DE112022000622T5

DE112022000622T5 - Halbleiterelement und verfahren zur herstellung eines halbleiterelements

Info

Publication number: DE112022000622T5
Application number: DE112022000622.6T
Authority: DE
Inventors: Takuya Kadowaki; Tadashi Kawazoe
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2021-01-12
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2023-11-09
Also published as: JPWO2022153983A1; WO2022153983A1

Abstract

Es besteht ein Bedarf an neuartigen Halbleiterelementen, die unter Verwendung verkleideter Photonen betrieben werden, und an Verfahren zur Herstellung solcher Halbleiterelemente. Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements enthält: Vorsehen eines Halbleiterstapels, enthaltend ein Siliziumsubstrat und eine auf dem Siliziumsubstrat vorgesehene Silizium-Halbleiterschicht, wobei das Siliziumsubstrat eine erste Verunreinigung eines ersten Leitfähigkeitstyps, der einer von einem p-Typ und einem n-Typ ist, in einer ersten Konzentration enthält, wobei die Silizium-Halbleiterschicht eine erste Silizium-Halbleiterschicht und eine zweite Silizium-Halbleiterschicht enthält, wobei die erste Silizium-Halbleiterschicht eine zweite Verunreinigung des ersten Leitfähigkeitstyps in einer zweiten Konzentration enthält, die niedriger ist als die erste Konzentration, wobei die zweite Silizium-Halbleiterschicht eine dritte Verunreinigung eines zweiten Leitfähigkeitstyps enthält, der der andere von einem p-Typ und einem n-Typ ist; und Bestrahlen der Silizium-Halbleiterschicht mit Licht mit einer vorbestimmten Peak-Wellenlänge in Gegenwart eines durch die Silizium-Halbleiterschicht fließenden Vorwärtsstroms, derart, dass die dritte Verunreinigung diffundiert wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Halbleiterelement und ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements.
STAND DER TECHNIK
Eines der Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen, die Silizium enthalten, ist ein spezielles Glühverfahren, das so genannte „durch verkleidete Photon-Phononen unterstützte Glühen“ (im Folgenden als „DPP Glühen“ bezeichnet). Patentdokument Nr. 1 offenbart ein Beispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Silizium enthaltenden Photodetektors unter Verwendung des DPP-Glühens.
ZITATIONSLISTE
PATENTLITERATUR
Patentdokument Nr. 1: Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2015-012047
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Es besteht ein Bedarf an neuartigen Halbleiterelementen, die unter Verwendung von verkleideten Photonen arbeiten, und an Verfahren zur Herstellung solcher Halbleiterelemente.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Offenbarung: Vorsehen eines Halbleiterstapels, enthaltend ein Siliziumsubstrat und eine auf dem Siliziumsubstrat vorgesehene Silizium-Halbleiterschicht, wobei das Siliziumsubstrat eine erste Verunreinigung eines ersten Leitfähigkeitstyps, der einer von einem p-Typ und einem n-Typ ist, in einer ersten Konzentration enthält, wobei die Silizium-Halbleiterschicht eine erste Silizium-Halbleiterschicht und eine zweite Silizium-Halbleiterschicht enthält, wobei die erste Silizium-Halbleiterschicht eine zweite Verunreinigung des ersten Leitfähigkeitstyps in einer zweiten Konzentration enthält, die niedriger ist als die erste Konzentration, wobei die zweite Silizium-Halbleiterschicht eine dritte Verunreinigung eines zweiten Leitfähigkeitstyps enthält, der der andere von einem p-Typ und einem n-Typ ist; und Bestrahlen der Silizium-Halbleiterschicht mit Licht mit einer vorbestimmten Peak-Wellenlänge in Gegenwart eines durch die Silizium-Halbleiterschicht fließenden Vorwärtsstroms, derart, dass die dritte Verunreinigung diffundiert wird.
Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Halbleiterelement gemäß der vorliegenden Offenbarung: ein Siliziumsubstrat, das eine erste Verunreinigung eines ersten Leitfähigkeitstyps, der einer von einem p-Typ und einem n-Typ ist, in einer ersten Konzentration enthält; und eine Silizium-Halbleiterschicht, die auf dem Siliziumsubstrat vorgesehen ist. Die Silizium-Halbleiterschicht enthält eine erste Silizium-Halbleiterschicht und eine zweite Silizium-Halbleiterschicht in dieser Reihenfolge von der Seite des Siliziumsubstrats aus. Die erste Silizium-Halbleiterschicht enthält eine zweite Verunreinigung des ersten Leitfähigkeitstyps in einer zweiten Konzentration, die niedriger ist als die erste Konzentration. Die zweite Silizium-Halbleiterschicht enthält eine dritte Verunreinigung eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der der andere von einem p-Typ und einem n-Typ ist. Die Silizium-Halbleiterschicht enthält einen pn-Übergang, der zwischen der ersten Silizium-Halbleiterschicht und der zweiten Silizium-Halbleiterschicht lokalisiert ist. In einer Region, die den pn-Übergang enthält, weist das Halbleiterelement eine Photosensitivität für Licht auf, dessen Peak-Wellenlänge länger als eine Wellenlänge ist, die einer Größe einer Bandlücke von Silizium entspricht, oder das Halbleiterelement emittiert Licht, dessen Peak-Wellenlänge länger als die Wellenlänge ist, die der Größe der Bandlücke von Silizium entspricht.
VORTEILHAFTE EFFEKTE DER ERFINDUNG
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können neuartige Halbleiterelemente, die unter Verwendung verkleideter Photonen arbeiten, und Verfahren zur Herstellung solcher Halbleiterelemente realisiert werden.
KURZE BESCHREIBUNG VON ZEICHNUNGEN

