特許 6206878 光半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6206878

(24)【登録日】2017年9月15日

(45)【発行日】2017年10月4日

(54)【発明の名称】光半導体装置

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/015 20060101AFI20170925BHJP

   G02F 1/025 20060101ALI20170925BHJP

   G02B 6/12 20060101ALI20170925BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/015 501

   G02F1/025

   G02B6/12 363

【請求項の数】12

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2014-513816(P2014-513816)

(86)(22)【出願日】2014年2月28日

(86)【国際出願番号】JP2014055124

(87)【国際公開番号】WO2015129039

(87)【国際公開日】20150903

【審査請求日】2016年1月28日

(31)【優先権主張番号】特願2014-35644(P2014-35644)

(32)【優先日】2014年2月26日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100098729

【弁理士】

【氏名又は名称】重信 和男

(74)【代理人】

【識別番号】100133282

【弁理士】

【氏名又は名称】内野 春喜

(74)【代理人】

【識別番号】100116757

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 英雄

(74)【代理人】

【識別番号】100123216

【弁理士】

【氏名又は名称】高木 祐一

(74)【代理人】

【識別番号】100163212

【弁理士】

【氏名又は名称】溝渕 良一

(74)【代理人】

【識別番号】100148161

【弁理士】

【氏名又は名称】秋庭 英樹

(74)【代理人】

【識別番号】100156535

【弁理士】

【氏名又は名称】堅田 多恵子

(72)【発明者】

【氏名】亀井 利浩

(72)【発明者】

【氏名】武井 亮平

(72)【発明者】

【氏名】森 雅彦

(72)【発明者】

【氏名】▲榊▼原 陽一

(72)【発明者】

【氏名】岡野 誠

【審査官】 野口 晃一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１９８４６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０４１１３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０６５０３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０５３３９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００１−５００２８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００５−５０８０１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０７４９６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０３１５１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−３１６４８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２８３９２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５４０４５２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ６／１２− ６／１４

Ｇ０２Ｆ １／００− １／１２５

１／２１− １／３３５

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

Ｇｏｏｇｌｅ Ｓｃｈｏｌａｒ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリコンを含む非晶質半導体層からなる第１の光導波路と、水素化非晶質Ｓｉ−Ｇｅからなるｉ型半導体層を構成要素として含む第２の光導波路とが、光学的な相互作用が及ぶ範囲で異なる層に配置されており、第２の光導波路の少なくとも一部にはｐ型半導体層、該ｉ型半導体層及びｎ型半導体層からなるｐｉｎ接合構造を有する電気光変調器が備えられており、電気光変調器により第２の光導波路の屈折率を変化させることにより、第１の光導波路を伝搬する光波を変調する光半導体装置であって、
該電気光変調器のｐｉｎ接合を構成するｐ型半導体層及びｎ型半導体層の少なくとも一方は、シリコンを含む結晶性半導体層であることを特徴とする光半導体装置。

【請求項2】

上記第１の光導波路を構成するシリコンを含む非晶質半導体層は、水素化非晶質シリコン層であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。

【請求項3】

上記シリコンを含む結晶性半導体層は、微結晶シリコン層からなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置。

【請求項4】

上記シリコンを含む結晶性半導体層は、レーザー結晶化シリコン層からなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置。

【請求項5】

上記シリコンを含む結晶性半導体層は、金属触媒による固相化結晶シリコン層からなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置。

【請求項6】

上記シリコンを含む結晶性半導体層は、単結晶シリコン層からなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置。

【請求項7】

上記シリコンを含む結晶性半導体層は、微結晶ＳｉＣ層であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置。

【請求項8】

上記シリコンを含む結晶性半導体層は、微結晶ＳｉＯ層であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置。

【請求項9】

上記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層は、上記第２の光導波路の構成要素である上記水素化非晶質Ｓｉ−Ｇｅからなるｉ型半導体層を介して縦方向に積層して配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の光半導体装置。

【請求項10】

上記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層は、上記第２の光導波路の構成要素である上記水素化非晶質Ｓｉ−Ｇｅからなるｉ型半導体層を介して横方向に隣接して配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の光半導体装置。

【請求項11】

上記水素化非晶質Ｓｉ−Ｇｅからなるｉ型半導体層を構成要素として含む第２の光導波路は、リング共振器型光導波路であることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の光半導体装置。

【請求項12】

上記光半導体装置は、マッハツェンダー干渉計であり、干渉アーム内に層間膜によって積層方向に隔離して、上記ｐｉｎ接合構造を有する電気光変調器が備えられた第２の光導波路が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の光半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気光変調器を備えた光半導体装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

