JP2006344831A - Photodiode and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フォトダイオード製造方法及びフォトダイオードに関し、より詳しくは、優れた波長感度特性を有するとともに、低暗電流特性を実現することができるフォトダイオードとそのフォトダイオードを製造するフォトダイオード製造方法に関する。 The present invention relates to a photodiode manufacturing method and a photodiode, and more particularly to a photodiode having excellent wavelength sensitivity characteristics and low dark current characteristics and a photodiode manufacturing method for manufacturing the photodiode. .
光ファイバを伝送路とする光通信は、近年、大都市間を結ぶ幹線系の通信のみならず、インターネットの普及に伴い、各家庭にまで敷設されるようになり（ＦＴＴＨ：Fiber To The Home）、ますますその需要が増大している。 In recent years, optical communication using optical fiber as a transmission line has been installed not only in trunk-line communication between large cities, but also in homes with the spread of the Internet (FTTH: Fiber To The Home). The demand is increasing.
光通信システムは、下記の如き基本構成を有している。まず、送信側に於いて音声・画像等の情報、或いはコンピュータの情報電気信号を作成し、これを半導体レーザ等の発光素子により、光信号に変換する。この光信号を伝送路である光ファイバにより伝送した後、受信側の受光素子により元の電気信号に変換し、必要な信号処理により所望の情報に戻す。ここで発光素子や光ファイバのみならず、光を電気信号に変換する受光素子の性能は光通信システムの性能を左右する重要なものである。 The optical communication system has the following basic configuration. First, on the transmission side, information such as sound and images, or information electric signals of a computer is created and converted into an optical signal by a light emitting element such as a semiconductor laser. After this optical signal is transmitted through an optical fiber as a transmission path, it is converted into an original electrical signal by a light receiving element on the receiving side, and is returned to desired information by necessary signal processing. Here, not only the light emitting element and the optical fiber, but also the performance of the light receiving element that converts light into an electrical signal is an important factor that affects the performance of the optical communication system.
石英製光ファイバを利用する光通信システムでは、小型、低電圧で動作する等の利便性の面から、受光素子として半導体材料を使用したフォトダイオード（以下、ＰＤと省略する）が広く使用されている。光ファイバの低分散性や低損失性を利用して高性能化を図るために利用される光の波長は所謂１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯である。したがって、受光素子はこれらの光の波長に対して感度を有する半導体材料である必要が要求されることになる。 In an optical communication system using a quartz optical fiber, a photodiode (hereinafter abbreviated as PD) using a semiconductor material as a light receiving element is widely used from the viewpoint of convenience such as small size and operation at a low voltage. Yes. The so-called 1.3 μm band and 1.55 μm band are used as light wavelengths for improving performance by utilizing the low dispersion and low loss characteristics of optical fibers. Therefore, the light receiving element is required to be a semiconductor material having sensitivity to these light wavelengths.
現在、光ファイバ通信で最も広く使用されているＰＤ用半導体材料として、ＩｎＧａＡｓ（インジウム ガリウム ヒ素）及びＧｅ（ゲルマニウム）が存在する。これらの材料を使用して、通常良く知られている方法により、ｐｎ接合を形成し、ＰＤとしての構造を作製している。 Currently, InGaAs (indium gallium arsenide) and Ge (germanium) exist as the semiconductor materials for PD most widely used in optical fiber communication. Using these materials, a pn junction is formed by a generally well-known method to produce a structure as a PD.
光通信で使用されるＰＤには、素子内部で電流の増幅作用を有するなだれフォトダイオード（ＡＰＤ）もシステムの高性能化のために広く利用されている。ＡＰＤではｐｎ接合に、なだれ降伏電圧に近い逆方向の高電圧を印加して動作させる。 For PD used in optical communication, an avalanche photodiode (APD) having a current amplifying function inside the device is also widely used for improving the performance of the system. APD is operated by applying a high voltage in the reverse direction close to the avalanche breakdown voltage to the pn junction.
