである。
【０００９】
【図３】シリコン及び酸化亜鉛についての損失対キャリア密度のグラフである。
【００１０】
【図４】図１の変調器の光モードのグラフである。
【００１１】
【図５】図１の変調器の鉛直方向に沿った導波路の中心におけるキャリア密度分布のグラフである。
【００１２】
【図６】図１の変調器の鉛直方向に沿った導波路の中心におけるキャリア密度分布の別のグラフである。
【００１３】
【図７】図１の変調器の変調器効率対印加電圧を図示するグラフである。
【００１４】
【図８】図１の変調器の挿入損失対印加電圧を図示するグラフである。
【００１５】
【図９】本開示の一実施形態による図１のＭＯＳキャパシタ型光変調器を形成する方法を図示するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
１又は複数の実施形態の説明的な実装が以下に提供されるが、開示されたシステム及び／又は方法は、現在知られている又は存在している任意の数の技術を用いて実装されてよいことが、最初に理解されるべきである。本開示は、本明細書で例示され説明される代表的な設計及び実装を含んだ、以下に例示される説明的な実装、図面、及び技術に限定されるものでは全くなく、添付の特許請求の範囲内で、その全範囲の等価物と共に変更されてよい。
【００１７】
光変調器は、ＳＯＩ基盤上のシリコンフォトニックデバイスの重要な構成要素である。光変調器は、マッハ・ツェンダー干渉計などの干渉計及びリングオシレータを用いて形成されてよい。変調器効率、光挿入損失、及び変調帯域幅は、干渉計内の位相セクションによって規定されてよい。位相セクションの屈折率は、電圧を印加することで変化し得て、これにより、電子密度及び正孔密度が変化し得る。屈折率の変化は、干渉計出力の強度及び位相を変化させ得る。
【００１８】
現在、ＰＮ接合型光変調器及びＭＯＳキャパシタ型光変調器という、主に２つの光変調器が用いられている。ＰＮ接合型光変調器は、キャリア空乏効果によって高速変調を獲得し得て、ＭＯＳキャパシタ型光変調器は、キャリア蓄積効果によって高速変調を獲得し得る。しかしながら、概してＭＯＳキャパシタ型光変調器は、ＰＮ接合型光変調器より高い変調効率を有する。より高い変調効率は、より小さいサイズ及びより低い駆動電圧を可能とし得るので、ＭＯＳキャパシタ型光変調器をより魅力的にさせている。
【００１９】
ＭＯＳキャパシタ型光変調器は、キャパシタ電極にかかる電圧の変化で誘導されるキャリア密度の変化に基づいている。一般に、既存のＭＯＳキャパシタ型光変調器は、金属電極をゲートに接続すべく、注入されたポリシリコンをゲート酸化物の上に有している。ゲート領域の金属コンタクトは、光挿入損失を避けるべく、導波路領域から横方向に比較的遠く離れて配置されるが、これは直列抵抗を犠牲にして行われる。そのため、光損失と抵抗の適切なバランスをとることが必要とされる。更に、金属コンタクトの配置が著しい寄生容量の原因となり得て、これにより、変調帯域幅が制限され得る。
【００２０】
図１は、本開示の一実施形態によるＭＯＳキャパシタ型光変調器１００の概略図である。変調器１００は、既存のＭＯＳキャパシタ型光変調器を上回る複数の改善点を提供する。変調器１００は、例えば、既存のＭＯＳキャパシタ型光変調器に対して、より高い変調効率（例えばＶπＬ、ここでＶπは、所与の長さの変調器位相セクションＬについてπ位相シフトを実現するための印加電圧である）、より低い光挿入損失（例えばＶπＬｏｓｓ、Ｖπは所与の長さの変調器位相セクションＬについてπ位相シフトを実現するための印加電圧であり、Ｌｏｓｓは位相セクションの伝搬損失である）、及びより高い変調帯域幅（例えば１／（２πＲＣ）、Ｒは抵抗であり、Ｃは静電容量である）を含む様々な利点及びメリットを提供する。
【００２１】
図１に示されるように、変調器１００は、半導体基板１０４、絶縁体１０６、及び上部半導体層１０８を有するＳＯＩウェーハ１０２の部分に形成される。一実施形態において、半導体基板１０４は、シリコン、シリコン含有材料、又は別の適切な基板材料から形成される。絶縁体１０６は、半導体基板１０４の上に配置される。一実施形態において、絶縁体１０６は、例えば、二酸化シリコン又は別の適切な絶縁体などの埋め込み酸化物（ＢＯＸ）である。上部半導体層１０８は、絶縁体１０６の上に配置される。一実施形態において、上部半導体層１０８は、シリコン又は別の適切な半導体材料から形成される。
