JP2009272614A - Erbium-doped silicon nanocrystalline-embedded silicon oxide waveguide and method of manufacturing the same, and integrated circuit including the same - Google Patents

Erbium-doped silicon nanocrystalline-embedded silicon oxide waveguide and method of manufacturing the same, and integrated circuit including the same Download PDF

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チャンドラ ジョシ プーラン
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an erbium-doped silicon nanocrystalline-embedded silicon oxide waveguide that can be manufactured by low-temerature process and can operate at 1,540 nm, and to provide a method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: The method comprises steps for: forming a bottom layer; forming an Er-doped silicon nanocrystalline-embedded silixon oxide film overlying the bottom layer, which exhibits minimum optical attenuation at about 1,540 nm; and forming a top layer overlying the Er-doped silicon oxide film. The Er-doped silicon oxide film includes steps for: depositing a silicon rich silicon oxide (SRSO) film using a high density plasma chemical vapor deposition; annealing the SRSO film; implanting Er<SP>+</SP>ions; and thereafter annealing the Er<SP>+</SP>-doped silicon oxide film again. The silicon oxide film including the Er-doped silicon nano-crystalline has a first refractive index (n) in a range of 1.46 to 2.30. Top and bottom layers have second refractive indexes smaller than the first refractive index. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、主に集積回路（ＩＣ）の製造に関し、より詳細には、シリコン（Ｓｉ）ナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）に、エルビウム（Ｅｒ）がドープされたシリコン酸化物導波路およびその製造方法、並びにその導波路を備えた集積回路に関する。   The present invention relates primarily to integrated circuit (IC) fabrication, and more particularly to silicon oxide waveguides in which silicon oxide (SiOx) containing silicon (Si) nanocrystals is doped with erbium (Er) and The present invention relates to a manufacturing method thereof, and an integrated circuit including the waveguide.

近年の半導体産業の発展は、金属（銅合金およびアルミニウム合金）薄膜が電気信号通信の相互接続に用いられる、ＩＣデバイスの小型化によってもたらされてきた。しかし、積極的な小型化が進むにつれ、金属相互接続は、ＩＣデバイスの処理速度および消費電力の高まりに、歩調を合わせなければならないという問題に直面している。この問題の解決策の１つは、チップとチップとのチップ間通信を、電子ではなく光子により行う光相互接続を利用することである。ガラス基板上に最初に形成されるフラットパネルディスプレイも、ガラス基板上に種々の機能および素子がますます付加されるにつれ、同様の問題に直面している。さらに、フラットディスプレイパネル産業は、第８世代を超えて発展し続けるにつれ、パネル内を金属相互接続したときの問題に直面する。光相互接続を使用すれば、相互接続の遅延および消費電力を低減することができる上、ＩＣデバイスおよびフラットパネルディスプレイのデバイススピードを向上させることができる。   The development of the semiconductor industry in recent years has been brought about by the miniaturization of IC devices in which metal (copper alloy and aluminum alloy) thin films are used for electrical signal communication interconnections. However, as aggressive miniaturization progresses, metal interconnects face the problem that they must keep pace with the increased processing speed and power consumption of IC devices. One solution to this problem is to use optical interconnections where chip-to-chip communication is done by photons rather than electrons. Flat panel displays initially formed on glass substrates face similar problems as more and more functions and devices are added on the glass substrate. In addition, as the flat display panel industry continues to evolve beyond the eighth generation, it faces problems when interconnecting metal within the panel. The use of optical interconnects can reduce interconnect delay and power consumption, and can improve device speeds of IC devices and flat panel displays.

長距離通信を行うために、エルビウムドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）により光信号を増幅させる活性媒体として、光ファイバを用いることが知られている。しかし、光ファイバは、従来のプロセスを用いて、ＩＣに統合することができない。一方、外部光源は、シリコンベースのＩＣデバイスに適用されるIII族〜Ｖ族化合物半導体用いて形成することができる。しかし、このような半導体を適用するためには、従来の製造工程にはない余計な工程が必要になる。このため、ハイブリッド・アセンブリは、ＳｉベースのＩＣデバイスに光電デバイスを接続するために、依然として光電アセンブリプロセスを強いられる。   In order to perform long-distance communication, it is known to use an optical fiber as an active medium for amplifying an optical signal by an erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA). However, optical fibers cannot be integrated into ICs using conventional processes. On the other hand, the external light source can be formed using a group III-V compound semiconductor applied to a silicon-based IC device. However, in order to apply such a semiconductor, an extra process that does not exist in the conventional manufacturing process is required. Thus, the hybrid assembly is still forced through a photoelectric assembly process to connect the photoelectric device to the Si-based IC device.

二酸化シリコン（ＳｉＯ２）が最小減衰を示すのは、長距離光通信の波長として最も広く用いられる１５４０ｎｍ付近である。このため、二酸化シリコンは、導光板を構成する物質として利用できる可能性がある。二酸化シリコン導波路は、広範囲に利用できる従来のＳｉ互換プロセス（Si-compatible process）を用いて、シリコンウエハおよびガラス表示パネル上に形成することができる。二酸化シリコンの別の魅力的特性は、いったん適切なレベルにエルビウムイオン（Ｅｒ＋）がドープされると、二酸化シリコン媒体が光信号の最小減衰を示す波長と同一である１５４０ｎｍの波長の光に変換できることである。従って、この波長帯の光信号を、光源からさらに送信することにより、あるいは、二酸化シリコン導波路と同波長とすることにより、低電力での送信が可能となる。 Silicon dioxide (SiO 2 ) exhibits minimum attenuation in the vicinity of 1540 nm, which is most widely used as a wavelength for long-distance optical communication. For this reason, silicon dioxide may be used as a substance constituting the light guide plate. Silicon dioxide waveguides can be formed on silicon wafers and glass display panels using a widely available conventional Si-compatible process. Another attractive property of silicon dioxide is that once the erbium ions (Er + ) are doped to the appropriate level, the silicon dioxide medium converts to light at a wavelength of 1540 nm, which is the same wavelength that exhibits the minimum attenuation of the optical signal. It can be done. Therefore, it is possible to transmit with low power by further transmitting an optical signal in this wavelength band from the light source or by setting the same wavelength as that of the silicon dioxide waveguide.

しかし、間接遷移形半導体シリコンは、長い間、低発光物質とみなされてきた。近年、シリコンナノ結晶（Ｓｉ−ｎｃ）を含むシリコンを豊富に含むシリコン酸化物（シリコンリッチシリコン酸化物：ＳＲＳＯ）が、有望な発光特性を示すことが見出されてきた。シリコンナノ結晶を含むＳＲＳＯの最適な発光波長は、従来法によれば、概ね６００ｎｍ〜９００ｎｍである。シリコンナノ結晶を含むＳＲＳＯ膜にエルビウムイオンがドープされると、その発光波長は、９００ｎｍ付近から１５４０ｎｍに変化し、発光の量子効果が顕著に高まる。このとき、シリコンナノ結晶粒子は、シリコン酸化物マトリックス内でＥｒ＋イオンを励起するための増感剤として機能する。 However, indirect transition semiconductor silicon has long been regarded as a low emission material. In recent years, it has been found that silicon-rich silicon oxide (silicon-rich silicon oxide: SRSO) containing silicon nanocrystals (Si-nc) exhibits promising emission characteristics. According to the conventional method, the optimum emission wavelength of SRSO containing silicon nanocrystals is approximately 600 nm to 900 nm. When an SRSO film containing silicon nanocrystals is doped with erbium ions, the emission wavelength changes from around 900 nm to 1540 nm, and the quantum effect of light emission is significantly increased. At this time, the silicon nanocrystal particles function as a sensitizer for exciting Er + ions in the silicon oxide matrix.

国際公開第２００４／１０５２０１号パンフレットInternational Publication No. 2004/105201 Pamphlet

Y. Hibino : Silica-based planar lightwave circuits and their applications, MRS Bulletin, May 2003, p.365.Y. Hibino: Silica-based planar lightwave circuits and their applications, MRS Bulletin, May 2003, p.365. W. Skorupa, J. M. Sun, S. Prucnal, et al : Rare earth ion implantation for silicon based light emission : from infrared to ultraviolet, Mater. Res. Soc. Symp. Proc., Vol.866, 2005, p.105.W. Skorupa, J. M. Sun, S. Prucnal, et al: Rare earth ion implantation for silicon based light emission: from infrared to ultraviolet, Mater. Res. Soc. Symp. Proc., Vol.866, 2005, p.105.

しかし、約６５０℃以上に加熱できないガラス等の温度感応性基板上に、シリコンナノ結晶を含むＳＲＳＯ膜を形成する方法は、知られていない。   However, a method for forming an SRSO film containing silicon nanocrystals on a temperature sensitive substrate such as glass that cannot be heated to about 650 ° C. or higher is not known.

このため、シリコンベースのＩＣ製造プロセスのような低温プロセスにより、１５４０ｎｍで機能する導光板（導波路）を製造することができれば、有利である。   For this reason, it would be advantageous if a light guide plate (waveguide) functioning at 1540 nm could be manufactured by a low temperature process such as a silicon based IC manufacturing process.

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、低温プロセスにより製造でき、１５４０ｎｍで機能するＥｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物導波路およびその製造方法、並びにその導波路を備えた集積回路を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a silicon oxide waveguide including Er-doped silicon nanocrystals that can be manufactured by a low-temperature process and function at 1540 nm, a method for manufacturing the same, and a method for manufacturing the same. An object of the present invention is to provide an integrated circuit having a waveguide.

本発明の導波路の製造方法は、上記の課題を解決するために、エルビウム（Ｅｒ）がドープされた、シリコン（Ｓｉ）ナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）導波路の製造方法であって、最下部層を形成する工程、上記最下部層を覆うように、１５４０ｎｍで最低光減衰を示すＥｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を形成する工程、および、上記Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を覆うように最上部層を形成する工程を含むことを特徴としている。   The waveguide manufacturing method of the present invention is a method for manufacturing a silicon oxide (SiOx) waveguide containing silicon (Si) nanocrystals doped with erbium (Er) in order to solve the above problems. A step of forming a bottom layer, a step of forming a silicon oxide film containing Er-doped silicon nanocrystals exhibiting the lowest light attenuation at 1540 nm so as to cover the bottom layer, and the Er-doped silicon nanocrystals It includes a step of forming an uppermost layer so as to cover the silicon oxide film.

上記の発明によれば、エルビウムイオンを励起するための増感剤として機能するシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物に、エルビウムがドープされた、シリコン酸化物導波路が形成される。このため、シリコンベースのＩＣ材料から導波路を構成できると共に、シリコンベースのＩＣ製造プロセスにより導波路を製造することができる。従って、低温プロセスにより製造でき、１５４０ｎｍで機能するシリコン酸化物導波路を製造することができる。   According to said invention, the silicon oxide waveguide by which the silicon oxide containing the silicon nanocrystal which functions as a sensitizer for exciting an erbium ion was doped with erbium is formed. Thus, a waveguide can be constructed from a silicon-based IC material and the waveguide can be manufactured by a silicon-based IC manufacturing process. Therefore, it is possible to manufacture a silicon oxide waveguide that can be manufactured by a low temperature process and that functions at 1540 nm.