同一のシリコン基板上に光デバイスと電子デバイスを融合的に高密度集積するシリコンフォトニクス技術が大きな注目を集めている。この技術は、光通信分野への応用は勿論のこと、集積回路の光インターコネクション分野への応用も大いに期待され、現在も活発に研究開発がすすめられている。

【0003】

シリコンフォトニクス技術では、結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）が埋め込み酸化膜（ＢＯＸ）上に形成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いるのが一般的であるが、ｃ−Ｓｉの形成には一般的に１１００℃以上の極めて高温の工程を必要とすることや、ＳＯＩ基板が高価であるといった問題がある。
そこで、４００℃以下の低温で成膜可能でありながら、ｃ−Ｓｉに匹敵するかあるいは非線形光学特性など一部では凌駕するような光学特性を持つ水素化非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）を用いたシリコンフォトニクス技術が提案され、これまでに様々な受動素子の研究開発はなされてきた。

【0004】

ところが、光波を搬送波として電気的な信号の通信を行うためには、高速な電気光変換素子や、光路を電気信号で切り替えるような光スイッチング素子などの能動素子が必要であることは言うまでもないが、これらに関連する報告はそう多くはない。その理由として、ａ−Ｓｉ：Ｈは非晶質材料であるために移動度や導電率等の電気的特性が乏しいことが挙げられる。

【0005】

一方で、非特許文献１に示されているように、何かしらの手法によりａ−Ｓｉ：Ｈの内部に注入あるいは励起された電子は、非常に短時間、典型的にはサブピコ秒の間に緩和していくことが知られており、これはキャリアの波動関数が拡がった状態から局在化した状態、具体的には、裾状態への緩和が極めて速いことに起因する。裾状態は、Ｓｉの結合長や結合角の揺らぎに由来するので、この高速なキャリア緩和はランダム構造に起因する非晶質半導体特有の現象といえる。
ｃ−Ｓｉをベースとした電気光変調器はこれまで数多く報告されている（例えば、特許文献１）が、ｃ−Ｓｉの場合はこの緩和時間が比較的遅く、変調速度を制限する主要な要因の一つとなっている。つまり、キャリア緩和時間の点では、ｃ−Ｓｉに比べてａ−Ｓｉ：Ｈは高速な電気光変調器として有利な特性を有していると言える。

【0006】

図６に、非特許文献２に開示された従来の電気光変調器の断面模式図を示す。
この電気光変調器は、シリコン基板１０１上に不純物を添加していないｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１０３を導波路コアとして備え、下クラッドとして、シリコン基板１０１とｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１０３との間に、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈと同様に低温成長可能でありながらｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈよりもやや屈折率の低い水素化非晶質シリコンカーバイド（ａ−ＳｉＣ：Ｈ）に不純物を添加してｐ型半導体としたｐ型ａ−ＳｉＣ：Ｈ層１０２と、上クラッド層として、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１０３の上に不純物の添加されたｎ型ａ−ＳｉＣ：Ｈ層１０４と、その上部に酸化亜鉛／アルミニウム電極１０５とを備えている。

【0007】

図６に示す電気光変調器は、最も屈折率の高いｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１０３を導波路コアとする光導波路構造を構成すると同時に、ｐ型層（１０２）、ｉ型層（１０３）、ｎ型層（１０４）は、ｐｉｎ構造を構成している。
この電気光変調器では、ｎ型層（１０４）、ｐ型層（１０２）のａ−ＳｉＣ：Ｈの導電率はそれぞれ、２．３×１０^−６Ｓ／ｃｍ、１．９×１０^−８Ｓ／ｃｍの各導電率を有している。

【0008】

上記電気光変調器は、シリコン基板１０１と導波路上部の酸化亜鉛／アルミニウム層１０５を通してｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１０３に電圧が印加されるように外部電源に接続される。ｉ型層（１０３）に逆バイアスが印加された時、空乏層はそれぞれｐ型層（１０２）、ｎ型層（１０４）側へ広がり、ｉ型層（１０３）のキャリア密度が減少し、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１０３の屈折率が増加する。

【0009】

それにより、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１０３を導波路コアとする導波路中を伝搬する光波の位相に変調を施すことができる。この場合、上記電気光変調器の動作速度は、主にｐ型層（１０２）、ｎ型層（１０４）の移動度と導電率によって制限されるが、非特許文献２に記載の電気光変調器の場合、ｐ型層（１０２）とｎ型層（１０４）に移動度と導電率が極めて低いａ−ＳｉＣ：Ｈを用いているために、１Ｇｂｐｓを超えるような高速な変調動作を得ることは極めて困難である。すなわち、この電気光変調器においては、ａ−Ｓｉ：Ｈの高速キャリア緩和特性が生かされていない。

