半導體光學器件制造技術

一種半導體光學器件包括：第一包覆層、第二包覆層以及夾設于第一包覆層與第二包覆層之間的光波導層；其中該光波導層包括：第一半導體層；第二半導體層，布置在第一半導體層上且沿一個方向延伸；以及第三半導體層，覆蓋第二半導體層的頂表面；以及其中該第一半導體層包括：n型區(qū)域，布置在第二半導體層的一側(cè)；p型區(qū)域，布置在第二半導體層的另一側(cè)；以及i型區(qū)域，布置在n型區(qū)域與p型區(qū)域之間，以及其中第二半導體層的帶隙比第一半導體層和第三半導體層的帶隙窄。采用該半導體光學器件，可以減少半導體光學器件的功率消耗或縮短器件長度。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
半導體光學器件
本文討論的實施例涉及一種半導體光學器件。
技術介紹
近些年來，在SOI (絕緣體上硅)襯底上形成的半導體光學器件受到了關注。該半導體光學器件包括:第一包覆層；第二包覆層；以及夾設于第一包覆層和第二包覆層之間的光波導層。該光波導層包括:i型芯(COre);n型平板部，其比芯薄且布置在其一側(cè)；以及P型平板部，比芯薄且布置在芯的與η型平板層相對的一側(cè)。這樣，在SOI襯底上形成的半導體光學器件是包括p-1-n同質(zhì)結(jié)的光波導器件(在下文中，稱為同質(zhì)結(jié)光波導器件)(例如，參考日本特開專利公開2004-325914 ；L.Naval,R.Jalali, L.Gomelsky,以及 J.M.Liu, “運行于 1.3um 的 Sil-xGex/Si 波導光檢測器的優(yōu)化”，光波技術雜志，Vol.14，pp.787-797，1996 ；以及 Chris G.Van de Walle 和 RichardM.Martin, ^ Si/Ge系統(tǒng)中的異質(zhì)結(jié)不連續(xù)的理論計算”，Vol.34，pp.5621-5633，1986)。當電壓被施加到同質(zhì)結(jié)光波導器件的P型平板部與η型平板部之間時，載流子被注入到i型芯中。這導致芯的折射率和損耗系數(shù)產(chǎn)生變化。因此，通過改變P型平板部與η型平板部之間施加的電壓，可以改變在芯中傳播的光(在下文中稱為傳播光)的相位以及光強。然而，由于p-1-n同質(zhì)結(jié)中不存在將注入的載流子保持在結(jié)部內(nèi)的勢壘，因而難以在結(jié)部中獲得較高的載流子密度。為了解決該問題，在同質(zhì)結(jié)光波導器件中，通過將大量電流注入到P-1-n同質(zhì)結(jié)中來將傳播光的相位或強度改變?yōu)槠谕?span style='display:none'>。可替代地，通過延長器件長度來將傳播光的相位或強度改變?yōu)槠谕怠＝Y(jié)果是，同質(zhì)結(jié)光波導器件中存在功率消耗變大或器件長度變長的問題。
技術實現(xiàn)思路
因此，實施例的一個 方案的目的是解決上述問題。根據(jù)實施例的方案，一種半導體光學器件包括:第一包覆層、第二包覆層以及夾設于第一包覆層和第二包覆層之間的光波導層；其中該光波導層包括:第一半導體層；第二半導體層，布置在第一半導體層上且沿一個方向延伸；以及第三半導體層，覆蓋第二半導體層的頂表面；以及其中該第一半導體層包括:n型區(qū)域，布置在第二半導體層的一側(cè)；p型區(qū)域，布置在第二半導體層的另一側(cè)；以及i型區(qū)域，布置在η型區(qū)域與P型區(qū)域之間；以及其中第二半導體層的帶隙比第一半導體層和第三半導體層的帶隙窄。