特許 6805088 光導波路およびその製造方法

(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】6805088

(24)【登録日】2020年12月7日

(45)【発行日】2020年12月23日

(54)【発明の名称】光導波路およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/13 20060101AFI20201214BHJP

   G02B 6/12 20060101ALI20201214BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/13

   G02B6/12 371

【請求項の数】5

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2017-117441(P2017-117441)

(22)【出願日】2017年6月15日

(65)【公開番号】特開2019-3029(P2019-3029A)

(43)【公開日】2019年1月10日

【審査請求日】2019年6月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100153006

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 勇三

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(72)【発明者】

【氏名】土澤 泰

(72)【発明者】

【氏名】相原 卓磨

【審査官】 野口 晃一

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−０３３７３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１４６００２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０２７４４１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特許第５８２３８２１（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２０１２−２４７５９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０９７２９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１０２５０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００３−５２５１９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２０２０１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−２４９５１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−０９５５１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１４７６３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−００２１９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０８０９７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Xin et al.，Combination of LPCVD and PECVD SiC in Fabricating Evanescent Waveguides，Proceedings of the 11th IEEE Annual International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS)，米国，IEEE，２０１６年 ４月１７日，pp.1-4

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ６／０２−６／１０

６／２４−６／２５５

６／３６−６／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板の上に酸化シリコンからなる下部クラッド層が形成された状態とする第１工程と、
前記下部クラッド層の上に、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によりＳｉＣから構成されたコア形成層が形成された状態とする第２工程と、
前記コア形成層の上にマスクパターンが形成された状態とする第３工程と、
カーボンを含むガスおよびフッ素を含むガスを用いたドライエッチングにより、前記マスクパターンをマスクとして前記コア形成層を選択的にエッチングして前記下部クラッド層の上にＳｉＣから構成されたコアが形成された状態とする第４工程と、
プラズマＣＶＤ法により前記下部クラッド層および前記コアの上に酸化シリコンを堆積して前記コアを覆う上部クラッド層が前記下部クラッド層の上に形成された状態とする第５工程と
を備え、
前記第２工程では、重水素化シランと重水素化エチレンとからなる原料ガス、または重水素化シランと重水素化エチレンと希ガスとからなる原料ガスのいずれかを用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ法により前記コア形成層を形成することを特徴とする光導波路の製造方法。

【請求項2】

請求項１記載の光導波路の製造方法において、
前記第２工程では、炭素を含む原料ガスの流量によって前記コア形成層の屈折率を制御することを特徴とする光導波路の製造方法。

【請求項3】

請求項１または２記載の光導波路の製造方法において、
前記第４工程では、Ｃ₂Ｆ₆のガスおよびＳＦ₆のガスを用いたドライエッチングにより前記コアを形成することを特徴とする光導波路の製造方法。

【請求項4】

基板の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成されたＳｉＣから構成されたコアと、
前記コアを覆って前記下部クラッド層の上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層と
を備え、
前記コアは、重水素を含んでいることを特徴とする光導波路。

【請求項5】

請求項４記載の光導波路において、
前記コアと前記下部クラッド層の比屈折率差は、３４〜３８％とされていることを特徴とする光導波路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、コアをＳｉＣから構成した光導波路およびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

クラウド・モバイル環境の急速な普及により、情報通信量の増大が続いており、これに対応するための光ネットワークの高速大容量化を、低い消費電力で実現することが強く求められている。この実現に向けては、光通信デバイスの小型化、高機能化が重要となる。

【0003】

光デバイスを小型化、高機能化するためには、コアとクラッドとの比屈折率差Δの高い光導波路が不可欠となる。比屈折率差Δは、コアの屈折率をｎ_core、クラッドの屈折率をｎ_cladとしたとき、Δ＝（ｎ_core²−ｎ_clad²）/２ｎ_core²で表され、コアとクラッドの屈折率差を示す１つの指標である。