【００２２】
上部半導体層１０８は導波路構造体１１０を含む。導波路構造体１１０は、例えば、上部半導体層１０８の部分をエッチング除去することで形成されてよい。一実施形態において、導波路構造体１１０は側壁１１２を画定する。上部半導体層１０８の側壁１１２は、図１に鉛直に図示されるが、側壁１１２は、半導体製造プロセスに起因して、僅かに弧を描いてもよく、又は傾斜してもよいことが認識されるべきである。
【００２３】
一実施形態において、上部半導体層１０８は、そこに注入されたｐ型不純物（例えば、ホウ素、インジウム、ガリウムなど）を有するシリコンを含む。一実施形態において、ドーピング濃度は上部半導体層１０８内で変化する。例えば、変調器１００のソース（Ｓ）に近接した上部半導体層１０８のドーピング濃度は、上部半導体層１０８のドレイン（Ｄ）に近接した上部半導体層１０８のドーピング濃度より低くてよい。ドレインに近接した上部半導体層１０８に、より高いドーピング濃度を与えることで、変調器１００内の直列の金属コンタクト抵抗が減少し得る。
【００２４】
一実施形態において、導波路構造体１１０に近接したソースのドーピング濃度は、約５×１０１７原子／立方センチメートル（ｃｍ３）である。一実施形態において、導波路構造体１１０は、約１００ナノメートル（ｎｍ）から約２２０ｎｍの間の厚さ１１４を有する。一実施形態において、導波路構造体１１０は、約３００ｎｍから約１０００ｎｍの間の幅１１６を有する。
【００２５】
誘電体層１１８（例えば、ゲート酸化物）が、上部半導体層１０８の導波路構造体１１０の上に配置される。一実施形態において、誘電体層１１８は、導波路構造体１１０のシリコンを酸化して、二酸化シリコンの比較的薄い層を形成することで形成される。他の実施形態において、誘電体層１１４は、シリカ、窒化シリコン、又は別の適切な材料も含んでよい。一実施形態において、誘電体層１１８は、約５ｎｍから約１０ｎｍの間の厚さ１２０を有する。一実施形態において、誘電体層１１８は、導波路構造体１１０の幅１１６と等しい幅１２２を有する。
【００２６】
ゲート領域１２４は、誘電体層１１８の上に配置される。ゲート領域１２４、誘電体層１１８、及び上部半導体層１０８の導波路構造体１１０は、変調器１００の導波路１２６の全て又は一部分を集合的に形成する。導波路１２６は、所望の方法で、変調器１００を通じて光信号を伝搬すべく利用される。ゲート領域１２２をエッチングし、上部半導体層１０８を部分的にエッチングすることで形成され得る光導波路１２６により、変調器１００の光モードは横方向に制限され得る。更に、高屈折率を有し得る導波路構造体１１０により、変調器１００の光モードは鉛直方向に制限され得る。
【００２７】
一実施形態において、ゲート領域１２２は導電性材料から形成される。一実施形態において、ゲート領域１２４は、１．３マイクロメートル（μｍ）と１．５５μｍとの間の光遠隔通信波長帯域で透明である材料から形成される。一実施形態において、ゲート領域１２４は、シリコンの屈折率（例えば、約３．５）より低い屈折率（例えば、約１．９）を有する。これらのパラメータがゲート領域１２４により満たされる場合、変調器１００は、低挿入損失及び高変調速度を有する。
【００２８】
一実施形態において、ゲート領域１２４は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、又は上述の複数のパラメータを満たす別の適切な材料から形成される。例えば、ゲート領域１２４は酸化亜鉛から形成され、そこに注入されたｎ型不純物（例えば、リン、ヒ素、アンチモン、アルミニウム、モリブデンなど）を有してよい。一実施形態において、ゲート領域１２４のドーピング濃度は、約５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。
【００２９】