【0010】

上記の問題点を解決するため、発明者らは先の特許出願（特許文献２参照）において新規な電気光変調器を提案している。
図７に、提案した電気光変調器の一例の断面模式図を示す。
この電気光変調器は、シリコン基板２０１上にシリコン基板を熱酸化して得られたシリコン熱酸化膜２０２を備え、その上に０．１μｍ厚程度のＢ（ボロン）添加のｐ型水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層２０３と、１．３μｍ厚程度の無添加のｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層２０４と、０．１μｍ厚程度のＰ（リン）添加のｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層２０５とが縦方向に積層されている。
さらにその上に、シリコン酸化膜２０６と、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）膜２０７と、アルミニウム（Ａｌ）からなる電極２０８、２０９とを備える。

【0011】

２０３、２０４及び２０５の各層は、それぞれ同等程度の屈折率（３．４〜３．６）を有しており、また、屈折率１．４４程度の、シリコン熱酸化膜２０２、シリコン酸化膜２０６及びＩＴＯ膜２０７よりも屈折率が高いために、光導波路コアとして機能し、ここを光波が伝搬する。
光導波路は、幅３．０μｍ程度、高さ１．５μｍ程度、リブ高さ０．１μｍ程度のリブ型構造を構成している。また、２０３、２０４及び２０５の各層は、ｐｉｎ構造を構成しており、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層２０４に電子あるいは正孔を注入することができる。

【0012】

図８に、本発明者らが提案した電気光変調器の他の一例の断面模式図を示す。
この電気光変調器は、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層を、ｉ型非晶質半導体からなる光導波路を介して縦方向に積層して配置するとともに、上面での電極取り出しを可能としたものである。
図８に示す電気光変調器は、シリコン基板３０１上にシリコン基板を熱酸化して得られたシリコン熱酸化膜３０２を備え、その上にＢ（ボロン）添加のｐ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層３０３と、縦方向に積層した無添加のｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層３０４と、Ｐ（リン）添加のｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層３０５とを備える。
さらにその上に、シリコン酸化膜３０６と、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛）膜３０７と、電極３０８とを備えている。また、Ｂ（ボロン）添加のｐ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層３０３の引出電極として、ＩＺＯ膜３０９と、電極３１０とを備える。

【0013】

３０３、３０４及び３０５の各層は、それぞれ同等程度の屈折率（３．４〜３．６）を有しており、屈折率１．４４程度の、シリコン熱酸化膜３０２、シリコン酸化膜３０６及びＩＺＯ膜３０７よりも屈折率が高いために、光導波路コアとして機能し、ここを光波が伝搬する。
光導波路は典型的には幅０．５μｍ程度、高さ０．２μｍ程度の細線型構造を構成している。
また、３０３、３０４及び３０５の各層はｐｉｎ構造を構成しており、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層３０４に電子及び正孔を注入することができる。

【0014】

以上、本発明者らが提案した電気光変調器の一部を紹介したが、提案した電気光変調器についてまとめると次のようになる。
（１）シリコンを含むｉ型非晶質半導体からなる光導波路と、ｉ型非晶質半導体からなる光導波路を介して相互に離隔して配置されｉ型非晶質半導体からなる光導波路とともに光導波路を構成する、シリコンを含むｐ型半導体層及びシリコンを含むｎ型半導体層を備えた電気光変調器であって、上記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層の少なくとも一方は結晶性半導体層である電気光変調器。
（２）ＳＯＩ基板、光集積回路基板等の基板と、基板上に形成されたシリコンを含むｉ型非晶質半導体からなる光導波路と、ｉ型非晶質半導体からなる光導波路を介して相互に離隔して配置されｉ型非晶質半導体からなる光導波路とともに光導波路を構成する、シリコンを含むｐ型半導体層及びシリコンを含むｎ型半導体層を備えた電気光変調器であって、上記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層の少なくとも一方は結晶性半導体層である電気光変調器。
上記の電気光変調器は、上記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層間に電圧を印加するかあるいは電流を流すことにより、上記ｉ型非晶質半導体からなる光導波路の屈折率を可変とするものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0015】

【特許文献1】特表２００９−５３７８７１号公報

【特許文献2】特願２０１４−２７７７２号

【非特許文献】

【0016】

【非特許文献1】Y. Shoji, T. Ogasawara, T. Kamei, Y. Sakakibara, S. Suda, K. Kintaka, H. Kawashima, M. Okano, T. Hasama, H. Ishikawa, and M. Mori, “Ultrafast nonlinear effects in hydrogenated amorphous silicon wire waveguide,” Opt. Express 18, 5668-5673 (2010).