なお、「１５４０ｎｍで最低光減衰を示す」とは、最低光減衰を示す波長が１５４０ｎｍのみを意味するものではなく、その波長が１５４０ｎｍ付近であること、すなわち、約１５４０ｎｍであればよいことを意味する。   Note that “showing the minimum light attenuation at 1540 nm” does not mean that the wavelength indicating the minimum light attenuation is only 1540 nm, but means that the wavelength is in the vicinity of 1540 nm, that is, about 1540 nm. To do.

本発明の導波路の製造方法では、上記Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜導波路を形成する工程は、高密度プラズマ化学気相堆積法（ＨＤＰＣＶＤ）により、シリコンを豊富に含むシリコン酸化膜（ＳＲＳＯ膜）を堆積する工程、上記ＳＲＳＯ膜をアニーリングする工程、上記ＳＲＳＯ膜にＥｒ＋イオンを注入する工程、および、上記Ｅｒ＋イオンの注入によって形成されたＥｒドープシリコン酸化膜をアニーリングする工程を含んでいてもよい。 In the waveguide manufacturing method of the present invention, the step of forming the silicon oxide film waveguide containing the Er-doped silicon nanocrystal is performed by high-density plasma chemical vapor deposition (HDPCVD). A step of depositing (SRSO film), a step of annealing the SRSO film, a step of implanting Er + ions into the SRSO film, and a step of annealing the Er-doped silicon oxide film formed by the implantation of Er + ions May be included.

本発明の導波路の製造方法では、上記ＳＲＳＯ膜を堆積する工程では、厚さ１００〜１００００ｎｍのＳＲＳＯ膜を堆積してもよい。なお、ＳＲＳＯ膜の厚さは、約１００ｎｍ以上、１０００００ｎｍ以下であればよい。   In the waveguide manufacturing method of the present invention, in the step of depositing the SRSO film, an SRSO film having a thickness of 100 to 10,000 nm may be deposited. Note that the thickness of the SRSO film may be about 100 nm or more and 100000 nm or less.

本発明の導波路の製造方法では、上記ＳＲＳＯ膜をアニーリングする工程は、６００℃〜１１００℃で、５分〜５時間行ってもよい。なお、反応条件は、約６００℃以上、約１１００℃以下で、約５分以上、約５時間以下であればよい。   In the waveguide manufacturing method of the present invention, the step of annealing the SRSO film may be performed at 600 ° C. to 1100 ° C. for 5 minutes to 5 hours. The reaction conditions may be about 600 ° C. or higher and about 1100 ° C. or lower and about 5 minutes or longer and about 5 hours or shorter.

本発明の導波路の製造方法では、上記Ｅｒ＋イオンを注入する工程は、１００ｋｅＶのエネルギー、Ｅｒドープシリコン酸化膜の厚さの中間部に対し、５×１０１５〜１×１０１７ｃｍ−２のドーズ量で、Ｅｒ＋イオンを注入してもよい。なお、反応条件は、約１００ｋｅＶのエネルギーで、約５×１０１５ｃｍ−２以上、１×１０１７ｃｍ−２以下のドーズ量で、Ｅｒ＋イオンを注入することができる。 In the waveguide manufacturing method of the present invention, the step of implanting Er + ions is performed at 5 × 10 15 to 1 × 10 17 cm −2 with respect to the intermediate portion of the energy of 100 keV and the thickness of the Er-doped silicon oxide film. Er + ions may be implanted with a dose amount of. The reaction conditions are such that Er + ions can be implanted with an energy of about 100 keV and a dose of about 5 × 10 15 cm −2 or more and 1 × 10 17 cm −2 or less.

本発明の導波路の製造方法では、上記Ｅｒドープシリコン酸化膜をアニーリングする工程は、６００〜１０００℃で、約５分〜６０分行ってもよい。なお、反応条件は、約６００℃以上、約１０００℃以下で、約５分以上、約６０分以下であればよい。   In the waveguide manufacturing method of the present invention, the step of annealing the Er-doped silicon oxide film may be performed at 600 to 1000 ° C. for about 5 to 60 minutes. The reaction conditions may be about 600 ° C. or higher and about 1000 ° C. or lower and about 5 minutes or longer and about 60 minutes or shorter.

本発明の導波路の製造方法では、上記Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜導波路を形成する工程は、１．４６を越え、２．３０以下の第１屈折率（ｎ）を有するＥｒドープシリコン酸化膜を形成してもよい。なお、第１屈折率（ｎ）は、約１．４６を越え、約２．３０以下であればよい。   In the method for manufacturing a waveguide according to the present invention, the step of forming the silicon oxide film waveguide containing the Er-doped silicon nanocrystal has an Er having a first refractive index (n) of more than 1.46 and not more than 2.30. A doped silicon oxide film may be formed. The first refractive index (n) may be greater than about 1.46 and not greater than about 2.30.

本発明の導波路の製造方法では、上記最上部層を形成する工程は、第１屈折率未満の第２屈折率を有する最上部層を形成し、上記最下部層を形成する工程は、第１屈折率未満の第２屈折率を有する最下部層を形成してもよい。   In the waveguide manufacturing method of the present invention, the step of forming the uppermost layer includes forming the uppermost layer having a second refractive index lower than the first refractive index and forming the lowermost layer. A lowermost layer having a second refractive index less than one refractive index may be formed.

本発明の導波路の製造方法では、上記最上部層を形成する工程、および、上記最下部層を形成する工程は、第２屈折率が１．４６である二酸化シリコンからなる最上部層および最下部層を形成してもよい。なお、第２屈折率は、第１屈折率未満であって、約１．４６であればよい。   In the waveguide manufacturing method of the present invention, the step of forming the uppermost layer and the step of forming the lowermost layer include an uppermost layer made of silicon dioxide having a second refractive index of 1.46 and an uppermost layer. A lower layer may be formed. The second refractive index is less than the first refractive index and may be about 1.46.

本発明の導波路の製造方法では、さらに、上記Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜導波路をパターニングし導波路端部を形成する工程と、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、上記導波路端部をエッチングし、ミラー光学面を形成する工程とを含んでいてもよい。   In the waveguide manufacturing method of the present invention, the waveguide is further formed by patterning the silicon oxide waveguide containing the Er-doped silicon nanocrystals to form the waveguide end, and reactive ion etching (RIE). And etching the end portion to form a mirror optical surface.

本発明の導波路は、上記の課題を解決するために、エルビウム（Ｅｒ）がドープされたシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）導波路であって、最下部層、上記最下部層を覆うＥｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜、上記Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を覆う最上部層、第１波長帯の光を受容する入力光学面、および、第２波長帯の光を供給する出力光学面を備えることを特徴としている。   In order to solve the above problems, the waveguide of the present invention is a silicon oxide (SiOx) waveguide including silicon nanocrystals doped with erbium (Er), and includes a bottom layer and the bottom layer. Covering silicon oxide film including Er-doped silicon nanocrystal, uppermost layer covering silicon oxide film including Er-doped silicon nanocrystal, input optical surface for receiving light in first wavelength band, and light in second wavelength band An output optical surface for supplying is provided.

上記の発明によれば、エルビウムイオンを励起するための増感剤として機能するシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物に、エルビウムがドープされた、シリコン酸化物導波路が構成される。このため、シリコンベースのＩＣ材料から導波路を構成できると共に、シリコンベースのＩＣ製造プロセスにより導波路を製造することができる。従って、低温プロセスにより製造でき、１５４０ｎｍで機能するシリコン酸化物導波路を提供することができる。   According to said invention, the silicon oxide waveguide by which the silicon oxide containing the silicon nanocrystal which functions as a sensitizer for exciting an erbium ion was doped with erbium is comprised. Thus, a waveguide can be constructed from a silicon-based IC material and the waveguide can be manufactured by a silicon-based IC manufacturing process. Therefore, it is possible to provide a silicon oxide waveguide that can be manufactured by a low temperature process and that functions at 1540 nm.

本発明の導波路では、上記入力光学面は、６００ｎｍ以上１５４０ｎｍ未満の第１波長帯を受容し、上記出力光学面は、１５４０ｎｍの第２波長帯の光を供給するものであってもよい。なお、入力光学面は、約６００ｎｍ以上、約１５４０ｎｍ未満の第１波長帯を受容し、上記出力光学面は、約１５４０ｎｍの第２波長帯の光を供給するものであってもよい。   In the waveguide of the present invention, the input optical surface may receive a first wavelength band of 600 nm or more and less than 1540 nm, and the output optical surface may supply light of a second wavelength band of 1540 nm. The input optical surface may receive a first wavelength band of about 600 nm or more and less than about 1540 nm, and the output optical surface may supply light of a second wavelength band of about 1540 nm.

本発明の導波路では、上記Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜は、１５４０ｎｍで最低光減衰を示すものであってもよい。なお、上述のように、最低光減衰を示す波長は、１５４０ｎｍのみを意味するものではなく、その波長が１５４０ｎｍ付近であること、すなわち、約１５４０ｎｍであればよい。   In the waveguide of the present invention, the silicon oxide film containing the Er-doped silicon nanocrystal may exhibit a minimum light attenuation at 1540 nm. As described above, the wavelength indicating the minimum light attenuation does not mean only 1540 nm, but the wavelength may be around 1540 nm, that is, about 1540 nm.

本発明の導波路では、上記Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜は、１．４６を越え、２．３０以下の第１屈折率（ｎ）を有するものであってもよい。なお、上述のように、第１屈折率（ｎ）は、約１．４６を越え、約２．３０以下であればよい。   In the waveguide of the present invention, the silicon oxide film containing the Er-doped silicon nanocrystal may have a first refractive index (n) exceeding 1.46 and not more than 2.30. As described above, the first refractive index (n) may be greater than about 1.46 and not greater than about 2.30.

本発明の導波路では、上記最上部層および最下部層は、いずれも、第１屈折率未満の第２屈折率を有するものであってもよい。   In the waveguide of the present invention, each of the uppermost layer and the lowermost layer may have a second refractive index lower than the first refractive index.

本発明の導波路では、上記最上部層および最下部層は、いずれも、第２屈折率が１．４６である二酸化シリコンからなるものであってもよい。なお、第２屈折率は、第１屈折率未満であって、約１．４６であればよい。   In the waveguide of the present invention, each of the uppermost layer and the lowermost layer may be made of silicon dioxide having a second refractive index of 1.46. The second refractive index is less than the first refractive index and may be about 1.46.