一実施形態において、ゲート領域１２４は誘電体層１１８の直上に配置され、これにより、ゲート領域１２４の底面は、誘電体層１１８の上面に接する。一実施形態において、ゲート領域１２４は、誘電体層１１８及び導波路構造体１１０の上に直接鉛直方向に配置される。言い換えれば、ゲート領域１２４、誘電体層１１８、及び導波路構造体１１０は、互いに鉛直方向に整列している。一実施形態において、ゲート領域１２４の側壁１２８は、下にある導波路構造体１１０の側壁１１２と、概して又は実質的に同一面上にある。ゲート領域１２４の側壁１２８は図１に鉛直に図示されているが、側壁１２８は、半導体製造プロセスに起因して、僅かに弧を描いてもよく、又は傾斜してもよいことが認識されるべきである。一実施形態において、ゲート領域１２４は、約２００ｎｍから約１０００ｎｍの間の厚さ１３０を有する。一実施形態において、ゲート領域１２４は、誘電体層１１８の幅１２２及び導波路構造体１１０の幅１１６と等しい幅１３２を有する。
【００３０】
金属コンタクト１３４が、ゲート領域１２４の上に配置される。金属コンタクト１３４は、例えば、アルミニウム、タングステン、銅、又は別の適切な導電性材料から形成されてよい。一実施形態において、金属コンタクト１３４はゲート領域１２４の直上に配置され、これにより、金属コンタクト１３４の底面がゲート領域１２４の上面と接する。一実施形態において、金属コンタクト１３４は、ゲート領域１２４、誘電体層１１８、及び導波路構造体１１０の上に直接鉛直方向に配置される。言い換えれば、金属コンタクト１３４、ゲート領域１２４、誘電体層１１８、及び導波路構造体１１０は、互いに鉛直方向に整列している。そのような構成が、より高い変調効率（ＶπＬ）、より低い光挿入損失（ＶπＬｏｓｓ）、及びより高い変調帯域幅（１／（２πＲＣ））を提供し得る。また、光は、上部シリコン層１０８の導波路構造体１１０において鉛直方向に制限され、ゲート領域１２４のおかげで金属コンタクト１３４により吸収されることはない。
【００３１】
一実施形態において、金属コンタクト１３４の側壁１３６は、下にあるゲート領域１２４の側壁１２８と、概して又は実質的に同一面上にある。金属コンタクト１３４の側壁１３６は図１に鉛直に図示されているが、側壁１３６は、半導体製造プロセスに起因して、僅かに弧を描いてもよく、又は傾斜してもよいことが認識されるべきである。金属コンタクト１３４は、図１に示されるように、電源１３８に電気的に結合されてよい。
【００３２】
金属コンタクト１３８が、変調器１００のドレインに近接する上部シリコン層１０８の上に配置される。金属コンタクト１３８は、例えば、アルミニウム、タングステン、銅、又は別の適切な導電性材料から形成されてよい。金属コンタクト１３８は、図１に示されるように、アース１４２に電気的に結合されてよい。クラッド材料１４４が、導波路１２６、金属コンタクト１３４、及び金属コンタクト１４０の周囲に形成されてよい。したがって、上部半導体層１０４の導波路構造体１１０の側壁１１２、ゲート領域１２４の側壁１２８、及び金属コンタクト１３４の側壁１３６は、クラッド材料１４４で覆われる。一実施形態において、クラッド材料１４４は、ゲート領域１２４の屈折率（例えば、約１．９）より低い屈折率（例えば、約１．４５）を有する。一実施形態において、クラッド材料１４４は、二酸化シリコン又は別の適切なクラッド材料である。
【００３３】
上部半導体層１０８より低い屈折率を有することで、ゲート領域１２４は、過度の光損失を生じさせることなく、その上に配置された金属コンタクト１３４を有し得る。金属コンタクト１３４を鉛直方向に配置することで、直列抵抗及び寄生容量を減少させ、これにより、変調器１００のより高い変調帯域幅を可能にし得る。シリコンと比較した場合、酸化亜鉛は、類似した有効質量を有するが、より低い屈折率を有し得て、このことが、ｎ型にドープされたシリコンと比較して、高い電気光学効率及びより低い挿入損失をもたらし得る。
【００３４】
図１に示されるように、導波路１２６の上の金属コンタクト１３４により、ゲート領域１２４の直列抵抗経路の面積が増加し得て、これがゲート領域１２４の直列抵抗の減少をもたらし得る。更に、既存の手法は、導波路の片側だけに金属コンタクトを有し得る。これに対して、導波路１２６と並列に２つの金属コンタクト１３８を有することで、変調器１００は、導波路１２６の直列抵抗を約半分に減少させ得る。
【００３５】