1A ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch ein Konfigurationsbeispiel eines Halbleiterelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
1B ist eine Querschnittsansicht des in 1A gezeigten Halbleiterelements, die parallel zur XZ-Ebene ist.
2A ist ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels eines Schrittes in einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
2B ist ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels eines Schrittes in einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
2C ist ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels eines Schrittes in einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
2D ist ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels eines Schrittes in einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
2E ist ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels eines Schrittes in einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
2F ist ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels eines Schrittes in einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
2G ist ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels eines Schrittes in einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
2H ist ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels eines Schrittes in einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
2I ist ein Diagramm zur Darstellung des Schritts des Aufteilens in einzelne Chips.
3A ist ein Graph, der Beispiele des Emissionsspektrums des Halbleiterelements aus Beispiel 1 vor und nach dem DPP-Glühen zeigt.
3B ist ein Graph, der Beispiele des Emissionsspektrums des Halbleiterelements aus Vergleichsbeispiel 1 vor und nach dem DPP-Glühen zeigt.
3C ist ein Graph, der Beispiele des Emissionsspektrums des Halbleiterelements aus Vergleichsbeispiel 2 vor und nach dem DPP-Glühen zeigt.
3D ist ein Graph, der Beispiele des Emissionsspektrums des Halbleiterelements aus Vergleichsbeispiel 3 vor und nach dem DPP-Glühen zeigt.
4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Temperatur und dem differentiellen Widerstand in dem Halbleiterelement aus Beispiel 3 bei einer Umgebungstemperatur von 25°C zeigt.
5A ist ein Graph, der die Verteilung der Distanz der nächstgelegenen Dotierstoffe zeigt.
5B ist ein weiterer Graph, der die Verteilung der Distanz der nächstgelegenen Dotierstoffe zeigt.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
(Allgemeine Beschreibung des durch verkleidete Photon-Phononen unterstützten Glühens)
Im Folgenden werden die Prinzipien des DPP-Glühens beschrieben, obwohl viele Aspekte der verkleideten Photonen noch nicht geklärt sind und die Beschreibung Hypothesen enthält. DPP-Glühen ist das Verfahren, bei dem ein Halbleiter, der Verunreinigungen enthält, mit Licht bestrahlt wird, das eine vorbestimmte Peak-Wellenlänge aufweist, in Gegenwart eines Vorwärtsstroms, der durch den Halbleiter fließt, der Verunreinigungen enthält. Dieses DPP-Glühen erlaubt die Herstellung von Halbleiterelementen unter Verwendung von verkleideten Photonen, die eine Art von Nahfeldlicht sind, oder eines Zustands, der als „verkleidetes Photon-Phonon“ bezeichnet wird und aus der Wechselwirkung zwischen verkleideten Photonen und kohärenten Phononen resultiert. Wenn ein Vorwärtsstrom zugeführt wird, werden die Verunreinigungen durch Joule-Wärme diffundiert. Außerdem treten verkleidete Photon-Phononen um die Verunreinigungsatome herum auf, und der Halbleiter verwendet die aus dem zugeführten Strom erhaltenen Ladungsträger, um eine stimulierte Lichtemission zu verursachen, die der Peak-Wellenlänge des Bestrahlungslichts entspricht. Die elektrische Energie, die dem Halbleiter vom zugeführten Strom zugeführt wird, wird in thermische Energie in Form von Joule-Wärme und in optische Energie in Form von stimuliertem Emissionslicht umgewandelt. Die Ableitung der optischen Energie in Form von stimuliertem Emissionslicht nach außen bedeutet, dass die elektrische Energie teilweise als die optische Energie verbraucht wird und die Verunreinigungsatome abgekühlt werden. Die Diffusion der abgekühlten Verunreinigungsatome kann unterdrückt werden, und die Verunreinigungsatome können auf selbstorganisierende Weise an Positionen verteilt werden, die dem zur Bestrahlung eingesetzten Licht entsprechen, das die vorbestimmte Peak-Wellenlänge aufweist. Dieses DPP-Glühen kann z.B. für die Herstellung von lichtemittierenden Halbleiterelementen und Halbleiter-Photodetektoren verwendet werden. DPP-geglühte lichtemittierende Halbleiterelemente sind in der Lage, Licht zu emittieren, auch wenn das Halbleitermaterial der Halbleiterelemente beispielsweise ein indirekter Übergangshalbleiter ist. DPP-geglühte Photodetektoren sind in der Lage, Licht bei einer kürzeren Wellenlänge als der Bandlücke des Halbleitermaterials der Halbleiterelemente zu empfangen.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Halbleiterelement und ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiterelements gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung im Detail beschrieben. Die gleichen Bezugszeichen in einer Mehrzahl von Zeichnungen bezeichnen die gleichen oder ähnliche Teile.
Die nachfolgende Beschreibung soll die technischen Ideen der vorliegenden Erfindung konkretisieren, aber der Umfang der vorliegenden Erfindung ist nicht darauf zu limitieren. Die Größe, das Material, die Form, die relative Anordnung etc. der Komponenten sind als Beispiele gedacht, und der Umfang der vorliegenden Erfindung ist nicht darauf zu limitieren. Die Größe, die Anordnungsbeziehung etc. der in jeder Zeichnung gezeigten Bauteile kann zum besseren Verständnis übertrieben dargestellt sein.
In der Spezifikation und den Ansprüchen kann außerdem, wenn mehrere Stücke einer bestimmten Komponente vorhanden sind und eine Unterscheidung hergestellt werden muss, gelegentlich eine Ordnungszahl wie „erstes“, „zweites“ oder ähnliches hinzugefügt werden. Wenn die Spezifikation und die Ansprüche auf unterschiedlichen Unterscheidungen oder Standpunkten basieren, kann es vorkommen, dass sich ein Element, das mit der gleichen Ordnungszahl versehen ist, in der Spezifikation und in den Ansprüchen nicht auf dasselbe Element bezieht.
(Ausführungsformen)
< Halbleiterelement >
Zunächst wird ein grundlegendes Konfigurationsbeispiel eines Halbleiterelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf 1A und 1B beschrieben.
1A ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch ein Konfigurationsbeispiel eines Halbleiterelements 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. 1B ist eine Querschnittsansicht des in 1A gezeigten Halbleiterelements 100, die parallel zur XZ-Ebene ist. In den beigefügten Zeichnungen sind zu Referenzzwecken X-, Y- und Z-Achsen, die orthogonal zueinander sind, schematisch gezeigt. In dieser Spezifikation wird die Pfeilrichtung der Z-Achse aus Gründen der Klarheit der Beschreibung als „oben“ bezeichnet. Ein Teil, das auf der oberen Seite lokalisiert ist, wird als „oberes Teil" bezeichnet. Dies limitiert nicht die Orientierung des Halbleiterelements 100 bei der Verwendung, sondern das Halbleiterelement 100 kann bei der Verwendung eine beliebige Orientierung aufweisen.
Das Halbleiterelement 100 der vorliegenden Ausführungsform enthält ein Silizium-Substrat 10 und eine Silizium-Halbleiterschicht 20b, die auf dem Silizium-Substrat 10 vorgesehen ist. Das Halbleiterelement 100 der vorliegenden Ausführungsform kann als Photodetektor betrieben werden, der in der Lage ist, Licht mit einer größeren Wellenlänge als der Wellenlänge λ_g=1,1 µm effizient zu detektieren, was der Größe der Bandlücke von Silizium, 1,1 eV, entspricht. Bei dem Licht mit einer größeren Wellenlänge als der Wellenlänge λ_g kann es sich beispielsweise um infrarotes Licht mit einer Wellenlänge von gleich oder länger als 1,1 µm und gleich oder kürzer als 4,0 µm handeln. Das Halbleiterelement 100 der vorliegenden Ausführungsform kann auch als lichtemittierendes Element betrieben werden, das in der Lage ist, effizient Licht mit einer größeren Wellenlänge als λ_g zu emittieren. Das Halbleiterelement 100 der vorliegenden Ausführungsform kann auch als Temperatursensor betrieben werden, der Wärmestrahlung mit einer größeren Wellenlänge als der Wellenlänge λ_g verwendet.
In der vorliegenden Ausführungsform weist die Silizium-Halbleiterschicht 20b eine Oberfläche 20s auf, die parallel zur XY-Ebene liegt. Wenn das Halbleiterelement 100 als Photodetektor verwendet wird, ist die Oberfläche 20s eine lichtempfangende Oberfläche. Wenn das Halbleiterelement 100 als lichtemittierendes Element verwendet wird, ist die Oberfläche 20s eine lichtemittierende Oberfläche. Wenn das Halbleiterelement 100 als Temperatursensor verwendet wird, ist die Oberfläche 20s eine Temperaturmessfläche.
Das Halbleiterelement 100 der vorliegenden Ausführungsform enthält eine zweite untere Elektrode 30a und eine zweite obere Elektrode 30b, die beim Betrieb des Photodetektors, des lichtemittierenden Elements oder des Temperatursensors verwendet werden. Die zweite untere Elektrode 30a und die zweite obere Elektrode 30b können verwendet werden, wenn das Halbleiterelement in Betrieb ist. Die zweite untere Elektrode 30a ist auf einer Oberfläche des Siliziumsubstrats 10 vorgesehen, die der Oberfläche, auf der die Silizium-Halbleiterschicht 20b vorgesehen ist, gegenüberliegt. Die zweite obere Elektrode 30b ist zumindest auf einem Teil der Oberfläche 20s vorgesehen, um den Betrieb nicht zu unterbrechen. In dem in 1A gezeigten Beispiel ist die zweite obere Elektrode 30b auf einer peripheren Region der Oberfläche 20s vorgesehen. Wenn das Halbleiterelement 100 als Photodetektor oder lichtemittierendes Element verwendet wird, kann die zweite obere Elektrode 30b auf der gesamten Oberfläche 20s vorgesehen sein, solange die zweite obere Elektrode 30b eine lichtdurchlässige Elektrode ist. In dieser Spezifikation bedeutet „lichtdurchlässig“, dass die Durchlässigkeit für infrarotes Licht mit einer Wellenlänge von gleich oder länger als 1,1 µm und gleich oder kürzer als 2,0 µm 60% oder mehr beträgt.
Das Halbleiterelement 100 der vorliegenden Ausführungsform kann zusätzlich zu den in 1A gezeigten Bestandteilen zum Beispiel eine Verbindungsschicht enthalten, die elektrisch mit der zweiten unteren Elektrode 30a und der zweiten oberen Elektrode 30b verbunden ist, sowie weitere Schaltungselemente.
Nachfolgend wird die Konfiguration des Siliziumsubstrats 10 und der Silizium-Halbleiterschicht 20b beschrieben. Die Kristalle des Siliziumsubstrats 10 und der Silizium-Halbleiterschicht 20b, die Verunreinigungen zur Dotierung dieser Bestandteile und die Dimensionen dieser Bestandteile werden später im Rahmen der Beschreibung des Verfahrens zur Herstellung des Halbleiterelements 100 beschrieben.
Das Siliziumsubstrat 10 weist die erste Verunreinigung des ersten Leitfähigkeitstyps, der einer von einem p-Typ und einem n-Typ ist, in der ersten Konzentration auf.
Die Silizium-Halbleiterschicht 20b ist auf dem Siliziumsubstrat 10 vorgesehen. Wie in 1A gezeigt, enthält die Silizium-Halbleiterschicht 20b eine erste Silizium-Halbleiterschicht 22 und eine zweite Silizium-Halbleiterschicht 24 in dieser Reihenfolge vom Siliziumsubstrat 10 aus. Die erste Silizium-Halbleiterschicht 22 enthält die zweite Verunreinigung des ersten Leitfähigkeitstyps in der zweiten Konzentration, die niedriger ist als die erste Konzentration. Die zweite Silizium-Halbleiterschicht 24 enthält die dritte Verunreinigung des zweiten Leitfähigkeitstyps, der der andere von einem p-Typ und einem n-Typ ist. Die Silizium-Halbleiterschicht 20b enthält ferner einen pn-Übergang 26 (an der Grenzfläche) zwischen der ersten Silizium-Halbleiterschicht 22 und der zweiten Silizium-Halbleiterschicht 24.
Wie in 1B gezeigt, enthält die zweite Silizium-Halbleiterschicht 24 eine Nahfeld-Lichtbildungsregion 40. Die Nahfeld-Lichtbildungsregion 40 wird auch als die erste Region bezeichnet. Die Nahfeld-Lichtbildungsregion 40 ist entlang des pn-Übergangs 26 durch DPP-Glühen gebildet. DPP-Glühen wird durchgeführt, indem die Silizium-Halbleiterschicht 20b mit Licht bestrahlt wird, das eine vorbestimmte Peak-Wellenlänge aufweist, in Gegenwart eines Vorwärtsstroms, der durch die Silizium-Halbleiterschicht 20b fließt. Das Licht, das die vorbestimmte Peak-Wellenlänge aufweist, kann Licht sein, dessen Peak-Wellenlänge länger als die Wellenlänge λ_g ist. Einzelheiten des DPP-Glühens werden später beschrieben. Wie in 1B gezeigt, enthält die zweite Silizium-Halbleiterschicht 24 auch eine zweite Region 41. Das heißt, die zweite Silizium-Halbleiterschicht 24 enthält die erste Region (Nahfeld-Lichtbildungsregion 40) und die zweite Region 41.
Die Nahfeld-Lichtbildungsregion 40 enthält einen Teil einer Region, die die dritte Verunreinigung enthält, die in der zweiten Silizium-Halbleiterschicht 24 enthalten ist, die beim DPP-Glühen zumindest mit Licht bestrahlt wird. Das Nahfeldlicht tritt um die dritte Verunreinigung herum auf, die den pn-Übergang bildet. Die Größe der dritten Verunreinigung liegt auf atomarer Ebene, und es ist zu erwarten, dass verkleidete Photonen und verkleidete Photon-Phononen wahrscheinlich erzeugt werden.
Wenn Licht auf die Nahfeld-Lichtbildungsregion 40 einfällt, wird Nahfeldlicht gebildet. Die Energie des einfallenden Lichts ist niedriger als z.B. die Energie, die der Wellenlänge λ_g entspricht, d.h. der Energie der Bandlücke von Silizium. Andererseits kann die Energie der verkleideten Photon-Phononen die Energie sein, die den Unterschied zwischen der Energie der Bandlücke von Silizium und der Energie des einfallenden Lichts ausgleicht. Das heißt, die verkleideten Photon-Phononen können durch die Wechselwirkung zwischen verkleideten Photonen und kohärenten Phononen ein Energieniveau bilden, das dem zwischenliegenden Niveau innerhalb der Bandlücke von Silizium entspricht. Außerdem können die verkleideten Photon-Phononen den Impuls mit Elektronen austauschen. Daher können die verkleideten Photon-Phononen die Energie und den Impuls ausgleichen. Durch das Dazwischenliegen der verkleideten Photon-Phononen können die Elektronen in der Nahfeld-Lichtbildungsregion 40 und deren Umgebung, insbesondere die Elektronen in der Region der Verarmungsschicht, die den pn-Übergang 26 enthält, Photosensitivität für Licht mit einer größeren Wellenlänge als der Wellenlänge λ_g aufweisen. Eine vorbestimmte Region, die den pn-Übergang 26 enthält, ist dazu in der Lage, Licht mit einer längeren Wellenlänge als der Wellenlänge λ_g zu emittieren.
< Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements >
Als nächstes wird ein Beispiel für das Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 2A bis 2H beschrieben. 2A bis 2H sind Diagramme zur Darstellung eines Beispiels für die Schritte des Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements nach der vorliegenden Offenbarung wird in einer Ausführungsform ein Halbleiterwafer, der eine Mehrzahl von Halbleiterelementbereichen enthält, in einzelne Chips unterteilt, wodurch separate Halbleiterelemente hergestellt werden können. Der Einfachheit halber zeigen die 2A bis 2H schematisch einen Bereich, der einem einzelnen Halbleiterelement entspricht. In der folgenden Beschreibung wird die Dimension in Z-Richtung als „Dicke“ bezeichnet.
Das Verfahren zur Herstellung eines Halbeleiterelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält: Vorsehen eines Halbleiterstapels, enthaltend ein Siliziumsubstrat und eine auf dem Siliziumsubstrat vorgesehene Silizium-Halbleiterschicht, wobei das Siliziumsubstrat eine erste Verunreinigung eines ersten Leitfähigkeitstyps, der einer von einem p-Typ und einem n-Typ ist, in einer ersten Konzentration enthält, wobei die Silizium-Halbleiterschicht eine erste Silizium-Halbleiterschicht und eine zweite Silizium-Halbleiterschicht enthält, wobei die erste Silizium-Halbleiterschicht eine zweite Verunreinigung des ersten Leitfähigkeitstyps in einer zweiten Konzentration enthält, die niedriger ist als die erste Konzentration, wobei die zweite Silizium-Halbleiterschicht eine dritte Verunreinigung eines zweiten Leitfähigkeitstyps enthält, der der andere von einem p-Typ und einem n-Typ ist; und Bestrahlen der Silizium-Halbleiterschicht mit Licht mit einer vorbestimmten Peak-Wellenlänge in Gegenwart eines durch die Silizium-Halbleiterschicht fließenden Vorwärtsstroms, derart, dass die dritte Verunreinigung diffundiert wird. Der Schritt des Vorsehens des Halbleiterstapels kann enthalten: Vorsehen eines Siliziumsubstrats, das eine erste Verunreinigung eines ersten Leitfähigkeitstyps, der einer von einem p-Typ und einem n-Typ ist, in einer ersten Konzentration enthält; Bilden einer Silizium-Halbleiterschicht auf dem Siliziumsubstrat, wobei die Silizium-Halbleiterschicht eine erste Silizium-Halbleiterschicht enthält, die eine zweite Verunreinigung des ersten Leitfähigkeitstyps in einer zweiten Konzentration enthält, die niedriger als die erste Konzentration ist; und Einbringen einer dritten Verunreinigung eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der der andere von einem p-Typ und einem n-Typ ist, in eine Oberfläche der Silizium-Halbleiterschicht, wodurch eine zweite Silizium-Halbleiterschicht gebildet wird.
