JP2748917B2 - 半導体装置 - Google Patents
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光検出器として用
いられる半導体装置に関し、特にシリコン・ゲルマニウ
ム・エピタキシャル層を用いたフォトダイオード部の構
造に関するものである。
いられる半導体装置に関し、特にシリコン・ゲルマニウ
ム・エピタキシャル層を用いたフォトダイオード部の構
造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、光通信システムに用いられる光
検出器としては、III−Ｖ 系化合物、例えばＩｎＧａＡ
ｓＰ等を材料として用いたフォトダイオードが広く用い
られている。その一方、シリコンプロセスとの整合性が
よいという点で、シリコン・ゲルマニウム（以下、Ｓｉ
Ｇｅと記す）を光吸収層に用いたフォトダイオードの開
発も行われている。
検出器としては、III−Ｖ 系化合物、例えばＩｎＧａＡ
ｓＰ等を材料として用いたフォトダイオードが広く用い
られている。その一方、シリコンプロセスとの整合性が
よいという点で、シリコン・ゲルマニウム（以下、Ｓｉ
Ｇｅと記す）を光吸収層に用いたフォトダイオードの開
発も行われている。
【０００３】ところで、シリコン（以下、Ｓｉと記す）
基板上へのＳｉＧｅ成長の問題点は、その大きな格子不
整合によって結晶欠陥が発生することである。ここで、
ＢＯＸ型ＳｉＧｅ成長の臨界膜厚に関して、米国特許N
o.4,529,455にその成長方法が述べられている。そこ
で、光吸収層であるＳｉＧｅ層の膜厚を厚くすることに
よる上記問題点の解決策として、J.C.Beanらの特開昭６
２−１６５９８０号公報において、Ｓｉ層とＳｉＧｅ層
を交互に積層した、いわゆるＳｉ／ＳｉＧｅ超格子層を
用いたフォトダイオードに関する技術が開示されてい
る。このデバイスでは超格子構造を採ることによってＳ
ｉＧｅからなる光吸収層の総膜厚を厚くすることが可能
となり、光−電気変換効率を向上させることができる。
また、ＳｉＧｅの成長方法については、K.J.Lindbergら
の特開平１−１４４６１７号公報に超格子層の連続成長
方法が開示されている。
基板上へのＳｉＧｅ成長の問題点は、その大きな格子不
整合によって結晶欠陥が発生することである。ここで、
ＢＯＸ型ＳｉＧｅ成長の臨界膜厚に関して、米国特許N
o.4,529,455にその成長方法が述べられている。そこ
で、光吸収層であるＳｉＧｅ層の膜厚を厚くすることに
よる上記問題点の解決策として、J.C.Beanらの特開昭６
２−１６５９８０号公報において、Ｓｉ層とＳｉＧｅ層
を交互に積層した、いわゆるＳｉ／ＳｉＧｅ超格子層を
用いたフォトダイオードに関する技術が開示されてい
る。このデバイスでは超格子構造を採ることによってＳ
ｉＧｅからなる光吸収層の総膜厚を厚くすることが可能
となり、光−電気変換効率を向上させることができる。
また、ＳｉＧｅの成長方法については、K.J.Lindbergら
の特開平１−１４４６１７号公報に超格子層の連続成長
方法が開示されている。
【０００４】図６は、J.C.Beanらによる光検出器のデバ
イス構成を示す断面図である。このデバイスは、Ｐ+ 型
シリコン基板１上にＳｉ／ＳｉＧｅの超格子層３を成長
させ、さらにＮ+ 型シリコンコンタクト層５を成長させ
ることでダイオードを形成している。この構造におい
て、逆方向に電圧を印加することで光吸収層であるＳｉ
／ＳｉＧｅ超格子層３が空乏化し、入射した光を電気に
変換する構成となっている。また、図中にはその超格子
層３中のＧｅの濃度分布を同時に示すが、そのプロファ
イルはＢＯＸ型となっている。超格子構造にすることで
単層で積むよりも光吸収層の総膜厚を厚くできるので、
光の受光面積を大きく取ることが可能となり、量子効率
を増加することができる。
イス構成を示す断面図である。このデバイスは、Ｐ+ 型
シリコン基板１上にＳｉ／ＳｉＧｅの超格子層３を成長
させ、さらにＮ+ 型シリコンコンタクト層５を成長させ
ることでダイオードを形成している。この構造におい
て、逆方向に電圧を印加することで光吸収層であるＳｉ
／ＳｉＧｅ超格子層３が空乏化し、入射した光を電気に
変換する構成となっている。また、図中にはその超格子
層３中のＧｅの濃度分布を同時に示すが、そのプロファ
イルはＢＯＸ型となっている。超格子構造にすることで
単層で積むよりも光吸収層の総膜厚を厚くできるので、
光の受光面積を大きく取ることが可能となり、量子効率
を増加することができる。
【０００５】また、図７は、K.J.Lindbergらの成長方法
によるＳｉＧｅエピタキシャル層８中のＧｅの濃度プロ
ファイルを示す。装置内のガス流量の変化によって周期
的な濃度プロファイルの変化を作ることができ、より厚
膜のＳｉＧｅ層を成長させることができる。
によるＳｉＧｅエピタキシャル層８中のＧｅの濃度プロ
ファイルを示す。装置内のガス流量の変化によって周期
的な濃度プロファイルの変化を作ることができ、より厚
膜のＳｉＧｅ層を成長させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の超格子層を用いたフォトダイオードにおいては、以
下のような問題点があった。まず、第１の問題点は、前
述のJ.C.Beanらによるデバイスの超格子構造では、Ｓｉ
／ＳｉＧｅ層の成長速度が遅いため、生産性が低いとい
う点である。その理由は、ＳｉＧｅ層中のＧｅ濃度プロ
ファイルがＢＯＸ型だからであり、ＳｉＧｅ層の間に極
めて成長速度の遅いＳｉ層を成長させなければならない