現在の光ファイバ通信用ＡＰＤとしては、ＩｎＰ（インジウム燐）と波長1.6μｍ以下の光を吸収できるＩｎＧａＡｓとを組み合わせた、所謂ＳＡＭ型と呼ばれる構造のＡＰＤが実用化されている。このＳＡＭ型とは、Separated Absorption and Multiplication Region型の略であり、分離接合型とも呼ばれ、その構造を図５に示す。ＩｎＰは大きな禁制帯幅を有しているため、高い逆方向バイアス電圧を印加すると、なだれ降伏が安定して生じる。しかしながら、波長９００ｎｍ以上の光に対しては感度を有していない。このため禁制帯幅のより小さなＩｎＧａＡｓをＩｎＰに接合（ヘテロ接合と称する）し、ここで光を吸収し電子-ホール対を発生する。発生したホールは、ヘテロ接合を横切ってｐｎ接合を有するＩｎＰ層に流れ込むことになる。ｐ-ＩｎＰ層に印加された高電界により、注入されたホールが加速され衝突イオン化を繰り返すことによってなだれ増倍作用を受けることになる。このように、光吸収層となだれ増倍層とがヘテロ接合により分離されている構造であるため、ＳＡＭ型と呼ばれている。 As a current APD for optical fiber communication, a so-called SAM type APD in which InP (indium phosphide) and InGaAs capable of absorbing light having a wavelength of 1.6 μm or less are combined has been put into practical use. This SAM type is an abbreviation for Separated Absorption and Multiplication Region type, and is also called a separate junction type, and its structure is shown in FIG. Since InP has a large forbidden bandwidth, avalanche breakdown occurs stably when a high reverse bias voltage is applied. However, it has no sensitivity to light with a wavelength of 900 nm or more. For this reason, InGaAs having a smaller forbidden bandwidth is joined to InP (referred to as a heterojunction), where light is absorbed to generate electron-hole pairs. The generated holes flow into the InP layer having the pn junction across the heterojunction. The injected electric field is accelerated by the high electric field applied to the p-InP layer, and is subjected to avalanche multiplication by repeating collision ionization. In this way, the light absorption layer and the avalanche multiplication layer are separated from each other by a heterojunction, so that it is called a SAM type.
現在知られている半導体材料の内、Ｓｉ（シリコン）は、様々な特性において最も優れた半導体であるとされており、集積回路に代表されるように、多くの半導体デバイス用材料として利用されている。フォトダイオードの材料としても利用されており、例えばＳｉを利用したＡＰＤは、暗電流(逆方向電流)が小さく、またなだれ増倍に伴う雑音特性に於いて、最も高性能な半導体受光素子として広く使用されている。
しかしながら、Ｓｉの禁制帯幅は1.14eVであり、光ファイバ通信で使用される光に対して透明であり、光吸収は起こらないため、その波長帯でのＰＤやＡＰＤとしては使用することができない。このため、前述のようにＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウムヒ素）や波長1.55μｍ以下の光を吸収できるＧｅを材料とする受光素子が作られている。
Among currently known semiconductor materials, Si (silicon) is considered to be the most excellent semiconductor in various characteristics, and is used as a material for many semiconductor devices, as represented by integrated circuits. Yes. It is also used as a material for photodiodes. For example, APD using Si has a low dark current (reverse direction current) and is widely used as the most powerful semiconductor light receiving element in noise characteristics due to avalanche multiplication. in use.
However, since the forbidden band width of Si is 1.14 eV, it is transparent to light used in optical fiber communication and does not absorb light, so it cannot be used as PD or APD in that wavelength band. . For this reason, as described above, a light receiving element using InGaAs (indium gallium arsenide) or Ge that can absorb light having a wavelength of 1.55 μm or less is made.
ゲルマニウム（Ｇｅ）は、いわゆるバルク結晶として大量に生産され、比較的安価である。これを材料とするＡＰＤは一般的に市販されているが、暗電流が大きく、また増倍雑音が非常に大きいため、研究用又は性能の高くない（低性能な）光通信システムのみにしか使用されていないのが現状であった。 Germanium (Ge) is produced in large quantities as so-called bulk crystals and is relatively inexpensive. APDs made of this material are generally commercially available, but they are used only for research or low-performance optical communication systems because of their large dark current and very high multiplication noise. The current situation was not.
一方、ＩｎＧａＡｓは、通常ＩｎＰを基板として、その表面にエピタキシャル成長によって作製される。このため、比較的高価な半導体であるとされている。また、ＩｎＧａＡｓを材料とするＡＰＤは、なだれ降伏電圧よりも低い電圧で大きなトンネル電流が流れてしまうため、ＡＰＤを実現することが困難であった。
このため、前述したように基板となるＩｎＰと組み合わせたＳＡＭ型のＡＰＤ構造により、このような課題を解決し、実用化されていた。
しかしながら、ＩｎＰをなだれ増倍層としたＡＰＤの増倍雑音は、Ｓｉに比べると数倍以上大きくなることが知られている。
On the other hand, InGaAs is usually produced by epitaxial growth on the surface of InP as a substrate. For this reason, it is said that it is a comparatively expensive semiconductor. In addition, since an APD using InGaAs as a material flows a large tunnel current at a voltage lower than the avalanche breakdown voltage, it is difficult to realize the APD.
For this reason, as described above, the SAM type APD structure combined with InP as a substrate has solved such problems and has been put into practical use.
However, it is known that the multiplication noise of APD using InP as an avalanche multiplication layer is several times greater than that of Si.
これまでに、この種のフォトダイオード構造として、ＩｎＧａＡｓ/Ｓｉ-ＳＡＭ型ＡＰＤが提案されている。この構造ではＩｎＧａＡｓ/ＩｎＰ-ＳＡＭ型ＡＰＤと同様ｐｎ接合を有するＳｉにおいてなだれ増倍作用を起こすことが知られている（非特許文献１参照）。
またさらに、本発明者によりＩｎＧａＡｓに換わり図６に示すように、ＧｅやＧａＳｂを用いるＧｅ/Ｓｉ-ＳＡＭ、或いはＧａＳｂ/Ｓｉ-ＳＡＭ型ＡＰＤが提案されている（非特許文献２参照）。
So far, an InGaAs / Si-SAM type APD has been proposed as a photodiode structure of this type. It is known that this structure causes an avalanche multiplication effect in Si having a pn junction like the InGaAs / InP-SAM type APD (see Non-Patent Document 1).
