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およびその製造方法、並びにそれを備えた集積回路
【課題】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を提供する。
【解決手段】本発明の導波路の製造方法は、最下部層を形成し、その最下部層を覆うＥｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を形成し（約１５４０ｎｍで最小光減衰を示す）、そのＥｒドープシリコン酸化膜を覆う最上部層を形成する。Ｅｒドープシリコン酸化膜は、高密度プラズマ化学気相堆積法によるＳＲＳＯ膜の形成およびそのＳＲＳＯ膜のアニーリグによって形成する。Ｅｒ＋イオン注入後、Ｅｒ＋ドープシリコン酸化膜を、再度アニーリングする。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。最上部層および最下部層は、第１屈折率未満の第２屈折率を有する。
【解決手段】本発明の導波路の製造方法は、最下部層を形成し、その最下部層を覆うＥｒドープシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を形成し（約１５４０ｎｍで最小光減衰を示す）、そのＥｒドープシリコン酸化膜を覆う最上部層を形成する。Ｅｒドープシリコン酸化膜は、高密度プラズマ化学気相堆積法によるＳＲＳＯ膜の形成およびそのＳＲＳＯ膜のアニーリグによって形成する。Ｅｒ＋イオン注入後、Ｅｒ＋ドープシリコン酸化膜を、再度アニーリングする。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。最上部層および最下部層は、第１屈折率未満の第２屈折率を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００４／１０５２０１号パンフレット
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Y. Hibino : Silica-based planar lightwave circuits and their applications, MRS Bulletin, May 2003, p.365.
【非特許文献２】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.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【発明の効果】
【００３５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】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。
【図２】図１の導波路の第１変形例を示す部分断面図である。
【図３】図１の導波路の第２変形例を示す部分断面図である。
【図４Ａ】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。
【図４Ｂ】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。
【図５】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。
【図６】図１の導波路の第４変形例を示す部分断面図である。
【図７】導波路システムを示す部分断面図である。
【図８】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。
【図９】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。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
〔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。
【００４９】
【表１】
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
【表２】
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
〔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。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
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。
【符号の説明】
【００７０】
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）
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００４／１０５２０１号パンフレット
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Y. Hibino : Silica-based planar lightwave circuits and their applications, MRS Bulletin, May 2003, p.365.
【非特許文献２】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.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【発明の効果】
【００３５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】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。
【図２】図１の導波路の第１変形例を示す部分断面図である。
【図３】図１の導波路の第２変形例を示す部分断面図である。
【図４Ａ】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。
【図４Ｂ】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。
【図５】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。
【図６】図１の導波路の第４変形例を示す部分断面図である。
【図７】導波路システムを示す部分断面図である。
【図８】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。
【図９】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。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
〔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。
【００４９】
【表１】
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
【表２】
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
〔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。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
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。
【符号の説明】
【００７０】
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）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項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、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。
【請求項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ことを特徴とする請求項１に記載の導波路の製造方法。
【請求項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ことを特徴とする請求項７に記載の導波路の製造方法。
【請求項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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項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、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。
【請求項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）を有することを特徴とする請求項１１に記載の導波路。
【請求項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屈折率を有することを特徴とする請求項１４に記載の導波路。
【請求項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。
【請求項１７】
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。
【請求項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ことを特徴とする請求項１７に記載の導波路。
【請求項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を有することを特徴とする請求項１７に記載の導波路。
【請求項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、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。
【請求項２１】
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。
【請求項１】
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。
【請求項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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項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、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。
【請求項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ことを特徴とする請求項１に記載の導波路の製造方法。
【請求項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ことを特徴とする請求項７に記載の導波路の製造方法。
【請求項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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項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、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。
【請求項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）を有することを特徴とする請求項１１に記載の導波路。
【請求項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屈折率を有することを特徴とする請求項１４に記載の導波路。
【請求項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。
【請求項１７】
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。
【請求項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ことを特徴とする請求項１７に記載の導波路。
【請求項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を有することを特徴とする請求項１７に記載の導波路。
【請求項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、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。
【請求項２１】
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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−２７２６１４（Ｐ２００９−２７２６１４Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５２５９６（Ｐ２００９−５２５９６）
【出願日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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