本発明の導波路では、上記入力光学面は、傾斜ミラー光学面であってもよい。   In the waveguide of the present invention, the input optical surface may be an inclined mirror optical surface.

本発明の導波路では、上記最上部層は、上記傾斜ミラー光学面を覆う界面を有していてもよい。   In the waveguide of the present invention, the uppermost layer may have an interface covering the inclined mirror optical surface.

本発明の導波路では、さらに、最上部層の少なくとも一部に形成された、電気式ポンプ光源を備えており、上記電気式ポンプ光源は、傾斜ミラー光学面を覆う出力部を有していてもよい。   The waveguide of the present invention further includes an electric pump light source formed on at least a part of the uppermost layer, and the electric pump light source has an output unit that covers the inclined mirror optical surface. Also good.

本発明の導波路では、さらに、最上部層の少なくとも一部に形成された光検出器を備えており、上記光検出器は、傾斜ミラー光学面を覆う入力部を有していてもよい。   The waveguide of the present invention further includes a photodetector formed on at least a part of the uppermost layer, and the photodetector may have an input section that covers the inclined mirror optical surface.

本発明の集積回路は、前記いずれかの導波路を備えていることを特徴としている。   An integrated circuit according to the present invention includes any one of the above waveguides.

本発明の導波路の製造方法は、以上のように、最下部層を形成する工程、上記最下部層を覆うように、１５４０ｎｍで最低光減衰を示すＥｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜導波路を形成する工程、および、上記ＥｒドープＥｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜導波路を覆うように最上部層を形成する工程を含んでいる。また、本発明の導波路は、最下部層、上記最下部層を覆うＥｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜、上記Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を覆う最上部層、第１波長帯の光を受容する入力光学面、および、第２波長帯の光を供給する出力光学面を備える構成である。それゆえ、低温プロセスにより製造でき、１５４０ｎｍで機能するＥｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物導波路を実現できるという効果を奏する。   As described above, the method for manufacturing a waveguide according to the present invention includes a step of forming a lowermost layer, and a silicon oxide film including Er-doped silicon nanocrystals exhibiting the lowest light attenuation at 1540 nm so as to cover the lowermost layer. A step of forming a waveguide, and a step of forming an uppermost layer so as to cover the silicon oxide waveguide including the Er-doped Er-doped silicon nanocrystal. The waveguide of the present invention includes a bottom layer, a silicon oxide film containing Er-doped silicon nanocrystals covering the bottom layer, a top layer covering the silicon oxide film containing Er-doped silicon nanocrystals, and a first wavelength. And an output optical surface that supplies light in the second wavelength band. Therefore, it is possible to realize a silicon oxide waveguide including Er-doped silicon nanocrystals that can be manufactured by a low temperature process and function at 1540 nm.

Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物導波路を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing a silicon oxide waveguide containing Er dope silicon nanocrystal. 図１の導波路の第１変形例を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing the 1st modification of the waveguide of Drawing 1. 図１の導波路の第２変形例を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing the 2nd modification of the waveguide of Drawing 1. Ｅｒ＋イオンドープシリコンナノ結晶を含むＳＲＳＯ膜、および、Ｅｒ＋イオン非ドープシリコンナノ結晶を含むＳＲＳＯ膜における、６００ｎｍ〜１１００ｎｍのフォトルミネセンス（ＰＬ）発光スペクトルを示すグラフである。Er + ions doped silicon nano SRSO film containing crystals, and, in SRSO film containing Er + ions undoped silicon nanocrystals is a graph showing the photoluminescence (PL) emission spectra of 600Nm～1100nm. Ｅｒ＋イオンドープシリコンナノ結晶を含むＳＲＳＯ膜、および、Ｅｒ＋イオン非ドープシリコンナノ結晶を含むＳＲＳＯ膜における、１３００ｎｍ〜１８００ｎｍのフォトルミネセンス（ＰＬ）発光スペクトルを示すグラフである。Er + ions doped silicon nano SRSO film containing crystals, and, in SRSO film containing Er + ions undoped silicon nanocrystals is a graph showing the photoluminescence (PL) emission spectra of 1300Nm～1800nm. 第２アニーリングの温度および時間が異なるＥｒ＋ドープシリコンナノ結晶により増感されたＳＲＳＯ膜のフォトルミネセンス測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the photoluminescence measurement result of the SRSO film | membrane sensitized by Er + dope silicon nanocrystal from which the temperature and time of 2nd annealing differ. 図１の導波路の第４変形例を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing the 4th modification of a waveguide of Drawing 1. 導波路システムを示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing a waveguide system. Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜導波路の製造工程を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing process of the silicon oxide film waveguide containing Er dope silicon nanocrystal. Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜導波路の別の製造工程を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows another manufacturing process of the silicon oxide film waveguide containing Er dope silicon nanocrystal.

本発明は、シリコンナノ結晶とＥｒとをＳＲＳＯ膜にドープすることにより、ガラスパネル上に形成されたＩＣデバイスおよびフラットパネルディスプレイでの光相互接続用の導波路（光学利得媒体）を実現することにある。このアプローチの利点は、全ての物質および全てのプロセスが、シリコンベースの製造プロセスに基づく点である。さらに、このような導波路は、コストのかかるIII族〜Ｖ族化合物半導体を備えた９８０ｎｍポンプレーザを必要としない。Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）導波路は、導波路と光検出器／受光器とを用いた発光機能の統合も可能になる。本発明は、光信号送信に限らず、ＩＣデバイス内およびＩＣデバイス間の増幅、または、フラットパネルディスプレイ内およびフラットディスプレイ間の増幅にさえ利用される、導波路（光学利得媒体）としての、Ｅｒ＋ドープシリコンナノ結晶により増感されたシリコン酸化物の利用方法に関するものである。 The present invention realizes a waveguide (optical gain medium) for optical interconnection in an IC device and a flat panel display formed on a glass panel by doping a silicon nanocrystal and Er into an SRSO film. It is in. The advantage of this approach is that all materials and all processes are based on a silicon-based manufacturing process. Furthermore, such a waveguide does not require an expensive 980 nm pump laser with a group III-V compound semiconductor. Silicon oxide (SiOx) waveguides containing Er-doped silicon nanocrystals also allow integration of light emitting functions using waveguides and photodetectors / receivers. The present invention is not limited to optical signal transmission, but Er as a waveguide (optical gain medium) utilized for amplification within IC devices and between IC devices, or even within flat panel displays and between flat displays. The present invention relates to a method of using silicon oxide sensitized by + doped silicon nanocrystals.

また、本発明によれば、エルビウムドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物導波路の製造方法を提供することができる。本発明の導波路の製造方法は、最下部層（bottom layer）を準備し、その最下部層を覆うように、Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜導波路を形成する。これにより、この導波路は、約１５４０ｎｍで最小減衰を示すようになる。次に、上記Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を覆うように、最上部層（top layer）を形成する。Ｅｒドープシリコン酸化膜は、例えば、高密度プラズマ化学気相堆積法（ＨＤＰＣＶＤ）を用いて、シリコンを豊富に含むシリコン酸化膜（ＳＲＳＯ膜）を堆積させ、そのＳＲＳＯ膜をアニーリングすることにより形成することができる。そして、エルビウムイオン（Ｅｒ＋）の注入後、Ｅｒドープシリコン酸化膜を再度アニールする。 Moreover, according to the present invention, a method for producing a silicon oxide waveguide containing erbium-doped silicon nanocrystals can be provided. In the waveguide manufacturing method of the present invention, a bottom layer is prepared, and a silicon oxide waveguide containing Er-doped silicon nanocrystals is formed so as to cover the bottom layer. This causes the waveguide to exhibit minimum attenuation at about 1540 nm. Next, a top layer is formed so as to cover the silicon oxide film containing the Er-doped silicon nanocrystal. The Er-doped silicon oxide film is formed, for example, by depositing a silicon oxide film (SRSO film) rich in silicon using a high density plasma chemical vapor deposition method (HDPCVD) and annealing the SRSO film. be able to. Then, after the erbium ion (Er + ) is implanted, the Er-doped silicon oxide film is annealed again.

Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜は、１．４６を越え、２．３０以下の第１屈折率（ｎ）を有する。   The silicon oxide film containing Er-doped silicon nanocrystals has a first refractive index (n) exceeding 1.46 and not more than 2.30.

また、最上部層および最下部層は、第１屈折率未満の第２屈折率を有していてもよい。例えば、最上部層および最下部層は、第２屈折率が約１．４６である二酸化シリコンからなるものであってもよい。また、本発明の導波路の製造方法は、上記シリコン酸化膜導波路をパターニングして、導波路端部を形成してもよい。また、本発明の導波路の製造方法では、その後、導波路の端部に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行い、ミラー光学面を形成してもよい。   The uppermost layer and the lowermost layer may have a second refractive index less than the first refractive index. For example, the top layer and the bottom layer may be made of silicon dioxide having a second refractive index of about 1.46. In the waveguide manufacturing method of the present invention, the waveguide end may be formed by patterning the silicon oxide waveguide. In the waveguide manufacturing method of the present invention, a mirror optical surface may be formed by performing reactive ion etching (RIE) on the end of the waveguide thereafter.

以下、本発明のＥｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物導波路およびその製造方法の一実施形態について、図１〜図９に基づいて、詳細に説明する。   Hereinafter, an embodiment of a silicon oxide waveguide including an Er-doped silicon nanocrystal of the present invention and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to FIGS.

図１は、シリコン（Ｓｉ）ナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）に、エルビウム（Ｅｒ）がドープされた導波路（Ｅｒドープシリコンナノ結晶含有シリコン酸化物導波路）の部分断面図である。導波路１００は、最下部層１０２、Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ膜）１０４、および最上部層１０６を備えている。最下部層１０２は、Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜１０４に覆われている。Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜１０４における、シリコン酸化物「ＳｉＯｘ」の「ｘ」は、２以下である。この点を考慮すると、シリコンナノ結晶の直径は、約１〜１０ｎｍである。Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜１０４は、約１５４０ｎｍで最小光減衰を示す。Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜１０４は、最上部層１０６に覆われている。Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜１０４は、１．４６を越え、２．３０以下の第１屈折率（ｎ）を有する。最上部層１０６および最下部層１０２は、いずれも、第１屈折率未満の第２屈折率を有する。なお、最上部層１０６および最下部層１０２は、同じ屈折率でなくてもよい。例えば、最上部層１０６および最下部層１０２は、第２屈折率が約１．４６である二酸化シリコンから構成することができる。   FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a waveguide in which erbium (Er) is doped into silicon oxide (SiOx) containing silicon (Si) nanocrystals (Er-doped silicon nanocrystal-containing silicon oxide waveguide). The waveguide 100 includes a lowermost layer 102, a silicon oxide film (SiOx film) 104 containing Er-doped silicon nanocrystals, and an uppermost layer 106. The lowermost layer 102 is covered with a silicon oxide film 104 containing Er-doped silicon nanocrystals. In the silicon oxide film 104 containing Er-doped silicon nanocrystals, “x” of the silicon oxide “SiOx” is 2 or less. Considering this point, the diameter of the silicon nanocrystal is about 1 to 10 nm. The silicon oxide film 104 containing Er-doped silicon nanocrystals exhibits a minimum light attenuation at about 1540 nm. The silicon oxide film 104 containing Er-doped silicon nanocrystals is covered with the uppermost layer 106. The silicon oxide film 104 containing Er-doped silicon nanocrystals has a first refractive index (n) exceeding 1.46 and not more than 2.30. Both the uppermost layer 106 and the lowermost layer 102 have a second refractive index less than the first refractive index. Note that the uppermost layer 106 and the lowermost layer 102 need not have the same refractive index. For example, the top layer 106 and the bottom layer 102 can be composed of silicon dioxide having a second refractive index of about 1.46.