からである。次に、第２の問題点は、K.J.Lindbergらの
成長方法による超格子構造では、成長後のプロセス中の
熱処理に非常に弱く、リーク電流が発生しやすいという
点である。その理由は、厚いＳｉＧｅ層が連続して成長
しているため、格子不整合による結晶欠陥が発生しやす
いからである。
来の超格子層を用いたフォトダイオードにおいては、以
下のような問題点があった。まず、第１の問題点は、前
述のJ.C.Beanらによるデバイスの超格子構造では、Ｓｉ
／ＳｉＧｅ層の成長速度が遅いため、生産性が低いとい
う点である。その理由は、ＳｉＧｅ層中のＧｅ濃度プロ
ファイルがＢＯＸ型だからであり、ＳｉＧｅ層の間に極
めて成長速度の遅いＳｉ層を成長させなければならない
からである。次に、第２の問題点は、K.J.Lindbergらの
成長方法による超格子構造では、成長後のプロセス中の
熱処理に非常に弱く、リーク電流が発生しやすいという
点である。その理由は、厚いＳｉＧｅ層が連続して成長
しているため、格子不整合による結晶欠陥が発生しやす
いからである。
【０００７】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであって、ＳｉＧｅ層を用いたフォトダイオ
ード部の光吸収層の膜厚を厚くすることで光−電気変換
効率を向上させ、かつ、生産性の向上を可能にする半導
体装置を提供することを目的とする。
されたものであって、ＳｉＧｅ層を用いたフォトダイオ
ード部の光吸収層の膜厚を厚くすることで光−電気変換
効率を向上させ、かつ、生産性の向上を可能にする半導
体装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の半導体装置は、シリコン基板上に順次積
層された第１のシリコン層、光吸収層、第２のシリコン
層を有するフォトダイオード部を含み、光検出器として
用いられる半導体装置において、光吸収層が、単層のＳ
ｉＧｅエピタキシャル層で形成され、ＳｉＧｅエピタキ
シャル層中のＧｅ濃度分布が、層上部と層下部の各Ｓｉ
層との界面での濃度が０であり、層中央部で濃度のピー
ク値を持つ三角形型の濃度プロファイルとなっているこ
とを特徴とするものである。また、本発明の他の半導体
装置は、光吸収層が、Ｓｉエピタキシャル層とＳｉＧｅ
エピタキシャル層が交互に積層されたＳｉ／ＳｉＧｅ超
格子層で形成され、Ｓｉ／ＳｉＧｅ超格子層を構成する
各ＳｉＧｅエピタキシャル層中のＧｅ濃度分布が、層上
部と層下部の各Ｓｉエピタキシャル層との界面での濃度
が０であり、層中央部で濃度のピーク値を持つ三角形型
の濃度プロファイルとなっていることを特徴とするもの
である。
めに、本発明の半導体装置は、シリコン基板上に順次積
層された第１のシリコン層、光吸収層、第２のシリコン
層を有するフォトダイオード部を含み、光検出器として
用いられる半導体装置において、光吸収層が、単層のＳ
ｉＧｅエピタキシャル層で形成され、ＳｉＧｅエピタキ
シャル層中のＧｅ濃度分布が、層上部と層下部の各Ｓｉ
層との界面での濃度が０であり、層中央部で濃度のピー
ク値を持つ三角形型の濃度プロファイルとなっているこ
とを特徴とするものである。また、本発明の他の半導体
装置は、光吸収層が、Ｓｉエピタキシャル層とＳｉＧｅ
エピタキシャル層が交互に積層されたＳｉ／ＳｉＧｅ超
格子層で形成され、Ｓｉ／ＳｉＧｅ超格子層を構成する
各ＳｉＧｅエピタキシャル層中のＧｅ濃度分布が、層上
部と層下部の各Ｓｉエピタキシャル層との界面での濃度
が０であり、層中央部で濃度のピーク値を持つ三角形型
の濃度プロファイルとなっていることを特徴とするもの
である。
【０００９】そして、前記第１のシリコン層および第２
のシリコン層をノンドープ層で形成してもよい。また、
前記フォトダイオード部がメサ構造、プレーナ構造のい
ずれであってもよい。さらに、前記ＳｉＧｅエピタキシ
ャル層中のＧｅ濃度分布における濃度のピーク値を、少
なくとも８原子重量％以上とすることが望ましい。
のシリコン層をノンドープ層で形成してもよい。また、
前記フォトダイオード部がメサ構造、プレーナ構造のい
ずれであってもよい。さらに、前記ＳｉＧｅエピタキシ
ャル層中のＧｅ濃度分布における濃度のピーク値を、少
なくとも８原子重量％以上とすることが望ましい。
【００１０】本発明の半導体装置においては、光吸収層
を構成するＳｉＧｅエピタキシャル層中のＧｅ濃度分布
が三角形型であるため、濃度が低い部分はそれなりに光
吸収を行い、濃度がある程度高い部分は充分に光吸収に
寄与するため、実質的なＳｉＧｅエピタキシャル層の厚
膜化が図れるのと同じ効果がある。また、単層のＳｉＧ
ｅエピタキシャル層を形成する場合、その成長速度はＳ
ｉエピタキシャル層の成長速度より速いため、生産性を
向上させることができる。また、光吸収層にＳｉ／Ｓｉ
Ｇｅ超格子層を適用した場合、ＳｉＧｅエピタキシャル
層部分の実質的な厚膜化と同時に、各ＳｉＧｅエピタキ
シャル層間に必ずＳｉエピタキシャル層が介在するた
め、厚膜化による結晶欠陥の発生を抑制して、リーク電
流の発生を低減することができる。
を構成するＳｉＧｅエピタキシャル層中のＧｅ濃度分布
が三角形型であるため、濃度が低い部分はそれなりに光
吸収を行い、濃度がある程度高い部分は充分に光吸収に
寄与するため、実質的なＳｉＧｅエピタキシャル層の厚
膜化が図れるのと同じ効果がある。また、単層のＳｉＧ
ｅエピタキシャル層を形成する場合、その成長速度はＳ
ｉエピタキシャル層の成長速度より速いため、生産性を
向上させることができる。また、光吸収層にＳｉ／Ｓｉ
Ｇｅ超格子層を適用した場合、ＳｉＧｅエピタキシャル