Furthermore, the present inventor has proposed Ge / Si-SAM or GaSb / Si-SAM type APD using Ge or GaSb as shown in FIG. 6 instead of InGaAs (see Non-Patent Document 2).
しかしながら、ＩｎＧａＡｓ/Ｓｉ、Ｇｅ/Ｓｉ、ＧａＳｂ/Ｓｉなどのヘテロ接合を形成するには、それぞれの結晶の格子定数が大きく異なるため、通常のエピタキシャル結晶成長法で実現することは極めて困難であることが知られている。このため、非特許文献１等に開示される如く、ウェーハボンディング法という方法により形成することが従来行われていた。この方法は、夫々の結晶表面を清浄にした後、夫々の結晶表面を接触させることにより、原子同士を結合させ、さらに熱処理を加えることにより、強固に接合させることを可能とする技術である。
However, in order to form a heterojunction such as InGaAs / Si, Ge / Si, or GaSb / Si, the lattice constants of the respective crystals are greatly different, so that it is extremely difficult to realize by a normal epitaxial crystal growth method. It has been known. For this reason, as disclosed in
しかしながら、この方法では、Ｓｉ/Ｇｅの接合を形成するとき、わずかな表面の汚れが存在したり、また、熱処理条件、特に高温で処理した後早い速度で温度を下げると熱膨張係数の違いに起因する応力によって接合したりしないことがしばしば見受けられた。このため、この方法では接合形成の成功率は高くないという問題点を有していた。
このような問題点から、光ファイバ通信で用いられる光の波長帯(1.3〜1.55μｍ)に於いて十分な感度があり、低暗電流で且つ低い増倍雑音特性を有するフォトダイオードの創出、およびそのようなフォトダイオードを歩留まり良く製作し実現する技術が望まれていた。
However, with this method, when forming a Si / Ge junction, there is slight surface contamination, and if the temperature is lowered at a high rate after heat treatment conditions, particularly after high temperature treatment, the difference in thermal expansion coefficient will be caused. It was often found that they were not joined by the resulting stress. For this reason, this method has a problem that the success rate of bonding formation is not high.
From such problems, creation of a photodiode having sufficient sensitivity in the wavelength band (1.3 to 1.55 μm) of light used in optical fiber communication, low dark current, and low multiplication noise characteristics, and A technology for manufacturing and realizing such a photodiode with a high yield has been desired.
本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、光ファイバ通信で用いられる光の波長帯(1.3〜1.55μｍ)において十分な感度があり、低暗電流で且つ低い増倍雑音特性を有しながら、更に、低価格なＰＤ、ＡＰＤ構造を実現することである。 The present invention has been made in view of such circumstances, has sufficient sensitivity in the wavelength band (1.3 to 1.55 μm) of light used in optical fiber communication, has low dark current and low multiplication noise characteristics. Furthermore, it is to realize a low-priced PD and APD structure.
請求項１記載の発明は、ｐｎ接合を有するシリコン（Ｓｉ）で形成される第１半導体層と、該第１半導体層に積層される第２半導体層を有してなるフォトダイオードを製造するフォトダイオード製造方法であって、前記第１半導体層及び／又は前記第２半導体層の接合面側に、鉄（Ｆｅ）の薄膜層を形成し、前記鉄の薄膜層を境界面とし、前記第１半導体層と前記第２半導体層を接合させることを特徴とするフォトダイオード製造方法を提供する。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a photo diode for manufacturing a photodiode having a first semiconductor layer formed of silicon (Si) having a pn junction and a second semiconductor layer stacked on the first semiconductor layer. In the diode manufacturing method, a thin film layer of iron (Fe) is formed on a bonding surface side of the first semiconductor layer and / or the second semiconductor layer, the thin film layer of iron is used as a boundary surface, and the first semiconductor layer is formed. Provided is a method for manufacturing a photodiode, characterized by bonding a semiconductor layer and the second semiconductor layer.
請求項２記載の発明は、前記鉄の薄膜層を形成する方法が、真空蒸着又は鍍金により形成される方法であることを特徴とする請求項１記載のフォトダイオード製造方法を提供する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the method of manufacturing a photodiode according to the first aspect, wherein the method of forming the iron thin film layer is a method formed by vacuum deposition or plating.
