導波路型光デバイス
【課題】絶縁層上の導波路型光デバイスのコアに蓄積されるキャリア濃度を高くして、その変調効率を高くする。
【解決手段】絶縁性の第１のクラッド層４と、前記第１のクラッド層４の一面に設けられた半導体の光導波層６と、前記光導波層６を覆う絶縁性の第２のクラッド層８とを有し、前記光導波層６は、一方向に延在するコア１４と、前記コア１４の一方の側面に接し前記コア１４より薄い第１のスラブ部１８と、前記コア１４の他方の側面に接し前記コア１４より薄い第２のスラブ部２２とを有し、前記第１のスラブ部１８は、前記コア１４に沿うｎ型領域１６を有し、前記第２のスラブ部２２は、前記コア１４に沿うｐ型領域２０を有し、前記ｎ型領域１６と前記ｐ型領域２０の間の領域には、バンドギャップが前記ｎ型領域１６及び前記ｐ型領域２０より狭くなるように、ｎ型不純物及びｐ型不純物がドーピングされている。
【解決手段】絶縁性の第１のクラッド層４と、前記第１のクラッド層４の一面に設けられた半導体の光導波層６と、前記光導波層６を覆う絶縁性の第２のクラッド層８とを有し、前記光導波層６は、一方向に延在するコア１４と、前記コア１４の一方の側面に接し前記コア１４より薄い第１のスラブ部１８と、前記コア１４の他方の側面に接し前記コア１４より薄い第２のスラブ部２２とを有し、前記第１のスラブ部１８は、前記コア１４に沿うｎ型領域１６を有し、前記第２のスラブ部２２は、前記コア１４に沿うｐ型領域２０を有し、前記ｎ型領域１６と前記ｐ型領域２０の間の領域には、バンドギャップが前記ｎ型領域１６及び前記ｐ型領域２０より狭くなるように、ｎ型不純物及びｐ型不純物がドーピングされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路型光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、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が注目されている。この光デバイスは、LSI（Large Scale Integration）のプロセス技術により製造できるので、大量生産に適している。
【０００３】
この導波路型光デバイスは、絶縁層上の半絶縁性シリコン層に形成されたリッジ構造のコアと、コアの一方の側面に接するｎ型スラブ部と、コアの他方の側面に接するｐ型スラブ部とを有している。そして、上記導波路型光デバイスでは、ｎ型スラブ部及びｐ型スラブ部がコアに供給するキャリアの量が変調され、コアに蓄積されるキャリア量が変化する。このキャリア量の変化に従って、コアを伝搬する光（以下、伝搬光と呼ぶ）が変調される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３２５９１４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Klaassen et.al.,“Unified apparent bandgap narrowing in n- and p-type silicon,” Solid-state electronics, Elsevier Science, 1992, vol.35, pp.125-129.
【非特許文献２】Soref et.al.,“Electrooptical effects in silicon,” IEEE Journal of Quantum Electronics, 1987, vol. 23, pp. 123-129.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記光デバイスは、pinホモ接合によりキャリアをコアに蓄積して、伝搬光を変調する。しかし、ホモ接合に大量のキャリアを蓄積することは困難である。このため、絶縁層上に形成された導波路型光デバイスの変調効率（又は消光比）は低い。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、絶縁層上の導波路型光デバイスのコアに蓄積されるキャリア濃度を高くして、その変調効率（又は消光比）を高くすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本デバイスの第１の観点によれば、絶縁性の第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の一面に設けられた半導体の光導波層と、前記光導波層を覆う絶縁性の第２のクラッド層とを有し、前記光導波層は、一方向に延在するコアと、前記コアの一方の側面に接し前記コアより薄い第１のスラブ部と、前記コアの他方の側面に接し前記コアより薄い第２のスラブ部とを有し、前記第１のスラブ部は、前記コアに沿うｎ型領域を有し、前記第２のスラブ部は、前記コアに沿うｐ型領域を有し、前記ｎ型領域と前記ｐ型領域の間の領域には、バンドギャップが前記ｎ型領域及び前記ｐ型領域より狭くなるように、ｎ型不純物及びｐ型不純物がドーピングされている導波路型光デバイスが提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本デバイスによれば、絶縁層上の導波路型光デバイスのコアに蓄積されるキャリア濃度を高くして、その変調効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１の導波路型光デバイスの平面図である。
【図２】図１のII-II線に沿った断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿った光導波層のエネルギー帯構造である。
【図４】実施の形態１の導波路型光デバイスに供給される電気信号の消費電力とコアのキャリア密度の関係を説明する図である。
【図５】実施の形態１の導波路型光デバイスの製造方法を説明する工程断面図である（その１）。
【図６】実施の形態１の導波路型光デバイスの製造方法を説明する工程断面図である（その２）。
【図７】実施の形態２の導波路型光デバイスの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。尚、図面が異なっても対応する部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００１２】
（実施の形態１）
本導波路型光デバイス２は、入力光の強度を減衰させることで、出力光の強度を変調する可変減衰器型の光スイッチである。
【００１３】
（１）構 造
図１は、本実施の形態の導波路型光デバイス２の平面図である。図２は、図１のII-II線に沿った断面図である。
【００１４】
―導波路構造―
本導波路型光デバイス２は、図１及び２に示すように、絶縁性の第１のクラッド層４と、第１のクラッド層４の一面に設けられた半導体の光導波層６と、光導波層６を覆う絶縁性の第２のクラッド層８を有している。ここで、第１のクラッド層４は、シリコン基板１０の一面に設けられた絶縁層である。このシリコン基板１０及び第１のクラッド層４は、それぞれSOI基板１２の基板及び絶縁層である。
【００１５】
ところで、上記光導波層６は、結晶シリコンで形成されている。一方、第１のクラッド層４及び第２のクラッド層８は、例えば厚さ１μｍのＳｉＯ２層で形成されている。ここで、本導波路型光デバイス２の動作波長は、１.３μｍまたは１．５５μｍである。従って、光導波層６及びクラッド層４,８は、動作波長において透明である。また、光導波層６の屈折率は、第１のクラッド層４及び第２のクラッド層８より高くなっている。故に、導波路型光デバイス２に入射した光は、光導波層６に閉じ込められる。
【００１６】
次に、光導波層６は、図１及び２に示すように、一方向（所定の方向）に延在するコア１４を有している。また、光導波層６は、コア１４の一方の側面に接し、コア１４より薄い第１のスラブ部１８を有している。更に、光導波層６は、コア１４の他方の側面に接し、コア１４より薄い第２のスラブ部２２を有している。
【００１７】
すなわち、本導波路型光デバイス２は、光導波層６に設けられたリッジ構造を有している。そして、光導波層６に閉じ込められた光は、このリッジ構造の凸部すなわちコア１４を伝搬する。
【００１８】
尚、コア１４の厚さ及び幅は、例えば、それぞれ２５０ｎｍ及び５００ｎｍである。また、コア１４の長さＬは、例えば１ｍｍである。一方、第１のスラブ部１８及び第２のスラブ部２２の厚さは、例えば５０ｎｍである。
【００１９】