層部分の実質的な厚膜化と同時に、各ＳｉＧｅエピタキ
シャル層間に必ずＳｉエピタキシャル層が介在するた
め、厚膜化による結晶欠陥の発生を抑制して、リーク電
流の発生を低減することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
を図１および図２を参照して説明する。図１（ａ）は本
実施の形態の半導体装置の断面図であって、この半導体
装置１１は、フォトダイオード部がＰ+ 型シリコン基板
上にメサ構造で形成された形の光検出器を構成してい
る。
を図１および図２を参照して説明する。図１（ａ）は本
実施の形態の半導体装置の断面図であって、この半導体
装置１１は、フォトダイオード部がＰ+ 型シリコン基板
上にメサ構造で形成された形の光検出器を構成してい
る。
【００１２】図１（ａ）に示すように、Ｐ+ 型シリコン
基板１２上に下部シリコン層１３（第１のシリコン層）
が形成され、その上にＳｉＧｅエピタキシャル層１４
（光吸収層）、上部シリコン層１５（第２のシリコン
層）、Ｎ+ 型シリコンコンタクト層１６が順次形成され
るとともに、Ｎ+ 型シリコンコンタクト層１６から下部
シリコン層１３の上部までがメサ状の形状となってい
る。そして、これらがシリコン酸化膜１７によって被覆
され、コンタクト１８が開口された上で、Ｎ+ 型シリコ
ンコンタクト層１６に接するアルミ電極１９が設けられ
ている。また、光を導入する端面には、シリコンチップ
を劈開することによって得られる劈開面を用いている。
基板１２上に下部シリコン層１３（第１のシリコン層）
が形成され、その上にＳｉＧｅエピタキシャル層１４
（光吸収層）、上部シリコン層１５（第２のシリコン
層）、Ｎ+ 型シリコンコンタクト層１６が順次形成され
るとともに、Ｎ+ 型シリコンコンタクト層１６から下部
シリコン層１３の上部までがメサ状の形状となってい
る。そして、これらがシリコン酸化膜１７によって被覆
され、コンタクト１８が開口された上で、Ｎ+ 型シリコ
ンコンタクト層１６に接するアルミ電極１９が設けられ
ている。また、光を導入する端面には、シリコンチップ
を劈開することによって得られる劈開面を用いている。
【００１３】図１（ｂ）はフォトダイオード部の光吸収
層の深さとＧｅ濃度の関係を示すグラフである。この図
に示すように、ＳｉＧｅエピタキシャル層１４のＧｅ濃
度分布は、上部シリコン層１５、下部シリコン層１３と
の界面における濃度が０で、中心部に濃度のピーク値を
持つ三角形型となっている。
層の深さとＧｅ濃度の関係を示すグラフである。この図
に示すように、ＳｉＧｅエピタキシャル層１４のＧｅ濃
度分布は、上部シリコン層１５、下部シリコン層１３と
の界面における濃度が０で、中心部に濃度のピーク値を
持つ三角形型となっている。
【００１４】次に、この半導体装置の製造工程について
図２を用いて説明する。まず、図２（ａ）に示すよう
に、Ｐ+ 型シリコン基板１２上に下部シリコン層１３を
約１．０μｍ成長させた後、ＳｉＧｅエピタキシャル層
１４を、例えば１．０μｍ厚までＧｅ濃度を単調に増加
させつつ成長させ、そこから２．０μｍ厚まではＧｅ濃
度を単調に減少させつつ成長させると、図１（ｂ）に示
したような三角形型の濃度分布が得られる。次に、上部
シリコン層１５を約１．０μｍ成長させた後、Ｎ+ 型シ
リコンコンタクト層１６を成長させる。
図２を用いて説明する。まず、図２（ａ）に示すよう
に、Ｐ+ 型シリコン基板１２上に下部シリコン層１３を
約１．０μｍ成長させた後、ＳｉＧｅエピタキシャル層
１４を、例えば１．０μｍ厚までＧｅ濃度を単調に増加
させつつ成長させ、そこから２．０μｍ厚まではＧｅ濃
度を単調に減少させつつ成長させると、図１（ｂ）に示
したような三角形型の濃度分布が得られる。次に、上部
シリコン層１５を約１．０μｍ成長させた後、Ｎ+ 型シ
リコンコンタクト層１６を成長させる。
【００１５】その後、図２（ｂ）に示すように、フォト
ダイオード部を形成する領域を残すように、表面のＮ+
型シリコンコンタクト層１６から下部シリコン層１３に
達するまでメサ状にエッチングを行い、ついで、全体に
シリコン酸化膜１７を被膜する。そして、Ｎ+ 型シリコ
ンコンタクト層１６上のシリコン酸化膜１７を部分的に
開口した後、上部電極としてアルミ電極１９を形成す
る。その後、光の入射面を出すためにフォトダイオード
部の一部分から劈開することによって、図１（ａ）に示
すような半導体装置１１が完成する。
ダイオード部を形成する領域を残すように、表面のＮ+
型シリコンコンタクト層１６から下部シリコン層１３に
達するまでメサ状にエッチングを行い、ついで、全体に
シリコン酸化膜１７を被膜する。そして、Ｎ+ 型シリコ
ンコンタクト層１６上のシリコン酸化膜１７を部分的に
開口した後、上部電極としてアルミ電極１９を形成す
る。その後、光の入射面を出すためにフォトダイオード
部の一部分から劈開することによって、図１（ａ）に示
すような半導体装置１１が完成する。
【００１６】次に、本実施の形態の半導体装置１１の動
作について詳細に説明する。上述したように、ＳｉＧｅ
層中のＧｅ濃度が大きい程、シリコンとの格子不整合が
大きいため、ＳｉＧｅ層中に結晶欠陥が発生しやすくな
り、臨界膜厚が薄くなる。そこで、本実施の形態の場
合、図１（ｂ）に示すように、シリコン層１３、１５と
の界面から中心部に向けてＧｅ濃度が徐々に増加するよ
うな構造になっているため、ＢＯＸ型の場合よりもシリ
コン層との界面における格子不整合が極めて緩和され、
実質的なＳｉＧｅ膜厚を増加させることができる。その
結果、光の受光断面積が大きくなり、光−電気変換効率