< Schritt des Vorsehens des Siliziumsubstrats 10 >
Wie in 2A gezeigt, ist das Siliziumsubstrat 10 vorgesehen. Das Siliziumsubstrat 10 ist vorzugsweise monokristallin. In diesem Fall kann in dem Schritt des Bildens der Silizium-Halbleiterschicht 20b, der später beschrieben wird, die gebildete Silizium-Halbleiterschicht 20b eine Kristallorientierung aufweisen. Das Siliziumsubstrat 10 ist zum Beispiel ein monokristallines Siliziumsubstrat vom n-Typ, das eine (100)-Ebene aufweist. Die Oberfläche des Siliziumsubstrats 10 kann eine andere Kristallebene als die (100)-Ebene aufweisen. Das Siliziumsubstrat 10 enthält die erste Verunreinigung des ersten Leitfähigkeitstyps, der einer von einem p-Typ und einem n-Typ ist, in der ersten Konzentration. Die Verteilung der ersten Verunreinigung innerhalb des Siliziumsubstrats 10 ist nicht besonders limitiert, sondern vorzugsweise gleichförmig. In diesem Fall ist der elektrische Widerstand des gesamten Siliziumsubstrats 10 gering, und beim DPP-Glühen ist es unwahrscheinlich, dass im Siliziumsubstrat 10 Joule-Wärme erzeugt wird. Auch die Wärmeableitung nach außen ist einfach. Bei der ersten Verunreinigung handelt es sich beispielsweise um mindestens eine Atomart ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Phosphoratom (P), einem Arsenatom (As), einem Antimonatom (Sb), einem Boratom (B) und einem Aluminiumatom (AI). Die erste Konzentration ist z.B. gleich oder höher als 1,0×10¹⁷ cm^-3 und 1,0×10²¹ cm^-3, vorzugsweise gleich oder höher als 1,0×10¹⁸ cm^-3 und 1,0×10²⁰ cm^-3. In diesem Fall kann der elektrische Widerstand des Siliziumsubstrats 10 reduziert werden, und eine elektrische Verbindung mit der Elektrode kann leicht hergestellt werden. Es ist zu beachten, dass die erste Konzentration sowie die zweite und dritte Konzentration, die später beschrieben werden, durch Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS) analysiert werden können. Der elektrische Widerstand des Siliziumsubstrats 10 ist zum Beispiel gleich oder höher als 1,0×10^-4 Ωcm und gleich oder niedriger als 1×10^-1 Ωcm, vorzugsweise gleich oder höher als 2×10^-3 Ωcm und gleich oder niedriger als 1×10^-2 Ωcm. In diesem Schritt kann die Dicke des Siliziumsubstrats 10 gleich oder größer als 100 µm und gleich oder kleiner als 800 µm sein. In einem weiter unten beschriebenen Schritt kann das Siliziumsubstrat 10 so bearbeitet werden, dass die Dicke reduziert wird.
< Schritt des Bildens der Silizium-Halbleiterschicht 20a >
In einem nachfolgenden Schritt wird eine Silizium-Halbleiterschicht 20a auf dem Siliziumsubstrat 10 gebildet, wie in 2B gezeigt. Die Silizium-Halbleiterschicht 20a kann z.B. durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) gebildet werden. Die Silizium-Halbleiterschicht 20a kann durch Einleiten eines Trägergases und eines Quellengases in einen Ofen gebildet werden. Das Trägergas kann zum Beispiel ein Wasserstoffgas (H₂) sein. Das Quellengas für Silizium kann zum Beispiel ein Silangas (SiH₄), Siliziumtetrachloridgas (SiCl₄) oder Dichlorsilan (SiH₂Cl₂) sein. Die Silizium-Halbleiterschicht 20a ist zum Beispiel monokristallin oder polykristallin. Die Silizium-Halbleiterschicht 20a kann eine Kristallorientierung aufweisen. Das heißt, dass bei den Kristallen, die Bestandteile der Silizium-Halbleiterschicht 20a sind, mindestens eine von einer Mehrzahl von Kristallachsen des Siliziums in einer einzigen Richtung ausgerichtet sein kann. Die Silizium-Halbleiterschicht 20a ist vorzugsweise eine epitaktische Silizium-Halbleiterschicht, die durch epitaktisches Wachstum von Silizium realisiert ist. Die epitaktische Silizium-Halbleiterschicht kann zum Beispiel durch epitaktisches Wachstum unter Verwendung der (100)-Ebene des monokristallinen Siliziumsubstrats 10 als Kristallwachstumsebene gebildet werden. Die [100]-Achse des Siliziums in der epitaktischen Silizium-Halbleiterschicht steht orthogonal zu der Kristallwachstumsebene. Jede der anderen Kristallachsen als die [100]-Achse ist ebenfalls in einer einzigen Richtung ausgerichtet. Es ist jedoch zu beachten, dass in der vorliegenden Ausführungsform, wenn die Silizium-Halbleiterschicht 20a polykristallin ist, solange eine der Mehrzahl der Kristallachsen des Siliziums in jedem Kristallkorn (z.B. die [100]-Achse) in einer einzigen Richtung ausgerichtet ist, jede der anderen Kristallachsen nicht in einer einzigen Richtung ausgerichtet sein muss. Die Orientierungsrichtung der Silizium-Halbleiterschicht 20a ist nicht auf die [100]-Achse begrenzt. Wenn die Silizium-Halbleiterschicht 20a polykristallin ist, kann die Größe der einzelnen Kristallkörner zum Beispiel 10 nm oder mehr betragen.
Die Silizium-Halbleiterschicht 20a enthält die zweite Verunreinigung des ersten Leitfähigkeitstyps, der einer von einem p-Typ und einem n-Typ ist, in der zweiten Konzentration, die niedriger ist als die erste Konzentration. Die zweite Verunreinigung ist z.B. gleichförmig in der Silizium-Halbleiterschicht 20a verteilt. Bei der zweiten Verunreinigung kann es sich zum Beispiel um mindestens einen Atomtyp handeln, der aus der Gruppe bestehend aus Phosphor (P)-Atom, Arsen (As)-Atom, Antimon (Sb)-Atom, Bor (B)-Atom und Aluminium (Al)-Atom ausgewählt ist. Wenn der erste Leitfähigkeitstyp vom n-Typ ist, ist die zweite Verunreinigung vorzugsweise ein Arsen (As)-Atom oder ein Antimon (Sb)-Atom. Das Arsen (As)-Atom oder das Antimon (Sb)-Atom ist ein relativ schweres Element als Dotierstoff für Silizium und kann eine große relative Dichte in Bezug auf die dritte Verunreinigung der zweiten Silizium-Halbleiterschicht 24 realisieren, die später noch beschrieben wird. Dadurch kann die Emissionsintensität oder Photosensitivität des Halbleiterelements verbessert werden. Die zweite Konzentration ist niedriger als die erste Konzentration. So wird beim DPP-Glühen, das weiter unten beschrieben wird, die Joule-Wärme in der ersten Silizium-Halbleiterschicht 22 und nicht im Siliziumsubstrat 10 konzentriert, so dass sich die dritte Verunreinigung auf selbstorganisierende Weise verteilen kann. Die zweite Konzentration ist z.B. gleich oder höher als 1,0×10¹⁴ cm^-3 und 1,0×10¹⁶ cm^-3, vorzugsweise gleich oder höher als 5×10¹⁴ cm^-3 und 1×10¹⁶ cm^-3. Der elektrische Widerstand der Silizium-Halbleiterschicht 20a ist zum Beispiel gleich oder höher als 1,0 Ωcm und gleich oder niedriger als 100 Ωcm, vorzugsweise gleich oder höher als 1 Ωcm und gleich oder niedriger als 10 Ωcm. Die Dimensionen in X-Richtung und Y-Richtung der Silizium-Halbleiterschicht 20a sind im Wesentlichen gleich den Dimensionen in X-Richtung und Y-Richtung des Siliziumsubstrats 10. Die Dicke der Silizium-Halbleiterschicht 20a kann z.B. gleich oder größer als 2 µm und gleich oder kleiner als 10 µm sein.
Tatsächlich kann es in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Siliziumsubstrat 10 und der Silizium-Halbleiterschicht 20a eine Diffusionsregion geben, in der die Verunreinigung von dem Siliziumsubstrat 10 oder der Silizium-Halbleiterschicht 20a zur anderen diffundiert. Die Dicke der Diffusionsregion kann gleich oder größer als 1 µm und gleich oder kleiner als 4 µm sein.
< Schritt des Bildens der ersten Silizium-Halbleiterschicht und der zweiten Silizium-Halbleiterschicht >
In einem nachfolgenden Schritt, wie in 2C gezeigt, wird die dritte Verunreinigung des zweiten Leitfähigkeitstyps, der der andere von einem p-Typ und einem n-Typ ist, in die Oberfläche 20s der Silizium-Halbleiterschicht 20a eingebracht. Das Einbringen der dritten Verunreinigung erfolgt zum Beispiel durch ein lonenimplantationsverfahren, bei dem Ionen der dritten Verunreinigung beschleunigt und in die Oberfläche 20s der Silizium-Halbleiterschicht 20a implantiert werden. In 2C zeigen die nach unten gerichteten Pfeile schematisch die lonenimplantation der dritten Verunreinigung des zweiten Leitfähigkeitstyps. Bei diesem Verfahren der lonenimplantation wird die dritte Verunreinigung in einen Teil der Silizium-Halbleiterschicht 20a implantiert, wodurch die Silizium-Halbleiterschicht 20b gebildet werden kann. Wie in 2C gezeigt, enthält die Silizium-Halbleiterschicht 20b die erste Silizium-Halbleiterschicht 22 des ersten Leitfähigkeitstyps und die zweite Silizium-Halbleiterschicht 24 des zweiten Leitfähigkeitstyps. Die erste Silizium-Halbleiterschicht 22 enthält einen Teil der Silizium-Halbleiterschicht 20b, der die dritte Verunreinigung nicht enthält, und einen Teil der Silizium-Halbleiterschicht 20b, in dem die Konzentration der zweiten Verunreinigung höher ist als die Konzentration der dritten Verunreinigung. Die zweite Silizium-Halbleiterschicht 24 ist ein Teil der Silizium-Halbleiterschicht 20b, in dem die Konzentration der dritten Verunreinigung höher ist als die Konzentration der zweiten Verunreinigung. Zwischen der ersten Silizium-Halbleiterschicht 22 und der zweiten Silizium-Halbleiterschicht 24 wird ein pn-Übergang gebildet. Die Dicke der ersten Silizium-Halbleiterschicht 22 kann z.B. gleich oder größer als 2 µm und gleich oder kleiner als 10 µm sein. Die Dicke der zweiten Silizium-Halbleiterschicht 24 kann z.B. gleich oder größer als 1 µm und gleich oder kleiner als 2 µm sein.
Die Verunreinigungskonzentration und der elektrische Widerstand der ersten Silizium-Halbleiterschicht 22 sind im Wesentlichen gleich der Verunreinigungskonzentration und dem elektrischen Widerstand der Silizium-Halbleiterschicht 20a vor der Implantation der dritten Verunreinigung. Die dritte Verunreinigung weist einen Konzentrationsgradienten entlang der Tiefenrichtung auf. Die Verteilung der Konzentration der dritten Verunreinigung kann einen Peak in einer bestimmten Tiefe von der Oberfläche 20s aufweisen. Die Peak-Konzentration der dritten Verunreinigung in der Tiefenrichtung kann zum Beispiel gleich oder höher als 1,0×10¹⁸ cm^-3 und gleich oder niedriger als 1,0×10²⁰ cm^-3 sein. Wenn die Dicke der zweiten Silizium-Halbleiterschicht 24 2 µm beträgt, kann die Tiefe der Peak-Konzentration der dritten Verunreinigung z.B. 1,5 µm betragen. Es ist zu beachten, dass bei der Verteilung der Konzentration der dritten Verunreinigung die Konzentration der dritten Verunreinigung in einer bestimmten Region in einer Ebene orthogonal zu der Tiefenrichtung relativ hoch und außerhalb dieser bestimmten Region relativ niedrig sein kann.
In dem in 2C gezeigten Beispiel werden Ionen der dritten Verunreinigung über die gesamte Oberfläche 20s der Silizium-Halbleiterschicht 20a implantiert, obwohl die dritte Verunreinigung in einigen Teilen der Oberfläche 20s der Silizium-Halbleiterschicht 20a ionenimplantiert sein kann. In einem solchen Fall ist die Oberfläche 20s der Silizium-Halbleiterschicht 20a zum Beispiel mit einer Maskenschicht abgedeckt, die in einigen Regionen Öffnungen aufweist. In die Regionen, die nicht mit der Maskenschicht abgedeckt sind, wird die dritte Verunreinigung durch Ionenimplantation eingebracht.
Da die Konzentration der ionenimplantierten dritten Verunreinigung entlang der Tiefenrichtung nicht gleichförmig ist, wird nicht notwendigerweise die gesamte zweite Silizium-Halbleiterschicht 24 zum p-Typ invertiert. Um den Konzentrationsgradienten entlang der Tiefenrichtung zu reduzieren, kann die Tiefe der dritten Verunreinigung in der Silizium-Halbleiterschicht 20b angepasst werden, indem beispielsweise die lonenimplantation mit einer variierenden Beschleunigungsspannung durchgeführt wird.
Bei der dritten Verunreinigung kann es sich beispielsweise um ein Phosphoratom (P), ein Arsenatom (As), ein Antimonatom (Sb), ein Boratom (B) oder ein Aluminiumatom (Al) handeln, die eine Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps bilden können, der sich vom ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet. Wenn der zweite Leitfähigkeitstyp vom p-Typ ist, kann die dritte Verunreinigung zum Beispiel ein Bor- (B) oder Aluminiumatom (Al) sein. Die dritte Verunreinigung ist vorzugsweise ein Atom mit einem geringeren Gewicht als die zweite Verunreinigung. In diesem Fall kann die dritte Verunreinigung durch die beim DPP-Glühen erzeugte Joule-Wärme, die später beschrieben wird, selbstorganisierend verteilt werden. Wenn der erste Leitfähigkeitstyp ein n-Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp ein p-Typ ist, enthält die Kombination aus der zweiten Verunreinigung und der dritten Verunreinigung Beispiele, bei denen die dritte Verunreinigung B ist und die zweite Verunreinigung eines von P, As und Sb ist. Wenn die dritte Verunreinigung Al ist, ist die zweite Verunreinigung As oder Sn. Eine bevorzugte Kombination aus der zweiten Verunreinigung und der dritten Verunreinigung ist, dass die dritte Verunreinigung B und die zweite Verunreinigung As oder Sb ist. Das Atomgewicht des B-Atoms als dritte Verunreinigung beträgt 10,8. Die Atomgewichte des As-Atoms und des Sb-Atoms als zweite Verunreinigung betragen 74,9 bzw. 121,8. Das Atomgewicht der dritten Verunreinigung ist kleiner als das Atomgewicht der zweiten Verunreinigung. Dadurch wird das DPP-Glühen gefördert, und die dritte Verunreinigung kann sich selbstorganisierend verteilen.
Durch das oben beschriebene Verfahren kann ein Halbleiterstapel 80 vorgesehen werden, der das Siliziumsubstrat 10 und die Silizium-Halbleiterschicht 20b enthält, die die erste Silizium-Halbleiterschicht 22 und die zweite Silizium-Halbleiterschicht 24 enthält.
< Schritt des Reduzierens der Dicke des Siliziumsubstrats 10 >
Wie in 2D gezeigt, kann das Verfahren ferner den Schritt des Reduzierens der Dicke des Siliziumsubstrats 10 vor dem DPP-Glühen enthalten, d.h. vor dem Schritt des Bestrahlens der Silizium-Halbleiterschicht b mit Licht, das eine vorbestimmte Peak-Wellenlänge hat, dergestalt, dass die dritte Verunreinigung diffundiert wird. Die Reduzierung der Dicke des Siliziumsubstrats 10 kann dazu beitragen, das im DPP-Glühen erhitzte Siliziumsubstrat 10 effizient zu kühlen. Die Effekte, die durch die Kühlung des Siliziumsubstrats 10 erreicht werden, werden später beschrieben. Dieser Schritt kann z.B. durch mechanisches Polieren, chemisch-mechanisches Polieren (CMP) oder Ätzen erfolgen. Nach dem Schritt des Reduzierens der Dicke kann die Dicke des Siliziumsubstrats 10 z.B. gleich oder größer als 50 µm und gleich oder kleiner als 300 µm sein. Der Schritt des Reduzierens der Dicke des Siliziumsubstrats 10 ist nicht besonders limitiert, solange er vor dem Schritt des DPP-Glühens durchgeführt wird. Wie später beschrieben wird, kann vor der Bearbeitung des Siliziumsubstrats 10, um seine Dicke zu reduzieren, eine erste obere Elektrode 32b auf der Oberfläche 20s der Silizium-Halbleiterschicht 20b gebildet werden.
< Schritt des Bildens der ersten unteren Elektrode 32a und der ersten oberen Elektrode 32b >
