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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024134350
(43)【公開日】2024-10-03
(54)【発明の名称】位相変調器とその製造方法
(51)【国際特許分類】
G02F 1/025 20060101AFI20240926BHJP
【ＦＩ】
G02F1/025
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023044608
(22)【出願日】2023-03-20
(71)【出願人】
【識別番号】000003609
【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
(71)【出願人】
【識別番号】520124752
【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ
(71)【出願人】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(74)【代理人】
【識別番号】110000110
【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】中嶋 健次
(72)【発明者】
【氏名】田村 伸一
(72)【発明者】
【氏名】副島 成雅
(72)【発明者】
【氏名】明石 照久
(72)【発明者】
【氏名】小田 敏宏
(72)【発明者】
【氏名】山下 達弥
【テーマコード（参考）】
2K102
【Ｆターム（参考）】
2K102AA17
2K102BA07
2K102BB04
2K102BB08
2K102BC04
2K102BD09
2K102CA30
2K102DA05
2K102DC08
2K102DD03
2K102EA08
2K102EB08
(57)【要約】
【課題】位相変調器において、伝搬光が電極で吸収されるのを抑える技術を提供する。
【解決手段】位相変調器は、光導波路を含む半導体層と、半導体層上に設けられているクラッド層であって、第１キャビティ及び第２キャビティが形成されている、クラッド層と、第１キャビティを介して半導体層の前記上面に接している第１電極と、第２キャビティを介して半導体層の上面に接している第２電極と、を備えている。第１電極は、第１キャビティ内に充填されている第１透明電極を有する。第２電極は、第２キャビティ内に充填されている第２透明電極を有する。第１透明電極の上面は、クラッド層の上面と同一平面である。第２透明電極の上面は、クラッド層の上面と同一平面である。
【選択図】図２
【解決手段】位相変調器は、光導波路を含む半導体層と、半導体層上に設けられているクラッド層であって、第１キャビティ及び第２キャビティが形成されている、クラッド層と、第１キャビティを介して半導体層の前記上面に接している第１電極と、第２キャビティを介して半導体層の上面に接している第２電極と、を備えている。第１電極は、第１キャビティ内に充填されている第１透明電極を有する。第２電極は、第２キャビティ内に充填されている第２透明電極を有する。第１透明電極の上面は、クラッド層の上面と同一平面である。第２透明電極の上面は、クラッド層の上面と同一平面である。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
位相変調器であって、
光導波路を含む半導体層と、
前記半導体層上に設けられているクラッド層であって、前記半導体層の上面の一部を露出させる第１キャビティ及び前記半導体層の前記上面の他の一部を露出させる第２キャビティが形成されている、クラッド層と、
前記第１キャビティを介して前記半導体層の前記上面に接している第１電極と、
前記第２キャビティを介して前記半導体層の前記上面に接している第２電極と、を備えており、
前記光導波路は、前記第１電極が前記半導体層の前記上面に接する位置と前記第２電極が前記半導体層の前記上面に接する位置の間に配置されており、前記第１電極と前記第２電極の間に電圧を印加したときに、伝搬する伝搬光の位相が変化するように構成されており、
前記第１電極は、前記第１キャビティ内に充填されている第１透明電極を有しており、
前記第２電極は、前記第２キャビティ内に充填されている第２透明電極を有しており、
前記第１透明電極の上面は、前記クラッド層の上面と同一平面であり、
前記第２透明電極の上面は、前記クラッド層の上面と同一平面である、位相変調器。
光導波路を含む半導体層と、
前記半導体層上に設けられているクラッド層であって、前記半導体層の上面の一部を露出させる第１キャビティ及び前記半導体層の前記上面の他の一部を露出させる第２キャビティが形成されている、クラッド層と、
前記第１キャビティを介して前記半導体層の前記上面に接している第１電極と、
前記第２キャビティを介して前記半導体層の前記上面に接している第２電極と、を備えており、
前記光導波路は、前記第１電極が前記半導体層の前記上面に接する位置と前記第２電極が前記半導体層の前記上面に接する位置の間に配置されており、前記第１電極と前記第２電極の間に電圧を印加したときに、伝搬する伝搬光の位相が変化するように構成されており、
前記第１電極は、前記第１キャビティ内に充填されている第１透明電極を有しており、
前記第２電極は、前記第２キャビティ内に充填されている第２透明電極を有しており、
前記第１透明電極の上面は、前記クラッド層の上面と同一平面であり、
前記第２透明電極の上面は、前記クラッド層の上面と同一平面である、位相変調器。
【請求項2】
前記半導体層は、
前記第１電極に接する第１導電型の第１半導体領域と、
前記第２電極に接する第２導電型の第２半導体領域と、を有しており、
前記光導波路は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域の間に配置されている、請求項１に記載の位相変調器。
前記第１電極に接する第１導電型の第１半導体領域と、
前記第２電極に接する第２導電型の第２半導体領域と、を有しており、
前記光導波路は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域の間に配置されている、請求項１に記載の位相変調器。