【0004】

比屈折率差Δを大きくすれば、シングルモード条件を満たすコア寸法が小さくなる。加えて、比屈折率差Δを大きくすれば、光閉じ込めが強くなるため、小さな曲げ半径の光導波路が得られ、結果として光デバイスの小型化が可能になる。このように、比屈折率差Δを大きくすることで、様々な機能の光デバイスを狭い領域に集積することができる。さらには、電子デバイスの中に光デバイスを組み入れることができるなど光電子融合して高機能デバイスが実現可能となる。また、デバイスの小型化により消費電力も低減できる。

【0005】

光通信ネットワーク向けの光デバイスは、これまでコアとクラッドとの比屈折率差が小さい光導波路である石英系光導波路をベースに開発され発展してきた。石英系コア材料の屈折率を高め、光導波路の比屈折率差を大きくすることで、少しずつ光デバイスの小型化も進んできている。しかし、石英系材料は、屈折率を大きく高めることはできないため、劇的に光デバイスを小型化することは困難である。

【0006】

これに対し、近年、コアの材料を高い屈折率を得られる酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）とした光導波路が期待されている。ＳｉＯＮは、Ｎの添加量によりシリコン酸化膜の屈折率１．４５からシリコン窒化膜の屈折率２．０の間で屈折率を選ぶことができる。このため、ＳｉＯＮからコアを構成することで、光導波路の設計自由度が高く、また比屈折率差Δが２０％を超える光導波路が作製できるため、デバイスの大幅な小型化が可能となる。このＳｉＯＮの優れた特徴から、ＳｉＯＮをコアとした光導波路ベースとした光デバイスの開発が盛んになっており、すでに使われはじめている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特許第４１８９３６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、情報通信量の急速な増大が続くなか、光デバイスのさらなる小型化への要求は強く、ＳｉＯＮより高い屈折率を持ち、通信波長域で吸収などによる損失がない光導波路膜の開発が求められている。

【0009】

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、コアとクラッドとの比屈折率差をより大きくすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明に係る光導波路の製造方法は、基板の上に酸化シリコンからなる下部クラッド層が形成された状態とする第１工程と、下部クラッド層の上に、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によりＳｉＣから構成されたコア形成層が形成された状態とする第２工程と、コア形成層の上にマスクパターンが形成された状態とする第３工程と、カーボンを含むガスおよびフッ素を含むガスを用いたドライエッチングにより、マスクパターンをマスクとしてコア形成層を選択的にエッチングして下部クラッド層の上にＳｉＣから構成されたコアが形成された状態とする第４工程と、プラズマＣＶＤ法により下部クラッド層およびコアの上に酸化シリコンを堆積してコアを覆う上部クラッド層が下部クラッド層の上に形成された状態とする第５工程とを備える。

【0011】

第２工程では、シラン（ＳｉＨ₄）とエチレン（Ｃ₂Ｈ₄）とからなる原料ガス、またはシラン（ＳｉＨ₄）とエチレン（Ｃ₂Ｈ₄）と希ガスとからなる原料ガスのいずれかを用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ法によりコア形成層を形成すればよい。

【0012】

上記光導波路の製造方法において、第２工程では、重水素化シラン（ＳｉＤ₄）と重水素化エチレン（Ｃ₂Ｄ₄）とからなる原料ガス、または重水素化シラン（ＳｉＤ₄）と重水素化エチレン（Ｃ₂Ｄ₄）と希ガスとからなる原料ガスのいずれかを用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ法によりコア形成層を形成する。

【0013】

上記光導波路の製造方法において、第２工程では、炭素を含む原料ガスの流量によってコア形成層の屈折率を制御することができる。

【0014】

上記光導波路の製造方法において、第４工程では、Ｃ₂Ｆ₆のガスおよびＳＦ₆のガスを用いたドライエッチングによりコアを形成すればよい。

【0015】

本発明に係る光導波路は、基板の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層と、下部クラッド層の上に形成されたＳｉＣから構成されたコアと、コアを覆って下部クラッド層の上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層とを備える。