Wie in 2E gezeigt, wird nach der Bildung der zweiten Silizium-Halbleiterschicht 24 und vor dem Schritt des Bestrahlens der Silizium-Halbleiterschicht 20b mit Licht mit einer vorbestimmten Peak-Wellenlänge, derart, dass die dritte Verunreinigung diffundiert, was später beschrieben wird, eine erste obere Elektrode 32b, die eine lichtdurchlässige Region aufweist, die das Licht mit der vorbestimmten Peak-Wellenlänge durchlassen kann, auf der Oberfläche 20s der Silizium-Halbleiterschicht 20b gebildet. Durch die erste obere Elektrode 32b wird das Bestrahlungslicht durchgelassen, und ein elektrischer Strom fließt durch das Siliziumsubstrat 10 und die Silizium-Halbleiterschicht 20b. Ferner ist eine erste untere Elektrode 32a auf einer Oberfläche des Siliziumsubstrats 10 gebildet, die der Oberfläche gegenüberliegt, auf der sich die Silizium-Halbleiterschicht 20b befindet. Durch die Bildung einer hochkonzentrierten Verunreinigungsregion in der Oberfläche, auf der die erste untere Elektrode 32a gebildet werden soll, kann der Kontaktwiderstand zwischen der ersten unteren Elektrode 32a und der Oberfläche der Silizium-Halbleiterschicht 20b, auf der die erste untere Elektrode 32a gebildet werden soll, reduziert werden. Ferner kann durch das Bilden einer hochkonzentrierten Verunreinigungsregion in einer Region, in der die erste obere Elektrode 32b gebildet werden soll, der Kontaktwiderstand zwischen der ersten oberen Elektrode 32b und der Oberfläche 20s der Silizium-Halbleiterschicht 20b, auf der die erste obere Elektrode 32b gebildet werden soll, reduziert werden. Zum Beispiel kann mindestens eine der ersten unteren Elektrode 32a und der ersten oberen Elektrode 32b aus mindestens einem Metall gebildet werden, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cu, Al, Au und Ag. Alternativ kann zum Beispiel mindestens eine der ersten unteren Elektrode 32a und der ersten oberen Elektrode 32b eine lichtdurchlässige Elektrode sein, die aus ITO gebildet ist. Vor dem Reduzieren der Dicke des Siliziumsubstrats 10 kann die erste obere Elektrode 32b auf der Oberfläche 20s der Silizium-Halbleiterschicht 20b gebildet werden. Im Vergleich zu einem Fall, in dem die erste obere Elektrode 32b nach der Reduktion der Dicke des Siliziumsubstrats 10 gebildet wird, kann die erste obere Elektrode 32b leicht gebildet werden. Danach wird die Dicke des Siliziumsubstrats 10 reduziert, und die erste untere Elektrode 32a kann auf der dickenreduzierten Oberfläche des Siliziumsubstrats 10 gebildet werden.
Die erste untere Elektrode 32a kann z.B. die Form einer flachen Platte aufweisen. Die erste obere Elektrode 32b kann z.B. eine maschenartige Form aufweisen. Da die erste obere Elektrode 32b eine maschenartige Form aufweist, kann in dem später beschriebenen Schritt des DPP-Glühens ein elektrischer Strom effizient in die Silizium-Halbleiterschicht 20b geleitet und Joule-Wärme erzeugt werden. Die Maschenform enthält z.B. eine Mehrzahl von Durchgangslöchern, die zweidimensional über die Oberfläche 20s angeordnet sind. Beim DPP-Glühen kann das Bestrahlungslicht durch die Mehrzahl der Durchgangslöcher hindurchlaufen und die Oberfläche 20s der Silizium-Halbleiterschicht 20b erreichen. Die erste obere Elektrode 32b weist solche lichtdurchlässigen Regionen auf, durch die das Bestrahlungslicht durchlaufen kann. Wenn die erste obere Elektrode 32b beispielsweise eine lichtdurchlässige Elektrode ist, weist die lichtdurchlässige Elektrode selbst eine lichtdurchlässige Region auf und daher ist die erste obere Elektrode 32b vorzugsweise eine vollflächige Elektrode, die die gesamte Oberfläche 20s abdeckt. Im Schritt des DPP-Glühens kann sich der elektrische Strom in der gesamten Silizium-Halbleiterschicht 20b ausbreiten, und es kann effizient Joule-Wärme erzeugt werden. Im Schritt des DPP-Glühens, wenn die Silizium-Halbleiterschicht 20b mit Licht bestrahlt wird, dessen Peak-Wellenlänge gleich oder länger als 1,1 µm und gleich oder kürzer als 4,0 µm ist, kann ITO als das lichtdurchlässige Material verwendet werden, und die erste obere Elektrode 32b kann als die vollflächige Elektrode verwendet werden.
< Schritt des DPP-Glühens >
In einem nachfolgenden Schritt, wie in 2F gezeigt, wird DPP-Glühen durchgeführt. Konkret wird die Silizium-Halbleiterschicht mit Licht bestrahlt, das eine vorbestimmte Peak-Wellenlänge aufweist, in Gegenwart eines Vorwärtsstroms, der durch die Silizium-Halbleiterschicht 20b fließt, derart, dass die dritte Verunreinigung diffundiert wird. Dadurch wird die Joule-Wärme in der ersten Silizium-Halbleiterschicht 22 und nicht im Siliziumsubstrat 10 so konzentriert, dass die dritte Verunreinigung selbstorganisierend verteilt werden kann. Das DPP-Glühen wird an der Silizium-Halbleiterschicht 20b durchgeführt, während das Siliziumsubstrat 10 auf der Oberfläche 50s der Wärmeableitungsplatte 50 lokalisiert ist, wobei die erste untere Elektrode 32a dazwischen liegt. Die Wärmeableitungsplatte 50 enthält ein Peltier-Element 52 und eine Wärmesenke 54. Das Peltier-Element 52 weist an der oberen Oberfläche die Oberfläche 50s auf. Das Peltier-Element 52 ist auf der Wärmesenke 54 vorgesehen. Wenn ein elektrischer Strom in einer bestimmten Richtung durch das Peltier-Element 52 fließt, kann Wärme von der oberen Oberfläche auf die untere Oberfläche des Peltier-Elements 52 übertragen werden. Die übertragene Wärme wird über die Wärmesenke 54 nach außen abgeleitet.
Die erste untere Elektrode 32a und die erste obere Elektrode 32b sind elektrisch mit einer Stromversorgung 60 verbunden. Die Stromversorgung 60 weist einen Draht 62a und einen Draht 62b auf, die elektrisch mit der Stromversorgung 60 verbunden sind. Einer der Drähte, der Draht 62a, ist elektrisch mit der Oberfläche 50s des Peltier-Elements 52 verbunden, und der andere Draht 62b ist elektrisch mit der ersten oberen Elektrode 32b verbunden. Die Stromversorgung 60 legt eine Spannung zwischen der ersten unteren Elektrode 32a und der ersten oberen Elektrode 32b derart an, dass ein elektrischer Strom durch das Siliziumsubstrat 10 und die Silizium-Halbleiterschicht 20b fließt. Der elektrische Strom, der durch die Silizium-Halbleiterschicht 20b fließt, ist ein Vorwärtsstrom. Der Vorwärtsstrom ist zum Beispiel ein Dreieckstrom oder ein Impulsstrom. Wenn der Vorwärtsstrom ein Dreieckstrom ist, kann die periodische Zeit beispielsweise gleich oder länger als 0,5 Sekunden und gleich oder kürzer als 10 Sekunden sein. Wenn der Vorwärtsstrom ein Impulsstrom ist, kann die periodische Zeit zum Beispiel gleich oder länger als 1 Millisekunde und gleich oder kürzer als 10 Millisekunden sein, und das Tastverhältnis der Erregungszeit zur periodischen Zeit kann gleich oder höher als 80% und gleich oder niedriger als 98% sein. Die maximale Stromdichte kann z.B. gleich oder höher als 1,0 A/cm² und gleich oder niedriger als 100 A/cm² sein.
Wenn der Vorwärtsstrom fließt, emittiert die Lichtquelle 70 Licht 72 mit einer vorbestimmten Peak-Wellenlänge in Richtung der Oberfläche 20s der Silizium-Halbleiterschicht 20b. Das Licht 72, das durch die Mehrzahl der Durchgangslöcher der ersten oberen Elektrode 32b läuft, bestrahlt die Oberfläche 20s der Silizium-Halbleiterschicht 20b. Die vorbestimmte Peak-Wellenlänge des Lichts 72 kann z.B. gleich oder länger als 1,2 µm und gleich oder kürzer als 4,0 µm sein. Die Leistungsdichte des Lichts 72 kann z.B. gleich oder höher als 0,5 W/cm² und gleich oder niedriger als 100 W/cm² sein. Das Licht 72 ist vorzugsweise Laserlicht. Die Halbwertsbreite des Spektrums des Laserlichts ist z.B. schmaler als die des Spektrums von einer lichtemittierenden Diode. Mit dem Laserlicht lassen sich die Eigenschaften eines herzustellenden Halbleiterelements leicht steuern. Das DPP-Glühen wird zum Beispiel bei Raumtemperatur oder niedriger durchgeführt. Die Dauer des DPP-Glühens kann z.B. gleich oder länger als 10 Minuten und gleich oder kürzer als 2 Stunden sein.
Wenn der Strom zum Fließen gebracht wird, entsteht in dem Siliziumsubstrat 10 und der Silizium-Halbleiterschicht 20b Joule-Wärme. Die in der Silizium-Halbleiterschicht 20b erzeugte Joule-Wärme lässt die dritte Verunreinigung diffundieren. Durch die Bestrahlung mit dem Licht 72 treten verkleidete Photonen und verkleidete Photon-Phononen an Positionen der dritten Verunreinigung auf. Die verkleideten Photonen und verkleideten Photon-Phononen haben die Unsicherheit Δp des Impulses p. Selbst wenn Silizium ein Halbleiter mit indirektem Übergang ist, der eine Impulsfehlanpassung zwischen der höchsten Energie des Valenzbandes und der niedrigsten Energie des Leitungsbandes aufweist, bewirkt die Besetzungsinversion, die aus dem Vorwärtsstrom resultiert, eine stimulierte Emission von Licht mit einer Wellenlänge, die der Peak-Wellenlänge des Lichts 72 in einer Region entspricht, die den pn-Übergang 26 enthält. Die stimulierte Emission führt dazu, dass die dritte Verunreinigung an Energie verliert. Im Vergleich zu einem Fall, in dem die dritte Verunreinigung nur durch Wärme diffundiert, unterdrückt die lokale Abkühlung durch den Energieverlust, der durch die stimulierte Emission entsteht, die Diffusion der dritten Verunreinigung. Infolgedessen wird erwartet, dass die dritte Verunreinigung Dotierstoffpaare bildet und sich selbstorganisierend verteilen kann. Eine solche Region, in der die dritte Verunreinigung verteilt ist, entspricht der Nahfeld-Lichtbildungsregion 40, die in 1B gezeigt ist. Es ist zu beachten, dass diese Nahfeld-Lichtbildungsregion 40 nicht nur in einer Region gebildet wird, die mit dem Licht 72 bestrahlt wird und die den pn-Übergang 26 enthält, sondern auch in einer Region, die nicht mit dem Licht 72 bestrahlt wird und die den pn-Übergang 26 enthält. Die Nahfeld-Lichtbildungsregion 40 kann zum Beispiel in der gesamten Region gebildet werden, die den pn-Übergang 26 enthält. Der Grund dafür ist, dass sich beim DPP-Glühen, wenn der Prozess der stimulierten Emission fortschreitet, das resultierende stimulierte Emissionslicht innerhalb der Silizium-Halbleiterschicht 20b ausbreitet.
Da die zweite Konzentration der ersten Silizium-Halbleiterschicht 22 niedriger ist als die erste Konzentration des Siliziumsubstrats 10, kann der elektrische Widerstand der ersten Silizium-Halbleiterschicht 22 höher sein als der elektrische Widerstand des Siliziumsubstrats 10. So kann in der ersten Silizium-Halbleiterschicht 22 effizient Joule-Wärme erzeugt werden, während die Joule-Wärmeerzeugung im Siliziumsubstrat 10 unterdrückt werden kann. Die im Siliziumsubstrat 10 erzeugte Joule-Wärme ist kleiner als die in der ersten Silizium-Halbleiterschicht 22 erzeugte Joule-Wärme, und daher kann das Siliziumsubstrat 10 durch die Wärmeableitungsplatte 50 effizient gekühlt werden. Beispiele für die Temperatur des pn-Übergangs 26 und die Temperatur des Siliziumsubstrats 10 beim DPP-Glühen sind wie folgt. Beim DPP-Glühen ist die Temperatur der Oberfläche 20s der Silizium-Halbleiterschicht 20b gleich oder höher als 100°C und gleich oder niedriger als 200°C. Die anhand dieser Oberflächentemperatur geschätzte Temperatur des pn-Übergangs 26 ist gleich oder höher als 400 °C und gleich oder niedriger als 600 °C. Die Temperatur des Siliziumsubstrats 10, das durch die Wärmeableitungsplatte 50 gekühlt wird, ist dagegen gleich oder höher als 0 °C und gleich oder niedriger als 30 °C.
Wenn das Siliziumsubstrat 10 nicht ausreichend gekühlt wird, selbst nach dem Ende des DPP-Glühens, diffundiert die dritte Verunreinigung aufgrund der im Siliziumsubstrat 10 erzeugten Joule-Wärme weiter, derart, dass die selbstorganisierende Verteilung der dritten Verunreinigung gestört wird. Andererseits ist bei dem Verfahren zur Herstellung des Halbleiterelements 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die im Siliziumsubstrat 10 erzeugte Joule-Wärme geringer als die in der Silizium-Halbleiterschicht 20b erzeugte Joule-Wärme, und daher wird das Siliziumsubstrat 10 effizient gekühlt, derart, dass nach dem Ende des DPP-Glühens die Diffusion der dritten Verunreinigung leicht gestoppt werden kann. Infolgedessen kann die selbstorganisierende Verteilung der dritten Verunreinigung effizient realisiert werden. Die Verteilung der Verunreinigung kann mit einer dreidimensionalen Atomsonde analysiert werden. Im Folgenden wird ein Beispiel des Analyseverfahrens erläutert. Dazu wird ein Graph erstellt, in dem auf der horizontalen Achse die Distanz der nächstgelegenen Dotierstoffpaare und auf der vertikalen Achse die Anzahl der Dotierstoffpaare in dieser Distanz aufgetragen ist, und die Dotierstoffverteilung untersucht. Das Dotierstoffpaar bezieht sich auf ein Paar aus einem bestimmten Dotierstoff und dem nächstgelegenen Dotierstoff. Wenn eine solche Analyse an dem DPP-geglühten Halbleiterelement 100 durchgeführt wird, besteht die Wahrscheinlichkeit, dass eine periodische Verteilung der Dotierstoffpaare nachgewiesen werden kann. In dem Halbleiterelement 100 der vorliegenden Ausführungsform kann die periodische Verteilung eine Verteilung sein, bei der die Periode ein ganzzahliges Vielfaches der Gitterkonstante des Siliziums ist. In diesem Fall kann der nächstgelegene Dotierstoff ignoriert werden. Das heißt, anstelle des nächstgelegenen Dotierstoffs kann der zweitnächste Dotierstoff als nächstgelegener Dotierstoff für die Analyse definiert werden. Insbesondere werden aus der durch die dreidimensionale Atomsonde erhaltenen räumlichen Verteilung der Dotierstoffe die räumlichen Koordinatendaten der Dotierstoffe in einem gewünschten Verhältnis weggelassen, wodurch eine neue räumliche Verteilung erzeugt werden kann. Es ist zu beachten, dass die auszulassenden Dotierstoffe nach dem Zufallsprinzip durch Zufallszahlen ausgewählt werden, während die Koordinaten der nicht auszulassenden Dotierstoffe bei ihren ursprünglichen Koordinaten bleiben. Anschließend werden in der neu erstellten räumlichen Verteilung der Dotierstoffe die Koordinaten des nächstgelegenen Dotierstoffs für jeden Dotierstoff untersucht, und es kann ein Graph erstellt werden, der die Verteilung der Distanz der nächstgelegenen Dotierstoffe zeigt. Mit einem solchen Verfahren kann die periodische Verteilung hervorgehoben werden. Wenn zum Beispiel die Koordinateninformationen eines Dotierstoffs in der periodischen Verteilung weggelassen werden, ist der nächstgelegene Dotierstoff in einer neuen räumlichen Verteilung ein Dotierstoff der nächsten Periode. Wenn die Koordinateninformationen von zufälligen Dotierstoffen, die an die periodische Verteilung angrenzen, weggelassen werden, sind die nächstgelegenen Dotierstoffe in der neuen räumlichen Verteilung Dotierstoffe, die die periodische Verteilung bilden. Werden dagegen die Koordinaten von Dotierstoffen aus einer Zufallsverteilung weggelassen, bilden die nächstgelegenen Dotierstoffe keine periodische Struktur in der neuen räumlichen Verteilung. Wie aus diesen Punkten ersichtlich wird, kann die periodische Verteilung durch das oben beschriebene Analyseverfahren hervorgehoben werden.
Nach dem DPP-Glühen wird die Struktur, die das Siliziumsubstrat 10, die Silizium-Halbleiterschicht 20b, die erste untere Elektrode 32a und die erste obere Elektrode 32b enthält, von der Wärmeableitungsplatte 50 abgelöst.
< Schritt des Entfernens der ersten unteren Elektrode 32a und der ersten oberen Elektrode 32b >
In einem nachfolgenden Schritt werden die erste untere Elektrode 32a und die erste obere Elektrode 32b von der oben beschriebenen Struktur entfernt. 2G ist eine Querschnittsansicht der Struktur, von der die erste untere Elektrode 32a und die erste obere Elektrode 32b entfernt wurden. Wie in 2G gezeigt, wird die Nahfeld-Lichtbildungsregion 40 durch DPP-Glühen in einer Region gebildet, die den pn-Übergang 26 enthält. Das Entfernen der ersten unteren Elektrode 32a und der ersten oberen Elektrode 32b kann z.B. durch Ätzen realisiert werden.
< Schritt des Bildens der zweiten unteren Elektrode 30a und der zweiten oberen Elektrode 30b >
In einem nachfolgenden Schritt wird eine zweite untere Elektrode 30a auf einer Oberfläche des Siliziumsubstrats 10 gebildet, die der Oberfläche, auf der die Silizium-Halbleiterschicht 20b gebildet wurde, gegenüberliegt, und eine zweite obere Elektrode 30b mit einer maschenartigen Form wird auf der Oberfläche 20s der Silizium-Halbleiterschicht 20b gebildet. Das Material der zweiten unteren Elektrode 30a und der zweiten oberen Elektrode 30b kann das gleiche sein wie das Material der ersten unteren Elektrode 32a und das Material der ersten oberen Elektrode 32b für das DPP-Glühen. Die zweite untere Elektrode 30a kann z.B. die Form einer flachen Platte aufweisen. Wenn die zweite obere Elektrode 30b aus einem Metall gebildet ist, ist ein Bereich der Oberfläche 20s, auf dem die zweite obere Elektrode 30b nicht vorgesehen ist, vorzugsweise größer als der übrige Bereich der Oberfläche 20s, auf dem die zweite obere Elektrode 30b vorgesehen ist. Dies ist für die Oberfläche 20s von Vorteil, um als die lichtempfangende Oberfläche eines Photodetektors effizient Licht zu detektieren. Dies hat auch den Vorteil für die Oberfläche 20s als die lichtemittierende Oberfläche eines lichtemittierenden Elements effizient Licht zu emittieren. Wenn die zweite obere Elektrode 30b eine lichtdurchlässige Elektrode wie ITO oder dergleichen ist, kann die zweite obere Elektrode 30b als vollflächige Elektrode gebildet werden. Dies ist vorteilhaft, wenn sie als lichtemittierendes Element verwendet wird, da sich der elektrische Strom leicht ausbreiten kann. Es ist zu beachten, dass die erste untere Elektrode 32a nicht entfernt werden kann und als zweite untere Elektrode 30a verwendet werden kann. Ebenso kann die erste obere Elektrode 32b nicht entfernt und als zweite obere Elektrode 30b verwendet werden. Da die erste obere Elektrode 32b eine lichtdurchlässige Region aufweist, kann Licht über die erste obere Elektrode 32b detektiert und emittiert werden.