【請求項3】
前記第１電極は、前記第１透明電極を介して前記第１半導体領域に電気的に接続されている第１配線電極を含み、
前記第１配線電極は、前記第１キャビティの外に設けられており、
前記第２電極は、前記第２透明電極を介して前記第２半導体領域に電気的に接続されている第２配線電極を含み、
前記第２配線電極は、前記第２キャビティの外に設けられている、請求項２に記載の位相変調器。
前記第１配線電極は、前記第１キャビティの外に設けられており、
前記第２電極は、前記第２透明電極を介して前記第２半導体領域に電気的に接続されている第２配線電極を含み、
前記第２配線電極は、前記第２キャビティの外に設けられている、請求項２に記載の位相変調器。
【請求項4】
前記第１透明電極及び前記第２透明電極は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）である、請求項１～３のいずれか一項に記載の位相変調器。
【請求項5】
位相変調器の製造方法であって、
半導体層に光導波路を形成する光導波路形成工程と、
前記半導体層上に透明電極膜を形成する透明電極膜形成工程であって、前記透明電極膜は、相互に離れて配置された第１透明電極と第２透明電極を有している、透明電極膜形成工程と、
前記第１透明電極及び前記第２透明電極を被覆するように前記半導体層上にクラッド層を形成するクラッド層形成工程と、
前記第１透明電極の上面及び前記第２透明電極の上面が露出するまで前記クラッド層を平坦化する平坦化工程と、を備えている、位相変調器の製造方法。
半導体層に光導波路を形成する光導波路形成工程と、
前記半導体層上に透明電極膜を形成する透明電極膜形成工程であって、前記透明電極膜は、相互に離れて配置された第１透明電極と第２透明電極を有している、透明電極膜形成工程と、
前記第１透明電極及び前記第２透明電極を被覆するように前記半導体層上にクラッド層を形成するクラッド層形成工程と、
前記第１透明電極の上面及び前記第２透明電極の上面が露出するまで前記クラッド層を平坦化する平坦化工程と、を備えている、位相変調器の製造方法。
【請求項6】
前記透明電極膜を熱処理する熱処理工程、をさらに備えており、
前記透明電極膜は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）であり、
前記熱処理は、酸素雰囲気中の加熱と非酸素雰囲気中の加熱を含む、請求項５に記載の位相変調器の製造方法。
前記透明電極膜は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）であり、
前記熱処理は、酸素雰囲気中の加熱と非酸素雰囲気中の加熱を含む、請求項５に記載の位相変調器の製造方法。
【請求項7】
前記透明電極膜形成工程は、
前記半導体層上に前記透明電極膜を成膜することと、
前記透明電極膜の一部を除去し、前記第１透明電極と前記第２透明電極を形成することと、を有しており、
前記熱処理は、前記透明電極膜の一部を除去する前に実施される、請求項６に記載の位相変調器の製造方法。
前記半導体層上に前記透明電極膜を成膜することと、
前記透明電極膜の一部を除去し、前記第１透明電極と前記第２透明電極を形成することと、を有しており、
前記熱処理は、前記透明電極膜の一部を除去する前に実施される、請求項６に記載の位相変調器の製造方法。
【請求項8】
前記熱処理は、前記平坦化工程の後に実施される、請求項６に記載の位相変調器の製造方法。
【請求項9】
位相変調器の製造方法であって、
半導体層に光導波路を形成する光導波路形成工程と、
前記半導体層上にクラッド層を形成するクラッド層形成工程であって、前記クラッド層には前記半導体層の上面の一部を露出させる第１キャビティ及び前記半導体層の前記上面の他の一部を露出させる第２キャビティが形成されている、クラッド層形成工程と、
透明電極膜を形成する透明電極膜形成工程であって、前記透明電極膜は、前記第１キャビティを充填する第１透明電極及び前記第２キャビティを充填する第２透明電極を有している、透明電極膜形成工程と、
前記クラッド層の前記第１キャビティに充填された前記第１透明電極及び前記クラッド層の前記第２キャビティに充填された前記第２透明電極が露出するまで前記透明電極膜を平坦化する平坦化工程と、を備えている、位相変調器の製造方法。
半導体層に光導波路を形成する光導波路形成工程と、
前記半導体層上にクラッド層を形成するクラッド層形成工程であって、前記クラッド層には前記半導体層の上面の一部を露出させる第１キャビティ及び前記半導体層の前記上面の他の一部を露出させる第２キャビティが形成されている、クラッド層形成工程と、
透明電極膜を形成する透明電極膜形成工程であって、前記透明電極膜は、前記第１キャビティを充填する第１透明電極及び前記第２キャビティを充填する第２透明電極を有している、透明電極膜形成工程と、
前記クラッド層の前記第１キャビティに充填された前記第１透明電極及び前記クラッド層の前記第２キャビティに充填された前記第２透明電極が露出するまで前記透明電極膜を平坦化する平坦化工程と、を備えている、位相変調器の製造方法。
【請求項10】
前記透明電極膜を熱処理する熱処理工程、をさらに備えており、
前記透明電極膜は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）であり、
前記熱処理は、酸素雰囲気中の加熱と非酸素雰囲気中の加熱を含む、請求項９に記載の位相変調器の製造方法。
前記透明電極膜は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）であり、
前記熱処理は、酸素雰囲気中の加熱と非酸素雰囲気中の加熱を含む、請求項９に記載の位相変調器の製造方法。
【請求項11】