を向上させることができる。また、ＳｉＧｅエピタキシ
ャル層１４を成長させる場合、シリコン層を成長させる
よりもその成長速度が速いため、ＢＯＸ型の濃度分布を
持つ従来の光検出器に比べて生産性を向上させることが
できる。
作について詳細に説明する。上述したように、ＳｉＧｅ
層中のＧｅ濃度が大きい程、シリコンとの格子不整合が
大きいため、ＳｉＧｅ層中に結晶欠陥が発生しやすくな
り、臨界膜厚が薄くなる。そこで、本実施の形態の場
合、図１（ｂ）に示すように、シリコン層１３、１５と
の界面から中心部に向けてＧｅ濃度が徐々に増加するよ
うな構造になっているため、ＢＯＸ型の場合よりもシリ
コン層との界面における格子不整合が極めて緩和され、
実質的なＳｉＧｅ膜厚を増加させることができる。その
結果、光の受光断面積が大きくなり、光−電気変換効率
を向上させることができる。また、ＳｉＧｅエピタキシ
ャル層１４を成長させる場合、シリコン層を成長させる
よりもその成長速度が速いため、ＢＯＸ型の濃度分布を
持つ従来の光検出器に比べて生産性を向上させることが
できる。
【００１７】ところで、光の入射源となる光ファイバ中
を光が伝わる時には、図３（ａ）に示すように、光はあ
る一定の強度分布を持っている。これは、クラッド層よ
りコア部の屈折率が高いことにより光が閉じ込められて
いるのである。ところが、本実施の形態のように、フォ
トダイオード部のＳｉＧｅエピタキシャル層１４中に三
角形型のＧｅ濃度分布を持つ場合も、図３（ｂ）に示す
ように、ＳｉＧｅエピタキシャル層中のＧｅの含有率を
ｘとすると、屈折率ｎがｎ＝３．５＋０．３８ｘで示さ
れるような屈折率分布を持つことになる。したがって、
本実施の形態の半導体装置１１も屈折率が最も高いとこ
ろを中心に光を閉じ込める効果を充分に持っており、光
ファイバとの整合性が良い。また、ＳｉＧｅエピタキシ
ャル層１４の直下と直上の層に屈折率の低いシリコン層
を成長させた場合が光の閉じ込め効果が最も高くなる。
さらに、ＳｉＧｅエピタキシャル層１４の直下と直上の
シリコン層１３、１５が不純物が導入されていない、い
わゆるノンドープ層であると、屈折率差はより大きくな
り、光の閉じ込め効果も大きくなる。
を光が伝わる時には、図３（ａ）に示すように、光はあ
る一定の強度分布を持っている。これは、クラッド層よ
りコア部の屈折率が高いことにより光が閉じ込められて
いるのである。ところが、本実施の形態のように、フォ
トダイオード部のＳｉＧｅエピタキシャル層１４中に三
角形型のＧｅ濃度分布を持つ場合も、図３（ｂ）に示す
ように、ＳｉＧｅエピタキシャル層中のＧｅの含有率を
ｘとすると、屈折率ｎがｎ＝３．５＋０．３８ｘで示さ
れるような屈折率分布を持つことになる。したがって、
本実施の形態の半導体装置１１も屈折率が最も高いとこ
ろを中心に光を閉じ込める効果を充分に持っており、光
ファイバとの整合性が良い。また、ＳｉＧｅエピタキシ
ャル層１４の直下と直上の層に屈折率の低いシリコン層
を成長させた場合が光の閉じ込め効果が最も高くなる。
さらに、ＳｉＧｅエピタキシャル層１４の直下と直上の
シリコン層１３、１５が不純物が導入されていない、い
わゆるノンドープ層であると、屈折率差はより大きくな
り、光の閉じ込め効果も大きくなる。
【００１８】ところで、光通信の分野では、光ファイバ
の特性に合わせて０．９８μｍ帯、１．３μｍ帯、１．
５５μｍ帯等の波長を持つ光が使用される。そこで、本
実施の形態の半導体装置１１の構造を用いて、ＳｉＧｅ
エピタキシャル層１４中のＧｅ濃度のピーク値を変えた
ときのフォトダイオードの感度を実際に評価した。その
結果、例えば０．９８μｍ帯の光を用いた時にフォトダ
イオードの感度を実用的なレベルである量子効率１０％
以上とするためには、Ｇｅ濃度のピーク値を少なくとも
８原子重量％以上とする必要がある、ということがわか
った。また、さらに長波長側の光を使用する場合には、
Ｇｅ濃度のピーク値をより高濃度側に設定する必要があ
ることがわかった。
の特性に合わせて０．９８μｍ帯、１．３μｍ帯、１．
５５μｍ帯等の波長を持つ光が使用される。そこで、本
実施の形態の半導体装置１１の構造を用いて、ＳｉＧｅ
エピタキシャル層１４中のＧｅ濃度のピーク値を変えた
ときのフォトダイオードの感度を実際に評価した。その
結果、例えば０．９８μｍ帯の光を用いた時にフォトダ
イオードの感度を実用的なレベルである量子効率１０％
以上とするためには、Ｇｅ濃度のピーク値を少なくとも
８原子重量％以上とする必要がある、ということがわか
った。また、さらに長波長側の光を使用する場合には、
Ｇｅ濃度のピーク値をより高濃度側に設定する必要があ
ることがわかった。
【００１９】以下、本発明の第２の実施の形態を図４お
よび図５を参照して説明する。図４（ａ）は本実施の形
態の半導体装置の断面図であって、この半導体装置２０
も第１の実施の形態と同様、メサ構造のフォトダイオー
ド部を有しているが、光吸収層として、ＳｉＧｅエピタ
キシャル層に代えて、Ｓｉ／ＳｉＧｅ超格子層を用いた
点が第１の実施の形態と異なっている。なお、図４にお
いて図１と共通の構成要素については同一の符号を付
す。
よび図５を参照して説明する。図４（ａ）は本実施の形
態の半導体装置の断面図であって、この半導体装置２０
も第１の実施の形態と同様、メサ構造のフォトダイオー
ド部を有しているが、光吸収層として、ＳｉＧｅエピタ
キシャル層に代えて、Ｓｉ／ＳｉＧｅ超格子層を用いた
点が第１の実施の形態と異なっている。なお、図４にお
いて図１と共通の構成要素については同一の符号を付
す。
【００２０】図４（ａ）に示すように、Ｐ+ 型シリコン