図２は、シリコン及び酸化亜鉛についての屈折率対キャリア密度のグラフ２００である。例えば、図１の酸化亜鉛ゲート領域１２４の屈折率は、キャリア密度が増加するにつれて、ソース及びドレインにおける上部半導体層１０８のシリコンの屈折率、並びに半導体基板１０４のシリコンの屈折率より大きく変化する。酸化亜鉛の場合、屈折率対キャリア密度は、Ｅｙａｌ  Ｆｅｉｇｅｎｂａｕｍ他による、２０１０年アメリカ化学会の「Ｕｎｉｔｙ−Ｏｒｄｅｒ  Ｉｎｄｅｘ  Ｃｈａｎｇｅ  ｉｎ  Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｏｘｉｄｅｓ  ａｔ  Ｖｉｓｉｂｌｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ」（その全体が本明細書に組み込まれる）で説明されたものと類似のドルーデモデルに基づいていた。シリコンの場合、屈折率対キャリア密度は、Ｒｉｃｈａｒｄ  Ａ．  Ｓｏｒｅｆ他による、米国電気電子技術者協会（ＩＥＥＥ）のＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｍｅｃｈａｎｉｃｓの第ＱＥ−２３巻（１９８７年１月）、「Ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｉｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ」（その全体が本明細書に組み込まれる）で説明されたものと類似のソレフモデルに基づいていた。
【００３６】
図３は、シリコン及び酸化亜鉛についての損失対キャリア密度のグラフ３００である。酸化亜鉛の場合、損失対キャリア密度は、Ｇｕｏｙａｎｇ  Ｘｕ他による、２００５年米国光学会の「Ｏｒｇａｎｉｃ  ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ  ｕｓｉｎｇ  ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｏｘｉｄｅｓ  ａｓ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ」に基づいていた。Ｘｕは、１５５０ｎｍの波長において、３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のｎ型ドーピング濃度で２０／センチメートル（ｃｍ−１）という損失対キャリア密度を提供する。Ｓ．Ｍ．  Ｓｚｅ他による、「Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅｓ」第３版（Ｗｉｌｅｙ、２００７年）に提供されたように、酸化亜鉛の有効質量は０．２７である。シリコンの場合、損失対キャリア密度は、ここでもソレフモデルに基づいていた。
【００３７】
図４は、図１の変調器１００の光モードのグラフ４００である。示されるように、エッチングされた導波路４２６（例えば、図１の導波路１２６と類似）は、光場を横方向に制限し得て、シリコン４１０（例えば、図１の上部半導体層１０８の導波路構造体１１０と類似）は、光場を鉛直方向に制限し得る。導波路の上における光は著しく減少し得て、これにより、光はゲートの金属コンタクト４３４（例えば、図１の金属コンタクト１３４）によって吸収されることはないであろう。
【００３８】
図５は、図１の変調器１００の鉛直方向に沿った導波路（例えば、図１の導波路１２６）の中心におけるキャリア密度分布のグラフ５００である。グラフ５００は、印加電圧０ボルト（Ｖ）の場合であり得る。図６は、図１の変調器１００の鉛直方向に沿った導波路の中心におけるキャリア密度分布の別のグラフ６００である。グラフ６００は、印加電圧−２Ｖの場合であり得る。グラフ５００、６００で集合的に示されるように、キャリア密度は、電圧が印加されると著しく増加し得る。印加電圧は導波路の実効屈折率を変化させ得て、これが導波路の位相を変化させ得る。
【００３９】
図７は、図１の変調器１００の変調器効率対印加電圧を示すグラフ７００である。変調効率は、Ｖπ・Ｌで規定され、ボルト・ミリメートル（ｍｍ）単位で測定され得る。図８は、図１の変調器１００の挿入損失対印加電圧のグラフ８００である。挿入損失は、Ｖπ・Ｌｏｓｓで規定され、ボルト・デシベル（ｄＢ）の単位で測定され得る。算出された３ｄＢの変調帯域幅は、−１．５Ｖで約１８ギガヘルツ（ＧＨｚ）である。したがって、図１の変調器１００は、高効率且つ低損失を示し得る。寸法とドーピングを更に最適化することで、変調器１００は、より改善された変調効率及び帯域幅を提供し得ることが理解されるべきである。ドーピングを最適化することで、より高い速度が提供されてよく、光モードのゲート酸化物領域との重なりを最適化することで、より高い効率が提供されてよい。表１は、様々な周波数における変調器１００の変調速度値を示す。