【0016】

上記光導波路において、コアと下部クラッド層の比屈折率差は、３４〜３８％とされている。また、コアは、重水素を含んでいる。

【発明の効果】

【0017】

以上説明したように、本発明によれば、コアをＳｉＣから構成したので、コアとクラッドとの比屈折率差をより大きくすることができるという優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、本発明の実施の形態における光導波路の製造方法を説明するための説明図である。

【図2】図２は、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の構成を示す構成図である。

【図3】図３は、図２を用いて説明したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置により形成したＳｉＣ膜の成膜速度および屈折率を調べた結果を示す特性図である。

【図4】図４は、図２を用いて説明したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置により形成したＳｉＣ膜の成膜速度と屈折率のＣ₂Ｈ₄ガス流量依存性を調べた結果を示す特性図である。

【図5】図５は、図２を用いて説明したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置により成膜温度を変えて形成したＳｉＣ膜の、赤外スペクトルの測定によるＣ−Ｈ／Ｓｉ−ＣとＳｉ−Ｈ／Ｓｉ−Ｃの強度比の変化を示す特性図である。

【図6】図６は、実施の形態における光導波路をゲルマニウム受光器に集積させた光モジュールの構成を示す断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施の形態における光導波路の製造方法ついて図１を参照して説明する。

【0020】

まず、第１工程Ｓ１０１で、図１の（ａ）に示すように、基板１０１の上に酸化シリコンからなる下部クラッド層１０２が形成された状態とする。例えば、単結晶シリコンからなる基板１０１の表面を熱酸化することで、厚さ３μｍ程度の下部クラッド層１０２を形成する。

【0021】

次に、第２工程Ｓ１０２で、図１の（ｂ）に示すように、下部クラッド層１０２の上に、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によりＳｉＣから構成されたコア形成層１０３が形成された状態とする。例えば、シラン（ＳｉＨ₄）とエチレン（Ｃ₂Ｈ₄）とからなる原料ガス用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ法により、厚さ０．４μｍ程度にコア形成層１０３を形成すればよい。コア形成層１０３は、不純物などを除けば、ＳｉＣのみから構成されたものとなる。

【0022】

なお、コア形成層１０３を形成するための原料ガスは、シラン（ＳｉＨ₄）とエチレン（Ｃ₂Ｈ₄）と希ガスとから構成してもよい。また、コア形成層１０３を形成するための原料ガスは、重水素化シラン（ＳｉＤ₄）と重水素化エチレン（Ｃ₂Ｄ₄）とから構成してもよく、重水素化シラン（ＳｉＤ₄）と重水素化エチレン（Ｃ₂Ｄ₄）と希ガスとから構成してもよい。

【0023】

次に、第３工程Ｓ１０３で、図１の（ｃ）に示すように、コア形成層１０３の上にマスクパターン１０４が形成された状態とする。例えば、公知のフォトリソグラフィ技術によりマスクパターン１０４を形成すればよい。

【0024】

次に、第４工程Ｓ１０４で、図１の（ｄ）に示すように、下部クラッド層１０２の上にＳｉＣから構成されたコア１０５が形成された状態とする。ここでは、カーボンを含むガスおよびフッ素を含むガスを用いたドライエッチングにより、マスクパターン１０４をマスクとしてコア形成層１０３を選択的にエッチングすることで、コア１０５を形成する。例えば、Ｃ₂Ｆ₆のガスおよびＳＦ₆のガスを用いたリアクティブイオンエッチングにより、コア形成層１０３を選択的にエッチングすることで、コア１０５を形成すればよい。前述したように、不純物などを除けば、ＳｉＣのみから構成されたコア形成層１０３を加工してコア１０５としているので、コア１０５も、不純物などを除けばＳｉＣのみから構成されたものとなる。

