JP2017045009A

JP2017045009A - 光変調器

Info

Publication number: JP2017045009A
Application number: JP2015169750A
Authority: JP
Inventors: 浩福田; Hiroshi Fukuda; 新亀井; Arata Kamei; 健都築; Takeshi Tsuzuki; 真地蔵堂; Makoto Jizodo; 清史菊池; Kiyoshi Kikuchi
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2017-03-02

Abstract

【課題】製造時間および光損失を増大させることなく、かつ、電圧が印加されていない状態における空乏領域を最小限に抑え、高い変調効率を実現する光変調器を提供すること。【解決手段】シリコン光変調器２００は、シリコン基板２０１と、シリコン基板上のシリコン酸化膜からなる下部クラッド層２０２と、下部クラッド層２０２上の表面シリコン層を整形した凸部２１０および凸部２１０の両側に横方向に延びる凸部２１０よりも膜厚の薄いスラブ領域からなるリブ導波路２０３と、リブ導波路２０３上に形成された上部クラッド層２０４を備える。リブ導波路２０３は、凸部２１０の中央付近のｐ型不純物とｎ型不純物の双方が打ち込まれているオーバーラップ領域２１５を挟んで、それぞれスラブ領域に広がるｐ型不純物領域２１１およびｎ型不純物領域２１２が形成され、ＰＮ接合を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、光通信に用いる光変調器に関し、より詳細には、シリコンオンインシュレータウエハ上に形成したキャリア引抜型の光変調器に関する。

近年の光通信の普及に伴い、光通信装置の低コスト化が求められている。その解決策の１つとして、光通信装置を構成する光回路を、シリコンウエハのような大口径ウエハ上に、シリコンフォトニクスのような微小光回路技術を用いて形成する方法がある。これにより、１チップあたりの材料費を劇的に下げ、光通信装置の低コスト化を図ることが出来る。

このような技術を用いてシリコン基板上に形成する代表的な光変調器としては、キャリア引抜型のシリコン変調器がある。図１は、従来のキャリア引抜型のシリコン光変調器の構造を模式的に示す断面図である。シリコン光変調器１００は、シリコン基板、シリコン酸化膜、表面シリコン層からなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板にリソグラフィ技術等を用いて形成される。シリコン光変調器１００は、シリコン基板１０１と、シリコン基板上のシリコン酸化膜からなる下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２上の表面シリコン層を整形したリブ導波路１０３およびリブ導波路１０３上に形成された上部クラッド１０４からなる。リブ導波路１０３は凸部１１０および凸部１１０の両側に横方向に延びる凸部１１０よりも膜厚の薄いスラブ領域１２０を備える。

リブ導波路１０３は、凸部１１０の中央付近の不純物が打ち込まれていない領域１１５を挟んで、それぞれスラブ領域１２０に広がるｐ型不純物領域１１１およびｎ型不純物領域１１２が形成され、ＰＮ接合を有する。

また、ｐ型不純物領域１１１上には、ｐ型不純物領域１１１に接するように高濃度ｐ型不純物領域１１３が形成され、高濃度ｐ型不純物領域１１３とオーミック接合を形成する金属電極１１６を備える。同様に、ｎ型不純物領域１１２上には、ｎ型不純物領域１１２に接するように高濃度ｎ型不純物領域１１４が形成され、高濃度ｎ型不純物領域１１４とオーミック接合を形成する金属電極１１７を備える。

キャリア引抜型のシリコン光変調器は、外部から印加する電圧を変化させることで、ｐｎ接合周辺に形成される空乏層領域を増減させ、電圧が印加されていないときの不純物領域の屈折率と、電圧印加後の空乏領域の屈折率の差で光の位相を変調する。

特表２００２−５４０４６９号公報

しかしながら、従来のように、光導波路部分に不純物が打ち込まれていない領域１１５を有する場合、電圧が印加されても変化しない空乏領域が存在するため、変調効率を損ねるという課題がある。

図２は、図１の線分Ａに沿って不純物濃度をプロットした図である。ここではｐ型不純物領域１１１のｐ型不純物濃度１１の値を１とし、ｎ型不純物領域１１２のｎ型不純物濃度１２の値を２としている。そして、不純物が打ち込まれていない領域１１５の不純物濃度がゼロに近い部分１０が大きく存在する。この領域１０は、電圧印加してもキャリア引抜が行われず、光変調に寄与しないため変調効率が低下する原因となる。