前記熱処理は、前記平坦化工程の前に、又は、前記平坦化工程の後に実施される、請求項１０に記載の位相変調器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書が開示する技術は、光フェーズドアレイ（Optical Phased Array：OPA）に用いられる位相変調器に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１～３には、光フェーズドアレイに用いられる位相変調器の一例が開示されている。この種の位相変調器は、光導波路を含む半導体層と、半導体層に接している電極と、を備えている。電極は、半導体層に接している第１電極と、前記半導体層に接しているとともに前記第１電極から離れて配置されている第２電極と、を有している。光導波路は、第１電極と第２電極の間に電圧が印加されたときに、その屈折率又は光吸収率が変化するように構成されている。屈折率又は光吸収率が変化すると、光導波路を伝搬する伝搬光の位相が変化する。
【0003】
光フェーズドアレイは、このような位相変調器を利用して相互に位相差を有する複数の伝搬光を生成し、その複数の伝搬光の各々を対応する送信アンテナから出射するように構成されている。送信アンテナから出射される複数の伝搬光は、特定の偏向角度を有する光ビームとなる。光ビームの偏向角度は、複数の伝搬光の位相差に依存する。このため、位相変調器を備えた光フェーズドアレイは、第１電極と第２電極の間に印加する電圧を制御することによって出射する光ビームを走査することができる。このように、位相変調器を備えた光フェーズドアレイは、例えば機械的なミラー構造を用いてなくても光ビームの偏向角度を変えることができるという特徴を有している。このような光フェーズドアレイは、例えばＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）装置に搭載され得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】米国特許公開第２０２１／００２６２１６号
【特許文献2】特開２０２１－１０３１４７号公報
【特許文献3】特開２０２０－１６６０６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
送信アンテナから出射される光ビームのスキャン角を広角化するためには、隣り合う光導波路のピッチ間距離を小さくしなければならない。しかしながら、本発明者らの検討によると、隣り合う光導波路のピッチ間距離を小さくすると、光導波路を伝搬する伝搬光の一部が電極で吸収され、光損失が大きくなるという問題が顕在化してくることが分かってきた。本明細書は、位相変調器において、伝搬光が電極で吸収されるのを抑える技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本明細書が開示する位相変調器は、光導波路を含む半導体層と、前記半導体層上に設けられているクラッド層であって、前記半導体層の上面の一部を露出させる第１キャビティ及び前記半導体層の前記上面の他の一部を露出させる第２キャビティが形成されている、クラッド層と、前記第１キャビティを介して前記半導体層の前記上面に接している第１電極と、前記第２キャビティを介して前記半導体層の前記上面に接している第２電極と、を備えていてもよい。前記光導波路は、前記第１電極が前記半導体層の前記上面に接する位置と前記第２電極が前記半導体層の前記上面に接する位置の間に配置されており、前記第１電極と前記第２電極の間に電圧を印加したときに、伝搬する伝搬光の位相が変化するように構成されていてもよい。前記第１電極は、前記第１キャビティ内に充填されている第１透明電極を有していてもよい。前記第２電極は、前記第２キャビティ内に充填されている第２透明電極を有していてもよい。前記第１透明電極の上面は、前記クラッド層の上面と同一平面であってもよい。前記第２透明電極の上面は、前記クラッド層の上面と同一平面であってもよい。この位相変調器によると、前記第１電極及び前記第２電極の各々の少なくとも一部が透明電極を含んでいるので、伝搬光が前記第１電極及び前記第２電極で吸収されるのを抑えることができる。
【0007】
本明細書が開示する位相変調器の１つの製造方法は、半導体層に光導波路を形成する光導波路形成工程と、前記半導体層上に透明電極膜を形成する透明電極膜形成工程であって、前記透明電極膜は、相互に離れて配置された第１透明電極と第２透明電極を有している、透明電極膜形成工程と、前記第１透明電極及び前記第２透明電極を被覆するように前記半導体層上にクラッド層を形成するクラッド層形成工程と、前記クラッド層の前記第１キャビティに充填された前記第１透明電極の上面及び前記クラッド層の前記第２キャビティに充填された前記第２透明電極の上面が露出するまで前記クラッド層を平坦化する平坦化工程と、を備えていてもよい。この製造方法によると、伝搬光の吸収が抑えられた位相変調器を製造することができる。
【0008】
本明細書が開示する位相変調器の他の１つの製造方法は、半導体層に光導波路を形成する光導波路形成工程と、前記半導体層上にクラッド層を形成するクラッド層形成工程であって、前記クラッド層には前記半導体層の上面の一部を露出させる第１キャビティ及び前記半導体層の前記上面の他の一部を露出させる第２キャビティが形成されている、クラッド層形成工程と、前記クラッド層上に透明電極膜を形成する透明電極膜形成工程であって、前記透明電極膜は、前記第１キャビティを充填する第１透明電極及び前記第２キャビティを充填する第２透明電極を有している、透明電極膜形成工程と、前記クラッド層の前記第１キャビティに充填された前記第１透明電極及び前記クラッド層の前記第２キャビティに充填された前記第２透明電極が露出するまで前記透明電極膜を平坦化する平坦化工程と、を備えていてもよい。この製造方法によると、伝搬光の吸収が抑えられた位相変調器を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
（光フェーズドアレイの構成）
図１に示すように、光フェーズドアレイ１は、光導波路４と、分配器６と、位相変調器８と、送信アンテナ９と、を備えている。これら光導波路４と分配器６と位相変調器８と送信アンテナ９は、基板２上に光集積回路として構成されている。
図１に示すように、光フェーズドアレイ１は、光導波路４と、分配器６と、位相変調器８と、送信アンテナ９と、を備えている。これら光導波路４と分配器６と位相変調器８と送信アンテナ９は、基板２上に光集積回路として構成されている。
【0011】