【0025】

次に、第５工程Ｓ１０５で、図１の（ｅ）に示すように、プラズマＣＶＤ法により下部クラッド層１０２およびコア１０５の上に酸化シリコンを堆積し、コア１０５を覆う上部クラッド層１０６が下部クラッド層１０２の上に形成された状態とする。例えば、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法により、酸化シリコンを堆積することで、上部クラッド層１０６を形成すればよい。

【0026】

上述した製造方法により製造された光導波路は、基板１０１の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成されたＳｉＣから構成されたコア１０５と、コア１０５を覆って下部クラッド層１０２の上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層１０６とを備えるものとなる。

【0027】

ここで、上述したＥＣＲプラズマＣＶＤ法によるＳｉＣ膜（コア形成層）の形成について説明する。ＥＣＲプラズマＣＶＤ法では、図２に示すＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用いる。この装置は、プラズマ生成室２０１、成膜室２０２、基板台２０３、磁気コイル２０４、導波管２０５、石英窓２０６、ガス導入管２０７、ガス導入管２０８を備える。

【0028】

この装置では、プラズマ生成室２０１の周囲に配置された磁気コイル２０４により、プラズマ生成室２０１内部の適当な領域にＥＣＲ条件を満たす磁界（８７５ガウス）を発生させ、成膜室２０２内においてはプラズマ流２１１の形でイオンを引き出すための発散磁界を形成させる。

【0029】

まず、Ｃ₂Ｈ₄ガス、アルゴン（Ａｒ）ガスを、ガス導入管２０７を通してプラズマ生成室２０１に導入し、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導波管２０５より石英窓２０６を介してプラズマ生成室２０１に導入してプラズマを生成する。安定にプラズマが生成されたことが確認されたら、ＳｉＨ₄ガスをガス導入管２０８により成膜室２０２の基板台２０３近傍に供給し、基板２０９の近傍でＣ₂Ｈ₄と反応させ基板２０９の表面にＳｉＣ膜を形成する。

【0030】

この成膜では、プラズマ流２１１中に発生する電界により加速されたイオンが、基板２０９の表面に入射し衝撃を与え、このエネルギーによりＳｉＣ膜の形成反応が促進され、緻密な高品質ＳｉＣ膜が形成される。

【0031】

なおＡｒは、プラズマを安定生成・維持する役割と、アルゴンイオンとして基板表面に入射し、ＳｉＣ成膜反応促進と膜質向上させる役割を持つ。ＡｒはＳｉＣ膜形成には直接関係しないため、ＳｉＣ膜形成はＡｒなしでも構わないが、Ａｒを加えることでより緻密で高品質なＳｉＣ膜が形成できる。ＡｒのかわりにＫｒ，Ｘｅなど異なる希ガスを用いても同様な効果が得られる。

【0032】

ここで、上述したＥＣＲプラズマＣＶＤ法で形成したＳｉＣ膜は、アセチレン、シランから発生する水素が含まれた状態となっている。また、このＳｉＣ膜は、原料ガスに添加したアルゴンを含んでいる。添加する希ガスとしてＫｒ，Ｘｅを用いれば、膜中にＫｒ，Ｘｅが含まれる。希ガスは先に述べたように、膜質をあげる効果を持つが、膜中にあっても光損失など光導波路作製には影響を与えない。このため、このように形成したＳｉＣ膜よりコアを形成すれば、コアには、アルゴン，クリプトン，キセノンの少なくとも１つの原子と、水素が含まれていることになる。

【0033】

基板台２０３には、図示していないがヒーターが埋め込まれ、成膜中の基板２０９の温度を、例えば２００℃〜９００℃程度に維持可能としている。作製する光導波路が配置される光素子の要求仕様や機能によって作製時の温度耐性が異なるため、光素子ごとに適切な基板温度を選択してＳｉＣの成膜を行う。また、基板２０９の上に形成される膜の均一性を高めるため、基板台２０３を傾けて回転させる機構を備えている。