電圧が印加されていない状態での空乏領域を最小限に抑えるためには、例えば、全面にｐ型不純物領域を形成した後に、高濃度にｎ型不純物イオンを局所的に打ち込み、ｐ型不純物領域を局所的にｎ型不純物領域に反転させる方法などがある。

しかし、この方法では、高濃度に不純物イオンを打ち込むため、製造時間が長くなるといった課題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、製造時間を増大させることなく、かつ、電圧が印加されていない状態における空乏領域を最小限に抑え、高い変調効率を実現する光変調器を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明に係る光変調器は、ｐ型不純物領域とｎ型不純物領域の一部が重なっている構造を有していることを特徴とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、光変調器であって、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された凸部および前記凸部の両側の第１および第２のスラブ領域とからなる、リブ導波路であって、前記凸部はｐ型不純物が打ち込まれたｐ型不純物領域、ｐ型不純物およびｎ型不純物が打ち込まれたオーバーラップ領域、ならびにｎ型不純物が打ち込まれたｎ型不純物領域を含み、前記凸部のp型不純物領域側の前記第１のスラブ領域はp型不純物領域を含み、前記凸部のｎ型不純物領域側の前記第２のスラブ領域はｎ型不純物領域を含む、リブ導波路と、前記リブ導波路上に形成された上部クラッド層と、前記第１のスラブ領域および前記第２のスラブ領域にそれぞれ接合された電極と、を備えたことを特徴する。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の光変調器において、前記第１のスラブ領域は、高濃度p型不純物領域を含み、前記第２のスラブ領域は、高濃度ｎ型不純物領域を含み、前記電極は、前記第１のスラブ領域の高濃度p型不純物領域および前記第２のスラブ領域の高濃度ｎ型不純物領域とそれぞれオーミック接続を形成していることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光変調器において、前記下部クラッド層は、シリコン酸化膜であることを特徴とする。

本発明は、製造時間を増大させることなく、かつ、電圧が印加されていない状態での空乏領域を最小限に抑えて高い変調効率を実現する。

従来のキャリア引抜型のシリコン光変調器の構造を模式的に示す断面図である。図１の線分Ａに沿って不純物濃度をプロットした図である。本発明の一実施形態に係る光変調器の構造を模式的に示す図であり、（ａ）は上部クラッド層２０４を省いた平面図であり、（ｂ）は図３（ａ）の線分Ｂ−Ｂ’の断面図である。図３（ｂ）の線分Ａに沿って不純物濃度をプロットした図である。本発明の一実施形態に係る光変調器のオーバーラップ領域２１５の形成プロセスを説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図３は、本発明の一実施形態に係る光変調器の構造を模式的に示す図である。図３（ａ）は、構造を分かり易くするために、図３（ｂ）に示す上部クラッド層２０４を省いた平面図を示しており、図３（ｂ）は図３（ａ）の線分Ｂ−Ｂ’の断面図を示している。

シリコン光変調器２００は、シリコン基板、シリコン酸化膜、表面シリコン層からなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板にリソグラフィ技術等を用いて形成される。シリコン光変調器２００は、シリコン基板２０１と、シリコン基板上のシリコン酸化膜からなる下部クラッド層２０２と、下部クラッド層２０２上の表面シリコン層を整形した凸部２１０および凸部２１０の両側に横方向に延びる凸部２１０よりも膜厚の薄いスラブ領域２２０からなるリブ導波路２０３と、リブ導波路２０３上に形成された上部クラッド層２０４を備える。リブ導波路２０３は、凸部２１０の中央付近のｐ型不純物とｎ型不純物の双方が打ち込まれているオーバーラップ領域２１５を挟んで、それぞれスラブ領域２２０に広がるｐ型不純物領域２１１およびｎ型不純物領域２１２が形成され、ＰＮ接合を有する。

また、ｐ型不純物領域２１１上には、ｐ型不純物領域２１１に接するように高濃度ｐ型不純物領域２１３が形成され、高濃度ｐ型不純物領域２１３とオーミック接合を形成する金属電極２１６を備える。同様に、ｎ型不純物領域２１２上には、ｎ型不純物領域２１２に接するように高濃度ｎ型不純物領域２１４が形成され、高濃度ｎ型不純物領域２１４とオーミック接合を形成する金属電極２１７を備える。