導波路１００は、シリコンまたはガラスなどの物質からなる基板１１４上に形成されている。図１の断面図には示されていないが、導波路１００は、二酸化シリコン等の誘電体からなり、第１屈折率未満の屈折率を有する「側面（side）」を有している。この「側面」は、平面視すると（上面または下面からみると）、Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜１０４に隣接している。   The waveguide 100 is formed on a substrate 114 made of a material such as silicon or glass. Although not shown in the cross-sectional view of FIG. 1, the waveguide 100 is made of a dielectric such as silicon dioxide and has a “side” having a refractive index less than the first refractive index. This “side surface” is adjacent to the silicon oxide film 104 containing Er-doped silicon nanocrystals when viewed from above (when viewed from the upper surface or the lower surface).

導波路１００は、さらに、入力光学面１１６および出力光学面１１８を有する。入力光学面１１６は、第１波長帯の光を受容する。出力光学面１１８は、第２波長帯の光を供給する。例えば、入力光学面１１６は、約６００ｎｍ〜約１５４０ｎｍ未満の第１波長帯の光を受容する。一方、出力光学面１１８は、約１５４０ｎｍの第２波長帯の光を供給する。   The waveguide 100 further has an input optical surface 116 and an output optical surface 118. The input optical surface 116 receives light in the first wavelength band. The output optical surface 118 supplies light in the second wavelength band. For example, the input optical surface 116 receives light in a first wavelength band from about 600 nm to less than about 1540 nm. On the other hand, the output optical surface 118 supplies light in the second wavelength band of about 1540 nm.

入力光学面１１６および出力光学面１１８は、図示しない導波路の別の部分に接続されており、電気式ポンプ光源等の光源（図示せず）からの光を受容し、フォトダイオード等の光ターゲット（図示せず）に光を供給してもよい。なお、一形態では、導波路１００は、２つの端部を有するＥｒドープシリコン酸化膜から構成されており、各端部には、傾斜ミラー光学面が形成されていてもよい。また、別の形態では、導波路１００は、このような２つの端部を複数組有するＥｒドープシリコン酸化膜から構成されていてもよい。   The input optical surface 116 and the output optical surface 118 are connected to another part of a waveguide (not shown), receive light from a light source (not shown) such as an electric pump light source, and an optical target such as a photodiode. Light (not shown) may be supplied. In one embodiment, the waveguide 100 is composed of an Er-doped silicon oxide film having two ends, and an inclined mirror optical surface may be formed at each end. In another form, the waveguide 100 may be formed of an Er-doped silicon oxide film having a plurality of such two end portions.

図２は、図１の導波路の第１変形例を示す部分断面図である。図２の構成では、入力光学面１１６が、傾斜光学面である。例えば、最上部層１０６は、傾斜ミラー光学面（入力光学面１１６）を覆う界面２００を有していてもよい。図２の構成では、電気式ポンプ光源（図中では単に「光源」）２０２は、最上部層１０６の少なくとも一部に形成されており、傾斜ミラー光学面（入力光学面１１６）を覆う出力部２０４を有している。また、図示しないが、電気式ポンプ光源２０２は、最下部層１０２または基板１１４に形成されており、傾斜ミラー光学面（入力光学面１１６）が、電気式ポンプ光源２０２からの光を受容できるように傾斜していてもよい。   FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a first modification of the waveguide of FIG. In the configuration of FIG. 2, the input optical surface 116 is a tilted optical surface. For example, the top layer 106 may have an interface 200 that covers the tilted mirror optical surface (input optical surface 116). In the configuration of FIG. 2, an electric pump light source (simply “light source” in the figure) 202 is formed on at least a part of the uppermost layer 106, and an output unit that covers the inclined mirror optical surface (input optical surface 116). 204. Although not shown, the electric pump light source 202 is formed on the lowermost layer 102 or the substrate 114 so that the inclined mirror optical surface (input optical surface 116) can receive light from the electric pump light source 202. It may be inclined.

図３は、図１の導波路の第２変形例を示す部分断面図である。図３の構成では、入力光学面１１６および出力光学面１１８がいずれも、傾斜ミラー光学面である。図２の構成と同様に、最上部層１０６は、傾斜ミラー光学面（入力光学面１１６）を覆う界面２００を有している。また、電気式ポンプ光源２０２は、最上部層１０６の少なくとも一部に形成されており、傾斜ミラー光学面（入力光学面１１６）を覆う出力部２０４を有している。これらの構成に加え、図３の構成では、さらに、界面３０２を有する最下部層１０２の少なくとも一部に、光学検波器（optical detector）３００が形成されている。光学検波器３００は、傾斜ミラー光学面（出力光学面１１８）の下部に、入力部３０４を有している。図示しないが、電気式ポンプ光源２０２が、最下部層１０２に設けられており、光学検波器３００が、最上部層１０６に設けられていてもよい。また、図示しないが、電気式ポンプ光源２０２および光学検波器３００は、いずれも同一の層に形成されていてもよい。また、図示しないが、電気式ポンプ光源２０２、光学検波器３００、および傾斜ミラー面（入力光学面１１６および出力光学面１１８）は、上面視した場合に、Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜１０４の側面に設けられていてもよい。   FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing a second modification of the waveguide of FIG. In the configuration of FIG. 3, both the input optical surface 116 and the output optical surface 118 are tilted mirror optical surfaces. Similar to the configuration of FIG. 2, the uppermost layer 106 has an interface 200 that covers the tilted mirror optical surface (input optical surface 116). The electric pump light source 202 is formed on at least a part of the uppermost layer 106, and has an output unit 204 that covers the inclined mirror optical surface (input optical surface 116). In addition to these configurations, in the configuration of FIG. 3, an optical detector 300 is further formed on at least a part of the lowermost layer 102 having the interface 302. The optical detector 300 has an input unit 304 below the inclined mirror optical surface (output optical surface 118). Although not shown, the electric pump light source 202 may be provided in the lowermost layer 102, and the optical detector 300 may be provided in the uppermost layer 106. Further, although not shown, both the electric pump light source 202 and the optical detector 300 may be formed in the same layer. Although not shown, the electric pump light source 202, the optical detector 300, and the inclined mirror surfaces (input optical surface 116 and output optical surface 118) are silicon oxide films containing Er-doped silicon nanocrystals when viewed from above. It may be provided on the side surface of 104.

〔機能の説明〕
シリコンを豊富に含むシリコン酸化膜（ＳＲＳＯ膜）は、高密度プラズマ化学気相堆積法（ＨＤＰＣＶＤ）を用いて、シリコンウエハおよび石英ウエハ上に堆積することができる。堆積条件は、堆積膜の屈折率が１．７０〜１．９５に収まるように選択する。 [Description of functions]
Silicon-rich silicon oxide films (SRSO films) can be deposited on silicon and quartz wafers using high density plasma chemical vapor deposition (HDPCVD). The deposition conditions are selected so that the refractive index of the deposited film falls within the range of 1.70 to 1.95.

Figure 2009272614
Figure 2009272614

表１は、堆積条件と、堆積ＳＲＳＯ膜の屈折率および減衰係数の測定結果を示したものである。具体的には、表１は、高密度プラズマ化学気相堆積法（ＨＤＰＣＶＤ）の堆積条件、堆積されたＳＲＳＯ膜の屈折率および減衰係数の測定結果を示している。サンプル２２および３２は、従来型の水平炉により、１１００℃で３時間アニールした。一方、サンプル４２はアニール時間を５時間とした。高温アニーリングの間に、ＳＲＳＯ膜表面近傍のシリコンナノ結晶粒子の酸化を防止または低減するため、アニール前に、ＳＲＳＯ膜サンプルを厚さ９ｎｍのＳｉＮｘキャップ層で被覆した。その結果、全てのＳＲＳＯ膜が、第１アニーリング後、９００ｎｍ付近を中心とする、強いＰＬ発光を示した。第１アニーリング後、１Ｅ１５／ｃｍ２，１００ｋｅＶの注入条件で、各サンプルにＥｒ＋イオンを注入した。Ｅｒ＋イオン注入後、７００℃〜１０００℃で、１５分〜６０分、第２アニーリング（活性化アニーリング）を行った。 Table 1 shows the deposition conditions and the measurement results of the refractive index and attenuation coefficient of the deposited SRSO film. Specifically, Table 1 shows the measurement results of the deposition conditions of the high-density plasma chemical vapor deposition (HDPCVD), the refractive index of the deposited SRSO film, and the attenuation coefficient. Samples 22 and 32 were annealed at 1100 ° C. for 3 hours in a conventional horizontal furnace. On the other hand, the sample 42 was annealed for 5 hours. To prevent or reduce the oxidation of silicon nanocrystal particles near the SRSO film surface during high temperature annealing, the SRSO film sample was coated with a 9 nm thick SiNx cap layer before annealing. As a result, all SRSO films showed strong PL emission centered around 900 nm after the first annealing. After the first annealing, Er + ions were implanted into each sample under the implantation conditions of 1E15 / cm 2 and 100 keV. After Er + ion implantation, second annealing (activation annealing) was performed at 700 ° C. to 1000 ° C. for 15 to 60 minutes.

図１〜図３は、Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物導波路（光学利得媒体）を示している。これらの導波路（光学利得媒体）は、ＩＣデバイスおよびフラットパネルディスプレイの光源と統合することができる。上記光源および導波路（導光板）は、ＩＣデバイス内またはフラットディスプレイ内の光信号、および、複数のＩＣデバイス間または複数のフラットディスプレイ間の光信号を送信する光相互接続システムの構成要素とすることができる。   1 to 3 show a silicon oxide waveguide (optical gain medium) containing Er-doped silicon nanocrystals. These waveguides (optical gain media) can be integrated with the light sources of IC devices and flat panel displays. The light source and the waveguide (light guide plate) are components of an optical interconnection system that transmits an optical signal in an IC device or a flat display, and an optical signal between a plurality of IC devices or between a plurality of flat displays. be able to.