【0034】

図２に示すようなＥＣＲプラズマＣＶＤ装置は、プラズマ生成にＥＣＲ条件を用いているため、０．０１〜１Ｐａの低ガス圧で安定に高密度プラズマを生成できる。ＥＣＲプラズマは、低ガス圧、高エネルギー電子の特徴から、他のプラズマに比較して、導入ガス分子の分解、励起、イオン化が著しく向上する。さらに、本装置において、イオンは、発散磁場の効果によって成膜室２０２内の基板台２０３に向かって低エネルギーで引き出され、このイオン衝撃によって基板表面での膜形成反応を促進でき、高品質膜が形成できる。

【0035】

ＳｉＣ膜の形成では、０．１〜０．５Ｐａ程度のガス圧で成膜するとＥＣＲプラズマＣＶＤ法の特徴がより引き出されて高品質膜が形成できる。なお、図２を用いて説明したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置構成の一例で、例えばプラズマ室とコイルとマイクロ波導入部からなるＥＣＲプラズマ源を分岐結合型に変更したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用いても同様なＳｉＣ膜が形成できる。

【0036】

図３は、図２に例示したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置により形成したＳｉＣ膜の成膜速度と屈折率のマイクロ波パワー依存性を調べた結果を示している。ＳｉＨ₄ガスの流量を１０ｓｃｃｍ、Ｃ₂Ｈ₄ガスの流量を１０ｓｃｃｍ、Ａｒガスの流量を１０ｓｃｃｍとし、基板温度は９００℃としている。なお、ｓｃｃｍは流量の単位であり、０℃・１０１３ｈＰａの流体が１分間に１ｃｍ³流れることを示す。

【0037】

図３に示すように、成膜速度はマイクロ波パワーの増加とともに増加し、４００Ｗで８０ｎｍ／ｍｉｎの速度が得られている。コアをＳｉＣから構成する場合、コアの厚さは４００ｎｍ程度のため、この速度は実用上十分である。屈折率は、マイクロ波パワーによらず２．５程度が得られている。屈折率は、エリプソメータを用いて波長６３２．８ｎｍで測定している。

【0038】

図４は、前述したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置により形成したＳｉＣ膜の成膜速度と屈折率のＣ₂Ｈ₄ガス流量依存性を調べた結果を示している。成膜速度と屈折率は、Ｃ₂Ｈ₄の流量が増えるとともに増加しており、光導波路の設計および作製にとって重要なコア形成層の屈折率を、Ｃ₂Ｈ₄の流量によって２．６〜２．９の範囲で制御できることがわかる。従って、前述した光導波路の製造方法の第２工程においては、炭素を含む原料ガスの流量によってコア形成層の屈折率を制御することができる。

【0039】

このように堆積したＳｉＣによるコア形成層をパターニングしてコアとし、下部クラッド層を屈折率１．４５の酸化シリコンとすれば、コアと下部クラッド層の比屈折率差が、３４から３８％の光導波路を作製できる。この方法によれば、目的の光素子の機能により比屈折率差を選択して光導波路が作製できる。

【0040】

光素子は機能により作製時の温度耐性が異なる。すでに光素子が作製されている基板上に、更に光導波路を追加して作製する場合があることを考えると、実用上は低温でもＳｉＣ膜形成できることが重要となる。

【0041】

図５に、成膜温度を変えてＥＣＲプラズマＣＶＤ法で形成したＳｉＣ膜の赤外スペクトルを測定し、Ｃ−Ｈ／Ｓｉ−ＣとＳｉ−Ｈ／Ｓｉ−Ｃの強度比の変化から膜質を評価した結果を示す。各原料ガスの供給条件は、Ｃ₂Ｈ₄は、１５ｓｃｃｍ、ＳｉＨ₄は、１０ｓｃｃｍ、Ａｒは、１５ｓｃｃｍとして成膜している。

【0042】

成膜温度を下げていくと、Ｃ−Ｈボンド，Ｓｉ−Ｈボンドの強度が大きくなっている。これは低温で成膜したＳｉＣ膜にＨ（水素）が多く含まれていることを示している。Ｃ−Ｈは大容量光通信の波長域（１．３〜１．６μｍ）に吸収を持つため、水素を多く含むＳｉＣ膜で光導波路を作ると光損失が高い。