Durch das oben unter Bezugnahme auf 2A bis 2H beschriebene Verfahren kann das Halbleiterelement 100 der vorliegenden Ausführungsform hergestellt werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist der Einfachheit halber ein Bereich, der einem einzelnen Halbleiterelement entspricht, schematisch dargestellt, obwohl in Wirklichkeit ein Halbleiter-Wafer, in dem eine Mehrzahl von Halbleiterelement-Bereichen gebildet wurde, in einzelne Chips unterteilt ist, wobei jedes Halbleiterelement hergestellt wird. Ein Halbleiterelement wird zum Beispiel durch das unten beschriebene Verfahren hergestellt. Es ist zu beachten, dass die Aspekte, die im Folgenden nicht genannt werden, im Wesentlichen identisch mit denen sind, die in den oben beschriebenen Ausführungsformen beschrieben sind.
Als erstes ist ein Halbleiterwafer 200 vorgesehen, der eine Sammlung von Halbleiterelementabschnitten 100a ist. Jeder der Halbleiterelementabschnitte 100a enthält ein Siliziumsubstrat 10 und eine Silizium-Halbleiterschicht 20b, und die Silizium-Halbleiterschicht 20b enthält eine erste Silizium-Halbleiterschicht 22, eine zweite Silizium-Halbleiterschicht 24 und einen pn-Übergang 26. Dann wird der Halbleiterwafer 200 mit Licht bestrahlt, das eine vorbestimmte Peak-Wellenlänge hat, in Gegenwart eines Vorwärtsstroms, der durch den Halbleiterwafer 200 fließt, derart, dass die dritte Verunreinigung, die in der zweiten Silizium-Halbleiterschicht 24 enthalten ist, diffundiert wird. Als Ergebnis wird eine Nahfeld-Lichtbildungsregion 40 in einer Region gebildet, die den pn-Übergang 26 zwischen der ersten Silizium-Halbleiterschicht 22 und der zweiten Silizium-Halbleiterschicht 24 enthält. Das DPP-Glühen wird auf der Gesamtheit des Halbleiterwafers 200 durchgeführt. Die Bedingungen für das DPP-Glühen können die gleichen sein wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform.
Anschließend wird die Halbleiterscheibe 200 in einzelne Chips aufgeteilt. 2I ist eine Draufsicht auf den Halbleiterwafer 200. Wie in 2I gezeigt, wird der Halbleiterwafer 200 entlang der gestrichelten Linien in einzelne Chips unterteilt. Diese Unterteilung kann zum Beispiel durch Vereinzeln oder Laserritzen erfolgen. Die Dimensionen in X-Richtung und Y-Richtung des Siliziumsubstrats 10 eines einzelnen Chips können zum Beispiel gleich oder größer als 100 µm und gleich oder kleiner als 5000 µm sein. In diesem Schritt kann die Dicke des Siliziumsubstrats 10 zum Beispiel gleich oder größer als 70 µm und gleich oder kleiner als 500 µm sein.
< Betrieb des Halbleiterelements als eine Vorrichtung >
Das Halbleiterelement 100 der vorliegenden Ausführungsform kann als mindestens eine Vorrichtung aus einem lichtemittierenden Element, einem Photodetektor und einem Temperatursensor betrieben werden. Zunächst wird ein Beispiel beschrieben, bei dem das Halbleiterelement 100 der vorliegenden Ausführungsform als lichtemittierendes Element verwendet wird.
< Lichtemittierendes Element >
Zunächst wird ein Beispiel beschrieben, bei dem das Halbleiterelement 100 der vorliegenden Ausführungsform als lichtemittierendes Element verwendet wird. In dem in 1A gezeigten Beispiel wird, wenn eine Spannung zwischen der zweiten unteren Elektrode 30a und der zweiten oberen Elektrode 30b derart angelegt wird, dass ein Vorwärtsstrom durch die Silizium-Halbleiterschicht 20b fließt, Licht, das die gleiche Wellenlänge wie das beim DPP-Glühen angewendete Bestrahlungslicht enthält, in der Nähe des pn-Übergangs 26 derart emittiert, dass es über die Oberfläche 20s der Silizium-Halbleiterschicht 20b austritt. Wenn die Wellenlänge des beim DPP-Glühen eingesetzten Bestrahlungslichts größer als die Wellenlänge λ_g ist, tritt das Licht mit einer Wellenlänge, die größer als die Wellenlänge λ_g ist, über die Oberfläche 20s der Silizium-Halbleiterschicht 20b aus. Vorzugsweise handelt es sich bei dem vom Halbleiterelement 100 emittierten Licht mit einer Wellenlänge, die größer als die Wellenlänge λ_g ist, um Licht, das einen solchen Peak aufweist, dass die maximale Intensität des Emissionsspektrums bei einer Wellenlänge auftritt, die im Wesentlichen der Peak-Wellenlänge des beim DPP-Glühen eingesetzten Bestrahlungslichts entspricht. Es ist zu beachten, dass sich die im Wesentlichen gleiche Wellenlänge auf eine Wellenlänge bezieht, deren Differenz zur Peak-Wellenlänge des beim DPP-Glühen eingesetzten Bestrahlungslichts 50 nm oder weniger beträgt. Das Licht mit einer Wellenlänge, die größer als die Wellenlänge λ_g ist, bezieht sich zum Beispiel auf Licht, dessen Peak-Wellenlänge gleich oder größer als 1,2 µm und gleich oder kürzer als 4,0 µm ist. Es ist zu beachten, dass die Peak-Wellenlänge des zur Bestrahlung eingesetzten Lichts kürzer als 1,1 µm sein kann. In diesem Fall kann ein lichtemittierendes Element hergestellt werden, das in der Lage ist, blaues, grünes und rotes Licht entsprechend der Peak-Wellenlänge des zur Bestrahlung eingesetzten Lichts zu emittieren. Solange die zweite untere Elektrode 30a aus einem Metall gebildet ist und die Form einer flachen Platte aufweist, wird das in der Nähe des pn-Übergangs 26 erzeugte Licht, das sich in Richtung der zweiten unteren Elektrode 30a fortbewegt, von der zweiten unteren Elektrode 30a reflektiert und tritt über die Oberfläche 20s der Silizium-Halbleiterschicht 20b aus. Infolgedessen verbessert sich die Emissionsintensität.
< Photodetektor >
Als nächstes wird ein Beispiel beschrieben, bei dem das Halbleiterelement 100 der vorliegenden Ausführungsform als Photodetektor verwendet wird. Wenn Licht mit einer Wellenlänge, die größer als die Wellenlänge λ_g ist, über die Oberfläche 20s der Silizium-Halbleiterschicht 20b die Nahfeld-Lichtbildungsregion 40 erreicht, werden Elektronen in der Nähe des pn-Übergangs 26 vom Valenzband zum Leitungsband angeregt. Infolgedessen tritt im Halbleiterelement 100 ein Photostrom auf. In dem in 1A gezeigten Beispiel kann der Photostrom mit einem Amperemeter über die zweite untere Elektrode 30a und die zweite obere Elektrode 30b detektiert werden. Solange die zweite untere Elektrode 30a aus einem Metall gebildet ist und die Form einer flachen Platte aufweist, kann ein Teil des einfallenden Lichts, das den pn-Übergang 26 durchläuft, ohne vom pn-Übergang 26 absorbiert zu werden, und sich in Richtung der zweiten unteren Elektrode 30a fortbewegt, von der zweiten unteren Elektrode 30a so reflektiert werden, dass es sich wieder in Richtung des pn-Übergangs 26 bewegt und in der Nähe des pn-Übergangs 26 absorbiert wird. Dadurch wird die Photosensitivität verbessert. Bei einer Vorspannung von Null kann das Halbleiterelement 100 der vorliegenden Ausführungsform eine Photosensitivität von gleich oder höher als 2,0×10^-6 A/W und gleich oder niedriger als 7,0×10^-6 A/W für Licht aufweisen, dessen Peak-Wellenlänge gleich oder länger als 1,2 µm und gleich oder kürzer als 4,0 µm ist. Wenn eine Vorwärtsspannung von 25 V angelegt wird, kann das Halbleiterelement 100 der vorliegenden Ausführungsform eine Photosensitivität von gleich oder höher als 1,0×10^-3 A/W und gleich oder niedriger als 1,0×10^-1 A/W für Licht aufweisen, dessen Peak-Wellenlänge gleich oder länger als 1,2 µm und gleich oder kürzer als 4,0 µm ist. Das Halbleiterelement 100 der vorliegenden Ausführungsform kann betrieben werden, wenn z.B. ein elektrischer Strom mit einer Stromdichte von gleich oder höher als 10 A/cm² und gleich oder niedriger als 100 A/cm², vorzugsweise gleich oder höher als 10 A/cm² und gleich oder niedriger als 50 A/cm², zugeführt wird. Auf diese Weise kann ein elektrischer Strom mit hoher Stromdichte zugeführt werden, derart, dass die Photosensitivität verbessert werden kann.
Normalerweise wird ein Halbleiter-Photodetektor zum Detektieren von Licht mit einer Wellenlänge, die größer als die Wellenlänge λ_g ist, aus einem Halbleitermaterial gebildet, das solches Licht absorbieren kann. Ein solches Halbleitermaterial kann z.B. InGaAs sein, dessen Energie der Bandlücke niedriger ist als die Energie der Bandlücke von Silizium. Die Energie der Bandlücke von InGaAs kann z.B. 0,56 eV oder 0,73 eV betragen. Die Energie der Bandlücke von InGaAs hängt vom Zusammensetzungsverhältnis der Bestandteile ab. Andererseits werden die Elektronen im Halbleiter mit abnehmender Energie der Bandlücke eher thermisch angeregt. Die thermisch angeregten Elektronen bilden einen Dunkelstrom. Wenn schwaches Licht detektiert werden soll, wird es durch einen großen Dunkelstrom schwierig, einen Photostrom genau zu detektieren. Wenn also ein Halbleiterelement, das aus einem Halbleitermaterial gebildet wird, dessen Bandlückenenergie relativ niedrig ist, als Photodetektor verwendet wird, muss das Halbleiterelement gekühlt werden, um den Dunkelstrom zu unterdrücken. In dem Fall von InGaAs wird es beispielsweise auf etwa -100°C gekühlt, wenn es verwendet wird. Im Gegensatz dazu weist das Halbleiterelement der vorliegenden Ausführungsform, das aus Silizium gebildet wird, eine relativ hohe Bandlückenenergie auf, so dass ein Dunkelstrom, der aus thermisch angeregten Elektronen resultiert, unwahrscheinlich ist. Ferner werden die Energieniveaus der verkleideten Photonen und der verkleideten Photonen-Phononen verwendet, wenn Licht einfällt, aber nicht bei der thermischen Anregung. Daher kann das Halbleiterelement der vorliegenden Ausführungsform als Photodetektor verwendet werden, um das Licht mit einer Wellenlänge, die größer als die Wellenlänge λ_g ist, bei Raumtemperatur effizient zu detektieren, ohne dass eine Kühlung erforderlich ist.
Wenn das Halbleiterelement der vorliegenden Ausführungsform als Photodetektor verwendet wird, wird eine Vorwärtsspannung angelegt. In diesem Fall kann die Photosensitivität durch stimulierte Emission unter Verwendung von verkleideten Photonen verbessert werden.
Ferner ist zu erwarten, dass das Halbleiterelement 100 der vorliegenden Ausführungsform die unten beschriebenen Effekte produziert. Die erste Konzentration des Siliziumsubstrats 10 kann z.B. gleich oder höher als 1,0×10¹⁷ cm^-3 und 1,0×10²¹cm^-3 sein. Der elektrische Widerstand des Siliziumsubstrats 10 kann z.B. gleich oder höher als 1,0×10^-4 Ωcm und gleich oder niedriger als 1×10^-1 Ωcm sein. Unter diesen Bedingungen wird die elektrische Verbindung zwischen dem Siliziumsubstrat 10 und den mit dem Siliziumsubstrat 10 verbundenen Elektroden leicht hergestellt. Daher kann beim Anlegen eines vorbestimmten Vorwärtsstroms, der zum Antrieb durch das Halbleiterelement 100 fließen soll, die anzulegende Spannung reduziert werden. Durch Anlegen einer Spannung gleich oder höher als 1 V und gleich oder niedriger als 5,5 V an das Halbleiterelement 100 kann zum Beispiel ein Vorwärtsstrom mit einer Stromdichte von 10 A/cm² zum Antrieb durch das Halbleiterelement 100 fließen. Alternativ kann durch Anlegen einer Spannung gleich oder höher als 3 V und gleich oder niedriger als 10 V an das Halbleiterelement 100 ein Vorwärtsstrom mit einer Stromdichte von 50 A/cm² zum Antrieb durch das Halbleiterelement 100 fließen. In dem Halbleiterelement 100 kann die Spannung, die angelegt wird, um einen vorbestimmten Vorwärtsstrom fließen zu lassen, reduziert werden, unabhängig davon, ob das Halbleiterelement 100 als lichtemittierendes Element oder als Photodetektor verwendet wird.
< Temperatursensor >
Als nächstes wird ein Temperatursensor als ein Anwendungsbeispiel des Halbleiterelements 100 der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Bei der Temperaturmessung ist zum Beispiel die Oberfläche 20s der Silizium-Halbleiterschicht 20b eine Temperaturmessoberfläche. Die Temperatur kann anhand der Änderung des differentiellen Widerstands aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Temperaturmessoberfläche und der Temperatur eines Messobjekts, das in thermischem Kontakt mit der Temperaturmessoberfläche steht, gemessen werden. In dem Halbleiterelement 100 der vorliegenden Ausführungsform kann die Beziehung zwischen dem differentiellen Widerstand und der Temperatur des Halbleiterelements 100 durch Berücksichtigung des differentiellen Widerstands R_s angenähert werden, der unter Verwendung des differentiellen Widerstands R1, der durch Formel (1) definiert ist, und des differentiellen Widerstands R2, der durch Formel (2) definiert ist, wie unten gezeigt, durch Formel (3) bestimmt wird.
[Formel 1] $\frac{1}{T} = a + b \cdot ln (R_{1}) + c \cdot {ln}^{3} (R_{1})$
In Formel (1) sind a, b und c Koeffizienten. Formel (1) wird als Steinhart-Hart-Gleichung bezeichnet, die die Beziehung zwischen der Elementtemperatur T und dem differentiellen Widerstand R₁ repräsentiert, die auf einem allgemeinen theoretischen Thermistormodell basiert.
[Formel 2] $R_{2} = \frac{d}{{(T - T_{0})}^{4}} (T > T_{0})$
In Formel (2) ist d ein Koeffizient und T₀ die Temperatur des zu messenden Objekts. Formel (2) wird aus dem Stefan-Boltzmann-Gesetz abgeleitet und stellt die Beziehung zwischen der Elementtemperatur T und dem differentiellen Widerstand R₂ dar, wenn thermische Strahlung auftritt.
[Formel 3] $R_{S} = \frac{R_{1} R_{2}}{R_{1} + R_{2}}$
Formel (3) stellt den Parallelwiderstand eines Widerstands, der den durch Formel (1) definierten differentiellen Widerstand R₁ aufweist, und eines Widerstands, der den durch Formel (2) definierten differentiellen Widerstand R₂ aufweist, dar. Somit kann die temperaturabhängige Änderung des differentiellen Widerstands des Halbleiterelements 100 der vorliegenden Ausführungsform angenähert werden, indem angenommen wird, dass ein durch Formel (1) definierter Widerstand, der auf einem allgemeinen theoretischen Thermistormodell basiert, und ein durch Formel (2) definierter Widerstand, der thermische Strahlung mit einer größeren Wellenlänge als der Wellenlänge λ_g erzeugt, zusammen vorhanden sind und dass eine parallele elektrische Verbindung zwischen der zweiten unteren Elektrode 30a und der zweiten oberen Elektrode 30b hergestellt wird. Nachfolgend wird der Betrieb des Temperatursensors gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
Wenn T≤T₀, d.h. wenn die Temperatur T des Halbleiterelements 100 gleich oder niedriger als die Temperatur T₀ des Messobjekts ist, tritt thermische Strahlung von der Temperaturmessoberfläche in Richtung der Nahfeld-Lichtbildungsregion 40 auf. Da das Halbleiterelement 100 der vorliegenden Ausführungsform in der Lage ist, das Licht mit einer Wellenlänge zu empfangen, die größer als die Wellenlänge λ_g ist, wird ein Teil der thermischen Strahlung mit einer Wellenlänge, die länger als die Wellenlänge λ_g ist, in der Nähe der Nahfeld-Lichtbildungsregion 40 absorbiert. Die Absorption der thermischen Strahlung regt Elektronen aus dem Valenzband zum Leitungsband an, und die Leitungselektronen nehmen zu. Daher ändert sich der differentielle Widerstand in der Nähe der Nahfeld-Lichtbildungsregion 40.
Wenn T₀<T, d.h. wenn die Temperatur T des Halbleiterelements 100 höher ist als die Temperatur T₀ des zu messenden Objekts, tritt eine thermische Strahlung vom Halbleiterelement 100 selbst nach außen auf. Da das Halbleiterelement 100 der vorliegenden Ausführungsform in der Lage ist, Licht mit einer Wellenlänge zu emittieren, die länger als die Wellenlänge λ_g ist, wird das Licht mit dieser Wellenlänge in Form von thermischer Strahlung nach außen abgestrahlt. Dementsprechend verschwinden die Elektronen-Loch-Paare. Um die verschwundenen Elektronen-Loch-Paare auszugleichen, werden Elektronen und Löcher von einer externen Stromversorgung zugeführt, es fließt ein elektrischer Strom, und der differentielle Widerstand ändert sich.