【表１】
2017518538.tif 000003
ここで、ｐＦはピコファラッドを表す。
【００４０】
図９は、一実施形態による図１の変調器１００を形成する方法を図示するフローチャートである。ブロック９０２において、導波路構造体（例えば、導波路構造体１１０）が、半導体層（例えば、上部半導体層１０８）に形成される。ブロック９０４において、誘電体層（例えば、誘電体層１１８）が、半導体層の導波路構造体の上に形成される。ブロック９０６において、ゲート領域材料（例えば、酸化亜鉛）が、誘電体層の上に堆積される。ゲート領域材料は、屈折率がシリコンより低い透明な導電性材料を含む。一実施形態において、ゲート領域材料は、以下のプロセス、つまり、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、無線周波数（ＲＦ）スパッタリング、又はプラズマエンハンスド原子層堆積のうち１つにより堆積する。ブロック９０８において、金属コンタクト（例えば、金属コンタクト１３４）が、ゲート領域材料の上に形成される。
【００４１】
複数の実施形態が本開示において提供されてきたが、開示されたシステム及び方法は、本開示の趣旨又は範囲から逸脱することなく、多数の他の特定の形態で具現化されてよいことが理解されるべきである。本実施例は、説明的なものであって限定的なものではないとみなされるべきであり、その意図は、本明細書に与えられた詳細に限定されるものではない。例えば、様々な素子又は構成要素は、別のシステムに組み合わされても統合されてもよく、又は特定の特徴が省略されても実装されなくてもよい。
【００４２】
更に、様々な実施形態に個別又は別個に説明され例示された技術、システム、サブシステム、及び方法が、本開示の範囲から逸脱することなく、他のシステム、モジュール、技術、又は方法と組み合わされても統合されてもよい。結合される若しくは直接的に結合される、又は互いに通信すると示され論じられる他の複数の要素は、何かのインタフェース、デバイス、又は中間構成要素を介して、電気的にでも、機械的にでも、又は別の方法でも、間接的に結合される又は通信し得る。本明細書で開示された趣旨及び範囲から逸脱することなく、他の変更形態、置換形態、及び代替形態の実施例が、当業者によって確かめられ、作られ得る。
【図１】
2017518538.tif 000004
【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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【手続補正書】
【提出日】平成28年11月25日(2016.11.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属酸化物半導体（ＭＯＳ）キャパシタ型光変調器であって、
導波路構造体を有するドープされた半導体層と、
前記ドープされた半導体層の前記導波路構造体の上に配置された誘電体層と、
前記誘電体層の上に配置されたゲート領域であって、前記ゲート領域は屈折率がシリコンより低い透明な導電性材料を有する、ゲート領域と、
前記ゲート領域の上に配置された金属コンタクトと、
を含む、
ＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項２】
前記金属コンタクト、前記ゲート領域、及び前記ドープされた半導体層の前記導波路構造体は、互いに鉛直方向に整列している、
請求項１に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項３】
前記透明な導電性材料は、ｎ型にドープされた酸化亜鉛（ＺｎＯ）である、
請求項１又は２に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項４】