因みに、本実施の形態の光導波層６は、上述したように結晶シリコンで形成されている。このため、（コアにキャリアが供給されない時の）伝搬損失は、１ｃｍ-１以下と小さい。但し、光導波層６を、非晶質シリコンや多結晶シリコンで形成することもできる。しかし、よく知られてように、非晶質シリコンや多結シリコンは、その不均一性により光を強く散乱する。このため、非晶質シリコンや多結晶シリコンで光導波層６を形成すると、伝送損失が大きくなってしまう。すなわち、光導波層６の材料としては、結晶半導体が好ましい。
【００２０】
―キャリア閉じ込め構造―
第１のスラブ部１８は、図２に示すように、コア１４に沿うｎ型領域１６を有している。また、第２のスラブ部２２は、図２に示すように、コア１４に沿うｐ型領域２０を有している。
【００２１】
ここで、ｎ型領域１６には、濃度１×１０１９ｃｍ−３のｎ型不純物（例えば、ホウ素）がドーピングされている。また、ｐ型領域２０には、濃度１×１０１９ｃｍ−３のｐ型不純物（例えば、燐）がドーピングされている。
【００２２】
そして、ｎ型領域１６とｐ型領域２０の間の領域２３（図１の細い破線で囲われた領域）は、１×１０１９ｃｍ−３の濃度でｎ型不純物（例えば、ホウ素）がドーピングされ、且つ１×１０１９ｃｍ−３の濃度でｐ型不純物（例えば、燐）がドーピングされている。すなわち、領域２３には、ｎ型不純物とｐ型不純物が高濃度にドーピングされている。
【００２３】
この高濃度ドーピングにより、コア１４を含む領域２３のバンドギャップは狭くなっている。その結果、ダブルヘテロ接合が形成され、コア１４に閉じ込められる（すなわち、蓄積される）キャリアの濃度が高くなる。
【００２４】
図３は、図２のIII-III線に沿った光導波層６のエネルギー帯構造である。横軸は、III-III線に沿った座標である。縦軸は、電子のエネルギーである。Ｅｃは、伝導帯の底である。Ｅｖは、価電子帯の頂上である。波線は、不純物がドーピングされる前の、伝導帯の底Ｅｃ´及び価電子帯の頂上Ｅｖ´である。
【００２５】
ｎ型不純物の濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下の場合、不純物準位（ドナー準位）は孤立（局在化）している。しかし、ｎ型不純物の濃度が１×１０１７ｃｍ−３より大きくなると、ドナー準位同士が重なり合って、伝導帯の底の近傍に、連続したエネルギー準位を形成する（すなわち、ドナー準位が非局在化する。）。これにより、ミニバンドが形成され、伝導帯の底が低くなる。同様に、ｐ型不純物の濃度が１×１０１７ｃｍ−３より大きくなると、アクセプタ準位が非局在化され、価電子帯の頂上が高くなる。
【００２６】
ところで、本実施の形態では、コア１４を含む領域２３に、１×１０１９ｃｍ−３（＞１×１０１７ｃｍ−３）のｎ型及びｐ型不純物がドーピングされている。このため、図３に示すように、領域２３のバンドギャプＥｇ１は、ｎ型領域１６のバンドギャップＥｇ２及びｐ型領域２０のバンドギャップＥｇ３より狭くなっている。すなわち、光導波層６には、領域２３を挟むダブルヘテロ接合が形成されている。
【００２７】
すなわち、本実施の形態では、コア１４を含む領域２３は、ｎ型領域１６及びｐ型領域２０よりバンドギャップが狭くなるように、ｎ型不純物及びｐ型不純物がドーピングされ、これにより光導波層６にダブルヘテロ接合が形成されている。
【００２８】
因みに、ｎ型及びｐ型不純物の濃度が共に１×１０１８ｃｍ−３の場合、シリコンのバンドギャップの狭まりは、３０ｍｅＶである。また、当該濃度が共に１×１０１９ｃｍ−３及び１×１０２０ｃｍ−３の場合、シリコンのバンドギャップの狭まりは、それぞれ６０ｍｅＶ及び９０ｍｅＶである（非特許文献１参照）。
【００２９】
不純物濃度が高くなるほど、バンドギャップの縮小幅は大きくなる。しかし、不純物の濃度が高くなり過ぎると、後述するキャリア補償が困難になる。従って、領域２３のｎ型不純物の濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下が好ましく、５×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下が更に好ましい。ｐ型不純物の濃度についても、同様である。
【００３０】
尚、本実施の形態では、ｎ型領域１６にも１×１０１９ｃｍのドナーがドーピングされているので、そのバンドギャップＥｇ２も狭くなっている。しかし、このバンドギャップの縮小（狭まり）は、伝導帯の底の低下によるものなので、キャリア（正孔）の閉じ込めを妨げない。同様に、ｐ型領域２０のバンドギャップＥｇ３も狭くなっているが、このバンドギャップの縮小は価電子帯頂上の上昇によるものなので、キャリア（電子）の閉じ込めを妨げない。
【００３１】
―キャリア補償構造―
コア１４を含む領域２３には、同濃度のｎ型不純物とｐ型不純物がドーピングさていれる。従って、この領域２３のｎ型不純物のキャリア濃度は、ｐ型不純物のキャリア濃度により補償されている（すなわち、領域２３におけるｎ型不純物のキャリアは、ｐ型不純物により補償されている。）。故に、コア１４を含む領域２３には、キャリアが殆ど存在していない（すなわち、領域２３は、半絶縁化されている。）。このため、コア１４を伝搬する光は、自由キャリア吸収を殆ど受けない。このため、コア１４を伝搬する光の伝搬損失（導波路損失）は、１ｃｍ−１以下になる（但し、後述するように、ｎ型領域１６及びｐ型領域２０からコア１４にキャリアが供給されると、伝送損失は高くなる。）。
【００３２】
ここで、領域２３のｎ型不純物濃度とｐ型不純物濃度は、正確に一致していなくてもよい。例えば、ｎ型不純物とｐ型不純物の濃度差が、２×１０17ｃｍ−３以下であれば、自由キャリア吸収損失は、３ｃｍ−１であり殆ど問題にならない。因みに、シリコンリッジ導波路の導波路損失は、形状ゆらぎにより１ｃｍ−１程度以下にはならない。
【００３３】
また、ｎ型不純物とｐ型不純物の濃度差が１×１０17ｃｍ−３以下であれば、自由キャリア吸収損失は１．５ｃｍ−１である。すなわち、ｎ型不純物とｐ型不純物の濃度差としては、２×１０17ｃｍ−３以下が好ましく、１×１０17ｃｍ−３以下が更に好ましい。
【００３４】
ところで、ｎ型領域１６とコア１４の間の領域２４は、ｎ型領域１６をコア１４から引き離し、ｎ型領域１６の自由キャリア吸収による伝搬光の減衰を防止している。同様に、ｐ型領域２０とコア１４の間に領域２６は、ｐ型領域２０をコア１４から引き離し、ｐ型領域２０の自由キャリア吸収による伝搬光の減衰を防止している。これら領域２４,２６の幅としては、伝播光のしみ出しと同程度の２００〜３００ｎｍが好ましい。但し、ｎ型領域１６及びｐ型領域２０による自由キャリア吸収が問題にならない場合には、これらの領域を設けなくてもよい。
【００３５】
―電極構造―
本導波路型光デバイス２は、図２に示すように、ｎ型領域１６の一面に設けられた第１の内部電極２８と、第２のクラッド層８の表面に設けられ、第１の層間配線３６を介してこの第１の内部電極２８に接続された第１の外部電極３０を有している。
【００３６】
同様に、本導波路型光デバイス２は、図２に示すように、ｐ型領域２０の一面に設けられた第２の内部電極３２と、第２のクラッド層８の表面に設けられ、第２の層間配線３８を介してこの第２の内部電極３２に接続された第２の外部電極３４を有している。
【００３７】
（２）動 作
次に、本導波路型光デバイス（可変減衰器型の光スイッチ）２の動作を説明する。
【００３８】
まず、本導波路型光デバイス２の入力口４８に波長１．３μｍ（又は、１．５５μｍ）の光が入力させて、コア１４を伝搬する。この状態で、ｎ型領域１６とｐ型領域２０間に、外部電極３０と外部電極３４等を介して電気信号が印加され、コア１４を伝搬する光（伝搬光）の強度が変調される。そして、変調された伝搬光が、出力口５０から出力される。
【００３９】
ｎ型領域１６とｐ型領域２０間に電気信号が印加されると、ｎ型領域１６から電子がコア１４に供給され、ｐ型領域２０から正孔がコア１４に供給される。このキャリア（電子及び正孔）は、図３を参照して説明したダブルヘテロ接合２７に蓄積される。この蓄積されたキャリアによる自由キャリア吸収損失により、コア１４を伝搬する光が減衰する。すなわち、上記電気信号にしたがってコア１４のキャリア濃度が変化して、伝搬光の強度が変化する。従って、本導波路型光デバイス２は、光強度変調器として用いることができる。或いは、ｎ型領域１６とｐ型領域２０間に印加する電圧を適宜変化させることにより、本導波路型光デバイス２を可変光減衰器として用いることもできる。
【００４０】