請求項３記載の発明は、前記第２半導体層が、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）、インジウムヒ素（ＩｎＡｓ）、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）及びＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウムヒ素）からなる群からいずれか一つが選択されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載のフォトダイオード製造方法を提供する。
According to a third aspect of the present invention, the second semiconductor layer is selected from the group consisting of germanium (Ge), gallium antimony (GaSb), indium arsenic (InAs), indium antimony (InSb), and InGaAs (indium gallium arsenide). 3. The photodiode manufacturing method according to
請求項４記載の発明は、ｐｎ接合を有するシリコン（Ｓｉ）で形成される第１半導体層と、該第１半導体層に積層される第２半導体層を有してなるフォトダイオードであって、前記第１半導体層及び第２半導体層間に鉄（Ｆｅ）の薄膜層が配置されて、加熱接合されてなることを特徴とするフォトダイオードを提供する。
The invention according to
請求項５記載の発明は、前記第２半導体層が、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）、インジウムヒ素（ＩｎＡｓ）、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）及びＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウムヒ素）からなる群からいずれか一つが選択されてなることを特徴とする請求項４記載のフォトダイオードを提供する。
これらの発明を提供することによって、上記課題を悉く解決する。
According to a fifth aspect of the invention, the second semiconductor layer is selected from the group consisting of germanium (Ge), gallium antimony (GaSb), indium arsenic (InAs), indium antimony (InSb), and InGaAs (indium gallium arsenide). 5. The photodiode according to
By providing these inventions, the above problems can be solved.
請求項１乃至３記載の発明によれば、第１半導体層と第２半導体層との境界に鉄の薄膜層が形成されることになるので、従来方法であるウェーハボンディング法を利用する場合に比して、第１半導体層と第２半導体層を極めて高確率で接合することができるフォトダイオードの製造方法を提供することができる。
特に、第２半導体層にゲルマニウム（Ｇｅ）を使用した場合には、本発明のフォトダイオードはＧｅ/Ｆｅ/Ｓｉという半導体/金属/半導体の接合を形成することになるが、実際にはＧｅとＦｅの化学反応により、半導体と考えられるＧｅ-Ｆｅ化合物と、ＳｉとＦｅとの化学反応による半導体シリサイドが形成されることになるので、半導体/半導体/半導体の接合を形成することになる。このことにより、従来方法であるウェーハボンディング法を利用する場合に比して、第１半導体層と第２半導体層を極めて高確率で接合することができるフォトダイオードの製造方法を提供することができる。
According to the first to third aspects of the invention, since the iron thin film layer is formed at the boundary between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, the conventional wafer bonding method is used. In comparison, it is possible to provide a method of manufacturing a photodiode that can join the first semiconductor layer and the second semiconductor layer with extremely high probability.
In particular, when germanium (Ge) is used for the second semiconductor layer, the photodiode of the present invention forms a Ge / Fe / Si semiconductor / metal / semiconductor junction. The Fe—chemical reaction forms a Ge—Fe compound, which is considered to be a semiconductor, and a semiconductor silicide due to a chemical reaction between Si and Fe, so that a semiconductor / semiconductor / semiconductor junction is formed. Accordingly, it is possible to provide a method for manufacturing a photodiode capable of bonding the first semiconductor layer and the second semiconductor layer with a very high probability as compared with the case of using the conventional wafer bonding method. .
請求項４記載の発明によれば、第１半導体層と第２半導体層との境界に鉄の薄膜層が形成されることになり、従来のウェーハボンディング法を利用する場合に比して、極めて高確率で接合を実現させることができるとともに、安価に且つ高性能なフォトダイオードを提供することができる。 According to the fourth aspect of the present invention, an iron thin film layer is formed at the boundary between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. Compared to the case of using the conventional wafer bonding method, A junction can be realized with a high probability, and a low-performance and high-performance photodiode can be provided.
請求項５記載の発明によれば、第２半導体層と鉄の薄膜層が化学変化を起こして化合物が形成されることになり、この薄膜層が半導体層を形成されることになり、従来方法であるウェーハボンディング法を利用する場合に比して、第１半導体層と第２半導体層を極めて高確率で接合することができるフォトダイオードを提供することができる。
例えば、第２半導体層がゲルマニウム（Ｇｅ）で形成されることになる場合には、本発明のフォトダイオードはＧｅ/Ｆｅ/Ｓｉという半導体/金属/半導体の接合を形成することになるが、実際にはゲルマニウムと鉄の化学反応により、半導体と考えられるＧｅ-Ｆｅ化合物と、シリコンと鉄との化学反応による鉄シリサイド（半導体）が形成されることになるので、半導体/半導体/半導体の接合を形成することになる。このことにより、従来方法であるウェーハボンディング法を利用する場合に比して、第１半導体層と第２半導体層を極めて高確率で接合することができるフォトダイオードを提供することができる。
According to the invention of claim 5, the second semiconductor layer and the iron thin film layer undergo a chemical change to form a compound, and this thin film layer forms a semiconductor layer. As compared with the case where the wafer bonding method is used, it is possible to provide a photodiode capable of bonding the first semiconductor layer and the second semiconductor layer with extremely high probability.
For example, when the second semiconductor layer is formed of germanium (Ge), the photodiode of the present invention forms a Ge / Fe / Si semiconductor / metal / semiconductor junction. In this case, the Ge-Fe compound, which is considered to be a semiconductor, is formed by the chemical reaction between germanium and iron, and the iron silicide (semiconductor) is formed by the chemical reaction between silicon and iron. Will form. As a result, it is possible to provide a photodiode capable of bonding the first semiconductor layer and the second semiconductor layer with a very high probability as compared with the case of using the conventional wafer bonding method.