【非特許文献2】F. G. Della Corte, S. Rao, G. Coppola, and C. Summonte, “Electro-optical modulation at 1550 nm in an as-deposited hydrogenated amorphous silicon p-i-n waveguiding device,” Opt. Express 19, 2941-2951 (2011).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0017】

シリコン光導波路型の電気光変調器においては、光導波路中のキャリア密度を制御するためのｐｎ接合やｐｉｎ接合等の機構をシリコン光導波路構造に付与する。
ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）やＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced CVD）などにより、低温成長したシリコン薄膜に依り上記機構を実現する際には、ＳｉＨ_４などの原料ガスにＢ_２Ｈ_６、ＰＨ_３などの不純物ガスを添加することにより、価電子制御を行い、ｐ型シリコン層、ｉ型シリコン層、ｎ型シリコン層を連続して成膜するため、縦にｐｉｎが積層された構造となる。
一方、Ｂ（ボロン）やＰ（リン）などの不純物が添加されたシリコンは、室温で多くの自由キャリアが存在しており、主に光通信で使用される波長帯（波長１５５０ｎｍを中心とする波長帯）においてＤｒｕｄｅの関係式に従い自由キャリア密度におおむね比例する光学的な吸収を持つことが実験的に確かめられている。電気光変調器を高速に駆動させるために、ｐ型シリコン層、ｎ型シリコン層の導電率はなるべく高い方が望ましいが、一方で光吸収が増大するという問題がある。このため、変調器機能を持たない導波路しては、不純物の添加量が少ないか、添加されていないｉ型シリコン層を用いることが望ましい。

【0018】

この時、積層型ｐｉｎ構造の電気光変調器とｉ型シリコン層からなる光導波路とを光学的に接続するのは極めて困難であり、電気光変調器箇所にのみｐ型シリコン層とｎ型シリコン層をパターニングとエッチングで形成する必要があるため、ｐｉｎ構造を連続して作製できないなど製造プロセスが複雑化し高コスト化が免れない。

【0019】

一方、横型ｐｉｎ構造又はｐｎ構造の電気光変調器においては、ｉ型シリコン層との光学的な結合は、それほど困難ではないが、例えば、リング共振器型電気光変調器と導波路を光学的に結合させるには、通常、同一面内で両者の間に２００ｎｍのギャップを形成する必要がある。高価なエキシマレーザーを用いた液浸露光装置を用いれば、このようなギャップ構造の形成は可能であるが、安価なｉ線露光装置で形成することは難しい。

【0020】

したがって、本発明は、電気光変調器を光導波路とは異なる層に分離して、光導波路との光学的な接続損失を最小限に抑制し、かつ、安価に製造可能な光半導体装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0021】