図４は、本導波路型光デバイス２に供給される電気信号の消費電力とコア１４のキャリア密度の関係を説明する図である。横軸は、素子長１ｍｍ当たりの消費電力である。縦軸は、コア１４のキャリア密度（電子及び正孔夫々の密度）である。図４には、比較のため、コア１４を含む領域２３に不純物をドーピングしない場合（以下、比較例と呼ぶ）のキャリア密度が、破線で示されている。尚、図４は、半導体装置内のキャリア伝導を解析するシミュレーションプログラムにより得られた関係である。
【００４１】
図４に示すように、本実施の形態によれば、キャリア密度４０は、比較例のキャリア密度４２より高くなる。例えば、消費電力が１６ｍＷの時、本実施の形態のキャリア密度４０は、２．２×１０１８ｃｍ−３である。一方、比較例のキャリア濃度は、１．０×１０１８ｃｍ−３である。すなわち、本実施の形態によれば、キャリア密度が２．２倍になり、その結果、自由キャリア吸収損失は２．２倍になる。
【００４２】
自由キャリア吸収損失Δα（ｃｍ−１）は、次式で表せることが知られている。
【００４３】
Δα＝8.5×10-18×n＋6.0×10-18×p ・・・・・ （１）
ここで、ｎ及びｐは、それぞれ電子及び正孔の密度である（ｎ及びｐの単位はｃｍ−３である。）。本実施の形態ではｎとｐが等しいので、吸収損失Δα（ｃｍ−１）は、次式のようになる。
【００４４】
Δα＝14.5×10-18×N ・・・・・ （２）
ここで、Ｎは、図４の縦軸に示したキャリア密度（＝ｎ＝ｐ）である。
【００４５】
式（２）によれば、（素子長１ｍｍ当たりの）消費電力１６ｍＷにおける伝搬光の消光比（電圧印加時と非印加時の出力光強度の比）は、コア１４の光閉じ込む係数を１とすると１３．９ｄＢになる（Δα=14.5cm-1）。一方、同じ条件における比較例の消光比は、６．３ｄＢである。すなわち、本実施の形態によれば、可変減衰器型の光スイッチ２の消光比が高くなる。
【００４６】
ところで、式（１）のキャリア密度ｎ,ｐの係数は、それぞれ電子及び正孔の移動に反比例することが知られている（非特許文献２）。本実施の形態では、コア１４に不純物が高濃度にドーピングされているので、電子及び正孔の移動は小さくなる。従って、キャリア密度ｎ,ｐの係数は、式（１）より大きくなっている。このため、本導波路型光デバイス２の実際の消光比は、上記値より更に大きくなる。
【００４７】
（３）製造方法
図５及び６は、本導波路型光デバイス２の製造方法を説明する工程断面図である。
【００４８】
まず、SOI基板１２のシリコン層をフォトリソグラフィ技術とドライエッチングにより加工して、コア１４を有する光導波層６を形成する。
【００４９】
次に、図５（ａ）に示すように、ｎ型領域１６の形成位置にフォトレジスト膜４４ａを形成する。
【００５０】
次に、図５（ｂ）に示すように、このフォトレジスト膜４４ａをマスクとして、光導波層６にp型ドーパント（例えば、燐）をイオン注入する。イオン注入は、光導波層６におけるｐ型不純物濃度が１×１０１９ｃｍ−３になる条件で行われる。これにより、コア１４を含むp型ドーパント注入領域４６が形成される。その後、フォトレジスト膜４４ａを除去する。
【００５１】
次に、図５（ｃ）に示すように、ｐ型領域２０の形成位置にフォトレジスト膜４４ｂを形成する。
【００５２】
次に、図６（ａ）に示すように、このフォトレジスト膜４４ｂをマスクとして、光導波層６にｎ型ドーパント（例えば、ボロン）をイオン注入する。イオン注入は、光導波層６におけるｎ型不純物濃度が１×１０１９ｃｍ−３になる条件で行われる。その後、フォトレジスト膜４４ｂを除去し、不純物を活性化する熱処理を行う。以上により、ｎ型領域１６、ｐ型領域２０、及びｎ型不純物とｐ型不純物がドーピングされた領域２３が形成される。
【００５３】
次に、図６（ｂ）に示すように、ｎ型領域１６及びｐ型領域２０の表面に夫々内部電極２８,３２を形成する。その後、光導波層６の表面に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によりＳｉＯ２膜を堆積して、第２のクラッド層８を形成する。
【００５４】
次に、図６（ｃ）に示すように、第２のクラッド層８に、層間配線３６,３８と外部電極３０,３４を形成する。その後、SOI基板１２を個々のチップに分割して、導波路型光デバイス２を完成する。
【００５５】
（実施の形態２）
本導波路型光デバイス５２は、プラズマ効果により分岐光の位相を変化させることで、入力光を変調するマッハツェンダー干渉計型の光スイッチである。
【００５６】
（１）構 造
図７は、本実施の形態の導波路型光デバイス５２の平面図である。
【００５７】
本導波路型光デバイス５２は、図７に示すように、第１の入力口４８ａに入力した光を第１の分岐光５４と第２の分岐光５６に分岐する分岐器５８を有している。この分岐器５８は、２入力２出力の多モード干渉導波路(Multi Mode Interference, MMI)である。
【００５８】
また、本導波路型光デバイス５２は、第１の分岐光５４が入射する第１の位相変調器６０ａと、第２の分岐光５６が入射する第２の位相変調器６０ｂを有している。
【００５９】
また、本導波路型光デバイス５２は、第１の位相器６０ａから出射した第１の分岐光５４と、第２の位相器６０ｂから出射した第２の分岐光５６とを結合して、第１の結合光６４ａ及び第１の結合光６４ｂを生成する結合器６２を有している。この結合器６２も、２入力２出力の多モード干渉導波路ＭＭＩである。
【００６０】
また、本導波路型光デバイス５２は、第１の結合光６４ａを出力する第１の出力口５０ａ及び第２の結合光６４ｂを出力する第１の出力口５０ｂを有している。
【００６１】
また、本導波路型光デバイス５２は、第１の光入力口４８ａと分岐器５８の間を接続する光導波路６６ａを有している。また、本導波路型光デバイス５２は、各光学素子（分岐器５８、位相変調器６０ａ,６０ｂ、結合器６２）の間を接続する光導波路６６ｂ〜６６ｅを有している。また、本導波路型光デバイス５２は、結合器６２と第１の光出力口５０ａの間を接続する光導波路６６ｆと結合器６２と第２の光出力口５０ｂの間を接続する光導波路６６ｇを有している。尚、本導波路型光デバイス５２は、第２の入力口４８ｂと、この第２の入力口４８ｂと分岐器５８の間を接続する光導波路６６ｈを有している。
【００６２】
ここで、上記各光学素子及び光導波路は、SOI基板のシリコン層に形成されている。本導波路型光デバイス５２は、実施の形態１の導波路型光デバイス５２と同様、このシリコン層を覆う絶縁性のクラッド層（例えば、ＳｉＯ２）を有している。
【００６３】
第１の位相変調器６０ａ及び第２の位相変調器６０ｂの構造は、図１乃至３を参照して説明した実施の形態１の可変減衰器型の光スイッチ２と略同じである。但し、第１及び第２の位相変調器６０ａ,６０bの素子長は、実施の形態１の可変減衰器型の光スイッチ２より短い。例えば、第１及び第２の位相変調器６０ａ,６０ｂの素子長は、１００〜２００μｍである。
【００６４】
分岐器５８、結合器６２、及び光導波路６６ａ〜６６ｈは、実施の形態１の可変減衰器型の光スイッチ２と略同じ導波路構造を有している。但し、これらの光学素子には不純物がドーピングされていない。また、分岐器５８及び結合器６２のコアは、実施の形態１の可変減衰器型の光スイッチ２のコアより広い幅を有している。
【００６５】
（２）動 作
次に、本導波路型光デバイス（マッハツェンダー干渉計型の光スイッチ）５２の動作を説明する。
【００６６】
本導波路型光デバイス５２の動作波長は、例えば、１．３μｍ又は、１．５５μｍである。第１の入力口４８ａに入射した光は、光導波路６６ａを伝搬して光分岐器５８に入射する。光分岐器５８に入射した光は、第１の分岐光５４と第２の分岐光５６に分岐される。第１の分岐光５４及び第２の分岐光５６は、光導波路６６ｂ,６６ｃを伝搬して、それぞれ第１の位相変調器６０ａ及び第２の位相変調器６０ｂに入射する。
【００６７】
第１の位相変調器６０ａに入射した第１の分岐光５４は、位相変調された後、第１の位相変調器６０ａから出射する。一方、第２の位相変調器６０ｂに入射した第２の分岐光５６は、伝搬路の光学長が（非変調時の）第１の分岐光５４と略同じなるように位相が調整された後、第２の位相変調器６０ｂから出射する。
【００６８】
第１の位相変調器６０ａから出射した第１の分岐光５４及び第２の位相変調器６０ｂから出射した第２の分岐光５６は、光導波路６６ｄ,６６ｅを伝搬して、光結合器６２に入射する。光結合器６２に入射した、第１の分岐光５４及び第２の分岐光５６は、結合されて第１の結合光６４ａ及び第２の結合光６４ｂになる。その後、第１の結合光６４ａは、光導波路６６ｆを伝搬して、第１の出力口５０ａから出力される。同様に、第２の結合光６４ｂは、光導波路６６ｇを伝搬して、第２の出力口５０ｂから出力される。