本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は、本発明に係るフォトダイオードの構造を示す断面図である。
本発明に係るフォトダイオード（１）の基本構造は、図１に示される如く、ｐｎ接合を有するシリコン（Ｓｉ）で形成される第１半導体層（２）と、光吸収層となる第２半導体層（３）とが積層され、第１半導体層（２）と第２半導体層（３）の間に鉄の薄膜層（４）が構成されている。
The best mode for carrying out the present invention will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a photodiode according to the present invention.
As shown in FIG. 1, the basic structure of the photodiode (1) according to the present invention includes a first semiconductor layer (2) formed of silicon (Si) having a pn junction and a second semiconductor serving as a light absorption layer. The layer (3) is laminated, and an iron thin film layer (4) is formed between the first semiconductor layer (2) and the second semiconductor layer (3).
第１半導体層（２）は、上記の如く、ｐｎ接合を有するシリコンにより形成されている。図１で示される第１半導体層（２）は、上方に第１電極部（５）が形成されており、第１電極部（５）の下部にｎ-シリコン層（２１）が形成され、その下部にｐ-シリコン層（２２）が配置され、積層されている。 As described above, the first semiconductor layer (2) is formed of silicon having a pn junction. In the first semiconductor layer (2) shown in FIG. 1, the first electrode part (5) is formed above, and the n-silicon layer (21) is formed below the first electrode part (5). A p-silicon layer (22) is disposed and stacked below the p-silicon layer.
薄膜層（４）は、上記の如く、鉄（Ｆｅ）で形成されている。この薄膜層（４）の厚みは、特に限定されるものではなく、厚さ ５０ｎｍ 〜 １μｍに形成され、より好ましくは、厚さ １００ｎｍ 〜 ５００ｎｍに形成されている。
この鉄による薄膜層（４）を利用することにより、第１半導体層（２）と第２半導体層（３）を極めて効率良く接合させることができる。
特に、第２半導体層（３）がゲルマニウムで形成される場合には、鉄がゲルマニウムと反応し易いことを利用している。この場合、薄膜層（４）の鉄と第２半導体層（３）のゲルマニウムに熱処理を施すことにより、鉄とゲルマニウムとが反応しての化合物を形成する。また一方、第１半導体層（２）側では、鉄とシリコンとが反応して化合物（鉄シリサイド）を形成する。このことにより、第１半導体層（２）と第２半導体層（３）は鉄の薄膜層（４）を介して、ヘテロ接合を容易に形成していることになる。
The thin film layer (4) is formed of iron (Fe) as described above. The thickness of the thin film layer (4) is not particularly limited, and is formed to a thickness of 50 nm to 1 μm, and more preferably, a thickness of 100 nm to 500 nm.
By using the thin film layer (4) made of iron, the first semiconductor layer (2) and the second semiconductor layer (3) can be joined very efficiently.
In particular, when the second semiconductor layer (3) is formed of germanium, it is utilized that iron easily reacts with germanium. In this case, a heat treatment is performed on the iron of the thin film layer (4) and the germanium of the second semiconductor layer (3) to form a compound in which iron and germanium react. On the other hand, on the first semiconductor layer (2) side, iron and silicon react to form a compound (iron silicide). As a result, the first semiconductor layer (2) and the second semiconductor layer (3) easily form a heterojunction through the iron thin film layer (4).