シリコン酸化物マトリックス中のＥｒ＋イオンは、Ｅｒ＋イオンにエネルギーを伝達するシリコンナノ結晶内部に、光学的に正孔対を生成することによって、間接的に励起させることが可能である。シリコンナノ結晶は、その過程で、増感剤として機能する。シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物は、下記（１）および（２）の２つの重要な特徴を有する。
（１）直接励起されたＥｒ＋イオンよりも、ポンプ吸収断面積が桁違いに大きい。
（２）６５０ｎｍ〜９５０ｎｍの広範な発光波長を有する。
適切なレベルのＥｒ＋イオンがドープされた、シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物は、光学利得媒体（導波路）としても、シリコンベースＩＣデバイスおよびフラットパネルディスプレイ内に集積できる光増幅器としてさえも利用できる。さらに、これらの導波路は、希土類元素がドープされた同種のＳＲＳＯ膜または希土類元素がドープされていない同種のＳＲＳＯ膜を備えたデバイス等の低電力および低コストの光源を用いて、励起することができる。このようなアプローチにより、III族〜Ｖ族化合物半導体を用いた従来のレーザデバイスを、低コストの光源に置き換えることが可能となる。 Er + ions in the silicon oxide matrix can be indirectly excited by optically generating hole pairs within the silicon nanocrystals that transfer energy to the Er + ions. Silicon nanocrystals function as a sensitizer in the process. Silicon oxide containing silicon nanocrystals has the following two important characteristics (1) and (2).
(1) The pump absorption cross section is orders of magnitude larger than directly excited Er + ions.
(2) It has a broad emission wavelength of 650 nm to 950 nm.
Silicon oxide containing silicon nanocrystals, doped with appropriate levels of Er + ions, can be used as an optical gain medium (waveguide) or even as an optical amplifier that can be integrated into silicon-based IC devices and flat panel displays. it can. Furthermore, these waveguides can be excited using a low power and low cost light source such as a device with the same kind of SRSO film doped with rare earth elements or the same kind of SRSO film not doped with rare earth elements. Can do. Such an approach makes it possible to replace a conventional laser device using a group III to group V compound semiconductor with a low-cost light source.

図４Ａおよび図４Ｂは、Ｅｒ＋イオンがドープされた、シリコンナノ結晶を含むＳＲＳＯ膜、および、Ｅｒ＋イオンがドープされていない、シリコンナノ結晶を含むＳＲＳＯ膜のフォトルミネセンス（ＰＬ）発光スペクトルを示すグラフである。図４Ａは、６００ｎｍ〜１１００ｎｍのＰＬ発光スペクトルであり、図４Ｂは、１３００〜１８００ｎｍのＰＬ発光スペクトルである。Ｅｒ＋注入前後のサンプル３２および４２は、図４Ａのような６００ｎｍ〜１１００ｎｍのＰＬ発光スペクトル、および、図４Ｂのような１１００ｎｍ〜１８００ｎｍのＰＬ発光スペクトルを示している。具体的には、Ｅｒ＋イオン注入前のＳＲＳＯ膜は、９００ｎｍ付近を中心とする強い発光を示すが、１５３６ｎｍまたはその付近では、発光を示さない。これに対し、Ｅｒ＋イオン注入時および注入後のアニーリングを行ったＳＲＳＯ膜は、１５３６ｎｍを中心とする新たな発光が生じると共に、９００ｎｍ付近の発光は著しく減少する。このような結果は、Ｅｒ＋をドープすることにより、９００ｎｍ付近を中心とする発光が、１５３６ｎｍを中心とする発光に「転移する（transfer）」ことを示している。シリコン酸化物マトリックス中のＥｒ＋イオンは、Ｅｒ＋イオンにエネルギーを伝達するシリコンナノ結晶内部に、光学的に正孔対を生成することによって、間接的に励起される。つまり、シリコンナノ結晶は、この過程で、増感剤として機能する。 4A and 4B, Er + ions are doped, SRSO film containing silicon nanocrystals, and, Er + ions are not doped, photoluminescence (PL) emission spectra of SRSO film containing silicon nanocrystals It is a graph which shows. 4A is a PL emission spectrum from 600 nm to 1100 nm, and FIG. 4B is a PL emission spectrum from 1300 to 1800 nm. Samples 32 and 42 before and after Er + implantation show a PL emission spectrum of 600 nm to 1100 nm as shown in FIG. 4A and a PL emission spectrum of 1100 nm to 1800 nm as shown in FIG. 4B. Specifically, the SRSO film before Er + ion implantation exhibits strong light emission centered around 900 nm, but does not emit light at 1536 nm or its vicinity. In contrast, the SRSO film annealed during and after Er + ion implantation generates new light emission centered at 1536 nm and remarkably reduces light emission near 900 nm. These results indicate that by doping with Er + , light emission centered around 900 nm is “transferred” to light emission centered at 1536 nm. Er + ions in the silicon oxide matrix are indirectly excited by optically generating hole pairs within the silicon nanocrystals that transfer energy to the Er + ions. That is, the silicon nanocrystal functions as a sensitizer in this process.

ＳＲＳＯ膜の膜厚は、約２００ｎｍである。このＳＲＳＯ膜の堆積後、１１００℃で５時間アニールし、さらに、Ｅｒ＋イオン注入後、ＳＲＳＯ膜を８００℃で６０分、活性化アニーリングした。Ｅｒ＋イオンの注入条件は、１００ｋｅＶ，１Ｅ１５／ｃｍ２とした。 The thickness of the SRSO film is about 200 nm. After the SRSO film was deposited, it was annealed at 1100 ° C. for 5 hours, and after Er + ion implantation, the SRSO film was subjected to activation annealing at 800 ° C. for 60 minutes. The Er + ion implantation conditions were 100 keV and 1E15 / cm 2 .

Figure 2009272614
Figure 2009272614

表２は、Ｅｒ＋イオン注入前後のＳＲＳＯ膜のフォトルミネセンス波長およびピーク高さ、シリコンナノ結晶の結晶サイズおよび密度を示したものである。サンプル３２は、サンプル４２（Ｎ２Ｏ＝５３ｓｃｃｍ）よりも低いＮ２Ｏガス気流下（Ｎ２Ｏ＝４１ｓｃｃｍ）で堆積したものの、サンプル３２のシリコンナノ結晶の密度（２．０Ｅ＋１１／ｃｍ２）は、サンプル４２のシリコンナノ結晶の密度（１．５Ｅ＋１１／ｃｍ２）よりも高密度となった。しかし、サンプル３２は、サンプル４２よりも低いＰＬ発光を示しており、希土類イオン注入前後に、最大ＰＬ発光を示す最適シリコンナノ結晶密度が存在することを示している。 Table 2 shows the photoluminescence wavelength and peak height of the SRSO film before and after the Er + ion implantation, and the crystal size and density of the silicon nanocrystal. Sample 32 was deposited under a N 2 O gas stream (N 2 O = 41 sccm) lower than sample 42 (N 2 O = 53 sccm), but the density of the silicon nanocrystals of sample 32 (2.0E + 11 / cm 2 ) Was higher than the density of the silicon nanocrystal of sample 42 (1.5E + 11 / cm 2 ). However, Sample 32 shows lower PL emission than Sample 42, indicating that there is an optimal silicon nanocrystal density that exhibits maximum PL emission before and after rare earth ion implantation.

図５は、第２アニーリングの温度および時間が異なるＥｒ＋ドープシリコンナノ結晶により増感されたＳＲＳＯ膜のフォトルミネセンスの測定結果を示すグラフである。図５は、膜厚２００ｎｍのＳＲＳＯ膜のアニーリング温度を示している。ＳＲＳＯ膜の堆積後、１１００℃で５時間アニーリングし、Ｅｒ＋イオン注入後、種々の温度で、２回目のアニーリングを行った。Ｅｒ＋イオン注入条件は、１００ｋｅＶ，１Ｅ１５／ｃｍ２である。 FIG. 5 is a graph showing the measurement results of the photoluminescence of the SRSO film sensitized by Er + doped silicon nanocrystals having different temperatures and times of the second annealing. FIG. 5 shows the annealing temperature of the SRSO film having a thickness of 200 nm. After deposition of the SRSO film, annealing was performed at 1100 ° C. for 5 hours, and after Er + ion implantation, second annealing was performed at various temperatures. The Er + ion implantation conditions are 100 keV and 1E15 / cm 2 .

図６は、図１の導波路の第４変形例を示す部分断面図である。図６の導波路は、ガラス基板上に形成された、シリコンベースＩＣデバイスまたはフラットパネルディスプレイに内蔵された光相互接続システムである。図６の光相互接続システムは、希土類元素がドープされたまたはドープされていないＳＲＳＯ膜を備えた電気式ポンプ光源装置６００、Ｅｒ＋ドープシリコンナノ結晶により増感されたシリコン酸化物（Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜１０４）を備えた導波路（光学利得媒体）、および、光検知器／受光器６０２を備えている。電気式ポンプ光源装置６００から放出された通常９８０ｎｍ未満の波長を有する信号は、導波路（光学利得媒体）に導かれ、１５４０ｎｍの波長の信号に「変換」される。Ｅｒ＋ドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）により光が増幅されるのと同様に、１５４０ｎｍの信号は、電気的または光学的に励起される内部光源または外部光源６０４（通常９８０ｎｍ未満の波長を有する）により、さらに増幅することができる。 FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing a fourth modification of the waveguide of FIG. The waveguide of FIG. 6 is an optical interconnect system built on a glass substrate and embedded in a silicon-based IC device or flat panel display. The optical interconnection system of FIG. 6 includes an electric pump light source device 600 with a rare earth element doped or undoped SRSO film, silicon oxide sensitized by Er + doped silicon nanocrystals (Er doped silicon). A waveguide (optical gain medium) including a silicon oxide film 104 including nanocrystals, and a photodetector / receiver 602 are provided. A signal emitted from the electric pump light source device 600, typically having a wavelength of less than 980 nm, is directed to a waveguide (optical gain medium) and “converted” to a signal having a wavelength of 1540 nm. Just as light is amplified by an Er + doped fiber amplifier (EDFA), the 1540 nm signal is either electrically or optically pumped by an internal or external light source 604 (usually having a wavelength of less than 980 nm). Can be further amplified.