【００６９】
ここで、第１の位相変調器６０ａは、その外部電極３０ａ,３４ａを介して、ｎ型領域１６とｐ型領域２０の間に電気信号が印加され、コア１４に蓄積されたキャリアのプラズマ効果により、そのコア１４を伝搬する第１の分岐光５４の位相を変調する。位相の変化量は、例えば０またはπ（rad）である。
【００７０】
一方、第２の位相変調器６０ｂは、その外部電極３０ｂ,３４ｂを介してｎ型領域１６とｐ型領域２０の間に所定の電圧が印加される。ここで、第２の位相変調器６０ｂは、非変調時の第１の分岐光５４の伝搬路の光学長と第２の分岐光５６の伝搬路の光学長が略同じになるように、第２の分岐光５６の位相を調整する。従って、第１の結合光６４ａ及び第２の結合光６４ｂは、第１の位相変調器６０ａに印加された電気信号に従って点滅する。
【００７１】
第１の結合光６４ａと第２の結合光６４ｂの点滅のタイミングは、半周期ずれている。従って、第１の結合光６４ａ及び第２の結合光６４ｂのいずれか一方又は双方を、出力光として用いることができる。
【００７２】
本実施の形態の第１の位相変調器６０ａ及び第２の位相変調器６０ｂは、実施の形態１の可変減衰器型の光スイッチ２と同じキャリア閉じ込め構造を有している。従って、ｎ型領域１６とｐ型領域２０の間の領域２３に不純物をドーピングしない場合より、コア１４に閉じ込められるキャリアの密度が高くなる。その結果、プラズマ効果による屈折率変化が大きくなり、位相変調効率が高くなる。
【００７３】
実施の形態１で説明したように、素子長１ｍｍ当たり１６ｍＷの電力を入力した場合、コア１４に閉じ込められるキャリア密度は、上記領域２３に不純物をドーピングしない場合より２．２倍高くなる。従って、第１の位相変調器６０ａ及び第２の位相変調器６０ｂの素子長を、１／２．２に短縮することができる。因みに、この場合の屈折率変化は、−５．９×１０−３である。
【００７４】
上述したように、本実施の形態の光分岐器５８及び光結合器６２は、ＭＭＩである。しかし、光分岐器５８及び光結合器６２は、他の光学素子、例えば方向性結合器やＹ分岐導波路であってもよい。また、本導波路型光デバイス５２は、位相変調器を２つ有している。しかし、位相変調器は一つだけであってもよい。
【００７５】
また、本実施の形態では、位相変調器６０ａ,６０ｂは、マッハツェンダー干渉計型の光スイッチ５８の一部である。しかし、位相変調器６０ａ,６０ｂは、単独の光デバイスとしても用いることができる。
【００７６】
以上の実施の形態では、光導波層６は結晶シリコンである。しかし、光導波層６は、他の結晶半導体層、例えば、結晶ＧａＡｓ層や結晶ＩｎＰ層であってもよい。
【００７７】
また、以上の実施の形態では、SOI基板のシリコン層に光導波層６を形成している。しかし、他の基板、例えば石英基板にシリコン層を設け、このシリコン層に光導波層６を形成してもよい。
【００７８】
また、以上の実施の形態では、第１のクラッド層４及び第２のクラッド層８はＳｉＯ２層である。しかし、第１のクラッド層４及び第２のクラッド層８は、他の絶縁層、例えば、シリコン窒化酸化層（SiNO層）やシリコン窒化層（SiN層）であってもよい。
【００７９】
また、以上の実施の形態では、SOI基板のシリコン層には、光導波路と光学素子だけが設けられている。しかし、SOI基板のシリコン層に、導波路型光デバイス２,５２の駆動回路等の電子回路を形成してもよい。
【００８０】
以上の実施の形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【００８１】
（付記１）
絶縁性の第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層の一面に設けられた半導体の光導波層と、
前記光導波層を覆う絶縁性の第２のクラッド層とを有し、
前記光導波層は、一方向に延在するコアと、前記コアの一方の側面に接し前記コアより薄い第１のスラブ部と、前記コアの他方の側面に接し前記コアより薄い第２のスラブ部とを有し、
前記第１のスラブ部は、前記コアに沿うｎ型領域を有し、
前記第２のスラブ部は、前記コアに沿うｐ型領域を有し、
前記ｎ型領域と前記ｐ型領域の間の領域には、バンドギャップが前記ｎ型領域及び前記ｐ型領域より狭くなるように、ｎ型不純物及びｐ型不純物がドーピングされている
導波路型光デバイス。
【００８２】
（付記２）
付記１に記載の導波路型光デバイスにおいて、
更に、前記領域の前記ｎ型不純物のキャリア濃度は、前記ｐ型不純物のキャリア濃度により補償されていることを、
特徴とする導波路型光デバイス。
【００８３】
（付記３）
付記１または２に記載の導波路型光デバイスにおいて、
更に、前記ｎ型領域と前記ｐ型領域の間に電気信号が印加され、前記コアを伝搬する光の強度が変調されることを、
特徴とする導波路型光デバイス。
【００８４】
（付記４）
付記１または２に記載の導波路型光デバイスにおいて、
更に、前記ｎ型領域と前記ｐ型領域の間に電気信号が印加され、前記コアを伝搬する光の位相が変調されることを、
特徴とする導波路型光デバイス。
【００８５】
（付記５）
絶縁性の第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層の一面に設けられた半導体の光導波層と、
前記光導波層を覆う絶縁性の第２のクラッド層とを有し、
前記光導波層は、一方向に延在するコアと、前記コアの一方の側面に接し前記コアより薄い第１のスラブ部と、前記コアの他方の側面に接し前記コアより薄い第２のスラブ部とを有し、
前記第１のスラブ部は、前記コアに沿うｎ型領域を有し、
前記第２のスラブ部は、前記コアに沿うｐ型領域を有し、
前記ｎ型領域と前記ｐ型領域の間の領域には、１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下の濃度でｎ型不純物がドーピングされ、且つ１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下の濃度でｐ型不純物がドーピングされている
導波路型光デバイス。
【００８６】
（付記６）
付記５に記載の導波路型光デバイスにおいて、
更に、前記領域の前記ｎ型不純物と前記ｐ型不純物の濃度差が、２×１０17ｃｍ−３以下であることを、
特徴とする導波路型光デバイス。
【符号の説明】
【００８７】
２・・・実施の形態１の導波路型光デバイス
４・・・第１のクラッド層
６・・・光導波層
８・・・第２のクラッド層
１４・・・コア
１６・・・ｎ型領域
１８・・・第１のスラブ部
２０・・・ｐ型領域
２２・・・第２のスラブ部
２３・・・ｎ型領域とｐ型領域の間の領域
５２・・・実施の形態２の導波路型光デバイス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路型光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、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が注目されている。この光デバイスは、LSI（Large Scale Integration）のプロセス技術により製造できるので、大量生産に適している。
【０００３】
この導波路型光デバイスは、絶縁層上の半絶縁性シリコン層に形成されたリッジ構造のコアと、コアの一方の側面に接するｎ型スラブ部と、コアの他方の側面に接するｐ型スラブ部とを有している。そして、上記導波路型光デバイスでは、ｎ型スラブ部及びｐ型スラブ部がコアに供給するキャリアの量が変調され、コアに蓄積されるキャリア量が変化する。このキャリア量の変化に従って、コアを伝搬する光（以下、伝搬光と呼ぶ）が変調される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３２５９１４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Klaassen et.al.,“Unified apparent bandgap narrowing in n- and p-type silicon,” Solid-state electronics, Elsevier Science, 1992, vol.35, pp.125-129.