前記ドープされた半導体層はｐ型にドープされたシリコンであり、前記透明な導電性材料は、ｎ型にドープされた酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ｎ型にドープされた炭化シリコン（ＳｉＣ）、及びｎ型にドープされたインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）のうち１つである、
請求項１から３の何れか一項に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項５】
前記透明な導電性材料は、１．３マイクロメートル（μｍ）と１．５５μｍとの間の光遠隔通信波長帯域において透明である、
請求項１から４の何れか一項に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項６】
前記透明な導電性材料の複数の側壁は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）のクラッド材料で覆われており、前記透明な導電性材料の前記屈折率は、前記ＳｉＯ２のクラッド材料の屈折率より高い、
請求項１から５の何れか一項に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項７】
前記誘電体層は、シリカ及び窒化シリコンのうち１つを含むゲート酸化物である、
請求項１から６の何れか一項に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項８】
前記金属コンタクトは前記ゲート領域の直上に配置され、前記ゲート領域は前記ドープされた半導体層の前記導波路構造体の直上に配置される、
請求項１から７の何れか一項に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項９】
前記ドープされた半導体層は、セミコンダクタ・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハの上部層である、
請求項１から８の何れか一項に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項１０】
金属酸化物半導体（ＭＯＳ）キャパシタ型光変調器であって、
半導体基板に形成された埋め込み酸化物の上に配置された上部半導体層を有するセミコンダクタ・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハ部分であって、前記上部半導体層は導波路構造体を含む、ＳＯＩウェーハ部分と、
前記上部半導体層の前記導波路構造体の上に配置された誘電体層と、
前記誘電体層の上に配置されたゲート領域であって、前記ゲート領域は屈折率がシリコンより低い透明な導電性材料を有する、ゲート領域と、
前記ゲート領域の上に配置された金属コンタクトであって、前記金属コンタクトは、前記ゲート領域及び前記上部半導体層の前記導波路構造体の上に直接配置される、
ＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項１１】
前記上部半導体層はｐ型にドープされたシリコン含有材料であり、前記透明な導電性材料はｎ型にドープされた酸化亜鉛（ＺｎＯ）である、
請求項１０に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項１２】
前記透明な導電性材料は、１．３マイクロメートル（μｍ）と１．５５μｍとの間の光遠隔通信波長帯域において透明である、
請求項１０又は１１に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項１３】
前記透明な導電性材料の複数の側壁は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）のクラッド材料で覆われており、前記透明な導電性材料の前記屈折率は、前記ＳｉＯ２のクラッド材料の屈折率より高い、
請求項１０から１２の何れか一項に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項１４】
前記ＭＯＳキャパシタ型光変調器のソースに近接した前記上部半導体層のドーピング濃度は、前記ＭＯＳキャパシタ型光変調器のドレインに近接した前記上部半導体層のドーピング濃度より低い、