根據(jù)實施例的另一個方案，一種半導體光學器件包括:第一包覆層、第二包覆層以及夾設于所述第一包覆層與所述第二包覆層之間的光波導層；其中所述光波導層包括:第一半導體層；第二半導體層，布置在所述第一半導體層上且沿一個方向延伸；以及第三半導體層，覆蓋所述第二半導體層的頂表面；以及其中所述第一半導體層包括:η型區(qū)域以及接觸所述η型區(qū)域且與所述η型區(qū)域之間具有沿著所述一個方向延伸的邊界的P型區(qū)域；以及其中所述第二半導體層被布置在所述邊界上，并且?guī)侗人龅谝话雽w層和所述第三半導體層的帶隙窄。采用本申請實施例的上述方案，可以減少半導體光學器件的功率消耗或縮短器件長度。附圖說明圖1為移相器部I的平面圖2為沿圖1中描繪的線I1-1I的剖視圖3為使用硅芯(silicon core)的移相器部的剖視圖4為沿圖3中描繪的線IV-1V的能帶圖5為沿圖2中描繪的線V-V的能帶圖6為描述移相器部中的功率消耗密度與第二半導體層中的載流子密度之間的關系的不意圖7為根據(jù)第I實施例的MZ光開關的平面圖8為描繪第一移相器部和第二移相器部的長度L與用于切斷輸出光(第一I禹合光)的功率消耗之間的關系的示意圖9為描繪第I實施例的變形實例的示意圖10為描繪在Si襯底上生長的Si1Jex層的入射光能與光吸收系數(shù)之間的關系的不意圖1lA-圖1lC為示出根據(jù)第I實施例的MZ光開關的制造方法的工藝剖視圖12A-圖12C為示出根據(jù)第I實施例的MZ光開關的制造方法的工藝剖視圖13A-圖13C為示出根據(jù)第I實施例的MZ光開關的制造方法的工藝剖視圖14為通過過蝕刻(over-etching)形成的移相器部的剖視圖15為示出移相器部的變形實例的剖視圖16為描繪根據(jù)第2實施例的選通光開關(gate optical switch)的功率消耗密度與芯的損耗系數(shù)α之間的關系的示意圖17為描繪根據(jù)第3實施例的移相器部的功率消耗密度與第二半導體層中的載流子密度之間的關系的示意圖18為描繪移相器部的長度L與用于切斷MZ光開關的輸出光的功率消耗之間的關系的不意圖19為描繪Si/SiGe移相器部的功率消耗與芯的標準化等效折射率的變化絕對值之間的關系的示意圖20為根據(jù)第4實施例的MZ光開關的移相器部的剖視圖21為描繪移相器部的功率消耗密度與第二半導體層中的載流子密度之間的關系的不意圖22為描繪根據(jù)第4實施例的移相器部的長度L與用于切斷MZ光開關的輸出光的功率消耗之間的關系的示意圖23為描繪根據(jù)第4實施例的移相器部的功率消耗與位于其中的芯的標準化等效折射率的變化絕對值之間的關系的示意圖24A-圖24B為示出根據(jù)第4實施例的MZ光開關的制造方法的工藝剖視圖25為示出根據(jù)第4實施例的MZ光開關的變形實例的剖視圖26為描繪根據(jù)第5實施例的選通光開關的功率消耗密度與芯的損耗系數(shù)α之間的關系的不意圖27為根據(jù)本實施例6的MZ光開關中移相器部的剖視圖28為根據(jù)本實施例6的光波導層的平面圖29為沿圖27中描繪的線ΧΧΙΧ-ΧΧΙΧ的能帶圖；以及圖30為沿圖27中描繪的線XXX-XXX的能帶圖。具體實施方式根據(jù)本文多個實施例的半導體光學器件，可以減少半導體光學器件的功率消耗或縮短器件長度。將參考附圖來說明多個實施例。(第I實施例)根據(jù)本實施例的半導體光學器件為馬赫一曾德爾光開關(在下文中，稱為MZ光開關)。(I)移相器部圖1為根據(jù)本實施例的MZ光開關的移相器部2的平面圖。圖2為沿圖1中描繪的線I1-1I的剖視圖。如圖2中所描繪的，移相器部2包括設置在襯底(例如，SOI襯底的Si襯底)3上的第一包覆層(例如，SOI襯底的SiO2層)4和第二包覆層(例如，SiO2層)6。這里，第一包覆層4和第二包覆層6為絕緣體。另外，移相器部2包括夾設于第一包覆層4與第二包覆層6之間的光波導層8。