基板１２上に下部シリコン層１３が形成され、その上に
Ｓｉ／ＳｉＧｅ超格子層２１、上部シリコン層１５、Ｎ
+ 型シリコンコンタクト層１６が順次形成されるととも
に、Ｎ+ 型シリコンコンタクト層１６から下部シリコン
層１３の上部までがメサ状の形状となっている。そし
て、これらがシリコン酸化膜１７によって被覆され、コ
ンタクト１８が開口された上で、Ｎ+ 型シリコンコンタ
クト層１６に接するアルミ電極１９が設けられている。
また、光を導入する端面には、シリコンチップを劈開す
ることによって得られる劈開面を用いている。
基板１２上に下部シリコン層１３が形成され、その上に
Ｓｉ／ＳｉＧｅ超格子層２１、上部シリコン層１５、Ｎ
+ 型シリコンコンタクト層１６が順次形成されるととも
に、Ｎ+ 型シリコンコンタクト層１６から下部シリコン
層１３の上部までがメサ状の形状となっている。そし
て、これらがシリコン酸化膜１７によって被覆され、コ
ンタクト１８が開口された上で、Ｎ+ 型シリコンコンタ
クト層１６に接するアルミ電極１９が設けられている。
また、光を導入する端面には、シリコンチップを劈開す
ることによって得られる劈開面を用いている。
【００２１】図４（ｂ）はフォトダイオード部の光吸収
層の深さとＧｅ濃度の関係を示すグラフである。本実施
の形態の半導体装置２０では、第１の実施の形態と異な
り、この図に示すように、Ｓｉ／ＳｉＧｅ超格子層２１
中のＧｅ濃度分布は、Ｇｅ濃度が０のＳｉエピタキシャ
ル層を間に挟み、各ＳｉＧｅエピタキシャル層中のＧｅ
濃度が、その上下のＳｉエピタキシャル層との界面にお
ける濃度が０で、中心部に濃度のピーク値を持つ三角形
型となっている。
層の深さとＧｅ濃度の関係を示すグラフである。本実施
の形態の半導体装置２０では、第１の実施の形態と異な
り、この図に示すように、Ｓｉ／ＳｉＧｅ超格子層２１
中のＧｅ濃度分布は、Ｇｅ濃度が０のＳｉエピタキシャ
ル層を間に挟み、各ＳｉＧｅエピタキシャル層中のＧｅ
濃度が、その上下のＳｉエピタキシャル層との界面にお
ける濃度が０で、中心部に濃度のピーク値を持つ三角形
型となっている。
【００２２】次に、この半導体装置２０の製造工程につ
いて図５を用いて説明する。まず、図５（ａ）に示すよ
うに、Ｐ+ 型シリコン基板１２上に下部シリコン層１３
を約１．０μｍ成長させた後、ＳｉＧｅエピタキシャル
層の膜厚の中央まではＧｅ濃度が単調に増加し、そこか
らはＧｅ濃度が単調に減少する濃度分布となるように、
ＳｉＧｅエピタキシャル層を成長させる。そして、この
ＳｉＧｅエピタキシャル層とＳｉエピタキシャル層を例
えば５０ｎｍずつ交互に２０〜４０層程度成長させる
と、図４（ｂ）に示した濃度分布を持つ約１．０〜２．
０μｍ厚のＳｉ／ＳｉＧｅ超格子層２１が形成される。
次に、上部シリコン層１５を約１．０μｍ成長させた
後、Ｎ+ 型シリコンコンタクト層１６を成長させる。
いて図５を用いて説明する。まず、図５（ａ）に示すよ
うに、Ｐ+ 型シリコン基板１２上に下部シリコン層１３
を約１．０μｍ成長させた後、ＳｉＧｅエピタキシャル
層の膜厚の中央まではＧｅ濃度が単調に増加し、そこか
らはＧｅ濃度が単調に減少する濃度分布となるように、
ＳｉＧｅエピタキシャル層を成長させる。そして、この
ＳｉＧｅエピタキシャル層とＳｉエピタキシャル層を例
えば５０ｎｍずつ交互に２０〜４０層程度成長させる
と、図４（ｂ）に示した濃度分布を持つ約１．０〜２．
０μｍ厚のＳｉ／ＳｉＧｅ超格子層２１が形成される。
次に、上部シリコン層１５を約１．０μｍ成長させた
後、Ｎ+ 型シリコンコンタクト層１６を成長させる。
【００２３】その後、図５（ｂ）に示すように、フォト
ダイオード部を形成する領域を残すように、表面のＮ+
型シリコンコンタクト層１６から下部シリコン層１３に
達するまでメサ状にエッチングを行い、ついで、全体に
シリコン酸化膜１７を被膜する。そして、Ｎ+ 型シリコ
ンコンタクト層１６上のシリコン酸化膜１７を部分的に
開口した後、上部電極としてアルミ電極１９を形成す
る。その後、光の入射面を出すためにフォトダイオード
部の一部分から劈開することによって、図４（ａ）に示
すような半導体装置２０が完成する。
ダイオード部を形成する領域を残すように、表面のＮ+
型シリコンコンタクト層１６から下部シリコン層１３に
達するまでメサ状にエッチングを行い、ついで、全体に
シリコン酸化膜１７を被膜する。そして、Ｎ+ 型シリコ
ンコンタクト層１６上のシリコン酸化膜１７を部分的に
開口した後、上部電極としてアルミ電極１９を形成す
る。その後、光の入射面を出すためにフォトダイオード
部の一部分から劈開することによって、図４（ａ）に示
すような半導体装置２０が完成する。
【００２４】本実施の形態の半導体装置２０において
も、Ｓｉ／ＳｉＧｅ超格子層２１を設け、Ｓｉエピタキ
シャル層とＳｉＧｅエピタキシャル層の界面からＳｉＧ
ｅエピタキシャル層の中心部に向けてＧｅ濃度が徐々に
増加するような構造になっているため、Ｓｉエピタキシ
ャル層とＳｉＧｅエピタキシャル層の界面における格子
不整合が緩和され、実質的な光吸収層の膜厚が増加する
ことで光の受光断面積が大きくなり、光−電気変換効率
を向上させることができる、といった第１の実施の形態
と同様の効果を得ることができる。
も、Ｓｉ／ＳｉＧｅ超格子層２１を設け、Ｓｉエピタキ
シャル層とＳｉＧｅエピタキシャル層の界面からＳｉＧ
ｅエピタキシャル層の中心部に向けてＧｅ濃度が徐々に
増加するような構造になっているため、Ｓｉエピタキシ
ャル層とＳｉＧｅエピタキシャル層の界面における格子
不整合が緩和され、実質的な光吸収層の膜厚が増加する
ことで光の受光断面積が大きくなり、光−電気変換効率