Die temperaturabhängige Änderung des differentiellen Widerstands des Halbleiterelements 100 der vorliegenden Ausführungsform ist eine starke Änderung, wenn die Temperatur des Halbleiterelements 100 höher ist als die Temperatur des Messobjekts. Wenn die TemperaturT des Halbleiterelements 100 beispielsweise im Temperaturbereich von gleich oder höher als die Temperatur T₀ des Messobjekts und gleich oder niedriger als die Temperatur T₀ des Messobjekts plus 20°C (T₀+20°C) liegt, steigt der Absolutwert der Änderungsrate des differentiellen Widerstands in Bezug auf die Temperatur des Halbleiterelements 100 der vorliegenden Ausführungsform im Vergleich zum Absolutwert dieser Änderungsrate üblicher Thermistoren. Wenn die Temperatur des Messobjekts beispielsweise 25°C beträgt, ist der Absolutwert der Änderungsrate des differentiellen Widerstands des Halbleiterelements der vorliegenden Ausführungsform in Bezug auf eine Temperatur im Temperaturbereich von 30°C bis 40°C beispielsweise gleich oder größer als 5 Ω/°C und gleich oder kleiner als 1000 Ω/°C. Dieser differentielle Widerstand entspricht einem differentiellen Widerstand, der erhalten wird, wenn die Spannung 22 V beträgt. Somit kann in dem oben beschriebenen Temperaturbereich das Halbleiterelement der vorliegenden Ausführungsform als Temperatursensor verwendet werden, der eine höhere Sensitivität als gewöhnliche Thermistoren aufweist, was durch Formel (1) angenähert werden kann. Ferner ist der Absolutwert der Änderungsrate des differentiellen Widerstands in Bezug auf eine Temperatur im Temperaturbereich von 30°C bis 40°C vorzugsweise gleich oder größer als 5 Ω/°C und gleich oder kleiner als 100 Ω/°C, noch bevorzugter gleich oder größer als 5 Ω/°C und gleich oder kleiner als 50 Ω/°C. In diesem Fall kann die Genauigkeit der Temperaturmessung verbessert werden. Dieser Temperatursensor kann z.B. als Temperatursensor vom Kontakttyp verwendet werden, der in der Lage ist, die Temperatur zu messen, wenn er in Kontakt mit dem zu messenden Objekt kommt. Insbesondere werden in einem möglichen Beispiel für einen Temperatursensor das zu messende Objekt und der Temperatursensor miteinander in Kontakt gebracht, und die Temperatur wird basierend auf der Änderung des differentiellen Widerstands gemessen.
Der differentielle Widerstand des Halbleiterelements 100 der vorliegenden Ausführungsform kann wie folgt bestimmt werden. In dem in 1A gezeigten Beispiel fließt ein elektrischer Strom durch das Halbleiterelement 100, wenn eine Spannung zwischen der zweiten unteren Elektrode 30a und der zweiten oberen Elektrode 30b angelegt wird. Der differentielle Widerstand kann aus dem Wert der angelegten Spannung und dem Wert des elektrischen Stroms berechnet werden. Die Messung lässt sich mit einem Verfahren mit zwei Terminals realisieren. Wenn die Beziehung zwischen dem differentiellen Widerstand und der Temperatur der temperaturmessenden Oberfläche vorher festgelegt wird, kann die Temperatur der temperaturmessenden Oberfläche aus dem berechneten differentiellen Widerstand bestimmt werden.
BEISPIELE
Als nächstes wird ein Beispiel eines Halbleiterelements der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 3A bis 4 beschrieben.
< Beispiel 1 >
Das Halbleiterelement aus Beispiel 1 enthält die in 1A gezeigten Komponenten. Das Halbleiterelement wurde nach dem unten beschriebenen Verfahren hergestellt.
Es wurde ein Halbleiterstapel vorgesehen. Der Halbleiterstapel enthielt ein monokristallines Siliziumsubstrat 10 mit SB-Atomen (n-Typ-Verunreinigung) und eine Silizium-Halbleiterschicht 20, die auf dem monokristallinen Siliziumsubstrat 10 vorgesehen war. Die Silizium-Halbleiterschicht 20 enthielt die erste Silizium-Halbleiterschicht 22 mit As-Atomen (n-Typ Verunreinigung) und die zweite Silizium-Halbleiterschicht 24 mit B-Atomen (p-Typ Verunreinigung). Der Halbleiterstapel war ein Halbleiterwafer.
Das monokristalline Siliziumsubstrat 10 wies eine Dicke von 625 µm und einen elektrischen Widerstand von gleich oder höher als 7×10^-3 Ωcm und gleich oder niedriger als 2×10^-2 Ωcm auf.
Die erste Silizium-Halbleiterschicht 22 wurde unter solchen Bedingungen gebildet, dass die resultierende erste Silizium-Halbleiterschicht 22 eine Dicke von 2 µm und einen elektrischen Widerstand von 5 Ωcm aufwies.
Unter Bezugnahme auf John C. Irvin, „Resistivity of bulk silicon and of diffused layers in silicon“ The Bell System Technical Journal, 41, 387 (1962) (im Folgenden als „Irvin-Kurve“ bezeichnet) wurde abgeschätzt, dass die zweite Konzentration der ersten Silizium-Halbleiterschicht 22, die aus dem elektrischen Widerstand abgeschätzt wurde, niedriger war als die erste Konzentration des Siliziumsubstrats.
Die lonenimplantation wurde unter solchen Bedingungen durchgeführt, dass die zweite Silizium-Halbleiterschicht 24 eine Dicke von 2 µm aufwies und die dritte Konzentration 5×10¹⁵ cm^-3 betrug.
Dann wurde dieser Halbleiterstapel auf eine Dicke von etwa 100 µm poliert. Außerdem wurde der resultierende Körper in einzelne Chips so unterteilt, dass die Dimensionen in X- und Y-Richtung jeweils 1000 µm betragen. Danach wurde das DPP-Glühen unter den folgenden Bedingungen durchgeführt. Das bestrahlende Laserlicht war kontinuierliches Wellenlaserlicht mit einer Wellenlänge von 1,32 µm und einer Leistung von 1 W. Der Vorwärtsstrom war ein Dreieckswellenstrom, die Periodendauer betrug 2 Sekunden und der maximale Stromwert 1A. Die Dauer des DPP-Glühens betrug 30 Minuten. Das n-Typ monokristalline Siliziumsubstrat 10 wurde durch die Wärmeableitungsplatte auf 15°C gekühlt.
< Vergleichsbeispiel 1 >
Ein Halbleiterelement nach Vergleichsbeispiel 1 wurde durch das unten beschriebene Verfahren hergestellt.
Es wurde ein Halbleiterstapel vorgesehen. Der Halbleiterstapel enthielt ein monokristallines Siliziumsubstrat 10 mit As-Atomen (n-Typ Verunreinigung) und eine zweite Silizium-Halbleiterschicht 24 mit B-Atomen (p-Typ Verunreinigung). Der Halbleiterstapel war ein Halbleiterwafer.
Das monokristalline Siliziumsubstrat 10 wies eine Dicke von 625 µm und einen elektrischen Widerstand von 10 Ωcm auf. In diesem Vergleichsbeispiel war keine Halbleiterschicht vorgesehen, die der ersten Silizium-Halbleiterschicht entspricht.
Die zweite Silizium-Halbleiterschicht 24 wurde unter den gleichen oder ähnlichen Bedingungen wie für die zweite Silizium-Halbleiterschicht 24 aus Beispiel 1 gebildet.
Anschließend wurde dieser Halbleiterstapel poliert und in gleicher oder ähnlicher Weise wie in Beispiel 1 in einzelne Chips unterteilt, und ein DPP-Glühen wurde unter den gleichen oder ähnlichen Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt.
< Vergleichsbeispiel 2 >
Ein Halbleiterelement des Vergleichsbeispiels 2 wurde durch das unten beschriebene Verfahren hergestellt.
Ein Halbleiterstapel wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 vorgesehen. Der Halbleiterstapel war ein Halbleiterwafer.
Das monokristalline Siliziumsubstrat 10 wies eine Dicke von 625 µm und einen elektrischen Widerstand von gleich oder höher als 7×10^-3 Ωcm und gleich oder niedriger als 2×10^-2 Ωcm auf.
Die erste Silizium-Halbleiterschicht 22 und die zweite Silizium-Halbleiterschicht 24 wurden unter den gleichen oder ähnlichen Bedingungen wie in Beispiel 1 gebildet. Unter Bezugnahme auf die Irvin-Kurve wurde geschätzt, dass die zweite Konzentration der ersten Silizium-Halbleiterschicht 22, die anhand des elektrischen Widerstands geschätzt wurde, niedriger war als die erste Konzentration des Siliziumsubstrats.
Dann wurde dieser Halbleiterstapel poliert und in gleicher oder ähnlicher Weise wie in Beispiel 1 in einzelne Chips unterteilt und eine RTA bei 1000°C für 30 Sekunden durchgeführt. Danach wurde das DPP-Glühen unter den folgenden Bedingungen durchgeführt. Das Bestrahlungslaserlicht war kontinuierliches Wellenlaserlicht mit einer Wellenlänge von 1,342 µm und einer Leistung von 1 W. Der Vorwärtsstrom war ein Impulsstrom. Die periodische Zeit betrug 5 Millisekunden. Das Tastverhältnis betrug 95%. Der maximale Stromwert betrug 1 A. Die Dauer des DPP-Glühens betrug 30 Minuten. Das n-Typ monokristalline Siliziumsubstrat 10 wurde durch die Wärmeableitungsplatte auf 14°C gekühlt.
< Vergleichsbeispiel 3 >
Ein Halbleiterelement aus Vergleichsbeispiel 3 wurde durch das unten beschriebene Verfahren hergestellt.
Als erstes wurde ein Halbleiterstapel vorgesehen. Der Halbleiterstapel enthielt ein monokristallines Siliziumsubstrat 10 mit SB-Atomen (n-Typ Verunreinigung) und eine Silizium-Halbleiterschicht 20b, die auf dem monokristallinen Siliziumsubstrat 10 vorgesehen war. Die Silizium-Halbleiterschicht 20b enthielt die erste Silizium-Halbleiterschicht 22 mit As-Atomen (n-Typ Verunreinigung) und die zweite Silizium-Halbleiterschicht 24 mit B-Atomen (p-Typ Verunreinigung). Der Halbleiterstapel war ein Halbleiterwafer.
Das monokristalline Siliziumsubstrat 10 wies eine Dicke von 625 µm und einen elektrischen Widerstand von gleich oder höher als 7×10^-3 Ωcm und gleich oder niedriger als 2×10^-2 Ωcm auf.
Die erste Silizium-Halbleiterschicht 22 wurde unter solchen Bedingungen gebildet, dass die resultierende erste Silizium-Halbleiterschicht 22 eine Dicke von 1,5 µm und einen elektrischen Widerstand von 5 Ωcm aufwies. Unter Bezugnahme auf die Irvin-Kurve wurde geschätzt, dass die zweite Konzentration der ersten Silizium-Halbleiterschicht 22, die aus dem elektrischen Widerstand geschätzt wurde, niedriger war als die erste Konzentration des Siliziumsubstrats.
Als zweite Silizium-Halbleiterschicht 24 wurden eine mit As-Atomen und B-Atomen kodotierte p-Typ-Halbleiterschicht und eine ausschließlich mit B-Atomen dotierte p-Typ-Halbleiterschicht durch CVD gebildet. Die mit As-Atomen und B-Atomen kodotierte p-Typ-Halbleiterschicht wurde unter solchen Bedingungen gebildet, dass die resultierende p-Typ-Halbleiterschicht eine Dicke von 2 µm aufwies und die Verunreinigungskonzentration der B-Atome 1×10¹⁸ cm^-3 betrug. Die ausschließlich mit B-Atomen dotierte p-Typ-Halbleiterschicht wurde unter solchen Bedingungen gebildet, dass die resultierende p-Typ-Halbleiterschicht eine Dicke von 1,0 µm aufwies und die Verunreinigungskonzentration der B-Atome 1×10¹⁹ cm^-3 betrug.
Dann wurde dieser Halbleiterstapel poliert und in gleicher oder ähnlicher Weise wie in Beispiel 1 in einzelne Chips aufgeteilt, und das DPP-Glühen wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt. Das bestrahlende Laserlicht war kontinuierliches Wellenlaserlicht mit einer Wellenlänge von 1,32 µm und der Leistung von 1 W. Der Vorwärtsstrom war ein Dreieckswellenstrom, und die periodische Zeit betrug 1 Sekunde. Die Dreieckswellenströme mit den maximalen Stromwerten von 100 mA, 400 mA und 1000 mA wurden jeweils 30 Minuten lang fließen gelassen. Das monokristalline n-Typ Siliziumsubstrat 10 wurde durch die Platte zur Wärmeabfuhr auf 16°C gekühlt.
< Emissionsspektrum >
3A ist ein Graph, der das Emissionsspektrum des Halbleiterelements aus Beispiel 1 vor und nach dem DPP-Glühen zeigt. In 3A stellt die gestrichelte Linie das Emissionsspektrum vor dem DPP-Glühen und die feste Linie das Emissionsspektrum nach dem DPP-Glühen dar. Um die Peak-Wellenlänge zwischen den Emissionsspektren vergleichen zu können, wurde jedes der Emissionsspektren durch die Intensität bei der Peak-Wellenlänge normalisiert. Das Gleiche gilt für 3B, die später beschrieben wird.
Wie in 3A gezeigt, wurde durch DPP-Glühen das Emissionsspektrum im Wellenlängenbereich von 1,1 µm bis 4,0 µm beobachtet. Die Peak-Wellenlänge des Emissionsspektrums nach dem DPP-Glühen war im Wesentlichen gleich der Wellenlänge des beim DPP-Glühen eingesetzten Laserlichts.
3B ist ein Graph, der das Emissionsspektrum des Halbleiterelements aus Vergleichsbeispiel 1 vor und nach dem DPP-Glühen zeigt. Wie in 3B gezeigt, wurde durch DPP-Glühen das Emissionsspektrum im Wellenlängenbereich von 1,1 µm bis 4,0 µm beobachtet. Die Differenz zwischen der Peak-Wellenlänge, bei der die maximale Intensität des Emissionsspektrums auftrat, und der Wellenlänge des beim DPP-Glühen eingesetzten bestrahlenden Laserlichts war größer als 50 nm.
Aus den Ergebnissen der Messung des Emissionsspektrums von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 wurde bestätigt, dass das Halbleiterelement der vorliegenden Ausführungsform als lichtemittierendes Element betrieben wird, das in der Lage ist, effizient Licht mit einer vorbestimmten Wellenlänge zu emittieren, die länger als die Wellenlänge λ_g ist.
3C ist ein Graph, der Beispiele für das Emissionsspektrum des Halbleiterelements aus Vergleichsbeispiel 2 vor und nach dem DPP-Glühen zeigt. Wie in 3C gezeigt, gab es keinen wesentlichen Unterschied zwischen der Peak-Wellenlänge des Emissionsspektrums vor dem DPP-Glühen und der Peak-Wellenlänge des Emissionsspektrums nach dem DPP-Glühen. Die durch RTA ausreichend aktivierten B-Atome sind in einem stabilen Zustand verteilt. Daher wird geschätzt, dass bei einem DPP-Glühen nach der RTA die B-Atome nicht thermisch diffundiert werden und eine selbstorganisierende Verteilung der Dotierstoffpaare wahrscheinlich nicht erhalten wird.
3D ist ein Graph, der Beispiele für das Emissionsspektrum des Halbleiterelements aus Vergleichsbeispiel 3 vor und nach dem DPP-Glühen zeigt. Wie in 3D gezeigt, gab es keinen wesentlichen Unterschied zwischen der Peak-Wellenlänge des Emissionsspektrums vor dem DPP-Glühen und der Peak-Wellenlänge des Emissionsspektrums nach dem DPP-Glühen. Das liegt wahrscheinlich daran, dass die Wärme, die beim Aufwachsen einer epitaktischen Schicht aus Silizium vom p-Typ durch CVD erzeugt wird, dazu führt, dass die RTA im Wesentlichen durchgeführt wird, derart, dass die B-Atome vor dem DPP-Glühen in einem stabilen Zustand verteilt waren. Daher wird davon ausgegangen, dass selbst wenn das DPP-Glühen durchgeführt wird, nachdem die p-Typ-Halbleiterschicht durch CVD aufgewachsen ist, die B-Atome nicht thermisch diffundiert werden und eine selbstorganisierende Verteilung der Dotierstoffpaare wahrscheinlich nicht erhalten wird.
< Beispiel 2 >
Das Halbleiterelement aus Beispiel 2 enthält die in 1 gezeigten Komponenten. Das Halbleiterelement wurde nach dem unten beschriebenen Verfahren hergestellt.
Als erstes wurde ein Halbleiterstapel auf die gleiche oder ähnliche Weise wie in Beispiel 1 vorgesehen. Der Halbleiterstapel war ein Halbleiterwafer.
Das monokristalline Siliziumsubstrat 10 wies eine Dicke von 625 µm und einen elektrischen Widerstand von gleich oder höher als 7×10^-3 Ωcm und gleich oder niedriger als 2×10^-2 Ωcm auf.
Die erste Silizium-Halbleiterschicht 22 wurde unter solchen Bedingungen gebildet, dass die resultierende erste Silizium-Halbleiterschicht 22 eine Dicke von 2 µm und einen elektrischen Widerstand von 5 Ωcm aufwies. Unter Bezugnahme auf die Irvin-Kurve wurde geschätzt, dass die zweite Konzentration der ersten Silizium-Halbleiterschicht 22, die aus dem elektrischen Widerstand geschätzt wurde, niedriger war als die erste Konzentration des Siliziumsubstrats.
Die lonenimplantation wurde unter solchen Bedingungen durchgeführt, dass die zweite Silizium-Halbleiterschicht 24 eine Dicke von 2 µm aufwies und die dritte Konzentration 1×10¹⁹ cm^-3 betrug.
Dann wurde dieser Halbleiterstapel poliert und in gleicher oder ähnlicher Weise wie in Beispiel 1 in einzelne Chips aufgeteilt, und das DPP-Glühen wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt. Das bestrahlende Laserlicht war kontinuierliches Wellenlaserlicht mit einer Wellenlänge von 1,32 µm und der Leistung von 1 W. Der Vorwärtsstrom war ein Dreieckswellenstrom, die periodische Zeit betrug 2 Sekunden und der maximale Stromwert 1 A. Die Dauer des DPP-Glühens betrug 30 Minuten. Das Siliziumsubstrat 10 wurde durch die Wärmeableitungsplatte auf 15 °C gekühlt.
< Vergleichsbeispiel 4 >
Als Halbleiterelement des Vergleichsbeispiels 4 wurde ein Halbleiterelement unter den gleichen oder ähnlichen Bedingungen wie bei Vergleichsbeispiel 1 hergestellt.
< Photosensitivität >
Die Photodetektoren aus Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 4 wurden mit Licht bestrahlt, dessen Peak-Wellenlänge 1,32 µm beträgt, während ein Vorwärtsstrom durch sie hindurchfließt, und die Photosensitivität wurde berechnet. Die Ergebnisse sind in TABELLE 1 gezeigt. [TABELLE 1]