分配器６は、光導波路４が複数に分岐されるように構成されており、光導波路４に入力された伝搬光を同位相の複数の伝搬光に分割する。分割された複数の伝搬光の各々は、位相変調器８で位相変調される。位相変調された複数の伝搬光は、送信アンテナ９に入力される。送信アンテナ９は、複数の光導波路４の各々に対応して設けられた回折格子を備えており、位相変調された複数の伝搬光を外部に向けて光ビームとして出射する。光フェーズドアレイ１の位相変調器８は、複数の伝搬光の位相差を制御し、出射する光ビームの偏向角度を調整することができる。このような光フェーズドアレイ１は、特に限定されるものではないが、例えばＬｉＤＡＲ装置に搭載される。
【0012】
（位相変調器の構造）
以下、図面を参照して位相変調器８について説明する。なお、図示明瞭化のために、繰り返し配置されている構造についてはその一部にのみ符号を付すことがある。
以下、図面を参照して位相変調器８について説明する。なお、図示明瞭化のために、繰り返し配置されている構造についてはその一部にのみ符号を付すことがある。
【0013】
図１及び図２に示すように、位相変調器８は、基板２に形成された複数の光導波路４を備えている。複数の光導波路４は、ｘ方向に隣り合うように配置されている。複数の光導波路４の各々は、ｙ方向に沿って分配器６と送信アンテナ９の間を延びている。なお、ｘ方向は基板２の主面２Ｓに平行な一方向を示し、ｙ方向は基板２の主面２Ｓに平行であってｘ方向に直交する方向を示し、ｚ方向は基板２の主面２Ｓに直交（ｘ方向とｙ方向の各々に直交）する方向を示す。図２に示されるように、破線で囲まれる部分が位相変調器８を構成する単位ユニット１０である。隣り合う光導波路４の間の距離をピッチ間距離１０Ｄという。以下、単位ユニット１０を位相変調器８と称して説明する。
【0014】
位相変調器８は、基板２と、基板２上に設けられているクラッド層１６と、第１電極４０と、第２電極５０と、を備えている。基板２は、絶縁層１２と、絶縁層１２上に積層された半導体層１４と、を有している。絶縁層１２の材料は、特に限定されるものではないが、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）であってもよい。半導体層１４の材料は、特に限定されるものではないが、例えばシリコンであってもよい。半導体層１４は、光導波路４と、ｐ型半導体領域２２と、ｎ型半導体領域３２と、を有している。
【0015】
光導波路４は、半導体層１４の一方の主面２Ｓに露出する位置に設けられている。この例では、光導波路４は、半導体層１４の一部として形成されたノンドープの領域である。この例に代えて、光導波路４は、半導体層１４とは異なる半導体材料、例えば窒化シリコンで形成されていてもよい。光導波路４は、ｚ軸方向から見たときに（以下、「平面視したときに」という）、第１電極４０と第２電極５０の間に配置されている。また、光導波路４は、基板２を平面視したときに、ｐ型半導体領域２２とｎ型半導体領域３２の間に設けられている。光導波路４は、半導体層１４の主面２Ｓから突出する凸部４Ａを有している。光導波路４に凸部４Ａが設けられていると、凸部４Ａがクラッド層１６に覆われて伝搬光が光導波路４内に効果的に閉じ込められる。凸部４Ａは、必要に応じて、形成されなくてもよい。
【0016】
ｐ型半導体領域２２は、半導体層１４の一方の主面２Ｓに露出する位置に設けられており、第１電極４０と光導波路４の間に配置されている。ｐ型半導体領域２２は、第１電極４０と光導波路４の各々に接している。ｐ型半導体領域２２は、平面視したときに、光導波路４が延びる方向、即ち、ｙ方向に沿って延びている。なお、ｐ型半導体領域２２は、第１電極４０と接する部分にｐ型不純物濃度が濃く調整された高濃度領域を有していてもよい。
【0017】
ｎ型半導体領域３２は、半導体層１４の一方の主面２Ｓに露出する位置に設けられており、第２電極５０と光導波路４の間に配置されている。ｎ型半導体領域３２は、第２電極５０と光導波路４の各々に接している。ｎ型半導体領域３２は、平面視したときに、光導波路４が延びる方向、即ち、ｙ方向に沿って延びている。なお、ｎ型半導体領域３２は、第２電極５０と接する部分にｎ型不純物濃度が濃く調整された高濃度領域を有していてもよい。
【0018】
クラッド層１６は、半導体層１４の一方の主面２Ｓを覆うように設けられている。クラッド層１６は、光導波路４よりも屈折率が小さい材料で構成されている。クラッド層１６の材料は、特に限定されるものではないが、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）であってもよい。クラッド層１６には第１キャビティ２４及び第２キャビティ３４が形成されている。第１キャビティ２４は、クラッド層１６を貫通しており、半導体層１４の一方の主面２Ｓのうちｐ型半導体領域２２が形成されている範囲の一部を露出させるように形成されている。第１キャビティ２４は、平面視したときに、光導波路４が延びる方向、即ち、ｙ方向に沿って延びている。第２キャビティ３４は、クラッド層１６を貫通しており、半導体層１４の一方の主面２Ｓのうちｎ型半導体領域３２が形成されている範囲の一部を露出させるように形成されている。第２キャビティ３４は、平面視したときに、光導波路４が延びる方向、即ち、ｙ方向に沿って延びている。第１キャビティ２４及び第２キャビティ３４はいずれも、クラッド層１６の上面から半導体層１４の一方の主面２Ｓに向けて略垂直に形成されている。なお、この例に代えて、第１キャビティ２４及び第２キャビティ３４はいずれも、クラッド層１６の上面から半導体層１４の一方の主面２Ｓに向けて先細り形状に形成されていてもよい。
【0019】
第１電極４０と第２電極５０は、光導波路４を間に置いてｘ軸方向に離れて配置されており、電気的に絶縁されている。第１電極４０は、平面視したときに、光導波路４が延びる方向、即ち、ｙ軸方向に沿って延びている。第２電極５０も同様に、平面視したときに、光導波路４が延びる方向、即ち、ｙ軸方向に沿って延びている。
【0020】