【0043】

このため、処理温度を高くすることができない光素子に光導波路を集積して作製する場合には、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法でのＳｉＣ膜形成に用いる原料ガスＣ₂Ｈ₄および原料ガスＳｉＨ₄を、水素を重水素化したＣ₂Ｄ₄とＳｉＤ₄に変更した。重水素Ｄのみを含む原料ガスを用いることで、低温形成ＳｉＣ膜には、Ｃ−Ｄボンドのみが含まれることになり、このＳｉＣ膜を用いて作製したコアは、水素ではなく重水素が含まれる状態となる。この結果、コアにおける光吸収波長がシフトするため、光通信波長域において光損失のない光導波路が作製できる。

【0044】

Ｈの同位体であるＤへの変更は、屈折率など他の膜特性にはほとんど影響はないため、光素子構造の設計変更なく同じ作製方法でＳｉＣをコアとする低損失な光導波路を作製できる。Ｃ₂Ｄ₄とＳｉＤ₄ガスによるＳｉＣ形成は、低温時のときその効果は大きいが、高温成膜に用いても構わない。なお、低温成膜されたＳｉＣ膜を用いて作製した光導波路についても、導波路長が短い場合においては光導波路の吸収損失の影響は小さいので、Ｃ₂Ｈ₄とＳｉＨ₄ガスを用いたＳｉＣ膜を用いても構わない。重水素化した原料ガスで成膜したＳｉＣ膜中には、重水素に加えて膜質向上のため原料ガスに添加したアルゴン（希ガス）を含んでいるが、吸収などの光損失には影響を与えない。

【0045】

次に、上述した実施の形態における光導波路の適用例について説明する。この光導波路は、ゲルマニウム（Ｇｅ）受光器と集積させて光素子（光モジュール）とすることができる。この光モジュールについて、図６を参照して説明する。この光モジュールは、まず、シリコン基板３００と、シリコン基板３００の上に形成されたＳｉＯ₂からなる下部クラッド層３０１と、下部クラッド層３０１の上の第１領域３１０に形成されたゲルマニウムフォトダイオード３１０ａとを備える。また、光モジュールは、下部クラッド層３０１の上の第１領域３１０に連続する第２領域３２０に形成されたシリコンコア３２１を備える。

【0046】

また、光モジュールは、シリコンコア３２１を覆うＳｉＯ₂からなる保護膜３０２と、第２領域３２０の一部から第２領域３２０に連続する第３領域３３０にかけて形成されたＳｉＣコア３３１とを備える。また、光モジュールは、ゲルマニウムフォトダイオード３１０ａ，シリコンコア３２１，およびＳｉＣコア３３１の上に形成されたＳｉＯ₂からなる上部クラッド層３０３を備える。

【0047】

例えば、下部クラッド層３０１は、層厚３μｍ程度に形成され、上部クラッド層３０３は、５μｍ程度に形成されている。また、シリコンコア３２１は、断面が幅４００〜６００ｎｍ，高さ２００〜３００ｎｍ程度に形成されている。ＳｉＣコア３３１は、断面が幅０．８μｍ、高さ０．４μｍ程度に形成されている。また、シリコンコア３２１による第２領域３２０のシリコン光導波路は、導波路長が２００〜５００ｎｍ程度とされている。

【0048】

ゲルマニウムフォトダイオード３１０ａは、シリコンコア３２１に連続して形成されたｐ型の下部シリコンパターン３１１と、下部シリコンパターン３１１の上に形成されたｉ型のゲルマニウムパターン３１２と、ゲルマニウムパターン３１２の上に形成されたｎ型の上部シリコンパターン３１３とから構成されている。ゲルマニウムパターン３１２は厚さ１μｍ程度で、ゲルマニウムフォトダイオード３１０ａは、平面視で１０×５０μｍ程度の矩形に形成されている。