Stromdichte (A/cm²) Photosensitivität für Licht bei der Wellenlänge von 1,32 µm (A/W)

Beispiel 2 20 7,2×10^-2

Vergleichsbeispiel 4 10 3×10^-2
Bei einer Stromdichte von 20 A/cm² betrug die Photosensitivität des Halbleiterelements aus Beispiel 2 für Licht mit einer Wellenlänge von 1,32 µm 7,2×10^-2 (A/W). Bei einer Stromdichte von 10 A/cm² lag die Photosensitivität des Halbleiterelements aus Vergleichsbeispiel 2 bei 3,6×10^-2 (A/W). Die Photosensitivität des Halbleiterelements aus Beispiel 2, die erhalten wurde, wenn die Stromdichte 20 A/cm² betrug, war höher als die Photosensitivität des Halbleiterelements aus Vergleichsbeispiel 2, die erhalten wurde, wenn die Stromdichte 10 A/cm² betrug. Wenn im Halbleiterelement von Vergleichsbeispiel 4 ein elektrischer Strom mit einer Stromdichte von 20 A/cm² bei der Messung der Strom-Spannungs-Charakteristik zugeführt wurde, wurde das Halbleiterelement von Vergleichsbeispiel 4 nicht angetrieben.
Das Halbleiterelement aus Beispiel 2 wurde mit Laserlicht in Gegenwart einer angelegten Vorwärtsspannung von 25 V bestrahlt und die Photosensitivität berechnet. Die Photosensitivität wurde bei Raumtemperatur berechnet. Wenn eine Vorwärtsspannung von 25 V an das Halbleiterelement aus Beispiel 2 angelegt wurde und ein elektrischer Strom mit einer Stromdichte von 20 A/cm² zugeführt wurde, betrug der elektrische Strom etwa 200 mA. Die Photosensitivität wurde berechnet, wobei der Anstieg, der durch die Lichtbestrahlung von diesem Stromwert erhalten wurde, als Photostrom betrachtet wurde. Die Ergebnisse sind in TABELLE 2 gezeigt. [TABELLE 2]

Wellenlänge (µm) Photosensitivität (A/W)

1,32 7,2×10^-2

1,55 1,3×10^-2

1,99 2×10^-3
Wie in TABELLE 2 gezeigt, war, wenn die Wellenlänge des bestrahlten Laserlichts 1,32 µm betrug, die Photosensitivität des Halbleiterelements von Beispiel 2 gleich oder höher als 1,0×10^-3 A/W und gleich oder niedriger als 1,0×10^-1 A/W. Wenn die Wellenlänge des bestrahlten Laserlichts 1,55 µm betrug, lag die Photosensitivität des Halbleiterelements von Beispiel 2 bei etwa 1,3×10^-2 A/W. Bei einer Wellenlänge des bestrahlten Laserlichts von 1,99 µm betrug die Photosensitivität des Halbleiterelements von Beispiel 2 etwa 2×10^-3 A/W. Durch das Anlegen einer Vorwärtsspannung war die Photosensitivität des Halbleiterelements aus Beispiel 2 auch für Licht mit einer Wellenlänge effektiv, die gleich oder länger ist als die Wellenlänge des beim DPP-Glühen eingesetzten Laserlichts.
Bei Nullvorspannung wurde das Halbleiterelement aus Beispiel 2 mit Laserlicht bestrahlt, das eine Peak-Wellenlänge von 1,32 µm aufwies, und die Photosensitivität wurde berechnet. Die Photosensitivität wurde bei Raumtemperatur vor und nach dem DPP-Glühen gemessen. Die Ergebnisse sind in TABELLE 3 gezeigt. [TABELLE 3]