図７は、導波路システムの部分断面図である。図７は、ガラス基板（図中ＡおよびＢ）上に形成された、２つのシリコンベースデバイスまたは２つのフラットパネルディスプレイとして構成された光相互接続システムを示している。電気式ポンプ光源装置６００は、希土類元素がドープされたＳＲＳＯ膜、または、希土類がドープされていないＳＲＳＯ膜を備えており、ガラス基板Ａに形成されている。Ｅｒ＋ドープシリコンナノ結晶により増感されたシリコン酸化物（Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜１０４）を備えた導波路（光学利得媒体）は、ガラス基板Ａおよびガラス基板Ｂのいずれにも形成されている。光検知器／受光器６０２は、ガラス基板Ｂに形成されている。ガラス基板Ａおよびガラス基板Ｂには、任意に（内部または外部に）、電気的または光学的に励起される光ポンプ源６０４ａおよび光ポンプ源６０４ｂが形成されていてもよい。光検知器／受光器６０２は、ガラス基板Ｂに形成されている。 FIG. 7 is a partial cross-sectional view of the waveguide system. FIG. 7 shows an optical interconnect system configured as two silicon-based devices or two flat panel displays formed on a glass substrate (A and B in the figure). The electric pump light source device 600 includes an SRSO film doped with a rare earth element or an SRSO film not doped with a rare earth element, and is formed on a glass substrate A. A waveguide (optical gain medium) including silicon oxide sensitized by Er + -doped silicon nanocrystals (silicon oxide film 104 containing Er-doped silicon nanocrystals) is applied to both glass substrate A and glass substrate B. Is formed. The light detector / light receiver 602 is formed on the glass substrate B. The glass substrate A and the glass substrate B may be optionally formed (inside or outside) with an optical pump source 604a and an optical pump source 604b that are excited electrically or optically. The light detector / light receiver 602 is formed on the glass substrate B.

図８は、Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜導波路の製造工程を示すフローチャートである。Ｓ８０２では、希土類がドープされたシリコンナノ結晶により増感されたシリコン酸化物、または、希土類がドープされたシリコンナノ結晶により増感されたシリコン酸化物を備えた光源デバイスを形成する。Ｓ８０４では、通常屈折率が１．４６である二酸化シリコン層を堆積する。Ｓ８０６では、二酸化シリコンの成長／堆積、および、その後のＳｉイオン注入により、ＳＲＳＯ膜を形成する。また、Ｓ８０６では、高密度プラズマ化学気相堆積法（ＨＤＰＣＶＤ）、プラズマ化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ）、スパッタリング、または、スピンコートにより、in situＥｒ＋ドープされたＳＲＳＯ膜、または、in situ Ｅｒ＋ドープされていないＳＲＳＯ膜を直接堆積する。ＳＲＳＯ膜の屈折率は、１．４６を越え、２．３０以内に収まるが、ＳＲＳＯ膜内に過剰のＳｉを過剰に存在させることにより、周囲の二酸化シリコン層の屈折率より大きくなっている。ＳＲＳＯの膜厚は、０．１〜１０μｍに収める。Ｓ８０８では、レーザアニーリングまたはパルス熱アニーリング（ＲＴＡ）により、シリコン酸化物中にシリコンナノ結晶を形成する。なお、Ｓ８０８におけるナノ結晶形成方法の詳細は、特に限定されるものではない。Ｓ８１０では、Ｓ８０６において、最初のin situドープを行っていない場合、Ｅｒイオン注入より注入されたＥｒ＋イオンを有するＳＲＳＯ膜を堆積する。Ｓ８１２では、熱アニーリング、パルス熱アニーリング（ＲＴＡ）、レーザアニーリング等により、Ｅｒ＋イオンをアニールおよび活性化する。Ｓ８１４では、光学利得媒体（導波路）をパターニングおよびエッチングする。Ｓ８１６では、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によるエッチングにより、Ｅｒ＋ドープＳＲＳＯ膜上にミラーを形成する。Ｓ８１８では、Ｅｒ＋ドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を覆うように、二酸化シリコン層を堆積する。 FIG. 8 is a flowchart showing a manufacturing process of a silicon oxide waveguide containing Er-doped silicon nanocrystals. In step S802, a light source device including a silicon oxide sensitized by silicon nanocrystals doped with rare earth or a silicon oxide sensitized by silicon nanocrystals doped with rare earth is formed. In S804, a silicon dioxide layer having a normal refractive index of 1.46 is deposited. In S806, an SRSO film is formed by silicon dioxide growth / deposition and subsequent Si ion implantation. Further, in S806, a high density plasma chemical vapor deposition (HDPCVD), plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), sputtering, or by spin coating, in situEr + doped SRSO membrane or, in situ Er + An undoped SRSO film is deposited directly. The refractive index of the SRSO film exceeds 1.46 and falls within 2.30, but is larger than the refractive index of the surrounding silicon dioxide layer due to the excessive presence of Si in the SRSO film. The film thickness of SRSO is 0.1 to 10 μm. In step S808, silicon nanocrystals are formed in silicon oxide by laser annealing or pulse thermal annealing (RTA). The details of the nanocrystal forming method in S808 are not particularly limited. In S810, if the first in situ doping is not performed in S806, an SRSO film having Er + ions implanted by Er ion implantation is deposited. In S812, Er + ions are annealed and activated by thermal annealing, pulse thermal annealing (RTA), laser annealing, or the like. In S814, the optical gain medium (waveguide) is patterned and etched. In S816, a mirror is formed on the Er + doped SRSO film by etching using reactive ion etching (RIE). In S818, a silicon dioxide layer is deposited so as to cover the silicon oxide film containing Er + doped silicon nanocrystals.

図９は、Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜導波路の別の製造工程を示すフローチャートである。図９に示す製造方法は、明確にするため、各工程に通し番号を付しているが、付された番号は工程の順番を示すものではない。つまり、当然のことながら、図中の工程のうち、一部の工程を省略してもよいし、同時に行ってもよいし、正確な順序を維持せずに行ってもよい。図９の製造方法は、Ｓ９００から開始する。   FIG. 9 is a flowchart showing another manufacturing process of the silicon oxide waveguide containing Er-doped silicon nanocrystals. In the manufacturing method shown in FIG. 9, serial numbers are given to the respective steps for the sake of clarity, but the given numbers do not indicate the order of the steps. That is, as a matter of course, some of the steps in the drawing may be omitted, may be performed simultaneously, or may be performed without maintaining an accurate order. The manufacturing method of FIG. 9 starts from S900.

まず、Ｓ９０２では、最下部層を準備（形成）する。次に、Ｓ９０４では、最下部層を覆うように、Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜導波路を形成する。これにより、この導波路は、約１５４０ｎｍで最低光減衰を示すようになる。Ｓ９０４では、例えば、１．４６を越え、２．３０以下の第１屈折率（ｎ）を有するＥｒドープシリコン酸化膜を形成してもよい。Ｓ９０６では、Ｅｒドープシリコン酸化膜を覆うように、最上部層を形成する。Ｓ９０２およびＳ９０６では、第１屈折率未満の第２屈折率を有する最上部層および最下部層を形成する。例えば、最上部層および最下部層は、第２屈折率が約１．４６である二酸化シリコンであってもよい。   First, in S902, the lowermost layer is prepared (formed). Next, in S904, a silicon oxide film waveguide containing Er-doped silicon nanocrystals is formed so as to cover the lowermost layer. This causes the waveguide to exhibit minimum optical attenuation at about 1540 nm. In S904, for example, an Er-doped silicon oxide film having a first refractive index (n) exceeding 1.46 and not more than 2.30 may be formed. In S906, an uppermost layer is formed so as to cover the Er-doped silicon oxide film. In S902 and S906, an uppermost layer and a lowermost layer having a second refractive index lower than the first refractive index are formed. For example, the top layer and the bottom layer may be silicon dioxide having a second refractive index of about 1.46.

また、Ｅｒドープシリコン酸化膜を形成するＳ９０４において、サブステップを含んでいてもよい。具体的には、Ｓ９０４ａでは、高密度プラズマ化学気相堆積法（ＨＤＰＣＶＤ）により、ＳＲＳＯ膜を堆積する。通常、そのＳＲＳＯ膜の厚さは、約１００〜１００００ｎｍである。Ｓ９０４ｂでは、ＳＲＳＯ膜をアニールする。例えば、このアニーリングは、約６００〜１１００℃で、約５分〜５時間行ってもよい。Ｓ９０４ｃでは、アニール後のＳＲＳＯ膜に、Ｅｒ＋イオンを注入し、Ｅｒドープシリコン酸化膜を形成する。例えば、Ｅｒ＋イオン注入は、約１００ｋｅＶのエネルギー、Ｅｒドープシリコン酸化膜の厚さ方向の中間部に対し、５×１０１５〜１×１０１７ｃｍ−２のドーズ量で行うことができる。Ｓ９０４ｄでは、形成されたＥｒドープシリコン酸化膜をアニールする。例えば、このアニーリングは、約６００〜１０００℃で、約５分〜６０分間行ってもよい。 In S904 for forming an Er-doped silicon oxide film, a sub-step may be included. Specifically, in S904a, an SRSO film is deposited by high density plasma chemical vapor deposition (HDPCVD). Usually, the thickness of the SRSO film is about 100 to 10,000 nm. In S904b, the SRSO film is annealed. For example, the annealing may be performed at about 600-1100 ° C. for about 5 minutes to 5 hours. In S904c, Er + ions are implanted into the annealed SRSO film to form an Er-doped silicon oxide film. For example, the Er + ion implantation can be performed with an energy of about 100 keV and a dose of 5 × 10 15 to 1 × 10 17 cm −2 with respect to an intermediate portion in the thickness direction of the Er-doped silicon oxide film. In S904d, the formed Er-doped silicon oxide film is annealed. For example, this annealing may be performed at about 600-1000 ° C. for about 5-60 minutes.

また、Ｓ９０５ａで、シリコン酸化膜導波路の端部をパターニングより形成し、さらに、Ｓ９０５ｂで、形成したシリコン酸化膜導波路の端部を、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりエッチングし、その端部にミラー光学面を形成してもよい。   In S905a, the end of the silicon oxide waveguide is formed by patterning. In S905b, the end of the formed silicon oxide waveguide is etched by reactive ion etching (RIE). A mirror optical surface may be formed.

エルビウム（Ｅｒ）ドープシリコン（Ｓｉ）ナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）導波路およびその製造方法は、上述の通りである。上記導波路の構造の細部、および、製造工程の詳細は、本発明を説明するための例示である。しかし、本発明は、上述の例に何ら限定されるものではない。例えば、Ｅｒドーピングの詳細は述べていないが、他の希土類元素を本発明に適用することもできる。また、当業者であれば、別の変形例および形態を想起するであろう。   The silicon oxide (SiOx) waveguide including erbium (Er) -doped silicon (Si) nanocrystals and the manufacturing method thereof are as described above. The details of the structure of the waveguide and the details of the manufacturing process are examples for explaining the present invention. However, the present invention is not limited to the above example. For example, although details of Er doping are not described, other rare earth elements can be applied to the present invention. Those skilled in the art will also envision other variations and forms.