上記課題を解決するための手段は次のとおりである。
（１）シリコンを含む非晶質半導体層からなる第１の光導波路と、水素化非晶質Ｓｉ−Ｇｅからなるｉ型半導体層を構成要素として含む第２の光導波路とが、光学的な相互作用が及ぶ範囲で異なる層に配置されており、第２の光導波路の少なくとも一部にはｐ型半導体層、該ｉ型半導体層及びｎ型半導体層からなるｐｉｎ接合構造を有する電気光変調器が備えられており、電気光変調器により第２の光導波路の屈折率を変化させることにより、第１の光導波路を伝搬する光波を変調する光半導体装置であって、該電気光変調器のｐｉｎ接合を構成するｐ型半導体層及びｎ型半導体層の少なくとも一方は、シリコンを含む結晶性半導体層であることを特徴とする光半導体装置。
（２）上記第１の光導波路を構成するシリコンを含む非晶質半導体層は、水素化非晶質シリコン層であることを特徴とする（１）に記載の光半導体装置。
（３）上記シリコンを含む結晶性半導体層は、微結晶シリコン層からなることを特徴とする（１）又は（２）に記載の光半導体装置。
（４）上記シリコンを含む結晶性半導体層は、レーザー結晶化シリコン層からなることを特徴とする（１）又は（２）に記載の光半導体装置。
（５）上記シリコンを含む結晶性半導体層は、金属触媒による固相化結晶シリコン層からなることを特徴とする（１）又は（２）に記載の光半導体装置。
（６）上記シリコンを含む結晶性半導体層は、単結晶シリコン層からなることを特徴とする（１）又は（２）に記載の光半導体装置。
（７）上記シリコンを含む結晶性半導体層は、微結晶ＳｉＣ層であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の光半導体装置。
（８）上記シリコンを含む結晶性半導体層は、微結晶ＳｉＯ層であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の光半導体装置。
（９）上記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層は、上記第２の光導波路の構成要素である上記水素化非晶質Ｓｉ−Ｇｅからなるｉ型半導体層を介して縦方向に積層して配置されていることを特徴とする（１）ないし（８）のいずれかに記載の光半導体装置。
（１０）上記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層は、上記第２の光導波路の構成要素である上記水素化非晶質Ｓｉ−Ｇｅからなるｉ型半導体層を介して横方向に隣接して配置されていることを特徴とする（１）ないし（８）のいずれかに記載の光半導体装置。
（１１）上記水素化非晶質Ｓｉ−Ｇｅからなるｉ型半導体層を構成要素として含む第２の光導波路は、リング共振器型光導波路であることを特徴とすることを特徴とする（１）ないし（１０）のいずれかに記載の光半導体装置。
（１２）上記光半導体装置は、マッハツェンダー干渉計であり、干渉アーム内に層間膜によって積層方向に隔離して、上記ｐｉｎ接合構造を有する電気光変調器が備えられた第２の光導波路が配置されていることを特徴とする（１）ないし（１０）のいずれかに記載の光半導体装置。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、変調を必要とする第１の光導波路が、ｐｉｎ接合構造を有する電気光変調器を備える第２の光導波路とは異なる層に配置されているため、第１の光導波路と第２の光導波路との光学的な接続損失を最小限に抑制した光半導体装置を得ることができる。
さらに、製造工程的にも受動回路の形成と、能動回路の形成を異なる層に分離できるため製造工程が簡素化し、ｉ線露光装置を利用できるため、低コスト化にも有効である。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明に係る光半導体装置の断面概念図である。

【図2】第１の実施例に係る光半導体装置の鳥瞰図である。

【図3】第１の実施例に係る光半導体装置のＡ−Ａ’断面模式図である。

【図4】第２の実施例に係る光半導体装置の鳥瞰図である。

【図5】第２の実施例に係る光半導体装置のＢ−Ｂ’断面模式図である。

【図6】従来の電気光変調器の断面模式図である。

【図7】発明者らの提案に係る電気光変調器の一例の断面模式図である。

【図8】発明者らの提案に係る電気光変調器の他の一例の断面模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

（本発明に係る光半導体装置）
本発明に係る光半導体装置の断面構造概念図を図１に示す。
本発明に係る光半導体装置は、シリコンを含む半導体層からなる第１の光導波路４０７と、シリコンを含むｉ型半導体層４０４を構成要素として含む第２の光導波路４０９とが、光学的な相互作用が及ぶ範囲で異なる層に配置されている。そして、第２の光導波路４０９の少なくとも一部にシリコンを含むｐ型半導体層４０３、シリコンを含むｉ型半導体層４０４及びシリコンを含むｎ型半導体層４０５からなるｐｉｎ接合構造を有する電気光変調器４０９が備えられている。
本発明に係る光半導体装置は、第１の光導波路４０７を伝搬する光波を光学的な相互作用により、シリコンを含むｉ型半導体層を構成要素として含む第２の光導波路４０９に移動させ、少なくともその一部にｐｉｎ接合構造を有する電気光変調器４０９により第２の光導波路４０９の屈折率を変化させることにより、光波を変調した後、第１の光導波路４０７に伝搬する光波を戻すものである。また、電気光変調器でもある第２の光導波路４０９が共振器構造を有する場合、共振条件に依っては、第１の光導波路４０７を伝搬する光波は、第２の光導波路と相互作用せずに、そのまま第１の光導波路４０７を伝搬する。

【0025】

なお、シリコンを含むｐ型半導体層４０３、シリコンを含むｎ型半導体層４０５は、相互にその配置を置換することができる。
また、第１の光導波路４０７、第２の光導波路４０９も互いに異なる層に配置されている限り、相互にその配置を置換することができる。

【0026】

以下、図２ないし図５を参照して、本発明に係る光半導体装置の実施例を紹介する。
なお、以下に例示する各実施例は、あくまでも本発明に係る光半導体装置の理解を容易にするためのものであって、特許請求の範囲に記載された本発明の技術思想に基づく変形、他の実施形態等は、当然本発明の光半導体装置に包含されるものである。