光波導層8包括第一半導體層(例如，SOI襯底的單晶硅層)10以及設置在第一半導體層10上且沿一個方向11延伸的i型第二半導體層(例如，單晶硅-鍺層)12。光波導層8還包括覆蓋第二半導體層12的頂表面(與第一半導體層10側(cè)的表面相對的表面)15的第三半導體層(例如，單晶硅層)13。第一半導體層10包括設置在第二半導體層12的一側(cè)的η型區(qū)域14以及設置在第二半導體層12的另一側(cè)的P型區(qū)域16(從而從平面圖上看去跨越第二半導體層12而面向η型區(qū)域14)。第一半導體層10還包括設置在η型區(qū)域14與ρ型區(qū)域16之間的i型區(qū)域18。i型區(qū)域18為載流子濃度(雜質(zhì)濃度)小于η型區(qū)域14和ρ型區(qū)域16的區(qū)域。η型區(qū)域14、ρ型區(qū)域16以及i型區(qū)域18形成p-1-n同質(zhì)結(jié)。另外，第二半導體層(例如，SiGe層)12為帶隙比第一半導體層(例如，Si層)10和第三半導體層(例如，Si層)13窄的半導體層。第一包覆層4、第二包覆層6以及光波導層8在工作波長(例如，本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種半導體光學器件，包括：第一包覆層、第二包覆層以及夾設于所述第一包覆層和所述第二包覆層之間的光波導層；其中所述光波導層包括：第一半導體層；第二半導體層，布置在所述第一半導體層上且沿一個方向延伸；以及第三半導體層，覆蓋所述第二半導體層的頂表面；以及其中所述第一半導體層包括：n型區(qū)域，布置在所述第二半導體層的一側(cè)；p型區(qū)域，布置在所述第二半導體層的另一側(cè)；以及i型區(qū)域，布置在所述n型區(qū)域與所述p型區(qū)域之間；以及其中所述第二半導體層的帶隙比所述第一半導體層和所述第三半導體層的帶隙窄。

【技術特征摘要】
2011.11.21 JP 2011-2544451.一種半導體光學器件，包括: 第一包覆層、第二包覆層以及夾設于所述第一包覆層和所述第二包覆層之間的光波導層； 其中所述光波導層包括:第一半導體層；第二半導體層，布置在所述第一半導體層上且沿一個方向延伸；以及第三半導體層，覆蓋所述第二半導體層的頂表面；以及 其中所述第一半導體層包括:n型區(qū)域，布置在所述第二半導體層的一側(cè)；p型區(qū)域，布置在所述第二半導體層的另一側(cè)；以及i型區(qū)域，布置在所述η型區(qū)域與所述P型區(qū)域之間；以及 其中所述第二半導體層的帶隙比所述第一半導體層和所述第三半導體層的帶隙窄。2.根據(jù)權利要求1所述的半導體光學器件，其中所述第三半導體層還覆蓋所述第二半導體層的側(cè)面。3.根據(jù)權利要求1或2所述的半導體光學器件，其中所述第二半導體層的所述帶隙被設定為:使得由注入到三層肋部中的載流子產(chǎn)生的所述三層肋部的等效折射率變化的絕對值比由注入到二層肋部中的載流子產(chǎn)生的所述二層肋部的等效折射率變化的絕對值大，所述三層肋部包括所述第二半導體層、所述第三半導體層以及在所述第二半導體層下側(cè)的所述第一半導體層，所述二層肋部包括 所述第二半導體層以及在所述第二半導體層下側(cè)的所述第一半導體層，并且所述二層肋部具有與所述三層肋部相同的大小。4.根據(jù)權利要求1所述的半導體光學器件，還包括: 凹槽，布置在所述i型區(qū)域上； 其中所述第二半導體層被布置在所述凹槽上，并且所...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：朱雷，關口茂昭，田中信介，河口研一，
申請(專利權)人：富士通株式會社，
類型：發(fā)明
國別省市：