を向上させることができる、といった第１の実施の形態
と同様の効果を得ることができる。
【００２５】次に、光の閉じ込め効果について考察す
る。図１（ｂ）に示した第１の実施の形態の半導体装置
１１におけるＧｅ濃度と、図４（ｂ）に示した本実施の
形態の半導体装置２０におけるＧｅ濃度のピークが等し
いとすると、光吸収層全体として見たときの層中心部の
屈折率は、本実施の形態の半導体装置２０の方が濃度０
の領域がある分、平均化すると低くなり、光の閉じ込め
効果は弱くなる。しかしながら、本実施の形態のＳｉ／
ＳｉＧｅ超格子構造を用いた方が光吸収層の断面積をよ
り広く取れるため、接続する光ファイバの開口率が広い
場合等に有効な光検出器とすることができる。
る。図１（ｂ）に示した第１の実施の形態の半導体装置
１１におけるＧｅ濃度と、図４（ｂ）に示した本実施の
形態の半導体装置２０におけるＧｅ濃度のピークが等し
いとすると、光吸収層全体として見たときの層中心部の
屈折率は、本実施の形態の半導体装置２０の方が濃度０
の領域がある分、平均化すると低くなり、光の閉じ込め
効果は弱くなる。しかしながら、本実施の形態のＳｉ／
ＳｉＧｅ超格子構造を用いた方が光吸収層の断面積をよ
り広く取れるため、接続する光ファイバの開口率が広い
場合等に有効な光検出器とすることができる。
【００２６】なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態
に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない
範囲において種々の変更を加えることが可能である。例
えば上記実施の形態の半導体装置１１、２０では、フォ
トダイオード部をメサ型の構造としたが、全体が平面状
のプレーナ型の構造としてもよい。その他、光吸収層の
下側、すなわち基板側の導電型をＰ型、上側をＮ型とす
る構造に代えて、基板側をＮ型、上側をＰ型としてもよ
い。
に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない
範囲において種々の変更を加えることが可能である。例
えば上記実施の形態の半導体装置１１、２０では、フォ
トダイオード部をメサ型の構造としたが、全体が平面状
のプレーナ型の構造としてもよい。その他、光吸収層の
下側、すなわち基板側の導電型をＰ型、上側をＮ型とす
る構造に代えて、基板側をＮ型、上側をＰ型としてもよ
い。
【００２７】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
おける第１の効果は、光吸収層を構成するＳｉＧｅエピ
タキシャル層のＧｅ濃度分布を三角形型にしたことによ
って、結晶欠陥を増やすことなく、光吸収層としての実
質的なＳｉＧｅ層の膜厚を増加することができる。その
理由は、界面近傍でのＧｅ濃度が薄いため、格子不整合
は小さく、臨界膜厚が厚くなるからである。そして、そ
の結果、光の閉じ込め効果を充分に維持した状態で受光
面積を大きくできるため、光−電気変換効率を向上させ
ることができる。また、第２の効果は、光吸収層中のＧ
ｅ濃度分布を三角形型にすることで、従来のＢＯＸ型の
超格子層に比べてＳｉＧｅ層の膜厚を厚くしたにもかか
わらず成長時間が短くなり、生産性を向上することがで
きる。
おける第１の効果は、光吸収層を構成するＳｉＧｅエピ
タキシャル層のＧｅ濃度分布を三角形型にしたことによ
って、結晶欠陥を増やすことなく、光吸収層としての実
質的なＳｉＧｅ層の膜厚を増加することができる。その
理由は、界面近傍でのＧｅ濃度が薄いため、格子不整合
は小さく、臨界膜厚が厚くなるからである。そして、そ
の結果、光の閉じ込め効果を充分に維持した状態で受光
面積を大きくできるため、光−電気変換効率を向上させ
ることができる。また、第２の効果は、光吸収層中のＧ
ｅ濃度分布を三角形型にすることで、従来のＢＯＸ型の
超格子層に比べてＳｉＧｅ層の膜厚を厚くしたにもかか
わらず成長時間が短くなり、生産性を向上することがで
きる。
【図１】本発明の第１の実施の形態である半導体装置を
示す、（ａ）断面図、（ｂ）光吸収層の深さとＧｅ濃度
の関係を示す図、である。
示す、（ａ）断面図、（ｂ）光吸収層の深さとＧｅ濃度
の関係を示す図、である。
【図２】同、半導体装置の製造工程を示す断面図であ
る。
る。
【図３】同、半導体装置の屈折率と光強度分布の関係を
示す図である。
示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態である半導体装置を
示す、（ａ）断面図、（ｂ）光吸収層の深さとＧｅ濃度
の関係を示す図、である。
示す、（ａ）断面図、（ｂ）光吸収層の深さとＧｅ濃度
の関係を示す図、である。
【図５】同、半導体装置の製造工程を示す断面図であ
る。
る。
【図６】従来の光検出器の構造およびＧｅ濃度分布の一
例を示す断面図である。
例を示す断面図である。
【図７】従来の光検出器の構造およびＧｅ濃度分布の他
の一例を示す断面図である。
の一例を示す断面図である。
１，６，１２ Ｐ+ 型シリコン基板 ２，７，１３ 下部シリコン層 ３，２１ Ｓｉ／ＳｉＧｅ超格子層 ４，９，１５ 上部シリコン層 ５，１０，１６ Ｎ+ 型シリコンコンタクト層 ８，１４ ＳｉＧｅエピタキシャル層 １１，２０ 半導体装置 １７ シリコン酸化膜 １８ コンタクト １９ アルミ電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 31/10 - 31/119
Claims (6)
- 【請求項１】 シリコン基板上に順次積層された第１の