【0027】

（第１の実施例）
図２は、本発明の第１の実施例であり、その鳥瞰図を示している。
第１の実施例は、シリコンを含むｉ型半導体層を構成要素として含む第２の光導波路を、リング共振器型光導波路としたものである。
この光半導体装置は、リング共振器型光導波路５０４よりも屈折率が低く、光学的な吸収損失の少ない典型的にはシリコン酸化膜からなる下クラッド層５０１と、電気光変調器を備えたリング共振器型光導波路５０４とシリコンを含む半導体層からなる第１の光導波路５０５のいずれよりも屈折率が低く、光学的な吸収損失の少ない典型的にはシリコン酸化膜からなる層間膜５０２と、層間膜５０２によって互いに積層方向に隔離して配置される、下クラッド層５０１上のｐｉｎ接合構造を有する電気光変調器を備えるリング共振器型光導波路５０４と、例えば水素化非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）等の低温成膜可能なシリコンを含む半導体層からなる第１の光導波路５０５とを備える。この上には、第１の光導波路５０５よりも屈折率が低く、光学的な吸収損失の少ない典型的にはシリコン酸化膜からなる上クラッド層５０３を備える。
また、図３は、そのＡ−Ａ’断面模式図である。図３において、ｐ型結晶性シリコン層５０６、ｉ型水素化非晶質シリコン層５０７、ｎ型結晶性シリコン層５０８は、ｐｉｎ接合構造を有する電気光変調器を備えるリング共振器型光導波路を構成している。

【0028】

（第１の実施例の作製）
次に光半導体装置の作製工程を説明する。
（１）ＳＯＩ基板、光集積回路基板等の基板上に、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を原料ガスとするシリコン酸化膜を成膜することで下クラッド層５０１を形成する。必要に応じて、シリコン酸化膜表面を化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法により研磨する。
（２）その後、シリコン酸化膜上にｐｉｎ構造となるｐ型結晶性シリコン層５０６、ｉ型水素化非晶質シリコン層５０７、ｎ型結晶性シリコン層５０８からなる３層の各シリコン薄膜をＰＥＣＶＤ法により成膜する。
（３）その後、通常の半導体プロセスを用いてｐｉｎ接合構造を有するシリコンを含むｉ型半導体層からなる第２の光導波路を形成し、上層と下層の間で光学的かつ電気的に絶縁を確保するために、シリコン酸化膜の層間膜５０２を成膜する。必要に応じて、シリコン酸化膜表面を化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法により研磨する。
（４）その後、シリコン酸化膜の層間膜５０２上にａ−Ｓｉ：Ｈを成膜し、ａ−Ｓｉ：Ｈをコアとする第１の光導波路を通常の半導体プロセスにより形成する。最後に、シリコン酸化膜を成膜し上クラッド層５０３を形成する。

【0029】

なお、第１の実施例では、下クラッド層５０１、層間膜５０２、上クラッド層５０３を構成する膜として、シリコン酸化膜を例示したが、ａ−Ｓｉ：Ｈよりも屈折率の低い絶縁材料であれば例えば、シリコン亜酸化膜（ＳｉＯｘ）、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜等であってもよい。
また、シリコンを含む半導体層からなる第１の光導波路５０５はあくまで例示的な構造を示しているだけにすぎず、シリコンを含む半導体層からなる第１の光導波路５０５のような働きをする光導波路は少なくとも1本あればよく、またその配置は電気光変調器を備えるリング共振器型光導波路５０４と光学的な相互作用が及ぶ範囲に配置されていれば、どのような配置でもよい。

【0030】

（電気光変調器の動作）
上記電気光変調器の動作を説明する。
シリコンを含むｉ型半導体層からなるリング共振器型光導波路５０４のｐｉｎ構造に印加する電圧を制御することでｉ型半導体層の屈折率を制御することが可能であり、すなわちシリコンを含むｉ型半導体層からなるリング共振器型光導波路５０４中を伝搬する光波の伝搬定数を制御することが可能である。

【0031】

（光半導体装置の動作）
印加電圧と、電気光変調器を備えるシリコンを含むｉ型半導体層からなるリング共振器型光導波路５０４中を伝搬する光波の電磁界分布と相互作用が及ぶ範囲の材料あるいは形状によって決定する共振波長の光波を、第１の光導波路５０５に紙面手前から入射した時、電気光変調器を備えるリング共振器型光導波路５０４と第１の光導波路５０５が接近する箇所において第１の光導波路５０５を伝搬する光波は電気光変調器を備えるリング共振器型光導波路５０４へ結合し、第１の光導波路５０５の紙面奥側へ透過する光は減少する。