【非特許文献２】Soref et.al.,“Electrooptical effects in silicon,” IEEE Journal of Quantum Electronics, 1987, vol. 23, pp. 123-129.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記光デバイスは、pinホモ接合によりキャリアをコアに蓄積して、伝搬光を変調する。しかし、ホモ接合に大量のキャリアを蓄積することは困難である。このため、絶縁層上に形成された導波路型光デバイスの変調効率（又は消光比）は低い。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、絶縁層上の導波路型光デバイスのコアに蓄積されるキャリア濃度を高くして、その変調効率（又は消光比）を高くすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本デバイスの第１の観点によれば、絶縁性の第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の一面に設けられた半導体の光導波層と、前記光導波層を覆う絶縁性の第２のクラッド層とを有し、前記光導波層は、一方向に延在するコアと、前記コアの一方の側面に接し前記コアより薄い第１のスラブ部と、前記コアの他方の側面に接し前記コアより薄い第２のスラブ部とを有し、前記第１のスラブ部は、前記コアに沿うｎ型領域を有し、前記第２のスラブ部は、前記コアに沿うｐ型領域を有し、前記ｎ型領域と前記ｐ型領域の間の領域には、バンドギャップが前記ｎ型領域及び前記ｐ型領域より狭くなるように、ｎ型不純物及びｐ型不純物がドーピングされている導波路型光デバイスが提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本デバイスによれば、絶縁層上の導波路型光デバイスのコアに蓄積されるキャリア濃度を高くして、その変調効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１の導波路型光デバイスの平面図である。
【図２】図１のII-II線に沿った断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿った光導波層のエネルギー帯構造である。
【図４】実施の形態１の導波路型光デバイスに供給される電気信号の消費電力とコアのキャリア密度の関係を説明する図である。
【図５】実施の形態１の導波路型光デバイスの製造方法を説明する工程断面図である（その１）。
【図６】実施の形態１の導波路型光デバイスの製造方法を説明する工程断面図である（その２）。
【図７】実施の形態２の導波路型光デバイスの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。尚、図面が異なっても対応する部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００１２】
（実施の形態１）
本導波路型光デバイス２は、入力光の強度を減衰させることで、出力光の強度を変調する可変減衰器型の光スイッチである。
【００１３】
（１）構 造
図１は、本実施の形態の導波路型光デバイス２の平面図である。図２は、図１のII-II線に沿った断面図である。
【００１４】
―導波路構造―
本導波路型光デバイス２は、図１及び２に示すように、絶縁性の第１のクラッド層４と、第１のクラッド層４の一面に設けられた半導体の光導波層６と、光導波層６を覆う絶縁性の第２のクラッド層８を有している。ここで、第１のクラッド層４は、シリコン基板１０の一面に設けられた絶縁層である。このシリコン基板１０及び第１のクラッド層４は、それぞれSOI基板１２の基板及び絶縁層である。
【００１５】
ところで、上記光導波層６は、結晶シリコンで形成されている。一方、第１のクラッド層４及び第２のクラッド層８は、例えば厚さ１μｍのＳｉＯ２層で形成されている。ここで、本導波路型光デバイス２の動作波長は、１.３μｍまたは１．５５μｍである。従って、光導波層６及びクラッド層４,８は、動作波長において透明である。また、光導波層６の屈折率は、第１のクラッド層４及び第２のクラッド層８より高くなっている。故に、導波路型光デバイス２に入射した光は、光導波層６に閉じ込められる。
【００１６】
次に、光導波層６は、図１及び２に示すように、一方向（所定の方向）に延在するコア１４を有している。また、光導波層６は、コア１４の一方の側面に接し、コア１４より薄い第１のスラブ部１８を有している。更に、光導波層６は、コア１４の他方の側面に接し、コア１４より薄い第２のスラブ部２２を有している。
【００１７】
すなわち、本導波路型光デバイス２は、光導波層６に設けられたリッジ構造を有している。そして、光導波層６に閉じ込められた光は、このリッジ構造の凸部すなわちコア１４を伝搬する。
【００１８】
尚、コア１４の厚さ及び幅は、例えば、それぞれ２５０ｎｍ及び５００ｎｍである。また、コア１４の長さＬは、例えば１ｍｍである。一方、第１のスラブ部１８及び第２のスラブ部２２の厚さは、例えば５０ｎｍである。
【００１９】
因みに、本実施の形態の光導波層６は、上述したように結晶シリコンで形成されている。このため、（コアにキャリアが供給されない時の）伝搬損失は、１ｃｍ-１以下と小さい。但し、光導波層６を、非晶質シリコンや多結晶シリコンで形成することもできる。しかし、よく知られてように、非晶質シリコンや多結シリコンは、その不均一性により光を強く散乱する。このため、非晶質シリコンや多結晶シリコンで光導波層６を形成すると、伝送損失が大きくなってしまう。すなわち、光導波層６の材料としては、結晶半導体が好ましい。
【００２０】
―キャリア閉じ込め構造―
第１のスラブ部１８は、図２に示すように、コア１４に沿うｎ型領域１６を有している。また、第２のスラブ部２２は、図２に示すように、コア１４に沿うｐ型領域２０を有している。
【００２１】
ここで、ｎ型領域１６には、濃度１×１０１９ｃｍ−３のｎ型不純物（例えば、ホウ素）がドーピングされている。また、ｐ型領域２０には、濃度１×１０１９ｃｍ−３のｐ型不純物（例えば、燐）がドーピングされている。
【００２２】
そして、ｎ型領域１６とｐ型領域２０の間の領域２３（図１の細い破線で囲われた領域）は、１×１０１９ｃｍ−３の濃度でｎ型不純物（例えば、ホウ素）がドーピングされ、且つ１×１０１９ｃｍ−３の濃度でｐ型不純物（例えば、燐）がドーピングされている。すなわち、領域２３には、ｎ型不純物とｐ型不純物が高濃度にドーピングされている。
【００２３】
この高濃度ドーピングにより、コア１４を含む領域２３のバンドギャップは狭くなっている。その結果、ダブルヘテロ接合が形成され、コア１４に閉じ込められる（すなわち、蓄積される）キャリアの濃度が高くなる。
【００２４】
図３は、図２のIII-III線に沿った光導波層６のエネルギー帯構造である。横軸は、III-III線に沿った座標である。縦軸は、電子のエネルギーである。Ｅｃは、伝導帯の底である。Ｅｖは、価電子帯の頂上である。波線は、不純物がドーピングされる前の、伝導帯の底Ｅｃ´及び価電子帯の頂上Ｅｖ´である。
【００２５】
ｎ型不純物の濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下の場合、不純物準位（ドナー準位）は孤立（局在化）している。しかし、ｎ型不純物の濃度が１×１０１７ｃｍ−３より大きくなると、ドナー準位同士が重なり合って、伝導帯の底の近傍に、連続したエネルギー準位を形成する（すなわち、ドナー準位が非局在化する。）。これにより、ミニバンドが形成され、伝導帯の底が低くなる。同様に、ｐ型不純物の濃度が１×１０１７ｃｍ−３より大きくなると、アクセプタ準位が非局在化され、価電子帯の頂上が高くなる。
【００２６】
ところで、本実施の形態では、コア１４を含む領域２３に、１×１０１９ｃｍ−３（＞１×１０１７ｃｍ−３）のｎ型及びｐ型不純物がドーピングされている。このため、図３に示すように、領域２３のバンドギャプＥｇ１は、ｎ型領域１６のバンドギャップＥｇ２及びｐ型領域２０のバンドギャップＥｇ３より狭くなっている。すなわち、光導波層６には、領域２３を挟むダブルヘテロ接合が形成されている。
【００２７】
すなわち、本実施の形態では、コア１４を含む領域２３は、ｎ型領域１６及びｐ型領域２０よりバンドギャップが狭くなるように、ｎ型不純物及びｐ型不純物がドーピングされ、これにより光導波層６にダブルヘテロ接合が形成されている。
【００２８】