第２半導体層（３）は、第１半導体層（２）のシリコンとは異なる材料で形成されている。この第２半導体層（３）は、第１電極部（５）側から入射される光を吸収する光吸収層となることに鑑み、この第２半導体層（３）は、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）、インジウムヒ素（ＩｎＡｓ）、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）からなる群のうちからいずれか一つの材料を利用して形成される。図１では、この第２半導体層（３）にゲルマニウムが利用されている。
特に、第２半導体層（３）がゲルマニウムで形成される場合には、Ｇｅ/Ｆｅ/Ｓｉという半導体/金属/半導体の接合を形成することになるが、実際にはゲルマニウムと鉄の化学反応により、半導体と考えられるＧｅ-Ｆｅ化合物と、シリコンと鉄との化学反応による半導体シリサイドが形成されることになるので、半導体/半導体/半導体の接合を形成することになる。このことにより、従来方法であるウェーハボンディング法を利用する場合に比して、第１半導体層（２）と第２半導体層（３）を極めて高確率で接合することができるフォトダイオードを提供することができる。
第２半導体層（３）が波長１．８μｍ以下の光を吸収することができるガリウムアンチモンで形成される場合であれば、上記と同様に鉄との化合物を形成することにより、鉄シリサイドとの接合を形成することとなり、従来方法であるウェーハボンディング法を利用する場合に比して、第１半導体層（２）と第２半導体層（３）を極めて高確率で接合することができるフォトダイオードを提供することができる。
第２半導体層（３）が波長３．１μｍ以下の光を吸収することができるインジウムヒ素で形成される場合であれば、上記と同様に鉄との化合物を形成することにより、鉄シリサイドとの接合を形成することとなり、従来方法であるウェーハボンディング法を利用する場合に比して、第１半導体層（２）と第２半導体層（３）を極めて高確率で接合することができるフォトダイオードを提供することができる。
第２半導体層（３）が波長５．５μｍ以下の光を吸収することができるインジウムアンチモンで形成される場合であれば、上記と同様に鉄との化合物を形成することにより、鉄シリサイドとの接合を形成することとなり、従来方法であるウェーハボンディング法を利用する場合に比して、第１半導体層（２）と第２半導体層（３）を極めて高確率で接合することができるフォトダイオードを提供することができる。
さらに、第２半導体層（３）が、その組成を変化することにより、吸収波長の最長波長を３．１μｍまで、任意に変化させることができるインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）で形成される場合であれば、上記と同様に鉄との化合物を形成することにより、鉄シリサイドとの接合を形成することとなり、従来方法であるウェーハボンディング法を利用する場合に比して、第１半導体層（２）と第２半導体層（３）を極めて高確率で接合することができるフォトダイオードを提供することができる。
尚、図１で示される如く、第２半導体層（３）の下部には、第２電極部（６）が形成されている。
以上が本発明に係るフォトダイオード（１）の構成である。
The second semiconductor layer (3) is formed of a material different from the silicon of the first semiconductor layer (2). In view of the fact that this second semiconductor layer (3) becomes a light absorption layer that absorbs light incident from the first electrode portion (5) side, this second semiconductor layer (3) is made of germanium (Ge), It is formed using any one material from the group consisting of gallium antimony (GaSb), indium arsenic (InAs), and indium antimony (InSb). In FIG. 1, germanium is used for the second semiconductor layer (3).
In particular, when the second semiconductor layer (3) is formed of germanium, a Ge / Fe / Si semiconductor / metal / semiconductor junction is formed, but in reality, it is caused by a chemical reaction between germanium and iron. Since a semiconductor silicide is formed by a chemical reaction between silicon and iron, and a Ge—Fe compound considered to be a semiconductor, a semiconductor / semiconductor / semiconductor junction is formed. This provides a photodiode capable of bonding the first semiconductor layer (2) and the second semiconductor layer (3) with a very high probability as compared with the case of using the conventional wafer bonding method. be able to.
In the case where the second semiconductor layer (3) is formed of gallium antimony capable of absorbing light having a wavelength of 1.8 μm or less, by forming a compound with iron in the same manner as described above, A photodiode that can form a bond and can bond the first semiconductor layer (2) and the second semiconductor layer (3) with a very high probability as compared to the case of using the conventional wafer bonding method. Can be provided.
In the case where the second semiconductor layer (3) is formed of indium arsenic capable of absorbing light having a wavelength of 3.1 μm or less, a compound with iron is formed in the same manner as described above to form an iron silicide. A photodiode that can form a bond and can bond the first semiconductor layer (2) and the second semiconductor layer (3) with a very high probability as compared to the case of using the conventional wafer bonding method. Can be provided.
If the second semiconductor layer (3) is formed of indium antimony capable of absorbing light having a wavelength of 5.5 μm or less, by forming a compound with iron in the same manner as described above, A photodiode that can form a bond and can bond the first semiconductor layer (2) and the second semiconductor layer (3) with a very high probability as compared to the case of using the conventional wafer bonding method. Can be provided.
In addition, the second semiconductor layer (3) may be formed of indium gallium arsenide (InGaAs) that can arbitrarily change the longest absorption wavelength to 3.1 μm by changing its composition. For example, by forming a compound with iron in the same manner as described above, a bond with iron silicide is formed, and compared with the case where the conventional wafer bonding method is used, the first semiconductor layer (2). It is possible to provide a photodiode that can join the second semiconductor layer (3) with a very high probability.
As shown in FIG. 1, a second electrode portion (6) is formed below the second semiconductor layer (3).
The above is the configuration of the photodiode (1) according to the present invention.
次に、本発明に係るフォトダイオード（１）の製造方法について説明する。
図２は、本発明に係るフォトダイオードの製造工程を示すフロー図である。
尚、第２半導体層（３）にゲルマニウムを利用する場合のフォトダイオード（１）を作成するための第１半導体層（２）と第２半導体層（３）を準備する。この場合、第１半導体層（２）はシリコンを利用し、第２半導体層（３）にゲルマニウムを利用する。
Next, a method for manufacturing the photodiode (1) according to the present invention will be described.
FIG. 2 is a flowchart showing the manufacturing process of the photodiode according to the present invention.
A first semiconductor layer (2) and a second semiconductor layer (3) for preparing a photodiode (1) when germanium is used for the second semiconductor layer (3) are prepared. In this case, the first semiconductor layer (2) uses silicon, and the second semiconductor layer (3) uses germanium.