第１電極４０は、第１透明電極４２と、第１配線電極４４と、を有している。第１透明電極４２は、クラッド層１６の第１キャビティ２４を完全に充填するように設けられており、ｐ型半導体領域２２に接している。後述の製造方法で説明するように、平坦化工程により、第１透明電極４２の上面はクラッド層１６の上面と同一平面である。第１配線電極４４は、クラッド層１６の第１キャビティ２４の外に設けられており、第１透明電極４２上に設けられている。第１配線電極４４は、第１透明電極４２を介してｐ型半導体領域２２に電気的に接続されている。このように、第１配線電極４４は、光導波路４の凸部４Ａから積層方向（ｚ軸方向）に離れた位置にある。
【0021】
第２電極５０は、第２透明電極５２と、第２配線電極５４と、を有している。第２透明電極５２は、クラッド層１６の第２キャビティ３４を完全に充填するように設けられており、ｎ型半導体領域３２に接している。後述の製造方法で説明するように、平坦化工程により、第２透明電極５２の上面はクラッド層１６の上面と同一平面である。第２配線電極５４は、クラッド層１６の第２キャビティ３４の外に設けられており、第２透明電極５２上に設けられている。第２配線電極５４は、第２透明電極５２を介してｎ型半導体領域３２に電気的に接続されている。このように、第２配線電極５４は、光導波路４の凸部４Ａから積層方向（ｚ軸方向）に離れた位置にある。
【0022】
第１電極４０の第１透明電極４２及び第２電極５０の第２透明電極５２は、光導波路４を伝搬する伝搬光に対して透明な材料である。透明電極４２，５２の材料は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）であってもよい。透明導電性酸化物（ＴＣＯ）は、特に限定されるものではないが、例えば酸化インジウム系（ＩｎＯ系）、酸化スズ系（ＳｎＯ系）、および酸化亜鉛系（ＺｎＯ系）であってもよい。これら酸化物半導体にドーピングされる不純物は、例えばインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、アンチモン（Ｓｂ）、フッ素（Ｆ）、スズ（Ｓｎ）、イットリウム（Ｙ）、カドミウム（Ｃｄ）、ヒ素（Ａｓ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、モリブテン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タングステン（Ｗ）、テルル（Ｔｅ）、ホウ素（Ｂ）、スカンジウム（Ｓｃ）、バナジウム（Ｖ）、シリコン（Ｓｉ）からなる群から選択される少なくとも１つを含んでもよい。
【0023】
第１電極４０の第１配線電極４４は、光フェーズドアレイ１に設けられた制御端子（図示省略）と第１透明電極４２を電気的に接続するための配線に接続される。第１配線電極４４の材料は、特に限定されるものではないが、例えばアルミニウム（Ａｌ）であってもよい。第１配線電極４４は、平面視したときに、ｙ軸方向に沿って第１透明電極４２の一端から他端まで延びて形成されていてもよい。この例に代えて、第１配線電極４４は、平面視したときに、ｙ軸方向における第１透明電極４２の一部にのみ接するように形成されていてもよい。
【0024】
第２電極５０の第２配線電極５４は、光フェーズドアレイ１に設けられた制御端子（図示省略）と第２透明電極５２を電気的に接続するための配線に接続される。第２配線電極５４の材料は、特に限定されるものではないが、例えばアルミニウム（Ａｌ）であってもよい。第２配線電極５４は、平面視したときに、ｙ軸方向に沿って第２透明電極５２の一端から他端まで延びて形成されていてもよい。第２配線電極５４は、平面視したときに、ｙ軸方向における第２透明電極５２の一部にのみ接するように形成されていてもよい。
【0025】
（位相変調器の動作）
第１電極４０に第２電極５０よりも正となる電圧が印加されると、第１電極４０からｐ型半導体領域２２と光導波路４とｎ型半導体領域３２を経由して第２電極５０に電流が流れる。これにより、光導波路４のキャリア濃度が増加し、光導波路４を伝搬する伝搬光の位相が変化する。位相変調器８は、光導波路４を伝搬する伝搬光の位相を調整し、位相変調した伝搬光を送信アンテナ９（図１参照）に出力する。
第１電極４０に第２電極５０よりも正となる電圧が印加されると、第１電極４０からｐ型半導体領域２２と光導波路４とｎ型半導体領域３２を経由して第２電極５０に電流が流れる。これにより、光導波路４のキャリア濃度が増加し、光導波路４を伝搬する伝搬光の位相が変化する。位相変調器８は、光導波路４を伝搬する伝搬光の位相を調整し、位相変調した伝搬光を送信アンテナ９（図１参照）に出力する。
【0026】
光導波路４を伝搬する伝搬光の分布は、光導波路４の周囲を含む範囲である。光導波路４を伝搬する伝搬光の一部は、第１電極４０の第１透明電極４２及び第２電極５０の第２透明電極５２に接触する。例えば、これら接触する部分が不透明な金属電極の場合、伝搬光の一部がその金属電極で吸収され、光損失が増加する。一方、位相変調器８では、これら接触する部分が透明電極４２、５２で構成されているので、そのような光損失が抑えられる。このため、位相変調器８は、伝搬光の強度を維持したまま伝搬光を送信アンテナ９（図１参照）に出力することができる。この結果、光フェーズドアレイ１（図１参照）がＬｉＤＡＲ装置に搭載された場合、ＬｉＤＡＲ装置は長距離の測長が可能となる。
【0027】
また、光フェーズドアレイ１（図１参照）がＬｉＤＡＲ装置に搭載された場合、送信アンテナ９から出射される光ビームのスキャン角を広角化するためには、隣り合う光導波路４のピッチ間距離１０Ｄを小さくしなければならない。例えば、波長１５５０ｎｍの光ビームをスキャン角度６０°で出射するためには、隣り合う光導波路４のピッチ間距離１０Ｄを１．５５μｍ以下とする必要がある。しかしながら、光導波路４のピッチ間距離１０Ｄを小さくすると、上記したような伝搬光の一部が金属電極で吸収されて光損失が増加するという問題が顕在化してくる。透明電極４２、５２を有する位相変調器８は、このような光損失の増加を抑えることができる。この結果、位相変調器８を含む光フェーズドアレイ１が搭載されたＬｉＤＡＲ装置は、光損失の増加を抑えながら隣り合う光導波路４のピッチ間距離１０Ｄを小さくすることができるので、スキャン角を広角化することができる。さらに、光導波路４のピッチ間距離１０Ｄを小さくすることができるので、光フェーズドアレイ１を小型化することもできる。
【0028】