因みに、ｎ型及びｐ型不純物の濃度が共に１×１０１８ｃｍ−３の場合、シリコンのバンドギャップの狭まりは、３０ｍｅＶである。また、当該濃度が共に１×１０１９ｃｍ−３及び１×１０２０ｃｍ−３の場合、シリコンのバンドギャップの狭まりは、それぞれ６０ｍｅＶ及び９０ｍｅＶである（非特許文献１参照）。
【００２９】
不純物濃度が高くなるほど、バンドギャップの縮小幅は大きくなる。しかし、不純物の濃度が高くなり過ぎると、後述するキャリア補償が困難になる。従って、領域２３のｎ型不純物の濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下が好ましく、５×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下が更に好ましい。ｐ型不純物の濃度についても、同様である。
【００３０】
尚、本実施の形態では、ｎ型領域１６にも１×１０１９ｃｍのドナーがドーピングされているので、そのバンドギャップＥｇ２も狭くなっている。しかし、このバンドギャップの縮小（狭まり）は、伝導帯の底の低下によるものなので、キャリア（正孔）の閉じ込めを妨げない。同様に、ｐ型領域２０のバンドギャップＥｇ３も狭くなっているが、このバンドギャップの縮小は価電子帯頂上の上昇によるものなので、キャリア（電子）の閉じ込めを妨げない。
【００３１】
―キャリア補償構造―
コア１４を含む領域２３には、同濃度のｎ型不純物とｐ型不純物がドーピングさていれる。従って、この領域２３のｎ型不純物のキャリア濃度は、ｐ型不純物のキャリア濃度により補償されている（すなわち、領域２３におけるｎ型不純物のキャリアは、ｐ型不純物により補償されている。）。故に、コア１４を含む領域２３には、キャリアが殆ど存在していない（すなわち、領域２３は、半絶縁化されている。）。このため、コア１４を伝搬する光は、自由キャリア吸収を殆ど受けない。このため、コア１４を伝搬する光の伝搬損失（導波路損失）は、１ｃｍ−１以下になる（但し、後述するように、ｎ型領域１６及びｐ型領域２０からコア１４にキャリアが供給されると、伝送損失は高くなる。）。
【００３２】
ここで、領域２３のｎ型不純物濃度とｐ型不純物濃度は、正確に一致していなくてもよい。例えば、ｎ型不純物とｐ型不純物の濃度差が、２×１０17ｃｍ−３以下であれば、自由キャリア吸収損失は、３ｃｍ−１であり殆ど問題にならない。因みに、シリコンリッジ導波路の導波路損失は、形状ゆらぎにより１ｃｍ−１程度以下にはならない。
【００３３】
また、ｎ型不純物とｐ型不純物の濃度差が１×１０17ｃｍ−３以下であれば、自由キャリア吸収損失は１．５ｃｍ−１である。すなわち、ｎ型不純物とｐ型不純物の濃度差としては、２×１０17ｃｍ−３以下が好ましく、１×１０17ｃｍ−３以下が更に好ましい。
【００３４】
ところで、ｎ型領域１６とコア１４の間の領域２４は、ｎ型領域１６をコア１４から引き離し、ｎ型領域１６の自由キャリア吸収による伝搬光の減衰を防止している。同様に、ｐ型領域２０とコア１４の間に領域２６は、ｐ型領域２０をコア１４から引き離し、ｐ型領域２０の自由キャリア吸収による伝搬光の減衰を防止している。これら領域２４,２６の幅としては、伝播光のしみ出しと同程度の２００〜３００ｎｍが好ましい。但し、ｎ型領域１６及びｐ型領域２０による自由キャリア吸収が問題にならない場合には、これらの領域を設けなくてもよい。
【００３５】
―電極構造―
本導波路型光デバイス２は、図２に示すように、ｎ型領域１６の一面に設けられた第１の内部電極２８と、第２のクラッド層８の表面に設けられ、第１の層間配線３６を介してこの第１の内部電極２８に接続された第１の外部電極３０を有している。
【００３６】
同様に、本導波路型光デバイス２は、図２に示すように、ｐ型領域２０の一面に設けられた第２の内部電極３２と、第２のクラッド層８の表面に設けられ、第２の層間配線３８を介してこの第２の内部電極３２に接続された第２の外部電極３４を有している。
【００３７】
（２）動 作
次に、本導波路型光デバイス（可変減衰器型の光スイッチ）２の動作を説明する。
【００３８】
まず、本導波路型光デバイス２の入力口４８に波長１．３μｍ（又は、１．５５μｍ）の光が入力させて、コア１４を伝搬する。この状態で、ｎ型領域１６とｐ型領域２０間に、外部電極３０と外部電極３４等を介して電気信号が印加され、コア１４を伝搬する光（伝搬光）の強度が変調される。そして、変調された伝搬光が、出力口５０から出力される。
【００３９】
ｎ型領域１６とｐ型領域２０間に電気信号が印加されると、ｎ型領域１６から電子がコア１４に供給され、ｐ型領域２０から正孔がコア１４に供給される。このキャリア（電子及び正孔）は、図３を参照して説明したダブルヘテロ接合２７に蓄積される。この蓄積されたキャリアによる自由キャリア吸収損失により、コア１４を伝搬する光が減衰する。すなわち、上記電気信号にしたがってコア１４のキャリア濃度が変化して、伝搬光の強度が変化する。従って、本導波路型光デバイス２は、光強度変調器として用いることができる。或いは、ｎ型領域１６とｐ型領域２０間に印加する電圧を適宜変化させることにより、本導波路型光デバイス２を可変光減衰器として用いることもできる。
【００４０】
図４は、本導波路型光デバイス２に供給される電気信号の消費電力とコア１４のキャリア密度の関係を説明する図である。横軸は、素子長１ｍｍ当たりの消費電力である。縦軸は、コア１４のキャリア密度（電子及び正孔夫々の密度）である。図４には、比較のため、コア１４を含む領域２３に不純物をドーピングしない場合（以下、比較例と呼ぶ）のキャリア密度が、破線で示されている。尚、図４は、半導体装置内のキャリア伝導を解析するシミュレーションプログラムにより得られた関係である。
【００４１】
図４に示すように、本実施の形態によれば、キャリア密度４０は、比較例のキャリア密度４２より高くなる。例えば、消費電力が１６ｍＷの時、本実施の形態のキャリア密度４０は、２．２×１０１８ｃｍ−３である。一方、比較例のキャリア濃度は、１．０×１０１８ｃｍ−３である。すなわち、本実施の形態によれば、キャリア密度が２．２倍になり、その結果、自由キャリア吸収損失は２．２倍になる。
【００４２】
自由キャリア吸収損失Δα（ｃｍ−１）は、次式で表せることが知られている。
【００４３】
Δα＝8.5×10-18×n＋6.0×10-18×p ・・・・・ （１）
ここで、ｎ及びｐは、それぞれ電子及び正孔の密度である（ｎ及びｐの単位はｃｍ−３である。）。本実施の形態ではｎとｐが等しいので、吸収損失Δα（ｃｍ−１）は、次式のようになる。
【００４４】
Δα＝14.5×10-18×N ・・・・・ （２）
ここで、Ｎは、図４の縦軸に示したキャリア密度（＝ｎ＝ｐ）である。
【００４５】
式（２）によれば、（素子長１ｍｍ当たりの）消費電力１６ｍＷにおける伝搬光の消光比（電圧印加時と非印加時の出力光強度の比）は、コア１４の光閉じ込む係数を１とすると１３．９ｄＢになる（Δα=14.5cm-1）。一方、同じ条件における比較例の消光比は、６．３ｄＢである。すなわち、本実施の形態によれば、可変減衰器型の光スイッチ２の消光比が高くなる。
【００４６】
ところで、式（１）のキャリア密度ｎ,ｐの係数は、それぞれ電子及び正孔の移動に反比例することが知られている（非特許文献２）。本実施の形態では、コア１４に不純物が高濃度にドーピングされているので、電子及び正孔の移動は小さくなる。従って、キャリア密度ｎ,ｐの係数は、式（１）より大きくなっている。このため、本導波路型光デバイス２の実際の消光比は、上記値より更に大きくなる。
【００４７】
（３）製造方法
図５及び６は、本導波路型光デバイス２の製造方法を説明する工程断面図である。
【００４８】
まず、SOI基板１２のシリコン層をフォトリソグラフィ技術とドライエッチングにより加工して、コア１４を有する光導波層６を形成する。
【００４９】
次に、図５（ａ）に示すように、ｎ型領域１６の形成位置にフォトレジスト膜４４ａを形成する。
【００５０】
次に、図５（ｂ）に示すように、このフォトレジスト膜４４ａをマスクとして、光導波層６にp型ドーパント（例えば、燐）をイオン注入する。イオン注入は、光導波層６におけるｐ型不純物濃度が１×１０１９ｃｍ−３になる条件で行われる。これにより、コア１４を含むp型ドーパント注入領域４６が形成される。その後、フォトレジスト膜４４ａを除去する。
【００５１】
次に、図５（ｃ）に示すように、ｐ型領域２０の形成位置にフォトレジスト膜４４ｂを形成する。
【００５２】
次に、図６（ａ）に示すように、このフォトレジスト膜４４ｂをマスクとして、光導波層６にｎ型ドーパント（例えば、ボロン）をイオン注入する。イオン注入は、光導波層６におけるｎ型不純物濃度が１×１０１９ｃｍ−３になる条件で行われる。その後、フォトレジスト膜４４ｂを除去し、不純物を活性化する熱処理を行う。以上により、ｎ型領域１６、ｐ型領域２０、及びｎ型不純物とｐ型不純物がドーピングされた領域２３が形成される。