まず、第１半導体層（２）となるシリコンと、第２半導体層（３）となるゲルマニウムを適切な大きさにカットし、シリコン基板（１１）とゲルマニウム基板（１２）を作成する。
次に、夫々の基板（１１、１２）の表面に存在するゴミ、金属汚染、有機汚染、油脂や自然酸化膜等を洗浄して取り除く（図２の（ａ）の工程）。この洗浄方法は、特に限定されず、従来の方法を例示することができる。
First, silicon to be the first semiconductor layer (2) and germanium to be the second semiconductor layer (3) are cut to an appropriate size to produce a silicon substrate (11) and a germanium substrate (12).
Next, dust, metal contamination, organic contamination, oil and fat, natural oxide film, etc. present on the surface of each substrate (11, 12) are removed by washing (step (a) in FIG. 2). This cleaning method is not particularly limited, and a conventional method can be exemplified.
次に、各基板（１１，１２）が洗浄された後、鉄の薄膜層（４）が形成される。この薄膜層（４）は、ゲルマニウム基板（１２）表面及びシリコン基板（１１）の表面又は、どちらか一方の表面に形成される。尚、図２で示される（ｂ）の工程では、シリコン層（１１）に薄膜層（４）が形成されている。
この薄膜層（４）が基板に形成される方法は、真空蒸着方法によって基板表面に薄膜層（４）を蒸着してもよいし、鍍金処理方法によって基板表面に薄膜層（４）を形成してもよい。
このとき、図２の（ｂ）の工程では、シリコンと鉄が蒸着（高温処理）されることになり、Ｓｉ-Ｆｅの化合物が薄膜層（４）とシリコン基板（１１）の境界で生成されることになる。
尚、薄膜層（４）を蒸着させた場合には、アセトン中で超音波洗浄し、薄膜層（４）が蒸着された基板の表面の汚れや異物を除去する。
Next, after each substrate (11, 12) is cleaned, an iron thin film layer (4) is formed. The thin film layer (4) is formed on the surface of the germanium substrate (12) and / or the surface of the silicon substrate (11). In the step (b) shown in FIG. 2, a thin film layer (4) is formed on the silicon layer (11).
The thin film layer (4) may be formed on the substrate by vapor deposition of the thin film layer (4) on the substrate surface, or by forming a thin film layer (4) on the substrate surface by a plating method. May be.
At this time, in the process of FIG. 2B, silicon and iron are deposited (high temperature treatment), and a Si—Fe compound is generated at the boundary between the thin film layer (4) and the silicon substrate (11). Will be.
When the thin film layer (4) is vapor-deposited, ultrasonic cleaning is performed in acetone to remove dirt and foreign matter on the surface of the substrate on which the thin film layer (4) is vapor-deposited.
薄膜層（４）が形成されると、この薄膜層（４）を境界面として、シリコン基板（１１）とゲルマニウム基板（１２）を接合させる（図２中の（ｃ）の工程）。
このとき、薄膜層（４）を介してシリコン基板（１１）とゲルマニウム基板（１２）を接触させ、ウェーハボンディング法によって熱処理されることになるので、薄膜層（４）の鉄とゲルマニウム基板（１２）のゲルマニウムが化学反応を起こして化合物を形成することになり、確実に接合することになる。
When the thin film layer (4) is formed, the silicon substrate (11) and the germanium substrate (12) are bonded using the thin film layer (4) as a boundary surface (step (c) in FIG. 2).
At this time, since the silicon substrate (11) and the germanium substrate (12) are brought into contact with each other through the thin film layer (4) and are heat-treated by the wafer bonding method, the iron and germanium substrate (12) of the thin film layer (4) are processed. ) Will cause a chemical reaction to form a compound, which will ensure bonding.
第１半導体層（２）のシリコン基板（１１）と第２半導体層（３）のゲルマニウム基板（１２）が接触した後には、このフォトダイオード（１）を更に熱処理冶具を利用して、荷重を負荷して熱処理を行い、より確実に接合を促進させる。
この場合の熱処理温度は、８００〜９００℃で、処理時間は、１〜２時間が好ましい。
以上が本発明に係るフォトダイオード（１）の製造方法である。
After the silicon substrate (11) of the first semiconductor layer (2) and the germanium substrate (12) of the second semiconductor layer (3) are in contact, the photodiode (1) is further subjected to a load using a heat treatment jig. Heat treatment is performed under load to promote bonding more reliably.
In this case, the heat treatment temperature is preferably 800 to 900 ° C., and the treatment time is preferably 1 to 2 hours.
The above is the manufacturing method of the photodiode (1) according to the present invention.