【0049】

上述した光モジュールは、ゲルマニウムフォトダイオード３１０ａ、第２領域３２０におけるシリコンコア３２１からなるシリコン光導波路、第２領域３２０の途中から第３領域３３０にかけてのＳｉＣコア３３１からなるＳｉＣ光導波路が、これらの順に接続した状態に、シリコン基板３００の上にモノリシックに形成されている。ＳｉＣ光導波路の終端は、ＳｉＣコア３３１の先端を１００ｎｍ程度に細めたテーパ状になっている。

【0050】

保護膜３０２は、ゲルマニウムパターン３１２の形成に用いた選択成長マスクを薄層化することで形成されている。なお、図示していないが、上部クラッド層３０３および保護膜３０２を貫通し、下部シリコンパターン３１１に接続するコンタクト配線と、上部クラッド層３０３を貫通して上部シリコンパターン３１３に接続するコンタクト配線とを備える。

【0051】

この光モジュールでは、まず、ＳｉＣコア３３１による第３領域３３０のＳｉＣ光導波路を導波してきた光を、シリコンコア３２１がＳｉＣコア３３１で覆われている領域において、ＳｉＣコア３３１の先端を細めることで、より高い屈折率のシリコンコア３２１よりなるシリコン光導波路へ移行させることができる。次いで、このシリコン光導波路を導波する光は、シリコンコア３２１に連続する下部シリコンパターン３１１の上の、さらに屈折率の高いゲルマニウムパターン３１２へ吸収させることができる。

【0052】

このように、ＳｉＣ光導波路を導波してきた光を、ゲルマニウムフォトダイオード３１０ａで光電変換させることができる。ここで、ＳｉＣコア３３１で覆われている領域のシリコンコア３２１についても、第３領域３３０の側に行くほど、平面視で先細りとすることで、より高い効率でＳｉＣ導波路とＳｉ導波路を光結合させることができる。例えば、シリコンコア３２１の第３領域３３０側の先端の幅が、８０ｎｍ程度となる先細り形状とすればよい。

【0053】

この光集積素子は、次に示すようにして作製すればよい。まず、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用意し、この表面シリコン層を周知のリソグラフィとエッチングによってパターニングしてシリコンコア３２１を形成する。次に、シリコン上へのゲルマニウム選択成長技術を用い、シリコンコア３２１の上にゲルマニウムフォトダイオード３１０ａを作製する。この後、前述したＥＣＲプラズマＣＶＤ法により形成したＳｉＣ膜をパターニングしてＳｉＣコア３３１を形成してＳｉＣ光導波路とする。

【0054】

この光素子は、ゲルマニウムフォトダイオード３１０ａを作製した後でＳｉＣ導波路を作製するため、ゲルマニウムフォトダイオード３１０ａの特性を劣化させないために、ＳｉＣ膜形成は低温の４００℃以下で行うことが重要となる。従って低温でも光損失が小さく高品質のＥＣＲプラズマＣＶＤ法によりＳｉＣ膜を形成してＳｉＣコア３３１とすることで、光素子作製が実現できるようになる。

【0055】

以上に説明したように、本発明によれば、コアをＳｉＣから構成したので、コアとクラッドとの比屈折率差をより大きくすることができる。また、近年、デバイスの小型化高機能化のため、光導波路を発光素子や受光素子など様々なデバイスと一体集積することから、この光導波路膜の形成方法には、成膜中の温度などで他のデバイスに影響を与えることなく高品質膜が形成できる方法が求められている。これに対し、本発明によれば、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によりＳｉＣから構成されたコア形成層を形成するようにしたので、集積されている他のデバイスに影響を与えることなく、ＳｉＣから構成されたコアによる光導波路が形成できる。

【0056】

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

【符号の説明】

【0057】

１０１…基板、１０２…下部クラッド層、１０３…コア形成層、１０４…マスクパターン、１０５…コア、１０６…上部クラッド層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】