また、位相変調器８では、第１透明電極４２の上面とクラッド層１６の上面が同一平面に構成されているので、第１配線電極４４が第１透明電極４２に積層して配置されている。同様に、第２透明電極５２の上面とクラッド層１６の上面が同一平面に構成されているので、第２配線電極５４が第２透明電極５２に積層して配置されている。このような構成によると、キャビティ２４，３４の外に配線電極４４，５４を配設するためのスペースを広く確保する必要がないので、光導波路４のピッチ間距離１０Ｄが小さくなり、光フェーズドアレイ１を小型化することができる。
【0029】
【0030】
次に、図４に示すように、エッチング技術を利用して半導体層１４の一部を除去し、光導波路４の凸部４Ａを形成する。次に、イオン注入技術を利用してｐ型不純物及びｎ型不純物を半導体層１４の一部に導入し、導入した不純物を活性化させてｐ型半導体領域２２及びｎ型半導体領域３２を形成する。
【0031】
次に、図５に示すように、スパッタ技術を利用して半導体層１４上に透明電極膜７０を成膜する。スパッタ技術はステップカバレッジが良好なので、透明電極膜７０はコンフォーマルに成膜される。なお、スパッタ技術に代えて、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）技術又はＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）技術を用いて透明電極膜７０を成膜してもよい。
【0032】
次に、透明電極膜７０の消衰係数及び電気抵抗値を調整するために熱処理工程を実施する。この熱処理工程は、酸素雰囲気中の加熱と非酸素雰囲気中の加熱の組み合わせで構成される。この例では、最初に酸素（Ｏ2）雰囲気で加熱を行い、次に、窒素（Ｎ2）雰囲気で加熱を行う。酸素（Ｏ2）雰囲気の加熱は、特に限定されるものではないが、例えば４００℃、２０分の条件で実施される。窒素（Ｎ2）雰囲気の加熱は、特に限定されるものではないが５００℃、６０分の条件で実施される。
【0033】
透明電極膜７０に必要とされる特性は、低い消衰係数と低い電気抵抗値である。透明電極膜７０の材料である透明導電性酸化物（ＴＣＯ）では、その酸素欠陥（酸素空孔及び格子間酸素）がキャリアとして働く。透明導電性酸化物（ＴＣＯ）内のキャリアは、電気伝導性を持つとともに、光の透過を阻害する。透明導電性酸化物（ＴＣＯ）に対して酸素雰囲気中の加熱を行うと、酸素欠陥が埋まり、キャリアの消失による電気抵抗値の上昇と消衰係数の低下が起きる。一方、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）に対して非酸素雰囲気中の加熱を行うと、酸素が抜けてキャリアの生成による電気抵抗値の低下と消衰係数の上昇が起きる。消衰係数の上下幅及び電気抵抗値の上下幅は、酸素雰囲気中の加熱及び非酸素雰囲気中の加熱の条件に依存する。このように、酸素雰囲気中の加熱と非酸素雰囲気中の加熱を組み合わせることで、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）の消衰係数と電気抵抗値を調整することができる。この例では、酸素欠陥による消衰係数の上昇を抑えた状態で、必要な導電性を確保した電気抵抗値となるように、酸素雰囲気中の加熱及び非酸素雰囲気中の加熱の条件が調整されている。また、この熱処理では、消衰係数と電気抵抗値を調整に加えて、透明電極膜７０内に成膜時に形成された酸素欠陥以外の他の種類の欠陥も消失させることができる。なお、酸素雰囲気中の加熱と非酸素雰囲気中の加熱を実施する順序は特に限定されるものではない。
【0034】
次に、図６に示すように、フォトリソグラフィー技術及び反応性イオンエッチング技術を利用して透明電極膜７０のうちｐ型半導体領域２２及びｎ型半導体領域３２上の透明電極膜７０の一部が残存するように透明電極膜７０を加工し、第１透明電極４２と第２透明電極５２を形成する。本明細書では、図５及び図６に示す工程は透明電極膜形成工程と称される。
【0035】
次に、図７に示すように、成膜技術を利用して第１透明電極４２及び第２透明電極５２を覆うように半導体層１４上にクラッド層１６を成膜する。クラッド層１６の上面には、第１透明電極４２、第２透明電極５２及び光導波路４の凸部４Ａに対応した凹凸が形成される。
【0036】
次に、図８に示すように、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）技術を利用して第１透明電極４２及び第２透明電極５２が露出するまでクラッド層１６の上面を平坦化する。これにより、透明電極４２，５２の上面とクラッド層１６の上面が同一平面となる。
【0037】
次に、図９に示すように、スパッタ技術を利用して第１透明電極４２、第２透明電極５２及びクラッド層１６上にアルミニウムの電極膜７２を成膜する。その後、フォトリソグラフィー技術及びウェットエッチング技術を利用して電極膜７２を加工し、第１配線電極４４及び第２配線電極５４を形成する。これらの工程を経て、位相変調器８を製造することができる。
【0038】
上記製造方法では、半導体層１４上に透明電極膜７０を成膜した直後に透明電極膜７０の消衰係数及び電気抵抗値を調整するために熱処理工程を実施していた。この例に代えて、図８に示す平坦化工程を実施した後に、透明電極膜７０（即ち、第１透明電極４２及び第２透明電極５２）の消衰係数及び電気抵抗値を調整するために熱処理工程を実施してもよい。
【0039】
上記製造方法では、半導体層１４上の全体に透明電極膜７０を成膜した後に、透明電極膜７０を加工して第１透明電極４２及び第２透明電極５２を形成する。このため、透明電極膜７０を成膜するときの成膜方向が一方向（即ち、垂直方向）である。このように成膜された透明電極膜７０は良好な膜質となる。この結果、第１透明電極４２及び第２透明電極５２の膜質が良好となる。
【0040】
（位相変調器の第２の製造方法）
まず、上記した図３～図４までの工程を実施する。次に、図１０に示すように、成膜技術を利用して半導体層１４上にクラッド層１６を成膜する。クラッド層１６の上面には、光導波路４の凸部４Ａに対応した凹凸が形成される。