【0032】

電気光変調器を備えるリング共振器型光導波路５０４に印加されている電圧を上記状態から変化させた時、電気光変調器を備えるリング共振器型光導波路５０４の屈折率が変化し、共振波長が変化するため、第１の光導波路５０５手前から入射されている光波は電気光変調器を備えるリング共振器型光導波路５０４へ結合することなく、第１の光導波路５０５の紙面奥側へ透過する。つまり、第１の光導波路５０５を紙面奥側へ透過する光波の強度を、電気光変調器を備えるリング共振器型光導波路５０４へ印加する電圧で制御することができる。

【0033】

（第２の実施例）
図４は、本発明の第２の実施例であり、その鳥瞰図を示している。
この光半導体装置は、２つの光合分波器６０５によって構成されるマッハツェンダー干渉計の干渉アーム内に、層間膜６０２によって積層方向に隔離して配置される層間膜６０２上のｉ型水素化非晶質シリコン層６０８を備える。
そして、シリコン光導波路６０４よりも屈折率が低く、光学的な吸収損失の少ない典型的にはシリコン酸化膜からなる下クラッド層６０１と、縦方向方向性結合器６０７、ｉ型水素化非晶質シリコン層６０８、縦方向方向性結合器６０７からなる上層の光導波路のいずれよりも屈折率が低く、光学的な吸収損失の少ない典型的にはシリコン酸化膜からなる層間膜６０２と、縦方向方向性結合器６０７と、ａ−Ｓｉ：Ｈ等の低温成膜可能なシリコン光導波路６０４、２つの光合分波器６０５、干渉光導波路６０６とを備える。
縦方向方向性結合器６０７、ｉ型水素化非晶質シリコン層６０８、縦方向方向性結合器６０７からなる上層の光導波路上には、該光導波路よりも屈折率が低く、光学的な吸収損失の少ない典型的にはシリコン酸化膜からなる上クラッド層６０３を備える。
また、図５は、そのＢ−Ｂ’断面模式図である。図５において、ｐ型結晶性シリコン層６０９、ｉ型水素化非晶質シリコン層６０８、ｎ型結晶性シリコン層６１０は、ｐｉｎ接合構造を有する電気光変調器を構成している。

【0034】

上層に配置されているｉ型水素化非晶質シリコン層６０８からなる光導波路と下層の光導波路は、上下層間で光波を結合させることのできる縦方向方向性結合器６０７からなる機構を備える。
上下層間の光波結合の機構は一例を示しているだけにすぎず、上下層間で光波を結合させることができればその他に例えば、グレーティング結合器などを利用してもよい。

【0035】

マッハツェンダー干渉計を構成する光合分波器６０５は、光波を合分岐させることができればその他にも例えば、多モード干渉導波路型（ＭＭＩ）光合分波器等でもよい。
ｉ型水素化非晶質シリコン層６０８と、上下間で光波を結合させる機構である縦方向方向性結合器６０７は、マッハツェンダー干渉計内に少なくとも一か所に導入されていればよく、干渉光導波路６０６の途中に挿入されていてもよい。
上記光半導体装置の作製工程は、第１の実施例と同様である。

【0036】

次に、上記光半導体装置の動作を説明する。シリコン光導波路６０４の紙面手前側から入射した光波は、光合分波器６０５によって２分岐される。分岐された光波の片方は、縦方向方向性結合器６０７からなる機構により上層のｉ型水素化非晶質シリコン層６０８からなる光導波路に結合する。ｉ型水素化非晶質シリコン層６０８からなる光導波路は上で説明したものと同様の原理により、伝搬している光波の伝搬定数に変調を施す。その後、縦方向方向性結合器６０７からなる上下層間で光波を結合させる機構によって、再び下層に戻される。

【0037】

変調を施された光波と干渉光導波路６０６を伝搬している光波との間には位相差が発生しているため、光合分波器６０５によって、その位相差にしたがって、合波後の光強度が変化する。それぞれの光波が同相の時、合波して紙面奥側に光は透過する。
一方で、それぞれの光波が反相の時は、合波することなく光波は透過しない。すなわち、光合分波器６０５の紙面奥側へ透過する光波の強度を、ｐ型結晶性シリコン層６０９、ｉ型水素化非晶質シリコン層６０８、ｎ型結晶性シリコン層６１０からなるｐｉｎ接合構造へ印加する電圧で制御することができる。