【００５３】
次に、図６（ｂ）に示すように、ｎ型領域１６及びｐ型領域２０の表面に夫々内部電極２８,３２を形成する。その後、光導波層６の表面に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によりＳｉＯ２膜を堆積して、第２のクラッド層８を形成する。
【００５４】
次に、図６（ｃ）に示すように、第２のクラッド層８に、層間配線３６,３８と外部電極３０,３４を形成する。その後、SOI基板１２を個々のチップに分割して、導波路型光デバイス２を完成する。
【００５５】
（実施の形態２）
本導波路型光デバイス５２は、プラズマ効果により分岐光の位相を変化させることで、入力光を変調するマッハツェンダー干渉計型の光スイッチである。
【００５６】
（１）構 造
図７は、本実施の形態の導波路型光デバイス５２の平面図である。
【００５７】
本導波路型光デバイス５２は、図７に示すように、第１の入力口４８ａに入力した光を第１の分岐光５４と第２の分岐光５６に分岐する分岐器５８を有している。この分岐器５８は、２入力２出力の多モード干渉導波路(Multi Mode Interference, MMI)である。
【００５８】
また、本導波路型光デバイス５２は、第１の分岐光５４が入射する第１の位相変調器６０ａと、第２の分岐光５６が入射する第２の位相変調器６０ｂを有している。
【００５９】
また、本導波路型光デバイス５２は、第１の位相器６０ａから出射した第１の分岐光５４と、第２の位相器６０ｂから出射した第２の分岐光５６とを結合して、第１の結合光６４ａ及び第１の結合光６４ｂを生成する結合器６２を有している。この結合器６２も、２入力２出力の多モード干渉導波路ＭＭＩである。
【００６０】
また、本導波路型光デバイス５２は、第１の結合光６４ａを出力する第１の出力口５０ａ及び第２の結合光６４ｂを出力する第１の出力口５０ｂを有している。
【００６１】
また、本導波路型光デバイス５２は、第１の光入力口４８ａと分岐器５８の間を接続する光導波路６６ａを有している。また、本導波路型光デバイス５２は、各光学素子（分岐器５８、位相変調器６０ａ,６０ｂ、結合器６２）の間を接続する光導波路６６ｂ〜６６ｅを有している。また、本導波路型光デバイス５２は、結合器６２と第１の光出力口５０ａの間を接続する光導波路６６ｆと結合器６２と第２の光出力口５０ｂの間を接続する光導波路６６ｇを有している。尚、本導波路型光デバイス５２は、第２の入力口４８ｂと、この第２の入力口４８ｂと分岐器５８の間を接続する光導波路６６ｈを有している。
【００６２】
ここで、上記各光学素子及び光導波路は、SOI基板のシリコン層に形成されている。本導波路型光デバイス５２は、実施の形態１の導波路型光デバイス５２と同様、このシリコン層を覆う絶縁性のクラッド層（例えば、ＳｉＯ２）を有している。
【００６３】
第１の位相変調器６０ａ及び第２の位相変調器６０ｂの構造は、図１乃至３を参照して説明した実施の形態１の可変減衰器型の光スイッチ２と略同じである。但し、第１及び第２の位相変調器６０ａ,６０bの素子長は、実施の形態１の可変減衰器型の光スイッチ２より短い。例えば、第１及び第２の位相変調器６０ａ,６０ｂの素子長は、１００〜２００μｍである。
【００６４】
分岐器５８、結合器６２、及び光導波路６６ａ〜６６ｈは、実施の形態１の可変減衰器型の光スイッチ２と略同じ導波路構造を有している。但し、これらの光学素子には不純物がドーピングされていない。また、分岐器５８及び結合器６２のコアは、実施の形態１の可変減衰器型の光スイッチ２のコアより広い幅を有している。
【００６５】
（２）動 作
次に、本導波路型光デバイス（マッハツェンダー干渉計型の光スイッチ）５２の動作を説明する。
【００６６】
本導波路型光デバイス５２の動作波長は、例えば、１．３μｍ又は、１．５５μｍである。第１の入力口４８ａに入射した光は、光導波路６６ａを伝搬して光分岐器５８に入射する。光分岐器５８に入射した光は、第１の分岐光５４と第２の分岐光５６に分岐される。第１の分岐光５４及び第２の分岐光５６は、光導波路６６ｂ,６６ｃを伝搬して、それぞれ第１の位相変調器６０ａ及び第２の位相変調器６０ｂに入射する。
【００６７】
第１の位相変調器６０ａに入射した第１の分岐光５４は、位相変調された後、第１の位相変調器６０ａから出射する。一方、第２の位相変調器６０ｂに入射した第２の分岐光５６は、伝搬路の光学長が（非変調時の）第１の分岐光５４と略同じなるように位相が調整された後、第２の位相変調器６０ｂから出射する。
【００６８】
第１の位相変調器６０ａから出射した第１の分岐光５４及び第２の位相変調器６０ｂから出射した第２の分岐光５６は、光導波路６６ｄ,６６ｅを伝搬して、光結合器６２に入射する。光結合器６２に入射した、第１の分岐光５４及び第２の分岐光５６は、結合されて第１の結合光６４ａ及び第２の結合光６４ｂになる。その後、第１の結合光６４ａは、光導波路６６ｆを伝搬して、第１の出力口５０ａから出力される。同様に、第２の結合光６４ｂは、光導波路６６ｇを伝搬して、第２の出力口５０ｂから出力される。
【００６９】
ここで、第１の位相変調器６０ａは、その外部電極３０ａ,３４ａを介して、ｎ型領域１６とｐ型領域２０の間に電気信号が印加され、コア１４に蓄積されたキャリアのプラズマ効果により、そのコア１４を伝搬する第１の分岐光５４の位相を変調する。位相の変化量は、例えば０またはπ（rad）である。
【００７０】
一方、第２の位相変調器６０ｂは、その外部電極３０ｂ,３４ｂを介してｎ型領域１６とｐ型領域２０の間に所定の電圧が印加される。ここで、第２の位相変調器６０ｂは、非変調時の第１の分岐光５４の伝搬路の光学長と第２の分岐光５６の伝搬路の光学長が略同じになるように、第２の分岐光５６の位相を調整する。従って、第１の結合光６４ａ及び第２の結合光６４ｂは、第１の位相変調器６０ａに印加された電気信号に従って点滅する。
【００７１】
第１の結合光６４ａと第２の結合光６４ｂの点滅のタイミングは、半周期ずれている。従って、第１の結合光６４ａ及び第２の結合光６４ｂのいずれか一方又は双方を、出力光として用いることができる。
【００７２】
本実施の形態の第１の位相変調器６０ａ及び第２の位相変調器６０ｂは、実施の形態１の可変減衰器型の光スイッチ２と同じキャリア閉じ込め構造を有している。従って、ｎ型領域１６とｐ型領域２０の間の領域２３に不純物をドーピングしない場合より、コア１４に閉じ込められるキャリアの密度が高くなる。その結果、プラズマ効果による屈折率変化が大きくなり、位相変調効率が高くなる。
【００７３】
実施の形態１で説明したように、素子長１ｍｍ当たり１６ｍＷの電力を入力した場合、コア１４に閉じ込められるキャリア密度は、上記領域２３に不純物をドーピングしない場合より２．２倍高くなる。従って、第１の位相変調器６０ａ及び第２の位相変調器６０ｂの素子長を、１／２．２に短縮することができる。因みに、この場合の屈折率変化は、−５．９×１０−３である。
【００７４】
上述したように、本実施の形態の光分岐器５８及び光結合器６２は、ＭＭＩである。しかし、光分岐器５８及び光結合器６２は、他の光学素子、例えば方向性結合器やＹ分岐導波路であってもよい。また、本導波路型光デバイス５２は、位相変調器を２つ有している。しかし、位相変調器は一つだけであってもよい。
【００７５】
また、本実施の形態では、位相変調器６０ａ,６０ｂは、マッハツェンダー干渉計型の光スイッチ５８の一部である。しかし、位相変調器６０ａ,６０ｂは、単独の光デバイスとしても用いることができる。
【００７６】
以上の実施の形態では、光導波層６は結晶シリコンである。しかし、光導波層６は、他の結晶半導体層、例えば、結晶ＧａＡｓ層や結晶ＩｎＰ層であってもよい。
【００７７】
また、以上の実施の形態では、SOI基板のシリコン層に光導波層６を形成している。しかし、他の基板、例えば石英基板にシリコン層を設け、このシリコン層に光導波層６を形成してもよい。
【００７８】
また、以上の実施の形態では、第１のクラッド層４及び第２のクラッド層８はＳｉＯ２層である。しかし、第１のクラッド層４及び第２のクラッド層８は、他の絶縁層、例えば、シリコン窒化酸化層（SiNO層）やシリコン窒化層（SiN層）であってもよい。
【００７９】
また、以上の実施の形態では、SOI基板のシリコン層には、光導波路と光学素子だけが設けられている。しかし、SOI基板のシリコン層に、導波路型光デバイス２,５２の駆動回路等の電子回路を形成してもよい。
【００８０】