まず、上記した図３～図４までの工程を実施する。次に、図１０に示すように、成膜技術を利用して半導体層１４上にクラッド層１６を成膜する。クラッド層１６の上面には、光導波路４の凸部４Ａに対応した凹凸が形成される。
【0041】
次に、図１１に示すように、フォトリソグラフィー技術及び反応性イオンエッチング技術を利用してクラッド層１６に第１キャビティ２４及び第２キャビティ３４を形成する。第１キャビティ２４及び第２キャビティ３４はいずれも、クラッド層１６の上面から半導体層１４の一方の主面２Ｓに向けて略垂直に形成されている。本明細書では、図１０及び図１１に示す工程はクラッド層形成工程と称される。
【0042】
次に、図１２に示すように、スパッタ技術を利用してキャビティ２４，３４内及びクラッド層１６上に透明電極膜７０を成膜する。透明電極膜７０は、キャビティ２４，３４が完全に充填されるように厚く成膜される。次に、酸素雰囲気中の加熱と非酸素雰囲気中の加熱の組み合わせで構成される熱処理を実施し、透明電極膜７０の消衰係数及び電気抵抗値を調整する。
【0043】
次に、ＣＭＰ技術を利用してクラッド層１６の第１キャビティ２４に充填された第１透明電極４２及びクラッド層１６の第２キャビティ３４に充填された第２透明電極５２が露出するまで透明電極膜７０の上面を平坦化する。これにより、透明電極４２，５２の上面とクラッド層１６の上面が同一平面となる。これにより、第１の製造方法で説明したように、図８に示すものと同一構造のものが形成される。その後の工程は、第１の製造方法と同一である。
【0044】
上記製造方法では、クラッド層１６上に透明電極膜７０を成膜した直後に透明電極膜７０の消衰係数及び電気抵抗値を調整するために熱処理工程を実施していた。この例に代えて、平坦化工程を実施した後に、透明電極膜７０（即ち、第１透明電極４２及び第２透明電極５２）の消衰係数及び電気抵抗値を調整するために熱処理工程を実施してもよい。
【0045】
以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。
【0046】
（第１特徴）
位相変調器であって、
光導波路を含む半導体層と、
前記半導体層上に設けられているクラッド層であって、前記半導体層の上面の一部を露出させる第１キャビティ及び前記半導体層の前記上面の他の一部を露出させる第２キャビティが形成されている、クラッド層と、
前記第１キャビティを介して前記半導体層の前記上面に接している第１電極と、
前記第２キャビティを介して前記半導体層の前記上面に接している第２電極と、を備えており、
前記光導波路は、前記第１電極が前記半導体層の前記上面に接する位置と前記第２電極が前記半導体層の前記上面に接する位置の間に配置されており、前記第１電極と前記第２電極の間に電圧を印加したときに、伝搬する伝搬光の位相が変化するように構成されており、
前記第１電極は、前記第１キャビティ内に充填されている第１透明電極を有しており、
前記第２電極は、前記第２キャビティ内に充填されている第２透明電極を有しており、
前記第１透明電極の上面は、前記クラッド層の上面と同一平面であり、
前記第２透明電極の上面は、前記クラッド層の上面と同一平面である、位相変調器。
位相変調器であって、
光導波路を含む半導体層と、
前記半導体層上に設けられているクラッド層であって、前記半導体層の上面の一部を露出させる第１キャビティ及び前記半導体層の前記上面の他の一部を露出させる第２キャビティが形成されている、クラッド層と、
前記第１キャビティを介して前記半導体層の前記上面に接している第１電極と、
前記第２キャビティを介して前記半導体層の前記上面に接している第２電極と、を備えており、
前記光導波路は、前記第１電極が前記半導体層の前記上面に接する位置と前記第２電極が前記半導体層の前記上面に接する位置の間に配置されており、前記第１電極と前記第２電極の間に電圧を印加したときに、伝搬する伝搬光の位相が変化するように構成されており、
前記第１電極は、前記第１キャビティ内に充填されている第１透明電極を有しており、
前記第２電極は、前記第２キャビティ内に充填されている第２透明電極を有しており、
前記第１透明電極の上面は、前記クラッド層の上面と同一平面であり、
前記第２透明電極の上面は、前記クラッド層の上面と同一平面である、位相変調器。
【0047】
（第２特徴）
前記半導体層は、
前記第１電極に接する第１導電型の第１半導体領域と、
前記第２電極に接する第２導電型の第２半導体領域と、を有しており、
前記光導波路は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域の間に配置されている、特徴１に記載の位相変調器。
前記半導体層は、
前記第１電極に接する第１導電型の第１半導体領域と、
前記第２電極に接する第２導電型の第２半導体領域と、を有しており、
前記光導波路は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域の間に配置されている、特徴１に記載の位相変調器。
【0048】
（第３特徴）
前記第１電極は、前記第１透明電極を介して前記第１半導体領域に電気的に接続されている第１配線電極を含み、
前記第１配線電極は、前記第１キャビティの外に設けられており、
前記第２電極は、前記第２透明電極を介して前記第２半導体領域に電気的に接続されている第２配線電極を含み、
前記第２配線電極は、前記第２キャビティの外に設けられている、特徴１又は２に記載の位相変調器。
前記第１電極は、前記第１透明電極を介して前記第１半導体領域に電気的に接続されている第１配線電極を含み、
前記第１配線電極は、前記第１キャビティの外に設けられており、
前記第２電極は、前記第２透明電極を介して前記第２半導体領域に電気的に接続されている第２配線電極を含み、
前記第２配線電極は、前記第２キャビティの外に設けられている、特徴１又は２に記載の位相変調器。
【0049】
（第４特徴）
前記第１透明電極及び前記第２透明電極は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）である、特徴１～３のいずれか一項に記載の位相変調器。
前記第１透明電極及び前記第２透明電極は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）である、特徴１～３のいずれか一項に記載の位相変調器。