シリコン層、光吸収層、第２のシリコン層を有するフォ
トダイオード部を含み、光検出器として用いられる半導
体装置において、 前記光吸収層が、単層のシリコン・ゲルマニウム・エピ
タキシャル層で形成され、該シリコン・ゲルマニウム・
エピタキシャル層中のゲルマニウム濃度分布が、層上部
と層下部の各シリコン層との界面での濃度が０であり、
層中央部で濃度のピーク値を持つ三角形型の濃度プロフ
ァイルとなっていることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項２】 シリコン基板上に順次積層された第１の
シリコン層、光吸収層、第２のシリコン層を有するフォ
トダイオード部を含み、光検出器として用いられる半導
体装置において、 前記光吸収層が、シリコン・エピタキシャル層とシリコ
ン・ゲルマニウム・エピタキシャル層が交互に積層され
たシリコン／シリコン・ゲルマニウム超格子層で形成さ
れ、該シリコン／シリコン・ゲルマニウム超格子層を構
成する各シリコン・ゲルマニウム・エピタキシャル層中
のゲルマニウム濃度分布が、層上部と層下部の各シリコ
ン・エピタキシャル層との界面での濃度が０であり、層
中央部で濃度のピーク値を持つ三角形型の濃度プロファ
イルとなっていることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項３】 請求項１または２に記載の半導体装置に
おいて、 前記第１のシリコン層および第２のシリコン層がノンド
ープ層であることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の半
導体装置において、 前記フォトダイオード部がメサ型の構造であることを特
徴とする半導体装置。 - 【請求項５】 請求項１ないし３のいずれかに記載の半
導体装置において、 前記フォトダイオード部がプレーナ型の構造であること
を特徴とする半導体装置。 - 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれかに記載の半
導体装置において、 前記シリコン・ゲルマニウム・エピタキシャル層中のゲ
ルマニウム濃度分布における濃度のピーク値が、少なく
とも８原子重量％以上であることを特徴とする半導体装
置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8066861A JP2748917B2 (ja) | 1996-03-22 | 1996-03-22 | 半導体装置 |
| DE19711506A DE19711506A1 (de) | 1996-03-22 | 1997-03-19 | Halbleitervorrichtung |
| US08/821,926 US5783839A (en) | 1996-03-22 | 1997-03-21 | Semiconductor device having a GESC layer between silicon layers with triangular Ge concentration |
| KR1019970009868A KR100244049B1 (ko) | 1996-03-22 | 1997-03-21 | 반도체 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8066861A JP2748917B2 (ja) | 1996-03-22 | 1996-03-22 | 半導体装置 |
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|---|---|
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ID=13328071
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP8066861A Expired - Fee Related JP2748917B2 (ja) | 1996-03-22 | 1996-03-22 | 半導体装置 |
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| DE (1) | DE19711506A1 (ja) |
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| US6342453B1 (en) * | 1999-12-03 | 2002-01-29 | Applied Materials, Inc. | Method for CVD process control for enhancing device performance |
| JP3546169B2 (ja) * | 2000-05-26 | 2004-07-21 | 三菱重工業株式会社 | 半導体装置及びその製造方法 |
| JP5066321B2 (ja) | 2000-08-04 | 2012-11-07 | 台湾積體電路製造股▲ふん▼有限公司 | モノリシックｏｅｉｃ用埋め込み光電子材料を備えたシリコンウエハ |
| GB2367945B (en) * | 2000-08-16 | 2004-10-20 | Secr Defence | Photodetector circuit |
| US6980748B2 (en) * | 2001-08-30 | 2005-12-27 | International Business Machines Corporation | SiGe or germanium flip chip optical receiver |