以上の実施の形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【００８１】
（付記１）
絶縁性の第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層の一面に設けられた半導体の光導波層と、
前記光導波層を覆う絶縁性の第２のクラッド層とを有し、
前記光導波層は、一方向に延在するコアと、前記コアの一方の側面に接し前記コアより薄い第１のスラブ部と、前記コアの他方の側面に接し前記コアより薄い第２のスラブ部とを有し、
前記第１のスラブ部は、前記コアに沿うｎ型領域を有し、
前記第２のスラブ部は、前記コアに沿うｐ型領域を有し、
前記ｎ型領域と前記ｐ型領域の間の領域には、バンドギャップが前記ｎ型領域及び前記ｐ型領域より狭くなるように、ｎ型不純物及びｐ型不純物がドーピングされている
導波路型光デバイス。
【００８２】
（付記２）
付記１に記載の導波路型光デバイスにおいて、
更に、前記領域の前記ｎ型不純物のキャリア濃度は、前記ｐ型不純物のキャリア濃度により補償されていることを、
特徴とする導波路型光デバイス。
【００８３】
（付記３）
付記１または２に記載の導波路型光デバイスにおいて、
更に、前記ｎ型領域と前記ｐ型領域の間に電気信号が印加され、前記コアを伝搬する光の強度が変調されることを、
特徴とする導波路型光デバイス。
【００８４】
（付記４）
付記１または２に記載の導波路型光デバイスにおいて、
更に、前記ｎ型領域と前記ｐ型領域の間に電気信号が印加され、前記コアを伝搬する光の位相が変調されることを、
特徴とする導波路型光デバイス。
【００８５】
（付記５）
絶縁性の第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層の一面に設けられた半導体の光導波層と、
前記光導波層を覆う絶縁性の第２のクラッド層とを有し、
前記光導波層は、一方向に延在するコアと、前記コアの一方の側面に接し前記コアより薄い第１のスラブ部と、前記コアの他方の側面に接し前記コアより薄い第２のスラブ部とを有し、
前記第１のスラブ部は、前記コアに沿うｎ型領域を有し、
前記第２のスラブ部は、前記コアに沿うｐ型領域を有し、
前記ｎ型領域と前記ｐ型領域の間の領域には、１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下の濃度でｎ型不純物がドーピングされ、且つ１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下の濃度でｐ型不純物がドーピングされている
導波路型光デバイス。
【００８６】
（付記６）
付記５に記載の導波路型光デバイスにおいて、
更に、前記領域の前記ｎ型不純物と前記ｐ型不純物の濃度差が、２×１０17ｃｍ−３以下であることを、
特徴とする導波路型光デバイス。
【符号の説明】
【００８７】
２・・・実施の形態１の導波路型光デバイス
４・・・第１のクラッド層
６・・・光導波層
８・・・第２のクラッド層
１４・・・コア
１６・・・ｎ型領域
１８・・・第１のスラブ部
２０・・・ｐ型領域
２２・・・第２のスラブ部
２３・・・ｎ型領域とｐ型領域の間の領域
５２・・・実施の形態２の導波路型光デバイス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性の第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層の一面に設けられた半導体の光導波層と、
前記光導波層を覆う絶縁性の第２のクラッド層とを有し、
前記光導波層は、一方向に延在するコアと、前記コアの一方の側面に接し前記コアより薄い第１のスラブ部と、前記コアの他方の側面に接し前記コアより薄い第２のスラブ部とを有し、
前記第１のスラブ部は、前記コアに沿うｎ型領域を有し、
前記第２のスラブ部は、前記コアに沿うｐ型領域を有し、
前記ｎ型領域と前記ｐ型領域の間の領域には、バンドギャップが前記ｎ型領域及び前記ｐ型領域より狭くなるように、ｎ型不純物及びｐ型不純物がドーピングされている
導波路型光デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の導波路型光デバイスにおいて、
更に、前記領域の前記ｎ型不純物のキャリア濃度は、前記ｐ型不純物のキャリア濃度により補償されていることを、
特徴とする導波路型光デバイス。
【請求項３】
絶縁性の第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層の一面に設けられた半導体の光導波層と、
前記光導波層を覆う絶縁性の第２のクラッド層とを有し、
前記光導波層は、一方向に延在するコアと、前記コアの一方の側面に接し前記コアより薄い第１のスラブ部と、前記コアの他方の側面に接し前記コアより薄い第２のスラブ部とを有し、
前記第１のスラブ部は、前記コアに沿うｎ型領域を有し、
前記第２のスラブ部は、前記コアに沿うｐ型領域を有し、
前記ｎ型領域と前記ｐ型領域の間の領域には、１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下の濃度でｎ型不純物がドーピングされ、且つ１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下の濃度でｐ型不純物がドーピングされている
導波路型光デバイス。
【請求項４】
請求項３に記載の導波路型光デバイスにおいて、
更に、前記領域の前記ｎ型不純物と前記ｐ型不純物の濃度差が、２×１０17ｃｍ−３以下であることを、
特徴とする導波路型光デバイス。
【請求項１】
絶縁性の第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層の一面に設けられた半導体の光導波層と、
前記光導波層を覆う絶縁性の第２のクラッド層とを有し、
前記光導波層は、一方向に延在するコアと、前記コアの一方の側面に接し前記コアより薄い第１のスラブ部と、前記コアの他方の側面に接し前記コアより薄い第２のスラブ部とを有し、
前記第１のスラブ部は、前記コアに沿うｎ型領域を有し、
前記第２のスラブ部は、前記コアに沿うｐ型領域を有し、
前記ｎ型領域と前記ｐ型領域の間の領域には、バンドギャップが前記ｎ型領域及び前記ｐ型領域より狭くなるように、ｎ型不純物及びｐ型不純物がドーピングされている
導波路型光デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の導波路型光デバイスにおいて、
更に、前記領域の前記ｎ型不純物のキャリア濃度は、前記ｐ型不純物のキャリア濃度により補償されていることを、
特徴とする導波路型光デバイス。
【請求項３】
絶縁性の第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層の一面に設けられた半導体の光導波層と、
前記光導波層を覆う絶縁性の第２のクラッド層とを有し、
前記光導波層は、一方向に延在するコアと、前記コアの一方の側面に接し前記コアより薄い第１のスラブ部と、前記コアの他方の側面に接し前記コアより薄い第２のスラブ部とを有し、
前記第１のスラブ部は、前記コアに沿うｎ型領域を有し、
前記第２のスラブ部は、前記コアに沿うｐ型領域を有し、
前記ｎ型領域と前記ｐ型領域の間の領域には、１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下の濃度でｎ型不純物がドーピングされ、且つ１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下の濃度でｐ型不純物がドーピングされている
導波路型光デバイス。
【請求項４】
請求項３に記載の導波路型光デバイスにおいて、
更に、前記領域の前記ｎ型不純物と前記ｐ型不純物の濃度差が、２×１０17ｃｍ−３以下であることを、
特徴とする導波路型光デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２４２４８７（Ｐ２０１１−２４２４８７Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１２７４１（Ｐ２０１０−１１２７４１）
【出願日】平成２２年５月１７日（２０１０．５．１７）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１７日（２０１０．５．１７）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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