本発明は、以下のように表現することもできる。
〔１〕本発明の導波路の製造方法は、エルビウム（Ｅｒ）がドープされた、シリコン（Ｓｉ）ナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）導波路の製造方法であって、
最下部層を形成する工程、
上記最下部層を覆うように、約１５４０ｎｍで最低光減衰を示すＥｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜導波路を形成する工程、および、
上記Ｅｒドープシリコン酸化膜を覆うように最上部層を形成する工程を含むことを特徴とする導波路の製造方法。
〔２〕上記Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を形成する工程は、高密度プラズマ化学気相堆積法（ＨＤＰＣＶＤ）により、シリコンを豊富に含むシリコン酸化物（ＳＲＳＯ）膜を堆積する工程、
上記ＳＲＳＯ膜をアニーリングする工程、
上記ＳＲＳＯ膜にＥｒ＋イオンを注入する工程、および、
上記Ｅｒドープシリコン酸化膜をアニーリングする工程を含む上記〔１〕に記載の導波路の製造方法。
〔３〕上記ＳＲＳＯ膜を堆積する工程では、厚さ約１００〜１００００ｎｍの範囲のＳＲＳＯを堆積する上記〔２〕に記載の導波路の製造方法。
〔４〕上記ＳＲＳＯ膜をアニーリングする工程は、約６００℃〜１１００℃で、約５分〜５時間行う上記〔２〕に記載の導波路の製造方法。
〔５〕上記Ｅｒ＋イオンを注入する工程工程は、約１００ｋｅＶのエネルギー、Ｅｒドープシリコン酸化膜の厚さの中間部に対し、約５×１０１５〜１×１０１７ｃｍ−２のドーズ量（dose）で、Ｅｒ＋イオンを注入する上記〔２〕に記載の導波路の製造方法。
〔６〕上記Ｅｒドープシリコン酸化膜をアニーリングする工程は、約６００〜１０００℃で、約５分〜６０分行う上記〔２〕に記載の導波路の製造方法。
〔７〕上記Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を形成する工程は、１．４６を越え、２．３０以下の第１屈折率（ｎ）を有するＥｒドープシリコン酸化膜を形成する上記〔１〕に記載の導波路の製造方法。
〔８〕上記最上部層を形成する工程は、第１屈折率未満の第２屈折率を有する最上部層を形成し、
上記最下部層を形成する工程は、第１屈折率未満の第２屈折率を有する最下部層を形成する上記〔７〕に記載の導波路の製造方法。
〔９〕上記最上部層を形成する工程、および、上記最下部層を形成する工程は、第２屈折率が約１．４６である二酸化シリコンからなる最上部層および最下部層を形成することを特徴とする上記〔８〕に記載の導波路の製造方法。
〔１０〕上記シリコン酸化膜導波路をパターニングし導波路端部を形成する工程と、
反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、上記導波路の端部をエッチングし、ミラー光学面を形成する工程とを含む上記〔１〕に記載の導波路の製造方法。
〔１１〕Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）導波路であって、
最下部層、上記最下部層を覆うＥｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜、上記Ｅｒドープシリコン酸化膜を覆う最上部層、第１波長帯の光を受容する入力光学面、および、第２波長帯の光を供給する出力光学面を備える導波路。
〔１２〕上記入力光学面は、約６００ｎｍ以上、約１５４０ｎｍ未満の第１波長帯を受容し、
上記出力光学面は、約１５４０ｎｍの第２波長帯の光を供給する上記〔１１〕に記載の導波路。
〔１３〕上記Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜は、約１５４０ｎｍで最低光減衰を示すことを特徴とする上記〔１１〕に記載の導波路。
〔１４〕上記Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜は、１．４６を越え、２．３０以下の第１屈折率（ｎ）を有する上記〔１１〕に記載の導波路。
〔１５〕上記最上部層および最下部層は、いずれも、第１屈折率未満の第２屈折率を有する上記〔１４〕に記載の導波路。
〔１６〕上記最上部層および最下部層は、いずれも、第２屈折率が約１．４６である二酸化シリコンからなる上記〔１５〕に記載の導波路。
〔１７〕上記入力光学面は、傾斜ミラー光学面である上記〔１１〕に記載の導波路。
〔１８〕上記最上部層は、上記傾斜ミラー光学面を覆う界面を有する上記〔１７〕に記載の導波路。
〔１９〕さらに、最上部層の少なくとも一部に形成された電気式ポンプ光源を備えており、
上記電気式ポンプ光源は、傾斜ミラー光学面を覆う出力部（output）を有する〔１７〕に記載の導波路。
〔２０〕さらに、最上部層の少なくとも一部に形成された光検出器を備えており、
上記光検出器は、上記傾斜ミラー光学面を覆う入力部（input）を有する上記〔１７〕に記載の導波路。
〔２１〕上記〔１１〕〜〔２０〕のいずれか１つに記載の導波路を備えた集積回路。 The present invention can also be expressed as follows.
[1] A method for manufacturing a waveguide according to the present invention is a method for manufacturing a silicon oxide (SiOx) waveguide containing silicon (Si) nanocrystals doped with erbium (Er),
Forming a bottom layer,
Forming a silicon oxide waveguide containing Er-doped silicon nanocrystals exhibiting the lowest optical attenuation at about 1540 nm so as to cover the lowermost layer; and
A method of manufacturing a waveguide, comprising a step of forming an uppermost layer so as to cover the Er-doped silicon oxide film.
[2] The step of forming a silicon oxide film containing Er-doped silicon nanocrystals comprises a step of depositing a silicon-rich silicon oxide (SRSO) film by high density plasma chemical vapor deposition (HDPCVD),
Annealing the SRSO film;
Implanting Er + ions into the SRSO film; and
The method for manufacturing a waveguide according to [1], including a step of annealing the Er-doped silicon oxide film.
[3] The method for manufacturing a waveguide according to [2], wherein in the step of depositing the SRSO film, SRSO having a thickness in the range of about 100 to 10,000 nm is deposited.
[4] The method for manufacturing a waveguide according to [2], wherein the step of annealing the SRSO film is performed at about 600 ° C. to 1100 ° C. for about 5 minutes to 5 hours.
[5] The step of implanting Er + ions is performed at a dose of about 5 × 10 15 to 1 × 10 17 cm −2 with respect to an energy of about 100 keV and an intermediate portion of the thickness of the Er-doped silicon oxide film ( The method for producing a waveguide according to [2], wherein Er + ions are implanted at a dose).
[6] The waveguide manufacturing method according to [2], wherein the step of annealing the Er-doped silicon oxide film is performed at about 600 to 1000 ° C. for about 5 to 60 minutes.
[7] The step of forming a silicon oxide film containing the Er-doped silicon nanocrystals exceeds 1.46 and forms an Er-doped silicon oxide film having a first refractive index (n) of 2.30 or less. [1] A method for manufacturing a waveguide according to [1].
[8] The step of forming the uppermost layer forms an uppermost layer having a second refractive index lower than the first refractive index,
The step of forming the lowermost layer is the method for manufacturing a waveguide according to [7], wherein the lowermost layer having a second refractive index lower than the first refractive index is formed.
[9] The step of forming the uppermost layer and the step of forming the lowermost layer form an uppermost layer and a lowermost layer made of silicon dioxide having a second refractive index of about 1.46. The method for manufacturing a waveguide according to [8], wherein:
[10] patterning the silicon oxide waveguide to form a waveguide end;
The method for manufacturing a waveguide according to the above [1], including a step of etching an end portion of the waveguide by reactive ion etching (RIE) to form a mirror optical surface.
[11] A silicon oxide (SiOx) waveguide containing Er-doped silicon nanocrystals,
A bottom layer, a silicon oxide film containing Er-doped silicon nanocrystals covering the bottom layer, a top layer covering the Er-doped silicon oxide film, an input optical surface for receiving light in the first wavelength band, and a second layer A waveguide having an output optical surface for supplying light in a wavelength band.
[12] The input optical surface receives a first wavelength band of about 600 nm or more and less than about 1540 nm,
The waveguide according to [11], wherein the output optical surface supplies light in a second wavelength band of about 1540 nm.
[13] The waveguide according to [11], wherein the silicon oxide film containing the Er-doped silicon nanocrystal exhibits a minimum optical attenuation at about 1540 nm.
[14] The waveguide according to [11], wherein the silicon oxide film including the Er-doped silicon nanocrystal has a first refractive index (n) of more than 1.46 and not more than 2.30.
[15] The waveguide according to [14], wherein each of the uppermost layer and the lowermost layer has a second refractive index lower than the first refractive index.
[16] The waveguide according to [15], wherein each of the uppermost layer and the lowermost layer is made of silicon dioxide having a second refractive index of about 1.46.
[17] The waveguide according to [11], wherein the input optical surface is an inclined mirror optical surface.
[18] The waveguide according to [17], wherein the uppermost layer has an interface covering the inclined mirror optical surface.
[19] It further comprises an electric pump light source formed on at least a part of the uppermost layer,
The waveguide pump according to [17], wherein the electric pump light source includes an output that covers the optical surface of the tilt mirror.
[20] Furthermore, it comprises a photodetector formed on at least a part of the uppermost layer,
The waveguide according to [17], wherein the photodetector has an input unit (input) that covers the inclined mirror optical surface.
[21] An integrated circuit comprising the waveguide according to any one of [11] to [20].

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.

〔関連出願〕
本願は、Pooran Joshi等により発明されたにファイルされた米国特許出願第11/418,273（２００６年１月６日出願）の一部継続出願（ＣＩＰ出願）である。米国特許出願第11/418,273は、以下の出願の一部継続出願である。
・Pooran Joshi等により発明された米国特許出願第11/327,612（２００６年１月６日出願，薄膜酸化プロセスの促進）。
・Pooran Joshi等により発明された米国特許出願第11/013,605（２００４年１２月１５日出願，高密度プラズマ水素化）。
・Pooran Joshi等により発明された米国特許出願第10/801,377（２００４年３月１５日出願，酸素結合を改善した酸化物の堆積：米国特許第7122487号）。
・Pooran Joshi等により発明された米国特許出願第11/139,726（２００５年５月２６日出願，ゲート酸化物の高濃度プラズマ酸化の促進）。
・Pooran Joshi等により発明された米国特許出願第10/871,939（２００４年６月１７日出願，シリコン薄膜のための高濃度プラズマプロセス：米国特許第7186663号）。
Pooran Joshi等により発明された米国特許出願第10/801,374（２００４年３月１５日出願，酸化物薄膜の製造方法：米国特許第7,087,537号）。
上述の全ての出願が、本願の参考文献として援用される。 [Related applications]
This application is a continuation-in-part (CIP application) of US patent application Ser. No. 11 / 418,273 (filed Jan. 6, 2006) filed invented by Pooran Joshi et al. US patent application Ser. No. 11 / 418,273 is a continuation-in-part of the following applications:
• US patent application 11 / 327,612 invented by Pooran Joshi et al. (Filed Jan. 6, 2006, accelerating thin film oxidation process).
• US patent application 11 / 013,605 invented by Pooran Joshi et al. (Filed December 15, 2004, high density plasma hydrogenation).
US Patent Application No. 10 / 801,377 invented by Pooran Joshi et al. (Filed Mar. 15, 2004, oxide deposition with improved oxygen bonding: US Pat. No. 7,122,487).
US patent application No. 11 / 139,726 invented by Pooran Joshi et al. (Filed May 26, 2005, promoting high concentration plasma oxidation of gate oxide).
US patent application 10 / 871,939 invented by Pooran Joshi et al. (Filed Jun. 17, 2004, high-density plasma process for silicon thin films: US Pat. No. 7,718,663).
US Patent Application No. 10 / 801,374 invented by Pooran Joshi et al. (Filed on Mar. 15, 2004, oxide thin film manufacturing method: US Pat. No. 7,087,537).
All the above-mentioned applications are incorporated as references for this application.