【0050】
（第５特徴）
位相変調器の製造方法であって、
半導体層に光導波路を形成する光導波路形成工程と、
前記半導体層上に透明電極膜を形成する透明電極膜形成工程であって、前記透明電極膜は、相互に離れて配置された第１透明電極と第２透明電極を有している、透明電極膜形成工程と、
前記第１透明電極及び前記第２透明電極を被覆するように前記半導体層上にクラッド層を形成するクラッド層形成工程と、
前記第１透明電極の上面及び前記第２透明電極の上面が露出するまで前記クラッド層の上面を平坦化する平坦化工程と、を備えている、位相変調器の製造方法。
位相変調器の製造方法であって、
半導体層に光導波路を形成する光導波路形成工程と、
前記半導体層上に透明電極膜を形成する透明電極膜形成工程であって、前記透明電極膜は、相互に離れて配置された第１透明電極と第２透明電極を有している、透明電極膜形成工程と、
前記第１透明電極及び前記第２透明電極を被覆するように前記半導体層上にクラッド層を形成するクラッド層形成工程と、
前記第１透明電極の上面及び前記第２透明電極の上面が露出するまで前記クラッド層の上面を平坦化する平坦化工程と、を備えている、位相変調器の製造方法。
【0051】
（第６特徴）
前記透明電極膜を熱処理する熱処理工程、をさらに備えており、
前記透明電極膜は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）であり、
前記熱処理は、酸素雰囲気中の加熱と非酸素雰囲気中の加熱を含む、特徴５に記載の位相変調器の製造方法。
前記透明電極膜を熱処理する熱処理工程、をさらに備えており、
前記透明電極膜は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）であり、
前記熱処理は、酸素雰囲気中の加熱と非酸素雰囲気中の加熱を含む、特徴５に記載の位相変調器の製造方法。
【0052】
（第７特徴）
前記透明電極膜形成工程は、
前記半導体層上に前記透明電極膜を成膜することと、
前記透明電極膜の一部を除去し、前記第１透明電極と前記第２透明電極を形成することと、を有しており、
前記熱処理は、前記透明電極膜の一部を除去する前に実施される、特徴６に記載の位相変調器の製造方法。
前記透明電極膜形成工程は、
前記半導体層上に前記透明電極膜を成膜することと、
前記透明電極膜の一部を除去し、前記第１透明電極と前記第２透明電極を形成することと、を有しており、
前記熱処理は、前記透明電極膜の一部を除去する前に実施される、特徴６に記載の位相変調器の製造方法。
【0053】
（第８特徴）
前記熱処理は、前記平坦化工程の後に実施される、特徴６に記載の位相変調器の製造方法。
前記熱処理は、前記平坦化工程の後に実施される、特徴６に記載の位相変調器の製造方法。
【0054】
（第９特徴）
位相変調器の製造方法であって、
半導体層に光導波路を形成する光導波路形成工程と、
前記半導体層上にクラッド層を形成するクラッド層形成工程であって、前記クラッド層には前記半導体層の上面の一部を露出させる第１キャビティ及び前記半導体層の前記上面の他の一部を露出させる第２キャビティが形成されている、クラッド層形成工程と、
前記クラッド層上に透明電極膜を形成する透明電極膜形成工程であって、前記透明電極膜は、前記第１キャビティを充填する第１透明電極及び前記第２キャビティを充填する第２透明電極を有している、透明電極膜形成工程と、
前記クラッド層の前記第１キャビティに充填された前記第１透明電極及び前記クラッド層の前記第２キャビティに充填された前記第２透明電極が露出するまで前記透明電極膜を平坦化する平坦化工程と、を備えている、位相変調器の製造方法。
位相変調器の製造方法であって、
半導体層に光導波路を形成する光導波路形成工程と、
前記半導体層上にクラッド層を形成するクラッド層形成工程であって、前記クラッド層には前記半導体層の上面の一部を露出させる第１キャビティ及び前記半導体層の前記上面の他の一部を露出させる第２キャビティが形成されている、クラッド層形成工程と、
前記クラッド層上に透明電極膜を形成する透明電極膜形成工程であって、前記透明電極膜は、前記第１キャビティを充填する第１透明電極及び前記第２キャビティを充填する第２透明電極を有している、透明電極膜形成工程と、
前記クラッド層の前記第１キャビティに充填された前記第１透明電極及び前記クラッド層の前記第２キャビティに充填された前記第２透明電極が露出するまで前記透明電極膜を平坦化する平坦化工程と、を備えている、位相変調器の製造方法。
【0055】
（第１０特徴）
前記透明電極膜を熱処理する熱処理工程、をさらに備えており、
前記透明電極膜は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）であり、
前記熱処理は、酸素雰囲気中の加熱と非酸素雰囲気中の加熱を含む、特徴９に記載の位相変調器の製造方法。
前記透明電極膜を熱処理する熱処理工程、をさらに備えており、
前記透明電極膜は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）であり、
前記熱処理は、酸素雰囲気中の加熱と非酸素雰囲気中の加熱を含む、特徴９に記載の位相変調器の製造方法。
【0056】
（第１１特徴）
前記熱処理は、前記平坦化工程の前に、又は、前記平坦化工程の後に実施される、特徴１０に記載の位相変調器の製造方法。
前記熱処理は、前記平坦化工程の前に、又は、前記平坦化工程の後に実施される、特徴１０に記載の位相変調器の製造方法。
【0057】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【0058】
２：基板、 ４：光導波路、 ４Ａ：凸部、 ８：位相変調器、 １０：単位ユニット、 １０Ｄ：ピッチ間距離、 １２：絶縁層、 １４：半導体層、 １６：クラッド層、 ２２：ｐ型半導体領域、 ２４：第１キャビティ、 ３２：ｎ型半導体領域、 ３４：第２キャビティ、 ４０：第１電極、 ４２：第１透明電極、 ４４：第１配線電極、 ５０：第２電極、 ５２：第２透明電極、 ５４：第２配線電極、
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】