【0038】

以上、各実施例では、シリコンを含む半導体層からなる第１の光導波路として、水素化非晶質シリコン層を例示したが、例えば、水素化非晶質Ｓｉ−Ｇｅ、水素化非晶質Ｓｉ−Ｃ、シリコン窒化膜のようなシリコンを含む非晶質半導体層であればよい。
また、各実施例では、シリコンを含むｉ型非晶質半導体として、水素化非晶質シリコンを例示したが、水素化非晶質Ｓｉ−Ｇｅであってもよい。特に、水素化非晶質Ｓｉ−Ｇｅは非晶質シリコンや結晶性シリコンに比べて屈折率が高く、ｉ型非晶質半導体に効率的に光を閉じ込めることができるので、光学的な損失を減らすことができる。

【0039】

さらに、各実施例では、ｐｉｎ接合構造を構成するｐ型半導体層及びｎ型半導体層として、ｐ型結晶性シリコン層、ｎ型結晶性シリコン層を例示したが、結晶性シリコンとしては、水素化微結晶シリコン、レーザー結晶化シリコン、金属触媒による固相化結晶シリコン、単結晶シリコン、微結晶ＳｉＣ、微結晶ＳｉＯが好ましい。特に、微結晶ＳｉＣ、微結晶ＳｉＯは、非晶質シリコンや結晶性シリコンに比べて屈折率が低く、ｉ型非晶質半導体層に効率的に光を閉じ込めることができるので、光学的な損失を減らすことができる。

【0040】

なお、ｐｉｎ接合構造を構成するｐ型半導体層及びｎ型半導体層については、少なくとも一方は結晶性シリコン層であるのが好ましい。
すなわち、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層の少なくとも一方を、水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）、レーザー結晶化シリコン、金属触媒による固相化結晶シリコンのような結晶性半導体層とすることにより、i型非晶質半導体層に高速にキャリアを注入でき、ａ−Ｓｉ：Ｈのようなｉ型非晶質半導体の有する高速なキャリア緩和現象を利用できるため、高速動作が可能で、かつ、光学的な損失の少ない電気光変調器として作動することができる。
さらに、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層の配置については、図１、図３に示すようにｉ型非晶質半導体からなる光導波路を介して縦方向に積層したり、図５に示すようにｉ型非晶質半導体からなる光導波路を介して横方向に隣接して配置したり、ｉ型非晶質半導体からなる光導波路を介して横方向に対向して配置してもよい。

【符号の説明】

【0041】

１０１ シリコン基板
１０２ ｐ型ａ−ＳｉＣ：Ｈ層
１０３ ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層
１０４ ｎ型ａ−ＳｉＣ：Ｈ層
１０５ 酸化亜鉛／アルミニウム電極
２０１ シリコン基板
２０２ シリコン熱酸化膜
２０３ ｐ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層
２０４ ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層
２０５ ｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層
２０６ シリコン酸化膜
２０７ ＩＴＯ膜
２０８ 電極
２０９ 電極
３０１ シリコン基板
３０２ シリコン熱酸化膜
３０３ ｐ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層
３０４ ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層
３０５ ｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ層
３０６ シリコン酸化膜
３０７ ＩＺＯ膜
３０８ 電極
３０９ ＩＺＯ膜
３１０ 電極
３１１ 絶縁膜
４０１ 基板
４０２ 下クラッド層
４０３ シリコンを含むｐ型半導体層
４０４ シリコンを含むｉ型半導体層
４０５ シリコンを含むｎ型半導体層
４０６ 層間膜
４０７ シリコンを含む非晶質半導体層からなる第１の光導波路
４０８ 上クラッド層
４０９ 第２の光導波路であるとともに少なくともその一部にｐｉｎ接合を有する電気光変調器
５０１ 下クラッド層
５０２ 層間膜
５０３ 上クラッド層
５０４ リング共振器型光導波路
５０５ 第１の光導波路
５０６ ｐ型結晶性シリコン層
５０７ ｉ型水素化非晶質シリコン層
５０８ ｎ型結晶性シリコン層
６０１ 下クラッド層
６０２ 層間膜
６０３ 上クラッド層
６０４ シリコン光導波路
６０５ 光合分波器
６０６ 干渉光導波路
６０７ 縦方向方向性結合器
６０８ ｉ型水素化非晶質シリコン層
６０９ ｐ型結晶性シリコン層
６１０ ｎ型結晶性シリコン層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】