（実施例）
次に、本発明に係るフォトダイオード製造方法により、製造されたフォトダイオード（１）を利用して、第１半導体層（２）のシリコン（Ｓｉ）と薄膜層（４）の鉄（Ｆｅ）及び、第２半導体層（３）のゲルマニウム（Ｇｅ）と薄膜層（４）の鉄（Ｆｅ）が結晶学的にはり合わせられたことを確認するために、第１半導体層（２）から光を入射させ、このフォトダイオード（１）に電流が生じるか否かの実験を行った。
この実験は、図３で示す如く、回路基板（７１）上にフォトダイオード（１）を導電性ペースト（７１）配置している。また、回路基板（７１）の表面から銅線（７３）によってフォトダイオード（１）の第１半導体層（２）の上側表面（第１電極部）と接続する。
このように、設定することにより、シリコン基板の第１半導体層（２）を透過した光が、第２半導体層（３）のゲルマニウム基板で吸収され、この第２半導体層（３）で電子又は正孔が界面を横切って流れることになる。このように電子又は正孔が流れることにより、光電流を観測することができるようになる。この光電流を測定することで、電流が生じるか否かを検討することができる。
尚、電子が流れるか正孔が流れるかは、ゲルマニウム及びシリコンの伝導型（ｎ型又はｐ型）に依存する。
図４では、本発明に係るフォトダイオードを利用した場合の光の波長１．３又は１．５５μｍの光を利用した際の光電流の流れの変化を示す。
この図４で示す如く、１．３又は１．５５μｍの光を入射させることにより、光電流が流れ出すことがわかった。これらの光はゲルマニウム、鉄とゲルマニウムの化合物、あるいは鉄シリサイドで吸収され、電子又は正孔を発生させる。発生した電子又は正孔は接合を横切り光電流として寄与している。すなわちこの実験結果から、ゲルマニウムとシリコンの界面に形成された鉄は、鉄とゲルマニウムの化合物および鉄シリサイドを形成してこれらを接合し、金属としての鉄は残っていないか、残っているとしてもトンネル電流を発生させるほど薄くなっていることが分かる。これにより、本発明の有用性が示される。
(Example)
Next, using the photodiode (1) manufactured by the photodiode manufacturing method according to the present invention, silicon (Si) of the first semiconductor layer (2) and iron (Fe) of the thin film layer (4) and In order to confirm that germanium (Ge) of the second semiconductor layer (3) and iron (Fe) of the thin film layer (4) are crystallographically bonded, light is emitted from the first semiconductor layer (2). An experiment was conducted to determine whether or not current was generated in the photodiode (1).
In this experiment, as shown in FIG. 3, a photodiode (1) is placed on a circuit board (71) with a conductive paste (71). Moreover, it connects with the upper surface (1st electrode part) of the 1st semiconductor layer (2) of a photodiode (1) by the copper wire (73) from the surface of a circuit board (71).
Thus, by setting, the light transmitted through the first semiconductor layer (2) of the silicon substrate is absorbed by the germanium substrate of the second semiconductor layer (3), and electrons or electrons are absorbed by the second semiconductor layer (3). Holes will flow across the interface. Thus, when an electron or a hole flows, a photocurrent can be observed. By measuring this photocurrent, it can be examined whether or not a current is generated.
Whether electrons or holes flow depends on the conductivity type (n-type or p-type) of germanium and silicon.
FIG. 4 shows changes in the flow of photocurrent when light having a wavelength of 1.3 or 1.55 μm is used when the photodiode according to the present invention is used.
As shown in FIG. 4, it was found that photocurrent flowed out when 1.3 or 1.55 μm light was incident. These lights are absorbed by germanium, a compound of iron and germanium, or iron silicide, and generate electrons or holes. The generated electrons or holes cross the junction and contribute as a photocurrent. That is, from this experimental result, the iron formed at the interface between germanium and silicon forms a compound of iron and germanium and iron silicide and joins them, and even if iron as a metal remains or remains It can be seen that it is thin enough to generate a tunnel current. This demonstrates the utility of the present invention.
１・・・・・フォトダイオード
２・・・・・第１半導体層
３・・・・・第２半導体層
４・・・・・薄膜層
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第１半導体層及び／又は前記第２半導体層の接合面側に、鉄（Ｆｅ）の薄膜層を形成し、
前記鉄の薄膜層を境界面とし、前記第１半導体層と前記第２半導体層を接合させることを特徴とするフォトダイオード製造方法。 A photodiode manufacturing method for manufacturing a photodiode having a first semiconductor layer formed of silicon (Si) having a pn junction and a second semiconductor layer stacked on the first semiconductor layer,
Forming a thin film layer of iron (Fe) on the bonding surface side of the first semiconductor layer and / or the second semiconductor layer;
A method for manufacturing a photodiode, comprising using the iron thin film layer as a boundary surface, and bonding the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
前記第１半導体層及び第２半導体層間に鉄（Ｆｅ）の薄膜層が配置されて、加熱接合されてなることを特徴とするフォトダイオード。 A photodiode having a first semiconductor layer formed of silicon (Si) having a pn junction and a second semiconductor layer stacked on the first semiconductor layer,
A photodiode comprising a thin film layer of iron (Fe) disposed between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer and heat-bonded.
The second semiconductor layer is selected from the group consisting of germanium (Ge), gallium antimony (GaSb), indium arsenic (InAs), indium antimony (InSb), and InGaAs (indium gallium arsenide). The photodiode according to claim 4.
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