| US7453132B1 (en) * | 2002-06-19 | 2008-11-18 | Luxtera Inc. | Waveguide photodetector with integrated electronics |
| GB0216069D0 (en) | 2002-07-11 | 2002-08-21 | Qinetiq Ltd | Photodetector circuits |
| US7329465B2 (en) * | 2004-10-29 | 2008-02-12 | 3M Innovative Properties Company | Optical films incorporating cyclic olefin copolymers |
| US7553687B2 (en) * | 2006-06-28 | 2009-06-30 | Intel Corporation | Dual seed semiconductor photodetectors |
| KR100833498B1 (ko) | 2006-10-19 | 2008-05-29 | 한국전자통신연구원 | 스트레인드 베리드 채널을 구비하는 광소자 |
| JP5197978B2 (ja) * | 2007-03-29 | 2013-05-15 | 住友電工デバイス・イノベーション株式会社 | 光半導体モジュール |
| JP5522503B2 (ja) * | 2008-07-28 | 2014-06-18 | 国立大学法人 東京大学 | 光半導体素子、光電変換素子及び光変調素子 |
| US8592745B2 (en) * | 2009-08-19 | 2013-11-26 | Luxtera Inc. | Method and system for optoelectronic receivers utilizing waveguide heterojunction phototransistors integrated in a CMOS SOI wafer |
| US8680734B2 (en) | 2010-06-11 | 2014-03-25 | Honeywell International Inc. | Compact starter-generator with common core for main and exciter winding |
| FR2974413B1 (fr) | 2011-04-21 | 2014-06-13 | Commissariat Energie Atomique | Detecteur de gaz photoacoustique a cellule de helmholtz |
| TWI838393B (zh) * | 2019-08-19 | 2024-04-11 | 聯華電子股份有限公司 | 具有應力的超晶格作為源極/汲極區的電晶體 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4529455A (en) * | 1983-10-28 | 1985-07-16 | At&T Bell Laboratories | Method for epitaxially growing Gex Si1-x layers on Si utilizing molecular beam epitaxy |
| US4725870A (en) * | 1985-11-18 | 1988-02-16 | American Telephone And Telegraph Company, At&T Bell Laboratories | Silicon germanium photodetector |
| CA1282671C (en) * | 1985-11-18 | 1991-04-09 | John Condon Bean | Device having strain induced region |
| JP2882605B2 (ja) * | 1987-08-27 | 1999-04-12 | テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド | 歪み層超格子構造の連続成長方法 |
| EP0373832A3 (en) * | 1988-12-10 | 1992-03-18 | Canon Kabushiki Kaisha | Semiconductor device and photoelectric conversion apparatus using the device |
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1996
- 1996-03-22 JP JP8066861A patent/JP2748917B2/ja not_active Expired - Fee Related
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1997
- 1997-03-19 DE DE19711506A patent/DE19711506A1/de not_active Withdrawn
- 1997-03-21 US US08/821,926 patent/US5783839A/en not_active Expired - Fee Related
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