Messung der Photosensitivität Photosensitivität (A/W)

Vor dem DPP-Glühen 1,2x10^-6

Nach dem DPP-Glühen 5,8x10^-6
Wie in TABELLE 3 gezeigt, wurde bestätigt, dass bei Nullvorspannung die Photosensitivität des Halbleiterelements aus Beispiel 2 für Licht mit einer Wellenlänge von 1,32 µm nach dem DPP-Glühen höher war als vor dem DPP-Glühen.
< Temperaturabhängige Veränderung des differentiellen Widerstands >
Als nächstes wird ein Beispiel des Halbleiterelements der vorliegenden Ausführungsform als Temperatursensor beschrieben. Das Halbleiterelement von Beispiel 3 wies die gleiche oder eine ähnliche Konfiguration auf wie das Halbleiterelement von Beispiel 2. Das Halbleiterelement von Beispiel 3 wurde auf einem Peltier-Element platziert, und die Temperatur des Halbleiterelements von Beispiel 3 wurde durch Erwärmung oder Abkühlung durch das Peltier-Element verändert. Der differentielle Widerstand wurde aus dem Spannungswert und dem Stromwert bei jeder Temperatur bestimmt. Die Oberfläche 20s der Silizium-Halbleiterschicht 20b, die die Temperaturmessfläche war, war in Kontakt mit der Atmosphäre, und die Temperatur des Messobjekts (Atmosphäre) betrug 25°C. 4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Temperatur und dem differentiellen Widerstand in dem Halbleiterelement aus Beispiel 3 zeigt, wenn die Temperatur des Messobjekts 25°C betrug. Der differentielle Widerstand ist ein differentieller Widerstand, der bei einer Spannung von 22 V ermittelt wurde. Die in 4 gezeigte Temperatur ist die Temperatur des Peltier-Elements. In 4 ist der differentielle Widerstand in logarithmischer Form gezeigt. Die festen Kästchen in 4 stellen die Messergebnisse dar. Die in 4 gepunktete Linie stellt die Beziehung zwischen der Temperatur und dem differentiellen Widerstand dar, die auf einem allgemeinen theoretischen Thermistormodell basiert, das durch Formel (1) definiert ist. Die in 4 gezeigte gestrichelte Linie stellt die Beziehung zwischen der Temperatur und dem differentiellen Widerstand dar, die durch die Formel (3) definiert ist.
Wie in 4 gezeigt, wurde bestätigt, dass sich die Beziehung zwischen dem differentiellen Widerstand und der Temperatur in dem Halbleiterelement aus Beispiel 3 wie die gestrichelte Linie verhält, die durch Formel (3) definiert ist. Ferner betrug im Halbleiterelement von Beispiel 3 der absolute Wert der Änderungsrate des differentiellen Widerstands in Bezug auf eine Temperatur im Temperaturbereich von 30 °C bis 40 °C 10 Ω/°C, was größer war als der absolute Wert dieser Rate, der aus Formel (1) ermittelt wurde.
< Antriebsspannung >
Durch ein Halbleiterelement, das unter den gleichen oder ähnlichen Bedingungen wie in Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 hergestellt wurde, wird ein Vorwärtsstrom (mA) fließen gelassen. Der Vorwärtsstrom, der zum Antrieb des Halbleiterelements fließen gelassen wird, die Stromdichte und die Spannung sind unten gezeigt. [TABELLE 4]

Vorwärtsstrom (mA) Stromdichte (A/cm²) Spannung (V)

Beispiel 1 100 10 5

500 50 6,5

Vergleichsbeispiel 1 100 10 37

500 50 -
Wie in TABELLE 4 gezeigt, war in beiden Fällen, in denen die Stromdichte des Vorwärtsstroms, der zum Fließen gebracht wurde, 10 A/cm² und 50 A/cm² betrug, die an das Halbleiterelement von Beispiel 1 angelegte Spannung im Vergleich zum Halbleiterelement von Vergleichsbeispiel 1 gering. Wie bereits beschrieben, wurde das Halbleiterelement von Vergleichsbeispiel 4, das nach demselben oder einem ähnlichen Verfahren wie Vergleichsbeispiel 1 hergestellt wurde, nicht angetrieben, wenn ein elektrischer Strom mit einer Stromdichte von 20 A/cm² zugeführt wurde. Daher wurde bei diesem Halbleiterelement, das unter den gleichen oder ähnlichen Bedingungen wie bei Vergleichsbeispiel 1 hergestellt wurde, keine Messung mit einer Stromdichte von 50 A/cm² durchgeführt.
< Dreidimensionale Atomsonde >
An einem Halbleiterelement, das unter den gleichen oder ähnlichen Bedingungen wie in Beispiel 2 hergestellt wurde, wurde eine dreidimensionale Atomsonde durchgeführt. 5A ist ein Graph, der die Verteilung der Distanz der nächstgelegenen Dotierstoffe zeigt, die durch die Bestimmung der Koordinaten des nächstgelegenen Dotierstoffs jedes Dotierstoffs in einer räumlichen Verteilung von Dotierstoffen, die durch die dreidimensionale Atomsonde erhalten wurde, erhalten wurde. Der Graph in 5A wurde wie folgt erhalten. Zunächst wurden aus der mit der dreidimensionalen Atomsonde erhaltenen räumlichen Verteilung der Dotierstoffe die Daten der räumlichen Koordinaten einer Hälfte der Dotierstoffe weggelassen, wodurch eine neue räumliche Verteilung entstand. Die auszulassenden Dotierstoffe wurden zufällig mit Hilfe von Zufallszahlen ausgewählt, während die Koordinaten der nicht auszulassenden Dotierstoffe bei ihren ursprünglichen Koordinaten blieben. Anschließend wurden in der neu erstellten räumlichen Verteilung der Dotierstoffe die Koordinaten des nächstgelegenen Dotierstoffs für jeden Dotierstoff untersucht und ein Graph erstellt, der die Verteilung der Distanz der nächstgelegenen Dotierstoffe zeigt (5B). In 5B wurden gestrichelte Linien an den Positionen der nächstgelegenen Distanz der Dotierstoffe eingezeichnet, die als Peaks betrachtet wurden. Auch in 5A wurden gestrichelte Linien an ähnlichen Positionen wie in 5B eingezeichnet. In 5B wurde die Peak-Struktur im Vergleich zu 5A hervorgehoben. Das Intervall der in 5A und 5B gezeichneten gestrichelten Linien betrug etwa das Mehrfache der Gitterkonstante von Silizium. Dieses Ergebnis deutet auf das Vorhandensein einer periodischen Verteilung von Dotierstoffpaaren hin.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements und ein Halbleiterelement der vorliegenden Offenbarung sind auf Vorrichtungen wie Photodetektoren, lichtemittierende Elemente oder Temperatursensoren anwendbar.
BEZUGSZEICHENLISTE

10: Siliziumsubstrat
20a, 20b: Silizium-Halbleiterschicht
20s: Oberfläche der Silizium-Halbleiterschicht
22: erste Silizium-Halbleiterschicht
24: zweite Silizium-Halbleiterschicht
26: pn-Übergang
30a: zweite untere Elektrode
30b: zweite obere Elektrode
32a: erste untere Elektrode
32b: erste obere Elektrode
40: Nahfeld-Lichtbildungsregion
50: Wärmeableitungsplatte
50s: Oberfläche der Wärmeableitungsplatte
52: Peltier-Element
54: Wärmesenke
60: Stromversorgung
62a, 62b: Draht
70: Lichtquelle
72: Licht
80: Halbleiterstapel
100: Halbleiterelement
100a: Halbleiterelement-Abschnitt
200: Halbleiter-Wafer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015012047 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements, wobei das Verfahren umfasst: Vorsehen eines Halbleiterstapels, enthaltend, ein Siliziumsubstrat, das eine erste Verunreinigung eines ersten Leitfähigkeitstyps, der einer von einem p-Typ und einem n-Typ ist, in einer ersten Konzentration enthält, und eine auf dem Siliziumsubstrat vorgesehene Silizium-Halbleiterschicht, wobei die Silizium-Halbleiterschicht Folgendes enthält, eine erste Silizium-Halbleiterschicht, die eine zweite Verunreinigung des ersten Leitfähigkeitstyps in einer zweiten Konzentration enthält, die niedriger ist als die erste Konzentration, und eine zweite Silizium-Halbleiterschicht, die eine dritte Verunreinigung eines zweiten Leitfähigkeitstyps enthält, der der andere von einem p-Typ und einem n-Typ ist; und Bestrahlen der Silizium-Halbleiterschicht mit Licht mit einer vorbestimmten Peak-Wellenlänge in Gegenwart eines durch die Silizium-Halbleiterschicht fließenden Vorwärtsstroms, derart, dass die dritte Verunreinigung diffundiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vorsehen des Halbleiterstapels enthält Vorsehen eines Siliziumsubstrats, das eine erste Verunreinigung eines ersten Leitfähigkeitstyps, der einer von einem p-Typ und einem n-Typ ist, in einer ersten Konzentration enthält, Bilden einer Silizium-Halbleiterschicht auf dem Siliziumsubstrat, wobei die Silizium-Halbleiterschicht eine erste Silizium-Halbleiterschicht enthält, die eine zweite Verunreinigung des ersten Leitfähigkeitstyps in einer zweiten Konzentration enthält, die niedriger ist als die erste Konzentration, und Einbringen einer dritten Verunreinigung eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der der andere von einem p-Typ und einem n-Typ ist, in eine Oberfläche der Silizium-Halbleiterschicht, wodurch eine zweite Silizium-Halbleiterschicht gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend Reduzieren einer Dicke des Siliziumsubstrats vor dem Bestrahlen der Silizium-Halbleiterschicht mit dem Licht mit der vorbestimmten Peak-Wellenlänge, derart, dass die dritte Verunreinigung diffundiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Bestrahlen der Silizium-Halbleiterschicht mit dem Licht mit der vorbestimmten Peak-Wellenlänge ein Bestrahlen der Silizium-Halbleiterschicht mit dem Licht mit der vorbestimmten Peak-Wellenlänge in Gegenwart des Vorwärtsstroms enthält, der durch die Silizium-Halbleiterschicht fließt, während das Siliziumsubstrat auf einer Wärmeableitungsplatte lokalisiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die vorbestimmte Peak-Wellenlänge länger ist als eine Wellenlänge, die einer Größe einer Bandlücke von Silizium entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Konzentration gleich oder höher ist als 1×10¹⁷ cm^-3 und gleich oder niedriger ist als 1×10²¹ cm^-3, und die zweite Konzentration gleich oder höher ist als 1×10¹⁴ cm^-3 und gleich oder niedriger ist als 1×10¹⁶ cm^-3.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend, nach dem Bilden der zweiten Silizium-Halbleiterschicht und vor dem Bestrahlen der Silizium-Halbleiterschicht mit dem Licht mit der vorbestimmten Peak-Wellenlänge, Bilden einer ersten oberen Elektrode auf einer Oberfläche der Silizium-Halbleiterschicht, wobei die erste obere Elektrode eine lichtdurchlässige Region enthält, die dazu konfiguriert ist, das Licht mit der vorbestimmten Peak-Wellenlänge durchzulassen.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend: Entfernen der ersten oberen Elektrode; und Bilden einer zweiten oberen Elektrode zur Verwendung im Betrieb des Halbleiterelements auf einem Teil der Oberfläche der Silizium-Halbleiterschicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Halbleiterelement ein Halbleiter-Photodetektor oder ein lichtemittierendes Halbleiterelement ist.
Halbleiterelement, umfassend: ein Siliziumsubstrat, das eine erste Verunreinigung eines ersten Leitfähigkeitstyps, der einer von einem p-Typ und einem n-Typ ist, in einer ersten Konzentration enthält; und eine Silizium-Halbleiterschicht, die auf dem Siliziumsubstrat vorgesehen ist, wobei die Silizium-Halbleiterschicht eine erste Silizium-Halbleiterschicht und eine zweite Silizium-Halbleiterschicht in dieser Reihenfolge von der Seite des Siliziumsubstrats aus enthält, wobei die erste Silizium-Halbleiterschicht eine zweite Verunreinigung des ersten Leitfähigkeitstyps in einer zweiten Konzentration enthält, die niedriger ist als die erste Konzentration, wobei die zweite Silizium-Halbleiterschicht eine dritte Verunreinigung eines zweiten Leitfähigkeitstyps enthält, der der andere von einem p-Typ und einem n-Typ ist, wobei die Silizium-Halbleiterschicht einen pn-Übergang enthält, der zwischen der ersten Silizium-Halbleiterschicht und der zweiten Silizium-Halbleiterschicht lokalisiert ist, und wobei das Halbleiterelement in einer Region, die den pn-Übergang enthält, eine Photosensitivität für Licht aufweist, dessen Peak-Wellenlänge länger als eine Wellenlänge ist, die einer Größe einer Bandlücke von Silizium entspricht, oder das Halbleiterelement Licht emittiert, dessen Peak-Wellenlänge länger als die Wellenlänge ist, die der Größe der Bandlücke von Silizium entspricht.
Halbleiterelement nach Anspruch 10, wobei die erste Konzentration gleich oder höher ist als 1×10¹⁷ cm^-3 und gleich oder niedriger ist als 1×10²¹ cm^-3, und die zweite Konzentration gleich oder höher ist als 1×10¹⁴ cm^-3 und gleich oder niedriger ist als 1×10¹⁶ cm^-3.
Halbleiterelement nach Anspruch 10 oder 11, wobei bei einer Nullvorspannung die Photosensitivität für Licht, dessen Peak-Wellenlänge gleich oder länger als 1,2 µm und gleich oder kürzer als 2,0 µm ist, gleich oder höher als 2,0×10^-6 A/W und gleich oder niedriger als 7,0×10^-6 A/W ist.
Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei in einem Fall, in dem eine Temperatur eines zu messenden Objekts 25°C beträgt, ein absoluter Wert eines Verhältnisses einer Änderung des differentiellen Widerstands des Halbleiterelements zu einer Temperatur in einem Temperaturbereich von 30°C bis 40°C gleich oder höher als 5 Ω/°C und gleich oder niedriger als 100 Ω/°C ist.