図４は、図３の線分Ａに沿って不純物濃度をプロットした図である。ここではｐ型不純物領域２１１のｐ型不純物濃度２１の値を１とし、ｎ型不純物領域２１２のｎ型不純物濃度２２の値を２としている。オーバーラップ領域２１５にも不純物が存在する結果、オーバーラップ領域２１５の不純物濃度２３はゼロにはならず、不純物濃度がゼロの領域は存在しない。このオーバーラップ領域２１５は、電圧印加によりキャリア引抜が行われることで空乏領域が変化するため、光変調に寄与できる。その結果、オーバーラップ領域２１５による変調効率の低減が抑制される。

図５は、本発明の一実施形態に係る光変調器のオーバーラップ領域２１５の形成プロセスを説明する図である。半導体製造プロセスで一般的に用いられるリソグラフィ技術等を用いて、表面シリコン層にリブ導波路を形成する（Ａ）。リブ導波路の右半分を遮蔽体３３１で遮蔽した後、ｐ型イオン３２１を打ち込み（Ｂ）、遮蔽体３３１を取り除く（Ｃ）。リブ導波路の左半分を遮蔽体３３２で遮蔽した後、ｎ型イオン３２２を打ち込み（Ｄ−２）、遮蔽体３３２を取り除く（Ｅ−２）。

以上のプロセスを経て、さらに高濃度ｐ型不純物領域２１３、高濃度ｎ型不純物領域２１４を形成し、上部クラッド層２０４、金属電極２１６、２１７を形成することでシリコン光変調器は形成される。

図５の（Ｄ−１）、（Ｅ−１）に、従来技術と本発明との差異を説明するため、従来の不純物が打ち込まれていない領域７の作成プロセスを示しているが、従来技術と本発明との差異は、ｎ型イオン３２２を打ち込む時にｐ型不純物領域を完全に遮蔽体３３２で覆うか否かである。従来は、遮蔽体３３２がｐ型不純物領域よりも広い領域を遮蔽し、不純物が打ち込まれていない領域１１５を形成していた。一方、本発明では、（Ｄ−２）のように遮蔽体３３２がｐ型不純物領域の一部を遮蔽しないように設けている。これにより、ｐ型不純物領域とｎ型不純物領域の間にｐ型不純物とｎ型不純物とを含むオーバーラップ領域２１５を形成する。このオーバーラップ領域２１５は、追加のプロセス無しにｎ型不純物領域と同時に形成されるため、製造時間は従来の製造時間と同程度である。

１０１、２０１シリコン基板
１０２、２０２下部クラッド層
１０３、２０３リブ導波路
１０４、２０４上部クラッド層
１１１、２１１ｐ型不純物領域
１１２、２１２ｎ型不純物領域
１１３、２１３高濃度ｐ型不純物領域
１１４、２１４高濃度ｎ型不純物領域
１１６、１１７、２１６、２１７金属電極
１２０、２２０スラブ領域
１１５不純物が打ち込まれていない領域
２１５オーバーラップ領域
１０不純物が打ち込まれていない領域の不純物濃度
１１、２１ｐ型不純物濃度
１２、２２ｎ型不純物濃度
２３オーバーラップ領域の不純物濃度
３２１ｐ型イオン
３２２ｎ型イオン
３３１、３３２遮蔽体

Claims

シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に形成された凸部および前記凸部の両側の第１および第２のスラブ領域とからなる、リブ導波路であって、前記凸部はｐ型不純物が打ち込まれたｐ型不純物領域、ｐ型不純物およびｎ型不純物が打ち込まれたオーバーラップ領域、ならびにｎ型不純物が打ち込まれたｎ型不純物領域を含み、前記凸部のp型不純物領域側の前記第１のスラブ領域はp型不純物領域を含み、前記凸部のｎ型不純物領域側の前記第２のスラブ領域はｎ型不純物領域を含む、リブ導波路と、
前記リブ導波路上に形成された上部クラッド層と、
前記第１のスラブ領域および前記第２のスラブ領域にそれぞれ接合された電極と、
を備えたことを特徴する光変調器。
前記第１のスラブ領域は、高濃度p型不純物領域を含み、
前記第２のスラブ領域は、高濃度ｎ型不純物領域を含み、
前記電極は、前記第１のスラブ領域の高濃度p型不純物領域および前記第２のスラブ領域の高濃度ｎ型不純物領域とそれぞれオーミック接続を形成していることを特徴とする請求項１記載の光変調器。
前記下部クラッド層は、シリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光変調器。