請求項１０から１３の何れか一項に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項１５】
第２金属コンタクトが、クラッド材料によって前記ゲート領域から横方向に離間され、前記上部半導体層の上に配置される、
請求項１０から１４の何れか一項に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項１６】
前記ゲート領域及び前記埋め込み酸化物は、前記ゲート領域の全底面に沿った前記上部半導体層によって物理的に分離される、
請求項１０から１５の何れか一項に記載のＭＯＳキャパシタ型光変調器。
【請求項１７】
金属酸化物半導体（ＭＯＳ）キャパシタ型光変調器を形成する方法であって、
半導体層に導波路構造体を形成する段階と、
前記半導体層の前記導波路構造体の上に誘電体層を形成する段階と、
前記誘電体層の上にゲート領域材料を堆積させる段階であって、前記ゲート領域材料は屈折率がシリコンより低い透明な導電性材料を有する、堆積させる段階と、
前記ゲート領域材料の上に金属コンタクトを形成する段階と、
を備える、
方法。
【請求項１８】
前記金属コンタクト、前記ゲート領域材料、及び前記半導体層の前記導波路構造体を鉛直方向に整列させる段階を更に備える、
請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、無線周波数（ＲＦ）スパッタリング、及びプラズマエンハンスド原子層堆積のうち１つによって、前記ゲート領域材料を堆積させる段階を更に備える、
請求項１７又は１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記半導体層をエッチングして前記導波路構造体を形成する段階と、
前記ゲート領域材料に第１ドーパントを注入し、前記半導体層に前記第１ドーパントと異なる第２ドーパントを注入する段階と、
を更に備える、
請求項１７から１９の何れか一項に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
誘電体層１１８（例えば、ゲート酸化物）が、上部半導体層１０８の導波路構造体１１０の上に配置される。一実施形態において、誘電体層１１８は、導波路構造体１１０のシリコンを酸化して、二酸化シリコンの比較的薄い層を形成することで形成される。他の実施形態において、誘電体層１１８は、シリカ、窒化シリコン、又は別の適切な材料も含んでよい。一実施形態において、誘電体層１１８は、約５ｎｍから約１０ｎｍの間の厚さ１２０を有する。一実施形態において、誘電体層１１８は、導波路構造体１１０の幅１１６と等しい幅１２２を有する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
金属コンタクト１４０が、変調器１００のドレインに近接する上部シリコン層１０８の上に配置される。金属コンタクト１４０は、例えば、アルミニウム、タングステン、銅、又は別の適切な導電性材料から形成されてよい。金属コンタクト１４０は、図１に示されるように、アース１４２に電気的に結合されてよい。クラッド材料１４４が、導波路１２６、金属コンタクト１３４、及び金属コンタクト１４０の周囲に形成されてよい。したがって、上部半導体層１０８の導波路構造体１１０の側壁１１２、ゲート領域１２４の側壁１２８、及び金属コンタクト１３４の側壁１３６は、クラッド材料１４４で覆われる。一実施形態において、クラッド材料１４４は、ゲート領域１２４の屈折率（例えば、約１．９）より低い屈折率（例えば、約１．４５）を有する。一実施形態において、クラッド材料１４４は、二酸化シリコン又は別の適切なクラッド材料である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
図１に示されるように、導波路１２６の上の金属コンタクト１３４により、ゲート領域１２４の直列抵抗経路の面積が増加し得て、これがゲート領域１２４の直列抵抗の減少をもたらし得る。更に、既存の手法は、導波路の片側だけに金属コンタクトを有し得る。これに対して、導波路１２６と並列に２つの金属コンタクト１４０を有することで、変調器１００は、導波路１２６の直列抵抗を約半分に減少させ得る。
【国際調査報告】
2017518538.tif 000013
2017518538.tif 000014