本発明は、シリコンベースのＩＣ製造工程のような低温プロセスにより、シリコン酸化膜導波路を製造することができる。本発明は、例えば、光相互接続用の光学利得媒体、光増幅器、導光板、集積回路（ＩＣ）、ＳｉベースのＩＣデバイス等の製造に好適に用いることができる。   The present invention can manufacture a silicon oxide waveguide by a low temperature process such as a silicon-based IC manufacturing process. The present invention can be suitably used for manufacturing, for example, optical gain media for optical interconnections, optical amplifiers, light guide plates, integrated circuits (ICs), Si-based IC devices, and the like.

１００ 導波路（エルビウムがドープされた、シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物導波路）
１０２ 最下部層
１０４ Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜
１０６ 最上部層
１１６ 入力光学面
１１８ 出力光学面
２００ 界面
２０２ 電気式ポンプ光源
３００ 光学検波器（光検出器）
３０２ 界面
３０４ 入力部
６００ 電気式ポンプ光源装置（電気式ポンプ光源） 100 waveguide (silicon oxide waveguide containing silicon nanocrystals doped with erbium)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 102 Bottom layer 104 Silicon oxide film containing Er doped silicon nanocrystal 106 Top layer 116 Input optical surface 118 Output optical surface 200 Interface 202 Electric pump light source 300 Optical detector (photo detector)
302 Interface 304 Input unit 600 Electric pump light source device (electric pump light source)

Claims (21)

エルビウム（Ｅｒ）がドープされた、シリコン（Ｓｉ）ナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）導波路の製造方法であって、
最下部層を形成する工程、
上記最下部層を覆うように、１５４０ｎｍで最低光減衰を示すＥｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を形成する工程、および、
上記Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を覆うように最上部層を形成する工程を含むことを特徴とする導波路の製造方法。 A method for producing a silicon oxide (SiOx) waveguide containing silicon (Si) nanocrystals doped with erbium (Er), comprising:
Forming a bottom layer,
Forming a silicon oxide film containing Er-doped silicon nanocrystals exhibiting the lowest light attenuation at 1540 nm so as to cover the lowermost layer; and
A method of manufacturing a waveguide, comprising a step of forming an uppermost layer so as to cover the silicon oxide film containing the Er-doped silicon nanocrystal. 上記Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を形成する工程は、
高密度プラズマ化学気相堆積法（ＨＤＰＣＶＤ）により、シリコンを豊富に含むシリコン酸化膜（ＳＲＳＯ膜）を堆積する工程、
上記ＳＲＳＯ膜をアニーリングする工程、
上記ＳＲＳＯ膜にＥｒ＋イオンを注入する工程、および、
上記Ｅｒ＋イオンの注入によって形成されたＥｒドープシリコン酸化膜をアニーリングする工程を含む請求項１に記載の導波路の製造方法。 The step of forming a silicon oxide film containing the Er-doped silicon nanocrystal is as follows:
Depositing a silicon-rich silicon oxide film (SRSO film) by high-density plasma chemical vapor deposition (HDPCVD);
Annealing the SRSO film;
Implanting Er + ions into the SRSO film; and
The method for manufacturing a waveguide according to claim 1, comprising a step of annealing the Er-doped silicon oxide film formed by the Er + ion implantation. 上記ＳＲＳＯ膜を堆積する工程では、厚さ１００〜１００００ｎｍのＳＲＳＯ膜を堆積することを特徴とする請求項２に記載の導波路の製造方法。   3. The method of manufacturing a waveguide according to claim 2, wherein in the step of depositing the SRSO film, an SRSO film having a thickness of 100 to 10,000 nm is deposited. 上記ＳＲＳＯ膜をアニーリングする工程は、６００℃〜１１００℃で、５分〜５時間行うことを特徴とする請求項２に記載の導波路の製造方法。   The method for manufacturing a waveguide according to claim 2, wherein the step of annealing the SRSO film is performed at 600 ° C. to 1100 ° C. for 5 minutes to 5 hours. 上記Ｅｒ＋イオンを注入する工程は、１００ｋｅＶのエネルギー、Ｅｒドープシリコン酸化膜の厚さの中間部に対し、５×１０１５〜１×１０１７ｃｍ−２のドーズ量で、Ｅｒ＋イオンを注入することを特徴とする請求項２に記載の導波路の製造方法。 Implanting the Er + ions, the energy of 100 keV, with respect to the middle portion of the thickness of the Er-doped silicon oxide film, at a dose of 5 × 10 15 ~1 × 10 17 cm -2, implanting Er + ions The method for manufacturing a waveguide according to claim 2, wherein: 上記Ｅｒドープシリコン酸化膜をアニーリングする工程は、６００〜１０００℃で、約５分〜６０分行うことを特徴とする請求項２に記載の導波路の製造方法。   The method for manufacturing a waveguide according to claim 2, wherein the step of annealing the Er-doped silicon oxide film is performed at 600 to 1000 ° C for about 5 to 60 minutes. 上記Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を形成する工程は、１．４６を越え、２．３０以下の第１屈折率（ｎ）を有するＥｒドープシリコン酸化膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の導波路の製造方法。   The step of forming the silicon oxide film including the Er-doped silicon nanocrystal is characterized in that an Er-doped silicon oxide film having a first refractive index (n) of more than 1.46 and not more than 2.30 is formed. The method for manufacturing a waveguide according to claim 1. 上記最上部層を形成する工程は、第１屈折率未満の第２屈折率を有する最上部層を形成し、
上記最下部層を形成する工程は、第１屈折率未満の第２屈折率を有する最下部層を形成することを特徴とする請求項７に記載の導波路の製造方法。 Forming the top layer comprises forming a top layer having a second refractive index less than the first refractive index;
8. The method of manufacturing a waveguide according to claim 7, wherein the step of forming the lowermost layer forms a lowermost layer having a second refractive index lower than the first refractive index. 上記最上部層を形成する工程、および、上記最下部層を形成する工程は、第２屈折率が１．４６である二酸化シリコンからなる最上部層および最下部層を形成することを特徴とする請求項８に記載の導波路の製造方法。   The step of forming the uppermost layer and the step of forming the lowermost layer form an uppermost layer and a lowermost layer made of silicon dioxide having a second refractive index of 1.46. A method for manufacturing a waveguide according to claim 8. さらに、上記Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜導波路をパターニングし導波路端部を形成する工程と、
反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、上記導波路端部をエッチングし、ミラー光学面を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項１に記載の導波路の製造方法。 A step of patterning the silicon oxide waveguide containing the Er-doped silicon nanocrystal to form an end of the waveguide;
The method for manufacturing a waveguide according to claim 1, further comprising a step of etching the waveguide end by reactive ion etching (RIE) to form a mirror optical surface. エルビウム（Ｅｒ）がドープされたシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）導波路であって、
最下部層、上記最下部層を覆うＥｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜、上記Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を覆う最上部層、第１波長帯の光を受容する入力光学面、および、第２波長帯の光を供給する出力光学面を備えることを特徴とする導波路。 A silicon oxide (SiOx) waveguide comprising silicon nanocrystals doped with erbium (Er),
A bottom layer, a silicon oxide film containing Er-doped silicon nanocrystals covering the bottom layer, a top layer covering the silicon oxide film containing Er-doped silicon nanocrystals, an input optical surface for receiving light in the first wavelength band And an output optical surface that supplies light in the second wavelength band. 上記入力光学面は、６００ｎｍ以上、１５４０ｎｍ未満の第１波長帯を受容し、
上記出力光学面は、１５４０ｎｍの第２波長帯の光を供給することを特徴とする請求項１１に記載の導波路。 The input optical surface receives a first wavelength band of 600 nm or more and less than 1540 nm,
The waveguide according to claim 11, wherein the output optical surface supplies light in a second wavelength band of 1540 nm. 上記Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜は、１５４０ｎｍで最低光減衰を示すことを特徴とする請求項１１に記載の導波路。   The waveguide according to claim 11, wherein the silicon oxide film including the Er-doped silicon nanocrystal exhibits a minimum optical attenuation at 1540 nm. 上記Ｅｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜は、１．４６を越え、２．３０以下の第１屈折率（ｎ）を有することを特徴とする請求項１１に記載の導波路。   The waveguide according to claim 11, wherein the silicon oxide film including the Er-doped silicon nanocrystal has a first refractive index (n) of more than 1.46 and not more than 2.30. 上記最上部層および最下部層は、いずれも、第１屈折率未満の第２屈折率を有することを特徴とする請求項１４に記載の導波路。   The waveguide according to claim 14, wherein each of the uppermost layer and the lowermost layer has a second refractive index lower than the first refractive index. 上記最上部層および最下部層は、いずれも、第２屈折率が１．４６である二酸化シリコンからなることを特徴とする請求項１５に記載の導波路。   The waveguide according to claim 15, wherein each of the uppermost layer and the lowermost layer is made of silicon dioxide having a second refractive index of 1.46. 上記入力光学面は、傾斜ミラー光学面であることを特徴とする請求項１１に記載の導波路。   The waveguide according to claim 11, wherein the input optical surface is an inclined mirror optical surface. 上記最上部層は、上記傾斜ミラー光学面を覆う界面を有することを特徴とする請求項１７に記載の導波路。   The waveguide according to claim 17, wherein the uppermost layer has an interface covering the inclined mirror optical surface. さらに、最上部層の少なくとも一部に形成された、電気式ポンプ光源を備えており、
上記電気式ポンプ光源は、傾斜ミラー光学面を覆う出力部を有することを特徴とする請求項１７に記載の導波路。 Furthermore, an electric pump light source formed on at least a part of the uppermost layer is provided,
The waveguide according to claim 17, wherein the electric pump light source has an output unit that covers an inclined mirror optical surface. さらに、最上部層の少なくとも一部に形成された光検出器を備えており、
上記光検出器は、傾斜ミラー光学面を覆う入力部を有することを特徴とする請求項１７に記載の導波路。 And a photodetector formed on at least a part of the uppermost layer,
The waveguide according to claim 17, wherein the photodetector has an input unit that covers an inclined mirror optical surface. 請求項１１〜２０のいずれか１項に記載の導波路を備えた集積回路。   The integrated circuit provided with the waveguide of any one of Claims 11-20.
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